CN116509543A - 一种复合型手术导航装置、方法以及系统 - Google Patents

一种复合型手术导航装置、方法以及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于手术导航技术领域，具体公开了一种复合型手术导航装置、方法以及系统，包括：坐标系配准模块，用于获取实施目标的影像图像，与预设的第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系进行配准；定位模块，用于获取执行机构分别在第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系下的定位位置；误差计算模块，用于根据定位位置以及预设的相应的转换关系换算得到相应的参考位置；并根据在同一坐标系下的定位位置以及换算得到的参考位置获取对应的定位误差，并根据获取的定位误差确定执行机构的当前位置。本发明将几种导航定位方式进行优劣互补、误差验证，实现了高稳定、高精准的导航，为医生提供稳定可靠精准的位置定位信息，极大提高医生的手术质量和效率。

Description

一种复合型手术导航装置、方法以及系统
技术领域
本发明属于手术导航技术领域，尤其涉及一种复合型手术导航装置、方法以及系统。
背景技术
随着医学图像处理技术的发展，出现了手术导航技术，手术导航技术是将病人的影像数据和病人解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然。
目前，手术导航技术主要包括光学、电磁和超声导航等，其中，传统的光学、电磁等导航，导航过程中使用的是术前的电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)或核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)图像，这类手术导航系统存在的问题是很难实时的跟踪和反映具有弹性的人体组织或器官，由于人体组织或器官会在与手术器械接触时发生弹性形变，术前的医学影像数据与术中实际情况无法完全匹配，同时又缺乏实时监测其形变的手段，手术导航时容易产生较大的定位误差，并且其只能对骨性组织与工具进行追踪，无法追踪血管，神经，肌肉等软组织，而且光学导航易受遮挡物影响，电磁导航易受铁磁性物体干扰，导致定位不准确。而超声导航定位范围较窄，只能看到被超声照到的区域，视野有限，且超声探头只能探测范围内的情况，对探头本身在人体中的位置无法得知，也无法对手术工具和患者进行精准的定位。
综上，现有导航系统容易受到外界干扰以及自身定位的局限，导致无法精确获得手术工具与手术部位的定位信息，也无法长时间稳定的进行手术导航。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合型手术导航装置、方法以及系统，将几种定位方式进行优劣互补，并将各种定位方式的定位位置进行误差验证，实现高稳定、高精准的导航，为医生提供稳定可靠精准的位置定位信息，极大提高医生的手术质量和效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种复合型手术导航装置，包括：
坐标系配准模块，用于获取实施目标的影像图像，并将所述影像图像的坐标系与预设的第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系进行配准；
定位模块，用于获取执行机构分别在所述第一坐标系、所述第二坐标系和所述第三坐标系下的定位位置；
误差计算模块，用于根据每个获取的所述定位位置以及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置；并根据在同一坐标系下的所述定位位置以及换算得到的所述参考位置获取对应的定位误差，并根据不同坐标系下获取的所述定位误差确定所述执行机构的当前位置。
可选地，所述影像图像包括实施目标的预设图像和实时图像，所述坐标系配准模块包括：
图像数据获取单元，用于获取实施目标的预设图像数据和实时图像数据，并根据预设图像数据三维重建为三维模型；
第一转换关系计算单元，用于获取图像标记点在所述实时图像内的第一图像坐标，获取特征标记点在所述特征坐标系的特征坐标，并根据所述第一图像坐标和所述特征坐标计算得到所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系；
第二转换关系计算单元，用于获取所述图像标记点在所述预设图像中的第二图像坐标，并根据所述第一图像坐标和所述第二图像坐标计算得到所述预设图像至所述实时图像的转换关系；
配准单元，根据所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系，以及所述预设图像至所述实时图像的转换关系，计算得到所述预设图像与所述特征坐标系的转换关系。
可选地，所述定位位置包括所述执行机构在所述第一坐标系下的第一位置、在所述第二坐标系下的第二位置、以及在所述第三坐标系的第三位置；所述误差计算模块包括：
