輔助外科手術的術中導航方法和導航系統的製作方法

2023-05-17 15:10:01

輔助外科手術的術中導航方法和導航系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種輔助外科手術的術中導航方法和導航系統，包括術前掃描、建立三維模型、固定第一坐標系參考標記和第二坐標系參考標記、結構光掃描儀掃描、粗配準和精配準，並利用控制器和顯示器完成導航過程。由於有粗配準過程，三維圖像與預配準區域的精配準過程很短，可以大大縮短手術導航開始前的配準準備時間。而且，利用兩個三維空間進行精配準，發生誤差的概率極低，可以明顯提高病體與三維模型配準的準確率和可靠性，從而提高手術的質量和成功率。
【專利說明】輔助外科手術的術中導航方法和導航系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及醫療器械領域，特別是涉及一種輔助外科手術的術中導航方法。此外， 本發明還涉及一種術中導航系統。

【背景技術】
[0002] 在常見的外科手術中，脊柱、關節等骨科手術及腦外科手術由於精度要求高、操作 複雜、術後併發症嚴重等原因，導致手術難度大、失敗率高。流行病學資料表明，目前我國每 年至少有100萬到150萬骨關節病患者、150萬到200萬脊柱病患者、30萬到40萬例的腦 外科患者需要進行手術治療。導航系統在手術過程中給醫生提供可視性信息，進行器械導 航和監控，可以大大提高手術的成功率。在對手術進行導航的過程中，實際手術中器械操作 還是由醫生完成，因此這種導航系統僅起到輔助作用，屬於被動式的圖像引導手術。
[0003] 手術導航系統的基本原理是：將術前獲得的患者病體的資料經過數據處理後形成 三維模型，在手術時先對病體和所述三維模型進行配準，在術中利用導航定位儀跟蹤手術 器械的位置，向醫生提供在所述三維模型中的虛擬手術器械在三維模型中的可視化信息， 指導醫生來完成具體的手術操作。
[0004] 傳統的基於C型臂透視圖像導航技術存在術中註冊時間長、配準精度低、圖像質 量差、術中輻射損傷大等缺點；除此之外，早期通過事先植入導航標記物的二次手術導航方 法會給病人造成很大的痛苦，同時增加了感染的機率，目前已被逐漸取代。目前普遍採用的 CT圖像導航系統利用紅外技術進行多點配準和術中跟蹤，其中最具有代表性的是Stryker 手術導航系統。但這種導航系統和方法對多點配準的精度要求很高，大大增加了醫生在手 術中的操作難度。在臨床手術中，醫生普遍反映在利用這種導航系統進行多點配準時，受操 作誤差與多點配準方法影響，配準精度很不理想，且多點配準數據的信息量十分有限，不但 存在導航系統誤判從而導致手術完全失敗的可能性，而且導航系統對多點配準的校驗失 敗率高，醫生往往需要反覆進行手動多點配準，延長了手術時間，增加了手術風險。
[0005] 因此，如何提高手術導航技術的成熟度和可靠性，提高配準精度和配準效率，是本 領域技術人員目前迫切需要解決的關鍵性技術問題。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種輔助外科手術的術中導航方法，該導航方法可以有效地 提高術中導航的準確率和可靠性，縮短配準時間，從而提高手術的質量和成功率。本發明的 另一目的是提供一種輔助外科手術的術中導航系統，該系統可高效準確地完成手術導航。
[0007] 為實現上述發明目的，本發明提供一種輔助外科手術的術中導航方法，包括以下 步驟：
[0008] A、術前掃描，獲取待手術部位的三維數據並重建為三維模型，並在所述三維模型 上確定預配準區域和所述預配準區域內的第一配準點組；
[0009] B、在病體上固定連接第一坐標系參考標記，利用結構光掃描儀掃描所述病體和所 述第一坐標系參考標記，將掃描結果形成三維圖像輸送給控制器，並撤走結構光掃描儀；利 用導航定位儀掃描帶有第二坐標系參考標記的手術器械，對其進行空間坐標位置的標定；
[0010] C、用所述手術器械在所述病體上尋找第二配準點組，利用導航定位儀掃描後將所 述第二配準點組的特徵點與所述第一配準點組的特徵點進行一一粗配準，並將粗配準結果 輸送給所述控制器；
