CN218684678U - 一种光学手术导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学手术导航装置，包括参考定位器，固定于患者病灶附近；器械定位器，固定于手术器械上；至少一个第一三维相机，与参考定位器的位置相对固定；至少一个第二三维相机，与参考定位器的位置可相对调整；所述第一三维相机至少用于获取参考定位器的空间位置，所述第二三维相机用于获取参考定位器和器械定位器的空间位置。针对手术光学导航系统的参考定位器做重新校正需要较长时间的技术问题，本实用新型提供了一种光学手术导航装置，它能快速的重新校正参考定位器的位置，降低参考定位器重新校正所需的时间。

Description

一种光学手术导航装置

技术领域

本实用新型涉及医疗辅助设备技术领域，具体涉及一种光学手术导航装置。

背景技术

光学手术导航装置是手术机器人和计算机辅助手术导航设备的必要装置。光学手术导航装置一般由一套双目相机或者多目相机和一系列的含有标志物的参考定位器以及器械定位器组成。双目相机含有两个相机，在两个相机之间有一个固定的距离。这两个相机利用双目立体成像原理，来确定这一系列的标志物在空间的位置。此原理和人们通过左右眼睛来确定物体在空间的位置和方向类似。人们还可以使用两个以上的相机来构成多目相机。多目相机中的两个以上的相机可以构成两套及以上的双目相机，因此多目相机可以扩大双目相机的检测范围，可以降低被遮挡的可能性，还可以提高系统的定位精度和抗出错的冗余。人们可以根据实际应用的需求来选择使用双目相机或者多目相机。这一系列的标志物一般为能够主动发光或者能够高效反光的球状物体或者圆形物体。在使用时，医生需要将含有这些标志物的参考定位器以及器械定位器固定在需要定位和导航的物体，如人体和手术器械上，这时候，所述的双目相机或者多目相机就能够实时地准确测定所述的人体和手术器械在空间的具体位置。医生就可以在屏幕上直观地看到手术器械的位置和病人病灶的位置的相对位置，让医生可以更加准确地切除病人的病灶。由于光学手术导航装置可以让医生更加有效地进行手术，让病人的伤口更小，病灶切除得更加干净彻底，还能够大幅较少医疗事故的发生，光学手术导航装置在现代医院中越来越受到重视和欢迎。

医生在给病人在手术前，先需要将一个参考定位器固定到病人需要动手术的部位，即病灶部位的附近的人体组织上。所述参考定位器一般含有数个(如3-5个)光学标志物。然后用医学影像系统如计算机断层扫描(CT)或者核磁共振(MR)对病人含有的参考定位器的病灶部位进行成像。这样就可以在CT或者MR影像上直接看到病灶和参考定位器了。这个参考定位器相当于给人体的病灶增加了一个光学导航设备的一个连接点，或者是多了一个光学导航设备的一个空间坐标的原点。这样病灶就有了一个相对于参考定位器这个空间坐标的原点的空间坐标。这样病灶大小和空间位置都可以直接从三维的CT或者MR影像中获得。病灶和参考定位器的相对位置必需在做CT或者MR时和手术时保持不变。在手术时，医生再将另一个器械定位器固定到手术器械上去。当手术光学导航系统可以同时检测到病灶附近的参考定位器和手术器械上的器械定位器时，手术器械也就有了一个相对于参考定位器这个空间坐标的原点的坐标。因此，手术器械的空间位置也就被确定。在手术器械和病灶的空间位置都确定的条件下，手术光学导航系统就能够将手术器械的位置和病灶的空间位置直接关联起来，让医生可以准确地切除病灶，同时还能够避开人体的健康组织，神经和主要血管，大幅提升手术的安全性和准确性。这就是手术光学导航的基本的工作原理。

