本发明专利技术提出一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，包括结构光扫描仪、动态基准及手术器械、装有手术导航软件及患骨CT三维模型的计算机。术中动态基准固定于患骨处，使用结构光扫描仪对患骨扫描得到结构光三维影像并与患骨CT三维模型进行面配准；利用结构光扫描仪上的摄像机跟踪手术器械，得到手术器械相对动态基准及患骨CT三维模型之间的位置关系，并在装有手术导航软件的计算机上实时显示，实现手术导航。与同类系统相比，本发明专利技术提出的手术导航系统不需红外导航定位仪参与术中跟踪，提高了导航定位精度，简化了手术导航过程，方便医生使用,降低整个系统的复杂度和成本，降低对手术室空间占用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于椎弓根内固定手术的计算机辅助导航系统，尤其是一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统。
技术介绍
椎弓根内固定手术是一种治疗胸腰椎段脊柱骨折的标准化常规手术，该手术通过植入椎弓根螺钉来稳定脊柱，可用于治疗腰椎滑脱，胸腰椎骨折等症。由于椎弓根邻近的脊髓和神经系统在手术中往往不可见，这类手术危险性大，难度高。临床研究表明，传统椎弓根内固定手术的螺钉偏移率为28 40%，是导致手术失败和术后并发症的最主要原因。计算机辅助骨科手术(ComputerAided Orthopedic Surgery,也称 CAOS)是在医 学影像(如CT，MRI，X光或三维超声等)的导引下，利用导航仪跟踪手术器械的位置，把手术器械与手术部位相融合，并实时显示在计算机屏幕上，从而增加上述手术的可视性，帮助医生避开重要的器官与组织，提高手术精度，减少术中创伤的手术方法，也称为计算机辅助骨科导航手术。按照是否采用术前、术中的影像资料，目前的导航技术可分为基于影像和非基于影像的导航系统。根据所使用图像种类的不同，又分为基于CT图像与基于C型臂透视图像两种。以脊柱手术为例，基于CT图像的导航手术步骤为术前采集患者脊椎骨及植入导航标记物的CT影像数据，并将其导入装有手术导航软件的计算机，重建脊椎骨三维模型，进行手术规划；术中安装参考支架和光感接受定位装置；与术前植入导航标记物的对比，获取在CT图像中的相对位置，进行手术导航。这种术前植入导航标记物给病人造成了极大的痛苦。X线透视导航则是直接通过术中光学定位系统以及C形臂机成像系统，实时显示X线图像解剖、手术工具、C形臂机之间的空间位置关系。这种方法使用较为广泛，但术中存在大量射线，且导航基于二维影像，即使换用三维C形臂X线机，其清晰度和精度也均不如CT影像，并需专用透X线手术床。非影像依赖性导航系统适合于解剖结构暴露充分的手术，只需手术医生在术中用带有红外标记点的探针来点取解剖结构的特征点(称为“注册”)，利用运动学或解剖学标志，获取三维多点定标，计算机利用收集的各种标准解剖资料自动生成模型，从而确定探针与模型之间的相互位置；安装动态基准，对患骨在手术中的位置变化进行动态调整；使用带有红外标记物的手术器械进行导航手术。手术导航过程中，需要全程使用红外导航仪将跟踪探针、动态基准和手术器械上的红外标记物位置信号。如具有代表性的Stryker公司红外主动诱导手术导航系统，在临床手术时医生需手动取点，再由导航系统软件进行点配准，医生普遍反映利用该系统进行点配准时，受医生经验、操作误差与点配准方法影响，配准精度并不理想，医生需反复进行手动取点并进行点配准。导航探针有时还会与动态基准发生碰撞，这样就改变了配准关系，需重新进行点配准，延长了手术时间。为解决上述导航手术方法中存在的手动取点及点配准所导致的精度降低、手术时间加长、二次手术、射线损伤等一系列问题，本申请人于2009年4月15日申请了“基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统和方法”(公开号CN 101862220A)，该系统在前述手术导航系统基础上增加了结构光扫描仪。在工作时先获取术前患骨CT影像，经三维重建得到相应的患骨CT三维模型，术中首先采用结构光扫描仪对患骨进行扫描，获取到患骨处的结构光三维影像，将该结构光三维影像与患骨CT三维模型进行面配准，接着在红外导航定位仪的参与下进行后续手术操作。相比传统的红外导航系统，这种手术导航方法在配准阶段避免了医生手动取点操作，且使用点集配准，精度有很大提高，医生操作简单，节省手术时间。但采用上述手术导航系统仍有不足之处配准完成后，为跟踪动态基准和手术器械的位置，仍需要红外导航定位仪参与，所获位置信息存在与结构光扫描仪的位置信息交换和校准问题，造成整个系统复杂度增加，成本增加，降低了系统稳定工作的概率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种新型的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，使其在无红外导航定位仪参与和不影响手术效果的前提下，最大限度地降低系统的复杂度和成本，并提高系统的稳定性。 