CN115414121A - 一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属微观无线电定位导航技术领域，涉及一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统。本发明通过采用可发射信号的信标对病灶和血管的标注，对手术刀实时定位，并采用探测器接收相关信号，根据RSSI测距法获知各信标到探测器之间的距离，构建现实三维坐标系得出各信标的坐标，并结合卡尔曼滤波算法金属探测技术对信标进行信标位置进行位置修正，再通过对应CT图像的三维融合构建虚拟三维坐标系，通过映射获取实时导航的坐标系。最终达到辅助手术提高精准度缩小手术时间和创伤的效果。

Description

一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统
技术领域
本发明属微观无线电定位导航技术领域，涉及一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统。
背景技术
在癌症的早期，主要通过手术切除进行治疗，由于组织并不是透明的，且存在大量的血管，使得手术的难度大大增大。
现有技术中，主要有两种手术导航方法，一种是传统非计算机导航手术术中定位法，具体包括：1.根据术前的影像学检查、内镜检查、查体等方法所获得的信息，判断病灶所在的位置及其与周围解剖结构的关系，手术时外科医生通过对与病灶相邻解剖结构的辨认，结合肉眼观察与手指触碰感知（病灶通常与正常组织在硬度上存在差异）来推断判定病灶所在位置及其范围；2.通过术中进行额外的检查，包括但不限于以下手段：术中B超、术中内镜、术中X线、术中荧光显影、特殊显影剂注射（如亚甲蓝、纳米碳）显影等，通过术中额外的显影来判断病灶的位置及其范围；3.放置特殊标记，如定位夹、术中定位针，通过术中触摸、术中X线摄影等来间接定位病灶。该方法判断较为直观，对主刀个人而言是一种最直接的反馈，有利于主刀对手术的整体把握；但是比较依赖主刀的个人经验，无法推广。其中额外的检查需要耗费时间与人力；定位精度有限。
另一种为现有计算机手术导航手术术中定位方法：当前的计算机手术导航手术中，主要分类三大分支。普通计算机导航手术、在普通计算机导航手术基础上的AR（增强现实）与VR（虚拟现实）。普通计算机导航手术通过将患者术前的CT影响进行数字三维重建，生成数字三维重建模型，手术时以图像配准的方式，将手术画面与三维重建模型的画面进行实时同步，从而可以在手术时实时为手术者提供当前手术区域周围相邻的解剖结构位置信息。AR（增强现实），则是在前者配准的基础上，通过将病灶或重要解剖结构的画面实时投射到手术画面中，来提示病灶或重要解剖结构的位置信息。VR（虚拟现实）则是普通计算机导航手术配准的基础上，利用VR头盔，将所有的手术相关物品、器械、包括患者都生成两两相互对应的同步虚拟对象，在虚拟空间视觉中完成手术进而也同步完成了现实中的手术，由于虚拟中的物品、器械拥有不同的属性，譬如可以形成透视、计算距离并显示等等，利用这些额外的属性可以降低手术医生操作难度。该方法比起非计算机导航手术，进一步提高了手术的可视化程度，降低了手术难度。但是其关键环节是图像配准，配准的过程较为复杂、配准精度有限，配准算法的稳定性有赖于所配准的图像类型与图像清晰度，图像噪点会影响配准算法。
发明内容
针对现有技术中手术导航存在的技术问题，本申请基于射频定位芯片提供了一种新型的导航系统，通过采用可以发送信号的信标对病灶、血管和手术刀进行实时定位，并通过构建三维坐标系向手术人员展示相应位置，实现导航。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统，所述系统具体包括信标、探测器、数据分析模块和提示模块；
所述信标为内部设置有RFID芯片和金属天线，能自主发射信号，用于指示病灶位置、血管位置和手术过程中手术刀位置；
所述探测器包括RFID信号接收模块，所述RFID信号接收模块用于接收所述信标发射的信号及信号强度，并发送至数据分析模块；
所述数据分析模块用于根据所述信号及信号强度计算对应信标至探测器的第一距离，并构建实际三维坐标系，根据所述距离采用距离-坐标公式计算对应信标的第一坐标；再获取多张带信标的CT图像进行三维融合获得虚拟三维坐标系，将所述实际三维坐标系中的信标实际坐标在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像；
提示模块，用于将所述实时虚拟三维图像进行实时展示，实现手术导航。
进一步的，所述信标根据待指示的位置分为三类：病灶信标、血管信标和手术刀信标；不同类别的信标发射的信号频率不同，并在所述实时虚拟三维图像中采用不同的颜色进行标注。
进一步的，所述信标发射信号的频率为：1-135Khz；所述信标发射信号的强度为1-10dBm。
进一步的，所述病灶信标和血管信标为直径为2-4mm、高为5-10mm的圆柱体，圆柱体内核为芯片，圆柱体内侧设置有天线，外壳为医用PVC材料。
