CN110547872A - 手术导航注册*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种手术导航注册***，设置有注册探针、图像采集装置和导航终端，注册探针通过电磁传感器检测标记点的电磁强度信号，以及通过光学标记标定标记点位置；图像采集装置采集光学标记的光学图像信息，导航终端获取包括标记点和解剖部位的扫描图像信息，并采用电磁定位方式和光学定位方式进行标记点定位，确定电磁手术导航所需的手术空间和计算机空间之间的转换关系，以及光学手术导航所需的手术空间与计算机之间的转换关系。

Description

手术导航注册***
技术领域
本发明涉及外科手术导航***，特别是涉及一种手术导航注册***。
背景技术
手术导航是一种通过定位技术实时追踪手术器械的在手术空间的位置坐标，并将手术器械的位置坐标以虚拟的形式在解剖位置的三维图像模型上进行显示，以便外科医生实时观察手术器械与病灶之间的相对位置，使外科手术更精准、安全和快速。
为了将手术器械的位置坐标转换到解剖位置的三维图像模型上显示，需要在人体上安装标记点进行手术注册，确定手术空间与计算机空间之间的转换关系。由于现有的手术导航***都只是单一的采用光学定位或者电磁定位进行手术注册，所以得到的转换关系也只适合相应的导航***进行空间转换。
因此，现有的导航***只能单一地采用光学导航方式或者电磁导航方式追踪手术器械位置，而单一的手术导航方式容易受到干扰，比如光学导航的摄像机容易被遮挡，电磁导航的电磁传感器容易受到其他设备产生的磁场干扰，这些都会造成手术器械的追踪结果不准确，影响观察手术器械与病灶之间的相对位置。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种手术导航注册***，导航终端采用电磁定位方式和光学定位方式进行标记点定位，确定电磁手术导航所需的手术空间和计算机空间之间的转换关系，以及光学手术导航所需的手术空间与计算机之间的转换关系。
技术方案如下：
一种手术导航注册***，设置有：
注册探针，用于通过电磁传感器检测标记点的电磁强度信号，以及通过光学标记标定标记点位置；
图像采集装置，用于采集光学标记的光学图像信息；
导航终端，用于获取包括标记点和解剖部位的扫描图像信息，并根据所述标记点的扫描图像信息和电磁强度信号，确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系；
还用于根据所述标记点的扫描图像信息和光学图像信息，确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系的转换关系。
更进一步的，所述注册探针设置有探针本体，该电磁传感器设置在探针本体的尖端，所述光学标记设置在探针本体的手柄处。
更进一步的，所述导航终端设置有：
电磁定位跟踪单元，用于获取所述注册探针发送的磁场强度信号，并根据磁场强度信号确定标记点的电磁定位信息；
光学定位跟踪单元，用于获取所述图像采集装置发送光学图像信息，并根据光学图像信息确定标记点的光学定位信息；
主控单元，用于根据扫描图像信息和电磁定位信息确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系；
用于根据扫描图像信息和光学图像信息确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系。
更进一步的，所述主控单元设置有：
信息获取模块，用于获取电磁定位信息、光学定位信息和扫描图像信息；
图像处理模块，用于根据扫描图像信息建立三维图像模型；
处理计算模块，用于根据三维图像模型确定标记点在计算机空间坐标系中的计算机空间位置坐标；
还用于根据标记点的计算机空间位置坐标，以及电磁定位信息中的电磁空间位置坐标，确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵；根据标记点的计算机空间位置坐标，以及光学定位信息中的光学空间位置坐标，确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵
更进一步的，所述信息获取模块设置有RS232接口，所述信息获取模块通过RS232接口与电磁定位跟踪单元连接。所述信息获取模块设置有RJ45网口，所述信息获取模块通过RJ45网口与光学定位跟踪单元信号连接。
更进一步的，所述电磁定位跟踪单元设置有传感器接口单元，该传感器接口单元用于连接所述电磁传感器。
更进一步的，所述光学定位跟踪单元设置有视频接口，该视频接口用于连接所述图像采集装置。
更进一步的，所述图像采集装置设置有近红外光光源和2个近红外摄像机，该近红外光摄像机用于采集所述光学标记反射的近红外光图像。
更进一步的，所述光学标记设置有至少3个光学标记球，该光学标记球能反射近红外光。
有益效果：能确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间、光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系，以便在手术过程中，根据这2种转换关系，采用光学导航和电磁导航追踪手术器械在三维图像模型中的位置，减少干扰，提高导航精度。
附图说明
图1为本发明的***应用示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为注册探针100的结构示意图；
图4为注册***的***框图；
图5为导航终端300的连接框图；
图6为主控单元的连接框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1、图4所示，该手术注册***设置有：
