基于激光的手术导航系统及其设备、方法和存储介质与流程

本发明涉及一种激光导航技术领域，特别是涉及一种基于激光的手术导航系统及其设备、方法和存储介质。

背景技术：

现有的外科手术计算机辅助导航系统是一种三维定位的手术支持系统，为外科医生进行手术规划提供相对客观、准确的手段，能够根据实际手术的需要，进行手术定位，在计算机显示器上对手术工具周围的组织作相应的显示，从而对手术进行实时的导航。但是，导航探针在患者身上的定位和位置信息在计算机显示器上的平面显示带来的不直观、非原位的缺点，以及限制了导航手术的精度，延长了导航手术的时间，增加了导航使用的难度。

现有符合一定条件的激光可以作为理想的精确操作路径引导工具，但是由于激光投射位置不能与人体位置实时吻合，导致其精度优势无法体现，更不具备实施引导手术操作的能力，因此，其无法有效配准成为制约其在术中发挥重要作用的主要因素。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于激光的手术导航系统及其设备、方法和存储介质，用于解决现有技术中激光与患者之间无法有效配准的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于激光的手术导航系统，所述系统包括：探针单元、摄像单元、激光单元、及处理单元；所述探针单元包括多个带有标记物的探针，通过布置于患者病灶处多个关键点位置以形成标记；所述摄像单元包含标记物检测单元，用于检测各探针的标记物以形成对应患者病灶处多个关键点位置的坐标原点数据集；所述处理单元与所述摄像单元通信连接，用于获取所述坐标原点数据集，并结合预先获取的对应患者病灶处的三维影像信息构建三维影像坐标模型，以使患者病灶处对应的所述三维影像信息与患者病灶处对应的现实世界坐标建立关联关系；所述处理单元与所述激光单元通信连接，用于获取所述激光单元的物理坐标信息，以令所述三维影像坐标模型与所述物理坐标信息转换至同一世界坐标系中，以使所述三维影像坐标模型与所述激光单元建立关联关系；以及用于获取所述激光单元对应的预设的内外参数信息，以令所述三维影像坐标模型中任意一标记点的位置信息转换为对应所述激光单元坐标系下的位置坐标数据，并发送至所述激光单元；所述激光单元，用于获取所述位置坐标数据并转换为角度调整参数，并依其调整激光的发射角度以令激光汇聚至患者病灶处一点，以使该点对应所述三维影像坐标模型中标记点的位置。

于本发明的一实施例中，所述激光单元包括：转换器，用于依据所获取的位置坐标数据转换为所述角度调整参数；激光发射组件，其包括至少两个激光发射器，用于发射至少两束激光；舵机，用于依据所述角度调整参数调整各所述激光发射器的发射角度以令各激光汇聚至患者病灶处一点，以使该点对应所述三维影像坐标模型中被标记的点的位置。

于本发明的一实施例中，所述激光单元所发射的激光的功率低于1mw。

于本发明的一实施例中，所述激光单元包括通信接口，用于与所述处理单元通信连接；所述通讯接口包括：usb接口、can通接口、rs485通信接口、rs232通信接口、及网口中任意一种或多种组合。

于本发明的一实施例中，所述标记物为红外光感应物；所述标记物检测单元为红外光发射接收组件。

于本发明的一实施例中，所述对应患者病灶处的三维影像信息是通过x光、ct、mri、及超声中任意一种或多种组合进行的预先获取的。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于激光的手术导航设备，所述设备包括：存储器、处理器、及通信器；所述存储器，其上存储有计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，该程序被执行时实现如上所述的基于激光的手术导航系统；所述通信器通信连接外部设备。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光发射器，包括：如上述所述的基于激光的手术导航设备、转换器、舵机、及激光发射组件，所述激光发射组件包括至少两个激光发射器，用于发射至少两束激光；所述激光发射组件的所发射的激光的功率低于1mw。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于激光的手术导航方法，所述方法包括：获取对应患者病灶处多个关键点位置的坐标原点数据集，并结合预先获取的对应患者病灶处的三维影像信息构建三维影像坐标模型，以使患者病灶处对应的所述三维影像信息与患者病灶处对应的现实世界坐标建立关联关系；获取激光设备的物理坐标信息，以令所述三维影像坐标模型与所述物理坐标信息转换至同一世界坐标系中，以使所述三维影像坐标模型与所述激光设备建立关联关系；获取所述激光设备对应的预设的内外参数信息，以令所述三维影像坐标模型中任意一标记点的位置信息转换为对应所述激光设备的坐标系下的位置坐标数据，以调整其激光的发射角度使激光汇聚至患者病灶处一点，并使该点对应所述三维影像坐标模型中标记点的位置。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的基于激光的手术导航系统。

