一种利用实时结构光技术实现手术导航的方法和系统与流程

本发明涉及一种手术导航方法和系统，尤其涉及一种利用实时结构光技术实现手术导航的方法和系统。

背景技术：

随着医学影像技术的发展，如ct扫描(computertomography，计算机断层扫描)、mri(magneticresonanceimaging，磁共振成像)等技术的日新月异，依靠这些先进的检查方法，临床医师已经从传统的根据经验设计手术，转变为结合患者个体化的影像资料进行手术策划。更随着医学工程学的发展,将术前影像数据和术者经验结合，基于影像数据和医生的经验进行手术策划，手术时通过图像技术进行空间注册，然后按计划实施手术方案。这种经验结合影像数据的导航模式，已成为微创外科领域重要的特征。

手术导航系统(surgicalnavigationsystem)是通过将患者术前或者术中的影像数据作为“影像地图”，在术中对相应的操作器械进行定位追踪，从“影像地图”中实时显示操作器械的位姿、展示病灶与术中操作器械的空间关系，以便术中精准定位病灶或者其他感兴趣区域（roi）；让术者通过“透视眼”的方式精准化治疗，减少手术创伤，降低手术探查时间。通俗的讲，手术导航系统是将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应（配准过程），手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示（追踪过程），使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然。目前，临床最常用的导航系统根据空间定位原理的不同，可以大致分为光学导航和电磁导航两大类。

光学导航是通过多个光学摄像机捕捉被追踪器发射或者返回的光线，然后通过几何数学的原理计算出靶点的空间坐标。例如：加拿大的ndi公司的“北极星”红外光导航仪采用多个成一定角度排列的摄像机，通过捕捉追踪器上的反光球，先计算出单个摄像头中的二维坐标，然后将多幅同步的图片利用“三角定位”的原理计算出靶点的三维坐标。对追踪器安装多个反光球，一般大于三个，就可以计算出追踪器的空间六自由度姿态参数。光学导航目前已相对较为成熟，使用场景广泛，但其主要缺点是术中对手术器械的追踪容易受到手术区一些无菌布单或者器械的遮挡，造成追踪丢失。

电磁导航一般由通过直流或者交流电的电磁现象，利用空间线圈不同方向排列方式，形成特定的三个方向（xyz）的空间磁场矩阵，然后通过磁电敏感探头检测并计算出探头的空间六自由度参数。电磁导航的好处是不会受到无菌布单的遮挡而失效，并且探头可以做出微小类型，可以隐藏或者置入组织，比如制作成血管内的导航。但电磁导航对环境的要求相对较高，但凡有影响磁场的器械或者设备均可造成误差。我国基层医院主要的手术器械由不锈钢制作，容易导致磁场畸变，造成追踪失败。

结构光技术的原理是将特定的光学图案投射到被检测场景中，然后通过摄像头捕捉这些光学图案，并通过算法解码得到目标的空间坐标信息。这些空间信息应用于手术，可以导航辅助手术实施。中国专利cn110236674a公开了一种基于结构光扫描的肝脏手术导航方法及系统；该导航方法在“配准过程”利用了结构光对术中目标进行扫描重建，但是在“追踪过程”仍然采用“在手术器械上设置ndi小球，通过ndi光学跟踪器实时跟踪ndi小球的位置”（光学导航）的方式。中国专利cn110141363b公开了一种基于结构光扫描的脊柱多阶段配准系统，该导航方法仅仅在“配准过程”利用了结构光对术中目标进行扫描重建。由此可见，中国专利cn110236674a和cn110141363b公开的这两种导航方式虽然都利用了结构光，但是，结构光仅仅利用在手术的“配准过程”，“追踪过程”依然采用光学导航或电磁导航；依然存在“光学导航，器械贵、操作复杂、需要消毒特定的追踪反光球、手术器械容易受到遮挡造成追踪丢失；电磁导航，容易发生磁场畸变而造成追踪失败”等技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有手术导航技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种利用实时结构光技术实现手术导航的方法和系统。该方法利用实时结构光实时扫描术区结构光覆盖区域，得到三维点云数据，然后通过无标记注册和术前影像进行配准；同时利用结构光识别空间中的手术器械，然后定位空间中手术器械并同步通过实时3d点云重建与术前影像叠加，最终实现精准导航手术目的。

