CN101984931A - 股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，包括有影像工作站、光学定位追踪仪及刚性定位工具，所述影像工作站装有专用的软件包并与光学定位追踪仪相连，其上设有视频输入接口和视频输出接口，所述视频输入接口可连接图像输入设备，将视频影像和导航影像并列显示，视频输出接口可与监视器相连，可在术中输出显示及记录手术过程，光学定位追踪仪与影像工作站相连，通过固定于配准探针、手术工具和患体上的刚性定位工具反射的红外线实时跟踪配准探针、手术工具和患体的具体位置。本系统可以有效的完成对股骨头无菌性坏死进行微创手术，并且在不影响手术效果的条件下，准确的切除病灶且尽量减少对正常组织的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算机辅助导航系统，特别涉及一种股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统。
背景技术
医学理论和医疗技术的不断进步与发展，使外科手术朝着精细、微创的方向发展。而传统医学知识由于技术上存在的种种不足，难于实现高精度、小切口的手术方案。计算机辅助手术（Computer Aided Surgery, CAS）就是针对传统手术中的不足，运用工程技术加以改进，辅助手术进行，提高手术质量，成为微创外科的重要组成部分。计算机技术的发展十分迅速，并不断深入各个领域。在医学领域，CT、MRI等成像技术的引入，为诊断、治疗提供了大量的信息，使原来不可见的部分变为可见，出现了影像导航外科这一崭新的领域，大大的推动了临床诊断、手术等方面的进步。二十世纪九十年代以来，随着计算机图形学、图像学的发展，以及计算机图形处理速度的迅速提高，人们开始研究了从2D图像到3D图像的重建技术，重建的3D图像和基于光学定位追踪仪（Optical Tracking System）的导航技术相结合组成医疗外科手术计算机辅助导航系统。手术导航首先研究和应用于神经外科领域，这几年逐步向骨科发展，极大的促进了微创外科手术的发展。
导航手术改变了传统的外科手术模式，是传统手术理念的进步，无论给医生还是患者都带来了极大的好处：缩短手术时间；事先确定手术路线，模拟手术进行，使手术创口减至最小；减少失血量；减少并发症的发生；扩大了手术治疗的范围；提高常规手术治疗的精确度；减少外科医生X射线曝晒量。
手术导航系统的基本原理和全球跟踪定位系统GPS的原理大致相同。GPS跟踪地面目标的位置并其位置在地图上表示出来。而手术导航系统是在手术过程中跟踪手术工具的位置，并将手术工具的位置在患者术前的影像上表示出来，使医生能够直观的在患者断层影像和三维重建影像上观察到手术器械的位置，改变了传统手术中将患者胶片放在远离手术床的灯箱上显示并由医生经验判断手术路径的模式。
骨关节手术导航系统的实现一般采用光学定位方法。光学定位方法是目前使用最广泛、精度最高且最有发展前途的定位方法之一。光学系统利用红外线进行追踪定位，利用一个红外线摄像机发射和接收红外线，手术工具上安装红外线发射光电二极管或可反射红外线的小球，摄像机通过接收手术工具上发射（主动工具，带有电源连接线）或反射（被动工具，不带连接线）的红外线判断手术工具的具体位置。
股骨头与髋关节相连，髋关节是人体六大关节之一，是人体承载最大的关节，髋关节的关键部位股骨头一旦坏死，将导致髋关节功能被破坏，患者疼痛难忍，行走艰难。股骨头无菌性坏死，简称股骨头坏死，是由于大计量使用激素、长期无度饮酒、外伤等各种原因造成单侧或双侧股骨头供血障碍引起的股骨头活性成分（骨细胞、骨髓细胞、脂肪细胞等）坏死的一种常见外科疾病。股骨头坏死病变不断发展，可导致股骨头承重面受压塌陷而失去关节功能。
股骨头坏死病的治疗为当今世界医学领域里的一大难题，如何以最小的创伤达到最佳的治疗效果，是世界各国治疗股骨头无菌性坏死的骨科医生一直探讨的一个课题。目前，国内外治疗股骨头坏死病分以下两种情况：早期采用口服药物（中、西药）或微创手术治疗，但药物疗效不理想，很难治愈，所以微创手术是治疗早期股骨头坏死的发展方向；晚期以手术置换坏死的股骨头为主要医疗手段。
传统的股骨头坏死微创手术中，医生完全暴露在X光下，结合经验判断手术路径打入导针，然后沿着导针用医用钻头向股骨头坏死区钻孔，最后用专用工具将坏死区切除并植入新骨。整个过程手术时间长，很难彻底清除病灶且容易损伤正常骨组织。
由于股骨头无菌性坏死微创手术切口小，股骨暴露部分没有明显解剖结构，定位要求高，不能采用神经外科导航手术中点配准的方法进行定位。只有准确的定位，才能将手术工具相对于病灶部位的准确位置在患者的重建影像上显示出来。
发明内容
本发明是针对传统股骨头坏死微创手术的上述不足以及神经外科、膝关节、髋关节等常规的手术导航系统不能直接应用于股骨头无菌性坏死导航手术的问题，提出了一种股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，在小切口、全程监控条件下进行手术的股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，也可应用于脊柱手术、关节置换等其它骨科导航手术。
