医学图像空间的定位装置及方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种医学图像空间的定位装置及方法，装置包括：光学定位单元、第一标记点、第二标记点，所述第一标记点设置在患者手术目标位置，所述第二标记点参考所述第一标记点单元设置在患者的目标位置处，使用一变换矩阵描述在世界坐标系中第一标记点和第二标记点之间坐标关系，所述光学定位单元对所述第一标记点进行识别以获得所述第一标记点在世界坐标系中的坐标，根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及所述变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位，从而在自然的可见光环境中实现了自动医学图像空间的定位。
【专利说明】
医学图像空间的定位装置及方法
技术领域
[0001]本发明实施例涉及医疗机器人技术领域，尤其涉及一种医学图像空间的定位装置及方法。
【背景技术】
[0002]机器人等自动化设备已经在工业领域获得了广泛应用，在操作灵活性、稳定性及准确性方面显示出了明显优势。为了解决外科手术存在的精度不足、辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何在外科手术中引入机器人方法，借助机器人、传感器等高新技术的独特优势，为外科医生提供全新的治疗方法及系统，解决上述问题，改善手术效果，即借助医疗机器人来实现外科手术，包括神经、头部等等。
[0003]为了实现手术，必须解决医学图像空间的定位。现有技术中，医学图像的空间定位方法有手动定位和自动定位。手动定位包括:利用传统的机械臂手动点触患者如头部标记点的方法;或者手动点击确定图像上标记点的方法。自动定位有基于红外、超声、电磁等装置。
[0004]对于手动定位来说，操作者的手臂通常会发生抖动、偏差等，容易导致定位的精度不够;而对于自动定位来说，由于必须基于特定的技术比如特殊的光源以及声源等，实现成本较高。
[0005]因此，亟待提供一种成本较低且有精度保证的医学图像空间定位技术方案。
【发明内容】
[0006]本发明实施例的目的在于提供一种医学图像空间的定位装置及方法，用以解决现有技术中上述技术问题。
[0007]本发明实施例采用的技术方案如下:
[0008]本发明实施例提供一种医学图像空间的定位装置，其包括:光学定位单元、第一标记点、第二标记点，所述第一标记点设置在患者手术目标位置，所述第二标记点参考所述第一标记点单元设置在患者的目标位置处，使用一变换矩阵描述在世界坐标系中第一标记点和第二标记点之间坐标关系，所述光学定位单元对所述第一标记点进行识别以建立所述第一标记点在世界坐标系中的坐标，根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及所述变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位。
[0009]本发明实施例提供一种医学图像空间的定位方法，其包括:
[0010]对设置在患者手术目标位置上的第一标记点进行识别以建立所述第一标记点在世界坐标系中的坐标；
[0011]根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及描述所述第一标记点与第二标记点之间位置关系的变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位。
[0012]优选地，在本发明上述任一定位装置或者任一定位方法实施例中，所述第二标记点包括陶瓷球。
[0013]优选地，在本发明上述任一定位装置或者任一定位方法实施例中，在患者手术目标位置外围设置3个所述第一标记点。
[0014]优选地，在本发明上述任一定位装置或者任一定位方法实施例中，参考所述第一标记点单元在患者的目标位置处设置4个所述第二标记点。
[0015]优选地，在本发明上述任一定位装置或者任一定位方法实施例中，所述变换矩阵为一刚体变换矩阵。
[0016]优选地，在本发明上述任一定位装置或者任一定位方法实施例中，所述患者手术目标位置包括头部。
[0017]本发明实施例的技术方案具有以下优点:
[0018]由于所述第一标记点设置在患者手术目标位置，所述第二标记点参考所述第一标记点单元设置在患者的目标位置处，使用一变换矩阵描述在世界坐标系中第一标记点和第二标记点之间坐标关系，所述光学定位单元对所述第一标记点进行识别以建立所述第一标记点在世界坐标系中的坐标，根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及所述变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位，从而实现了自动医学图像空间的定位并且可在自然的可见光环境中实现，无须特殊的光源等设备。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本发明实施例一医学图像空间的定位装置架构示意图；
