CN115624386A - 一种双目可见光摄像头的全息导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双目可见光摄像头的全息导航系统，其包括：双目可见光摄像头，被追踪器械，参照器械，追踪定位服务器；双目可见光摄像头，用于拍摄患者手术区域及被追踪器械与参照器械；被追踪器械与参照器械，都包括容易被识别的带有颜色区分明显的颜色分区的识别定位结构；每个被追踪器械与参照器械上至少设置3个不在一条直线上的识别定位结构；被追踪器械，用于结合手术操作器械，且被追踪器械与手术操作器械的几何关系提前设定好，并录入追踪定位服务器；参照器械，用于固定设置在患者手术位置，通过参照器械了解患者手术区域变化，并通过双目可见光摄像头拍摄患者手术位置变化情况，通过此种方式实时了解患者准确的位置。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及手术导航系统的技术领域；具体涉及为一种双目可见光摄像头的全息导航系统。
背景技术
目前市场上手术导航产品众多，光学导航主要是非可见光导航系统，目前产品多依赖国外的硬件设备，价格十分昂贵。
其中国外产品中的被动标记球是 Polaris 光学测量解决方案的关键组件：附着到 OEM 手术仪器上时，这些导航标记用作OR空间中仪器的三角测量点。被动标记球由成千上万个微珠组成的特殊逆反射表面，可在跟踪过程中反射红外光，反射的红外光接收依赖费用高昂的红外摄像头。而现有红外摄像头及被动标记球成本高昂。其次体积较大，手术室环境复杂，如医生的移动、其他医疗设备的位置等，可能因为磕碰引发硬件损坏，也会因为位置挪动导致精准度变差。
本发明针对上述手术导航系统中硬件部分成本高问题，提供一种双目可见光摄像头的全息导航系统。
发明内容
为了克服背景技术中提出的问题，本发明采用如下技术思路，本技术方案采用双目可见光摄像头加被识别的颜色区分明显的识别定位结构与带有影像识别及追踪定位算法的追踪定位服务器，改变传统识别定位方式，将昂贵庞大的红外摄像头及昂贵的被动标记球；变更为普通的双目可见光摄像头加轻质的颜色区分明显的识别定位结构的方式，这样避免了导航系统占用空间过大带来的设备损坏风险问题以及红外摄像头成本过高的问题，为一种硬件成本低，且跟现有技术思路完全不同的系统。
一种双目可见光摄像头的全息导航系统，其包括：双目可见光摄像头，被追踪器械，参照器械，追踪定位服务器；
双目可见光摄像头，用于拍摄患者手术区域及被追踪器械与参照器械；
被追踪器械与参照器械，都包括容易被识别的带有颜色区分明显的颜色分区的识别定位结构；每个被追踪器械与参照器械上至少设置3个不在一条直线上的识别定位结构；
被追踪器械，用于结合手术操作器械，且被追踪器械与手术操作器械的几何关系提前设定好，并录入追踪定位服务器；通过监测跟踪被追踪器械的移动情况、角度变化情况了解手术操作器械的移动及角度变化情况；或，通过被追踪器械坐标变化了解手术部位的坐标情况；
参照器械，用于固定设置在患者手术位置，通过参照器械了解患者手术区域变化，并通过双目可见光摄像头拍摄患者手术位置变化情况，通过此种方式实时了解患者准确的位置，并通过被追踪器械实时准确跟踪手术操作动作；
追踪定位服务器用于接收双目可见光摄像头发回的实时可见光图像信息，其内设置有跟踪定位算法；通过追踪定位服务器中的追踪定位算法实时追踪参照器械及被追踪器械的变化情况。
优选地，被追踪器械上的识别定位结构与参照器械上的识别定位结构围成的形状不同。
优选地，被追踪器械上的识别定位结构与参照器械上的识别定位结构都设置4个，任意3个识别定位结构不在同一直线上；可选的，被追踪器械上的识别定位结构与参照器械上的识别定位结构围成不同形状的四边形。
优选地，识别定位结构上设置有一个带有区分明显的颜色分区的平面结构，且所有的识别定位结构上的平面结构都设置在一个平面上，且朝向相同；平面结构为任意形状的平面结构；可选的屏幕结构形状为：长方形，正方形，圆形，三角形，梯形；不同识别定位结构上的平面结构相同或不同。
优选地，平面结构上带有两种区分明显的颜色分区，每种颜色设置2-5个颜色分区，其中优选每种颜色两种颜色分区。
优选地，平面结构为圆形平面结构，且圆形平面结构上交替设置黑色颜色分区与白色颜色分区，黑色颜色分区与白色颜色分区都设置为扇形分区。
