一种光学手术导航系统的制作方法

1.本实用新型涉及医疗辅助设备技术领域，具体涉及一种光学手术导航系统。


背景技术：

2.光学手术导航装置是手术机器人和计算机辅助手术导航设备的必要装置。光学手术导航装置一般由一套双目相机或者多目相机和一系列的含有标志物的病灶定位器以及器械定位器组成。双目相机含有两个相机，在两个相机之间有一个固定的距离。这两个相机利用双目立体成像原理，来确定这一系列的标志物在空间的位置。此原理和人们通过左右眼睛来确定物体在空间的位置和方向类似。人们还可以使用两个以上的相机来构成多目相机。多目相机中的两个以上的相机可以构成两套及以上的双目相机，因此多目相机可以扩大双目相机的检测范围，可以降低被遮挡的可能性，还可以提高系统的定位精度和抗出错的冗余。人们可以根据实际应用的需求来选择使用双目相机或者多目相机。这一系列的标志物一般为能够主动发光或者能够高效反光的球状物体或者圆形物体。在使用时，医生需要将含有这些标志物的病灶定位器以及器械定位器固定在需要定位和导航的物体，如人体和手术器械上，这时候，所述的双目相机或者多目相机就能够实时地准确测定所述的人体和手术器械在空间的具体位置。医生就可以在屏幕上直观地看到手术器械的位置和病人病灶的位置的相对位置，让医生可以更加准确地切除病人的病灶。由于光学手术导航装置可以让医生更加有效地进行手术，让病人的伤口更小，病灶切除得更加干净彻底，还能够大幅较少医疗事故的发生，光学手术导航装置在现代医院中越来越受到重视和欢迎。
3.医生在给病人在手术前，先需要将一个病灶定位器固定到病人需要动手术的部位，即病灶部位的附近的人体组织上。所述病灶定位器一般含有数个(如3-5个)光学标志物。然后用医学影像系统如计算机断层扫描(ct)或者核磁共振(mr)对病人含有的病灶定位器的病灶部位进行成像。这样就可以在ct或者mr影像上直接看到病灶和病灶定位器了。这个病灶定位器相当于给人体的病灶增加了一个光学导航设备的一个连接点，或者是多了一个光学导航设备的一个空间坐标的原点。这样病灶就有了一个相对于病灶定位器这个空间坐标的原点的空间坐标。这样病灶大小和空间位置都可以直接从三维的ct或者mr影像中获得。病灶和病灶定位器的相对位置必需在做ct或者mr时和手术时保持不变。在手术时，医生再将另一个器械定位器固定到手术器械上去。当手术光学导航系统可以同时检测到病灶附近的病灶定位器和手术器械上的器械定位器时，手术器械也就有了一个相对于病灶定位器这个空间坐标的原点的坐标。因此，手术器械的空间位置也就被确定。在手术器械和病灶的空间位置都确定的条件下，手术光学导航系统就能够将手术器械的位置和病灶的空间位置直接关联起来，让医生可以准确地切除病灶，同时还能够避开人体的健康组织，神经和主要血管，大幅提升手术的安全性和准确性。这就是手术光学导航的基本的工作原理。
4.然而，医生在手术过程中，尤其在那些比较复杂的需要很长时间的手术过程中，不免会发生一些意外，如无意间触碰了病灶附近的病灶定位器，导致病灶定位器位移，变型，或者从人体组织上脱落。这时候，病灶定位器这个空间坐标的原点就不再准确，光学导航系
统的定位轻则会出现定位导航偏差，重则会导致导航出现故障而完全无法提供定位导航了。
5.在目前的医院中，为了解决无意间触碰了病灶附近的病灶定位器的问题，医生需要将病灶附近的病灶定位器做重新的固定，然后再去做一次ct或者mr成像，以此来让病灶定位器重新建立一个新的准确的空间坐标的原点。然而绝大部分的手术室都没有ct或者mr成像设备，因此医生需要将病人运输到医院的放射科的影像部去使用ct或者mr成像设备，如果病人的手术已经开始，人体病灶部位已经打开，医生就必须考虑如何防止感染，同时还要考虑病人的麻醉和呼吸支持等，整个过程会非常耗时和麻烦。有时候，医生可能不得不放弃重新导航，而在无导航的条件下继续完成手术，因此比较容易导致医疗事故的发生。这类问题虽然不常出现，但是一旦出现，会很麻烦。
