CN114305683A - 一种手术器具注册设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术器具注册设备及方法，所述注册设备包括底座、V形块、手术器械夹持装置、被动反光标记点角度调整装置和光学追踪设备，其中：所述底座的一端安装有V型块，另一端安装有被动反光标记点角度调整装置；所述手术器械夹持装置放置在V型块上；所述手术器械夹持装置包括被动反光标记夹持座和夹持座，被动反光标记夹持座和夹持座将手术器械夹住；所述被动反光标记点角度调整装置包括被动反光标记点块，手术器械的末端紧靠在被动反光标记点块上；所述双目光学追踪设备安装在底座一旁。本发明以简单一次性高精度获取末端点与追踪点之间的坐标关系，能够避免传统方法中由于人工标定过程中操作失误产生较大误差。

Description

一种手术器具注册设备及方法

技术领域

本发明属于医疗器具领域，涉及一种手术器具注册设备及方法。

背景技术

手术导航系统的一个重要部分是手术注册，包括手术器械的注册。手术器械注册就是把手术器械在空间的实际位置和三维模型中的虚拟位置进行精确配准的过程。注册算法和注册精度直接影响整个导航系统的精度，而手术器械尖端坐标获取的精度直接影响手术器械注册的精度。因此，操作方便、计算准确的尖端坐标获取方法才能满足导航系统的需要。

获取尖端位置的方法有多种，一种方法是借助一个类似手柄的面板，该面板上安装有标志点，手术器械注册时，把其尖端放置在面板上的标志点处，通过定位系统得到面板上的标志点坐标，进而变换得到尖端的三维坐标。该方法操作方便，但是标志点有一定的尺寸大小，不是绝对的一个点，这就带来很大的误差。还有一种比较常用的方法是注册过程中绕着尖端旋转手术器械，在旋转过程中，同一个标志点在各个位置处的坐标是符合球面方程的，尖端处在球心位置，通过计算球面方程来确定尖端位置。该方法和其他方法一样，需要进行一定次数的迭代运算。迭代运算首先需要确定迭代变量，迭代变量的确定对于最终的计算结果影响很大，如果最初迭代变量选取不合适，可能会导致迭代过程不收敛，有时还会陷入局部最小；其次需要建立迭代关系式，迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，如果迭代关系式建立不恰当，则会导致错误的结果；最后需要对迭代过程进行控制，设置迭代结束条件，如果对迭代过程的控制不够合理，得到的结果不仅误差大，而且效率低。在人工操作中有可能因为失误造成尖端点发生偏移造成较大误差。

发明内容

为了避免传统方法中由于人工标定过程中操作失误产生较大误差，本发明提供了一种手术器具注册设备及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种手术器具注册设备，包括底座、V形块、手术器械夹持装置、被动反光标记点角度调整装置和光学追踪设备，其中：

所述底座的一端安装有V型块，另一端安装有被动反光标记点角度调整装置；

所述手术器械夹持装置放置在V型块上；

所述手术器械夹持装置包括被动反光标记夹持座和夹持座，被动反光标记夹持座上面安装有四个被动反光标记点，被动反光标记夹持座和夹持座将手术器械夹住；

所述被动反光标记点角度调整装置包括被动反光标记点块，被动反光标记点块上安装有四个被动反光标记点，手术器械的末端紧靠在被动反光标记点块上；

所述双目光学追踪设备安装在底座一旁。

一种利用上述设备进行手术器具注册的方法，包括如下步骤：

步骤一、通过光学追踪设备获取被动反光标记点块表面四个被动反光标记点B₁、B₂、B₃、B₄的三维空间坐标分别为b₁、b₂、b₃、b₄，以及同时获取被动反光标记夹持座上四个被动反光标记点A₁、E₂、E₃、E₄三维空间坐标，选取其中一个被动反光标记点A₁的坐标为a₁，其余分别为e₂、e₃、e₄；

步骤二、在保持手术器械顶住被动反光标记点块的同时旋转手术器械，在转动一定角度后获取被动反光标记夹持座上同一被动反光标记点A₁的坐标为a₂，再转动一定角度获取被动反光标记夹持座上同一被动反光标记点A₁的坐标为a₃，通过计算获得a₁、a₂中间点坐标a₁₂和a₂、a₃中间点坐标a₂₃，计算公式为：

a₁₂＝(a₁+a₂)/2；

a₂₃＝(a₂+a₃)/2；

向量

为A₁平面方向向量，向量

为A₂平面方向向量，进而求得平面A₁、平面A₂方程表达式为：

A₁平面是以向量

为平面方向向量，且a₁₂在平面上所形成的平面，

A₂平面是以向量

为平面方向向量，且a₂₃在平面上所形成的平面；

步骤三、获得A₁平面与A₂平面后，进而获得两平面交线C₁C₂的数学方程表达式：

C₁C₂为手术器械旋转的轴心线；

由于b₁、b₂、b₃、b₄在同一平面上，获得平面B法向量：

B平面表达式：

直线C₁C₂与平面B交于C₂点，进而求得C₂空间坐标，公式为：

由于C₂点为手术器具末端点，进而获得手术器具末端点

步骤四、以a₁为新坐标原点，新坐标系E中X₁轴为

Z₁轴为

Y₁轴为

由公式E＝T×D求得T，其中D为原坐标系，新C₂点坐标点可得：c_new＝T×c₂，进而求得末端点与新坐标系E之间的空间关系。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明以简单一次性高精度获取末端点与追踪点之间的坐标关系，能够避免传统方法中由于人工标定过程中操作失误产生较大误差。

