外科手术导航系统的定位精度检测装置及方法与流程

本发明涉及外科手术导航系统，具体涉及一种外科手术导航系统的定位精度检测装置，尤其是基于断层影像的外科手术导航系统定位精度检测装置。此外，本发明还涉及外科手术导航系统的定位精度检测方法。

背景技术：

长久以来，虽然ct、mri等先进的影像学诊断设备和技术蓬勃发展，但外科医生在术中对于病灶的定位和找寻仍然存在困难，通常病灶的切除程度仅仅依赖于外科医生的主观判断和个人经验。手术导航技术来源于立体定向神经外科，将医学影像诊断技术、空间定位技术、三维图像处理技术和高性能计算机结合起来，又称无框架立体定向外科或影像导航外科。

外科手术导航最初应用于神经外科，并逐步扩展到耳鼻喉科、脊柱外科、和创伤等领域。导航技术在临床上的应用是在传统外科手术理念上的巨大进步，明显提高了手术精度，减小了手术创伤，增加了手术的安全性。导航已成为微创外科的重要组成部分，作为一种先进的微侵袭设备，可降低医生手术的难度和强度，使手术更加安全。导航系统的基本原理基于空间定位技术和配准技术。目前手术导航系统基本采用两种空间定位技术：电磁定位技术和红外线光学定位技术。

手术导航系统的关键性能指标是定位精确度。手术过程中的定位误差主要分为两部分，一是系统本身的定位误差包括手术工具机械加工误差、反光球尺寸的微小差别、定位跟踪仪定位误差、影像处理导致的误差、配准误差等。二是手术过程中参考架松动、组织移位造成的误差。第一类误差是反映导航系统总体性能指标的误差，反映了一个导航系统的总体定位精度。而第二类误差影响因素更为复杂，属于不可控误差，与操作者的熟练程度、手术类型、手术部位等有关。

因此，反映手术导航系统性能水平的，是第一类误差，称为配准精确度。配准是通过坐标系的空间变换将患者术前的断层影像数据与患者实体之间达到空间上一致的过程，使影像数据与实际患者的解剖点一一对应。配准的精度是提高手术导航精确度的主要因素。目前，手术导航系统术中采用的配准方法分为点配准和面配准两种。点配准是在术中点取患者身上若干影像上可分辨的标记点，通过这些标记点的一一对应求出影像坐标系和患者坐标系的变换关系。面配准是在患者身上连续点取一个点云，通过点云和患者影像形状上的匹配求出影像坐标系和患者坐标系之间的变换关系。

目前市面上许多精度检测装置，都宣称其精度都为配准精度，但并不是实际定位精度。

中国发明专利cn105066916b公开了一种手术机器人系统精度检测装置及方法，其结构还是比较复杂的，制造成本高，操作不方便。

随着手术导航技术的发展，伴生的手术导航精度的检测技术也在持续改进，国际上所有的手术导航系统生产厂商都有自己的手术导航精度检测方法，导致市面上众多的手术导航系统的精度参数都由厂商自已给出，而没有一个标准来检测和衡量使广大的使用者不知道这个精度是如何得出的，导致使用中可能存在隐患。

另外，一个制约手术导航精度检测技术标准化的因素是：对于基于断层影像的手术导航系统来说，采用的配准方式主要是点配准和面配准。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种外科手术导航系统的定位精度检测装置，该装置既能检测点配准也能同时检测面配准精度，提高检测精度，且该装置结构更为简明，造价低廉，操作更加方便，能适用于更多的手术类型。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种外科手术导航系统的定位精度检测装置，其主体包括可拆卸的头模和底座；所述头模固定于所述底座上的卡槽中；该底座上设有高度不等的凸台，每个凸台顶部均有一个凹坑，凹坑的内部有一个靶点，所述靶点涂上不透射线材料。不透射线材料是指有较强阻隔吸收x光能力的材料。