6.且由于目前光学手术定位导航装置中一般需要病灶附近的病灶定位器和手术器械上的器械定位器上的光学标志物必须在整个定位导航过程中都能够完全被双目相机或者多目相机“看见”。如果定位需要的光学标志物被完全遮挡或者部分遮挡，就会导致定位导航的不准确或者失败。因此，医生在使用目前光学手术定位导航装置时，必需非常小心，严防病灶附近的病灶定位器和手术器械上的器械定位器上的光学标志物有被遮挡或者部分遮挡的情况出现，导致医生在手术时容易分心，导致效率的降低。
7.同时，由于目前光学手术定位导航装置中一般需要病灶附近的病灶定位器和手术器械上的器械定位器上的光学标志物必须在整个定位导航期间都能够完全被双目相机或者多目相机“看见”,如果定位需要的光学标志物部分被有颜色的液体污染，如在手术中人体的血液，也可能会导致定位导航的不准确或者失败。因此，医生在使用目前光学手术定位导航装置时，一定要非常小心，严防病灶附近的病灶定位器和手术器械上的器械定位器上的光学标志物被血液污染的情况出现，这也会导致医生在手术时的效率的降低。


技术实现要素：

8.1、实用新型要解决的技术问题
9.针对现有的光学手术导航系统容易出现导航结果不准甚至失效的技术问题，本实用新型提供了一种光学手术导航系统，它能大幅减少病灶定位器被触碰、被遮挡、被污染时导致导航结果不准甚至失效出现的概率，使光学手术导航系统的抗干扰冗余性能大幅改善。
10.2、技术方案
11.为解决上述问题，本实用新型提供的技术方案为：
12.一种光学手术导航系统，包括三维相机，以及固定于患者病灶附近的人体组织上的病灶定位器和固定于手术器械上的器械定位器，还包括至少一个空间辅助定位器，所述三维相机用于获取病灶定位器、器械定位器和空间辅助定位器的空间位置。
13.可选地，还包括固定支架，所述空间辅助定位器安装于所述固定支架上，或固定于患者病灶附近的人体组织上。
14.可选地，所述空间辅助定位器的数量为两个及以上。
15.可选地，多个所述空间辅助定位器全部安装于固定支架上，或全部固定于患者病灶附近的人体组织上，或至少部分安装于所述固定支架上，部分固定于患者病灶附近的人
体组织上。
16.可选地，还包括移动支架，所述三维相机安装于所述移动支架上。
17.可选地，还包括用于获取患者病灶位置图像的监测模块。
18.可选地，所述病灶定位器、器械定位器和空间辅助定位器上均设有若干光学标记物，不同的定位器上的光学标记物的布置方式不同。
19.可选地，所述光学标记物内置有用于发出近红外光的光源。
20.可选地，所述三维相机上设有照明装置。
21.可选地，所述光学标记物为反射性标记物，所述照明装置为朝向光学标记物发射近红外光的光源。
22.3、有益效果
23.采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
24.本光学手术导航系统可以大幅减少病灶定位器被触碰、被遮挡、被污染时导致导航结果不准甚至失效出现的概率，通过空间辅助定位器在空间上的辅助定位，病灶定位器出现任何问题，只要有一个没有出现问题的空间辅助定位器，就可以保证病灶定位器可以重新开始正常工作，使光学手术导航系统的抗干扰冗余性能大幅改善。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例提出的一种光学手术导航系统的结构示意图；
26.1、三维相机；2、病灶定位器；3、器械定位器；4、空间辅助定位器；5、固定支架；6、移动支架；7、监测模块。
具体实施方式
27.为进一步了解本实用新型的内容，结合附图1及实施例对本实用新型作详细描述。
28.结合附图1，本实施例的一种光学手术导航系统，包括三维相机1，以及固定于患者病灶附近的病灶定位器2和固定于手术器械上的器械定位器3，所述三维相机1一般为双目相机或多目相机，三维相机的工作原理为公知常识，故在此不再赘述，每一个需要定位导航的手术器械上都需要安装一个器械定位器3，让手术器械可以被准确地定位，每一个含有器械定位器3的手术器械在病人的病灶附近移动时，就会被三维相机1实时定位并确定其空间位置，还包括至少一个空间辅助定位器4，所述三维相机1用于获取病灶定位器2、器械定位器3和空间辅助定位器4的空间位置，所述空间辅助定位器4可以临近所述病灶定位器2设置，只要不与病灶定位器2重叠，不相互干扰即可，也可以不临近所述病灶定位器2设置，例如，所述病灶定位器2被固定在患者病灶的上方，空间辅助定位器4被固定于患者病灶的下方，又例如，所述病灶定位器2被固定在患者病灶的左侧，空间辅助定位器4被固定于患者病灶的右侧，事实上，空间辅助定位器4可以固定在医生认为合适，不影响手术的位置，同时又能够被三维相机1在手术过程中“看见”即可。
