CN114587592B - 一种手术导航系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种手术导航系统；包括定位追踪模块，医学成像设备，标定组件，和主机，该系统可以使用部分定位球进行粗注册，然后基于粗注册，再使用更多的定位球进行精注册，完成二维图像到三维空间的注册，简化了计算，提高了效率，适用于多种环境。

Description

一种手术导航系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种手术导航系统和一种注册方法。

背景技术

手术导航系统的蓬勃发展，对于神经外科、骨科等手术方法起到了良好的辅助作用，改进了手术法，微创手术减少了对病患造成的伤害，缩短了手术时间，减轻了医师的工作量。

在手术导航系统辅助的手术中，将医学影像空间坐标系和现实空间坐标系建立对应关系，从而将医生在影像空间计划的手术路径映射到现实空间中的方法称为注册，注册是手术导航的关键步骤，注册的精准与否直接关系到导航定位的精度，同时，病人注册流程中操作的便捷程度也直接影响了手术的整体耗时。

与脊柱相关的手术需要术前和术中的配准，为了降低辐射剂量，通常直接使用椎骨的2D图像来完成与三维空间的注册，但是由于脊柱受到人体呼吸运动影响，持续的不断发生微小位移，以及脊椎骨的复杂结构在CT或X光影像中受分辨率和清晰度、以及识别错误等影响，注册的精度受到影响，继而影响手术导航的精度，此外，该方法计算复杂，难度大，耗时较长。

发明内容

为解决以上问题中的全部或部分，本申请提供了一种手术导航系统，包括：定位追踪模块，医学成像设备，标定组件，和主机；

所述标定组件包括定位模块，所述定位模块设置有m个定位球，所述定位球能够在医学成像设备中成像，m为大于6的自然数；

所述主机中含有计算机设备，所述计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

获得所述定位模块上所述m个定位球在世界坐标系中的坐标；

接收利用医学成像设备分别在第一位置和第二位置采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环圈定n个定位球，n为大于5的自然数，且n小于m，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的定位球，利用所述套环进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于k个定位球在所述三维空间中的坐标，k为大于n且小于等于m的自然数，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中所述k个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得所述k个定位球的模板(mask)，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取所述k个定位球的圆心，然后使用所述k个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置或者第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与所述世界坐标系进行注册。

进一步地，标定组件在获得二维图像期间保持空间位置不变，优选地，在所述注册方法进行期间保持空间位置不变。

保持标定组件空间位置不变的方法可以为将标定组件与患者脊柱棘突固定连接；或者使用绷带等将患者固定，让后将标定组件连接绷带；采集二维图像期间保持标定组件相对于患者的空间位置不变。

医学成像设备可以是CT、C臂、O臂、X光机等；定位球包含不透过X射线的材料，例如可以是钢珠。

定位追踪模块可以使用现有各种装置，例如光学追踪模块或电磁追踪模块，进一步地光学追踪模块可以使用可见光或红外光进行追踪，例如使用NDI红外追踪装置等。

使用套环(即第一套环和第二套环)进行第一次注册，可以使用套环的圆心或者从套环中提取小球的模板进行。

优选地，在第一二维图像中和第二二维图像中使用套环圈定定位球具有优化约束条件：套环的圆心位于定位球的模板内。

第一套环、第二套环、和第三套环的直径可以相同也可以不同。

m为大于6的自然数，例如m可是选自以下的任意数值：8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30......100等，优选为大于12的自然数。

n为大于等于6且小于m的自然数，例如m可是选自以下的任意数值：6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30......m-1，优选为大于等于6且小于12的自然数。

k为大于等于n且不大于m的自然数，例如m可是选自以下的任意数值：7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30......m，优选为大于12的自然数，最优选为k＝n。

世界坐标系可以是以不同的参考系作为基准建立坐标系。

可选的，世界坐标系是以定位追踪模块为基准建立的坐标系。

可选的，世界坐标系是以病人参考架作为基准建立的坐标系。

可选的，世界坐标系是以医学成像设备所述医学成像设备的一部分、或所述医学成像设备的附件作为基准建立的坐标系。

定位模块设置有第一定位球安装平面和第二定位球安装平面。

进一步地，设置在所述第一定位球安装平面的定位球和设置在第二定位球安装平面的定位球在二维图像中不重叠。

可选的，所述m个定位球具有特定的排列关系。

可选地，定位模块还设置有追踪单元，追踪单元的数量大于2，定位追踪模块可以通过追踪单元获得定位模块的空间位置，追踪单元可以有多种结构，追踪单元可以是主动或被动结构，例如反光球、LED灯等，只要能够被追踪模块追踪即可。

