检测手术中导航标志物移动的方法和装置与流程

本申请属于计算机技术领域，特别是涉及一种检测手术中导航标志物移动的方法和装置。

背景技术：

近年来，随着计算机、精密机械工程、图像工程和医学等相关技术的进步，计算机辅助外科获得了也获得了快速发展。计算机辅助外科技术可以帮助医生对患者所患病情进行精确诊断；在手术过程中，也可清楚观察到手术工具相对于患部的精确位置，从而指导医生快速、准确地进行手术，节省手术时间，减少手术创伤。

以骨科手术为例，医生可以通过骨科手术导航系统辅助完成手术过程。目前，在骨科手术导航系统中，可以通过红外摄像机捕捉经由相机发出的红外线经过标记物反射后采集到的图像，再计算得到标记物的位姿。

在手术过程中，固定于病人腿骨的反射红外线的标记物不允许移动或者转动，否则会导致手术追踪位姿的失败。然而，由于手术器械的振动导致固定于病人腿骨的标记物上的螺丝钉变松，固定于病人骨头上的骨钉固定不牢靠，手术操作人员意外的碰撞等因素，都会导致固定于病人腿骨上的红外反射标记物移动，从而导致手术失败。因此，对固定于病人腿骨的红外反射标记物是否移动进行实时的检测、警告就显得尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种检测手术中导航标志物移动的方法和装置，以解决现有技术中在手上过程中，无法对导航标志物是否移动进行实时检测的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种检测手术中导航标志物移动的方法，包括：

在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光；

根据所述反射红外光，确定所述目标物的第一位置；

获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息；

根据所述相对位置信息，确定所述导航标志物的第二位置；

依据所述第一位置和所述第二位置，检测所述导航标志物是否发生移动。

本申请实施例的第二方面提供了一种检测手术中导航标志物移动的装置，包括：

接收模块，用于在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光；

第一确定模块，用于根据所述反射红外光，确定所述目标物的第一位置；

获取模块，用于获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息；

第二确定模块，用于根据所述相对位置信息，确定所述导航标志物的第二位置；

检测模块，用于依据所述第一位置和所述第二位置，检测所述导航标志物是否发生移动。

本申请实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的检测手术中导航标志物移动的方法。

本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的检测手术中导航标志物移动的方法。

本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行上述第一方面所述的检测手术中导航标志物移动的方法。

与现有技术相比，本申请实施例包括以下优点：

本申请实施例，通过在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光，从而可以根据上述反射红外光，确定出目标物的第一位置；同时，在获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息后，可以根据固定物之间的相对位置信息，确定出导航标志物的第二位置，进而可以依据第一位置和第二位置，检测导航标志物是否发生移动，有助于及时地对导航标志物的移动情况进行监测，降低手术风险，避免出现因导航标志物移动造成的手术事故的发生，提高手术导航系统运行的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例的一种检测手术中导航标志物移动的方法的步骤流程示意图；

图2是本申请一个实施例的一种手术过程中导航标志物的固定方式示意图；

图3是本申请一个实施例的另一种检测手术中导航标志物移动的方法的步骤流程示意图；

图4是本申请一个实施例的一种摄像头坐标系的示意图；

图5是本申请一个实施例的一种检测手术中导航标志物移动的装置的示意图；

图6是本申请一个实施例的一种终端设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。

参照图1，示出了本申请一个实施例的一种检测手术中导航标志物移动的方法的步骤流程示意图，具体可以包括如下步骤：

s101、在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光；

需要说明的是，本方法可以应用于骨科手术导航系统中。通过固定于病人骨头的导航标志物和目标物，以及红外摄像头，可以在导航标志物和目标物之间发生相对移动时，产生告警信号，从而切断骨科电动工具的电源，防止出现手术过程中由于导航标志物发生移动而导致的导航不精确甚至手术失败的问题。

如图2所示，是本申请一个实施例的一种手术过程中导航标志物的固定方式示意图。该导航标志物包括多个固定物，多个固定物通过固定架固定于导航标志物上。导航标志物还包括一连杆，可以通过螺钉固定于病人骨头。固定架和连杆之间设有螺丝旋钮，待旋钮松开以后可以调整旋转角度，从而使固定架上的固定物可以更好的对准红外摄像头。另一方面，与导航标志物对应设置的一目标物，可以用于检测与导航标志物之间的相对位置，以确定导航标志物是否发生移动。

