CN209220493U - 一种分布式光学定位跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种分布式光学定位跟踪系统，所述分布式光学定位跟踪系统，包括至少三个且位置独立的光学相机，由于至少三个独立的光学相机可以任意分布在多个位置，定位跟踪时只需要至少两个光学相机能够同时拍摄到目标标记物即可，医生、病人以及医疗设备不容易同时遮挡多个光学相机，从而能够确保跟踪到目标。同时，从多个光学相机中选出拍摄位置好的图像进行定位跟踪，有利于提高定位跟踪精度。所述分布式光学定位跟踪方法，多个位置独立的光学相机，能够得到多个光学相机的拍摄图像，进而从多个光学相机的拍摄图像中选取拍摄位置较好的拍摄图像进行数据处理，实现标记物的跟踪，更加有利于提高定位跟踪精度。

Description

一种分布式光学定位跟踪系统

技术领域

本实用新型涉及一种微创介入手术定位跟踪系统，具体为一种分布式光学定位跟踪系统。

背景技术

微创介入手术通常是在影像和定位跟踪系统的引导下将微创用手术器械插入病变位置进行治疗，定位跟踪系统有利于提高微创手术的精度，临床应用较多的是加拿大NDI公司的光学定位跟踪系统。

该类系统的定位原理为：双目位置传感器发射的红外光照射在安装有跟踪工具的手术设备或器械上，跟踪工具上的可反射红外光的小球(也称反光球)会将红外光反射回位置传感器并由系统内置软件进行计算得到跟踪工具的位置坐标(包括跟踪工具的位置和角度)，从而实现对相应的手术设备和器械进行定位跟踪。所述跟踪工具通常是指承载标志物体(也即反光球)的刚体。

现有技术中的定位跟踪系统由两个位置固定的光学相机以及带有四个反光球的跟踪标记等组成，四个反光球位于同一平面，利用双目视觉的原理计算所拍摄到的目标标记的空间位置。

但是，当该光学定位跟踪系统在结合磁共振、CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)仪等医学影像设备使用时，经常出现无法进行跟踪定位的情况。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种分布式光学定位跟踪系统，以解决现有技术中光学定位跟踪系统在结合磁共振、CT仪等医学影像设备使用时，出现的无法跟踪定位的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种分布式光学定位跟踪系统，应用在医学影像设备中，所述分布式光学定位跟踪系统包括：相互独立的至少三个光学相机、数据采集处理设备、校准仿体、标记物和控制台；

至少三个所述光学相机分布在所述医学影像设备上或之外的多个位置，用于拍摄所述标记物；

每个所述光学相机均与所述数据采集处理设备相连；

所述数据采集处理设备与所述控制台相连；

所述校准仿体位于所述医学影像设备的中心位置；

所述标记物位于所述医学影像设备的成像区域；

所述控制台用于获取所述医学影像设备的扫描图像，并将所述扫描图像传递给所述数据采集处理设备，所述数据采集处理设备根据所述光学相机的相对位置，以及从所述光学相机处获取拍摄所述标记物的拍摄图像，计算得到所述标记物的位置信息，并将所述拍摄图像和所述扫描图像的坐标进行转换，以确定所述标记物在所述医学影像设备扫描图像的坐标位置，实现所述标记物的跟踪定位。

优选地，所述医学影像设备为磁共振影像设备。

优选地，每个所述光学相机中的元器件均为非磁性元器件；或者每个所述光学相机包括滤波器和屏蔽层。

优选地，所述光学相机设置在所述磁共振影像设备的磁体上。

优选地，所述医学影像设备为电子计算机断层扫描仪。

优选地，每个所述光学相机与所述数据采集处理设备之间的连接方式为有线连接。

优选地，所述光学相机与所述数据采集处理设备通过电缆或光纤连接。

优选地，每个所述光学相机与所述数据采集处理设备之间的连接方式为无线连接。

优选地，所述光学相机的个数为4个或6个。

优选地，所述校准仿体内部具有成像仿体，所述成像仿体内部包含多个形状为圆球形、圆柱形或三角柱形的结构，且所述校准仿体的外表面设置有反光球。

经由上述的技术方案可知，本实用新型提供的分布式光学定位跟踪系统，包括至少三个且位置独立的光学相机，由于至少三个独立的光学相机可以任意分布在多个位置，定位跟踪时只需要至少两个光学相机能够同时拍摄到目标标记物即可，医生、病人以及医疗设备不容易同时遮挡多个光学相机，从而能够确保跟踪到目标。同时，从多个光学相机中选出拍摄位置好的图像进行定位跟踪，有利于提高定位跟踪精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种分布式光学定位跟踪系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种光学相机结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种分布式光学相机在磁共振影像设备上的安装位置示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种校准仿体结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种标记物结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种分布式光学定位跟踪方法流程图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中当光学定位跟踪系统在结合磁共振、CT仪等医学影像设备使用时，经常出现无法进行跟踪定位的情况。

