CN117462253A - 一种医疗导航设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种医疗导航设备及方法。医疗导航设备包括：第一传感单元、磁场单元、处理单元及提示单元；磁场单元用于产生定位磁场，第一传感单元与骨科手术工具连接，并位于定位磁场中；处理单元用于获取第一传感单元在定位磁场中的第一位姿信息，并根据第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；提示单元用于对手术引导信息进行提示。本发明可以让医生通过提示单元获取手术引导信息，使医生能够精准的定位手术部位上的预期插入位置(骨髓进钉点)，及精准的把控预期插入方向(进钉方向)，减少操作次数，缩短手术时间，提高手术质量和效率。
Description
技术领域
本发明涉及医学的技术领域，尤其涉及一种医疗导航系统及方法。
背景技术
股骨近端骨折，如转子间骨折以及胫骨肱骨等长骨骨干骨折，经常采用髓内钉内固定的方式进行处理，可方便骨折愈合。在骨折手术的实施过程中，髓内钉进钉点位置以及进钉方向的选取至关重要，会影响手术效果及术后恢复。
为了更好地选择进钉点，现有技术采用的方案一般是通过打入导针的方式确认进钉点和进钉方向。在打入导针前，医生手持导针并将其尖端顶在选择的进钉点上，利用C型臂X射线透视，在图像上查看导针针尖的位置与导针的方向，但这种方法无疑会增加医生受到的辐射量。并且，医生根据主观经验很难只通过一次打入导针，以到达预期的进钉点和进钉方向。后期根据透视结果所进行的调整过程也大大延长了手术时间，同时还增加了患者与医生的透视次数和辐射量。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种医疗导航系统及方法，可以辅助医生快速准确地定位手术部位的进钉点位置与进钉的方向。
为实现上述目的本发明首先提供一种医疗导航设备，用于髓内钉进钉点导航，包括：
磁场单元，用于产生定位磁场；
第一传感单元，与骨科手术工具连接，并位于定位磁场中；
处理单元，用于获取第一传感单元在定位磁场中的第一位姿信息，并根据第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；手术引导信息用于辅助引导骨科手术工具移动至手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导骨科手术工具调整至预期插入方向；预期插入位置包括髓内钉进钉点；
提示单元，用于对手术引导信息进行提示。
本发明同时提供一种医疗导航设备，用于辅助引导骨科手术工具，包括：
磁场单元，用于产生定位磁场；
第一传感单元，与骨科手术工具连接，并位于定位磁场中；
处理单元，用于获取第一传感单元在定位磁场中的第一位姿信息，并根据第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；手术引导信息用于辅助引导骨科手术工具移动至手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导骨科手术工具调整至预期插入方向；
提示单元，用于对手术引导信息进行提示。
可选地，医疗导航设备还包括控制单元，控制单元分别与磁场单元及处理单元通信连接，控制单元用于根据磁场单元的信号确定第一位姿信息，并传输给处理单元。
可选地，手术引导信息包括如下信息中的至少一种：
骨科手术工具的当前位置相对于基准位置的第一位移偏差信息；
骨科手术工具的当前位置相对于基准位置的第一角度偏差信息；
骨科手术工具的当前位置相对于预期插入位置的第二位移偏差信息；
骨科手术工具的当前方向相对于预期插入方向的第二角度偏差信息。
可选地，手术部位的定位信息包括手术部位的手术部位三维模型，手术部位三维模型包括目标插入位置和/或目标插入方向，手术部位三维模型上的目标插入位置与预期插入位置相对应，目标插入方向与预期插入方向相对应。
可选地，处理单元还用于：
根据第一位姿信息，确定骨科手术工具的手术工具三维模型的实时位置与实时角度；
根据手术工具三维模型的实时位置与目标插入位置的相对关系，和/或，手术工具三维模型的实时角度与目标插入方向的相对关系，确定手术引导信息。
可选地，处理单元还用于：
接收设定指令，并根据设定指令确定目标插入位置和/或目标插入方向；
或，调用训练后的图像识别模型，根据图像识别模型及手术部位三维模型，得到目标插入位置和/或目标插入方向。
可选地，处理单元还用于：
获取第一传感单元对应的第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的第一空间变换矩阵；
获取骨科手术工具对应的手术工具坐标系相对于第一传感单元坐标系的第二空间变换矩阵；
