辅助外科手术的术中导航方法和导航系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种辅助外科手术的术中导航方法和导航系统，包括术前扫描、建立三维模型、固定第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记、结构光扫描仪扫描、粗配准和精配准，并利用控制器和显示器完成导航过程。由于有粗配准过程，三维图像与预配准区域的精配准过程很短，可以大大缩短手术导航开始前的配准准备时间。而且，利用两个三维空间进行精配准，发生误差的概率极低，可以明显提高病体与三维模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。
【专利说明】辅助外科手术的术中导航方法和导航系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种辅助外科手术的术中导航方法。此外， 本发明还涉及一种术中导航系统。
【背景技术】
[0002] 在常见的外科手术中，脊柱、关节等骨科手术及脑外科手术由于精度要求高、操作 复杂、术后并发症严重等原因，导致手术难度大、失败率高。流行病学资料表明，目前我国每 年至少有100万到150万骨关节病患者、150万到200万脊柱病患者、30万到40万例的脑 外科患者需要进行手术治疗。导航系统在手术过程中给医生提供可视性信息，进行器械导 航和监控，可以大大提高手术的成功率。在对手术进行导航的过程中，实际手术中器械操作 还是由医生完成，因此这种导航系统仅起到辅助作用，属于被动式的图像引导手术。
[0003] 手术导航系统的基本原理是：将术前获得的患者病体的资料经过数据处理后形成 三维模型，在手术时先对病体和所述三维模型进行配准，在术中利用导航定位仪跟踪手术 器械的位置，向医生提供在所述三维模型中的虚拟手术器械在三维模型中的可视化信息， 指导医生来完成具体的手术操作。
[0004] 传统的基于C型臂透视图像导航技术存在术中注册时间长、配准精度低、图像质 量差、术中辐射损伤大等缺点；除此之外，早期通过事先植入导航标记物的二次手术导航方 法会给病人造成很大的痛苦，同时增加了感染的几率，目前已被逐渐取代。目前普遍采用的 CT图像导航系统利用红外技术进行多点配准和术中跟踪，其中最具有代表性的是Stryker 手术导航系统。但这种导航系统和方法对多点配准的精度要求很高，大大增加了医生在手 术中的操作难度。在临床手术中，医生普遍反映在利用这种导航系统进行多点配准时，受操 作误差与多点配准方法影响，配准精度很不理想，且多点配准数据的信息量十分有限，不但 存在导航系统误判从而导致手术完全失败的可能性，而且导航系统对多点配准的校验失 败率高，医生往往需要反复进行手动多点配准，延长了手术时间，增加了手术风险。
[0005] 因此，如何提高手术导航技术的成熟度和可靠性，提高配准精度和配准效率，是本 领域技术人员目前迫切需要解决的关键性技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种辅助外科手术的术中导航方法，该导航方法可以有效地 提高术中导航的准确率和可靠性，缩短配准时间，从而提高手术的质量和成功率。本发明的 另一目的是提供一种辅助外科手术的术中导航系统，该系统可高效准确地完成手术导航。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供一种辅助外科手术的术中导航方法，包括以下 步骤：
[0008] A、术前扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为三维模型，并在所述三维模型 上确定预配准区域和所述预配准区域内的第一配准点组；
[0009] B、在病体上固定连接第一坐标系参考标记，利用结构光扫描仪扫描所述病体和所 述第一坐标系参考标记，将扫描结果形成三维图像输送给控制器，并撤走结构光扫描仪；利 用导航定位仪扫描带有第二坐标系参考标记的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；
[0010] C、用所述手术器械在所述病体上寻找第二配准点组，利用导航定位仪扫描后将所 述第二配准点组的特征点与所述第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果 输送给所述控制器；
[0011] D、控制器根据所述粗配准结果将所述三维图像与所述预配准区域精配准，确定所 述病体和所述三维模型之间的精确空间位置映射关系；
[0012] E、利用导航扫描仪同时扫描记录第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记，跟 踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记的精确位置，并在与所述控制器连 接的显示器上显示所述手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互 关系，实现术中导航。
[0013] 优选地，所述术前扫描为CT或核磁共振。
[0014] 优选地，所述第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记均由被动反光材料制 作。
[0015] 优选地，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上 的球状或平面标记。
[0016] 本发明还提供一种辅助外科手术的术中导航系统，包括：
[0017] 三维模型图像，由医学影像仪获取待手术部位的三维数据并重建后得到，包括预 配准区域和设于所述预配准区域的第一配准点组；
[0018] 第一坐标系参考标记，固定连接于病体上，用于确定所述病体与第一坐标系的相 对位置数据；
