CN112754658B - 一种手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术导航系统、控制方法、设备及存储介质；该手术导航系统包括点云采集器、主机，点云采集器能够快速获取目标部位的点云，主机能够对不同位置采集的点云数据进行拼接，获得融合点云，提高了配准效率和精度。

Description

一种手术导航系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种手术导航系统。

背景技术

手术导航在神经外科、骨科的手术中有着越来越多的广泛应用，目前的手术导航普遍采取使用骨钉的探针配准，或者使用红外线的多点配准；使用骨钉配准会给病人带来额外的创伤，患者接受度较差；而使用红外线配准耗时相对较长，多点配准数据的信息量有限，配准精度不理想，校验失败率较高，往往需要反复进行手动点配准，延长了手术时间，增加了风险。

因此，如何进行快速配准且保证精度是本领域仍需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种新的手术导航系统及其使用方法，以能够解决或部分解决以上技术问题。

第一方面，本发明提供了一种手术导航系统，其包括：

点云采集器，其包含投影组件和摄像组件，或者包含两个摄像组件；

主机，其包括处理器、输入设备和输出设备，被配置成包括但不限于接收、存储和处理数据，建立模型，显示数据，

其中，所述点云采集器为手持扫描设备，使用者手持使用；所述处理器根据点云采集器获得的点云信息建立目标身体部位的融合点云。

本发明中，主机能够接收包含患者目标部位的医学影像数据，建立所述患者目标部位的三维模型，基于三维模型提取影像点云；医学影像可以是任何现有的医学影像技术，例如：计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、PET-CT、X射线、超声扫描，医学影像数据可以融合使用，例如同时使用CT和MRI数据建立含有多维信息的三维模型，提高三维模型精度。

可选地，本发明的手术导航系统还包括追踪装置，所述追踪装置能够追踪相应的定位结构和安装了定位结构的位置；定位结构与追踪装置配套即可，可以使用不同的方案，例如，使用光学定位结构和光学追踪装置，光学定位结构可以是主动或者被动型的，主动型光学定位结构例如包含能够发射信号的定位球，被动型光学定位结构例如反光球或者角点作为光学标志物形成的刚性结构，光学标志物的排列具有空间特异性，能够被准确的识别。定位结构也可以是电磁定位结构，配套的追踪装置是电磁追踪装置。

进一步地，本发明的手术导航系统中，点云采集器与所述定位结构固定连接或可拆卸连接，使得所述追踪系统能够获得点云采集器的空间位置。

可选地，本发明的手术导航系统中，主机还包括采样通讯模块和采样开关，按下所述采样开关时，采样通讯模块与追踪装置和所述点云采集器通讯连接，追踪模块记录此时点云采集器在所述追踪装置坐标系中的空间位置，同时主机接收点云信息。

可选地，本发明的手术导航系统中，点云采集器与所述定位结构连接，使得追踪系统能够获得点云采集器的空间位置的情况下，处理器中加载了第一点云融合模块，所述第一点云融合模块能够执行以下方法：

确定所述点云采集器到所述定位结构的第一转换矩阵；

根据在该点云采集位置时所述定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述空间定位结构到所述所述追踪装置的第二转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将所述点云采集器在该点云采集位置获得的点云数据转换到所述追踪装置空间坐标系中，得到转换后的点云数据；

如此多次，使用多个第二转换矩阵将不同点云采集位置获得的扫描点云统一到光学追踪设备空间坐标系中并进行融合，得到融合点云。

可选地，本发明的手术导航系统中，点云采集器与定位结构连接，使得追踪系统能够获得点云采集器的空间位置的情况下，处理器中加载了第二点云融合模块，所述第二点云融合模块能够执行以下方法：

使用所述点云采集器对目标部位在n个点云采集位置进行点云信息采集，获得对应的n个点云信息，n为大于等于2的正整数；

将所述n个点云分别与所述根据医学影像获得的头部影像点云进行配准，获得n个配准关系，

对所述n个配准关系进行平均，得到融合配准关系。

n个配准关系可以逐步进行，随着n数字的增加配准关系会更加准确，即可以一边扫描一边配准，扫描两次后，使用两次扫描获得的点云数据，得到第一个融合配准关系，继续第三次扫描，之后使用前三次扫描获得的点云数据得到第二融合配准关系，依次类推，扫描次数越多，融合配准关系越准，实现了对配准的迭代校正。

