CN209059427U - 一种检测配准精度的标准块及其测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种检测配准精度的标准块及其测试系统，包括主板、安装在所述主板上的能够被光学追踪设备定位追踪的定位支架；所述主板上设有配准区、测试区；其中，所述配准区用于将所述标准块的虚拟模型与所述标准块在所述光学追踪坐标系中配准；所述测试区用于测试配准精度。该标准块可以确定配准后的待测对象是否整体或部分满足手术精度要求，且该精度相较于医生的判断更为客观准确，提高手术导航系统使用的安全性。

Description

一种检测配准精度的标准块及其测试系统

技术领域

本实用新型涉及计量仪器领域，特别涉及一种检测配准精度的标准块及其测试系统。

背景技术

在基于增强现实技术的骨科手术导航系统中(以下简称手术导航系统)，其原理为：通过对患者进行CT扫描，获得图像数据；然后，计算机对图像数据进行三维重建，获得患者虚拟模型；现实环境中，定位支架固定在患者身上，光学追踪设备可以直接获取定位支架的位置信息，并可以在其坐标系中显示，但却无法直接获取患者的位置信息，因此，需要利用配准算法以及光学追踪设备，间接获得患者在光学追踪设备中的的位置信息，将虚拟模型与患者进行配准，最终，在光学追踪设备坐标系中，呈现出的虚拟模型与定位支架固定连接，且该连接关系与实际环境中患者于定位支架的连接关系一致，从而获得导航图像。医生根据导航图像，可以直观了解患者的内部解剖结构，快速确定入刀口位置，以及手术器械深入患者体内的情况。

在手术导航系统辅助的手术中，由于医生的判断、操作很多都是依据导航图像做出的，因此，手术导航系统的配准精度对手术的安全性有着直接的影响，但是，目前对于配准精度的验证，只能靠医生主观判断，尤其对于一些精度要求较高的手术，例如脊椎手术，存在很大风险。

因此，如何客观测试手术导航系统的配准精度，是目前我们需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是如何客观测试手术导航系统的配准精度。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种检测配准精度的标准块，包括主板、安装在所述主板上的能够被光学追踪设备定位追踪的定位支架；所述主板上设有配准区、测试区；其中，所述配准区用于将所述标准块的虚拟模型与所述标准块在所述光学追踪坐标系中配准；所述测试区用于测试所述虚拟模型的配准精度。

较佳的，所述配准区包括至少1个内凹坑，且所述内凹坑表面为不规则曲面。

较佳的，所述配准区包括至少1个凸块，所述凸块表面为不规则曲面。

较佳的，所述测试区包括至少一排N个刻度孔位，N为大于2的整数；相邻所述刻度孔位的间距相等，方向指向所述配准区。

较佳的，所述测试区还包括至少2个插孔，所述插孔与所述主板形成预设夹角A，其中0°<A<180°。

本实用新型还提供一种配准精度测试系统，包括上述所述的检测配准精度的标准块、光学追踪设备、能够被光学追踪设备定位追踪的检测器具。

较佳的，所述光学追踪设备为NDI光学定位跟踪系统或深度相机。

较佳的，所述检测器具为加装定位支架的探针，所述探针用于在所述标准块进行配准、检测的取点操作。

相对于现有技术而言，本实用新型通过提供标准块达到对骨科手术导航系统配准精度的客观验证。标准块上包括主板以及能够被光学追踪设备定位追踪的定位支架，主板上设有配准区、测试区；其中，标准块是模拟手术过程中配准的部分骨头，而配准区对应于骨头上的配准区域。在验证前，先通过配准区将标准块与其虚拟模型进行配准，然后利用测试区验证手术导航的配准精度。测试区上设有多个刻度孔位，在实际环境中，医生将检测器具插入刻度孔位或插孔，然后测得一个位置信息，将其与配准后的虚拟模型上的刻度孔位或插孔的位置信息进行比较，其差值变化可以体现手术导航系统的精度。该精度相较于医生的判断更为客观准确。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的第一实施方式的用于检测配准精度的标准块示意图；

图2为本实用新型的第二实施方式的配准精度测试系统示意图。

具体实施方式

经发明人研究发现，传统的基于增强现实技术的骨科手术导航系统中(以下简称手术导航系统)，虚拟模型与相应的待测对象(可以是患者，也可以是仿真模型或者标准块)配准后，没有相应装置能够检测手术系统的配准精度，而手术导航系统的导航图像对医生的操作、判断有着重要影响，手术系统的配准精度是否满足手术要求，这直接关系到手术的安全性。