优选地，识别定位结构设置在被追踪器械与或参照器械的第一端，被追踪器械与或参照器械包括主杆，主杆上设置识别定位结构和/或主杆上伸出连接杆设置识别定位结构；主杆上设置2个识别定位结构，且在主杆同侧或两侧伸出两根连接杆，连接杆上分别设置一个识别定位结构；以4个识别定位结构互连形成四边形，四边形形状为平行四边形，梯形，不规则四边形等。
优选地，参照器械与被追踪器械由轻质塑料材料制成。
优选地，参照器械第二端设置第一固定杆，用于将参照器械固定设置在手术部位；第一固定杆底部设置尖部；可选的，第一固定杆形状为非圆形形状。
优选地，所述双目可见光摄像头设置在追踪定位服务器上部，双目可见光摄像头与追踪定位服务器活动连接，可调整双目可见光摄像头照射位置，使其覆盖患者手术区域；
优选地，所述追踪定位服务器包括主机和显示器，所述显示器固定连接在主机上部任意一侧，可进行人体器官三维重建，所述主机中心上部设置第二固定杆，所述第二固定杆上部设置一万向球窝，所述万向球窝底部设置一圆柱形凹槽；所述双目可见光摄像头下部设置第三固定杆，所述第三固定杆下部固定连接一万向球头，所述万向球头直径等于万向球窝的内径，万向球头可安装进万向球窝并可在万向球窝内转动；所述圆柱形凹槽内设置一弹簧，弹簧顶在万向球头上，将万向球头压紧在万向球窝上侧面，双目可见光摄像头会固定住，按压万向球头，使万向球头和万向球窝上侧面分开，即可调节双目可见光摄像头的方向。
优选地，所述主机下部中心设置一伸缩杆，所述伸缩杆与主机固定连接，可调节双目可见光摄像头和显示器的高度；所述伸缩杆底部设置一底盘，所述底盘与伸缩杆固定连接。优选地，识别定位结构上设置带有颜色区分明显的平面结构，其中优选的方式为平面结构设置为圆形，平面结构内设置黑白交替的扇形结构的颜色分区。
本发明的有益效果：本发明结构合理；通过设置颜色区分明显的识别定位结构与配合的双目可见光摄像头及其带有影像识别及追踪定位算法的追踪定位服务器，在跟踪取像模块，将昂贵庞大的红外摄像头及昂贵的被动标记球；变更为普通的双目可见光摄像头加轻质的颜色区分明显的识别定位结构的方式，极大的降低了设备的成本，且提供了一种与传统思路不同的技术方案。在满足临床使用的精度需求和稳定度需求的前提下，实现了手术导航硬件成本大幅降低的目标。
通过选择圆形带有4个扇形黑白颜色分区的识别定位结构的设置，可以最大程度的提高跟踪的准确性及有效性。
附图说明
图1为本发明参照器械的结构示意图；
图2为本发明被追踪器械的结构示意图；
图3为本发明整体的结构示意图；
图4为本发明万向球窝的剖视结构示意图；
图5为本发明双目可见光摄像头的结构示意图；
图6为本发明导航系统主要结构流程图；
图中，1、双目可见光摄像头；2、被追踪器械；3、参照器械；4、识别定位结构；5、主杆；6、连接杆；7、第一固定杆；8、万向球头；9、万向球窝；10、圆柱形凹槽；11、弹簧；12、伸缩杆；13、主机；14、显示器；15、底盘；16、第二固定杆；17、第三固定杆；18、追踪定位服务器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例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，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
参照图1-6，一种双目可见光摄像头1的全息导航系统，其包括：双目可见光摄像头1，被追踪器械2，参照器械3，追踪定位服务器18；
双目可见光摄像头1，用于拍摄患者手术区域及被追踪器械2与参照器械3；
被追踪器械2与参照器械3，都包括容易被识别的带有颜色区分明显的颜色分区的识别定位结构4；每个被追踪器械2与参照器械3上至少设置3个不在一条直线上的识别定位结构4；
被追踪器械2，用于结合手术操作器械，且被追踪器械2与手术操作器械的几何关系提前设定好，并录入追踪定位服务器18；通过监测跟踪被追踪器械2的移动情况、角度变化情况了解手术操作器械的移动及角度变化情况；或，通过被追踪器械2坐标变化了解手术部位的坐标情况；
参照器械3，用于固定设置在患者手术位置，通过参照器械3了解患者手术区域变化，并通过双目可见光摄像头1拍摄患者手术位置变化情况，通过此种方式实时了解患者准确的位置，并通过被追踪器械2实时准确跟踪手术操作动作；
追踪定位服务器18用于接收双目可见光摄像头1发回的实时可见光图像信息，其内设置有跟踪定位算法；通过追踪定位服务器18中的追踪定位算法实时追踪参照器械3及被追踪器械2的变化情况。
