一种手术导航方法和系统

技术领域

本申请涉及手术导航技术领域，特别是涉及一种手术导航方法和系统。

背景技术

传统的手术方式是通过较大的切口或切开病灶进行手术，带来的手术创伤较大，导致术后疼痛和不适较为明显，恢复时间较长。因此，微创手术得以兴起，其通过微小切口或自然孔道进行手术，可以减轻手术创伤、缩短恢复时长以及减少并发症的发生率等。而如何实现手术工具在术中体位空间的实时导航成为微创手术的关键问题。

2D X光机(C/O/G型臂)是手术过程中常用的辅助设备，目前基于2D X光机扫描的图像进行导航的方式，需要在手术操作环境中固定标定装置进行术前标定，完成标定后需要在患者身上固定较为冗余的光学参考架，用于术中手术工具的追踪定位。由于标定过程较为繁琐，会影响临床手术时间，且冗余的光学参考架会影响临床医生的操作空间和手术视野。

因此，现有技术中还存在导航不够便捷的问题。

发明内容

基于此，提供一种手术导航方法和系统，以改善现有技术中导航不够便捷的问题。

第一方面，提供一种手术导航方法，所述方法包括：

扫描设备在至少一个扫描视角下发射射线光源，对固定有至少一个追踪钉的目标椎骨所在的手术区域进行投影操作，得到各个所述扫描视角下的扫描图像；

导航设备获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息；对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息；其中，所述射线光源质点是指将所述射线光源视为质点，所述投影坐标系是以所述扫描设备的射线接收板的平面为坐标系平面建立的；

导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息；对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具在投影坐标系中的第四位置信息；

显示设备根据所述第四位置信息和所述第二位置信息的相对位置关系，获取所述第四位置信息在各个所述扫描视角下的投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集，对所述投影映射点集进行所述扫描图像的实时显示，以实现所述手术工具在各个所述扫描视角下的扫描图像的实时显示。

结合第一方面，在第一方面的第一种可实施方式中，导航设备获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息的步骤，包括：

若所述追踪钉的类型为电磁追踪钉，根据所述电磁追踪钉和参考架的电磁传感器分别在电磁发生器产生的电磁场中运动时生成的电动势，计算电磁追踪钉坐标系与参考架坐标系之间的第一转换矩阵；

获取各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息；

根据所述第一转换矩阵的逆矩阵和所述第五位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述电磁追踪钉坐标系中的第一位置信息；

若所述追踪钉的类型为光学追踪钉，通过光学相机获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息；

根据所述光学追踪钉上的光学球分别在光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系之间的第二转换矩阵；

根据所述第二转换矩阵的逆矩阵和所述第六位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述光学追踪钉坐标系中的第一位置信息。

结合第一方面的第一种可实施方式，在第一方面的第二种可实施方式中，获取各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息的步骤，包括：

通过光学相机获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息；

根据所述参考架上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；

根据所述第三转换矩阵的逆矩阵和所述第六位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息。

结合第一方面的第二种可实施方式，在第一方面的第三种可实施方式中，通过光学相机获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息的步骤，包括：

通过射线光源追踪器对各个所述扫描视角的射线光源质点进行追踪和定位，获得各个所述扫描视角的射线光源质点在射线光源追踪器坐标系中的第七位置信息；

根据所述射线光源追踪器上的光学球分别在所述射线光源追踪器坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，获得所述射线光源追踪器坐标系与所述光学相机坐标系之间的第四转换矩阵；

根据所述第七位置信息和所述第四转换矩阵的乘积，获得各个所述扫描视角的光源质点集合在所述光学相机坐标系中的第六位置信息。

结合第一方面的第一种可实施方式，在第一方面的第四种可实施方式中，对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息；对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具在投影坐标系中的第四位置信息的步骤，包括：

若所述追踪钉的类型为电磁追踪钉，获取所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵的逆矩阵和所述第五转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述电磁追踪钉坐标系之间的第六转换矩阵；

根据所述第六转换矩阵的逆矩阵和所述第一位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述投影坐标系中的第二位置信息；

