[發明專利]一種手術導航系統精度檢測方法

在審

• 申請號: 202011029938.8
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112006779A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 劉勇;鄭年;邵言亮;李亮;武利成
• 申請（專利權）人: 安徽埃克索醫療機器人有限公司
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30;A61B34/20;G06T7/73;G06T7/80
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種手術導航系統精度檢測方法，其特征在于，組成包含圖像掃描裝置、光學跟蹤系統、控制系統、機器人定位導航系統、標尺及精度檢測裝置；

圖像掃描裝置，所述圖像掃描裝置用于在檢測時獲取標尺及精度檢測裝置的掃描圖像；

控制系統，所述控制系統包含計算控制軟件、攝像頭、顯示裝置和輸入輸出設備；

機器人定位導航系統，所述機器人定位導航系統包含機械臂，機械臂末端定位導航結構及配套組件；

光學跟蹤系統用于跟蹤帶有示蹤器的物體實時數據；

所述圖像掃描裝置、機器人定位導航系統、光學跟蹤系統均與控制系統連接，進行信號的傳輸；

所述標尺工具有多個不透X光的剛性標識點作為特征點（Marker），用于在術前或術中輔助計算機處理圖像坐標系及世界坐標系的轉化，同時可以根據患者不同手術部位及體型設計不同規格；

所述精度檢測裝置包含質控工具底板（3）、TrackerⅡ（4）、可替換隧道（5）、輔助定位針（6），其中，輔助定位針（6）插入可替換隧道（5），所述輔助定位針（6）中包裹剛性圓柱體。

2.如權利要求1所述的一種手術導航系統精度檢測方法，其特征在于，機械臂末端、標尺及精度檢測裝置上裝有標尺裝有示蹤器（Tracker），以便光學跟蹤系統通過示蹤器獲取物體實時數據。

3.如權利要求1所述的一種手術導航系統精度檢測方法，其特征在于，標尺上有不少于6個剛性球體，優選的6,7,8,9,10個。

4.如權利要求1所述的一種手術導航系統精度檢測方法，其特征在于，圖像掃描裝置可以進行醫學圖像掃描，圖像獲取裝置如CT機、核磁、PET-CT，CBCT，O型臂，X光機醫學影像設備等，所述圖像掃描模塊在某些影像設備中還包含圖像校正裝置，用于進行圖像校正。

5.根據權利要求1至4中任一項所述的手術導航系統精度檢測方法，其特征在于，包括以下操作步驟：

a)將Tracker安裝于機械臂末端、精度檢測裝置、標尺上，并將其放置于光學追蹤系統的跟蹤范圍內；

b)將標尺與精度檢測裝置固定，用圖像掃描裝置掃描標尺與精度檢測裝置的圖像信息，傳輸到控制系統；

若圖像掃描為3D圖像，則控制系統可以直接進行處理；

若圖像掃描為2D圖形，則需拍攝不同角度的圖像至少兩張（圖像夾角為70°～110°），再傳輸到控制系統進行處理；

c)控制系統根據圖像掃描裝置的相關信息，進行圖像處理，并根據標尺上的剛性球體在圖像中的信息進行空間坐標轉化；

d)在控制系統的軟件上選取輔助定位筒（3）中圓柱體在醫學圖像中的位置作手術導航定位的規劃隧道，選取后將信息傳輸到定位導航系統；

e)取下標尺及輔助定位筒，由機器人導航系統執行導航操作，最后觀察機械臂末端是否到達精度檢測裝置的孔，如未到達，則精度不合格，如到達則精度檢測結果為合格。

6.根據權利要求5所述的手術導航系統精度檢測方法，其特征在于，所述空間坐標信息轉化過程如下：

a)當圖像為2D信息，空間坐標轉化過程如下：

變換矩陣=平移矩陣+旋轉矩陣，定義R是旋轉矩陣，X是物體坐標系下的三維列向量[x,y,z]’，T是平移矩陣，得變換矩陣A=RX+T；

光學追蹤系統的坐標系為世界坐標系，Tracker和機器人坐標系為物體坐標系；

在世界坐標系下描述物體坐標系有位姿矩陣，此矩陣可逆, Rt₁表示Tracker坐標系，Rt₂表示機器人坐標系；

同時，Tracker與機器人的坐標系之間的變換矩陣有Rt₁^-1* Rt₂，即在Tracker坐標系下，機器人的位姿矩陣；

其次，拍攝精度檢測裝置的不同角度X線片圖像，對定位標尺X線透視圖像進行處理，每張圖像的標志點，2組標志點構建三維坐標系；同時，可確定輔助定位筒中剛性圓柱體的坐標，即入點和止點坐標；

已知在真實空間中，標尺坐標系下的n(n6)個點坐標，已知有相機內參，外參乘積有攝像機矩陣

則有

通過n組(n6)同樣的公式，使用最小二乘法得到l₁到l₁₂的參數值，記錄下這組參數值， 在術前導入兩張X光片并規劃及保存導航路徑，手術之前加載導航路徑進行導航精度驗證；

b)當圖像為3D信息，空間坐標轉化過程如下：

不同三維空間中坐標系的轉換一般包括旋轉和平移，假如在三維模型坐標系中任一標志點的三維坐標為（X_m，Y_m，Z_m），對應的該點在世界坐標系下的坐標為 則有下面的轉換關系（X_w，Y_w，Z_w）：

其中，表示模型坐標系與世界坐標系之間的轉換關系矩陣；

若已知模型上n(n3)點坐標，且這些點均不在一個平面上，則依據此轉換矩陣，計算出對應的世界坐標系中的坐標；

以此轉換矩陣由模型上的點配準世界坐標系中的點，通過記錄下這組向量值，每次做手術前都先帶入標準值進行導航操作；

術前在模型中規劃并保存三維導航路徑，手術之前加載導航路徑進行導航精度驗證，當有4個點時，

則有矩陣，，

通過最小二乘法解得r₁，r₂，r₃，r₄，同理，解得12個參數，4點以上也是如此。