手术器械的注册装置、手术辅助系统的制作方法

1.本技术涉及医疗设备领域，具体涉及一种手术器械的注册装置、手术辅助系统。


背景技术：

2.手术导航系统越来越多地应用在骨科手术中，其可以将患者的影像数据与患者生理解剖结构准确关联，辅助术者执行手术规划，并引导医生操作手术器械。手术导航系统使得骨科手术更加精准、迅速和安全。
3.传统的手术器械无法被手术导航系统跟踪，因此一般在手术器械上安装一个跟踪器，如果已知跟踪器和手术器械的相对位置，当跟踪器被手术导航系统跟踪时，就可以推算出手术器械的位置。
4.当手术器械和跟踪器没有重复安装特性并且作为两个组件存在时，则需要在手术过程由医生操作实现手术器械和跟踪器之间相对位置的标定，通常称为手术器械的注册。手术器械注册的精度直接决定器械的导航精度。如何实现高精度的手术器械的注册，是本领域急需解决的问题之一。


技术实现要素：

5.基于上述问题，本技术提供了一种手术器械的注册装置、手术辅助系统，通过注册装置的辅助，实现高精度的手术器械注册。
6.本技术的一个实施例提供一种手术器械的注册装置，包括：支座，所述支座设有注册孔和至少三个反光球孔，所述注册孔能够穿入手术器械，手术器械能够绕所述注册孔的轴线转动；至少三个第一反光球，分别设置在所述反光球孔中，所述至少三个第一反光球用于确定所述手术器械的注册装置的位置。
7.根据本技术的一些实施例，所述支座为“工”字型，所述反光球孔位于所述支座的一表面上，所述注册孔位于所述支座的端面上。
8.根据本技术的一些实施例，所述支座的中部设有豁口，所述豁口与所述注册孔连通，所述豁口远离注册孔开口的侧壁与所述注册孔的底面共面。
9.根据本技术的一些实施例，所述支座的四角均设有所述反光球孔。
10.根据本技术的一些实施例，所述注册孔的直径与所述手术器械穿入所述注册孔部分的直径相等。
11.本技术的一个实施例提供一种手术辅助系统，包括：如上所述的注册装置；手术器械，能够旋转的穿入所述注册孔；跟踪器，设置在所述手术器械上，所述跟踪器上设有至少三个第二反光球；导航系统，能够识别所述第一反光球和第二反光球。
12.本技术的一个实施例提供一种手术器械的注册方法，包括；确定p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，其中，所述p点为注册孔轴线与注册孔底面的交点，所述q点为所述注册孔轴线与所述注册孔的开口所在平面的交点；所述手术器械的尖端x点与所述p点重合，所述手术器械的轴线n与所述p点和q点的连线重合时，确定导航系统中跟踪器的坐标系
o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置；根据所述跟踪器的坐标系o1的位置、所述注册装置的坐标系o2的位置及所述p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，确定所述手术器械的尖端x点和所述手术器械的轴线n在所述跟踪器的坐标系o1的位置。
13.根据本技术的一些实施例，所述导航系统中确定跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置包括：确定跟踪器的法线f1和注册装置的法线f2，并确定所述跟踪器的法线f1和注册装置的法线f2之间的夹角θ，在所述夹角θ的预设范围内获得多组所述跟踪器的坐标系o1的位置和所述注册装置的坐标系o2的位置；所述根据所述跟踪器的坐标系o1的位置、所述注册装置的坐标系o2的位置及所述p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，确定所述手术器械的尖端x点和所述手术器械的轴线n在所述跟踪器的坐标系o1的位置包括：根据多组所述跟踪器的坐标系o1的位置和所述注册装置的坐标系o2的位置及所述p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，确定所述手术器械的尖端x点和所述手术器械的轴线n在所述跟踪器的坐标系o1的位置。
14.根据本技术的一些实施例，所述在所述夹角θ的预设范围内获得多组所述跟踪器的坐标系o1的位置和所述注册装置的坐标系o2的位置包括：所述夹角θ的预设范围为[α0，αn]，将所述[α0，αn]均分为n个分段，其中，n≥2，在每个所述分段中确定至少第一预设组所述跟踪器的坐标系o1的位置和所述注册装置的坐标系o2的位置。
[0015]
根据本技术的一些实施例，所述根据多组所述跟踪器的坐标系o1的位置和所述注册装置的坐标系o2的位置及所述p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，确定所述手术器械的尖端x点和所述手术器械的轴线n在所述跟踪器的坐标系o1的位置包括：根据多组所述跟踪器的坐标系o1的位置和所述注册装置的坐标系o2的位置及所述p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，进行平均值或者拟合残差最小值处理，以确定所述手术器械的尖端x点和所述手术器械的轴线n在所述跟踪器的坐标系o1的位置。
[0016]
根据本技术的一些实施例，所述的手术器械的注册方法还包括：转动所述手术器械时发出提示信息。
[0017]
本技术的一个实施例提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的方法。
[0018]
本技术的一个实施例提供一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
[0019]