本专利技术的技术方案如下一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，其特征在于该系统包括结构光扫描仪、动态基准和手术器械，以及含有手术导航软件和术前CT扫描的患骨CT三维模型的计算机；所述的结构光扫描仪包括两台左右对称安装的摄像机和一个居中安装的投影光栅，两台摄像机和投影光栅分别通过数据线与所述计算机相连；所述的动态基准固定于患骨处，结构光扫描仪采集患骨处的结构光三维影像，在动态基准上装有至少3个不共线的可见光标识，被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；在所述的手术器械上同样装有至少3个不共线的可见光标识，开始手术导航后被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；手术导航开始前与开始后，所述动态基准、手术器械在结构光图像坐标系下的齐次坐标满足如下关系Fj0 = Ff0 + Fsn - Ffj其中为手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，Ffi为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，Ff为开始手术导航后动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，结构光扫描仪采集到的患骨处的结构光三维影像与所述患骨CT三维模型进行面配准，得到从结构光图像坐标系到CT图像坐标系的坐标转换矩阵，记为res，满足如下关系Vc = Tg- Vs其中VC为动态基准上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标，Vs为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系中的齐次坐标，开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系的位置为Fcri = Jc · Fj0 = Tcs ■ (lfJ + Vj1 — Ffj)其中r P为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标。本专利技术的技术特征还在于手术器械末端点与手术器械上的可见光标识之间的齐次坐标记为^，则手术器械末端点在CT图像坐标系的位置为V1c=Vj1+Vuj 其中Ff为手术器械末端点在CT图像坐标系中的齐次坐标。所述的动态基准上的可见光标识为表面被突光材料覆盖的小球，直径为3 5_ ；或是直径6 IOmm的黑色圆形，中间被直径3 5mm的高亮银色圆形同心覆盖。所述的手术器械上的可见光标识为表面被突光材料覆盖的小球，直径为3 5mm ;或是直径6 IOmm的黑色圆形，中间被直径3 5_的高亮银色圆形同心覆盖。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果相比以往的手术导航系统，本专利技术所述手术导航系统不需额外采用红外导航定位仪进行实时跟踪，有效地降低了系统的复杂度、设备成本和对手术室的空间要求，提高设备在手术室的适用性。术中扫描配准和实时跟踪均采用结构光扫描仪完成，对动态基准和手术器械上的可见光标识进行实时跟踪，消除了引入红外导航定位仪所带来的坐标转换误差，使定位更加精确，提闻导航手术的可罪性。附图说明图I为本专利技术所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统结构原理示意图。图2为本专利技术所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，其特征在于：该系统包括结构光扫描仪（1）、动态基准（2）和手术器械（3），以及含有手术导航软件和术前CT扫描的患骨CT三维模型的计算机（4）；所述的结构光扫描仪包括两台左右对称安装的摄像机和一个居中安装的投影光栅（8），两台摄像机和投影光栅分别通过数据线与所述计算机相连；所述的动态基准固定于患骨处，结构光扫描仪采集患骨处的结构光三维影像,在动态基准上装有至少3个不共线的可见光标识，被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；在所述的手术器械上同样装有至少3个不共线的可见光标识，开始手术导航后被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；手术导航开始前与开始后，所述动态基准、手术器械在结构光图像坐标系下的齐次坐标满足如下关系：VST0=VSD0+VST1-VSD1其中：为手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，为开始手术导航后动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，结构光扫描仪采集到的患骨处的结构光三维影像与所述患骨CT三维模型进行面配准，得到从结构光图像坐标系到CT图像坐标系的坐标转换矩阵，记为满足如下关系：VC=TCS·VS其中：VC为动态基准上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标，VS为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系中的齐次坐标，开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系的位置为：VCT1=TCS·VST0=TCS·(VSD0+VST1-VSD1)其中：为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标。FDA00001914564600012.jpg,FDA00001914564600013.jpg,FDA00001914564600014.jpg,FDA00001914564600015.jpg,FDA00001914564600016.jpg,FDA00001914564600019.jpg...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李书纲，郑浩峻，
申请(专利权)人：北京先临华宁医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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