CN107468350B - 一种三维图像专用标定器、手术定位***及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维图像专用标定器、手术定位***及定位方法，其中，所述的三维图像专用标定器包括一标定器面和一标定器柄，所述标定器面为平面或者弧形面，在所述标定器面上设置有至少四个用于被三维成像设备识别的标记点；所述标定器柄的一端与所述标定器面固定连接，另一端设置一用于与手术机械臂连接的接头。

Description

一种三维图像专用标定器、手术定位***及定位方法

技术领域

本发明涉及一种三维图像专用标定器、手术定位***及定位方法，属于手术定位技术领域。

背景技术

随着近年来微创手术的普遍应用和对手术当中器械或者内植入物定位精度的要求不断提高，基于医学图像引导的辅助定位或者手术导航产品有了很大的发展。该类产品的原理实现通常包括几个步骤，首先是空间映射与图像注册，即利用某种空间坐标映射方法，计算出手术目标(患者)、手术图像、辅助定位装置各自坐标系之间的空间映射关系，该步骤通常称为多坐标系标定或者图像注册。接下来是手术规划与引导，即显示映射关系准确的术前或术中图像，由医生在图像上或者重建的三维模型上规划手术路径。接着是手术实施部分，主要是手术路径定位，即引导医生手持手术工具引导器放置到手术路径上或者直接控制机械臂等执行机构准确的将引导器摆放到手术路径上，保证手术路径的引导精度，医生通过引导器完成手术器械置入等操作。

在上述步骤中，空间映射与图像注册时极为关键的一步，其通常含义是指在图像引导手术定位***当中将多个坐标系(通常包括图像坐标系、工具(辅助定位装置)坐标系、患者坐标系)统一到同一坐标系下，此过程即称为注册或配准。注册的精度决定着辅助定位或者手术导航的精度。

按照所用的医学图像的类型(透视图像、三维图像)和医学图像的来源(术前获取的图像、术中现场获取的图像)，目前常用的图像注册方法如下：

场景1：图像注册要求为“术前获取三维图像，术中注册”

用于实现该图像注册要求的图像注册方法有：①术中采用空间坐标测量设备测量人体解剖特征点与图像当中的对应特征点进行配对后，实现图像注册。②术中采用空间坐标测量设备连续获取人体特征轮廓对应的坐标信息后与术前图像当中的相应位置形状信息进行点云配对后，实现图像注册。③患者手术部位外部固定标记点进行术前三维图像获取，术中采用空间坐标测量设备获取标记点坐标同时配对标出图像当中对应点，重复多个不同位置上的标记点后实现图像注册。

场景2：图像注册邀请为“术前获取三维图像，术中与透视图像进行注册”

用于实现该图像注册要求的图像注册方法为：采用特殊算法识别透视图像当中的解剖结构的轮廓或边缘形状与术前三维图像进行比对，实现术前三维图像到术中透视图像的注册。

场景3：图像注册要求为“术中获取二维透视图像，现场注册”

用于实现该图像注册要求的图像注册方法为：引入空间坐标测位仪跟踪患者示踪器与机器人示踪器，患者身体上固定安装患者示踪器，双平行平面结构的专用标定器安装在机械臂末端，机械臂上安装机器人示踪器，术中从至少两个不同的角度获取透视图像，通过识别图像当中的标定器标记点，实现术中透视图像注册

场景4：图像注册要求为“术中获取三维图像，现场注册”

用于实现该图像注册要求的图像注册方法为：采用空间坐标测位仪获取术中三维成像设备(术中CT、术中磁共振、术中三维C臂)的坐标信息后，同时获取安装在患者身体或者与患者身体相对固定的位置的患者***来获取患者坐标信息，通过实现标定或者成像设备厂家提供的成像设备内参数，换算出术中三维图像坐标系到患者坐标系的空间变换关系(旋转与平移矩阵)，实现术中三维图像注册。

对于上述场景4所用的方法，其依赖于在术中成像设备上安装示踪器，同时需要事先标定成像设备的一系列成像参数，因此，该方法不易实现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种三维图像专用标定器、手术定位***及定位方法，该定位方法能够实现三维图像注册并且不依赖于三维成像设备自身的参数，易于实现。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三维图像专用标定器，其特征在于：它包括一标定器面和一标定器柄，所述标定器面为平面或者弧形面，在所述标定器面上设置有至少四个用于被三维成像设备识别的标记点；所述标定器柄的一端与所述标定器面固定连接，另一端设置一用于与手术机械臂连接的接头。

位于所述标定器面上的各所述标记点的排布形状具有各向异性。

所述标定器面由透X光的材料制成；所述标记点由不透X光的材料制成。

一种手术定位***，其特征在于：它包括一手术机器人、一上位机、一空间坐标测位仪、一机器人示踪器、一患者示踪器、一三维成像设备以及一三维图像专用标定器；所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；所述上位机与所述手术机器人电连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制；在所述手术机器人的末端可拆卸地连接所述三维图像专用标定器和机器人示踪器；所述患者示踪器固定在患者的身上；所述空间坐标测位仪用于测量所述机器人示踪器和患者示踪器的空间坐标并将位置数据传输给上位机；所述三维成像设备用于扫描所述三维图像专用标定器和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给所述上位机；所述上位机对图像中标记点与所述三维图像专用标定器上的标记点进行对应识别。

还包括导向器，所述导向器与所述手术机器人的末端可拆卸地连接。

一种定位方法，包括以下步骤：1)将手术机器人所携带的三维图像专用标定器放置在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用标定器和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用标定器上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，空间坐标测位仪获取机器人示踪器和患者示踪器的坐标并传输给上位机；2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点的对应识别；3)上位机通过三维图像专用标定器上的标记点与机器人示踪器之间的已知的坐标关系，计算出患者图像与机器人示踪器之间的坐标变换关系，然后进一步计算患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系；4)根据患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在机器人坐标系下的坐标，进而计算出在患者图像中所确定的手术路径在机器人坐标系下的坐标。

所述步骤2)中，对三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：①将三维图像专用标定器上的标记点分成组A和组B，每一组均包括3个以上的标记点；②读取步骤①中组A合组B所包括的标记点信息和三维图像专用标定器1的信息，读取步骤1)扫描获得的图像；③对步骤②获取的图像进行阈值分割并提取生成有效的多边形数据；④根据步骤②获得的三维图像专用标定器的信息，对步骤③获取的多边形数据进行拟合和判定，从而筛选出图像中的标记点；⑤计算步骤④获取的图像标记点中的每两个标记点之间的距离；⑥从组A的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若无法找到，则从组B的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若依然无法找到，则选取来自组A和组B的标定器标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；⑦按照一一对应的关系保持该对全等三角形的顶点编号形成匹配点对，并以该全等三角形模板为参照在图像中寻找三角形模板以外的标定器标记点的对应图像标记点，直至图像标记点与标定器标记点全部匹配。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用三维图像专用标定器，并且借助光学跟踪相机与患者***和机器人***共同实现患者坐标系、图像坐标系和机器人坐标系的高精度融合或者说配准，并且不需要人工参与进行点对识别和标识，自动化程度高，不依赖于中三维成像设备的特殊支持，适用性广。

附图说明

图1是本发明三维图像专用标定器的结构示意图；

图2是本发明手术定位***的结构示意图；

图3是本发明导向器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提出了一种三维图像专用标定器1，它包括一标定器面11和一标定器柄12。其中，标定器面11为平面或者弧形面，在标定器面1上设置有至少四个标记点111，标记点111用于被三维成像设备识别及扫描成像；标定器柄12的一端与标定器面11固定连接，另一端设置一用于与手术机械臂连接的接头13。

进一步地，位于标定器面1上的各标记点111的排布形状具有各向异性(例如任意两个标记点111之间的距离均不相等)。

进一步地，标定器面1由透X光的材料制成；标记点111由不透X光的材料制成。

如图2所示，基于上述三维图像专用标定器1，本发明还提出了一种手术定位***，它包括一三维图像专用标定器1、一手术机器人2、一上位机(图中未示出)、一空间坐标测位仪3、一机器人示踪器4、一患者示踪器5、一三维成像设备6和一导向器7。其中，手术机器人2为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂。上位机与手术机器人2电连接，用于对手术机器人2的运动进行控制。在手术机器人的末端通过快装快卸机构连接三维图像专用标定器1和机器人示踪器4；患者示踪器5固定在患者的身上。其中空间坐标测位仪3可以测量机器人示踪器4和患者示踪器5的空间坐标并以一定频率进行坐标刷新以实现实时跟踪，该空间坐标测位仪3可以采用基于立体视觉原理的高精度光学跟踪相机或者其它原理，并将位置数据传输给上位机。三维成像设备6用于扫描三维图像专用标定器1使标记点111成像，并由上位机对图像中标记点与三维图像专用标定器1上的标记点111进行对应识别。导向器7为一种用于固定入针路径的装置，它通过与标定器1相同的快装快卸结构与手术机器人2连接，在使用过程中根据手术需要与三维图像专用标定器1交替安装使用。