更好的实施方式为，被追踪器械2上的识别定位结构4与参照器械3上的识别定位结构4围成的形状不同。更好的实施方式为，被追踪器械2上的识别定位结构4与参照器械3上的识别定位结构4都设置4个，任意3个识别定位结构4不在同一直线上。被追踪器械2上的识别定位结构4与参照器械3上的识别定位结构4围成不同形状的四边形。
更好的实施方式为，识别定位结构4上设置有一个带有区分明显的颜色分区的平面结构，且所有的识别定位结构4上的平面结构都设置在一个平面上，且朝向相同。通过此种设置可以保证将识别定位结构4统一朝向双目可见光摄像头1，方便进行实施拍摄及跟踪。
更好的实施方式为，平面结构为任意形状的平面结构，如，长方形，正方形，圆形，三角形，梯形等；不同识别定位结构4上的平面结构相同或不同。更好的实施方式为，平面结构上带有两种区分明显的颜色分区，每种颜色设置2-5个颜色分区，其中优选每种颜色两种颜色分区。更好的实施方式为，颜色分区充满平面结构。更好的实施方式为，平面结构上的颜色分区为交替设置的方式。更好的实施方式为，平面结构上的颜色分区为等大的颜色分区。更好的实施方式为，平面结构上设置4个等大的颜色分区，每种颜色设置2个颜色分区。设置黑色与白色，棕色与白色，深蓝色与白色等延伸配对方式。
最优的方式为，平面结构上设置2个黑色颜色分区与两个白色颜色分区。平面结构为圆形平面结构，且圆形平面结构上交替设置黑色颜色分区与白色颜色分区，黑色颜色分区与白色颜色分区都设置为扇形分区。黑白交替设置，且设置为扇形分区能够最大程度的减小被追踪难度，提升追踪精准程度。
更好的实施方式为，颜色分区为通过喷涂或张贴颜色分区贴的方式设置在平面结构上。更优的方式为通过打印带有与平面结构面积相同，且带有4个黑白交替颜色分区背胶贴纸。此种方式操作简单，非常容易实现，成本低廉。
更好的实施方式为，识别定位结构4为板形结构，平面结构为板形结构的一个平面。通过板形结构的设置可以极大的减少制备的难度，更有效的控制降低硬件部分的成本。
更好的实施方式为，板形结构的厚度小于5mm，优选为1-3mm。此种厚度设置可以保证设置的便宜性。此种厚度可以保证使用时的强度，且能有效降低器械的质量，增加可操控性。
更好的实施方式为，平面结构的表面积小于3cm2；优选表面积为1cm2；此种面积设置可以保证识别准确，且不干扰手术操作。
更好的实施方式为，识别定位结构4设置在被追踪器械2与或参照器械3的第一端，被追踪器械2和/或参照器械3包括主杆5，主杆5上设置识别定位结构4和/或主杆5上伸出连接杆6设置识别定位结构4。具体方式为，主杆5上设置2个识别定位结构4，且在主杆5同侧或两侧伸出两根连接杆6，连接杆6上分别设置一个识别定位结构4；具体，参考图1；两根连接杆6在主杆5相同的高度或不同的高度设置，以使4个识别定位结构4互连形成不同的四边形，四边形形状为平行四边形，梯形，不规则四边形等。
或者，参考图2；主杆5上伸出一个四边形框，在四边形的顶点位置分别设置一个识别定位结构4。更好的实施方式为，四边形框设置为平行四边形，梯形，不规则四边形。四边形框与主杆5材料相同，可以通过模具一起制备。
更好的实施方式为，参照器械3与被追踪器械2由轻质塑料材料制成，此种设置可以减小设置难度，且材料易取得，极大的降低硬件设备的成本。
更好的实施方式为，参照器械3第二端设置第一固定杆7，用于将参照器械3固定设置在手术部位。第一固定杆7底部设置尖部，方便置入手术位置。第一固定杆7非尖端位置形状为非圆形形状，此种设置可以有效的避免固定后固定杆转动的缝隙。第一固定杆7与主杆5一体连接或组合连接，其中优选一体连接，因为固定器械在手术过程中位置不发生改变，所以一体连接的方式能够更加有利于整体将参照器械3设置到手术位置，实现参考作用。
被跟踪器械第二端的实施方式为，被追踪器械2第二端设置手术操作器械，手术操作器械与被追踪器械2一体固定连接或组合后固定连接。此种设置可以保证手术前标定后被追踪器械2与手术操作器械几何关系后，随被追踪器械2位置变动可以清楚知晓手术操作器械特定点的位置。
更好的实施方式为，被追踪器械2与手术操作器械上设置对应的组合螺纹结构；通过螺纹方式组合固定；或者，被追踪器械2与手术操作器械设置配合的插接结构，通过插接方式组合固定；或者，被追踪器械2与手术操作器械设置配合的卡接结构，通过卡接方式组合固定。
更好的实施方式为，手术操作器械为探针，探针与被追踪器械2固定设置，且探针与被追踪器械2主杆5同轴。
更好的实施方式为，双目可见光摄像头1为市场上普通的双面摄像头。双目可见光摄像头1选择300-900百万像素的双目摄像头。双目摄像头通过不同角度拍摄被跟踪器械与参考架的图像；并将图像发回到追踪定位服务器18上；通过跟踪定位服务器的软件分析图像的信息获取被跟踪器械与参考架的图像位置信息的变化。