发明人发现，出现上述现象的原因是，现有技术中光学定位跟踪系统中的两个固定位置的光学相机需要同时拍摄到带反光球的标记，但是由于两个光学相机封装在同一个系统结构中，两者之间并不是独立存在的，无法调节位置，而且磁共振、CT仪等医学影像设备的成像空间有限，在该空间范围内的标记与固定位置的两个光学相机之间的光通过路径通常被医学影像设备以及进行微创手术的医生或者病人遮挡，使得两个固定位置的光学相机无法同时拍摄到带有反光球的标记，因此，无法进行定位跟踪。

基于此，本实用新型提供一种分布式光学定位跟踪系统，应用在医学影像设备中，包括：

相互独立的至少三个光学相机、数据采集处理设备、校准仿体、标记物和控制台；

至少三个所述光学相机分布在所述医学影像设备上或之外的多个位置，用于拍摄所述标记物；

每个所述光学相机均与所述数据采集处理设备相连；

所述数据采集处理设备与所述控制台相连；

所述校准仿体位于所述医学影像设备的中心位置；

所述标记物位于所述医学影像设备的成像区域；

所述控制台用于获取所述医学影像设备的扫描图像，并将所述扫描图像传递给所述数据采集处理设备，所述数据采集处理设备根据所述光学相机的相对位置，以及从所述光学相机处获取拍摄所述标记物的拍摄图像，计算得到所述标记物的位置信息，并将所述拍摄图像和所述扫描图像的坐标进行转换，以确定所述标记物在所述医学影像设备扫描图像的坐标位置，实现所述标记物的跟踪定位。

本实用新型提供的分布式光学定位跟踪系统，包括至少三个且位置独立的光学相机，由于至少三个独立的光学相机可以任意分布在多个位置，定位跟踪时只需要至少两个光学相机能够同时拍摄到目标标记物即可，医生、病人以及医疗设备不容易同时遮挡多个光学相机，从而能够确保跟踪到目标。同时，从多个光学相机中选出拍摄位置好的图像进行定位跟踪，有利于提高定位跟踪精度。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供的一种分布式光学定位跟踪系统应用在医学影像设备中，所述医学影像设备可以是磁共振影像设备也可以是CT仪，本实施例中对所述医学影像设备不做限定，可选的，本实施例中所述医学影像设备为磁共振影像设备，所述磁共振影像设备可以是包括两个圆环形磁铁，且两个圆环形磁铁同轴设置的结构，也可以是圆筒形结构，还可以是包括两个平行平板的结构，本实施例中对此不做限定。为方便说明本申请的技术方案，下面以包含两个圆环形磁铁的磁共振影像设备为例进行说明，其他结构的磁共振影像设备和CT仪与下面实施例的磁共振影像设备是相似的原理，本实用新型实施例中对此不做详细赘述。

请参见图1，为本实用新型实施例提供的一种分布式光学定位跟踪系统的结构示意图，如图1中所示，磁共振影像设备包括：检查床8和两个并排设置的磁体7；所述分布式光学定位跟踪系统包括：

相互独立的至少三个光学相机4、数据采集处理设备2、校准仿体6、标记物5和控制台1；

至少三个光学相机4分布在磁共振影像设备上或之外的多个位置，用于拍摄标记物5；

每个光学相机4均与数据采集处理设备2相连；

数据采集处理设备2与控制台1相连；

校准仿体6位于磁共振影像设备的两个磁体7中间，也即磁共振影像设备的中间位置；

标记物5位于磁共振影像设备的成像区域；

控制台1用于获取磁共振影像设备的扫描图像，并将扫描图像传递给数据采集处理设备2，数据采集处理设备2根据光学相机4的相对位置，以及从光学相机4处获取拍摄标记物的拍摄图像，计算得到标记物5的位置信息，并将拍摄图像和扫描图像的坐标进行转换，以确定标记物5在磁共振影像设备扫描图像的坐标位置，实现标记物的跟踪定位。

