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TWI708591B - 骨科手術之三維即時定位方法 - Google Patents

骨科手術之三維即時定位方法 Download PDF

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TWI708591B
TWI708591B TW108144741A TW108144741A TWI708591B TW I708591 B TWI708591 B TW I708591B TW 108144741 A TW108144741 A TW 108144741A TW 108144741 A TW108144741 A TW 108144741A TW I708591 B TWI708591 B TW I708591B
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胡博期
陳彥廷
林治中
黃文輝
林庚達
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財團法人金屬工業研究發展中心
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Abstract

一種骨科手術之三維即時定位方法，包括：將至少一立體標記裝置固定在手術部位上；架設光學定位系統；啟動六自由度計算模組；確認主副攝影裝置皆可辨識到多面立方體；判斷多面立方體是否被遮蔽，而造成主攝影裝置無法拍攝；當多面立方體沒有被遮蔽時，則以主攝影裝置進行拍攝多面立方體；當多面立方體有被遮蔽時，則切換以副攝影裝置進行拍攝多面立方體；判斷主標記是否被遮蔽，而造成主或副攝影裝置無法拍攝；當主標記沒有被遮蔽時，則主標記提供空間座標資訊；以及當主標記有被遮蔽時，則利用三個副標記推算出主標記之空間座標資訊。