更好的实施方式为，双目可见光摄像头1设置在手术位置上方，且识别定位结构4朝向双目可见光摄像头1。
双目可见光摄像头1通过支撑支架或从顶部伸出的设置支架的方式设置在手术位置上方。
实施例2
在实施例1的基础上，对双面可见光摄像头、追踪定位服务器18及其两者的位置及组合方式进行实施，具体实施方式为：所述双目可见光摄像头1设置在追踪定位服务器18上部，双目可见光摄像头1与追踪定位服务器18活动连接，可调整双目可见光摄像头1照射位置，使其覆盖患者手术区域。
追踪定位服务器18设置方式为，所述追踪定位服务器18包括主机13和显示器14，所述显示器14固定连接在主机13上部任意一侧，可进行人体器官三维重建。
参考图3-5；主机13与双目可见光摄像头1连接结构实施方式为，所述主机13中心上部设置第二固定杆16，所述第二固定杆16上部设置一万向球窝9，所述万向球窝9底部设置一圆柱形凹槽10。所述双目可见光摄像头1下部设置第三固定杆17，所述第三固定杆17下部固定连接一万向球头8，所述万向球头8直径等于万向球窝9的内径，万向球头8可安装进万向球窝9并可在万向球窝9内转动。所述圆柱形凹槽10内设置一弹簧11，弹簧11顶在万向球头8上，将万向球头8压紧在万向球窝9上侧面，双目可见光摄像头1会固定住，按压万向球头8，使万向球头8和万向球窝9上侧面分开，即可调节双目可见光摄像头1的方向。
更好的实施方式为，所述主机13下部中心设置一伸缩杆12，所述伸缩杆12与主机13固定连接，可调节双目可见光摄像头1和显示器14的高度。所述伸缩杆12底部设置一底盘15，所述底盘15与伸缩杆12固定连接。
更好的实施方式为，所述主机13内设置有控制组件，所述控制组件包括中央控制器、数据分析模块、数据存储模块和无线通讯模块，数据分析模块、数据存储模块和无线通讯模块分别与中央控制器连接；双目可见光摄像头1将信息传输到数据分析模块进行分析，再通过中央控制器将分析结果进行转换，通过显示器14显示病灶在双目可见光摄像头1坐标系下的位置；利用数据存储模块将显示结构显示的画面进行有效存档；通过无线通讯模块将中央控制器与双目可见光摄像头1连接，实现无线连接，方便观察。
或者，所述主机13和双目可见光摄像头1也可为有线连接或无线连接。
双目可见光摄像头1的全息导航系统在脊柱导向操作中的应用，被追踪器械2连接导向器械，通过此种设置可以有效实现实施导航进入。
实施例3
全息导航系统使用方法为：
1提前获取患者的影像数据，并将参照器械3固定设置到手术部位，后开启追踪定位服务器18及双目可见光摄像头1的电源。
2.调整双目可见光摄像头1照射位置，使其覆盖患者手术区域，且正面朝向病患上的参照器械3的识别定位结构4。
3.将被追踪器械2置于手术区域内，并将被追踪器械2的识别定位结构4正面朝向双目摄像头。
4.通过追踪定位服务器18上的导航软件与规划软件，确定病灶在双目摄像头坐标系下的位置。
5.在追踪定位服务器18的显示结构中实时显示被追踪器械2与病灶在双目摄像头坐标系下的位置（以图像形式显示二者相对位置）。
6.被跟踪器械在系统引导下到达病灶位置，后医生即可使用器械完成手术，或使用其他手术工具通过被跟踪器械上的被识别器械完成手术。
另外可以根据不同的手术需要，利用该全息导航系统具体设置特定手术的使用方法。
上述实施例的说明只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (13)
1.一种双目可见光摄像头的全息导航系统，其包括：双目可见光摄像头，被追踪器械，参照器械，追踪定位服务器；其特征在于，
双目可见光摄像头，用于拍摄患者手术区域及被追踪器械与参照器械；
被追踪器械与参照器械，都包括容易被识别的带有颜色区分明显的颜色分区的识别定位结构；每个被追踪器械与参照器械上至少设置3个不在一条直线上的识别定位结构；
被追踪器械，用于结合手术操作器械，且被追踪器械与手术操作器械的几何关系提前设定好，并录入追踪定位服务器；通过监测跟踪被追踪器械的移动情况、角度变化情况了解手术操作器械的移动及角度变化情况；或，通过被追踪器械坐标变化了解手术部位的坐标情况；
参照器械，用于固定设置在患者手术位置，通过参照器械了解患者手术区域变化，并通过双目可见光摄像头拍摄患者手术位置变化情况；
追踪定位服务器，用于接收双目可见光摄像头发回的实时可见光图像信息，其内设置有跟踪定位算法。
