CN114587593B - 一种手术导航定位系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种快速注册方法与使用该方法的手术导航定位系统；该注册方法使用部分标定球进行粗注册，然后基于粗注册，使用更多的标定球进行精注册，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

一种手术导航定位系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种手术导航定位系统和一种快速注册方法。

背景技术

手术导航定位系统（包括手术导航系统，定位导航机器人等）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。

在手术导航定位系统辅助的手术中，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

本申请提供了一种手术导航定位系统，包括：定位追踪模块，执行设备，标定模块，和主机；

所述标定模块中设置有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：

获得所述标定模块上所述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标定模块；

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，获得所述m个定位球在世界坐标系中的坐标之前，还可以进行以下步骤：将执行设备的末端连接标定模块，将标定模块移动到能够被成像设备成像的位置，并保持标定模块位置不变。

可选地，本发明的系统还可以包括医学成像设备，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。

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作为基准建立的坐标系。

可选的，所述世界坐标系是以所述执行设备、所述执行设备的一部分、或所述执行设备的附件作为基准建立的坐标系。

所述执行设备为机械臂或连接结构，机械臂可以是主动或被动的多轴机械臂，例如6轴、7轴机械臂等，连接结构可以是任意能保持标定模块在期望位置的机械结构，例如连杆、万向结、支架、弧形轨道等。执行注册过程中，执行设备的末端连接标定模块，将标定模块移动到能够被成像设备成像的位置，并保持标定模块位置不变。

所述标定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。

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个定位球的标定模块，并获得所述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，获得所述m个定位球在世界坐标系中的坐标之前，还可以进行以下步骤：将执行设备的末端连接标定模块，将标定模块移动到能够被成像设备成像的位置，并保持标定模块位置不变。

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，使用标定模块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、标定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、标定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定位系统的示意图；

图2为本发明另一个实施例提供的手术导航定位系统的示意图；

图3为本发明一个实施例中标定模块的示意图；

图4为图3所示标定模块的第一二维图像；

图5为图3所示标定模块的第二二维图像；

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。

红外追踪装置-10，主机-20，执行设备-30，标定模块-40。

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定位系统，其包括：定位追踪模块，执行设备，标定模块，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；

执行设备可以是连接结构或者机械臂，例如六轴或七轴机器臂，机械臂还可以安装有力传感和动力结构，接受主机发送的命令进行运动；连接结构可以是任意能保持标定模块在期望位置的机械结构，例如万向结、支架、弧形轨道等。

可选地，本发明的系统还可以包括医学成像设备，医学成像设备可以是CT、C臂、O臂、X光机等。

标定模块设置有至少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；

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：

执行设备的末端连接标定模块，保持标定模块位置不变，获得所述标定模块上所述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标定模块；

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定位系统，其包括红外追踪装置10，主机20，六轴机械臂30，和标定模块40；

六轴机械臂安装有力传感和动力结构，接受主机发送的命令进行运动，标定模块可安装在六轴机械臂末端，可以由六轴机械臂改变标定模块的空间位置；

标定模块设置有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；

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：

将六轴机械臂30的末端与标定模块40连接，保持标定模块40位置不变，使用红外追踪装置获得所述标定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。

实施例1的系统还可以包括C型臂作为医学成像装置。

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、机器人坐标系、机械臂或者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定位系统，其包括红外追踪装置10，主机20，连杆30，和标定模块40；

连杆30是能够将标定模块40固定在预期位置的机械装置；

标定模块设置有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；

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：

将连杆30的末端与标定模块40连接，保持标定模块40位置不变，使用红外追踪装置获得所述标定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标定模块；

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。

实施例2的系统还可以包括O型臂作为医学成像装置。

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、机器人坐标系、机械臂或者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

参照图3-图6，本实施例提供一种注册方法，包括以下步骤：

将标定模块安装在六轴机械臂末端，六轴机械臂将标定模块移动到预期位置，例如手术部位附近，并保持标定模块位置不变；其中，标定模块设置有16个定位球，16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，参见图3；

使用红外追踪装置获得所述标定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、机器人坐标系、机械臂或者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4

参照图3-图6，本实施例提供又一种注册方法，包括以下步骤：

将标定模块安装在连杆末端，通过连杆将标定模块固定到预期位置，并保持标定模块位置不变；其中，标定模块设置有16个定位球，16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，参见图3；

使用红外追踪装置获得所述标定模块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、机器人坐标系、机械臂或者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 (10)

1.一种手术导航定位系统，其特征在于，包括：定位追踪模块，执行设备，标定模块，和主机；

所述标定模块中设置有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：

获得所述标定模块上所述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标定模块；

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所述的手术导航定位系统，其特征在于，还包括所述医学成像设备。

3.如权利要求1所述的手术导航定位系统，其特征在于，所述世界坐标系是以定位追踪模块为基准建立的坐标系。

4.如权利要求1所述的手术导航定位系统，其特征在于，所述世界坐标系是以病人参考架作为基准建立的坐标系。

5.如权利要求1所述的手术导航定位系统，其特征在于，所述世界坐标系是以医学成像设备作为基准建立的坐标系。

6.如权利要求1所述的手术导航定位系统，其特征在于，所述世界坐标系是以所述执行设备、所述执行设备的一部分、或所述执行设备的附件作为基准建立的坐标系。

7.如权利要求6所述的手术导航定位系统，其特征在于，所述执行设备能够将所述标定模块保持在期望的位置。

8.如权利要求1所述的手术导航定位系统，其特征在于，所述标定模块至少设置有两个定位球安装平面。

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

10.一种快速注册方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用设置有m个定位球的标定模块，并获得所述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。

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