CN202751447U

CN202751447U - 一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统

Info

Publication number: CN202751447U
Application number: CN2012203553277U
Authority: CN
Inventors: 李书纲; 郑浩峻
Original assignee: BEIJING XIANLIN HUALING MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING XIANLIN HUALING MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2022-07-20

Abstract

本实用新型提出一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，包括结构光扫描仪、动态基准及手术器械、装有手术导航软件及患骨CT三维模型的计算机。术中动态基准固定于患骨处，使用结构光扫描仪对患骨扫描得到结构光三维影像并与患骨CT三维模型进行面配准；利用结构光扫描仪上的摄像机跟踪手术器械，得到手术器械相对动态基准及患骨CT三维模型之间的位置关系，并在装有手术导航软件的计算机上实时显示，实现手术导航。与同类系统相比，本实用新型提出的手术导航系统不需红外导航定位仪参与术中跟踪，提高了导航定位精度，简化了手术导航过程，方便医生使用，降低整个系统的复杂度和成本，降低对手术室空间占用。

Description

一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于椎弓根内固定手术的计算机辅助导航系统，尤其是一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统。

背景技术

椎弓根内固定手术是一种治疗胸腰椎段脊柱骨折的标准化常规手术，该手术通过植入椎弓根螺钉来稳定脊柱，可用于治疗腰椎滑脱，胸腰椎骨折等症。由于椎弓根邻近的脊髓和神经系统在手术中往往不可见，这类手术危险性大，难度高。临床研究表明，传统椎弓根内固定手术的螺钉偏移率为28~40%，是导致手术失败和术后并发症的最主要原因。

计算机辅助骨科手术（Computer Aided Orthopedic Surgery，也称CAOS）是在医学影像（如CT，MRI，X光或三维超声等）的导引下，利用导航仪跟踪手术器械的位置，把手术器械与手术部位相融合，并实时显示在计算机屏幕上，从而增加上述手术的可视性，帮助医生避开重要的器官与组织，提高手术精度，减少术中创伤的手术方法，也称为计算机辅助骨科导航手术。按照是否采用术前、术中的影像资料，目前的导航技术可分为基于影像和非基于影像的导航系统。

根据所使用图像种类的不同，又分为基于CT图像与基于C型臂透视图像两种。以脊柱手术为例，基于CT图像的导航手术步骤为：术前采集患者脊椎骨及植入导航标记物的CT影像数据，并将其导入装有手术导航软件的计算机，重建脊椎骨三维模型，进行手术规划；术中安装参考支架和光感接受定位装置；与术前植入导航标记物的对比，获取在CT图像中的相对位置，进行手术导航。这种术前植入导航标记物给病人造成了极大的痛苦。X线透视导航则是直接通过术中光学定位系统以及C形臂机成像系统，实时显示X线图像解剖、手术工具、C形臂机之间的空间位置关系。这种方法使用较为广泛，但术中存在大量射线，且导航基于二维影像，即使换用三维C形臂X线机，其清晰度和精度也均不如CT影像，并需专用透X线手术床。

非影像依赖性导航系统适合于解剖结构暴露充分的手术，只需手术医生在术中用带有红外标记点的探针来点取解剖结构的特征点（称为“注册”），利用运动学或解剖学标志，获取三维多点定标，计算机利用收集的各种标准解剖资料自动生成模型，从而确定探针与模型之间的相互位置；安装动态基准，对患骨在手术中的位置变化进行动态调整；使用带有红外标记物的手术器械进行导航手术。手术导航过程中，需要全程使用红外导航仪将跟踪探针、动态基准和手术器械上的红外标记物位置信号。如具有代表性的Stryker公司红外主动诱导手术导航系统，在临床手术时医生需手动取点，再由导航系统软件进行点配准，医生普遍反映利用该系统进行点配准时，受医生经验、操作误差与点配准方法影响，配准精度并不理想，医生需反复进行手动取点并进行点配准。导航探针有时还会与动态基准发生碰撞，这样就改变了配准关系，需重新进行点配准，延长了手术时间。

为解决上述导航手术方法中存在的手动取点及点配准所导致的精度降低、手术时间加长、二次手术、射线损伤等一系列问题，本申请人于2009年4月15日申请了“基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统和方法”（公开号：CN 101862220A），该系统在前述手术导航系统基础上增加了结构光扫描仪。在工作时先获取术前患骨CT影像，经三维重建得到相应的患骨CT三维模型，术中首先采用结构光扫描仪对患骨进行扫描，获取到患骨处的结构光三维影像，将该结构光三维影像与患骨CT三维模型进行面配准，接着在红外导航定位仪的参与下进行后续手术操作。相比传统的红外导航系统，这种手术导航方法在配准阶段避免了医生手动取点操作，且使用点集配准，精度有很大提高，医生操作简单，节省手术时间。

