專利名稱：光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于手術(shù)導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航方法和電磁導(dǎo)航方法，具體講就是一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的骨科手術(shù)中，醫(yī)生是根據(jù)預(yù)先獲取的患部影像圖片，首先在自己的大腦中形成三維成像和術(shù)前的手術(shù)規(guī)劃，然后進(jìn)行臨床手術(shù)。這種手術(shù)的成功與否往往取決于醫(yī)生個(gè)體的外科臨床經(jīng)驗(yàn)和技能，無(wú)法量化術(shù)中需要的參數(shù)，容易出現(xiàn)定位偏差，很難達(dá)到最佳手術(shù)效果。
為了解決傳統(tǒng)骨科手術(shù)中存在的上述問(wèn)題，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、圖像采集處理技術(shù)、圖像重建技術(shù)及高新技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)。它是將病人術(shù)前醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行三維重建，通過(guò)手術(shù)中的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，對(duì)手術(shù)器械在手術(shù)視野中的位置進(jìn)行精確地實(shí)時(shí)跟蹤定位，術(shù)者參照監(jiān)視器上的三維影像觀察手術(shù)器械的實(shí)際位置，使手術(shù)更安全、徹底，有效地減輕病人的痛苦，同時(shí)減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。
立體定位系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵，它是醫(yī)學(xué)圖像、手術(shù)部位和手術(shù)器械之間的橋梁，可以確定目標(biāo)空間位置，實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)在其測(cè)量范圍內(nèi)的三維坐標(biāo)，它連接圖像信息和手術(shù)目標(biāo)，是虛擬到現(xiàn)實(shí)的橋梁，直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的精度和手術(shù)的成敗。目前實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航定位的方法有機(jī)械定位法、超聲波定位法、光學(xué)定位法和電磁定位法等。機(jī)械定位法技術(shù)成熟，不會(huì)被阻塞，手術(shù)器械更換簡(jiǎn)便，但自由運(yùn)動(dòng)空間有限，系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，而且無(wú)法跟蹤移動(dòng)的物體；超聲定位法價(jià)格便宜，校準(zhǔn)方便，但易受環(huán)境影響，精度差，且存在遮擋干擾現(xiàn)象；光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是目前使用最廣泛的定位方法，它是通過(guò)攝像機(jī)觀察目標(biāo)，根據(jù)立體視覺(jué)原理重建目標(biāo)的空間位置，光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度高、手術(shù)器械更換方便、可跟蹤多個(gè)目標(biāo)、速度快，但其容易受術(shù)者、助手及手術(shù)器械等遮擋的干擾，易受背景光線的影響，并且價(jià)格昂貴；電磁導(dǎo)航系統(tǒng)是由磁場(chǎng)發(fā)射器和接收器組成，根據(jù)接收信息的強(qiáng)度和相位，計(jì)算空間位置和方向，電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小，不受光信號(hào)阻擋，但其精度較低，工作范圍小，易受鐵磁性物質(zhì)的干擾。
中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00610122578.X的發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一項(xiàng)名稱為“一種人體骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)”，是采用一C型臂或G型臂X線機(jī)、空間伺服定位器及計(jì)算機(jī)結(jié)合，與CT或MR斷層掃描儀所獲的三維模型配準(zhǔn)，使用空間伺服定位器實(shí)現(xiàn)手術(shù)過(guò)程的導(dǎo)航和控制到位，整個(gè)系統(tǒng)以機(jī)械定位和被控為主，定位精度低，設(shè)備多，造價(jià)大。