可选地，所述标定组件还包追踪模块，所述追踪模块包括支架和追踪单元，追踪模块通过支架与定位模块连接，使用时保持固定的空间位置关系，追踪单元使得定位追踪模块可以获得追踪模块的空间位置，继而可以获得定位模块的空间位置，追踪单元可以有多种结构，追踪单元可以是主动或被动结构，例如反光球、LED灯等，只要能够被追踪模块追踪即可。

本发明的第二方面提供了一种快速注册方法，包括以下步骤：

使用设置有m个定位球的标定组件，将所述标定组件设置在可以被医学成像设备成像的位置，然后获得所述m个定位球在世界坐标系中的坐标，m为大于6的自然数；

接收利用医学成像设备分别在第一位置和第二位置采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述标定组件；

在所述第一二维图像中使用第一套环圈定n个定位球，n为大于5的自然数，且n小于m，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的定位球，利用所述套环进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于k个定位球在所述三维空间中的坐标，k为大于n且小于等于m的自然数，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中所述k个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得所述k个定位球的模板(mask)，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取所述k个定位球的圆心，然后使用所述k个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置或者第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与所述世界坐标系进行注册。

可选地，所述世界坐标系可以选自以下任一：

以定位追踪模块为基准建立的坐标系；

以病人参考架作为基准建立的坐标系；

以医学成像设备作为基准建立的坐标系；

以所述医学成像设备的一部分或所述医学成像设备的附件作为基准建立的坐标系。

可选地，所述标定组件的定位模块上还设置有追踪单元；或者所述标定组件还包追踪模块，所述追踪模包括支架和追踪单元，如前所述。

进一步地，标定组件在获得二维图像期间保持空间位置不变，优选地，在所述注册方法进行期间保持空间位置不变。

保持标定组件空间位置不变的方法可以为将标定组件与患者脊柱棘突固定连接；或者使用绷带等将患者固定，让后将标定组件连接绷带；采集二维图像期间保持标定组件相对于患者的空间位置不变。

本发明实施例的创新点包括：

1、本发明实施例中，使用部分定位球进行粗注册，然后使用全部定位球进行精注册，减少了人工圈定的定位球数量，提高了效率，两次注册提高了注册精度。

2、本发明实施例中，使用标定组件完成三维与二维的配准，计算难度降低，计算速度提高，计算时间减少。

3、定位模块包含两个安装平面，定位球具有特定的排列关系，降低圈定定位球的出错概率。

4、定位模块提高了系统的适用范围，可以满足不同基准建立的世界坐标系的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。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为本发明一个实施例提供的手术导航系统的示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的手术导航系统的示意图；

图3为本发明一个实施例中标定组件的示意图；

图4为本发明一些实施例提供的标定组件的第一二维图像；

图5为本发明一些实施例提供的标定组件的第二二维图像；

图6为本发明一个实施例中，精配准后在第一二维图像中选定所有的定位球的示意图。

图7为本发明另一个实施例中标定组件的示意图；

图8为图3所示的标定组件在一种使用方式下的示意图；

图9为图3所示的标定组件在另一种使用方式下的示意图；

图10为图7所示的标定组件在一种使用方式下的示意图；

图11为图7所示的标定组件在另一种使用方式下的示意图；

附图标记：

红外追踪装置-10，主机-20，C臂-301，O臂-302，标定组件-40，定位模块401，定位球-4011，追踪模块-402，反光球-4021，连接结构-50，棘突-60，绷带-70。

具体实施方式

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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明公开了一种手术导航系统，其包括：定位追踪模块，医学成像设备，标定组件，和主机；

定位追踪模块可以选择光学追踪模块或电磁追踪模块，进一步地光学追踪模块可以使用可见光或红外光进行追踪，例如使用NDI红外追踪装置；

可选地，本发明的系统的医学成像设备可以是CT、C臂、O臂、X光机等。

标定组件包括定位模块，定位模块设置有至少m定位球，m为大于6的自然数；定位球分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠；进一步地，定位球具有特定的排列关系，可以被容易的识别顺序；

