本发明涉及颅内血肿微创清除术辅助机器人领域，具体而言，涉及一种基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法及装置。
背景技术：
1、世界卫生组织在2020年底报道指出，脑卒中(stroke，又叫中风)成为近年来仅次于心脏病的全球第二大致死病因，2019年统计有超过600万人死于该病，占全球总死亡人数的11％。它是一种急性脑血管疾病，主要分为缺血性和出血性脑卒中(cerebralhemorrhage，又叫脑出血或脑溢血)，其中后者死亡率较高。而颅内血肿(ich，intracranialhematoma)的形成不仅限于脑出血，也可能由外伤所致。因此，针对颅内血肿此类高危疾病，在神经内科保守药物治疗未见成效的情况下，必须及时进行颅内血肿清除手术，例如微创置管引流术等。但如果缺少神经外科导航系统的有效辅助，则会给患者带来极大的手术风险与病痛折磨。这就更加凸显了神经外科导航系统的重要作用。
2、对于开颅式颅内血肿清除方法，患者不仅要承受巨大痛苦，而且手术极易诱发感染，手术失败率高，即使手术成功也容易引起一些术后并发症，影响治愈效果。随着最近几十年医学成像技术的蓬勃发展，微创手术时代开启。很多颅内血肿患者可以接受微创置管引流术的治疗，该方法要求对颅内血肿进行精确定位。常见的颅内血肿定位方法包括徒手解剖标志定位、有框架和无框架的立体定向导航(机械式、光学或电磁等)、智能手持设备陀螺仪定位、智能手持设备增强现实定位、头戴式混合现实定位等。方法很多但万变不离其宗，无论传统的徒手解剖标志定位法，还是先进的导航设备辅助定位法，都必须先在术前规划好穿刺路径。医生根据ct或mri的医学影像信息构造出的颅内三维“地图”并结合解剖学知识，制定一条最佳穿刺路径，然后在术中使穿刺导引装置(穿刺针)尽可能按照规划路径行进，最终命中病灶靶点。
3、徒手解剖标志定位法不依赖任何导航辅助设备，仅需在患者剃光的头部遵循解剖学知识进行标志描绘，而后纯粹凭借主刀医生的个人经验实施穿刺手术，这就导致该方法的稳定性、传承性和普及性都很差。有框架的立体定向导航需要将患者头部硬性固定，也就是说，需要在患者头部打颅骨固定钉，而且只能对患者进行半麻醉处理。因此，该硬性固定过程会使患者非常煎熬，尤其对于一些儿童患者更加难以完成手术。虽然在手术最核心的颅内血肿定位问题上，徒手解剖标志定位法目前仍能提供最精准定位，但考虑到手术操作时间、硬性固定头部、框架可能遮挡穿刺路径等诸多弊端，该方法已趋淘汰。
4、相较之下，无框架的立体定向导航在一定程度上可以解决上述问题，同时保持了毫米级的定位精度，但是导航系统造价十分昂贵，一台设备售价高达数百万到上千万元，属于较稀缺医疗资源，目前仍不能惠及全民。本质上，光学和电磁导航系统都是利用电磁波定位原理，在三维空间中建立特定坐标系，标定患者头部与手术操作空间的位置关系，实现穿刺导航。二者的区别在于光学导航系统追踪导引装置(穿刺针)尾部的运动轨迹，而电磁导航系统能够追踪穿刺针尖端的运动轨迹；另外，前者仍需硬性固定头部、存在一定光学遮挡、标定操作繁琐耗时，而后者无需硬性固定头部、操作时间较短，但存在金属干扰问题。
5、智能手持设备陀螺仪定位、智能手持设备增强现实定位、头戴式混合现实定位等方法本质上都是利用三维空间中物体之间的方向角度关系，即在规划穿刺路径时，基于ct或mri的医学影像信息，获取所规划穿刺路径分别与矢状面、冠状面、横断面构成的三个夹角，而后再通过各自不同的技术手段重建穿刺轨迹(穿刺针运动方向)与患者头部以及颅内血肿的方向角度关系，实现穿刺导航。由于此类方法在最核心的定位精度方面还有待提高，因此目前市面上没有形成具备竞争力的成熟产品，也并非医院主流的颅内血肿定位方法。但是，以智能手持设备陀螺仪定位为例，仅需一部智能手机就能够完成如此复杂的穿刺手术。该方法的便携灵活、易于使用、无需硬性固定头部、低成本等特点使其具备更多发展潜力，有望造福我国乃至世界广大的颅内血肿患者。
6、实际上，智能手持设备陀螺仪定位是利用了惯性导航原理，即惯性测量单元(imu，inertialmeasurementunit)通常包含加速度计、陀螺仪、磁强计，分别可测量imu自身在三维空间中x、y、z轴的加速度矢量、角速度矢量、磁场强度矢量。当旋转imu时，陀螺仪测得imu自身的旋转角速度，通过结合时间变量计算积分，可以获取imu由初始姿态到最终姿态的在三个坐标轴上的方向角度变化值(roll横滚角、pitch俯仰角、yaw偏航角)。然而，这样单独使用陀螺仪计算角度过于简单粗暴，会产生较大的积分误差，且随时间推移，误差累计增大。因此，往往需要结合加速度计和磁强计，利用kalman滤波、互补滤波等算法不断修正误差，从而计算出相对精准的方向角度。