根据第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵，得到手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的第三空间变换矩阵；
根据第一位姿信息及第三空间变换矩阵，确定手术工具三维模型位于磁场单元坐标系的实时位置和实时角度。
可选地，还包括第二传感单元，装设在手术部位上；磁场单元还用于获取第二传感单元在定位磁场中的第二位姿信息；处理单元还用于：
获取第二传感单元在磁场单元坐标系中的传感单元位姿信息矩阵；
获取手术部位相对于第二传感单元的第四空间变换矩阵；
根据传感单元位姿信息矩阵和第四空间变换矩阵，得到手术部位在磁场单元坐标系中的手术部位位姿信息矩阵；
根据第二位姿信息及手术部位位姿信息矩阵，确定手术部位三维模型在磁场单元坐标系中的手术部位位置和手术部位角度。
可选地，处理单元还用于：
调用训练后的统计形状模型；
将手术部位的定位信息输入到统计形状模型，得到手术部位三维模型。
可选地，提示单元包括显示屏或/和增强现实眼镜。
本发明还提供一种医疗导航方法，应用于医疗导航设备的处理单元，医疗导航设备还包括磁场单元、第一传感单元和提示单元，第一传感单元与骨科手术工具连接，医疗导航方法包括：
获取第一传感单元在定位磁场中的第一位姿信息，定位磁场由磁场单元产生；
根据第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；手术引导信息用于辅助引导骨科手术工具移动至手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导骨科手术工具调整至预期插入方向；
将手术引导信息传输至提示单元，以使提示单元对手术引导信息进行提示。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过本发明，医生可以通过提示单元获取手术引导信息，然后根据手术引导信息操作骨科手术工具移动至手术部位上的预期插入位置，也可以辅助引导骨科手术工具调整至预期插入方向，使医生能够精准的定位手术部位上的预期插入位置(骨髓进钉点)，及精准的把控预期插入方向(进钉方向)，减少操作次数，缩短手术时间，提高手术质量和效率。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例医疗导航设备的架构图；
图2为本发明实施例骨科手术工具和第一传感单元连接示意图；
图3为本发明实施例股骨部位正视图像；
图4为本发明实施例股骨部位侧视图像；
图5为本发明实施例预期插入位置的示意图；
图6为本发明实施例预期插入方向的示意图；
图7为本发明实施例医疗导航方法的流程图一；
图8为本发明实施例医疗导航方法的流程图二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，本发明实施例中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明实施例中，“例如”、“例子”和“比如”用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“例如”、“例子”和“比如”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。
本发明实施例提供一种医疗导航设备，可以用于辅助引导骨科手术工具，具体的可以用于髓内钉进钉点导航。如图1所示，医疗导航设备包括磁场单元1、第一传感单元2、处理单元3及提示单元4.其中
磁场单元1用于产生定位磁场，是一种磁场发生器。
第一传感单元2与骨科手术工具5连接，并位于定位磁场中。第一传感单元2可以为电磁Sensor(传感器)。如图2所示，第一传感单元2和手术工具5可以为固定连接。
处理单元3用于获取第一传感单元2在定位磁场中的第一位姿信息，并根据第一位姿信息和手术部位6的定位信息确定手术引导信息；手术引导信息用于辅助引导骨科手术工具5移动至手术部位6上的预期插入位置，和/或，辅助引导骨科手术工具5调整至预期插入方向，具体包括：骨科手术工具5移动至预期插入位置后，再辅助引导骨科手术工具5调整至预期插入方向；或骨科手术工具5的方向调整到与预期插入方向一致后，再移动至预期插入位置。
其中，手术部位6包括股骨，预期插入位置包括预先设定的髓内钉进钉点；进一步地，预期插入方向包括预先设定的髓内进钉方向。
在股骨临床手术中，如图3所示，基于正位片，预期插入位置可以为股骨大转子顶点，预期插入方向可以为穿刺导针与股骨干轴线5°夹角的方向；如图4所示，侧位片上，穿刺导针与股骨颈轴线近似重合，此时进钉点位置和进钉方向较为理想。