第一计算单元，用于根据定位模块获取的第一位置、第二位置和第三位置的坐标以及预设的转换关系计算得到相应的第二参考位置、第三参考位置和第一参考位置的坐标；
第二计算单元，用于根据第一位置和第一参考位置、第二位置和第二参考位置、第三位置和第三参考位置的坐标计算出第一误差、第二误差和第三误差；
位置确定单元，用于根据第一误差、第二误差和第三误差与预设阈值的比较确定执行机构的当前位置。
可选地，所述定位模块包括：
光学定位单元，用于获取光学标记点在第一坐标系下的光学坐标；
电磁定位单元，用于获取电磁标记点在第二坐标系下的电磁坐标；
结构光定位单元，用于获取结构光标记点在第三坐标系下的结构光坐标。
可选地，所述定位模块还包括：
超声定位单元，用于获取配置于所述执行机构前端的超声探头所扫描的超声图像，并将所述超声图像与所述三维模型融合。
另一方面，本发明还公开了一种复合型手术导航方法，包括：
获取实施目标的影像图像，将所述影像图像与预设的特征坐标系配准，其中，所述特征坐标系至少包括第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系；
采集一执行机构分别在所述第一坐标系、所述第二坐标系以及所述第三坐标系下的定位位置；
通过每个所述定位位置以及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置；
根据在同一坐标系下的所述定位位置以及换算得到的所述参考位置获取对应的定位误差，并根据不同坐标系下获取的所述定位误差确定所述执行机构的当前位置。
可选地，所述影像图像包括所述实施目标的预设图像和实时图像，所述将所述影像图像与预设的特征坐标系配准包括：
在所述实施目标上配置图像标记点以及特征标记点，并获取所述实施目标的实时图像，以及获取图像标记点在所述实时图像的图像坐标，获取所述特征标记点在所述特征坐标系的特征坐标；
根据所述图像坐标和所述特征坐标获取所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系；
根据所述图像标记点分别在预设图像和所述实时图像的位置，获取所述预设图像至所述实时图像的转换关系；
根据所述预设图像至所述实时图像的转换关系，以及所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系，获取所述预设图像与术中特征坐标系的转换关系。
可选地，所述定位位置包括所述执行机构在所述第一坐标系下的第一位置、在所述第二坐标系下的第二位置、以及在所述第三坐标系的第三位置；所述通过每个所述定位位置及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置包括：
根据所述第一坐标系和所述第二坐标系的转换关系获取所述第一位置在所述第二坐标系下的第二参考位置；以及
根据所述第二坐标系和所述第三坐标系的转换关系获取所述第二位置在所述第三坐标系下的第三参考位置；以及
根据所述第三坐标系和所述第一坐标系的转换关系获取所述第三位置在所述第一坐标系下的第一参考位置。
可选地，所述定位误差包括根据所述第一位置与所述第一参考位置计算获得的第一误差、所述第二位置与所述第二参考位置计算获得的第二误差、以及所述第三位置与所述第三参考位置计算获得的第三误差；
所述第一坐标系为基于光学定位系统所建立的坐标系，所述第二坐标系为基于电磁定位系统所建立的坐标系，所述第三坐标系为基于结构光定位系统所建立的坐标系；
所述根据不同坐标系下获取的所述定位误差确定所述执行机构的当前位置包括：
若所述第一定位误差小于所述第一阈值和/或所述第二定位误差小于第二阈值，则所述第一位置确定为所述执行机构的当前位置；
若所述第一定位误差大于所述第一阈值，且所述第二定位误差大于所述第二阈值，且所述第三定位误差小于第三阈值，则所述第二位置或所述第三位置确定为所述执行机构的当前位置。
另一方面，本发明还公开了一种复合型手术导航系统，包括定位系统、执行机构以及计算机设备；
所述定位系统包括配置于所述执行机构和实施目标上的追踪器以及与所述追踪器匹配的追踪设备，所述追踪器用于辅助所述追踪设备确定所述执行机构和所述实施目标在特征坐标系下的位置坐标；
所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述复合型手术导航方法的步骤。
本方案的有益效果：将可见光、电磁、结构光和超声几种定位方式进行优劣互补，并将各种定位方式的定位位置进行误差验证，实现了高稳定、高精准的导航，为医生提供稳定可靠精准的位置定位信息，极大提高医生的手术质量和效率。
附图说明
图1为本发明复合型手术导航方法一实施例的流程图；
图2为本发明复合型手术导航装置一实施例的结构框图；
图3为本发明复合型手术导航系统一实施例的结构框图；
图4为本发明复合型手术导航系统一实施例的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。
参见图1，本实施例提供了一种复合型手术导航方法，包括：
