基于激光干涉的手术定位系统

摘要

本发明涉及医疗技术领域，尤其为基于激光干涉的手术定位系统，包括：设备匹配模块：用于将手术设备与手术对象进行匹配；测量校准模块：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；手术定位模块：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位；定位校准模块：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准。本发明采用激光干涉法，利用激光干涉仪分光镜和旋转镜的组合，精确提升了手术过程中的测量精度问题，同时通过定位算法对手术设备或手术对象的手术部位进行精确定位和修正，极大的提高了手术精准度，提高手术成功率。

权利要求

1.基于激光干涉的手术定位系统，其特征在于：包括：设备匹配模块（100）：用于将手术设备与手术对象进行匹配；

测量校准模块（200）：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；所述测量校准模块（200）通过将激光干涉仪对手术台所在平面的X轴和Y轴分别进行偏差测量，以检测和校准X轴和Y轴的偏差；所述激光干涉仪包括激光头和测量镜组，测量镜组包括角锥反射镜、分光镜和旋转镜；所述测量校准模块（200）的测量过程中，依次将激光头、分光镜和角锥反射镜置于同一条直线上，其中分光镜与机组固定连接，角锥反射镜与运动轴固定连接，对于手术台所在平面与地面的夹角通过旋转镜进行偏差测量；

手术定位模块（300）：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位，所述手术定位模块（300）中，通过摄像头采集手术图像，并通过定位算法计算手术位姿 ，其中， 为二维平面内的平移， 为二维平面内的旋转；所述定位算法中：

设由K帧激光干涉数据帧构成手术子图像，通过激光干涉仪的激光干涉将手术图像划分为多个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，当有新增激光干涉数据插入手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：；

；

其中，表示当前栅格的概率值； 表示当前栅格的状态； 表示更新后当前栅格的概率值； 表示更新前栅格的概率值； 为限定函数，当结果大于给定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；

当有激光干涉数据帧插入手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合成对最大，描述如下：；

其中，表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度， 表示激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率； 表示将第个栅格中心坐标用位姿 转换到世界坐标系下，即假设第 个栅格中心坐标为 ，则为：

；

将 转换为求解目标函数的极值：

；

构建误差函数 ：

；

若计算目标的最小值，则当优化变量有一个增量 后，目标函数值最小， 为非线性函数，通过一阶泰勒展开线性化，得到 对位姿的导数为：；

通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；

设定物理坐标 ，点 为离散点 ， ， ，四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：；

根据插值得到的结果，对位姿求导数：

；

；

根据上式得到似然场手术图像对于位姿的导数 ，代入目标函数中进行定位；

定位校准模块（400）：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准，所述定位校准模块（400）中，基于测量校准模块（200）测量的偏差数据对手术过程中的手术数据进行偏差修正，并基于所述偏差对手术定位模块（300）中的定位数据进行校准。

2.根据权利要求1所述的基于激光干涉的手术定位系统，其特征在于：所述激光干涉仪还包括补偿装置、三脚架和云台。

3.根据权利要求1所述的基于激光干涉的手术定位系统，其特征在于：所述激光干涉仪的测量原理如下：；

其中， 为手术设备及手术对象接收的激光的频率， 为激光头发射端发射的激光频率，为波长，为光速，为角锥反射镜运动速度；

当手术设备及手术对象接收到的激光反射回激光头发射端并被发射端接收器接收时，被接收激光的频率 为：；

当激光头发射端激光与被接收激光同时进入激光干涉仪混频器后，得到两束光的差额，为多普勒移频 ：；

每产生一次移频，则有一次脉冲，将移频 对运动时间积分，得到时间 上的脉冲数量：；

根据脉冲数量计算出手术过程中手术设备或手术对象移动的距离：；

其中，为运动物体的移动距离。

4.根据权利要求1所述的基于激光干涉的手术定位系统，其特征在于：所述手术定位模块（300）中的世界直角坐标系是以所述测量校准模块（200）检测的X轴和Y轴的偏差为基准进行校准建立的坐标系。

说明书

基于激光干涉的手术定位系统

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗技术领域，尤其是基于激光干涉的手术定位系统。

背景技术

[0002] 现在有些手术利用激光辅助进行，其共同点从通过仪器中发射出激光照射在手术部位上从而引导医务人员进行手术。现有技术中的手术激光定位系统，大多数使用照射在手术部位上的光点或十字线，但可能会导致无法看清光路，因此对于手术工具进入的方向和角度难以很好的把握，对手术造成偏差。因此，发明一种能够精确定位的手术定位系统成为当务之急。为了能够最大限度的提升手术过程中的定位系统精度，本发明采用激光干涉仪对手术定位系统进行精度检测并修正，同时对定位的手术部位或手术仪器进行精确修正，以达到提高手术定位精度的目的。

