一种用于外科手术的光磁一体化定位导航方法与流程

本发明涉及外科手术定位导航技术领域，尤其涉及一种用于外科手术的光磁一体化定位导航方法。

背景技术：

在传统外科手术中，医生根据术前获取的患部图像，了解病灶位置及结构，在自己的大脑中形成虚拟成像和手术路径规划，然后进行临床手术。手术的成功与否，取决于临床医生的个人经验和专业技能，无法将手术中的各种参数形成量化，从而容易造成定位偏差，手术效果往往达不到理想状态。

为了解决传统外科手术中存在的上述问题，并伴随着计算机技术、图像处理技术、图像重建技术等前沿技术的发展，计算机辅助手术导航技术应运而生。手术导航技术是利用计算机技术将医学影像进行三维重建，结合定位系统，对患者、手术器械的空间位置进行精确地跟踪定位。计算机通过屏幕成像，将三维重建模型和所需参数反馈给操作者。操作者参照手术器械位置和各种手术参数使手术过程更安全、彻底，有效减轻病人痛苦，同时减少手术带来的并发症。

立体定位系统是计算机辅助手术导航技术的关键，立体定位系统将医学图像、手术部位和手术器械之间相结合，从而确定目标的空间位置，实时获取目标在其三维坐标系中的相关参数。立体定位系统将手术目标及图像三维重建模型相连接，搭建了从现实到虚拟的桥梁。图像信息的处理和空间定位是计算机辅助手术成败的决定性因素。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。表1系统性的将目前各种定位方法进行了比较。

表1多种定位方法优缺点的对比表

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高精度、高准确度的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于外科手术的光磁一体化定位导航方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将磁场发生器置于手术台靠近患处位置，将磁场发生器与计算机相连接；

步骤2、将光学相机置于手术台的斜上方位置，将光学相机与计算机相连接；

步骤3、将光学标记物、磁场标记物与手术器械相连，通过校准计算机获得手术器械末端位置与光学标记物、磁场标记物的相对距离，使得计算机获取手术器械末端的位置和姿态；

步骤4、将光磁一体标记物与患者相连，保证光磁一体标记物与患者的相对位置固定，并在手术中不会被移动；

步骤5、通过计算机重合磁场发生器和光学相机的o-xyz坐标，以形成新的空间坐标系；

步骤6、将术前ct或mr数据导入计算机，计算机将ct或mr断层扫描结果在步骤5中形成的空间坐标系中进行三维重建，对三维重建后的图像进行处理，以得到满足操作者要求的三维图像；

步骤7、利用光磁一体化的标记笔，在患者患处周围选取生理特征点，进行点云配准；计算机根据点云配准所获得的数据，对所描点的区域进行轮廓重建；轮廓重建后，计算机根据已经储存的患处三维建模进行类比，使得患者与虚拟三维重建的图像相关联，使患者患处的实时姿态在计算机三维图像上得到反馈；

步骤8、操作者根据计算机反馈的图像及数据参数规划手术路径，进行手术。

优选的是，所述磁场发生器采用立方体磁场发生器。

优选的是，所述磁场发生器采用平板式磁场发生器。

优选的是，在所述步骤5中，所形成的新的空间坐标系能够在切换导航系统时，使手术器械的坐标值不变，在形成新的空间坐标系的过程中，会用到四个坐标系，分别是磁场发生器坐标系，记作base，磁场标记物坐标系，记作magnet，光学相机坐标系，记作camera，以及光学标记物坐标系，记作marker，为了形成新的空间坐标系，需要求解的是磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转换关系，即magnethmarker；

