CN107088091A - 一种辅助骨科手术的手术导航系统及导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计算机辅助导航系统领域，公开了一种辅助骨科手术的手术导航系统及导航方法，所述手术导航系统包括手术导航工具、位置跟踪仪、导航系统显示屏和工作站，其特征在于，还包括空间监测镜头和图像处理模块，所述空间监测镜头包括陀螺仪模组、广角不畸变镜头和单个高速红外相机，所述单个高速红外相机用于捕捉三维空间骨骼位置的变化，所述陀螺仪模组用于标定患者的标准体位；所述图像处理模块用于对患者手术前的二维影像资料、患者手术部位肢体运动的轨迹和手术器械运动轨迹的三维运动信息进行三维重建；本发明具有导航精准、可近台安置、安装便捷、注册快速简易的优点。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助导航系统领域，尤其涉及一种辅助骨科手术的手术导航系统及导航方法。
背景技术
计算机辅助导航系统已成为现代外科技术的重要组成部分，帮助术者更精确、更安全地进行多种复杂手术，在骨科各个方面具有许多不可替代的优越性。因其精确性、安全性、低辐射等特点使其在临床实践中逐渐得到广泛应用。可用于引导医生进行手术训练、制定手术计划、实时导航手术器械和减少病人创伤。在人工关节置换领域，计算机辅助，使截骨更准确，假体安装更精确，术后力线恢复更接近生理状态。
目前我国的大多数手术导航市场被国外设备占据，国产设备难以抗衡，导航设备普遍价格昂贵，因此难以得到广泛的普及，进而导致导航手术开展率不高。我国手术导航市场潜力巨大，自主研制国产手术导航设备具有重大的意义。
尽管计算机导航有很好的优势，但是其仍然存在着如下问题：
1.硬件设备庞大，占用手术室空间；
2.因设备体积所限，不能临台设置，在使用过程中易出现视野遮挡，而不能实现导航；
3.设备安装及术中注册费时；
4.设备价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种辅助骨科手术的手术导航系统及导航方法，本发明在关节置换术中具有精准导航、体积小巧、可近台安置，避免术中视野遮挡而造成的监测中断，安装便捷，注册快速简易的优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种辅助骨科手术的手术导航系统，所述手术导航系统包括手术导航工具、位置跟踪仪、导航系统显示屏和工作站，其特征在于，还包括空间监测镜头和图像处理模块，所述空间监测镜头包括陀螺仪模组、广角不畸变镜头和单个高速红外相机，所述单个高速红外相机用于捕捉三维空间骨骼位置的变化，实现空间定位，所述陀螺仪模组用于标定患者的标准体位，实现角度定位；所述图像处理模块用于对患者手术前的二维影像资料、患者手术部位肢体运动的轨迹和手术器械运动轨迹的三维运动信息进行三维重建。
进一步地，所述手术导航工具通过发射或反射光信号来确定手术工具的位置，所述位置跟踪仪用于接收光电信号，监测及追踪手术器械的位置，所述导航系统显示屏能够在术中实时反映手术器械的位置及患者的影像数据，所述工作站将虚拟坐标系与实际坐标系通过计算匹配。
优选地，所述导航系统采用光学定位系统，所述光学定位系统通过可见光或红外光范围内对标志点进行识别，实现空间定位。
进一步地，所述相机为针孔摄像机模型，一幅视图是通过透视变换将三维空间中的点投影到图像平面。
本发明还提出了一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，包括：
步骤一：将患者影像学资料导入电脑所述导航系统的上位机软件，进行术前虚拟影像重构，并在虚拟界面中进行术前计划设定；
步骤二：于病人肢体上安装与骨骼刚性构造的基底平台，将所述空间监测镜头安装在基底平台上；
步骤三：安装骨骼标定器，通过监测骨性标志及关节活动轨迹，所述导航系统获得骨性标志位置及基本轴线；
步骤四：予以手术野暴露，通过导针对骨骼标志点的标定，形成空间点云，采用三维配准算法，建立实体骨骼与虚拟影像的对应；
步骤五：对虚拟影像的观察而获知实体骨骼的空间位置，进行截骨及假体的置入；