[0011] D、控制器根據所述粗配準結果將所述三維圖像與所述預配準區域精配準，確定所 述病體和所述三維模型之間的精確空間位置映射關係；
[0012] E、利用導航掃描儀同時掃描記錄第一坐標系參考標記和第二坐標系參考標記，跟 蹤所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記的精確位置，並在與所述控制器連 接的顯示器上顯示所述手術器械所對應的虛擬手術器械在三維模型中的相對位置及相互 關係，實現術中導航。
[0013] 優選地，所述術前掃描為CT或核磁共振。
[0014] 優選地，所述第一坐標系參考標記和第二坐標系參考標記均由被動反光材料制 作。
[0015] 優選地，所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記均為固定在支架上 的球狀或平面標記。
[0016] 本發明還提供一種輔助外科手術的術中導航系統，包括：
[0017] 三維模型圖像，由醫學影像儀獲取待手術部位的三維數據並重建後得到，包括預 配準區域和設於所述預配準區域的第一配準點組；
[0018] 第一坐標系參考標記，固定連接於病體上，用於確定所述病體與第一坐標系的相 對位置數據；
[0019] 第二坐標系參考標記，固定連接於手術器械上，用於確定所述手術器械與所述第 二坐標系的相對位置數據，所述手術器械在所述病體上選取第二配準點組的特徵點，並與 所述第一配準點組的特徵點一一粗配準；
[0020] 導航定位儀，用於跟蹤所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記；
[0021] 結構光掃描儀，用於掃描所述病體和所述第一坐標系參考標記，並獲取三維圖像， 該三維圖像與所述預配準區域進行精配準；
[0022] 控制器，用於接收所述醫學影像儀和所述結構光掃描儀獲取的影像結果，利用三 維模型、所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記計算完成所述粗配準和精配 準過程；
[0023] 顯示器，用於顯示所述三維模型、所述病體、所述第一坐標系參考標記、所述第二 坐標系參考標記和所述手術器械，完成術中導航。
[0024] 優選地，所述結構光掃描儀和所述導航定位儀開始配準時設於所述第一坐標系參 考標記的同側。
[0025] 優選地，所述結構光掃描儀和所述導航定位儀安裝於同一集成架上，且均與所述 集成架鉸接。
[0026] 優選地，所述醫學影像儀為CT機或核磁共振機。
[0027] 優選地，所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記均由被動反光材 料製作。
[0028] 優選地，所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記均為固定在支架上 的球狀或平面標記。
[0029] 本發明所提供的術中導航方法，用於輔助外科手術，為醫務人員完成外科手術進 行導航。該導航方法包括術前病體掃描，獲取待手術部位的三維數據並重建為三維模型，並 在所述三維模型上確定預配準區域和所述預配準區域內的第一配準點組（包含不少於三 個特徵點）；在病體上固定連接第一坐標系參考標記，利用結構光掃描儀掃描所述病體和 所述第一坐標系參考標記，並將掃描結果形成三維圖像輸送給控制器；利用導航定位儀掃 描帶有第二坐標系參考標記的手術器械，對其進行空間坐標位置的標定；用所述手術器械 在所述病體上依次尋找第二配準點組，利用導航定位儀掃描後將所述第二配準點組的特徵 點與所述第一配準點組的特徵點進行一一粗配準，並將粗配準結果輸送給所述控制器；控 制器根據粗配準結果將所述三維圖像與所述預配準區域精配準，確定所述病體和所述三維 模型之間的精確空間位置映射關係；利用導航掃描儀跟蹤所述第一坐標系參考標記和所述 第二坐標系參考標記的精確位置，並在與所述控制器連接的顯示器上顯示所述手術器械所 對應的虛擬手術器械在三維模型中的相對位置及相互關係，實現術中導航。