一种手术导航系统多面体手术工具定义方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种手术导航系统多面体手术工具定义方法。

背景技术：

手术导航系统因可以在术中实时观察手术器械位置的特性而在临床上应用越来越广泛，其原理是以患者的术中c臂影像学资料为数据源建立图像坐标系，以红外光学传感器为数据源建立空间坐标系，通过计算两个坐标系的转换关系实现由空间坐标系向图像坐标系的转换，即配准，从而达到在手术中实时跟踪获取手术器械的目的。

配准是三维骨科手术导航使用过程中必不可少的关键步骤，传统的配准方法多以标志点的方式来完成，在扫描病人图像时，将一定数量的标志点放置于扫描区域内，对患者进行图像扫描，三维重建后提取标志点的图像坐标点集，在定位系统下获取标志点的空间坐标点集，通过svd算法计算这两个点集的转换矩阵，完成配准。但是，使用标志点的配准方法，要求病人在扫描时必须放置专用标志点在扫描范围内，还需要对标志点进行一个个的标定，这就大大增加了患者手术的时间和复杂度，不利于紧急情况下的手术实施。

为了解决以上缺陷，我们发明了一种操作简单方便，配准速度快的三维骨科导航图像配准的方法。但是，该方法需要在手术过程中，精确测量c臂中心点的空间运动轨迹，导航手术工具传统的定位方法在面临红外光学传感器和工具法向量夹角变大时，精度会降低，无法满足临床对精度的需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种手术导航系统多面体手术工具定义方法。

本发明的技术方案是：一种手术导航系统多面体手术工具定义方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1.1)、使用红外光学传感器采集每个曲面上的点，使每个曲面的中心法向量依次正对红外光学传感器，通过红外光学传感器依次采集每个曲面上所有点的空间坐标；

步骤(1.2)、每前后两个相邻的曲面之间至少有三点重合，通过空间三点重合发，求后一个曲面上其余点相对前一个曲面的空间坐标；

步骤(1.3)、以此类推，求出红外光学传感器能够识别的多面体上所有点在第一个曲面坐标系中的位置；

步骤(1.4)、通过空间多点拟合求出所有点的几何分布规律，根据空间几何分布规律拟合一点作为多面体手术工具的原点。

进一步的，在步骤(1.1)中，通过每4-6个点构成一个曲面，由若干个曲面构成一个多面体，在相邻的两个曲面之间开设至少3个共用的点，在相邻的两个曲面之间有三个点重合。

进一步的，在步骤(1.1)中，所述红外光学传感器在采集每个曲面上的点时，其中心线与曲面中心法向量的夹角小于30度。

进一步的，在所述步骤(1.2)中，通过空间三点重合法，求后一个曲面上其余点相对前一个曲面的空间坐标的具体操作方法如下：当前一个曲面的三个点和后一个曲面的三个点完全重合时，由于后一个曲面上的其余点相对于前三个点的空间位置固定，可将第其余点转换到前一曲面的空间坐标系中，从而求出后一个曲面上其余点在前一曲面所在空间坐标系中的空间坐标；并且以此类推，求出红外光学传感器能够识别的多面体上所有点的相对位置,并转换到第一个曲面坐标系中。

进一步的，在步骤(1.4)中，所述的根据空间几何分布规律拟合一点作为多面体手术工具的原点具体是：拟合出到所有点距离方差最小的点作为多面体手术工具的原点。

本发明的有益效果是：本发明解决了手术定位导航系统多面体工具的定义问题，配合快速配准算法，速度快，准确性高，过程简便。

附图说明

图1是本发明的结构流程图；

图2是本发明实施例中多面体的结构示意图；

图3是本发明实施例中多面体的矢意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图所述；一种手术导航系统多面体手术工具定义方法，其具体操作步骤如下：

步骤(1.1)、使用红外光学传感器采集每个曲面上的点，使每个曲面的中心法向量依次正对红外光学传感器，通过红外光学传感器依次采集每个曲面上所有点的空间坐标；

步骤(1.2)、每前后两个相邻的曲面之间至少有三点重合，通过空间三点重合法，求后一个曲面上其余点相对前一个曲面的空间坐标；

步骤(1.3)、以此类推，求出红外光学传感器能够识别的多面体上所有点在第一个曲面坐标系中的位置；

步骤(1.4)、通过空间多点拟合求出所有点的几何分布规律，根据空间几何分布规律拟合一点作为多面体手术工具的原点。

进一步的，在步骤(1.1)中，通过每4-6个点构成一个曲面，由若干个曲面构成一个多面体，在相邻的两个曲面之间开设至少3个共用的点，在相邻的两个曲面之间有三个点重合。

进一步的，在步骤(1.1)中，所述红外光学传感器在采集每个曲面上的点时，其中心线与曲面中心法向量的夹角小于30度。

进一步的，在所述步骤(1.2)中，通过空间三点重合法，求后一个曲面上其余点相对前一个曲面的空间坐标的具体操作方法如下：当前一个曲面的三个点和后一个曲面的三个点完全重合时，由于后一个曲面上的其余点相对于前三个点的空间位置固定，可将第其余点转换到前一曲面的空间坐标系中，从而求出后一个曲面上其余点在前一曲面所在空间坐标系中的空间坐标；并且以此类推，求出红外光学传感器能够识别的多面体上所有点的相对位置,并转换到第一个曲面坐标系中。

进一步的，在步骤(1.4)中，所述的根据空间几何分布规律拟合一点作为多面体手术工具的原点具体是：拟合出到所有点距离方差最小的点作为多面体手术工具的原点。

进一步的，将多点统一到同一坐标系中，通过空间多点拟合空间圆的方法，求出上下圆的圆心和半径，选择其一作为工具坐标系的原点。

进一步地，所述的求后一个曲面上第四个点在前一曲面所在空间坐标系中的空间坐标具体方法，设后一个曲面上第四个点在前一曲面所在空间坐标系中的对应点为x，前一曲面后三个点的分别为a，b，c，后一个曲面上四个点分别为a1，b1，c1，d1，x即为d1在a，b，c三点所在坐标系中的对应点，x到a，b，c三点的距离和d1到a1，b1，c1三点的距离对应相等，三个方程联立，求出x为两个值，根据d1和a1，b1，c1的空间几何关系，采用仿真的方式，判断两个x值中哪个为正确的。

具体实施例，如图2-3所述，一种手术导航系统多面体手术工具，包括多面体，所述的多面体的表面分布有21个圆形的半球，当多面体上任一曲面正对红外光学传感器时，传感器能够探测出该半球的球心位置，其中6个立柱上有5个安装有半球，上圆10个半球(靠近立柱两次的上圆弧上各有1个半球，其余4个上圆弧各有2个半球)，底圆上有6个半球；

进一步的，所述6个立柱等间距；

所述点的具体分布位置遵循的原则是，沿着上下圆的圆心所在轴转动多面体，当红外光学传感器探测不到上一个曲面时，下一个曲面出现在探测视野内，具体如图2所示，点1、2、3、4构成曲面1，点2、3、4、5构成曲面2，当曲面1中的点1消失时，点5会出现在视野中，以此类推，其它点的工作原理与的点1、2、3、4构成曲面1的工作原理同样。