然而，医生在手术过程中，尤其在那些比较复杂的需要很长时间的手术过程中，不免会发生一些意外，如无意间触碰了病灶附近的参考定位器，导致参考定位器位移，变型，或者从人体组织上脱落。这时候，参考定位器这个空间坐标的原点就不再准确，光学导航系统的定位轻则会出现定位导航偏差，重则会导致导航出现故障而完全无法提供定位导航了。

在目前的医院中，为了解决无意间触碰了病灶附近的参考定位器的问题，医生需要将病灶附近的参考定位器做重新的固定，然后再去做一次CT或者MR成像，以此来让参考定位器重新建立一个新的准确的空间坐标的原点。然而绝大部分的手术室都没有CT或者MR成像设备，因此医生需要将病人运输到医院的放射科的影像部去使用CT或者MR成像设备，如果病人的手术已经开始，人体病灶部位已经打开，医生就必须考虑如何防止感染，同时还要考虑病人的麻醉和呼吸支持等，整个过程会非常耗时和麻烦。有时候，医生可能不得不放弃重新导航，而在无导航的条件下继续完成手术，因此比较容易导致医疗事故的发生。这类问题虽然不常出现，但是一旦出现，会很麻烦，重新给参考定位器做重新校正的过程一般需要15-30分钟的时间，对病人和医生都会造成很大的负担。

实用新型内容

1、实用新型要解决的技术问题

针对手术光学导航系统的参考定位器做重新校正需要较长时间的技术问题，本实用新型提供了一种光学手术导航装置，它能快速的重新校正参考定位器的位置，降低参考定位器重新校正所需的时间。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型提供的技术方案为：

一种光学手术导航装置，包括参考定位器，固定于患者病灶附近；器械定位器，固定于手术器械上；至少一个第一三维相机，与参考定位器的位置相对固定；至少一个第二三维相机，与参考定位器的位置可相对调整；所述第一三维相机至少用于获取参考定位器的空间位置，所述第二三维相机用于获取参考定位器和器械定位器的空间位置。

可选地，所述第一三维相机和/或第二三维相机上设有用于获取患者病灶位置图像的监测模块。

可选地，所述参考定位器和器械定位器上均设有若干光学标记物，不同的定位器上的光学标记物的布置方式不同。

可选地，所述光学标记物内置有用于发出近红外光的光源。

可选地，所述光学标记物为反射性标记物，所述第一三维相机和第二三维相机上分别设有朝向光学标记物发射近红外光的照明装置。

可选地，所述第一三维相机和第二三维相机上的照明装置发出的近红外光的波长不相同，且所述第一三维相机和第二三维相机上含有和其照明装置所发出的近红外光波长相匹配的窄波段带通滤光片。

可选地，还包括固定支架、移动支架，所述第一三维相机安装于固定支架上，所述第二三维相机固定于移动支架上。

可选地，还包括参考定位器固定支架，所述参考定位器固定支架固定于患者病灶附近的人体组织上。

可选地，还包括手术床，所述固定支架和参考定位器固定支架固定安装于所述手术床上，所述移动支架可活动的安装于所述手术床上。

可选地，所述第一三维相机和第二三维相机为双目相机或多目相机。

3、有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本光学手术导航装能够通过与参考定位器相对固定的第一三维相机快速的重新校正参考定位器的位置，降低参考定位器重新校正所需的时间，同时针对所述三大常见的导航系统失效的问题提供了有效的解决或减少发生的方案。

附图说明

图1为本实用新型实施例提出的一种光学手术导航装置的结构示意图；

1、参考定位器；2、器械定位器；3、第一三维相机；4、第二三维相机；5、监测模块；6、照明装置；7、固定支架；8、移动支架；9、参考定位器固定支架；10、手术床。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“设置于”、“固设于”或“安设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。进一步地，当一个元件被认为是“固定连接”另一个元件，二者可以是可拆卸连接方式的固定，也可以不可拆卸连接的固定，如套接、卡接、一体成型固定、焊接等，在现有技术中可以实现，在此不再累赘。当元件与另一个元件相互垂直或近似垂直是指二者的理想状态是垂直，但是因制造及装配的影响，可以存在一定的垂直误差。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型中涉及的“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