在上述的導航 過程中，三維模型的預配準區域在病體上都有與之對應的實體區域，第一配準點組的特徵 點在病體上都有與之對應的實體特徵點，利用所述手術器械在病體上尋找第二配準點組時 並不要求精確對準，與第一配準點組的對應點進行粗匹配，大致確定與三維模型中的第一 配準點的相互位置。利用結構光掃描儀掃描病體獲取與預配準區域對應的實體區域的三維 圖像，將這個三維圖像與預配準區域進行精配準，由於有第一配準點組與第二配準點組的 粗配準結果，以及利用控制器進行自動計算，三維圖像與預配準區域的精配準的時間很短。 而且，利用兩個三維空間進行精配準，發生配準誤判的概率極低，可以明顯提高病體與控 制器中的三維模型配準的準確率和可靠性，從而提高手術的質量和成功率。
[0030] 在提供上述導航方法的基礎上，本發明還提供一種應用上述導航方法的導航系 統；由於導航方法具有上述技術效果，應用該導航方法的導航系統也具有相應的技術效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明所提供輔助外科手術的術中導航方法一種【具體實施方式】的流程圖；
[0032] 圖2為本發明所提供輔助外科手術的術中導航系統一種【具體實施方式】的工作示 意圖；
[0033] 其中包括：結構光掃描儀1、導航定位儀2、控制器3、第一坐標系參考標記4、第二 坐標系參考標記5、顯示器6、病體7。

【具體實施方式】
[0034] 本發明的核心是提供一種輔助外科手術的術中導航方法，該導航方法可以有效提 高術中導航的準確率和可靠性，縮短配準時間，從而提高手術的質量和成功率。本發明的另 一核心是提供一種輔助外科手術的術中導航系統，該系統可高效準確完成外科手術導航。 [0035] 為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和【具體實施方式】 對本發明作進一步的詳細說明。
[0036] 請參考圖1，圖1為本發明所提供輔助外科手術的術中導航方法一種具體實施方 式的流程圖。
[0037] 本發明提供一種導航方法，該方法用於外科手術中，指導醫務人員通過導航完成 外科手術。該導航方法包括術前對病體7進行掃描，獲取待手術部位的三維數據並重建為 三維模型，並在三維模型上確定預配準區域和預配準區域內的第一配準點組，其應包括不 少於三個特徵點；在病體7上固定連接第一坐標系參考標記4,利用結構光掃描儀1掃描病 體7和第一坐標系參考標記4,並將掃描結果形成三維圖像輸送給控制器3 ;利用導航定位 儀2掃描帶有第二坐標系參考標記5的手術器械，對其進行空間坐標位置的標定；用所述手 術器械在病體7上尋找第二配準點組，利用導航定位儀2掃描後將第二配準點組的特徵點 與第一配準點組的特徵點進行一一粗配準，並將粗配準結果輸送給控制器3 ;控制器3根據 粗配準結果將三維圖像與預配準區域精配準，確定病體7和三維模型之間的精確空間位置 映射關係；利用導航定位儀跟蹤第一坐標系參考標記4和第二坐標系參考標記5的精確位 置，並在與控制器3連接的顯示器6上顯示帶有第二坐標系參考標記5的手術器械在三維 模型中的相對位置及相互關係，實現術中導航。在上述的導航過程中，三維模型的預配準區 域在病體7上都有與之對應的實體區域，第一配準點組的特徵點在病體上都有與之對應的 實體特徵點，利用手術器械在病體7上找第二配準點組時，可以與第一配準點組的對應點 進行粗配準，大致確定與三維模型中的第一配準點的相互位置。再利用結構光掃描儀1掃 描病體7所獲取的、與預配準區域對應的實體區域的三維圖像，將這個三維圖像與預配準 區域進行精配準，粗配準和精配準過程都在控制器3中完成，並通過與控制器3連接的顯示 器6顯示所述帶有第二坐標系參考標記5的手術器械所對應的虛擬手術器械在三維模型中 的相對位置及相互關係，實現術中導航。由於有第一配準點組與第二配準點組的粗配準過 程，以及利用控制器進行自動計算，三維圖像與預配準區域的精配準過程很短。而且，利用 兩個三維空間進行精配準，發生誤差的概率極低，可以明顯提高病體7與控制器3中的三維 模型配準的準確率和可靠性，從而提高手術的質量和成功率。
[0038] 請參考圖2,圖2為本發明所提供輔助外科手術的術中導航系統一種具體實施方 式的工作示意圖。
