一种基于混合现实的头戴式导航系统及导航配准方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于混合现实的头戴式导航系统，包括光学定位跟踪仪、MR模块和PC模块，所述光学定位跟踪仪和所述PC模块相连，所述PC模块和所述MR模块相连；所述MR模块预存有手术虚拟模型，所述光学定位跟踪仪用于通过追踪探针获取所述手术虚拟模型的标志点或患者手术部位的标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的位置数据，并将获取的位置数据传给所述PC模块，所述PC模块对收到的位置数据进行转换后传输至MR模块。本发明专利技术还涉及一种导航配准方法，采用基于奇异值分解的配准算法实现导航配准，本发明专利技术能够能够实现术中导航定位的精确性，降低手术风险。手术风险。手术风险。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合现实的头戴式导航系统及导航配准方法


[0001]本专利技术涉及混合现实
，特别是涉及一种基于混合现实的头戴式导航系统及导航配准方法。

技术介绍

[0002]颅底及颌面外科具有解剖结构的复杂性，术区毗邻重要器官、神经、血管等，要求外科医生力求以较小的创伤，安全、精确的完成手术操作。随着精准医疗理念的提出及影像科学的发展，手术导航系统已被证实能够较为精准地显示病灶、毗邻血管及神经纤维束等结构，使得颅颌面外科手术精度大大提高。然而传统的手术导航系统也存在一些问题，如术中导航虚拟图像与患者术区实际图像在不能空间上共同显示，术者必须同时关注显示器及手术视野，对医师判断及操作有较高要求；而且目前大部分导航系统组成部件多，注册、配准时间较长。
[0003]混合现实(Mixed reality，MR)是指合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。MR具有现实与虚拟世界的深度拟合、三维虚拟模型与真实世界的精准匹配、环境与使用者的实时交互的特性。以Microsoft的HoloLens为代表的的MR设备，虚拟对象不像增强现实那样简单地投影在现实世界的表面上，而是允许MR用户与现实世界以及添加到其中的数字内容进行交互。
[0004]混合现实技术作为一项前沿的创新技术，它在医学邻域已有临床应用的报道。目前也有科研工作者正在开发相关产品和方法，如：现有技术中基于混合现实的术中位置导航系统，通过深度融合术中腔镜信号，实时动态重建数据，以实现术中导航定位降低风险和并发症；现有技术中还存在基于混合现实的医学微创手术训练系统，通过混合现实的手术过程，实现了真实感很强的医学微创手术的训练，为医院和医学院校提供了良好的训练平台。理论条件下，混合现实将患者实际解剖结构的成像技术所获取的视觉信息与手术部位通过跟踪系统进行术中整合，完成患者和手术器械位置的连续时空配准。
[0005]但是，混合现实技术距离临床术中导航的应用还有很多问题，其中一个主要原因就是目前混合现实导航的虚实配准技术还不够完善，这主要体现在两方面：一方面，其对于实时动态监控邻近器官及组织的功能还严重不足，无法准确判断深层结构如神经、血管、肿瘤等的空间相关关系，也不能计算目标解剖结构的深度；一方面，混合现实导航的准确性有待提高，三维建模图像与实际术区存在较大偏移，不能满足外科的高精准性要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于混合现实的头戴式导航系统及导航配准方法，能够实现术中导航定位的精确性，降低手术风险。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于混合现实的头戴式导航系统，包括光学定位跟踪仪、MR模块和PC模块，所述光学定位跟踪仪和所述PC模块相连，所述PC模块和所述MR模块相连；所述MR模块预存有手术虚拟模型，所述光学定位跟踪仪用
于通过追踪探针获取所述手术虚拟模型的标志点或患者手术部位的标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的位置数据，并将获取的位置数据传给所述PC模块，所述PC模块对收到的位置数据进行转换后传输至MR模块。
[0008]所述光学定位跟踪仪通过串行接口和所述PC模块相连。
[0009]所述MR模块包括MR数据端和MR眼镜，所述MR数据端和所述PC模块相连，所述MR数据端用于将所述PC模块发送的数据传输至MR眼镜。
[0010]所述PC模块包括数据处理单元和通信单元，所述数据处理单元和所述光学定位跟踪仪相连，所述通信单元和所述MR模块相连。
[0011]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种导航配准方法，采用上述基于混合现实的头戴式导航系统，包括：
[0012]步骤(1)：获取患者手术部位的CT数据，根据所述CT数据建立手术虚拟模型；
[0013]步骤(2)：将所述手术虚拟模型导入MR模块；
[0014]步骤(3)：通过基于奇异值分解的配准算法将所述手术虚拟模型从虚拟模型坐标系转换到光学定位跟踪仪坐标系；
[0015]步骤(4)：通过基于奇异值分解的配准算法将所述手术虚拟模型从光学定位跟踪仪坐标系转换到MR模块坐标系；
