[发明专利]一种多位置跟踪仪的工具实时定位装置

权利要求书

1.一种多位置跟踪仪的工具实时定位装置，其特征在于，执行程序时实现以下步骤：

步骤S1：设置并固定至少两个位置跟踪仪，

步骤S2：建立手术工具、病人参考架、各位置跟踪仪坐标系，

步骤S3：分别在各位置跟踪仪下标定手术工具，并取均值得到在工具坐标系下手术工具的尖点坐标和轴向向量，

步骤S4：根据各个位置跟踪仪的定位，通过坐标转换实时获得手术工具在病人参考坐标系中的位置姿态，

步骤S5：判断各位置追踪仪被遮挡的情况，取步骤S4中有效的位置姿态的均值为手术工具的实时定位；

所述步骤S1具体为：基于所有位置跟踪仪可检测空间范围叠加后的最终空间范围最大化的原则，设置并固定至少两个位置跟踪仪，其中，最终空间范围为各位置跟踪仪的监测空间范围的并集；

所述步骤S2具体包括：

步骤S21：在需要追踪的手术工具上安装含有反光小球的定位参考架，并根据定位参考架建立手术工具坐标系，

步骤S22：在与病人手术部位刚性连接的部位固定病人参考架，并建立病人参考架坐标系，

步骤S23：将各位置跟踪仪的内置坐标系作为各位置跟踪仪坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种多位置跟踪仪的工具实时定位装置，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤：

步骤S31：采用旋转求多值平均的方法确定手术工具尖点在各位置追踪仪定位时手术工具坐标系下的坐标；

步骤S32：标定手术工具的轴向向量R；

步骤S33：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具的轴向向量R(rx,ry,rz)^T。

3.根据权利要求2所述的一种多位置跟踪仪的工具实时定位装置，其特征在于，所述步骤S31包括：

步骤S311：在手术工具被各个位置追踪仪均定位到的状态下，围绕一个不动点旋转手术工具；

步骤S312：各位置追踪仪捕捉设定个数的手术工具旋转过程中的位置姿态T_Oij；

步骤S313：取任意连续两组计算手术工具的尖点坐标：

X_ij＝(R_Oij-R_Oij+1)^-1(t_Oij+1-t_Oij)(j＝1，2，3……，n-1)

其中：X_ij为手术工具的尖点坐标，R_Oij为转换矩阵T_oij分解而来的旋转矩阵，其中T_oij为第i个位置追踪仪捕捉到的手术工具到其工具坐标系的第j个转换矩阵，t_Oij+1和t_Oij分别为转换矩阵T_oij+1和T_oij分解得到的平移向量，n为单个位置追踪仪捕捉到的位置姿态的个数；

步骤S314：求取平均值得到在第i个位置追踪仪定位时手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标X_i：

4.根据权利要求3所述的一种多位置跟踪仪的工具实时定位装置，其特征在于，所述步骤S32包括：

步骤S321：将手术工具插入至指定标定工具的轴向孔中，其中，该标定工具的坐标系以及轴向孔在标定工具坐标系的轴向向量R_c事先确定；

步骤S322：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的轴向向量R_i：

T_OiR_i^T＝T_Ci^TR_C^T

其中：T_Oi为手术工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵，T_Ci为标定工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵。