一种手术导航的自适应注册系统及方法技术方案

本发明专利技术属于手术定位导航技术领域，公开了一种手术导航的自适应注册系统及方法，包括至少3个固定设置在影像采集器机壳上的光学工具形成的光学工具阵列，首次进行影像采集器坐标系和光学导航相机坐标系注册时，光学导航相机同时扫描光学工具阵列获取光学工具阵列初始坐标，当光学导航相机发生移动时，光学导航相机获取光学工具阵列的新坐标，计算模块根据光学工具阵列的初始坐标自动计算出新坐标系的位移矩阵，根据位移矩阵重新计算光学导航相机坐标系相对于影像采集器坐标系的转换矩阵。本发明专利技术在光学工具阵列不发生位移的情况下只需注册一次即可，后续的光学导航相机发生移动，系统可自动进行自适应注册，方便快捷，提高了手术效率。手术效率。手术效率。

【技术实现步骤摘要】
一种手术导航的自适应注册系统及方法


[0001]本专利技术属于手术定位导航
，尤其涉及一种手术导航的自适应注册系统及方法。

技术介绍

[0002]采用光学导航相机的手术导航系统中，如CT手术导航系统，CT坐标系和光学导航相机坐标系的准确配准注册（即建立CT坐标系和光学导航相机坐标系对应关系）是其发挥导航作用的前提。注册方式有术前注册和术中注册两种。常见的术中注册方法是病人身上放置光学和影像都能识别的标记点进行术中注册；常见的术前注册方法是光学导航相机固定于影像采集设备如CT机附近，光学导航相机视场朝CT孔洞方向，注册参考板放置于CT床上。光学导航相机获取注册参考板上第一标记部件（光学标记球）在光学导航相机坐标系下坐标，然后CT扫描注册参考板上第二标记部件（CT下可以显影的定位球）。第一标记部件和第二标记部件可以重合也可以不重合。注册软件识别所扫描CT影像中的第二标记部件定位球心，从而获取定位球在CT坐标系下坐标。根据光学标记球和显影定位球加工时的已知空间关系，注册软件通过最小二乘法等算法可计算出光学导航相机坐标系和CT坐标系的转换矩阵，完成CT坐标系和光学导航相机坐标系的注册。注册完成后，注册参考板就可以移除，在手术过程中，导航软件根据光学导航相机拍摄的图像位置就能够确定CT扫描图像中所对应的位置，从而实现手术导航。
[0003]这种术前注册方法要求注册后光学导航相机位置相对于CT位置固定。如果光学导航相机位置相对于CT机发生变化，那就需要重新放置注册参考板，CT机重新扫描第二标记部件、光学导航相机重新识别第一标记部件进行重新注册。由于手术室空间并不富裕，还需要安放其他如麻醉呼吸机、消融、监护设备等等，因此光学导航相机通常无法固定安装。光学导航相机往往需要固定于可移动支架台车上。平时光学导航相机台车和机器人台车存放在手术室角落，需要导航时把光学导航相机台车和机器人台车推出来使用。这样每次手术前都需要重新注册。特别的在手术过程中如果由于意外导致相机位置发生移动，这都需要重新进行注册操作。而注册过程通常比较费时（通常包含放置注册参考板、影像扫描及注册验证等过程），会占用手术的宝贵时间，导致使用不方便。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种手术导航的自适应注册系统及方法，以解决光学导航相机发生移动后需要重新注册的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的一种手术导航的自适应注册系统及方法的具体技术方案如下：一种手术导航的自适应注册系统，包括光学导航相机、注册参考板和计算模块，所述计算模块与影像采集器、光学导航相机通信连接，所述影像采集器、光学导航相机、注册参考板和计算模块配合完成首次注册，所述系统包括光学工具，所述光学工具固定设置在
所述影像采集器机壳上，所述光学工具至少具有3个，多个光学工具形成光学工具阵列，在系统进行首次影像采集器坐标系和光学导航相机坐标系注册时，光学导航相机同时扫描光学工具阵列获取光学工具阵列初始坐标并保存，当光学导航相机发生移动时，所述光学导航相机获取光学工具阵列在光学导航相机中的新坐标，所述计算模块根据首次注册时光学工具阵列的初始坐标自动计算出新坐标系的位移矩阵，根据位移矩阵重新计算光学导航相机坐标系相对于影像采集器坐标系的转换矩阵，实现采用术前注册工作模式时光学导航相机注册后位置变化时自适应注册。
[0006]进一步的，每个光学工具分别分布在影像采集器机壳上的不同位置，所述任意三个光学工具不在一条直线上。
[0007]进一步的，所述光学工具本体为刚性基座，所述光学工具上具有至少3个反光标记，所述反光标记之间的距离两两不相等，且所述反光标记相连组成的多边图形不能为旋转对称图形。
[0008]进一步的，所述光学工具上具有对准标记，所述对准标记为一对贴纸，所述贴纸上具有对准符号，一个贴于光学工具表面，另一个贴于影像采集器机壳上，所述对准符号对齐放置，用于光学工具是否和机壳发生位置移动的校验指示。
[0009]进一步的，所述影像采集器的机壳上固定安装有机壳位移检测器，所述机壳位移检测器包括控制电路板和电池，所述电池为控制电路板提供所需电源，所述控制电路板包括主控模块、无线通信模块、传感模块和报警提示模块，所述无线通信模块、传感模块、报警提示模块与主控模块电连接，所述主控模块用于控制其他各模块工作，所述传感模块为位移传感器，所述无线通信模块用于建立机壳位移检测器与监控终端的无线通信，所述报警提示模块用于当机壳发生拆装或整体位置移动时提供位移报警。
