本發(fā)明公開一種在高精度紅外監(jiān)控設(shè)備下快速準(zhǔn)確地注冊經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的方法，本方法在注冊經(jīng)皮介入設(shè)備過程中能夠一步完成所有計算及注冊環(huán)節(jié)，有效地減小了由人工操作帶來的誤差。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代外科手術(shù)中，經(jīng)皮介入手術(shù)是一種比較普遍的手術(shù)。操作者用經(jīng)皮介入設(shè)備介入到人體的組織或器官，完成活檢、局部麻醉等操作。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于對人體心臟、動脈、肺、腎、肝、脊柱等器官和組織的診療。

在經(jīng)皮介入手術(shù)中，穿刺精度是手術(shù)成敗的關(guān)鍵，為了提高精度，目前有越來越多可視化或虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到經(jīng)皮介入手術(shù)的引導(dǎo)技術(shù)中，這些技術(shù)都需要對經(jīng)皮介入設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)在監(jiān)控設(shè)備下進(jìn)行注冊，傳統(tǒng)的注冊方法是操作人員手持經(jīng)皮介入設(shè)備，并用三維探針來點取經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部、尾部，從而確定經(jīng)皮介入設(shè)備與定位裝置間的位置關(guān)系。傳統(tǒng)方法的注冊誤差較大，因為在手持過程中，往往會因為操作者手部的抖動或其他因素，造成對經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)注冊的不準(zhǔn)確，這就使得在某些案例中，經(jīng)皮介入設(shè)備的實際狀態(tài)與監(jiān)控設(shè)備計算顯示的經(jīng)皮介入設(shè)備的狀態(tài)存在偏差，這些偏差給手術(shù)帶來了極大的不便和危險。

鑒于上述問題，有必要找到一種能最大程度減小人工操作帶來的誤差，且快速、高精度地注冊經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的方法來解決問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種能夠快速、準(zhǔn)確地注冊經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的方法。進(jìn)一步地，提供的是一種能夠快速、準(zhǔn)確地測量經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部、尾部、及固定于其尾部的定位裝置三者間的空間位置關(guān)系的方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種快速注冊經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的方法是基于高精度紅外監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行跟蹤定位的，包括待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備模塊、定位支架模塊、控制顯示模塊。

待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備模塊包括待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備及其定位裝置，所述定位裝置固定于待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備尾部。

定位支架模塊包括一個剛性支架和固定于剛性支架上的定位裝置。

所述剛性支架分為上下兩部分，在此支架的上半部分包括一個可供待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備貫通的圓孔，在剛性支架的下半部分包括一個可供經(jīng)皮介入設(shè)備頭部放置的倒錐形凹槽、多個高度不同且固定于剛性支架底部上表面的立柱，在立柱上分別固定一個定位裝置。

監(jiān)控顯示模塊包括高精度紅外監(jiān)控設(shè)備及其所需使用的三維位置注冊探針和計算機(jī)軟件。所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備能拍攝獲取上述定位裝置的三維位置信息，計算機(jī)軟件可進(jìn)行配準(zhǔn)、計算的操作。

本發(fā)明揭示了一種快速注冊經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟：

S1：將定位支架固定在高精度紅外監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控范圍之內(nèi)。

S2：開啟監(jiān)控顯示模塊，將三維位置注冊探針針尖分別置于定位支架的倒錐形凹槽和貫通圓孔的位置，利用高精度紅外監(jiān)控設(shè)備測量、計算此時探針針尖三維位置坐標(biāo)，即得到倒錐形凹槽和貫通圓孔的三維位置坐標(biāo)，再傳輸給計算機(jī)。同時，利用高精度紅外監(jiān)控設(shè)備測量定位支架中定位裝置的三維位置坐標(biāo)，并傳輸給計算機(jī)。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，固定于剛性支架上的定位裝置是可被高精度紅外監(jiān)控設(shè)備跟蹤和識別的紅外定位小球。但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他具有明顯紅外特征的材質(zhì)制成的其他形狀標(biāo)記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開并要求保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明中，所述定位支架中的定位裝置數(shù)量優(yōu)選是四個，且其中任意三點的空間位置關(guān)系不能為等腰三角形以保證檢測到的定位裝置的運動能夠充分表現(xiàn)出三維空間中六個自由度(三維坐標(biāo)系中三個方向上的平移和旋轉(zhuǎn))的變化。如果采用不足三個定位裝置，會影響定位精度，甚至定位錯誤。如果超過四個，雖然精度更高，但計算復(fù)雜度高，在實際應(yīng)用中不值得。

S3：計算機(jī)記錄S2測量得到的定位支架的倒錐形凹槽、貫通圓孔的三維位置坐標(biāo)以及定位裝置的三維位置坐標(biāo)，計算并存儲定位支架各部件的空間位置關(guān)系。

S4：將帶定位裝置的待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備從貫通圓孔插入，頭部放到倒錐形凹槽內(nèi)。

S5：利用高精度紅外監(jiān)控設(shè)備測量固定于經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置三維坐標(biāo)和此時定位支架上定位裝置的三維位置坐標(biāo)，并傳輸給計算機(jī)。

