CN114288021A - 一种单游离追踪球的监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单游离追踪球监测系统及方法，该系统包括：定位器，安装固定于患者病灶部位；游离追踪球，安装在患者体表上；光学定位追踪设备，用于获取定位器以及游离追踪球的位置信息；处理器，与光学定位追踪设备通信连接，用于处理光学定位追踪设备发送来的位置信息并生成处理结果；显示器，与处理器通信连接，用于可视化显示处理结果。本发明实现在术前及术中实时监测定位器与患者的位置，确保在术前及术中两者的位置发生变化，或其他影响手术及配准精度等状况发生时，能及时告知医生并重新进行导航配准，保证手术的正常实施。

Description

一种单游离追踪球的监测系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种单游离追踪球的监测系统及方法。

背景技术

在骨科AR导航手术中，配准精度尤为重要，因此在术前及术中需要定位器和患者之间保持一个相对静止的状态，从而确保导航配准的精度，目前导航手术技术在术前配准后，医生根据配准后的结果开始实施手术，但在术中可能发生定位器、NDI(光学定位追踪设备300)及患者位置的偏移或遮挡等情况，此时定位器和患者的位置发生了变化，将会降低导航手术系统的定位精度，严重的可能会导致导航手术系统无法正常工作，直接影响医生实施手术。

发明内容

本发明旨在克服上述缺陷，目的在于提供一种单游离追踪球监测系统及方法，在术前及术中实时监测定位器与患者的位置，实现精准的位置追踪。

为实现达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种单游离追踪球的监测系统，其特征在于，包括：定位器，安装固定于患者病灶部位；游离追踪球，安装在患者体表上；光学定位追踪设备，用于获取定位器以及游离追踪球的位置信息；处理器，与光学定位追踪设备通信连接，用于处理光学定位追踪设备发送来的位置信息并生成处理结果；显示器，与处理器通信连接，用于可视化显示处理结果。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测系统中，还可以具有这样的特征：其中，定位器包括固定装置、连接机构、定位架以及红外反光球；固定装置具有齿形夹钳，齿形夹钳上设置有锁紧旋钮；连接机构的下端头连接在固定装置上，定位架安装在连接机构的上端头；定位架上设有安装位，红外反光球嵌入安装在安装位内。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测系统中，还可以具有这样的特征：其中，安装位为至少四个。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测系统中，还可以具有这样的特征：其中，连接机构为多段万向节。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测系统中，还可以具有这样的特征：其中，游离追踪球包括被动红外追踪球、连接杆及固定底座；固定底座的底面设置有黏胶层；连接杆的下端连接在固定底座上；被动红外追踪球安装在连接杆的上端。

本发明提供还一种单游离追踪球的监测方法，该方法采用上述监测系统进行，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将定位器固定于患者病灶部位，将游离追踪球固定于患者体表，确保红外反光球、被动红外追踪球同时被光学定位追踪设备所识别，将此识别到的红外反光球以及被动红外追踪球的位置信息作为第一位置信息，根据第一位置信息以及光学定位追踪设备的位置生成第一坐标系；

步骤S2，通过光学定位追踪设备实时获取定位器和游离追踪球在第一坐标系中的第一位置信息以及游离追踪球的数量信息，并将实时获取的第一位置信息和数量信息发送至处理器；

步骤S3，通过处理器检测所获取的第一位置信息和数量信息是否满足预定监测条件，当存在不满足预定监测条件时，则判定监测失败，进入步骤S4；当满足预定监测条件时，则进入步骤S5；

步骤S4，通过处理器发送失败指令至显示器，提示失败原因作为调整操作的参考；

步骤S5，通过处理器执行单球监测算法，从而判断定位器与游离追踪球是否保持相对静止状态，并将结果通过显示器显示，实现对定位器与游离追踪球位置的实时监测。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S3中预定监测条件包括如下三个条件，当三个条件均满足则视为满足预定监测条件，当存在任意一个条件不满足则视为不满足预定监测条件：

条件1：监测游离追踪球数量是否受到干扰，具体判断规则为通过游离追踪球的数量信息判断游离追踪球的数量是否等于1，当不等于1时，则判定未满足条件1；

条件2：监测定位器及游离追踪球是否同时被光学定位追踪设备所识别，具体判断规则为通过是否完整接收到定位器及游离追踪球第一位置信息判断监测定位器及游离追踪球是否同时被光学定位追踪设备所识别，当第一位置信息有缺失时，则判定未满足条件2；

条件3：监测定位器、游离追踪球及光学定位追踪设备的相对位置是否发生变化，具体判断规则为通过第一位置信息判断相对位置是否发生变化，当定位器、游离追踪球及光学定位追踪设备间的相对位置发生变化时，则判定未满足条件3。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S5中单球监测算法具体包括以下步骤：

步骤S101，对定位器与游离追踪球在第一坐标系中的相对位置信息进行0-100帧的累计，在帧数累计的过程中，计算每一帧下定位器与游离追踪球之间的距离值A，同时计算每相邻两帧之间的距离值之差，并将获取的距离值之差与处理器中的第一预设误差范围进行对比；

当距离值之差＞第一预设误差范围的上限时，则单球监测算法终止运行，并通过处理器发送失败指令至显示器，提示失败原因作为调整操作的参考；

当距离值之差位于第一预设误差范围之间时，则判定定位器与游离追踪球在第一坐标系中发生了相对移动，则帧数归零，重新累计，直到累计过程中每相邻两帧之间的距离值之差均＜第一预设误差范围的下限，累计达100帧时，则进入步骤S102；

步骤S102，当帧数累计读取至100帧时，则判定定位器与游离追踪球之间保持相对静止状态，同时计算出0-100帧之间的距离均值M；

步骤S103，完成0-100帧之间的距离值累计后，继续读取定位器与游离追踪球在第一位坐标系下每一帧的位置信息，同时计算出定位器与游离追踪球之间每一帧的距离值B，并将距离值B与距离均值M进行对比，计算两者误差值：

误差值H＝|距离值B-距离均值M|

根据误差值H与第二预设误差范围的比对结果，通过处理器生成预警信号，同时处理器将所获得的第二位置信息与第一位置信息做对比，确定发生位移的对象，最终通过显示器进行提示。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S101中第一预设误差范围为0.2mm-0.4mm。

进一步地，在本发明提供的单游离追踪球的监测方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S103中第二预设误差范围为0.1mm-0.2mm。

本发明的作用和效果：

本发明提供的单游离追踪球的监测系统及方法，其操作简便、监测准确。该监测系统中定位架、连接杆机构、固定装置采用螺栓连接，方便组装及替换，便于携带，单游离追踪球采用一体化设计，结构简单，监测软件实现了自动化监控，通过计算和比对数据来判断定位器和患者的位置，同时搭配显示器实现提醒及可视化功能。通过本发明的监测系统及方法可实现在术前及术中实时监测定位器与患者的位置，确保在术前及术中两者的位置发生变化，或其他影响手术及配准精度等状况发生时，能及时告知医生并重新进行导航配准，保证手术的正常实施。

附图说明

图1是本发明实施例中的单游离追踪球的监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的定位器的结构示意图；

图3是本发明实施例中的游离追踪球的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的技术方案作具体阐述。

<实施例>

如图1所示,本实施例的一种单游离追踪球的监测系统包括：定位器100、游离追踪球200、光学定位追踪设备300、处理器400及显示器500。图1中标号1表示患者。

定位器100用于安装固定于患者病灶部位。如图2所示,定位器100包括固定装置104、连接机构103、定位架102以及红外反光球101。固定装置104具有齿形夹钳，齿形夹钳上设置有锁紧旋钮。连接机构103由多段万向节组成，每段万向节连接处均设有锁紧旋钮。连接机构103的下端头通过螺栓连接在固定装置上，定位架102通过螺栓安装在连接机构的上端头。定位架102上设有安装位，用于安装红外反光球，安装位可以是槽型、孔型或其他适合的形状。安装位为至少四个，在本实施例中如图2所示，定位架102呈菱形状，在四个顶角位置对应设置有四个安装位。红外反光球101嵌入安装在安装位内。

游离追踪球200用于安装在患者体表上。如图3所示，游离追踪球200包括被动红外追踪球201、连接杆202及固定底座203。固定底座203的底面设置有黏胶层。连接杆202的下端连接在固定底座上，连接杆202的上端设置有安装位，连接杆202与固定底座203为一体结构。被动红外追踪球201可拆卸内嵌安装在连接杆上端的安装位中。一个游离追踪球200中设有一个被动红外追踪球201。

