CN115607285A - 一种单孔腹腔镜定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单孔腹腔镜定位装置及方法，属于医疗辅助设备技术领域，其中定位装置包括3D医学影像、单孔腹腔镜、单目相机、多通道单孔腹腔镜手术穿刺器、标定板、刚体和光学追踪系统，所述单目相机与单孔腹腔镜刚性连接，标定板与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，标定板与刚体刚性连接，多通道单孔腹腔镜手术穿刺器放置于患者肚脐处保持位置不变，通过本发明的定位装置和定位方法，可以实现术中实时精确定位单孔腹腔镜空间位姿，并且此定位方式可与基于光学追踪系统的定位方式结合，补偿在光路遮挡状态下单孔腹腔镜的术中位姿。因此，本发明的单孔腹腔镜的定位装置与定位方法具有精度高、应用性广的特点。

Description

一种单孔腹腔镜定位装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗辅助设备技术领域，特别是涉及一种单孔腹腔镜定位装置及方法。

背景技术

微创手术是当代临床医学的主要发展趋势之一，相较于开放型手术，微创手术通过减小手术切口降低了对患者的损伤，降低了患者发生并发症的风险，有助于患者的术后恢复。经脐单孔腹腔镜手术是一种新型微创腹腔镜手术，手术中通过在脐孔处放置多通道单孔腹腔镜手术穿刺器，腹腔镜及其他手术器械经通道进入患者体内完成手术操作。由于肚脐被认为是人体唯一的天然疤痕结构，因此手术后不会增加明显的额外疤痕，手术近似达到无创的效果。

虽然微创手术具有诸多优点，但是其也面临着许多挑战。例如术中内窥镜视野受限，影响医生对患者体内器官组织的判别。手术导航系统的出现解决了这个问题，可以实时定位手术器械的空间位置，可视化引导手术进行。

单孔腹腔镜手术导航系统在应用前需要进行腹腔镜与3D医学影像的标定，获得腹腔镜与3D医学影像之间的空间转换关系。常用的方法是通过在腹腔镜尾部放置刚体，标定刚体与腹腔镜之间的空间转换关系，实现腹腔镜与3D医学影像的标定。但是手术操作过程中光学追踪系统的光路容易受到遮挡，因此无法实时定位腹腔镜的空间位置，对手术过程无法进行实时引导。

目前，亟待需要一种不受遮挡的单孔腹腔镜术中定位装置和定位方法，术中能够实时定位腹腔镜的空间位置，引导手术的进行，以提高手术的质量和手术的安全性。

发明内容

本发明的目的在于解决单孔腹腔镜手术导航系统中单孔腹腔镜术中定位问题。通过结合单目相机与标定板，设计了一种新型的单孔腹腔镜术中定位装置，并且提出了基于视觉的单孔腹腔镜定位方法，实现了术中实时定位单孔腹腔镜空间位姿，并且此定位方式也可与基于光学追踪系统的定位方式结合，补偿在光路遮挡状态下单孔腹腔镜的术中位姿。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单孔腹腔镜定位装置，包括3D医学影像、单孔腹腔镜、单目相机、多通道单孔腹腔镜手术穿刺器、标定板、刚体和光学追踪系统，所述单目相机与单孔腹腔镜刚性连接，组成双目相机系统，标定板与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，标定板与刚体刚性连接，多通道单孔腹腔镜手术穿刺器放置于患者肚脐处保持位置不变，单孔腹腔镜等手术器械通过多通道穿刺器进入患者体内，光学追踪系统放置于手术场景中保持位置不变，在术中单孔腹腔镜运动过程中，单目相机实时采集标定板图像，计算单目相机与标定板之间的空间转换关系，进而计算单孔腹腔镜在不同位姿状态下与3D医学影像的空间转换关系，实时定位单孔腹腔镜在3D医学影像坐标系中的空间位姿。

一种单孔腹腔镜定位方法，采用上述的单孔腹腔镜定位装置，包含以下步骤：

步骤一、单目相机与腹腔镜的标定；

步骤二、单目相机在标定板坐标系中的标定；

步骤三、标定板在人体坐标系中的标定；

步骤四、术前3D医学影像与人体的标定；

步骤五、单孔腹腔镜在3D医学影像坐标系中的空间位姿计算。

作为本发明的进一步技术方案：所述单目相机与腹腔镜的标定具体是：单目相机与单孔腹腔镜刚性连接，组成双目相机系统，术前对双目相机系统进行双目标定，计算双目相机系统的外参数T _BA，即单孔腹腔镜与单目相机之间的空间转换关系。