Description

骨科手術之三維即時定位方法
本發明是有關於一種立體標記裝置及骨科手術之三維即時定位方法，且特別是有關於一種利用立體標記裝置的骨科手術之三維即時定位方法。
手術導航系統是外科手術治療精準化和微創化的重要發展方向，光學手術導航技術是應用最廣泛的一種手術導航技術。粘貼標記點有著比相對機械固定裝置創傷小、操作簡單，比解剖標記的精度高而被廣泛採用，光學導航通過跟蹤患者身上及手術工具上的標記點進行跟蹤定位。在術前通過術三維醫學圖像確定標記點和病灶位置；術中光學手術導航通過定位系統通過跟蹤患者身上的標記點，即時獲取患者位姿，與術前三維醫學圖像註冊將其轉換到圖像坐標系中顯示。
現有手術導航還存在以下不足：首先，且在手術導航過程中會發生標記點掉落，需要重新註冊；其次，標記點光線被遮擋會發生遮擋；；另外，某些手術部位不方便粘貼標記點。
中國大陸專利申請公布號CN106214256A公開了一種無標記點光學手術導航系統及其導航方法，所述無標記點光學手術導航系統包括結構光三維掃描系統、光學定位系統、標定板和圖形工作站。所述無標記點光學手術導航系統通過結構光三維掃描連續獲取患者手術區域表面資訊，從而獲取患者表面三維座標，通過患者即時表面三維座標與患者術前三維醫學圖像註冊得到座標轉換關係，同時通過所述近紅外光學定位系統即時跟蹤手術器械位置，最後在顯示裝置即時顯示患者手術部位三維醫學圖像和手術工具。本專利文獻實現患 者無需標記點的光學手術導航，無需醫生手工進行標記點註冊，減少操作過程及手術時間，解決標記點掉落的問題，同時方便在某些手術部位不方便粘貼標記點的場合使用。
然而，所述專利文獻缺乏足夠的標記點，將會導致定位缺乏方向性，從而無法精準定位。
因此，便有需要提供一種應用於手術導航的骨科手術之三維即時定位方法，以解決前述的問題。
本發明之一目的是提供一種利用立體標記裝置的骨科手術之三維即時定位方法。
依據上述之目的，本發明提供一種立體標記裝置，包括：一多面立方體，包括至少四面，該至少四面分別作為一個主標記及至少三個副標記，其中該主標記包括一主圖形編碼，該至少三個副標記分別包括第一副圖形編碼、第二副圖形編碼及第三副圖形編碼，該主圖形編碼用以提供一空間座標資訊，其作為計算六自由度姿態數據之用；以及一釘狀體，結合該多面立方體，並用以固定在一手術部位上。
本發明更提供一種骨科手術之三維即時定位方法，包括下列步驟：提供上述至少一立體標記裝置；將該至少一立體標記裝置固定在一手術部位上；架設一光學定位系統，其包括兩台六自由度攝影裝置，並設定為一主攝影裝置及一副攝影裝置，其分別位於該手術部位之兩側；校正該主攝影裝置及該副攝影裝置；啟動六自由度計算模組；確認該主攝影裝置及該副攝影裝置皆可辨識到該多面立方體；判斷該立體標記裝置之該多面立方體是否被遮蔽，而造成該主攝影裝置無法拍攝；當該多面立方體沒有被遮蔽時，則以該主攝影裝置進行拍攝該立體標記裝置之該多面立方體；當該多面立方體有被遮蔽時，則切換以該副攝影裝置進行拍攝該立體標記裝置之該多面立方體；判斷該立體標記裝置之該多面立方體的該主標記是否被遮 蔽，而造成該主攝影裝置或該副攝影裝置無法拍攝；當該主標記沒有被遮蔽時，則該主標記之該主圖形編碼提供一空間座標資訊，以完成六自由度姿態數據之計算；以及當該主標記有被遮蔽時，則利用該三個副標記之該第一至第三副圖形編碼推算出該主標記之一空間座標資訊，以完成六自由度姿態數據之計算。
本發明之功效如下：第一、本發明提出一種骨科手術之三維即時定位方法可為脊椎手術之三維即時定位方法，透過釘狀體(即脊突釘)結合多面立方體(即陶瓷立體標)計算六自由度姿態數據對脊椎節精準定位。以六自由度攝影裝置拍攝立體標記裝置完成標記註冊後，透過脊突釘上立體標記裝置不同標記的多面設置，可於六自由度攝影裝置拍攝多面立方體之其中一面時，計算出該立體標記裝置的位置數據。第二、本發明之立體標記裝置導入主副標記概念，當主標記被遮擋時，可透過周圍副標記即時推算出主標記的空間座標資訊，以確保手術定位精準度不受醫護人員或物件遮蔽影響。第三、本發明之立體標記裝置具有快速響應矩陣圖形編碼(QR Code)特徵，可提高影像辨識度，進而提高六自由度攝影裝置的取像效率。第四、本發明透過特殊材料開發出具有快速響應矩陣圖形編碼(QR Code)特徵的立體標記裝置，單顆立體標即可定義出三維空間座標資訊。第五、本發明之骨科手術之三維即時定位方法可應用於手術導航系統，本發明之立體標記裝置不受人員或物件遮蔽而干擾其訊號，進而增加醫療人員或手術房內物品的位置自由度，亦可降低醫療人員於手術房內移動的限制。
1:立體標記裝置
10:多面立方體
11:主標記
111:主圖形編碼
12:副標記
121:第一副圖形編碼
122:第二副圖形編碼
123:第三副圖形編碼
19:釘狀體
2:手術部位
31:主攝影裝置
32:副攝影裝置
S10~S93:步驟
圖1為本發明之一實施例之立體標記裝置之立體示意圖。
圖2為本發明之一實施例之多個立體標記裝置固定在手術部位上之立體示意圖。
圖3為本發明之一實施例之利用多個立體標記裝置固定在手術部位之骨科手術之立體示意圖。
圖4為本發明之一實施例之骨科手術之三維即時定位方法之流程圖。
為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例之立體標記裝置之立體示意圖。圖2為本發明之一實施例之多個立體標記裝置固定在手術部位上之立體示意圖。該立體標記裝置1包括：一多面立方體10及一釘狀體19。該釘狀體19用以固定在一手術部位2上。當該手術部位2為脊椎時，則該釘狀體19為一脊突釘。
該多面立方體10包括至少四面，該至少四面分別作為一個主標記11及至少三個副標記12。例如，該多面立方體10包括十二面，亦即該多面立方體10為十二面立方體。該至少三個副標記12為八個。該主標記11包括一主圖形編碼111，該至少三個副標記12分別包括第一副圖形編碼121、第二副圖形編碼122及第三副圖形編碼123，該主圖形編碼111用以提供一空間座標資訊，其作為計算六自由度(Degree of Freedom,DOF)姿態數據之用。例如，物體在空間具有六個自由度，即沿X、Y、Z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度。該主圖形編碼111及該第一至第三副圖形編碼121、122、123為不同的快速響應矩陣圖形編碼(Quick Response Code,QR Code)。