[0019] 第二坐标系参考标记，固定连接于手术器械上，用于确定所述手术器械与所述第 二坐标系的相对位置数据，所述手术器械在所述病体上选取第二配准点组的特征点，并与 所述第一配准点组的特征点一一粗配准；
[0020] 导航定位仪，用于跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记；
[0021] 结构光扫描仪，用于扫描所述病体和所述第一坐标系参考标记，并获取三维图像， 该三维图像与所述预配准区域进行精配准；
[0022] 控制器，用于接收所述医学影像仪和所述结构光扫描仪获取的影像结果，利用三 维模型、所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记计算完成所述粗配准和精配 准过程；
[0023] 显示器，用于显示所述三维模型、所述病体、所述第一坐标系参考标记、所述第二 坐标系参考标记和所述手术器械，完成术中导航。
[0024] 优选地，所述结构光扫描仪和所述导航定位仪开始配准时设于所述第一坐标系参 考标记的同侧。
[0025] 优选地，所述结构光扫描仪和所述导航定位仪安装于同一集成架上，且均与所述 集成架铰接。
[0026] 优选地，所述医学影像仪为CT机或核磁共振机。
[0027] 优选地，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均由被动反光材 料制作。
[0028] 优选地，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上 的球状或平面标记。
[0029] 本发明所提供的术中导航方法，用于辅助外科手术，为医务人员完成外科手术进 行导航。该导航方法包括术前病体扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为三维模型，并 在所述三维模型上确定预配准区域和所述预配准区域内的第一配准点组（包含不少于三 个特征点）；在病体上固定连接第一坐标系参考标记，利用结构光扫描仪扫描所述病体和 所述第一坐标系参考标记，并将扫描结果形成三维图像输送给控制器；利用导航定位仪扫 描带有第二坐标系参考标记的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；用所述手术器械 在所述病体上依次寻找第二配准点组，利用导航定位仪扫描后将所述第二配准点组的特征 点与所述第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送给所述控制器；控 制器根据粗配准结果将所述三维图像与所述预配准区域精配准，确定所述病体和所述三维 模型之间的精确空间位置映射关系；利用导航扫描仪跟踪所述第一坐标系参考标记和所述 第二坐标系参考标记的精确位置，并在与所述控制器连接的显示器上显示所述手术器械所 对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。在上述的导航 过程中，三维模型的预配准区域在病体上都有与之对应的实体区域，第一配准点组的特征 点在病体上都有与之对应的实体特征点，利用所述手术器械在病体上寻找第二配准点组时 并不要求精确对准，与第一配准点组的对应点进行粗匹配，大致确定与三维模型中的第一 配准点的相互位置。利用结构光扫描仪扫描病体获取与预配准区域对应的实体区域的三维 图像，将这个三维图像与预配准区域进行精配准，由于有第一配准点组与第二配准点组的 粗配准结果，以及利用控制器进行自动计算，三维图像与预配准区域的精配准的时间很短。 而且，利用两个三维空间进行精配准，发生配准误判的概率极低，可以明显提高病体与控 制器中的三维模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。
[0030] 在提供上述导航方法的基础上，本发明还提供一种应用上述导航方法的导航系 统；由于导航方法具有上述技术效果，应用该导航方法的导航系统也具有相应的技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为本发明所提供辅助外科手术的术中导航方法一种【具体实施方式】的流程图；
[0032] 图2为本发明所提供辅助外科手术的术中导航系统一种【具体实施方式】的工作示 意图；
[0033] 其中包括：结构光扫描仪1、导航定位仪2、控制器3、第一坐标系参考标记4、第二 坐标系参考标记5、显示器6、病体7。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的核心是提供一种辅助外科手术的术中导航方法，该导航方法可以有效提 高术中导航的准确率和可靠性，缩短配准时间，从而提高手术的质量和成功率。本发明的另 一核心是提供一种辅助外科手术的术中导航系统，该系统可高效准确完成外科手术导航。 [0035] 为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和【具体实施方式】 对本发明作进一步的详细说明。
[0036] 请参考图1，图1为本发明所提供辅助外科手术的术中导航方法一种具体实施方 式的流程图。
