手术导航系统及手术导航系统的配准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种手术导航系统及一种手术导航系统的配准方法，所述手术导航系统包括动态基准、扫描装置、立体相机及处理装置。所述扫描装置用于在术前扫描所述手术部位以获取三维扫描图像。所述立体相机用于在术中获取所述手术部位实时图像。所述处理装置用于，处理所述三维扫描图像及所述实时图像，以计算所述实时图像上的任一点在所述三维扫描图像的特征匹配点。本发明专利技术实施方式的手术导航系统在配准过程中能够减少人工操作的误差，即使在病患部位的面积很小的情况下也能快速实现自动配准，缩短了手术时间，进而降低手术风险，符合微创手术的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医疗领域，尤其涉及一种手术导航系统及一种手术导航系统的配准方法。
技术介绍
在手术过程中，往往需要对实际手术部位与术前扫描获取手术部位的三维图像进行配准以引导手术进行。目前的手术导航系统的配准方法中，医生要么人工选取并确认配准过程中的特征匹配点，从而实现配准，但是，由于医生的操作误差，导致配准精度低；要么在手术中大面积暴露患者的手术部位以实现自动配准，但是，不符合微创手术的需求。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提供一种手术导航系统及一种手术导航系统的配准方法。本专利技术实施方式的手术导航系统包括扫描装置、立体相机、处理装置及动态基准。所述扫描装置用于在术前手术部位以获取所述扫描图像。所述扫描图像包括扫描图像坐标系。所述立体相机用于在术中获取所述手术部位的实时图像。所述立体相机包括相机空间坐标系。所述处理装置连接所述扫描装置、所述立体相机及动态基准。所述处理装置用于处理所述扫描图像及所述实时图像，以对所述相机空间坐标系与所述扫描图像坐标系进行坐标系转换，及计算所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。在本专利技术实施方式的手术导航系统中，处理装置预存有所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点的计算算法，在手术进行时，手术部位的实时图像上的任一点都能够在手术部位的扫描图像中找到特征匹配点，从而实现术中手术部位的实际位置与术前的扫描图像之间的配准，进而准确地引导手术的进行。本专利技术实施方式的手术导航系统在配准过程中能够减少人工操作的误差，即使在手术部位的面积很小的情况下也能够快速实现自动配准，缩短了手术时间，进而降低手术风险，符合微创手术的需求。在某些实施方式中，所述扫描装置包括扫描空间坐标系，所述动态基准包括动态空间坐标系；所述处理装置还用于，对所述扫描图像坐标系、所述相机空间坐标系、所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系进行坐标系转换，进而计算所述相机空间坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，以得到所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。在某些实施方式中，所述扫描装置上设有至少三个不共线的第一标志，所述第一标志用于建立所述扫描空间坐标系；所述动态基准上设有至少三个不共线的第二标志，所述第二标志用于建立所述动态空间坐标系；所述立体相机用于根据双目成像原理，通过追踪所述第一标志及所述第二标志发出的信号确认所述相机空间坐标系与所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系之间的坐标系转换关系。在某些实施方式中，所述处理装置还用于，计算所述扫描空间坐标系中任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，计算所述相机空间坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系中的特征匹配点，计算所述动态空间坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系中的特征匹配点，计算所述动态空间坐标系中任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，及计算任意时刻所述动态空间坐标系中任一点在所述相机空间坐标系中的特征匹配点。在某些实施方式中，所述相机空间坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点根据以下公式计算：式中：为所述扫描图像坐标系中的任一点的坐标；为所述相机空间坐标系中任一点的坐标；R为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的旋转矩阵；R12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的旋转矩阵；为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的旋转矩阵的逆矩阵；R13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的旋转矩阵；T13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的平移向量；T13为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的平移向量；T12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的平移向量；T为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的平移向量。在某些实施方式中，所述手术导航系统还包括导航探针，所述导航探针包括探头，所述探头用于在所述手术部位上点取比较点，所述导航探针包括探针空间坐标系，所述处理装置用于，对所述探针空间坐标系与所述相机空间坐标系进行坐标系转换，进而计算获取所述比较点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，以实现所述手术导航系统术中导航。在某些实施方式中，所述比较点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点根据以下公式计算：式中：为所述扫描图像坐标系中的任一点的坐标；为所述比较点在所述探针空间坐标系中的坐标；R为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的旋转矩阵；R12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的旋转矩阵；为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的旋转矩阵的逆矩阵；R13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的旋转矩阵；为任意时刻所述探针空间坐标系与所述相机空间坐标系之间的旋转矩阵的逆矩阵；T14(t)为任意时刻所述探针空间坐标系与所述相机空间坐标系之间的平移向量；T13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的平移向量；T13为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的平移向量；T12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的平移向量；T为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的平移向量。本专利技术实施方式的手术导航系统的配准方法，包括以下步骤：在受施手术者的手术部位固定设置动态基准；在术前获取所述手术部位的扫描图像；对扫描图像坐标系与相机空间坐标系进行坐标系转换；在术中获取所述手术部位的实时图像；及计算所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。本专利技术实施方式的手术导航系统的配准方法中，在手术进行时，手术部位的实时图像上的任一点都能够在手术部位的扫描图像中找到特征匹配点，从而实现术中手术部位的实际位置与术前的扫描图像之间的配准，进而准确地引导手术的进行。