該立體標記裝置1之多面立方體10之材料可為塑膠醫材，例如聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)。或者，該多面立方體110之材料亦可為陶瓷材料，例如氧化鋁。舉例，立體標記裝置1之多面立方體10的粉末壓鑄燒結製程如下： 首先，以特定氧化鋁材料及黏著劑比例配方，開發符合紅外線(IR)光源辨識的陶瓷塊材。其次，透過鑽石砂輪，將完成製作的陶瓷塊材以研磨製程製作符合六自由度追蹤技術所需之立體標記裝置。最後，使用雷射製程在六自由度氧化鋁多面立方體表面加工快速響應矩陣圖形編碼(QR Code)特徵。
圖3為本發明之一實施例之骨科手術之立體示意圖。圖4為本發明之一實施例之骨科手術之三維即時定位方法之流程圖。該骨科手術之三維即時定位方法，包括下列步驟：
在步驟S10中，提供本發明之上述至少一立體標記裝置1。請再參考圖1，該立體標記裝置1包括：一多面立方體10及一釘狀體19。該多面立方體10包括至少四面，該至少四面分別作為一個主標記11及至少三個副標記12。該主標記11包括一主圖形編碼111，該至少三個副標記12分別包括第一副圖形編碼121、第二副圖形編碼122及第三副圖形編碼123。該主圖形編碼111及該第一至第三副圖形編碼121、122、123為不同的快速響應矩陣圖形編碼(QR Code)。
在步驟S20中，將該至少一立體標記裝置1固定在一手術部位2上。當該手術部位2為脊椎時，則多個立體標記裝置1藉由釘狀體19(即脊突釘)固定在手術部位2上。在步驟S30中，架設一光學定位系統，其包括兩台六自由度攝影裝置，並設定為一主攝影裝置31及一副攝影裝置32，其分別位於該手術部位2之兩側。在步驟S40中，校正該主攝影裝置31及該副攝影裝置32。在步驟S50中，啟動六自由度計算模組。該六自由度計算模組可為具有計算功能的處理器。
在步驟S55中，確認該主攝影裝置31及該副攝影裝置32皆可辨識到該多面立方體。初次啟動六自由度計算模組之軟體後，需確認主副攝影裝置31、32皆可辨識到該立體標記裝置1之多面立方體10後，才可接續進行後續流程(步驟S60~S71/S72)。若主副攝影裝置31、32其中一者無法辨識到該多 面立方體10，則須調整主副攝影裝置31、32位置直到皆可看見多面立方體。在步驟S60中，判斷該立體標記裝置1之該多面立方體10是否被遮蔽，而造成該主攝影裝置31無法拍攝。在步驟S71中，當該立體標記裝置1之該多面立方體10沒有被遮蔽時，則以該主攝影裝置31進行拍攝該立體標記裝置1之該多面立方體10。在步驟S72中，當該立體標記裝置1之該多面立方體10有被遮蔽時，則切換以該副攝影裝置32進行拍攝該立體標記裝置1之該多面立方體10。當該主攝影裝置31或該副攝影裝置32拍攝到該立體標記裝置1之該多面立方體10時，則完成標記註冊。
在步驟S80中，判斷該立體標記裝置1之該多面立方體10的該主標記11是否被遮蔽，而造成該主攝影裝置31或該副攝影裝置32無法拍攝。在步驟S91中，當該主標記11沒有被遮蔽時，則該主標記11之該主圖形編碼提供一空間座標資訊，以進入步驟S93：完成六自由度姿態數據之計算。在步驟S92中，當該主標記11有被遮蔽時，則利用該三個副標記12之該第一至第三副圖形編碼121、122、123推算出該主標記11之一空間座標資訊，以進入步驟S93：完成六自由度姿態數據之計算。
在本實施例中，可利用一轉置矩陣進行影像座標系統與世界座標系統(WCS)之間的轉換，計算出六自由度姿態空間數據(例如，物體在空間具有六個自由度，即沿X、Y、Z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度)。舉例，首先定義世界座標系統、攝影裝置座標系統及影像座標系統，其中世界座標系統為共同座標系統。然後，攝影裝置所拍攝的影像資料由影像座標系統轉換到攝影裝置座標系統，再由攝影裝置座標系統轉換到世界座標系統。經過這個步驟，所有的座標值與向量才能互相進行各種計算。傳統作法，在空間中自訂出世界座標系統的原點後，對攝影裝置所處世界座標系統中的位置，以及其內部的各項參數進行校正，才能將攝影裝置所拍攝的二維影像座標值轉換到三維空間的世界座標值，使所 有的座標系統都能互相轉換。該影像座標系統直接與該世界座標系統之間的轉換關係為轉置矩陣，利用該轉置矩陣即可計算出攝影裝置所拍攝的物體沿X、Y、Z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度。
本發明之功效如下：第一、本發明提出一種骨科手術之三維即時定位方法可為脊椎手術之三維即時定位方法，透過釘狀體(即脊突釘)結合多面立方體(即陶瓷立體標)計算六自由度姿態數據對脊椎節精準定位。以六自由度攝影裝置拍攝立體標記裝置完成標記註冊後，透過脊突釘上立體標記裝置不同標記的多面設置，可於六自由度攝影裝置拍攝多面立方體之其中一面時，計算出該立體標記裝置的位置數據。
第二、本發明之立體標記裝置導入主副標記概念，當主標記被遮擋時，可透過周圍副標記即時推算出主標記的空間座標資訊，以確保手術定位精準度不受醫護人員或物件遮蔽影響。
第三、本發明之立體標記裝置具有快速響應矩陣圖形編碼(QR Code)特徵，可提高影像辨識度，進而提高六自由度攝影裝置的取像效率。
第四、本發明透過特殊材料開發出具有快速響應矩陣圖形編碼(QR Code)特徵的立體標記裝置，單顆立體標即可定義出三維空間座標資訊。
第五、本發明之骨科手術之三維即時定位方法可應用於手術導航系統，本發明之立體標記裝置不受人員或物件遮蔽而干擾其訊號，進而增加醫療人員或手術房內物品的位置自由度，亦可降低醫療人員於手術房內移動的限制。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所 涵蓋。
1‧‧‧立體標記裝置
10‧‧‧多面立方體
11‧‧‧主標記
111‧‧‧主圖形編碼
12‧‧‧副標記
121‧‧‧第一副圖形編碼
122‧‧‧第二副圖形編碼
123‧‧‧第三副圖形編碼
19‧‧‧釘狀體