如上所述，本发明提供的一种基于激光的手术导航系统及其设备、方法和存储介质。通过探针单元、摄像单元获取对应病灶处的坐标原点数据集，以得到三维影像坐标模型，再获取激光单元对应的物理坐标信息、及内外参数信息，使所述激光单元发射的激光投射于患者病灶处的点与所述三维影像信息中的标记点配准。达到了以下有益效果：

本发明能够在手术过程中实时在术区本身显示病灶位置、手术规划等，使术者视线和关注区域集中于术区，避免了在术区和导航计算机显示器上的反复切换，有效提高操作的可靠性和导航的精确性，避免了传统导航手术中术者反复将手术工具频繁更换为导航探针的繁琐步骤，提高了手术的连贯性，缩短了操作时间。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种基于激光的手术导航系统的场景示意图。

图2为本发明实施例中的一种基于激光的手术导航系统的模块示意图。

图3为本发明实施例中的一种基于激光的导航设备的结构示意图。

图4为本发明实施例中的一种激光发射器的结构示意图。

图5为本发明实施例中的一种基于激光的手术导航方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为便于理解本发明所提供的一种基于激光的手术导航系统及其设备、方法和存储介质，下面通过该系统在场景中的示意图予以展示。

如图1所示，展示本发明实施例中的一种基于激光的手术导航系统的场景示意图。如图所示场景中，所述系统100包括：探针单元101、摄像单元102、激光单元103、及处理单元104。

简单来说，可通过探针单元101与摄像单元102的配合，获取针对患者病灶处，如胸腔、腹部、头部、四肢等的位置的坐标原点数据集。具体为，通过将探针单元101中多个带有红外光感应物的探针布置于患者病灶处多个关键点位置，以作为标记，再通过摄像单元102所包含的标记物检测单元，利用发送红外光，再接收到感应了各探针上红外光感应物的信息，以获得对应各探针的坐标数据，形成坐标原点数据集。

处理单元104通过获取所述坐标原点数据集，并结合预先获取的对应患者病灶处的三维影像信息构建三维影像坐标模型以构建出三维影像坐标模型。其中，三维影像信息是通过x光、ct、mri、及超声中任意一种或多种组合进行的预先获取的。

处理单元104通过获取激光单元103的物理坐标信息，借助物理坐标信息，与所述三维影像坐标模型转换至同一世界坐标系中，使所述三维影像坐标模型与所述激光单元103建立关联关系。

另外，所述处理单元104再获取所述激光单元103对应的预设的内外参数信息，以令所述三维影像坐标模型中任意一标记点(例如，医生在模型对手术规划中的关键点进行的标记)的位置信息转换为对应所述激光单元103坐标系下的位置坐标数据，并发送至所述激光单元103。

所述激光单元103，在接收到所述位置坐标数据后转换为角度调整参数，依据所述角度调整参数，所述激光单元103的舵机会旋转调整激光发射组件各激光发射器的发射角度，使得所发射的各激光汇聚至患者病灶处一点，以使该点对应所述三维影像坐标模型中标记点的位置。从而实现虚拟到现实的配准和指引。

举例来说，在获取对应患者病灶处的三维影像坐标模型后，针对手术中十分复杂且关键的位置可以在模型上进行标记，通过上述系统可将模型中标记点的位置换换为所述激光单元103所遵循的位置坐标数据，再通过将所述坐标数据转给为角度调整数据，以调整多束激光的发射角度，使多束激光聚焦于一点，而该点便是对应三维影像坐标模型中被标记的点。从而在现实场景中精准的找到这处关键点，帮助医生准确定位，并且在患者发生移动时，激光聚焦在患者身上的点也会相应发生移动，以保证配准。

如图2所示，展示本发明实施例中的一种基于激光的手术导航系统的模块示意图。如图所示，所述系统200包括：探针单元201、摄像单元202、激光单元203、及处理单元204。