根据所述第六转换矩阵的逆矩阵和所述第三位置信息的乘积，得到所述手术工具在所述投影坐标系中的第四位置信息；

若所述追踪钉的类型为光学追踪钉，获取所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵；

根据所述第七转换矩阵的逆矩阵和所述第一位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述投影坐标系中的第二位置信息；

根据所述第七转换矩阵的逆矩阵和所述第三位置信息的乘积，得到所述手术工具在所述投影坐标系中的第四位置信息。

结合第一方面的第四种可实施方式，在第一方面的第五种可实施方式中，获取所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；获取所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵的步骤，包括：

根据所述参考架上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；

获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵；

根据所述第三转换矩阵的逆矩阵和所述第八转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；

获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵以及所述光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系之间的第二转换矩阵；

根据所述第八转换矩阵和所述第二转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵。

结合第一方面的第五种可实施方式，在第一方面的第六种可实施方式中，获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵的步骤，包括：

根据射线接收板追踪器上的光学球分别在射线接收板追踪器坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述射线接收板追踪器坐标系和所述光学相机坐标系之间的第九转换矩阵；

获取预先标定好的所述投影坐标系与所述射线接收板追踪器坐标系之间的第十转换矩阵；

根据所述第九转换矩阵和所述第十转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵。

结合第一方面的第一种可实施方式，在第一方面的第七种可实施方式中，导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息的步骤，包括：

当所述追踪钉的类型为电磁追踪钉且所述手术工具的类型为光学工具时，通过光学相机实时获取所述光学工具在光学相机坐标系中的第八位置信息；

根据所述参考架上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵的逆矩阵、所述第三转换矩阵的逆矩阵以及所述第八位置信息的乘积，获得所述光学工具在所述电磁追踪钉坐标系中的第三位置信息；

当所述追踪钉的类型为光学追踪钉且所述手术工具的类型的光学工具时，通过光学相机实时获取所述光学工具在光学相机坐标系中的第八位置信息；

根据所述第八位置信息和所述第二转换矩阵的乘积，获得所述光学工具在光学追踪钉坐标系中的第三位置信息。

结合第一方面的第一种可实施方式，在第一方面的第八种可实施方式中，导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息的步骤，包括：

当所述追踪钉的类型为电磁追踪钉且所述手术工具的类型为电磁工具时，获取所述电磁工具在电磁发生器坐标系中的第九位置信息；

根据所述参考架上的电磁传感器在电磁发生器产生的电磁场中生成的电动势，计算参考架坐标系与电磁发生器坐标系之间的第十一转换矩阵；

根据所述第一转换矩阵的逆矩阵、所述第十一转换矩阵的逆矩阵和所述第九位置信息的乘积，获得所述电磁工具在所述电磁追踪钉坐标系中的第三位置信息。

第二方面，提供了一种手术导航系统，所述系统包括：

扫描设备，用于在至少一个扫描视角下发射射线光源，对固定有至少一个追踪钉的目标椎骨所在的手术区域进行投影操作，得到各个所述扫描视角下的扫描图像；

导航设备，用于获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息；对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息；其中，所述射线光源质点是指将所述射线光源视为质点，所述投影坐标系是以所述扫描设备的射线接收板的平面为坐标系平面建立的；

导航设备还用于实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息；对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具在投影坐标系中的第四位置信息；

显示设备，用于根据所述第四位置信息和所述第二位置信息的相对位置关系，获取所述第四位置信息在各个所述扫描视角下的投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集，对所述投影映射点集进行所述扫描图像的实时显示，以实现所述手术工具在各个所述扫描视角下的扫描图像的实时显示。