[0037] 本发明提供一种导航方法，该方法用于外科手术中，指导医务人员通过导航完成 外科手术。该导航方法包括术前对病体7进行扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为 三维模型，并在三维模型上确定预配准区域和预配准区域内的第一配准点组，其应包括不 少于三个特征点；在病体7上固定连接第一坐标系参考标记4,利用结构光扫描仪1扫描病 体7和第一坐标系参考标记4,并将扫描结果形成三维图像输送给控制器3 ;利用导航定位 仪2扫描带有第二坐标系参考标记5的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；用所述手 术器械在病体7上寻找第二配准点组，利用导航定位仪2扫描后将第二配准点组的特征点 与第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送给控制器3 ;控制器3根据 粗配准结果将三维图像与预配准区域精配准，确定病体7和三维模型之间的精确空间位置 映射关系；利用导航定位仪跟踪第一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5的精确位 置，并在与控制器3连接的显示器6上显示带有第二坐标系参考标记5的手术器械在三维 模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。在上述的导航过程中，三维模型的预配准区 域在病体7上都有与之对应的实体区域，第一配准点组的特征点在病体上都有与之对应的 实体特征点，利用手术器械在病体7上找第二配准点组时，可以与第一配准点组的对应点 进行粗配准，大致确定与三维模型中的第一配准点的相互位置。再利用结构光扫描仪1扫 描病体7所获取的、与预配准区域对应的实体区域的三维图像，将这个三维图像与预配准 区域进行精配准，粗配准和精配准过程都在控制器3中完成，并通过与控制器3连接的显示 器6显示所述带有第二坐标系参考标记5的手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中 的相对位置及相互关系，实现术中导航。由于有第一配准点组与第二配准点组的粗配准过 程，以及利用控制器进行自动计算，三维图像与预配准区域的精配准过程很短。而且，利用 两个三维空间进行精配准，发生误差的概率极低，可以明显提高病体7与控制器3中的三维 模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。
[0038] 请参考图2,图2为本发明所提供辅助外科手术的术中导航系统一种具体实施方 式的工作示意图。
[0039] 除了上述辅助外科手术的术中导航方法，本发明还提供一种辅助外科手术的术中 导航系统，该导航系统包括：三维模型、第一坐标系参考标记4、第二坐标系参考标记5、导 航定位仪2、结构光扫描仪1、控制器3和显示器6。其中，三维模型由医学影像仪获取待手 术部位的三维数据并重建后得到，根据手术需要可以在三维模型上提前选择预配准区域和 设于预配准区域的第一配准点组，其应包括不少于三个特征点；病体7上固定连接有第一 坐标系参考标记4,结构光扫描仪1对病体7和第一坐标系参考标记4进行扫描，确定病体 7和第一张坐标系参考标记4与第一坐标系的相对位置数据；手术器械上固定连接有第二 坐标系参考标记5，可以确定手术器械与第二坐标系的相对位置数据。导航定位仪2跟踪第 一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5 ;控制器3根据第一坐标系参考标记4和第 二坐标系参考标记5的相对位置，计算手术器械与病体7的相对位置，并在显示器6上显示 对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置。
[0040] 在导航过程中，手术器械在病体7上选取第二配准点组，导航定位仪2跟踪选点的 过程，并将选取的结果输送到控制器3,与存储在控制器3中的三维模型里的第一配准点组 进行比对，实现粗配准。
[0041] 结构光扫描仪1扫描病体7和第一坐标系参考标记4,并获取病体7的三维图像， 该三维图像输送给控制器3,在控制器3中与三维模型中的预配准区域进行精配准；并通过 显示器6将配准结果显示出来。
[0042] 由于有第一配准点组与第二配准点组的粗配准过程，以及利用控制器进行自动计 算，三维图像与预配准区域的精配准过程很短。而且，利用两个三维空间进行精配准，发生 误差的概率极低，可以明显提高病体7与控制器3中的三维模型配准的准确率和可靠性，从 而提1?手术的质量和成功率。
[0043] 本发明所提供的导航方法与导航系统以技术创新和临床应用为目标，将结构光扫 描配准技术引入外科手术的导航过程中，将术中结构光扫描图像与术前扫描的三维模型进 行配准，可显著提高外科手术的导航精度和可靠性，缩短手术时间，提高手术质量，大幅度 降低现有导航技术的设备成本和手术费用，具有重要的技术价值和广阔的应用前景。
[0044] 在一种具体的实施方式中，本发明所提供的导航方法和导航系统里，术前扫描可 以采用CT或核磁共振采集待手术部位的三维数据，并根据三维数据建立三维模型。CT和核 磁共振扫描都是成熟的图像获取技术，可靠性高。而且，CT机和核磁共振机是很多医院常 规设备，利用CT机和核磁共振机获取三维数据，不需要额外增加设备，可以降低手术成本。
[0045] 在进一步的技术方案中，第一坐标系参考标记4可以由被动反光材料制作，使第 一坐标系参考标记4可以在灯光等其它光的作用下识别，不需要在第一坐标系参考标记4 上额外增加光源，从而简化第一坐标系参考标记4的结构，降低成本。而且，较简单的结构 也便于医务人员在导航过程中操作。同理，第二坐标系参考标记5也可以采用被动反光材 料制作，其作用相同，在此不再赘述。
[0046] 具体地，第一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5均为固定在支架上的球 状或平面标记，结构简单，可满足反光要求，达到识别的目的。
[0047] 在手术室中，开始配准时结构光扫描仪1和导航定位仪2相对于第一坐标系参考 标记4的同侧布置。结构光扫描仪1和导航定位仪2在导航过程中均可以根据实际需求移 动和调整位置，结构光扫描仪1扫描所述病体7和所述第一坐标系参考标记4后即可撤离 手术台，只留下导航定位仪进入手术导航阶段，从而清空手术空间，防止医疗设备及手术器 械间的干涉和碰撞。