在本发明的另一些实施例中，定位结构与目标身体部位连接或者设置成与目标身体部位附近的结构固定连接；

进一步地，述处理器中加载了第三点云融合模块，所述第三点云融合模块能够执行以下方法：

使用所述点云采集器在不同点云采集位置获得的不同的点云数据，其中点云数据包括定位结构；

根据所述定位结构在所述点云采集器中的空间位置信息，将所述点云采集器在不同点云采集位置获得的点云数据分别转换至以定位结构为原点的定位结构坐标系中，从而将所述点云采集器在不同点云采集位置获得的点云数据融合成融合点云。

可选地，本发明的手术导航系统中，没有定位结构连接的情况下，所述处理器中加载了第四点云融合模块，所述第四点云融合模块能够执行以下方法：

步骤1：使用所述点云采集器对目标部位进行点云信息采集，在第一点云采集位置获得第一点云数据；

步骤2：将所述点云采集器移动到与所述第一位置不同的第二点云采集位置获得第二点云数据；

步骤3：所述处理器对所述第一点云数据和第二点云数据进行融合计算，如果二者有重叠部分，则以第一云数据和第二点云数据生成第一融合点云，如果二者没有重叠部分，则执行步骤4；

步骤4：移动所述点云采集器到与所述第二点云采集位置不同的第三点云采集位置，获得第三点云数据然后继续与第一点云数据进行融合计算，直至获得第一融合点云。

进一步地，该方法中融合点云可以继续与后续的点云数据融合，形成在至少两个不同点云采集位置获得的点云信息的融合。

本发明实施例的创新点包括：

1、本实施例可以接收患者的头部医学影像数据，并建立患者的头部的三维模型，基于三维模型提取医学影像点云，接收至少包括患者头部多个不同位置的点云信息的空间信息数据，根据空间信息数据建立患者的头部表面的融合点云，将医学影像点云和融合点云进行配准，得到转换坐标矩阵。由于本发明实施例中的多个不同位置至少包括患者的脸部和非脸部分，因此，在配准时采用了其他部分的信息，提高了脸部之外部分配准精度，满足临床的需要。

2、本发明实施例中根据至少包括患者头部多个不同位置的点云信息的空间信息数据即可建立患者的头部表面的融合点云，然后根据医学影像点云和融合点云即可进行配准，无需在病人颅骨上打入螺钉或者在脸部贴若干标记物，也无需对标记物进行选择，扫描仪只要数十秒，大大提高了配准速度，节约了手术时间。

3、相比于激光点云配准方式只能获取患者脸部点云信息进行配准，本发明实施例不仅可以获取患者脸部点云信息还可以获取患者头颅其他部分的点云信息进行配准，因此，提高了配准的精度，且由于扫描仪采集的结构光点云信息中的点的数量是激光点云配准方式中激光笔采集的点的数据量的10-200倍，因此，提高了配准精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的手术导航系统的一个实例的示意图；

图2为本发明的手术导航系统的另一个具体实例的示意图；

图3为本发明的手术导航系统的又一个具体实例的示意图；

图4为本发明的手术导航系统的点云采集器的一个实例的示意图；

图5为本发明的手术导航系统的点云采集器的另一个实例的示意图；

图6为本发明的手术导航系统的定位结构的一个具体实例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例中，主机100包括输出设备101、输入设备102，处理器103；点云采集器装置200，定位结构300，追踪装置400。

输出设备101为通常为显示器等，能够将处理器所加载的各种软件、建模模块、点云融合模块等得到的结果显示出来，供使用者直观的查看；输入设备102,可以是用于向主机下达命令和传输数据的各种工具，例如鼠标、键盘、麦克风、USB接口、数据传输接口等；处理器103能够接收、处理数据，加载各种软件和模块，然后输出处理结果，可以使用市售的电脑主机箱；输出设备101、输入设备102和处理器103可以作为一个整体，也可以分开存在，只要能够良好的通讯连接，例如各自通过无线网络Wi Fi和蓝牙等。

点云采集装置200(参见图4和图5)包括投影组件201(或者摄影组件201)、摄影组件202和手柄203；投影组件包含光源、透镜组、数字微镜元件(Di gita l Mi cromi rrorDevi ce)和控制模块，摄影组件为摄像机，手柄203为适于人手持使用点云采集装置200的连接结构，点云采集装置200通常还具有组装使用的壳体；投影组件可以发射特定的编码图像到目标空间并通过摄像组件进行图像采集从而获取目标空间的点云信息。

定位结构300可以是光学定位结构或者电磁定位结构，光学定位结构可以是主动型光学定位结构例如包含能够发射信号的定位球，被动型光学定位结构例如反光球或者角点作为光学标志物形成的刚性结构，参见图6，示出了包含支架主体301和反光球302构成的一个被动型光学定位结构300的实例，其中四个反光球设定成独特的空间位置关系，使得能够唯一的确定定位结构300的空间位置。