上述手术导航方法和系统，通过扫描设备在至少一个扫描视角下发射射线光源，对固定有至少一个追踪钉的目标椎骨所在的手术区域进行至少一次投影操作，得到各个扫描视角下的扫描图像；导航设备获取射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息，并对第一位置信息进行坐标系转换，得到对应在投影坐标系中的第二位置信息，其中，射线光源质点是指将射线光源视为质点，投影坐标系是以扫描设备的射线接收板的平面为坐标系平面建立的；导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息，并对第三位置信息进行坐标系转换，得到手术工具在投影坐标系中的第四位置信息；显示设备根据第四位置信息和第二位置信息的相对位置关系，获取第四位置信息在投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集，对投影映射点集实时显示在扫描图像中，从而实现手术工具在各个扫描视角下获得的扫描图像中的实时显示。与现有技术相比，本申请的手术导航方法不需要固定标定装置，省去了术前标定环节，减少了术前准备工作；且不需要在患者身上冗余的光学参考架，只需要固定一个或一个以上小巧的追踪钉，减少了对手术操作空间和手术视野的占用，因此，本申请的手术导航方法改善了现有技术中导航不够便捷的问题。

附图说明

图1为一个实施例中手术导航方法的流程示意图；

图2为一个实施例中手术导航系统的结构框图；

图3为一个实施例中手术导航系统的结构框图；

图4为一个实施例中手术导航系统的结构框图；

图5为一个实施例中手术导航系统的结构框图；

图6为一个实施例中手术导航系统的结构框图。

附图标记说明：1、扫描设备；11、射线光源端；12、射线接收板；13、射线光源追踪器；14、射线接收板追踪器；2、追踪钉；3、目标椎骨；4、导航设备；5、显示设备；51、扫描图像；6、手术工具；61、光学工具；62、电磁工具；7、参考架；8、电磁发生器；9、光学相机。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”、“纵向”、“横向”、“水平”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，亦仅为了便于简化叙述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种手术导航方法，包括：

S101：扫描设备在至少一个扫描视角下发射射线光源，对固定有至少一个追踪钉的目标椎骨所在的手术区域进行投影操作，得到各个所述扫描视角下的扫描图像；

S102：导航设备获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息；对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息；

S103：导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息；对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具在投影坐标系中的第四位置信息；

S104：显示设备根据所述第四位置信息和所述第二位置信息的相对位置关系，获取所述第四位置信息在各个所述扫描视角下的投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集，对所述投影映射点集进行所述扫描图像的实时显示，以实现所述手术工具在各个所述扫描视角下的扫描图像的实时显示。

需要说明的是，所述射线光源质点是指将所述射线光源视为质点；所述投影坐标系是以所述扫描设备的射线接收板的平面为坐标系平面建立的，更具体的，可以设定投影坐标系的坐标系平面O

上述方法可以应用于以下手术导航场景：将扫描设备移动到手术操作环境空间，并保证患者手术区域在扫描设备的有效扫描空间内；在患者手术区域内需要进行手术的目标椎骨上固定至少一个追踪钉；将追踪钉与导航设备电性连接；其中，追踪钉的类型可以是电磁追踪钉，也可以是光学追踪钉；扫描设备可以是2D C/D/G型臂X光机。

与现有技术相比，本申请的手术导航方法不需要固定标定装置，省去了术前标定环节，减少了术前准备工作；且不需要在患者身上冗余的光学参考架，只需要固定一个或一个以上小巧的追踪钉，减少了对手术操作空间和手术视野的占用，因此，本申请的手术导航方法改善了现有技术中导航不够便捷的问题。接下来，本申请将对上述各个步骤进行详细描述。

在步骤S101中，将扫描设备移动到术中操作环境空间内，并保证固定有至少一个追踪钉的目标椎骨所在的手术区域在扫描设备的有效扫描空间内。通过扫描设备的射线光源发射端发射射线光源，将手术区域投影至射线接收板，得到手术区域对应的投影映射点的集合，对该投影映射点的集合进行扫描和显示，从而将手术区域以2D图像的格式显示在显示屏上。在对手术区域进行投影时，扫描视角为至少一次，得到对应次数的扫描图像，对每次扫描视角下获得的扫描图像执行如上述以及后续等相同的操作，从而实现手术工具在不同扫描视角下获得的扫描图像上的实时显示。

