CN107468351A - 一种手术定位装置、定位***及定位方法 - Google Patents

一种手术定位装置、定位***及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种手术定位装置、定位***及定位方法，所述定位装置包括一支架，在所述支架上设置有三个以上的用于反射红外光的反光球以及四个以上不透X光的定位点。本发明由于在支架上同时设置有反光球和定位点，其中，反光球用于反射红外光，其可以被光学***识别，定位则能够被三维成像设备扫描识别，为图像注册提供技术基础，更为重要的是，本发明集成度高，占用空间小，适用于以螺旋CT为成像设备的定位***中。

Description

一种手术定位装置、定位***及定位方法
技术领域
本发明涉及一种手术定位装置、定位***及定位方法，属于手术定位技术领域。
背景技术
随着机器人技术与医学科学交叉应用的快速发展，各种医用机器人的研究也成为热点，并在医学领域中得到越来越广泛的应用，而手术机器人是其中的前沿研究热点之一。目前手术机器人已在神经外科、人工关节置换、泌尿科、胆囊摘除等方面取得了广泛的应用。利用机器人进行手术操作与医生手工操作相比，在某些方面具有典型优势，比如：机器人的定位更为准确、机械臂的抓取更为稳定且有力，可以避免外科医生长时间手术而带来的疲劳，提高了手术的精度、稳定性以及安全性；并且，机器人技术可以缩短手术时间，减少病人和医生在手术过程中受到的X射线损伤，保护病人和医生的身体健康。
随着科技的发展，术中螺旋CT机开始在医院普及，相比锥形束CT(Cone beam CT)机等其它术中三维影像设备而言，其成像范围大且清晰度高，特别适合配合机器人开展高精度定位手术。对于导航机器人类设备必须建立CT图像、患者自身及机器人定位***三者的相互关系。用于图像配准的CT识别标尺，一般情况下由机械臂把持并摆放在患者CT扫描部位附近。其中，CT识别标尺的作用是在CT图像中形成特定的标记点分布，根据标记点的分布可实现空间定位计算，确定机器人CT图像患者自身的关系，从而确定手术路径。但术中螺旋CT机多采用患者固定扫描器移动的方式。扫描器体积较大移动时需要很大的空间，机器人进入移动区域就有可能造成碰撞的危险。从安全应用的角度上需要去除独立的CT识别标尺，使机械臂在CT扫描时可以远离患者、远离可能碰撞的区域，但若去除CT识别标尺，对机器人手术路径的规划则无法实现。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够适用于螺旋CT机并且占用空间极小的手术定位装置，以及基于该手术定位装置的定位***及定位方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种手术定位装置，其特征在于：它包括一支架，在所述支架上设置有三个以上的用于反射红外光的反光球以及四个以上不透X光的定位点。
任意两个所述反光球之间的距离均大于50mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述反光球成75°以下的夹角。
所述定位点分成两个组，每个组包含三个以上的定位点，每个组内的定位点在所述支架上的分布满足下述条件：任意两个定位点之间的距离均大于20mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述定位点成75°以下的夹角。
一种手术定位***，其特征在于：它包括一手术机器人、一上位机、一光学***、一机器人示踪器、一三维成像设备以及手术定位装置；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安装所述机器人示踪器；所述手术定位装置固定在患者身上；所述三维成像设备用于对所述手术定位装置进行扫描从而形成含有定位点的三维图像，并由所述上位机对所述图像中的定位点与所述手术定位装置上的定位点进行对应识别；所述光学***用于对所述机器人示踪器和所述手术定位装置进行跟踪，并将位置数据传输给所述上位机。
所述三维成像设备为螺旋CT机或C型及O型锥形束CT机。
一种定位方法，包括以下步骤：1)将固定在患者身上的手术定位装置放置在三维成像设备的成像视野内进行扫描，三维成像设备获取手术定位装置上的定位点的图像，并传输给上位机；在对手术定位装置进行三维扫描的同时，光学***获取机器人示踪器和手术定位装置的坐标并传输给上位机；2)上位机对图像中的定位点与预先设置的定位点几何特征循环进行比较，实现手术定位装置中的定位点与图像中的定位点的对应识别；3)上位机通过机器人示踪器坐标向量与手术定位装置坐标向量之间的旋转矩阵与平移向量，计算出患者、图像、手术机器人在手术定位装置所在坐标系下的变换关系，并选择患者坐标系、机器人坐标系、机器人基座坐标系和图像坐标系之一作为世界坐标系，将患者、图像和手术机器人统一到世界坐标系的变换关系作为图像注册的输出结果。