[0039] 除了上述輔助外科手術的術中導航方法，本發明還提供一種輔助外科手術的術中 導航系統，該導航系統包括：三維模型、第一坐標系參考標記4、第二坐標系參考標記5、導 航定位儀2、結構光掃描儀1、控制器3和顯示器6。其中，三維模型由醫學影像儀獲取待手 術部位的三維數據並重建後得到，根據手術需要可以在三維模型上提前選擇預配準區域和 設於預配準區域的第一配準點組，其應包括不少於三個特徵點；病體7上固定連接有第一 坐標系參考標記4,結構光掃描儀1對病體7和第一坐標系參考標記4進行掃描，確定病體 7和第一張坐標系參考標記4與第一坐標系的相對位置數據；手術器械上固定連接有第二 坐標系參考標記5，可以確定手術器械與第二坐標系的相對位置數據。導航定位儀2跟蹤第 一坐標系參考標記4和第二坐標系參考標記5 ;控制器3根據第一坐標系參考標記4和第 二坐標系參考標記5的相對位置，計算手術器械與病體7的相對位置，並在顯示器6上顯示 對應的虛擬手術器械在三維模型中的相對位置。
[0040] 在導航過程中，手術器械在病體7上選取第二配準點組，導航定位儀2跟蹤選點的 過程，並將選取的結果輸送到控制器3,與存儲在控制器3中的三維模型裡的第一配準點組 進行比對，實現粗配準。
[0041] 結構光掃描儀1掃描病體7和第一坐標系參考標記4,並獲取病體7的三維圖像， 該三維圖像輸送給控制器3,在控制器3中與三維模型中的預配準區域進行精配準；並通過 顯示器6將配準結果顯示出來。
[0042] 由於有第一配準點組與第二配準點組的粗配準過程，以及利用控制器進行自動計 算，三維圖像與預配準區域的精配準過程很短。而且，利用兩個三維空間進行精配準，發生 誤差的概率極低，可以明顯提高病體7與控制器3中的三維模型配準的準確率和可靠性，從 而提1?手術的質量和成功率。
[0043] 本發明所提供的導航方法與導航系統以技術創新和臨床應用為目標，將結構光掃 描配準技術引入外科手術的導航過程中，將術中結構光掃描圖像與術前掃描的三維模型進 行配準，可顯著提高外科手術的導航精度和可靠性，縮短手術時間，提高手術質量，大幅度 降低現有導航技術的設備成本和手術費用，具有重要的技術價值和廣闊的應用前景。
[0044] 在一種具體的實施方式中，本發明所提供的導航方法和導航系統裡，術前掃描可 以採用CT或核磁共振採集待手術部位的三維數據，並根據三維數據建立三維模型。CT和核 磁共振掃描都是成熟的圖像獲取技術，可靠性高。而且，CT機和核磁共振機是很多醫院常 規設備，利用CT機和核磁共振機獲取三維數據，不需要額外增加設備，可以降低手術成本。
[0045] 在進一步的技術方案中，第一坐標系參考標記4可以由被動反光材料製作，使第 一坐標系參考標記4可以在燈光等其它光的作用下識別，不需要在第一坐標系參考標記4 上額外增加光源，從而簡化第一坐標系參考標記4的結構，降低成本。而且，較簡單的結構 也便於醫務人員在導航過程中操作。同理，第二坐標系參考標記5也可以採用被動反光材 料製作，其作用相同，在此不再贅述。
[0046] 具體地，第一坐標系參考標記4和第二坐標系參考標記5均為固定在支架上的球 狀或平面標記，結構簡單，可滿足反光要求，達到識別的目的。
[0047] 在手術室中，開始配準時結構光掃描儀1和導航定位儀2相對於第一坐標系參考 標記4的同側布置。結構光掃描儀1和導航定位儀2在導航過程中均可以根據實際需求移 動和調整位置，結構光掃描儀1掃描所述病體7和所述第一坐標系參考標記4後即可撤離 手術臺，只留下導航定位儀進入手術導航階段，從而清空手術空間，防止醫療設備及手術器 械間的幹涉和碰撞。
[0048] 具體地，結構光掃描儀1和導航定位儀2均可以安裝於同一集成架上，且均與集成 架鉸接，在導航過程中結構光掃描儀1和導航定位儀2均可以移動和調整位置，也方便結構 光掃描儀1掃描病體7和第一坐標系參考標記4後即撤離手術臺，為手術提供便利。
