CN111658065A - 一种下颌骨切削手术的数字化引导系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种下颌骨切削手术的数字化引导系统，主要用于精确观测手术器械与下颌骨手术部位的相对位姿，降低手术难度，提高手术质量。通过视觉跟踪仪同时观察手术器械和下颌骨，通过手术器械末端和下颌骨手术部位的相对位置关系，并将之可视化显示到显示屏上，通过视觉跟踪仪监控下颌骨的位姿变化，实时修正VR中下颌骨的三维模型的位姿，不仅可以精确比对术中实际切割位置与术前规划切割位置的一致性，还可以解决下颌骨切削手术中手术视野狭窄、不便直视观察以及无法精确决定手术器械与下颌骨相对位姿的问题，可量化实施手术与规划手术的误差，从而提高手术质量。

Description

一种下颌骨切削手术的数字化引导系统
技术领域
本发明涉及计算机辅助医疗技术领域，尤其涉及一种下颌骨切削手术的数字化引导系统。
背景技术
目前，计算机辅助医疗已成为医疗手术的一种趋势。
现有的下颌骨切削手术中，首先，通过CT获取受术者颅骨的三维影像，重构下颌骨的整体三维模型；然后，将下颌骨模型3D打印出物理模型，在物理模型上对两侧颊位需切削处进行手术规划，画出手术切割修整轨迹；最后，在物理模型上进行验证后，对受术者进行实际手术。在实际手术过程中，不能破坏受术者的外在容颜或皮肤，只能通过口腔内部通过剥离牙龈露出待手术部位，然后手持手术器械进行手术操作。
上述下颌骨切削手术存在如下缺陷：(1)由于下颌骨特殊的手术部位、手术通路以及手术器械的存在，使医生的观察视野、观察角度受到较大限制，只能凭经验和有限观察来确定手术器械与颌骨的相对位置，这容易出现大的误差甚至失误；(2)由于缺乏精确的测量手段，无法保证左侧颊骨与右侧颊骨手术轨迹的对称性，因而常导致术后颌骨不对称或对称度有限；(3)术前的CT影像只用于建立颅骨或下颌骨的三维几何模型，术中医生不能观看术前影像，信息利用不充分。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种下颌骨切削手术的数字化引导系统，用以解决由于下颌骨特殊的手术部位使手术视野受限从而导致对手术器械与下颌骨的相对位置判断容易出现失误的问题。
本发明提供一种下颌骨切削手术的数字化引导系统，包括：全局相机支架(1)、与所述全局相机支架(1)固定连接的视觉跟踪仪(2)、与所述视觉跟踪仪(2)电性连接的图形工作站(3)、粘贴在手术器械上的手术器械光学跟踪标记(4)以及固定连接在下颌骨牙齿上的牙齿固定连接标记(5)；其中，
所述全局相机支架(1)用于支撑固定所述视觉跟踪仪(2)并调整所述视觉跟踪仪(2)的视角方向；
所述视觉跟踪仪(2)用于在手术过程中，通过检测跟踪所述手术器械光学跟踪标记(4)实现对手术器械的位姿的检测跟踪，通过检测跟踪所述牙齿固定连接标记(5)实现对下颌骨的位姿的检测跟踪，并将手术器械的位姿检测跟踪信息和下颌骨的位姿检测跟踪信息发送给所述图形工作站(3)；
所述图形工作站(3)，用于运行医学影像处理软件，将下颌骨的医学CT扫描图像生成下颌骨的三维模型；运行下颌骨切削手术医学影像导航IGS软件，在VR显示环境中导入和显示下颌骨的三维模型、手术切割方案和虚拟手术器械；通过所述牙齿固定连接标记(5)将真实视觉空间与医学影像空间进行注册配准；根据接收的手术器械的位姿检测跟踪信息，更新虚拟手术器械的位姿，根据接收的下颌骨的位姿检测跟踪信息，更新下颌骨的三维模型的位姿。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，还包括：与所述图形工作站(3)电性连接的电磁跟踪仪(6)；
所述电磁跟踪仪(6)用于在手术过程中监测下颌骨的位姿变化，并将下颌骨的位姿变化信息发送给所述图形工作站(3)；其中，在手术过程中下颌骨位于所述电磁跟踪仪的工作范围内；
所述图形工作站(3)用于综合接收的下颌骨的位姿检测跟踪信息和下颌骨的位姿变化信息，更新下颌骨的三维模型的位姿。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，还包括：与所述图形工作站(3)无线通讯连接的增强现实眼镜(7)；
所述增强现实眼镜(7)用于将下颌骨和下颌骨的三维模型叠加显示，将手术器械和虚拟手术器械叠加显示，并显示手术切割方案。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，所述视觉跟踪仪(2)为双目立体视觉光学测量系统。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，所述手术器械光学跟踪标记(4)为由三个X角点组成的组合标记。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，所述牙齿固定连接标记(5)为包含至少三个金属点(8)的软性标记，通过下颌骨牙齿间的缝隙套接在下颌骨牙齿上；金属点(8)在手术过程中被所述视觉跟踪仪(2)可见，且在所述医学CT扫描图像中可见。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，所述图形工作站(3)，具体用于通过所述牙齿固定连接标记(5)上的金属点(8)分别在所述视觉跟踪仪(2)和所述医学CT扫描图像中空间坐标的对应，实现真实视觉空间与医学影像空间的注册配准。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，所述图形工作站(3)，还用于当下颌骨的位姿变化超过设定阈值时，发出报警提示声；当手术过程中手术器械末端的位姿超出手术切割方案允许的误差时，发出报警提示声。
本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统，主要用于精确观测手术器械与下颌骨手术部位的相对位姿，降低手术难度，提高手术质量。通过视觉跟踪仪同时观察手术器械和下颌骨，通过手术器械末端和下颌骨手术部位的相对位置关系，并将之可视化显示到显示屏上，通过视觉跟踪仪监控下颌骨的位姿变化，实时修正VR中下颌骨的三维模型的位姿，不仅可以精确比对术中实际切割位置与术前规划切割位置的一致性，还可以解决下颌骨切削手术中手术视野狭窄、不便直视观察以及无法精确决定手术器械与下颌骨相对位姿的问题，可量化实施手术与规划手术的误差，从而提高手术质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种下颌骨切削手术的数字化引导系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种下颌骨切削手术的数字化引导系统的工作流程图。
附图标记说明：1、全局相机支架；2、视觉跟踪仪；3、图形工作站；4、手术器械光学跟踪标记；5、牙齿固定连接标记；6、电磁跟踪仪；7、增强现实眼镜；8、金属点。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明实施例提供的一种下颌骨切削手术的数字化引导系统，如图1所示，包括：全局相机支架1、与全局相机支架1固定连接的视觉跟踪仪2、与视觉跟踪仪2电性连接的图形工作站3、粘贴在手术器械上的手术器械光学跟踪标记4以及固定连接在下颌骨牙齿上的牙齿固定连接标记5；其中，
全局相机支架1用于支撑固定视觉跟踪仪2并调整视觉跟踪仪2的视角方向；
视觉跟踪仪2用于在手术过程中，通过检测跟踪手术器械光学跟踪标记4实现对手术器械的位姿的检测跟踪，通过检测跟踪牙齿固定连接标记5实现对下颌骨的位姿的检测跟踪，并将手术器械的位姿检测跟踪信息和下颌骨的位姿检测跟踪信息发送给图形工作站3；
图形工作站3，用于运行医学影像处理软件，将下颌骨的医学CT(ComputedTomograph,计算断层影像)扫描图像生成下颌骨的三维模型；运行下颌骨切削手术医学影像导航IGS(Image Guidance Surgery)软件，在VR(Virtual Reality)显示环境中导入和显示下颌骨的三维模型、手术切割方案和虚拟手术器械；通过牙齿固定连接标记5将真实视觉空间与医学影像空间进行注册配准；根据接收的手术器械的位姿检测跟踪信息，更新虚拟手术器械的位姿，根据接收的下颌骨的位姿检测跟踪信息，更新下颌骨的三维模型的位姿。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，还可以包括：与图形工作站3电性连接的电磁跟踪仪6；电磁跟踪仪6可以在手术过程中监测下颌骨的位姿变化，并将下颌骨的位姿变化信息发送给图形工作站3；电磁跟踪仪6所监测到的下颌骨位姿变化信息，可以作为某些时刻例如在手术过程中因手术器械或医生肢体部位的遮挡而观察不到牙齿固定连接标记5时，对视觉跟踪仪2检测下颌骨位姿信息的补充，这样，图形工作站3可以综合接收的下颌骨的位姿检测跟踪信息和下颌骨的位姿变化信息，更新下颌骨的三维模型的位姿，这样可以进一步保证手术的安全性和手术精度。需要注意的是，在手术过程中需要满足下颌骨位于电磁跟踪仪的工作范围内，这样，下颌骨移动会切割电磁跟踪仪6的磁感线从而使电磁跟踪仪6可以监测下颌骨的位姿变化，具体地，可以将电磁跟踪仪6放在手术床上靠近下颌骨的地方。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，还可以包括：与图形工作站3无线通讯连接的增强现实眼镜7；在手术过程中，增强现实眼镜7配戴在医生头上，医生可以通过增强现实眼镜7观察到真实的下颌骨和手术器械，增强现实眼镜7也可以显示图形工作站3发送的下颌骨的三维模型、手术切割方案和虚拟手术器械，并将下颌骨和下颌骨的三维模型叠加显示，将手术器械和虚拟手术器械叠加显示，这样，可以使医生可透视地观察下颌骨和待切割位置，避免手术过程中医生转移视线观察图形工作站3的VR显示器而影响手术精度。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，全局相机支架可以为三角相机支架。需要说明的是，视觉跟踪仪的视角方向一旦确定后，在手术过程中保持不动。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，视觉跟踪仪可以使用MicronTracker双目立体视觉光学测量系统。当然，视觉跟踪仪也可以为能够进行检测跟踪的其他类型的视觉跟踪仪，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，图形工作站运行的下颌骨切削手术医学影像导航IGS软件，可以为医学通用操作软件Mimics，或者，也可以为专用手术规划软件，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，手术器械光学跟踪标记可以使用MicronTracker双目立体视觉光学测量系统使用的由三个X角点组成的组合标记，可以识别区分不同的手术器械。当然，手术器械光学跟踪标记也可以为能够进行光学跟踪的其他类型的标记，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，如图1所示，牙齿固定连接标记5可以为包含至少三个金属点8的软性标记，该软性标记可以通过下颌骨牙齿间的缝隙套接在下颌骨牙齿上。金属点8在手术过程中可以被视觉跟踪仪2检测跟踪，并且，金属点8在医学CT扫描图像中可见。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，如图1所示，图形工作站3可以通过牙齿固定连接标记5上的金属点8分别在视觉跟踪仪2和医学CT扫描图像中空间坐标的对应，实现真实视觉空间与医学影像空间的注册配准，从而能够让医生在统一的坐标系空间内观察手术对象与手术器械的相对位姿关系。
在具体实施时，在本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统中，图形工作站还可以在下颌骨的位姿变化超过设定阈值时，发出报警提示声；并且，还可以在手术过程中手术器械末端的位姿超出手术切割方案允许的误差时，发出报警提示声，这样，可以提高手术的安全性和手术精度。
需要说明的是，在本发明提供的上述方案中，更换全局相机支架的型号或样式，更换双目立体视觉光学跟踪仪，更换手术器械光学跟踪标记，更改牙齿固定连接标记上的标记点数目，都属于本发明范畴。
下面对本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统的具体工作流程进行详细说明。如图2所示，首先，将牙齿固定连接标记5与受术者下颌骨牙齿固定连接后保持不动，受术者戴着牙齿固定连接标记5进行CT扫描，并将CT扫描图像经医学影像处理软件生成下颌骨的三维模型；然后，将生成的下颌骨的三维模型输入图形工作站3的下颌骨切削手术医学影像导航IGS软件的VR环境中显示，并由医生进行手术规划(即确定手术切割入点、切割面和切割轨迹)和确定牙齿固定连接标记5上的标记在医学影像空间中的三维坐标，记标记点在医学影像空间中的坐标为
Figure BDA0002490852630000071
接着，受术者戴着牙齿固定连接标记5(保证与CT扫描时位置一致)躺在手术床上准备进行手术，由视觉跟踪仪2获取牙齿固定连接标记5上的标记在视觉跟踪仪2中的三维坐标(记为
Figure BDA0002490852630000072
)，由牙齿固定连接标记5上的标记在视觉跟踪仪2中的三维坐标与其在医学影像空间中对应的三维坐标，进行真实物理空间到医学影像空间的注册矩阵求解T{C}→{IGS}，应满足
Figure BDA0002490852630000073
Figure BDA0002490852630000074
最后，医生手持粘贴有手术器械光学跟踪标记4的手术器械给受术者进行下颌骨切削手术。
具体地，医生手持粘贴有手术器械光学跟踪标记4的手术器械给受术者进行下颌骨切削手术时，具体通过如下方式来实现：首先，医生将手术器械探入受术者口腔内下颌骨预备手术位置处，视觉跟踪仪2通过手术器械光学跟踪标记4实时检测手术器械的位姿，并根据检测到的手术器械的位姿，通过注册矩阵T{C}→{IGS}将手术器械的位姿变换到医学影像空间中，更新IGS中虚拟手术器械的位姿；然后，医生对手术器械的位姿进行调整，并观察IGS中虚拟手术器械、下颌骨的三维模型、手术规划位置的相对位姿情况，使手术实际切割位置与规划的切割位置保持一致后开始实际实施手术切割；最后，手术过程中，视觉跟踪仪2同时通过检测跟踪牙齿固定连接标记5检测跟踪下颌骨的位姿变化，一旦发现下颌骨的位姿变化超过设定阈值就会发出报警提示声，提示医生受术者下颌骨实际位置发生移动，并实时修正IGS软件中下颌骨的三维模型的位姿，从而保证手术过程中手术器械与下颌骨相对位姿的准确性。
