基于光纤形状传感的手术导航方法与流程

本发明涉及一种手术装置，特别涉及一种基于光纤形状传感的手术导航方法。

背景技术：

随着现代社会生活节奏日益加快，为寻求手术过程中精准定位，可靠性强的技术手段，影像引导，手术导航已经成为了目前热点，手术导航系统是利用数字化扫描技术如核磁，ct等得到病人的术前影像信息，通过媒介输入到三维成像系统，建立病人的三维模型影像，医生则根据影像作出术前计划，设计多条手术路线，模拟操作。

现有的手术导航系统具有如下工作原理：医生手持经过手术工具对患者的手术目标实施操作,手术工具的空间立体定位及瞄准过程均在跟踪器的实时控制之下，而且跟踪器能够给出术中解剖部位与术前或术中x线/ct/mri等多模图像之间的位置关系，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械的位置一目了然，经过相应的坐标转换(平移、旋转等)，控制手术工具达到要求的部位，从而实施相应的手术操作。但因为手术器械多为硬器械，操作不当会产生损伤，手术路径也需要配合器械运行，并非为最优化路径。

技术实现要素：

本发明是针对手术导航的问题，提出了一种基于光纤形状传感的手术导航方法,在柔性手术器械中嵌入光纤，并在其体外末端按有视觉定位标签，为防止手术中遮挡标签，至少贴有三个视觉标签，与多个摄像头构成视觉系统，从而可以测量出柔性手术器械的位置和姿态，并将其测得的数据按照术前的核磁等影像的结果进行操作，利用光纤形状传感的原理跟踪手术路径。

本发明的技术方案为：一种基于光纤形状传感的手术导航方法，手术导航系统包括双目或多目摄像头、定位系统、柔性手术器械、至少一根光纤、视觉定位标签、三维成像系统和患者的术前图像；

光纤嵌在柔性手术器械中，在柔性手术器械体外末端固定有至少3个立体视觉定位标签，双目或多目摄像头采集到所有视觉定位标签图像送定位系统，定位系统通过对测得的每个视觉定位标签的位置和姿态计算手术器械体外末端位置和姿态，定位系统结合柔性手术器械体外末端的位置和姿态以及光纤的形态来计算得到柔性手术器械在体内末端的空间位置和姿态；三维成像系统使用术前影像生成虚拟人体，将柔性手术器械在体内末端的空间位置和姿态与虚拟人体影像结合，用于手术导航。

所述光纤的形态获取方法：由光纤引导的光信号中提取光纤形状

本发明的有益效果在于：本发明基于光纤形状传感的手术导航方法,采用了自动控制的全智能化设备，极大的提高了手术医生的精准度，使手术更加迅速、安全、准确，有效减少了手术所需要消耗的时间，其中双目或多目视觉系统能够精准的判断和识别柔性手术器械的位置和姿态，从而可判断柔性手术器械的具体位置，利用光纤形状传感的原理，使手术更加方便灵活。

附图说明

图1为本发明基于光纤形状传感的手术导航系统的整体结构示意图；

图2为本发明基于光纤形状传感的手术导航系统的视觉定位标签图；

图3为本发明基于光纤形状传感的手术导航方法流程图。

具体实施方式

如图1所示基于光纤形状传感的手术导航系统的整体结构示意图，系统包括多个摄像头101、定位系统102、柔性手术器械201、至少一根光纤202、视觉定位标签203、三维成像系统301和患者的术前图像。其中，将内辅光纤的柔性手术器械201的体外末端固定有视觉定位标签203，也可以通过安装不同位置的视觉定位标签203来区分柔性手术器械201的种类，以此来进行图像识别，将若干个摄像头101安装在手术台上方，通过双目摄像头或多目摄像头进行标定，获取摄像头101参数信息来捕捉柔性手术器械201上的视觉定位标签203，从而对柔性手术器械201在体外末端的位置和姿态进行测定，定位系统102则通过对测得的每个视觉定位标签的位置和姿态计算光纤在现实空间坐标系的三维坐标和光纤的俯仰角、偏航角以及横滚角，从而获得柔性手术器械201的整体形状。定位系统102结合柔性手术器械体外末端的位置和姿态以及整体的形态来计算得到柔性手术器械在体内末端的空间位置和姿态。三维成像系统301使用术前影像生成虚拟人体，结合柔性手术器械位姿获得柔性手术器械进入人体的真实位姿，手术医生通过显示屏观察柔性手术器械位置，指导手术进行，能更好的减少误差数据，提高系统精度。其中光纤202是一种玻璃纤维线缆，医用光纤202主要材质为石英玻璃，非常柔软，可任意弯曲到一定弧度而不会影响使用，不耐受外力，传输很快，在此应用了光纤的形状感测原理，利用了在光纤波导芯中传播的光的应变灵敏度，当此类芯偏离光纤中心时，取决于光纤曲率的应变，存在于各类技术中，其从光纤引导的光信号中提取光纤形状，并可应用于本发明的柔性手术手术器械201中。另外，需要注意的是，在视觉系统中，可以选取单目，双目，多目视觉系统，图1只画了两个摄像头101，实际上可以增加更多，单目视觉系统的计算精度在姿态角误差上明显会优于双目立体视觉，但准确率较低。图2中所示柔性手术器械201上也可以超过三个视觉定位标记点，通过不同位置即可以对柔性手术器械201进行合理区分，也可以防止信息冗余，使其更加精准的将柔性手术器械201的位姿测量出来，再通过光纤测量其手术路径按照术前路径进行手术。

