CN115624384B - 基于混合现实技术的手术辅助导航系统、方法和存储介质 - Google Patents

基于混合现实技术的手术辅助导航系统、方法和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种基于混合现实技术的手术辅助导航系统、方法和存储介质。本发明的系统包括：定位组、定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统；所述定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统通过通讯装置连接。本发明还进一步提供了利用上述系统进行手术导航的方法。上述系统和方法及保证了定位的性能，又保证了穿戴设备的轻便和使用的便利性。因此，本发明在手术辅助导航中具有很好的应用前景。

Description

基于混合现实技术的手术辅助导航系统、方法和存储介质
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种基于混合现实技术的手术辅助导航系统、方法和存储介质。
背景技术
在手术中，对患者的手术部位和手术器械进行精确定位并在操作时与手术规划进行实时比较，能够有效提高手术的效果，避免操作失误，降低手术的风险。
混合现实(MR)(既包括增强现实和增强虚拟)指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。随着MR技术的发展，本领域逐渐尝试将其应用于手术中的精确定位。中国发明专利申请“CN114668534A一种用于口腔种植牙手术的术中种植精度检测系统和方法”提供了利用两个视觉标记和红外双目相机对种植牙手术过程中的种植精度进行定位的方法。
然而，现有的混合现实技术应用于手术定位仍然存在一定的问题。双目相机只有两个摄像头，且两个摄像头布局相对靠近，这使得其只能够通过有限的角度采集有限视角范围内的图像。这种局限使得双目相机在手术定位中应用时存在准确度和鲁棒性方面的缺陷。而如果使用具有更多的摄像头的多目相机，则一方面摄像头数量增加，另一方面对图像进行计算和处理的复杂程度增加，进而导致设备的复杂程度增加。因此，如果将多目相机及其数据处理装置集成到穿戴设备上，会导致设备重量增加，穿戴不便。总之，现有的混合现实技术应用于手术定位时难以兼顾设备性能和使用的便利性。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于混合现实技术的手术辅助导航系统、方法和存储介质，目的在于保证手术定位的准确性和鲁棒性的前提下，降低穿戴设备部分的重量，提高设备使用的便利性。
一种基于混合现实技术的手术辅助导航系统，包括：定位组、定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统；所述定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统通过通讯装置连接；
所述定位组包括至少两个识别标签；
所述定位系统包括多目视觉系统，所述多目视觉系统用于识别所述标定板和识别标签；
所述计算及显示渲染单元用于根据所述定位系统传输的信息建立第一坐标空间，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿；
所述头戴式交互系统包括双目视觉系统、空间感知系统和MR显示单元，所述双目视觉系统用于识别至少一个识别标签，所述空间感知系统用于建立第二坐标空间并通过所述计算及显示渲染单元传输的信息计算所有识别标签在第二坐标空间中的位置，所述MR显示单元用于显示所述空间感知系统的计算结果和预设的手术信息。
优选的，所述定位组包括用于定位手术部位的第一定位组和用于定位手术器械的第二定位组；
所述第一定位组包括第一识别标签；
所述第二定位组包括第二识别标签和第三识别标签。
优选的，所述双目视觉系统用于识别所述第一识别标签。
优选的，所述计算及显示渲染单元通过多目视觉算法处理所述定位系统传输的信息。
优选的，所述定位组还包括多个惯性传感器单元；
所述定位系统还包括惯性辅助定位系统，所述惯性辅助定位系统用于处理惯性传感器单元的信号；
所述计算及显示渲染单元通过多目视觉算法方案处理所述定位系统传输的信息。
优选的，所述通讯装置选自有线通讯装置或无线通讯装置。
优选的，所述头戴式交互系统还包括MR交互单元，用于进行系统操作和交互。
本发明还提供一种应用上述导航系统进行手术辅助导航的方法，包括如下步骤：
步骤1，将至少一个识别标签固定在手术部位；将至少一个识别标签固定在手术器械上；
步骤2，采用所述定位系统识别所述识别标签；
步骤3，采用所述计算及显示渲染单元根据所述定位系统传输的信息建立第一坐标空间，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿；
步骤4，采用所述双目视觉系统识别固定在手术部位的识别标签；采用所述空间感知系统建立第二坐标空间，并通过所述计算及显示渲染单元传输的信息计算所有识别标签在第二坐标空间中的位置；
步骤5，采用所述MR显示单元显示所述空间感知系统的计算结果和预设的手术信息。
优选的，还包括如下步骤：
步骤6，通过MR交互单元进行系统操作和交互。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有用于实现上述导航系统的计算机程序。
本发明结合双目相机和多目相机构建手术辅助导航系统，通过分散布局于术区正前方，有更好的视野的多目相机保证采集到全面的图像信息；通过穿戴设备(头戴式交互系统)上的双目相机采集特定的识别标签；然后结合多目相机采集到的全面的图像信息和双目相机采集到的特定识别标签即可实现准确性和鲁棒性高的手术定位。本发明的系统和方法及保证了定位的性能，又保证了穿戴设备的轻便和使用的便利性。因此，本发明在手术辅助导航中具有很好的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图。
具体实施方式
需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。
实施例1基于混合现实技术的手术辅助导航系统和方法
本实施例的系统如图1所示，包括：第一定位组、第二定位组、定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统。所述定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统通过通讯装置连接。所述通讯装置选自有线通讯装置或无线通讯装置。所述无线通讯可选择Wi-Fi、蓝牙等无线协议。