定位结构300可以与点云采集器装置200，手术器械、人体、与人体临近的结构(例如病床)等连接，通过追踪装置400获得其空间位置，进而确定采集装置200，手术器械、人体的空间位置。

实施例1：

参见图1，示出了本发明的手术导航系统的一个具体实例，其包括：主机100包括输出设备101、输入设备102，处理器103；点云采集器装置200，定位结构300，光学追踪装置400；点云采集器装置200与定位结构300连接，使得追踪装置400能够获得点云采集器装置200的空间位置；追踪装置400还能够追踪安装了定位结构300的手术器械，例如手术刀等。

处理器103加载了第一点云融合模块，第一点云融合模块能够执行以下方法：

确定所述点云采集器200和与其连接的定位结构300的第一转换矩阵；

根据点云采集器200在某个点云采集位置时与其连接的定位结构300在光学追踪装置400空间坐标系中的空间位置信息确定定位结构300到光学追踪装置400的第二转换矩阵；

根据第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将点云采集器200在该点云采集位置获得的点云数据转换到光学追踪装置400空间坐标系中，得到转换后的点云数据；

如此多次，使用多个第二转换矩阵将不同点云采集位置获得的扫描点云统一到光学追踪设备空间坐标系中并进行融合，得到融合点云。

主机接收医学影像数据，例如CT和/或MRI数据建立三维模型，基于三维模型获得影像点云；获得影像点云的方法两种实例如下：

第一种：建立三维模型的外接球，在外接球的球面均匀采样得到球面点，计算得到所述球面点和球心点的连线与所述三维模型相交的第一个表面点，第一个表面点的合集即为所述影像点云。

第二种：通过图像分割技术提取所述三维模型上的皮肤部分，然后将所述皮肤部分转换成所述影像点云。

然后，使用融合点云与三维模型提取的影像点云进行配准，得到真实空间与虚拟模型的转换关系，从而可以经追踪装置400引导后续的手术器械空间定位。

或者，处理器中加载了第二点云融合模块，所述第二点云融合模块能够执行以下方法：

使用所述点云采集器对目标部位在n个点云采集位置进行点云信息采集，获得对应的n个点云信息，n为大于等于2的正整数；

将所述n个点云分别与所述根据医学影像获得的头部影像点云进行配准，获得n个配准关系，

对所述n个配准关系进行平均，得到融合配准关系。

n个配准关系可以逐步进行，随着n数字的增加配准关系会更加准确，即可以一边扫描一边配准，扫描两次后，使用两次扫描获得的点云数据，得到第一个融合配准关系，继续第三次扫描，之后使用前三次扫描获得的点云数据得到第二融合配准关系，依次类推，扫描次数越多，融合配准关系越准，实现了对配准的迭代校正。

实施例2

参见图2，示出了本发明的手术导航系统的另一个实例，其包括：主机100包括输出设备101、输入设备102，处理器103；点云采集器装置200，定位结构300，光学追踪装置400；定位结构300与病床固定连接，点云采集器装置200能够同时采集目标部位和定位结构300的点云信息；

处理器103加载了第三点云融合模块，第三点云融合模块能够执行以下方法：

使用点云采集器200在不同点云采集位置获得的不同的点云数据，其中点云数据包括定位结构300；

根据所述定位结构300在所述点云采集器200中的空间位置信息，将所述点云采集器在不同点云采集位置获得的点云数据分别转换至以定位结构为原点的定位结构坐标系中，从而将所述点云采集器在不同点云采集位置获得的点云数据融合成融合点云；

然后，主机100使用融合点云与三维模型提取的影像点云进行配准，得到真实空间与虚拟模型的转换关系，并根据定位结构300在追踪装置400中的空间位置，经追踪装置400引导后续的手术器械空间定位。

实施例3

参见图3，示出了本发明的手术导航系统的另一个实例，其包括：主机100包括输出设备101、输入设备102，处理器103；点云采集器装置200，光学追踪装置400；定位结构300仅与手术器械连接，未示出；

处理器103加载了第四点云融合模块，第四点云融合模块能够执行以下方法：

步骤1：使用所述点云采集器对目标部位进行点云信息采集，在第一点云采集位置获得第一点云数据；

步骤2：将所述点云采集器移动到与所述第一位置不同的第二点云采集位置获得第二点云数据；

步骤3：所述处理器对所述第一点云数据和第二点云数据进行融合计算，如果二者有重叠部分，则以第一云数据和第二点云数据生成第一融合点云，如果二者没有重叠部分，则执行步骤4；

