一种激光导航校准方法与流程

1.本发明涉及激光导航技术领域，尤其涉及一种激光导航校准方法。


背景技术：

2.随着科技的发展进步，越来越多的新兴技术被运用到医疗手术中。针对骨科手术，由于病灶点小，病灶点环境复杂敏感；传统的骨科手术，对医生的经验和医学技术要求较高，特别是脊柱类的手术。
3.由于常见骨科手术病灶，医生无法直观看见，一般都是开大创口进行手术，对患者创伤大，术后康复周期长，术中风险大。现有常规骨科导航设备主要基于高精度的机器臂，加上光学跟踪器，配合c臂机进行手术导航；这类设备操作复杂、设备成本高，手术成本高，导致普及率并不高。
4.目前市面上已有激光导航模组配合c臂机实现术中手术导航，成本低，操作简单。但是为了提高激光引导的精度，需要对激光相对图像的位置进行标定校准。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述不足，本发明提出一种激光导航校准方法，用以将激光标定到透视图像坐标系中，以方便医生的执行导航，精准的指引到患者病灶处，提高执行成功率。
6.技术方案：
7.一种激光导航校准方法，包括：
8.(1)对激光模组的位置标定：
9.将标定板通过其对接件与激光模组对接平行安装于探测器下方，通过透视得到透视图像并识别得到标定板上安装的标记球的位置，并结合标定板的设计参数计算得到与所述标定板上对接件对接的激光模组的位置；
10.(2)对激光模组的角度标定：
11.将标定板平行安装于探测器下方设定距离处，调整激光模组使其激光线对准标定板上设置的某一标记并将其作为目标标记，通过透视得到透视图像并识别得到其上标记球的位置，并结合标定板的设计参数计算得到其上目标标记的位置，通过三角函数关系计算得到激光模组相对于探测器表面法向之间的角度。
12.所述标记球为1或2个，且不对称地安装于所述标定板上。
13.所述标记球为至少三个，相互共面不共线，且互相之间距离已知或可测。
14.所述标记为至少三个，且不与标记球的排列重合。
15.所述标记为在标定板上开设的刻槽或通孔。
16.所述步骤(1)中，根据设计参数得到所述标记球和所述对接件之间的位置关系，计算得到与所述对接件对接配合的激光模组的位置。
17.所述步骤(2)中计算所述目标标记的位置具体为：根据设计参数得到所述标记球与所述目标标记的位置关系，据此计算得到目标标记到所述探测器中心的距离。
18.获取得到所述步骤(2)中调整所述激光模组得到其位置变化量，结合所述步骤(1)得到的激光模组的位置计算得到调整后激光模组与探测器中心的距离x1，再结合目标标记到所述探测器中心的距离x2及激光模组与探测器下表面之间的距离h，通过三角函数关系计算得到激光模组相对于探测器表面法向之间的角度θ＝arctan[(x1 x2)/(h h)]。
[0019]
还包括射线源位置标定步骤，在所述标定板上还设有设定长度的铅标，将标定板安装于探测器下方设定距离处，通过透视得到透视图像并识别得到铅标投影至探测器上的长度，并根据投影比例关系及标定板与探测器之间的距离计算得到射线源与探测器之间的距离，从而得到射线源的位置。
[0020]
所述铅标为两铅标成十字叠加形成的十字铅标；
[0021]
或，具有形状的铅标结构，其长度为该铅标结构的其中一边长。
[0022]
有益效果：本发明可以快速完成激光标定，且标定工具少，通过一个校准板即可完成线激光的位置和角度校准，同时可完成焦点位置标定，以方便医生的执行导航，提高执行成功率。
附图说明
[0023]
图1为本发明的激光导航校准方法的流程图；
[0024]
图2为x射线机的结构示意图；
[0025]
图3为探测器组件的结构示意图；
[0026]
图4为标定板的结构特征示意图；
[0027]
图5为标定板与探测位置示意图；
[0028]
图6为激光角度标定示意图；
[0029]
图7为激光标定角度三角函数示意图；
[0030]
图8为射线源标定示意图；
[0031]
图9为射线源与探测器之间距离sid的三角形关系图。
[0032]
图中，1.x射线机，2.探测器，3.线激光模组，4.机头，5.旋转支点，6.激光线，7.射线源，8.标定板，8-1.十字铅标，8-2.钢球，8-3.通孔，8-4.激光接口，9.x射线。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
[0034]
在激光导航模组进行执行导航引导之前，需要进行激光模组标定，以提高激光引导的精度，本发明的激光导航校准方法如图1所示，包括如下步骤：
[0035]
(1)设计安装于在x射线机1的机头4与探测器2之间的标定板8；
[0036]