發(fā)明人曾就本主題以光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位為關(guān)鍵詞，在中國(guó)科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)科技經(jīng)濟(jì)新聞數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)科技成果數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議論文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)科技文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)(光盤(pán))、中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)企業(yè)知識(shí)倉(cāng)庫(kù)(CEKD)、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)、國(guó)家科技成果網(wǎng)、http//www.google.com、陜西省科技圖書(shū)文獻(xiàn)資源共享服務(wù)系統(tǒng)(SNSTL)、全國(guó)報(bào)刊索引(科技版)、科學(xué)技術(shù)研究成果公報(bào)、中文科技資料目錄、中國(guó)醫(yī)學(xué)文摘、陜西省科技進(jìn)步獎(jiǎng)授獎(jiǎng)項(xiàng)目對(duì)本題進(jìn)行了檢索，均沒(méi)有檢索到類似結(jié)構(gòu)和手術(shù)定位方法的相關(guān)文獻(xiàn)。未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明密切相關(guān)的信息，也未檢索到和本發(fā)明一樣的報(bào)道或文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述定位方法存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位方法。應(yīng)用此方法對(duì)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行定位，既克服了光學(xué)導(dǎo)航中無(wú)法穿透非透光障礙物阻擋的局限，又避免電磁定位工作范圍小的不足。同時(shí)，光電信號(hào)能夠以較高的精度對(duì)由磁電元件的非線性特性、不確定性干擾所產(chǎn)生的磁電導(dǎo)航誤差進(jìn)行糾偏與補(bǔ)償，而磁電信號(hào)又能夠以其穿透能力對(duì)光學(xué)定位的結(jié)果進(jìn)行重定位，從而大大提高整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度。
下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明是一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置，其實(shí)現(xiàn)在于該裝置包括有手術(shù)器械、手術(shù)臺(tái)、計(jì)算機(jī)、與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接的機(jī)器視覺(jué)裝置以及標(biāo)定板，本發(fā)明的手術(shù)器械上安裝有磁源和標(biāo)志點(diǎn)，手術(shù)臺(tái)邊上均勻分布至少安裝有三個(gè)磁接收器，磁接收器也與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接，機(jī)器視覺(jué)裝置至少為一組雙CCD相機(jī)，固定安裝在手術(shù)臺(tái)的上方。
直接在手術(shù)臺(tái)上進(jìn)行光電定位，磁電定位的器件也安裝在手術(shù)臺(tái)及手術(shù)器械上，保證了定位坐標(biāo)的形成，與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接的雙CCD相機(jī)固定在手術(shù)臺(tái)的上方，不僅實(shí)時(shí)采集手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，同時(shí)通過(guò)攝取手術(shù)臺(tái)上不同標(biāo)志的圖像，將光電定位與磁電定位的坐標(biāo)統(tǒng)一在同一坐標(biāo)中。