光学定位追踪设备300用于获取定位器100以及游离追踪球200的位置信息。处理器400与光学定位追踪设备300通信连接，用于处理光学定位追踪设备300发送来的位置信息并生成处理结果。显示器500与处理器400通信连接，用于可视化显示处理结果。

本实施例还提供一种单游离追踪球的监测方法，该监测方法采用上述单游离追踪球的监测系统进行，该方法包括如下步骤：

步骤S1：将定位器100固定于患者病灶部位，将游离追踪球200固定于患者体表，确保红外反光球101、被动红外追踪球201同时被光学定位追踪设备300所识别，将此识别到的红外反光球以及被动红外追踪球的位置信息作为第一位置信息，根据第一位置信息以及结合光学定位追踪设备300的位置生成第一坐标系。

在本步骤中，安装定位器100时，将齿形夹钳放置于患者手术部位的椎弓根棘突上，通过锁紧旋钮使齿形夹钳固定于椎弓根棘突上，完成安装。安装游离追踪球200为通过黏胶层将游离追踪球200黏贴固定于患者体表上，完成安装。

步骤S2：光学定位追踪设备300发射红外光线，再通过光学定位追踪设备300获取红外反光球101和被动红外追踪球201所反射的红外光线，从而实时获取定位器100和游离追踪球200在第一坐标系中的第一位置信息，同时实时获取游离追踪球200的数量信息，光学定位追踪设备300将实时获取的第一位置信息和数量信息发送至处理器400。

步骤S3：通过处理器400检测所获取的第一位置信息和数量信息是否满足预定监测条件，当存在不满足预定监测条件时，则判定监测失败，进入步骤S4；当满足预定监测条件时，则进入步骤S5。

该预定监测条件包括如下三个条件，当三个条件均满足则视为满足预定监测条件，当存在任意一个条件不满足则视为不满足预定监测条件：

条件1：监测游离追踪球200数量是否受到干扰：

具体判断规则为通过游离追踪球200的数量信息判断游离追踪球200的数量是否等于1，当不等于1时，则判定未满足条件1。

对应未满足条件1导致失败的可能原因：

(1)游离追踪球200被遮挡，此时光学定位追踪设备300所识别到的游离追踪球200数量为0个。

(2)存在其他游离追踪球，此时光学定位追踪设备300所识别到的游离追踪球200数量大于1个。

条件2：监测定位器100及游离追踪球200是否同时被光学定位追踪设备300所识别：

具体判断规则为通过是否完整接收到定位器100及游离追踪球200第一位置信息判断监测定位器100及游离追踪球200是否同时被光学定位追踪设备300所识别，当第一位置信息有缺失时，则判定未满足条件2。

对应未满足条件2导致失败的可能原因：

(1)定位器100被遮挡，此时光学定位追踪设备300无法识别到定位器100。

(2)光学定位追踪设备300被遮挡，此时将无法识别到定位器100及游离追踪球200。

条件3：监测定位器100、游离追踪球200及光学定位追踪设备300的相对位置是否发生变化：

具体判断规则为通过第一位置信息判断相对位置是否发生变化，当定位器100、游离追踪球200及光学定位追踪设备300间的相对位置发生变化时，则判定未满足条件3。

对应未满足条件3导致失败的可能原因：定位器100、游离追踪球200以及光学定位追踪设备300三者中的任意一项的位置发生变化。

步骤S4：通过处理器400发送失败指令至显示器500，提示失败原因作为调整操作的参考。当医生看到失败原因后，根据失败原因提示进行调整，并返回步骤S3进行重新判断，调整到满足预定监测条件为止。

步骤S5：通过处理器400执行单球监测算法，从而判断定位器100与游离追踪球200是否保持相对静止状态，并将结果通过显示器500显示，实现对定位器100与游离追踪球200位置的实时监测。

该单球监测算法具体包括以下步骤：

步骤S101：对定位器100与游离追踪球200在第一坐标系中的相对位置信息进行0-100帧的累计，在帧数累计的过程中，计算每一帧下定位器100与游离追踪球200之间的距离值A，同时计算每相邻两帧之间的距离值之差，并将获取的距离值之差与处理器400中的第一预设误差范围进行对比：

