一种精确定位导航目标点的方法
阅读说明：本技术 一种精确定位导航目标点的方法 (Method for accurately positioning navigation target point ) 是由 费岱 徐顺利 宫晓鹏 王玉 姚凤杰 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种精确定位导航目标点的方法,包括：选定一固定位置的导航参照物,分别获取所述导航参照物和导航目标点在导航坐标系下的位置,并计算出所述导航目标点相对于所述导航参照物的位置,进而得到所述导航目标点在导航参照物坐标系下的位置。在本发明中,只要导航参照物不动,那么在整个导航过程中,导航参照物坐标系也不会发生变化,导航目标点在导航参照物坐标系下的位置参数将不会受到导航坐标系干扰。(The invention relates to a method for accurately positioning a navigation target point, which comprises the following steps: selecting a navigation reference object with a fixed position, respectively obtaining the positions of the navigation reference object and the navigation target point under a navigation coordinate system, and calculating the position of the navigation target point relative to the navigation reference object, thereby obtaining the position of the navigation target point under the navigation reference object coordinate system. In the invention, as long as the navigation reference object is fixed, the coordinate system of the navigation reference object does not change in the whole navigation process, and the position parameters of the navigation target point under the coordinate system of the navigation reference object are not interfered by the coordinate system of the navigation.)
技术领域
本发明涉及计算机辅助手术导航技术领域，特别涉及一种精确定位导航目标点的方法。
背景技术
在普通的胸腹部外科手术中，主刀医生通常将患者的胸腹部完全切开，通过肉眼或是触碰等手段直观感知待处理的病灶的位置、大小、形状、硬度等信息，从而可以直接对相应的病灶进行手术处理。
微创手术却并非如此，在普通的微创手术中，主刀医生并非完全切开患者的胸腹部直接面对病灶，而是通过腹腔镜、CT、超声、核磁等辅助手段来间接观察对应的病灶，之后采用一些特定的手段来对病灶进行处理，从而达到减轻手术痛苦、减少术后并发症、加快手术伤口愈合的目的。
但微创手术也有其弊端，其最大的弊端在于获取病灶信息的间接性，因此主刀医生在术中获取相应的病灶信息时存在各种局限。以胸腹部肿瘤消融术为例，主刀医生需要在将相应的消融针穿刺到病灶指定位置之后进行消融。而由于对应的病灶藏于体内，在微创手术中对主刀医生而言是肉眼不可直接见的，因此，很多时候都采用影像(例如CT等)与导航定位手段结合辅助引导的方式帮助医生进行消融针穿刺。在此过程中，必然存在建立一导航定位数据与影像数据映射的步骤。在通常的导航定位技术中，导航信息所在的坐标系通常是以指定导航硬件(如电磁导航技术中的电磁发生器、光学导航技术中的光学摄像机等)所在的位置为基础所建立，该方法存在映射精度极易被指定硬件的位置所影响等缺点，如导航过程中指定导航硬件发生略微的震动等因素，都将严重影响导航的精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种精确定位导航目标点的方法，包括：选定一固定位置的导航参照物，分别获取所述导航参照物和导航目标点在导航坐标系下的位置，并计算出所述导航目标点相对于所述导航参照物的位置，进而得到所述导航目标点在导航参照物坐标系下的位置。
