【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗，尤其是涉及一种手术导航跟踪方法、系统及示踪元件。
技术介绍
1、随着医学影像与计算机技术的发展，基于光学跟踪系统的导航机器人已越来越多的应用于临床手术。例如，骨科相关手术领域的脊柱手术导航机器人能够基于术中影像实现对手术部位的跟踪导航，这样不仅能够为医生手术置钉提供辅助引导，还能够极大地缩短医生的规划和操作时间，具有极高的临床应用价值和广泛的临床应用前景，对患者手术部位的光学跟踪是脊柱手术导航系统中重要的一项技术。
2、脊柱手术导航机器人传统的跟踪方式是通过患者皮肤切口，使用夹骨装置放入切口，将光学跟踪器件固定在患者脊椎上，实现对患者脊柱坐标的实时跟踪。这样虽然能够实现对患者脊柱坐标的实时跟踪，但是需要在患者脊柱附近增加手术创口，如此，增加了对患者的伤害。
技术实现思路
1、本申请提供一种手术导航跟踪方法、系统及示踪元件，能够在不增加手术创口的情况下确定患者的脊柱位置，完成脊柱手术，这样能够减少对患者的伤害。
2、本申请的第一方面，提供了一种手术导航跟踪方法，应用于手术导航跟踪系统，方法包括：
3、获取配准阶段的扫描数据和多个示踪元件的初始光学坐标；其中，示踪元件固定在患者的皮肤表面上；
4、基于扫描数据确定初始影像坐标系，并基于多个示踪元件的初始光学坐标构建初始光学坐标系；
5、对同一时刻的初始影像坐标系和初始光学坐标系进行配准，得到第一配准变换矩阵，并确定多个示踪元件各自在初始光学坐标系中的局部坐标
6、确定多个示踪元件各自在导航阶段的第一实时坐标，并将第一实时坐标和局部坐标进行配准，得到第二配准变换矩阵；
7、基于各示踪元件在导航阶段的第二实时坐标、第二配准变换矩阵和第一配准变换矩阵，得到影像脊柱位置；第一实时坐标和第二实时坐标分别表征不同时刻时示踪元件的位置。
8、在一些实施例中，基于多个示踪元件的初始光学坐标构建初始光学坐标系，包括：
9、对多个示踪元件的初始光学坐标进行拟合，得到拟合平面；
10、基于拟合平面，构建初始光学坐标系。
11、在一些实施例中，基于拟合平面，构建初始光学坐标系，包括：
12、将拟合平面对应的多个法向量中经过第一示踪元件的法向量，确定为第一坐标轴方向；其中，第一示踪元件为多个示踪元件中的任一示踪元件；
13、将第一示踪元件到第二示踪元件的方向，确定为第二坐标轴方向；其中，第二示踪元件为多个示踪元件中与第一示踪元件之间距离最远的示踪元件；
14、对第一坐标轴方向对应的向量和第二坐标轴方向对应的向量进行叉乘，得到第三坐标轴方向；
15、基于第一坐标轴方向、第二坐标轴方向和第三坐标轴方向，构建初始光学坐标系。
16、在一些实施例中，通过如下公式对同一时刻的初始影像坐标系和初始光学坐标系进行配准，得到第一配准变换矩阵：
17、
18、其中，t0为第一配准变换矩阵，cimg为初始影像坐标系，ctra为初始光学坐标系。
19、在一些实施例中，确定多个示踪元件各自在初始光学坐标系中的局部坐标，包括
20、基于初始光学坐标系的齐次坐标矩阵和各初始光学坐标，确定各示踪元件的局部坐标。
21、在一些实施例中，通过如下公式确定各示踪元件的局部坐标：
22、
23、其中，pitra为第i个示踪元件的局部坐标，ttra为初始光学坐标系的齐次坐标矩阵，pi为第i个示踪元件的初始光学坐标。
24、在一些实施例中，将第一实时坐标和局部坐标进行配准，得到第二配准变换矩阵，包括：
25、基于多个局部坐标，确定每两个示踪元件之间的配准距离；
26、基于多个第一实时坐标，确定每两个示踪元件之间的实时距离；
27、基于每两个示踪元件之间的配准距离和实时距离，确定第二配准变换矩阵。
28、在一些实施例中，基于每两个示踪元件之间的配准距离和实时距离，确定第二配准变换矩阵，包括：
29、基于每两个示踪元件之间的配准距离和实时距离，确定多个相对位置偏差值；
30、从多个相对位置偏差值中剔除满足预设条件的相对位置偏差值，得到多个目标相对位置偏差值；
31、基于多个目标相对位置偏差值，确定第二配准变换矩阵。
32、在一些实施例中，基于多个目标相对位置偏差值，确定第二配准变换矩阵，包括：
33、基于多个局部坐标，确定多个示踪元件对应的第一几何中心，并基于多个第一实时坐标，确定多个示踪元件对应的第二几何中心；
34、基于各局部坐标与第一几何中心之间的第一距离，以及各第一实时坐标与第二几何中心之间的第二距离，生成特征矩阵；
35、对特征矩阵进行奇异值分解，并根据奇异值分解结果，得到旋转矩阵；
36、基于旋转矩阵，以及各目标相对位置偏差值，确定第二配准变换矩阵。
37、在一些实施例中，预设条件包括：相对位置偏差值为多个相对位置偏差值中偏差值最大的相对位置偏差值。
38、在一些实施例中，通过如下公式确定每两个示踪元件的相对位置偏差值：
39、
40、其中，ei为第i个示踪元件的相对位置偏差值，为第i个示踪元件与第j个示踪元件之间的配准距离，为第i个示踪元件与第j个示踪元件之间的实时距离，n为示踪元件的数量。
41、在一些实施例中，特征矩阵如下所示：
42、
43、其中，k为特征矩阵；mi＝pitra-etra，pitra为第i个示踪元件对应的第一距离，etra为第一几何中心；qi＝pireal-ereal，pireal为第i个示踪元件对应的第二距离，ereal为第二几何中心，n为示踪元件的数量。
44、在一些实施例中，旋转矩阵如下所示：
45、
46、其中，r为旋转矩阵，u为奇异值分解结果中的正交矩阵，s为末位元素为-1的单位矩阵，v为奇异值分解结果中另一个正交矩阵的转置。
47、在一些实施例中，第二配准变换矩阵如下所示：
48、
49、其中，treal为第二配准变换矩阵，t＝ereal-r·etra，etra为第一几何中心，ereal为第二几何中心，r为旋转矩阵。
50、在一些实施例中，基于各示踪元件在导航阶段的第二实时坐标、第二配准变换矩阵和第一配准变换矩阵，得到影像脊柱位置，包括：