注册探针100，用于通过电磁传感器102检测标记点的电磁强度信号，以及通过光学标记103标定标记点位置；
图像采集装置200，用于采集光学标记103的光学图像信息；
导航终端300，用于获取包括标记点和解剖部位的扫描图像信息，并根据所述标记点的扫描图像信息和电磁强度信号，确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系；
还用于根据所述标记点的扫描图像信息和光学图像信息，确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系的转换关系。
具体而言，导航终端300可以获取如CT扫描设备发送的包括标记点和解剖位置的扫描图像信息，并进行三维重建，确定各个标记点在计算机空间中的计算机定位信息。
导航终端300还可以根据注册探针100在点击附着在人体上的各个标记点时，发送的电磁强度信号，确定各个标记点在手术空间的电磁定位信息。以及根据图像采集装置200发送的，注册探针100点击各个标记点时的光学标记103的光学图像信息，确定各个标记点在手术空间的光学定位信息。
导航终端300可以采用现有的手术注册的转换关系确定方法，根据计算机定位信息、电磁定位信息和光学定位信息分别确定电磁定位场景下，手术空间与计算机空间的转换关系。以及光学定位场景下，手术空间与计算机空间的转换关系。以便在手术过程中导航终端300结合光学定位和电磁定位追踪手术器械的位置，降低手术导航时受到的干扰，提高导航精度。
在本实施例中，可选的，如图3所示，所述注册探针100设置有探针本体101，该探针本体101上设置有电磁传感器102和光学标记103，所述电磁传感器102设置在探针本体101的尖端，所述光学标记103设置在探针本体101的手柄处。
在注册探针100的尖端点击标记点时，电磁传感器102根据电磁感应的原理，检测标记点处的磁场强度，生成电磁强度信号发送给导航终端300。同时，光学标记103对标记点进行标定。
在本实施例中，可选的，如图5所示，所述导航终端300设置有：
电磁定位跟踪单元301，用于生成磁场强度分布已知的电磁场，以及获取所述注册探针100发送的磁场强度信号，并根据磁场强度信号确定标记点的电磁定位信息；
光学定位跟踪单元302，用于获取所述图像采集装置200发送光学图像信息，并根据光学图像信息确定标记点的光学定位信息；
主控单元303，用于根据扫描图像信息和电磁定位信息确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系；
用于根据扫描图像信息和光学图像信息确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系。
具体而言，所述电磁定位跟踪单元301可以自身设置的电磁发生器304，在手术空间中生成一个磁场分布已知的磁场，并根据检测到的磁场强度信号确定标记点的电磁定位信息，电磁定位跟踪单元301可以采用NDI公司的Aurora定位跟踪***。
所述光学定位跟踪单元302可以根据图像采集装置200采集到光学标记103的光学图像信息，并根据光学图像信息确定标记点的光学定位信息，光学定位跟踪单元302可以采用NDI公司的Polaris光学定位跟踪***。
主控单元303可以采用现有的手术注册的转换关系确定方法，根据计算机定位信息、电磁定位信息和光学定位信息分别确定电磁定位场景下，手术空间与计算机空间的转换关系。以及光学定位场景下，手术空间与计算机空间的转换关系。
在本实施例中，可选的，如图6所示，所述主控单元303设置有：
信息获取模块303a，用于获取电磁定位信息、光学定位信息和扫描图像信息；
图像处理模块303b，用于根据扫描图像信息建立三维图像模型；
处理计算模块303c，用于根据三维图像模型确定标记点在计算机空间坐标系中的计算机空间位置坐标；
还用于根据标记点的计算机空间位置坐标，以及电磁定位信息中的电磁空间位置坐标，确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵；根据标记点的计算机空间位置坐标，以及光学定位信息中的光学空间位置坐标，确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵。
应理解，信息获取模块303a可以是具有多个通信接口的通信模块，通过该通信模块与扫描图像获取接口、电磁定位跟踪单元301和光学定位跟踪单元302通信连接，以便获取电磁定位信息、光学定位信息和扫描图像信息，该图像获取接口可以是USB接口等。
在信息获取模块303a获取到电磁定位信息、光学定位信息和扫描图像信息后，将电磁定位信息、光学定位信息发送给处理计算模块303c，将扫描图像信息发送给图像处理模块303b，图像处理模块303b可以根据扫描图像信息进行三维重建，得到三维图像模型，比如现有的手术导航终端300的图像重建模块。
处理计算模块303c可以根据三维图像模型，采用现有的图像定位技术，确定标记点在三维图像模型中的模型定位信息，即计算机空间位置坐标。还根据电磁定位信息、光学定位信息分别确定标记点在手术空间的位置坐标，即各个标记点的电磁空间位置坐标和光学空间位置坐标。处理计算模块303c根据各个标记点的计算机空间位置坐标、电磁空间位置坐标和光学空间位置坐标，采用现有的手术导航终端300所使用的转换矩阵据算法，计算出电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵，以及光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵。