步骤4：移动所述点云采集器到与所述第二点云采集位置不同的第三点云采集位置，获得第三点云数据然后继续与第一点云数据进行融合计算，直至获得第一融合点云。

融合点云可以继续与后续的点云数据融合，形成在两个或者更多个不同点云采集位置获得的点云信息的融合。

然后，主机100使用融合点云与三维模型提取的影像点云进行配准，得到真实空间与虚拟模型的转换关系，从而可以经追踪装置400引导后续的手术器械空间定位。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种手术导航系统，其特征在于，包括：

点云采集器，其包含投影组件和摄像组件，或者包含两个摄像组件；

主机，其包括处理器、输入设备和输出设备，被配置成包括但不限于接收、存储和处理数据，建立模型，显示数据；

追踪装置，所述追踪装置能够追踪相应的定位结构和安装了定位结构的位置；

其中，所述点云采集器为手持扫描设备，使用者手持使用，点云采集器与所述定位结构连接，使得所述追踪装置能够获得点云采集器的空间位置；所述处理器根据点云采集器获得的点云信息建立目标身体部位的融合点云；所述处理器中加载了第一点云融合模块，所述第一点云融合模块能够执行以下方法：

确定所述点云采集器到所述定位结构的第一转换矩阵；

根据在该点云采集位置时所述定位结构在光学追踪设备空间坐标系中的空间位置信息确定所述空间定位结构到所述所述追踪装置的第二转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵将所述点云采集器在该点云采集位置获得的点云数据转换到追踪装置空间坐标系中，得到转换后的点云数据；

如此多次，使用多个第二转换矩阵将不同点云采集位置获得的扫描点云统一到所述追踪装置空间坐标系中并进行融合，得到融合点云。

2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述追踪装置是光学追踪装置或电磁追踪装置，所述定位结构是相对应的光学定位结构或电磁定位结构。

3.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述主机还包括采样通讯模块和采样开关，按下所述采样开关时，所述采样通讯模块与所述追踪装置和所述点云采集器通讯连接，所述追踪装置记录此时点云采集器在所述追踪装置空间坐标系中的空间位置，同时主机接收点云信息。

4.根据权利要求1所述的一种手术导航系统，其特征在于，所述处理器中加载了第二点云融合模块，所述第二点云融合模块能够执行以下方法：

使用所述点云采集器对目标部位在n个点云采集位置进行点云信息采集，获得对应的n个点云信息，n为大于等于2的正整数；

将所述n个点云分别与根据医学影像获得的头部影像点云进行配准，获得n个配准关系，

对所述n个配准关系进行平均，得到融合配准关系。

5.一种手术导航系统，其特征在于，包括：

点云采集器，其包含投影组件和摄像组件，或者包含两个摄像组件；

主机，其包括处理器、输入设备和输出设备，被配置成包括但不限于接收、存储和处理数据，建立模型，显示数据；

追踪装置，所述追踪装置能够追踪相应的定位结构和安装了定位结构的位置，所述定位结构与目标身体部位连接或者设置成与目标身体部位附近的结构固定连接；

其中，所述点云采集器为手持扫描设备，使用者手持使用；所述处理器根据所述点云采集器获得的点云信息建立目标身体部位的融合点云，所述处理器中加载了第三点云融合模块，所述第三点云融合模块能够执行以下方法：

使用所述点云采集器在不同点云采集位置获得的不同的点云数据，其中点云数据包括定位结构；

根据所述定位结构在所述点云采集器中的空间位置信息，将所述点云采集器在不同点云采集位置获得的点云数据分别转换至以定位结构为原点的定位结构坐标系中，从而将所述点云采集器在不同点云采集位置获得的点云数据融合成融合点云；

根据所述追踪装置追踪到的所述定位结构的空间位置，将所述融合点云转换到追踪装置空间坐标系中。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的手术导航系统，其特征在于，所述处理器中加载了第四点云融合模块，所述第四点云融合模块能够执行以下方法：

步骤1：使用所述点云采集器对目标部位进行点云信息采集，在第一点云采集位置获得第一点云数据；

步骤2：将所述点云采集器移动到与所述第一点云采集位置不同的第二点云采集位置获得第二点云数据；

步骤3：所述处理器对所述第一点云数据和第二点云数据进行融合计算，如果二者有重叠部分，则以所述第一点云数据和所述第二点云数据生成第一融合点云，如果二者没有重叠部分，则执行步骤4；

步骤4：移动所述点云采集器到与所述第二点云采集位置不同的第三点云采集位置，获得第三点云数据然后继续与第一点云数据进行融合计算，直至获得第一融合点云。

7.根据权利要求1-5任一项所述的手术导航系统，其特征在于，所述方法中融合点云可以继续与后续的点云数据融合，形成在至少两个不同点云采集位置获得的点云信息的融合。

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