提示单元4用于对手术引导信息进行提示。其中，提示单元4可以包括显示屏或AR(增强现实)眼镜。
通过本实施例的医疗导航设备，医生可以通过提示单元4获取手术引导信息，然后根据手术引导信息操作导针移动至股骨上预期的髓内进钉点，还可以在导针到达髓内进钉点时，辅助引导穿刺导针调整至预期的进钉方向，使医生能够精准的定位手术部位6上的髓内进钉点，及精准的把控进钉方向，减少操作次数，缩短手术时间，提高手术质量和效率。
本实施例的一种实施方式中，医疗导航设备还包括控制单元8，控制单元8分别与磁场单元及处理单元通信连接，控制单元8用于根据磁场单元的信号确定第一位姿信息，并传输给处理单元。
磁场单元可以产生固定范围的高精度定位磁场，处于该定位磁场范围内的第一传感单元的空间方位原始信息，可被磁场单元感知。磁场单元将感知到的第一位姿信息发送给控制单元8，控制单元8将第一位姿信息进行优化处理后再传输给处理单元。
进一步地，控制单元8还可以与第一传感单元连接，控制第一传感单元的工作状况。具体地，控制单元8通过相应接口和线缆分别与磁场单元和第一传感单元连接。
本实施例中，手术引导信息包括如下信息中的至少一种：
骨科手术工具5的当前位置相对于基准位置的第一位移偏差信息；例如，基准位置为指定的一个已知位置(坐标为a，如果基准位置为原点，则a＝0)，骨科手术工具5当前的位置坐标为b，第一位移偏差信息就为b-a；预期插入位置也是已知的(坐标为c)，那么预期插入位置相对基准位置的位置坐标为c-a，医生操控骨科手术工具5移动，通过提示单元4观察第一位移偏差信息的动态变化，调整骨科手术工具5的位移距离，当b-a＝c-a时，骨科手术工具5即位移到预期插入位置；
骨科手术工具5的当前位置相对于基准位置的第一角度偏差信息；例如，基准位置的方向角为α，骨科手术工具5当前位置的方向角为β，第一角度偏差信息就为β-α；预期插入方向也是已知的(方向角为γ)，那么预期插入位置相对基准位置的方向角为γ-α，医生操控骨科手术工具5移动，通过提示单元4观察第一角度偏差信息的动态变化，调整骨科手术工具5的移动方向，当β-α＝γ-α，骨科手术工具5的插入方向为预期插入方向；
骨科手术工具5的当前位置相对于预期插入位置的第二位移偏差信息；例如，骨科手术工具5当前位置的坐标为b,预期插入位置的坐标为c，那么第二位移偏差信息为b-c；医生操控骨科手术工具5移动，通过提示单元4观察第二位移偏差信息的动态变化，调整骨科手术工具5的位移距离，当b-c＝0时，骨科手术工具5即位移到预期插入位置；
骨科手术工具5的当前方向相对于预期插入方向的第二角度偏差信息；具体地，第二角度偏差信息表示，骨科手术工具5自身轴线，与预期插入方向之间的角度偏差。当第二角度偏差信息为0时，代表骨科手术工具5当前自身轴线方向是平行于预期插入方向的。保持骨科手术工具5此当前方向，位移到达预期插入位置后，即获得了理想的进钉点和进钉方向。
另一方面，在第二角度偏差信息中，预期插入方向是基于股骨干轴线的相对方向。具体地，例如预期插入方向为股骨干轴线外偏5°的方向，当骨科手术工具5移动到股骨干轴线方向时，医生根据第二角度偏差信息，调整骨科手术工具5自身相对于股骨干轴线的倾斜角度为5°，以获得预期的进钉角度。
本实施例中，手术部位6的定位信息包括手术部位6的手术部位三维模型，手术部位三维模型包括目标插入位置和/或目标插入方向，手术部位三维模型上的目标插入位置与预期插入位置相对应，目标插入方向与预期插入方向相对应。手术部位三维模型的获取方法可以包括：
在探针上安装电磁sensor，然后探针针尖在手术部位6(例如股骨大转子)外表面上进行移动。此时，磁场单元1感应电磁sensor在定位磁场中的位姿信息，将位姿信息转化为探针针尖在磁场单元标系下的坐标值(xG,yG,zG)T，这些坐标值的集合即为点云数据，点云数据即为探针针尖在磁场单元坐标系下的三维坐标数据集；
点云数据可表示为集合{(xGi,yGi,zGi)T，i＝1,2,…,n}，其中n≥3。
基于此点云数据即可获得手术部位三维模型，手术部位三维模型为三维STL(Stereolithography,立体光刻)模型。
本实施例通过手术部位三维模型来代替实体的手术部位6，可以无需对实体手术部位6进行X光透射，减小医生和患者的辐射量。
本实施例中，处理单元3还用于：
调用训练后的统计形状模型；统计形状训练模型为SSM(Statistical ShapeModel)；
将手术部位6的定位信息输入到统计形状模型，得到手术部位三维模型。