需要说明的是，本实施例中当分布式光学定位跟踪系统需要校准并进行坐标转换时，才将校准仿体放置在磁共振影像设备的中心位置，当校准完成后，即可撤离所述校准仿体。同样的，当进行微创手术时，才将微创针固定在标记物上，在磁共振影像设备的成像区域进行穿刺，此时，标记物5位于磁共振影像设备的成像区域附近，其他时刻，所述标准物的位置不做限定。

本实施例中多个光学相机4相互之间独立，位置关系不进行限定，只要能够拍摄到标记物5和校准仿体6即可。多个光学相机4的位置可以随意设置在磁共振影像设备上，也可以随意设置在磁共振影像设备之外的位置，但是需要说明的是，多个光学相机之间的位置一旦确定，在一次跟踪定位过程中，多个光学相机之间的相对位置以及多个光学相机相对于磁共振影像设备的位置将固定不变，以避免多个光学相机位置发生变化，对标记物的定位跟踪精度造成影响。

本实施例中多个光学相机可以设置在磁共振影像设备上，也可以设置在磁共振影响设备之外的其他结构上，本实施例中对此不做限定，需要说明的是，由于磁共振影像设备具有两个磁体，产生较强的磁场，因此，将多个光学相机设置的磁共振影像设备上时，为了避免光学相机的信号被磁共振影像设备的磁场影响，造成光学相机出现故障，本实施例中可选的，每个光学相机中的元器件均为非磁性元器件。需要说明的是本实施例中不限定所述光学相机的具体结构，可选的，请参见图2所示，所述光学相机4包括相机接口12和相机镜头13。若光学相机4中的元器件无法做到完全采用非磁性元器件，本实施例中所述光学相机还可以包括滤波器和屏蔽层，所述滤波器和屏蔽层用于对光学相机4中的磁性元器件进行屏蔽，从而使得光学相机内部结构也不会在磁共振磁场中产生强的吸引力，不会对磁共振信号产生影响。需要说明的是，本实用新型其他实施例中，当医学影像设备为CT仪等非磁性材料时，对光学相机的材料不做限定。

为了能够对标记物5进行充分的拍摄，本实施例中所述光学相机可选的设置在磁共振影像设备的磁体上，如图3所示，将光学相机4设置在磁共振影像设备的两个磁体上，需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，光学相机也可以不设置在磁共振影像设备上，可以设置在与磁共振影像设备共处的空间内的其他位置，如磁共振影像设备所在的房间内的墙壁或者房间内的支架上，本实施例中对此不做限定。

本实施例中同样的，对所述光学相机的个数不做限定，光学相机可以是3个、4个……6个等等，本实施例中可选的，光学相机的个数越多，分布越广泛，被遮挡的概率越小，当然，当光学相机个数较多时，数据采集处理设备需要处理的数据量越大，对数据采集处理设备的计算能力要求越高，因此，可选的，所述光学相机的个数为4个，如图3中所示，分为两组，分别位于磁共振影像设备的两个磁体上，另外，光学相机的个数还可以设置6个，也分为两组，分别位于磁共振影像设备的两个磁体上。本实施例中两个磁体上的光学相机位置可以设置为对称形式，也可以随机分布，优选地，两个磁体上的光学相机位置不对称，随意排布，以便于从不同角度对校准仿体6和标记物5进行拍摄。

需要说明的是，本实用新型实施例中光学相机4用于实时拍摄标记物5并将拍摄图像传送至数据采集处理设备2，数据采集处理设备2根据每个光学相机的位置以及对应的拍摄图像上标记物5的反光球的位置计算出标记物的空间坐标信息，并将该坐标信息传送到控制台。

本实施例中不限定多个相互独立的光学相机4与数据采集处理设备2之间的连接关系，可选的，多个光学相机4可以通过有线方式或无线方式与数据采集处理设备相连，有线连接方式具体可以通过电缆或者光纤将光学相机4的相机接口12与数据采集处理设备2的输入端连接，无线连接方式可以是通过wifi连接或者GPRS网络连接，本实施例中对此不做限定。同样的，数据采集处理设备2与控制台1之间也可以通过有线(如电缆)连接，也可以通过无线连接，本实施例中同样不做限定。