定位模块还设置有追踪单元，追踪单元的数量大于2，此时，定位模块也是追踪模块，定位追踪模块可以通过追踪单元获得定位模块的空间位置，追踪单元可以有多种结构，追踪单元可以是主动或被动结构，例如反光球、LED灯等，只要能够被追踪模块追踪即可。

可选地，所述标定组件还包追踪模块，所述追踪模块包括支架和追踪单元，追踪模块通过支架与定位模块连接，使用时保持固定的空间位置关系，追踪单元使得定位追踪模块可以获得追踪模块的空间位置，继而可以获得定位模块的空间位置，追踪单元可以有多种结构，追踪单元可以是主动或被动结构，例如反光球、LED灯等，只要能够被追踪模块追踪即可。

保持标定组件空间位置不变的方法可以为将标定组件与患者脊柱棘突固定连接；或者使用绷带等将患者固定，让后将标定组件连接绷带；获取二维图像期间保持相对于患者的空间位置不变。

所述主机中含有计算机设备，所述计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

获得所述定位模块上所述m个定位球在世界坐标系中的坐标；

接收利用医学成像设备分别在第一位置和第二位置采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环圈定n个定位球，n为大于5的自然数，且n小于m，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的定位球，利用所述套环进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；根据所述第一转换关系，基于k个定位球在所述三维空间中的坐标，所述k为大于n且小于等于m的自然数，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中所述k个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得所述k个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取所述k个定位球的圆心，然后使用所述k个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置或者第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与所述世界坐标系进行注册。

实施例1

参见图1，本发明公开了一种手术导航系统，其包括红外追踪装置10，主机20，C臂301，和标定组件40；

标定组件包括定位模块，定位模块设置有23个定位球，23个定位球分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，定位模块还设置有4个追踪单元；

主机中含有计算机设备，计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

使用红外追踪装置获得所述定位模块上所有定位球在红外追踪装置坐标系下的坐标，使用红外追踪装置坐标系作为世界坐标系；

接收利用C臂301分别在第一观察方向和第二观察方向下采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环任意圈定6个定位球，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的6个定位球，第一套环和第二套环的圆心位于圈定的定位球的模体之内，利用所述套环的圆心坐标进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于23个定位球在所述三维空间中的坐标，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中23个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得23个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取23个定位球的圆心，然后使用23个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与红外追踪装置坐标系进行注册。

本领域技术人员可以理解，红外追踪装置坐标系可以替换或转换为其他坐标系，例如病人坐标系、红外追踪装置可获得的坐标系等，这些等同方案也包含在本发明的范围内。

实施例2

参见图2，本发明公开了一种手术导航系统，其包括红外追踪装置10，主机20，O臂302，和标定组件40；

标定组件包括定位模块，定位模块设置有23个定位球，23个定位球分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，定位模块还设置有4个追踪单元；

主机中含有计算机设备，计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

使用红外追踪装置获得所述定位模块上所有定位球在红外追踪装置坐标系下的坐标，使用红外追踪装置坐标系作为世界坐标系；

接收利用O臂分别在第一观察方向和第二观察方向下采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环任意圈定6个定位球，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的6个定位球，第一套环和第二套环的圆心位于圈定的定位球的模体之内，在套环中提取小球的模板，得到小球模板的球心进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于21个定位球在所述三维空间中的坐标，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中21个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得21个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取21个定位球的圆心，然后使用21个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与红外追踪装置坐标系进行注册。

本领域技术人员可以理解，红外追踪装置坐标系可以替换或转换为其他坐标系，例如病人坐标系、红外追踪装置可获得的坐标系等，这些等同方案也包含在本发明的范围内。

实施例3

参见图1、图3和图8，本发明公开了一种手术导航系统，其包括红外追踪装置10，主机20，C臂301，和标定组件40；

标定组件40包括定位模块401，定位模块设置有16个定位球4011，16个定位球4011分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，定位模块还设置有4个反光球4021；