[0010]进一步的，所述光学导航相机为双目光学相机；所述影像采集器为CT机、核磁机或CBCT机。
[0011]本专利技术还公开了一种自适应注册方法，包括如下步骤：步骤1：影像采集器、光学导航相机、注册参考板和计算模块配合完成首次注册，获得医学影像坐标系到相机坐标系的转换矩阵M，该矩阵为4x4的转移矩阵；步骤2：记录此时光学导航相机坐标系下，影像采集器上的光学工具阵列的所有光学工具的三维坐标，其中，n表示光学工具的数量；步骤3：当光学导航相机发生移动时，光学导航相机获取相机位置移动后的光学工具阵列的所有光学工具的三维新坐标，；步骤4：定义三维坐标点(a，b)之间的距离：，其中，a点表示光学工具阵列的初始坐标，b点表示光学导航相机移动后的光学工具阵列的坐标；步骤5：通过最优化算法计算光学工具阵列的位移矩阵，使得
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最小，从而获得影像采集器到新相机坐标系的转移矩阵；步骤6：自适应重新注册完成，计算模块根据重新注册得到的，把医学影像坐标
中的目标点，转换到光学导航相机坐标系下，从而进行术中导航。
[0012]本专利技术的手术导航的自适应注册系统及方法具有以下优点：本专利技术在影像采集器上固定设置了光学工具阵列，作为自适应注册基准，计算模块内置设定程序，光学工具阵列的位置正常情况下是固定不动的，一旦光学导航相机发生移动，计算模块就可以根据光学工具阵列的基准位置计算出变化后的位移矩阵，从而自动重新注册，在光学工具阵列不发生位移的情况下只需注册一次即可，后续的光学导航相机发生移动，系统可自动进行自适应注册，方便快捷，且多次使用都无需重新注册，当天使用完成把光学导航相机移动到储藏位置，第二天只要移到工作位置就能够自动注册，相比每次使用前必须进行重新扫描注册节省了工作时间，提高了手术效率。同时，本专利技术通过对光学工具形状的设计和移动标识的设计，能够精确的识别单个光学工具是否相对于机壳发生移动；在影像采集器上设置机壳位移检测器，检测影像采集器机壳发生整体位移时，提醒工作人员需重新进行注册，保证了注册的精确度。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的自适应注册系统整体应用示意图；图2为本专利技术的光学工具实施例一结构示意图；图3为本专利技术的光学工具实施例二结构示意图；图4为本专利技术的光学工具实施例三结构示意图；图5为本专利技术的机壳位移检测器模块示意图；图6为本专利技术的机壳位移检测器模块电路原理图；图中标记说明：1、影像采集器；11、CT机架；12、CT床；2、注册参考板；21、第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手术导航的自适应注册系统，包括光学导航相机（3）、注册参考板（2）和计算模块，所述计算模块与影像采集器（1）、光学导航相机（3）通信连接，所述影像采集器（1）、光学导航相机（3）、注册参考板（2）和计算模块配合完成首次注册，其特征在于，所述系统包括光学工具（41），所述光学工具（41）固定设置在所述影像采集器（1）机壳上，所述光学工具（41）至少具有3个，多个光学工具（41）形成光学工具阵列（4），在系统进行首次影像采集器坐标系和光学导航相机坐标系注册时，光学导航相机（3）同时扫描光学工具阵列（4）获取光学工具阵列（4）初始坐标并保存，当光学导航相机（3）发生移动时，所述光学导航相机（3）获取光学工具阵列（4）在光学导航相机（3）中的新坐标，所述计算模块根据首次注册时光学工具阵列（4）的初始坐标自动计算出新坐标系的位移矩阵，根据位移矩阵重新计算光学导航相机坐标系相对于影像采集器坐标系的转换矩阵，实现采用术前注册工作模式时光学导航相机（3）注册后位置变化时自适应注册。2.根据权利要求1所述的自适应注册系统，其特征在于，每个光学工具（41）分别分布在影像采集器（1）机壳上的不同位置，所述任意三个光学工具（41）不在一条直线上。3.根据权利要求1所述的自适应注册系统，其特征在于，所述光学工具（41）本体为刚性基座，所述光学工具（41）上具有至少3个反光标记（42），所述反光标记（42）之间的距离两两不相等，且所述反光标记（42）相连组成的多边图形不能为旋转对称图形。4.根据权利要求1所述的自适应注册系统，其特征在于，所述光学工具（41）上具有对准标记（43），所述对准标记（43）为一对贴纸，所述贴纸上具有对准符号，一个贴于光学工具（41）表面，另一个贴于影像采集器（1）机壳上，所述对准符号对齐放置，用于光学工具是否和机壳发生位置移动的校验指示。5.根据权利要求1所述的自适应注册系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯辉健，陈枭，吴明浩，宋泊，
申请(专利权)人：浙江伽奈维医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：