2.根据权利要求1所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，被追踪器械上的识别定位结构与参照器械上的识别定位结构围成的形状不同。
3.根据权利要求1所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，被追踪器械上的识别定位结构与参照器械上的识别定位结构都设置4个，任意3个识别定位结构不在同一直线上；被追踪器械上的识别定位结构与参照器械上的识别定位结构围成不同形状的四边形。
4.根据权利要求2所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，识别定位结构上设置有一个带有区分明显的颜色分区的平面结构，且所有的识别定位结构上的平面结构都设置在一个平面上，且朝向相同；平面结构为任意形状的平面结构；不同识别定位结构上的平面结构相同或不同。
5.根据权利要求4所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，平面结构上带有两种区分明显的颜色分区，每种颜色设置2-5个颜色分区，其中每种颜色两种颜色分区。
6.根据权利要求4所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，平面结构为圆形平面结构，且圆形平面结构上交替设置黑色颜色分区与白色颜色分区，黑色颜色分区与白色颜色分区都设置为扇形分区。
7.根据权利要求1所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，识别定位结构设置在被追踪器械与或参照器械的第一端，被追踪器械与参照器械包括主杆，主杆上设置识别定位结构或主杆上伸出连接杆设置识别定位结构；主杆上设置2个识别定位结构，且在主杆同侧或两侧伸出两根连接杆，连接杆上分别设置一个识别定位结构；以4个识别定位结构互连形成四边形。
8.根据权利要求1所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，参照器械与被追踪器械由轻质塑料材料制成。
9.根据权利要求1所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，参照器械第二端设置第一固定杆，用于将参照器械固定设置在手术部位；第一固定杆底部设置尖部；第一固定杆非尖端位置形状为非圆形形状。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，其特征在于，双目可见光摄像头设置在手术位置上方，且识别定位结构朝向双目可见光摄像头；双目可见光摄像头通过支撑支架或从顶部伸出的设置支架的方式设置在手术位置上方。
11.根据权利要求10所述的双目可见光摄像头的全息导航系统，所述双目可见光摄像头设置在追踪定位服务器上部，双目可见光摄像头与追踪定位服务器活动连接，可调整双目可见光摄像头照射位置，使其覆盖患者手术区域。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述追踪定位服务器包括主机和显示器，所述显示器固定连接在主机上部任意一侧，可进行人体器官三维重建；所述主机中心上部设置第二固定杆，所述第二固定杆上部设置一万向球窝，所述万向球窝底部设置一圆柱形凹槽；所述双目可见光摄像头下部设置第三固定杆，所述第三固定杆下部固定连接一万向球头，所述万向球头直径等于万向球窝的内径，万向球头可安装进万向球窝并可在万向球窝内转动；所述圆柱形凹槽内设置一弹簧，弹簧将万向球头压紧在万向球窝的上侧面，双目可见光摄像头被固定，在手动按压万向球头时，万向球头和万向球窝上侧面分开，即可调节双目可见光摄像头的方向。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述主机下部中心设置一伸缩杆，所述伸缩杆与主机固定连接，可调节双目可见光摄像头和显示器的高度；所述伸缩杆底部设置一底盘，所述底盘与伸缩杆固定连接。
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- 2022-12-20 CN CN202211636248.8A patent/CN115624386B/zh active Active
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