所述步骤2)中，对手术定位装置中的定位点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：①将手术定位装置上的定位点分成组Ⅰ和组Ⅱ，每一组均包括三个以上的定位点；②读取步骤①中组Ⅰ和组Ⅱ所包括的定位点信息和手术定位装置的信息，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获得的手术定位装置的信息，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定位点；⑤计算步骤④获取的图像定位点中的每两个定位点之间的距离；⑥从组Ⅰ的标尺定位点中选取3个定位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Ⅱ的标尺定位点中选取3个定位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Ⅰ和组Ⅱ的标尺定位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尺定位点的对应图像定位点，直至图像定位点与标尺定位点全部匹配。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在支架上同时设置有反光球和定位点，其中，反光球用于反射红外光，其可以被光学***识别，定位则能够被三维成像设备扫描识别，为图像注册提供技术基础，更为重要的是，本发明集成度高，占用空间小，适用于以螺旋CT为成像设备的定位***中。2、本发明所提出的定位方法能够借助程序完成，可以实现术中自动注册，不需要人工干预，配准精度一致性好。3、本发明定位方法定位精度高，为手术路径规划提供了良好基础。
附图说明
图1是本发明手术定位装置的结构示意图；
图2是本发明手术定位***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，本发明提出了一种手术定位装置1，它包括一支架1-1，在支架1-1上设置有三个以上用于反射红外光的反光球1-2，反光球1-2的作用是作为可以被光学***识别的光学跟踪标志点，进而实现对手术定位装置1的光学跟踪。在支架1-1上还设置有四个以上的不透X光的定位点1-3，定位点1-3在由CT机等三维成像设备扫描形成的三维图像中可以被识别，从而使上位机可以根据定位点1-3的分布进行空间定位计算，进而规划手术路径。
上述实施例中，反光球1-2在支架1-1上的分布满足下述条件：①任意两个反光球1-2之间的距离均大于50mm，并且各距离之间的差值大于5mm(以三个反光球A、B、C为例，有AB、AC、BC三条连线，则上述三条连线的长度乱序依次大于50mm、55mm、60mm)；②至少有三个反光球1-2成75°以下的夹角。
上述实施例中，定位点1-3分成两个组，每个组包含三个以上的定位点1-3，同一个定位点1-3可能重复分配在多个组中，每个组内的定位点1-3在支架1-1上的分布满足下述条件(这种分组是不唯一的)：①任意两个定位点1-3之间的距离均大于20mm，并且各距离之间的差值大于5mm(以三个定位点a、b、c为例，有ab、ac、bc三条连线，则上述三条连线的长度乱序依次大于20mm、25mm、30mm)；②至少有三个定位点1-3成75°以下的夹角。
如图2所示，本发明还提出了一种手术定位***，它包括一手术定位装置1、一手术机器人2、一上位机3、一光学***4、一机器人示踪器5和一三维成像设备6。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3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2的末端安装机器人示踪器5。手术定位装置1固定在患者身上。三维成像设备6用于对手术定位装置1进行扫描从而形成包含有定位点1-3的三维图像，并由上位机3对图像中定位点与手术定位装置1上的定位点1-3进行对应识别。光学***4用于对机器人示踪器5和手术定位装置1进行跟踪，并将位置数据传输给上位机3。
上述实施例中，三维成像设备6可以是螺旋CT机，也可以是O型锥形束CT机(O-Arm)。
本发明基于上述手术定位***而实施的定位方法，包括以下步骤：
1)将手术定位装置1与患者进行固定，并放置在三维成像设备6的成像视野内进行扫描，三维成像设备6获取手术定位装置1上的定位点3的图像，并传输给上位机3；在对手术定位装置1进行三维扫描的同时，光学***4获取机器人示踪器5和手术定位装置1的坐标并传输给上位机3。
2)上位机3对图像中的定位点与预先设置的定位点几何特征循环进行比较，实现手术定位装置1中的定位点1-3与图像中的定位点的对应识别。
3)上位机3通过机器人示踪器5坐标向量与手术定位装置1坐标向量之间的旋转矩阵与平移向量，计算出患者、图像、手术机器人2在手术定位装置1所在坐标系下的变换关系，选择患者坐标系、机器人坐标系、机器人基座坐标系和图像坐标系之一作为世界坐标系，将患者、图像和手术机器人2统一到世界坐标系的变换关系作为图像注册的输出结果。
在注册后的图像上，由医生根据治疗需要画出手术路径，根据手术路径确定入针点(或出针点)P，计算出P点在世界坐标下系下的世界坐标。在分别确定了入针点和出针点的世界坐标后，手术路径的空间坐标也即被表达为世界坐标系中的一条直线，该直线作为手术规划输出。计算出手术路径后，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(一种用于固定入针路径的针筒结构)指向此手术路径。在上述过程中，具有实时跟踪功能的光学***4实时监控将手术定位装置1(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，对手术定位装置1中的定位点1-3与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：