对于固定光学相机的情况，磁场标记物和光学标记物从位置1移动到位置2：

在位置1时：

base＝basehmagnet(1)*magnet(1)；

magnet(1)＝magnethmarker*marker(1)；

marker(1)＝inv(camhmarker(1))*camera；

合并上面三个公式：

base＝basehmagnet(1)*magnethmarker*inv(camhmarker(1))*camera；

移动到位置2后：

base＝basehmagnet(2)*magnet(2)；

magnet(2)＝magnethmarker*marker(2)；

marker(2)＝inv(camhmarker(2))*camera；

因此，base＝basehmagnet(2)*magnethmarker*inv(camhmarker(2))*camera；

其中：basehmagnet表示磁场发生器坐标系到磁场标记物坐标系的转化关系，包括旋转矩阵和平移向量，可以由磁场系统中得出，basehmagnet(1)表示在位置1时，磁场发生器坐标系到磁场标记物坐标系的转化关系，basehmagnet(2)表示在位置2时，磁场发生器坐标系到磁场标记物坐标系的转化关系；magnethmarker表示磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转化关系，这一转化关系在手术器械移动过程中是不变的；camhmarker是指光学相机坐标系到光学标记物坐标系的转化关系，可以由光学相机标定求出，camhmarker(1)表示在位置1时，光学相机坐标系到光学标记物坐标系的转化关系，camhmarker(2)表示在位置2时，光学相机坐标系到光学标记物坐标系的转化关系；marker(1)是指光学标记物在位置1的坐标，marker(2)是指光学标记物在位置2的坐标；magnet(1)是指磁场标记物在位置1的坐标，magnet(2)是指磁场标记物在位置2的坐标；inv是指对当前矩阵求其逆矩阵；

由于磁场标记物和光学标记物的相对位置是不变的，所以不管手术器械怎么移动：

basehmagnet(1)*magnethmarker*inv(camhmarker(1))*camera＝basehmagnet(2)*magnethmarker*inv(camhmarker(2))*camera；

上式中，变量只有magnethmarker，通过上式便能求出磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转换关系。

优选的是，在所述步骤6中，对三维重建后的图像进行处理包括：根据手术需要选取三维重建后的图像的灰度值范围，对图像进行分割、三维测量操作。

本发明的该方案的有益效果在于上述用于外科手术的光磁一体化定位导航方法具有高精度、高准确度的优点，其融合了光学导航及电磁导航的优势，该方法既克服了光学导航中易被非透光性物体遮挡的问题，又解决了电磁定位精度差的不足；该方法将光学导航及电磁导航进行优势互补，利用光学导航的高精度来校准电磁导航因不确定性干扰所产生的误差；利用电磁信号的高穿透性对光学定位结果进行弥补，从而扩大了系统的有效范围，提高了系统精度，解决了系统易受光、金属等不确定因素干扰的问题。本发明所涉及的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法使操作者能够更有效的利用手术器械，将手术器械更准确的作用于患处，达到手术导航定位的作用。本发明所涉及的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法适用范围广，可用于骨创伤、耳鼻喉、脊柱及神经外科等相关手术中。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的光磁一体化定位导航装置的分布示意图。

图2示出了本发明所涉及的光磁一体化定位导航方法的流程图。

图3示出了本发明所涉及的各坐标系的示意图。

附图标记：1-光学相机，2-磁场发生器，3-光学标记物，4-磁场标记物，5-手术器械，6-计算机，7-光磁一体标记物，8-手术台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所涉及的光磁一体化定位导航装置包括光学相机1、磁场发生器2、手术器械5、计算机6、手术台8，其中在手术器械5上分别设有光学标记物3和磁场标记物4；所述光磁一体化定位导航装置还包括用于固定在患者身上的光磁一体标记物7。

本发明所涉及的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法包括以下步骤，如图2所示：

步骤1、将磁场发生器2置于手术台8靠近患处位置，将磁场发生器2与计算机6相连接。

具体的磁场发生器2安装位置的选择基于医生习惯和手术需要；根据手术需要和患处位置的不同，可以选择两种磁场发生器：第一、立方体磁场发生器，其具有体积较小，磁场范围小，能最大限度的释放手术空间的优点；第二、平板式磁场发生器，将其置于患处及手术台下方，其具有磁场空间大，最大限度释放手术操作空间的优点。

步骤2、将光学相机1置于手术台8的斜上方位置，将光学相机1与计算机6相连接。具体的光学相机1安装位置的选择基于医生习惯和手术需要，以最大限度避免手术中光学相机1被非透光性物质所遮挡为原则。