发明内容

[0003] 本发明的目的是通过提出基于激光干涉的手术定位系统，以解决上述背景技术中提出的缺陷。

[0004] 本发明采用的技术方案如下：

[0005] 提供基于激光干涉的手术定位系统，包括：

[0006] 设备匹配模块：用于将手术设备与手术对象进行匹配；

[0007] 测量校准模块：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；

[0008] 手术定位模块：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位；

[0009] 定位校准模块：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准。

[0010] 作为本发明的一种优选技术方案：所述激光干涉仪包括激光头、补偿装置、三脚架和云台和测量镜组。

[0011] 作为本发明的一种优选技术方案：所述测量镜组包括角锥反射镜、分光镜和旋转镜。

[0012] 作为本发明的一种优选技术方案：所述测量校准模块通过将激光干涉仪对手术台所在平面的X轴和Y轴分别进行偏差测量，以检测和校准X轴和Y轴的偏差。

[0013] 作为本发明的一种优选技术方案：所述测量校准模块的测量过程中，依次将激光头、分光镜和角锥反射镜置于同一条直线上，其中分光镜与机组固定连接，角锥反射镜与运动轴固定连接，对于手术台所在平面与地面的夹角通过旋转镜进行偏差测量。

[0014] 作为本发明的一种优选技术方案：所述激光干涉仪的测量原理如下：

[0015] ；

[0016] 其中， 为手术设备及手术对象接收的激光的频率， 为激光头发射端发射的激光频率，为波长，为光速，为角锥反射镜运动速度；

[0017] 当手术设备及手术对象接收到的激光反射回激光头发射端并被发射端接收器接收时，被接收激光的频率 为：

[0018] ；

[0019] 当激光头发射端激光与被接收激光同时进入激光干涉仪混频器后，得到两束光的差额，为多普勒移频 ：

[0020] ；

[0021] 每产生一次移频，则有一次脉冲，将移频 对运动时间积分，得到时间 上的脉冲数量 ：

[0022] ；

[0023] 根据脉冲数量计算出手术过程中手术设备或手术对象移动的距离：

[0024] ；

[0025] 其中，为运动物体的移动距离。

[0026] 作为本发明的一种优选技术方案：所述手术定位模块中的世界直角坐标系是以所述测量校准模块检测的X轴和Y轴的偏差为基准进行校准建立的坐标系。

[0027] 作为本发明的一种优选技术方案：所述手术定位模块中，通过摄像头采集手术图像，并通过定位算法计算手术位姿 ，其中， 为二维平面内的平移， 为二维平面内的旋转。

[0028] 作为本发明的一种优选技术方案：所述定位算法中：

[0029] 设由K帧激光干涉数据帧构成手术子图像，通过激光干涉仪的激光干涉将手术图像划分为多个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，当有新增激光干涉数据插入手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：

[0030] ；

[0031] ；

[0032] 其中，表示当前栅格的概率值； 表示当前栅格的状态； 表示更新后当前栅格的概率值； 表示更新前栅格的概率值； 为限定函数，当结果大于给定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；

[0033] 当有激光干涉数据帧插入手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合成对最大，描述如下：

[0034] ；

[0035] 其中，表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度， 表示激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率； 表示将第 个栅格中心坐标用位姿 转换到世界坐标系下，即假设第 个栅格中心坐标为 ，则为：

[0036]；

[0037] 将 转换为求解目标函数的极值：

[0038] ；

[0039] 构建误差函数 ：

[0040] ；

[0041] 若计算目标的最小值，则当优化变量有一个增量 后，目标函数值最小，为非线性函数，通过一阶泰勒展开线性化，得到 对位姿的导数为：

[0042] ；

[0043] 通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；

[0044] 设定物理坐标 ，点 为离散点 ， ，， 四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：

[0045] ；

[0046] 根据插值得到的结果，对位姿求导数：

[0047] ；

[0048] ；

[0049] 根据上式得到似然场手术图像对于位姿的导数 ，代入目标函数中进行定位。

[0050] 作为本发明的一种优选技术方案：所述定位校准模块中，基于测量校准模块测量的偏差数据对手术过程中的手术数据进行偏差修正，并基于所述偏差对手术定位模块中的定位数据进行校准。