手术部位三维模型的建模是否精确直接影响目标插入位置和目标插入方向的精准度。为了提高STL模型重建的精度，可以预先采集大量包含股骨近端解剖信息的CT影像数据，通过深度学习等方法提前训练并保存表征大转子顶点及附近解剖结构的统计形状模型。可将电磁sensor和磁场单元采集的点云数据D作为SSM的输入，SSM可基于点云数据中各点的坐标信息以及点与点之间的拓扑关系具象化并输出更加符合患者股骨近端解剖特征的STL模型。另外，点云的采集过程与SSM的具象化过程可同步进行，即医生一边采集股骨大转子的点云数据，提前训练好的SSM模型一边实时计算具象化模型的具体形状特征。
本实施例中，处理单元3还用于：
根据第一位姿信息，确定骨科手术工具5的手术工具三维模型的实时位置与实时角度；
根据手术工具三维模型的实时位置与目标插入位置之间的相对关系，和/或，手术工具三维模型的实时角度与目标插入方向之间的相对关系，确定手术引导信息。
本实施例将骨科手术工具5和手术部位6之间的位置关系和方向关系，转换为手术工具三维模型和手术部位三维模型之间的位置关系和方向关系的数据，通过处理单元3去计算处理这些数据，可以更精准的控制骨科手术工具5的位移和角度调整。
本实施例中，处理单元3还用于：
接收设定指令，并根据设定指令确定目标插入位置和/或目标插入方向；具体地，医生可以观察手术部位三维模型，根据经验在手术部位三维模型上选定目标插入位置和/或目标插入方向。然后向处理单元3发送设定指令，将确定好的目标插入位置和/或目标插入方向输入到处理单元3中。
或，调用训练后的图像识别模型，根据图像识别模型及手术部位三维模型，得到目标插入位置和/或目标插入方向。其中，图像识别模型可以是卷积神经网络。相较于医生的主观经验，通过图像识别模型来确定目标插入位置和/或目标插入方向，可以适用于所有医生，不需要依赖医生的经验，并且随着训练优化，目标插入位置和目标插入方向可以更精准。
本实施例中，处理单元3还用于：
(S11)获取第一传感单元2对应的第一传感单元坐标系，相对于磁场单元1对应的磁场单元坐标系的第一空间变换矩阵。具体地，磁场单元1可实时获取第一传感单元2的空间位姿(位置和姿态)信息，该位姿信息用位姿矩阵表示，设第一空间变换矩阵为位姿矩阵R，即第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的空间变换矩阵。
磁场单元1可实时追踪第一传感单元2的位姿信息(包括位置信息和姿态信息)，该位姿信息可以由控制单元8解算并输出，用一组参数(q0,q1,q2,q3,x,y,z)进行表示，其中(q0,q1,q2,q3)表示第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的姿态信息，为单位四元数，(x,y,z)表示第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的位置信息。基于参数(q0,q1,q2,q3,x,y,z)可计算出第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的位姿矩阵R，即第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的空间变换矩阵，计算公式如下：
(S12)获取骨科手术工具5对应的手术工具坐标系相对于第一传感单元坐标系的第二空间变换矩阵。具体地，第一传感单元2与骨科手术工具5是固定连接的，根据两者的机械安装尺寸，可计算手术工具坐标系相对于第一传感单元坐标系的位姿矩阵，该位姿矩阵为第二空间变换矩阵，设第二空间变换矩阵为A，A为已知信息，可以直接获取。
(S13)根据第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵，得到手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的第三空间变换矩阵。具体地，设第三空间变换矩阵为N，则N的计算公式如下：
N＝R×A；
第三空间变换矩阵N也表示骨科手术工具5在磁场单元坐标系中的位姿矩阵；其中，第一空间变换矩阵R、第二空间变换矩阵A及第三空间变换矩阵N均为4x4齐次方阵，其中包含位置信息与姿态信息，以第三空间变换矩阵N为例，N具体表示方式为：
其中，矩阵r表示手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的姿态变换矩阵，也称为方向余弦矩阵，是维度为3x3的单位正交矩阵；三维矢量d表示手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的位移，即手术工具坐标系原点在磁场单元坐标系中的坐标。
(S14)根据第一位姿信息及第三空间变换矩阵，确定手术工具三维模型位于磁场单元坐标系的实时位置和实时角度。具体地，基于第三空间变换矩阵N，手术工具坐标系中任意一点P，设点P在手术工具坐标系中坐标为(xW,yW,zW,1)T，那么点P在磁场单元坐标系中的坐标(xG,yG,zG,1)T的计算公式①为：