较佳地，所述导航目标点和导航参照物上均设有定位装置，空间观测设备获取所述导航参照物的实时位置和形状特征信息以及所述导航目标点的实时位置。
较佳地，所述空间观测设备实时获取在所述导航坐标系下的所述导航参照物的旋转四元数和空间位置坐标(Qo，Qx，Qy，Qz，Tx0，Ty0，Tz0)，以及所述导航目标点的位置坐标为(Tx1，Ty1，Tz1)；
基于四元数(Qo，Qx，Qy，Qz)计算出对应的旋转矩阵M；
将导航坐标系下的所述导航参照物位置参数(Tx0，Ty0，Tz0)以及所述导航目标点的位置参数(Tx1，Ty1，Tz1)分别与旋转矩阵M相乘，得到临时坐标系下所述导航参照物位置参数(Tx01，Ty01，Tz01)和所述导航目标点位置参数(Tx11，Ty11，Tz11)，其中，所述临时坐标系的坐标原点与所述导航坐标系的原点重合，所述临时坐标系的坐标轴的方向与所述导航参照物的形状特征一致；
基于所述临时坐标系下的所述导航参照物位置参数(Tx01，Ty01，Tz01)和所述导航目标点位置参数(Tx11，Ty11，Tz11)，计算出所述导航参照物坐标系下的导航目标点位置坐标为(Tx11-Tx01，Ty11-Ty01，Tz11-Tz01)。
较佳地，所述导航参照物固定在病人体表不动的地方或其他与病人身体相对位置固定的地方。
较佳地，所述导航坐标系的原点位置和坐标轴方向由导航硬件所确定。
较佳地，所述导航硬件为电磁导航技术中的电磁发生器或光学导航技术中的光学摄像机。
较佳地，用于胸腹部穿刺手术中。
较佳地，所述目标点为穿刺针。
较佳地，所述导航参照物的形状为十字形。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
在通常的导航手术如导航穿刺手术中，由于各种各样难以避免的因素，如人为误触或者轻微震动等，导航硬件经常发生一些难以察觉的偏移。而由于导航坐标系的原点及坐标轴方向通常与相应的导航硬件有关，正所谓失之毫厘，谬以千里，这些偏移通常容易导致导航位置存在较大误差，这将影响导航精度，进而增加医生手术难度并增加病人风险。使用本方法将能够避免该问题，不仅减少医生的手术难度，更能够提升手术精度，减少手术风险，从而保护患者。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为导航坐标系受干扰前后变化对比图；
图2为本发明提供的引入导航参照物坐标系来观测导航目标点，可以保证导航目标点的位置和方向读数不会因为导航坐标系发生改变的缘故而变化的示意图；
图3为本发明提供的导航目标点在导航参照物坐标系下的位置计算步骤图；
图4为本发明提供的计算导航参照物坐标系下的导航目标点位置的流程图；
图5为本发明提供的导航参照物外观以及对应坐标轴的示意图。
具体实施方式
在基于导航技术的CT影像引导下的胸腹部的穿刺手术中，导航坐标系的原点位置以及对应的坐标轴方向通常由指定的导航硬件(如电磁导航技术中的电磁发生器、光学导航技术中的光学摄像机等)所确定。而在手术过程中，通常会因为有些因素(例如人员的误触碰、各种因素所导致的导航硬件轻微震动等)导致对应导航硬件的位置和朝向发生改变，因此对应的导航坐标系也会随之发生改变，基于导航坐标系下的导航目标点的位置读数也会发生显著改变，如图1所示。
假如存在一固定位置的导航参照物，将其固定于某处，且可以确保其位置朝向不会受到各种因素(例如前文所述之人员的误触碰、各种因素所导致的硬件轻微震动等)的影响，并确保其位置朝向与确定导航坐标系的导航硬件无关，另外，其位置以及形状特征可以被手术导航系统所观测识别。那么基于此可以计算出导航参照物在导航坐标系下的位置和形状方向，并基于此构建一导航参照物坐标系，基于此坐标系观测导航目标点，可以保证导航目标点的位置和方向读数不会因为导航坐标系发生改变的缘故而变化，如图2所示。
请参考图2，导航坐标系发生变化后，导航参照物在导航坐标系下的坐标位置也会发生变化，而导航目标点在导航坐标系下的坐标位置也会发生变化。但是，基于导航参照物和导航目标点分别在导航坐标系下的坐标位置数据，由此而推算出来的导航目标点相对于导航参照物的相对位置是不会发生变化的。因此，可以认为，只要导航参照物不动，那么在整个导航过程中，导航参照物坐标系也不会发生变化，导航目标点在导航参照物坐标系下的位置参数将不会受到导航坐标系干扰，而且该位置(导航目标点在导航参照物坐标系下的位置参数)与导航坐标系无关。
