CN111388087A - 手术导航系统及执行手术导航方法的计算机与存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请手术导航系统包括手术器械上的空间定位标记元件、骨骼结构上的示踪器、双目摄像机和计算机，示踪器设有导航示踪面，空间定位标记元件包括导航面，双目摄像机连接计算机，将采集到的示踪器和空间定位标记元件的信息传输至计算机。本申请计算机以及计算机可读存储介质，分别存储有计算机程序，执行手术导航方法：生成骨骼和手术器械三维模型，获得示踪器配准信息和空间定位标记元件标定信息；接收双目摄像机采集到的示踪器和空间定位标记元件的实时信息；计算得到骨骼、手术器械的空间位置信息，与三维模型实时融合得到两者实时位置关系动态图像。本申请实现手术导航并无需术中配准，简化手术过程，提高了手术精准度。

Description

手术导航系统及执行手术导航方法的计算机与存储介质

【技术领域】

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种可用于骨科手术术中的骨科手术导航系统，尤其涉及一种采用3D打印示踪器以及光学定位技术相结合的骨科手术导航系统及执行导航方法的计算机与存储介质。

【背景技术】

随着现代医学和计算机技术的不断发展，医学成像技术、计算机图像处理技术正逐步应用于医学领域，计算机辅助手术技术已经成为外科手术中一个主要的发展方向，该技术延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，重新定义了外科手术和手术器械的概念。对于提高手术定位精度、减少手术损伤、减少手术时间和提高手术成功率等具有十分重要的意义。

外科手术导航系统，即采用了计算机辅助技术的手术系统，如今已经应用于脊柱、骨盆和胸椎外科、关节外科、创伤外科、骨肿瘤和矫形外科，通过数字化医学影像构造虚拟手术环境，为外科医生提供可视化的支持，使外科手术更准确、更微创、更安全。这项技术实时跟踪手术部位和手术器械，犹如为飞机和舰船导航一样，所以称为导航系统。

目前的手术导航系统普遍采用如下原理：外科医生手持经过改进的具有可跟踪标记的手术器械，对患者的手术目标部位实施手术。手术器械的立体空间定位和瞄准操作过程均在连接计算机的跟踪器监视之下，同时跟踪器要通过配准精确给出患者解剖位置与术前或术中多模图像的相对关系，从而引导医生操作手术器械，实施相应的手术操作。

手术过程一般遵循如下过程：获得术前患者影像，如CT/X光，并导入计算机系统，进行必要的处理，如消噪、3D重建；术前规划，医生根据患者的情况制定手术规划，如置钉位置、置钉角度和深度；术中配准，通过术中影像和定位跟踪器与术前影像进行空间匹配(配准)，获得手术器械和患者解剖结构间的空间位置关系，并在监控计算机中建立仿真模型，实时显示手术器械的位置；实施手术，跟踪手术器械和手术部位，根据术前规划引导手术。

骨科手术导航系统多采用电磁定位、超声波定位或光学定位法，也有采用陀螺仪复合定位法。如中国专利申请号201810430822.1中公开的一种手术导航系统，包括安装在手术器械上的角度方位定位装置、两个以上的激光投影板、两个以上的激光投影点采集器、计算机；该装置中的角度方位定位装置可以测得当前手术器械的角度，激光投影点采集器可以采集到激光束在激光投影板上的位置变化，进而判断手术器械在垂直方向上的位移情况，获得手术器械的进入深度。但是该技术方案需要对手术器械进行大幅改造，定位设备也十分复杂，安装在手术器械上的角度方位定位装置包括陀螺仪、两个以上的激光器等部件，无论设备本身还是工作原理都相当复杂，并且配准难度高。

其中，配准技术是导航系统的关键技术，其目的是把患者术前医学影像、以及通过术中定位示踪器得到的患者解剖结构位置信息、手术器械的位置信息集成到同一个空间坐标系中，其中都要用到固定在患者身上的导航示踪器，如中国专利申请号201710970763.2，“一种用于骨科手术的示踪器及其连接结构”，包括顶部成型用于固定示踪器的槽体，连接件和用于固定在患者的骨性结构上的固定件。目前采用的示踪器都为预先设计好的结构，一方面需要固定在手术部位骨结构附近，需要额外的位置，扩大了开放面，增加了患者痛苦和手术难度，另一方面不能很好的配合不同的骨结构，固定难度大，可能造成导航精度下降和术中的二次损伤。使用这种技术，在术中需要进行透视影像配准，增加了手术时间，医护人员和患者还要在手术中受到更多的辐射，透视过程需要用到C型臂X光机，占用的手术空间大，不利于小型医院的推广使用。

目前的骨科手术导航系统存在导航示踪器固定不便、不稳定和难以微创化的缺点，或者存在手术器械定位复杂的问题，在手术时，又普遍必需透视配准的过程，需要较大的手术空间，配准过程还延长了手术时间，医护人员和患者受到额外的辐射。

因此，需要提供一种具有配准简易稳定、精准度高的优点，简单易操作、手术微创化、手术空间灵活、辐射量低的手术导航系统及相应的计算机设备与存储介质。

【发明内容】

本申请的目的在于提供一种配准简易稳定、精准度高、简单易操作的手术导航系统以及执行手术导航的计算机设备与存储介质。

为实现本申请目的，提供以下技术方案：

提供一种手术导航系统，其包括用于安装在手术器械上的空间定位标记元件、用于固定在待手术骨骼结构上的示踪器、用作双目视觉空间定位的双目摄像机和用作导航终端的图形工作站计算机，所述示踪器设有至少一个用于导航定位的导航示踪面，所述空间定位标记元件包括至少一个用于手术器械示踪的导航面，所述双目摄像机连接计算机，将采集到的示踪器和空间定位标记元件的信息传输至计算机。

一些实施方式中，所述示踪器设有至少一个用于与待手术骨骼贴合固定的骨骼贴合面，所述骨骼贴合面与待手术骨骼结构完美契合，误差很小，所述示踪器与骨骼结构固定后空间相对位置唯一，相当于骨骼结构的延伸。而导航示踪面在该示踪器的空间位置为已知，因此，手术中无需透视影像支持和配准，可直接跟踪定位。

一些实施方式中，所述示踪器包括通过3D打印构造的手术导板，在所述手术导板上设置有所述导航示踪面。通过3D打印制造的示踪器可以简易快速的实现与待手术骨骼结构完美契合。

所述手术导板包括导板本体，一些实施方式中，所述导航示踪面直接形成于所述导板本体上，或者所述导航示踪面设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上，所述导航示踪面为贴有可见光视觉识别跟踪图案的平面，或是具有一个或多个特征点的显影片，或是由多个特征点形成的示踪面。

一些实施方式中，所述空间定位标记元件为多面体，设置有至少两个所述导航面。该导航面在手术过程中可被双目摄像机完整拍摄，并通过计算机进行空间定位。

一些实施方式中，所述计算机包括以下模块：

数据接收存储模块，用于接收所述的双目摄像机传输的信息，并存储；

图像重构模块，用于导入并重建待手术骨骼结构三维模型、手术器械三维模型，并采用双目摄像机集到的信息用于重建手术中的手术器械三维图像和姿态，以实现可视化导航。

本申请还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行手术导航方法，该方法包括：

接收待手术骨骼的图像和手术器械图像并生成三维模型，获得固定于骨骼上的示踪器配准信息和手术器械上空间定位标记元件的标定信息；

接收双目摄像机采集到的示踪器和空间定位标记元件的实时信息；

根据示踪器和空间定位标记元件的实时信息，采用双目视觉定位算法计算得到待手术骨骼、手术器械的空间位置信息，并与三维模型实时融合，

融合后得到骨骼和手术器械的实时位置关系动态图像，以实现手术导航。

一些实施方式中，所述示踪器设有至少一个可配合所述双目摄像机光学定位的导航示踪面，所述空间定位标记元件包括至少一个可配合所述双目摄像机光学定位的导航面。

一些实施方式中，该方法还包括：在手术前，根据待手术骨骼的三维模型通过3D设计所述示踪器三维模型及打印制造所述示踪器，并在将所述示踪器的三维模型导入所述计算机存储器中。

一些实施方式中，所述示踪器包括通过3D打印构造的手术导板，在所述手术导板上设置有所述导航示踪面，所述示踪器设有至少一个用于与待手术骨骼贴合固定的骨骼贴合面。

一些实施方式中，该方法还包括：在手术前，对手术器械进行三维扫描获得三维图像信息，标定空间定位标记元件，并导入所述计算机存储器中。

一些实施方式中，所述空间定位标记元件为多面体，设置有至少两个所述导航面。

一些实施方式中，该计算机包括监视器，所述监视器用于实时显示所计算得到的骨骼和手术器械的位置关系动态图像。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述手术导航方法。

与现有技术相比较，本申请具有如下所述优点：

本申请技术方案基于视觉定位的数字化导航技术，双目摄像机与骨骼上的示踪器以及手术器械上的空间定位标记元件相配合，采集示踪器和空间定位标记元件的实时信息，采用双目视觉定位算法计算得到待手术骨骼、手术器械的空间位置信息，并与三维模型实时融合，可获得骨骼和手术器械的实时位置关系动态图像，以实现手术导航。简化手术过程，提高了手术精准度，降低了手术风险，实现个性化的治疗需求。

进一步的，所述示踪器采用3D打印技术构造贴合骨骼面的手术导板，因为3D打印导板按照患者骨结构定制，贴合面与患者骨结构完美契合，误差极小，可以稳定锲合复杂的骨结构，所述导航示踪面与骨骼结构固定后空间相对位置唯一，无需配准，无需术中影像支持，可直接跟踪手术，减少了术中影像环节，简化了手术过程，解决骨科手术中患者解剖部位和手术器械导航定位问题，同时优化手术过程和减少术中影像的使用，可视导航缩短手术时间，减少医护人员和患者在手术中受到的辐射量，降低手术风险，适于在中小型医院普及使用；另外手术导板一般与待手术部位空间重合，无需额外的位置固定，使微创手术成为可能。

【附图说明】

图1为本申请手术导航系统实施例应用的示意图；

图2为本申请手术导航系统中示踪器实施例之一的立体视图一；

图3为本申请手术导航系统中示踪器实施例之一的立体视图二；

图4为本申请手术导航系统中示踪器实施例之一的反面立体视图；

图5为本申请手术导航系统中示踪器实施例之一应用示意图一；

图6为本申请手术导航系统中示踪器实施例之一应用示意图二；

图7为本申请手术导航系统中示踪器实施例之二的应用示意图；

图8为本申请手术导航系统中空间定位标记元件施例一的示意图；

图9为本申请手术导航系统中空间定位标记元件施例二的示意图；

图10为本申请中计算机程序所执行的手术导航方法流程示意图；

图11为双目立体视觉获取被测物体图像信息的原理示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1，本申请实施例手术导航系统包括用于安装在手术器械上的空间定位标记元件(未标识)、用于固定在待手术骨骼结构上的示踪器(图未示)、用作双目视觉空间定位的双目摄像机501和用作导航终端的图形工作站计算机502，将骨骼术前影像503输入计算机502，所述双目摄像机连接计算机，将采集到的示踪器和空间定位标记元件的信息传输至计算机，采用视觉原理跟踪示踪器和手术器械进行空间定位，图中Y为患者手术位置和手术器械的参考坐标。双目立体视觉获取被测物体图像信息的原理如图11所示。