本发明优选采用CBCT机(锥形束CT机)作为三维成像设备。

基于上述定位***，本发明提出了一种定位方法，其可以用于手术路径的空间定位，该方法包括以下步骤：1)将手术机器人2所携带的三维图像专用标定器1放置在患者身体手术部位表面(靠近但不接触)，采用三维成像设备6对三维图像专用标定器1和患者手术部位共同进行扫描(只需进行一次三维图像扫描而不需要进行多次不同角度的透视)，三维成像设备6获取三维图像专用标定器1上的标记点111的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，空间坐标测位仪3获取机器人示踪器4和患者示踪器5的坐标并传输给上位机。

2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用标定器1中的标记点111与图像中的标记点的对应识别。

3)上位机通过三维图像专用标定器1上的标记点111与机器人示踪器4之间的已知的坐标关系，计算出患者图像与机器人示踪器4之间的坐标变换关系(需要声明的是还可以进一步根据空间坐标测位仪3获取的机器人示踪器4和患者示踪器5的坐标计算出患者图像与患者示踪器5之间坐标变换关系)，然后再进一步计算患者图像与手术机器人2之间的坐标变换关系。该步骤亦可以是上位机通过三维图像专用标定器1上的标记点111与手术机器人2之间的已知的坐标关系，直接计算出患者图像与手术机器人2之间的坐标变换关系。

4)根据3步骤)的获得的患者图像与手术机器人2之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在机器人坐标系下的坐标。如果将手术路径表示为患者图像中的直线，则可以计算出该手术路径在机器人坐标系下的坐标。

借助专用软件，医生可以根据治疗需要在注册后的图像上画出手术路径，通过上述手术路径的空间定位方法计算出手术路径空间坐标后，可以控制手术机器人2精确运动，使与其末端相连接的导向器7的导向结构指向此手术路径。在上述过程中，具有实时跟踪功能的空间坐标测位仪3实时监控患者示踪器5(也就是患者的移动)，并计算出移动的方向和大小，手术机器人2可以根据移动的方向和大小等数据进行自身运动的修正，从而保证导向器与规划手术路径精确一致。

上述步骤2)中，对三维图像专用标定器1中的标记点111与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：

①将三维图像专用标定器1上的标记点111分成组A和组B，每一组均包括3个以上的标记点111；

②读取步骤①中组A合组B所包括的标记点信息和三维图像专用标定器1的信息，读取步骤1)扫描获得的图像；

③对步骤②获取的图像进行阈值分割并提取生成有效的多边形数据；

④根据步骤②获得的三维图像专用标定器1的信息，对步骤③获取的多边形数据进行拟合和判定，从而筛选出图像中的标记点；

⑤计算步骤④获取的图像标记点中的每两个标记点之间的距离；

⑥从组A的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若无法找到，则从组B的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若依然无法找到，则选取来自组A和组B的标定器标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；

⑦按照一一对应的关系保持该对全等三角形的顶点编号形成匹配点对，并以该全等三角形模板为参照在图像中寻找三角形模板以外的标定器标记点的对应图像标记点，直至图像标记点与标定器标记点全部匹配。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种手术定位***，其特征在于：包括一手术机器人、一上位机、一空间坐标测位仪、一机器人示踪器、一患者示踪器、一三维成像设备、一三维图像专用标定器以及一导向器；所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；所述上位机与所述手术机器人电连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制；在所述手术机器人的末端可拆卸地连接所述三维图像专用标定器和机器人示踪器；所述患者示踪器固定在患者的身上；所述空间坐标测位仪用于测量所述机器人示踪器和患者示踪器的空间坐标并将位置数据传输给上位机；所述三维成像设备用于扫描所述三维图像专用标定器和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给所述上位机；所述上位机对图像中标记点与所述三维图像专用标定器上的标记点进行对应识别；所述导向器与所述手术机器人的末端可拆卸地连接，

其中，所述三维图像专用标定器包括仅一个标定器面和一标定器柄，所述标定器面为平面或者弧形面，在所述标定器面上设置有仅一组用于被三维成像设备识别的标记点，所述标记点中的任意两个标记点之间的距离均不相等，所述标记点的数量为至少四个；所述标定器柄的一端与所述标定器面固定连接，另一端设置一用于与手术机械臂连接的接头；所述标定器面由透X光的材料制成；所述标记点由不透X光的材料制成；并且

其中，所述手术定位***用于实施手术定位方法，所述手术定位方法包括以下步骤：

1)将手术机器人所携带的三维图像专用标定器放置在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用标定器和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用标定器上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，空间坐标测位仪获取机器人示踪器和患者示踪器的坐标并传输给上位机；

