CN101879092A - 一种用于电磁定位手术导航***的配准组件及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电磁定位手术导航***的配准组件，所述电磁定位手术导航***包括定位传感器，其特征在于，所述配准组件包括配准块及标记物，所述配准块一端设有凹槽，所述标记物置于所述凹槽；所述配准块还设有一放置所述定位传感器的圆柱形腔道，所述标记物的几何中心位于所述圆柱形腔道的轴线上。本发明配准组件用于安装定位传感器，使得定位传感器与用于CT扫描的标记物有相对固定的位置，有助于获取同一点分别在电磁定位***坐标系和图像坐标系的坐标，以帮助计算从电磁定位***坐标系到图像坐标系的转换关系。

Description

一种用于电磁定位手术导航***的配准组件及其校准方法

技术领域

本发明涉及一种用于电磁定位手术导航***的配准组件及其校准方法。

背景技术

目前，在做外科手术时，医生经常用到手术导航***来帮助完成手术。手术导航***的功能就是在已经获取的CT图像中(CT的全称为computedtomography，电子计算机X射线断层扫描技术)，实时显示手术器械的位置；在手术导航中，一个关键的环节就是将手术导航***坐标系转换成图像坐标系(电磁定位***坐标系和图像坐标系这两个坐标系的原点位置、轴向方向都不一致)；该环节主要解决手术器械在手术导航***坐标系的位置转换到图像坐标系的位置，从而实现实时显示手术器械在已经获取CT图像的位置，引导医生进行手术。

其中有一种手术导航***，其对手术器械在手术导航***坐标系定位的实现是基于电磁定位***(如NDI公司的Aurora***)的，称为电磁定位手术导航***；在这种导航***中，上述手术导航***坐标系就是指电磁定位***坐标系。

电磁定位***包括磁场发射器和用于感应磁场发射器产生的电磁场的多个定位传感器，每个定位传感器的结构是一圆柱型卷绕线圈，电磁定位***可以测量该线圈的中心位置的坐标及轴向，轴向是一矢量，轴向和中心定义的直线称为定位传感器的配准直线。

电磁定位***在手术导航***的运用是，将磁场发射器置放在进行手术的位置(亦称为病灶空间)的附近，让电磁定位***的特定测量范围覆盖病灶空间，将定位传感器植入手术器械的尖端，当该手术器械在上述特定测量范围内时，电磁定位***就会自动获取手术器械的尖端在电磁定位***坐标系的坐标，手术导航***再将电磁定位***坐标系的坐标转化成图像坐标系的坐标，就可显示手术器械在已经获取CT图像的位置。

由以上的描述可知，从电磁定位***坐标系到图像坐标系的转换关系非常重要。而这种转换关系的得出要求至少有四个不在同一个平面上的点，并且已知这些点的电磁定位***坐标和图像坐标。因此，怎么准确地获得这些点的电磁定位***坐标和图像坐标是非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电磁定位手术导航***的配准组件，有助于获取同一点分别在电磁定位***坐标系和图像坐标系的坐标，以帮助计算从电磁定位***坐标系到图像坐标系的转换关系。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于电磁定位手术导航***的配准组件，所述电磁定位手术导航***包括定位传感器，其特征在于，所述配准组件包括配准块及标记物，所述配准块一端设有凹槽，所述标记物置于所述凹槽；所述配准块还设有一放置所述定位传感器的圆柱形腔道，所述标记物的几何中心位于所述圆柱形腔道的轴线上。

所述圆柱形腔道与所述凹槽相通。

所述标记物采用SiC陶瓷或Si₃N₄陶瓷或Al₂O₃陶瓷做成。

所述标记物为一圆球。

所述凹槽为圆柱形凹槽，所述凹槽的横截面直径与所述圆球的直径相同。

所述标记物为一正六面体。

所述凹槽是横截面为正方形的柱形槽，所述凹槽的横截面与所述标记物任一面的大小一致。

所述圆柱形腔道的轴线与所述凹槽的横截面垂直。

由上技术方案可见，本发明配准组件将定位传感器和用于CT扫描的标记物定于一配准块上，并使定位传感器的配准直线与所述圆柱形腔道的轴线重叠，从而使得标记物的几何中心位于定位传感器的配准直线且与定位传感器中心相对位置固定；然后将至少四个装有定位传感器的配准组件置于病灶空间内并且使每一配准组件中标记物的几何中心不在同一个平面上，进行CT图像扫描来提取出标记物的几何中心在图像坐标系的坐标，通过与定位传感器中心同一配准直线和有固定间距的关系得出标记物的几何中心在电磁定位***坐标系的坐标；从而实现通过现有方法计算出从电磁定位***坐标系到图像坐标系的转换关系。本发明设计标记物为一圆球，是便于经CT扫描后提取出标记物的几何中心。