图形工作站计算机502，主要功能是图像重构，导入并重建患者3D骨结构模型、手术器械3D模型；存贮各种手术器械的三维图像(以及定位信息)，可以方便地在手术中进行切换，例如存储患者术前CT三维重建图像以及3D打印示踪器的配准信息；承担实时图像跟踪以及图像融合的功能，包括术前CT三维图像和术中手术器械的三维图像；接收来自双目摄像机的实时图像；并采用双目视觉空间定位的双目摄像机501实时采集患者身上的示踪器以及手术器械的空间定位标记元件定位器信息，采用双目视觉定位算法计算得到3D打印示踪器和手术器械空间定位标记元件的位置姿态信息，将位置信息与三维图像实时融合，用于重建计算机中的手术器械3D图像和姿态，从而在手术中实现可视化导航；在关键操作中具有边界识别或量化偏移的功能，提供手术安全操作功能。

所述计算机包括以下模块：

数据接收存储模块，用于接收所述的双目摄像机传输的信息，并存储；

图像重构模块，用于导入并重建待手术骨骼结构三维模型、手术器械三维模型，并采用双目摄像机集到的信息用于重建手术中的手术器械三维图像和姿态，以实现可视化导航。

请结合参阅图2～9，分别显示了示踪器和空间定位标记元件的实施例示意图。其中，所述示踪器设有至少一个用于导航定位的导航示踪面，所述空间定位标记元件包括至少一个用于手术器械示踪的导航面。

请参阅图2～7，所述示踪器采用3D打印，实施例一中包括导板本体100，所述导板本体下方设有一个骨骼贴合面101，该手术导板根据术前骨骼影像3D重建而制作，其中，所述骨骼贴合面101与待手术的椎骨300的骨结构面302完全契合。所述手术导板上方还设有导航示踪面200，所述导航示踪面200直接设置于所述导板本体表面100上。

该实施例设有手术导针孔103和固定孔104，所述固定孔104配合螺钉等固定钉用于加强固定在椎骨300上，使其更稳固，所述手术导针孔103用于导引手术针等器械。具体的，本实施例中所述导板本体100包括主体110和底座120，所述固定孔104设置在底座120上，所述骨骼贴合面101生成在所述底座120底面，或根据需要所述骨骼贴合面101设置在所述本体100上与待手术骨骼结构面相对应的任意面。所述底座120上设有导针管130及连接导针管130与主体110的加强梁105，所述手术导针孔103设于所述导针管130中。所述主体110上还设有与椎骨上的突骨结构301相适应的拱门102。

本实施例中，所述导航示踪面200是设置在所述导板本体100顶部的平面，所述导航示踪面200上贴有可见光视觉识别跟踪图案201，所述平面直接形成于所述导板本体100上。

所述示踪器是根据患者术前CT影像进行骨结构3D重建，然后在3D编辑软件中设计与解剖形态一致的反向模板，除了骨骼贴合面和辅助结构，在导板的顶面再设计一个导航示踪面200，设置光视觉识别跟踪图案201。在其他实施方式中也可设置特征点、反光点等，用于术中配准或导航。

本申请技术方案使导板本体以及所带有的导航示踪面均可以稳定的固定于复杂的骨结构，可适应不同患者不同部位的骨骼结构，不容易发生偏移，导航精度高，减少了术中影像环节，简化了手术过程。通过导航面的图案或特征标记点，就可实现手术范围内空间位置的配准和跟踪，导航示踪面根据导航需求进行设计，例如导航示踪面为最小10*10mm的平面，贴有可见光视觉识别跟踪的图案。配准和跟踪的技术方法也可以有多种，如X光、红外线等。另一些实施例中，也可以没有固定孔和手术导针孔。所述手术导针孔用作手术打孔或置钉时引导手术器械，在应用数字导航或手术机器人时，打孔或置钉位置和角度通过术前或术中规划已经确定，也可以不设置该手术导针孔。

如图7所示，所述示踪器实施例二，包括导板本体401及其上的导航示踪面，所述导板本体401直接固定在骨骼上，通过导板本体上的骨骼贴合面与骨骼结构面的完全贴合从而固定，使得所述示踪器可以夹在脊骨棘突位置，导板本体401上设有平台402作为导航示踪载体，平台402上设有可见光视觉识别跟踪图案403。