在本实施例中第一预设误差范围为0.2mm-0.4mm。

当距离值之差＞第一预设误差范围的上限时，即距离值之差＞0.4mm，则判定定位器100和/或游离追踪球200的位置发生严重偏移，此时“单球监测算法”将终止运行。同时，通过处理器400发送失败指令至显示器500，提示失败原因作为调整操作的参考，医生需要对定位器100及游离追踪球200进行调整，调整完成后需要返回S3步骤重新进行检查。

当距离值之差位于第一预设误差范围之间时，即0.2mm≤距离值之差≤0.4mm，则判定定位器100与游离追踪球200在第一坐标系中发生了相对移动，则帧数归零，重新累计。直到累计过程中每相邻两帧之间的距离值之差均＜第一预设误差范围的下限，即距离值之差＜0.2mm，累计达100帧时，则进入步骤S102。

步骤S102：当帧数累计读取至100帧时，则判定定位器100与游离追踪球200之间保持相对静止状态，同时计算出0-100帧之间的距离均值M。

步骤S103：完成0-100帧之间的距离值累计后，继续读取定位器100与游离追踪球200在第一位坐标系下每一帧的位置信息，同时计算出定位器100与游离追踪球200之间每一帧的距离值B，并将距离值B与距离均值M进行对比，计算两者误差值：

误差值H＝|距离值B-距离均值M|

将误差值H与第二预设误差范围进行比对，在本实施例中第二预设误差范围为0.1mm-0.2mm。当误差值H在0.1mm-0.2mm之间或大于0.2mm时，通过处理器400生成预警信号，同时处理器400将所获得的第二位置信息与第一位置信息做对比，确定发生位移的对象，最终通过显示器500进行提示。

在“单球监测算法”持续监测过程中，还会导致“单球监测算法”重新累计或终止的情况有：

(1)当误差值H位于第二预设误差范围之间时，即0.1mm≤误差值H≤0.2mm，“单球监测算法”将返回S101步骤，重新对定位器100与游离追踪球200在第一坐标系中的相对第一位置信息进行0-100帧的累计。

(2)当误差值H大于0.2mm时，即误差值H＞0.2mm，“单球监测算法”将终止运行，此时医生需要根据提示对定位器100和/或游离追踪球200调整，调整后返回步骤S1重新操作。

(3)当定位器100、游离追踪球200或光学定位追踪设备300任意一项被遮挡且遮挡时间大于3秒时，“单球监测算法”将终止运行，此时医生需要根据提示对定位器100和/或游离追踪球200进行调整，调整后返回步骤S1重新操作。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单游离追踪球的监测系统，其特征在于，包括：

定位器，安装固定于患者病灶部位；

游离追踪球，安装在患者体表上；

光学定位追踪设备，用于获取所述定位器以及所述游离追踪球的位置信息；

处理器，与所述光学定位追踪设备通信连接，用于处理所述光学定位追踪设备发送来的所述位置信息并生成处理结果；

显示器，与所述处理器通信连接，用于可视化显示所述处理结果。

2.如权利要求1所述的单游离追踪球的监测系统，其特征在于：

其中，所述定位器包括固定装置、连接机构、定位架以及红外反光球；

所述固定装置具有齿形夹钳，所述齿形夹钳上设置有锁紧旋钮；

所述连接机构的下端头连接在所述固定装置上，所述定位架安装在所述连接机构的上端头；

所述定位架上设有安装位，所述红外反光球嵌入安装在所述安装位内。

3.如权利要求2所述的单游离追踪球的监测系统，其特征在于：

其中，所述安装位为至少四个。

4.如权利要求2所述的单游离追踪球的监测系统，其特征在于：

其中，所述连接机构为多段万向节。

5.如权利要求1所述的单游离追踪球的监测系统，其特征在于：

其中，所述游离追踪球包括被动红外追踪球、连接杆及固定底座；

所述固定底座的底面设置有黏胶层；

所述连接杆的下端连接在所述固定底座上；

所述被动红外追踪球安装在所述连接杆的上端。

6.一种单游离追踪球的监测方法，采用如权利要求1～5中任意一项所述的单游离追踪球的监测系统进行，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将定位器固定于患者病灶部位，将游离追踪球固定于患者体表，确保红外反光球、被动红外追踪球同时被光学定位追踪设备所识别，将此识别到的红外反光球以及被动红外追踪球的位置信息作为第一位置信息，根据所述第一位置信息以及所述光学定位追踪设备的位置生成第一坐标系；

