[发明专利]一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法

说明书

一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法属于医疗器械技术领域，目的在于解决现有技术存在的跟踪光线受遮挡，导航系统丢失内窥镜和手术工具的空间位置信息，无法进行手术操作的问题。本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置包括：光学跟踪设备；组合装置，组合装置包括被动式跟踪刚体、内窥镜以及相机，被动式跟踪刚体刚性固定于内窥镜尾端上方，相机刚性固定于内窥镜尾端下方；支架；支架尾端固定于手术部位附近的手术台上；以及棋盘标定板；棋盘标定板刚性固定于支架顶端。本发明在少量地增加了手术导航系统成本与复杂性的基础上，达到了保持跟踪信息的连续性、减少跟踪光线对医生的束缚、解决因跟踪光线遮挡问题带来的手术风险等效果。

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种解决光学遮挡的手术导航装置以及导航方法。

背景技术

近年来，计算机软硬件技术、空间定位技术、医学影像技术的飞速发展，使得手术导航系统可以应用在更多类型的外科手术中。手术导航系统根据患者术前采集的影像数据(MRI、CT等)重建手术部位的三维模型，该模型在术前协助医生制定手术方案，在术中向医生反馈手术器械与病灶的相对位置。

在传统的外科手术中，病患受到的创伤较大、恢复时间较长。微创外科手术通过轻微的创伤，将手术工具或药物送入人体中，进行一系列的外科手术操作，从而达到治疗的效果。与传统外科手术相比，微创手术具有创伤小、恢复时间短的特点。因此，微创外科手术逐渐被普及到更多类型的外科手术中。但是，微创外科手术也大大地增加了手术难度。现今，应用于临床的手术导航系统大多是基于光学跟踪方法的，这种基于光学跟踪的手术导航系统具有较高的跟踪精度。但是，一旦跟踪光线受到了遮挡，导航系统就会丢失内窥镜和手术工具的空间位置信息。微创手术的操作空间非常狭小，在操作过程中遮挡是无法避免的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种解决光学遮挡的手术导航装置以及导航方法，解决现有技术存在的跟踪光线受遮挡，导航系统丢失内窥镜和手术工具的空间位置信息，无法进行手术操作的问题。实现在光学跟踪光线被遮挡的情况下，实时的跟踪定位内窥镜和手术工具的空间位置信息。

为实现上述目的，本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置包括：

光学跟踪设备；

组合装置，所述组合装置包括被动式跟踪刚体、内窥镜以及相机，所述被动式跟踪刚体刚性固定于内窥镜尾端上方，相机刚性固定于内窥镜尾端下方；

支架；所述支架尾端固定于手术部位附近的手术台上；

以及棋盘标定板；所述棋盘标定板刚性固定于支架顶端。

基于一种解决光学遮挡的手术导航装置的导航方法包括以下步骤：

步骤一：在手术前，分别获取以下变换矩阵：

1)棋盘标定板坐标系至相机坐标系的变换矩阵，记为并记录当前位姿下被动式跟踪刚体坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为相机的内参矩阵，记为M；

2)被动式跟踪刚体坐标系至内窥镜坐标系的变换矩阵，记为

3)被动式跟踪刚体坐标系至相机坐标系的变换矩阵，记为

4)内窥镜坐标系至相机坐标系的变换矩阵，记为

5)棋盘标定板坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为

步骤二：在手术中，将光学跟踪设备捕获的内窥镜的位姿信息0与利用组合装置捕获的内窥镜的位姿信息B修正后的位姿信息B’输入扩展卡尔曼滤波器中，由扩展卡尔曼滤波器估计出较优的位姿信息，并以此作为内窥镜的跟踪结果；其中，当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器主要根据位姿信息0与修正后的位姿信息B’来估计出较优的位姿信息；当跟踪光线被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器根据修正后的组合装置捕获的内窥镜的位姿信息B′来估计出较优的位姿信息。