專利名稱：一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于椎弓根內(nèi)固定手術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
椎弓根內(nèi)固定手術(shù)是一種治療胸腰椎段脊柱骨折的標(biāo)準(zhǔn)化常規(guī)手術(shù)，該手術(shù)通過植入椎弓根螺釘來穩(wěn)定脊柱，可用于治療腰椎滑脫，胸腰椎骨折等癥。由于椎弓根鄰近的脊髓和神經(jīng)系統(tǒng)在手術(shù)中往往不可見，這類手術(shù)危險(xiǎn)性大，難度高。臨床研究表明，傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定手術(shù)的螺釘偏移率為28 40%，是導(dǎo)致手術(shù)失敗和術(shù)后并發(fā)癥的最主要原因。計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)(ComputerAided Orthopedic Surgery,也稱 CAOS)是在醫(yī) 學(xué)影像(如CT，MRI，X光或三維超聲等)的導(dǎo)引下，利用導(dǎo)航儀跟蹤手術(shù)器械的位置，把手術(shù)器械與手術(shù)部位相融合，并實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，從而增加上述手術(shù)的可視性，幫助醫(yī)生避開重要的器官與組織，提高手術(shù)精度，減少術(shù)中創(chuàng)傷的手術(shù)方法，也稱為計(jì)算機(jī)輔助骨科導(dǎo)航手術(shù)。按照是否采用術(shù)前、術(shù)中的影像資料，目前的導(dǎo)航技術(shù)可分為基于影像和非基于影像的導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)所使用圖像種類的不同，又分為基于CT圖像與基于C型臂透視圖像兩種。以脊柱手術(shù)為例，基于CT圖像的導(dǎo)航手術(shù)步驟為術(shù)前采集患者脊椎骨及植入導(dǎo)航標(biāo)記物的CT影像數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)，重建脊椎骨三維模型，進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃；術(shù)中安裝參考支架和光感接受定位裝置；與術(shù)前植入導(dǎo)航標(biāo)記物的對比，獲取在CT圖像中的相對位置，進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航。這種術(shù)前植入導(dǎo)航標(biāo)記物給病人造成了極大的痛苦。X線透視導(dǎo)航則是直接通過術(shù)中光學(xué)定位系統(tǒng)以及C形臂機(jī)成像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示X線圖像解剖、手術(shù)工具、C形臂機(jī)之間的空間位置關(guān)系。這種方法使用較為廣泛，但術(shù)中存在大量射線，且導(dǎo)航基于二維影像，即使換用三維C形臂X線機(jī)，其清晰度和精度也均不如CT影像，并需專用透X線手術(shù)床。非影像依賴性導(dǎo)航系統(tǒng)適合于解剖結(jié)構(gòu)暴露充分的手術(shù)，只需手術(shù)醫(yī)生在術(shù)中用帶有紅外標(biāo)記點(diǎn)的探針來點(diǎn)取解剖結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)(稱為“注冊”)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)或解剖學(xué)標(biāo)志，獲取三維多點(diǎn)定標(biāo)，計(jì)算機(jī)利用收集的各種標(biāo)準(zhǔn)解剖資料自動(dòng)生成模型，從而確定探針與模型之間的相互位置；安裝動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，對患骨在手術(shù)中的位置變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；使用帶有紅外標(biāo)記物的手術(shù)器械進(jìn)行導(dǎo)航手術(shù)。手術(shù)導(dǎo)航過程中，需要全程使用紅外導(dǎo)航儀將跟蹤探針、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)和手術(shù)器械上的紅外標(biāo)記物位置信號(hào)。如具有代表性的Stryker公司紅外主動(dòng)誘導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，在臨床手術(shù)時(shí)醫(yī)生需手動(dòng)取點(diǎn)，再由導(dǎo)航系統(tǒng)軟件進(jìn)行點(diǎn)配準(zhǔn)，醫(yī)生普遍反映利用該系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)配準(zhǔn)時(shí)，受醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)、操作誤差與點(diǎn)配準(zhǔn)方法影響，配準(zhǔn)精度并不理想，醫(yī)生需反復(fù)進(jìn)行手動(dòng)取點(diǎn)并進(jìn)行點(diǎn)配準(zhǔn)。導(dǎo)航探針有時(shí)還會(huì)與動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)發(fā)生碰撞，這樣就改變了配準(zhǔn)關(guān)系，需重新進(jìn)行點(diǎn)配準(zhǔn)，延長了手術(shù)時(shí)間。為解決上述導(dǎo)航手術(shù)方法中存在的手動(dòng)取點(diǎn)及點(diǎn)配準(zhǔn)所導(dǎo)致的精度降低、手術(shù)時(shí)間加長、二次手術(shù)、射線損傷等一系列問題，本申請人于2009年4月15日申請了“基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)和方法”(公開號(hào)CN 101862220A)，該系統(tǒng)在前述手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了結(jié)構(gòu)光掃描儀。在工作時(shí)先獲取術(shù)前患骨CT影像，經(jīng)三維重建得到相應(yīng)的患骨CT三維模型，術(shù)中首先采用結(jié)構(gòu)光掃描儀對患骨進(jìn)行掃描，獲取到患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像，將該結(jié)構(gòu)光三維影像與患骨CT三維模型進(jìn)行面配準(zhǔn)，接著在紅外導(dǎo)航定位儀的參與下進(jìn)行后續(xù)手術(shù)操作。