CN115429429A - 一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，包括以下步骤：建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据；基于位姿数据，进行尖点器械标定；基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定；基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定；进行手术器械的可视化追踪。本发明借助具有点、线、面几何结构的标定工具和光学定位设备，实现不同手术器械的术前标定，改善了手术器械标定精度及所需时间，提高效率。本发明将位置信息进行内部分类传输，减少了医生的操作难度；可视化模块提供了直观的手术器械空间位置显示，实现了标定过程及标定后手术器械的可视化追踪，提高了标定过程准确性。

Description

一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法

技术领域

本发明属于手术器械标定与跟踪技术领域，具体涉及一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法。

背景技术

传统手术操作方式，无论术前规划还是术中执行都高度依赖医生经验，往往存在精度低、创伤大、康复周期长等缺陷。随着数字图像处理、计算机视觉、网络通讯等技术飞速发展，手术导航系统(Surgical Navigation System，SNS)成为研究热点，它利用图像处理技术和视觉定位技术，在手术准备或进行过程中，将病人术前的断层图像(CT)、核磁共振(MRI)图像信息、手术中获取的病人的病变位置及手术器械的空间位置信息结合起来，跟踪显示病人解剖结构和手术器械的相对位置关系，对手术进行实时导航，达到精准、微创的现代手术要求。

精准高效的手术器械定位与跟踪是导航手术有效执行的前提。手术导航过程中，空间定位系统跟踪固连在手术器械上的光学示踪器，借由光学示踪器与器械工作终端之间的标定关系，导航系统推算出手术器械工作终端的空间位姿，实现手术器械与病人解剖结构相对位置关系的显示。因此，如何获得手术器械的标定信息、准确显示手术器械的跟踪位置是手术导航系统的关键问题。

外科导航手术中，常用手术器械有光学探针、手术穿刺针、手术刀等，其工作终端分别可简化为空间尖点、直线、平面等简单几何结构。手术器械上连接的光学示踪器作为该器械的参考坐标系，手术器械标定需解决的问题就是计算手术器械工作终端(点、线、面)在参考坐标系下的空间位姿。

传统的手术器械标定利用手术器械装配模型和游标卡尺测量标定信息，接着将标定信息输入手术导航软件完成标定工作，具有效率低下、测量难度大、测量精度低等缺陷。同时，可视化的观察标定过程与评估标定结果的正确性，可以避免因误操作而得出错误结果，节省时间。所以，针对不同手术器械，提出精准高效的标定方法和可视化跟踪方法，集成一类手术器械快速标定与可视化跟踪系统，是导航手术有效执行的前提。

在现有的导航手术器械标定系统和标定方法中，最具有代表性的是美国Stryker手术导航系统。该系统的标定台具有固定手术器械的定位轴孔和放置手术器械尖端的凹坑，并固定连接光学示踪器。标定时，首先利用导航仪跟踪手术器械和标定台上的光学示踪器，建立器械参考坐标系和标定台参考坐标系；然后，将手术器械尖端放直在凹坑之中，在保持手术器械尖端固定不动的情况下，面向导航仪围绕尖端摇动手术器械，导航仪采集所有光学示踪器位置信息，计算获得手术器械尖端标定数据；最后，将手术器械插入标定台的定位轴孔之中，锁紧固定，保持手术器械轴向不变，面向导航仪转动手术器械，导航仪采集所有光学示踪器位置信息，计算获得轴向向量的标定数据。

这种标定技术具有一定的适用性和通用性，迄今一直都被广泛应用于导航开始前的手术器械标定，例如专利CN109171962B、CN112022350A所述的导航手术器械标定系统与方法。

该系统存在以下不足：

其一、只能针对手术探针的尖点位置和轴向向量进行标定，无法适配手术刀、骨锯等手术器械。

其二、标定算法采用基于最小二乘法原理的数值逼近算法，需要多次采集参考标记图像，过程费时费力。

其三、无法可视化观察标定过程及追踪标定后的手术器械，无法及时发现因错误操作导致的错误结果，可能导致重复操作影响效率。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法。