进一步的，所述病灶信标和血管信标的外表面设置有生物相容性材料；
所述生物相容性材料为具体为细菌纤维素-明胶复合止血海绵、石墨烯/羧甲基壳聚糖止血复合凝胶海绵或甲壳素-玉米秸秆髓心促凝血复合海绵中的任意一种。
进一步的，所述手术刀信标固定在手术刀的刀身，具体个数为2个以上，且手术刀信标与刀尖的相对位置关系确定，根据手术刀信标在实际三维坐标系中的坐标值，计算获得手术刀刀尖在实际坐标系中的坐标；
所述手术刀信标的结构为长方体或半圆柱体，内部设置有芯片，外壳为医用PVC材料，壳体内侧设置有天线。
进一步的，所述探测器的个数大于等于3个。
进一步的，所述根据所述信号及信号强度计算对应信标至探测器的距离过程为：采用RSSI测距方法进行计算，具体公式为：
Figure 798654DEST_PATH_IMAGE001
其中，rssi为信号强度值，A为信标和探测器相距1m时的信号强度，n为环境衰减因子。
进一步的，所述获取多张术前的带信标的CT图像进行三维融合获得虚拟三维坐标系，将所述实际三维坐标系中的信标实际坐标在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像过程具体包括：
获取多张术前的带信标的CT图像，在三维重建中生成可视化模型，标记信标点为虚拟映射点；
以所述可视化模型中的任意位置为原点，构建虚拟三维坐标系，并据此查询各定位信标在虚拟三维坐标系中的坐标，并根据坐标-距离公式计算虚拟距离；所述定位信标是用于指示病灶位置或血管位置的信标；
根据所述虚拟三维坐标系中各定位信标的映射点的坐标和集合等比原理，将所述实际三维坐标系中的运动信标映射至虚拟三维坐标系中，获得实时虚拟三维图像；所述运动信标为指示手术刀位置的信标。
进一步的，所述手术刀信标与探测器的距离值测算过程中采用卡尔曼滤波法进行距离测算精度提升。
有益效果：
本发明通过采用可发射信号的信标对病灶和血管的标注，对手术刀实时定位，并采用探测器接收相关信号，根据RSSI测距法获知各信标到探测器之间的距离，构建现实三维坐标系得出各信标的坐标，并结合卡尔曼滤波算法技术对信标进行信标位置进行位置修正，再通过对应CT图像的三维融合构建虚拟三维坐标系，通过映射获取实时导航的坐标系，该系统首次提出了采用信号检测方式应用于手术的导航，在手术前通过CT辅助的方式将信标植入病灶边缘和血管周围，可以通过信号获知具体病灶的位置，并能够避开大血管，防止手术过程中出现大出血。
本发明的信标为内部设置有芯片天线，外壳为医用级PVC材料，植入体内的信标尺寸较小，且在外表面设置具有止血粘结功能的生物相容性材料，能够保证信标植入后的稳定性，起到一定的止血效果。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
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地介绍，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为本发明实施例提供的基于射频定位芯片的外科手术导航系统的应用环境图；
图2为本发明实施例提供的基于射频定位芯片的外科手术导航系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的信标的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的坐标-距离转换关系图；
图5为本发明实施例提供的现实三维坐标系；
图6为本发明实施例提供的实时导航三维图像；
附图标记说明：
1、探测器；2、待手术脏器；3、病灶组织；4病灶信标；5、血管信标；6、血管；7、手术刀；8、手术刀信标；9、数据处理器；10、显示屏。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了基于射频定位芯片的外科手术导航系统的应用环境图，该导航系统主要应用于切除待手术脏器2中的病灶组织3，在病灶组织的边缘设置有多个病灶信标4，为了在防止手术过程中破坏脏器中的大血管6，在血管的周围设置有多个血管信标5，为了实时导航在手术刀7上设置有手术刀信标8，并通过设置相应的探测器1用于接收各信标的信号及其相应的信号强度，并发送给数据处理器9，通过数据处理获得相应的距离，并构建相应的坐标系获得各信标的真实位置；另外获取术前的多张带有信标的CT图，经三维融合构建虚拟三维坐标系，将各信标的真实位置在虚拟三维坐标系中映射，获取相应的导航图像，通过显示屏进行展示，以供手术者进行精准定位手术。
在本发明实施例中，如图2所示本发明实施例提供的基于射频定位芯片的外科手术导航系统具体包括信标201，探测器1，数据分析模块203和提示模块204。