作为本发明的进一步技术方案：所述单目相机在标定板坐标系中的标定具体包含：

Ⅰ、标定板与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，手术过程中多通道单孔腹腔镜穿刺器放置于患者肚脐处，单孔腹腔镜通过多通道穿刺器进入患者体内；

Ⅱ、术前单目相机在不同位姿下采集多张标定板图像，标定板为与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，通过标定单目相机，获得单目相机的内参矩阵K；

Ⅲ、在术中单孔腹腔镜运动过程中，单目相机实时采集标定板图像，计算单目相机与标定板之间的空间转换关系T _AC；

其中，T _AC的求解步骤为：假设将标定板所在平面设为Z=0的平面，因此标定板中提取的角点在标定板坐标系下的坐标与单目相机成像中的像素坐标之间的关系如式(1)所示：

其中，s为比例系数，K为内参矩阵，R为旋转矩阵，t为平移向量，

是旋转矩阵R的第i列；

根据式(1)，每一幅图都能够确定一个大小为3×3的单应性矩阵H，因此根据单应性矩阵的性质，令

，其中

，H为单应性矩阵，则得到式(2)

其中，

；

通过以上计算，得到单目相机与标定板之间的空间转换关系T _AC，如式(3)所示：

作为本发明的进一步技术方案：所述标定单目相机采用张正友标定法。

作为本发明的进一步技术方案：所述标定板在人体坐标系中的标定的理论依据在于：在术前操作中，光学追踪系统放置于手术场景中，视场覆盖于手术操作空间。患者的空间位置在光学追踪系统的坐标系下得到，因此，人体坐标系可转化为光学追踪系统的坐标系（即世界坐标系），因标定板在人体坐标系中的标定可转化为计算标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD，并且标定板与光学追踪系统之间的位置固定，所以空间变换关系保持不变。

为求解空间变换关系T _CD，在标定板处固定刚体，使其近似刚性连接，因此通过相机、标定板、刚体与光学追踪系统构造手眼标定结构，计算标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间转换关系，进而计算标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD。

因此标定板在人体坐标系中的标定的具体过程是：通过相机、标定板、刚体与光学追踪系统构造手眼标定结构，计算标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间转换关系，进而计算标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD；其中，手眼标定结构的数学模型如式(4)所示：

其中，R、C与X分别为4×4齐次变换矩阵，

，X为标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间变换关系；

采集多组数据，通过对偶四元数法计算得到标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间变换关系X，然后根据式(5)，计算得到标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD：

。

作为本发明的进一步技术方案：所述术前3D医学影像与人体的标定具体是：首先在光学追踪系统追踪探针的条件下，将探针固定至一点做圆周运动，基于球面拟合的原理计算探针针尖在光学追踪系统中的三维坐标，然后利用探针在患者治疗部位的体表进行有规律的运动，采集患者治疗部位的体表点云数据，获得点云集合P₁，其次，术前获取患者治疗部位的3D医学图像，设定阈值范围，遍历提取3D医学图像中体表体素坐标，获得点云集合P₂，最后通过ICP算法进行表面配准，迭代配准点云集合P₁和P₂，计算最优变换T _DE。

作为本发明的进一步技术方案：所述单孔腹腔镜在3D医学影像坐标系中的空间位姿计算具体是：通过步骤一至步骤四的求解，单孔腹腔镜与3D医学影像之间的空间变换关系能够基于式(6)计算得到：

因此，通过空间变换关系T _BE可以计算单孔腹腔镜下图像与3D医学影像之间的对应特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现了单孔腹腔镜的定位装置与定位方法。通过本发明的定位装置和定位方法，可以实现术中实时精确定位单孔腹腔镜空间位姿，并且此定位方式可与基于光学追踪系统的定位方式结合，补偿在光路遮挡状态下单孔腹腔镜的术中位姿。因此，本发明的单孔腹腔镜的定位装置与定位方法具有精度高、应用性广的特点。

附图说明

图1为本发明的定位装置结构示意图。

图2为单孔腹腔镜手术引导系统中各个结构之间的空间转换关系示意图；

图3为手眼标定模型示意图。

图中：1-单孔腹腔镜、2-单目相机、3-多通道单孔腹腔镜手术穿刺器、4-标定板、5-刚体、6-光学追踪系统、7-工作站。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

实施例1，如图1所示，一种单孔腹腔镜定位装置，由单孔腹腔镜1、单目相机2、多通道单孔腹腔镜手术穿刺器3、标定板4、刚体5和光学追踪系统6组成，其中单目相机2与单孔腹腔镜1刚性连接，标定板4与多通道单孔腹腔镜穿刺器3刚性连接，标定板4与刚体5刚性连接，多通道单孔腹腔镜手术穿刺器3放置于患者肚脐处保持位置不变，光学追踪系统6放置于手术场景中保持位置不变。并且，还包括工作站7，工作站内部设有3D医学影像系统，设置在手术场景中或者后台指挥中心，用于三维可视化显示单孔腹腔镜成像区域的腹腔器官和组织。