[0051] 本发明提供的基于激光干涉的手术定位系统，与现有技术相比，其有益效果有：

[0052] 本发明采用激光干涉法，利用激光干涉仪分光镜和旋转镜的组合，精确提升了手术过程中的测量精度问题，同时通过定位算法对手术设备或手术对象的手术部位进行精确定位和修正，极大的提高了手术精准度，提高手术成功率。

附图说明

[0053] 图1为本发明优选实施例的系统框图。

[0054] 图中各个标记的意义为：100、设备匹配模块；200、测量校准模块；300、手术定位模块；400、定位校准模块。

具体实施方式

[0055] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

[0056] 参照图1，本发明优选实施例提供了基于激光干涉的手术定位系统，包括：

[0057] 设备匹配模块100：用于将手术设备与手术对象进行匹配；

[0058] 测量校准模块200：用于通过激光干涉仪对手术台所在平面进行偏差测量；

[0059] 手术定位模块300：用于通过激光干涉仪的测量数据基于世界直角坐标系进行手术定位；

[0060] 定位校准模块400：用于对手术定位数据对手术设备以及手术对象的手术部位进行定位校准。

[0061] 所述激光干涉仪包括激光头、补偿装置、三脚架和云台和测量镜组。

[0062] 所述测量镜组包括角锥反射镜、分光镜和旋转镜。

[0063] 所述测量校准模块200通过将激光干涉仪对手术台所在平面的X轴和Y轴分别进行偏差测量，以检测和校准X轴和Y轴的偏差。

[0064] 所述测量校准模块200的测量过程中，依次将激光头、分光镜和角锥反射镜置于同一条直线上，其中分光镜与机组固定连接，角锥反射镜与运动轴固定连接，对于手术台所在平面与地面的夹角通过旋转镜进行偏差测量。

[0065] 所述激光干涉仪的测量原理如下：

[0066] ；

[0067] 其中， 为手术设备及手术对象接收的激光的频率， 为激光头发射端发射的激光频率，为波长，为光速，为角锥反射镜运动速度；

[0068] 当手术设备及手术对象接收到的激光反射回激光头发射端并被发射端接收器接收时，被接收激光的频率 为：

[0069] ；

[0070] 当激光头发射端激光与被接收激光同时进入激光干涉仪混频器后，得到两束光的差额，为多普勒移频 ：

[0071] ；

[0072] 每产生一次移频，则有一次脉冲，将移频 对运动时间积分，得到时间 上的脉冲数量 ：

[0073] ；

[0074] 根据脉冲数量计算出手术过程中手术设备或手术对象移动的距离：

[0075] ；

[0076] 其中，为运动物体的移动距离。

[0077] 所述手术定位模块300中的世界直角坐标系以所述测量校准模块200检测的X轴和Y轴的偏差为基准进行校准建立的坐标系。

[0078] 所述手术定位模块300中，通过摄像头采集手术图像，并通过定位算法计算手术位姿 ，其中， 为二维平面内的平移， 为二维平面内的旋转。

[0079] 所述定位算法中：

[0080] 设由K帧激光干涉数据帧构成手术子图像，通过激光干涉仪的激光干涉将手术图像划分为多个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，当有新增激光干涉数据插入手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：

[0081] ；

[0082] ；

[0083] 其中，表示当前栅格的概率值； 表示当前栅格的状态； 表示更新后当前栅格的概率值； 表示更新前栅格的概率值； 为限定函数，当结果大于给定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；

[0084] 当有激光干涉数据帧插入手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合成对最大，描述如下：

[0085] ；

[0086] 其中，表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度， 表示激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率； 表示将第 个栅格中心坐标用位姿 转换到世界坐标系下，即假设第 个栅格中心坐标为 ，则为：

[0087] ；

[0088] 将 转换为求解目标函数的极值：

[0089] ；

[0090] 构建误差函数 ：

[0091] ；

[0092] 若计算目标的最小值，则当优化变量有一个增量 后，目标函数值最小，为非线性函数，一阶泰勒展开线性化，得到：

[0093] ；

[0094] 对于线性系统，对 求导并令导数等于0，即：

[0095] ；

[0096] 将上式展开得：

[0097] ；

[0098] 令：

[0099] ；

[0100] 得到：

[0101] ；

[0102] 对位姿的导数为：

[0103] ；

[0104] 通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；

[0105] 设定物理坐标 ，点 为离散点 ， ，， 四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：