S100、获取实施目标的影像图像，将影像图像与预设的特征坐标系配准，其中，特征坐标系至少包括第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系。
需要说明的是，本实施例中，实施目标可以是病人的病灶部位等。
本实施例中，影像图像包括预设图像和实时图像，预设图像和实时图像均为包含实施目标部分的患者的医学图像，其中，预设图像是指手术之前(例如术前检查)提前拍摄的影像，实时图像是指进行手术时实时拍摄的影像。
本实施例中拍摄的影像具体为MRI断层扫描图像、CT扫描图像和X射线图像等医学图像中的一种或多种的组合。并且，基于上述几种方式扫描所得到的图像均为实施目标的骨组织图像。
手术前，依据预设图像进行三维重建，得到实施目标的三维模型。本实施例通过处理CT图像、X射线图像或MRI图像来建立实施目标的三维模型，三维模型便于医生更直观地观测实施目标，在建立三维模型之后，还可将三维模型可视化显示在显示屏上。
其中，预设图像的重建采用现有手术导航中的三维重建方法，例如，通过对预设图像进行分割、重建以及渲染处理得到三维模型；还例如，通过提取预设图像的图像特征信息，依据图像特征信息重建实施目标的三维模型；读取三维模型的几何信息，依据几何信息对三维模型进行渲染，获取渲染后的三维模型；其中，图像特征信息为灰度或边界信息，几何信息包括顶点、网格面和网格面的法方向。
需要说明的是，上述特征坐标系是指在定位设备或系统中内置的坐标系，例如光学定位系统下的光学坐标系，电磁定位系统下的电磁坐标系等。
本实施例中，特征坐标系包括第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系。
在一个实施例中，第一坐标系为基于光学定位系统所建立的坐标系，第二坐标系为基于电磁定位系统所建立的坐标系，第三坐标系为基于结构光定位系统所建立的坐标系。
本实施例中，将影像图像与预设的特征坐标系配准具体为，先利用光学定位系统与影像图像配准，其中，光学定位系统与影像图像配准具体包括以下步骤：
术中手术前，在实施目标处配置(植入或选取)图像标记点和光学标记点，其中，图像标记点是指能够在影像图像上被自动识别的标记点，例如，在患者病灶处选取的表面特征(脊椎凸起部位等)，例如，在追踪器上的表面特征点(凸起点等)，光学标记点是指能被光学定位系统中光学追踪设备所追踪的光学标记物，例如植入实施目标的光学球，设置在追踪器上的光学球等。其中，图像标记点至少包括不共线的三个，至少三个不共线的图像标记点可构成手术空间局部坐标系；特征标记点至少包括不共线的三个，至少三个不共线的特征标记点可构成局部坐标系，形成光学坐标系。
然后，通过CT扫描设备、X射线扫描设备或MRI扫描设备拍摄下含有图像标记点和特征标记点的实时图像，并通过计算机设备自动识别获取图像标记点在实时图像的图像坐标，通过光学定位系统获取光学标记物在光学坐标系的光学坐标。
再通过图像坐标构建的坐标系和光学坐标构建的坐标系以及计算机设备内置的矩阵转换算法计算出实时图像空间与光学坐标系的转换关系，其中，矩阵转换算法为现有的两个矩阵之间的转换算法，本实施例不再赘述。
然后，在预设图像和实时图像上选取相对应的标记点，例如同一组脊椎凸起点，或者上述的图像标记点，分别获取该标记点在预设图像和实时图像上的坐标，并根据该坐标之间的关系通过矩阵转换算法计算出预设图像空间和实时图像空间的转换关系。
再根据预设图像空间至实时图像空间的转换关系，以及实时图像空间与光学坐标系的转换关系，获取预设图像空间与光学坐标系的转换关系，完成影像图像与光学坐标系的配准。
最后，根据光学定位系统、电磁定位系统以及结构光定位系统相互之间转换关系进行电磁定位系统和结构光定位系统与影像图像的配准。
具体地，在一个实施例中，设置一参考工具，其上包含有可被光学定位系统追踪的至少三个光学特征点、包含至少一个能被电磁定位系统追踪的电磁特征点，以及一组能被结构光定位系统识别的结构光特征点。并且这三组特征点之间的相对关系设计时已知，其中，光学特征点和电磁特征点的转换关系为Mo2m,光学特征点和结构光特征点的转换关系为Mo2s，而电磁特征点和结构光特征点的转换关系可以根据Mo2m和Mo2s计算所得。其中，光学特征点可以选用光学球，电磁特征点可以选用电磁传感器，结构光特征点可以选用参考工具上的表面特征。
配准时，调整三个追踪设备的位置，使其能够同时观察到参考工具,分别获得参考工具在光学追踪设备下的坐标表示Pop、在电磁追踪设备下的坐标表示Pma和在结构光追踪设备下的坐标表示Ps。上述坐标表示均为对应的特征点构建的局部坐标系在对应的追踪设备下的4X4位姿矩阵。
有了以上关系之后，就可以统一三个坐标系统，以全部统一到光学系统为例，光学特征点局部坐标系在电磁坐标系下的描述为则电磁坐标系到光学坐标系的转换关系Tm2o为/> 同理，结构光坐标系到光学坐标系的转换关系Ts2o为/>
此时，三个坐标系统实现了标准化统一，即可将电磁定位系统和结构光定位系统与影像图像实现配准。
根据上述步骤完成影像图像与特征坐标系的配准后，手术时将预设图像转换至实时图像空间进行定位，即可用清晰的预设图像进行手术导航。
S200、采集一执行机构分别在第一坐标系、第二坐标系以及第三坐标系下的定位位置。
