CN115252131A - 手术工具的位姿信息校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种手术工具的位姿信息校正方法，包括：底座、标准6D探头和固定杆体，所述底座上分别设置有V形安装槽条、安装墩、标准6D探头安装柱和标准6D探头安装槽，所述V形安装槽条用于放置被校正手术工具，所述安装墩位于V形安装槽条和标准6D安装槽之间，所述标准6D安装柱设置在标准6D安装槽中，所述标准6D探头安装在标准6D安装槽中，且与标准6D安装柱相嵌定位，所述安装墩中开设有通孔，所述固定杆体分别穿设在安装墩的通孔和被校正手术工具中，所述安装墩上设置有安装螺钉，所述安装螺钉螺纹贯穿于通孔并与固定杆体抵接。通过获取两个传感器的数值，将被校正手术工具的6D传感器的位姿信息校正到穿刺针安装处。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备的技术领域，具体地，涉及一种手术工具的位姿信息校正方法。
背景技术
随着医疗设备的高速发展，手术定位导航也慢慢普及到各大手术领域，其中就包括介入诊疗穿刺手术，临床医生使用不同的穿刺针进行手术时基本是依靠临床经验按照术前手术规划进行大概位置穿刺，医生无法实时确认针在人体中的具体情况，不仅会增加医生的操作难度，也增大了手术风险,且这种手术对临床医生的穿刺手术经验要求较高。
对于上述问题，可以采用带有定位功能的手术工具，从而在手术中获取手术工具的实时位置，进而提高手术安全性。但是，带有定位功能的手术工具对定位精度要求很高，且在使用过程中需要定期对手术工具的定位装置进行校准，从而满足手术要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种手术工具的位姿信息校正方法。
根据本发明提供的一种手术工具的位姿信息校正方法，包括手术工具的位姿信息校正装置；
所述手术工具位姿信息校正装置包括：底座和标准6D探头，所述底座上分别设置有V形安装槽条，标准6D探头安装槽，所述标准6D探头安装在标准6D探头安装槽中，所述V形安装槽条用于安装被测手术工具，被测手术工具中的校准点与标准6D探头的中心点T1相对位置为(L，W，H)；
校正过程包括以下步骤：
步骤S1：获取标准6D探头的位姿信息T1(Tx1，Ty1,Tz1,Rx1,Ry1,Rz1)，读取被校正手术工具中6D传感器位姿信息T2(Tx2，Ty2，Tz2，Rx2，Ry2，Rz2)；
步骤S2：计算T1和T2的直线距离d；
步骤S3：将T1和T2的位姿信息分别转换为齐次矩阵Tr1和Tr2；
步骤S4：建立以T1的原点的OXYZ直角坐标系：X轴方向向量(Rxx1，Rxy1，Rxz1),Y轴方向向量(Ryx1，Ryy1，Ryz1),Z轴方向向量(Rzx1，Rzy1，Rzz1)；将T1和T2分别直线投影到OXYZ坐标系中，计算T2相对于T1的位置信息(dx,dy,dz)；
步骤S5：计算T2与T1位姿位置偏差，计算T1中姿态X轴(Rxx1，Rxy1，Rxz1)与T2中姿态X轴(Rxx2，Rxy2，Rxz2)夹角θ，计算T1的X轴与T2的X轴形成平面的法向量
(mx,my,mz)；
步骤S6：建立以T2的原点的直角坐标系OXZY1：X轴方向向量(Rxx2，Rxy2，Rxz2),Y轴方向向量(Ryx2，Ryy2，Ryz2),Z轴方向向量(Rzx2，Rzy2，Rzz2),将
法向量投影到坐标系OXYZ1中，得到相对于OXYZ1直角坐标系的点坐标N(0，ny，nz)，此时T1N向量(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)与法向量
同向，即T1中姿态X轴需要绕轴T1N旋转θ与T2中姿态X轴重合；
步骤S7：将T2中姿态X轴绕轴T1N旋转θ得到矩阵Tr2_1，记作点T3；
步骤S8：计算T1中姿态y轴(Ryx1，Ryy1，Ryz1)与T3中姿态Y轴(Ryx2_1，Ryy2_1，Ryz2_1)夹角,旋转轴此时为OXYZ直角坐标系X轴或者T3中姿态X轴；
步骤S9：计算被校正手术工具V形底部最末端点与T2的位姿偏差为(dx-L,dy-W，dz-H)，X轴角度偏差为θ，旋转轴为(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)；Y轴角度偏差为β，旋转轴为X轴绕旋转轴(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)的X轴；得到被校正手术工具中6D传感器的偏移量(dx，dy，dz，θ，β，(0，ny，nz))。
