[发明专利]一种手术导航系统及手术导航系统的配准方法

权利要求书

1.一种手术导航系统及手术导航系统的配准方法，其特征在于，包括：医学图像扫描装置、光学跟踪系统、计算机处理装置及控制软件、机器人定位导航系统、示踪器（Tracker）及配套标尺工具；

医学图像扫描装置用于在术前、术中扫描所述手术部位以获取医学图像，所述医学图像扫描装置扫描的信息包括图像坐标系；

光学跟踪系统，所述光学跟踪系统用于在术前、术中获取所述手术部位的带有示踪器物体的实时数据，所述光学追踪系统包括世界坐标系；

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，所述定位系统包括机器人坐标系；

示踪器（Tracker），所述Tracker用于配合光学跟踪系统标识世界坐标下的物体，所述Tracker可与患者骨骼有硬连接或者至于患者外固定支架上、安装于配套标尺、定位导航部件等需要标识的物体，所述示踪器的物体包括实时工具坐标系；

配套标尺工具，所述配套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，所述配套标尺工具为计算图像坐标系；

所述医学图像扫描装置及所述光学跟踪系统连接的计算机处理装置及控制软件，所述计算机处理装置及控制软件用于处理所述图像信息及空间数据，以对所述世界坐标系与所述图像坐标系（术前扫描，术中扫描）进行坐标系转换，及计算所述世界坐标系的任一点在所述图像坐标系的特征匹配点。

2.如权利要求1所述的手术导航系统及手术导航系统的配准方法，其特征在于，所述医学图像扫描装置包括图像坐标系，扫描带有标尺或标志架工具的患者手术部位信息，扫描装置可选CT、核磁共振成像（MRI）、CBCT、O型臂、X光机等医学图像扫描装置，输出格式为标准医学图像；

所述计算机处理装置及控制软件还用于对所述图像坐标系、所述世界空间坐标系、所述机器人坐标系及所述实时工具坐标系进行坐标系转换，进而计算所述世界空间坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，以得到所述工具上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。

3.如权利要求1所述的手术导航系统及手术导航系统的配准方法，其特征在于，所述计算机处理装置及控制软件用于处理所述医学图像及所述Tracker工具图像；

所述Tracker上设有至少三个不共线的标志点，用于建立所述动态空间坐标系；

所述光学跟踪系统用于根据双目视觉原理，通过追踪所述Tracker在世界坐标系中的空间位置，计算其与图像坐标系及实时工具坐标系之间的坐标系转换关系。

4.如权利要求1所述的手术导航系统及手术导航系统的配准方法，其特征在于，所述计算机处理装置及控制软件还用于：计算所述扫描空间坐标系中任一点在所述图像坐标系中的特征匹配点；计算所述世界坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系及所述实时工具坐标系中的特征匹配点。

5.如权利要求1所述的手术导航系统及手术导航系统的配准方法，其特征在于，所述世界坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点根据以下公式计算：

1）2D图像特征点匹配公式：

2）3D图像特征点匹配公式：

为所述术中扫描图像正位图片坐标系的任意p点坐标；

为所述术中扫描图像侧位图片坐标系的任意p点坐标；

为所述Tracker坐标系下的任意p点坐标；

为所述术前三维扫描图像空间坐标系下的任意p点坐标；

T₁为在获取术中扫描正位图像所述扫描图像坐标系与所述标尺坐标系的矩阵；

T₂为在获取术中扫描侧位图像所述扫描图像坐标系与所述标尺坐标系的矩阵；

R₁₃（t）为在获取术中实时扫描图像时标尺坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵；

R₁₂（t）为在获取术中实时扫描图像时可移动标尺2坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵；

R_m为术前扫描图像空间坐标系与可移动标尺1坐标系之间的变换矩阵。