一种3D手术导航标尺及导航配准方法与流程

一种3d手术导航标尺及导航配准方法
技术领域
1.本发明涉及医疗设备领域，具体地，涉及一种3d手术导航标尺及导航配准方法。


背景技术：

2.在手术导航过程中，为了实现影像空间与手术空间的精确匹配，医生需要进行准确的配准和定位，从而进行精确的手术操作。现有的标尺和定位器通常需要分开使用，在手术过程中不得不反复拆装。这种重复拆装可能导致精度损失、手术过程繁琐、病人出血时间延长以及术中感染风险增加等问题。此外，在算法过程中对工具标定数据的转换也可能产生误差。
3.现有技术的缺陷主要包括以下几点：
4.1、标尺和定位器需分开使用，使手术操作变得繁琐；
5.2、重复安装可能导致精度损失；
6.3、手术时间较长，增加病人出血、感染等风险；
7.4、灭菌工艺复杂；
8.5、在配准过程中，标定工具标定的数据转换可能产生误差，从而影响手术导航的精确性。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种3d手术导航标尺及导航配准方法，该3d手术导航标尺将标尺与定位器的功能整合于一体，既可作为标尺使用，同时也可作为定位器使用，简化了手术操作过程，缩短了手术时间，降低了患者出血和感染风险。
10.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种3d手术导航标尺，包括标尺本体；所述标尺本体包括对称且平行设置的上侧面和下侧面，所述上侧面上设置有线段部和第一圆环部，所述线段部沿着所述第一圆环部的径向和标尺本体的长度方向延伸；所述下侧面上设置有与所述第一圆环部同轴的第二圆环部，所述第一圆环部的直径小于第二圆环部；所述线段部、第一圆环部和第二圆环部能够在医学成像设备下显影，所述标尺本体不能在医学成像设备下显影；所述标尺本体的端部固接于机械臂的末端，所述标尺本体用作手术器械的定位器。
11.优选地，所述线段部位于第一圆环部的外部，且与第一圆环部不相交。
12.优选地，所述标尺本体上设置有用于镶嵌所述线段部、第一圆环部和第二圆环部的沟槽。
13.优选地，所述线段部、第一圆环部和第二圆环部被分别或整体的设置在预制件上，所述预制件可拆卸的安装于标尺本体上。
14.优选地，所述手术器械被定位于所述第一圆环部和第二圆环部的圆心处。
15.优选地，所述线段部、第一圆环部和第二圆环部为整体构件，或者由多个分体构件组成。
16.本发明另一方面提供了一种利用了所述3d手术导航标尺的导航配准方法，包括以下步骤：
17.通过机械臂将3d手术导航标尺置于手术对象上方，对手术对象及3d手术导航标尺进行三维医学成像扫描，获取手术部位和3d手术导航标尺的三维图像；
18.在获取的所述三维图像中检测和标定双圆环特征点；
19.建立双圆环坐标系，计算图像坐标系到双圆环坐标系的转换矩阵m
i2d
；
20.读取所述双圆环特征点在机械臂坐标系下的坐标；
21.获取双圆环坐标系到机械臂坐标系的转换矩阵m
d2r
；
22.获取机械臂坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
r2p
；
23.计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
；
24.根据所述图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
，将手术器械在图像坐标系中的位置实时转换为患者坐标系中的位置。
25.优选地，所述双圆环特征点包括：第一圆环部的圆心、第二圆环部的圆心和线段部的中心。
26.优选地，根据下式计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
：m
i2p
＝m
r2p
*m
d2r
*m
i2d
。
27.优选地，所述建立双圆环坐标系的步骤包括：
28.以第一圆环部的圆心为原点；
29.以第一圆环部的圆心和线段部的中心的连线为y轴；
30.以第二圆环部的圆心到第一圆环部的圆心的连线为x轴；
31.以x轴和y轴的叉乘为z轴。
32.根据上述技术方案，本发明具有以下优点：
33.1、利用双圆环特征作为3d手术导航标尺的方案，将标尺与定位器的功能整合于一体，简化了手术操作过程，缩短了手术时间，降低了患者出血和感染风险；2、采用创新的双圆环一体化导航配准法，结合精确的坐标系转换方法，有效提高了手术导航的准确性和精确性，减小了因数据转换误差带来的影响；3、通过整合标尺和定位器功能，简化了灭菌工艺，提高了手术室的效率。