本發(fā)明還是一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位方法，其實(shí)現(xiàn)在于在于該方法包括光電定位和磁電定位，并將兩種定位法標(biāo)定在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，需要采用如前所述的光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置，具體的步驟包括有第一步首先將標(biāo)定板置于手術(shù)臺(tái)上，設(shè)空間坐標(biāo)系o-xyz的xoy平面在標(biāo)定板上，z軸垂直于標(biāo)定板面，用機(jī)器視覺(jué)裝置對(duì)標(biāo)定板的圖象和信息采集并成像，確定機(jī)器視覺(jué)裝置在空間坐標(biāo)系中的相對(duì)位置，此時(shí)建立了光電定位坐標(biāo)系，并將其保存在計(jì)算機(jī)中，以備手術(shù)器械的光學(xué)定位使用；第二步利用機(jī)器視覺(jué)裝置采集安裝了磁接收器的手術(shù)臺(tái)的圖像，從而可以得到磁接收器在空間坐標(biāo)系中的位置信息，將磁接收器定位在光電定位坐標(biāo)系中，使得磁電定位坐標(biāo)系與光電定位坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，將其位置信息保存在計(jì)算機(jī)中以備手術(shù)器械的磁電定位使用，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了光電定位與磁電定位的坐標(biāo)系的統(tǒng)一；第三步術(shù)前用CT或MR斷層掃描儀對(duì)被手術(shù)者的待手術(shù)部位進(jìn)行斷層掃描，進(jìn)而進(jìn)行三維重建，將該獲得的三維人體模型圖像存入計(jì)算機(jī)中；第四步手術(shù)過(guò)程中，由機(jī)器視覺(jué)裝置采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像與計(jì)算機(jī)中存有的三維人體模型進(jìn)行配準(zhǔn)，直至三維人體模型與實(shí)際手術(shù)部位的圖像完全重合，然后通過(guò)手術(shù)器械在光學(xué)定位坐標(biāo)中的位置信息和磁電定位坐標(biāo)中的位置信息復(fù)合導(dǎo)航，得到手術(shù)器械在空間坐標(biāo)系中的位姿，即得到手術(shù)器械的刀刃與待手術(shù)部位的空間位置，將其空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)及圖像顯示到計(jì)算機(jī)的顯示器上，供手術(shù)操作人員參考，以利于操作人員有效地移動(dòng)手術(shù)器械，將手術(shù)器械的刀刃與待手術(shù)部位的病變準(zhǔn)確地接觸，達(dá)到手術(shù)導(dǎo)航定位的目的。
本發(fā)明采用CCD相機(jī)直接對(duì)手術(shù)臺(tái)進(jìn)行光電定位和磁電定位又同時(shí)進(jìn)行手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的圖象信息獲取，將光學(xué)定位坐標(biāo)中的位置信息和磁電定位坐標(biāo)中的位置信息復(fù)合導(dǎo)航，得到手術(shù)器械在空間坐標(biāo)系中的位姿。為了保證光電定位和磁電定位在手術(shù)導(dǎo)航定位過(guò)程中同時(shí)使用，其必須將兩種定位法標(biāo)定在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。機(jī)器視覺(jué)裝置固定在手術(shù)臺(tái)的上方，用標(biāo)定板方法對(duì)機(jī)器視覺(jué)裝置進(jìn)行標(biāo)定，從而可以得到機(jī)器視覺(jué)裝置在空間坐標(biāo)系中的相對(duì)位置坐標(biāo)，并將其保存在計(jì)算機(jī)中，以備手術(shù)器械的光學(xué)定位使用。該標(biāo)定方法不需要移動(dòng)標(biāo)定板，并且標(biāo)定精度高。三個(gè)磁接收器按均勻分布安裝在手術(shù)臺(tái)上，利用雙CCD相機(jī)確定磁接收器在空間坐標(biāo)系中的位置信息，即將磁接收器定位在空間坐標(biāo)系中，將其保存在計(jì)算機(jī)中以備手術(shù)器械的磁電定位使用，這樣，就可以實(shí)現(xiàn)光電定位與磁電定位的坐標(biāo)系的一致性。
由于本發(fā)明將光電導(dǎo)航定位和磁電導(dǎo)航定位綜合使用，使定位精度進(jìn)一步提高。當(dāng)光電導(dǎo)航定位起作用時(shí)，磁電導(dǎo)航定位起到輔助定位的作用；當(dāng)光線被遮擋，即光電導(dǎo)航定位失去作用時(shí)，磁電導(dǎo)航定位將將起到主導(dǎo)作用，使導(dǎo)航定位具有更少的約束條件和更高的精度。有效地解決了光電定位情況下人手、器具對(duì)機(jī)器視覺(jué)裝置采集圖象信息遮擋所帶來(lái)的不能精確定位，提供了一種克服手術(shù)導(dǎo)航中存在盲區(qū)的問(wèn)題，可以實(shí)時(shí)提高手術(shù)精確定位的數(shù)據(jù)和圖象，從設(shè)備上保障了手術(shù)安全性，也因此可以有效提高外科手術(shù)的效率和成功率，減輕病人痛苦，降低醫(yī)療成本等效能。


附圖是本發(fā)明的組成示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參見(jiàn)附圖，本發(fā)明作為光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置，包括有手術(shù)器械、手術(shù)臺(tái)、計(jì)算機(jī)、與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接的機(jī)器視覺(jué)裝置以及標(biāo)定板，手術(shù)器械3上安裝有磁源4和標(biāo)志點(diǎn)6，手術(shù)臺(tái)1的邊上安裝磁接收器2，機(jī)器視覺(jué)裝置5為一組雙CCD相機(jī)，固定在手術(shù)臺(tái)1的上方，手術(shù)臺(tái)1邊上安裝有三個(gè)磁接收器2，磁接收器2也與計(jì)算機(jī)7信號(hào)連接，是均勻分布安裝在手術(shù)臺(tái)1上的。