2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点的对应识别；

3)上位机通过三维图像专用标定器上的标记点与机器人示踪器之间的已知的坐标关系，计算出患者图像与机器人示踪器之间的坐标变换关系，然后进一步计算患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系；

4)根据患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在机器人坐标系下的坐标，进而计算出在患者图像中所确定的手术路径在机器人坐标系下的坐标。

2.如权利要求1所述的手术定位***，其特征在于：所述步骤2)中，对三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：

①将三维图像专用标定器上的标记点分成组A和组B，每一组均包括3个以上的标记点；

②读取步骤①中组A和组B所包括的标记点信息和三维图像专用标定器(1)的信息，读取步骤1)扫描获得的图像；

③对步骤②获取的图像进行阈值分割并提取生成有效的多边形数据；

④根据步骤②获得的三维图像专用标定器的信息，对步骤③获取的多边形数据进行拟合和判定，从而筛选出图像中的标记点；

⑤计算步骤④获取的图像标记点中的每两个标记点之间的距离；

⑥从组A的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若无法找到，则从组B的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若依然无法找到，则选取来自组A和组B的标定器标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；

⑦按照一一对应的关系保持该对全等三角形的顶点编号形成匹配点对，并以该全等三角形模板为参照在图像中寻找三角形模板以外的标定器标记点的对应图像标记点，直至图像标记点与标定器标记点全部匹配。

3.一种基于手术定位***而实施的定位方法，其特征在于：所述手术定位***包括一手术机器人、一上位机、一空间坐标测位仪、一机器人示踪器、一患者示踪器、一三维成像设备、一三维图像专用标定器以及一导向器；所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；所述上位机与所述手术机器人电连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制；在所述手术机器人的末端可拆卸地连接所述三维图像专用标定器和机器人示踪器；所述患者示踪器固定在患者的身上；所述空间坐标测位仪用于测量所述机器人示踪器和患者示踪器的空间坐标并将位置数据传输给上位机；所述三维成像设备用于扫描所述三维图像专用标定器和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给所述上位机；所述上位机对图像中标记点与所述三维图像专用标定器上的标记点进行对应识别；所述导向器与所述手术机器人的末端可拆卸地连接，

其中，所述三维图像专用标定器包括仅一个标定器面和一标定器柄，所述标定器面为平面或者弧形面，在所述标定器面上设置有仅一组用于被三维成像设备识别的标记点，所述标记点中的任意两个标记点之间的距离均不相等，所述标记点的数量为至少四个；所述标定器柄的一端与所述标定器面固定连接，另一端设置一用于与手术机械臂连接的接头；所述标定器面由透X光的材料制成；所述标记点由不透X光的材料制成；并且

所述方法包括以下步骤：

1)将手术机器人所携带的三维图像专用标定器放置在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用标定器和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用标定器上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，空间坐标测位仪获取机器人示踪器和患者示踪器的坐标并传输给上位机；

2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点的对应识别；

3)上位机通过三维图像专用标定器上的标记点与机器人示踪器之间的已知的坐标关系，计算出患者图像与机器人示踪器之间的坐标变换关系，然后进一步计算患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系；

4)根据患者图像与手术机器人之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在机器人坐标系下的坐标，进而计算出在患者图像中所确定的手术路径在机器人坐标系下的坐标。

4.如权利要求3所述的定位方法，其特征在于：所述步骤2)中，对三维图像专用标定器中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：

①将三维图像专用标定器上的标记点分成组A和组B，每一组均包括3个以上的标记点；

②读取步骤①中组A和组B所包括的标记点信息和三维图像专用标定器(1)的信息，读取步骤1)扫描获得的图像；

③对步骤②获取的图像进行阈值分割并提取生成有效的多边形数据；

④根据步骤②获得的三维图像专用标定器的信息，对步骤③获取的多边形数据进行拟合和判定，从而筛选出图像中的标记点；

⑤计算步骤④获取的图像标记点中的每两个标记点之间的距离；

⑥从组A的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若无法找到，则从组B的标定器标记点中选取3个标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；若依然无法找到，则选取来自组A和组B的标定器标记点组成一个三角形作为三角形模板，在图像中寻找与其近似全等的三角形；

⑦按照一一对应的关系保持该对全等三角形的顶点编号形成匹配点对，并以该全等三角形模板为参照在图像中寻找三角形模板以外的标定器标记点的对应图像标记点，直至图像标记点与标定器标记点全部匹配。

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