x射线机的结构如图2所示，机头4作为射线源发射x射线，并通过探测器2探测得到透视图像；在探测器2两相邻边上各安装有一用于发射设定角度的线激光的线激光模组3，且线激光模组3的激光发射口相对机头4设置；线激光模组3沿着其安装的边直线滑动安装，且在其上设有一可随着线激光模组3沿着其安装的边直线滑动的旋转支点5，线激光模组3可绕着该旋转支点5转动，如图3所示。
[0037]
标定板8的结构如图4所示，标定板8采用均匀塑料材质制成，在其上安装有至少两个十字铅标8-1，十字铅标8-1设置于标定板8上位于边缘位置处，十字铅标8-1由两铅标成
十字叠加形成，铅标长度为a；在标定板8上还安装有若干标记球8-2，且各标记球8-2相互之间距离已知或可测，本发明中，标记球8-2采用钢珠；在标定板8上还开设有至少一个通孔8-3，各通孔8-3可随机排列，也可以等间距排列，但不与各标记球8-2的排列重合；在标定板8的一侧边缘处设置有激光接口8-4，标定板8通过其激光接口8-4与探测器2上其中一线激光模组3对接配合以实现标定板8与探测器2的安装。
[0038]
在本发明中，标记球8-2可以设置为1个，那么该标记球8-2与标定板8各边的距离需要设计为各不相同；标记球8-2也可以设置为2个，该2个标记球8-2需非对称安装于标定板8上；当然标记球8-2也可以设置为至少三个共面不共线的，该至少三个标记球8-2可随机排列，也可以等间距排列。
[0039]
在本发明中，十字铅标8-1可以设为4个，且分布在标定板8的四个角落处；
[0040]
进一步地，本发明采用十字铅标8-1，但本发明并不止于此，还可以采用矩形铅标、其他具有一定长度的形状铅标也可实现本发明。
[0041]
进一步地，本发明采用在标定板8上开设通孔8-3的方式，但本发明并不止于此，本发明还可以直接在标定板8上对应位置处刻槽，即形成标定槽，以替换前述标定的通孔8-3。
[0042]
本发明中x射线机采用c臂机。
[0043]
(2)激光模组的位置标定；
[0044]
(21)如图5所示，标定板8通过其激光接口8-4与探测器2上一线激光模组3对接配合完成安装，此时，标定板8贴近探测器2且相对探测器2无晃动，标定板8平行于探测器2安装；
[0045]
(22)进行x射线透视得到在探测器2上的透视图像，在透视图像上识别得到标记球8-2，得到标记球8-2在探测器坐标系下的位置坐标p1；
[0046]
(23)根据设计参数得到标记球8-2和激光接口8-4之间的位置关系，计算得到与激光接口8-4对接配合的线激光模组3在探测器坐标系下的位置坐标p2，从而可得线激光模组3的旋转支点5距离探测器中心的距离x；
[0047]
(24)重复步骤(21)～(23)即可完成另一线激光模组3的位置标定。
[0048]
(3)激光模组的角度标定；
[0049]
(31)将标定板8放置于探测器2下方与其距离h的位置处，调整线激光模组3的位置和角度，其中，调整的位置为已知或可测，记为x0，以使线激光模组3的激光线对准标定板8上任意一通孔8-3的中心；
[0050]
(32)对标定板8进行x射线透视得到在探测器2上的透视影像，识别标记球8-2在探测器坐标系下的位置坐标p3，并根据设计参数得到标记球8-2和通孔8-3之间的位置关系，从而计算得到通孔8-3中心在探测器坐标系下的位置坐标p4，从而可得通孔8-3中心距离探测器中心的距离x2；
[0051]
(33)根据步骤(2)标定得到线激光模组3在探测器坐标系下的位置坐标p2及步骤(31)调整的位置可以计算得到调整后线激光模组3的旋转支点距离探测器中心的距离x1，线激光模组3的旋转支点与探测器2下表面之间的距离h，结合三角函数关系计算得到线激光模组3相对于探测器2表面法向之间的角度θ＝arctan[(x1 x2)/(h h)]，如图6、7所示；
[0052]
(4)x射线机射线源的位置标定；
[0053]
(41)将标定板8放置于探测器2下方与其距离h的位置处，进行x射线透视得到在探
测器2上的透视图像，识别得到标定板8上的十字铅标8-1，如图8所示，十字铅标8-1中铅标的长度a投影至探测器2上的长度为b；
[0054]
(42)根据x射线机射线源、铅标及其在探测器2上的投影构建比例关系，如图8所示，并结合标定板8与探测器2之间的距离h计算得到射线源与探测器2之间的距离sid＝h/(1-a/b)，从而可以计算得到射线源的位置，如图9所示；
[0055]
通过该步骤可以在x射线机的机头4处于任意姿态时进行射线源位置的标定，以消除x射线机姿态变换产生的变形带来的误差(如c臂机的c型臂转动产生的变形所带来的误差)。
[0056]
本发明仅通过一标定板即可快速完成激光标定，标定工具少，通过一个校准板即可完成线激光的位置和角度校准，同时可完成射线源的位置标定，以方便医生的执行导航，提高执行成功率。
[0057]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。