手术器械方向校准参数和作用方向的确定方法及校准工具技术

一种手术器械方向校准参数的确定方法及其校准工具和手术器械作用方向的确定方法。该方向校准参数确定方法包括：安装跟踪标记物（21）的被测物（40）置于校准工具（30）上，使其保持方向不变并且自转，通过位置跟踪设备确定跟踪标记物的至少两个三维旋转矩阵，利用该三维旋转矩阵，通过三维空间中的两点关系公式或直线方向转动公式求出方向校准参数。基于求得的方向校准参数及跟踪标记物当前三维旋转矩阵，确定手术器械当前的作用方向。该方法不需将被测物置于某已知方向，也不需通过确定该方向上的两个点，便可求出手术器械的方向校准参数，从而可以确定出手术器械在实际使用中的作用方向，为医生提供可靠得方向信息，保障手术顺利进行，提高手术精准度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】手术器械方向校准参数和作用方向的确定方法及校准工具
本专利技术涉及一种手术器械方向校准参数和作用方向的确定方法及校准工具，尤指一种利用位置跟踪设备实现的手术器械方向校准参数的确定方法、手术器械作用方向的确定方法以及一种在手术器械方向校准参数的确定方法中使用的校准工具。
技术介绍
在微创手术中，有一种经皮穿刺手术，如活检、穿刺消融治疗肝癌、肺癌的手术等，它的特点是将一根针状手术器械经皮下穿刺到患者体内，使针尖到达特定区域而实行诊断、治疗等。在骨科中，常常需要把钉子状的物体植入人体内或者把针状手术器械插入患者体内，以对某个部位进行切除、治疗。在放射粒子植入治疗等中，需要确定粒子植入的方向。在神经外科的开颅手术中，需要钻头以某个方向钻进脑颅。总之，在许多手术中，都需要精确把握手术器械的作用方向，在手术中，手术器械作用方向的确定与掌握对手术治疗效果起着决定性的作用。在进行上述手术的过程中，为了手术的精确性，应用手术导航系统是一个好的办法。手术导航系统包括位置跟踪设备、手术导航软件等。该手术导航系统可在解剖影像上实时反映手术器械的某直线部分(如针)在患者体内的运动轨迹，从而给医生提供可视的影像，对手术进行图像引导。如图1所示，为了追踪手术针10的运动轨迹，目前需要将一个标记物11固定安装在手术针10上，从而通过位置跟踪设备(图中未示出)跟踪标记物11的空间位置和方向，反映出手术针10的运动轨迹。现有两种位置跟踪设备：红外跟踪设备和电磁跟踪设备。应用红外跟踪设备时，主动式(主动发出红外光)或被动式(反射红外光)标记物被安装在手术针上，通过对红外光的传输进行运算，红外跟踪设备便可推导出标记物实时的空间位置和方向。应用电磁跟踪设备时，标记物是传感线圈，它被安装在手术针上，通过对感应电压的运算，电磁跟踪设备便可实时给出标记物的空间位置和方向。总之，位置跟踪设备可以跟踪标记物的空间运动，实时给出标记物的空间位置和方向。但是，在实际应用中，手术器械有自身的几何结构，标记物的空间位置和方向只能表示其自身的空间位置和方向。如何用标记物的空间位置和方向来表示手术器械的作用方向，这就涉及到了手术器械方向校准问题。一种已有的方法是初始时将手术器械摆在一个已知的方向，再根据位置跟踪设备，测出此时标记物的方向参数，然后算出手术器械已知方向与标记物之间的方向偏差了多少，即方向偏差值参数。当手术器械运动到任何另外一个方向上时，基于标记物在这个方向的参数，再应用前面已求出的方向偏差值参数进行补偿运算，就可以得到手术器械的作用方向。但是，该方法存在以下缺点：初始时必须把手术器械摆在一个已知的方向，而已知方向的精确摆放是很难做到的，这与手术器械外壳加工的精度等都有着密切的关系，而所谓空间中一个已知的方向，是对于位置跟踪设备而言的，也是难以精确地在实际物理的立体空间中标定出的。另一种已有的方法是通过手术器械方向上的两点，来确定手术器械的方向校准参数。虽然确定手术器械上某一个点(如手术针的针尖)的校准参数是公知的技术，但因手术器械本身的几何结构，要确定手术器械上另一点的校准参数就比较困难，如手术针的另一端针尾，其常常不是一个点的几何结构，因此无法测得该点的校准参数。在实际中，当标记物安装在手术针上的位置离手术针尖有一段距离时(如标记物不方便安装在针尖上)，那么，如果用于校准的方向值偏差参数计算得不够精确的话，就可能引起手术针在其延长线方向，如针尖处的方向上产生较大方向误差。因此，目前较多是将标记物直接安装在空心手术针的针尖端部，以使手术针与标记物之间不会产生太大的偏差，从而可以获得较高的精度。