34.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
35.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
36.图1是3d手术导航标尺的一种优选实施方式的结构示意图；
37.图2是机器人坐标系下双圆环标尺示意图；
38.图3是三维ct中双圆环标尺示意图；
39.图4是导航配准方法的一种优选实施方式的流程图。
40.附图标记说明
41.1-标尺本体；2-线段部；3-第一圆环部；4-上侧面；5-下侧面；6-机械臂；7-第二圆环部。
具体实施方式
42.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
43.在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
44.参见图1-3所示的3d手术导航标尺，包括标尺本体1；所述标尺本体1包括对称且平行设置的上侧面4和下侧面5，所述上侧面4上设置有线段部2和第一圆环部3，所述线段部2沿着所述第一圆环部3的径向和标尺本体1的长度方向延伸；所述下侧面5上设置有与所述第一圆环部3同轴的第二圆环部7，所述第一圆环部3的直径小于第二圆环部7；所述线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7能够在医学成像设备下显影，所述标尺本体1不能在医学成像设备下显影；所述标尺本体1的端部固接于机械臂6的末端，所述标尺本体1用作手术器械的定位器。
45.通过上述技术方案的实施，本发明利用双圆环特征作为3d手术导航标尺的方案，将标尺与定位器的功能整合于一体，简化了手术操作过程，缩短了手术时间，降低了患者出血和感染风险。通过整合标尺和定位器功能，简化了灭菌工艺，提高了手术室的效率，针对现有技术的缺陷，提供了一种创新且实用的解决方案，以提高手术导航的精确性并改善手术操作体验。
46.本发明中的机械臂指的是机器人末端的手臂，标尺本体与机械臂上的tracker配合使用，固定在机械臂末端，在手术过程中，标尺本体需要摆放在手术部位上方，在三维ct下，对于标尺本体的摆放角度无要求。
47.在本发明中，所述线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7能够在医学成像设备下显影，所述标尺本体1不能在医学成像设备下显影，例如在一种实施例中，线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7为能够被ct扫描到的金属材质，标尺本体1为不能够被ct扫描到的塑料材质。进一步的举例说明：线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7的材质如06cr19ni10，这种材质能够被ct扫描到，从而实现可视化。标尺本体1材质是abs+pc，不能被ct扫描到，不影响线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7的可视化。
48.在发明中，将线段部2沿所述标尺本体1的长度方向延伸。通过这样的设置，使得在摆放标尺本体1至患者身上的时候能够快速的将线段部2摆正，使得所建立的坐标更加简单，转换矩阵更加简化，从而优化了特征点的标定，以及手术导航的效率，从而进一步提高手术导航的精准性和操作体验。
49.在该实施方式中，所述线段部2位于第一圆环部3的外部，且与第一圆环部3不相交。通过该方案的实施，使得线段部2与第一圆环部3相对独立，避免了两者之间的相互干扰，同时，由于两者之间不相交，在装配的过程中也不会产生触碰，进而不会在装配或使用中造成磨损，不影响定位使用的精准度。另外，还可以使得坐标转化更为简单，也简化了手动标定特征点的难度，可以进一步提高手术导航的精准性和操作体验。
50.在该实施方式中，所述标尺本体1上设置有用于镶嵌所述线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7的沟槽。即线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7为可以拆卸装配的独立结构，当线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7受到污染或者损坏的时候可以进行及时的更换，可
以最大程度的保证使用时的定位精度。