优选地，所述校正装置还包括固定杆体，所述底座上还设置有安装墩，所述安装墩位于V形安装槽条和标准6D安装槽之间，所述安装墩上设置有V形导槽，所述V形导槽距离底座上表面的高度为H，所述固定杆体分别穿设在V形导槽和和被校正手术工具中，使被校正手术工具的校准点与所V形导槽底部的高度一致，所述安装墩上螺纹设置有安装螺钉，所述安装螺钉与固定杆体抵接，所述标准6D探头的测量点位于底座的上表面，标准6D探头的测量点位到V型安装槽条最内侧的距离为L。
优选地，所述标准6D探头上表面中心为预设位姿信息，中心点T1(Tx1，Ty1,Tz1)，其中X轴与V形安装槽条方向一致，Z轴垂直于标准6D探头上表面和底座的上表面，Y轴与X轴方向垂直，与底座的横向方向一致。
优选地，所述固定杆体部分位于被校正手术工具中穿刺针安装处，且固定杆体的安装方向与穿刺针的安装方向一致。
优选地，所述固定杆体与标准6D探头的X轴方向平行。
优选地，所述V形安装槽条上表面的中心线经过标准6D探头的中心点T1。
优选地，所述标准6D安装槽中设置有标准6D安装柱，所述标准6D探头安装在标准6D安装槽中，且与标准6D安装柱相嵌定位。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明中的校正工具用于固定被校正手术工具，通过获取两个传感器的数值，将被校正手术工具的6D传感器的位姿信息校正到穿刺针安装处，从而便于获得穿刺针尖的位置信息，进而实现对手动操作过程的实时监测，降低手术风险，提高手术的安全性与精准性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为被校正手术工具的结构示意图；
图2为本发明手术工具的位姿信息校正装置的结构示意图；
图3为手术工具的位姿信息校正装置与被校正手术工具校准示意图；
图4为手术工具的位姿信息校正装置与被校正手术工具安装后整体示意图；
图5为被校正手术工具的局部安装示意图；
图6为标准6D探头的结构尺寸图。
附图标记说明：
夹具1 V形安装槽条7
V形槽101 安装墩8
校准点102 标准6D探头安装柱9
被测穿刺针2 标准6D探头安装槽10
锁紧螺钉3 安装螺钉11
传感器安装盒4 固定杆体12
6D传感器5 底座13
传感器安装盖6 标准6D探头14
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明公开一种手术工具的位姿信息校正装置，用于校正手术导航辅助定位工具，如图1所示，手术导航辅助定位工具包括：夹具1，所述夹具1上设置有用于固定被测穿刺针2的锁紧螺钉3，所述夹具1的侧面上安装有传感器安装盒4，所述传感器安装盒4中设置有6D传感器5，所述传感器安装盒4远离夹具1的一侧设置有传感器安装盖6。夹具1上开设有截面成U形的凹槽，在夹具1上位于凹槽的一侧面上开设有V形槽101，V形槽101的延伸方向与6D传感器5的Z轴方向保持一致，被测穿刺针2的圆周侧面通过锁紧螺钉3紧密接触V形槽101的两侧面。在手术时需要实时获取穿刺针的针尖位置，因此需要将6D传感器的位置信息校正到V形槽101靠近穿刺针针尖一侧的最低点部位，再根据针尖的长度即可换算出针尖的位置信息。
如图2至图6所示，本发明公开的校正装置包括：底座13、标准6D探头14和固定杆体12，所述底座13上分别设置有V形安装槽条7、安装墩8、标准6D探头安装柱9和标准6D探头安装槽10；
V形安装槽条7用于放置被校正手术工具，确保被校正手术工具中安装穿刺针的底部与底座13上表面的平行度一致，且V形安装槽条7靠内一侧的末端平面或被校正手术工具V形底部最末端距离标准6D探头14上表面圆中心距离为L，确保被校正手术工具的校准点与安装墩8的V形结构最低点高度一致，被校正手术工具V形槽101最低点距底座13上表面高度为H，V形安装槽条7上表面中心线经过标准6D探头14中心。
所述安装墩8位于V形安装槽条7和标准6D安装槽之间，安装墩8用于安装固定杆体12(圆柱体)，安装墩8中开设有通孔，所述固定杆体12分别穿设在安装墩8的通孔和被校正手术工具中，所述安装墩8上设置有安装螺钉11，所述安装螺钉11螺纹贯穿于通孔并与固定杆体12抵接。所述安装墩8上位于通孔中设置有用于固定所述固定杆体12的V形导槽，所述安装螺钉11位于V形导槽的正上方。
所述标准6D安装柱设置在标准6D安装槽中，所述标准6D探头14安装在标准6D安装槽中，且与标准6D安装柱相嵌定位。标准6D探头14上表面中心为预设位姿信息，中心点T1(Tx1，Ty1,Tz1)，其中X轴与V形安装槽条7方向一致，Z轴垂直于标准6D探头14上表面和底座13的上表面，Y轴与X轴方向垂直，与底座13的横向方向一致，通过标准6D探头14将作为参考点对被校正手术工具中的6D传感器进行校准。
固定杆体12部分位于被校正手术工具中穿刺针安装处，且固定杆体12的安装方向与穿刺针的安装方向一致。固定杆体12与标准6D探头14的X轴方向平行。固定杆体12用于确保被校正手术工具不会在V形安装槽条7滑动，并确保被校正手术工具中V形结构末端最低点距工装上平面高度为H。所述V形安装槽条7上表面的中心线经过标准6D探头14的中心点T1。
标准6D探头安装柱9用来安装固定标准6D探头14，保证标准6D探头传感器14中的位置与V形安装槽条7最末端相对位置不变。
标准6D探头14的位姿信息已通过标准校准，传感位姿信息位于探头正表面中心处，在此处建立OXYZ直角坐标系，X轴为V形安装槽条7方向，Y轴与标准6D探头安装柱9两柱连线方向一致，Z轴方向垂直于校准工装上表面，该坐标系与该标准探头中的传感姿态方向一致。
当所有结构固定完成后，读取标准6D探头14的位姿信息T1(Tx1，Ty1,Tz1,Rx1,Ry1,Rz1)和被校正手术工具的6D传感器位姿信息T2(Tx2，Ty2，Tz2，Rx2，Ry2，Rz2)，获取T1和T2位置的位姿的偏差(dx,dy,dz,dRx,dRy,dRz)并存储在存储芯片中。
基于上述的手术工具的位姿信息校正装置，提供手术工具的位姿信息校正方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取标准6D探头14的位姿信息T1(Tx1，Ty1,Tz1,Rx1,Ry1,Rz1)，读取被校正手术工具中6D传感器位姿信息T2(Tx2，Ty2，Tz2，Rx2，Ry2，Rz2)；
步骤S2：计算T1和T2的直线距离d；
步骤S3：将T1和T2的位姿信息分别转换为齐次矩阵Tr1和Tr2；
步骤S4：建立以T1的原点的OXYZ直角坐标系：X轴方向向量(Rxx1，Rxy1，Rxz1),Y轴方向向量(Ryx1，Ryy1，Ryz1),Z轴方向向量(Rzx1，Rzy1，Rzz1)；将T1和T2分别直线投影到OXYZ坐标系中，计算T2相对于T1的位置信息(dx,dy,dz)；
步骤S5：计算T2与T1位姿位置偏差，计算T1中姿态X轴(Rxx1，Rxy1，Rxz1)与T2中姿态X轴(Rxx2，Rxy2，Rxz2)夹角θ，计算T1的X轴与T2的X轴形成平面的法向量
步骤S6：建立以T2的原点的直角坐标系OXZY1：X轴方向向量(Rxx2，Rxy2，Rxz2),Y轴方向向量(Ryx2，Ryy2，Ryz2),Z轴方向向量(Rzx2，Rzy2，Rzz2),将
法向量投影到坐标系OXYZ1中，得到相对于OXYZ1直角坐标系的点坐标N(0，ny，nz)，此时T1N向量(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)与法向量
同向，即T1中姿态X轴需要绕轴T1N旋转θ与T2中姿态X轴重合；
步骤S7：将T2中姿态X轴绕轴T1N旋转θ得到矩阵Tr2_1，记作点T3；
步骤S8：计算T1中姿态y轴(Ryx1，Ryy1，Ryz1)与T3中姿态Y轴(Ryx2_1，Ryy2_1，Ryz2_1)夹角β,旋转轴此时为OXYZ直角坐标系X轴或者T3中姿态X轴；
步骤S9：计算被校正手术工具V形底部最末端点与T2的位姿偏差为(dx-L,dy-W，dz-H)，X轴角度偏差为θ，旋转轴为(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)。Y轴角度偏差为β，旋转轴为X轴绕旋转轴(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)的X轴；得到被校正手术工具中6D传感器的偏移量(dx，dy，dz，θ，β，(0，ny，nz))
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于，包括：手术工具的位姿信息校正装置；
所述手术工具位姿信息校正装置包括：底座和标准6D探头，所述底座上分别设置有V形安装槽条，标准6D探头安装槽，所述标准6D探头安装在标准6D探头安装槽中，所述V形安装槽条用于安装被测手术工具，被测手术工具中的校准点与标准6D探头的中心点T1相对位置为(L，W，H)；