本发明的技术方案是：一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，以下步骤：

ⅰ.建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据；

ⅱ.基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定；

ⅲ.基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定；

ⅳ.基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定；

ⅴ.进行手术器械的可视化追踪。

更进一步的，步骤ⅰ建立光学导航定位与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据，具体过程如下：

1a.进行初始化，建立光学导航定位与计算机之间的数据通讯线程和主线程的连接；

1b.根据不同手术器械连接的光学示踪器编号，正确载入对应光学示踪器的刚体文件，激活工具句柄，获取载入光学示踪器的位置信息；

1c.利用主线程中数据请求函数通过调用光学定位系统的动态链接库，实现将数据缓冲区的数据传输至主线程；

1d.根据光学示踪器位姿信息数据，计算得到光学示踪器的位姿矩阵。

更进一步的，步骤1b中还包括对位置信息的缓存处理，即将获取的位置信息存入数据缓冲区等待主线程调用数据。

更进一步的，步骤1c中还包括以下过程：

借助QTTimer计时器每隔固定时间间隔调用主线程中数据请求函数，实现数据实时传输。

更进一步的，步骤ⅱ基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定，具体过程如下：

首先，将尖点手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，位姿矩阵结合VTK工具包中的vtkAxesActor组件，在可视化模块显示所有光学示踪器坐标系的空间位置与姿态；

再后，确定尖点手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过尖点器械标定方法计算出器械尖点在参考坐标系下的三维坐标。

更进一步的，步骤ⅱ基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定中尖点器械标定方法，具体过程如下：

2a.将尖点器械末端置于标定工具尖点几何结构处，得到此时尖点器械的末端点在光学定位系统坐标系下的三维坐标表达；

2b.令尖点器械绕标定工具尖点几何结构转动，使得器械上反光标记球的运动轨迹落在以器械末端为球心的球面上；

2c.利用光学定位设备记录n个时刻的光学示踪器空间位姿，记标定工具尖点几何结构在光学定位设备坐标系下的第i次坐标表达；

2d.用矩阵方式表达最小二乘法，得到目标函数；

2e.在最小化目标函数下求得最优解，完成尖点手术器械标定。

更进一步的，步骤ⅲ基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定，具体过程如下：

首先，将直线手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，确认直线手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过直线器械标定方法，完成在直线器械参考坐标系下的标定。

更进一步的，步骤ⅲ基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定中直线器械标定方法，具体过程如下：

首先，将直线手术器械插入标定工具直线几何结构中，使之紧密配合；

然后，得到直线手术器械的转换关系表达；

再后，根据转换关系表达，得到直线手术器械在坐标系下的方向向量；

再后，根据转换关系表达，得到直线手术器械端点在坐标系下的坐标；

再后，利用得到的方向向量、坐标得出直线器械在参考坐标系下的空间位置，完成直线手术器械标定。

更进一步的，步骤ⅳ基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定，具体过程如下：

首先，将平面手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，确认平面手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过平面手术器械标定方法，完成在平面器械参考坐标系下的标定。

更进一步的，步骤ⅳ基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定中平面手术器械标定方法，具体过程如下：

首先，建立平面器械和标定工具平面几何结构的标定坐标系，将平面手术器械插入标定工具平面几何结构中，使之紧密配合；

然后，得到平面手术器械的转换关系表达；

再后，根据转换关系表达，得到平面结构标定坐标系相对于手术器械参考坐标系的齐次变换矩阵；

最后，利用齐次变换矩阵，完成平面器械标定。

本发明的有益效果如下

本发明借助具有点、线、面几何结构的标定工具和光学定位设备，可以实现针对不同手术器械的术前标定，并且改善了手术器械标定精度及所需时间，提高效率。

本发明将标定过程中涉及到的位置信息进行内部分类传输，减少了医生的操作难度；可视化模块提供了直观的手术器械空间位置显示，实现了标定过程及标定后手术器械的可视化追踪，提高了标定过程准确性。

附图说明

图1是本发明的模块连接图；

图2是本发明的数据通讯流程图；

图3是本发明中尖点器械标定原理图；

图4是本发明中直线器械标定原理图；

图5是本发明中平面器械标定原理图；

图6是本发明中手术器械可视化追踪流程图。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1至图6所示，一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，以下步骤：