在步骤S102中，示例性的说明，在一种实施方式中，当追踪钉的类型为电磁追踪钉时，导航设备获取所述光源质点集合在追踪钉坐标系中的第一位置信息的步骤，包括：若所述追踪钉的类型为电磁追踪钉，根据所述电磁追踪钉和参考架的电磁传感器分别在电磁发生器产生的电磁场中运动时生成的电动势，计算电磁追踪钉坐标系与参考架坐标系之间的第一转换矩阵；获取各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵和所述第五位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述电磁追踪钉坐标系中的第一位置信息。

在另一种实施方式中，当追踪钉的类型为光学追踪钉时，导航设备获取所述光源质点集合在电磁追踪钉坐标系中的第一位置信息的步骤，包括：通过光学相机获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息；根据所述光学追踪钉上的光学球分别在光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系之间的第二转换矩阵；根据所述第二转换矩阵的逆矩阵和所述第六位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述光学追踪钉坐标系中的第一位置信息。

需要说明的是，依据患者在手术环境的实际情况，将参考架和电磁发生器放置在合适位置，且参考架在电磁发生器产生的电磁场的有效作用空间内，参考架和电磁发生器分别与导航设备电性连接。参考架和电磁追踪钉上都设置有电磁传感器，电磁传感器在电磁发生器产生的交变电磁场中运行时，由于电磁感应原理会生成电动势，电磁发生器内的电磁追踪系统会分别实时计算电磁追踪钉和参考架相对于电磁发生器坐标系的空间转换矩阵，进而求得电磁追踪钉坐标系与参考架坐标系之间的第一转换矩阵。

进一步的，上述获取各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息的步骤，包括：通过光学相机获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息；根据所述参考架上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；根据所述第三转换矩阵的逆矩阵和所述第六位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息。

需要说明的是，依据患者在手术环境的实际情况，将光学相机摆放在合适位置，且光学相机与导航设备电性连接，参考架和扫描设备都在光学相机的识别空间内。计算第三转换矩阵的步骤指的是：参考架上固定有光学球，通过光学相机的识别和定位，得到参考架上的光学球在光学相机坐标系中的位置信息；参考架上的光学球在参考架坐标系中的位置信息是已知的，因此可以根据光学球分别在参考架坐标系和光学相机坐标系中的位置信息，计算参考架坐标系与光学相机坐标系之间的第三转换矩阵。

在上述步骤中，通过光学相机获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息的步骤，包括：通过射线光源追踪器对各个所述扫描视角的射线光源质点进行追踪和定位，获得各个所述扫描视角的射线光源质点在射线光源追踪器坐标系中的第七位置信息；根据所述射线光源追踪器上的光学球分别在所述射线光源追踪器坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，获得所述射线光源追踪器坐标系与所述光学相机坐标系之间的第四转换矩阵；根据所述第七位置信息和所述第四转换矩阵的乘积，获得各个所述扫描视角的光源质点集合在所述光学相机坐标系中的第六位置信息。

需要说明的是，射线光源追踪器与扫描设备的射线光源端刚性连接，用于追踪射线光源端发射的射线光源质点的位置，且位于光学相机的识别空间内。上述获得第四转换矩阵的步骤指的是：射线光源追踪器上设置有光学相机可以识别和定位的光学球，光学球的数量为至少3个；通过光学相机识别和定位光学球，获得光学球在光学相机坐标系中的位置信息；光学球在射线光源追踪器坐标系中的位置信息是已知的，因此可以根据光学球分别在射线光源追踪器坐标系和光学相机坐标系中的位置信息，计算射线光源追踪器坐标系与光学相机坐标系之间的第四转换矩阵。

在步骤S102中，对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息的步骤，包括：若所述追踪钉的类型为电磁追踪钉，获取所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵和所述第五转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述电磁追踪钉坐标系之间的第六转换矩阵；根据所述第六转换矩阵的逆矩阵和所述第一位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述投影坐标系中的第二位置信息；若所述追踪钉的类型为光学追踪钉，获取所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵；根据所述第七转换矩阵的逆矩阵和所述第一位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述投影坐标系中的第二位置信息。

