CN116077186B - 基于激光干涉的手术定位*** - Google Patents

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CN116077186B CN202310361210.2A CN202310361210A CN116077186B CN 116077186 B CN116077186 B CN 116077186B CN 202310361210 A CN202310361210 A CN 202310361210A CN 116077186 B CN116077186 B CN 116077186B
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Abstract

本发明涉及医疗技术领域，尤其为基于激光干涉的手术定位***，包括：设备匹配模块：用于将手术设备与手术对象进行匹配；测量校准模块：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；手术定位模块：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位；定位校准模块：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准。本发明采用激光干涉法，利用激光干涉仪分光镜和旋转镜的组合，精确提升了手术过程中的测量精度问题，同时通过定位算法对手术设备或手术对象的手术部位进行精确定位和修正，极大的提高了手术精准度，提高手术成功率。

Description

基于激光干涉的手术定位***
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，尤其是基于激光干涉的手术定位***。
背景技术
现在有些手术利用激光辅助进行，其共同点从通过仪器中发射出激光照射在手术部位上从而引导医务人员进行手术。现有技术中的手术激光定位***，大多数使用照射在手术部位上的光点或十字线，但可能会导致无法看清光路，因此对于手术工具进入的方向和角度难以很好的把握，对手术造成偏差。因此，发明一种能够精确定位的手术定位***成为当务之急。为了能够最大限度的提升手术过程中的定位***精度，本发明采用激光干涉仪对手术定位***进行精度检测并修正，同时对定位的手术部位或手术仪器进行精确修正，以达到提高手术定位精度的目的。
发明内容
本发明的目的是通过提出基于激光干涉的手术定位***，以解决上述背景技术中提出的缺陷。
本发明采用的技术方案如下：
提供基于激光干涉的手术定位***，包括：
设备匹配模块：用于将手术设备与手术对象进行匹配；
测量校准模块：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；
手术定位模块：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位；
定位校准模块：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准。
作为本发明的一种优选技术方案：所述激光干涉仪包括激光头、补偿装置、三脚架和云台和测量镜组。
作为本发明的一种优选技术方案：所述测量镜组包括角锥反射镜、分光镜和旋转镜。
作为本发明的一种优选技术方案：所述测量校准模块通过将激光干涉仪对手术台所在平面的X轴和Y轴分别进行偏差测量，以检测和校准X轴和Y轴的偏差。
作为本发明的一种优选技术方案：所述测量校准模块的测量过程中，依次将激光头、分光镜和角锥反射镜置于同一条直线上，其中分光镜与机组固定连接，角锥反射镜与运动轴固定连接，对于手术台所在平面与地面的夹角通过旋转镜进行偏差测量。
作为本发明的一种优选技术方案：所述激光干涉仪的测量原理如下：
Figure SMS_1
；
其中，
Figure SMS_2
为手术设备及手术对象接收的激光的频率，
Figure SMS_3
为激光头发射端发射的激 光频率，
Figure SMS_4
为波长，
Figure SMS_5
为光速，
Figure SMS_6
为角锥反射镜运动速度；
当手术设备及手术对象接收到的激光反射回激光头发射端并被发射端接收器接 收时，被接收激光的频率
Figure SMS_7
为：
Figure SMS_8
；
当激光头发射端激光与被接收激光同时进入激光干涉仪混频器后，得到两束光的 差额，为多普勒移频
Figure SMS_9
：
Figure SMS_10
；
每产生一次移频，则有一次脉冲，将移频
Figure SMS_11
对运动时间积分，得到时间
Figure SMS_12
上的脉冲 数量
Figure SMS_13
：
Figure SMS_14
；
根据脉冲数量计算出手术过程中手术设备或手术对象移动的距离：
Figure SMS_15
；
其中，
Figure SMS_16
为运动物体的移动距离。
作为本发明的一种优选技术方案：所述手术定位模块中的世界直角坐标系是以所述测量校准模块检测的X轴和Y轴的偏差为基准进行校准建立的坐标系。
作为本发明的一种优选技术方案：所述手术定位模块中，通过摄像头采集手术图 像，并通过定位算法计算手术位姿
Figure SMS_17
，其中，
Figure SMS_18
为二维平面内的平 移，
Figure SMS_19
为二维平面内的旋转。
作为本发明的一种优选技术方案：所述定位算法中：