因此，本实施例中的目标物和固定物均可以是红外线反射球。

在手术进行过程中，可以上述目标物和多个固定物可以反射红外光，使红外摄像头采集到经目标物和固定物反射的红外光。

需要说明的是，发射的红外光可以通过红外摄像头或其他光源产生，本实施例对此不作限定。

s102、根据所述反射红外光，确定所述目标物的第一位置；

在本申请实施例中，经过反射的红外光可以被红外摄像头捕获，进而确定出目标物的第一位置。

在具体实现中，红外摄像头可以根据反射红外光的入射角度，以及接收时间等数据，计算出目标物的第一位置。或者，当红外摄像头包括多个时，例如，存在两个红外摄像头时，还可以根据两个红外摄像头与目标物之间的三角关系，基于数学上的三角原理，计算出目标物的第一位置。本实施例对如何根据反射红外光计算目标物的第一位置不作限定。

s103、获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息；

在本申请实施例中，导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息可以是预先写入系统的。例如，对于图2所示的4个红外线反射球，可以预先测得每个球之间的位置关系，并将其写入系统，用于后续的计算过程。

通常，为了保证后续位置计算的准确性，固定架上的多个红外线反射球应当避免对称设置。

s104、根据所述相对位置信息，确定所述导航标志物的第二位置；

由于固定物也可以反射红外光，因此可以按照与计算目标物的第一位置相同的方式计算出每个固定物的位置信息，然后基于每个固定物之间的相对位置信息，将整个固定架和固定物作为一个整体考虑，计算出导航标志物的第二位置。

s105、依据所述第一位置和所述第二位置，检测所述导航标志物是否发生移动。

在具体实现中，可以根据第一位置和第二位置之间的相对距离是否发生变化，来检测导航标志物是否发生移动；也可以通过将第一位置和第二位置置于同一个坐标系中，通过判断第一位置和第二位置在该坐标系不同轴上的坐标值的变化情况，来检测导航标志物是否发生移动。例如，上述坐标系可以是三维坐标系，可以通过分别比较x轴、y轴或z轴上第一位置与第二位置的坐标值之间的数值差，如果存在任意数值差大于1.2mm，则可以判定导航标志物发生了移动。当然，根据实际情况，本领域技术人员在计算得到第一位置和第二位置后，还可以采用其他方式检测导航标志物是否发生移动，本实施例对此不作限定。

本申请实施例，通过在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光，从而可以根据上述反射红外光，确定出目标物的第一位置；同时，在获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息后，可以根据固定物之间的相对位置信息，确定出导航标志物的第二位置，进而可以依据第一位置和第二位置，检测导航标志物是否发生移动，有助于及时地对导航标志物的移动情况进行监测，降低手术风险，避免出现因导航标志物移动造成的手术事故的发生，提高手术导航系统运行的安全性和可靠性。

参照图3，示出了本申请一个实施例的另一种检测手术中导航标志物移动的方法的步骤流程示意图，具体可以包括如下步骤：

s301、在手术过程中，控制红外摄像头发射红外光，接收经所述目标物反射的所述反射红外光；

需要说明的是，本方法可以应用于骨科手术导航系统中，该系统可以运行于终端设备中。因此，本实施例的执行主体可以是终端设备，通过终端设备对手术中导航标志物是否移动进行监测，有助于在导航标志物发生移动时，及时地对手术操作者发出告警，或自动切断相应的手术工具的工作电源，降低手术风险。

在本申请实施例中，手术开始前，可以首先将如图2所示的导航标志物和目标物分别固定于病人骨头上的不同位置处，然后控制红外摄像头发射红外光，用于确定已固定的目标物的第一位置。

通常，红外摄像头可以发射特定波长的红外光。因此，可以直接控制骨科手术导航系统中的红外摄像头发射红外光，经作为目标物的红外线反射球发射后，使得红外线反射球的图像可以被红外摄像头捕捉，用于后续的位置计算。

在具体实现中，手术导航系统中配置的红外摄像头可以包括至少两个，在操作时，可以通过其中任意两个红外摄像头发射红外光，红外线反射球可以分别反射每个红外摄像头的红外光，并使另一个红外摄像头捕捉到被反射的红外光。

s302、根据所述反射红外光，确定所述目标物与任意两个红外摄像头之间的三角关系；

s303、基于所述三角关系，计算所述目标物在预设的摄像头坐标系下的第一位置；

在本申请实施例中，红外光在经红外线反射球发射后，两个红外摄像头上可以呈现出红外线反射球的图像，此时红外线反射球在图像中将会显得特别明显。由于有两个红外摄像头，可以利用三角原理，计算出红外线反射球在摄像头坐标系下的第一位置。