进一步的，上述获取所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵的步骤，包括：根据所述参考架上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵；根据所述第三转换矩阵的逆矩阵和所述第八转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵。

更进一步的，获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵的步骤，包括：根据射线接收板追踪器上的光学球分别在射线接收板追踪器坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述射线接收板追踪器坐标系和所述光学相机坐标系之间的第九转换矩阵；获取预先标定好的所述投影坐标系与所述射线接收板追踪器坐标系之间的第十转换矩阵；根据所述第九转换矩阵和所述第十转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵。

需要说明的是，射线接收板追踪器与扫描设备的射线接收板刚性连接，用于追踪射线光源质点映射在射线接收板上的位置信息，且射线接收板追踪器在光学相机的识别空间内。上述计算第九转换矩阵的步骤指的是：射线接收板追踪器上设置有光学相机可以识别和定位的光学球，光学球的数量为至少3个；通过光学相机识别和定位光学球，获得光学球在光学相机坐标系中的位置信息；光学球在射线接收板追踪器坐标系中的位置信息是已知的，因此可以根据光学球分别在射线接收板追踪器坐标系和光学相机坐标系中的位置信息，计算射线接收板追踪器坐标系与光学相机坐标系之间的第九转换矩阵。

由于扫描设备在旋转或移动过程中，射线光源端发射的射线光源和射线接收板之间会发生物理形变，造成导航误差，因此本申请通过在扫描设备的射线光源端固定射线光源追踪器，在射线接收板固定射线接收板追踪器；对其射线光源质点和射线接收板的空间位置进行独立标定，获得射线光源端发射的射线光源质点在射线光源追踪器坐标系中的位置信息，即前述第七位置信息；以及射线接收板所在的投影坐标系和射线接收板追踪器坐标系之间的转换关系，即前述第十转换矩阵；进而通过该第七位置信息和第十转换矩阵，实现手术工具在扫描图像上的实时导航，可以提高导航精度。

在步骤S103中，示例性的说明，在一种实施方式中，导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息的步骤，包括：当所述追踪钉的类型为电磁追踪钉且所述手术工具的类型为光学工具时，通过光学相机实时获取所述光学工具在光学相机坐标系中的第八位置信息；根据所述参考架上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵、所述第三转换矩阵的逆矩阵以及所述第八位置信息的乘积，获得所述光学工具在所述电磁追踪钉坐标系中的第三位置信息；当所述追踪钉的类型为光学追踪钉且所述手术工具的类型的光学工具时，通过光学相机实时获取所述光学工具在光学相机坐标系中的第八位置信息；根据所述第八位置信息和所述第二转换矩阵的乘积，获得所述光学工具在光学追踪钉坐标系中的第三位置信息。

需要说明的是，获取所述光学工具在光学相机坐标系中的第八位置信息的步骤，指的是：光学工具上设置有光学相机可以识别并定位的光学球；由于每个光学工具上光学球的空间分布情况都是唯一的，因此光学相机可以根据光学球在光学工具上的空间分布情况判断光学工具的具体类型，并获得该类型的光学工具坐标系与光学相机坐标系的空间转换矩阵，以及该光学工具在光学工具坐标系的空间位置点集；然后将该转换矩阵和该空间位置点集相乘，可以计算得到光学工具在光学相机坐标系中的第八位置信息。

其中，由于光学工具上的光学球在光学工具坐标系中的位置是已知的，通过光学相机对光学工具上的光学球进行识别，可以获得光学球在光学相机坐标系中的位置，然后根据光学球分别在光学工具坐标系和光学相机坐标系中的位置，计算光学工具坐标系与光学相机坐标系的空间转换矩阵。

在另一种实施方式中，导航设备实时获取手术工具在追踪钉坐标系中的第三位置信息的步骤，包括：当所述追踪钉的类型为电磁追踪钉且所述手术工具的类型为电磁工具时，获取所述电磁工具在电磁发生器坐标系中的第九位置信息；根据所述参考架上的电磁传感器在电磁发生器产生的电磁场中生成的电动势，计算参考架坐标系与电磁发生器坐标系之间的第十一转换矩阵；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵、所述第十一转换矩阵的逆矩阵和所述第九位置信息的乘积，获得所述电磁工具在所述电磁追踪钉坐标系中的第三位置信息。