本实用新型实施例提供的分布式光学定位跟踪系统中还包括校准仿体6，如图4所示，为校准仿体6的结构示意图；本实施例中校准仿体6用于光学相机的拍摄图像坐标系与磁共振影像设备扫描图像坐标系的转换，因此，校准仿体6的表面设置有反光球，用于光学相机对校准仿体拍摄图像，可选的，所述反光球位于同一平面，因此，可选的，所述校准仿体6为立方体结构，如图4所示，校准仿体6包括立方体本体62和位于立方体的一个表面上的四个反光球61，校准仿体6放置方式为磁共振影像设备的两个磁体中间位置附近。由于校准仿体6还用于磁共振影像设备的扫描，因此，本实施例中校准仿体6内部还设置有成像仿体，所述成像仿体用于计算以确定成像仿体相对于磁共振影像中心位置的距离，本实施例中不限定成像仿体内部的形状，只要能够在磁共振影像设备的扫描中得到明确的位置信息即可，本实施例中可选的，所述成像仿体内部包括多个形状为圆球形、圆柱形或三角柱形的结构。

本实施例中不限定标记物的结构形状，可选的，如图5所示，标记物5包括四个反光球51和承载四个反光球51的标记物本体52。另外为了固定微创手术用的介入用针，本实施例中在标记物本体52上还设置有固定螺丝53，所述固定螺丝用于将介入用针9固定在标记物本体52下方，以使标记物和介入用针形成一体结构，使得标记物在介入用针的带动下运动。

本实施例中分布式光学跟踪系统在结合磁共振等影像设备使用时，需要将标记物在光学相机中的拍摄位置坐标转换成磁共振等影像设备图像坐标系的坐标，如磁共振的坐标系以磁共振的中心点(两个磁体中心位置)为坐标原点。将校准仿体放置在磁共振的中心位置，扫描数张图像，同时光学相机拍摄校准仿体，通过校准仿体上反光球图像信息，计算出校准仿体的位置信息。根据扫描的图像计算出校准仿体相对于磁体中心的坐标信息，进而将所述分布式光学定位跟踪系统计算出的目标位置坐标转换为磁共振图像坐标系的坐标。

本实用新型提供的分布式光学定位跟踪系统，包括至少三个且位置独立的光学相机，由于至少三个独立的光学相机可以任意分布在多个位置，定位跟踪时只需要至少两个光学相机能够同时拍摄到目标标记物即可，医生、病人以及医疗设备不容易同时遮挡多个光学相机，从而能够确保跟踪到目标。同时，从多个光学相机中选出拍摄位置好的图像进行定位跟踪，有利于提高定位跟踪精度。

本实用新型另一个实施例对应地还提供一种分布式光学定位跟踪方法，基于上面实施例中提供的分布式光学定位跟踪系统，同样应用于医学影像设备中，即，分布式光学定位跟踪方法为将分布式光学定位跟踪系统与医学影像设备结合进行使用的方法。同样地，本实施例中所述医学影像设备可以是磁共振影像设备也可以是CT仪，本实施例中对所述医学影像设备不做限定。

所述分布式光学定位跟踪方法包括：

S101：获取标记物在每个光学相机中的拍摄图像；

通过每个光学相机对标记物所在位置进行实时拍摄，获得多幅标记物的拍摄图像。

S102：选取多个拍摄图像中所述光学相机的光轴与所述标记物上的反光球所在平面夹角较大的至少两幅拍摄图像；

需要说明的是，由于本实用新型实施例提供的分布式光学定位跟踪系统的精度与光学相机的光轴和标记物上四个反光球所在平面的夹角有关，也即光学相机的光轴垂直四个反光球所在平面时，分布式光学定位跟踪系统的精度较高，当具有夹角较小时，定位跟踪的精度较低。

由于多个光学相机均能够获得一幅拍摄图像，但有可能部分拍摄图像，由于被医生、病人或器械遮挡，并不能拍摄到标记物，因此，本实施例中只要是能够拍摄到标记物上反光球的拍摄图像，均能够作为数据采集处理设备进行数据处理时的依据。

为了能够提高标记物的跟踪定位精度，本实施例在多个拍摄图像中选取光学相机的光轴与标记物上的反光球所在平面夹角较大的至少两幅拍摄图像，进行后续的数据处理。

需要说明的是，理论上只要有两幅拍摄到反光球的拍摄图就可以进行后续的数据处理。但在本实用新型实施例的实际操作过程中，若具有两幅以上拍摄位置较好的拍摄图像，也均可以用于后续的数据处理，多幅图像的相互验证，也能够在一定程度上提高对标记物的定位跟踪精度。