随着传感器硬件工艺的改良与发展，目前业内广泛使用的微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)imu芯片具有微型化、低成本、低功耗的特点，一般商用imu模块的角度误差可以控制在0.1°以内，即使受到强磁干扰也依然精准。然而，手动操控imu模块在空间中沿特定轨迹行进时，总会有难以维持在固定方向角度的问题，而且积分误差随时间推移不断累积导致偏航角度容易失准。关于如何利用imu方向角度对颅内血肿进行实时定位的具体方法描述，可以在已授权的专利《颅内穿刺方法、颅内穿刺装置、颅内穿刺系统及存储介质》(申请号：cn202110729676.4)和已授权的专利《intracranial puncture method,intracranial puncture apparatus,intracranialpuncture system and storage medium》(申请号：lu500668)中详细查看，此处不再赘述。
7、首先，针对颅内血肿清除的开颅手术方法会使患者承受巨大痛苦，且手术极易诱发感染，手术失败率高，即使手术成功也容易引起一些术后并发症，影响治愈效果。本发明利用惯性导航原理，实时精准定位颅内血肿，辅助神经外科医生实现微创手术治疗，即颅内血肿穿刺置管引流术。
8、其他可用于颅内血肿穿刺置管引流术的颅内血肿定位导航方法、辅助系统包括：徒手解剖标志定位、有框架和无框架的立体定向导航(机械式、光学或电磁等)、智能手持设备陀螺仪定位、智能手持设备增强现实定位、头戴式混合现实定位等。
9、徒手解剖标志定位法需要在患者剃光的头部遵循解剖学知识进行标志描绘，而后纯粹凭借主刀医生的个人经验实施穿刺手术，因此，该方法的稳定性、传承性和普及性都很差。本发明基于惯性导航技术，实现对颅内血肿的实时、精准定位，操作简单、易用，具有良好的稳定性，容易推广普及。
10、有框架的立体定向导航需要将患者头部“硬性固定”，也就是说，需要在患者头部打颅骨固定钉，而且只能对患者进行半麻醉处理。因此，该硬性固定的过程会使患者非常煎熬，尤其对于一些儿童患者更加难以完成手术。本发明避免硬性固定头部，术中头部可移动，有效缓解患者的手术痛苦且使医生能够更舒适地完成手术操作。
11、无框架的立体定向导航系统(光学或电磁)造价十分昂贵，一台设备售价高达数百万到上千万元，属于较稀缺医疗资源，目前仍不能惠及全民。光学导航系统仍需硬性固定头部、存在一定光学遮挡、标定操作繁琐耗时，而电磁导航系统存在金属干扰问题。本发明兼具高精度定位与低成本的特点，有望覆盖医疗水平欠发达地区，造福颅内血肿患者。
12、智能手持设备陀螺仪定位、智能手持设备增强现实定位、头戴式混合现实定位方法都存在一定程度上的定位精度不准问题，误差往往都处于厘米级别，因此，适用穿刺手术人群严重受限(如特定位置、特定尺寸的血肿)。本发明通过将多个imu模块与一种个性化定制的机械结构集成，确保穿刺精度达到毫米级别，以更高几率命中病灶靶点从而提高手术效果(即血肿引流效率)，并且有望适用于更广泛的颅内血肿患者。
技术实现思路
1、本发明实施例提供了一种基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法及装置，以至少解决现有颅内穿刺偏航角度易失准的技术问题。
2、根据本发明的一实施例，提供了一种基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，包括以下步骤：
3、s101:设计模块安装装置，将三个imu模块安装在模块安装装置上，三个imu模块绕模块安装装置中心位置中心对称且各相差60度；
4、s102:设计辅具，将模块安装装置可拆卸地连接在辅具上，模块安装装置在辅具的辅助下具有3个转动自由度；
5、s103:基于惯性导航技术，使用模块安装装置实时获取穿刺针的方向角度，结合术前规划的穿刺路径的方向角度，实现术中精准导航。
6、进一步地，模块安装装置设计为：3个imu模块分别安装于形状为等边三角形的三条边的侧面，每个imu模块之间的横滚角roll、绕imu自身x轴的角度相差60°。
7、进一步地，模块安装装置在三维空间中总是做刚体运动。
8、进一步地，术前规划的穿刺路径的方向角度包括：分别计算imu1的方向角度(α1,β1,γ1)与imu3的方向角度(α3,β3,γ3)，以及imu2的方向角度(α2,β2,γ2)与imu3的方向角度(α3,β3,γ3)，针对每个imu模块得到2组方向角度数据。
9、进一步地，使用imu模块的加速度数据进行纯数学计算进行精准的方向角度控制。
10、进一步地，由于imu模块在运动中会偶然输出0值加速度，通过求取2组方向角度的平均值减少峰值误差。