步骤3、将光学标记物3、磁场标记物4与手术器械5相连，通过校准计算机6获得手术器械5末端位置与光学标记物3、磁场标记物4的相对距离，使得计算机6获取手术器械5末端的位置和姿态。

步骤4、将光磁一体标记物7与患者相连，保证光磁一体标记物7与患者的相对位置固定，并在手术中不会被移动。

步骤5、通过计算机6重合磁场发生器2和光学相机1的o-xyz坐标，以形成新的空间坐标系。

为了能够无缝切换导航系统(即光学导航系统和磁导航系统之间的切换)，必须保证手术器械5的坐标值在切换导航系统时不变，但光学导航系统和磁导航系统具有各自独立的坐标系，同一个手术器械5在不同的坐标系下的坐标是不一样的，所以必须借助一个同时具有光学标记物3和磁场标记物4的基准点，这个基准点定义了一个基准坐标系，并在两种导航系统中均可见。

在导航时，手术器械5和基准坐标系在导航系统中可见，我们可以将手术器械5的坐标转换到基准坐标系下，因为在两种导航设备中使用了同一个基准坐标系，就确保了切换导航系统时，手术器械5的坐标值不变。

具体的在形成新的空间坐标系(也就是基准坐标系)的过程中，会用到四个坐标系，分别是磁场发生器坐标系(base)，磁场标记物坐标系(magnet)，光学相机坐标系(camera)，以及光学标记物坐标系(marker)，各坐标系的示意图如图3所示，为了形成新的空间坐标系，我们需要求解的是磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转换关系，即magnethmarker。

对于固定光学相机的情况，磁场标记物4和光学标记物3从位置1移动到位置2：

在位置1时：

base＝basehmagnet(1)*magnet(1)；

magnet(1)＝magnethmarker*marker(1)；

marker(1)＝inv(camhmarker(1))*camera；

合并上面三个公式：

base＝basehmagnet(1)*magnethmarker*inv(camhmarker(1))*camera；

移动到位置2后，因为：

base＝basehmagnet(2)*magnet(2)；

magnet(2)＝magnethmarker*marker(2)；

marker(2)＝inv(camhmarker(2))*camera；

所以，base＝basehmagnet(2)*magnethmarker*inv(camhmarker(2))*camera；

其中：basehmagnet表示磁场发生器坐标系到磁场标记物坐标系的转化关系，包括旋转矩阵和平移向量，可以由磁场系统中得出，basehmagnet(1)表示在位置1时，磁场发生器坐标系到磁场标记物坐标系的转化关系，basehmagnet(2)表示在位置2时，磁场发生器坐标系到磁场标记物坐标系的转化关系；magnethmarker表示磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转化关系，这一转化关系在手术器械5移动过程中是不变的；camhmarker是指光学相机坐标系到光学标记物坐标系的转化关系，可以由光学相机标定求出，camhmarker(1)表示在位置1时，光学相机坐标系到光学标记物坐标系的转化关系，camhmarker(2)表示在位置2时，光学相机坐标系到光学标记物坐标系的转化关系。

marker(1)是指光学标记物在位置1的坐标，marker(2)是指光学标记物在位置2的坐标；magnet(1)是指磁场标记物在位置1的坐标，magnet(2)是指磁场标记物在位置2的坐标；inv是指对当前矩阵求其逆矩阵。

因为磁场标记物和光学标记物的相对位置是不变的，所以不管手术器械5怎么移动：

basehmagnet(1)*magnethmarker*inv(camhmarker(1))*camera＝basehmagnet(2)*magnethmarker*inv(camhmarker(2))*camera；

上式中，变量只有magnethmarker(即磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转换关系)，因此通过上式便能求出磁场标记物坐标系到光学标记物坐标系的转换关系。

步骤6、将术前ct或mr数据导入计算机6，计算机6将ct或mr断层扫描结果在步骤5中形成的空间坐标系中进行三维重建，根据手术需要选取上述三维重建后的图像的灰度值范围，对图像进行分割、三维测量操作，以达到满足操作者要求的三维图像。