S103：根据选取出的拍摄图像得到所述标记物在医学影像设备扫描图像的坐标位置。

需要说明的是，根据选出的拍摄图像得到所述标记物在医学影像设备扫描图像的坐标位置，还需要获取医学影像设备的扫描图像，在进行定位跟踪之前，还包括：

安装固定多个光学相机的位置，并将多个光学相机的相对位置信息输入至控制台，并建立光学相机的拍摄图像坐标系，设定坐标原点；

控制台将上述信息传送至数据采集处理设备；

将校准仿体放置在医学影像设备的中间位置；

以所述医学影像设备的中心位置为医学影像设备扫描图像坐标系的坐标原点，建立医学影像设备扫描图像的坐标系；

采用医学影像设备对所述校准仿体内部的成像仿体进行扫描，得到医学影像设备扫描图像，并记录所述校准仿体在扫描图像中的坐标位置，为方便后续说明，本实施例中即为第一坐标系位置；

采用多个光学相机拍摄所述校准仿体上的反光球，得到多个反光球拍摄图片，传送至数据采集处理设备；

数据采集处理设备选取拍摄位置较高的图像，并根据选取出的拍摄图像对应的光学相机的相对位置，以及选取出的反光球的拍摄图像，进行数据处理，得到拍摄图像坐标系中反光球的坐标位置，为方便后续说明，本实施例中即为第二坐标系位置；

比对所述第一坐标系位置和所述第二坐标系位置，将第二坐标系位置转换为第一坐标系位置，确定拍摄图像坐标系与磁共振影像设备扫描图像坐标系之间的转换关系。

本实用新型实施例中，根据选取出的拍摄图像得标记物在拍摄图像中的坐标位置，也即第二坐标系中的位置，基于上述坐标系转换方法，再计算得到标记物在第一坐标系中的位置，也即得到标记物在磁共振影像设备扫描图像中的坐标位置，从而实现标记物的跟踪定位。

需要说明的是，本实施例中由于选取的拍摄图像不同，对应的光学相机的相对位置有所不同，因此，第二坐标系中的坐标位置，跟选取出的拍摄图像和对应的光学相机的相对位置有关，并不是一成不变的。

本实用新型实施例提供的分布式光学定位跟踪方法，由于所述分布式光学定位跟踪系统包括多个位置独立的光学相机，从而能够得到多个光学相机的拍摄图像，进而从多个光学相机的拍摄图像中选取拍摄位置较好的拍摄图像进行数据处理，相对于现有技术中仅能根据两个拍摄图像进行数据处理，实现标记物的跟踪，本实用新型更加有利于提高定位跟踪精度。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，应用在医学影像设备中，所述分布式光学定位跟踪系统包括：相互独立的至少三个光学相机、数据采集处理设备、校准仿体、标记物和控制台；

至少三个所述光学相机分布在所述医学影像设备上或之外的多个位置，用于拍摄所述标记物；

每个所述光学相机均与所述数据采集处理设备相连；

所述数据采集处理设备与所述控制台相连；

所述校准仿体在位于所述医学影像设备的中心位置；

所述标记物位于所述医学影像设备的成像区域。

2.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，所述医学影像设备为磁共振影像设备。

3.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，每个所述光学相机中的元器件均为非磁性元器件；或者每个所述光学相机包括滤波器和屏蔽层。

4.根据权利要求2所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，所述光学相机设置在所述磁共振影像设备的磁体上。

5.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，所述医学影像设备为电子计算机断层扫描仪。

6.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，每个所述光学相机与所述数据采集处理设备之间的连接方式为有线连接。

7.根据权利要求6所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，所述光学相机与所述数据采集处理设备通过电缆或光纤连接。

8.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，每个所述光学相机与所述数据采集处理设备之间的连接方式为无线连接。

9.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，所述光学相机的个数为4个或6个。

10.根据权利要求1所述的分布式光学定位跟踪系统，其特征在于，所述校准仿体内部具有成像仿体，所述成像仿体内部包含多个形状为圆球形、圆柱形或三角柱形的结构，且所述校准仿体的外表面设置有反光球。