具体地，执行机构上配置有与对应坐标系匹配的特征标记点，且各特征标记点的相对位置关系已知。特征标记点即为光学标记点、电磁标记点和结构光标记点。
通过特征标记点可以利用光学定位系统采集执行机构在光学坐标系下的第一位置，利用电磁定位系统采集执行机构在电磁坐标系下的第二位置，利用结构光定位系统采集执行机构在结构光坐标系下的第三位置。
上述定位位置信息均可通过配准的转换关系转换至图像坐标系中，并且根据定位位置信息可以确定执行机构的空间位置和姿态，以便医生通过设备观察执行机构在实施目标处的操作情况，为医生提供定位信息。
需要说明的是，本实施例中的执行机构是指手术刀、手术机器人、手术钳等手术工具。
在传统方法中，对执行机构位置的确定通常通过上述光学定位系统、电磁定位系统和结构光定位系统其中的一种进行确定，但是由于光学定位系统易被遮挡，电磁定位系统易受铁磁性物体干扰，结构光定位系统易被遮挡且只能识别表面特征，导致单一定位系统的定位精确性和稳定性等无法得到保障。
本方法采用复合的方式进行定位导航，并对各定位位置进行误差验证，确保定位的精确性。误差验证的方法具体如下：
S300、通过每个定位位置以及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置。
其中，转换关系包括第一坐标系和第二坐标系之间的转换关系M1，第二坐标系和第三坐标系之间的转换关系M2，以及第三坐标系与第一坐标系之间的转换关系M3。
具体地，各转换关系的获取参见上述光学定位系统、电磁定位系统以及结构光定位系统的配准，此处不再赘述。
本步骤中，各参考位置的获取方式如下：
根据第一位置以及第一坐标系和第二坐标系的转换关系M1计算得到第一位置在第二坐标系下的第二参考位置。其中，第二参考位置为通过转换关系M1计算的理论位置，第二位置为实际检测位置，通过判断第二位置和第二参考位置之间的偏差，即可确定第一位置和第二位置的精确性。
同理，根据第二位置以及第二坐标系和第三坐标系的转换关系M2计算得到第二位置在第三坐标系下的第三参考位置。其中，第三参考位置为通过转换关系M2计算的理论位置，第三位置为实际检测位置，通过判断第三位置和第三参考位置之间的偏差，即可确定第二位置和第三位置的精确性。
同理，根据第三位置以及第三坐标系和第一坐标系的转换关系M3获取第三位置在第一坐标系下的第一参考位置。其中，第一参考位置为通过转换关系M3计算的理论位置，第一位置为实际检测位置，通过判断第一位置和第一参考位置之间的偏差，即可确定第一位置和第三位置的精确性。
S400、根据在同一坐标系下的定位位置以及换算得到的参考位置获取对应的定位误差，并根据不同坐标系下获取的定位误差确定执行机构的当前位置。
其中，同一坐标系下的定位位置和参考位置是指，光学坐标系下的第一位置以及第一参考位置，电磁坐标系下的第二位置和第二参考位置，以及结构光坐标系下的第三位置以及第三参考位置。
相应的，定位误差包括根据第一位置与第一参考位置计算获得的第一误差，根据第二位置与第二参考位置计算获得的第二误差，以及根据第三位置与第三参考位置计算获得的第三误差。
本实施例中，上述各误差是指定位位置的坐标和参考位置的坐标在x、y、z方向上的差值，例如，第一位置坐标为(x1，y1，z1)，第一参考坐标(x2，y2，z2)，第一误差则为a1＝∣x1-x2∣，b1＝∣y1-y2∣，c1＝∣z1-z2∣。
本步骤中，根据定位误差确定执行机构的当前位置包括：
若第一定位误差小于第一阈值和/或第二定位误差小于第二阈值，则第一位置确定为执行机构的当前位置；
若第一定位误差大于第一阈值，且第二定位误差大于第二阈值，且第三定位误差小于第三阈值，则第二位置或第三位置确定为执行机构的当前位置。
例如，第一阈值为x＝a，y＝b，z＝c，若同时满足∣x1-x2∣≤a，∣y1-y2∣≤b,∣z1-z2∣≤c，则表示为第一定位误差小于第一阈值，第一位置和第三位置定位准确，将第一位置确定为执行机构的当前位置；反之则表示第一定位误差大于第一阈值，第一位置和第三位置中至少一个定位不准确。
第二误差和第三误差的计算方法与第一误差的计算方法相同，此处不再赘述。
具体地，某一时刻下，若第一误差、第二误差和第三误差均小于预设阈值，则表明第一位置、第二位置和第三位置均定位准确，由于光学定位系统的定位精度更高，因此，此种情况下，优选光学定位系统下的第一位置作为执行机构的当前位置。
当第一位置与其他任一种定位系统所定位的位置的误差值小于预设阈值时，则表明第一位置至少和第二位置或第三位置定位准确，此种情况下，也优选第一位置作为执行机构的当前位置。
而当第一位置分别与第二位置、第三位置的误差值均超过预设阈值，且第二位置和第三位置之间的误差值小于预设阈值时，则表明光学定位系统定位的位置不准确，此时确定执行机构的当前位置为第二位置或第三位置。并且，若执行机构位于软组织上则以第三位置为准，若执行机构位于骨组织内则以第二位置为准。
本实施例通过对第一位置、第二位置和第三位置进行相互误差验证，规避了某一时刻下其中一种定位方式不准确的情形，确保每一时刻下的定位精准性，以准确确定执行机构的当前位置，为医生提供精确的导航。
