CN114711961A - 一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开属于手术导航技术领域,具体涉及一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法及系统,包括以下步骤:根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区的三维影像;在患者术区的骨组织和脊柱内镜末端安装跟踪标记,实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;将所重建的患者术区的三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
Description
技术领域
本公开属于手术导航技术领域,具体涉及一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
脊柱内镜微创手术克服了传统手术创伤大、恢复期长的缺陷,在临床领域受到广泛青睐。但由于微创内窥镜视野狭窄,导致临床操作的技术门槛也相应较高,一定程度上限制了脊柱内镜手术的推广。此外,内窥镜的就位导引通道的安装需要在CT透视的引导下完成,增加了术中患者和医护人员受辐射的量。将术前诊断用的CT影像通过三维重建技术形成术区解剖结构的虚拟现实影像,并通过影像融合技术将其映射到内窥镜的视窗中,既能够精准引导内窥镜通道针的就位,又可以在术中有效扩展医生的视野范围,并能够起到对神经损伤等危险情况的预警作用。然而,由于三维CT影像与内窥镜二维影像的图像融合技术攻关难度较大,目前尚未见到虚拟现实导航用于脊柱内镜手术的相关报道。
发明内容
为了解决上述问题,本公开提出了一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法及系统,解决了现有的脊柱内镜只能依靠术中CT放置内镜就位通道,以及术中内镜影像无法有效观测术区深度解剖结构的问题,能借助术前CT影像有效引导就位通道,在术中拓展深度视野,从而提高了提高脊柱内镜手术操作效率和安全性。
根据一些实施例,本公开的第一方案提供了一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,采用如下技术方案:
一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,包括以下步骤:
根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区三维影像;
实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;
将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
作为进一步的技术限定,在重建患者术区三维影像的过程中,根据患者术前CT影像,重建患者器官和目标组织的断层图像,得到三维可视化影像模型。
作为进一步的技术限定,在患者术区的骨组织和脊柱内镜末端安装跟踪标记,通过螺栓将跟踪标记分别固定在骨组织和脊柱内镜上,实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像。
作为进一步的技术限定,在所述将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联的过程中,根据所述患者术区三维影像与所述二维视频影像的相对位置关系,进行三维影像与二维视频影像的坐标统一,得到三维的虚拟影像。
进一步的,在坐标统一的过程中,将所述二维视频影像放置在所述患者术区三维影像中,建立二维坐标系和三维坐标系之间的关联。
根据一些实施例,本公开的第二方案提供了一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统,采用如下技术方案:
一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统,包括:
术前规划模块,被配置为根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区三维影像;
术中跟踪模块,被配置为实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;
虚拟导航模块,被配置为将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
作为进一步的技术限定,在所述术中跟踪模块中,通过全局立体定位相机实时显示脊柱内镜在患者体内的位置和姿态,得到二维视频影像。
基于红外光线实现全局立体定位相机与跟踪标记之间的连接,进而实现全局立体定位相机的实时显示。
作为进一步的技术限定,在所述虚拟导航模块中,根据脊柱内镜的位置和姿态实时调整导航的可视化界面视角。
根据一些实施例,本公开的第三方案提供了一种脊柱内镜手术的影像融合方法,采用如下技术方案:
一种脊柱内镜手术的影像融合方法,包括以下步骤:
基于患者术前CT影像规划脊柱内镜的置入通道位置,重建术区三维影像;
根据全局立体定位相机实时获取脊柱内镜在患者体内的位置和姿态;
将术前CT影像通过坐标变换映射到术中全局立体定位相机空间中;
通过坐标变换将脊柱内镜的二维视频影像映射到导航的可视化界面视角,根据脊柱内镜的实时位姿调整导航的可视化界面视角。
作为进一步的技术限定,将术前CT影像通过坐标变换映射到术中全局立体定位相机空间中,在术前CT影像和二维视频影像中标记出同一点,通过坐标统一转换成三维虚拟影像映射到术中空间。
与现有技术相比,本公开的有益效果为:
本公开借助术前CT影像和立体定位相机通过可视化的影像引导内镜就位通道,可以有效减少在通道针置入过程中的CT扫描次数,降低操作的技术难度和医患人员所受的辐射量,提高手术效率和安全性,促进脊柱内镜手术的推广应用。
本发明创新性地提出了一种三维CT影像与术中内镜影像的融合方法,解决了仅依靠内镜影像无法获取术区深部信息的问题,能够有效预警内镜和器械对周围重要组织造成的威胁,提高脊柱内镜手术的安全性,同时也优化了手术操作者的视觉感受,使其操作更加便捷。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法的流程图;
图2是本公开实施例二中的脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统的结构框图;
图3是本公开实施例二中的脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统的结构示意图;
图4是本公开实施例三中的脊柱内镜手术的影像融合方法的原理图;
其中,1、脊柱内镜,101、窥镜镜头,102、内窥镜镜头的像素平面,2、脊柱内镜就位通道,3、立体定位相机,4、内镜跟踪装置,5、术区解剖结构的虚拟三维影像,6、患者,7、可视化内镜导航界面。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法。
如图1所示的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,包括以下步骤:
根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区三维影像;
实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;
将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