综上所述，为了避免由于导航硬件的微小震动引起导航目标点坐标读数产生较大偏差的问题，请参考图3，本发明提供一种精确定位导航目标点的方法，包括：选定一固定位置的导航参照物，在导航开始之后，分别获取所述导航参照物和导航目标点在导航坐标系下的位置，并计算出所述导航目标点相对于所述导航参照物的位置，进而得到所述导航目标点在导航参照物坐标系下的位置。
本发明提供的一种精确定位导航目标点的方法，是基于手术导航系统，可以广泛地应用在各种外科手术中，如神经外科、脊椎神经外科等，同时也用于胸腹部、组织活检穿刺等微创手术中，以下将结合图1至图3对本发明提供的一种精确定位导航目标点的方法，用于基于导航技术(包含光学导航或者电磁导航)的CT图像引导下的胸腹部穿刺手术中，进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
在本实施例中，该方法定位监控目标时，必须使用空间位置观测设备(简称空间观测设备)、两个与空间观测设备对应的定位装置、具备明显形状特征的导航参照物(本发明对导航参照物的形状不做具体限制，本实施例以十字型为例)以及相应的穿刺针(本发明对目标点的具体类型不做限制，可根据具体手术而定，本实施例用于胸腹部穿刺手术中，因此，导航目标点为穿刺针)，其中，这两个定位装置分别设置在导航参照物和穿刺针上，导航参照物上的形状特征及精准的实时位置、穿刺针的精准的实时位置均可以被空间位置观测设备所追踪。
该方法步骤大体可分为观测装置安装、导航装置跟踪、观测目标换算这几个阶段：
观测装置安装阶段
在观测装置安装阶段，医生必须将一定位装置安装于导航参照物上，并且确保在整个导航过程中，观测设备是可以精准地获取该引导航参照物的实时位置和形状特征信息的。同时，将导航参照物贴于病人体表或固定到其他与病人身体相对位置固定且易于被观测设备所观测的位置，必须确保该位置不会受到呼吸等因素的影响，是基于人体相对静止的。
导航装置跟踪阶段
在导航装置跟踪阶段，空间观测设备可以实时获取导航参照物的实时位置及形状特征信息，综合表述为导航坐标系下的旋转四元数和空间位置坐标(Qo，Qx，Qy，Qz，Tx0，Ty0，Tz0)，其中前4个参数为旋转四元数，后3个参数为三维空间位置坐标。而与此同时，空间观测设备也可以实时获取导航目标点的位置相关参数(Tx1，Ty1，Tz1)。
观测目标换算
在获取导航坐标系下的旋转四元数和空间位置坐标(Qo，Qx，Qy，Qz，Tx0，Ty0，Tz0)以及导航目标点的位置参数(Tx1，Ty1，Tz1)之后，基于这两组参数，可以通过一系列的数学运算计算出导航参照物坐标系下的导航目标点位置，计算流程如图4所述：
1、基于导航坐标系下的导航参照物方向参数(Qo，Qx，Qy，Qz)计算出对应的旋转矩阵M；
2、将导航坐标系下的导航参照物位置参数(Tx0，Ty0，Tz0)以及导航目标点的位置参数(Tx1，Ty1，Tz1)分别与旋转矩阵M相乘，得到临时坐标系下导航参照物位置参数(Tx01，Ty01，Tz01)和导航目标点位置参数(Tx11，Ty11，Tz11)。值得指出的是，该临时坐标系的坐标原点与导航坐标系重合，但坐标轴的方向与导航参照物的形状特征一致。请参考图5，导航坐标系和导航参照物坐标系的转换方式是先保持导航坐标系的原点不动，旋转导航坐标系使得对应的坐标轴方向和导航参照物坐标系平行，之后再将原点位置移到导航参照物坐标系的原点上，导航参照物坐标系的原点是十字导航参照物的十字交叉点。此处的临时坐标系指的是该转换过程中的一个中间状态，该坐标系的原点与导航坐标系重合，但是坐标轴方向却与导航参照物坐标系一致。
3、基于两组临时坐标系下的位置参数(Tx01，Ty01，Tz01)和(Tx11，Ty11，Tz11)，计算出导航参照物坐标系下的导航目标点位置坐标(Tx11-Tx01，Ty11-Ty01，Tz11-Tz01)。
由于技术原因，导航参照物坐标系没有办法直接生成或者使用，只能在获取导航参照物和导航目标点在导航坐标系下的位置数据之后，再计算导航目标点和导航参照物的相对位置，进而计算得到导航目标点在导航参照物坐标系下的位置数据。因此，本实施例并不需要计算出导航参照物坐标系本身，而是计算出导航目标点在导航参照物坐标系下的坐标位置。
在计算得出导航参照物坐标系下的导航目标点位置之后，该位置可以用于导航手术中，如映射至导航图像或者用以监控导航穿刺位置等。
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