在一些实施例中，执行机构前端还配置有超声探头，根据超声探头所发射和接收的超声波可以确定实施目标与执行机构的相对位置关系，并可以精准探知超声探头正前方的组织结构。
本方法中，超声探头随执行机构的运行轨迹进行同步移动，并在同步移动过程中获取实施目标的超声图像，并通过计算机设备将超声图像与基于术前影像三维重建的模型实时融合构成第一图像模型。
具体地，本实施中超声图像为实施目标的软组织图像，其与骨组织模型融合所构成的第一图像模型即为完整的实施目标重建图像。
融合原理具体如下，超声探头刚性连接在执行机构上，以确保超声探头的发射以及接收角度固定，超声探头与执行机构的相对位置信息已知。并且，由于执行机构被光学定位系统、电磁定位系统以及结构光定位系统精确定位，所以执行机构的空间位置和姿态是已知的，可以将执行机构的位置实时转换至影像图像中。而刚性连接在执行机构上的超声探头与执行机构相对位置信息(距离、角度等)也是固定已知的，基于执行机构的定位信息可以获得超声探头的定位信息，因此超声探头探测的位置与范围是实时可知的，所以超声探头探测到的超声图像也可以准确转换至图像坐标系中，将软组织图像数据与骨组织图像数据融合为第一图像模型。
并且，定位过程中，当超声探头扫描到重复的位置时就实时更新该位置的超声图像，实现骨组织和软组织的实时图像融合，实现对具有弹性的软组织的实时跟踪和反馈。
将实时超声图像融合到重建模型中，医生不仅可以清楚的看到实施目标的骨性组织，还可以实时看到血管、神经等软组织图像，为医生提供了全视野的实施目标情况，极大方便了执行机构的定位，使医生根据软组织结构进行执行机构位置的局部微调，可以使执行机构避开动脉血管、神经等部位，有效提高手术效率和手术质量。
本实施例将光学定位、电磁定位、结构光定位和超声定位几种定位方式进行优劣互补，实现了高稳定、高精准的定位，提供稳定可靠精准的位置定位信息，极大提高了手术质量和效率。
本实施例对各种定位方式的定位信息进行误差验证，以确定执行机构的准确位置，与单一定位方式相比，本方法能够规避干扰，进行精确、稳定的定位。
应该理解的是，虽然图1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，图1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。
参见图2，基于同样的发明思路，本实施例还提供了一种复合型手术导航装置，包括：
坐标系配准模块501，用于获取实施目标的影像图像，并将影像图像的坐标系与预设的第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系进行配准；
定位模块502，用于获取执行机构分别在第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系下的定位位置；
误差计算模块503，用于根据每个获取的定位位置以及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置；并根据在同一坐标系下的定位位置以及换算得到的参考位置获取对应的定位误差，并根据不同坐标系下获取的定位误差确定执行机构的当前位置。
其中，定位模块502根据从执行机构和实施目标上接收的特征信号确定执行机构和实施目标在第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系中的空间坐标。
本实施例中，定位模块包括：
光学定位单元，用于获取光学标记点在第一坐标系下的光学坐标；
电磁定位单元，用于获取电磁标记点在第二坐标系下的电磁坐标；
结构光定位单元，用于获取结构光标记点在第三坐标系下的结构光坐标。
在光学定位系统中特征信号(光学标记点)是指配置在执行机构和实施目标上的光学球反射或主动发出的红外光信号，在电磁定位系统中特征信号(电磁标记点)是指配置在执行机构和实施目标上的电磁传感器在电磁场中所反馈的磁场信号，在结构光定位系统中特征信号(结构光标记点)是指摄像机所反馈的执行机构和实施目标表面选取点的信息。
其中，所述影像图像包括实施目标的预设图像和实时图像，所述坐标系配准模块501包括：
图像数据获取单元，用于获取实施目标的预设图像数据和实时图像数据，具体地，预设图像数据和实时图像数据均通过MRI扫描设备、CT扫描设备或X射线扫描设备扫描实施目标获得，其可以是正侧位片透视图，扫描设备将扫描的图像数据均传输至本单元中。本单元还用于对实时图像和预设图像进行处理，具体而言，处理包括根据预设图像数据三维重建为三维模型等，三维模型的重建可以参见上述复合型手术方法中所示的内容。
第一转换关系计算单元，用于获取图像标记点在所述实时图像内的第一图像坐标，获取特征标记点在所述特征坐标系的特征坐标，并根据所述第一图像坐标和所述特征坐标计算得到所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系。
其中，图像标记点是人为选择的实施目标的表面特征或者配置在实施目标上的标记物。其中，图像标记点至少包括不共线的三个，至少三个不共线的图像标记点可构成手术空间局部坐标系；特征标记点至少包括不共线的三个，至少三个不共线的特征标记点可构成局部坐标系，形成特征坐标系。