相比傳統(tǒng)的紅外導(dǎo)航系統(tǒng)，這種手術(shù)導(dǎo)航方法在配準(zhǔn)階段避免了醫(yī)生手動(dòng)取點(diǎn)操作，且使用點(diǎn)集配準(zhǔn)，精度有很大提高，醫(yī)生操作簡單，節(jié)省手術(shù)時(shí)間。但采用上述手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)仍有不足之處配準(zhǔn)完成后，為跟蹤動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)和手術(shù)器械的位置，仍需要紅外導(dǎo)航定位儀參與，所獲位置信息存在與結(jié)構(gòu)光掃描儀的位置信息交換和校準(zhǔn)問題，造成整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度增加，成本增加，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定工作的概率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，使其在無紅外導(dǎo)航定位儀參與和不影響手術(shù)效果的前提下，最大限度地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光掃描儀、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)和手術(shù)器械，以及含有手術(shù)導(dǎo)航軟件和術(shù)前CT掃描的患骨CT三維模型的計(jì)算機(jī)；所述的結(jié)構(gòu)光掃描儀包括兩臺(tái)左右對稱安裝的攝像機(jī)和一個(gè)居中安裝的投影光柵，兩臺(tái)攝像機(jī)和投影光柵分別通過數(shù)據(jù)線與所述計(jì)算機(jī)相連；所述的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)固定于患骨處，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像，在動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上裝有至少3個(gè)不共線的可見光標(biāo)識(shí)，被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機(jī)捕獲，確定動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)；在所述的手術(shù)器械上同樣裝有至少3個(gè)不共線的可見光標(biāo)識(shí)，開始手術(shù)導(dǎo)航后被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機(jī)捕獲，確定手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)；手術(shù)導(dǎo)航開始前與開始后，所述動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、手術(shù)器械在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)滿足如下關(guān)系Fj0 = Ff0 + Fsn - Ffj其中為手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)，為動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)，F(xiàn)fi為開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，F(xiàn)f為開始手術(shù)導(dǎo)航后動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集到的患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像與所述患骨CT三維模型進(jìn)行面配準(zhǔn)，得到從結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系到CT圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，記為res，滿足如下關(guān)系Vc = Tg- Vs
其中VC為動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，Vs為動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系的位置為Fcri = Jc · Fj0 = Tcs ■ (lfJ + Vj1 — Ffj)其中r P為開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于手術(shù)器械末端點(diǎn)與手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)之間的齊次坐標(biāo)記為^，則手術(shù)器械末端點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系的位置為V1c=Vj1+Vuj 其中Ff為手術(shù)器械末端點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)。所述的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)為表面被突光材料覆蓋的小球，直徑為3 5_ ；或是直徑6 IOmm的黑色圓形，中間被直徑3 5mm的高亮銀色圓形同心覆蓋。所述的手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)為表面被突光材料覆蓋的小球，直徑為3 5mm ;或是直徑6 IOmm的黑色圓形，中間被直徑3 5_的高亮銀色圓形同心覆蓋。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果相比以往的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，本發(fā)明所述手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)不需額外采用紅外導(dǎo)航定位儀進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，有效地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度、設(shè)備成本和對手術(shù)室的空間要求，提高設(shè)備在手術(shù)室的適用性。術(shù)中掃描配準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤均采用結(jié)構(gòu)光掃描儀完成，對動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)和手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，消除了引入紅外導(dǎo)航定位儀所帶來的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差，使定位更加精確，提聞導(dǎo)航手術(shù)的可罪性。