步骤S2，通过所述光学定位追踪设备实时获取所述定位器和所述游离追踪球在第一坐标系中的第一位置信息以及游离追踪球的数量信息，并将实时获取的第一位置信息和数量信息发送至处理器；

步骤S3，通过处理器检测所获取的第一位置信息和数量信息是否满足预定监测条件，当存在不满足所述预定监测条件时，则判定监测失败，进入步骤S4；当满足预定监测条件时，则进入步骤S5；

步骤S4，通过处理器发送失败指令至显示器，提示失败原因作为调整操作的参考；

步骤S5，通过处理器执行单球监测算法，从而判断所述定位器与所述游离追踪球是否保持相对静止状态，并将结果通过显示器显示，实现对所述定位器与所述游离追踪球位置的实时监测。

7.如权利要求6所述的单游离追踪球的监测方法，其特征在于：

其中，步骤S3中所述预定监测条件包括如下三个条件，当三个条件均满足则视为满足所述预定监测条件，当存在任意一个条件不满足则视为不满足所述预定监测条件：

条件1：监测游离追踪球数量是否受到干扰，

具体判断规则为通过所述游离追踪球的数量信息判断游离追踪球的数量是否等于1，当不等于1时，则判定未满足条件1；

条件2：监测定位器及游离追踪球是否同时被所述光学定位追踪设备所识别，

具体判断规则为通过是否完整接收到所述定位器及所述游离追踪球第一位置信息判断所述监测定位器及游离追踪球是否同时被所述光学定位追踪设备所识别，当第一位置信息有缺失时，则判定未满足条件2；

条件3：监测所述定位器、所述游离追踪球及所述光学定位追踪设备的相对位置是否发生变化，

具体判断规则为通过第一位置信息判断所述相对位置是否发生变化，当所述定位器、所述游离追踪球及所述光学定位追踪设备间的相对位置发生变化时，则判定未满足条件3。

8.如权利要求6所述的单游离追踪球的监测方法，其特征在于：

其中，步骤S5中单球监测算法具体包括以下步骤：

步骤S101，对定位器与游离追踪球在第一坐标系中的相对位置信息进行0-100帧的累计，在帧数累计的过程中，计算每一帧下定位器与游离追踪球之间的距离值A，同时计算每相邻两帧之间的距离值之差，并将获取的距离值之差与处理器中的第一预设误差范围进行对比；

当距离值之差＞所述第一预设误差范围的上限时，则所述单球监测算法终止运行，并通过处理器发送失败指令至显示器，提示失败原因作为调整操作的参考；

当距离值之差位于所述第一预设误差范围之间时，则判定定位器与游离追踪球在第一坐标系中发生了相对移动，则帧数归零，重新累计，直到累计过程中每相邻两帧之间的距离值之差均＜所述第一预设误差范围的下限，累计达100帧时，则进入步骤S102；

步骤S102，当帧数累计读取至100帧时，则判定所述定位器与所述游离追踪球之间保持相对静止状态，同时计算出0-100帧之间的距离均值M；

步骤S103，完成0-100帧之间的距离值累计后，继续读取所述定位器与所述游离追踪球在第一位坐标系下每一帧的位置信息，同时计算出所述定位器与所述游离追踪球之间每一帧的距离值B，并将距离值B与距离均值M进行对比，计算两者误差值：

误差值H＝|距离值B-距离均值M|

根据误差值H与第二预设误差范围的比对结果，通过处理器生成预警信号，同时处理器将所获得的所述第二位置信息与所述第一位置信息做对比，确定发生位移的对象，最终通过显示器进行提示。

9.如权利要求8所述的单游离追踪球的监测方法，其特征在于：

其中，步骤S101中所述第一预设误差范围为0.2mm-0.4mm。

10.如权利要求8所述的单游离追踪球的监测方法，其特征在于：

其中，步骤S103中所述第二预设误差范围为0.1mm-0.2mm。

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