CN110537985A - 用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置及方法 - Google Patents

用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置，包括：俯卧垫，其内嵌有基准标记定位器，侧方设有接口；侧悬臂，其通过接口与俯卧垫连接，顶端固定有数据采集器，数据采集器朝向下方且正对患者背部手术区域，包括中央摄像头和四个围绕中央摄像头的激光发射器，提供真实环境；医学影像设备，其用于显示俯卧垫及患者的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行匹配和校准。本发明还提供了一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位方法。本发明的有益效果：解决脊柱手术过程中尤其是微创手术过程中，手术不能充分暴露、定位难的问题，能有效提高手术精度、缩短手术时间、降低放射剂量和减少患者创伤。

Description

用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置及方法。
背景技术
“微创化”是手术发展的必然趋势，如何使微创手术“精准化”是目前亟待解决的问题。目前骨科微创仍依靠二维X线透视引导及术者的自身经验，存在学习曲线长、体表穿刺点定位不准确、手术时间延误、穿刺失误导致重要结构损伤及过多X线透视伴随潜在辐射等问题，在脊柱微创手术尤其突出。
影像导航技术是90年代随着计算机技术和影像学的发展而产生的，由于微创已成为外科手术的发展方向和必然趋势，影像导航极大地促进了外科手术向这一方向的发展。目前导航技术将CT/MRI/X光医学影像图像事先输入导航系统计算机内，在外科手术过程当中，手术器械在人体的解剖位置，会在计算机显示屏实时虚拟显示病人医学影像上，告诉医生手术器械在人体的具体解剖位置。这种导航系统是只绘制叠加了虚拟手术器械的标准断层图像，不能直接对应到真实手术场景中。由于绘制的导航图像与手术场景相分离，医生需在导航屏幕和手术部位之问来回切换视野。且由于设备昂贵，操作复杂，不利于在推广。加之，现有的导航系统是固定在患者身上，还需要有创定位，不能满足脊柱微创手术的需求。
增强现实是一种通过各种手段将数字化虚拟信息叠加到真实场景的一种技术，可让术者更直观地看观察患者体内结构，包括骨骼、血管、神经等。由于微创手术无法像开放手术一样看到患者体内结构，该技术对于微创技术尤为重要。国内外目前相关医学应用研究较为有限，主要集中在神经外科(肿瘤病变、血管病变、非肿瘤非血管病变)、颌面外科、普外科、泌尿外科等领域，在骨科亦有少量报道。增强现实技术涉及三个空间(真实场景空间、视频场景空间、医学影像空间)，而目前的医学导航系统仅涉及两个空间(真实场景空间、医学影像空间)。因此，增强现实技术需要三个空间的精准匹配，其匹配难度相较于医学导航系统来说更为复杂。目前未有成熟的增强现实技术脊柱空间坐标系定位装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置及方法，解决手术过程中尤其是微创手术过程中，手术不能充分暴露、定位难的问题，能够有效提高手术精度、缩短手术时间、降低放射剂量和减少患者的创伤。
本发明提供了一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置，包括：
俯卧垫，其用于患者俯卧，所述俯卧垫内嵌有用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器，所述俯卧垫侧方设有接口；
侧悬臂，其通过所述接口与所述俯卧垫连接，所述侧悬臂顶端固定有数据采集器，所述数据采集器朝向下方且正对患者背部手术区域，所述数据采集器包括中央摄像头和四个围绕所述中央摄像头的激光发射器，四个激光发射器投射在患者背部表面形成医学影像可识别的投射标记定位器，所述中央摄像头实时采集患者手术区域的真实影像，同时捕捉患者背部以及背部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
医学影像设备，其用于显示所述俯卧垫及患者的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行所述基准标记定位器和所述投射标记定位器的匹配和校准。
作为本发明进一步的改进，所述基准标记定位器为内嵌于所述俯卧垫中的定位网格和点阵。
作为本发明进一步的改进，所述投射标记定位器为贴附在患者背部表面的定位网格和点阵。
作为本发明进一步的改进，所述俯卧垫采用碳纤维增强复合材料。
作为本发明进一步的改进，所述数据采集器还包括被动式红外定位器，用于供红外追踪设备对整个脊柱空间坐标系定位装置的位置进行追踪。
作为本发明进一步的改进，所述医学影像设备为薄层CT设备。
本发明提供了一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位方法，包括：
步骤1，手术前，在俯卧垫中内嵌用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器，患者俯卧在所述俯卧垫上，侧悬臂通过所述俯卧垫侧方的接口与所述俯卧垫连接；