实时图像与所述特征坐标系的转换关系，是指采用矩阵转换算法计算得到的实时图像空间与第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系的转换关系。
第二转换关系计算单元，用于获取所述图像标记点在所述预设图像中的第二图像坐标，并根据所述第一图像坐标和所述第二图像坐标计算得到所述预设图像至所述实时图像的转换关系。通过在预设图像和实时图像上的同组标记点来计算得到对应的转换关系。
配准单元，根据所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系，以及所述预设图像至所述实时图像的转换关系，计算得到所述预设图像与所述特征坐标系的转换关系，完成影像图像与特征坐标系的配准，建立影像图像和定位系统的坐标联系。
基于上述坐标系配准模块501，影像图像和特征坐标系的配准流程如下：
先利用光学定位单元与影像图像配准，其中，光学定位单元与影像图像配准具体包括以下步骤：
术中手术前，在实施目标处配置(植入或选取)图像标记点和光学标记点，其中，图像标记点是指能够在影像图像上被自动识别的标记点，例如，在患者病灶处选取的表面特征(脊椎凸起部位等)，例如，在追踪器上的表面特征点(凸起点等)，光学标记点是指能被光学定位系统中光学追踪设备所追踪的光学标记物，例如植入实施目标的光学球，设置在追踪器上的光学球等。其中，图像标记点至少包括不共线的三个，至少三个不共线的图像标记点可构成手术空间局部坐标系；特征标记点至少包括不共线的三个，至少三个不共线的特征标记点可构成局部坐标系，形成光学坐标系。
然后，通过CT扫描设备、X射线扫描设备或MRI扫描设备拍摄下含有图像标记点和特征标记点的实时图像数据，并通过图像数据获取单元获取该实时图像数据。
再通过第一转换关系计算单元自动识别获取图像标记点在实时图像中的第一图像坐标，通过光学定位单元获取光学标记物在光学坐标系的光学坐标。
再通过第一图像坐标构建的坐标系和光学坐标构建的坐标系以及第一转换关系计算单元内置的矩阵转换算法计算出实时图像空间与光学坐标系的转换关系，其中，矩阵转换算法为现有的两个矩阵之间的转换算法，本实施例不再赘述。
然后，在预设图像和实时图像上选取相对应的标记点，即上述的图像标记点，通过第二转换关系计算单元获取该标记点在预设图像上的第二图像坐标，并根据第一图像坐标和第二图像坐标通过矩阵转换算法计算出预设图像空间和实时图像空间的转换关系。
再通过配准单元根据预设图像空间至实时图像空间的转换关系，以及实时图像空间与光学坐标系的转换关系，获取预设图像空间与光学坐标系的转换关系，完成影像图像与光学坐标系的配准。
最后，根据光学定位系统、电磁定位系统以及结构光定位系统相互之间转换关系进行电磁定位系统和结构光定位系统与影像图像的配准，具体可以参见上述复合型手术导航方法中的配准方法。
其中，误差计算模块503包括第一计算单元、第二计算单元和位置确定单元。
第一计算单元根据定位模块获取的第一位置、第二位置和第三位置的坐标以及预设的转换关系计算得到相应的第二参考位置、第三参考位置和第一参考位置的坐标。具体地，执行机构上配置有与对应坐标系匹配的特征标记点，且各特征标记点的相对位置关系已知。特征标记点即为光学标记点、电磁标记点和结构光标记点。
通过特征标记点可以利用光学定位系统采集执行机构在光学坐标系下的第一位置，利用电磁定位系统采集执行机构在电磁坐标系下的第二位置，利用结构光定位系统采集执行机构在结构光坐标系下的第三位置。
本单元各参考位置的获取方式如下：
根据第一位置以及第一坐标系和第二坐标系的转换关系M1计算得到第一位置在第二坐标系下的第二参考位置。其中，第二参考位置为通过转换关系M1计算的理论位置，第二位置为实际检测位置，通过判断第二位置和第二参考位置之间的偏差，即可确定第一位置和第二位置的精确性。
同理，根据第二位置以及第二坐标系和第三坐标系的转换关系M2计算得到第二位置在第三坐标系下的第三参考位置。其中，第三参考位置为通过转换关系M2计算的理论位置，第三位置为实际检测位置，通过判断第三位置和第三参考位置之间的偏差，即可确定第二位置和第三位置的精确性。
同理，根据第三位置以及第三坐标系和第一坐标系的转换关系M3获取第三位置在第一坐标系下的第一参考位置。其中，第一参考位置为通过转换关系M3计算的理论位置，第一位置为实际检测位置，通过判断第一位置和第一参考位置之间的偏差，即可确定第一位置和第三位置的精确性。
第二计算单元根据第一位置和第一参考位置、第二位置和第二参考位置、第三位置和第三参考位置的坐标计算出第一误差、第二误差和第三误差。本实施例中，上述各误差是指定位位置的坐标和参考位置的坐标在x、y、z方向上的差值，例如，第一位置坐标为(x1，y1，z1)，第一参考坐标(x2，y2，z2)，第一误差则为a1＝∣x1-x2∣，b1＝∣y1-y2∣，c1＝∣z1-z2∣。
位置确定单元，用于根据第一误差、第二误差和第三误差与预设阈值的比较确定执行机构的当前位置。