实施例2，在实施例1的基础上，提出了一种基于视觉的单孔腹腔镜定位方法。所述的单孔腹腔镜定位方法包括以下几个步骤：

步骤一、单目相机与腹腔镜的标定；

步骤二、单目相机在标定板坐标系中的标定；

步骤三、标定板在人体坐标系中的标定；

步骤四、术前3D医学影像与人体的标定；

步骤五、单孔腹腔镜在3D医学影像坐标系中的空间位姿计算。

基于以上步骤标定单孔腹腔镜之后，单孔腹腔镜手术引导系统中各个结构之间的空间转换关系如图2所示。基于以上定位装置与定位方法，可以计算单孔内窥镜在不同位姿状态下与3D医学影像的空间转换关系，实时定位单孔腹腔镜在3D医学影像坐标系中的空间位姿，从而可视化引导手术进行。

实施例3，在实施例2的基础上，对各个步骤进行细化处理，各个步骤的具体实现过程及实现依据如下：

步骤一中，单目相机与单孔腹腔镜刚性连接，组成双目相机系统。术前对双目相机系统进行双目标定，计算双目相机系统的外参数T _BA，即单孔腹腔镜与单目相机之间的空间转换关系；

步骤二中，标定板与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，手术过程中多通道单孔腹腔镜穿刺器放置于患者肚脐处，单孔腹腔镜等手术器械通过多通道穿刺器进入患者体内。

术前单目相机在不同位姿下采集多张标定板图像，标定板为与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接。通过张正友标定法标定单目相机，获得单目相机的内参矩阵K。

在术中单孔腹腔镜运动过程中，单目相机实时采集标定板图像，通过以下所述方法计算单目相机与标定板之间的空间转换关系T _AC。

假设将标定板所在平面设为Z=0的平面，因此标定板中提取的角点在标定板坐标系下的坐标与单目相机成像中的像素坐标之间的关系如式(1)所示：

其中，s为比例系数，K为内参矩阵，R为旋转矩阵，t为平移向量，

是旋转矩阵R的第i列；

根据式(1)，每一幅图都能够确定一个大小为3×3的单应性矩阵H，因此根据单应性矩阵的性质，令

，其中

，H为单应性矩阵，则得到式(2)：

其中，

。

通过以上计算，可得到单目相机与标定板之间的空间转换关系T _AC，如式(3)所示：

步骤三中，在术前操作中，光学追踪系统放置于手术场景中，视场覆盖于手术操作空间。患者的空间位置在光学追踪系统的坐标系下得到，因此，人体坐标系可转化为光学追踪系统的坐标系（即世界坐标系），因标定板在人体坐标系中的标定可转化为计算标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD，并且标定板与光学追踪系统之间的位置固定，所以空间变换关系保持不变。

为求解空间变换关系T _CD，在标定板处固定刚体，使其近似刚性连接，如图1所示。因此通过相机、标定板、刚体与光学追踪系统构造手眼标定结构，如图3所示，计算标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间转换关系，进而计算标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD。

手眼标定结构的数学模型如式(4)所示：

其中，R、C与X分别为4×4齐次变换矩阵，

，X为标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间变换关系；

采集多组数据，通过对偶四元数法计算得到标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间变换关系X，然后根据式(5)，计算得到标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD：

步骤四中，如步骤三所述，人体坐标系可转化为光学追踪系统的坐标系（即世界坐标系），因此，术前3D医学影像与人体的标定转化为求解3D医学影像坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _DE。

在光学追踪系统追踪探针的条件下，将探针固定至一点做圆周运动，基于球面拟合的原理计算探针针尖在光学追踪系统中的三维坐标。然后利用探针在患者治疗部位的体表进行有规律的运动，采集患者治疗部位的体表点云数据，获得点云集合P₁。