本发明提供的上述下颌骨切削手术的数字化引导系统，主要用于精确观测手术器械与下颌骨手术部位的相对位姿，降低手术难度，提高手术质量。通过视觉跟踪仪同时观察手术器械和下颌骨，通过手术器械末端和下颌骨手术部位的相对位置关系，并将之可视化显示到显示屏上，通过视觉跟踪仪监控下颌骨的位姿变化，实时修正VR中下颌骨的三维模型的位姿，不仅可以精确比对术中实际切割位置与术前规划切割位置的一致性，还可以解决下颌骨切削手术中手术视野狭窄、不便直视观察以及无法精确决定手术器械与下颌骨相对位姿的问题，可量化实施手术与规划手术的误差，从而提高手术质量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，包括：全局相机支架(1)、与所述全局相机支架(1)固定连接的视觉跟踪仪(2)、与所述视觉跟踪仪(2)电性连接的图形工作站(3)、粘贴在手术器械上的手术器械光学跟踪标记(4)以及固定连接在下颌骨牙齿上的牙齿固定连接标记(5)；其中，
所述全局相机支架(1)用于支撑固定所述视觉跟踪仪(2)并调整所述视觉跟踪仪(2)的视角方向；
所述视觉跟踪仪(2)用于在手术过程中，通过检测跟踪所述手术器械光学跟踪标记(4)实现对手术器械的位姿的检测跟踪，通过检测跟踪所述牙齿固定连接标记(5)实现对下颌骨的位姿的检测跟踪，并将手术器械的位姿检测跟踪信息和下颌骨的位姿检测跟踪信息发送给所述图形工作站(3)；
所述图形工作站(3)，用于运行医学影像处理软件，将下颌骨的医学CT扫描图像生成下颌骨的三维模型；运行下颌骨切削手术医学影像导航IGS软件，在VR显示环境中导入和显示下颌骨的三维模型、手术切割方案和虚拟手术器械；通过所述牙齿固定连接标记(5)将真实视觉空间与医学影像空间进行注册配准；根据接收的手术器械的位姿检测跟踪信息，更新虚拟手术器械的位姿，根据接收的下颌骨的位姿检测跟踪信息，更新下颌骨的三维模型的位姿。
2.如权利要求1所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，还包括：与图形工作站(3)电性连接的电磁跟踪仪(6)；
所述电磁跟踪仪(6)用于在手术过程中监测下颌骨的位姿变化，并将下颌骨的位姿变化信息发送给所述图形工作站(3)；其中，在手术过程中下颌骨位于所述电磁跟踪仪的工作范围内；
所述图形工作站(3)用于综合接收的下颌骨的位姿检测跟踪信息和下颌骨的位姿变化信息，更新下颌骨的三维模型的位姿。
3.如权利要求1所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，还包括：与所述图形工作站(3)无线通讯连接的增强现实眼镜(7)；
所述增强现实眼镜(7)用于将下颌骨和下颌骨的三维模型叠加显示，将手术器械和虚拟手术器械叠加显示，并显示手术切割方案。
4.如权利要求1所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，所述视觉跟踪仪(2)为双目立体视觉光学测量系统。
5.如权利要求1所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，所述手术器械光学跟踪标记(4)为由三个X角点组成的组合标记。
6.如权利要求1所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，所述牙齿固定连接标记(5)为包含至少三个金属点(8)的软性标记，通过下颌骨牙齿间的缝隙套接在下颌骨牙齿上；所述金属点(8)在手术过程中被所述视觉跟踪仪(2)可见，且在所述医学CT扫描图像中可见。
7.如权利要求6所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，所述图形工作站(3)，具体用于通过所述牙齿固定连接标记(5)上的金属点(8)分别在所述视觉跟踪仪(2)和所述医学CT扫描图像中空间坐标的对应，实现真实视觉空间与医学影像空间的注册配准。
8.如权利要求1～7任一项所述的下颌骨切削手术的数字化引导系统，其特征在于，所述图形工作站(3)，还用于当下颌骨的位姿变化超过设定阈值时，发出报警提示声；当手术过程中手术器械末端的位姿超出手术切割方案允许的误差时，发出报警提示声。
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