本发明还提供一种校准方法，当将定位传感器装到配准组件时，其可以使定位传感器的配准直线与所述圆柱形腔道的轴线重叠及测出标记物的几何中心与定位传感器中心的距离，其包括：

(1)选用一测量设备，设有2N个放置配准组件的卡槽B1、B2...B2N，N个卡槽B1、B2...B2N均匀地分布在以D为圆心的、半径为K的圆周Y上；配准组件分别放置在卡槽B1、B2...B2N时，圆柱形腔道的轴线H所在的直线都穿过圆心D，标记物的几何中心O位于圆周Y上；N为大于等于三的整数；

(2)将某一连有定位传感器的配准组件按逆时针顺序依次卡入2N个卡槽B1、B2...B2N，然后记录该定位传感器的中心P在每个位置的坐标值P_i(x，y，z)，i＝1，2，3，...，2N，该定位传感器的轴向在每个位置的向量值

i＝1，2，3，...，2N；在轴线H上，圆心D离定位传感器近远两端的距离分别为T和C；

(3)测定方向偏差平均值

当定位传感器的配准直线与圆柱形腔道的轴线H不重叠时，位置相对的两个位置P_i和P_i+N两点连线组成的向量有

与

与

的夹角不为零；设夹角θ_i为

与夹角，ω_i为

与

夹角，则方向偏差平均值

i＝1，2，3，...，N；如果

认为方向偏差在合理范围；

(4)测定方向偏差标准差α_SD： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{SD}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\θ}}_i)}^2+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ω}}_i)}^2}{N};}$

如果α_SD＜1°，认为方向偏差标准差在合理范围；

(5)各测量位置到圆心D的距离平均值

先通过计算公式：

将P_i的x、y、z分量分别求和并计算平均得出三个数值作为S的三个分量，以S作为圆心D的坐标，然后计算每个测量点到圆心D的距离d_i＝|P_i-S|，i＝1，2，3，...，2N，及距离的平均值

若

则通过初步评估；

(6)各测量位置到圆心D的距离标准差：

距离标准差计算公式：dSD应小于一个可由本领域技术人员决定的经验值；

(7)如果同时满足上述步骤(3)和(4)，则认为定位传感器的配准直线与圆柱形腔道的轴线重叠；同时满足步骤(3)、(4)、(5)、(6)，则认为在此配准组件中，定位传感器的安装符合要求；定位传感器的中心与标记物的几何中心的固定距离

或

附图说明

图1为实施例一本发明配准组件图；

图2为实施例一本发明的配准块的侧视图；

图3为实施例一测量设备的结构示意图；

图4为实施例一测量设备与配准组件的连接示意图；

图5为实施例二本发明配准组件图；

图6为实施例二本发明的配准块的侧视图。

具体实施方式

实施例一

如图1和图2所示，本发明配准组件包括配准块1及标记物2，配准块1为一塑料件，配准块1一端开设有一用于放置标记物2的凹槽11；标记物2放置凹槽11底部，外侧用胶水固定；配准块1还设有圆柱形腔道12，圆柱形腔道12的长度等于或大于定位传感器3的长度，圆柱形腔道12的轴线H穿过标记物2的几何中心O。标记物2采用SiC陶瓷或Si₃N₄陶瓷或Al₂O₃陶瓷等非金属材料做成，无电磁干扰，且CT值高于骨骼，但又不产生扫描伪影，可以方便的用算法将标记物提取出来，同时又不影响CT图像的质量。

在本实施例中，标记物2是一圆球，标记物2的形状选择球形，是因为从任何一个角度扫描球，获得截面都是圆形的，方便用计算机算法自动提取标记物2的几何中心O；凹槽11是一圆柱形凹槽，凹槽11的横截面(与凹槽的轴线垂直的截面)直径与标记物的直径一致，都为2R；圆柱形腔道12的轴线H与凹槽11的轴线重叠；圆柱形腔道12与凹槽11相通。

使用时将定位传感器3放置圆柱形腔道12中并刚好接触标记物2，用胶水固定，使得定位传感器3的配准直线与圆柱形腔道12的轴线H重叠并且通过标记物2的几何中心O；几何中心O与定位传感器中心P的距离为L。

求取至少4个不在同一平面点的电磁定位***坐标和图像坐标的步骤如下：

1)在病灶空间内，将至少4个上述装有定位传感器的配准组件放置在不同一平面，使得这些标记物的几何中心不在同一平面上，然后通过CT扫描，得到配准块组件的CT扫描图像，通过算法可以把标记物的几何中心O在图像上的位置提取出来，即得到标记物的几何中心O在图像坐标系下的坐标；