具体地，执行机构当前位置的确定可以参见上文复合型手术导航方法中的描述，此处不再赘述。
在一些实施例中，本装置还包括超声定位模块504，超声定位模块504包括配置于执行机构前端的超声探头，超声探头所发射超声波的频率不限，其可为高频超声，也可是普通超声波。超声探头随执行机构的运行轨迹进行同步移动，并在同步移动过程中获取实施目标的超声图像，并通过计算机设备将超声图像与影像图像实时融合构成第一图像模型。其中，超声图像与影像图像融合原理可以参见上文复合型手术导航方法中的描述。
应理解，本复合型手术导航装置中关于各单元、模块的理解可以参照上述复合型手术导航方法中的解释，此处不再赘述。
上述复合型手术导航装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
参见图3，基于同样的发明构思，本实施例还提供了一种复合型手术导航系统，包括定位系统、执行机构以及计算机设备；
定位系统包括配置于执行机构和实施目标上的追踪器以及与追踪器匹配的追踪设备，追踪器用于辅助追踪设备确定执行机构和实施目标在特征坐标系下的位置坐标；
计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现S100-S400的步骤。
其中，本实施例中，定位系统具体包括光学定位系统、电磁定位系统和结构光定位系统。
在一些实施例中，光学定位系统中追踪器为光学追踪器，具体为多个物理光学球，追踪设备为双目红外摄像头，通过双目红外摄像头发射红外光至物理光学球，并接收物理光学球所反射的红外光，由此可准确知道物理光学球的位置，确定执行机构的空间位置和姿态。
应理解，其还可以选用现有的光学定位系统，例如采用NDI公司的Polaris光学定位跟踪系统。
在一些实施例中，电磁定位系统中追踪器为电磁追踪器，具体为多个电磁传感器，追踪设备为电磁发生器，其还包括放大器和控制器等，电磁发生器可以在手术空间中生产一个磁场强度已知的磁场，当电磁传感器进入电磁发生器产生的可控变磁场后，电磁传感器的线圈会产生电势差，电势差由放大器采集并放大后，输入控制器计算电磁传感器在磁场中的位置和姿态，从而确定执行机构的空间位置和姿态。
应理解，其还可以选用现有的电磁定位系统，例如可以采用NDI公司的Aurora定位跟踪系统。
在一些实施例中，结构光定位系统中追踪器也可以采用标记物，而本实施例中不设置追踪器，直接以实施目标和执行机构表面特征点作为追踪目标，追踪设备包括3D结构光摄像头，其通过将红外光线投射到实施目标和执行机构上，再由红外摄像头进行采集，从而获得实施目标和执行机构的表面的特征以及深度和高度信息，以确定执行机构和实施目标的位置。应理解，结构光定位系统也可以选用现有的3D结构光系统。
在一些实施例中，定位系统还包括超声定位系统，其包括配置于执行机构前端的超声探头，超声探头所发射超声波的频率不限，其可为高频超声，也可是普通超声波。超声探头随执行机构的运行轨迹进行同步移动，并在同步移动过程中获取实施目标的超声图像，并通过计算机设备将超声图像与重建模型实时融合构成第一图像模型。
其中，计算机设备可以是终端。参见图4，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术导航空间配准方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
该计算机设备通过处理器执行储存器中的计算机程序以实现S100-S400的步骤。
其中，S100-S400的步骤参见上文复合型导航方法中的描述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合型手术导航装置，其特征在于，包括：
坐标系配准模块，用于获取实施目标的影像图像，并将所述影像图像的坐标系与预设的第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系进行配准；
定位模块，用于获取执行机构分别在所述第一坐标系、所述第二坐标系和所述第三坐标系下的定位位置；
误差计算模块，用于根据每个获取的所述定位位置以及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置；并根据在同一坐标系下的所述定位位置以及换算得到的所述参考位置获取对应的定位误差，并根据不同坐标系下获取的所述定位误差确定所述执行机构的当前位置。
2.根据权利要求1所述的一种复合型手术导航装置，其特征在于，所述影像图像包括实施目标的预设图像和实时图像，所述坐标系配准模块包括：
图像数据获取单元，用于获取实施目标的预设图像数据和实时图像数据，并根据预设图像数据三维重建为三维模型；
第一转换关系计算单元，用于获取图像标记点在所述实时图像内的第一图像坐标，获取特征标记点在所述特征坐标系的特征坐标，并根据所述第一图像坐标和所述特征坐标计算得到所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系；
第二转换关系计算单元，用于获取所述图像标记点在所述预设图像中的第二图像坐标，并根据所述第一图像坐标和所述第二图像坐标计算得到所述预设图像至所述实时图像的转换关系；