其中，
第一定位组包括第一识别标签。第一定位组通过自凝卡夹等形式固定在手术部位。第一识别标签表面绘制AR tag等基准标记系统标签。
第二定位组包括第二识别标签、第三识别标签。第二识别标签通过螺纹、卡扣等活动组件与手术器械形成刚性连接；第三识别标签用于手术器械中活动结构连接后的配准。第二识别标签和第三识别标签表面绘制AR tag等基准标记系统标签。
定位系统包括多目视觉系统，所述多目视觉系统用于识别所述识别标签。
计算及显示渲染单元处理多目视觉系统采集到的标记信号。根据所述定位系统传输的信息，计算及显示渲染单元以第一识别标签为原点建立包含第一定位组以及第二定位组三维位置的空间坐标一，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿。计算及显示渲染单元通过多目视觉算法处理所述定位系统传输的信息。本实施例的多目视觉算法优选为SLAM算法。
头戴式交互系统包括双目视觉系统、空间感知系统、MR交互单元和MR显示单元，双目视觉系统用于识别第一识别标签，空间感知系统建立第二坐标空间，计算第一识别标签在第二坐标空间中的位置。通过带入计算及渲染单元计算所得第一定位组以及第二定位组的相对位姿关系，使用MR显示单元进行显示。通过MR交互单元进行系统操作以及语音、手势、眼球追踪等多种交互。
以牙科手术为例，采用上述系统进行手术导航的方法步骤如下：
步骤一，术前，收集患者的影像学以及牙列、面部等三维信息构筑虚拟患者，进行种植手术设计，进一步地，获得理想种植体植入位点同余留牙列间的三维位置关系。
步骤二，将第一识别标签固定在口内牙列、颌骨等硬组织；第二识别标签固定在牙科手机等手术器械上；将第三识别标签通过标准接口连接于牙科手机等组件，用于活动结构连接后的配准。
步骤三，采用所述定位系统识别所有识别标签；采用所述计算及显示渲染单元根据所述定位系统传输的信息建立第一坐标空间，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿。
步骤四，采用所述双目视觉系统识别第一识别标签；采用所述空间感知系统建立第二坐标空间，并通过所述计算及显示渲染单元传输的识别标签之间的相对位姿信息计算所有识别标签在第二坐标空间中的位置；
步骤五，采用所述MR显示单元显示所述空间感知系统的计算结果，通过在空间坐标二的适当位置显示精度指示器，此外，还可进一步显示患者信息、设计手术程序、CBCT模型等关键手术信息，提供符合术者手术直觉的高精度手术导航。
手术过程中，通过MR交互单元进行系统操作和交互。通过MR交互单元提供语音、手势、眼球追踪等多种交互，对状态追踪、车针更换、精度预警等全程提供可交互方案。
实施例2基于混合现实技术的手术辅助导航系统和方法
本实施例的系统如图2所示，包括：第一定位组、第二定位组、定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统。所述定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统通过通讯装置连接。所述通讯装置选自有线通讯装置或无线通讯装置。所述无线通讯可选择Wi-Fi、蓝牙等无线协议。
其中，
第一定位组包括刚性连接的第一识别标签和第一惯性传感器单元。第一定位组通过自凝卡夹等形式固定在手术部位。第一识别标签表面绘制AR tag等基准标记系统标签。
第二定位组包括第二识别标签、第三识别标签和第二惯性传感器单元。第二识别标签和第二惯性传感器单元刚性连接，并通过螺纹、卡扣等活动组件与手术器械形成刚性连接；第三识别标签用于手术器械中活动结构连接后的配准。第二识别标签和第三识别标签表面绘制AR tag等基准标记系统标签。
定位系统包括多目视觉系统和姿态及加速度系统，所述多目视觉系统用于识别所述识别标签，所述姿态及加速度系统用于处理惯性传感器单元的信号。
计算及显示渲染单元处理多目视觉系统采集到的标记信号和惯性传感器单元信号。根据所述定位系统传输的信息，计算及显示渲染单元以第一识别标签为原点建立包含第一定位组以及第二定位组三维位置的空间坐标一，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿。计算及显示渲染单元通过多目视觉算法方案处理所述定位系统传输的信息。本实施例的多目视觉算法优选为SLAM/VIO方案。
头戴式交互系统包括双目视觉系统、空间感知系统、MR交互单元和MR显示单元，双目视觉系统用于识别第一识别标签，空间感知系统建立第二坐标空间，计算第一识别标签在第二坐标空间中的位置。通过带入计算及渲染单元计算所得第一定位组以及第二定位组的相对位姿关系，使用MR显示单元进行显示。通过MR交互单元进行系统操作以及语音、手势、眼球追踪等多种交互。
以牙科手术为例，采用上述系统进行手术导航的方法步骤如下：
步骤一，术前，收集患者的影像学以及牙列、面部等三维信息构筑虚拟患者，进行种植手术设计，进一步地，获得理想种植体植入位点同余留牙列间的三维位置关系。
步骤二，将第一识别标签和第一惯性传感器单元固定在口内牙列、颌骨等硬组织；第二识别标签与第二惯性传感器单元固定在牙科手机等手术器械上；将第三识别标签通过标准接口连接于牙科手机等组件，用于活动结构连接后的配准。
步骤三，采用所述定位系统识别所有识别标签，处理惯性传感器单元的信号；采用所述计算及显示渲染单元根据所述定位系统传输的信息建立第一坐标空间，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿。
步骤四，采用所述双目视觉系统识别第一识别标签；采用所述空间感知系统建立第二坐标空间，并通过所述计算及显示渲染单元传输的识别标签之间的相对位姿信息计算所有识别标签在第二坐标空间中的位置；
步骤五，采用所述MR显示单元显示所述空间感知系统的计算结果，通过在空间坐标二的适当位置显示精度指示器，此外，还可进一步显示患者信息、设计手术程序、CBCT模型等关键手术信息，提供符合术者手术直觉的高精度手术导航。
手术过程中，通过MR交互单元进行系统操作和交互。通过MR交互单元提供语音、手势、眼球追踪等多种交互，对状态追踪、车针更换、精度预警等全程提供可交互方案。
通过上述实施例可以看到，本发明实现了一种兼顾导航性能和穿戴装置使用便利性的手术导航系统和方法，具有很好的应用前景。

