[發明專利]一種應用于手術導航系統的手術器械標定方法

有效

• 申請號: 201611244624.3
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106580473B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 金兢;李海;王宏志;江海河
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種應用于手術導航系統的手術器械標定方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：啟動設備并進行初始化，使設備進入穩定運行階段；

步驟2：把若干已知空間坐標的標志小球固定在被標定手術器械上，盡量使這些標志小球均勻地分布在雙目視覺測量單元的視場中；

步驟3：控制手術器械，使手術器械尖端頂住錐孔的頂部，并利用雙目視覺測量單元獲取標志小球的運動軌跡一的三維位置信息，雙目視覺測量單元將獲取的運動軌跡一的三維位置信息通過數據線傳輸到計算機終端等待處理；

步驟4：再控制手術器械，使手術器械尖端頂住錐孔的頂部，并利用雙目視覺測量單元獲取標志小球的運動軌跡二的三維位置信息，雙目視覺測量單元將獲取的運動軌跡二的三維位置信息通過數據線傳輸到計算機終端等待處理；

步驟5：再控制手術器械，使手術器械尖端頂住錐孔的頂部，并利用雙目視覺測量單元獲取標志小球的運動軌跡三的三維位置信息，雙目視覺測量單元將獲取的運動軌跡三的三維位置信息通過數據線傳輸到計算機終端等待處理；

步驟6：步驟3至步驟5共獲取3組標志小球的三維位置信息，利用計算機終端獲取的3組標志小球的三維位置信息，計算3次運動軌跡之間手術器械的旋轉平移矩陣Rt_i(i＝1,2,3)；

步驟7：計算每一個旋轉平移矩陣Rt_i(i＝1,2,3)對應的旋轉空間不變點的坐標向量X_oi(i＝1,2,3)，并求其平均值

步驟8：利用3組標志小球的位置信息，對步驟7所計算的進行距離約束優化，得到收斂的最優結果X_o，即手術器械尖端的三維坐標向量；

步驟9：將其中一組手術器械上所有標志小球的三維坐標向量和手術器械尖端的三維坐標向量X_o，組成矩陣P來描述手術器械尖端與標志小球的位置關系；

步驟10：將描述手術器械尖端與標志小球的位置關系的矩陣P，變換到手術器械的原始坐標系下，得到矩陣P_s并輸出；

所述的被標定手術器械上的標志小球，是通過雙目視覺測量單元獲取標志小球的三維位置信息，計算手術器械的尖端三維坐標；

所述的旋轉平移矩陣Rt_i(i＝1,2,3)，通過控制雙目視覺測量單元，記錄手術器械在每一個位置的姿態，計算各姿態之間的位置關系，得到旋轉平移矩陣Rt_i(i＝1,2,3)；

所述的旋轉空間不變點的坐標向量X_oi(i＝1,2,3)，是根據空間坐標系轉換關系X_oi＝Rt_iX_oi，得出手術器械尖端的三維坐標

最終收斂的手術器械尖端的三維坐標向量X_o，利用基于手術器械尖端到任意一個標志小球的距離恒定的約束，來優化手術器械尖端的三維坐標得到準確的手術器械尖端的三維坐標向量X_o；

手術器械原始坐標系下的位置關系矩陣P_s，將計算得到手術器械尖端的三維坐標向量X_o與手術器械上標志小球的三維標志向量，組成矩陣P來描述手術器械尖端與標志小球的位置關系，并通過空間坐標系轉換，獲得手術器械原始坐標系下的位置關系矩陣P_s；

其中，控制被標定手術器械令其尖端從3個不同的位置進入錐孔，利用雙目視覺測量單元拍攝手術器械，連接雙目視覺測量單元的計算機獲取被標定手術器械上標志小球的三維位置信息，通過本方法計算得到精確的手術器械尖端三維坐標，并用矩陣來表述他們之間的相對位置關系；

剛體的空間旋轉用公式(1)來表述，其中α，β，γ是3個正交旋轉軸對應的旋轉角度，向量[x y z]^T和[x' y' z']^T分別表示旋轉前后單個標志小球的三維坐標向量，R表示旋轉矩陣，

手術器械繞尖端運動的過程用公式(2)來表述，其中矩陣X和X'分別表示旋轉前后所有標志小球的四維齊次坐標矩陣，Rt表示與該運動對應的旋轉平移矩陣，

將雙目視覺測量單元獲取的3組標志小球的三維位置信息帶入公式(2)，并求解獲得旋轉平移矩陣Rt_i(i＝1,2,3)，

公式(3)表述了空間旋轉不變性，通過求解公式(3)，獲得對應Rt_i(i＝1,2,3)矩陣的空間旋轉不變點X_oi(i＝1,2,3)，并計算其平均值

其中，同一個標志小球到手術器械尖端的距離是固定不變的，即OP₁＝OP₂＝OP₃，依據這個特點，建立基于距離約束的優化方程(4)：

其中，n是標志小球的總數，是第i個標志小球在第j個位置的三維坐標向量，||M||_F表示M矩陣的弗羅貝尼烏斯范數，優化目標是手術器械的尖端的三維坐標向量X_o，初值用空間旋轉不變點的平均值代入，通過最小化優化函數δ，獲得收斂的X_o，即手術器械尖端的精確三維坐標；

將其中一組手術器械上所有標志小球的三維坐標向量和手術器械尖端的三維坐標向量X_o，組成矩陣P來描述手術器械尖端與標志小球的位置關系：

P＝[X₁ X₂ X₃ X₄ X_o] (5)

并且變換到手術器械的原始坐標系下，得到矩陣P_s并輸出，