11、进一步地，辅具包括：支撑底座；可伸缩的垂直支撑杆，安装在支撑底座上；可锁止的球铰链，分布于水平伸缩杆的两端，一球铰链连接在垂直支撑杆和水平伸缩杆之间；水平伸缩杆，其长度满足手术操作空间范围；刚性连接结构，位于水平伸缩杆末端球铰链处，连接模块安装装置。
12、根据本发明的另一实施例，提供了一种基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准装置，包括：
13、模块安装装置，将三个imu模块安装在模块安装装置上，三个imu模块绕模块安装装置中心位置中心对称且各相差60度；
14、辅具，将模块安装装置可拆卸地连接在辅具上，模块安装装置在辅具的辅助下具有3个转动自由度。
15、进一步地，模块安装装置为：3个imu模块分别安装于形状为等边三角形的三条边的侧面，每个imu模块之间的横滚角roll、绕imu自身x轴的角度相差60°。
16、进一步地，辅具包括：支撑底座；可伸缩的垂直支撑杆，安装在支撑底座上；可锁止的球铰链，分布于水平伸缩杆的两端，一球铰链连接在垂直支撑杆和水平伸缩杆之间；水平伸缩杆，其长度满足手术操作空间范围；刚性连接结构，位于水平伸缩杆末端球铰链处，连接模块安装装置。
17、一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法的程序文件。
18、一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法。
19、本发明实施例中的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法及瞄准器，通过将多个惯性传感模块与一种个性化定制的机械结构集成使用，旨在解决含有惯性传感模块的穿刺导引装置(穿刺针)在三维空间中由人手操控移动行进时容易产生方向角度偏移失准的问题。本发明能够优化偏航角度易失准的问题，保证穿刺针严格按照所规划的穿刺路径行进，提高惯性导航的穿刺精准度。
1.一种基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，模块安装装置设计为：3个imu模块分别安装于形状为等边三角形的三条边的侧面，每个imu模块之间的横滚角roll、绕imu自身x轴的角度相差60°。
3.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，模块安装装置在三维空间中总是做刚体运动。
4.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，术前规划的穿刺路径的方向角度包括：分别计算imu1的方向角度(α1,β1,γ1)与imu3的方向角度(α3,β3,γ3)，以及imu2的方向角度(α2,β2,γ2)与imu3的方向角度(α3,β3,γ3)，针对每个imu模块得到2组方向角度数据。
5.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，使用imu模块的加速度数据进行纯数学计算进行精准的方向角度控制。
6.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，由于imu模块在运动中会偶然输出0值加速度，通过求取2组方向角度的平均值减少峰值误差。
7.根据权利要求1所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准方法，其特征在于，辅具包括：支撑底座；可伸缩的垂直支撑杆，安装在支撑底座上；可锁止的球铰链，分布于水平伸缩杆的两端，一球铰链连接在垂直支撑杆和水平伸缩杆之间；水平伸缩杆，其长度满足手术操作空间范围；刚性连接结构，位于水平伸缩杆末端球铰链处，连接模块安装装置。
8.一种基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准器，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准器，其特征在于，模块安装装置为：3个imu模块分别安装于形状为等边三角形的三条边的侧面，每个imu模块之间的横滚角roll、绕imu自身x轴的角度相差60°。
10.根据权利要求8所述的基于惯性导航技术的颅内穿刺轨迹定向瞄准器，其特征在于，辅具包括：支撑底座；可伸缩的垂直支撑杆，安装在支撑底座上；可锁止的球铰链，分布于水平伸缩杆的两端，一球铰链连接在垂直支撑杆和水平伸缩杆之间；水平伸缩杆，其长度满足手术操作空间范围；刚性连接结构，位于水平伸缩杆末端球铰链处，连接模块安装装置。
