一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法技术方案

本发明专利技术涉及医疗领域，具体涉及一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法，包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位系统、病灶参考定位器、手术器械定位器、CT设备、MRI设备、PACS系统和导航计算机，混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息，标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用，定位系统用于测量术中手术器械定位器与病灶参考定位器的坐标系与姿态；本发明专利技术所提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的依赖医生经验、辐射量较大、无法直观友好地观察到皮肤内部组织结构的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法
本专利技术涉及医疗领域，具体涉及一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法。
技术介绍
在传统手术中，医生通过在人体表面制造大型创口，从而可以直接目视观察手术部位的解剖结构进行手术操作，这样会对患者身体造成巨大伤害。新兴的微创手术是一种主要通过内窥镜及各种显像技术使外科医生在无需对患者造成巨大伤口的情况下进行手术。相比传统手术，微创手术无需对患者造成较大的创口即可进行手术，对患者的伤害大大减小，这是医学的巨大进步。但微创手术也有更高的技术要求，由于微创手术中不能直接目视观察手术部位，医生必须依赖手术导航系统获取人体手术部位、手术器械的空间位姿信息，微创手术导航系统的稳定与否将会直接影响微创手术的结果，而手术中医生获取信息的便捷程度也会影响手术的质量。因此，微创手术导航系统的有效运作是微创手术成功的关键。目前，现有的骨科微创术中频繁使用C形臂或O形臂，对医生和患者造成辐射。本专利技术可在术中极大减少甚至不用以上设备，以此降低辐射量，提高患者、医生的生活质量。由于微创手术只需开一个小孔进行手术，目前现有的骨科微创导航系统，医生通过C形臂等影像设备观察手术进展，并不能直观看到皮肤里面的结构，因此骨科微创手术对医生的经验要求较高。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术所存在的上述缺点，本专利技术提供了一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法，能够有效克服现有技术所存在的依赖医生经验、辐射量较大、无法直观友好地观察到皮肤内部组织结构的缺陷。(二)技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种混合现实骨科微创手术导航系统，包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位系统、病灶参考定位器、手术器械定位器、影像系统和导航计算机；所述混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息；所述标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用；所述定位系统用于测量术中手术器械定位器与病灶参考定位器的坐标系与姿态；所述影像系统包括CT设备、MRI设备、PACS系统；所述导航计算机有两种可选方式，一种为只用一台电脑连接影像系统与定位系统，实现术前规划与术中导航；另一种为用两台电脑，其中一台术前手术规划电脑连接影像系统用于术前规划，另一台混合现实导航电脑连接定位系统与混合现实眼镜/头盔用于术中导航。优选地，所述定位系统采用光学定位、磁定位、激光定位系统。优选地，医生佩戴所述混合现实眼镜/头盔后可清晰的360度无死角地观看到患者的CT、MRI3D影像与组织分割建模信息。优选地，术中所述病灶参考定位器放置于标记物留下印记处，通过定位系统可精准得到病灶参考定位器的物理空间位置与姿态。一种混合现实骨科微创手术导航系统的使用方法，包括以下步骤：S1、手术前，将带有印记的标记物固定到患者身体某处；S2、对患者进行CT扫描，得到患者和标记物的CT数据，将标记物取下；S3、可选的对患者进行MRI扫描，得到患者MRI数据；S4、可选的对CT数据、MRI数据进行多模态配准融合；S5、对扫描的医学影像进行分割建模，得到不同组织的模型，同时对标记物CT数据建模点云处理，得到手术前标记物点云模型；S6、根据CT数据、MRI数据的医学影像进行术前规划；S7、手术中，将病灶定位器固定在患者术前标记物取下留下的印记处，通过定位系统捕捉病灶定位器相对定位系统的空间位置；S8、构建手术室虚拟三维空间，并在虚拟三维空间中渲染出手术前标记物点云模型；S9、通过手术前标记物点云模型与手术中病灶定位器的空间位置，得到虚拟三维空间与物理空间的变换矩阵，并进行虚拟空间与现实物理空间精准匹配；S10、通过混合现实设备显示变换后的3D图像，即在患者的手术位置渲染出医生需要的组织模型与术前规划信息，供医生参考。优选地，所述虚拟空间物体与现实空间物体匹配的算法包括：令手术室物理空间为P，世界坐标的原点为定位系统中心点位置记为Po；手术中病灶定位器在物理空间坐标为Lp，变换矩阵为手术中医生佩戴混合现实设备的物理空间坐标为HP，变换矩阵为令手术室虚拟三维空间为V，世界坐标的原点为混合现实设备最初的中心点位置记为Vo；由混合现实设备渲染原理可知，混合现实设备的镜面即为图形渲染中的摄像头，即虚拟空间渲染摄像头为原点Vo；由上述可知，物理空间中的病灶定位器在物理空间的坐标为Lp，通过下式将物理空间转换到虚拟空间，得到其虚拟空间坐标为Lp′：Lp′＝Hp-Lp令手术前标记物点云模型最初渲染位置为Lv，则通过下式将点云模型与手术中物理空间病灶定位器实现匹配：其中，Z为点云模型的坐标。