作为一种或多种实施方式,在患者术区的骨组织和脊柱内镜末端安装跟踪标记,通过螺栓将跟踪标记分别固定在骨组织和脊柱内镜上,实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像。
在所述将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联的过程中,根据所述患者术区三维影像与所述二维视频影像的相对位置关系,进行三维影像与二维视频影像的坐标统一,得到三维的虚拟影像。
在坐标统一的过程中,将所述二维视频影像放置在所述患者术区三维影像中,建立二维坐标系和三维坐标系之间的关联。
本实施例解决了内窥镜导引通道进入置入人体过程中需要反复通过术中CT扫描来反复确认位置是否偏移的问题,降低了脊柱内镜手术的操作难度,提高了手术效率。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统。
如图2所示的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统,包括:
术前规划模块,被配置为根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区三维影像;
术中跟踪模块,被配置为实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;
虚拟导航模块,被配置为将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
作为一种或多种实施方式,如图2和图3所示,脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统的具体过程为:
步骤S01:在术前CT影像中规划脊柱内镜1的置入位置,同时重建术区内包括椎体和神经在内的重要解剖结构;
步骤S02:通过立体定位相机3和内镜跟踪装置4(安装在窥镜镜头101上),实时测量脊柱内镜1和患者的实时位置;
步骤S03:通过导航注册模块的计算,将术前CT规划数据通过术前CT空间到术中空间的映射转换8映射到术中导航相机的影像融合视窗7中;
步骤S04:借助脊柱内镜1的实时位姿调整影像融合视窗7的三维视角,并通过内镜影像到术中空间的映射转换9将内窥镜影像映射到影像融合视窗7。
在所述术中跟踪模块中,通过全局立体定位相机实时显示脊柱内镜在患者体内的位置和姿态,得到二维视频影像。
基于红外光线实现全局立体定位相机与跟踪标记之间的连接,进而实现全局立体定位相机的实时显示。
在所述虚拟导航模块中,根据脊柱内镜的位置和姿态实时调整导航的可视化界面视角。
详细步骤与实施例一提供的脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法相同,在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三介绍了一种脊柱内镜手术的影像融合方法,基于实施例一中所介绍的脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法和实施例二中所介绍的脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统实现。
如图4所示的一种脊柱内镜手术的影像融合方法,包括以下步骤:
基于患者术前CT影像规划脊柱内镜的置入通道位置,重建术区三维影像;
根据全局立体定位相机实时获取脊柱内镜在患者体内的位置和姿态;
将术前CT影像通过坐标变换映射到术中全局立体定位相机空间中;
通过坐标变换将脊柱内镜的二维视频影像映射到导航的可视化界面视角,根据脊柱内镜的实时位姿调整导航的可视化界面视角。
本实施例解决了由于内窥镜视野限制导致的操作者无法看到深度信息和术区全局范围内重要解剖结构的问题,提高了手术的效率和安全性。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,其特征在于,包括以下步骤:
根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区三维影像;
实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;
将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
2.如权利要求1中所述的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,其特征在于,在重建患者术区三维影像的过程中,根据患者术前CT影像,重建患者器官和目标组织的断层图像,得到三维可视化影像模型。
3.如权利要求1中所述的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,其特征在于,在患者术区的骨组织和脊柱内镜末端安装跟踪标记,通过螺栓将跟踪标记分别固定在骨组织和脊柱内镜上,实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像。
4.如权利要求1中所述的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,其特征在于,,在所述将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联的过程中,根据所述患者术区三维影像与所述二维视频影像的相对位置关系,进行三维影像与二维视频影像的坐标统一,得到三维的虚拟影像。
5.如权利要求1中所述的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航方法,其特征在于,在坐标统一的过程中,将所述二维视频影像放置在所述患者术区三维影像中,建立二维坐标系和三维坐标系之间的关联。
6.一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统,其特征在于,包括:
术前规划模块,被配置为根据患者术前CT影像规划脊柱内镜在患者体内的置入通道位置,重建患者术区三维影像;
术中跟踪模块,被配置为实时获取术中脊柱内镜在患者体内位置和姿态的二维视频影像;
虚拟导航模块,被配置为将所重建的患者术区三维影像和脊柱内镜的二维视频影像建立关联,实现脊柱内镜手术的虚拟现实导航。
7.如权利要求6中所述的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统,其特征在于,在所述术中跟踪模块中,通过全局立体定位相机实时显示脊柱内镜在患者体内的位置和姿态,得到二维视频影像。
8.如权利要求6中所述的一种脊柱内镜手术的虚拟现实导航系统,其特征在于,在所述虚拟导航模块中,根据脊柱内镜的位置和姿态实时调整导航的可视化界面视角。
9.一种脊柱内镜手术的影像融合方法,其特征在于,包括以下步骤:
基于患者术前CT影像规划脊柱内镜的置入通道位置,重建术区三维影像;
根据全局立体定位相机实时获取脊柱内镜在患者体内的位置和姿态;
将术前CT影像通过坐标变换映射到术中全局立体定位相机空间中;
通过坐标变换将脊柱内镜的二维视频影像映射到导航的可视化界面视角,根据脊柱内镜的实时位姿调整导航的可视化界面视角。
10.如权利要求9中所述的一种脊柱内镜手术的影像融合方法,其特征在于,将术前CT影像通过坐标变换映射到术中全局立体定位相机空间中,在术前CT影像和二维视频影像中标记出同一点,通过坐标统一转换成三维虚拟影像映射到术中空间。
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