步骤六：通过记录关节活动轨迹，所述导航系统计算获得的参数与假体置入前情况的对比，评估解剖数据的恢复过程；
步骤七：通过所述导针对假体位置的标定，再次验证假体的位置；
进一步地，所述步骤一中，所述影像学资料包括X线和CT，所述虚拟影像重构是指对所述影像学资料的二维图像重建出患者手术部位骨骼的三维图像，所述术前计划设定包括计算股骨机械轴和旋转中心。
优选地，所述步骤三中，所述骨骼标定器包括固定导针，所述步骤五中，通过安装工具进行假体的置入，所述安装工具包括定位球模组和磁吸。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1.导航设备体积明显缩小，本发明采用景深摄像头取代原双摄像头来捕捉三维空间的骨骼位置变化，原双目摄像头间需一定的空间布局，导致所占空间较大，不便于设备体积的缩小；
2.导航设备近台置放，避免术中影像捕捉路径的遮挡，因设备小巧，可直接安装在手术野附近，对术者的站位影像小，操作空间更广阔；
3.通过肢体运动轨迹的监测，自动拟定关节活动中心、活动界面，并获知肢体长度的信息，并可结合骨骼标志点的注册，建立三维虚拟影像的对应关系，为术者截骨、骨面处理及假体置放提供三维信息。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种辅助骨科手术的手术导航方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的空间监测镜头的结构示意图；
其中，图中附图标记为：1-空间监测镜头，2-陀螺仪模组，3-广角不畸变镜头，4-高速红外相机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
一种辅助骨科手术的手术导航系统，所述手术导航系统包括手术导航工具、位置跟踪仪、导航系统显示屏和工作站，其特征在于，还包括空间监测镜头1和图像处理模块，如图2所示，所述空间监测镜头1包括陀螺仪模组2、广角不畸变镜头3和单个高速红外相机4，所述单个高速红外相机4用于捕捉三维空间骨骼位置的变化，实现空间定位，所述陀螺仪模组2用于标定患者的标准体位，实现角度定位；所述图像处理模块用于对患者手术前的二维影像资料、患者手术部位肢体运动的轨迹和手术器械运动轨迹的三维运动信息进行三维重建。
进一步地，所述手术导航工具通过发射或反射光信号来确定手术工具的位置，所述位置跟踪仪用于接收光电信号，监测及追踪手术器械的位置，所述导航系统显示屏能够在术中实时反映手术器械的位置及患者的影像数据，所述工作站将虚拟坐标系与实际坐标系通过计算匹配。
优选地，所述导航系统采用光学定位系统，所述光学定位系统通过可见光或红外光范围内对标志点进行识别，实现空间定位。
进一步地，所述相机为针孔摄像机模型，一幅视图是通过透视变换将三维空间中的点投影到图像平面。
如图1所示的流程示意图，一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，包括：
步骤S101：将患者影像学资料(包括X线和CT)导入电脑所述导航系统的上位机软件；
步骤S102：进行术前虚拟影像重构，并在虚拟界面中进行术前计划设定，包括计算股骨机械轴和旋转中心；
步骤S103：于病人肢体上安装与骨骼刚性构造的基底平台，将所述空间监测镜头安装在所述基底平台上，在陀螺仪的辅助下标定患者的标准体位；安装骨骼标定器，通过监测骨性标志及关节活动轨迹，所述导航系统获得骨性标志位置及基本轴线，从而计算出关节旋转中心、颈干角、股骨颈前倾角、股骨偏心距、双侧肢体长度差异等参数；
步骤S104：予以手术野暴露，通过导针对骨骼标志点的标定，形成空间点云，采用三维配准算法，建立实体骨骼与虚拟影像的对应；
步骤S105：对虚拟影像的观察而获知实体骨骼的空间位置，进行截骨及假体的置入；
通过记录关节活动轨迹，导航设备计算获得的参数与假体置入前情况的对比，评估解剖数据的恢复过程，理想的术后效果包括：
①术侧关节旋转中心恢复，与健侧旋转中心位于同一水平；
②术侧肢体与健侧肢体等长(即双侧股骨小转子与各自的髋关节旋转中心垂直距离一致)；
③髋臼杯前倾角15°、外展角40°至45°；
④偏心距恢复，外展不会产生撞击；