技术方案

一种利用实时结构光技术实现手术导航的方法，包括术前建模、手术策划、三维扫描、注册配准、显示和调整步骤；其改进之处在于，所述三维扫描是指：使手术部位和手术器械置于同一结构光坐标系；在术中，采用结构光对手术部位和手术器械进行实时扫描获得实时点云文件；即，在三维扫描的同时完成“对手术器械的追踪”。本发明的方法中，所获得的实时点云文件即包含手术器械和手术部位实时相对空间关系信息；手术器械位姿的实时变化均被实时扫描获得的实时点云文件体现，即在对手术部位实时扫描的同时完成了对手术器械的定位追踪；从而无需像现有技术那样设置单独的“追踪”步骤。

现有技术，对术中手术部位扫描重新建模及对手术器械定位追踪均是通过两条途径进行，分别获得手术部位的信息和手术器械的信息，再通过计算机处理分析获得二者的相对空间关系。这样一来，二者的相对空间关系通过处理分析获得，难免存在误差；另外，二者的信息通过不同的途径获得，获取的信息不一定同步，也会导致获得的相对空间关系有偏差。相对于现有技术，本发明的方法中，手术部位和手术器械置于同一结构光坐标系，在对手术部位进行实时扫描（重新建模的前提）的同时完成了手术器械的追踪，并且是直接获得了二者的相对空间关系。首先，获得二者的相对空间关系，只需要结构光这一路径，不像现有技术需要两条路径。其次，二者的相对空间关系是直接扫描获得的，不是通过计算获得的，不需要二次空间转换。因此，本发明的导航方法能有效避免在手术导航过程中因手术器械追踪引起的二者的相对空间关系偏差；从而实现精准导航。

上述方法，所述结构光可以来自实时深度扫描相机；实时深度扫描相机也称为结构光相机或3d相机。为使得结构光覆盖靶区和手术器械（手术部位和手术器械），实时深度扫描相机最好位于手术部位法线的垂线和手术器械轴线的中间二分夹角上。

上述方法，术前建模、手术策划、三维扫描、注册配准、显示和调整步骤的具体操作如下：

术前建模：术前，根据手术部位的检测数据对手术部位进行三维建模，获取术前模型。

手术策划：根据术前模型设计手术；具体的，可以是设计进针点及穿刺路线。根据术前模型提前设计好手术的进针点及穿刺路线，避免了手术探查，节省的手术时间，降低手术风险。

注册配准：将采用结构光对手术部位和手术器械进行实时扫描获得的点云文件与术前模型进行配准。配准之后，术中手术部位的表面模型与术前模型结合，形成了能够清晰观察到术中手术部位内部结构的（病灶）的术中模型，同时还构建出了病灶与手术器械的空间关系。还可以在注册配准过程中采用增强现实技术获得病灶的位置。

显示：将配准结果用显示器显示。所述显示器可以是3d显示器也可以是2d显示器。手术器械和手术部位分别以探针和三维立体模型的形式出现在3d显示器中；3d显示器中显示的探针与病灶的空间关系的变化是随着手术器械与手术部位的空间关系变化而变化的。在3d显示器不能使用时，可通过软件进行多视角窗口在2d显示器中同步显示。

调整，在术中，根据显示器的显示调整手术器械位姿，使其运动轨迹与设计好的穿刺路线重合。手术器械（以探针的形式）以及设计好的进针点及穿刺路线显示在显示器中；术中，可以根据设计好的进针点及穿刺路线与探针的相对空间关系调整手术器械位姿。

