[发明专利]一种手术导航系统精度检测方法

权利要求书

1.一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，组成包含图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、标尺及精度检测装置；

图像扫描装置，所述图像扫描装置用于在检测时获取标尺及精度检测装置的扫描图像；

控制系统，所述控制系统包含计算控制软件、摄像头、显示装置和输入输出设备；

机器人定位导航系统，所述机器人定位导航系统包含机械臂，机械臂末端定位导航结构及配套组件；

光学跟踪系统用于跟踪带有示踪器的物体实时数据；

所述图像扫描装置、机器人定位导航系统、光学跟踪系统均与控制系统连接，进行信号的传输；

所述标尺工具有多个不透X光的刚性标识点作为特征点（Marker），用于在术前或术中辅助计算机处理图像坐标系及世界坐标系的转化，同时可以根据患者不同手术部位及体型设计不同规格；

所述精度检测装置包含质控工具底板（3）、TrackerⅡ（4）、可替换隧道（5）、辅助定位针（6），其中，辅助定位针（6）插入可替换隧道（5），所述辅助定位针（6）中包裹刚性圆柱体。

2.如权利要求1所述的一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，机械臂末端、标尺及精度检测装置上装有标尺装有示踪器（Tracker），以便光学跟踪系统通过示踪器获取物体实时数据。

3.如权利要求1所述的一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，标尺上有不少于6个刚性球体，优选的6,7,8,9,10个。

4.如权利要求1所述的一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，图像扫描装置可以进行医学图像扫描，图像获取装置如CT机、核磁、PET-CT，CBCT，O型臂，X光机医学影像设备等，所述图像扫描模块在某些影像设备中还包含图像校正装置，用于进行图像校正。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的手术导航系统精度检测方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

a)将Tracker安装于机械臂末端、精度检测装置、标尺上，并将其放置于光学追踪系统的跟踪范围内；

b)将标尺与精度检测装置固定，用图像扫描装置扫描标尺与精度检测装置的图像信息，传输到控制系统；

若图像扫描为3D图像，则控制系统可以直接进行处理；

若图像扫描为2D图形，则需拍摄不同角度的图像至少两张（图像夹角为70°～110°），再传输到控制系统进行处理；

c)控制系统根据图像扫描装置的相关信息，进行图像处理，并根据标尺上的刚性球体在图像中的信息进行空间坐标转化；

d)在控制系统的软件上选取辅助定位筒（3）中圆柱体在医学图像中的位置作手术导航定位的规划隧道，选取后将信息传输到定位导航系统；

e)取下标尺及辅助定位筒，由机器人导航系统执行导航操作，最后观察机械臂末端是否到达精度检测装置的孔，如未到达，则精度不合格，如到达则精度检测结果为合格。

6.根据权利要求5所述的手术导航系统精度检测方法，其特征在于，所述空间坐标信息转化过程如下：

a)当图像为2D信息，空间坐标转化过程如下：

变换矩阵=平移矩阵+旋转矩阵，定义R是旋转矩阵，X是物体坐标系下的三维列向量[x,y,z]’，T是平移矩阵，得变换矩阵A=RX+T；

光学追踪系统的坐标系为世界坐标系，Tracker和机器人坐标系为物体坐标系；

在世界坐标系下描述物体坐标系有位姿矩阵，此矩阵可逆, Rt₁表示Tracker坐标系，Rt₂表示机器人坐标系；

同时，Tracker与机器人的坐标系之间的变换矩阵有Rt₁^-1* Rt₂，即在Tracker坐标系下，机器人的位姿矩阵；

其次，拍摄精度检测装置的不同角度X线片图像，对定位标尺X线透视图像进行处理，每张图像的标志点，2组标志点构建三维坐标系；同时，可确定辅助定位筒中刚性圆柱体的坐标，即入点和止点坐标；

已知在真实空间中，标尺坐标系下的n(n6)个点坐标，已知有相机内参，外参乘积有摄像机矩阵

则有

通过n组(n6)同样的公式，使用最小二乘法得到l₁到l₁₂的参数值，记录下这组参数值， 在术前导入两张X光片并规划及保存导航路径，手术之前加载导航路径进行导航精度验证；

b)当图像为3D信息，空间坐标转化过程如下：

不同三维空间中坐标系的转换一般包括旋转和平移，假如在三维模型坐标系中任一标志点的三维坐标为（X_m，Y_m，Z_m），对应的该点在世界坐标系下的坐标为 则有下面的转换关系（X_w，Y_w，Z_w）：

其中，表示模型坐标系与世界坐标系之间的转换关系矩阵；

若已知模型上n(n3)点坐标，且这些点均不在一个平面上，则依据此转换矩阵，计算出对应的世界坐标系中的坐标；

以此转换矩阵由模型上的点配准世界坐标系中的点，通过记录下这组向量值，每次做手术前都先带入标准值进行导航操作；

术前在模型中规划并保存三维导航路径，手术之前加载导航路径进行导航精度验证，当有4个点时，

则有矩阵，，

通过最小二乘法解得r₁，r₂，r₃，r₄，同理，解得12个参数，4点以上也是如此。