[发明专利]具有人机交互的可穿戴式血管介入手术三维立体图像导航装置

说明书

技术领域

本发明属于医疗辅助器械技术领域。

背景技术

传统的医学影像是通过胶片的方式显示给医生的，或者在图形工作站二维显示器上显示三维模型，这种显示方式在面向血管介入手术应用中存在以下不足之处：(1)缺乏深度信息感知，医生需要根据解剖知识和影像信息在头脑中想象术中导管在血管中移动的场景；(2)缺乏良好的人机交互，由于血管介入手术过程中主刀医生双手进行导管操作，不便于调整解剖模型的位姿达到期望的观察角度，而助手的操作又往往无法准确理解主刀医生的诉求；(3)普通二维显示器或三维显示器占用手术室宝贵空间，三维显示器由于可视角度限制，约束医生移动范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决血管介入手术不便的问题，本发明提供一种具有人机交互的可穿戴式血管介入手术三维立体图像导航装置。

本发明的具有人机交互的可穿戴式血管介入手术三维立体图像导航装置，所述装置包括穿戴式立体眼镜、IMU传感器、服务器和电磁定位系统；

穿戴式立体眼镜，将生成的三维立体手术场景进行显示；

IMU传感器，设置在虚拟现实眼镜内，用于跟踪使用者的头部运动，采集头部运动信号；

服务器，根据采集的头部运动信号，获得头部姿态信息；根据手术前血管影像信息、获得的头部姿态信息和手术中导管末端位姿信息，进行空间配准和信息融合，生成三维立体手术场景；

电磁定位系统，用于通过电磁感应，确定手术过程中血管中的导管末端位姿信息。

所述服务器，根据手术前血管影像信息、获得的头部姿态信息和手术中导管末端位姿信息，进行空间配准和信息融合，生成三维立体手术场景包括：

将获得的头部姿态信息进行视点变换，映射到虚拟场景中虚拟相机姿态；

将获得的手术中导管末端位姿信息与手术前血管影像信息进行信息融合；

根据映射得到的虚拟场景中虚拟相机姿态，确定视点和视景体，在视景体范围内，绘制信息融合后的场景，生成三维立体手术场景。

所述服务器，将获得的头部姿态信息进行视点变换，映射到虚拟场景中虚拟相机姿态为：

所述头部姿态信息为人体头部方向信息，获得人体头部坐标系下用四元数向量表示的人体头部方向信息为r＝[r₁,r₂,r₃,r_w]^T，根据r_c＝T(r')r₀进行视点变换，映射到虚拟场景中虚拟相机姿态为r_c；

其中，旋转矩阵

r₀为虚拟场景中虚拟相机的初始位置，r₀＝[0,0,d]^T，d为虚拟场景中虚拟相机相对血管模型坐标系原点的距离；r′表示虚拟相机在血管模型标系下用四元数向量表示的旋转，由于虚拟相机与人体头部的旋转方向是相反的，因此，r′＝[r₁,r₂,r₃,-r_w]^T，所述血管模型为手术前血管影像信息获得的。

所述穿戴式立体眼镜，将生成的三维立体手术场景进行显示包括：

将生成的三维立体手术场景采用平行轴对称方法建立虚拟场景的左右眼视图，将左右眼视图分别传递给用户的左右眼。

所述IMU传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁感应计；

所述服务器，根据采集头部运动信号，获得头部姿态信息包括：

三轴陀螺仪采集的测量数据作为状态方程的输入，加速度计和磁感应计的测量数据作为测量方程的输入，将状态方程和测量方程进行扩展卡尔曼滤波，获得头部姿态信息。

本发明的有益效果在于，本发明利用穿戴式立体眼镜为医生提供血管介入手术过程中导管在血管中运动场景的三维立体显示图像，由于具有景深的信息，使医生能够在术中快速的判断导管在血管中的位置信息，降低医生术中认知负担。本发明利用三轴陀螺仪、加速度计和磁场计，采用基于扩展卡尔曼滤波方法对传感器信息融合，跟踪用户头部位姿，实现虚拟场景根据用户头部姿态变化进行相应调整的良好人机交互，使医生可以在术中专心手部的手术器械操作，为医生在手术提供有效的帮助。本发明采用穿戴式立体显示方式，具有占用空间小、便携性好等优点，而且不受视角范围的影响。

附图说明

图1为具体实施方式中的具有人机交互的可穿戴式血管介入手术三维立体图像导航装置的原理示意图。