[0049] 以上對本發明所提供的輔助外科手術的術中導航方法和導航系統進行了詳細介 紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只 是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員 來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修 飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種輔助外科手術的術中導航方法，其特徵在於，包括以下步驟： A、 術前掃描，獲取待手術部位的三維數據並重建為三維模型，並在所述三維模型上確 定預配準區域和所述預配準區域內的第一配準點組； B、 在病體上固定連接第一坐標系參考標記，利用結構光掃描儀掃描所述病體和所述第 一坐標系參考標記，將掃描結果形成三維圖像輸送給控制器，並撤走結構光掃描儀；利用導 航定位儀掃描帶有第二坐標系參考標記的手術器械，對其進行空間坐標位置的標定； C、 用所述手術器械在所述病體上尋找第二配準點組，利用導航定位儀掃描後將所述第 二配準點組的特徵點與所述第一配準點組的特徵點進行一一粗配準，並將粗配準結果輸送 給所述控制器； D、 控制器根據所述粗配準結果將所述三維圖像與所述預配準區域精配準，確定所述病 體和所述三維模型之間的精確空間位置映射關係； E、 利用導航掃描儀同時掃描記錄第一坐標系參考標記和第二坐標系參考標記，跟蹤所 述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記的精確位置，並在與所述控制器連接的 顯示器上顯示所述手術器械所對應的虛擬手術器械在三維模型中的相對位置及相互關係， 實現術中導航。
2. 根據權利要求1所述的輔助外科手術的術中導航方法，其特徵在於，所述術前掃描 為CT或核磁共振。
3. 根據權利要求1所述的輔助外科手術的術中導航方法，其特徵在於，所述第一坐標 系參考標記和第二坐標系參考標記均由被動反光材料製作。
4. 根據權利要求3所述的輔助外科手術的術中導航方法，其特徵在於，所述第一坐標 系參考標記和所述第二坐標系參考標記均為固定在支架上的球狀或平面標記。
5. -種輔助外科手術的術中導航系統，其特徵在於，包括： 三維模型圖像，由醫學影像儀獲取待手術部位的三維數據並重建後得到，包括預配準 區域和設於所述預配準區域的第一配準點組； 第一坐標系參考標記，固定連接於病體上，用於確定所述病體與第一坐標系的相對位 置數據； 第二坐標系參考標記，固定連接於手術器械上，用於確定所述手術器械與所述第二坐 標系的相對位置數據，所述手術器械在所述病體上選取第二配準點組的特徵點，並與所述 第一配準點組的特徵點一一粗配準； 導航定位儀，用於跟蹤所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記； 結構光掃描儀，用於掃描所述病體和所述第一坐標系參考標記，並獲取三維圖像，該三 維圖像與所述預配準區域進行精配準； 控制器，用於接收所述醫學影像儀和所述結構光掃描儀獲取的影像結果，利用三維模 型、所述第一坐標系參考標記和所述第二坐標系參考標記計算完成所述粗配準和精配準過 程； 顯示器，用於顯示所述三維模型、所述病體、所述第一坐標系參考標記、所述第二坐標 系參考標記和所述手術器械，完成術中導航。
6. 根據權利要求5所述的輔助外科手術的術中導航系統，其特徵在於，所述結構光掃 描儀和所述導航定位儀開始配準時設於所述第一坐標系參考標記的同側。
7. 根據權利要求6所述的輔助外科手術的術中導航系統，其特徵在於，所述結構光掃 描儀和所述導航定位儀安裝於同一集成架上，且均與所述集成架鉸接。
8. 根據權利要求5所述的輔助外科手術的術中導航系統，其特徵在於，所述醫學影像 儀為CT機或核磁共振機。
9. 根據權利要求5所述的輔助外科手術的術中導航系統，其特徵在於，所述第一坐標 系參考標記和所述第二坐標系參考標記均由被動反光材料製作。
10. 根據權利要求9所述的輔助外科手術的術中導航系統，其特徵在於，所述第一坐標 系參考標記和所述第二坐標系參考標記均為固定在支架上的球狀或平面標記。
【文檔編號】A61B19/00GK104146767SQ201410166557
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】薛青 申請人:薛青