上述方法，优选的，适用于颅部手术，尤其是颅部微创神经手术。

上述方法，用于颅脑血肿手术时的具体操作如下：

（1）根据头部的核磁共振或ct扫描数据，对头部进行三维建模，获得术前模型；

（2）根据术前模型，进行区域解剖结构分析，设计进针点和穿刺路线；

（3）固定头部及结构光的发出位置；使头部和手术器械置于同一结构光坐标系；在术中，通过结构光对头部和手术器械进行实时重建获得点云文件；

（4）将点云文件与术前模型进行配准，并在3d显示器中显示出来；

（5）通过3d显示器观察调节穿刺方向。

本发明还公开了一种利用实时结构光技术实现手术导航的系统，包括dicom模块、术前策划模块、三维扫描模块、无标记注册模块、显示模块、计算机辅助设计（cad）模块、计算机视觉增强模块；其改进之处在于：

所述三维扫描模块：利用结构光实现对存在手术器械的术区进行实时点云扫描，并获取术区点云文件；

所述无标记注册模块：用于将术区点云文件与术前模型配准、重新建立手术部位的三维模型，获取手术器械与手术部位内部结构的实时相对空间关系，实现对手术器械的定位追踪。

本发明的上述系统，用结构光对术区实时点云扫描包括对手术部位和手术器械的实时点云扫描；因此，所获取术区点云文件，包含手术部位和手术器械相对空间关系的信息；经过配准之后进而获得了手术部位内部结构（包含病灶）和手术器械相对空间关系，从而实现了对手术器械的追踪；进而完成手术导航。所以，本发明不需要单独的追踪模块即可实现对手术器械的追踪，完成手术导航。

本发明的上述系统，所述三维扫描模块可以是实时深度扫描相机，实时深度扫描相机发出结构光进而实现实时点云扫描。为使得结构光覆盖靶区和手术器械（手术部位和手术器械），实时深度扫描相机最好位于手术部位法线的垂线和手术器械轴线的中间二分夹角上。

本发明的上述系统，其中dicom模块、术前策划模块、显示模块、计算机辅助设计（cad）模块、计算机视觉增强模块的具体描述如下：

dicom模块，用于将数据转换为dicom数据格式；

术前策划模块：其功能在于：根据术前手术部位的数据构建术前模型，然后根据术前模型设计手术；具体的包括设计手术进针点和穿刺路线；

显示模块：用于显示配准后手术器械和病灶的相对空间关系；所述显示模块可以是3d显示器或2d显示器（通过软件多视角显示）；手术器械在显示模块中以探针方式显示；根据显示模块中探针移动即可监视手术器械的移动；

计算机辅助设计（cad）模块：用于创建三维模型，辅助术前策划模块和无标记注册模块构建三维模型；还可以进行三维模型的布尔运算，辅助术前策划模块设计手术；

计算机视觉增强模块，用于多视角三维增强现实显示，辅助术前策划模块、无标记注册模块和计算机辅助设计（cad）模块以精确定位病灶和操作器械的相对空间关系。

本发明的系统:通过dicom模块将数据转换为dicom数据格式；通过术前策划模块在术前影像数据基础上进行一些组织的分割重建（包括分割重建病灶、骨头和皮肤等），从而构建术前模型，然后根据术前模型设计手术；通过三维扫描模块利用实时光三维扫描追踪术区的组织和手术器械，获得三维场景中组织和手术器械的空间关系；通过无标记注册模块和计算机辅助设计（cad）模块将获得三维场景中组织和手术器械的空间关系叠加术前的影像数据，可利用不同的阈值进行组织分割重建，最后将重建的三维场景和根据影像构建的术前三维模型叠加，从而实时定位术区的手术器械和组织及内部结构（包含病灶）的空间关系，实现对手术器械的精准定位和追踪；通过计算机视觉增强模块以精确定位组织及内部结构和操作器械的相对空间关系；通过显示模块实时显示术区的手术器械和组织及内部结构的空间关系，从而实现精准导航。