Claims (7)

1.一种基于混合现实技术的手术辅助导航系统，其特征在于，包括：定位组、定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统；所述定位系统、计算及显示渲染单元和头戴式交互系统通过通讯装置连接；
所述定位组包括用于定位手术部位的第一定位组和用于定位手术器械的第二定位组；
所述第一定位组包括第一识别标签；
所述第二定位组包括第二识别标签和第三识别标签；
所述定位系统包括多目视觉系统，所述多目视觉系统用于识别所述第一识别标签、第二识别标签和第三识别标签；所述多目视觉系统包括两个以上的摄像头；
所述计算及显示渲染单元用于根据所述定位系统传输的信息建立第一坐标空间，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿；所述计算及显示渲染单元通过多目视觉算法处理所述定位系统传输的信息；
所述头戴式交互系统包括双目视觉系统、空间感知系统和MR显示单元，所述空间感知系统用于建立第二坐标空间并通过所述计算及显示渲染单元传输的信息计算所有识别标签在第二坐标空间中的位置，所述MR显示单元用于显示所述空间感知系统的计算结果和预设的手术信息；
所述双目视觉系统用于识别所述第一识别标签。
2.按照权利要求1所述的导航系统，其特征在于：所述定位组还包括多个惯性传感器单元；
所述定位系统还包括惯性辅助定位系统，所述惯性辅助定位系统用于处理惯性传感器单元的信号；
所述计算及显示渲染单元通过多目视觉算法方案处理所述定位系统传输的信息。
3.按照权利要求1所述的导航系统，其特征在于：所述通讯装置选自有线通讯装置或无线通讯装置。
4.按照权利要求1所述的导航系统，其特征在于：所述头戴式交互系统还包括MR交互单元，用于进行系统操作和交互。
5.一种应用权利要求1-4任一项所述的导航系统进行手术辅助导航的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将至少一个识别标签固定在手术部位；将至少一个识别标签固定在手术器械上；
步骤2，采用所述定位系统识别所述识别标签；
步骤3，采用所述计算及显示渲染单元根据所述定位系统传输的信息建立第一坐标空间，计算所述第一坐标空间中所述识别标签之间的相对位姿；
步骤4，采用所述双目视觉系统识别固定在手术部位的识别标签；采用所述空间感知系统建立第二坐标空间，并通过所述计算及显示渲染单元传输的信息计算所有识别标签在第二坐标空间中的位置；
步骤5，采用所述MR显示单元显示所述空间感知系统的计算结果和预设的手术信息。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括如下步骤：
步骤6，通过MR交互单元进行系统操作和交互。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有用于实现权利要求1-4任一项所述导航系统的计算机程序。
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