信标201内部设置有RFID芯片，可以自主发射信号，根据其所指示的位置可以将其分为病灶信标，血管信标和手术刀信标，不同类别的信标发射的信号频率不同，在后续导航过程中，不同信号频率的信标采用不同颜色进行标记，以更好手术人员更好的识别哪些是要切除的病灶组织，哪些是要避开的血管。所述信标发射信号的频率为：1-135Khz；所述信标发射信号的强度为1-10dBm。在本发明实施例中，所述病灶信标和血管信标为直径为2-4mm、高为5-10mm的圆柱体，如图3所示，圆柱体内核为芯片11，圆柱体内侧设置有天线12，外壳13为医用PVC材料；外表面设置有生物相容性材料；该生物相容性材料为具体为细菌纤维素-明胶复合止血海绵、石墨烯/羧甲基壳聚糖止血复合凝胶海绵或甲壳素-玉米秸秆髓心促凝血复合海绵中的任意一种；能够保证信标植入后的稳定性，起到一定的止血效果。所述手术刀信标固定在手术刀的刀身，具体个数为2个以上，且手术刀信标与刀尖的相对位置关系确定，用于刀尖位置的确定；手术刀信标的结构为长方体或半圆柱体，内部设置有芯片，外壳为医用PVC材料，壳体内侧设置有天线。
探测器1，探测器包括RFID信号接收模块，RFID信号接收模块用于接收不同信标发射的信号以及信号强度，并发送至数据分析模块；并将上述数据实时发送给数据分析模块203，探测器的个数大于3个，可以根据具体需求进行设置，一般情况下多个探测器处于同一平面。
数据分析模块203，用于根据所述信号及信号强度计算对应信标至探测器的距离，并构建实际三维坐标系，根据所述距离采用距离-坐标公式计算对应信标的坐标；再获取多张带信标的CT图像进行三维融合获得虚拟三维坐标系，将所述实际三维坐标系中的信标位置在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像。
在本发明实施例中，该数据分析模块203获取信标发送的信号及信号强度后，采用RSSI测距方法进行计算，具体公式为：
Figure 369444DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，rssi为信号强度值，A为信标和探测器相距1m时的信号强度，n为环境衰减因子。A、n可以通过多次实验检测获得。
获得各信标与探测器之间的距离后，以多个探测器所在的平面中的任意一点为原点，构建实际三维坐标系如图5所示，采用相应的距离-坐标公式计算各信标在实际三维坐标系中的位置。以四个探测器为例，其中探测器组成了一个正方形，如图4所示，该计算过程为：信标P1点的坐标（x，y，z）可以通过信标P1到四个探测器的距离值s1，s2，s3，s4以及探测器之间的距离值h求解，建立如下表达式：
x2+y2+z2=s12 （2）
(h-x)2+z2+y2=s22 （3）
(h-z)2+x2+y2=s32 （4）
(h-x)2+(h-z)2+y2=s12 （5）
根据上述表达式可以求解获得对应的x，y，z。同理可以得出其他信标的坐标值。
在本发明实施例中，按照同样的方法获得其余各信标的坐标；所述获取多张术前的带信标的CT图像进行三维融合获得虚拟三维坐标系，将所述实际三维坐标系中的信标实际坐标在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像过程具体包括：获取多张术前的带信标的CT图像，在三维重建中生成可视化模型，标记信标点为虚拟映射点；以所述可视化模型中的任意位置为原点，构建虚拟三维坐标系，并据此查询各定位信标在虚拟三维坐标系中的坐标，并根据坐标-距离公式计算虚拟距离；所述定位信标是用于指示病灶位置或血管位置的信标；根据所述虚拟三维坐标系中各定位信标的映射点的坐标和集合等比原理，将所述实际三维坐标系中的运动信标映射至虚拟三维坐标系中，获得实时虚拟三维图像如图6所示；所述运动信标为指示手术刀位置的信标。应该理解的是实际三维坐标在映射过程中，能够对相应的定位信标进行修正，以实现动态的人体中信标位置的精准定位。
提示模块204，用于将所述实时虚拟三维图像进行实时展示，实现手术导航。
在本发明实施例中，所述手术刀信标与探测器的距离值测算过程中采用卡尔曼滤波法进行距离测算精度提升。信标的空间位置变化轨迹符合物理力学规律，可以进行状态预测，根据其运动受力方向与速率的关系方程可以得出不同时刻之间其状态的物理变化方程关系式，用于预测其与探测器的距离状态。设当前某一时刻（t）信标的位置状态为Xk，可以根据前一时刻（t-1）该信标的位置状态Xk-1预测出当前时刻信标的位置状态为Xk。对于t时刻，信标的真正位置状态Xr是绝对的。根据信标前一时刻的位置状态对定位芯片当前位置状态进行预测得到的预测状态值Xk是有预测误差的，设预测误差为Wk。根据上述描述，我们可以得到不同时刻之间的位置状态预测方程关系式： 预测方程：Xk=AXk-1+Buk+Wk。 其中Xk为当前时刻预测的状态值，Xk-1为前一刻的状态值，A为当前时刻与前一时刻状态变化的关系系数，Buk为两个时刻状态变化量的关系式，即前述根据现有物理规则描述的两个时刻物理方程变化关系式，B为uk这个变化量与当前预测值Xk的关系系数。Wk为过程噪声，即为预测误差带来的失真。