CN106214256A - 一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法，系统包括结构光三维扫描系统、光学定位系统、标定板和图形工作站。所述无标记点光学手术导航系统通过结构光三维扫描连续获取患者手术区域表面信息，从而获取患者表面三维坐标，通过患者实时表面三维坐标与患者术前三维医学图像注册得到坐标转换关系，同时通过所述近红外光学定位系统实时跟踪手术器械位置，最后在显示设备实时显示患者手术部位三维医学图像和手术工具。本发明实现患者无需标记点的光学手术导航，无需医生手工进行标记点注册，减少操作过程及手术时间，解决标记点掉落的问题，同时方便在某些手术部位不方便粘贴标记点的场合使用。

Description

一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助手术导航领域，尤其是指一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法。

背景技术

手术导航系统是外科手术治疗精准化和微创化的重要发展方向，光学手术导航技术是应用最广泛的一种手术导航技术。粘贴标记点有着比相对机械固定装置创伤小、操作简单，比解剖标记的精度高而被广泛采用，光学导航通过跟踪患者身上及手术工具上的标记点进行跟踪定位。在术前通过术三维医学图像确定标记点和病灶位置；术中光学手术导航通过定位系统通过跟踪患者身上的标记点，实时获取患者位姿，与术前三维医学图像注册将其转换到图像坐标系中显示。

在导航前，医生必须手工依次点击患者身上标记点及图像空间标记点来进行标记点的注册，操作过程繁琐费时；并且，在选取标记点的过程受标记点移动、个体差异性等因素影响，存在较大的误差，导致手术注册精度不能满足临床要求时，需重复注册过程。

同时，现有手术导航还存在以下不足：首先，且在导航过程中会发生掉落，需要重新注册；其次，标记点光线被遮挡会发生遮挡；另外，某些手术部位不方便粘贴标记点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法，实现患者无标记点的光学手术导航。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案，如下：

一种无标记点光学手术导航系统，包括：

结构光三维扫描系统，用于扫描获取结构光坐标系下患者手术部位表面三维点云；

光学定位系统，通过跟踪手术工具上标记物跟踪手术工具在定位坐标系下位姿；

标定板，用于标定所述结构光三维扫描系统和光学定位系统的摄像机内外部参数，及结构光坐标系与定位坐标系坐标转换关系；

图形工作站，用于配准术前患者三维医学图像中手术部位表面点云与术中结构光扫描得到患者表面点云，得到结构光坐标系到图像坐标系坐标转换，计算定位坐标系到图像坐标系坐标转换，在显示设备实时可视化显示患者三维图像与手术工具位姿。

所述结构光三维扫描系统中的摄像机具有近红外采集功能。

所述光学定位系统为近红外光定位系统。

所述标定板由近红外LED点阵构成，能够同时被可视化相机和近红外相机采集。

本发明上述无标记点光学手术导航系统的导航方法，包括以下步骤：

1)术前拍摄患者手术部位三维医学图像，提取图像坐标系下手术部位表面三维点云；

2)通过结构光三维扫描系统实时获取结构光坐标系下患者手术部位表面三维点云，转换到全局坐标系下，配准得到图像坐标系与全局坐标系转换关系；

3)通过光学定位系统跟踪手术工具在定位系统下位姿，转换到全局坐标系下；

4)通过步骤2)中转换关系计算图像坐标系下手术工具位姿，在显示设备实时显示患者手术部位三维医学图像和手术工具。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明实现患者无需标记点的光学手术导航，无需医生手工进行标记点注册，减少操作过程及手术时间，解决标记点掉落的问题，同时方便在某些手术部位不方便粘贴标记点的场合使用。

附图说明

图1为本发明实施例的无标记点手术导航系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供的无标记点光学手术导航系统，包括结构光三维扫描系统、光学定位系统、标定板(图中未画出)和图形工作站6。

所述结构光三维扫描系统包括可视化摄像机2、可视化摄像机4和投影仪5，建立结构光坐标系，图形工作站6控制投影仪5连续投影结构光至患者手术区域，并控制可视化摄像机2、可视化摄像机4同步采集患者表面结构光图像；通过三角测量原理，计算得到结构光坐标系下患者手术部位表面三维点云。