结合附图1，本实施例的一种光学手术导航装置，包括参考定位器1，固定于患者病灶附近；器械定位器2，固定于手术器械上；至少一个第一三维相机3，与参考定位器1的位置相对固定，具体的说，所述第一三维相机3的位置是固定不动的；至少一个第二三维相机4，与参考定位器1的位置可相对调整；所述第一三维相机3和第二三维相机4一般为双目相机或多目相机，具体工作原理为公知常识，故在此不再赘述，本实施例中，所述第一三维相机3和第二三维相机4均用于同时获取参考定位器1和器械定位器2的空间位置，每一个需要定位导航的手术器械上都需要安装一个器械定位器2，让手术器械可以被准确地定位，每一个含有器械定位器2的手术器械在病人的病灶附近移动时，就会被第一三维相机3和第二三维相机4实时定位并确定其空间位置。

现有的手术导航装置一般只有一个三维相机，而没有另一个独立的三维相机，这是本光学手术导航装置和现有的手术导航装置主要不同点，而这个不同点正好能够有效解决定位装置被触碰后需要重新定位的问题。具体的方式为，在使用时，本光学手术导航装置的第一三维相机3和第二三维相机4分别对参考定位器1的在三维空间中的矢量位置进行定位，例如，第一三维相机3和第二三维相机4将参考定位器的空间位置记录为X1和X2，如果在手术中，所述参考定位器1没有被触碰过，那么，本光学手术导航装置就一直可以使用所述第二三维相机4对手术器械的空间位置进行定位了，这和目前已有的光学导航系统的工作方式完全类似，我们不再赘述。如果在手术中，所述参考定位器1被不巧被触碰导致其空间位置发生了变化，那么设备操作者就可以先将所述参考定位器1扶正或者直接重新固定，如果第二三维相机4在手术中没有被移动过，用第二三维相机4对重新固定后的参考定位器1重新做定位，就可以得到其空间位置，而前后的空间位置差值就反映了参考定位器1触碰前后的位置和角度的变化。这个差值就可以用来对手术器械的空间位置进行校正了，将该空间位置差值补偿给手术器械上的器械定位器2。但是在实际手术中，医生对第二三维相机4的位置和方向可以随时按照手术的需要进行调整，在这种情况下，用被移动过的第二三维相机4对重新固定后的参考定位器1重新做定位，所得到其空间位置就和之前获得的空间位置失去了关联性，因为参考定位器1的前后空间位置是第二三维相机4在两个不同的位置或方向上所测量获得的数据。因此，使用被移动过的第二三维相机4对重新固定后的参考定位器1重新做定位，所得到其空间位置就无法用于对手术器械的空间位置进行校正了。为了解决这个问题，本光学手术导航装置的第一三维相机3的空间位置和方向在手术过程中是完全不能够移动或者改变的，这就保证了第一三维相机3对重新固定后的参考定位器1重新做定位后得到其空间位置就和之前获得的空间位置保持了关联性，由此得出的前后空间位置的差值就是参考定位器1触碰前后的位置和角度的变化，这个差值就可以直接用来对手术器械的空间位置进行校正了。因此，引进一个新的独立的在在手术过程中是完全不能够移动或者改变的第一三维相机3就是解决参考定位器1被触碰后需要快速重新校正问题的关键。