其中，若(xW,yW,zW,1)T表示骨科手术工具5针尖在手术工具坐标系中的坐标，则利用上述公式，可实时计算骨科手术工具5针尖在磁场单元坐标系中的位置信息，实现微创手术中实时追踪和定位骨科手术工具5针尖的目的。
在具体的应用过程中，在完成表征患侧股骨近端骨性解剖结构的STL模型(手术部位三维模型)的重建后，必须要求患者体位与磁场单元1之间的相对位置关系不能发生改变，即患者手术部位和磁场单元1均不能发生移动。因为二者一旦发生相对移动，利用点云数据所重建STL模型在磁场单元坐标系下的位姿信息，便无法准确表示移动后的患侧股骨近端结构最新的位姿信息，致使手术引导信息不再准确。患者体位相对于磁场单元1的位置在手术过程中难免发生变化，如医护人员不小心碰到磁场单元1的支架等。
基于上述情况，本实施例中，医疗导航设备还包括第二传感单元7，第二传感单元7装设在手术部位6上，磁场单元1还用于获取第二传感单元7在定位磁场中的第二位姿信息；具体地，第二传感单元7也可以是电磁sensor，可利用克氏针等工具将第二传感单元7固定在手术部位6上，这样后续重建的手术部位三维模型与第二传感单元7之间的相对位置关系一旦建立后，不会因患者体位变化或者磁场单元1发生了移动而变化。进一步地，处理单元3还用于：
(S21)获取第二传感单元7在磁场单元坐标系中的传感单元位姿信息矩阵。具体地，传感单元位姿信息矩阵可以表示第二传感单元的坐标系在磁场单元坐标系中的空间变换矩阵，设传感单元位姿信息矩阵为RM，RM为已知信息，可以直接获取。
(S22)获取手术部位6相对于第二传感单元7的第四空间变换矩阵。其中，第二传感单元7与手术部位6是固定连接，重建的手术部位三维模型与第二传感单元7之间的相对位置关系，可利用重建完成时刻二者各自在磁场单元坐标系中的位姿信息矩阵计算获得，因此第四空间变换矩阵也是已知的，设第四空间变换矩阵为M。
(S23)根据传感单元位姿信息矩阵和第四空间变换矩阵，得到手术部位6在磁场单元坐标系中的手术部位6位姿信息矩阵。其中，手术部位6位姿信息矩阵可以表示手术部位6坐标系相对于磁场单元坐标系的空间变换矩阵。设手术部位6位姿信息矩阵为RS’，RS’的计算公式如下：
R′S＝RM×M
(S24)根据第二位姿信息及手术部位6位姿信息矩阵，确定手术部位三维模型在磁场单元坐标系中的手术部位6的位置和手术部位6的角度。具体算法可以参考前文的计算公式①。
这样就实现了对手术部位三维模型的实时定位，可在患者体位相对于磁场单元2的位置发生变化后依旧保持与手术工具三维模型之间正确的相对空间关系，使实时的导航结果依旧正确。
本实施例中，提示单元4包括显示屏或/和增强现实眼镜。手术引导信息可以通过显示屏展示，方便医生观察。医生佩戴增强现实眼镜，可以不用扭头观察旁边的显示屏，提升医生的手术效率。
现有技术中，股骨近端骨折如转子间骨折以及胫骨肱骨等长骨骨干骨折，经常采用髓内钉内固定的方式进行处理，可方便骨折愈合。在整个手术的实施过程中，髓内钉进钉点位置以及进钉方向的选取至关重要。由于进钉点位置与进钉方向会影响后期扩髓通道的建立以及髓内钉主钉放入的位置和方向，因此，选择不当会导致主钉难以进入髓腔，即使能强行敲入髓腔，也会导致主钉在髓腔内受力不均且变形较大，此时容易破坏骨折复位效果，主钉为长主钉时更容易发生远端锁钉锁不准的情况，严重时还会导致骨折处延迟愈合甚至不愈合或畸形愈合。
以股骨近端髓内钉的进钉点为例，在临床中，理想的进钉点位于大转子顶点并靠近股骨颈轴线的位置，如图5所示。理想的进钉方向是股骨干轴线外偏5°以适应主钉的外偏角，如图6所示。
手术过程中通过打入导针的方式确认进钉点和进钉方向，导针的进针点便是后期主钉的进钉点，导针的进针方向便是后期主钉的进钉方向。为了更好地选择进钉点，在打入导针前一般要求医生手持导针并将其尖端顶在选择的进钉点上，此时进行C臂X射线透视，在X光图像上查看导针针尖的位置与导针的方向，但这种方法无疑会增加医生受到的辐射量。
目前国内的医生在做髓内钉手术时，通过触摸大转子顶点预估进钉点后会先打入一根导针，打入导针的方式包含徒手插入、利用把持器插入、电钻钻入等，根据透视图像确认进钉点位置和进钉方向，若正位片上进钉点位于大转子顶点且导针与股骨干轴线夹角大约为5°，侧位片上导针与股骨颈轴线近似重合，此时进钉点位置和进钉方向较为理想。若进针点位置和方向不理想，医生通过透视图像预估需要调整的位置和角度，在不拔出第一根导针的情况下打入第二根导针，再次透视查看第二根导针的进钉点位置和进钉方向，如此反复直到找到满意的进钉点位置和进钉方向。
在临床中，国内医生根据主观经验第一次打入的导针难以到达预期的进钉点，且进钉方向也难以把控，后期根据透视结果所进行的调整过程大大延长了手术时间，且位置与角度的调整量也无法精确把控，同时还增加了患者与医生的透视次数和辐射量。