步骤2，将所述侧悬臂上的数据采集器朝向下方且正对患者背部的手术区域，所述数据采集器的四个激光发射器投射在患者背部，在患者背部表面形成四个投射激光点作为投射标记定位器，在患者背部表面的投射标记定位器上贴附医学影像可识别的定位网格和点阵，完成术前定位标记；
步骤3，从所述接口上拆除所述侧悬臂，四个激光发射器投射激光在患者背部，当四个投射激光点与术前贴附在患者背部表面的投射标记定位器重合时，认为术前和术中患者体位一致；
步骤4，医学影像设备开始图像扫描，患者与所述俯卧垫进入医学影像设备中，医学影像设备将扫描到的图像进行三维重建，此时，内嵌于所述俯卧垫中的定位网格和点阵以及患者背部贴附的定位网格和点阵同时显像在三维医学影像图像中，提供虚拟环境；
步骤5，手术中，患者俯卧在所述俯卧垫上，将所述侧悬臂通过所述接口与所述俯卧垫连接，将所述数据采集器朝向下方且正对患者背部的手术区域，四个激光发射器投射在患者背部，将患者背部的投射激光点与术前定位标记进行对准，完成术前和术中的匹配，匹配完成后，所述数据采集器的中央摄像头实时采集患者手术区域的真实影像，同时捕捉患者背部以及背部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
步骤6，所述医学影像设备将虚拟环境中的患者背部表面的定位网格和点阵叠加于真实环境中，进行匹配和校准，当虚拟环境中的患者背部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者背部表面的定位网格和点阵完全重合时，认定定位准确；当虚拟空间的患者背部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者背部表面的定位网格和点阵存在偏差时，认定定位存在误差，提示需要进行实时图像的匹配和校准。
作为本发明进一步的改进，还包括：在虚拟环境中输入手术入路通道，将手术入路的虚拟通道显示在患者背部的手术区域的真实环境中，对手术进行引导。
作为本发明进一步的改进，还包括：通过所述数据采集器的被动式红外定位器，对所述俯卧垫、所述侧悬臂和所述医学影像设备的位置进行红外追踪。
本发明的有益效果为：
本发明的增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置，通过俯卧垫中和患者背部的定位网格和点阵与计算机中患者三维医学影像图像建立对应关系进行匹配，使得手术器械可以进行手术区域的定位跟踪。在手术过程中，还可以将手术器械的实时图像与术前MRI、CT、PET/CT等扫描图像进行融合，进行实时图像的匹配和校准，以减少患者由于体位变化造成网格或点阵的相对位移的误差。
采用本发明的增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置，医生可通过术中增强现实图像直观的确认手术区域和手术路径，达到精准定位的要求，提高手术精度，减少手术时间，降低手术风险。
本发明的增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置解决了增强现实脊柱手术系统的匹配难题，为增强现实技术涉及的三个空间(真实场景空间、视频场景空间、医学影像空间)提供了空间坐标定位及匹配基准。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置的结构示意图；
图2为图1中接口的放大图；
图3为图1中侧悬臂2的放大图；
图4为图3中数据采集器的放大图。
图中，
1、俯卧垫；2、侧悬臂；3、接口；4、数据采集器；5、基准标记定位器；6、手术区域；7、中央摄像头；8、激光发射器。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
增强现实是一种将数字化虚拟信息叠加到真实场景的一种技术，将这种技术引入手术导航中，可让术者更直观地看观察患者体内结构信息。增强现实手术系统涉及三大空间：患者影像信息空间虚拟空间，手术区域真实空间，屏幕或增强现实眼镜呈现出的空间显像空间。由于需要对三大空间进行匹配，其对于跟踪装置和图像匹配技术和定位装置的要求较导航技术高，要求定位系统在三个空间均能准确显像以供三个空间进行配准。本发明主要涉及到图像匹配技术和定位装置上，即通过无创的方法将医学影像图像、患者的实际解剖结构、显像图像建立相对应的匹配关系和进行定位的装置和方法。
实施例1，如图1所示，本发明实施例所述的一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置，包括：俯卧垫1、侧悬臂2和医学影像设备。在进行手术，特别是微创手术时，可以采用本实施例所述的脊柱空间坐标系定位装置进行导航定位。采用的是增强现实技术，将患者背部的手术区域定位位置直接映射到医学影像设备上，形成导航图像，在显示设备上显示，以便医生可以同时看到导航图像和手术场景，从而能够更为直观的了解手术场景中手术器械与患者手术区域的空间位置关系。