术前获取患者治疗部位的3D医学图像，设定阈值范围，遍历提取3D医学图像中体表体素坐标，获得点云集合P₂。

通过ICP算法进行表面配准，迭代配准点云集合P₁和P₂，计算最优变换T _DE。

步骤五中，通过步骤一至步骤四的求解，单孔腹腔镜与3D医学影像之间的空间变换关系可以基于式(6)计算得到：

因此，通过空间变换关系T _BE可以计算单孔腹腔镜下图像与3D医学影像之间的对应特征。

本发明实现了单孔腹腔镜的定位装置与定位方法。通过本发明的定位装置和定位方法，可以实现术中实时精确定位单孔腹腔镜空间位姿，并且此定位方式可与基于光学追踪系统的定位方式结合，补偿在光路遮挡状态下单孔腹腔镜的术中位姿。因此，本发明的单孔腹腔镜的定位装置与定位方法具有精度高、应用性广的特点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种单孔腹腔镜定位装置，包括3D医学影像、单孔腹腔镜、单目相机、多通道单孔腹腔镜手术穿刺器、标定板、刚体和光学追踪系统，其特征在于，所述单目相机与单孔腹腔镜刚性连接，标定板与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，标定板与刚体刚性连接，多通道单孔腹腔镜手术穿刺器放置于患者肚脐处保持位置不变，光学追踪系统放置于手术场景中保持位置不变，3D医学影像通过工作站生成。

2.一种单孔腹腔镜定位方法，其特征在于，采用权利要求1所述的单孔腹腔镜定位装置，包含以下步骤：

步骤一、单目相机与腹腔镜的标定；

步骤二、单目相机在标定板坐标系中的标定；

步骤三、标定板在人体坐标系中的标定；

步骤四、术前3D医学影像与人体的标定；

步骤五、单孔腹腔镜在3D医学影像坐标系中的空间位姿计算。

3.根据权利要求2所述的一种单孔腹腔镜定位方法，其特征在于，所述单目相机与腹腔镜的标定具体是：单目相机与单孔腹腔镜刚性连接，组成双目相机系统，术前对双目相机系统进行双目标定，计算双目相机系统的外参数T _BA。

4.根据权利要求2所述的一种单孔腹腔镜定位方法，其特征在于，所述单目相机在标定板坐标系中的标定具体包含：

Ⅰ、标定板与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，手术过程中多通道单孔腹腔镜穿刺器放置于患者肚脐处，单孔腹腔镜通过多通道穿刺器进入患者体内；

Ⅱ、术前单目相机在不同位姿下采集多张标定板图像，标定板为与多通道单孔腹腔镜穿刺器刚性连接，通过标定单目相机，获得单目相机的内参矩阵K；

Ⅲ、在术中单孔腹腔镜运动过程中，单目相机实时采集标定板图像，计算单目相机与标定板之间的空间转换关系T _AC；

其中，T _AC的求解步骤为：假设将标定板所在平面设为Z=0的平面，因此标定板中提取的角点在标定板坐标系下的坐标与单目相机成像中的像素坐标之间的关系如式(1)所示：

其中，s为比例系数，K为内参矩阵，R为旋转矩阵，t为平移向量，

是旋转矩阵R的第i列；

根据式(1)，每一幅图都能够确定一个大小为3×3的单应性矩阵H，因此根据单应性矩阵的性质，令

，其中

，H为单应性矩阵，则得到式(2)

其中，

；

通过以上计算，得到单目相机与标定板之间的空间转换关系T _AC，如式(3)所示：

。

5.根据权利要求2所述的一种单孔腹腔镜定位方法，其特征在于，所述标定板在人体坐标系中的标定具体是：通过相机、标定板、刚体与光学追踪系统构造手眼标定结构，计算标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间转换关系，进而计算标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD；其中，手眼标定结构的数学模型如式(4)所示：

其中，R、C与X分别为4×4齐次变换矩阵，

，X为标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间变换关系；

采集多组数据，通过对偶四元数法计算得到标定板坐标系与刚体坐标系之间的空间变换关系X，然后根据式(5)，计算得到标定板坐标系与世界坐标系之间的空间变换关系T _CD：

。

6.根据权利要求2所述的一种单孔腹腔镜定位方法，其特征在于，所述术前3D医学影像与人体的标定具体是：在光学追踪系统追踪探针的条件下，将探针固定至一点做圆周运动，基于球面拟合的原理计算探针针尖在光学追踪系统中的三维坐标，利用探针在患者治疗部位的体表进行有规律的运动，采集患者治疗部位的体表点云数据，获得点云集合P₁，术前获取患者治疗部位的3D医学图像，设定阈值范围，遍历提取3D医学图像中体表体素坐标，获得点云集合P₂，通过ICP算法进行表面配准，迭代配准点云集合P₁和P₂，计算最优变换T _DE。

7.根据权利要求2所述的一种单孔腹腔镜定位方法，其特征在于，所述步骤五具体是：通过步骤一至步骤四的求解，单孔腹腔镜与3D医学影像之间的空间变换关系能够基于式(6)计算得到：

因此，通过空间变换关系T _BE可以计算单孔腹腔镜下图像与3D医学影像之间的对应特征。

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