针对上述技术问题，利用本发明实施例的医疗导航设备，医生可以通过提示单元4获取手术引导信息，然后根据手术引导信息操作骨科手术工具5移动至手术部位6上的预期插入位置，也可以辅助引导骨科手术工具5调整至预期插入方向，使医生能够精准的定位手术部位6上的预期插入位置(骨髓进钉点)，及精准的把控预期插入方向(进钉方向)，减少操作次数，缩短手术时间，提高手术质量和效率。
本发明实施例还提供一种医疗导航方法，应用于上述实施例提供的医疗导航设备的处理单元3，医疗导航设备还包括磁场单元1、第一传感单元2和提示单元4，第一传感单元2与骨科手术工具5连接。如图7所示，医疗导航方法包括步骤210、步骤220及步骤230。具体如下：
步骤210，获取第一传感单元2在定位磁场中的第一位姿信息，定位磁场由磁场单元1产生。
步骤220，根据第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；手术引导信息用于辅助引导骨科手术工具移动至手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导骨科手术工具调整至预期插入方向。具体包括：骨科手术工具5移动至预期插入位置后，再辅助引导骨科手术工具5调整至预期插入方向；或骨科手术工具5的方向调整到与预期插入方向一致后，再移动至预期插入位置。
其中，手术部位6的定位信息包括手术部位6的手术部位三维模型，手术部位三维模型包括目标插入位置和/或目标插入方向，手术部位三维模型上的目标插入位置与预期插入位置相对应，目标插入方向与预期插入方向相对应。
步骤220中，根据第一位姿信息和手术部位6的定位信息确定手术引导信息的步骤可以如图8所示，具体包括：
步骤221，根据第一位姿信息，确定骨科手术工具5的手术工具三维模型的实时位置与实时角度；
步骤222，根据手术工具三维模型的实时位置与目标插入位置之间的相对关系，和/或，手术工具三维模型的实时角度与目标插入方向之间的相对关系，确定手术引导信息。
其中，目标插入位置和目标插入方向可以通过下面两种方法获得：
一种是，接收设定指令，并根据设定指令确定目标插入位置和/或目标插入方向；具体地，医生可以观察手术部位三维模型，根据经验在手术部位三维模型上选定目标插入位置和/或目标插入方向。然后向处理单元3发送设定指令，将确定好的目标插入位置和/或目标插入方向输入到处理单元3中。
另一种是，调用训练后的图像识别模型，根据图像识别模型及手术部位三维模型，得到目标插入位置和/或目标插入方向。其中，图像识别模型可以是卷积神经网络。相较于医生的主观经验，通过图像识别模型来确定目标插入位置和/或目标插入方向，可以适用于所有医生，不需要依赖医生的经验，并且随着训练优化，目标插入位置和目标插入方向可以更精准。
在步骤220中，通过第一位姿信息可以定位骨科手术工具5的位姿信息，然后结合手术部位三维模型的位姿信息，即可得到对应的骨科手术工具5与手术部位6的相对位置和相对空间角度。其中，骨科手术工具5的位姿信息可以通过下面的方法获得：
(S11)获取第一传感单元2对应的第一传感单元坐标系，相对于磁场单元1对应的磁场单元坐标系的第一空间变换矩阵。具体地，磁场单元1可实时获取第一传感单元2的空间位姿(位置和姿态)信息，该位姿信息用位姿矩阵表示，设第一空间变换矩阵为位姿矩阵R，即第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的空间变换矩阵。
磁场单元1可实时追踪第一传感单元2的位姿信息(包括位置信息和姿态信息)，该位姿信息可以由控制单元8解算并输出，用一组参数(q0,q1,q2,q3,x,y,z)进行表示，其中(q0,q1,q2,q3)表示第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的姿态信息，为单位四元数，(x,y,z)表示第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的位置信息。基于参数(q0,q1,q2,q3,x,y,z)可计算出第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的位姿矩阵R，即第一传感单元坐标系相对于磁场单元坐标系的空间变换矩阵，计算公式如下：
(S12)获取骨科手术工具5对应的手术工具坐标系相对于第一传感单元坐标系的第二空间变换矩阵。具体地，第一传感单元2与骨科手术工具5是固定连接的，根据两者的机械安装尺寸，可计算手术工具坐标系相对于第一传感单元坐标系的位姿矩阵，该位姿矩阵为第二空间变换矩阵，设第二空间变换矩阵为A，A为已知信息，可以直接获取。
