CN113796959A - 体表动态定位装置和光学跟踪装置 - Google Patents

体表动态定位装置和光学跟踪装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种体表动态定位装置和光学跟踪装置，装置包括若干个定位结构，所述定位结构用于与导航定位系统配合定位；若干个体表定位带，所述体表定位带为软性结构，所述若干个定位结构依次通过所述体表定位带连接，所述体表定位带(3)的长度各不相同。本发明采用了一种柔性的体表定位带，具有好的生物相容性，同时兼具良好的皮肤吸附能力；一方面在保证整体各个反光小球的基本形状固定的同时，另一方面因为是软性材质，各个反光小球之间又可以独立运动，当体表定位带贴合与皮肤体表时，各个反光小球之间可以动态地随体表运动，这样便可以动态追踪体表皮肤的运动幅度，从而实现动态的导航定位，解决了当前刚体定位装置只能静态追踪的问题。

Description

体表动态定位装置和光学跟踪装置
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体而言，涉及一种体表动态定位装置和光学跟踪装置。
背景技术
手术导航定位系统可通过光学跟踪的方式来实现定位，系统中设有配套的光学跟踪装置，该装置中设有反光小球，光学系统通过追踪反光小球来实现对目标的实时跟踪定位。
在目前临床使用的手术导航定位系统中，跟踪装置通常为刚性结构，比如在骨科和神经外科领域，会把跟踪装置固定在骨骼或者头颅框架上，与手术部位保持贴合，导航定位系统通过追踪对应的跟踪装置来实现对手术部位的定位。
对于胸腹部位置，由于人的呼吸运动，体表是实时运动的。申请人发现这种运动会导致定位产生偏差。对于穿刺术来说，需要先在术前根据CT图像确定穿刺路径，然后在术中按照预定的穿刺路径实施穿刺，但是受到人体呼吸导致体表起伏的影响，实际的穿刺路径可能会与预定穿刺路径不同，本申请将其称之为配准误差。而由于现有技术中跟踪装置的各追踪点之间是刚性连接，无法实时反映体表运动状态，导致配准误差进一步增大，增加了医生实施穿刺术的难度。
针对现有技术中刚性跟踪装置无法实时反映体表运动状态导致配准误差进一步增大的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种体表动态定位装置和光学跟踪装置，以解决目前的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术：
本发明第一方面提供一种体表动态定位装置，包括
若干个定位结构，所述定位结构用于与导航定位系统配合定位；
若干个体表定位带，所述体表定位带为软性结构，所述若干个定位结构依次通过所述体表定位带连接。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述体表定位带的底面与所述定位结构的底面平齐。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述体表定位带为具有弹性的软性结构。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述体表定位带为硅胶带。
本发明第二方面提供一种光学跟踪装置，包括
两个以上反光小球组件，所述反光小球组件用于与手术导航定位系统配合定位；
若干个体表定位带，所述体表定位带为软性结构，所述体表定位带数量与所述反光小球组件数量相同，两个以上所述反光小球组件依次通过所述体表定位带连接形成闭环。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述体表定位带的底面与所述定位结构的底面平齐。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述体表定位带为具有弹性的软性结构。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述体表定位带为硅胶带。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述反光小球组件设为五个，相应地，所述体表定位带为五个。