[0106] ；

[0107] 根据插值得到的结果，对位姿求导数：

[0108] ；

[0109] ；

[0110] 根据上式得到似然场手术图像对于位姿的导数 ，代入目标函数中进行定位。

[0111] 所述定位校准模块400中，基于测量校准模块200测量的偏差数据对手术过程中的手术数据进行偏差修正，并基于所述偏差对手术定位模块300中的定位数据进行校准。

[0112] 本实施例中，将手术设备与手术对象进行匹配完成后，测量校准模块200对手术台及手术对象的手术部位图像等进行偏差测量，如手术台不平行于地面的问题，通过包括激光头、补偿装置、三脚架和云台和测量镜组的激光干涉仪对手术台进行定位偏差测量，以使用激光干涉仪对手术台的X轴进行定位偏差的校准测量为例：首先将分光镜与旋转镜进行组合；其次，将此组合镜固定在机座上，角锥反射镜固定在手术台所在平面的X轴上。激光经发射器发出后，首先进 入分光镜入口，分光镜将入射光分成两束，其中一束反射回激光干涉仪接收口，另一束沿入射光方向，照射在旋转镜上，通过调整旋转镜角度，可将从旋转镜折射的光照射在固定在X 轴上的角锥反射镜上，准直后，形成测量回路，获得X轴的定位偏差数据并进行校准。

[0113] 手术定位模块300通过激光干涉的测量方法将激光干涉数据投影到二维平面内，将激光干涉图像与手术图像对齐，通过定位算法计算手术设备的位姿 ，包括二维平面内的平移 及旋转 。

[0114] 手术子图像由K帧激光干涉数据帧构成，新的激光干涉数据帧与手术子图像进行对齐以更新手术子图像，若干个手术子图像共同组成整个手术图像；生成的栅格将手术图像划分为1000个栅格，每个栅格有两种状态：占据和空闲，将占据或空闲状态以概率形式表示，栅格大小由摄像头的分辨率r决定，当有新增激光干涉数据插入手术子图像时，根据下式对栅格概率值进行更新：

[0115] ；

[0116] ；

[0117] 其中，表示当前栅格的概率值； 表示当前栅格的状态； 表示更新后当前栅格的概率值； 表示更新前栅格的概率值； 为限定函数，当结果大于给定的最大阈值时返回最大阈值，当结果小于给定的最小阈值时返回最小阈值；

[0118] 当有激光干涉数据帧插入手术子图像时，通过优化的方法找到一个最优位姿，使当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度最大，描述如下：

[0119] ；

[0120] 其中，表示当前帧的激光干涉数据和栅格手术图像的重合程度， 表示激光干涉数据变换到世界坐标系下后在栅格图像中的占据概率； 表示将第 个栅格中心坐标用位姿 转换到世界坐标系下，即假设第 个栅格中心坐标为，则为：

[0121] ；

[0122] 概率最大值为1，求占据概率值之和的最大值转换为求解目标函数的极值问题：

[0123] ；

[0124] 构建误差函数 ：

[0125] ；

[0126] 根据优化算法，若计算目标的最小值，理解为当优化变量有一个增量 后，目标函数值最小， 为非线性函数，一阶泰勒展开线性化得到：

[0127] ；

[0128] 对于线性系统，求极值为对 求导，令导数等于0，即：

[0129] ；

[0130] 将上式展开得：

[0131] ；

[0132] 令：

[0133] ；

[0134] 得到：

[0135] ；

[0136] 对位姿的导数为：

[0137] ；

[0138] 通过上式不断迭代求解，直到收敛或达到迭代次数；

[0139] 设定物理坐标 ，点 为离散点 ， ，， 四个点的线性插值，对手术图像进行平滑处理：

[0140] ；

[0141] 根据插值得到的结果，对位姿求导数：

[0142] ；

[0143] ；

[0144] 根据上式得到手术图像对于位姿的导数 ，代入目标函数中进行定位。为了加快扫描匹配，使用分支定界方法减少搜索空间，提高算法的实用性。基于手术定位模块300的定位数据，与测量校准模块200的偏差数据相结合进行校准，对于手术图像数据进行校准输出，并对手术设备接收的操作指令进行校准。

[0145] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0146] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。