专利名称：光磁电复合导航手术定位装置和方法
技术领域：
本发明属于手术导航定位技术领域，主要涉及光学手术导航方法和电磁导航方法，具体讲就是一种光磁电复合导航手术定位方法。
背景技术：
在传统的骨科手术中，医生是根据预先获取的患部影像图片，首先在自己的大脑中形成三维成像和术前的手术规划，然后进行临床手术。这种手术的成功与否往往取决于医生个体的外科临床经验和技能，无法量化术中需要的参数，容易出现定位偏差，很难达到最佳手术效果。
为了解决传统骨科手术中存在的上述问题，并随着计算机技术、医学影像技术、图像采集处理技术、图像重建技术及高新技术的发展，近年来出现了计算机辅助手术导航技术。它是将病人术前医学影像进行三维重建，通过手术中的导航定位系统，对手术器械在手术视野中的位置进行精确地实时跟踪定位，术者参照监视器上的三维影像观察手术器械的实际位置，使手术更安全、彻底，有效地减轻病人的痛苦，同时减少手术并发症的发生。
立体定位系统是计算机辅助手术导航技术的关键，它是医学图像、手术部位和手术器械之间的桥梁，可以确定目标空间位置，实时获得目标在其测量范围内的三维坐标，它连接图像信息和手术目标，是虚拟到现实的桥梁，直接关系到计算机辅助手术系统的精度和手术的成败。目前实现手术导航定位的方法有机械定位法、超声波定位法、光学定位法和电磁定位法等。机械定位法技术成熟，不会被阻塞，手术器械更换简便，但自由运动空间有限，系统的机械结构复杂庞大，而且无法跟踪移动的物体；超声定位法价格便宜，校准方便，但易受环境影响，精度差，且存在遮挡干扰现象；光学手术导航系统是目前使用最广泛的定位方法，它是通过摄像机观察目标，根据立体视觉原理重建目标的空间位置，光学导航系统的定位精度高、手术器械更换方便、可跟踪多个目标、速度快，但其容易受术者、助手及手术器械等遮挡的干扰，易受背景光线的影响，并且价格昂贵；电磁导航系统是由磁场发射器和接收器组成，根据接收信息的强度和相位，计算空间位置和方向，电磁导航系统的设备简单、体积小，不受光信号阻挡，但其精度较低，工作范围小，易受铁磁性物质的干扰。
中国专利申请号为200610122578.X的发明专利申请公开了一项名称为“一种人体骨科手术导航系统”，是采用一C型臂或G型臂X线机、空间伺服定位器及计算机结合，与CT或MR断层扫描仪所获的三维模型配准，使用空间伺服定位器实现手术过程的导航和控制到位，整个系统以机械定位和被控为主，定位精度低，设备多，造价大。
发明人曾就本主题以光磁电复合导航手术定位为关键词，在中国科技期刊数据库、中国科技经济新闻数据库、中国科技成果数据库、中国学术会议论文数据库、中国科技文献数据库、中国学位论文数据库、中国专利数据库(光盘)、中国优秀博硕士学位论文全文数据库、中国企业知识仓库(CEKD)、中国学术期刊全文数据库(CNKI)、国家科技成果网、http//www.google.com、陕西省科技图书文献资源共享服务系统(SNSTL)、全国报刊索引(科技版)、科学技术研究成果公报、中文科技资料目录、中国医学文摘、陕西省科技进步奖授奖项目对本题进行了检索，均没有检索到类似结构和手术定位方法的相关文献。未发现与本发明密切相关的信息，也未检索到和本发明一样的报道或文献。
发明内容
本发明的目的是克服上述定位方法存在的缺点和不足，提供一种光磁电复合导航手术定位方法。应用此方法对计算机辅助手术系统进行定位，既克服了光学导航中无法穿透非透光障碍物阻挡的局限，又避免电磁定位工作范围小的不足。同时，光电信号能够以较高的精度对由磁电元件的非线性特性、不确定性干扰所产生的磁电导航误差进行纠偏与补偿，而磁电信号又能够以其穿透能力对光学定位的结果进行重定位，从而大大提高整个系统的导航定位精度。
下面对本发明进行详细说明本发明是一种光磁电复合导航手术定位装置，其实现在于该装置包括有手术器械、手术台、计算机、与计算机数据连接的机器视觉装置以及标定板，本发明的手术器械上安装有磁源和标志点，手术台边上均匀分布至少安装有三个磁接收器，磁接收器也与计算机信号连接，机器视觉装置至少为一组双CCD相机，固定安装在手术台的上方。
直接在手术台上进行光电定位，磁电定位的器件也安装在手术台及手术器械上，保证了定位坐标的形成，与计算机数据连接的双CCD相机固定在手术台的上方，不仅实时采集手术现场的图像信息，同时通过摄取手术台上不同标志的图像，将光电定位与磁电定位的坐标统一在同一坐标中。
