[发明专利]一种基于混合现实的头戴式导航系统及导航配准方法

权利要求书

1.一种导航配准方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：获取患者手术部位的CT数据，根据所述CT数据建立手术虚拟模型；

步骤(2)：将所述手术虚拟模型导入MR模块；

步骤(3)：通过基于奇异值分解的配准算法将所述手术虚拟模型从虚拟模型坐标系转换到光学定位跟踪仪坐标系；

步骤(4)：通过基于奇异值分解的配准算法将所述手术虚拟模型从光学定位跟踪仪坐标系转换到MR模块坐标系；

所述步骤(4)具体为：通过光学定位跟踪仪追踪探针获取所述手术虚拟模型中预设虚拟坐标点在光学定位跟踪仪坐标系下的第三位置坐标；

通过基于奇异值分解的配准算法将所述预设虚拟坐标点和第三位置坐标进行配准，来将所述手术虚拟模型从光学定位跟踪仪坐标系转换到MR模块坐标系；

所述基于奇异值分解的配准算法包括：

构建源点集P在变换矩阵H作用下相对于目标点集Q之间的误差函数f，公式为：

R表示旋转矩阵，T表示平移向量；

通过计算旋转矩阵R和平移向量T使误差函数f达到最小值，具体为：

通过奇异值分解方法计算旋转矩阵R，公式为：[U,S,V]＝SVD(E)，其中，SVD()为矩阵奇异值分解，U表示第一正交阵，V表示第二正交阵，S表示以递减顺序排列的对角矩阵，T_rot表示矩阵转置，centroid_P表示源点集P的质心且P_i表示源点集P中的点，centroid_Q表示目标点集Q的质心且Q_i表示目标点集Q中的点，N表示源点集P或目标点集Q中点的数量；

根据所述旋转矩阵R计算平移向量T，公式为：T＝centroid_Q-Rcentroid_P；

通过所述旋转矩阵R和所述平移向量T构建变换矩阵H，公式为：

步骤(5)：PC模块用于实时采集和处理光学定位跟踪仪追踪的数据并传输至MR数据端，再通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示。

2.根据权利要求1所述的导航配准方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：通过光学定位跟踪仪追踪探针获取患者手术部位上的第一标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的第一位置坐标；

所述手术虚拟模型中与所述第一标志点相对应的第二标志点的第二位置坐标已知；

通过基于奇异值分解的配准算法将所述第一位置坐标和第二位置坐标进行配准，来将所述手术虚拟模型从虚拟模型坐标系转换到光学定位跟踪仪坐标系。

3.根据权利要求1所述的导航配准方法，其特征在于，所述步骤(5)中通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示，具体为：通过光学定位跟踪仪实时追踪设置在患者手术部位上的被动定位支架来获取患者手术部位的位置变换数据，并根据所述患者手术部位的位置变换数据实时更新手术虚拟模型的位置数据，最后通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示。

4.一种采用如权利要求1-3中任一项所述导航配准方法的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，包括光学定位跟踪仪、MR模块和PC模块，所述光学定位跟踪仪和所述PC模块相连，所述PC模块和所述MR模块相连；所述MR模块预存有手术虚拟模型，所述光学定位跟踪仪用于通过追踪探针获取所述手术虚拟模型的标志点或患者手术部位的标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的位置数据，并将获取的位置数据传给所述PC模块，所述PC模块对收到的位置数据进行转换后传输至MR模块。

5.根据权利要求4所述的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，所述光学定位跟踪仪通过串行接口和所述PC模块相连。

6.根据权利要求4所述的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，所述MR模块包括MR数据端和MR眼镜，所述MR数据端和所述PC模块相连，所述MR数据端用于将所述PC模块发送的数据传输至MR眼镜。

7.根据权利要求4所述的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，所述PC模块包括数据处理单元和通信单元，所述数据处理单元和所述光学定位跟踪仪相连，所述通信单元和所述MR模块相连。