Claims (6)

  1. 一種骨科手術之三維即時定位方法，包括下列步驟：提供至少一立體標記裝置，其包括：一多面立方體，包括至少四面，該至少四面分別作為一個主標記及至少三個副標記，其中該主標記包括一主圖形編碼，該至少三個副標記分別包括第一副圖形編碼、第二副圖形編碼及第三副圖形編碼，該主圖形編碼用以提供一空間座標資訊，其作為計算六自由度姿態數據之用；以及一釘狀體，結合該多面立方體，並用以固定在一手術部位上；將該至少一立體標記裝置固定在一手術部位上；架設一光學定位系統，其包括兩台六自由度攝影裝置，並設定為一主攝影裝置及一副攝影裝置，其分別位於該手術部位之兩側；校正該主攝影裝置及該副攝影裝置；啟動六自由度計算模組；確認該主攝影裝置及該副攝影裝置皆可辨識到該多面立方體；判斷該立體標記裝置之該多面立方體是否被遮蔽，而造成該主攝影裝置無法拍攝；當該多面立方體沒有被遮蔽時，則以該主攝影裝置進行拍攝該立體標記裝置之該多面立方體；當該多面立方體有被遮蔽時，則切換以該副攝影裝置進行拍攝該立體標記裝置之該多面立方體；判斷該立體標記裝置之該多面立方體的該主標記是否被遮蔽，而造成該主攝影裝置或該副攝影裝置無法拍攝；當該主標記沒有被遮蔽時，則該主標記之該主圖形編碼提供一空間座標資訊，以完成六自由度姿態數據之計算；以及 當該主標記有被遮蔽時，則利用該三個副標記之該第一至第三副圖形編碼推算出該主標記之一空間座標資訊，以完成六自由度姿態數據之計算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之骨科手術之三維即時定位方法，其中利用一轉置矩陣進行影像座標系統與世界座標系統之間的轉換，計算出六自由度姿態空間數據。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之骨科手術之三維即時定位方法，其中該主圖形編碼及該第一至第三副圖形編碼為不同的快速響應矩陣圖形編碼。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之骨科手術之三維即時定位方法，其中該多面立方體之材料為陶瓷材料或塑膠醫材。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之骨科手術之三維即時定位方法，其中該陶瓷材料為氧化鋁，並以一粉末壓鑄燒結製程、一研磨製程及一雷射製程而製造完成該多面立方體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之骨科手術之三維即時定位方法，其中當該手術部位為脊椎時，則該釘狀體為一脊突釘。
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