51.为了在装配线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7至沟槽时更加的容易，可以在沟槽的内表面设置具有一定弹性的软橡胶衬垫，使得线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7被装配在沟槽中后被弹性挤压在软橡胶衬垫中，以保持位置的固定，另外还能够通过软橡胶衬垫保护线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7不受损坏，起到一定的缓冲保护作用。
52.在该实施方式中，所述线段部2、第一圆环部3和第二圆环部7被分别或整体的设置在预制件上，所述预制件可拆卸的安装于标尺本体1上。该预制件例如但不限于方块结构，示例性的：预制件包括嵌入上侧面4的第一方块和嵌入下侧面5的第二方块，而线段部2和第一圆环部3则在出厂的时候就设置为嵌入在第一方块上的整体结构，第二圆环部7则在出厂的时候就设置为嵌入第二方块的整体结构，这样在后期替换的时候只要将该整体结构嵌入标尺本体即可，可以减少对线段部2、第一圆环部3或第二圆环部7的接触，而避免产生由于接触破损导致的数据误差问题。或者，可以再将第一方块分割出第三方块，被分割的部分和未分割的部分分别用于嵌入线段部2和第一圆环部3。
53.在该实施方式中，所述手术器械被定位于所述第一圆环部3和第二圆环部7的圆心处。通过该方案的实施，使得手术器械的定位位置更容易被标定，增加操作的精准度。
54.进一步的，所述第一圆环部、第二圆环部和线段可以是整体构件，也可以是多个分段的部件组成。例如，当标尺本体1作为手术器械的定位器使用时，标尺本体1具有可开合的夹持部，所述第一圆环部3或第二圆环部7可以整体的位于夹持部的某个部分，也可以由分布在夹持部不同位置上的两个或多个分段部件组成，这样设计更有利于第一圆环部3、第二圆环部7和线段部2等标记物的灵活配置，以便于实现与手术器械的精确匹配，例如，更方便将手术器械的夹持位置设置在第一圆环部3和第二圆环部7的圆心处，这样使得手术器械的导航定位更加准确。
55.参见图4，本发明另一方面提供了一种利用了所述3d手术导航标尺的导航配准方法，包括以下步骤：
56.通过机械臂将3d手术导航标尺置于手术对象上方，对手术对象及3d手术导航标尺进行三维医学成像扫描，获取手术部位和3d手术导航标尺的三维图像；
57.在获取的所述三维图像中检测和标定双圆环特征点；
58.建立双圆环坐标系，计算图像坐标系到双圆环坐标系的转换矩阵m
i2d
；
59.读取所述双圆环特征点在机械臂坐标系下的坐标；
60.获取双圆环坐标系到机械臂坐标系的转换矩阵m
d2r
；
61.获取机械臂坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
r2p
；
62.计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
；
63.根据所述图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
，将手术器械在图像坐标系中的位置实时转换为患者坐标系中的位置。
64.通过上述技术方案的实施，采用创新的双圆环一体化导航配准法(dual ring integrated navigation registration)，结合精确的坐标系转换方法，有效提高了手术导航的准确性和精确性，减小了因数据转换误差带来的影响。
65.使用创新的双圆环一体化导航配准法(dual ring integrated navigation registration)，将标尺上的第二圆环部圆心、第一圆环部圆心和线段部中心等特征点在三
维ct图像中进行检测和标定，从而建立双圆环坐标系。这一步骤可以分为两种情况：自动检测和标定，手动检测和标定。
66.自动检测和标定：应用图像处理算法和机器人学习方法自动识别并标定特征点。具体的说，通过图像处理算法和机器学习方法，在三维ct图像中自动识别和定位双圆环特征点，从而实现特征点的自动检测和标定。
67.手动检测和标定：医务人员通过交互界面手动选择和标定特征点。具体的说，在手术导航系统中，医务人员可以通过交互界面手动选择和标定三维ct图像中的双圆环特征点。
68.在该实施方式中，所述双圆环特征点包括：第一圆环部的圆心、第二圆环部的圆心和线段部的中心。在手术导航系统中，读取第二圆环部圆心、第一圆环部圆心和线段部中心在机器人坐标系下的坐标，从而获得双圆环坐标系到机器人坐标系的转换矩阵。
69.在使用该导航配准方法过程中，在患者进行三维ct扫描的同时，将具有双圆环特征的3d手术导航标尺通过机械臂置于手术对象上方，确保标尺在三维ct图像中可视化。