ⅰ.建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据；

ⅱ.基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定；

ⅲ.基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定；

ⅳ.基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定；

ⅴ.进行手术器械的可视化追踪。

步骤ⅰ建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据，具体过程如下：

1a.进行初始化，建立光学导航定位与计算机之间的数据通讯线程和主线程的连接；

1b.根据不同手术器械连接的光学示踪器编号，正确载入对应光学示踪器的刚体文件，激活工具句柄，获取载入光学示踪器的位置信息；

1c.利用主线程中数据请求函数通过调用光学定位系统的动态链接库，实现将数据缓冲区的数据传输至主线程；

1d.根据光学示踪器位姿信息数据，计算得到光学示踪器的位姿矩阵。

步骤1b中还包括对位置信息的缓存处理，即将获取的位置信息存入数据缓冲区等待主线程调用数据。

步骤1c中还包括以下过程：

借助QTTimer计时器每隔固定时间间隔调用主线程中数据请求函数，实现数据实时传输。

步骤ⅱ基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定，具体过程如下：

首先，将尖点手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，位姿矩阵结合VTK工具包中的vtkAxesActor组件，在可视化模块显示所有光学示踪器坐标系的空间位置与姿态；

再后，确定尖点手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过尖点器械标定方法计算出器械尖点在参考坐标系下的三维坐标。

步骤ⅱ基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定中尖点器械标定方法，具体过程如下：

2a.将尖点器械末端置于标定工具尖点几何结构处，得到此时尖点器械的末端点在光学定位系统坐标系下的三维坐标表达；

2b.令尖点器械绕标定工具尖点几何结构转动，使得器械上反光标记球的运动轨迹落在以器械末端为球心的球面上；

2c.利用光学定位设备记录n个时刻的光学示踪器空间位姿，记标定工具尖点几何结构在光学定位设备坐标系下的第i次坐标表达；

2d.用矩阵方式表达最小二乘法，得到目标函数；

2e.在最小化目标函数下求得最优解，完成尖点手术器械标定。

步骤ⅲ基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定，具体过程如下：

首先，将直线手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，确认直线手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过直线器械标定方法，完成在直线器械参考坐标系下的标定。

步骤ⅲ基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定中直线器械标定方法，具体过程如下：

首先，将直线手术器械插入标定工具直线几何结构中，使之紧密配合；

然后，得到直线手术器械的转换关系表达；

再后，根据转换关系表达，得到直线手术器械在坐标系下的方向向量；

再后，根据转换关系表达，得到直线手术器械端点在坐标系下的坐标；

再后，利用得到的方向向量、坐标得出直线器械在参考坐标系下的空间位置，完成直线手术器械标定。

步骤ⅳ基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定，具体过程如下：

首先，将平面手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，确认平面手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过平面手术器械标定方法，完成在平面器械参考坐标系下的标定。

步骤ⅳ基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定中平面手术器械标定方法，具体过程如下：

首先，建立平面器械和标定工具平面几何结构的标定坐标系，将平面手术器械插入标定工具平面几何结构中，使之紧密配合；

然后，得到平面手术器械的转换关系表达；

再后，根据转换关系表达，得到平面结构标定坐标系相对于手术器械参考坐标系的齐次变换矩阵；

最后，利用齐次变换矩阵，完成平面器械标定。

具体的，如图1所示，光学导航仪通讯模块与尖点器械标定模块、直线器械标定模块、平面器械标定模块相连，尖点器械标定模块、直线器械标定模块、平面器械标定模块之间为并联，所述尖点器械标定模块、直线器械标定模块、平面器械标定模块均与信息储存模块相连，所述信息储存模块与可视化模块相连。

光学导航仪通讯模块用于获取光学定位设备中光学示踪器的位置信息；模块中的数据通信线程通过COM串口与光学定位设备建立数据传输通信，根据所用光学示踪器的编号正确载入对应光学示踪器的刚体文件(.rom)，激活所用光学示踪器后，光学定位设备将采集到的对应光学示踪器在光学定位设备坐标系下的位姿信息传输至系统，并将光学示踪器位姿信息进行分类存储，用于后续标定和可视化呈现。

所述光学导航仪通过追踪光学示踪器上固连的反光标记球，间接追踪光学示踪器的空间位置：光学示踪器根据其上反光标记球的分布建立光学示踪器坐标系，光学定位设备定位反光标记球在光学定位设备坐标系下的坐标，利用该坐标计算光学示踪器坐标系在光学定位设备坐标系下的位姿信息，实现光学示踪器的位置追踪。