需要说明的是，获取所述电磁工具在电磁发生器坐标系中的第九位置信息的步骤，指的是：电磁发生器可以识别出电磁工具的具体类型，并获得该类型的电磁工具坐标系与电磁发生器坐标系的空间转换矩阵，以及该电磁工具在电磁工具坐标系的空间位置点集；然后将该空间转换矩阵和该空间位置点集相乘，可以计算得到电磁工具在电磁发生器坐标系中的第九位置信息。

其中，电磁工具内设电磁感应器，电磁感应器在电磁发生器产生的交变电磁场中运动时会生成电动势，电磁发生器内部的电磁追踪系统会计算电磁工具坐标系相对于电磁发生器坐标系的转化矩阵。上述计算第九转换矩阵的步骤包括：参考架上的电磁传感器在电磁发生器产生的交变电磁场中运动时会产生电动势，电磁发生器内的电磁追踪系统会计算参考架在电磁发生器坐标系中的位置信息，然后结合参考架在自身坐标系中的位置信息，计算得到电磁发生器坐标系与参考架坐标系之间的第十一转换矩阵。

需要说明的是，当追踪钉的类型为电磁追踪钉时，可以借助参考架对类型为光学工具或电磁工具的手术工具的位置进行追踪；当追踪钉的类型为光学追踪钉时，不用借助参考架，可以直接对类型为光学工具的手术工具的位置进行追踪。因此，可以根据具体的应用场景选择追踪钉的类型。

在步骤S103中，对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具在投影坐标系中的第四位置信息的步骤，包括：若所述追踪钉的类型为电磁追踪钉，根据所述第六转换矩阵的逆矩阵和所述第三位置信息的乘积，得到所述手术工具在所述投影坐标系中的第四位置信息；若所述追踪钉的类型为光学追踪钉，根据所述第七转换矩阵的逆矩阵和所述第三位置信息的乘积，得到所述手术工具在所述投影坐标系中的第四位置信息。

需要说明的是，获取所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵的步骤，包括：获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵以及所述光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系之间的第二转换矩阵；根据所述第八转换矩阵和所述第二转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵。关于第六转换矩阵、第二转换矩阵和第八转换矩阵的获得方式已在前文进行描述，相关内容请参阅前文，在此不再进行赘述。

在步骤S104中，根据所述第四位置信息和所述第二位置信息的相对位置关系，获取所述第四位置信息在所述投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集的步骤，可以根据点光源投影的数学表达实现。具体的，将第二位置信息和第四位置信息输入点光源投影数学表达中，得到手术工具的空间质点在投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集，其中，点光源投影数学表达包括：

表示第k次扫描角度下射线光源质点的第二位置信息，/>

根据上述步骤，当追踪钉为电磁追踪钉且手术工具为光学工具时，通过以参考架坐标系和光学相机坐标系为中间媒介；或者，当追踪钉为电磁追踪钉且手术工具为电磁工具时，通过以参考架坐标系和电磁发生器坐标系为中间媒介；或者，当追踪钉为电磁追踪钉且手术工具为光学工具和电磁工具时，通过以参考架坐标系、光学相机坐标系以及电磁发生器坐标系为中间媒介；或者，当追踪钉为光学追踪钉且手术工具为光学工具时，通过以光学相机坐标系为中间媒介，并借助射线光源追踪器坐标系、射线接收板追踪器坐标系，进行一系列坐标系转换处理，实时获得追踪钉坐标系与投影坐标系之间的转换矩阵，以根据该转换矩阵获得不同光学工具和/或电磁工具在各个扫描图像上的实时动态显示。

而且若采用电磁追踪钉，只要保持参考架不动，并分别计算参考架坐标系、射线接收板追踪器坐标系和射线光源追踪器坐标系与光学相机坐标系的转换矩阵，光学相机和电磁发生器可以根据手术场景的具体情况进行移动，保证光学工具和扫描设备等在光学相机的可识别空间内，也不会影响多扫描视角下的图像导航以及手术工具在扫描图像中的实时导航，提高手术导航的场景适应性。