于本发明的一实施例中，所述探针单元201包括多个带有标记物的探针，通过布置于患者病灶处多个关键点位置以形成标记。

于本发明的一实施例中，所述标记物为红外光感应物，以用于被红外光检感应或检测到。

于本实施例中，所述探针还可以是通过电磁定位获得数据采集功能，应用三维实体造型技术可构建探针的模型，完成实体几何模型向三维表面模型的转化及旋转。

于本实施例中，所述探针还可以是对探针针尖进行注册并进行精度测试，根据针尖注册的位置与方向实时准确地跟踪探针单元201的空间位置，并通过显示器显示，以作手术导航之用。

于本发明的一实施例中，所述摄像单元202包含标记物检测单元，用于检测各探针的标记物以形成对应患者病灶处多个关键点位置的坐标原点数据集。

于本发明的一实施例中，所述标记物检测单元为红外光发射接收组件，通过发送红外光以感应或检测感应物，以获取位置信息。

于本实施例中，所述摄像单元202与探针单元201配合使用。

于本发明的一实施例中，所述对应患者病灶处的三维影像信息是通过x光、ct、mri、及超声中任意一种或多种组合进行的预先获取的。

举例来说，通过ct检测获取对应患者病灶处的多个切面的影像信息，通过融合形成三维影像信息，但是通过如上方式获取三维影像信息只能呈现于计算机显示器中，在实际手术中，需要医生在计算机显示器与现实场景中患者病灶处不断往复观看，以进行判断，应用起来相当麻烦和不准确。

为此，于本发明的一实施例中，所述处理单元204与所述摄像单元202通信连接，用于获取所述坐标原点数据集，并结合预先获取的对应患者病灶处的三维影像信息构建三维影像坐标模型，以使患者病灶处对应的所述三维影像信息与患者病灶处对应的现实世界坐标建立关联关系。

简单来说，通过获取现实场景中的患者病灶处坐标原点数据集，并融合至三维影像信息中，使得计算机显示器中的患者病三维影像信息有了对应现实世界的坐标，使三维影像信息与现实世界坐标建立关联关系。

于本发明的一实施例中，所述处理单元204与所述激光单元203通信连接，用于获取所述激光单元203的物理坐标信息，以令所述三维影像坐标模型与所述物理坐标信息转换至同一世界坐标系中，以使所述三维影像坐标模型与所述激光单元203建立关联关系。

于本实施例中，因为所述三维影像坐标模型包含现实世界的坐标原点数据，因此将所述激光单元203的物理坐标信息转换为同一世界坐标系，即可使二者共存于一个世界坐标系中，使所述三维影像坐标模型与所述激光单元203建立关联关系。即所述三维影像坐标模型与所述激光单元203的相对关系可通过三维向量矩阵进行表示。

于本发明的一实施例中，所述处理单元204与所述激光单元203通信连接，还用于获取所述激光单元203对应的预设的内外参数信息，以令所述三维影像坐标模型中任意一标记点的位置信息转换为对应所述激光单元203坐标系下的位置坐标数据，并发送至所述激光单元203。

于本实施例中，所述内外参数信息具体包括：内部已标定的轴向信息、及安装姿态信息。

所述内部已标定的轴向信息，主要是标定激光发生轴向信息。所述安装姿态信息即安装位置、及激光发生的仰角或俯角信息。尤其包括所述所述激光单元203举例患者病灶处的距离信息，以使所述激光单元20发射的激光能够准确聚焦于患者病灶处对应的三维影像模型中的标记点。

举例来说，因为在手术过程中，手术医生需靠近患者病灶处，并且还会使用手术工具接触病灶处，因此，能使发射出的激光不被遮挡的角度极为有限，故所述激光单元203的安放角度需要预先安设到不被遮挡的线路上。

于本发明的一实施例中，所述激光单元203包括：转换器，用于依据所获取的位置坐标数据转换为所述角度调整参数；激光发射组件，其包括至少两个激光发射器，用于发射至少两束激光；舵机，用于依据所述角度调整参数调整各所述激光发射器的发射角度以令各激光汇聚至患者病灶处一点，以使该点对应所述三维影像坐标模型中被标记的点的位置。