作为本发明的一种实施方案，优选地，所述反光小球组件包括：
体表基座，用于连接所述体表定位带，所述体表基座的底面与其连接的所述体表定位带的底面平齐，所述体表基座成型有限位槽；
小球固定座，用于安装所述反光小球，所述小球固定座安装到所述限位槽中；
反光小球，用于装配到所述小球固定座上；
小球固定柱，插入到所述小球固定座中以固定所述小球固定座和所述体表基座。
与现有技术相比较，本发明能够带来如下技术效果：
本实施例通过采用具有弹性的软性体表定位带，一方面在保证由若干个定位结构构成的整体定位结构的基本形状固定，另一方面由于是软性材质，各个定位结构之间又可以独立运动。这样的好处在于，当体表定位带贴合与皮肤体表时，各个定位结构之间可以动态的随体表运动，这样便可以动态追踪体表皮肤的运动幅度，从而实现动态的导航定位，解决了当前刚体定位装置只能静态追踪的问题；此外，各个体表定位带的长度不同，使得体表动态定位装置的任意一对的定位结构(追踪点)之间的间距不同，这样光学导航定位系统可以通过追踪点间距离不一致进行匹配，即可确定对应匹配的点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的光学跟踪装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中的体表定位装置的配准方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
体表动态定位装置布置在人体体表，配合导航定位系统使用，例如光学导航定位系统中的双目摄像机可以采集体表动态定位装置的定位结构(追踪点)位置，从而精确确定人体位置。
如图1所示，本实施例提供一种体表动态定位装置，用于配合光学导航定位系统使用，但是需要说明的是导航定位系统不限于光学导航定位系统，还可以是光导航定位系统、蓝牙定位系统、超宽带UWB定位系统等。本实施例提供的体表动态定位装置，包括若干个定位结构和若干个体表定位带3。其中，
体表定位带3为软性结构，所述若干个定位结构依次通过所述体表定位带3连接。在本实施例中，所述体表定位带3的长度各不相同，作用是使得体表动态定位装置的任意一对的定位结构(追踪点)之间的间距不同，这样光学导航定位系统可以通过追踪点间距离不一致进行匹配，即可确定对应匹配的点。利用任意一对定位结构的间距不同确定对应匹配点的方法将在下文详细阐述。
本实施例提供的软性连接的体表动态定位装置，克服了现有技术中刚性的体表定位装置存在的无法实时反映体表动态状态的缺陷。
进一步地，本实施例的体表定位带3为具有弹性的软性结构。作为体表定位带3的优选实施方式，在本实施例中，所述体表定位带3采用硅胶带。但应当理解的是，凡是具有弹性的软性材质制成的体表定位带3均应属于本发明的保护范围之内。使用时，因此体表定位带3为软性结构，采用硅胶制作，具有良好的生物相容性，具有较好的吸附力，在人体上可以灵活调整，所以体表定位带3两端连接的定位结构可以适应于体表，可以贴合肌肤。
为了保证本实施例的体表动态定位装置放置到相应的人体表面时能够更好地贴合人体表面，提高体表动态定位的精度，在本实施例中，将体表定位带3的底面与所述定位结构的底面平齐，使得体表定位带3和定位结构的底面和体表贴合而不留间隙。此外，将体表定位带3的底面与所述定位结构的底面平齐还便于后续采用医用胶带对体表定位带3进行固定，然后便于开展实时的追踪定位。
若干个定位结构依次通过所述体表定位带3连接，体表定位带3在定位结构上的固定连接方式可以是卡接或者热熔粘接或者是其他固定连接方式，本处不做限制。
本实施例通过采用具有弹性的软性体表定位带，一方面在保证由若干个定位结构构成的整体定位结构的基本形状固定，另一方面由于是软性材质，各个定位结构之间又可以独立运动。这样的好处在于，当体表定位带贴合与皮肤体表时，各个定位结构之间可以动态的随体表运动，这样便可以动态追踪体表皮肤的运动幅度，从而实现动态的导航定位，解决了当前刚体定位装置只能静态追踪的问题。