设由K帧激光干涉数据帧构成手术子图像，通过激光干涉仪的激光干涉将手术图像划分为多个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，当有新增激光干涉数据***手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：
Figure SMS_20
；
Figure SMS_21
；
其中，
Figure SMS_22
表示当前栅格的概率值；
Figure SMS_23
表示当前栅格的状态；
Figure SMS_24
表示更新后 当前栅格的概率值；
Figure SMS_25
表示更新前栅格的概率值；
Figure SMS_26
为限定函数，当结果大于给 定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；
当有激光干涉数据帧***手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合成对最大，描述如下：
Figure SMS_27
；
其中，
Figure SMS_28
表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度，
Figure SMS_31
表示 激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率；
Figure SMS_33
表示将第
Figure SMS_30
个栅格 中心坐标用位姿
Figure SMS_32
转换到世界坐标系下，即假设第
Figure SMS_34
个栅格中心坐标为
Figure SMS_35
，则
Figure SMS_29
为：
Figure SMS_36
；
将
Figure SMS_37
转换为求解目标函数的极值：
Figure SMS_38
；
构建误差函数
Figure SMS_39
：
Figure SMS_40
；
若计算目标的最小值，则当优化变量有一个增量
Figure SMS_41
后，目标函数值最小，
Figure SMS_42
为非线性函数，通过一阶泰勒展开线性化，得到
Figure SMS_43
对位姿的导数为：
Figure SMS_44
；
通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；
设定物理坐标
Figure SMS_45
，点
Figure SMS_46
为离散点
Figure SMS_47
，
Figure SMS_48
，
Figure SMS_49
，
Figure SMS_50
四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：
Figure SMS_51
；
根据插值得到的结果，对位姿求导数：
Figure SMS_52
；
Figure SMS_53
；
根据上式得到似然场手术图像对于位姿的导数
Figure SMS_54
，代入目标函数中进 行定位。
作为本发明的一种优选技术方案：所述定位校准模块中，基于测量校准模块测量的偏差数据对手术过程中的手术数据进行偏差修正，并基于所述偏差对手术定位模块中的定位数据进行校准。
本发明提供的基于激光干涉的手术定位***，与现有技术相比，其有益效果有：
本发明采用激光干涉法，利用激光干涉仪分光镜和旋转镜的组合，精确提升了手术过程中的测量精度问题，同时通过定位算法对手术设备或手术对象的手术部位进行精确定位和修正，极大的提高了手术精准度，提高手术成功率。
附图说明
图1为本发明优选实施例的***框图。
图中各个标记的意义为：100、设备匹配模块；200、测量校准模块；300、手术定位模块；400、定位校准模块。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明优选实施例提供了基于激光干涉的手术定位***，包括：
设备匹配模块100：用于将手术设备与手术对象进行匹配；
测量校准模块200：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；
手术定位模块300：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位；
定位校准模块400：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准。
所述激光干涉仪包括激光头、补偿装置、三脚架和云台和测量镜组。
所述测量镜组包括角锥反射镜、分光镜和旋转镜。
所述测量校准模块200通过将激光干涉仪对手术台所在平面的X轴和Y轴分别进行偏差测量，以检测和校准X轴和Y轴的偏差。
所述测量校准模块200的测量过程中，依次将激光头、分光镜和角锥反射镜置于同一条直线上，其中分光镜与机组固定连接，角锥反射镜与运动轴固定连接，对于手术台所在平面与地面的夹角通过旋转镜进行偏差测量。
所述激光干涉仪的测量原理如下：
Figure SMS_55
；
其中，
Figure SMS_56
为手术设备及手术对象接收的激光的频率，
Figure SMS_57
为激光头发射端发射的激 光频率，
Figure SMS_58
为波长，
Figure SMS_59
为光速，
Figure SMS_60
为角锥反射镜运动速度；
当手术设备及手术对象接收到的激光反射回激光头发射端并被发射端接收器接 收时，被接收激光的频率