所述可视化摄像机2、可视化摄像机4具有近红外采集功能。

所述光学定位系统包括近红外摄像机1、近红外摄像机3，建立定位坐标系，所述近红外摄像机1由与可视化摄像机同型号摄像机、近红外LED和近红外滤光片构成，近红外LED发射近红外光照射手术工具上标记物，反射的近红外光被近红外摄像机1、近红外摄像机3采集，通过计算手术工具上标记物位置跟踪手术工具在定位坐标系下位姿。

所述标定板由近红外LED点阵构成，可同时被可视化相机和近红外相机采集，在四个摄像机视野范围移动多次，标定得到近红外摄像机1、近红外摄像机3、可视化摄像机2、可视化摄像机4内外部参数；并计算得到结构光坐标系与定位坐标系坐标转换关系。

所述图形工作站6用于术配准前患者三维医学图像中手术部位表面与术中结构光扫描得到患者表面点云，计算各坐标系转换，并在显示设备实时可视化显示患者三维图像与手术工具位姿。近红外摄像机1、近红外摄像机3、可视化摄像机2、可视化摄像机4和投影仪5分别通过线缆与图形工作站6连接。

本实施例还提供了一种无标记点光学手术导航系统的导航方法，其包括以下步骤：

1)术前拍摄患者手术部位三维医学图像，提取图像坐标系下手术部位表面三维点云；

2)通过结构光三维扫描系统实时获取结构光坐标系下患者手术部位表面三维点云，转换到全局坐标系下，配准得到图像坐标系与全局坐标系转换关系；

3)通过光学定位系统跟踪手术工具在定位系统下位姿，转换到全局坐标系下；

4)通过步骤2)中转换关系计算图像坐标系下手术工具位姿，在显示设备实时显示患者手术部位三维医学图像和手术工具。

综上所述，本发明的无标记点光学手术导航系统通过结构光三维扫描连续获取患者手术区域表面信息，从而获取患者表面三维坐标，通过患者实时表面三维坐标与患者术前三维医学图像注册得到坐标转换关系，同时通过所述近红外光学定位系统实时跟踪手术器械位置，最后在显示设备实时显示患者手术部位三维医学图像和手术工具。本发明实现患者无需标记点的光学手术导航，无需医生手工进行标记点注册，减少操作过程及手术时间，解决标记点掉落的问题，同时方便在某些手术部位不方便粘贴标记点的场合使用，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无标记点光学手术导航系统，其特征在于，包括：

结构光三维扫描系统，用于扫描获取结构光坐标系下患者手术部位表面三维点云；

光学定位系统，通过跟踪手术工具上标记物跟踪手术工具在定位坐标系下位姿；

标定板，用于标定所述结构光三维扫描系统和光学定位系统的摄像机内外部参数，及结构光坐标系与定位坐标系坐标转换关系；

图形工作站，用于配准术前患者三维医学图像中手术部位表面点云与术中结构光扫描得到患者表面点云，得到结构光坐标系到图像坐标系坐标转换，计算定位坐标系到图像坐标系坐标转换，在显示设备实时可视化显示患者三维图像与手术工具位姿。

2.根据权利要求1所述的一种无标记点光学手术导航系统，其特征在于：所述结构光三维扫描系统中的摄像机具有近红外采集功能。

3.根据权利要求1所述的一种无标记点光学手术导航系统，其特征在于：所述光学定位系统为近红外光定位系统。

4.根据权利要求1所述的一种无标记点光学手术导航系统，其特征在于：所述标定板由近红外LED点阵构成，能够同时被可视化相机和近红外相机采集。

5.一种权利要求1所述无标记点光学手术导航系统的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)术前拍摄患者手术部位三维医学图像，提取图像坐标系下手术部位表面三维点云；

2)通过结构光三维扫描系统实时获取结构光坐标系下患者手术部位表面三维点云，转换到全局坐标系下，配准得到图像坐标系与全局坐标系转换关系；

3)通过光学定位系统跟踪手术工具在定位系统下位姿，转换到全局坐标系下；

4)通过步骤2)中转换关系计算图像坐标系下手术工具位姿，在显示设备实时显示患者手术部位三维医学图像和手术工具。