圖I為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中用于結(jié)構(gòu)光掃描儀標(biāo)定的標(biāo)定板示意圖。圖4為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀的工作原理圖。圖5為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程圖。其中1_結(jié)構(gòu)光掃描儀；2_動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)；3_手術(shù)器械；4_裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)；5_手術(shù)臺(tái)；6_患者；7_手術(shù)室；8_投影光柵；9-第一攝像機(jī)；10-第二攝像機(jī)；11-安裝支架；12_數(shù)據(jù)線；13_標(biāo)定板；14_患骨。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。圖I為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，該手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光掃描儀I、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2和手術(shù)器械3，以及裝有含有手術(shù)導(dǎo)航軟件和術(shù)前CT掃描的患骨CT三維模型的計(jì)算機(jī)4。在手術(shù)室7內(nèi)有手術(shù)臺(tái)5，患者6位于手術(shù)臺(tái)上。由于術(shù)中病人位姿隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，在病人患骨上夾持一個(gè)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2，動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)采用現(xiàn)有技術(shù)中通常使用的結(jié)構(gòu)，例如采用公開號(hào)為CN 101862220A中所使用的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)。在動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2上裝有至少3個(gè)不共線的可見光標(biāo)識(shí)，可見光標(biāo)識(shí)選用反射率大的材料制成，一般有兩種類型1)亮彩色小球，球體表面由熒光材料覆蓋，可被高精度攝像機(jī)所捕獲，直徑為3 5mm ；2)直徑6 IOmm的黑色圓形，中間為直徑3 5mm的高亮銀色圓形。動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)被結(jié)構(gòu)光掃描儀I所捕捉，以確定動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)1 。圖2為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)光掃描儀包括兩臺(tái)左右對稱安裝的攝像機(jī)(第一攝像機(jī)9和第二攝像機(jī)10)和一個(gè)居中安裝的投影光柵8，所述的兩臺(tái)攝像機(jī)和投影光柵固定在安裝支架11上，兩臺(tái)攝像機(jī)和投影光柵分別通過數(shù)據(jù)線與所述計(jì)算機(jī)4相連，其中兩臺(tái)攝像機(jī)可 組成一個(gè)簡單的雙目視覺系統(tǒng)。使用本發(fā)明中所述結(jié)構(gòu)光掃描儀I前首先要對包含的第一攝像機(jī)9和第二攝像機(jī)10分別進(jìn)行標(biāo)定，獲取各自的內(nèi)部參數(shù)，再聯(lián)合兩臺(tái)攝像機(jī)的外部參數(shù)，獲取二者空間位置關(guān)系。本發(fā)明中對攝像機(jī)的標(biāo)定采用機(jī)器視覺中成熟的方法——Tsai兩步法。對攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，需借助標(biāo)定板進(jìn)行，使用具有外方內(nèi)圓標(biāo)記點(diǎn)的標(biāo)定板，如圖3所示為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中用于結(jié)構(gòu)光掃描儀標(biāo)定的標(biāo)定板示意圖，標(biāo)定板13上帶有4個(gè)有外圓圈的標(biāo)志點(diǎn)，這4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)非對稱分布。圖4為本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀I的工作原理圖。居中安裝的投影光柵8將具有某種特性的結(jié)構(gòu)光柵(稱為結(jié)構(gòu)光)主動(dòng)投射到患骨14表面，規(guī)則的結(jié)構(gòu)光柵受到患骨14表面高度的調(diào)制而發(fā)生變形，兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)攝取患骨處的反射圖像，該圖像中包含了患骨表面的三維形貌數(shù)據(jù)，這樣就可以通過解相和基于結(jié)構(gòu)光編碼的相展開方法得到被調(diào)制光柵的相位，從而解決結(jié)構(gòu)光柵和患骨處反射圖像這兩幅圖像上空間點(diǎn)的對應(yīng)問題，并通過兩臺(tái)攝像機(jī)的三角交匯得到患骨表面的二維坐標(biāo)/[目息。本發(fā)明中采用的結(jié)構(gòu)光掃描儀投射的結(jié)構(gòu)光柵根據(jù)時(shí)間先后順序進(jìn)行，包括多幅結(jié)構(gòu)光柵圖像，投射過程約20秒。通過解相與相展開過程可以分別得到結(jié)構(gòu)光柵的相主值與相周期信息，疊加相主值與相周期即可得患骨14表面各點(diǎn)變形后光柵的絕對相位信息，再結(jié)合外極線幾何原理，匹配兩臺(tái)攝像機(jī)投射的結(jié)構(gòu)光柵圖像上的點(diǎn)，對匹配后的圖像利用已標(biāo)定出的兩臺(tái)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和空間位置關(guān)系，計(jì)算患骨表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而重構(gòu)出患骨表面的結(jié)構(gòu)光三維影像。在本發(fā)明中解相方法基于對環(huán)境光不敏感的多頻外差式原理。