在t时刻，通过探测器对信标的位置状态进行了直接测量，计算该时刻信标到芯片探测器的距离，得到观测值Zk，因为探测器的测量精度有限，所以可以知道t时刻得到的距离观测值Zk相对于此时信标的真正位置状态Xr是存在误差的，设该观测误差为Vk。根据上述描述，我们可以得到观测值与预测值之间的观测方程关系式： 观测方程：Zk=CXk+Vk。 其中Zk为当前时刻拟观测的值，Xk为当前时刻的预测值，C为观测值与预测值的关系系数。Vk为芯片探测装置精度限制导致的观测噪声，即观测误差。 卡尔曼滤波最优估计的计算公式：Xb=KXk+（1-K）Zk，K取值范围[0,1]。 其中Xb为最优估计值，该值比起预测值Xk与观测值Zk都更接近定位芯片的真正位置状态Xr，K是卡尔曼增益。通过计算出系统的卡尔曼增益K，便可根据预测值Xk与观测值Zk与来获得最优估计值Xb，从而提升计算精度。根据卡尔曼滤波器原理，上述的预测误差Wk与观测误测Vk都符合正态分布，其中Wk均值为0，方差为Qk，Vk均值为0，方差为Rk，二者称为高斯白噪声。
所述距离计算使用了卡尔曼滤波器进行精度修正，修正计算公式如下：卡尔曼滤波公式定义，“
Figure 814332DEST_PATH_IMAGE003
”代表先验，“
Figure 558297DEST_PATH_IMAGE004
”代表估计，例如先验估计“
Figure 936189DEST_PATH_IMAGE006
”、先验误差“P-”。
离散卡=尔曼滤波器时间更新方程：
①计算先验估计：
Figure 238732DEST_PATH_IMAGE008
②计算先验估计误差的协方差： P- k = A P- k-1 AT + Q
离散卡尔曼滤波器状态更新方程：
③计算卡尔曼增益：Kk = P- k HT (H P- k HT + R)-1
④计算最优估计：
Figure 436495DEST_PATH_IMAGE009
⑤更新先验估计误差的协方差：Pk = (I - Kk H) P- k
在进行一次卡尔曼模型最优估计的流程中，首先通过前一次最优估计“
Figure DEST_PATH_IMAGE011
”，得到预测估计“
Figure DEST_PATH_IMAGE013
”；然后将前一次状态预测估计的误差（协方差矩阵）也线性更新，得到当前时刻的预测估计的误差“P- k”；得到了通过历史状态预测的当前时刻状态“
Figure DEST_PATH_IMAGE015
”和误差信息“P- k”。当知道观测状态“zk”及其误差“R”，则可以计算当前时刻的卡尔曼增益“Kk”，以得到两个状态的权重分配情况；计算得到卡尔曼增益“K”之后，就可以进行“加权求和”，得到理论上的最优估计值“
Figure 62780DEST_PATH_IMAGE016
”。后续时刻 “k+1、K+2、…”也需要进行最优估计，需要用到当前时刻“K”的先验估计误差协方差矩阵“Pk”，所以需要更新这个动态变换的先验误差。通过计算当前时刻下的卡尔曼增益“Kk”，对先验状态“
Figure 793713DEST_PATH_IMAGE016
”，和后验状态“zk”，进行“加权求和”，得到最优估计值“Xk”，这个值也将被作为下一时刻先验估计的输入。
采用本发明导航系统进行手术时的具体过程为：
1、通过CT辅助手段将信标植入至相应的病灶组织边缘和血管周围，并获取多张带有信标的脏器CT图像，手术刀上固定有多个信标；
2、在手术台上方设置4个探测器，其中信标可以向探测器实时发送信号；探测器并将实时反馈至数据分析模块；
3、数据分析模块根据相应的信号以及信号强度采用RSSI测距方法计算各信标至探测器的距离，并构建相应的实际坐标系，通过距离-坐标公式获取各信标的坐标位置，同时将获得的多张带有信标的脏器CT图像，进行三维重建构建虚拟三维坐标，将所述实际三维坐标系中的信标位置在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像，并发送给显示屏。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述系统具体包括信标、探测器、数据分析模块和提示模块；
所述信标为内部设置有RFID芯片和金属天线，能自主发射信号，用于指示病灶位置、血管位置和手术过程中手术刀位置；
所述探测器包括RFID信号接收模块，所述RFID信号接收模块用于接收所述信标发射的信号及信号强度，并发送至数据分析模块；
所述数据分析模块用于根据所述信号及信号强度计算对应信标至探测器的第一距离，并构建实际三维坐标系，根据所述距离采用距离-坐标公式计算对应信标的第一坐标；再获取多张带信标的CT图像进行三维融合获得虚拟三维坐标系，将所述实际三维坐标系中的信标实际坐标在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像；
提示模块，用于将所述实时虚拟三维图像进行实时展示，实现手术导航。
2.根据权利要求1所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述信标根据待指示的位置分为三类：病灶信标、血管信标和手术刀信标；不同类别的信标发射的信号频率不同，并在所述实时虚拟三维图像中采用不同的颜色进行标注。