于本实施例中，所述角度调整参数是针对所述激光发射组件的各激光发射器的角度调整参数，并且舵机接收调整不同激光发射器的角度调整参数，以控制不同的激光发射器的发生角度。

于本实施例中，在所述三维影像坐标模型中所标记的除了标记关键点，还可以标记为轨迹线段，相应地，对应到激光发射器所发射的激光落点组成离散线段，以对应在所述三维影像坐标模型中标记的轨迹线段。

这里需说明的是，。三条以上的光线能够在空间中聚焦为一点，其相对于两条线或一条件更加清晰准确。

于本发明的一实施例中，所述激光单元203所发射的激光的功率低于1mw。当所发射的激光功率低于1mw时，时即使裸眼直视也不会对视网膜产生伤害，因此，符合该功率的激光是理想的精确操作路径引导工。

于本发明的一实施例中，所述激光单元203包括通信接口，用于与所述处理单元204通信连接；所述通讯接口包括：usb接口、can通接口、rs485通信接口、rs232通信接口、及网口中任意一种或多种组合

于本实施例中，所述激光单元203与所述处理单元204通过互相设置通信接口，进行通信连接。

于本实施例中，所述usb接口具体还包括：usb2.0接口、usb3.0接口、usb3.1接口或typecusb接口等。

于本实施例中，令所述三维影像坐标模型中任意一标记点的位置信息转换为对应所述激光单元203坐标系下的位置坐标数据，可以理解为，将三维影像坐标模型所遵循的坐标体系，转换成所述激光单元203所适用的坐标体系。那么当现实患者病灶处对应的三维影像坐标模型移动时，通过在两个坐标体系下的转换，使得在所述激光单元203的视角下发生相应的移动。

于本实施例中，所述通信连接的通信方式包括：wifi、nfc、蓝牙、以太网、gsm、4g、及gprs中任意一种或多种组合。

于本实施例中，所述通信方式的网络通信方式包括：互联网、内联网、广域网(wan)、局域网(lan)、无线网络、数字用户线(dsl)网络、帧中继网络、异步传输模式(atm)网络、虚拟专用网络(vpn)和/或任何其它合适的通信网络中的任何一个或多个。

于本实施例中，应用本发明所述的基于激光的手术导航系统200，其弥补了现有技术中缺少与患者之间准确的位置关系对应，在手术过程中能够实时在术区本身显示患者病灶位置、手术规划等，使术者视线和关注区域集中于术区，避免了在术区和导航计算机显示器上的反复切换，有效提高操作的可靠性和导航的精确性；同时，由于发射的激光可随病灶的空间位置变化而改变位置，避免了传统导航手术中术者反复将手术工具频繁更换为导航探针的繁琐步骤，提高了手术的连贯性，缩短了操作时间；此外，手术导航系统能建立患者于数字模型联系的固有功能，克服了激光与患者配准的难题，从而真正做到结合激光的外科手术导航。

于本实施例中，所述处理单元204可以是服务器，还可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

如图3所示，展示本发明实施例中的一种基于激光的导航设备的结构示意图。如图所示，所述设备300包括：存储器301、处理器302、及通信器303。

于本发明的一实施例中，所述存储器301，其上存储有计算机程序；所述处理器302，用于执行所述存储器301存储的计算机程序，该程序被执行时实现如图2中任意一项所述的基于激光的手术导航系统；所述通信器303通信连接外部设备。

于本实施例中，所述外部设备可包括：如图2所述的探针单元201、摄像单元202、及激光单元203中任意一种或多种组合。

所述存储器301可能包含随机存取存储器(randomaccessmemory，简称ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

所述处理器302可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

所述通信器303用于实现数据库访问装置与其他设备(例如客户端、读写库和只读库)之间的通信连接，所述通信连接可以是一个或多个有线和/或无线网络的任何合适的组合形式。例如，通信方式为网络通信方式，包括：互联网、内联网、广域网(wan)、局域网(lan)、无线网络、数字用户线(dsl)网络、帧中继网络、异步传输模式(atm)网络、虚拟专用网络(vpn)和/或任何其它合适的通信网络中的任何一个或多个。