如图4所示，是本申请一个实施例的一种摄像头坐标系的示意图。在图4所示的示例中，摄像头坐标系可以是一个三维坐标系，分别包括坐标系的x轴、y轴和z轴。该坐标系可以预先写入系统中，根据物体在摄像头采集到的图像中所处的位置，确定出该物体在当前的摄像头坐标系下的具体位置。上述位置可以通过该位置在坐标系下的x轴、y轴和z轴上对应的坐标值来表示。

因此，第一位置可以通过其在摄像头坐标系下的第一x轴坐标、第一y轴坐标和第一z轴坐标表示。

s304、获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息；

如图2所示，固定物可以是设置于固定架上的红外线反射球。需要说明的是，作为固定物的红外线反射球和作为目标物的红外线反射球可以是采用相同材质制造的，固定架上的红外线反射球应当尽可能避免对称设置。

由于在一个刚体上最少存在有三个固定物(红外线反射球)，就能够通过红外摄像头的捕捉，获得该刚体的位置和姿态。因此，在本申请实施例中，固定架上可以包括至少三个红外线反射球。

例如，图2中所示的固定架上包括有四个红外线反射球。采用四个红外线反射球可以提供一定的冗余，如果存在一个红外线反射球被遮挡的情况时，其他三个红外线反射球也还可以继续反射红外光，用于获取其位置和姿态。

在本申请实施例中，固定架上的红外线反射球之间的相对位置信息可以预先写入系统中。

s305、分别接收经至少三个固定物反射的红外光；

s306、基于所述至少三个固定物反射的红外光，计算所述至少三个固定物在预设的摄像头坐标系下的位置信息；

与确定目标物的第一位置类似，两个红外线摄像头发射的红外光被固定物反射后，基于相同的三角原理，也可以计算出每个作为固定物的红外线反射球在当前的摄像头坐标系下的位置信息，上述位置信息也可以包括每个红外线反射球在摄像头坐标系下的x轴、y轴和z轴坐标值。

s307、根据所述至少三个固定物在预设的摄像头坐标系下的位置信息和所述多个固定物之间的相对位置信息，计算所述导航标志物在所述摄像头坐标系下的第二位置；

在本申请实施例中，由于固定架上的红外线反射球之间的位置关系已经提前写入系统，在计算出每个红外线反射球在摄像头坐标系下的位置信息后，可以通过匹配算法进行匹配，得出整个导航标志物在摄像头坐标系下的第二位置。上述第二位置也包括在摄像头坐标系下的第二x轴坐标、第二y轴坐标和第二z轴坐标。

s308、依据所述第一位置和所述第二位置，检测所述导航标志物是否发生移动；

在本申请实施例中，作为目标物的红外线反射球在摄像头坐标系下的第一位置已经知道，导航标志物作为一个整体在摄像头坐标系下的第二位置和姿态也可以通过计算得到。二者都在同一摄像头坐标系下，因此，可以通过位置相加减求得相互之间的位置差。

在本申请实施例中，首先可以分别计算第一x轴坐标与第二x轴坐标、第一y轴坐标与第二y轴坐标，以及，第一z轴坐标与第二z轴坐标之间的差的平方，并对上述差的平方相加，获得检测数值。

在具体实现中，假设以[a,b,c]表示第一位置中的第一x轴坐标、第一y轴坐标和第一z轴坐标(单位为毫米mm)，以[x,y,z]表示第二位置中的第二x轴坐标、第二y轴坐标和第二z轴坐标(单位为毫米mm)，那么上述计算过程可以表示为：

t＝(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²

即，数值t即是上述检测数值。

在本申请实施例中，若上述检测数值t大于预设数值，则可以判定导航标志物已发生移动。

作为本实施例的一种示例，上述预设数值可以是1(单位为平方毫米mm²)，即在计算得出的数值t大于1时，可以判定导航标志物已发生移动。

当然，上述预设数值仅为一种示例，根据精确度的不同需求，也可以设置其他数值作为预设数值。但一般应当保证该预设数值小于4，否则即使导航标志物已经发生了移动，也无法被及时监测到。

s309、在检测到所述导航标志物已发生移动时，生成报警信号，根据所述报警信号切断手术电动工具的电源。

在手术过程中，当检测到导航标志物已经发生移动时，需要及时对医生进行报警，并自动切断手术电动工具的电源，防止手术事故分发生。

对于骨科手术，手术电动工具主要包括医用骨科摆锯和医用骨钻，上述电动工具的直流供电电源由骨科导航系统的供电模块提供。因此，在骨科导航系统通过前述步骤计算出导航标志物移动后，可以及时产生报警信号，并通过单片机控制切断骨科电动工具的直流电源供应。