實(shí)施例2總體裝置同實(shí)施例1，機(jī)器視覺(jué)裝置5為多目立體視覺(jué)裝置，具體采用三CCD相機(jī)，這樣可以進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位精度。
實(shí)施例3總體裝置同實(shí)施例1，機(jī)器視覺(jué)裝置5采用兩組雙CCD相機(jī)，相對(duì)固定安裝于手術(shù)臺(tái)1的上方，這樣也是為了進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位精度。
實(shí)施例4作為光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位方法，本發(fā)明將光電定位和磁電定位這兩種定位法標(biāo)定在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，需要采用上述的光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置，具體的步驟包括有第一步首先將標(biāo)定板置于手術(shù)臺(tái)1上，設(shè)空間坐標(biāo)系o-xyz的xoy平面在標(biāo)定板上，z軸垂直于標(biāo)定板面，用機(jī)器視覺(jué)裝置5對(duì)標(biāo)定板的圖象和信息采集并成像，確定機(jī)器視覺(jué)裝置5在空間坐標(biāo)系中的相對(duì)位置，此時(shí)建立了光電定位坐標(biāo)系，并將其保存在計(jì)算機(jī)7中，以備手術(shù)器械3的光學(xué)定位使用；第二步利用機(jī)器視覺(jué)裝置5采集安裝了磁接收器2的手術(shù)臺(tái)的圖像，從而可以得到磁接收器2在空間坐標(biāo)系中的位置信息，將磁接收器2定位在光電定位坐標(biāo)系中，使得磁電定位坐標(biāo)系與光電定位坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，將其位置信息保存在計(jì)算機(jī)7中以備手術(shù)器械3的磁電定位使用，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了光電定位與磁電定位的坐標(biāo)系的統(tǒng)一；第三步術(shù)前用CT或MR斷層掃描儀對(duì)被手術(shù)者的待手術(shù)部位進(jìn)行斷層掃描，進(jìn)而進(jìn)行三維重建，將該獲得的三維人體模型圖像存入計(jì)算機(jī)7中；第四步手術(shù)過(guò)程中，由機(jī)器視覺(jué)裝置5采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像與計(jì)算機(jī)中存有的三維人體模型進(jìn)行匹配，直至三維人體模型與實(shí)際手術(shù)部位的圖像完全重合，然后通過(guò)光學(xué)定位坐標(biāo)中的位置信息和磁電定位坐標(biāo)中的位置信息復(fù)合導(dǎo)航，由機(jī)器視覺(jué)裝置5獲得的手術(shù)器械3的位姿及其上標(biāo)志點(diǎn)6的位置信息，結(jié)合由磁接收器2探測(cè)到的磁源4在手術(shù)器械3上的位置信息，可以推算出手術(shù)器械3即手術(shù)刀的刀刃與待手術(shù)部位的空間位置關(guān)系，從而得到手術(shù)刀刀刃與待手術(shù)部位的空間位置，將其空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)及圖像顯示到計(jì)算機(jī)7的顯示器上，供手術(shù)操作人員參考，以利于操作人員有效地移動(dòng)手術(shù)器械，將手術(shù)器械的刀刃與待手術(shù)部位的病變準(zhǔn)確地接觸，達(dá)到手術(shù)導(dǎo)航定位的目的。
在實(shí)際的手術(shù)過(guò)程，并非需要純?cè)O(shè)備的定位驅(qū)動(dòng)和操作，需要準(zhǔn)確的定位和參考，也需要具體手術(shù)操作的感覺(jué)，兩者結(jié)合，才能更加準(zhǔn)確。
本發(fā)明是從解決骨科手術(shù)中存在的問(wèn)題入手，所提供的定位準(zhǔn)確，精度高的光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置和方法可以應(yīng)用于更大的范圍，可適用于骨外科關(guān)節(jié)置換、脊柱內(nèi)固定、創(chuàng)傷內(nèi)固定等手術(shù)中。
權(quán)利要求
