[发明专利]使用单目定位跟踪器的手术导航系统

说明书

一种手术导航系统，包括单目定位跟踪器、被跟踪目标、特征平面指示装置、支撑支架和计算单元。计算单元计算并记录特征平面指示装置确定的参考平面；实时计算并记录单目定位跟踪器的姿态变化；从单目定位跟踪器获得影像并计算被跟踪目标的位置与姿态；实时计算被跟踪目标相对于水平面及参考平面的角度。本发明提供的系统，可以避免对手术部位的定位追踪，仅需要对手术工具进行追踪，减少了被跟踪目标的数量，因而也减少了需要标定的工具数量，降低了系统的复杂度。

技术领域

本发明涉及一种实施手术的方案，尤其涉及一种引导手术的系统，涉及多个自动化设备，以提高手术的自动化水平。

背景技术

常见的手术导航系统，或图像引导手术系统(如：美国Medtronic公司stealthstation系统，德国Brainlab颅脑导航系统等)一般由红外双目定位跟踪器，显示及运算主机以及被跟踪目标(分别固定在手术部位和手术工具上的跟踪参考架)组成。这种系统使用的双目定位跟踪器通常有最小跟踪距离的限制，如：NDI Polaris Vega其最小工作距离为95cm。同时也由于这类导航系统需要同时跟踪手术部位以及手术工具上的被跟踪目标，定位跟踪器需要具有较大的跟踪视野(有效跟踪距离，以及在某跟踪距离时视野的长与宽)。一般为了获得一个较大的跟踪视野，需要保持定位跟踪器与被跟踪目标适当的距离(譬如1m～2m的范围)，因为跟踪距离的存在，导致双目定位跟踪器与被跟踪目标之间容易因为非预期的物体进入而遮挡定位跟踪器视线，导致定位跟踪器不能正常定位跟踪，造成手术的中断，影响系统的操作体验。

另外，常见的手术导航系统在手术前需要进行人体影像三维模型(或数字化的标准人体模型)与实际人体结构的配准。一般使用点配准(如：ICP算法)或面配准算法，这种算法要求使用一种装置(探针或激光表面点云扫描装置)获取手术部位表面的特征点，同时在医学影像(如：CT或MR)或数字化人体模型上选取对应的特征点，再使用配准算法对齐。这种操作过程较繁琐，一般需要耗费医生5分钟～20分钟的时间，延长了总的手术时间，造成用户体验较差。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种手术导航系统，使用单目定位跟踪器实现手术引导和定位，实现近距离跟踪，并提供较大的跟踪范围，有效地避免了手术过程中可能发生的定位跟踪器视线遮挡问题。

本发明的另一个目的在于提供一种手术导航系统，实现术中快速配准(注册)，仅需确定水平面和一个人体特征参考平面即可完成配准(注册)，提高手术引导应用的便捷性。

本发明的再一个目的在于提供一种手术导航系统，在手术引导中提供实时角度测量，实时计算被跟踪目标相对于水平面和人体特征参考平面的相对角度关系，提高手术引导的及时性。

一种手术导航系统，包括：

单目定位跟踪器，其仅包含一个摄像机和光源；

被跟踪目标，其包含四个及以上单目定位跟踪器可识别的反光标记；

特征平面指示装置，其包含若干反光标记，以及一个方向指示装置，用于在单目定位跟踪器下确定一个人体特征参考平面；

支撑支架，其包含与手术部位组织固定连接的支撑件，至少两个旋转关节，以及快速拆卸装置；用于将单目定位跟踪器固定并支撑在手术部位，以及调整单目定位跟踪器的视野方向；

计算单元，计算并记录特征平面指示装置确定的参考平面；实时计算并记录单目定位跟踪器的姿态变化；从单目定位跟踪器获得影像并计算被跟踪目标的位置与姿态；实时计算被跟踪目标相对于水平面及参考平面的角度。

本发明的手术导航系统，单目定位跟踪器还包括加速度传感器、陀螺仪和磁力计，对被跟踪目标进行光学跟踪，同时测量定位跟踪器自身姿态变化和重力方向。加速度计用于测量三个垂直方向的加速度，陀螺仪用户测量三个方向的旋转分量。