利用本技术的注册装置进行手术器械的注册，手术器械插入注册孔后，手术器械的尖端x点与p点重合，手术器械的轴线n与p点和q点的连线重合，导航相机可识别第一反光球和第二反光球从而得出跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置，结合p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，可获得手术器械的尖端x点和手术器械的轴线n在跟踪器的坐标系o1的位置。本技术的注册装置实现了高精度的手术器械的注册，能够保证手术辅助系统对手术器械导航的精确性和安全性。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普
通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本技术要求保护的范围。
[0021]
图1是本技术实施例注册装置的示意图；
[0022]
图2是本技术实施例支座的示意图；
[0023]
图3是本技术实施例手术器械穿入注册孔的示意图；
[0024]
图4是本技术实施例手术器械注册的原理图一；
[0025]
图5是本技术实施例手术辅助系统的示意图；
[0026]
图6是本技术实施例手术器械注册方法的流程图；
[0027]
图7是本技术实施例手术器械注册的原理图二；
[0028]
图8是本技术实施例电子设备的示意图。
具体实施方式
[0029]
下面结合本技术实施例中的附图，对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0030]
手术器械的注册是指在在手术导航系统中对手术器械和安装在其上的跟踪器之间相对位置进行标定。本技术中的注册和标定的含义相同。手术器械注册完成后，手术辅助系统的导航系统的导航相机实时识别跟踪器的位置，将跟踪器的位置和手术器械相对跟踪器的位置进行叠加可实现对手术器械的位置识别，引导医生进行手术。本技术通过注册装置辅助实现对手术器械的高精度注册。
[0031]
实施例1
[0032]
如图1所示，本实施例提供一种注册装置1，用于手术辅助系统中手术器械的注册。注册装置1包括支座11和至少三个第一反光球12。
[0033]
如图2所示，支座11设有注册孔111和至少三个反光球孔112。可选地，注册孔111为盲孔。反光球孔112的数量和位置根据需求设置，便于导航相机识别注册装置1的位置即可。第一反光球12的数量匹配反光球孔112的数量，每个反光球孔112中安装有一个第一反光球12。任意三个第一反光球12不共线且不对称分布(奇异分布)。导航相机可识别第一反光球12，通过多个第一反光球12的位置，手术辅助系统的导航系统的处理单元可以计算出注册装置1的位置，即确定注册装置1的坐标系的位置。
[0034]
如图3所示，为了便于对注册装置1进行说明，图3中示出了手术器械2和跟踪器3。手术器械2能够穿入注册孔111中，手术器械2的尖端抵住注册孔111的底面，注册孔111的直径与手术器械2穿入注册孔111部分的直径相等，并且手术器械2在注册孔111中可旋转，即手术器械2能够绕注册孔111的轴线转动。
[0035]
跟踪器3上设有至少三个第二反光球31，任意三个第二反光球31不共线且不对称分布。导航相机可识别第二反光球31，通过多个第二反光球31的位置，手术辅助系统的导航系统的处理单元可以计算出跟踪器3的坐标系的位置。
[0036]
以骨科手术中的置钉为例，用来置钉的器械，如上钉器、开路锥、上钉器、丝攻，通常均为棒状结构，手术器械安装跟踪器3后，手术器械注册的关键是确定手术器械2的尖端
和轴线相对跟踪器3的坐标系的位置。
[0037]
如图4所示，p点为注册孔轴线与注册孔111底面的交点，q点为注册孔轴线与注册孔的开口所在平面的交点，p点和q点的连线即为注册孔111的轴线。通过已有方法，如利用三坐标测量仪，可测量出p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置。
[0038]
将手术器械2穿入注册孔111中，手术器械2的尖端x点抵住注册孔111的底面，手术器械2的尖端x点与p点重合，手术器械2的轴线n与p点和q点的连线重合。
[0039]
导航相机识别第一反光球12和第二反光球31，导航系统的处理单元利用导航相机识别第一反光球12和第二反光球31的位置分别获得跟踪器3坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置。
[0040]
根据注册装置的坐标系o2的位置及p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，可获得p点和q点在导航系统中的位置。由于手术器械2的尖端x点与p点重合，手术器械2的轴线n与p点和q点的连线重合，进而获得导航系统中手术器械2的尖端x点和轴线n的位置。根据导航系统中手术器械2的尖端x点和轴线n的位置及跟踪器的坐标系o1的位置确定手术器械2的尖端x点和轴线n在跟踪器3坐标系o1的位置，完成手术器械的注册。
[0041]
根据本技术一个可选的技术方案，支座11为“工”字型，包括相对的第一端面11a和第二端面11b。注册孔111位于支座11的第一端面11a上，根据需要注册孔111也可设置在第二端面11b上。“工”字型的支座11，便于医生手持，也有利于减轻支座11的重量。
[0042]
根据本技术一个可选的技术方案，支座11的中部设有豁口113。豁口113与注册孔111连通，豁口113远离注册孔开口的侧壁113a与注册孔111的底面共面。设置豁口113，便于医生观察手术器械2的尖端x点是否已抵接注册孔111的底面，同时便于注册装置的清洗和灭菌。
[0043]
根据本技术一个可选的技术方案，“工”字型的支座11四角均设有反光球孔112。反光球孔112设置的数量越多，支座11上设置的第一反光球12的数量越多，手术辅助系统对注册装置的坐标系o2的位置识别越精准，但同时会增加手术辅助系统的计算量，所以反光球孔112的数量需根据需求适当设置。