所述骨骼贴合面与待手术骨骼结构完美契合，误差很小，所述示踪器与骨骼结构固定后空间相对位置唯一，相当于骨骼结构的延伸。而导航示踪面在该示踪器的空间位置为已知，因此，手术中无需透视影像支持和配准，可直接跟踪定位。

请参阅图8和图9，安装在手术器械特定部位上的空间定位标记元件600为多面体，设置有至少两个导航面601、602。该导航面在手术过程中可被双目摄像机完整拍摄，并通过计算机进行空间定位。图9空间定位标记元件实施例二相比图8空间定位标记元件实施例一多了用于固定定位的定位柱603。

所述空间定位标记元件600也可以采用3D打印方法制造，在3D编辑软件中设计与手术器械3D模型相配合的空间定位标记元件3D结构，再采用3D打印方式制造及固定于手术器械上。所述空间定位标记元件上的导航面也可以是两个以上，例如有3个或4个导航面，导航面的数量取决于手术器械的操作要求，视觉跟踪定位要求至少能完整地拍摄一个导航面。

请结合参阅图1～图10，应用本申请手术导航系统进行手术导航的方法主要包括：

接收待手术骨骼的图像和手术器械图像并生成三维模型，获得固定于骨骼上的示踪器配准信息和手术器械上空间定位标记元件的标定信息；

接收双目摄像机采集到的示踪器和空间定位标记元件的实时信息；

根据示踪器和空间定位标记元件的实时信息，采用双目视觉定位算法计算得到待手术骨骼、手术器械的空间位置信息，并与三维模型实时融合，

融合后得到骨骼和手术器械的实时位置关系动态图像，以实现手术导航。

示踪器及手术器械的空间定位标记元件采用如上述实施例的示踪器和多面体空间定位标记元件，双目摄像头与示踪器及手术器械的空间定位标记元件中间的配合是采用光学定位法，通过双摄像机或多摄像机观察目标，再用视觉原理重建目标空间位置，设备占用空间小，精度高。双目立体视觉是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法，如图11。

具体的，如图1和图10所示，以脊柱手术导航为例，首先进行患者诊断，在手术前通过CT扫描，获得骨骼影像信息，再通过计算机设备进行骨骼3D重建，3D打印示踪器由术前影像进行骨结构3D重建并编辑模型，然后通过3D打印机制作而来，手术时医生在患者手术部位切口并剥离软组织，将示踪器固定在患者骨结构上，示踪器成为骨结构的延伸，导航示踪面的图案可光学定位；对手术器械进行三维扫描获得三维图像信息，安装空间定位标记元件，标定空间定位标记元件，安装了空间定位标记元件的手术器械，空间定位标记元件包含2～4个导航面，与3D打印示踪器同样可光学定位；计算机导入骨骼、示踪器和手术器械的3D模型。

手术时，计算机初始化3D模型图像，通过双目摄像机获取图像信息，追踪示踪器和手术器械的空间位置信息，连接到计算机的双目摄像机，将采集得到的视频数据实时传送到计算机；计算机根据实时图像运用双目视觉定位算法计算获得患者骨骼、手术器械的相对位置关系，将手术器械、患者骨骼结构的位置信息与术前影像得到的骨骼3D模型和手术器械3D模型进行融合，得到骨骼和手术器械的实时位置关系动态图像，通过计算机所连接的监视器实时显示骨骼和手术器械的动态图像，使得医生可以通过观察监视器进行同步手术，从而实现手术的可视化导航。

在手术前，要对患者手术部位进行CT扫描和3D重建，然后在3D编辑软件中进行3D打印示踪器(手术导板)的设计和制作，骨骼模型和示踪器模型在手术前导入手术系统的图形工作站计算机。以及在手术前，要对手术中要使用的手术器械进行3维扫描并导入计算机(或制备手术器械库)，并标定导航标记物，使其姿态位置误差在可接受范围内。

计算机主要实现图像的实时融合和手术器械位置信息的量化监测，首先接受起始指令，开始患者三维图像重建和手术器械的三维图像融合；在手术中，接收双目摄像机传回的实时图像进行图像解析，得到手术部位与手术器械的位置信息，融合3D模型并显示在导航显示器。