优选地，所述混合现实设备为混合现实眼镜或混合现实头盔。优选地，所述标记物取下后会在标记物固定处留下印记，供手术中使用。优选地，所述病灶定位器与点云模型的配准进行虚拟三维空间与现实物理空间匹配实现精准配准的同时消除呼吸等运动带来的误差。优选地，所述混合现实设备中虚拟信息的显示与否通过语音控制系统进行控制。优选地，所述手术器械定位器绑定在手术器械上，通过定位系统实时获取手术器械的位置，同时通过混合现实设备显示手术器械的标定线，并通过改变规划虚拟器械的颜色确定手术器械的位置是否与规划位置一致，供医生参考。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术所提供的一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法具有以下有益效果：1、本专利技术结合术前规划系统与混合现实系统，将规划得到的组织结构模型与器械相关信息通过混合现实无缝映射到患者手术区域，使医生间接看到皮肤里面的组织结构，降低手术经验依赖性；2、通过结合光学、磁、激光导航与标记物实现精准的虚拟空间与物理空间配准，并将物理手术器械信息实时传送到混合现实设备，医生可简单方便地观察手术器械是否到达规划的地方，快速、精准地进行手术；3、本专利技术将导航信息和规划信息同时通过混合现实设备映射到患者手术区域，并通过语音控制系统控制虚拟信息的显示与否，医生不需转移视线可专注于手术区域，降低医生的不适性，提高手术效率；4、精准的虚拟空间与物理空间配准，降低术中C形臂等仪器的使用，以此降低辐射量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。图1为本专利技术系统结构示意图；图2为本专利技术流程示意图；图3为本专利技术手术前规划流程示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。目前，现有的骨科微创术中频繁使用C形臂或O形臂，对医生和患者造成辐射。由于微创手术只需开一个小孔进行手术，目前现有的骨科微创导航系统，医生通过C形臂等影像设备观察手术进展，并不能直观看到皮肤里面的结构，因此骨科微创手术对医生的经验要求较高。基于此，本专利技术提出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合现实骨科微创手术导航系统，其特征在于：包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位系统、病灶参考定位器、手术器械定位器、影像系统和导航计算机；所述混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息；所述标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用；所述定位系统用于测量术中手术器械定位器与病灶参考定位器的坐标系与姿态；所述影像系统包括CT设备、MRI设备、PACS系统；所述导航计算机有两种可选方式，一种为只用一台电脑连接影像系统与定位系统，实现术前规划与术中导航；另一种为用两台电脑，其中一台术前手术规划电脑连接影像系统用于术前规划，另一台混合现实导航电脑连接定位系统与混合现实眼镜/头盔用于术中导航。

【技术特征摘要】
1.一种混合现实骨科微创手术导航系统，其特征在于：包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位系统、病灶参考定位器、手术器械定位器、影像系统和导航计算机；所述混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息；所述标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用；所述定位系统用于测量术中手术器械定位器与病灶参考定位器的坐标系与姿态；所述影像系统包括CT设备、MRI设备、PACS系统；所述导航计算机有两种可选方式，一种为只用一台电脑连接影像系统与定位系统，实现术前规划与术中导航；另一种为用两台电脑，其中一台术前手术规划电脑连接影像系统用于术前规划，另一台混合现实导航电脑连接定位系统与混合现实眼镜/头盔用于术中导航。2.根据权利要求1所述的混合现实骨科微创手术导航系统，其特征在于：医生佩戴所述混合现实眼镜/头盔后可清晰的360度无死角地观看到患者的CT、MRI3D影像与组织分割建模信息。3.根据权利要求1所述的混合现实骨科微创手术导航系统，其特征在于：术中所述病灶参考定位器放置于标记物留下印记处，通过定位系统可精准得到病灶参考定位器的物理空间位置与姿态。4.一种混合现实骨科微创手术导航系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、手术前，将带有印记的标记物固定到患者身体某处；S2、对患者进行CT扫描，得到患者和标记物的CT数据，将标记物取下；S3、可选的对患者进行MRI扫描，得到患者MRI数据；S4、可选的对CT数据、MRI数据进行多模态配准融合；S5、对扫描的医学影像进行分割建模，得到不同组织的模型，同时对标记物CT数据建模点云处理，得到手术前标记物点云模型；S6、根据CT数据、MRI数据的医学影像进行术前规划；S7、手术中，将病灶定位器固定在患者术前标记物取下留下的印记处，通过定位系统捕捉病灶定位器相对定位系统的空间位置；S8、构建手术室虚拟三维空间，并在虚拟三维空间中渲染出手术前标记物点云模型；S9、通过手术前标记物点云模型与手术中定位器的空间位置，得到虚拟三维空间与物理...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玩君，
申请(专利权)人：陈玩君，
类型：发明
国别省市：广东,44