实施例2
光学跟踪装置布置在人体体表，因此也可称之为体表定位装置。手术导航系统中的双目摄像机可以采集光学跟踪装置的位置，从而精准确定人体位置以及要实施穿刺的位置。
如图1所示，本实施例提供一种光学跟踪装置，用于配合光导航定位系统使用，光导航定位系统可以是红外光学导航定位系统，也可以是可见光导航定位系统，本实施例的光学跟踪装置可以通用。具体的，本实施例的光学跟踪装置包括两个以上反光小球组件和若干个体表定位带3。
反光小球组件用于与手术导航定位系统配合定位。反光小球组件用于手术导航定位系统配合定位的工作原理属于本领域的公知技术，在此不做赘述。
若干个体表定位带3为软性结构，体表定位带3数量与反光小球组件数量相同，两个以上反光小球组件依次通过体表定位带3连接形成闭环，各体表定位带3的长度各不相同，作用是使得体表动态定位装置的任意一对的反光小球组件(追踪点)之间的间距不同，这样光学导航定位系统可以通过追踪点间距离不一致进行匹配，即可确定对应匹配的点。利用任意一对定位结构的间距不同确定对应匹配点的方法将在下文详细阐述。
作为本申请的光学跟踪装置的优选实施例，在本实施例中，反光小球组件设置为5组，相应地，体表定位带3设置为5条。应当理解的是，根据实际需求的不同，本领域技术人员还可以采用3组、4组、6组、7组反光小球组件，相应地，体表定位带3的数量为3条、4条、6条、7条。
本实施例中的反光小球组件设置为5组。经过实验发现，5组球能兼顾精度和效率的要求，简化结构和算法。
如图1所示，5组反光小球组件，每2组反光小球组件通过1条体表定位连接，5组反光小球组件依次通过体表定位带连接形成闭环。
本实施例通过采用软性体表定位带，一方面在保证由若干个定位结构构成的整体定位结构的基本形状固定，另一方面由于是软性材质，各个定位结构之间又可以独立运动。这样的好处在于，当体表定位带贴合与皮肤体表时，各个定位结构之间可以动态的随体表运动，这样便可以动态追踪体表皮肤的运动幅度，从而实现动态的导航定位，解决了当前刚体定位装置只能静态追踪的问题。
为了进一步提高动态定位效果，在本实施例中，体表定位带3为具有弹性的软性结构。优选地，在本实施例中，体表定位带3采用硅胶带。但应当理解的是，凡是具有弹性的软性材质制成的体表定位带3均应属于本申请的保护范围之内。体表定位带3为软性结构，采用硅胶制作，具有良好的生物相容性，具有较好的吸附力，在人体上可以灵活调整，所以体表定位带3两端连接的定位结构可以适应于体表，可以贴合肌肤。
为了保证本实施例的体表动态定位装置放置到相应的人体表面时能够更好地贴合人体表面，提高体表动态定位的精度，在本实施例中，将体表定位带3的底面与定位结构的底面平齐，使得体表定位带3和定位结构的底面和体表贴合而不留间隙。此外，将体表定位带3的底面与定位结构的底面平齐还便于后续采用医用胶带对体表定位带3进行固定，然后便于开展实时的追踪定位。
反光小球组件与体表定位带3的连接方式可以是卡接、螺纹连接或者热熔粘接或者是其他固定连接方式，作为本申请的优选实施例，在本实施例中，反光小球组件包括：
体表基座5，用于连接体表定位带3，体表基座5的底面与其连接的体表定位带3的底面平齐，体表基座5成型有限位槽6；
体表基座5为圆柱结构，用于连接体表定位带3，体表基座5和体表定位带3数量一致，依次相互连接，构成一个闭环；体表定位带3连接在体表基座5的外侧面上，同时，为了贴合皮肤，体表基座5的底面与其连接的体表定位带3的底面平齐；
同时，在体表基座5的顶面成型有限位槽6，用来安装小球固定座2；
小球固定座2，用于安装反光小球1，小球固定座2安装到限位槽6中，其结构和限位槽6相匹配；
小球固定柱4，插入到小球固定座2中以固定小球固定座2和体表基座5。小球固定柱4可以为螺栓等组件，将限位槽6槽底打通，小球固定柱4从下方插入和配合在限位槽6内的小球固定座2连接即可。连接方式可以是同时在小球固定座2的底面设置螺纹孔，小球固定柱4从通孔进入而旋入小球固定座2底面设置的螺纹孔中。
