本发明专利技术提供一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法及装置，包括信息预处理步骤、信息空间构建步骤和深度判断步骤，本发明专利技术可以用于骨科手术机器人在经皮微创手术中，对其末端通道上的克氏针针/钻头/螺钉等任意手术器械的实时深度监测，解决了现有的骨科手术导航装置或骨科手术机器人仅能完成垂直于手术通道方向的水平距离监测，无法进行沿手术通道方向的深度监测。道方向的深度监测。道方向的深度监测。
【技术实现步骤摘要】
一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法及装置
[0001]本专利技术涉及光学跟踪系统，尤其涉及基于光学跟踪技术对已知位姿通道的深度进行测量的方法和装置。
技术介绍
[0002]随着科技的发展，光学传感器的分辨率及采样速率的大幅提高，计算机的计算效率提高、成本降低，基于计算机视觉技术的光学跟踪系统以其无接触无辐射，高精度低延时的优势，在实时导航领域得到了大幅应用。
[0003]目前常用的实时光学跟踪系统的标记物通常有多个标记点构成，因为要完成一个空间坐标系完整信息的测量，我们至少需要三个空间坐标点。在实时导航系统中，光学跟踪系统依靠上述完整坐标系，可帮助我们建立一个高精度通道，即一条世界坐标系下的直线约束。通过辅助机械结构，可以建立该直线约束的机械通道，指导完成沿该直线的精准直线运动操作。然而由于完整坐标系测量需要至少三个空间坐标点，完整的坐标系光学跟踪标记物存在体积大，标记物与光学跟踪相机测量平面夹角有测量约束等影响操作灵活性的问题。
[0004]现有技术中也有一些三维场景下的导航系统或方法，例如中国专利文献CN106890025A公开了一种微创手术导航系统，它包括复合内窥镜镜体、空间定位装置和手术导航服务器。通过该导航系统，导航前，对术前诊断影像进行三维模型重构、术前规划；导航时，同时获取术中器官组织的三维光学图像信号和二维超声图像信号并进行三维重构，对带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型进行器官组织形变校正，将三维光学模型与动态术前配准模型进行配准融合，可同时实现光学导航和超声导航的功能，能实时连续地从术中光学导航切换到术中超声导航，由器官组织表面到器官组织的内部结构中全方位连续地获取术中器官组织的关键部位位点、最佳手术切入点和内部行径路径。该方案从整体上规划了微创手术的整体导航技术，但对于前述的完整坐标系中光学系统标记物存在的问题没有提到相应的内容和解决方案。又如，中国专利文献CN110916799A提供了一种基于5G网络的穿刺机器人导航系统，它包括本地穿刺导航系统和异地穿刺服务器，所述本地穿刺导航系统和异地穿刺服务器通过5G网络通信；本地穿刺导航系统首先将CT坐标系、机器人基座坐标系和双目相机世界坐标系通过标记点进行空间映射，将CT坐标系通过固定好的双目相机世界坐标系映射到机器人基座坐标系下，映射后发送当前标记点的位置给机器人，然后给医生确定靶点路径，靶点路径通过5G网络发送至异地穿刺服务器，医生通过异地穿刺服务器控制机器人完成手术。该方案主要通过5G网络解决了异地导航的问题，能够实现低延时、高效率的异地导航，但也没有提到在导航过程中标记物灵活度的问题。
[0005]现有技术中的实时光学跟踪系统的标记物通常有多个标记点构成，因为要完成一个空间坐标系完整信息的测量，我们至少需要三个空间坐标点。在实时导航系统中，光学跟踪系统依靠上述完整坐标系，可帮助我们建立一个高精度通道，即一条世界坐标系下的直线约束。通过辅助机械结构，可以建立该直线约束的机械通道，指导完成沿该直线的精准直
线运动操作。然而由于完整坐标系测量需要至少三个空间坐标点，完整的坐标系光学跟踪标记物存在体积大，标记物与光学跟踪相机测量平面夹角有测量约束等影响操作灵活性的问题。在手术导航以及其他一些未知深度的通道探测方面，为了便于实施操作，设计和设置全坐标系光学跟踪标记物成为光学实时导航的一大痛点。
技术实现思路
[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，为了能够即满足实时对操作进行跟踪，又最大程度提供操作灵活性，提供一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法及装置，用于骨科手术机器人在经皮微创手术中，对其末端通道上的克氏针针/钻头/螺钉等任意手术器械的实时深度监测。解决现有的骨科手术导航装置或骨科手术机器人仅能完成垂直于手术通道方向的水平距离监测，无法进行沿手术通道方向的深度监测。
[0007]为此，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]首先，本专利技术的第一方面，本专利技术提供一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法，所述深度测量方法包括以下步骤：
[0009](1)信息预处理步骤：深度测量装置的固定装置轴线与被测通道轴线夹角固定，并记为安装角；
[0010]将所有已知位姿通道，使用其三维旋转向量，构造与其对应的空间直线，记为被测通道；
[0011]深度测量装置的空间坐标点测量标记物的测量中心与深度测量装置的固定装置固着的被测通道轴中心的距离记为安装半径；