本专利技术实施方式的手术导航系统的配准方法在配准过程中能够减少人工操作的误差，即使在手术部位的面积很小的情况下也能够快速实现自动配准，缩短了手术时间，进而降低手术风险，符合微创手术的需求。在某些实施方式中，所述对扫描图像坐标系与相机空间坐标系进行坐标系转换的步骤包括：对所述扫描图像坐标系、所述相机空间坐标系、扫描空间坐标系及动态空间坐标系进行坐标系转换；及计算所述相机空间坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点。在某些实施方式中，所述对所述扫描图像坐标系、所述相机空间坐标系、扫描空间坐标系及动态空间坐标系进行坐标系转换的步骤包括：计算所述扫描空间坐标系中任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点；计算所述相机空间坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系中的特征匹配点；计算所述动态空间坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系中的特征匹配点；计算所述动态空间坐标系中任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点；及计算任意时刻所述动态空间坐标系中任一点在所述相机空间坐标系中的特征匹配点。在某些实施方式中，所述相机空间坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种手术导航系统，其特征在于，包括：动态基准，所述动态基准用于固定设置在受施手术者的手术部位；扫描装置，所述扫描装置用于在术前扫描所述手术部位以获取扫描图像，所述扫描图像包括扫描图像坐标系；立体相机，所述立体相机用于在术中获取所述手术部位的实时图像，所述立体相机包括相机空间坐标系；及与所述动态基准、所述扫描装置及所述立体相机连接的处理装置，所述处理装置用于处理所述扫描图像及所述实时图像，以对所述相机空间坐标系与所述扫描图像坐标系进行坐标系转换，及计算所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。

【技术特征摘要】
1.一种手术导航系统，其特征在于，包括：动态基准，所述动态基准用于固定设置在受施手术者的手术部位；扫描装置，所述扫描装置用于在术前扫描所述手术部位以获取扫描图像，所述扫描图像包括扫描图像坐标系；立体相机，所述立体相机用于在术中获取所述手术部位的实时图像，所述立体相机包括相机空间坐标系；及与所述动态基准、所述扫描装置及所述立体相机连接的处理装置，所述处理装置用于处理所述扫描图像及所述实时图像，以对所述相机空间坐标系与所述扫描图像坐标系进行坐标系转换，及计算所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。2.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述扫描装置包括扫描空间坐标系，所述动态基准包括动态空间坐标系；所述处理装置还用于，对所述扫描图像坐标系、所述相机空间坐标系、所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系进行坐标系转换，进而计算所述相机空间坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，以得到所述实时图像上的任一点在所述扫描图像的特征匹配点。3.如权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述扫描装置上设有至少三个不共线的第一标志，所述第一标志用于建立所述扫描空间坐标系；所述动态基准上设有至少三个不共线的第二标志，所述第二标志用于建立所述动态空间坐标系；所述立体相机用于根据双目成像原理，通过追踪所述第一标志及所述第二标志发出的信号确认所述相机空间坐标系与所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系之间的坐标系转换关系。4.如权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述处理装置还用于：计算所述扫描空间坐标系中任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点；计算所述相机空间坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系及所述动态空间坐标系中的特征匹配点；计算所述动态空间坐标系中任一点在所述扫描空间坐标系中的特征匹配点；计算所述动态空间坐标系中任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点；及计算任意时刻所述动态空间坐标系中任一点在所述相机空间坐标系中的特征匹配点。5.如权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述相机空间坐标系中的任一点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点根据以下公式计算：xyz=RR12R13-1R13(t)x1y1z1+RR12R13-1T13(t)-RR12R13-1T13+RT12+T,]]>式中：xyz]]>为所述扫描图像坐标系中的任一点的坐标；x1y1z1]]>为所述相机空间坐标系中任一点的坐标；R为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的旋转矩阵；R12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的旋转矩阵；为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的旋转矩阵的逆矩阵；R13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的旋转矩阵；T13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的平移向量；T13为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的平移向量；T12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的平移向量；T为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的平移向量。6.如权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统包括导航探针，所述导航探针包括探头，所述探头用于在所述手术部位上点取比较点，所述导航探
\t针包括探针空间坐标系，所述处理装置用于对所述探针空间坐标系与所述相机空间坐标系进行坐标系转换，进而计算获取所述比较点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点，以实现所述手术导航系统在术中导航。7.如权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于，所述比较点在所述扫描图像坐标系中的特征匹配点根据以下公式计算：xyz=RR12R13-1R13(t)R14-1(t)abc-RR12R13-1R13(t)R14-1(t)T14+RR12R13-1T13(t)-RR12R13-1T13+RT12+T,]]>式中：xyz]]>为所述扫描图像坐标系中的任一点的坐标；abc]]>为所述比较点在所述探针空间坐标系中的坐标；R为在获取所述扫描图像时所述扫描图像坐标系与所述扫描空间坐标系之间的旋转矩阵；R12为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述扫描空间坐标系的旋转矩阵；为在获取所述扫描图像时所述相机空间坐标系相对于所述动态空间坐标系的旋转矩阵的逆矩阵；R13(t)为任意时刻所述相机空间坐标系与所述动态空间坐标系的旋转矩阵；为任意时刻所述探针空间坐标系与所述相机空间坐标系之间的旋转矩阵的逆矩阵；T14(t)为任意时刻所述探针空间坐标系与所述相机空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋诚谦，张志宏，王瑜，赵亚楠，张波，
申请(专利权)人：合肥美亚光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34