利用手术导航系统和上述光学跟踪装置可以追踪人体呼吸动作。本发明实施例提供一种体表定位装置的配准方法，该方法可以由计算机或服务器等电子设备执行，如图2所示该方法包括如下步骤：
S1，获取布置于体表的光学跟踪装置中各个跟踪点的图像空间坐标。本实施例所述跟踪点可以但不限于是上述实施例中的反光小球。具体地，在术前可以通过如计算机断层扫描方式对佩戴着光学跟踪装置的人体部位进行扫描，从而得到CT图像数据(三维)，然后在其中识别各个跟踪点的位置，得到其在CT图像数据中的空间坐标，称之为图像空间坐标，此数据为静态值。在具体实施例中，光学跟踪装置有5个跟踪点，图像空间坐标记为Q＝[q1,q2,q3,q4,q5]，其中q1…q5表示5个跟踪点的三维坐标。
S2，采集定位装置根据光学跟踪装置中各个跟踪点的当前位置所生成的手术空间坐标。具体地，在术中可通过定位装置(导航双目摄像机)追踪各个跟踪点的当前位置，得到其在手术空间中的坐标，称之为手术空间坐标，由于人体的呼吸起伏会导致光学跟踪装置运动，因此手术空间坐标是随人的呼吸发生变化的动态值。在具体实施例中，光学跟踪装置有5个跟踪点，手术空间坐标记为P＝[p1,p2,p3,p4,p5]，其中p1…p5表示5个跟踪点的三维坐标。
S3，根据图像空间坐标和手术空间坐标，确定各个跟踪点在图像空间和手术空间中的对应关系，并计算旋转矩阵和/或平移矩阵。光学跟踪装置的各个跟踪点的图像坐标和手术空间坐标的排列是无序的，为了进行实时跟踪配准，则需要识别两个空间中各个跟踪点的对应关系。光学跟踪装置的各个跟踪点中任意2个点的两两距离都不同，这样通过点间距离的不一致进行匹配，即可确定对应匹配的点。由于CT设备和双目摄像机对同一目标的扫描和拍摄方位不同，在确定上述对应关系后，还需要计算旋转矩阵和/或平移矩阵。针对两个坐标系计算旋转矩阵和平移矩阵的算法属于公知常识，本申请不再赘述。
S4，根据各个跟踪点的图像空间坐标、旋转矩阵和/或平移矩阵计算光学跟踪装置的配准误差数据。这一配准误差数据，用于表征当前(术中)人体呼吸体态与术前进行CT扫描时的人体呼吸体态的匹配度，例如误差数据越小则越匹配，具体计算方法有多种，比如可以分别针对每个跟踪点计算配准误差数据，然后取其中最大值、最小值、平均值等等。
根据本发明实施例提供的体表定位装置的配准方法，所计算出的配准误差数据可以量化表达人体呼吸体态与术前进行CT扫描时的人体呼吸体态的匹配度，由此可以让医生在合适的时机实施穿刺术，确保实际的穿刺路径与预定的穿刺路径一致，降低穿刺术的难度，提高手术效率。
在优选的实施例中，针对柔性材料制成的体表定位带，上述步骤S4中具体利用如下方式计算配准误差数据FRE：
Figure BDA0003227518190000121
其中n表示跟踪点的数量(比如n＝5)，qi表示第i个跟踪点的图像空间坐标，R表示平移矩阵，T表示旋转矩阵。利用本方案计算出的配准误差数据准确性较高，能够更准确地反映出术中体表的呼吸起伏状态与术前扫描图像时的呼吸起伏状态差异。
关于上述步骤S3中手术空间中的跟踪点与图像空间中的跟踪点的匹配方式，本申请提供一种优选匹配方法：
S31，分别计算手术空间中两两跟踪点的距离和图像空间中两两跟踪点的距离。以5个跟踪点为例，手术空间中的第i个跟踪点与其它跟踪点的距离(欧式距离)记为dpi＝[‖pi-p1‖…‖pi-p5‖]，其中i＝1…5；图像空间中的第i个跟踪点与其它跟踪点的距离记为dqi＝[‖qi-q1‖…‖qi-q5‖]，其中i＝1…5。
由此可以得到图像空间中各个跟踪点的距离矩阵DQ和手术空间中各个跟踪点的距离矩阵DP，DP＝[dp1 dp2 dp3 dp4 dp5]、DQ＝[dq1 dq2 dq3 dq4 dq5]。
S32，根据距离矩阵DQ和距离矩阵DP计算其中每一列的距离得到误差矩阵M。作为优选的实施例，可以先分别对间距矩阵DQ和间距矩阵DP进行升序排列,得到新的矩阵
Figure BDA0003227518190000131
和
Figure BDA0003227518190000132