以上计算在光学定位系统中完成，光学定位系统与光学导航仪通讯模块建立连接后，光学导航仪通讯模块可根据需要调用所述光学定位系统中的光学示踪器位置信息。

具体的，尖点器械标定模块用于对术中采集标记点的探针器械进行标定，借助标定工具上位置信息已知的尖点凹槽和尖点标定算法，计算出器械尖点在器械参考坐标系下的三维坐标，完成尖点手术器械标定。

所述尖点器械参考坐标系为固连在手术器械上光学示踪器的坐标系。

具体的，直线器械标定模块用于对手术穿刺针、骨钉等直线手术器械进行标定，借助标定工具上位置信息已知的圆柱孔结构，基于空间刚体变换知识计算得到手术器械上直线几何结构在器械参考坐标系下的端点位置和轴向单位向量，完成直线手术器械标定。

所述直线器械参考坐标系为固连在手术器械上光学示踪器的坐标系。

具体的，平面器械标定模块用于对手术刀、手术骨锯等平面手术器械进行标定，借助标定工具上位置信息已知的平面结构，基于空间刚体变换知识计算得到手术器械上平面几何结构在器械参考坐标系下的位置，完成平面手术器械标定。

所述平面器械参考坐标系为固连在手术器械上光学示踪器的坐标系。

标定工具用于辅助进行不同手术器械的标定过程。所述标定工具与一光学示踪器固连，光学示踪器坐标系作为标定工具的参考坐标系；所述标定工具上具有尖点、圆柱孔、平面等几何结构，用于与不同手术器械的末端紧密配合以完成标定过程；所述几何结构在标定工具坐标系下的位置信息通过标定工具的CAD模型得到。

具体的，位置信息储存模块用于将标定完成后得到的位置信息关系分类储存，后续用于手术过程中手术器械的跟踪与显示。

具体的，可视化模块用于搭建三维虚拟场景、建立光学示踪器坐标系模型、建立手术器械表面模型，根据所述光学定位系统传输的光学示踪器位置信息，对所述光学示踪器坐标系模型和手术器械表面模型施加实时位姿变换，实时显示光学示踪器坐标系和手术器械的空间位置，实现标定过程的可视化观察和手术器械的可视化跟踪。

又一实施例

一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，以下步骤：

ⅰ.建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据；

ⅱ.基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定；

ⅲ.基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定；

ⅳ.基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定；

ⅴ.进行手术器械的可视化追踪。

步骤ⅰ.建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据阶段，通过网线连接光学定位设备与计算机，建立光学定位系统与计算机的数据传输，获取不同光学示踪器的位姿数据。

作为本发明的一种实施方式具体方法可以为：基于COM串口进行光学示踪器位置数据获取，具体包括：

1a.在自定义的数据通信线程中，正确设置光学定位系统IP与端口号，进行系统初始化，建立数据通讯线程和主线程的连接。

1b.根据不同手术器械连接的光学示踪器编号，正确载入对应光学示踪器的刚体文件(.rom)，激活工具句柄，获取载入光学示踪器的位置信息，存入数据缓冲区等待主线程调用数据。

1c.在主线程中定义数据请求函数，数据请求函数可以通过调用光学定位系统的动态链接库，实现将数据缓冲区的数据传输至主线程；借助QTTimer计时器每隔固定时间间隔调用数据请求函数，实现数据实时传输。

1d.根据1c所得的光学示踪器位姿信息数据，计算光学示踪器的位姿矩阵：

q＝[q₀ q₁ q₂ q₃ q₄ q₅ q₆]

其中，q代表光学示踪器位姿信息数据，前四位是四元数代表光学示踪器坐标系的姿态，后三位代表光学示踪器坐标系的原点位置；T代表光学示踪器的位姿矩阵，可用于后续器械的标定与跟踪。

具体的，基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定，进入尖点器械标定模块，将尖点手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内，根据得到的光学示踪器空间位姿，结合VTK工具包中的vtkAxesActor组件，在可视化模块显示所有光学示踪器坐标系的空间位置与姿态。确认尖点手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示后，如附图3所示，通过尖点器械标定方法计算出器械尖点在参考坐标系下的三维坐标，具体标定流程与原理如下：