需要说明的是，为统一计算，本文中涉及到的各个转换矩阵均为4*4的齐次矩阵，其中，矩阵的最后一行/列的最后一位数值为1，其余位分别对应坐标系的X轴、Y轴和Z轴；涉及到的位置信息均为4*4的坐标，其中，坐标的前三位分别对应坐标系的X轴、Y轴和Z轴，最后一位的数值为1。另外，本申请只需要获取光学球等在对应坐标系中的空间位置，即可获得其坐标系与其他坐标系之间的转换关系，因此所涉及到的坐标系的坐标原点和坐标方向可以是随机设置的，不用对各个坐标系的原点和坐标轴的方向进行限定。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图2和图3所示，提供了一种手术导航系统，所述系统包括：

扫描设备1，用于在至少一个扫描视角下通过射线光源端11发射射线光源，对固定有至少一个追踪钉2的目标椎骨3所在的手术区域进行投影操作，得到各个所述扫描视角下的扫描图像51；

导航设备4，用于获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息；对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息；其中，所述射线光源质点是指将所述射线光源视为质点，所述投影坐标系是以所述扫描设备1的射线接收板12的平面为坐标系平面建立的；

导航设备4还用于实时获取手术工具6在追踪钉坐标系中的第三位置信息；对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具6在投影坐标系中的第四位置信息；

显示设备5，用于根据所述第四位置信息和所述第二位置信息的相对位置关系，获取所述第四位置信息在各个所述扫描视角下的投影坐标系的坐标系平面的投影映射点集，对所述投影映射点集进行所述扫描图像51的实时显示，以实现所述手术工具6在各个所述扫描视角下的扫描图像51的实时显示。

具体的，如图3所示，若所述追踪钉2的类型为电磁追踪钉，所述系统还包括参考架7和电磁发生器8，其中，所述电磁追踪钉2和所述参考架7内设电磁传感器，所述参考架7和所述电磁发生器8分别与所述导航设备4电性连接，导航设备4获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息的步骤，包括：根据所述电磁追踪钉2和参考架7的电磁传感器分别在电磁发生器8产生的电磁场中运动时生成的电动势，计算电磁追踪钉坐标系与参考架坐标系之间的第一转换矩阵；获取各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵和所述第五位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述电磁追踪钉坐标系中的第一位置信息。

若所述追踪钉2的类型为光学追踪钉，如图4所示，所述系统还包括光学相机9，其中，所述光学相机9与所述导航设备4电性连接，所述参考架7和所述扫描设备1在所述光学相机9的识别空间内；导航设备4获取各个所述扫描视角的射线光源质点在追踪钉坐标系中的第一位置信息的步骤，包括：通过光学相机9获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息；根据所述光学追踪钉2上的光学球分别在光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系之间的第二转换矩阵；根据所述第二转换矩阵的逆矩阵和所述第六位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述光学追踪钉坐标系中的第一位置信息。

具体的，导航设备4获取各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息的步骤，包括：通过光学相机9获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息；根据所述参考架7上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；根据所述第三转换矩阵的逆矩阵和所述第六位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述参考架坐标系中的第五位置信息。

具体的，如图5所示，所述系统还包括射线光源追踪器13，其中，所述射线光源追踪器13与所述扫描设备1的射线光源端11刚性连接，并在所述光学相机9的识别空间内；通过光学相机9获取各个所述扫描视角的射线光源质点在光学相机坐标系中的第六位置信息的步骤，包括：通过射线光源追踪器13对各个所述扫描视角的射线光源质点进行追踪和定位，获得各个所述扫描视角的射线光源质点在射线光源追踪器坐标系中的第七位置信息；根据所述射线光源追踪器13上的光学球分别在所述射线光源追踪器坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，获得所述射线光源追踪器坐标系与所述光学相机坐标系之间的第四转换矩阵；根据所述第七位置信息和所述第四转换矩阵的乘积，获得各个所述扫描视角的光源质点集合在所述光学相机坐标系中的第六位置信息。