70.在本发明中，机械臂坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
r2p
的获取方式为：通过ndi等手术导航仪，读取机械臂坐标系到患者坐标系的转换矩阵。通过计算图像坐标系到双圆环坐标系的转换矩阵，从而实现三维图像空间与手术空间的匹配。
71.进一步的，根据下式计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
：m
i2p
＝m
r2p
*m
d2r
*m
i2d
。即图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵＝机器人坐标系到患者坐标系的转换矩阵*双圆环坐标系到机器人坐标系的转换矩阵*图像坐标系到双圆环坐标系的转换矩阵。
72.在该实施方式中，建立双圆环坐标系的步骤包括：
73.以第一圆环部的圆心为原点；
74.以第一圆环部的圆心和线段部的中心的连线为y轴；
75.以第二圆环部的圆心到第一圆环部的圆心的连线为x轴；
76.以x轴和y轴的叉乘为z轴。
77.在手术过程中，利用该导航配准方法实时应用这些转换矩阵，将手术器械在图像坐标系中的位置实时转换为患者坐标系中的位置，从而为医生提供精确的手术导航信息。
78.通过本发明的具有双圆环特征的3d手术导航标尺及其创新的导航配准方法，能够简化手术操作过程，提高手术导航的准确性和精确性，从而有助于提高手术效果和患者安全性。
79.在行业内的通常解决方案中，手术导航需要分别使用标尺和定位器进行配准和定位。这种方法操作繁琐，且在坐标系转换过程中可能存在误差。与通常解决方案相比，本发明具有以下优点：
80.a.本发明的双圆环特征标尺将标尺与定位器的功能整合在一起，大大简化了手术操作过程，提高了手术效率；
81.b.采用创新的双圆环一体化导航配准法(dual ring integrated navigation registration)和精确的坐标系转换方法，显著提高了手术导航的准确性和精确性，有助于提高手术效果及降低患者手术风险；
82.c.本发明降低了重复安装导致的精度损失，缩短了手术时间，降低了患者出血和感染风险；
83.d.通过整合标尺和定位器功能，简化了灭菌工艺，提高了手术室效率。
84.综上所述，本发明在提高手术导航精确性和患者安全性方面具有明显优势，为手术导航领域提供了一种创新且实用的解决方案。
85.以下以一种具体实施例对本发明做进一步说明：
86.如在一次脊柱手术中，需要使用3d手术导航标尺辅助定位。以下是导航配准方法的步骤：
87.s01，将所述3d手术导航标尺放在患者脊柱的上方，对患者脊柱及3d手术导航标尺进行三维ct扫描，获取脊柱和标尺的高清三维图像；
88.s02，在三维ct图像中自动或者手动检测和标定双圆环特征点，即第二圆环部圆心、第一圆环部圆心和线段中心；
89.s03，建立双圆环坐标系(dual circle coordinate system，简称d)，以第一圆环部的圆心为坐标系原点，线段中点到第一圆环部的圆心连线为y轴，第二圆环部圆心到第一圆环部圆心的连线为x轴，它们的叉乘为z轴，得到图像坐标系(image coordinate system，简称i)到双圆环坐标系的转换矩阵m
i2d
；
90.s04，从配置文件中读取第二圆环部圆心、第一圆环部圆心和线段中心在机器人坐标系下的坐标；
91.s05，得到双圆环坐标系(dual circle coordinate system，简称d)到机器人坐标系(robot coordinate system，简称r)的转换矩阵m
d2r
；
92.s06，从导航仪(如ndi)中读取机器人坐标系到患者坐标系(patient coordinate system，简称p)的转换矩阵m
r2p
；
93.s07，计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
：
94.m
i2p
＝m
r2p
*m
d2r
*m
i2d
95.s08，重复步骤s01-s08实时应用转换矩阵进行手术导航。根据转换矩阵m
i2p
，可以实时将图像坐标系下的位置转换到患者坐标系，实现精确的手术导航。
96.以下以为一个导航配准状态下检测导航配准误差的具体方法：
97.图像中检测出的第一圆环部圆心(106.141,124.42,-155.205)，第二圆环部圆心(103.243,89.8217,-99.6221)，线段中心(106.141,124.42,-155.205)，应用上述转换矩阵转换到患者坐标系下，在从配置文件中读取它们在机械臂坐标系下的坐标，同样转换到患者坐标系下，然后进行比较，得到最后的配准误差。其中，最大误差为0.7421，平均误差为0.2677。