首先，将尖点器械末端置于标定工具尖点几何结构处，在该时刻，尖点器械的末端点在光学定位系统坐标系下的三维坐标可以表示为

其中，{W}、{B}分别代表光学定位系统坐标系和尖点器械参考坐标系；^BP为尖点器械末端点在坐标系{B}下的坐标，为待求参数；

为坐标系{B}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵，由(1)得到。考虑到立体视觉定位误差等因素，采用最小二乘法计算^BP的最优解作为尖点标定参数。

然后，令尖点器械绕标定工具尖点几何结构转动，使得器械上反光标记球的运动轨迹落在以器械末端为球心的球面上，利用光学定位设备记录n个时刻的光学示踪器空间位姿。记标定工具尖点几何结构在光学定位设备坐标系下的第i次坐标为

其中，{A}代表标定工具参考坐标系，^AP为标定工具尖点几何结构在坐标系{A}下的坐标，为已知参数；

为第i个时刻坐标系{A}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵。

最后，用矩阵方式表达最小二乘法，定义目标函数为

其中，

代表第i个时刻坐标系{B}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵，

代表第i个时刻尖点器械的末端点在光学定位系统坐标系{W}下的三维坐标。最小化目标函数求得最优解^BP，完成尖点手术器械标定。

具体的，基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定，进入直线器械标定模块，将直线手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内，类似尖点器械标定方法，确认直线手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示后，如附图4所示，将直线手术器械插入标定工具直线几何结构中使之紧密配合，则存在以下转换关系：

其中，{W}、{A}、{C}分别代表光学定位系统坐标系、标定工具参考坐标系，直线手术器械参考坐标系。(u,v,w)^T代表直线手术器械在坐标系{C}下的方向向量，为待求参数；(x,y,z)^T代表标定工具直线几何结构在坐标系{A}下的方向向量，为已知参数。^CP代表直线手术器械端点在坐标系{C}下的坐标，为待求参数；^AP代表标定工具直线几何结构端点在坐标系{A}下的坐标，为已知参数。

代表坐标系{A}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵，

代表坐标系{C}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵。

利用已知参数求得(u,v,w)^T和^CP，便可准确表示直线器械在其参考坐标系下的空间位置，完成直线手术器械标定。

具体的，基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定，进入平面器械标定模块，将平面手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内，确认平面手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示后，如附图5所示，建立平面器械和标定工具平面几何结构的标定坐标系，将平面手术器械插入标定工具平面几何结构中使之紧密配合，则存在以下转换关系：

其中，{W}、{A}、{D}、{M}分别代表光学定位系统坐标系、标定工具参考坐标系，平面手术器械参考坐标系，平面结构标定坐标系。

代表坐标系{M}相对于坐标系{D}的齐次变换矩阵，为待求参数；

代表坐标系{M}相对于坐标系{A}的齐次变换矩阵，为已知参数。

代表坐标系{A}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵，

代表坐标系{D}相对于坐标系{W}的齐次变换矩阵。利用已知参数求得

完成平面器械标定。

具体的，步骤ⅴ进行手术器械的可视化追踪，手术器械标定完成后，可视化模块可以实时显示手术器械的位置与姿态，如附图6所示，具体流程如下：

5a.根据手术器械的实体尺寸采用三维CAD造型法构建手术器械的三维模型，通过STL文件格式转换，使其转换为手术器械的三维表面模型，用于手术器械的可视化显示。

5b.利用VTK工具包建立虚拟三维场景，将手术器械三维表面模型导入虚拟三维场景中，借助vtkActor组件实现模型的可视化显示。

初始导入状态下，各模型的模型坐标系均与三维虚拟场景的世界坐标系重合。

5c.将光学定位系统坐标系与三维虚拟场景的世界坐标系视为重合，根据得到的光学示踪器位姿矩阵和上述标定结果，可以得到某一时刻手术器械在光学定位系统坐标系下的位姿矩阵^WT。

借助vtkMatrix4x4组件和vtkTransform组件，可以根据上述的位姿矩阵^WT，变换VTK虚拟三维场景中模型的位置与姿态，使得虚拟模型与真实空间的手术器械位姿同步。