[0021]图2为本发明实施例二医学图像空间的定位方法流程示意图；
[0022]图3为本发明实施例三医学图像空间的定位系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]下述实施例中，以所述患者手术目标位置包括头部为例进行说明，但是也可以适用于其他医疗机器人外科的场景，比如。
[0025]图1为本发明实施例一医学图像空间的定位装置架构示意图；如图1所示，本实施例中，以脑部100微创手术为例进行说明，具体地其包括:光学定位单元(图中未示出)、第一标记点11、第二标记点102，所述第一标记点1I设置在患者手术目标位置，所述第二标记点102参考所述第一标记点101单元设置在患者的目标位置处，使用一变换矩阵描述在世界坐标系中第一标记点101和第二标记点102之间坐标关系，所述光学定位单元对所述第一标记点101进行识别以建立所述第一标记点101在世界坐标系中的坐标，根据所述第一标记点101在世界坐标系中的坐标以及所述变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点102在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位。
[0026]本实施例中，第二标记点102在影像空间中的坐标可以通过图像识别处理对CT图像或者MRI图像进行识别等进行识别，从而获得第二标记点102在影像空中的坐标。
[0027]本实施例中的第一标记点可以设置在一个可穿戴在头上的架子上，或者，通过悬挂方式设置，详细不再赘述。
[0028]本实施例中，所述第一标记点101具体包括可粘贴在手术目标位置上的贴片，所述贴片上设置可别所述光学定位单元识别的图案。具体地，在一面板的表面上设置所述图案，面板可以为软质底座，在一般手术中，通常需要包括多个标记物，分别设置在病人不同方向的位置上，即手术过程中使用一套标记物。为了区别不同的标记物以及这些标记物之间配套使用关系，从而避免与非法配套关系的标记物混合使用，给每个标记物赋予提个标识码如Cl、C2、C3，以及三者时间的配套关系C1C2C3，并将每个标记物的标识码以及配套关系在生产的过程中存储在一电子标签中，并将该电子标签与面板结合比如嵌在面板中。
[0029]电子标签中还可以存储标记点的生产信息、销售渠道信息、检验信息，以及标记点几何尺寸信息中的任一种或者多种的组合。生产信息可以包括生产厂商、生产日期，销售渠道信息包括具有销售资质的销售医院信息，包括合法使用标记物的医院信息;检验信息包括标记物标定精度等级，销售医院信息可以包括销售医院所述的地区信息比如邮编。这些不同类附加信息保证了标记物质量，同时防范标记物被仿造。
[0030]在手术过程中，可以获取病人、手术相关信息，并将病人信息也存储在上述电子标签中，与其他信息如标记点的生产信息、销售渠道信息、检验信息，以及标记点几何尺寸信息进行绑定。病人信息(姓名、年龄、疾病类型)、手术时间信息、手术实施医院信息、实施手术手术医生中的任一种或者多种的组合。
[0031]本实施例中，上述第一标记点上有黑白定位图案，在黑白定位图案之间存在交点，通过对该角点的识别定位，从而获得第一标记点在世界坐标系中坐标。
[0032]上述实施例中，世界坐标系作为整个系统的基准坐标系，从而可以定位出手术环境中任一物体的坐标，比如光学定位单元、机械臂等等。世界坐标系中Z轴可以与光学定位单元的光轴重合，X轴、Y轴与二维影像空间中的横轴和纵轴平行。
[0033]本实施例中，由于陶瓷球也在影像图像上直接成像，因此，所述第二标记点102采用陶瓷球。需要说明的是，第二标记点102不局限为陶瓷球，也可以采用金属球等其他可在影像图像上成像的物质制成的形状。
[0034]本实施例中，在患者手术目标位置外围设置3个所述第一标记点101。需要说明的是，第一标记点101不局限为3个，也可以采用I个。
[0035]本实施例中，参考所述第一标记点101在患者的目标位置处设置4个所述第二标记点102。需要说明的是，第二标记点102不局限为4个，也可以3个。
[0036]本实施例中，所述变换矩阵为一刚体变换矩阵，利用该刚体变换矩阵具体实现坐标的旋转和平移来从而实现影像空间坐标系的定位。
[0037]图2为本发明实施例二医学图像空间的定位方法流程示意图；如图2所示，本实施例可以应用于脑部微创手术，也可以应用于其他医疗机器人手术;其具体可以包括:
[0038]S201、对设置在患者手术目标位置上的第一标记点进行识别以建立所述第一标记点在世界坐标系中的坐标；