98.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
99.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
100.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种3d手术导航标尺，包括标尺本体(1)，其特征在于：所述标尺本体(1)包括对称且平行设置的上侧面(4)和下侧面(5)，所述上侧面(4)上设置有线段部(2)和第一圆环部(3)，所述线段部(2)沿着所述第一圆环部(3)的径向和所述标尺本体(1)的长度方向延伸；所述下侧面(5)上设置有与所述第一圆环部(3)同轴的第二圆环部(7)，所述第一圆环部(3)的直径小于第二圆环部(7)；所述线段部(2)、第一圆环部(3)和第二圆环部(7)能够在医学成像设备下显影，所述标尺本体(1)不能在医学成像设备下显影；所述标尺本体(1)的端部固接于机械臂(6)的末端，所述标尺本体(1)用作手术器械的定位器。2.根据权利要求1所述的3d手术导航标尺，其特征在于，所述线段部(2)位于第一圆环部(3)的外部，且与第一圆环部(3)不相交。3.根据权利要求1或2所述的3d手术导航标尺，其特征在于，所述标尺本体(1)上设置有用于镶嵌所述线段部(2)、第一圆环部(3)和第二圆环部(7)的沟槽。4.根据权利要求1或2所述的3d手术导航标尺，其特征在于，所述线段部(2)、第一圆环部(3)和第二圆环部(7)被分别或整体的设置在预制件上，所述预制件可拆卸的安装于标尺本体(1)上。5.根据权利要求1或2所述的3d手术导航标尺，其特征在于，所述手术器械被定位于所述第一圆环部(3)和第二圆环部(7)的圆心处。6.根据权利要求1或2所述的3d手术导航标尺，其特征在于，所述线段部(2)、第一圆环部(3)和第二圆环部(7)为整体构件，或者由多个分体构件组成。7.一种利用了权利要求1-6中的任意一项所述的3d手术导航标尺的导航配准方法，其特征在于，包括以下步骤：通过机械臂将3d手术导航标尺置于手术对象上方，对手术对象及3d手术导航标尺进行三维医学成像扫描，获取手术部位和3d手术导航标尺的三维图像；在获取的所述三维图像中检测和标定双圆环特征点；建立双圆环坐标系，计算图像坐标系到双圆环坐标系的转换矩阵m
i2d
；读取所述双圆环特征点在机械臂坐标系下的坐标；获取双圆环坐标系到机械臂坐标系的转换矩阵m
d2r
；获取机械臂坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
r2p
；计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
；根据所述图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
，将手术器械在图像坐标系中的位置实时转换为患者坐标系中的位置。8.根据权利要求7所述的导航配准方法，其特征在于，所述双圆环特征点包括：第一圆环部的圆心、第二圆环部的圆心和线段部的中心。9.根据权利要求7所述的导航配准方法，其特征在于，根据下式计算图像坐标系到患者坐标系的转换矩阵m
i2p
：m
i2p
＝m
r2p
*m
d2r
*m
i2d
。10.根据权利要求8所述的导航配准方法，其特征在于，所述建立双圆环坐标系的步骤包括：
以第一圆环部的圆心为原点；以第一圆环部的圆心和线段部的中心的连线为y轴；以第二圆环部的圆心到第一圆环部的圆心的连线为x轴；以x轴和y轴的叉乘为z轴。

技术总结
本发明公开了一种3D手术导航标尺，包括标尺本体，该标尺本体包括对称且平行设置的上侧面和下侧面，上侧面上设置有线段部和第一圆环部，线段部沿着第一圆环部的径向和标尺本体的长度方向延伸；下侧面上设置有与第一圆环部同轴的第二圆环部，第一圆环部的直径小于第二圆环部；线段部、第一圆环部和第二圆环部能够在医学成像设备下显影，标尺本体不能在医学成像设备下显影；标尺本体的端部固接于机械臂的末端，标尺本体用作手术器械的定位器。该3D手术导航标尺将标尺与定位器的功能整合于一体，简化了手术操作过程，缩短了手术时间，降低了患者出血和感染风险。者出血和感染风险。者出血和感染风险。


技术研发人员：韩佳奇 李吉 曹宇轩 杨标 张坚
受保护的技术使用者：苏州铸正机器人有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/16