[0016]步骤(5)：所述PC模块用于实时采集和处理光学定位跟踪仪追踪的数据并传输至MR数据端，再通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示。
[0017]所述步骤(3)具体为：通过光学定位跟踪仪追踪探针获取患者手术部位上的第一标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的第一位置坐标；
[0018]所述手术虚拟模型中与所述第一标志点相对应的第二标志点的第二位置坐标已知；
[0019]通过基于奇异值分解的配准算法将所述第一位置坐标和第二位置坐标进行配准，来将所述手术虚拟模型从虚拟模型坐标系转换到光学定位跟踪仪坐标系。
[0020]所述步骤(4)具体为：通过光学定位跟踪仪追踪探针获取所述手术虚拟模型中预设虚拟坐标点在光学定位跟踪仪坐标系下的第三位置坐标；
[0021]通过基于奇异值分解的配准算法将所述预设虚拟坐标点和第三位置坐标进行配准，来将所述手术虚拟模型从光学定位跟踪仪坐标系转换到MR模块坐标系。
[0022]所述基于奇异值分解的配准算法包括：
[0023]构建源点集P在变换矩阵H作用下相对于目标点集Q之间的误差函数f，公式为：R表示旋转矩阵，T表示平移向量；
[0024]通过计算旋转矩阵R和平移向量T使误差函数f达到最小值，具体为：
[0025]通过奇异值分解方法计算旋转矩阵R，公式为：[U,S,V]＝SVD(E)，其中，SVD()为矩阵奇异值分解，U表示第一正交阵，V表示第二正交阵，S表示以递减顺序排列的对角矩阵，T
rot
表示矩阵转置，centroid
P
表示源点集P的质心且P
i
表示源点集P中的点，centroid
Q
表示目标点集Q的质心且
Q
i
表示目标点集Q中的点，N表示N表示源点集P或目标点集Q中点的数量；
[0026]根据所述旋转矩阵R计算平移向量T，公式为：T＝centroid
Q
‑
Rcentroid
P
；
[0027]通过所述旋转矩阵R和所述平移向量T构建变换矩阵H，公式为：
[0028]所述步骤(5)中通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示，具体为：通过光学定位跟踪仪实时追踪设置在患者手术部位上的被动定位支架来获取患者手术部位的位置变换数据，并根据所述患者手术部位的位置变换数据实时更新手术虚拟模型的位置数据，最后通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示。
[0029]有益效果
[0030]由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术通过基于奇异值分解的配准算法实现术前三维建模图像与导航目标视觉图像的实时动态融合，提高术中导航定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，包括光学定位跟踪仪、MR模块和PC模块，所述光学定位跟踪仪和所述PC模块相连，所述PC模块和所述MR模块相连；所述MR模块预存有手术虚拟模型，所述光学定位跟踪仪用于通过追踪探针获取所述手术虚拟模型的标志点或患者手术部位的标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的位置数据，并将获取的位置数据传给所述PC模块，所述PC模块对收到的位置数据进行转换后传输至MR模块。2.根据权利要求1所述的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，所述光学定位跟踪仪通过串行接口和所述PC模块相连。3.根据权利要求1所述的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，所述MR模块包括MR数据端和MR眼镜，所述MR数据端和所述PC模块相连，所述MR数据端用于将所述PC模块发送的数据传输至MR眼镜。4.根据权利要求1所述的基于混合现实的头戴式导航系统，其特征在于，所述PC模块包括数据处理单元和通信单元，所述数据处理单元和所述光学定位跟踪仪相连，所述通信单元和所述MR模块相连。5.一种导航配准方法，其特征在于，采用如权力要求1
‑
4中任一所述基于混合现实的头戴式导航系统，包括：步骤(1)：获取患者手术部位的CT数据，根据所述CT数据建立手术虚拟模型；步骤(2)：将所述手术虚拟模型导入MR模块；步骤(3)：通过基于奇异值分解的配准算法将所述手术虚拟模型从虚拟模型坐标系转换到光学定位跟踪仪坐标系；步骤(4)：通过基于奇异值分解的配准算法将所述手术虚拟模型从光学定位跟踪仪坐标系转换到MR模块坐标系；步骤(5)：所述PC模块用于实时采集和处理光学定位跟踪仪追踪的数据并传输至MR数据端，再通过MR眼镜实现对所述手术虚拟模型的实时动态显示。6.根据权利要求5所述的导航配准方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：通过光学定位跟踪仪追踪探针获取患者手术部位上的第一标志点在光学定位跟踪仪坐标系下的第一位置坐标；所述手术虚拟模型中与所述第一标志点相对应的第二标志点的第二位置坐标已知；通过基于奇异值分解的配准算法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张诗雷，万新军，林承重，张勇，董韶，
申请(专利权)人：上海交通大学医学院附属第九人民医院，
类型：发明
国别省市：