[0039]本实施例中，步骤SlOl具体可以包括:
[0040]利用光学定位单元对可粘贴在手术目标位置上的贴片进行识别，所述贴片上设置可别所述光学定位单元识别的图案，设置了图案的贴片作为上述第一标记点;但是，除了可贴在患者头部的贴片外，设置了图案的探针也可以作为第一标记点。
[0041 ]需要说明的是，在本实施例启发下，也可以对现有技术中的声波、激光、电磁定位等进行类似改进，详细不再赘述。
[0042]本实施例中，优选地，在患者手术目标位置外围设置3个所述第一标记点。
[0043]S202、根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及描述所述第一标记点与第二标记点之间位置关系的变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标；
[0044]本实施例中，所述第二标记点包括陶瓷球，主要由于陶瓷球。除了陶瓷球也可以使用其他标记物如金属球。
[0045]本实施例中，优选地，参考所述第一标记点单元在患者的目标位置处设置4个所述第二标记点如陶瓷球，能在CT成像上成像，也可以是其他金属物
[0046]本实施例中，所述变换矩阵为一刚体变换矩阵，具体通过坐标的旋转和平移来实现。
[0047]S203、根据第二标记点在影像空间以及世界坐标系中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位。
[0048]比如是根据坐标系中每个轴穿过一个陶瓷球，三轴汇聚一点为原则确定影像空间坐标系。
[0049]需要说明的是，上述实施例中，第一标记点也可以是一个。第二标记点也可以有三个。
[0050]图3为本发明实施例三医学图像空间的定位系统结构示意图；如图4所示，图中包括:光学定位单元Cam501、机械臂502、患者503、医学图像504，Img表示影像空间，Pat表示患者空间，eamTimg表示从影像空间变换到世界坐标系的刚体变换矩阵，eamTpat表示从患者空间变换到世界坐标系的刚体变换矩阵，R°bTCam表示从世界坐标系变换到机器人的刚体变换矩阵。
[0051]根据eamTlmg、以及所述第一标记点101在世界坐标系中的坐标、第二坐标点在影像空间坐标，从而完成世界坐标系到影像空间的定位或者配准。
[0052]以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0053]通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0054]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种医学图像空间的定位装置，其特征在于，包括:光学定位单元、第一标记点、第二标记点，所述第一标记点设置在患者手术目标位置，所述第二标记点参考所述第一标记点单元设置在患者的目标位置处，使用一变换矩阵描述在世界坐标系中第一标记点和第二标记点之间坐标关系，所述光学定位单元对所述第一标记点进行识别以建立所述第一标记点在世界坐标系中的坐标，根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及所述变换矩阵获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位。2.—种医学图像空间的定位方法，其特征在于，包括: 对设置在患者手术目标位置上的第一标记点进行识别以建立所述第一标记点在世界坐标系中的坐标； 根据所述第一标记点在世界坐标系中的坐标以及描述所述第一标记点与第二标记点之间位置关系的变换矩阵，获得在世界坐标系中第二体外标点的坐标，以根据第二标记点在影像空间中的坐标完成在自然的可见光环境中实现自动医学图像空间的定位。3.根据权利要求1所述的装置，或2所述的方法，其特征在于，所述第一标记点包括可粘贴在手术目标位置上的贴片，所述贴片上设置可别所述光学定位单元识别的图案。4.根据权利要求1所述的装置，或2所述的方法，其特征在于，所述第二标记点包括陶瓷球。5.根据权利要求1所述的装置，或2所述的方法，其特征在于，在患者手术目标位置外围设置至少I个所述第一标记点。6.根据权利要求1所述的装置，或2所述的方法，其特征在于，参考所述第一标记点单元在患者的目标位置处设置至少3个所述第二标记点。7.根据权利要求1所述的装置，或2所述的方法，所述变换矩阵为一刚体变换矩阵。8.根据权利要求1所述的装置，或2所述的方法，所述患者手术目标位置包括头部。
【文档编号】A61B90/00GK105852979SQ201610168331
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】王荣军, 赵德朋, 谢永召, 陈鹏
【申请人】北京柏惠维康科技有限公司