配准单元，根据所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系，以及所述预设图像至所述实时图像的转换关系，计算得到所述预设图像与所述特征坐标系的转换关系。
3.根据权利要求1所述的一种复合型手术导航装置，其特征在于，所述定位位置包括所述执行机构在所述第一坐标系下的第一位置、在所述第二坐标系下的第二位置、以及在所述第三坐标系的第三位置；所述误差计算模块包括：
第一计算单元，用于根据定位模块获取的第一位置、第二位置和第三位置的坐标以及预设的转换关系计算得到相应的第二参考位置、第三参考位置和第一参考位置的坐标；
第二计算单元，用于根据第一位置和第一参考位置、第二位置和第二参考位置、第三位置和第三参考位置的坐标计算出第一误差、第二误差和第三误差；
位置确定单元，用于根据第一误差、第二误差和第三误差与预设阈值的比较确定执行机构的当前位置。
4.根据权利要求2所述的一种复合型手术导航装置，其特征在于，所述定位模块包括：
光学定位单元，用于获取光学标记点在第一坐标系下的光学坐标；
电磁定位单元，用于获取电磁标记点在第二坐标系下的电磁坐标；
结构光定位单元，用于获取结构光标记点在第三坐标系下的结构光坐标。
5.根据权利要求4所述的一种复合型手术导航装置，其特征在于，所述定位模块还包括：
超声定位单元，用于获取配置于所述执行机构前端的超声探头所扫描的超声图像，并将所述超声图像与所述三维模型融合。
6.一种复合型手术导航方法，其特征在于，包括：
获取实施目标的影像图像，将所述影像图像与预设的特征坐标系配准，其中，所述特征坐标系至少包括第一坐标系、第二坐标系和第三坐标系；
采集一执行机构分别在所述第一坐标系、所述第二坐标系以及所述第三坐标系下的定位位置；
通过每个所述定位位置以及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置；
根据在同一坐标系下的所述定位位置以及换算得到的所述参考位置获取对应的定位误差，并根据不同坐标系下获取的所述定位误差确定所述执行机构的当前位置。
7.根据权利要求6所述的一种复合型手术导航方法，其特征在于，所述影像图像包括所述实施目标的预设图像和实时图像，所述将所述影像图像与预设的特征坐标系配准包括：
在所述实施目标上配置图像标记点以及特征标记点，并获取所述实施目标的实时图像，以及获取图像标记点在所述实时图像的图像坐标，获取所述特征标记点在所述特征坐标系的特征坐标；
根据所述图像坐标和所述特征坐标获取所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系；
根据所述图像标记点分别在预设图像和所述实时图像的位置，获取所述预设图像至所述实时图像的转换关系；
根据所述预设图像至所述实时图像的转换关系，以及所述实时图像与所述特征坐标系的转换关系，获取所述预设图像与术中特征坐标系的转换关系。
8.根据权利要求7所述的一种复合型手术导航方法，其特征在于，所述定位位置包括所述执行机构在所述第一坐标系下的第一位置、在所述第二坐标系下的第二位置、以及在所述第三坐标系的第三位置；所述通过每个所述定位位置及预设的相应的转换关系分别换算得到相应的参考位置包括：
根据所述第一坐标系和所述第二坐标系的转换关系获取所述第一位置在所述第二坐标系下的第二参考位置；以及
根据所述第二坐标系和所述第三坐标系的转换关系获取所述第二位置在所述第三坐标系下的第三参考位置；以及
根据所述第三坐标系和所述第一坐标系的转换关系获取所述第三位置在所述第一坐标系下的第一参考位置。
9.根据权利要求8所述的一种复合型手术导航方法，其特征在于，所述定位误差包括根据所述第一位置与所述第一参考位置计算获得的第一误差、所述第二位置与所述第二参考位置计算获得的第二误差、以及所述第三位置与所述第三参考位置计算获得的第三误差；
所述第一坐标系为基于光学定位系统所建立的坐标系，所述第二坐标系为基于电磁定位系统所建立的坐标系，所述第三坐标系为基于结构光定位系统所建立的坐标系；
所述根据不同坐标系下获取的所述定位误差确定所述执行机构的当前位置包括：
若所述第一定位误差小于所述第一阈值和/或所述第二定位误差小于第二阈值，则所述第一位置确定为所述执行机构的当前位置；
若所述第一定位误差大于所述第一阈值，且所述第二定位误差大于所述第二阈值，且所述第三定位误差小于第三阈值，则所述第二位置或所述第三位置确定为所述执行机构的当前位置。
10.一种复合型手术导航系统，其特征在于，包括定位系统、执行机构以及计算机设备；
所述定位系统包括配置于所述执行机构和实施目标上的追踪器以及与所述追踪器匹配的追踪设备，所述追踪器用于辅助所述追踪设备确定所述执行机构和所述实施目标在特征坐标系下的位置坐标；
所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求6至9中任一项所述的方法的步骤。
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