为了解决上述问题，本申请的第一实施方式提供了一种检测配准精度的标准块，为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

如图1所示，该标准块1具体包括主板2、安装在主板2上的能够被光学追踪设备定位追踪的定位支架3；主板2上设有配准区4、测试区5；具体地说，配准区4用于将标准块1的虚拟模型与标准块1在光学追踪坐标系中配准；测试区5用于测试虚拟模型的配准精度。

在使用标准块1测试配准精度前，需要在手术导航系统中对标准块1进行配准，此时标准块1模拟实际应用中的待测对象(例如患者的骨头等)。先利用标准块1上的配准区4进行配准，然后再通过标准块1上的测试区5进行精度测试。

在实际应用中，手术导航系统的工作站中事先存有主板2的虚拟模型，在实体环境里，主板2和定位支架3均位于光学追踪设备的有效视野中，光学追踪设备能够追踪获取定位支架3的位置信息，定位支架3显示在光学追踪设备的坐标系中。实际环境中，主板2与定位支架3之间是可拆卸连接，完成连接后，主板2与定位支架3的相对位置关系稳定，构成标准块1。在光学追踪设备的坐标系中，不能直接获取主板2的位置信息，因此，不知道虚拟模型在其内的位置。而利用现有的点配、面配的方法，可以间接测出实体环境中主板2在光学追踪设备坐标系中的位置信息，然后将虚拟模型映射到相应位置上，虚拟模型与定位支架3在显示终端里构成了导航图像，且虚拟模型与定位支架3的相对位置和实际环境中主板2与定位支架3的相对位置是一致的，因此，在配准后，通过获取定位支架3的位置信息，便可以间接获得主板2的位置信息。

关于虚拟模型的配准，具体地说，用鼠标在虚拟模型上选取一点记作C(该点应为刻度孔位6或者其他开设的固定孔位)，以能够被光学追踪设备追踪的探针作为测试器具，在实体环境中的主板2上选取对应的孔位，记作C1，手术导航系统能够获取并记录探针端部的位置信息，即能够获得C1的位置信息；重复上述操作选取D和D1，以及E和E1。然后，系统计算出C、D、E三点围成平面的法向量f，以及C1、D1、E1三点围成平面的法向量f1，利用ICP迭代算法，将f1拟合到f上，得到一个拟合矩阵，从而将虚拟模型映射到光学追踪设备坐标系上对应的位置，上述为点配法。之后，在虚拟模型的配准区4上选取部分或全部区域，然后用探针在主板2上对应的配准区4滑动，尽量将所选配准区4覆盖掉，完成选取后，系统会获得探针在该段时间内的连续运动轨迹，并记录相应位置信息，将虚拟模型上的选取的区域和记录探针的运动轨迹利用ICP迭代算法进行拟合，得到一个得拟合矩阵，从而调整虚拟模型的位置，上述为面配法。通过点配和面配，即可间接测出实体环境中主板2在光学追踪设备坐标系中的位置信息，实现将虚拟模型映射到主板2在光学追踪设备坐标系上对应的位置。

主板2的测试区5包括至少一排的刻度孔位6，一排至少有2个以上的刻度孔位6，各刻度孔位6间距相等，且方向指向配准区4，即以配准区4为中心，向外围辐射。另外，在一些可能的实施例中，测试区5还包括至少2个插孔7，插孔7与主板2形成预设夹角A，其中0°<A<10°。作为优选的，插孔7最好包括30度角、45度角、60度角、90度角的插孔7，需要注意的是，刻度孔位6、插孔7与检测器具(即上述提到的探针)相匹配，检测器具插入刻度孔位6或插孔7中不应晃动。