2、采集数据数量没有统一标准会影响末端点数据获取，本发明的方法所需数据量极小并通过适当计算即可获得高精度结果。

3、传统计算方式首先需要确定迭代变量，迭代变量的确定对于最终的计算结果影响很大，如果最初迭代变量选取不合适，可能会导致迭代过程不收敛，有时还会陷入局部最小；其次需要建立迭代关系式，迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，如果迭代关系式建立不恰当，则会导致错误的结果；最后需要对迭代过程进行控制，设置迭代结束条件，如果对迭代过程的控制不够合理，得到的结果不仅误差大，而且效率低。本发明的方法计算过程明确简单，与传统方法相比减少大量不可控计算因素，在保证获取高精度结果的同时，大大提高计算效率。

4、本发明的方法可对多种手术器具进行注册，具有一定的通用性。

附图说明

图1为注册设备整体使用图；

图2为V形块；

图3为手术器械夹持装置；

图4为被动反光标记点角度调整装置；

图5为手术器械注册原理图；

图6为新坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

本实施例提供了一种手术器具注册装备，如图1和2所示，所述装备包括底座1、V形块2、轴向调节块3、固定压条4、手术器械夹持装置5、被动反光标记点角度调整装置6和光学追踪设备7，其中：

所述底座1的一端设置有滑槽，V型块2安装在滑槽内，可以通过滑槽进行一定范围的滑动；

所述V型块2的上表面设置有V型槽和固定压条4，侧面设置有轴向调节块3；

所述V型槽夹角为90°，此时两面垂直，便于加工和控制精度；

所述手术器械夹持装置5放置在V型块2的V型槽内，通过轴向调节块3和固定压条4紧靠在V型块上，并可以调整旋转角度；

所述被动反光标记点角度调整装置6安装在底座1的另一端上，并具有回转和俯仰两个自由度；

所述双目光学追踪设备7安装在底座1一旁。

如图3所示，所述手术器械夹持装置5包括被动反光标记夹持座5-1和夹持座5-2，其中：被动反光标记夹持座5-1上面安装有四个被动反光标记点，夹持座5-2上设置有与手术器械5-3同轴的圆形弧面。被动反光标记夹持座5-1和夹持座5-2通过螺丝将手术器械5-3夹住，并且夹持座5-2上的圆形弧面与手术器械5-3具有很高的同轴。

如图4所示，所述被动反光标记点角度调整装置6由回转连接件6-1、俯仰件6-2和被动反光标记点块6-3组成，其中：被动反光标记点块6-3上安装有四个被动反光标记点，被动反光标记点块6-3安装在俯仰件6-2上，俯仰件6-2安装在回转连接件6-1上，回转连接件6-1安装在底座1上。

使用时，将V型块2和被动反光标记点角度调整装置6安装在底座1上，通过螺丝固定。将手术器械夹持装置5放置在V型块2上的V型槽中，并根据手术器械5-3的长度调整V型块2的位置，使手术器械的末端靠近被动反光标记点角度调整装置6。V型块2上安装有轴向调节块3和固定压条4，轴向调节块3上有一螺纹孔，可以通过此螺纹孔安装顶丝或者螺丝来小范围推动手术器械夹持装置5并起到轴向固定作用，目的是使手术器械5-3的末端紧靠在被动反光标记点角度调整装置6中的被动反光标记点块6-3上。固定压条4可以将手术器械夹持装置5紧靠在V型块2上，并在手术器械夹持装置5小范围转动时起到固定作用。

将双目光学追踪设备7安装在底座1一旁，将双目对准被动反光标记点块6-3和被动反光标记夹持座5-1，若上位机中找不到所有的标记点，调整被动反光标记点角度调整装置6和手术器械夹持装置5的位置，直到上位机中找到所有的标记点，记录数据。然后通过固定压条4和轴向调节块3将手术器械夹持装置5小范围旋转一个角度，再次记录数据。

实施例2：

本实施例提供了一种手术器具注册方法，如图5和图6所示，所述方法包括如下步骤：

步骤一、通过光学追踪设备获取被动反光标记点块表面四个被动反光标记点B₁、B₂、B₃、B₄的三维空间坐标分别为b₁、b₂、b₃、b₄，以及同时获取被动反光标记夹持座上四个被动反光标记点A₁、E₂、E₃、E₄三维空间坐标，选取其中一个被动反光标记点A₁的坐标为a₁，其余分别为e₂、e₃、e₄；