往往進(jìn)行一次結(jié)構(gòu)光掃描不能完整獲取待測患骨表面的結(jié)構(gòu)光三維影像，需要進(jìn)行多視角掃描，最好將多次掃描所分別獲得的結(jié)構(gòu)光三維影像拼接形成一個(gè)整體，形成完整的患骨表面結(jié)構(gòu)光三維影像。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)光掃描過程中，由于環(huán)境中存在光線干擾，如動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)或者患骨表面某點(diǎn)反射光線過強(qiáng)，會(huì)被結(jié)構(gòu)光掃描儀誤認(rèn)為是動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)，因此掃描完成后，需要對結(jié)構(gòu)光三維影像進(jìn)行檢查，將識(shí)別錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)光三維影像中刪除。本發(fā)明所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中各組成部分確立各自的坐標(biāo)系，其中結(jié)構(gòu)光掃描儀I確立結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系；動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2固定在患骨處為剛性連接代表患者坐標(biāo)系；手術(shù)器械3上的可見光標(biāo)識(shí)確立手術(shù)器械坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系下手術(shù)器械上的任一點(diǎn)坐標(biāo)也是不變的；計(jì)算機(jī)4內(nèi)保存有患骨CT三維模型確立CT圖像坐標(biāo)系(也叫導(dǎo)航圖像坐標(biāo)系)。利用計(jì)算機(jī)求得手術(shù)器械坐標(biāo)系與CT圖像坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，將手術(shù)器械末端點(diǎn)與患骨CT三維模型的相對位置在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。本發(fā)明中采用的手術(shù)器械3為通用醫(yī)療器械，其上附著至少3個(gè)不共線的可見光標(biāo)識(shí)，可見光標(biāo)識(shí)與動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)采用同樣類型；手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)被結(jié)構(gòu)光掃描儀I所捕捉，以確定手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)廠Q對手術(shù)器械進(jìn)行標(biāo)定，得到手術(shù)器械軸線和手術(shù)器械末端點(diǎn)在手術(shù)器械坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。本發(fā)明中手術(shù)器械的標(biāo)定方法是手術(shù)器械軸向插入通用標(biāo)定臺(tái)內(nèi)，調(diào)整結(jié)構(gòu)光掃 描儀的高度及手術(shù)器械高度，使手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)位于兩臺(tái)攝像機(jī)視野中，保持標(biāo)定臺(tái)位置不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)手術(shù)器械到不同位置，分別由兩臺(tái)攝像機(jī)對可見光標(biāo)識(shí)進(jìn)行采集，通過圖像擬合得出手術(shù)器械的空間軸線；手術(shù)器械的末端點(diǎn)標(biāo)定與軸線標(biāo)定類似。圖5為本發(fā)明所述基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程圖，主要分為三步第一步術(shù)前對病人進(jìn)行CT掃描，獲取其患骨的CT圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過CT三維重建得到患骨CT三維模型數(shù)據(jù)。本發(fā)明中CT三維重建的具體方法是將DICOM格式的CT圖像導(dǎo)入裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)4，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定灰度閾值，對于脊椎骨來講，灰度閾值設(shè)定為19(Γ210，按照等值面的方法分離出骨骼與軟組織，重建得到患骨CT三維模型，保存在裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)里，并顯示。醫(yī)生可以根據(jù)計(jì)算機(jī)中顯示的該患骨CT三維模型的形態(tài)確定手術(shù)操作的位置及角度，完成術(shù)前規(guī)劃——根據(jù)病人的狀況確定植入椎弓根釘?shù)奈恢谩⑸疃?、角度等，并在?jì)算機(jī)上顯示的患骨CT三維模型上進(jìn)行標(biāo)記，以便術(shù)中進(jìn)行參照，此時(shí)也可在患骨CT三維模型上圈定與結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行面配準(zhǔn)的區(qū)域，一般取棘突及其附近骨骼表面。第二步在手術(shù)室布置有本發(fā)明所述的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，對該結(jié)構(gòu)光掃描儀和手術(shù)器械初始標(biāo)定完成后首先進(jìn)入掃描模式。醫(yī)生剝離出術(shù)前在患骨CT三維模型上選定的患骨部位，固定放置動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2，并將動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2上的所有可見光標(biāo)識(shí)朝向結(jié)構(gòu)光掃描儀上的兩臺(tái)攝像機(jī)，然后利用結(jié)構(gòu)光掃描儀I對裸露出的患骨及動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2進(jìn)行掃描，在裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)4上顯示患骨部位的結(jié)構(gòu)光三維影像，動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2上的可見光標(biāo)識(shí)也能被結(jié)構(gòu)光掃描儀I所捕獲，同時(shí)顯示在患骨部位的結(jié)構(gòu)光三維影像中，作為患骨的初始參照位置。由裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)對術(shù)前患骨CT三維模型和術(shù)中結(jié)構(gòu)光三維影像這兩幅圖像構(gòu)成的點(diǎn)云進(jìn)行面配準(zhǔn)，計(jì)算出上述兩幅圖像分別所屬坐標(biāo)系一即CT圖像坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系的初始映射關(guān)系，得到從結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系到CT圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣rf 0將動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上某個(gè)可見光標(biāo)識(shí)的中心在CT圖像坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系中的位置分別記作齊次坐標(biāo)V。和Vs，則
Vc=Tc-Vs(I)本發(fā)明中，患骨CT三維模型和結(jié)構(gòu)光三維影像所采用的面配準(zhǔn)方法為醫(yī)生分別在患骨CT三維模型和結(jié)構(gòu)光三維影像的對應(yīng)部位(對應(yīng)患骨同一位置)選取3 5個(gè)點(diǎn)對，對結(jié)構(gòu)光三維影像與患骨CT三維模型進(jìn)行初配準(zhǔn)，并保證上述兩幅圖像上點(diǎn)云的初始位置相差不會(huì)太大，得到結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系到CT圖像坐標(biāo)系的一個(gè)初步空間變換矩陣，再通過最近點(diǎn)迭代算法(ICP)進(jìn)行精配準(zhǔn)，計(jì)算出上述兩幅圖像初始狀態(tài)下的映射關(guān)系(即坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣？t)。在本發(fā)明所述的配準(zhǔn)過程中設(shè)置誤差閾值為O. 3_，迭代次數(shù)上限為100次，精配準(zhǔn)時(shí)間不超過3秒。第三步掃描模式結(jié)束后，進(jìn)入跟蹤模式，開始手術(shù)導(dǎo)航。關(guān)閉結(jié)構(gòu)光掃描儀I上的投影光柵8，仍開啟的兩臺(tái)已標(biāo)定好的攝像機(jī)(第一攝像機(jī)9和第二攝像機(jī)10)用雙目立體視覺技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)2和手術(shù)器械3上安裝的可見光標(biāo)識(shí)。由于手術(shù)器械3上的可見光標(biāo)識(shí)在手術(shù)器械上的相對位置事先已經(jīng)過標(biāo)定，因此可通過手術(shù)器械上的可見光標(biāo) 識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系中的位置，確定手術(shù)器械坐標(biāo)系，并利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法得到手術(shù)器械3在CT圖像坐標(biāo)系中的方位。這樣，醫(yī)生就可在裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)上看到手術(shù)器械末端點(diǎn)與患骨的相對位置，從而施行手術(shù)。本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)工作流程圖中第二步和第三步均用到結(jié)構(gòu)光掃描儀中的兩臺(tái)攝像機(jī)，所以結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系和攝像機(jī)的坐標(biāo)系相同，避免了同類系統(tǒng)中由紅外導(dǎo)航定位儀參與跟蹤而產(chǎn)生的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度損失。將動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)記作.開

始手術(shù)導(dǎo)航后在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)記作iIi .手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)
I
構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)記作^廣；開始手術(shù)導(dǎo)航后，手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在患者坐標(biāo)系(由動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)確定)下的齊次坐標(biāo)記作7/ ，在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)記作Fli手術(shù)導(dǎo)航開始前與開始后，所述動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、手術(shù)器械在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊
O
次坐標(biāo)滿足如下關(guān)系vp = Vf0 + Ff — Vfj(2 )在開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系的位置為If = . Ff = Ti · (Ff0 + 卜 T(s ■ (Vf0 + If — Vf1) C3;其中Fg為開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)。由于手術(shù)器械事先經(jīng)過標(biāo)定，確立了手術(shù)器械坐標(biāo)系。設(shè)手術(shù)器械末端點(diǎn)與某一可見光標(biāo)識(shí)點(diǎn)之間的齊次坐標(biāo)為,則手術(shù)器械末端點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)記為VI，滿足如下關(guān)系Vtc= Vtc1+ V0t(4)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可確定手術(shù)器械上任一點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系中相對患骨CT三維模型的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)以及手術(shù)器械的軸線位置，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航。
權(quán)利要求
