[发明专利]用于导航手术的手术器械标定系统及标定方法

说明书

本发明公开了一种导航手术器械标定系统及标定方法,标定系统包括导航仪、标定台、标定台参考标记、手术器械参考标记、计算机、显示器，标定时只需把手术器械手持固定在标定台上的标准位置上，利用标定台的结构化参数，使用导航仪一次性同时采集手术器械和标定台的所有参考标记图像，通过几何解析算法软件直接计算出手术器械轴向向量和尖端位置，记录手术器械的模板位置，完成手术器械标定。这种系统采集一次图像即可完成全部参数标定，可大大减少采集图像的次数，简化标定过程，提高标定的精度和可靠性，使整个标定过程省时省力，效率高，误差小；标定过程动作简单，操作方便，可明显降低标定失败的风险，提高标定成功率；标定台结构简单，精确可靠，易于制造和使用。

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种用于导航手术的手术器械标定系统。此外，本发明还涉及一种用于导航手术的手术器械标定方法。

背景技术

近年来，为了提高手术的准确性和成功率，手术中越来越多地使用了导航系统，在手术过程中为医生提供手术部位和器械的可视化信息，进行器械导航和监控。在手术导航过程中，实际手术器械操作仍由医生完成，因此，这种导航系统仅起到辅助作用，属于被动式的图像引导手术。

为了利用导航仪准确地跟踪带有参考标记的手术器械，需要在每次手术的导航开始之前，建立对手术器械尖端、轴向向量与手术器械参考标记空间位置之间的坐标变换关系，进行手术器械的标定。标定的基本工作原理是：在手术导航前，利用导航仪获取手术器械在某一空间位置时的尖端坐标和轴向向量，该位置称为“模板”位置，该位置处的手术器械参考标记的空间坐标称为“模板坐标”。在后续的导航过程中，导航仪通过采集手术器械参考标记的空间坐标，就可以求取当前位置和模板位置之间的空间坐标变换矩阵，将模板位置变换为当前位置，从而得到当前位置下的手术器械尖端位置和轴向向量。

在现有的导航手术器械标定系统和标定方法中，最具有代表性的是美国Stryker手术导航系统。该系统的标定台由上、中、下三层平台组成，其中上、中两平台中间有固定手术器械的定位轴孔，带有锁紧装置；与下层平台固定连接的动态基准带有多个参考标记，用于计算补偿在标定过程中由于标定台意外移动造成的标定误差；上层平台的多个支撑柱上端被制作成凹坑形状，用于放置手术器械尖端。标定时，首先需采集模板坐标，即利用导航仪采集手术器械上的参考标记，同时采集动态基准上的参考标记；然后，将手术器械尖端放标定台支撑柱上端的凹坑之中，在保持手术器械尖端固定不动的情况下，面向导航仪围绕尖端摇动手术器械(一般至少需摇动8次)，导航仪采集所有参考标记图像，计算获得手术器械尖端标定数据；最后，将手术器械插入标定台的定位轴孔之中，锁紧固定，保持手术器械轴向不变，面向导航仪转动手术器械(一般至少需转动8次)，导航仪采集所有参考标记图像，计算获得轴向向量的标定数据。

这种标定技术具有一定的适用性和通用性，迄今一直都被广泛应用于导航开始前的手术器械标定。但是由于标定算法采用基于最小二乘法原理的数值逼近算法，需要多次采集参考标记图像以保证标定精度，因此造成了诸多无法避免的缺陷，如：手术器械的尖端和轴向分开标定，需反复多次采集大量图像，在实际使用中至少需要采集17幅带有全部参考标记的图像，由于每次采集图像时手术器械的旋转角度变化范围很小，图像很难采集清楚，经常需重复返工，过程耗时耗力，大大增加了标定失败的不确定性因素，浪费了宝贵的手术时间；在尖端标定过程中，由于需要围绕凹坑顶端的一点摇动手术器械来采集图像，而实际上器械尖端在凹坑中存在形状误差和滑动误差，无法始终固定在一点，这会影响尖端标定精度，进而影响随后进行的轴向标定精度(需尖端标定结果作为初始条件)；多次采集图像还带来标定台意外移动的风险，尽管可以通过动态基准来去除误差，但由此带来的系统误差和计算误差则无法避免；标定算法复杂；另外，标定台结构复杂，重量较大，难于制造，价格昂贵，对于导航系统的大范围推广使用造成了较大影响。

因此，提高手术器械标定的效率和精度，降低标定复杂程度，简化标定过程，节省术中的导航准备时间，是本领域技术人员目前迫切需要解决的关键性技术问题。

发明内容