Figure SMS_61
为：
Figure SMS_62
；
当激光头发射端激光与被接收激光同时进入激光干涉仪混频器后，得到两束光的 差额，为多普勒移频
Figure SMS_63
：
Figure SMS_64
；
每产生一次移频，则有一次脉冲，将移频
Figure SMS_65
对运动时间积分，得到时间
Figure SMS_66
上的脉冲 数量
Figure SMS_67
：
Figure SMS_68
；
根据脉冲数量计算出手术过程中手术设备或手术对象移动的距离：
Figure SMS_69
；
其中，
Figure SMS_70
为运动物体的移动距离。
所述手术定位模块300中的世界直角坐标系以所述测量校准模块200检测的X轴和Y轴的偏差为基准进行校准建立的坐标系。
所述手术定位模块300中，通过摄像头采集手术图像，并通过定位算法计算手术位 姿
Figure SMS_71
，其中，
Figure SMS_72
为二维平面内的平移，
Figure SMS_73
为二维平面内的旋转。
所述定位算法中：
设由K帧激光干涉数据帧构成手术子图像，通过激光干涉仪的激光干涉将手术图像划分为多个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，当有新增激光干涉数据***手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：
Figure SMS_74
；
Figure SMS_75
；
其中，
Figure SMS_76
表示当前栅格的概率值；
Figure SMS_77
表示当前栅格的状态；
Figure SMS_78
表示更新后 当前栅格的概率值；
Figure SMS_79
表示更新前栅格的概率值；
Figure SMS_80
为限定函数，当结果大于给 定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；
当有激光干涉数据帧***手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合成对最大，描述如下：
Figure SMS_81
；
其中，
Figure SMS_83
表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度，
Figure SMS_86
表示 激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率；
Figure SMS_87
表示将第
Figure SMS_84
个栅格 中心坐标用位姿
Figure SMS_85
转换到世界坐标系下，即假设第
Figure SMS_88
个栅格中心坐标为
Figure SMS_89
，则
Figure SMS_82
为：
Figure SMS_90
；
将
Figure SMS_91
转换为求解目标函数的极值：
Figure SMS_92
；
构建误差函数
Figure SMS_93
：
Figure SMS_94
；
若计算目标的最小值，则当优化变量有一个增量
Figure SMS_95
后，目标函数值最小，
Figure SMS_96
为非线性函数，一阶泰勒展开线性化，得到：
Figure SMS_97
；
对于线性***，对
Figure SMS_98
求导并令导数等于0，即：
Figure SMS_99
；
将上式展开得：
Figure SMS_100
；
令：
Figure SMS_101
；
得到：
Figure SMS_102
；
Figure SMS_103
对位姿的导数为：
Figure SMS_104
；
通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；
设定物理坐标
Figure SMS_105
，点
Figure SMS_106
为离散点
Figure SMS_107
，
Figure SMS_108
，
Figure SMS_109
，
Figure SMS_110
四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：
Figure SMS_111
；
根据插值得到的结果，对位姿求导数：
Figure SMS_112
；
Figure SMS_113
；
根据上式得到似然场手术图像对于位姿的导数
Figure SMS_114
，代入目标函数中进 行定位。
所述定位校准模块400中，基于测量校准模块200测量的偏差数据对手术过程中的手术数据进行偏差修正，并基于所述偏差对手术定位模块300中的定位数据进行校准。
本实施例中，将手术设备与手术对象进行匹配完成后，测量校准模块200对手术台及手术对象的手术部位图像等进行偏差测量，如手术台不平行于地面的问题，通过包括激光头、补偿装置、三脚架和云台和测量镜组的激光干涉仪对手术台进行定位偏差测量，以使用激光干涉仪对手术台的X轴进行定位偏差的校准测量为例：首先将分光镜与旋转镜进行组合；其次，将此组合镜固定在机座上，角锥反射镜固定在手术台所在平面的X轴上。激光经发射器发出后，首先进 入分光镜入口，分光镜将入射光分成两束，其中一束反射回激光干涉仪接收口，另一束沿入射光方向，照射在旋转镜上，通过调整旋转镜角度，可将从旋转镜折射的光照射在固定在X 轴上的角锥反射镜上，准直后，形成测量回路，获得X轴的定位偏差数据并进行校准。
手术定位模块300通过激光干涉的测量方法将激光干涉数据投影到二维平面内， 将激光干涉图像与手术图像对齐，通过定位算法计算手术设备的位姿
Figure SMS_115
， 包括二维平面内的平移
Figure SMS_116
及旋转
Figure SMS_117
。
手术子图像由K帧激光干涉数据帧构成，新的激光干涉数据帧与手术子图像进行对齐以更新手术子图像，若干个手术子图像共同组成整个手术图像；生成的栅格将手术图像划分为1000个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，栅格大小由摄像头的分辨率r决定，当有新增激光干涉数据***手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：
Figure SMS_118
；
Figure SMS_119
；
其中，
Figure SMS_120
表示当前栅格的概率值；
Figure SMS_121
表示当前栅格的状态；
Figure SMS_122
表示更新后 当前栅格的概率值；
Figure SMS_123
表示更新前栅格的概率值；
Figure SMS_124
为限定函数，当结果大于给 定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；
当有激光干涉数据帧***手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度最大，描述如下：
Figure SMS_125
；
其中，
Figure SMS_126
表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度，
Figure SMS_127
表示 激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率；
Figure SMS_128
表示将第
Figure SMS_129
个栅格 中心坐标用位姿
Figure SMS_130
转换到世界坐标系下，即假设第
Figure SMS_131
个栅格中心坐标为
Figure SMS_132
，则为：
Figure SMS_133
；
概率最大值为1，求占据概率值之和的最大值转换为求解目标函数的极值问题：
Figure SMS_134
；
构建误差函数
Figure SMS_135
：
Figure SMS_136
；
根据优化算法，若计算目标的最小值，理解为当优化变量有一个增量
Figure SMS_137
后，目标 函数值最小，
Figure SMS_138
为非线性函数，一阶泰勒展开线性化得到：
Figure SMS_139
；
对于线性***，求极值为对
Figure SMS_140
求导，令导数等于0，即：
Figure SMS_141
；
将上式展开得：
Figure SMS_142
；
令：
Figure SMS_143
；
得到：
Figure SMS_144
；
Figure SMS_145
对位姿的导数为：
Figure SMS_146
；
通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；
设定物理坐标
Figure SMS_147
，点
Figure SMS_148
为离散点
Figure SMS_149
，
Figure SMS_150
，
Figure SMS_151
，
Figure SMS_152
四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：
Figure SMS_153
；
根据插值得到的结果，对位姿求导数：
Figure SMS_154
；
Figure SMS_155
；
根据上式得到手术图像对于位姿的导数
Figure SMS_156
，代入目标函数中进行定位。 为了加快扫描匹配，使用分支定界方法减少搜索空间，提高算法的实用性。基于手术定位模 块300的定位数据，与测量校准模块200的偏差数据相结合进行校准，对于手术图像数据进 行校准输出，并对手术设备接收的操作指令进行校准。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.基于激光干涉的手术定位***，其特征在于：包括：
设备匹配模块（100）：用于将手术设备与手术对象进行匹配；
测量校准模块（200）：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；所述测量校准模块（200）通过将激光干涉仪对手术台所在平面的X轴和Y轴分别进行偏差测量，以检测和校准X轴和Y轴的偏差；所述激光干涉仪包括激光头和测量镜组，测量镜组包括角锥反射镜、分光镜和旋转镜；所述测量校准模块（200）的测量过程中，依次将激光头、分光镜和角锥反射镜置于同一条直线上，其中分光镜与机组固定连接，角锥反射镜与运动轴固定连接，对于手术台所在平面与地面的夹角通过旋转镜进行偏差测量；
手术定位模块（300）：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位，所述手术定位模块（300）中，通过摄像头采集手术图像，并通过定位算法计算手术位姿
Figure QLYQS_1
，其中，/>
Figure QLYQS_2
为二维平面内的平移，/>
Figure QLYQS_3
为二维平面内的旋转；所述定位算法中：