3.根据权利要求1所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述信标发射信号的频率为：1-135Khz；
所述信标发射信号的强度为1-10dBm。
4.根据权利要求2所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述病灶信标和血管信标为直径为2-4mm、高为5-10mm的圆柱体，圆柱体内核为芯片，圆柱体内侧设置有天线，外壳为医用PVC材料。
5.根据权利要求4所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述病灶信标和血管信标的外表面设置有生物相容性材料；
所述生物相容性材料为具体为细菌纤维素-明胶复合止血海绵、石墨烯/羧甲基壳聚糖止血复合凝胶海绵或甲壳素-玉米秸秆髓心促凝血复合海绵中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述手术刀信标固定在手术刀的刀身，具体个数为2个以上，且手术刀信标与刀尖的相对位置关系确定，根据手术刀信标与探测器的距离值采用距离-坐标公式计算在实际三维坐标系中的坐标值，计算获得手术刀刀尖在实际坐标系中的坐标；
所述手术刀信标的结构为长方体或半圆柱体，内部设置有芯片，外壳为医用PVC材料，壳体内侧设置有天线。
7.根据权利要求1所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述探测器的个数大于等于3个。
8.根据权利要求1所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述根据所述信号及信号强度计算对应信标至探测器的距离过程为：采用RSSI测距方法进行计算，具体公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，rssi为信号强度值，A为信标和探测器相距1m时的信号强度，n为环境衰减因子。
9.根据权利要求1所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述获取多张带信标的CT图像进行三维融合获得虚拟三维坐标系，将所述实际三维坐标系中的信标实际坐标在所述虚拟三维坐标系中映射，获得实时虚拟三维图像的过程具体包括：
获取多张术前的带信标的CT图像，在三维重建中生成可视化模型，标记信标点为虚拟映射点；
以所述可视化模型中的任意位置为原点，构建虚拟三维坐标系，并据此查询各定位信标在虚拟三维坐标系中的坐标，并根据坐标-距离公式计算虚拟距离；所述定位信标是用于指示病灶位置或血管位置的信标；
根据所述虚拟三维坐标系中各定位信标的映射点的坐标和集合等比原理，将所述实际三维坐标系中的运动信标映射至虚拟三维坐标系中，获得实时虚拟三维图像；所述运动信标为指示手术刀位置的信标。
10.根据权利要求6所述的基于射频定位芯片的外科手术导航系统，其特征在于，所述手术刀信标与探测器的距离值测算过程中采用卡尔曼滤波法进行距离测算精度提升。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116942317A (zh) * 2023-09-21 2023-10-27 中南大学 一种手术导航定位系统
WO2024098806A1 (zh) * 2022-11-07 2024-05-16 中南大学 一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101868192A (zh) * 2007-09-26 2010-10-20 阿梅多智能追踪解决方案有限公司 组织标志
CN104055520A (zh) * 2014-06-11 2014-09-24 清华大学 人体器官运动监测方法和人体导航系统
CN104503456A (zh) * 2014-11-25 2015-04-08 湖南基石信息技术有限公司 基于4g通信的无人机控制装置与方法
CN104993849A (zh) * 2015-07-02 2015-10-21 努比亚技术有限公司 一种根据蓝牙连接强度自动调整音乐压缩值的方法及终端
CN105699938A (zh) * 2016-01-28 2016-06-22 北京麦芯科技有限公司 一种基于无线信号的精确定位方法及装置
US20160242855A1 (en) * 2015-01-23 2016-08-25 Queen's University At Kingston Real-Time Surgical Navigation
CN106814344A (zh) * 2017-01-20 2017-06-09 孙天舒 定位方法及系统