具体的，导航设备4对所述第一位置信息进行坐标系转换，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在投影坐标系中的第二位置信息；对所述第三位置信息进行坐标系转换，得到所述手术工具在投影坐标系中的第四位置信息的步骤，包括：若所述追踪钉2的类型为电磁追踪钉，获取所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵和所述第五转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述电磁追踪钉坐标系之间的第六转换矩阵；根据所述第六转换矩阵的逆矩阵和所述第一位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述投影坐标系中的第二位置信息；根据所述第六转换矩阵的逆矩阵和所述第三位置信息的乘积，得到所述手术工具在所述投影坐标系中的第四位置信息；

若所述追踪钉2的类型为光学追踪钉，获取所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵；根据所述第七转换矩阵的逆矩阵和所述第一位置信息的乘积，得到各个所述扫描视角的射线光源质点在所述投影坐标系中的第二位置信息；根据所述第七转换矩阵的逆矩阵和所述第三位置信息的乘积，得到所述手术工具在所述投影坐标系中的第四位置信息。

具体的，获取所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；获取所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵的步骤，包括：根据所述参考架7上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵；根据所述第三转换矩阵的逆矩阵和所述第八转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述参考架坐标系之间的第五转换矩阵；获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵以及所述光学追踪钉坐标系和所述光学相机坐标系之间的第二转换矩阵；根据所述第八转换矩阵和所述第二转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述光学追踪钉坐标系之间的第七转换矩阵。

具体的，如图6所示，所述系统还包括射线接收板追踪器14，其中，所述射线接收板追踪器14与所述扫描设备1的射线接收板刚性连接，并在所述光学相机9的识别空间内；导航设备4获取所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵的步骤，包括：根据射线接收板追踪器14上的光学球分别在射线接收板追踪器坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述射线接收板追踪器坐标系和所述光学相机坐标系之间的第九转换矩阵；获取预先标定好的所述投影坐标系与所述射线接收板追踪器坐标系之间的第十转换矩阵；根据所述第九转换矩阵和所述第十转换矩阵的乘积，得到所述投影坐标系与所述光学相机坐标系之间的第八转换矩阵。

具体的，导航设备4实时获取手术工具6在追踪钉坐标系中的第三位置信息的步骤，包括：若所述追踪钉2的类型为电磁追踪钉且所述手术工具6的类型为光学工具61，通过光学相机9实时获取所述光学工具61在光学相机坐标系中的第八位置信息；根据所述参考架7上的光学球分别在所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系中的位置信息，计算所述参考架坐标系和所述光学相机坐标系之间的第三转换矩阵；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵、所述第三转换矩阵的逆矩阵以及所述第八位置信息的乘积，获得所述光学工具在所述电磁追踪钉坐标系中的第三位置信息；若所述追踪钉2的类型为光学追踪钉且所述手术工具6的类型的光学工具61，通过光学相机9实时获取所述光学工具61在光学相机坐标系中的第八位置信息；根据所述第八位置信息和所述第二转换矩阵的乘积，获得所述光学工具61在光学追踪钉坐标系中的第三位置信息。

具体的，导航设备4实时获取手术工具6在追踪钉坐标系中的第三位置信息的步骤，包括：当所述追踪钉2的类型为电磁追踪钉且所述手术工具6的类型为电磁工具62时，获取所述电磁工具62在电磁发生器坐标系中的第九位置信息；根据所述参考架7上的电磁传感器在电磁发生器8产生的电磁场中生成的电动势，计算参考架坐标系与电磁发生器坐标系之间的第十一转换矩阵；根据所述第一转换矩阵的逆矩阵、所述第十一转换矩阵的逆矩阵和所述第九位置信息的乘积，获得所述电磁工具62在所述电磁追踪钉坐标系中的第三位置信息。

关于手术导航系统的具体限定可以参见上文中对于手术导航方法的限定，在此不再赘述。上述手术导航系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。