(S13)根据第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵，得到手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的第三空间变换矩阵。具体地，设第三空间变换矩阵为N，则N的计算公式如下：
N＝R×A；
第三空间变换矩阵N也表示骨科手术工具5在磁场单元坐标系中的位姿矩阵；其中，第一空间变换矩阵R、第二空间变换矩阵A及第三空间变换矩阵N均为4x4齐次方阵，其中包含位置信息与姿态信息，以第三空间变换矩阵N为例，N具体表示方式为：
其中，矩阵r表示手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的姿态变换矩阵，也称为方向余弦矩阵，是维度为3x3的单位正交矩阵；三维矢量d表示手术工具坐标系相对于磁场单元坐标系的位移，即手术工具坐标系原点在磁场单元坐标系中的坐标。
(S14)根据第一位姿信息及第三空间变换矩阵，确定手术工具三维模型位于磁场单元坐标系的实时位置和实时角度。具体地，基于第三空间变换矩阵N，手术工具坐标系中任意一点P，设点P在手术工具坐标系中坐标为(xW,yW,zW,1)T，那么点P在磁场单元坐标系中的坐标(xG,yG,zG,1)T的计算公式为：
其中，若(xW,yW,zW,1)T表示骨科手术工具5针尖在手术工具坐标系中的坐标，则利用上述公式，可实时计算骨科手术工具5针尖在磁场单元坐标系中的位置信息，实现微创手术中实时追踪和定位骨科手术工具5针尖的目的。
另一方面手术部位6的位姿信息精确度也影响着手术引导信息的精度。因此，本实施例在手术部位6上装设第二传感单元7，通过磁场单元1获取第二传感单元7在定位磁场中的第二位姿信息。然后通过以下步骤来确保手术部位6定位精准:
(S21)获取第二传感单元7在磁场单元坐标系中的传感单元位姿信息矩阵。具体地，传感单元位姿信息矩阵可以表示第二传感单元的坐标系在磁场单元坐标系中的空间变换矩阵，设传感单元位姿信息矩阵为RM，RM为已知信息，可以直接获取。
(S22)获取手术部位6相对于第二传感单元7的第四空间变换矩阵。其中，第二传感单元7与手术部位6是固定连接，重建的手术部位三维模型与第二传感单元7之间的相对位置关系，可利用重建完成时刻二者各自在磁场单元坐标系中的位姿信息矩阵计算获得，因此第四空间变换矩阵也是已知的，设第四空间变换矩阵为M。
(S23)根据传感单元位姿信息矩阵和第四空间变换矩阵，得到手术部位6在磁场单元坐标系中的手术部位6位姿信息矩阵。其中，手术部位6位姿信息矩阵可以表示手术部位6坐标系相对于磁场单元坐标系的空间变换矩阵。设手术部位6位姿信息矩阵为RS’，RS’的计算公式如下：
R′S＝RM×M
(S24)根据第二位姿信息及手术部位6位姿信息矩阵，确定手术部位三维模型在磁场单元坐标系中的手术部位6的位置和手术部位6的角度。这样就实现了对手术部位三维模型的实时定位，可在患者体位相对于磁场单元2的位置发生变化后依旧保持与手术工具三维模型之间正确的相对空间关系，使实时的导航结果依旧正确。
步骤230，将手术引导信息传输至提示单元4，以使提示单元4对手术引导信息进行提示。
其中，手术引导信息至少包括以下其中之一：骨科手术工具5的当前位置相对于基准位置的第一位移偏差信息、骨科手术工具5的当前位置相对于基准位置的第一角度偏差信息、骨科手术工具5的当前位置相对于预期插入位置的第二位移偏差信息、骨科手术工具5的当前方向相对于预期插入方向的第二角度偏差信息。
利用本发明实施例的医疗导航方法，医生可以通过提示单元4获取手术引导信息，然后根据手术引导信息操作骨科手术工具5移动至手术部位6上的预期插入位置，也可以辅助引导骨科手术工具5调整至预期插入方向，使医生能够精准的定位手术部位6上的预期插入位置(骨髓进钉点)，及精准的把控预期插入方向(进钉方向)，减少操作次数，缩短手术时间，提高手术质量和效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种医疗导航设备，其特征在于，用于髓内钉进钉点导航，包括：
磁场单元，用于产生定位磁场；
第一传感单元，与骨科手术工具连接，并位于所述定位磁场中；
处理单元，用于获取所述第一传感单元在所述定位磁场中的第一位姿信息，并根据所述第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；所述手术引导信息用于辅助引导所述骨科手术工具移动至所述手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导所述骨科手术工具调整至预期插入方向；所述预期插入位置包括所述髓内钉进钉点；
提示单元，用于对所述手术引导信息进行提示。