主机中含有计算机设备，计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

使用绷带70将患者固定，然后将标定组件40与绷带70连接，保持标定组件40与患者保持相对固定，使用红外追踪装置获得所述定位模块上所有定位球在红外追踪装置坐标系下的坐标，使用红外追踪装置坐标系作为世界坐标系；

接收利用C臂301分别在第一观察方向和第二观察方向下采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环任意圈定6个定位球，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的6个定位球，第一套环和第二套环的圆心位于圈定的定位球的模体之内，利用所述套环的圆心坐标进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于16个定位球在所述三维空间中的坐标，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中16个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得16个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取16个定位球的圆心，然后使用16个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与红外追踪装置坐标系进行注册。

实施例4

参见图1、图3、和图9，示出了本发明的又一种手术导航系统，其包括红外追踪装置10，主机20，C臂301，和标定组件40；

标定组件40包括定位模块401，定位模块设置有16个定位球4011，16个定位球4011分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，定位模块还设置有4个反光球4021；

该实施例与实施例3的区别仅在于，通过使用连接结构50，将标定组件40与脊柱的棘突60连接。

实施例5

参见图2、图7和图10，本发明公开了一种手术导航系统，其包括红外追踪装置10，主机20，O臂302，和标定组件40；

标定组件40包括定位模块401和追踪模块402，定位模块设置有16个定位球4011，16个定位球4011分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，追踪模块402在支架上设置有4个反光球4021，定位模块401通过支架与追踪模块402连接；

主机中含有计算机设备，计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

使用绷带70将患者固定，然后将标定组件40与绷带70连接，保持标定组件40与患者保持相对固定，使用红外追踪装置获得所述定位模块上所有定位球在红外追踪装置坐标系下的坐标，使用红外追踪装置坐标系作为世界坐标系；

接收利用O臂302分别在第一观察方向和第二观察方向下采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环任意圈定6个定位球，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的6个定位球，第一套环和第二套环的圆心位于圈定的定位球的模体之内，利用所述套环的圆心坐标进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于16个定位球在所述三维空间中的坐标，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中16个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得16个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取16个定位球的圆心，然后使用16个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与红外追踪装置坐标系进行注册。

实施例6

参见图2、图7和图11，本发明公开了一种手术导航系统，其包括红外追踪装置10，主机20，O臂302，和标定组件40；

标定组件40包括定位模块401和追踪模块402，定位模块设置有16个定位球4011，16个定位球4011分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，追踪模块402在支架上设置有4个反光球4021，定位模块401通过支架与追踪模块402连接；

该实施例与实施例3的区别仅在于，通过使用连接结构50，将标定组件40与脊柱的棘突60连接。

实施例7

参照图3-图6，本实施例提供一种注册方法，包括以下步骤：

标定组件40通过绷带与治疗目标固定，标定组件40包括定位模块401，定位模块设置有16个定位球4011，16个定位球4011分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，定位模块还设置有4个反光球4021，参见图3；图4-6仅示出定位球，未示出反光球；

使用红外追踪装置获得所述标定组件上所有定位球在红外追踪装置坐标系下的坐标，使用红外追踪装置坐标系作为世界坐标系；

接收C臂分别在第一观察方向和第二观察方向下采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述标定组件；

在所述第一二维图像中使用第一套环任意圈定6个定位球，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的6个定位球，第一套环和第二套环的圆心位于圈定的定位球的模体之内，在套环中提取小球的模板，得到小球模板的球心进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于16个定位球在所述三维空间中的坐标，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中16个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得16个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取16个定位球的圆心，然后使用16个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与红外追踪装置坐标系进行注册。

本领域技术人员可以理解，红外追踪装置坐标系可以替换或转换为其他坐标系，例如病人坐标系、红外追踪装置可获得的坐标系等，这些等同方案也包含在本发明的范围内。

实施例8

参照图4-图7，本实施例提供又一种注册方法，包括以下步骤：

标定组件40通过连接件50与脊柱的棘突60连接，标定组件40包括定位模块401和追踪模块402，定位模块设置有16个定位球4011，16个定位球4011分别设置在两个平面上，在二维影像中不重叠，定位球具有特定的排列关系并且可以被容易的识别顺序，追踪模块402在支架上设置有4个反光球4021，定位模块401通过支架与追踪模块402连接；图4-6仅示出定位模块；

