[发明专利]一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法

说明书

本发明公开了一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法，包括以下步骤：建立光学导航定位设备与计算机的数据通讯，获取不同光学示踪器的位姿数据；基于位姿数据，进行尖点器械标定；基于光学示踪器的位姿数据，进行直线器械标定；基于光学示踪器的位姿数据，进行平面器械标定；进行手术器械的可视化追踪。本发明借助具有点、线、面几何结构的标定工具和光学定位设备，实现不同手术器械的术前标定，改善了手术器械标定精度及所需时间，提高效率。本发明将位置信息进行内部分类传输，减少了医生的操作难度；可视化模块提供了直观的手术器械空间位置显示，实现了标定过程及标定后手术器械的可视化追踪，提高了标定过程准确性。

技术领域

本发明属于手术器械标定与跟踪技术领域，具体涉及一种面向光学导航手术的手术器械标定与可视化跟踪方法。

背景技术

传统手术操作方式，无论术前规划还是术中执行都高度依赖医生经验，往往存在精度低、创伤大、康复周期长等缺陷。随着数字图像处理、计算机视觉、网络通讯等技术飞速发展，手术导航系统(Surgical Navigation System，SNS)成为研究热点，它利用图像处理技术和视觉定位技术，在手术准备或进行过程中，将病人术前的断层图像(CT)、核磁共振(MRI)图像信息、手术中获取的病人的病变位置及手术器械的空间位置信息结合起来，跟踪显示病人解剖结构和手术器械的相对位置关系，对手术进行实时导航，达到精准、微创的现代手术要求。

精准高效的手术器械定位与跟踪是导航手术有效执行的前提。手术导航过程中，空间定位系统跟踪固连在手术器械上的光学示踪器，借由光学示踪器与器械工作终端之间的标定关系，导航系统推算出手术器械工作终端的空间位姿，实现手术器械与病人解剖结构相对位置关系的显示。因此，如何获得手术器械的标定信息、准确显示手术器械的跟踪位置是手术导航系统的关键问题。

外科导航手术中，常用手术器械有光学探针、手术穿刺针、手术刀等，其工作终端分别可简化为空间尖点、直线、平面等简单几何结构。手术器械上连接的光学示踪器作为该器械的参考坐标系，手术器械标定需解决的问题就是计算手术器械工作终端(点、线、面)在参考坐标系下的空间位姿。

传统的手术器械标定利用手术器械装配模型和游标卡尺测量标定信息，接着将标定信息输入手术导航软件完成标定工作，具有效率低下、测量难度大、测量精度低等缺陷。同时，可视化的观察标定过程与评估标定结果的正确性，可以避免因误操作而得出错误结果，节省时间。所以，针对不同手术器械，提出精准高效的标定方法和可视化跟踪方法，集成一类手术器械快速标定与可视化跟踪系统，是导航手术有效执行的前提。

在现有的导航手术器械标定系统和标定方法中，最具有代表性的是美国Stryker手术导航系统。该系统的标定台具有固定手术器械的定位轴孔和放置手术器械尖端的凹坑，并固定连接光学示踪器。标定时，首先利用导航仪跟踪手术器械和标定台上的光学示踪器，建立器械参考坐标系和标定台参考坐标系；然后，将手术器械尖端放直在凹坑之中，在保持手术器械尖端固定不动的情况下，面向导航仪围绕尖端摇动手术器械，导航仪采集所有光学示踪器位置信息，计算获得手术器械尖端标定数据；最后，将手术器械插入标定台的定位轴孔之中，锁紧固定，保持手术器械轴向不变，面向导航仪转动手术器械，导航仪采集所有光学示踪器位置信息，计算获得轴向向量的标定数据。

这种标定技术具有一定的适用性和通用性，迄今一直都被广泛应用于导航开始前的手术器械标定，例如专利CN109171962B、CN112022350A所述的导航手术器械标定系统与方法。

该系统存在以下不足：

其一、只能针对手术探针的尖点位置和轴向向量进行标定，无法适配手术刀、骨锯等手术器械。

其二、标定算法采用基于最小二乘法原理的数值逼近算法，需要多次采集参考标记图像，过程费时费力。

其三、无法可视化观察标定过程及追踪标定后的手术器械，无法及时发现因错误操作导致的错误结果，可能导致重复操作影响效率。

发明内容