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种可准确求取手术器械方向校准参数的方法、准确确定手术器械作用方向的方法以及求取手术器械方向校准参数的方法中用到的校准工具。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：本专利技术提出了一种手术器械方向校准参数的确定方法，其特征在于：它包括如下步骤：a.在被测物上固定安装跟踪标记物后，将该被测物置于一个校准工具上，令该被测物上的跟踪标记物处于位置跟踪设备所覆盖的可跟踪区域内；b.借助该校准工具，使该被测物以设定直线为轴进行自转，同时使得该设定直线在三维空间内的方向保持不变；c.在该被测物自转时，该位置跟踪设备获取跟踪标记物在至少两个不同自转位置时的三维旋转矩阵或三维旋转角度，并从中确定出用于求取方向校准参数的至少两个三维旋转矩阵；d.取该设定直线上相距距离为D的两个点A、B，设定该A、B点的三维坐标分别为(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)，设定该跟踪标记物的标志点O点的三维坐标为(Xc，Yc，Zc)；e.将该A、B点的三维坐标和该标志点O点的三维坐标代入三维空间中的两点关系公式，得到如下公式1)-6)：XA＝Xc+XA0×Mp(1，1)+YA0×Mp(2，1)+ZA0×Mp(3，1)1)YA＝Yc+XA0×Mp(1，2)+YA0×Mp(2，2)+ZA0×Mp(3，2)2)ZA＝Zc+XA0×Mp(1，3)+YA0×Mp(2，3)+ZA0×Mp(3，3)3)XB＝Xc+XB0×Mp(1，1)+YB0×Mp(2，1)+ZB0×Mp(3，1)4)YB＝Yc+XB0×Mp(1，2)+YB0×Mp(2，2)+ZB0×Mp(3，2)5)ZB＝Zc+XB0×Mp(1，3)+YB0×Mp(2，3)+ZB0×Mp(3，3)6)其中：XA0、YA0、ZA0分别为跟踪标记物的标志点O点与A点的偏差参数的X、Y、Z分量；XB0、YB0、ZB0分别为跟踪标记物的标志点O点与B点的偏差参数的X、Y、Z分量；为步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的第p个三维旋转矩阵，p＝1、2、...、n，n为大于1的正整数；f.将步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个三维旋转矩阵分别代入上述公式1)-6)，并且通过两点间距离公式结合计算法或方向分量非零常量计算法求出Xoff、Yoff、Zoff，完成手术器械方向校准参数的求取，其中：令Xoff＝XA0-XB0，Yoff＝YA0-YB0，Zoff＝ZA0-ZB0，Xoff、Yoff、Zoff分别设定为针对该被测物所设置的该设定直线的方向校准参数的X、Y、Z分量。在所述步骤f中，所述两点间距离公式结合计算法为：通过AB两点间距离公式以及将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式1)-6)后得到的所有式子构成的联立方程组来求出Xoff、Yoff、Zoff，其中：D为一个设定的已知非零常量；在所述步骤f中，所述方向分量非零常量计算法为：令δx＝XA-XB，δy＝YA-YB，δz＝ZA-ZB，δx、δy、δz分别代表所述设定直线的方向在三维坐标系中的X、Y、Z分量，将δx、δy或δz中的不等于零的任意一个设为已知非零常量，通过将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式1)-6)后得到的所有式子构成联本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种手术器械方向校准参数的确定方法，其特征在于：它包括如下步骤：a.在被测物上固定安装跟踪标记物后，将该被测物置于一个校准工具上，令该被测物上的跟踪标记物处于位置跟踪设备所覆盖的可跟踪区域内；b.借助该校准工具，使该被测物以设定直线为轴进行自转，同时使得该设定直线在三维空间内的方向保持不变；c.在该被测物自转时，该位置跟踪设备获取跟踪标记物在至少两个不同自转位置时的三维旋转矩阵或三维旋转角度，并从中确定出用于求取方向校准参数的至少两个三维旋转矩阵；d.取该设定直线上相距距离为D的两个点A、B，设定该A、B点的三维坐标分别为、，设定该跟踪标记物的标志点O点的三维坐标为；e.