本申请还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述手术导航方法。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述手术导航方法。

本申请的手术导航系统可应用于脊柱手术、骨盆和胸椎手术、关节外科手术、创伤外科手术、骨肿瘤和矫形外科手术。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，本申请的保护范围并不局限于此，任何基于本申请技术方案上的等效变换均属于本申请保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手术导航系统，其特征在于，其包括用于安装在手术器械上的空间定位标记元件、用于固定在待手术骨骼结构上的示踪器、用作双目视觉空间定位的双目摄像机和用作导航终端的图形工作站计算机，所述示踪器设有至少一个用于导航定位的导航示踪面，所述空间定位标记元件包括至少一个用于手术器械示踪的导航面，所述双目摄像机连接计算机，将采集到的示踪器和空间定位标记元件的信息传输至计算机。

2.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述示踪器设有至少一个用于与待手术骨骼贴合固定的骨骼贴合面。

3.如权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述示踪器包括通过3D打印构造的手术导板，在所述手术导板上设置有所述导航示踪面。

4.如权利要求3所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导板包括导板本体，所述导航示踪面直接形成于所述导板本体上，或者所述导航示踪面设置于导航示踪载体上，所述导航示踪载体设置于所述导板本体上，所述导航示踪面为贴有可见光视觉识别跟踪图案的平面，或是具有一个或多个特征点的显影片，或是由多个特征点形成的示踪面。

5.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述空间定位标记元件为多面体，设置有至少两个所述导航面。

6.如权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述计算机包括以下模块：

数据接收存储模块，用于接收所述的双目摄像机传输的信息，并存储；

图像重构模块，用于导入并重建待手术骨骼结构三维模型、手术器械三维模型，并采用双目摄像机集到的信息用于重建手术中的手术器械三维图像和姿态，以实现可视化导航。

7.一种执行手术导航方法的计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机设备应用于如权利要求1～6任一项所述的手术导航系统中，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行手术导航方法，该方法包括：

接收待手术骨骼的图像和手术器械图像并生成三维模型，获得固定于骨骼上的示踪器配准信息和手术器械上空间定位标记元件的标定信息；

接收双目摄像机采集到的示踪器和空间定位标记元件的实时信息；

根据示踪器和空间定位标记元件的实时信息，采用双目视觉定位算法计算得到待手术骨骼、手术器械的空间位置信息，并与三维模型实时融合，

融合后得到骨骼和手术器械的实时位置关系动态图像，以实现手术导航。

8.如权利要求7所述的计算机设备，其特征在于，所述示踪器包括通过3D打印构造的手术导板，在所述手术导板上设置有至少一个可配合所述双目摄像机光学定位的导航示踪面，所述示踪器设有至少一个用于与待手术骨骼贴合固定的骨骼贴合面；所述空间定位标记元件为多面体，设置有至少两个可配合所述双目摄像机光学定位的导航面。

9.如权利要求8所述的计算机设备，其特征在于，该方法还包括：在手术前，根据待手术骨骼的三维模型通过3D设计所述示踪器三维模型及打印制造所述示踪器，并在将所述示踪器的三维模型导入所述计算机存储器中；在手术前，对手术器械进行三维扫描获得三维图像信息，标定空间定位标记元件，并导入所述计算机存储器中。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机可读存储介质应用于如权利要求1～6任一项所述的手术导航系统的计算机设备中，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行手术导航方法：

接收待手术骨骼的图像和手术器械图像并生成三维模型，获得固定于骨骼上的示踪器配准信息和手术器械上空间定位标记元件的标定信息；

接收双目摄像机采集到的示踪器和空间定位标记元件的实时信息；

根据示踪器和空间定位标记元件的实时信息，采用双目视觉定位算法计算得到待手术骨骼、手术器械的空间位置信息，并与三维模型实时融合，

融合后得到骨骼和手术器械的实时位置关系动态图像，以实现手术导航。

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