5d.每隔50ms进行一次数据刷新，更新光学示踪器位置信息并变换虚拟场景中的手术器械模型的位置与姿态，实现手术器械的实时可视化跟踪。

本发明借助点、线、面的标定工具和光学定位，可以实现针对不同手术器械的术前标定，并且改善了手术器械标定精度及所需时间，提高效率。

本发明将标定过程中涉及到的位置信息进行内部分类传输，减少了医生的操作难度；可视化模块提供了直观的手术器械空间位置显示，实现了标定过程及标定后手术器械的可视化追踪，提高了标定过程准确性。

Claims (10)

1.一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：以下步骤：

(ⅰ)建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据；

(ⅱ)基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定；

(ⅲ)基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定；

(ⅳ)基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定；

(ⅴ)进行手术器械的可视化追踪。

2.根据权利要求1所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅰ)建立光学导航定位与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据，具体过程如下：

(1a)进行初始化，建立光学导航定位与计算机之间的数据通讯线程和主线程的连接；

(1b)根据不同手术器械连接的光学示踪器编号，正确载入对应光学示踪器的刚体文件，激活工具句柄，获取载入光学示踪器的位置信息；

(1c)利用主线程中数据请求函数通过调用光学定位系统的动态链接库，实现将数据缓冲区的数据传输至主线程；

(1d)根据光学示踪器位姿信息数据，计算得到光学示踪器的位姿矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(1b)中还包括对位置信息的缓存处理，即将获取的位置信息存入数据缓冲区等待主线程调用数据。

4.根据权利要求1所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(1c)中还包括以下过程：

借助QTTimer计时器每隔固定时间间隔调用主线程中数据请求函数，实现数据实时传输。

5.根据权利要求1所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅱ)基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定，具体过程如下：

首先，将尖点手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，位姿矩阵结合VTK工具包中的vtkAxesActor组件，在可视化模块显示所有光学示踪器坐标系的空间位置与姿态；

再后，确定尖点手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过尖点器械标定方法计算出器械尖点在参考坐标系下的三维坐标。

6.根据权利要求5所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅱ)基于光学示踪器的位姿数据，进行尖点器械标定中尖点器械标定方法，具体过程如下：

(2a)将尖点器械末端置于标定工具尖点几何结构处，得到此时尖点器械的末端点在光学定位系统坐标系下的三维坐标表达；

(2b)令尖点器械绕标定工具尖点几何结构转动，使得器械上反光标记球的运动轨迹落在以器械末端为球心的球面上；

(2c)利用光学定位设备记录n个时刻的光学示踪器空间位姿，记标定工具尖点几何结构在光学定位设备坐标系下的第i次坐标表达；

(2d)用矩阵方式表达最小二乘法，得到目标函数；

(2e)在最小化目标函数下求得最优解，完成尖点手术器械标定。

7.根据权利要求1所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅲ)基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定，具体过程如下：

首先，将直线手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，确认直线手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过直线器械标定方法，完成在直线器械参考坐标系下的标定。

8.根据权利要求7所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅲ)基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定中直线器械标定方法，具体过程如下：

首先，将直线手术器械插入标定工具直线几何结构中，使之紧密配合；

然后，得到直线手术器械的转换关系表达；

再后，根据转换关系表达，得到直线手术器械在坐标系下的方向向量；

再后，根据转换关系表达，得到直线手术器械端点在坐标系下的坐标；

再后，利用得到的方向向量、坐标得出直线器械在参考坐标系下的空间位置，完成直线手术器械标定。

9.根据权利要求1所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅳ)基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定，具体过程如下：

首先，将平面手术器械与标定工具置于光学定位设备视野之内；

然后，确认平面手术器械和标定工具的参考坐标系在可视化模块中正确显示；

最后，通过平面手术器械标定方法，完成在平面器械参考坐标系下的标定。

10.根据权利要求1所述的一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，其特征在于：步骤(ⅳ)基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定中平面手术器械标定方法，具体过程如下：

首先，建立平面器械和标定工具平面几何结构的标定坐标系，将平面手术器械插入标定工具平面几何结构中，使之紧密配合；

然后，得到平面手术器械的转换关系表达；

再后，根据转换关系表达，得到平面结构标定坐标系相对于手术器械参考坐标系的齐次变换矩阵；

最后，利用齐次变换矩阵，完成平面器械标定。

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