将该A、B点的三维坐标和该标志点O点的三维坐标代入三维空间中的两点关系公式，得到如下公式1）—6）：其中：XA0、YA0、ZA0分别为跟踪标记物的标志点O点与A点的偏差参数的X、Y、Z分量；XB0、YB0、ZB0分别为跟踪标记物的标志点O点与B点的偏差参数的X、Y、Z分量；为步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的第P个三维旋转矩阵，P=1、2、...、n,n为大于1的正整数；f.将步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个三维旋转矩阵分别代入上述公式1）—6），并且通过两点间距离公式结合计算法或方向分量非零常量计算法求出、、，完成手术器械方向校准参数的求取，其中：令=、=、=，、、分别设定为针对该被测物所设置的该设定直线的方向校准参数的X、Y、Z分量；在所述步骤f中，所述两点间距离公式结合计算法为：通过AB两点间距离公式D=以及将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式1）—6）后得到的所有式子构成的联立方程组来求出、、，其中：D为一个设定的已知非零常量；在所述步骤f中，所述方向分量非零常量计算法为：令，，，、、分别代表所述设定直线的方向在三维坐标系中的X、Y、Z分量，将、或中的不等于零的任意一个设为已知非零常量，通过将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式1）—6）后得到的所有式子构成联立方程组来求出、、；在所述步骤e中，令，，，、、分别代表所述设定直线的方向在三维坐标系中的X、Y、Z分量；令公式1）-公式4），得到公式7）：令公式2)-公式5)，得到公式8)令公式3)-公式6)，得到公式9)：从而在所述步骤f中，将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个三维旋转矩阵分别代入上述公式7）—9），并且通过两点间距离公式结合计算法或方向分量非零常量计算法求出、、，完成手术器械方向校准参数的求取；所述两点间距离公式结合计算法为：通过AB两点间距离公式D=以及将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式7）—9）后得到的所有式子构成的联立方程组来求出、、，其中：D为一个设定的已知非零常量；所述方向分量非零常量计算法为：将、或中的不等于零的任意一个设为已知非零常量，将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式7）—9）后得到的所有式子变为关于、、的非齐次线性方程组，通过求解非齐次线性方程组的方法求出、、。2.一种手术器械方向校准参数的确定方法，其特征在于：它包括如下步骤：a.在被测物上固定安装跟踪标记物后，将该被测物置于一个校准工具上，令该被测物上的跟踪标记物处于位置跟踪设备所覆盖的可跟踪区域内；b.借助该校准工具，使该被测物以设定直线为轴进行自转，同时使得该设定直线在三维空间内的方向保持不变；c.在该被测物自转时，该位置跟踪设备获取跟踪标记物在至少两个不同自转位置时的三维旋转矩阵或三维旋转角度，并从中确定出用于求取方向校准参数的至少两个三维旋转矩阵；d.取该设定直线上相距距离为D的两个点A、B，设定该A、B点的三维坐标分别为、；e.令，，，分别代表该设定直线的方向在三维坐标系中的X、Y、Z分量，则根据三维空间中的直线方向转动公式，得到如下公式10）—12）：其中：分别设定为针对该被测物所设置的该设定直线的方向校准参数的X、Y、Z分量为步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的第P个三维旋转矩阵，P=1、2、...n,n为大于1的正整数;f.将步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个三维旋转矩阵分别代入上述公式10）—12），并且通过两点间距离公式结合计算法或方向分量非零常量计算法求出，完成手术器械方向校准参数的求取。3.如权利要求2所述的手术器械方向校准参数的确定方法，其特征在于：在所述步骤f中，所述两点间距离公式结合计算法为：通过AB两点间距离公式D=以及将所述步骤c中确定出的用于求取方向校准参数的各个所述三维旋转矩阵分别代入所述公式10）—12）后得到的所有式子构成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：季鹰，
申请(专利权)人：季鹰，
类型：发明
国别省市：江苏;32