2)每个定位传感器3的中心P的坐标和轴向由电磁定位***测量，由于标记物的几何中心O与对应的定位传感器3的中心P的距离是固定的，并且在同一定位传感器3的配准直线上；那么也可以简单推算出每个标记物的几何中心O的在电磁定位***中坐标和轴向。

以上两个步骤得出至少4个不在同一平面点的电磁定位***坐标和图像坐标后，通过已知的运算方法就可以求出从电磁定位***坐标系到图像坐标系的转换关系。

由于工艺的原因，电磁定位***测量定位传感器的中心并不是线圈的几何中心，且在将定位传感器安装配准组件上时，也无法保证，每次都可以把定位传感器安装到同一个位置，定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠，每个配准组件上的定位传感器的中心P与几何中心O的固定距离L之间都相同；因此，上述定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠及定位传感器的中心P与几何中心O的固定距离L需要特别调整和测定。

本申请中，采取以下测量设备和方法来获取(也可由其他已知方法来获取)：

如图3和图4所示，首先，在这介绍测量设备的具体结构，测量设备包括一平板4，平板4上设有八个放置配准组件的卡槽B1、B2...B8，八个卡槽B1、B2...B8均匀地分布在以D为圆心的、半径为K的圆周Y上，当某一配准组件分别放置在卡槽B1、B2...B8时，圆柱形腔道的轴线H所在的直线都穿过圆心D，标记物的几何中心O位于圆周Y上，在轴线H上，圆心D离定位传感器近远两端的距离分别为T和C。圆周Y的半径K是根据定位传感器的尺寸及测量精度来取，这由本领域技术人员根据测量精度及经验可做出判断。在本实施例中，定位传感器是一个外直径0.8mm、长8mm的圆柱型卷绕线圈，配准组件是按照圆柱形腔道位于圆周Y外侧的方向放置，圆周Y的半径K设为25mm，标记球的半径为4mm，因此，距离T为29mm，距离C为37mm。

根据测量原理及经验，并根据线圈的尺寸、配准组件的机械尺寸、测量设备的机械尺寸，我们认为一个正确安装定位传感器的配准组件，在正确测量的情况下，定位传感器的中心P与几何中心O的距离应在5至10mm之间，即连有定位传感器的配准组件放在卡槽时，定位传感器的中心P与圆心D的距离应在30至35mm之间。

下面，来介绍怎么调整定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠和测定定位传感器的中心P与几何中心O的固定距离L：

(1)将某一连有定位传感器的配准组件按逆时针顺序依次卡入八个卡槽B1、B2...B8，然后记录该定位传感器的中心P在每个位置的坐标值P_i(x，y，z)，i＝1，2，3，...，8，该定位传感器的轴向在每个位置的向量值

i＝1，2，3，...，8；

(2)测定方向偏差平均值：当定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H不重叠时，位置相对的两个位置P_i和P_i+4(i＝1，2，3，4)两点连线组成的向量有

与

与

的夹角不为零；

设夹角θ_i为

与

夹角，ω_i为

与

夹角，则方向偏差平均值

如果

认为方向偏差在合理范围；否则，重新测量，若重新测量仍然不通过，说明定位传感器不合格或者需重新调整定位传感器在配准组件的位置。

(3)测定方向偏差标准差α_SD：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{SD}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\θ}}_i)}^2+\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ω}}_i)}^2}{8};}$

如果α_SD＜1°，认为方向偏差标准差在合理范围；否则，处理方法如步骤(2)。

如果同时满足上述步骤(2)和(3)，则认为定位传感器的配准直线与圆柱形腔道1的轴线H重叠。

(4)各测量位置到圆心D的距离平均值

先通过计算公式为：

(将P_i的x、y、z分量分别求和并计算平均得出三个数值，分别作为S的x、y、z分量)求出S作为圆心D坐标，然后计算每个测量点到D的距离d_i＝|P_i-S|，i＝1，2，3...8，及距离的平均值

若

则通过初步评估；否则，处理方法如步骤(2)。

(5)各测量位置到圆心D的距离标准差：如果在某位置定位传感器中心P到圆心D的距离为29mm，在另外一个位置(与某位置关于圆心D对称)该距离为37mm，二者平均为33mm，会通过(4)的评估，为了解决这个问题，需要进行距离标准差的评估，以评价各距离值偏离平均值的大小。

距离标准差计算公式： $d_{\mathrm{SD}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{d}-d_i)}^2}{8};}$

d_SD是经验值，可由本领域技术人员结合多次试验的结果和设备的性能来定，在本实施例中，我们认为，d_SD应小于1.5mm；若测试不通过，处理方法如步骤(2)。

如果定位传感器测量同时满足(2)、(3)、(4)、(5)，则认为在此配准组件中，定位传感器的安装符合要求，此配准组件可用以辅助求取同一点的电磁定位***坐标和图像坐标；在此配准组件中，定位传感器的中心P与几何中心O的固定距离