本光学手术导航装置不仅仅对以上描述的参考定位器1被触碰时在不需要重新成像的条件下如何解决定位不准的问题十分有效，而且也能够解决好参考定位器被血液污染而导致的问题。如果在手术中参考定位器被血液污染，设备操作者就需要将被污染的部分或者全部光学标志物从参考定位器1上取下，然后更换上新的没有被污染过的光学标志物。在这个光学标志物更换的过程中，参考定位器1的空间位置或多或少会发生一些哪怕是微小的变化。而在手术定位导航中，对手术器械的定位精度必须要达到几百微米的精度，才可以有效避免医疗事故的发生。因此，即使参考定位器1的空间位置或多或少会发生一些哪怕是微小的变化，也是需要重新校正的。这时候，设备操作者只要根据上一段描述的方法，对更新后的参考定位器，用固定位置及方向的第一三维相机3做重新的定位，就能够得出参考定位器1的空间位置在光学标志物更新前后的空间位置的差值。然后就可以用这个差值来对手术器械的空间位置进行校正了；同时也能够有效减少参考定位器被部分遮挡的问题。事实上，如果在手术中第二三维相机4对参考定位器1成像时被部分遮挡，这时候，目前市场上现有的只有一个参考定位器1的光学手术导航装置就会发现无法准确定位参考定位器而报警或者暂时停止工作,但是如果所述固定位置及方向的第一三维相机3对参考定位器成像时没有被遮挡，就可以使用第一三维相机3所获得的参考定位器空间位置来做导航。由于第一三维相机3和第二三维相机4对于参考定位器的成像角度一般情况下都会有所不同，因此降低了第一三维相机3和第二三维相机4在观测参考定位器时同时被遮挡的概率。

综上所述，目前已有的光学手术导航系统虽然都能够同时定位一个固定在人体病灶附近的参考定位器和多个固定在不同手术器械上的器械定位器，但是，已有的光学手术导航系统目前都只使用一个三维相机。只使用一个三维相机的光学手术导航系统会导致三大常见的导航系统失效的问题：病灶附近的参考定位器被意外碰撞后导致失效，病灶附近的参考定位器上的光学标志物无意中被部分或全部污染导致失效,以及病灶附近的参考定位器上的光学标志物被无意中部分或全部遮挡导致失效。本光学手术导航装置针对所述三大常见的导航系统失效的问题提供了有效的解决或减少发生的方案。

作为本实用新型的可选方案，所述第一三维相机3和/或第二三维相机4上设有用于获取患者病灶位置图像的监测模块5，所述监测模块7为一个摄像头，所述摄像头可以将三维相机视野中的所有物体，包括手术器械，手术器械上的标志物，医生的手，病人的病灶部位显示到手术室的显示器上，方便医生和护士观察手术部位的整体的状况；本实施例中，所述第一三维相机3和第二三维相机4上均设有监测模块5，也就是说，所述第一三维相机3和第二三维相机4是可以相互替换的，例如，第二三维相机4损坏了，或因为各种原因无法正常工作了，人们可以临时将另一个能够正常工作的第一三维相机3装到第二三维相机4的位置。这样一来，本光学手术导航装置就可以临时性地使用其中的一个能够正常工作的三维相机来做定位和导航，其功能可以和现有的含有一个三维相机的光学手术导航装置的功能类似。虽然这样一来，本系统暂时无法快速解决参考定位器做重新校正的过程一般需要15-30分钟的时间的问题，但是毕竟可以和现有的含有一个三维相机的光学手术导航装置一样继续使用，等待维修，而不是立刻无法工作。

作为本实用新型的可选方案，所述参考定位器1和器械定位器2上均设有若干光学标记物，每个定位器上的光学标记物数量一般为3-5个，不同的定位器上的光学标记物的布置方式不同,以便让第一三维相机3和第二三维相机4能够有效区分每一个不同的定位器。

作为本实用新型的可选方案，所述光学标记物内置有用于发出近红外光的光源(LED灯珠)，LED灯珠能够主动发出够被第一三维相机3和第二三维相机4接收到近红外光，在使用发光型标志物时，一般就不再需要设置照明装置6。