作为本发明优选的技术方案，所述底座采用有机玻璃制成，所述底座上设有9个5mm~85mm高低不等，公差为10mm的凸台。

作为本发明优选的技术方案，在所述每个凸台的正中有一个凹坑，所述凹坑的形状呈圆锥形，上宽下窄，底部是半径为1mm的球形槽，圆锥顶角的角度为60度，凹坑的总深度为5mm；在所述凹坑内的球形槽内涂上不透射线材料。

作为本发明优选的技术方案，所述不透射线材料为铝或镁。

作为本发明优选的技术方案，所述凸台采用有机玻璃制成，每个凸台的长和宽均为30mm。

作为本发明优选的技术方案，所述球形槽与所述底座的距离分别为0mm~80mm不等，随机分布，整体公差为10mm。

作为本发明优选的技术方案，所述底座上含有与头模边缘斜度配合的卡槽，用于插入头模。

作为本发明优选的技术方案，该装置还包括探针，所述探针包括探针针尖、手柄和反光球；通过手柄连接探针针尖和反光球。

此外，本发明还提供一种外科手术导航系统的定位精度检测方法，采用上述外科手术导航系统的定位精度检测装置，该方法包括如下步骤：

步骤1，探针针尖接触底座上凸台的凹坑中间点（即凹坑内的球形槽），输入位置信息；

步骤2，通过用探针触摸底座上的其余基准点（即凹坑内的其余球形槽）进行定位，给每个标记点分配位置；通过变换矩阵在导航系统中建立模型与ct或mri数据的空间对应关系；

步骤3，将断层影像扫描得到的数据输入电脑，利用三维重建软件将断层影像数据重建成三维模型；

步骤4，数据重建好后，将该三维数据导入导航软件中，开始进行配准，配准方式有两种：点配准和面配准；

点配准：将探针随机移动到三个不同的位置，反复测量，不断进行新的配准，每个组合连续测试30次，记录数据，计算每个数据的平均值，sd均方差，标准误差和95％置信上限，系统记录图像和标记位置导出根均方误差，直到该值小于0.8mm停止配准，如果还是高于此值，则整体重新定位，最终将误差调整到可以接受的范围内；

面配准：利用探针，在模型的头模上划动，选取一组点云，该点云形成的曲面形状和三维模型中该区域的模型形状是一致的，将两者配准，即可将三维模型和实际模型在导航软件中配准；

步骤5，配准完成后，将头模取下，开始进行精度检测：选取一个靶点p，用探针针尖点在该靶点p凹坑中，这时，在导航界面的三个视图上就会出现利用十字坐标表示的探针针尖p的位置p’，在导航界面上分别测量这三个视图中p点和p’点之间的距离，即可计算出p点和p’点的空间距离，这个距离值即系统对p’点的定位误差；用上述方法对空间中的其余靶点进行定位误差测量。

作为本发明优选的技术方案，步骤2中，所述标记点和探针上安装的反光球都能被红外线空间定位装置识别。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明既能检测点配准也能检测面配准精度，能使使用者在使用中规避许多不必要的风险；大大提升手术导航的精度；使手术导航精度检测模型能够更加真实的反应手术情况。该检测装置结构简单，易于加工；尺寸参数简单，易于制造且能最大程度的保证模型精度，从而最大程度的保证结果的准确性。采用固定式的基准点，有利于提升选取点的精确性，并将镁铝等材料附着在基准点处，便于在图像上区分，能够适用于ct和mri两种影像学诊断技术，能够适应点配准和面配准两种配准方式，大大保证了装置的实用性，能广泛的适用于各种手术类型。与中国发明专利cn105066916b相比，本发明结构更为简明，造价低廉，操作更加方便，同时能保持较高的检测精度，能适用于更多的手术类型。

附图说明

图1是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置的整体立体结构示意图；

图2是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置中底座的结构示意图；

图3是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置探针的结构示意图；

图4是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置底座沿中线结构剖视图。

图中附图标记说明

a是头模，1是底座，2是卡槽，3是凸台，4是凹坑，41为球形槽，11是探针针尖，12是手柄，13是反光球。

具体实施方式

下面结合附图和实际使用情况对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的外科手术导航系统的定位精度检测装置，其主体主要由头模a和底座1组成。头模a是可拆卸的，底座1上含有与头模a边缘斜度配合的卡槽2，头模a固定于底座1上的卡槽2中（见图2和图4）。