如果，配准组件是按照圆柱形腔道位于圆周Y内侧的方向放置，则定位传感器的中心P与几何中心O的固定距离

实施例二

如图5和图6所示，本实施例与实施例一不同的是标记物2的形状及配准块1的凹槽11的形状。在本实施例中，标记物2是一正六面体，凹槽11是横截面为正方形的柱形槽，凹槽的横截面大小与标记物2的任一面一致；圆柱形腔道12的轴线H与凹槽11的轴线重叠。

本发明不局限于上述实施例，例如，圆柱形腔道可以不与凹槽相通，只是标记物的几何中心与定位传感器中心之间的距离为其他可知道的固定值；实施例一中的凹槽11可以不是圆柱形凹槽，只要放置标记物时使得标记物的几何中心位于圆柱形腔道的轴线上即可；测量设备的卡槽数量可以为等于大于六的偶数个；因此，基于上述实施例的、未做出创造性劳动的简单替换，应当属于本发明揭露的范围。

Claims (9)

1.一种用于电磁定位手术导航***的配准组件，所述电磁定位手术导航***包括定位传感器，其特征在于，所述配准组件包括配准块及标记物，所述配准块一端设有凹槽，所述标记物置于所述凹槽；所述配准块还设有一放置所述定位传感器的圆柱形腔道，所述标记物的几何中心位于所述圆柱形腔道的轴线上。

2.根据权利要求1所述的配准组件，其特征在于，所述圆柱形腔道与所述凹槽相通。

3.根据权利要求1所述的配准组件，其特征在于，所述标记物采用SiC陶瓷或Si₃N₄陶瓷或Al₂O₃陶瓷做成。

4.根据权利要求1所述的配准组件，其特征在于，所述标记物为一圆球。

5.根据权利要求4所述的配准组件，其特征在于，所述凹槽为圆柱形凹槽，所述凹槽的横截面直径与所述圆球的直径相同。

6.根据权利要求1所述的配准组件，其特征在于，所述标记物为一正六面体。

7.根据权利要求6所述的配准组件，其特征在于，所述凹槽是横截面为正方形的柱形槽，所述凹槽的横截面与所述标记物任一面的大小一致。

8.根据权利要求5或7所述的配准组件，其特征在于，所述圆柱形腔道的轴线与所述凹槽的横截面垂直。

9.一种校准权利要求1至7任意一项所述配准组件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选用一测量设备，设有2N个放置配准组件的卡槽B1、B2...B2N，N个卡槽B1、B2...B2N均匀地分布在以D为圆心的、半径为K的圆周Y上；配准组件分别放置在卡槽B1、B2...B2N时，圆柱形腔道的轴线H所在的直线都穿过圆心D，标记物的几何中心O位于圆周Y上；N为大于等于三的整数；

(2)将某一连有定位传感器的配准组件按逆时针顺序依次卡入2N个卡槽B1、B2...B2N，然后记录该定位传感器的中心P在每个位置的坐标值P_i(x，y，z)，i＝1，2，3，...，2N，该定位传感器的轴向在每个位置的向量值i＝1，2，3，...，2N；在轴线H上，圆心D离定位传感器近远两端的距离分别为T和C；

(3)测定方向偏差平均值

当定位传感器的配准直线与圆柱形腔道的轴线H不重叠时，位置相对的两个位置P_i和P_i+N两点连线组成的向量有

与

与

的夹角不为零；设夹角θ_i为

与

夹角，ω_i为

与

夹角，则方向偏差平均值i＝1，2，3，...，N；如果

认为方向偏差在合理范围；

(4)测定方向偏差标准差α_SD： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{SD}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\θ}}_i)}^2+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}-{\mathrm{\ω}}_i)}^2}{N};}$

如果α_SD＜1°，认为方向偏差标准差在合理范围；

(5)各测量位置到圆心D的距离平均值

先通过计算公式：

将P_i的x、y、z分量分别求和并计算平均得出三个数值作为S的三个分量，以S作为圆心D的坐标，然后计算每个测量点到圆心D的距离d_i＝|P_i-S|，i＝1，2，3，...，2N，及距离的平均值

若

则通过初步评估；

(6)各测量位置到圆心D的距离标准差：

距离标准差计算公式：

d_SD应小于一个可由本领域技术人员决定的经验值；

(7)如果同时满足上述步骤(3)和(4)，则认为定位传感器的配准直线与圆柱形腔道的轴线重叠；同时满足步骤(3)、(4)、(5)、(6)，则认为在此配准组件中，定位传感器的安装符合要求；定位传感器的中心与标记物的几何中心的固定距离

或

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