手术导航系统是医生在术前利用医学影像和计算机图像学的方法，对患者进行术前模拟，将光纤嵌入到柔性手术器械中，在柔性手术器械体外末端按上立体视觉定位标签，双目或多目摄像头采集到视觉定位标签，实时测量当前位置和姿态反馈到定位系统，从而判断柔性手术器械在体外末端的位置和姿态，通过光纤对柔性手术器械整体形状进行测定，计算机系统结合手术器械体外末端位置和姿态以及整体形状，计算得到手术器械体内末端的空间位置和姿态。将术前做的影像与定位系统处理结果相结合，根据影像学资料建立的医学图像空间与现实操作进行映射，利用光纤形状传感的原理，用于导航和跟踪术前路径进行手术操作。

如图3所示基于光纤形状传感的手术导航方法流程图，具体程序流程如下：首先将双目或多目摄像头进行初始化以及进行摄像机标定，通过标定得到摄像机101的内外参数，并将其和定位系统102建立联系，得到与定位系统102中对应位置的相应关系，然后检测柔性手术器械201在体外末端的视觉定位标签，读取摄像头101数据，如果未检测到，继续上述操作。如图2所示基于光纤形状传感的手术导航系统的视觉定位标签图，如果多目摄像头检测到视觉定位标签，则利用摄像头的视差计算出视觉定位标签上a、b、c三个点的物理坐标，由a、b、c这3个标签可以计算出柔性手术器械201的偏航角、横滚角、俯仰角，以此推断柔性手术器械201在世界参考坐标系中的坐标，实时观察柔性手术器械201的位置和姿态，确保手术的精确性，以便帮助医生更好的观察柔性手术器械201的实时位置。由于光纤202进入人体的位置关系是已知的，因此，在术前核磁共振、ct等影像基础上，可以判断柔性手术器械201目前所在的位置和方向，利用光纤测形状的原理，根据手术医生按照术前规划的路径一步步的进行手术操作，确保手术安全进行。

所述光纤可以嵌入到柔性手术器械中，其材质特殊，需选用一种对形状敏感的光纤作为测量工具，光纤材质为玻璃制的，非常柔软，可任意弯曲到一定弧度与柔性手术器械相连，性能稳定，无毒性，小巧，绝缘，可反复使用，并可以用于各种手术。

所述手术器械为柔性手术器械，不要求必须为刚性手术器械，柔性手术器械结构简单紧凑，尺寸小，可进行任意柔性弯曲，使手术器械在手术过程中可以自由灵活的移动，以减少手术时间，提高手术效率。并且定位系统通过双目或多目视觉系统获取柔性手术器械上视觉定位标签的位置信息，计算柔性手术器械在空间上的偏航角，横滚角，俯仰角计算其坐标，就可以进行立体匹配计算出柔性手术器械最终在世界坐标系上的坐标参数，从而确定柔性手术器械的位置和姿态。

本发明将原有手术器械换为柔性手术器械，突破了传统手术的界限，更新了手术器械的概念，对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义。并在柔性手术器械末端按有视觉定位标签，在手术导航中，采用一个视觉定位标签只能判断出柔性手术器械的位置，而两个标签则可以判定其柔性手术器械的姿态，但当手术过程中，为防止视觉标签被遮挡，常常在柔性手术器械体外末端表面按有至少三个带有标记点的标签，使其能够精确定位，提高系统精度。其次，在柔性手术器械中按有光纤，光纤不仅在通信、电力和电子等领域的应用日益扩展，而且在医学上也有了重大突破。因此，可利用光纤对柔性手术器械的整体形状进行测定，跟踪监测术前设计的路径，使得手术医生能够根据所述路径进行手术，延伸了手术医生有限的视觉范围，提高手术的精确性。