在本發(fā)明的至少一個實施例中，固定于待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置是可被高精度紅外監(jiān)控設(shè)備跟蹤和識別的紅外定位小球。但是所述領(lǐng)域的技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動，就應(yīng)該想到采用其他具有明顯紅外特征的材質(zhì)制成的其他形狀標(biāo)記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術(shù)方案也沒有超過本發(fā)明所公開并要求保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明中，固定于待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置數(shù)量優(yōu)選是四個，且其中任意三點的空間位置關(guān)系不能為等腰三角形以保證檢測到的定位裝置的運動能夠充分表現(xiàn)出三維空間中六個自由度(三維坐標(biāo)系中三個方向上的平移和旋轉(zhuǎn))的變化。如果采用不足三個定位裝置，會影響定位精度，甚至定位錯誤。如果超過四個，雖然精度更高，但計算復(fù)雜度高，在實際應(yīng)用中不值得。

S6：計算機(jī)結(jié)合S5測量得到的定位支架上定位裝置的三維位置坐標(biāo)和S3得到的定位支架各部件間的空間位置關(guān)系，配準(zhǔn)、計算得到此時定位支架的倒錐形凹槽和貫通圓孔的三維坐標(biāo)，即得到待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部和尾部的坐標(biāo)；再結(jié)合S5測量得到的固定于待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置三維坐標(biāo)，配準(zhǔn)、計算并記錄此時待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置與經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部、尾部的空間位置關(guān)系。

進(jìn)一步地，所述“待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置與待注冊經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部、尾部的空間位置關(guān)系”即經(jīng)皮介入設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果在于：可以實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地對經(jīng)皮介入設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行注冊，避免了人工手持時產(chǎn)生的較大誤差?？梢徊酵瓿伤凶赃^程，既方便了操作人員，又減小了人為操作的誤差，大大提高了注冊的準(zhǔn)確性，大大增加了經(jīng)皮介入設(shè)備實際狀態(tài)與監(jiān)控設(shè)備計算顯示的經(jīng)皮介入設(shè)備狀態(tài)的一致性，有利于精確引導(dǎo)經(jīng)皮介入手術(shù)的執(zhí)行。

附圖說明

圖1：定位支架模塊示意圖

圖2：帶定位裝置的經(jīng)皮介入設(shè)備示意圖

圖3：系統(tǒng)原理示意圖

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

參考圖1～3，固定于經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置和剛性支架上的定位裝置是可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的紅外定位小球。紅外定位小球表面覆蓋一層能夠反射絕大部分入射紅外光線的材料。高精度紅外監(jiān)控設(shè)備發(fā)射紅外光被小球反射回來，監(jiān)控設(shè)備接收反射回來的紅外光線，分析數(shù)據(jù)計算得到被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別的紅外定位小球的三維位置坐標(biāo)，實現(xiàn)了監(jiān)控定位裝置的目的。

參考圖1，定位支架上的定位裝置0、1、2、3可被所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備識別，配合使用高精度紅外監(jiān)控設(shè)備和三維位置注冊探針可分別獲得倒錐形凹槽以及貫通圓孔的位置，計算機(jī)接收定位裝置、倒錐形凹槽及貫通圓孔的位置坐標(biāo)并計算出它們彼此間的空間位置關(guān)系。這樣，多個定位裝置和凹槽、圓孔間空間的位置關(guān)系就已經(jīng)確定且固定不變。因此在所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備下，只要檢測到定位支架上的定位裝置0、1、2、3，就可以根據(jù)已知的空間位置關(guān)系配準(zhǔn)、計算出倒錐形凹槽和貫通圓孔的坐標(biāo)。

參考圖2，經(jīng)皮介入設(shè)備的定位裝置位于經(jīng)皮介入設(shè)備的尾部，優(yōu)選地，包括4個定位裝置。本發(fā)明通過經(jīng)皮介入設(shè)備定位裝置來實時跟蹤、計算出經(jīng)皮介入設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)。經(jīng)皮介入設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)指經(jīng)皮介入設(shè)備尾部的定位裝置與經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部、尾部的空間位置關(guān)系。

參考圖3，將圖2所示帶有定位裝置的經(jīng)皮介入設(shè)備從貫通圓孔插入后，將經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部放到倒錐形凹槽內(nèi)，此時經(jīng)皮介入設(shè)備的定位裝置4、5、6、7和定位支架上的定位裝置0、1、2、3同時處于所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控范圍內(nèi)。計算機(jī)軟件接收所述高精度紅外監(jiān)控設(shè)備此時測量得到的定位裝置0～3的位置坐標(biāo)可以計算出貫通圓孔和倒錐形凹槽位置坐標(biāo)，從而可以計算出定位裝置4、5、6、7和倒錐形凹槽、貫通圓孔的空間位置關(guān)系。由于此時倒錐形凹槽位置與經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部位置一致，且倒錐形凹槽和貫通圓孔確定了經(jīng)皮介入設(shè)備的角度，因此經(jīng)皮介入設(shè)備的頭部、角度及其定位裝置間的位置關(guān)系也就確定了，從而完成了經(jīng)皮介入設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的注冊。