校正过程包括以下步骤：
步骤S1：获取标准6D探头的位姿信息T1(Tx1，Ty1,Tz1,Rx1,Ry1,Rz1)，读取被校正手术工具中6D传感器位姿信息T2(Tx2，Ty2，Tz2，Rx2，Ry2，Rz2)；
步骤S2：计算T1和T2的直线距离d；
步骤S3：将T1和T2的位姿信息分别转换为齐次矩阵Tr1和Tr2；
步骤S4：建立以T1的原点的OXYZ直角坐标系：X轴方向向量(Rxx1，Rxy1，Rxz1),Y轴方向向量(Ryx1，Ryy1，Ryz1),Z轴方向向量(Rzx1，Rzy1，Rzz1)；将T1和T2分别直线投影到OXYZ坐标系中，计算T2相对于T1的位置信息(dx,dy,dz)；
步骤S5：计算T2与T1位姿位置偏差，计算T1中姿态X轴(Rxx1，Rxy1，Rxz1)与T2中姿态X轴(Rxx2，Rxy2，Rxz2)夹角θ，计算T1的X轴与T2的X轴形成平面的法向量
步骤S6：建立以T2的原点的直角坐标系OXZY1：X轴方向向量(Rxx2，Rxy2，Rxz2),Y轴方向向量(Ryx2，Ryy2，Ryz2),Z轴方向向量(Rzx2，Rzy2，Rzz2),将
法向量投影到坐标系OXYZ1中，得到相对于OXYZ1直角坐标系的点坐标N(0，ny，nz)，此时T1N向量(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)与法向量
同向，即T1中姿态X轴需要绕轴T1N旋转θ与T2中姿态X轴重合；
步骤S7：将T2中姿态X轴绕轴T1N旋转θ得到矩阵Tr2_1，记作点T3；
步骤S8：计算T1中姿态y轴(Ryx1，Ryy1，Ryz1)与T3中姿态Y轴(Ryx2_1，Ryy2_1，Ryz2_1)夹角,旋转轴此时为OXYZ直角坐标系X轴或者T3中姿态X轴；
步骤S9：计算被校正手术工具V形底部最末端点与T2的位姿偏差为(dx-L,dy-W，dz-H)，X轴角度偏差为θ，旋转轴为(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)；Y轴角度偏差为β，旋转轴为X轴绕旋转轴(-Tx1,ny-Ty1，nz-Tz1)的X轴；得到被校正手术工具中6D传感器的偏移量(dx，dy，dz，θ，β，(0，ny，nz))。
2.根据权利要求1所述的手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于：所述校正装置还包括固定杆体，所述底座上还设置有安装墩，所述安装墩位于V形安装槽条和标准6D安装槽之间，所述安装墩上设置有V形导槽，所述V形导槽距离底座上表面的高度为H，所述固定杆体分别穿设在V形导槽和和被校正手术工具中，使被校正手术工具的校准点与所V形导槽底部的高度一致，所述安装墩上螺纹设置有安装螺钉，所述安装螺钉与固定杆体抵接，所述标准6D探头的测量点位于底座的上表面，标准6D探头的测量点位到V型安装槽条最内侧的距离为L。
3.根据权利要求2所述的手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于：所述标准6D探头上表面中心为预设位姿信息，中心点T1(Tx1，Ty1,Tz1)，其中X轴与V形安装槽条方向一致，Z轴垂直于标准6D探头上表面和底座的上表面，Y轴与X轴方向垂直，与底座的横向方向一致。
4.根据权利要2所述的手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于：所述固定杆体部分位于被校正手术工具中穿刺针安装处，且固定杆体的安装方向与穿刺针的安装方向一致。
5.根据权利要求2所述的手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于：所述固定杆体与标准6D探头的X轴方向平行。
6.根据权利要求2所述的手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于：所述V形安装槽条上表面的中心线经过标准6D探头的中心点T1。
7.根据权利要求2所述的手术工具的位姿信息校正方法，其特征在于：所述标准6D安装槽中设置有标准6D安装柱，所述标准6D探头安装在标准6D安装槽中，且与标准6D安装柱相嵌定位。
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