如图2所示，底座1采用有机玻璃制成，底座1上面有9个有5mm~85mm高低不等，公差为10mm的凸台3，凸台3采用有机玻璃制成，每个凸台3的长和宽均为30mm。在每个凸台3的顶部正中有一个凹坑4，凹坑4的内部有一个靶点如图4所示，凹坑4的形状呈圆锥形，上宽下窄，底部是半径为1mm的球形槽41，圆锥顶角的角度为60度，凹坑4的总深度为5mm。球形槽41与底座1的距离分别为0mm~80mm不等，随机分布，整体公差为10mm。由于物质对x线放射性辐射的吸收能力随其含有的金属元素的原子序数的增大而提高，综合考虑，在凹坑4内的球形槽41内涂上不透射线材料（不透射线材料是指有较强阻隔吸收x光能力的材料，例如，铝镁等材料），考虑到加工中存在误差，在模型完成后，会采用高精度的现代化测量方式（三坐标测量仪）对用于检测的靶点空间位置进行测量，而后输入计算机，使计算机内的模型和实际模型一致。

如图3所示，本发明外科手术导航系统定位精度检测装置还包括探针，所述探针包括探针针尖11、手柄12和反光球13；探针针尖11用于接触靶点，手柄12用于连接探针针尖11和反光球13，探针上装有反光球13，双侧相机通过发射出各呈三角形的红外信号监测到器械的移动，由反光球13反射的光被导航系统的摄像头采集，计算机收到信号后，由系统显示器显示出精确的位置，实现空间定位。

装配完成后，开始进行精度测试，包括以下步骤：

步骤1，用探针针尖11接触底座1上凸台3的中间点（即凹坑4内的球形槽41），输入位置信息（0,0,0），此过程可以大大降低反复计算的工作量，与此同时也能够较为准确的计算出位置。

步骤2，通过用探针触摸底座1上的其余基准点（即其余凹坑4内的球形槽41）进行定位，给每个标记点分配位置。标记点和探针上安装的反光球13都能被红外线空间定位装置识别，通过变换矩阵在导航系统中建立模型与ct或mri数据的空间对应关系。

步骤3，将断层影像扫描得到的数据输入电脑，利用三维重建软件将断层影像数据重建成三维模型；

步骤4，数据重建好后，将该三维数据导入导航软件中，开始进行配准，配准方式有两种：点配准和面配准。

点配准：将探针随机移动到三个不同的位置，反复测量，不断进行新的配准，每个组合连续测试30次，记录数据，计算每个数据的平均值，sd（均方差），标准误差和95％置信上限，系统记录图像和标记位置导出根均方误差，该值有利于了解其观测值同真值之间的偏差，直到该值小于0.8mm停止配准，如果还是高于此值，则整体重新定位，最终将误差调整到可以接受的范围内。

面配准：利用探针，在模型的头模a上划动，选取一组点云，该点云形成的曲面形状和三维模型中该区域的模型形状是一致的，将两者配准，即可将三维模型和实际模型在导航软件中配准。

步骤5，配准完成后，将头模a取下，开始进行精度检测：在9个靶点(凸台3)中选取一个靶点p，用探针针尖11（见图3）点在该靶点p凹坑4中，这时，在导航界面的三个视图（即空间的三个方向）上就会出现利用十字坐标表示的探针针尖p的位置p’，在导航界面上分别测量这三个视图中p点和p’点之间的距离，即可计算出p点和p’点的空间距离，理论上这两个点完全对应，距离应该为0，然而在实际应用中，由于系统的定位存在一定偏差，所以距离可能不为0，而这个距离值即系统对p’点的定位误差。用上述方法对空间中的其余8个靶点进行定位误差测量。