然后再分别计算升序排列后的两个矩阵中每一列的距离mij，计算公式如下：
mij＝‖dpj-dqi‖
其中dpj表示距离矩阵DQ中的第j列，dqi示距离矩阵DP中的第i列。计算出两个矩阵中各列的距离组成误差矩阵M。
S33，根据误差矩阵M中各列中最小元素确定各个跟踪点在图像空间和手术空间中的对应关系。对于5个跟踪点，得到的误差矩阵M为5*5维矩阵，寻找矩阵M中每一列中的最小元素，比如第j列中第i个元素是最小的，则代表点集P中第j个跟踪点pj与点集Q中第i个跟踪点qi是匹配的，这样即可得到两个点集中全部跟踪点的匹配对应关系。
基于上述实施例，本发明另一实施例提供了一种穿刺引导系统，包括定位装置(双目摄像机和处理器等)、穿刺装置(机械臂和穿刺针握持结构件等)和光学跟踪装置，该穿刺引导系统被配置为执行包括以下内容的操作：
利用上述实施例的配准方法，实时计算穿刺对象的至少一个呼吸周期内的配准误差数据，其中图像空间坐标为固定值，手术空间坐标随穿刺对象呼吸时的体表起伏发生变化，使得配准误差数据为动态值；
由此可以得到配准误差数据FRE随着时间周期性变化的误差曲线，该误差曲线变化的时间周期即对应人的呼吸周期。在一个呼吸周期中，当误差值最小时，则代表人当前的呼吸状态与术前扫描图像的呼吸状态最匹配。
确定配准误差数据的最小值对应的时刻，并以此引导穿刺动作。在穿刺装置对准穿刺部位时，系统便可以根据配准误差数据引导医生进行穿刺，从而有效地减少由于呼吸变形引起的定位误差。具体的引导动作可以是通过声音提醒，比如用声音来提示当前时刻的配准误差值的大小，或者是当配准误差数据小于预设阈值时发出声音提醒，以提醒医生在合适的时机将穿刺针插入人体。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种体表动态定位装置，其特征在于，包括
若干个定位结构，所述定位结构用于与导航定位系统配合定位；
若干个体表定位带(3)，所述体表定位带(3)为软性结构，所述若干个定位结构依次通过所述体表定位带(3)连接，所述体表定位带(3)的长度各不相同。
2.根据权利要求1所述的体表动态定位装置，其特征在于，所述体表定位带(3)的底面与所述定位结构的底面平齐。
3.根据权利要求1所述的体表动态定位装置，其特征在于，所述体表定位带(3)为具有弹性的软性结构。
4.根据权利要求3所述的体表动态定位装置，其特征在于，所述体表定位带(3)为硅胶带。
5.一种光学跟踪装置，其特征在于，包括
两个以上反光小球组件，所述反光小球组件用于与手术导航定位系统配合定位；
若干个体表定位带(3)，所述体表定位带(3)为软性结构，所述体表定位带(3)数量与所述反光小球组件数量相同，两个以上所述反光小球组件依次通过所述体表定位带(3)连接形成闭环，所述体表定位带(3)的长度各不相同。
6.根据权利要求5所述的光学跟踪装置，其特征在于，所述体表定位带(3)的底面与所述定位结构的底面平齐。
7.根据权利要求5所述的光学跟踪装置，其特征在于，所述体表定位带(3)为具有弹性的软性结构。
8.根据权利要求7所述的光学跟踪装置，其特征在于，所述体表定位带(3)为硅胶带。
9.根据权利要求5所述的光学跟踪装置，其特征在于，所述反光小球组件设为五个，相应地，所述体表定位带(3)为五个。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的光学跟踪装置，其特征在于，所述反光小球组件包括：
体表基座(5)，用于连接所述体表定位带(3)，所述体表基座(5)的底面与其连接的所述体表定位带(3)的底面平齐，所述体表基座(5)成型有限位槽(6)；
小球固定座(2)，用于安装所述反光小球(1)，所述小球固定座(2)安装到所述限位槽(6)中；
反光小球(1)，用于装配到所述小球固定座(2)上；
小球固定柱(4)，插入到所述小球固定座(2)中以固定所述小球固定座(2)和所述体表基座(5)。
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