2.一种医疗导航设备，其特征在于，用于辅助引导骨科手术工具，包括：
磁场单元，用于产生定位磁场；
第一传感单元，与骨科手术工具连接，并位于所述定位磁场中；
处理单元，用于获取所述第一传感单元在所述定位磁场中的第一位姿信息，并根据所述第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；所述手术引导信息用于辅助引导所述骨科手术工具移动至所述手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导所述骨科手术工具调整至预期插入方向；
提示单元，用于对所述手术引导信息进行提示。
3.根据权利要求1或2所述的医疗导航设备，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元分别与所述磁场单元及所述处理单元通信连接，所述控制单元用于根据所述磁场单元的信号确定所述第一位姿信息，并传输给所述处理单元。
4.根据权利要求1或2所述的医疗导航设备，其特征在于，所述手术引导信息包括如下信息中的至少一种：
所述骨科手术工具的当前位置相对于基准位置的第一位移偏差信息；
所述骨科手术工具的当前位置相对于基准位置的第一角度偏差信息；
所述骨科手术工具的当前位置相对于所述预期插入位置的第二位移偏差信息；
所述骨科手术工具的当前方向相对于所述预期插入方向的第二角度偏差信息。
5.根据权利要求1或2所述的医疗导航设备，其特征在于，所述手术部位的定位信息包括所述手术部位的手术部位三维模型，所述手术部位三维模型包括目标插入位置和/或目标插入方向，所述手术部位三维模型上的目标插入位置与所述预期插入位置相对应，所述目标插入方向与所述预期插入方向相对应。
6.根据权利要求5所述的医疗导航设备，其特征在于，所述处理单元还用于：
根据所述第一位姿信息，确定所述骨科手术工具的手术工具三维模型的实时位置与实时角度；
根据所述手术工具三维模型的实时位置与所述目标插入位置的相对关系，和/或，所述手术工具三维模型的实时角度与所述目标插入方向的相对关系，确定所述手术引导信息。
7.根据权利要求5所述的医疗导航设备，其特征在于，所述处理单元还用于：
接收设定指令，并根据所述设定指令确定所述目标插入位置和/或所述目标插入方向；
或，调用训练后的图像识别模型，根据所述图像识别模型及所述手术部位三维模型，得到所述目标插入位置和/或所述目标插入方向。
8.根据权利要求6所述的医疗导航设备，其特征在于，所述处理单元还用于：
获取所述第一传感单元对应的第一传感单元坐标系，相对于所述磁场单元对应的磁场单元坐标系的第一空间变换矩阵；
获取所述骨科手术工具对应的手术工具坐标系相对于所述第一传感单元坐标系的第二空间变换矩阵；
根据所述第一空间变换矩阵和所述第二空间变换矩阵，得到所述手术工具坐标系相对于所述磁场单元坐标系的第三空间变换矩阵；
根据所述第一位姿信息及所述第三空间变换矩阵，确定所述手术工具三维模型位于所述磁场单元坐标系的实时位置和实时角度。
9.根据权利要求6所述的医疗导航设备，其特征在于，还包括第二传感单元，装设在所述手术部位上；所述磁场单元还用于获取所述第二传感单元在所述定位磁场中的第二位姿信息；所述处理单元还用于：
获取所述第二传感单元在所述磁场单元坐标系中的传感单元位姿信息矩阵；
获取所述手术部位相对于所述第二传感单元的第四空间变换矩阵；
根据所述传感单元位姿信息矩阵和所述第四空间变换矩阵，得到所述手术部位在所述磁场单元坐标系中的手术部位位姿信息矩阵；
根据所述第二位姿信息及所述手术部位位姿信息矩阵，确定所述手术部位三维模型在所述磁场单元坐标系中的手术部位位置和手术部位角度。
10.根据权利要求6所述的医疗导航设备，其特征在于，所述处理单元还用于：
调用训练后的统计形状模型；
将所述手术部位的定位信息输入到所述统计形状模型，得到所述手术部位三维模型。
11.根据权利要求1或2所述的医疗导航设备，其特征在于，所述提示单元包括显示屏或/和增强现实眼镜。
12.一种医疗导航方法，其特征在于，应用于医疗导航设备的处理单元，所述医疗导航设备还包括磁场单元、第一传感单元和提示单元，所述第一传感单元与骨科手术工具连接，所述医疗导航方法包括：
获取所述第一传感单元在定位磁场中的第一位姿信息，所述定位磁场由所述磁场单元产生；
根据所述第一位姿信息和手术部位的定位信息确定手术引导信息；所述手术引导信息用于辅助引导所述骨科手术工具移动至所述手术部位上的预期插入位置，和/或，辅助引导所述骨科手术工具调整至预期插入方向；
将所述手术引导信息传输至所述提示单元，以使所述提示单元对所述手术引导信息进行提示。
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