俯卧垫1用于患者俯卧，在材质选择上要求可用于CT及MRI等扫描，成像清晰无伪影，例如采用碳纤维增强复合材料。对于俯卧垫1的外形设计，需要符合人体俯卧位时生理曲线，满足影像检查及手术中体位要求，且可以保持影像检查和手术中患者体位的一致性。俯卧垫1内嵌有用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器5，该基准标记定位器5为分布的CT可识别、可用于构建坐标系的定位网格和点阵。俯卧垫1侧方设有接口3，接口的放大图如图2所示。
侧悬臂2设计为可拆卸结构，通过接口3与俯卧垫1连接，便于进入CT等设备完成影像检查。如图3所示，侧悬臂2顶端固定有数据采集器4，可集成激光发射器、摄像头、以及被动式红外定位器。数据采集器4朝向下方且正对患者背部手术区域6，如图4所示，数据采集器4包括中央摄像头7和四个围绕中央摄像头的激光发射器8，数据采集器4使用锂电池供电，可实时无线传输数据。四个激光发射器8用于患者背部手术区域的皮肤激光投射定位，激光投射在患者背部表面形成医学影像可识别的投射标记定位器。术前固定好体位后，通过激光发射器投射到背部皮肤四个点，通过定位网格和点阵予以标记，并贴附在患者背部表面形成投射标记定位器。术中对四个标记点进行手动配准，四个标记点与激光投射器重合，可认为术前和术中患者体位一致。中央摄像头7实时采集患者手术区域6的真实影像，同时捕捉患者背部以及背部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境。数据采集器4还包括被动式红外定位器，用于供红外追踪设备对整个脊柱空间坐标系定位装置的位置进行追踪。
医学影像设备用于显示俯卧垫1及患者的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行基准标记定位器5和投射标记定位器的匹配和校准。医学影像设备为薄层CT设备，不需要额外安装。目前导航系统中的影像数据的问题是，患者术前的CT数据，和术中的体位不一致，导致术前的CT数据不能精确的反映患者术中的状态，采用实施例中的脊柱空间坐标系定位装置，可以解决CT影像数据的这个问题。手术器械的实时追踪可根据脊柱空间坐标系定位装置的定位功能进行，医生可以观察患者的影像及手术器械的目标位置在患者影像中的位置，移动手术器械，逐渐靠近目标位置，完成导航。医学影像设备还可以预先存储患者的影像，当该患者进行手术时，可以直接从数据库中读取预先存储的影像。
本实施例的脊柱空间坐标系定位装置的俯卧垫1可以拆除侧悬臂2，术前让患者趴在俯卧垫1上，一起进入CT设备采集CT数据。术中患者也躺在俯卧垫1上，使得术中和术前，患者和俯卧垫的位置固定，确保匹配精度。通过设计侧悬臂2，使得患者术前和术中两次趴在俯卧垫1上的位置保持一致，完成术前和术中的匹配。
实施例2，一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位方法，包括：
步骤1，手术前，在俯卧垫1中内嵌用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器5，患者俯卧在俯卧垫1上，侧悬臂2通过俯卧垫1侧方的接口3与俯卧垫1连接。
步骤2，将侧悬臂2上的数据采集器4朝向下方且正对患者背部的手术区域6，数据采集器4的四个激光发射器8投射在患者背部，在患者背部表面形成四个投射激光点作为投射标记定位器，在患者背部表面的投射标记定位器上贴附医学影像可识别的定位网格和点阵，完成术前定位标记。
步骤3，从接口3上拆除侧悬臂2，四个激光发射器8投射激光在患者背部，当四个投射激光点与术前贴附在患者背部表面的投射标记定位器重合时，认为术前和术中患者体位一致。
步骤4，医学影像设备开始图像扫描，例如可以进行MRI、CT、PET/CT等图像扫描，患者与俯卧垫1进入医学影像设备中，医学影像设备将扫描到的图像进行三维重建，此时，内嵌于俯卧垫1中的定位网格和点阵以及患者背部贴附的定位网格和点阵同时显像在三维医学影像图像中，与患者的解剖结构建立相对固定的空间位置关系，提供虚拟环境。
步骤5，手术中，患者俯卧在俯卧垫1上，将侧悬臂2通过接口3与俯卧垫1连接，将数据采集器4朝向下方且正对患者背部的手术区域6，四个激光发射器8投射在患者背部，将患者背部的投射激光点与术前定位标记进行对准，完成术前和术中的匹配，匹配完成后，数据采集器4的中央摄像头7实时采集患者手术区域6的真实影像，同时捕捉患者背部以及背部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境。
步骤6，医学影像设备将虚拟环境中的患者背部表面的定位网格和点阵叠加于真实环境中，进行匹配和校准，当虚拟环境中的患者背部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者背部表面的定位网格和点阵完全重合时，认定定位准确；当虚拟空间的患者背部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者背部表面的定位网格和点阵存在偏差时，认定定位存在误差，提示需要进行实时图像的匹配和校准。