[0012](2)信息空间构建步骤：根据步骤(1)中的安装角，根据相应方式得到以被测通道为旋转轴的一个空间圆锥体，记为热点圆锥体；具体方式如下：
[0013]以深度测量装置的固定装置轴线为斜边，斜边的端点一侧为被测通道轴线与深度测量装置的固定装置轴线的交点，另一侧为深度测量装置测量标记物的测量中心；以该斜边绕被测通道旋转360度，得到热点圆锥体；
[0014]将实时检测深度测量装置测量标记物的测量中心的当前空间三维坐标点，记为一个深度测量点；
[0015](3)深度判断步骤：
[0016]301)当深度测量点的三维空间坐标更新后，逐一计算深度测量点与被测通道的垂直距离；
[0017]302)当深度测量点到被测通道的垂直距离，小于等于步骤(1)中所述安装半径时，设定深度测量装置的测量中心位于一个由该被测通道与该深度测量装置构成的热点圆锥体表面上，则该热点圆锥体斜边与被测通道的夹角固定为所述安装角；此时记录该深度测量点与该被测通道关联；
[0018]303)当深度测量点到被测通道的垂直距离，大于步骤(1)中所述安装半径时，深度测量装置与被测通道无关联；
[0019]304)所有深度测量点完成关联测量后，关联被测通道数量为零的深度测量点，标记为无效深度测量点；且在剩余深度测量点中，关联被测通道超过一个以上的，也标记为无效深度测量点；
[0020]305)将步骤304)处理后的深度测量点赋予被测通道ID号，这时，深度测量点与被测通道关联；根据固定的安装角，以及深度测量点的空间坐标，找到深度测量点与被测通道夹角为安装角的斜边与被测通道轴线形成的空间交点，此处即为被测通道的当前深度位置。
[0021]进一步的，当本方法具有多个被测通道时，虽然深度测量装置本身不具备唯一标识，无法被区分，但通过与被测通道绑定，赋予被测通道ID号后，在本方法中能被区别，因而当本方法能同时实时跟踪多个已知通道内的标记物所处深度。
[0022]本专利技术的第二方面，本专利技术提供一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量装置，所述深度测量装置能够实现上述的深度测量方法，所述深度测量装置包括光学跟踪标记物、光学跟踪标记物固定部件、探测组件和光学相机，所述光学跟踪标记物通过所述光学跟踪标记物固定部件安装在探测组件上，光学跟踪标记物通过光学相机的追踪得到一个空间位置点信息。
[0023]进一步的，光学跟踪标记物固定部件通过机械结构与已知通道被测量物体固定。
[0024]作为优选，所述光学跟踪标记物优选本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法，其特征在于，所述深度测量方法包括以下步骤：(1)信息预处理步骤：深度测量装置的固定装置轴线与被测通道轴线夹角固定，并记为安装角；将所有已知位姿通道，使用其三维旋转向量，构造为对应的空间直线，记为被测通道；深度测量装置的空间坐标点测量标记物的测量中心与深度测量装置的固定装置固着的被测通道轴中心的距离记为安装半径；(2)信息空间构建步骤：根据步骤(1)中的安装角，根据相应方式得到以被测通道为旋转轴的一个空间圆锥体和/或空间圆柱面；将实时检测深度测量装置测量标记物的测量中心的当前空间三维坐标点，记为一个深度测量点；(3)深度判断步骤：当测量标记物的空间位置落入所述空间圆柱面时，计算测量标记物在所述空间直线上的投影点A，记为被测通道的当前深度位置；(4)当深度测量装置的位置发生变化时，判断测量标记物的位置是否还在所述空间圆柱面内，如果是，实时计算测量标记物在所述空间直线上的投影点B，实时显示投影点A和投影点B之间的距离；如果否，则认为深度测量装置脱离被测通道，不显示距离。2.根据权利要求1所述的一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法，其特征在于，在步骤(2)中构建所述空间圆锥体的方法具体为：以深度测量装置的固定装置轴线为斜边，斜边的端点一侧为被测通道轴线与深度测量装置的固定装置轴线的交点，另一侧为深度测量装置测量标记物的测量中心；以该斜边绕被测通道旋转360度，得到热点圆锥体。3.根据权利要求1所述的一种光学实时导航已知位姿通道的深度测量方法，其特征在于，当被测通道为空间圆锥体时，深度判断步骤为：301)当深度测量点的三维空间坐标更新后，逐一计算深度测量点与被测通道的垂直距离；302)当深度测量点到被测通道的垂直距离，小于等于步骤(1)中所述安装半径时，设定深度测量装置的测量中心位于一个由该被测通道与该深度测量装置构成的热点圆锥体表面上，则该热点圆锥体斜边与被测通道的夹角固定为所述安装角；此时记录该深度测量点与该被测通道关联；303)当深度测量点到被测通道的垂直距离，大于步骤(1)中所述安装半径时，深度测量装置与被测通道无关联；304)所有深度测量点完成关联测量后，关...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈丽萍，张巍，申明宇，
申请(专利权)人：杭州三坛医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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