①将手术定位装置1上的定位点1-3分成组Ⅰ和组Ⅱ，每一组均包括3个以上定位点1-3，同一个标记点可能重复分配在不同组中；
②读取步骤①中组Ⅰ和组Ⅱ所包括的定位点信息和手术定位装置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获得的手术定位装置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定位点；
⑤计算步骤④获取的图像定位点中的每两个定位点之间的距离；
⑥从组Ⅰ的标尺定位点中选取3个定位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Ⅱ的标尺定位点中选取3个定位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Ⅰ和组Ⅱ的标尺定位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尺定位点的对应图像定位点，直至图像定位点与标尺定位点全部匹配。
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 (7)

1.一种手术定位装置，其特征在于：它包括一支架，在所述支架上设置有三个以上的用于反射红外光的反光球以及四个以上不透X光的定位点。
2.如权利要求1所述的一种手术定位装置，其特征在于：任意两个所述反光球之间的距离均大于50mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述反光球成75°以下的夹角。
3.如权利要求1所述的一种手术定位装置，其特征在于：所述定位点分成两个组，每个组包含三个以上的定位点，每个组内的定位点在所述支架上的分布满足下述条件：任意两个定位点之间的距离均大于20mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述定位点成75°以下的夹角。
4.一种手术定位***，其特征在于：它包括一手术机器人、一上位机、一光学***、一机器人示踪器、一三维成像设备以及如权利要求1至3任一项所述的手术定位装置；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安装所述机器人示踪器；所述手术定位装置固定在患者身上；所述三维成像设备用于对所述手术定位装置进行扫描从而形成含有定位点的三维图像，并由所述上位机对所述图像中的定位点与所述手术定位装置上的定位点进行对应识别；所述光学***用于对所述机器人示踪器和所述手术定位装置进行跟踪，并将位置数据传输给所述上位机。
5.如权利要求4所述的一种手术定位***，其特征在于：所述三维成像设备为螺旋CT机或O型锥形束CT机。
6.一种基于如权利要求4或5所述手术定位***所实施的定位方法，包括以下步骤：
1)将固定在患者身上的手术定位装置放置在三维成像设备的成像视野内进行扫描，三维成像设备获取手术定位装置上的定位点的图像，并传输给上位机；在对手术定位装置进行三维扫描的同时，光学***获取机器人示踪器和手术定位装置的坐标并传输给上位机；
2)上位机对图像中的定位点与预先设置的定位点几何特征循环进行比较，实现手术定位装置中的定位点与图像中的定位点的对应识别；
3)上位机通过机器人示踪器坐标向量与手术定位装置坐标向量之间的旋转矩阵与平移向量，计算出患者、图像、手术机器人在手术定位装置所在坐标系下的变换关系，并选择患者坐标系、机器人坐标系、机器人基座坐标系和图像坐标系之一作为世界坐标系，将患者、图像和手术机器人统一到世界坐标系的变换关系作为图像注册的输出结果。
7.如权利要求6所述的一种定位方法，其特征在于：所述步骤2)中，对手术定位装置中的定位点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：
①将手术定位装置上的定位点分成组Ⅰ和组Ⅱ，每一组均包括3个以上的定位点；
②读取步骤①中组Ⅰ和组Ⅱ所包括的定位点信息和手术定位装置的信息，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获得的手术定位装置的信息，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定位点；
⑤计算步骤④获取的图像定位点中的每两个定位点之间的距离；
⑥从组Ⅰ的标尺定位点中选取3个定位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Ⅱ的标尺定位点中选取3个定位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Ⅰ和组Ⅱ的标尺定位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尺定位点的对应图像定位点，直至图像定位点与标尺定位点全部匹配。
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