本发明的技术方案为：一种股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，包括有影像工作站、光学定位追踪仪及刚性定位工具、绝缘变压器和不间断电源，所述影像工作站上设有视频输入接口、视频输出接口、辅助输入接口、辅助输出接口，所述视频输入接口连接图像输入设备，视频输出接口与监视器相连，光学定位追踪仪与影像工作站相连，通过固定于配准探针、手术工具和患体上的刚性定位工具反射的红外线实时跟踪配准探针、手术工具和患体的具体位置，绝缘变压器给不间断电源提供基本电源，不间断电源将电压处理后给整个系统的各个部件提供可靠的电源。
所述辅助输入接口接鼠标、键盘和脚踏。
所述辅助输出接口接打印机。
所述图像输入设备为磁盘设备、光盘设备和磁带设备。
本发明的有益效果在于：本发明股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，采用面配准的方法定位和手术工具轨迹全程监控的技术，能够保证定位准确、实时导航，并且在不影响手术效果的条件下，准确的切除病灶且尽量减少对正常组织的损伤。
附图说明
图1为股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统结构示意图；
图2为运用本发明实施手术流程图。
具体实施方式
如图1所示股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统结构示意图，包括有影像工作站1、光学定位追踪仪2及刚性定位工具3、绝缘变压器4和不间断电源5。所述影像工作站1装有专用软件包9，影像工作站1上设有视频输入接口61和视频输出接口62，所述视频输入接口61可连接图像输入设备71，视频输出接口62可与监视器72相连。影像工作站1上并连接有打印机63，用于将手术过程以文本的形式输出，以及网络接口64，便于自网络上输入所需手术的影像，还连接有鼠标51、键盘52以及脚踏53，可以对影像工作站1进行操作。磁盘设备41、光盘设备42和磁带设备43，用于将病人影像传输到导航系统。光学定位追踪仪2与影像工作站1相连，通过固定于配准探针83、手术工具81和患体82上的刚性定位工具3反射的红外线实时跟踪配准探针83、手术工具81和患体82的具体位置，绝缘变压器4给不间断电源提供基本电源，不间断电源将电压处理后给整个系统的各个部件提供可靠的电源。
如图2所示，其为手术中的具体操作过程。首先扫描患者影像，CT、MRI均可。将系统按照图1所示联机，然后开机，运行预装于影像工作站1的导航软件及专用软件包9。将病人的CT或者MRI图像数据通过网络接口64、磁盘设备41、光盘设备42或磁带设备43输入到系统。接着根据扫描的断层图像重建另外两个断层的图像，即实现患者的轴状位、矢状位和冠状位的图像重建。然后重建患者的三维模型。接下来将刚性定位工具3安装于手术工具81、患体82和配准探针83上。医生采用最短最安全的路径，避开重要的血管和神经组织并尽量减少对正常骨组织的损伤制定手术计划，并将手术计划路径存储于影像工作站1中。然后进行注册配准，即将实际患者手术空间和患者术前的影像空间置于同一坐标系下形成一一对应关系，其操作为：医生使用配准探针83在患骨暴露部位随机点取足够数量的标志点形成点云，应用面配准的算法与患者影像上预先定义的对应部位的点云建立对应关系。最后实施术中导航，导航系统通过光学定位追踪仪2接收的由安装于手术工具81、患体82的刚性定位工具3反射的红外线，判断手术工具81与患体82的相对位置，由于实际手术空间和患者影像已经注册配准，系统可将手术工具81在患体82的影像上实时更新显示，并将病灶的切除部分实时反色显示。医生通过观察显示屏看到手术工具81在患体82上的位置，工具是否在手术路径上，周围有无重要神经、血管，病灶是否完全切除等。通过上述设置可以有效的完成对股骨头无菌性坏死进行微创手术，并且在不影响手术效果的条件下，准确的切除病灶且尽量减少对正常组织的损伤。
Claims (4)
1.一种股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，其特征在于，包括有影像工作站、光学定位追踪仪及刚性定位工具、绝缘变压器和不间断电源，所述影像工作站上设有视频输入接口、视频输出接口、辅助输入接口、辅助输出接口，所述视频输入接口连接图像输入设备，视频输出接口与监视器相连，光学定位追踪仪与影像工作站相连，通过固定于配准探针、手术工具和患体上的刚性定位工具反射的红外线实时跟踪配准探针、手术工具和患体的具体位置，绝缘变压器给不间断电源提供基本电源，不间断电源将电压处理后给整个系统的各个部件提供可靠的电源。
2.根据权利要求1所述股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，其特征在于，所述辅助输入接口接鼠标、键盘和脚踏。
3.根据权利要求1所述股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，其特征在于，所述辅助输出接口接打印机。
4.根据权利要求1所述股骨头无菌性坏死微创手术计算机辅助导航系统，其特征在于，所述图像输入设备为磁盘设备、光盘设备和磁带设备。
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