以图1为例进行举例说明，主板2上包括4排刻度孔位6，每排有5个，这四排刻度孔位6组成一个交叉十字，配准区4以交叉点为中心对称分布。在以交叉点为中心点，主板2上还设置了4排插孔7，每排4个，角度包括30度角、45度角、60度角、90度角。在测试中，这些刻度孔位6和插孔7是主板2上的固定特征孔位，在虚拟模型上选取一个刻度孔位6或者插孔7，很容易在实体环境的主板2上找到与之相对应的孔位。因此，在精度测试中，利用能够被光学追踪设备追踪的探针，在虚拟模型上选取一个刻度孔位6，其位置记做P1，然后在实体环境的主板2上找到与之相应的刻度孔位6，此时已经利用点配、面配的方法将标准块1进行配准了，所以手术导航系统会给出配准后的刻度孔位6的位置，记做P2，比较PI与P2，其差值是否满足手术精度要求。同理，在虚拟模型上选取一个插孔7，其角度记做Q1，然后在实体环境的主板2上找到与之相应的插孔7，将探针插入，计算其角度并记做Q2，比较Q1与Q2，其角度差值是否满足手术精度要求，从而确定配准后的标准块1是否整体或部分满足手术精度要求。需要说明的是，刻度孔位6以配准区4为中心向外呈放射状，可以测试出满足配准精度的部分虚拟模型，在这个范围内，其精度是可以满足手术要求的。

值得一提的是，上述提到的配准区4包括至少1个内凹坑，且内凹坑表面为不规则曲面，如图1所示，内凹坑为骨头模型的拓面。而在一些可能的实施方式中，配准区4包括至少1个凸块(图中未标示)，凸块表面为不规则曲面。上述凹坑或者凸块都是为了模仿骨骼表面，使配准尽可能的贴近实际。

本实用新型的第二实施方式还提供了一种配准精度测试系统，如图2所示，包括上述的检测配准精度的标准块1、光学追踪设备8、能够被光学追踪设备8定位追踪的检测器具9。在一些可能的实施方式中，光学追踪设备8为NDI光学定位跟踪系统或深度相机，而检测器具9为加装定位支架的探针，探针用于在标准块1进行配准、检测的取点操作。

相对于现有技术而言，本实用新型通过提供标准块1达到对骨科手术导航系统配准精度的客观验证。标准块1上包括主板以及能够被光学追踪设备8定位追踪的定位支架，主板上设有配准区、测试区；其中，标准块1是模拟手术过程中配准的部分骨头，而配准区对应于骨头上的配准区域。在验证前，先通过配准区将标准块1与其虚拟模型进行配准，然后利用测试区验证手术导航的配准精度。测试区上设有多个刻度孔位，在实际环境中，医生将检测器具9插入刻度孔位或插孔，然后测得一个位置信息，将其与配准后的虚拟模型上的刻度孔位或插孔的位置信息进行比较，其差值变化可以体现手术导航系统的精度，从而确定配准后的待测对象是否整体或部分满足手术精度要求，且该精度相较于医生的判断更为客观准确，提高手术导航系统使用的安全性。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种检测配准精度的标准块，其特征在于，包括主板、安装在所述主板上的能够被光学追踪设备定位追踪的定位支架；

所述主板上设有配准区、测试区；其中，所述配准区用于将所述标准块的虚拟模型与所述标准块在所述光学追踪设备的坐标系中配准；所述测试区用于测试所述虚拟模型的配准精度。

2.根据权利要求1所述的一种检测配准精度的标准块，其特征在于，所述配准区包括至少1个内凹坑，且所述内凹坑表面为不规则曲面。

3.根据权利要求2所述的一种检测配准精度的标准块，其特征在于，所述配准区还包括至少1个凸块，所述凸块表面为不规则曲面。

4.根据权利要求1所述的一种检测配准精度的标准块，其特征在于，所述测试区包括至少一排N个刻度孔位，N为大于2的整数；相邻所述刻度孔位的间距相等，方向指向所述配准区。

5.根据权利要求4所述的一种检测配准精度的标准块，其特征在于，所述测试区还包括至少2个插孔，所述插孔与所述主板形成预设夹角A，其中0°<A<180°。

6.一种配准精度测试系统，其特征在于，包括如权利要求1至5任一一项权利要求所述的检测配准精度的标准块，所述配准精度测试系统还包括光学追踪设备、能够被所述光学追踪设备定位追踪的检测器具。

7.根据权利要求6所述的一种配准精度测试系统，其特征在于，所述光学追踪设备为NDI光学定位跟踪系统或深度相机。

8.根据权利要求6所述的一种配准精度测试系统，其特征在于，所述检测器具为加装定位支架的探针，所述探针用于所述标准块进行配准、检测的取点操作。