29.需要说明的是，在手术中需要导航的物体，如病灶定位器2，器械定位器3，空间辅助定位器4，以及手术器械本身，如手术刀，手术钻等均为刚体，即不会形变的刚性的物体(手术器械加上器械定位器3后所构成的结合体也是不会形变的刚性的物体)，而一个刚体在空间的位置一般均可以通过一个三维空间中的矢量来代表，所述矢量的位置和方向可以
用六个自由度，即所述矢量的起点的三个位置坐标和所述矢量的箭头的三个方向角度来描述。因此任何一个手术器械，在已知其大小尺寸的前提下，其空间位置和方向都可以通过一个空间中的矢量的三个位置坐标和三个角度来确定。在以下的描述中，为简洁起见，我们将含有六个自由度的一个刚体在三维空间中的位置和方向简称为这个刚体的空间位置。空间位置距离是指含有六个自由度的刚体在三维空间中的位置和方向的距离。
30.本光学手术导航系统的工作原理：三维相机1获取病灶定位器2、器械定位器3和空间辅助定位器4的空间位置，并通过病灶定位器2和空间辅助定位器4的空间位置计算出两者的空间位置距离(计算功能可通过计算机实现，也可以在三维相机1上安装处理器实现)，以及器械定位器3相对于病灶定位器2的空间位置距离；如果在手术中，所述病灶定位器2没有被触碰过，但是所述空间辅助定位器4被触碰过，导致所述空间辅助定位器4的空间位置发生了变化，那么，设备操作者就可以先将所述空间辅助定位器4扶正或直接重新固定，然后再次计算出病灶定位器2和空间辅助定位器4的空间位置距离并存储下来即可，接下来的手术过程中，继续使用病灶定位器2对手术器械进行定位导航，虽然设备操作者也可以不对空间辅助定位器4再做一次定位，继续使用所述病灶定位器2对手术器械进行定位导航，但是一旦在后续手术中，病灶定位器2被触碰到了，就无法使用空间辅助定位器4的准确位置来对病灶定位器2器的位置做校正了，除非手术已经基本完成；如果在手术中，所述病灶定位器2被触碰过，病灶定位器2的空间位置发生了变化，但是所述空间辅助定位器4没有被触碰过，那么，设备操作者就可以先将所述病灶定位器2扶正或者做重新的固定，然后再次计算出病灶定位器2和空间辅助定位器4的空间位置距离，并将该次的空间位置距离与标准的空间位置距离进行比较计算出差值(前后两个空间位置的差值)，并将该差值补偿于器械定位器3相对于病灶定位器2的空间位置距离上即可，当然地，设备操作者也可以根据标准的空间位置距离将病灶定位器2固定至标准位置，那么则不需对器械定位器3相对于病灶定位器2的空间位置距离进行补偿；如果病灶定位器2的部分或者全部光学标志物被血液污染，导致定位导航不再精准，这时候，设备操作者就需要将被污染光学标志物从病灶定位器2上取下，然后更换上新的没有被污染过的光学标志物，在这个光学标志物更换的过程中，病灶定位器2的空间位置或多或少会发生变化，通过上述方式重新确定病灶定位器2的位置，或将病灶定位器2装回于原先位置均可；如果空间辅助定位器4的部分或者全部光学标志物被血液污染，设备操作者就需要将被污染的部分或者全部光学标志物从空间辅助定位器4上取下，更换上新的没有被污染过的光学标志物后，就可以用病灶定位器2来重新确定病灶定位器2和空间辅助定位器4的相对空间位置，在确定了新的空间辅助定位器4的空间位置后，将它存储起来，以备后用即可；如果在手术中，病灶定位器2被部分或者全部遮挡，只要空间辅助定位器4没有被遮挡，空间辅助定位器4立马就可以替代病灶定位器2，来提供参考定位的功能，只要能够完全无遮挡地看到空间辅助定位器4和器械定位器3，空间辅助定位器4和手术器械的空间位置就全部确定了，由于空间辅助定位器4和病灶定位器2之间的空间位置是完全固定的，尽管光学手术导航装置不能够完全看到病灶定位器2的全部，依然能够直接间接计算出器械定位器3和病灶定位器2的相对空间位置完成定位，如果在下一个时刻，病灶定位器2不再被遮挡，就能够重新开始使用病灶定位器2来做手术器械的定位了，为了尽量减少病灶定位器2和空间辅助定位器4同时被遮挡出现的概率，病灶定位器2和空间辅助定位器4可以在空间放置的位置上离开一段距离。