本发明还是一种光磁电复合导航手术定位方法，其实现在于在于该方法包括光电定位和磁电定位，并将两种定位法标定在统一的坐标系中，需要采用如前所述的光磁电复合导航手术定位装置，具体的步骤包括有第一步首先将标定板置于手术台上，设空间坐标系o-xyz的xoy平面在标定板上，z轴垂直于标定板面，用机器视觉装置对标定板的图象和信息采集并成像，确定机器视觉装置在空间坐标系中的相对位置，此时建立了光电定位坐标系，并将其保存在计算机中，以备手术器械的光学定位使用；第二步利用机器视觉装置采集安装了磁接收器的手术台的图像，从而可以得到磁接收器在空间坐标系中的位置信息，将磁接收器定位在光电定位坐标系中，使得磁电定位坐标系与光电定位坐标系原点重合，将其位置信息保存在计算机中以备手术器械的磁电定位使用，此时实现了光电定位与磁电定位的坐标系的统一；第三步术前用CT或MR断层扫描仪对被手术者的待手术部位进行断层扫描，进而进行三维重建，将该获得的三维人体模型图像存入计算机中；第四步手术过程中，由机器视觉装置采集到的现场图像与计算机中存有的三维人体模型进行配准，直至三维人体模型与实际手术部位的图像完全重合，然后通过手术器械在光学定位坐标中的位置信息和磁电定位坐标中的位置信息复合导航，得到手术器械在空间坐标系中的位姿，即得到手术器械的刀刃与待手术部位的空间位置，将其空间位置关系数据及图像显示到计算机的显示器上，供手术操作人员参考，以利于操作人员有效地移动手术器械，将手术器械的刀刃与待手术部位的病变准确地接触，达到手术导航定位的目的。
本发明采用CCD相机直接对手术台进行光电定位和磁电定位又同时进行手术现场的图象信息获取，将光学定位坐标中的位置信息和磁电定位坐标中的位置信息复合导航，得到手术器械在空间坐标系中的位姿。为了保证光电定位和磁电定位在手术导航定位过程中同时使用，其必须将两种定位法标定在统一的坐标系中。机器视觉装置固定在手术台的上方，用标定板方法对机器视觉装置进行标定，从而可以得到机器视觉装置在空间坐标系中的相对位置坐标，并将其保存在计算机中，以备手术器械的光学定位使用。该标定方法不需要移动标定板，并且标定精度高。三个磁接收器按均匀分布安装在手术台上，利用双CCD相机确定磁接收器在空间坐标系中的位置信息，即将磁接收器定位在空间坐标系中，将其保存在计算机中以备手术器械的磁电定位使用，这样，就可以实现光电定位与磁电定位的坐标系的一致性。
由于本发明将光电导航定位和磁电导航定位综合使用，使定位精度进一步提高。当光电导航定位起作用时，磁电导航定位起到辅助定位的作用；当光线被遮挡，即光电导航定位失去作用时，磁电导航定位将将起到主导作用，使导航定位具有更少的约束条件和更高的精度。有效地解决了光电定位情况下人手、器具对机器视觉装置采集图象信息遮挡所带来的不能精确定位，提供了一种克服手术导航中存在盲区的问题，可以实时提高手术精确定位的数据和图象，从设备上保障了手术安全性，也因此可以有效提高外科手术的效率和成功率，减轻病人痛苦，降低医疗成本等效能。
附图是本发明的组成示意图。
具体实施例方式实施例1参见附图，本发明作为光磁电复合导航手术定位装置，包括有手术器械、手术台、计算机、与计算机数据连接的机器视觉装置以及标定板，手术器械3上安装有磁源4和标志点6，手术台1的边上安装磁接收器2，机器视觉装置5为一组双CCD相机，固定在手术台1的上方，手术台1边上安装有三个磁接收器2，磁接收器2也与计算机7信号连接，是均匀分布安装在手术台1上的。
实施例2总体装置同实施例1，机器视觉装置5为多目立体视觉装置，具体采用三CCD相机，这样可以进一步提高导航定位精度。
实施例3总体装置同实施例1，机器视觉装置5采用两组双CCD相机，相对固定安装于手术台1的上方，这样也是为了进一步提高导航定位精度。