本申请实施例通过在病人骨头上固定导航标志物和目标物，可以基于红外摄像头的反射红外光确定出导航标志物和目标物各自的位置，基于上述位置可以实时地对导航标志物是否发生移动进行监测，有助于降低手术风险，提高手术导航系统运行的安全性和可靠性。

需要说明的是，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

参照图5，示出了本申请一个实施例的一种检测手术中导航标志物移动的装置的示意图，具体可以包括如下模块：

接收模块501，用于在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光；

第一确定模块502，用于根据所述反射红外光，确定所述目标物的第一位置；

获取模块503，用于获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息；

第二确定模块504，用于根据所述相对位置信息，确定所述导航标志物的第二位置；

检测模块505，用于依据所述第一位置和所述第二位置，检测所述导航标志物是否发生移动。

在本申请实施例中，所述接收模块501具体可以包括如下子模块：

摄像头控制子模块，用于在手术过程中，控制红外摄像头发射红外光；

第一红外光接收子模块，用于接收经所述目标物反射的所述反射红外光。

在本申请实施例中，所述红外摄像头包括至少两个，所述第一确定模块502具体可以包括如下子模块：

三角关系确定子模块，用于根据所述反射红外光，确定所述目标物与任意两个红外摄像头之间的三角关系；

第一位置计算子模块，用于基于所述三角关系，计算所述目标物在预设的摄像头坐标系下的第一位置。

在本申请实施例中，所述固定物包括至少三个，所述第二确定模块504具体可以包括如下子模块：

第二红外光接收子模块，用于分别接收经至少三个固定物反射的红外光；

位置信息计算子模块，用于基于所述至少三个固定物反射的红外光，计算所述至少三个固定物在预设的摄像头坐标系下的位置信息；

第二位置计算子模块，用于根据所述至少三个固定物在预设的摄像头坐标系下的位置信息和所述多个固定物之间的相对位置信息，计算所述导航标志物在所述摄像头坐标系下的第二位置。

在本申请实施例中，所述第一位置可以包括在所述摄像头坐标系下的第一x轴坐标、第一y轴坐标和第一z轴坐标，所述第二位置可以包括在所述摄像头坐标系下的第二x轴坐标、第二y轴坐标和第二z轴坐标，所述检测模块505具体可以包括如下子模块：

检测数值计算子模块，用于分别计算所述第一x轴坐标与第二x轴坐标、第一y轴坐标与第二y轴坐标，以及，第一z轴坐标与第二z轴坐标之间的差的平方，并对所述差的平方相加，获得检测数值；

移动判定子模块，用于若所述检测数值大于预设数值，则判定所述导航标志物已发生移动。

在本申请实施例中，所述装置还可以包括如下模块：

报警模块，用于在检测到所述导航标志物已发生移动时，生成报警信号；

切断模块，用于根据所述报警信号切断手术电动工具的电源。

在本申请实施例中，所述目标物和所述固定物可以为红外线反射球。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

参照图6，示出了本申请一个实施例的一种终端设备的示意图。如图6所示，本实施例的终端设备600包括：处理器610、存储器620以及存储在所述存储器620中并可在所述处理器610上运行的计算机程序621。所述处理器610执行所述计算机程序621时实现上述检测手术中导航标志物移动的方法各个实施例中的步骤，例如图1所示的步骤s101至s105。或者，所述处理器610执行所述计算机程序621时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图5所示模块501至505的功能。

示例性的，所述计算机程序621可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器620中，并由所述处理器610执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序621在所述终端设备600中的执行过程。例如，所述计算机程序621可以被分割成接收模块、第一确定模块、获取模块、第二确定模块、检测模块，各模块具体功能如下：

接收模块，用于在手术过程中，接收经目标物反射的反射红外光；

第一确定模块，用于根据所述反射红外光，确定所述目标物的第一位置；

获取模块，用于获取导航标志物上多个固定物之间的相对位置信息；

第二确定模块，用于根据所述相对位置信息，确定所述导航标志物的第二位置；

检测模块，用于依据所述第一位置和所述第二位置，检测所述导航标志物是否发生移动。

所述终端设备600可包括，但不仅限于，处理器610、存储器620。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是终端设备600的一种示例，并不构成对终端设备600的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备600还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器610可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器620可以是所述终端设备600的内部存储单元，例如终端设备600的硬盘或内存。所述存储器620也可以是所述终端设备600的外部存储设备，例如所述终端设备600上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard，smc)，安全数字(securedigital，sd)卡，闪存卡(flashcard)等等。进一步地，所述存储器620还可以既包括所述终端设备600的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器620用于存储所述计算机程序621以及所述终端设备600所需的其他程序和数据。所述存储器620还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。