可选的，所述信息获取模块303a设置有RS232接口、RJ45网口和USB接口，所述信息获取模块303a通过RS232接口与电磁定位跟踪单元301连接，所述信息获取模块303a通过RJ45网口与光学定位跟踪单元302信号连接，所述信息获取模块303a通过USB接口获取扫描图像信息。
可选的，所述电磁定位跟踪单元301设置有传感器接口单元，该传感器接口单元用于连接所述电磁传感器102，该传感器接口单元可以是串行接口、UART接口等。
可选的，所述光学定位跟踪单元302设置有视频接口，该视频接口用于连接所述图像采集装置200，该视频接口可以是USB接口、RJ45接口等。
在本实施例中，可选的，如图2、图5所示，所述图像采集装置200设置有近红外光光源201和2个近红外摄像机202，该近红外光摄像机用于采集所述光学标记103反射的近红外光图像。
应理解为，近红外光源可以发近红外光，近红外光照射到光学标记103后被反射，2个近红外摄像机202分别采集光学标记103的反射的图像，得到光学图像信息。
可选的，所述光学标记103设置有至少3个光学标记球104，该光学标记球104能反射近红外光。
因此，本发明的手术导航注册***，通过图像扫描设备采集包括标记点的扫描图像，并通过注册探针100检测标记点的电磁强度以及标定标记点。通过图像采集装置200采集标定标记点的光学标记103的光学图像。
通过导航终端300，根据扫描图像进行三维图像模型重建，确定标记点在计算机空间中的坐标位置。并根据电磁强度和光学图像，分别采用电磁定位和光学定位确定标记点在手术空间的坐标位置。最后根据标记点在计算机空间中的坐标位置，以及采用电磁定位和光学定位确定标记点在手术空间的坐标位置，确定电磁定位所需要的转换矩阵，以及光学定位所需要转换矩阵，以便在手术过程中导航终端300结合电磁手术导航和光学手术导航追踪手术器械的位置，降低外界干扰，提高导航精度。
本领域技术人员可以理解上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，该存储介质可以是只读存储器、硬盘等。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手术导航注册***，其特征在于，设置有：
注册探针，用于通过电磁传感器检测标记点的电磁强度信号，以及通过光学标记标定标记点位置；
图像采集装置，用于采集光学标记的光学图像信息；
导航终端，用于获取包括标记点和解剖部位的扫描图像信息，并根据所述标记点的扫描图像信息和电磁强度信号，确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系；
还用于根据所述标记点的扫描图像信息和光学图像信息，确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系的转换关系。
2.根据权利要求1所述的手术导航注册***，其特征在于，所述注册探针设置有探针本体，所述电磁传感器设置在探针本体的尖端，所述光学标记设置在探针本体的手柄处。
3.根据权利要求1所述的手术导航注册***，其特征在于，所述导航终端设置有：
电磁定位跟踪单元，用于生成磁场强度分布已知的电磁场，以及获取所述注册探针发送的磁场强度信号，并根据磁场强度信号确定标记点的电磁定位信息；
光学定位跟踪单元，用于获取所述图像采集装置发送光学图像信息，并根据光学图像信息确定标记点的光学定位信息；
主控单元，用于根据扫描图像信息和电磁定位信息确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系；
用于根据扫描图像信息和光学图像信息确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换关系。
4.根据权利要求3所述的手术导航注册***，其特征在于，所述主控单元设置有：
信息获取模块，用于获取电磁定位信息、光学定位信息和扫描图像信息；
图像处理模块，用于根据扫描图像信息建立三维图像模型；
处理计算模块，用于根据三维图像模型确定标记点在计算机空间坐标系中的计算机空间位置坐标；
还用于根据标记点的计算机空间位置坐标，以及电磁定位信息中的电磁空间位置坐标，确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵；根据标记点的计算机空间位置坐标，以及光学定位信息中的光学空间位置坐标，确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的转换矩阵。
5.根据权利要求4所述的手术导航注册***，其特征在于：所述信息获取模块设置有RS232接口和RJ45网口，所述信息获取模块通过RS232接口与电磁定位跟踪单元连接，所述信息获取模块通过RJ45网口与光学定位跟踪单元信号连接。
6.根据权利要求3所述的手术导航注册***，其特征在于：所述电磁定位跟踪单元设置有传感器接口单元，该传感器接口单元用于连接所述电磁传感器。
7.根据权利要求3所述的手术导航注册***，其特征在于：所述光学定位跟踪单元设置有视频接口，该视频接口用于连接所述图像采集装置。
8.根据权利要求1-7任一所述的手术导航注册***，其特征在于：所述图像采集装置设置有近红外光光源和2个近红外摄像机，该近红外光摄像机用于采集所述光学标记反射的近红外光图像。
9.根据权利要求8所述的手术导航注册***，其特征在于：所述光学标记设置有至少3个光学标记球，该光学标记球能反射近红外光。
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