实施例4作为光磁电复合导航手术定位方法，本发明将光电定位和磁电定位这两种定位法标定在统一的坐标系中，需要采用上述的光磁电复合导航手术定位装置，具体的步骤包括有第一步首先将标定板置于手术台1上，设空间坐标系o-xyz的xoy平面在标定板上，z轴垂直于标定板面，用机器视觉装置5对标定板的图象和信息采集并成像，确定机器视觉装置5在空间坐标系中的相对位置，此时建立了光电定位坐标系，并将其保存在计算机7中，以备手术器械3的光学定位使用；第二步利用机器视觉装置5采集安装了磁接收器2的手术台的图像，从而可以得到磁接收器2在空间坐标系中的位置信息，将磁接收器2定位在光电定位坐标系中，使得磁电定位坐标系与光电定位坐标系原点重合，将其位置信息保存在计算机7中以备手术器械3的磁电定位使用，此时实现了光电定位与磁电定位的坐标系的统一；第三步术前用CT或MR断层扫描仪对被手术者的待手术部位进行断层扫描，进而进行三维重建，将该获得的三维人体模型图像存入计算机7中；第四步手术过程中，由机器视觉装置5采集到的现场图像与计算机中存有的三维人体模型进行匹配，直至三维人体模型与实际手术部位的图像完全重合，然后通过光学定位坐标中的位置信息和磁电定位坐标中的位置信息复合导航，由机器视觉装置5获得的手术器械3的位姿及其上标志点6的位置信息，结合由磁接收器2探测到的磁源4在手术器械3上的位置信息，可以推算出手术器械3即手术刀的刀刃与待手术部位的空间位置关系，从而得到手术刀刀刃与待手术部位的空间位置，将其空间位置关系数据及图像显示到计算机7的显示器上，供手术操作人员参考，以利于操作人员有效地移动手术器械，将手术器械的刀刃与待手术部位的病变准确地接触，达到手术导航定位的目的。
在实际的手术过程，并非需要纯设备的定位驱动和操作，需要准确的定位和参考，也需要具体手术操作的感觉，两者结合，才能更加准确。
本发明是从解决骨科手术中存在的问题入手，所提供的定位准确，精度高的光磁电复合导航手术定位装置和方法可以应用于更大的范围，可适用于骨外科关节置换、脊柱内固定、创伤内固定等手术中。
权利要求
1.一种光磁电复合导航手术定位装置，该装置包括有手术器械、手术台、计算机、与计算机数据连接的机器视觉装置以及标定板，其特征在于手术器械(3)上安装有磁源(4)和标志点(6)，手术台(1)边上均匀分布至少安装有三个磁接收器(2)，磁接收器(2)也与计算机(7)信号连接，机器视觉装置(5)至少为一组CCD相机，固定安装在手术台(1)的上方。
2.一种光磁电复合导航手术定位方法，其特征在于该方法包括光电定位和磁电定位，并将两种定位法标定在统一的坐标系中，需要采用权利要求(1)所述的装置，具体的步骤包括有第一步首先将标定板置于手术台(1)上，设空间坐标系o-xyz的xoy平面在标定板上，z轴垂直于标定板面，用机器视觉装置(5)对标定板的图象和信息采集并成像，确定机器视觉装置(5)在空间坐标系中的相对位置，此时建立了光电定位坐标系，并将其保存在计算机(7)中，以备手术器械(3)的光学定位使用；第二步利用机器视觉装置(5)采集安装了磁接收器(2)的手术台的图像，从而可以得到磁接收器(2)在空间坐标系中的位置信息，将磁接收器(2)定位在光电定位坐标系中，使得磁电定位坐标系与光电定位坐标系原点重合，将其位置信息保存在计算机(7)中以备手术器械(3)的磁电定位使用，此时实现了光电定位与磁电定位的坐标系的统一；第三步术前用CT或MR断层扫描仪对被手术者的待手术部位进行断层扫描，进而进行三维重建，将该获得的三维人体模型图像存入计算机(7)中；第四步手术过程中，由机器视觉装置(5)采集到的现场图像与计算机中存有的三维人体模型进行配准，直至三维人体模型与实际手术部位的图像完全重合，然后通过手术器械(3)在光学定位坐标中的位置信息和磁电定位坐标中的位置信息复合导航，得到手术器械(3)在空间坐标系中的位姿，即得到手术器械(3)的刀刃与待手术部位的空间位置，将其空间位置关系数据及图像显示到计算机(7)的显示器上，供手术操作人员参考。
全文摘要
本发明是一种光磁电复合导航手术定位装置和方法，该装置的手术器械上安装有磁源和标志点，手术台边上至少安装三个磁接收器，且均匀分布，磁接收器与计算机信号连接，机器视觉装置至少为一组双CCD相机，固定安装在手术台上方，与计算机数据连接。采用CCD相机直接获取手术现场的图像信息，得到手术器械在光学定位坐标中的位置信息和磁电定位坐标中的位置信息，通过复合导航得到手术器械在空间坐标系中的位姿，即手术刀刀刃与待手术部位的空间位置，该空间位置关系数据及图像显示于计算机显示器上，供手术操作人员参考。本发明定位准确，精度高，可适用于骨外科关节置换、脊柱内固定、创伤内固定等手术应用。
文档编号A61B5/00GK101049248SQ20071001789
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者田爱玲, 王红军, 于洵, 庞炜, 刘丙才 申请人:西安工业大学