设由K帧激光干涉数据帧构成手术子图像，通过激光干涉仪的激光干涉将手术图像划分为多个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，当有新增激光干涉数据***手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：
Figure QLYQS_4
；
Figure QLYQS_5
；
其中，
Figure QLYQS_6
表示当前栅格的概率值；/>
Figure QLYQS_7
表示当前栅格的状态；/>
Figure QLYQS_8
表示更新后当前栅格的概率值；/>
Figure QLYQS_9
表示更新前栅格的概率值；/>
Figure QLYQS_10
为限定函数，当结果大于给定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；
当有激光干涉数据帧***手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合成对最大，描述如下：
Figure QLYQS_11
；
其中，
Figure QLYQS_14
表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度，/>
Figure QLYQS_16
表示激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率；/>
Figure QLYQS_17
表示将第/>
Figure QLYQS_13
个栅格中心坐标用位姿/>
Figure QLYQS_15
转换到世界坐标系下，即假设第/>
Figure QLYQS_18
个栅格中心坐标为/>
Figure QLYQS_19
，则/>
Figure QLYQS_12
为：
Figure QLYQS_20
；
将
Figure QLYQS_21
转换为求解目标函数的极值：
Figure QLYQS_22
；
构建误差函数
Figure QLYQS_23
：
Figure QLYQS_24
；
若计算目标的最小值，则当优化变量有一个增量
Figure QLYQS_25
后，目标函数值最小，/>
Figure QLYQS_26
为非线性函数，通过一阶泰勒展开线性化，得到/>
Figure QLYQS_27
对位姿的导数为：
Figure QLYQS_28
；
通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；
设定物理坐标
Figure QLYQS_29
，点/>
Figure QLYQS_30
为离散点/>
Figure QLYQS_31
，/>
Figure QLYQS_32
，/>
Figure QLYQS_33
，
Figure QLYQS_34
四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：
Figure QLYQS_35
；
根据插值得到的结果，对位姿求导数：
Figure QLYQS_36
；
Figure QLYQS_37
；
根据上式得到似然场手术图像对于位姿的导数
Figure QLYQS_38
，代入目标函数中进行定位；
定位校准模块（400）：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准，所述定位校准模块（400）中，基于测量校准模块（200）测量的偏差数据对手术过程中的手术数据进行偏差修正，并基于所述偏差对手术定位模块（300）中的定位数据进行校准。
2.根据权利要求1所述的基于激光干涉的手术定位***，其特征在于：所述激光干涉仪还包括补偿装置、三脚架和云台。
3.根据权利要求1所述的基于激光干涉的手术定位***，其特征在于：所述激光干涉仪的测量原理如下：
Figure QLYQS_39
；
其中，
Figure QLYQS_40
为手术设备及手术对象接收的激光的频率，/>
Figure QLYQS_41
为激光头发射端发射的激光频率，/>
Figure QLYQS_42
为波长，/>
Figure QLYQS_43
为光速，/>
Figure QLYQS_44
为角锥反射镜运动速度；
当手术设备及手术对象接收到的激光反射回激光头发射端并被发射端接收器接收时，被接收激光的频率
Figure QLYQS_45
为：
Figure QLYQS_46
；
当激光头发射端激光与被接收激光同时进入激光干涉仪混频器后，得到两束光的差额，为多普勒移频
Figure QLYQS_47
：
Figure QLYQS_48
；
每产生一次移频，则有一次脉冲，将移频
Figure QLYQS_49
对运动时间积分，得到时间/>
Figure QLYQS_50
上的脉冲数量
Figure QLYQS_51
：
Figure QLYQS_52
；
根据脉冲数量计算出手术过程中手术设备或手术对象移动的距离：
Figure QLYQS_53
；
其中，
Figure QLYQS_54
为运动物体的移动距离。
4.根据权利要求1所述的基于激光干涉的手术定位***，其特征在于：所述手术定位模块（300）中的世界直角坐标系是以所述测量校准模块（200）检测的X轴和Y轴的偏差为基准进行校准建立的坐标系。
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