⑤关节活动良好，后伸、外展张力适中，屈曲、内收不发生脱位(适用于最常用的后外侧入路)。
通过所述导针对假体位置的标定，再次验证假体的位置；最后，关闭手术切口。
所述步骤S101中，所述影像学资料包括X线和CT，所述虚拟影像重构是指对所述影像学资料的二维图像重建出患者手术部位骨骼的三维图像，所述术前计划设定包括计算股骨机械轴和旋转中心。
所述步骤S103中，所述骨骼标定器包括固定导针。
所述步骤S105中，通过安装工具进行假体的置入，所述安装工具包括定位球模组和磁吸。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种辅助骨科手术的手术导航系统，所述手术导航系统包括手术导航工具、位置跟踪仪、导航系统显示屏和工作站，其特征在于，还包括空间监测镜头(1)和图像处理模块，所述空间监测镜头(1)包括陀螺仪模组(2)、广角不畸变镜头(3)和单个高速红外相机(4)，所述单个高速红外相机(4)用于捕捉三维空间骨骼位置的变化，实现空间定位，所述陀螺仪模组(2)用于标定患者的标准体位，实现角度定位；所述图像处理模块用于对患者手术前的二维影像资料、患者手术部位肢体运动的轨迹和手术器械运动轨迹的三维运动信息进行三维重建。
2.根据权利要求1所述的一种辅助骨科手术的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航工具通过发射或反射光信号来确定手术工具的位置，所述位置跟踪仪用于接收光电信号，监测及追踪手术器械的位置，所述导航系统显示屏能够在术中实时反映手术器械的位置及患者的影像数据，所述工作站将虚拟坐标系与实际坐标系通过计算匹配。
3.根据权利要求2所述的一种辅助骨科手术的手术导航系统，其特征在于，所述导航系统采用光学定位系统，所述光学定位系统通过可见光或红外光范围内对标志点进行识别，实现空间定位。
4.根据权利要求1所述的一种辅助骨科手术的手术导航系统，其特征在于，所述相机为针孔摄像机模型，一幅视图是通过透视变换将三维空间中的点投影到图像平面。
5.一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，包括：
步骤一：将患者影像学资料导入电脑所述导航系统的上位机软件，进行术前虚拟影像重构，并在虚拟界面中进行术前计划设定；
步骤二：于病人肢体上安装与骨骼刚性构造的基底平台，将所述空间监测镜头(1)安装在基底平台上；
步骤三：安装骨骼标定器，通过监测骨性标志及关节活动轨迹，所述导航系统获得骨性标志位置及基本轴线；
步骤四：予以手术野暴露，通过导针对骨骼标志点的标定，形成空间点云，采用三维配准算法，建立实体骨骼与虚拟影像的对应；
步骤五：对虚拟影像的观察而获知实体骨骼的空间位置，进行截骨及假体的置入；
步骤六：通过记录关节活动轨迹，所述导航系统计算获得的参数与假体置入前情况的对比，评估解剖数据的恢复过程；
步骤七：通过所述导针对假体位置的标定，再次验证假体的位置。
6.根据权利要求5所述的一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，所述步骤一中，所述影像学资料包括X线和CT。
7.根据权利要求5所述的一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，所述步骤一中，所述虚拟影像重构是指对所述影像学资料的二维图像重建出患者手术部位骨骼的三维图像。
8.根据权利要求5所述的一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，所述步骤一中，所述术前计划设定包括计算股骨机械轴和旋转中心。
9.根据权利要求5所述的一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，所述步骤三中，所述骨骼标定器包括固定导针。
10.根据权利要求5所述的一种辅助骨科手术的手术导航方法，其特征在于，所述步骤五中，通过安装工具进行假体的置入，所述安装工具包括定位球模组和磁吸。
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