31.本光学手术导航系统可以大幅减少病灶定位器2被触碰、被遮挡、被污染时导致导航结果不准甚至失效出现的概率，通过空间辅助定位器4在空间上的辅助定位，病灶定位器2出现任何问题，只要有一个没有出现问题的空间辅助定位器4，就可以保证系统的正常运行，使光学手术导航系统的抗干扰冗余性能大幅改善。
32.作为本实用新型的可选方案，所述空间辅助定位器4的数量为两个及以上，如果只有一个空间辅助定位器4，则病灶定位器2和空间辅助定位器4同时被干扰(被触碰、被遮挡、被污染)的概率会比较高，若空间辅助定位器4较多，则多个空间辅助定位器4和病灶定位器2同时被干扰的概率就会更小，而本光学手术导航系统中，恰恰只要有一个空间辅助定位器4没有出现问题，就可以保证系统的正常运行。
33.作为本实用新型的可选方案，还包括固定支架5，所述空间辅助定位器4安装于所述固定支架5上，所述空间辅助定位器4可通过固定支架5固定与除人体组织外的物体上，若有多个空间辅助定位器4，则需要多个固定支架5，不会同时将两个空间辅助定位器4安装于同一固定支架5上，从而能够减少对人体的伤害，只要所述物体和病人的病灶之间在手术期间具有相对不变的空间位置关系即可，例如，手术床、床边立柱、无影灯架等物体上，若手术床是固定不动的，则固定支架5也可以直接放置于地面上进行固定，但是从稳定性和位置精度上来说，肯定不如直接安装于手术床上来的更加稳定和精确。
34.在某些手术中，如果人们无法保证所述物体和病人的病灶之间在手术期间具有相对不变的空间位置关系(例如在手术过程中病人的位置会有变化或者需要被移动)，作为本实用新型的可选方案，所述空间辅助定位器4亦可以被直接固定在人体组织上，类似于病灶定位器2的固定方式；所述空间辅助定位器4和所述病灶定位器2固定在人体组织上的空间位置一般会在病灶附近，但是具体位置需要有所不同，避免导致相互干涉。
35.作为本实用新型的可选方案，还包括移动支架6，所述三维相机1安装于所述移动支架6上，所述三维相机1可通过移动支架6移动的安装于手术床上，也可以直接放置于地面上进行移动，只要使三维相机1能够同时获取到病灶定位器2、器械定位器3和空间辅助定位器4的空间位置即可，通过移动支架6的设置，使得三维相机1使用时更加灵活，可根据病灶的位置改变位置，以避免影响手术。
36.作为本实用新型的可选方案，还包括用于获取患者病灶位置图像的监测模块7，所述监测模块7为安装于移动支架6上的一个摄像头，所述摄像头可以将三维相机1视野中的所有物体，包括手术器械，手术器械上的标志物，医生的手，病人的病灶部位显示到手术室的显示器上，方便医生和护士观察手术部位的整体的状况。
37.作为本实用新型的可选方案，所述病灶定位器2、器械定位器3和空间辅助定位器4上均设有若干光学标记物，每个定位器上的光学标记物数量一般为3-5个，不同的定位器上的光学标记物的布置方式不同,以便让三维相机1能够有效区分每一个不同的定位器。
38.作为本实用新型的可选方案，所述光学标记物内置有用于发出近红外光的光源(led灯珠)，led灯珠能够主动发出够被三维相机1接收到近红外光，在使用发光型标志物时，一般就不再需要设置照明装置。
39.于其他实施例中，所述三维相机1上设有照明装置，所述光学标记物为反射性标记物，所述照明装置为朝向光学标记物发射近红外光的光源，这些近红外光在照到光学标志物时会被有效反射，这些反射光就能够被三维相机1接收到，但是人眼对近红外光一般无
感，看不到放置照明装置发出的近红外光，因此使用近红外光可以防止手术中对医生眼睛和视线产生不必要的干扰。
40.以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。