于其他实施例中，所述光学标记物为反射性标记物，此时，所述第一三维相机3和第二三维相机4上分别设有朝向光学标记物发射近红外光的照明装置6，这些近红外光在照到光学标志物时会被有效反射，这些反射光就能够被第一三维相机3和第二三维相机4接收到，但是人眼对近红外光一般无感，看不到放置照明装置发出的近红外光，因此使用近红外光可以防止手术中对医生眼睛和视线产生不必要的干扰，所述第一三维相机3和第二三维相机4上的照明装置发出的近红外光的波长不相同，且所述第一三维相机3和第二三维相机4上含有和其照明装置所发出的近红外光波长相匹配的窄波段带通滤光片，例如，所述第一三维相机3设有朝向光学标记物发射近红外光的照明装置6发出的近红外光波长在840纳米，而所述第二三维相机4设有朝向光学标记物发射近红外光的照明装置6发出的近红外光波长在940纳米。所述第一三维相机3含有能够让840纳米通过但是完全阻挡940纳米的滤光片(比如使用能够让835-845纳米通过的窄波段带通滤光片)，所述第二三维相机4含有能够让940纳米通过但是完全阻挡840纳米的滤光片(比如使用能够让935-945纳米通过的窄波段带通滤光片)，这样就能够确保每个三维相机均能够“只看”或者检测到自己配套的照明装置6所发出的特定的近红外光波，完全“看不到”另一个三维相机上的照明装置6所发出的特定的近红外光波，让所述第一三维相机3和第二三维相机4可以完全独立工作，不受任何其他三维相机上的照明装置发出的近红外光的影响了。

作为本实用新型的可选方案，还包括固定支架7、移动支架8，所述第一三维相机3安装于固定支架7上，所述第二三维相机4固定于移动支架8上，还包括参考定位器固定支架9，所述参考定位器固定支架9定于患者病灶附近的人体组织上，还包括手术床10，所述固定支架7和参考定位器固定支架9固定安装于所述手术床10上，所述移动支架8通过滑轨结构可移动的安装于所述手术床10上，且所述移动支架8自身也可以设计升降结构以控制第二三维相机4的升降；当然地，所述移动支架8也可以是一个直接在地面上移动的移动平台，所述固定支架7也可以直接安装于手术室内固定的位置上，而不是手术床上。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学手术导航装置，其特征在于：包括

参考定位器，固定于患者病灶附近；

器械定位器，固定于手术器械上；

至少一个第一三维相机，与参考定位器的位置相对固定；

至少一个第二三维相机，与参考定位器的位置可相对调整；

所述第一三维相机至少用于获取参考定位器的空间位置，所述第二三维相机用于获取参考定位器和器械定位器的空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：所述第一三维相机和/或第二三维相机上设有用于获取患者病灶位置图像的监测模块。

3.根据权利要求1所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：所述参考定位器和器械定位器上均设有若干光学标记物，不同的定位器上的光学标记物的布置方式不同。

4.根据权利要求3所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：所述光学标记物内置有用于发出近红外光的光源。

5.根据权利要求3所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：所述光学标记物为反射性标记物，所述第一三维相机和第二三维相机上分别设有朝向光学标记物发射近红外光的照明装置。

6.根据权利要求5所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：所述第一三维相机和第二三维相机上的照明装置发出的近红外光的波长不相同，且所述第一三维相机和第二三维相机上含有和其照明装置所发出的近红外光波长相匹配的窄波段带通滤光片。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：还包括固定支架、移动支架，所述第一三维相机安装于固定支架上，所述第二三维相机固定于移动支架上。

8.根据权利要求7所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：还包括参考定位器固定支架，所述参考定位器固定支架固定于患者病灶附近的人体组织上。

9.根据权利要求7所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：还包括手术床，所述固定支架和参考定位器固定支架固定安装于所述手术床上，所述移动支架可活动的安装于所述手术床上。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的一种光学手术导航装置，其特征在于：所述第一三维相机和第二三维相机为双目相机或多目相机。

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