步骤7、利用光磁一体化的标记笔，在患者患处周围选取生理特征点，进行点云配准；计算机6根据点云配准所获得的数据，对所描点的区域进行轮廓重建；轮廓重建后，计算机6根据已经储存的患处三维建模进行类比，使得患者与虚拟三维重建的图像相关联，使患者患处的实时姿态在计算机6三维图像上得到反馈。

所述步骤7中所涉及的点云配准采用基于最小二乘法的最优匹配方法，它通过重复进行“确定对应点集——计算最优刚体变换”的过程，直到某个表示正确配准的收敛准则得到满足。其基本思想如下：

假定三维空间r³中存在两组含有n个数据点的点集p和x，分别为：

p＝{p1,p2…pn,pi∈r³}和x＝{x1,x2…,xn,xi∈r³}；

三维空间点集p中各点经过三维空间变换后与点集x中的点一一对应，其单点变换关系式为：

pi＝r*xi+t；

上式中，r为三维旋转矩阵，t为平移向量。

单点残差：di＝|pi-rxi-t|²；

配准算法的目标就是找到最优的r和t，使配准残差最小。

配准残差：

设算法中的完全空间参数向量表示为：

x＝[qr,qt]^t＝[q0q1q2q3txtytz]^t；

其中，qt是平移向量，一般表示为[txtytz]。qr是一个用来表示旋转变换的单元四元数，参数q0，q1，q2，q3满足的约束条件为：

q0²+q1²+q2²+q3²＝0；

qr可以通过映射关系式转换为一般的3×3旋转矩阵r。

假设数据集完全重叠并且有着相同的采样密度，则点集p和变换后的点集x有着相同的质心，所以将二者的质心相减就可以得到平移向量qt，即

qt＝μp-r(qr)μx；

式中，表示两点集的质心坐标。

根据式(q0²+q1²+q2²+q3²＝0)可得

所以，若以[q0q1q2]作为解空间，则解空间应该满足约束：

那么，求解旋转矩阵(r(qr))和平移向量qt就转化为在以原点为球心的单位球内(包括边界)求解使得目标函数值最小的一点。

因此，配准算法流程可以总结为以下步骤：

①根据点集p中的点坐标，在点集x中搜索相应最近点xk。

②计算得到两个点集的质心为μp和μx。

③由两个点集构造协方差矩阵c：

④令tr(c)表示c的迹(矩阵对角线的和)，由协方差矩阵c构造对称矩阵e为：

⑤用jacobi方法计算出矩阵e的特征值和特征向量，使目标函数式(1)达到最小的四元数qr就是矩阵e的最大特征值所对应的特征向量。

⑥计算平移向量qt＝μp-r(qr)μx。

⑦得到完全坐标变换向量x＝[qr,qt]^t。

⑧应用完全坐标变换向量得到采样点集新的位置，并求得均方误差dmin＝f(x)。

⑨判断均方误差是否满足迭代结束条件，满足则终止迭代，否则转向①重复。

步骤8、操作者根据计算机6反馈的图像及数据参数规划手术路径，进行手术。

本发明所涉及的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法具有高精度、高准确度的优点，其融合了光学导航及电磁导航的优势，该方法既克服了光学导航中易被非透光性物体遮挡的问题，又解决了电磁定位精度差的不足；该方法将光学导航及电磁导航进行优势互补，利用光学导航的高精度来校准电磁导航因不确定性干扰所产生的误差；利用电磁信号的高穿透性对光学定位结果进行弥补，从而扩大了系统的有效范围，提高了系统精度，解决了系统易受光、金属等不确定因素干扰的问题。本发明所涉及的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法使操作者能够更有效的利用手术器械，将手术器械更准确的作用于患处，达到手术导航定位的作用。本发明所涉及的用于外科手术的光磁一体化定位导航方法适用范围广，可用于骨创伤、耳鼻喉、脊柱及神经外科等相关手术中。