[0048] 具体地，结构光扫描仪1和导航定位仪2均可以安装于同一集成架上，且均与集成 架铰接，在导航过程中结构光扫描仪1和导航定位仪2均可以移动和调整位置，也方便结构 光扫描仪1扫描病体7和第一坐标系参考标记4后即撤离手术台，为手术提供便利。
[0049] 以上对本发明所提供的辅助外科手术的术中导航方法和导航系统进行了详细介 绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只 是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修 饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，包括以下步骤： A、 术前扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为三维模型，并在所述三维模型上确 定预配准区域和所述预配准区域内的第一配准点组； B、 在病体上固定连接第一坐标系参考标记，利用结构光扫描仪扫描所述病体和所述第 一坐标系参考标记，将扫描结果形成三维图像输送给控制器，并撤走结构光扫描仪；利用导 航定位仪扫描带有第二坐标系参考标记的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定； C、 用所述手术器械在所述病体上寻找第二配准点组，利用导航定位仪扫描后将所述第 二配准点组的特征点与所述第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送 给所述控制器； D、 控制器根据所述粗配准结果将所述三维图像与所述预配准区域精配准，确定所述病 体和所述三维模型之间的精确空间位置映射关系； E、 利用导航扫描仪同时扫描记录第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记，跟踪所 述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记的精确位置，并在与所述控制器连接的 显示器上显示所述手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系， 实现术中导航。
2. 根据权利要求1所述的辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，所述术前扫描 为CT或核磁共振。
3. 根据权利要求1所述的辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，所述第一坐标 系参考标记和第二坐标系参考标记均由被动反光材料制作。
4. 根据权利要求3所述的辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，所述第一坐标 系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上的球状或平面标记。
5. -种辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，包括： 三维模型图像，由医学影像仪获取待手术部位的三维数据并重建后得到，包括预配准 区域和设于所述预配准区域的第一配准点组； 第一坐标系参考标记，固定连接于病体上，用于确定所述病体与第一坐标系的相对位 置数据； 第二坐标系参考标记，固定连接于手术器械上，用于确定所述手术器械与所述第二坐 标系的相对位置数据，所述手术器械在所述病体上选取第二配准点组的特征点，并与所述 第一配准点组的特征点一一粗配准； 导航定位仪，用于跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记； 结构光扫描仪，用于扫描所述病体和所述第一坐标系参考标记，并获取三维图像，该三 维图像与所述预配准区域进行精配准； 控制器，用于接收所述医学影像仪和所述结构光扫描仪获取的影像结果，利用三维模 型、所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记计算完成所述粗配准和精配准过 程； 显示器，用于显示所述三维模型、所述病体、所述第一坐标系参考标记、所述第二坐标 系参考标记和所述手术器械，完成术中导航。
6. 根据权利要求5所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述结构光扫 描仪和所述导航定位仪开始配准时设于所述第一坐标系参考标记的同侧。
7. 根据权利要求6所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述结构光扫 描仪和所述导航定位仪安装于同一集成架上，且均与所述集成架铰接。
8. 根据权利要求5所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述医学影像 仪为CT机或核磁共振机。
9. 根据权利要求5所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述第一坐标 系参考标记和所述第二坐标系参考标记均由被动反光材料制作。
10. 根据权利要求9所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述第一坐标 系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上的球状或平面标记。
【文档编号】A61B19/00GK104146767SQ201410166557
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】薛青 申请人:薛青