如图4所示，展示为本发明于一实施例中激光发射器的结构示意图；

所述激光发射器400均包括：如图3所述的基于激光的手术导航设备401、转换器402、舵机403、及激光发射组件404。

于本实施例中，所述转换器402，用于依据所获取的位置坐标数据转换为所述角度调整参数；所述舵机403，用于依据所述角度调整参数调整各所述激光发射器的发射角度以令各激光汇聚至患者病灶处一点，以使该点对应所述三维影像坐标模型中被标记的点的位置。

于本发明一实施例中，所述激光发射组件404包括至少两个激光发射器，用于发射至少两束激光；所述激光发射组件404的所发射的激光的功率低于1mw。

如图5所示，展示本发明实施例中的一种基于激光的导航方法的流程示意图。如图所示，所述方法包括：

步骤s501：获取对应患者病灶处多个关键点位置的坐标原点数据集，并结合预先获取的对应患者病灶处的三维影像信息构建三维影像坐标模型，以使患者病灶处对应的所述三维影像信息与患者病灶处对应的现实世界坐标建立关联关系。

步骤s502：获取激光设备的物理坐标信息，以令所述三维影像坐标模型与所述物理坐标信息转换至同一世界坐标系中，以使所述三维影像坐标模型与所述激光设备建立关联关系。

步骤s503：获取所述激光设备对应的预设的内外参数信息，以令所述三维影像坐标模型中任意一标记点的位置信息转换为对应所述激光设备的坐标系下的位置坐标数据，以调整其激光的发射角度使激光汇聚至患者病灶处一点，并使该点对应所述三维影像坐标模型中标记点的位置。

简单来说，可通过如图2所述的探针单元201与摄像单元202的配合，获取针对患者病灶处，如胸腔、腹部、头部、四肢等的位置的坐标原点数据集。具体为，通过将如图2所述探针单元201中多个带有红外光感应物的探针布置于患者病灶处多个关键点位置，以作为标记，再通过如图2所述的摄像单元202所包含的标记物检测单元，利用发送红外光，再接收到感应了各探针上红外光感应物的信息，以获得对应各探针的坐标数据，形成坐标原点数据集。

在获取所述坐标原点数据集后，结合预先获取的对应患者病灶处的三维影像信息构建三维影像坐标模型以构建出三维影像坐标模型。其中，三维影像信息是通过x光、ct、mri、及超声中任意一种或多种组合进行的预先获取的。

接下来，通过获取激光设备的物理坐标信息、及对应的内外参数信息。借助物理坐标信息，与所述三维影像坐标模型转换至同一世界坐标系中，使所述三维影像坐标模型与激光设备建立关联关系。再借助对应的预设的内外参数信息，使所述三维影像坐标模型转换至激光设备对应的坐标系下，即可实现调整其激光的发射角度使激光汇聚至患者病灶处一点，并使该点对应所述三维影像坐标模型中标记点的位置。实现与现实场景中患者病灶处实时配准，真正做到结合激光的外科手术导航。

举例来说，在获取对应患者病灶处的三维影像坐标模型后，针对手术中十分复杂且关键的位置可以在模型上进行标记，通过上述系统可将模型中标记点的位置换换为激光设备所遵循的位置坐标数据，再通过将所述坐标数据转给为角度调整数据，以调整多束激光的发射角度，使多束激光聚焦于一点，而该点便是对应三维影像坐标模型中被标记的点。从而在现实场景中精准的找到这处关键点，帮助医生准确定位，并且在患者发生移动时，激光聚焦在患者身上的点也会相应发生移动，以保证配准。

本发明能够将手术导航系统从先定位、后比对的手术操作位置验证模式，优化为先投影、后操作的手术操作位置引导模式，使医生在预知患者重要结构和病灶空间位置的前提下进行手术操作，大大降低误伤重要器官、血管、神经、肿瘤等的风险，使手术安全、彻底，范围精确、操作可靠，减少手术并发症。

于本实施例中，该方法可应用于如图2中的处理单元或如图3中基于激光的导航设备。

于本发明的一实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图2所述的基于激光的手术导航系统。

所述计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本发明提供的一种基于激光的手术导航系统及其设备、方法和存储介质。通过探针单元、摄像单元获取对应病灶处的坐标原点数据集，以得到三维影像坐标模型，再获取激光单元对应的物理坐标信息、及内外参数信息，使所述激光单元发射的激光投射于患者病灶处的点与所述三维影像信息中的标记点配准。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。