[0044]
可选地，在反光球孔112的外侧，设有防护罩114，本实施例的防护罩114由支座11的上表面向上延伸，对第一反光球12起到保护作用。
[0045]
本实施例的注册装置1实现了高精度的手术器械2的注册，能够保证手术辅助系统对手术器械导航的精确性和安全性。
[0046]
实施例2
[0047]
如图5所示，本实施例提供一种手术辅助系统，手术辅助系统包括：如上所述的注册装置1、手术器械2、跟踪器3和导航系统4。手术器械2能够穿入注册孔111中，并且手术器械2在注册孔111中可旋转。跟踪器3设置在手术器械2上，跟踪器3上设有至少三个第二反光球31。导航系统4的导航相机能够识别第一反光球12和第二反光球31。导航相机将识别的第一反光球12的位置和第二反光球31的位置信息发送给导航系统的处理单元，最终实现手术器械2的注册。
[0048]
如图6所示，本实施例提供一种手术器械的注册方法，包括步骤：
[0049]
s100、确定p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，其中，p点为注册孔轴线与注册孔底面的交点，q点为注册孔轴线与注册孔所在的注册装置的端面的交点。
[0050]
使用已有的高精度设备如三坐标测量仪，利用已有的方法可确定p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置。其中，注册装置的坐标系o2为预设的坐标系，已知注册装置的多个第一反光球的位置可计算出注册装置的坐标系o2的位置。
[0051]
s200、手术器械的尖端x点与p点重合，手术器械的轴线n与p点和q点的连线重合时，利用导航系统确定跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置。
[0052]
其中，跟踪器的坐标系o1为预设的坐标系，已知跟踪器的多个第二反光球的位置可计算出跟踪器的坐标系o1的位置。
[0053]
将手术器械穿入注册孔中，手术器械的尖端x点与p点重合，手术器械的轴线n与p点和q点的连线重合，此时，p点的位置即为x点的位置，p点和q点的连线的位置即为手术器械的轴线n的位置。导航系统的导航相机识别多个第一反光球的位置和多个第二反光球的位置。处理单元根据多个第一反光球的位置确定注册装置的坐标系o2的位置，根据多个第二反光球的位置确定跟踪器的坐标系o1的位置。
[0054]
s300、根据跟踪器的坐标系o1的位置、注册装置的坐标系o2的位置及p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，确定手术器械的尖端x点和手术器械的轴线n在跟踪器的坐标系o1的位置。
[0055]
一种可选的方案为，根据注册装置的坐标系o2的位置及p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，可确定导航系统中p点和q点的位置。导航系统中p点的位置即为x点的位置，导航系统中p点和q点连线的位置即为手术器械2轴线n的位置，根据导航系统中手术器械的尖端x点和轴线n的位置及跟踪器的坐标系o1的位置确定手术器械的尖端x点和轴线n在跟踪器3坐标系o1的位置，以完成手术器械的注册。
[0056]
如图7所示，根据本技术一个可选的技术方案，上述步骤s200包括：确定跟踪器的法线f1和注册装置的法线f2，并确定跟踪器的法线f1和注册装置的法线f2之间的夹角θ，在夹角θ的预设范围内获得多组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置。
[0057]
导航相机识别第一反光球和第二反光球具有一定的波动性，可能造成较大的注册误差，本技术通过多次测量的方式减小注册的误差。
[0058]
其中，跟踪器的法线f1为多个第二反光球所在平面的法线，注册装置的法线f2为多个第一反光球所在平面的法线。跟踪器的法线f1可根据多个第二反光球的位置确定，注册装置的法线f2可根据多个第一反光球的位置确定。
[0059]
跟踪器的法线f1和注册装置的法线f2之间的夹角记为θ，在注册孔中转动手术器械会改变夹角θ的大小。在夹角θ的预设范围内获得多组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置。
[0060]
一种可选的方案中，为了更均衡的获取跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置，在夹角θ的预设范围内获得多组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置包括：夹角θ的预设范围为[α0，αn]，将[α0，α
n]
均分为n个分段，其中，n≥2，每个分段中确定至少第一预设组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置。
[0061]
例如，将夹角θ的预设范围设置为[-40
°
,40
°
]，每10
°
为一分段，共8个分段。每个分段中采集至少3组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置。采集的组数越多，得到的最终结果越精准，本实施例可总共采集30组，医生可自行选择在哪些分段中采集多于3组的位置。
[0062]
可选地，步骤s300包括：根据多组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置及p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，确定手术器械的尖端x点和手术器械的轴线n在跟踪器的坐标系o1的位置。
[0063]