51、通过第二配准变换矩阵和第一配准变换矩阵，对第二实时坐标进行转换，得到对应的实时影像坐标系，并基于实时影像坐标，确定影像脊柱位置。
52、本申请第二方面，提供一种手术导航跟踪系统，包括：
53、获取模块，用于获取配准阶段的扫描数据和多个示踪元件的初始光学坐标；其中，示踪元件固定在患者的皮肤表面上；
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1.一种手术导航跟踪方法，其特征在于，应用于手术导航跟踪系统，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于多个所述示踪元件的初始光学坐标构建初始光学坐标系，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述拟合平面，构建所述初始光学坐标系，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下公式对同一时刻的所述初始影像坐标系和所述初始光学坐标系进行配准，得到所述第一配准变换矩阵：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定多个所述示踪元件各自在所述初始光学坐标系中的局部坐标，包括
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过如下公式确定各所述示踪元件的所述局部坐标：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将第一实时坐标和局部坐标进行配准，得到第二配准变换矩阵，包括：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于每两个所述示踪元件之间的所述配准距离和所述实时距离，确定所述第二配准变换矩阵，包括：
9.根据权利要求8所述的方法
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括：所述相对位置偏差值为多个所述相对位置偏差值中偏差值最大的相对位置偏差值。
11.根据权利要求7-10任一项所述的方法，其特征在于，通过如下公式确定每两个所述示踪元件的所述相对位置偏差值：
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述特征矩阵如下所示：
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述旋转矩阵如下所示：
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二配准变换矩阵如下所示：
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于各所述示踪元件在所述导航阶段的第二实时坐标、所述第二配准变换矩阵和所述第一配准变换矩阵，得到影像脊柱位置，包括：
16.一种手术导航跟踪系统，其特征在于，包括：
17.一种示踪元件，其特征在于，包括：
18.根据权利要求17所述的示踪元件，其特征在于，所述光学标记的数量为三个，三个所述光学标记呈三角形排列。
19.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-15任一项所述的方法的步骤。
20.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-15任一项所述的方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种手术导航跟踪方法，其特征在于，应用于手术导航跟踪系统，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于多个所述示踪元件的初始光学坐标构建初始光学坐标系，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述拟合平面，构建所述初始光学坐标系，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下公式对同一时刻的所述初始影像坐标系和所述初始光学坐标系进行配准，得到所述第一配准变换矩阵：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定多个所述示踪元件各自在所述初始光学坐标系中的局部坐标，包括
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过如下公式确定各所述示踪元件的所述局部坐标：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将第一实时坐标和局部坐标进行配准，得到第二配准变换矩阵，包括：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于每两个所述示踪元件之间的所述配准距离和所述实时距离，确定所述第二配准变换矩阵，包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于多个所述目标相对位置偏差值，确定所述第二配准变换矩阵，包括：
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括：所述相对位置偏差值为多个所...
【专利技术属性】
技术研发人员：王亭，沈峰，殷楚强，王月磊，韩增帅，牛恒泰，
申请(专利权)人：青岛大学附属医院，
类型：发明
国别省市：
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