有益效果

（1）本发明的手术导航通过且仅结构光扫描即可实现；重建模型与手术器械追踪同时实现，可直接获得病灶和操作器械的空间关系，减少了一次空间换算，减少了误差，实现精准定位，降低手术风险；

（2）通过结构光扫描，不需要接触手术区域，可减少感染发生；

（3）实时定位，能够方便快捷地调整手术方案；

（4）可进行无标记的注册方式，节省了手术时间和患者的花费，减少了ct扫描的x光辐射，

（5）利用术前ct个性化治疗，有利于避开重要血管及功能区；可以精准定位，减少手术创伤；

（6）无需额外对手术器械增加定位追踪设备，不会产生定位追踪设备影响手术器械操作的不良后果；

（7）比起现有导航技术所用设备，本发明所用设备：价格较低，降低了手术成本；设备体积小，节省手术空间。

附图说明

图1为实时深度扫描相机与手术部位（以头部为例）的位置关系示意图；

图中，1：实时深度扫描相机，2：手术器械，3：头颅。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种利用实时结构光技术实现在颅脑血肿手术导航的方法，具体操作如下：

（1）将头颅的核磁共振或ct扫描数据转换成dicom格式数据，然后根据该数据对头部进行三维建模，获得术前模型；

（2）根据术前模型，对颅面部及血肿区域进行解剖结构分析，设计进针点和穿刺路线；软件根据所设计的进针点和穿刺路线自动计算进针点到血肿中心的长度；

（3）固定头颅（面部朝上）及实时深度扫描相机1位置；实时深度扫描相机1位于头面部法线的垂线和手术器械轴线的中间二分夹角上，其最佳深度控制在80-300cm；使结构光覆盖颅面部和手术器械2；在术中，通过实时深度扫描相机1发出的结构光对颅面部和手术器械2进行实时重建获得点云文件；

（4）将步骤（3）获得的点云文件与术前模型进行无标记自动配准以构建出术中血肿区域与手术器械2的空间关系，并在3d显示器中显示出来；在3d显示器中手术器械2以探针的形式显示；

（5）术中，根据3d显示器屏幕多视角窗口中显示的血肿区域与探针的空间关系，观察调节穿刺方向，直到和术前策划的穿刺方向重合时开始推入引流管，到达既定的深度后拔出针芯，固定引流管。

实施例2

本实施例公开一种利用实时结构光技术实现手术导航的系统：包括dicom模块、术前策划模块、三维扫描模块、无标记注册模块、计算机辅助设计（cad）模块和计算机视觉增强模块；

dicom模块：用于将术前获得的核磁共振或ct扫描等数据转换为dicom数据格式；

术前策划模块：根据dicom模块提供的数据构建术前模型，然后根据术前模型设计手术进针点和穿刺路线，进而计算出进针点到血肿中心的长度；

三维扫描模块：用实时深度扫描相机1发出、接收结构光，对存在手术器械2的术区实时点云扫描，并获取术区点云文件；实时深度扫描相机1位于手术部位法线的垂线和手术器械轴线的中间二分夹角上，其最佳深度控制在80-300cm；

无标记注册模块：用于将三维扫描模块获得术区点云文件与术前模型进行无标记注册配准；重新建立手术部位的三维模型，获取手术器械2与手术部位内部结构的实时相对空间关系，实现对手术器械的定位追踪；

显示模块：采用3d显示器显示术中病灶和手术器械2的相对空间关系或采用2d显示器通过软件进行多视角显示术中病灶和手术器械2的相对空间关系；手术器械2以探针方式显示；根据显示器显示的探针移动即可监视手术器械2的移动；

计算机辅助设计（cad）模块：用于创建三维模型，辅助术前策划模块和无标记注册模块构建三维模型；还可以进行三维模型的布尔运算，辅助术前策划模块设计手术；

计算机视觉增强模块：用于多视角三维增强现实显示，辅助术前策划模块、无标记注册模块和计算机辅助设计（cad）模块以精确定位病灶和操作器械的相对空间关系。