步骤二、在保持手术器械顶住被动反光标记点块的同时旋转手术器械，在转动一定角度后获取被动反光标记夹持座上同一被动反光标记点A₁的坐标为a₂，再转动一定角度获取被动反光标记夹持座上同一被动反光标记点A₁的坐标为a₃，通过计算获得a₁、a₂中间点坐标a₁₂和a₂、a₃中间点坐标a₂₃，计算公式为：

a₁₂＝(a₁+a₂)/2；

a₂₃＝(a₂+a₃)/2；

向量

为A₁平面方向向量，向量

为A₂平面方向向量，进而求得平面A₁、平面A₂方程表达式为：

A₁平面是以向量

为平面方向向量，且a₁₂在平面上所形成的平面，

A₂平面是以向量

为平面方向向量，且a₂₃在平面上所形成的平面；

步骤三、获得A₁平面与A₂平面后，进而获得两平面交线C₁C₂的数学方程表达式：

C₁C₂为手术器械旋转的轴心线；

由于b₁、b₂、b₃、b₄在同一平面上，获得平面B法向量：

B平面表达式：

直线C₁C₂与平面B交于C₂点，进而求得C₂空间坐标，公式为：

由于C₂点为手术器具末端点，进而获得手术器具末端点

步骤四、以a₁为新坐标原点，新坐标系E中X₁轴为

Z₁轴为

Y₁轴为

由公式E＝T×D求得T，其中D为原坐标系，新C₂点坐标点可得：c_new＝T×c₂，进而求得末端点与新坐标系E之间的空间关系。

Claims (7)

1.一种手术器具注册设备，其特征在于所述注册设备包括底座、V形块、手术器械夹持装置、被动反光标记点角度调整装置和光学追踪设备，其中：

所述底座的一端安装有V型块，另一端安装有被动反光标记点角度调整装置；

所述手术器械夹持装置放置在V型块上；

所述手术器械夹持装置包括被动反光标记夹持座和夹持座，被动反光标记夹持座上面安装有四个被动反光标记点，被动反光标记夹持座和夹持座将手术器械夹住；

所述被动反光标记点角度调整装置包括被动反光标记点块，被动反光标记点块上安装有四个被动反光标记点，手术器械的末端紧靠在被动反光标记点块上；

所述双目光学追踪设备安装在底座一旁。

2.根据权利要求1所述的手术器具注册设备，其特征在于所述所述底座上设置有滑槽，V型块安装在滑槽内。

3.根据权利要求1所述的手术器具注册设备，其特征在于所述所述V型块的上表面设置有V型槽和固定压条，侧面设置有轴向调节块，手术器械夹持装置通过轴向调节块和固定压条紧靠在V型槽内。

4.根据权利要求3所述的手术器具注册设备，其特征在于所述所述V型槽夹角为90°。

5.根据权利要求1所述的手术器具注册设备，其特征在于所述所述夹持座上设置有与手术器械同轴的圆形弧面。

6.根据权利要求1所述的手术器具注册设备，其特征在于所述被动反光标记点角度调整装置还包括回转连接件、俯仰件，被动反光标记点块安装在俯仰件上，俯仰件安装在回转连接件上，回转连接件安装在底座上。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述注册设备进行手术器具注册的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、通过光学追踪设备获取被动反光标记点块表面四个被动反光标记点B₁、B₂、B₃、B₄的三维空间坐标分别为b₁、b₂、b₃、b₄，以及同时获取被动反光标记夹持座上四个被动反光标记点A₁、E₂、E₃、E₄三维空间坐标，选取被动反光标记点A₁的坐标为a₁，被动反光标记点E₂、E₃、E₄的坐标分别为e₂、e₃、e₄；

步骤二、在保持手术器械顶住被动反光标记点块的同时旋转手术器械，在转动一定角度后获取被动反光标记夹持座上同一被动反光标记点A₁的坐标为a₂，再转动一定角度获取被动反光标记夹持座上同一被动反光标记点A₁的坐标为a₃，通过计算获得a₁、a₂中间点坐标a₁₂和a₂、a₃中间点坐标a₂₃，计算公式为：

a₁₂＝(a₁+a₂)/2；

a₂₃＝(a₂+a₃)/2；

向量

为A₁平面方向向量，向量

为A₂平面方向向量，进而求得平面A₁、平面A₂方程表达式为：

A₁平面是以向量

为平面方向向量，且a₁₂在平面上所形成的平面，

A₂平面是以向量

为平面方向向量，且a₂₃在平面上所形成的平面；

步骤三、获得A₁平面与A₂平面后，进而获得两平面交线C₁C₂的数学方程表达式：

C₁C₂为手术器械旋转的轴心线；

由于b₁、b₂、b₃、b₄在同一平面上，获得平面B法向量：

B平面表达式：

直线C₁C₂与平面B交于C₂点，进而求得C₂空间坐标，公式为：

由于C₂点为手术器具末端点，进而获得手术器具末端点

步骤四、以a₁为新坐标原点，新坐标系E中X₁轴为

Z₁轴为

Y₁轴为

由公式E＝T×D求得T，其中D为原坐标系，新C₂点坐标点可得：c_new＝T×c2，进而求得末端点与新坐标系E之间的空间关系。

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