US20170312033A1 (en) * 2016-04-27 2017-11-02 Metal Industries Research&Development Centre Surgery navigation system
US20180104008A1 (en) * 2016-10-14 2018-04-19 Covidien Lp Communicating localization markers
CN110537982A (zh) * 2019-09-25 2019-12-06 重庆博仕康科技有限公司 软硬镜手术导航系统
CN110537983A (zh) * 2019-09-26 2019-12-06 重庆博仕康科技有限公司 光磁一体穿刺手术导航平台

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101862220A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国医学科学院北京协和医院 基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统和方法
CN104434313B (zh) * 2013-09-23 2019-03-01 中国科学院深圳先进技术研究院 一种腹部外科手术导航方法及系统
CN109674532A (zh) * 2019-01-25 2019-04-26 上海交通大学医学院附属第九人民医院 基于mr的手术导航系统及其设备、方法和存储介质
EP4128263A1 (en) * 2020-04-03 2023-02-08 Smith & Nephew, Inc User interface for digital markers in arthroscopy
CN115414121B (zh) * 2022-11-07 2023-03-24 中南大学 一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101868192A (zh) * 2007-09-26 2010-10-20 阿梅多智能追踪解决方案有限公司 组织标志
CN104055520A (zh) * 2014-06-11 2014-09-24 清华大学 人体器官运动监测方法和人体导航系统
CN104503456A (zh) * 2014-11-25 2015-04-08 湖南基石信息技术有限公司 基于4g通信的无人机控制装置与方法
US20160242855A1 (en) * 2015-01-23 2016-08-25 Queen's University At Kingston Real-Time Surgical Navigation
CN104993849A (zh) * 2015-07-02 2015-10-21 努比亚技术有限公司 一种根据蓝牙连接强度自动调整音乐压缩值的方法及终端
CN105699938A (zh) * 2016-01-28 2016-06-22 北京麦芯科技有限公司 一种基于无线信号的精确定位方法及装置
US20170312033A1 (en) * 2016-04-27 2017-11-02 Metal Industries Research&Development Centre Surgery navigation system
US20180104008A1 (en) * 2016-10-14 2018-04-19 Covidien Lp Communicating localization markers
CN106814344A (zh) * 2017-01-20 2017-06-09 孙天舒 定位方法及系统
CN110537982A (zh) * 2019-09-25 2019-12-06 重庆博仕康科技有限公司 软硬镜手术导航系统
CN110537983A (zh) * 2019-09-26 2019-12-06 重庆博仕康科技有限公司 光磁一体穿刺手术导航平台

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴李勇: "基于脉冲激光测距的汽车主动刹车技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *
贾海祎: "基于WIFI网络的智能手机室内定位系统的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024098806A1 (zh) * 2022-11-07 2024-05-16 中南大学 一种基于射频定位芯片的外科手术导航系统
CN116942317A (zh) * 2023-09-21 2023-10-27 中南大学 一种手术导航定位系统
CN116942317B (zh) * 2023-09-21 2023-12-26 中南大学 一种手术导航定位系统

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