使用红外追踪装置获得所述标定组件上所有定位球在病人坐标系的坐标，使用病人坐标系作为世界坐标系；

接收利用O臂分别在第一观察方向和第二观察方向下采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述标定组件；

在所述第一二维图像中使用第一套环任意圈定6个定位球，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的6个定位球，第一套环和第二套环的圆心位于圈定的定位球的模体之内，在套环中提取小球的模板，得到小球模板的球心进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于16个定位球在所述三维空间中的坐标，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中16个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得16个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取16个定位球的圆心，然后使用16个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与病人坐标系进行注册。

本领域技术人员可以理解，病人坐标系可以替换或转换为其他坐标系，例如红外追踪装置坐标系、红外追踪装置可获得的坐标系等，这些等同方案也包含在本发明的范围内。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种手术导航系统，其特征在于，包括：定位追踪模块，医学成像设备，标定组件，和主机；

所述标定组件包括定位模块，所述定位模块设置有m个定位球，m为大于6的自然数；

所述主机中含有计算机设备，所述计算机设备加载有可以执行以下注册方法的程序：

获得所述定位模块上所述m个定位球在世界坐标系中的坐标；

接收利用医学成像设备分别在第一位置和第二位置采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述定位模块；

在所述第一二维图像中使用第一套环圈定n个定位球，n为大于5的自然数，且n小于m，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的定位球，利用所述第一套环和所述第二套环进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；根据所述第一转换关系，基于k个定位球在所述三维空间中的坐标，所述k为大于n且小于等于m的自然数，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中所述k个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得所述k个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取所述k个定位球的圆心，然后使用所述k个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置或者第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与所述世界坐标系进行注册。

2.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述标定组件在所述注册方法中获得所述二维图像期间保持空间位置不变。

3.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述标定组件的定位模块上还设置有追踪单元。

4.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述标定组件还包追踪模块，所述追踪模包括支架和追踪单元。

5.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述世界坐标系选自以下任一：

以定位追踪模块为基准建立的坐标系；

以病人参考架作为基准建立的坐标系；

以医学成像设备、所述医学成像设备的一部分、或所述医学成像设备的附件作为基准建立的坐标系。

6.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述医学成像设备选自以下任一：C臂、O臂、CT、X光机。

7.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述定位模块至少设置有两个定位球安装平面。

8.如权利要求7所述的手术导航系统，其特征在于，所述定位球具有特定的排列关系。

9.一种手术导航系统的快速注册方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用设置有m个定位球的标定组件，然后获得所述m个定位球在世界坐标系中的坐标，m为大于6的自然数；

接收利用医学成像设备分别在第一位置和第二位置采集的第一二维图像和第二二维图像，所述第一二维图像和第二二维图像均包含所述标定组件；

在所述第一二维图像中使用第一套环圈定n个定位球，n为大于5的自然数，且n小于m，然后在第二二维图像中使用第二套环圈定相应的定位球，利用所述第一套环和所述第二套环进行第一次注册，得到第一转换关系，完成粗注册；

根据所述第一转换关系，基于k个定位球在所述三维空间中的坐标，所述k为大于n且小于等于m的自然数，计算得到所述第一二维图像和第二二维图像中所述k个定位球的理论圆心，并分别标示以所述理论圆心为中心的第三套环，并在所述第一二维图像和第二二维图像中自动获得所述k个定位球的模板，根据模板在所述第一二维图像和第二二维图像中重新提取所述k个定位球的圆心，然后使用所述k个定位球的圆心进行第二次注册，得到第二转换关系，完成精注册；

利用所述第一二维图像、所述第二二维图像和所述第二转换关系，通过三角法，构建出以医学成像设备的第一位置或者第二位置为基坐标的三维坐标系，利用所述三维坐标系与所述世界坐标系进行注册。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述世界坐标系可以选自以下任一：

以定位追踪模块为基准建立的坐标系；以病人参考架作为基准建立的坐标系；以医学成像设备作为基准建立的坐标系；所述医学成像设备的一部分或所述医学成像设备的附件作为基准建立的坐标系。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述标定组件的定位模块上还设置有追踪单元；或者所述标定组件还包追踪模块，所述追踪模包括支架和追踪单元。

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