1.一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光掃描儀(I)、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)(2)和手術(shù)器械(3)，以及含有手術(shù)導(dǎo)航軟件和術(shù)前CT掃描的患骨CT三維模型的計(jì)算機(jī)(4);所述的結(jié)構(gòu)光掃描儀包括兩臺(tái)左右對稱安裝的攝像機(jī)和一個(gè)居中安裝的投影光柵(8)，兩臺(tái)攝像機(jī)和投影光柵分別通過數(shù)據(jù)線與所述計(jì)算機(jī)相連；所述的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)固定于患骨處，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像，在動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上裝有至少3個(gè)不共線的可見光標(biāo)識(shí)，被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機(jī)捕獲，確定動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)；在所述的手術(shù)器械上同樣裝有至少3個(gè)不共線的可見光標(biāo)識(shí)，開始手術(shù)導(dǎo)航后被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機(jī)捕獲，確定手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)； 手術(shù)導(dǎo)航開始前與開始后，所述動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、手術(shù)器械在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)滿足如下關(guān)系 J 10 0 + Jf -If1 其中 if15為手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)， 為動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的初始齊次坐標(biāo)， 為開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)， 為開始手術(shù)導(dǎo)航后動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)， 結(jié)構(gòu)光掃描儀采集到的患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像與所述患骨CT三維模型進(jìn)行面配準(zhǔn)，得到從結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系到CT圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，記為G，滿足如下關(guān)系 Vc = Tcs-Vs 其中為動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)， Vs為動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)在結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)， 開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系的位置為 t/ΤΙ rYiS τ/ΓΟ rTiS /J/-DU 丄 jrTl JJrDl \vC =tC - Vs =Tc -(Vs +Vs -Vs ) 其中為開始手術(shù)導(dǎo)航后手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于手術(shù)器械末端點(diǎn)與手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)之間的齊次坐標(biāo)記為片，則手術(shù)器械末端點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系的位置為 I- I = Vj1+ V0f 其中 '1.為手術(shù)器械末端點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上的可見光標(biāo)識(shí)為表面被熒光材料覆蓋的小球，直徑為3 5_ ;或是直徑6 10_的黑色圓形，中間被直徑3 5_的高亮銀色圓形同心覆蓋。
4.按照權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于所述的手術(shù)器械上的可見光標(biāo)識(shí)為表面被突光材料覆蓋的小球，直徑為3 5_ ;或是直徑6 10_的黑色圓形，中間被直徑3 5_的高亮銀色圓形同心覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)光掃描儀、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)及手術(shù)器械、裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件及患骨CT三維模型的計(jì)算機(jī)。術(shù)中動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)固定于患骨處，使用結(jié)構(gòu)光掃描儀對患骨掃描得到結(jié)構(gòu)光三維影像并與患骨CT三維模型進(jìn)行面配準(zhǔn)；利用結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機(jī)跟蹤手術(shù)器械，得到手術(shù)器械相對動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)及患骨CT三維模型之間的位置關(guān)系，并在裝有手術(shù)導(dǎo)航軟件的計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航。與同類系統(tǒng)相比，本發(fā)明提出的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)不需紅外導(dǎo)航定位儀參與術(shù)中跟蹤，提高了導(dǎo)航定位精度，簡化了手術(shù)導(dǎo)航過程，方便醫(yī)生使用,降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，降低對手術(shù)室空間占用。
文檔編號(hào)A61B17/90GK102784003SQ20121025433
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者李書綱, 鄭浩峻 申請人:北京先臨華寧醫(yī)療科技有限公司