进一步的，医学影像设备中的三维图像中的定位网格和点阵，由于带有精确的尺寸，因此在计算机识别系统里，可以对患者的三维图像上定位网格和点阵进行自动识别，医生可在计算机中做手术计划，并输入手术入路，将手术入路的虚拟通道显示在患者背部的手术区域6的真实环境中。在微创手术中，医生可通过增强现实显像，进行穿刺定位或其他对手术区域进行精准定位手术需求，进而替代有创的人体定位部件。
进一步的，在术前或手术过程中，可以通过数据采集器4的被动式红外定位器，对俯卧垫1、侧悬臂2和医学影像设备的位置进行红外追踪。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位装置，其特征在于，包括：
俯卧垫(1)，其用于患者俯卧，所述俯卧垫(1)内嵌有用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器(5)，所述俯卧垫(1)侧方设有接口(3)；
侧悬臂(2)，其通过所述接口(3)与所述俯卧垫(1)连接，所述侧悬臂(2)顶端固定有数据采集器(4)，所述数据采集器(4)朝向下方且正对患者背部手术区域(6)，所述数据采集器(4)包括中央摄像头(7)和四个围绕所述中央摄像头的激光发射器(8)，四个激光发射器(8)投射在患者背部表面形成医学影像可识别的投射标记定位器，所述中央摄像头(7)实时采集患者手术区域(6)的真实影像，同时捕捉患者背部以及背部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
医学影像设备，其用于显示所述俯卧垫(1)及患者的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行所述基准标记定位器(5)和所述投射标记定位器的匹配和校准。
2.根据权利要求1所述的脊柱空间坐标系定位装置，其特征在于，所述基准标记定位器(5)为内嵌于所述俯卧垫(1)中的定位网格和点阵。
3.根据权利要求1所述的脊柱空间坐标系定位装置，其特征在于，所述投射标记定位器为贴附在患者背部表面的定位网格和点阵。
4.根据权利要求1所述的脊柱空间坐标系定位装置，其特征在于，所述俯卧垫(1)采用碳纤维增强复合材料。
5.根据权利要求1所述的脊柱空间坐标系定位装置，其特征在于，所述数据采集器(4)还包括被动式红外定位器，用于供红外追踪设备对整个脊柱空间坐标系定位装置的位置进行追踪。
6.根据权利要求1所述的脊柱空间坐标系定位装置，其特征在于，所述医学影像设备为薄层CT设备。
7.一种用于增强现实手术系统的脊柱空间坐标系定位方法，其特征在于，包括：
步骤1，手术前，在俯卧垫(1)中内嵌用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器(5)，患者俯卧在所述俯卧垫(1)上，侧悬臂(2)通过所述俯卧垫(1)侧方的接口(3)与所述俯卧垫(1)连接；
步骤2，将所述侧悬臂(2)上的数据采集器(4)朝向下方且正对患者背部的手术区域(6)，所述数据采集器(4)的四个激光发射器(8)投射在患者背部，在患者背部表面形成四个投射激光点作为投射标记定位器，在患者背部表面的投射标记定位器上贴附医学影像可识别的定位网格和点阵，完成术前定位标记；
步骤3，从所述接口(3)上拆除所述侧悬臂(2)，四个激光发射器(8)投射激光在患者背部，当四个投射激光点与术前贴附在患者背部表面的投射标记定位器重合时，认为术前和术中患者体位一致；
步骤4，医学影像设备开始图像扫描，患者与所述俯卧垫(1)进入医学影像设备中，医学影像设备将扫描到的图像进行三维重建，此时，内嵌于所述俯卧垫(1)中的定位网格和点阵以及患者背部贴附的定位网格和点阵同时显像在三维医学影像图像中，提供虚拟环境；
步骤5，手术中，患者俯卧在所述俯卧垫(1)上，将所述侧悬臂(2)通过所述接口(3)与所述俯卧垫(1)连接，将所述数据采集器(4)朝向下方且正对患者背部的手术区域(6)，四个激光发射器(8)投射在患者背部，将患者背部的投射激光点与术前定位标记进行对准，完成术前和术中的匹配，匹配完成后，所述数据采集器(4)的中央摄像头(7)实时采集患者手术区域(6)的真实影像，同时捕捉患者背部以及背部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
步骤6，所述医学影像设备将虚拟环境中的患者背部表面的定位网格和点阵叠加于真实环境中，进行匹配和校准，当虚拟环境中的患者背部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者背部表面的定位网格和点阵完全重合时，认定定位准确；当虚拟空间的患者背部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者背部表面的定位网格和点阵存在偏差时，认定定位存在误差，提示需要进行实时图像的匹配和校准。
8.根据权利要求7所述的脊柱空间坐标系定位方法，其特征在于，还包括：在虚拟环境中输入手术入路通道，将手术入路的虚拟通道显示在患者背部的手术区域(6)的真实环境中，对手术进行引导。
9.根据权利要求7所述的脊柱空间坐标系定位方法，其特征在于，还包括：通过所述数据采集器(4)的被动式红外定位器，对所述俯卧垫(1)、所述侧悬臂(2)和所述医学影像设备的位置进行红外追踪。
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