一种可选的方案中，根据多组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置及p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，进行平均值处理，确定手术器械的尖端x点和手术器械的轴线n在跟踪器的坐标系o1的位置。
[0064]
具体的，将o
1i
和o
2i
分别以刚性变换矩阵的方式表示，i表示第i次采集。
[0065]o1i
*xi＝o
2i
*p，从而
[0066]
xi＝inv(o
1i
)*o
2i
*p
[0067]
ni＝inv(o
1i
)*o
2i
*(q-p)/||q-p||
[0068]
其中，x为手术器械的尖端x点的位置，n为手术器械的轴线n的位置，p为p点在注册装置的坐标系o2的位置，q为q点在注册装置的坐标系o2的位置。
[0069]
将多组xi和ni取平均值，作为手术器械的尖端x点和手术器械的轴线n在跟踪器的坐标系o1的位置。
[0070]
另一种可选的方案中，根据多组跟踪器的坐标系o1的位置和注册装置的坐标系o2的位置及p点和q点在注册装置的坐标系o2的位置，进行拟合残差最小值处理，确定手术器械的尖端x点和手术器械的轴线n在跟踪器的坐标系o1的位置。
[0071]
具体的，将o
1i
和o
2i
分别以刚性变换矩阵的方式表示，i表示第i次采集。
[0072][0073][0074]
其中，x为手术器械的尖端x点的位置，n为手术器械的轴线n的位置，p为p点在注册装置的坐标系o2的位置，q为q点在注册装置的坐标系o2的位置。
[0075]
根据本技术一种可选的技术方案，医生在转动手术器械时，通过语音提示信息或屏幕显示信息引导医生在注册孔中转动手术器械，以提高注册的效率。
[0076]
根据本技术一种可选的技术方案，导航相机在识别第一反光球的位置和第二反光球的位置时，采用滤波的方式降低误差。
[0077]
本实施例的手术辅助系统，利用导航相机识别第一反光球的位置和第二反光球的位置实现手术器械的注册。注册过程中，通过转动手术器械，采集多组第一反光球的位置和第二反光球的位置，对多次采集的信息进行处理降低注册误差，提高手术器械注册的精准度。
[0078]
下面参照图8来描述根据本技术的这种实施方式的电子设备800。图8显示的电子设备800仅仅是一个示例，不应对本技术实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0079]
如图8所示，电子设备800以通用计算设备的形式表现。电子设备800的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元810、至少一个存储单元820、连接不同系统组件(包括存储单元820和处理单元810)的总线830等。
[0080]
存储单元820存储有程序代码，程序代码可以被处理单元810执行，使得处理单元810执行本说明书描述的根据本技术各实施例的方法。
[0081]
存储单元820可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(ram)8201和/或高速缓存存储单元8202，还可以进一步包括只读存储单元(rom)8203。
[0082]
存储单元820还可以包括具有一组(至少一个)程序模块8205的程序/实用工具8204，这样的程序模块8205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0083]
总线830可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
[0084]
电子设备800也可以与一个或多个外部设备8001(例如触摸屏、键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备800交互的设备通信，和/或与使得该电子设备800能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口850进行。并且，电子设备800还可以通过网络适配器860与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器860可以通过总线830与电子设备800的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备800使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0085]
本技术还提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0086]
本技术实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序可操作来使计算机执行如上述方法实施例中记载的部分或全部步骤。
[0087]
本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(field－programmable gate array，fpga)、集成电路(integrated circuit，ic)等。
[0088]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
[0089]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0090]
以上对本技术实施例进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的技术方案及其核心思想。因此，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。