1.一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置，該裝置包括有手術(shù)器械、手術(shù)臺(tái)、計(jì)算機(jī)、與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接的機(jī)器視覺(jué)裝置以及標(biāo)定板，其特征在于手術(shù)器械(3)上安裝有磁源(4)和標(biāo)志點(diǎn)(6)，手術(shù)臺(tái)(1)邊上均勻分布至少安裝有三個(gè)磁接收器(2)，磁接收器(2)也與計(jì)算機(jī)(7)信號(hào)連接，機(jī)器視覺(jué)裝置(5)至少為一組CCD相機(jī)，固定安裝在手術(shù)臺(tái)(1)的上方。
2.一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位方法，其特征在于該方法包括光電定位和磁電定位，并將兩種定位法標(biāo)定在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，需要采用權(quán)利要求(1)所述的裝置，具體的步驟包括有第一步首先將標(biāo)定板置于手術(shù)臺(tái)(1)上，設(shè)空間坐標(biāo)系o-xyz的xoy平面在標(biāo)定板上，z軸垂直于標(biāo)定板面，用機(jī)器視覺(jué)裝置(5)對(duì)標(biāo)定板的圖象和信息采集并成像，確定機(jī)器視覺(jué)裝置(5)在空間坐標(biāo)系中的相對(duì)位置，此時(shí)建立了光電定位坐標(biāo)系，并將其保存在計(jì)算機(jī)(7)中，以備手術(shù)器械(3)的光學(xué)定位使用；第二步利用機(jī)器視覺(jué)裝置(5)采集安裝了磁接收器(2)的手術(shù)臺(tái)的圖像，從而可以得到磁接收器(2)在空間坐標(biāo)系中的位置信息，將磁接收器(2)定位在光電定位坐標(biāo)系中，使得磁電定位坐標(biāo)系與光電定位坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，將其位置信息保存在計(jì)算機(jī)(7)中以備手術(shù)器械(3)的磁電定位使用，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了光電定位與磁電定位的坐標(biāo)系的統(tǒng)一；第三步術(shù)前用CT或MR斷層掃描儀對(duì)被手術(shù)者的待手術(shù)部位進(jìn)行斷層掃描，進(jìn)而進(jìn)行三維重建，將該獲得的三維人體模型圖像存入計(jì)算機(jī)(7)中；第四步手術(shù)過(guò)程中，由機(jī)器視覺(jué)裝置(5)采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像與計(jì)算機(jī)中存有的三維人體模型進(jìn)行配準(zhǔn)，直至三維人體模型與實(shí)際手術(shù)部位的圖像完全重合，然后通過(guò)手術(shù)器械(3)在光學(xué)定位坐標(biāo)中的位置信息和磁電定位坐標(biāo)中的位置信息復(fù)合導(dǎo)航，得到手術(shù)器械(3)在空間坐標(biāo)系中的位姿，即得到手術(shù)器械(3)的刀刃與待手術(shù)部位的空間位置，將其空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)及圖像顯示到計(jì)算機(jī)(7)的顯示器上，供手術(shù)操作人員參考。
全文摘要
本發(fā)明是一種光磁電復(fù)合導(dǎo)航手術(shù)定位裝置和方法，該裝置的手術(shù)器械上安裝有磁源和標(biāo)志點(diǎn)，手術(shù)臺(tái)邊上至少安裝三個(gè)磁接收器，且均勻分布，磁接收器與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接，機(jī)器視覺(jué)裝置至少為一組雙CCD相機(jī)，固定安裝在手術(shù)臺(tái)上方，與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連接。采用CCD相機(jī)直接獲取手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，得到手術(shù)器械在光學(xué)定位坐標(biāo)中的位置信息和磁電定位坐標(biāo)中的位置信息，通過(guò)復(fù)合導(dǎo)航得到手術(shù)器械在空間坐標(biāo)系中的位姿，即手術(shù)刀刀刃與待手術(shù)部位的空間位置，該空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)及圖像顯示于計(jì)算機(jī)顯示器上，供手術(shù)操作人員參考。本發(fā)明定位準(zhǔn)確，精度高，可適用于骨外科關(guān)節(jié)置換、脊柱內(nèi)固定、創(chuàng)傷內(nèi)固定等手術(shù)應(yīng)用。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101049248SQ20071001789
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者田愛(ài)玲, 王紅軍, 于洵, 龐煒, 劉丙才 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)