但采用上述手术导航系统仍有不足之处：配准完成后，为跟踪动态基准和手术器械的位置，仍需要红外导航定位仪参与，所获位置信息存在与结构光扫描仪的位置信息交换和校准问题，造成整个系统复杂度增加，成本增加，降低了系统稳定工作的概率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种新型的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，使其在无红外导航定位仪参与和不影响手术效果的前提下，最大限度地降低系统的复杂度和成本，并提高系统的稳定性。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，其特征在于：该系统包括结构光扫描仪、动态基准和手术器械，以及含有手术导航软件和术前CT扫描的患骨CT三维模型的计算机；所述的结构光扫描仪包括两台左右对称安装的摄像机和一个居中安装的投影光栅，两台摄像机和投影光栅分别通过数据线与所述计算机相连；所述的动态基准固定于患骨处，结构光扫描仪采集患骨处的结构光三维影像,在动态基准上装有至少3个不共线的可见光标识，被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；在所述的手术器械上同样装有至少3个不共线的可见光标识，开始手术导航后被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；

手术导航开始前与开始后，所述动态基准、手术器械在结构光图像坐标系下的齐次坐标满足如下关系：

V_{S}^{T 0} = V_{S}^{D 0} + V_{S}^{T 1} - V_{S}^{D 1}

其中：

为手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，

为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，

为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，

为开始手术导航后动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，结构光扫描仪采集到的患骨处的结构光三维影像与所述患骨CT三维模型进行面配准，得到从结构光图像坐标系到CT图像坐标系的坐标转换矩阵，记为

满足如下关系：

V_{C} = T_{C}^{S} \cdot V_{S}

其中：V_C为动态基准上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标，

V_S为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系中的齐次坐标，

开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系的位置为：

V_{C}^{T 1} = T_{C}^{S} \cdot V_{S}^{T 0} = T_{C}^{S} \cdot (V_{S}^{D 0} + V_{S}^{T 1} - V_{S}^{D 1})

其中：

为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标。

本实用新型的技术特征还在于：手术器械末端点与手术器械上的可见光标识之间的齐次坐标记为则手术器械末端点在CT图像坐标系的位置为：

V_{C}^{T} = V_{C}^{T 1} + V_{T}^{0}

其中：

为手术器械末端点在CT图像坐标系中的齐次坐标。

所述的动态基准上的可见光标识为表面被荧光材料覆盖的小球，直径为3～5mm；或是直径6～10mm的黑色圆形，中间被直径3～5mm的高亮银色圆形同心覆盖。所述的手术器械上的可见光标识为表面被荧光材料覆盖的小球，直径为3～5mm；或是直径6～10mm的黑色圆形，中间被直径3～5mm的高亮银色圆形同心覆盖。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

相比以往的手术导航系统，本实用新型所述手术导航系统不需额外采用红外导航定位仪进行实时跟踪，有效地降低了系统的复杂度、设备成本和对手术室的空间要求，提高设备在手术室的适用性。术中扫描配准和实时跟踪均采用结构光扫描仪完成，对动态基准和手术器械上的可见光标识进行实时跟踪，消除了引入红外导航定位仪所带来的坐标转换误差，使定位更加精确，提高导航手术的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统结构原理示意图。

图2为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中结构光扫描仪的结构示意图。

图3为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中用于结构光扫描仪标定的标定板示意图。

图4为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中结构光扫描仪的工作原理图。

图5为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统工作流程图。

其中：1-结构光扫描仪；2-动态基准；3-手术器械；4-装有手术导航软件的计算机；5-手术台；6-患者；7-手术室；8-投影光栅；9-第一摄像机；10-第二摄像机；11-安装支架；12-数据线；13-标定板；14-患骨。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的原理、结构和实施方式作进一步的说明。

图1为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统结构原理示意图，该手术导航系统包括：结构光扫描仪1、动态基准2和手术器械3，以及装有含有手术导航软件和术前CT扫描的患骨CT三维模型的计算机4。在手术室7内有手术台5，患者6位于手术台上。

由于术中病人位姿随时会发生变化，在病人患骨上夹持一个动态基准2，动态基准采用现有技术中通常使用的结构，例如采用公开号为CN101862220A中所使用的动态基准。在动态基准2上装有至少3个不共线的可见光标识，可见光标识选用反射率大的材料制成，一般有两种类型：1）亮彩色小球，球体表面由荧光材料覆盖，可被高精度摄像机所捕获，直径为3～5mm；2）直径6～10mm的黑色圆形，中间为直径3～5mm的高亮银色圆形。动态基准上的可见光标识被结构光扫描仪1所捕捉，以确定动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标

图2为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中结构光扫描仪的结构示意图，该结构光扫描仪包括两台左右对称安装的摄像机（第一摄像机9和第二摄像机10）和一个居中安装的投影光栅8，所述的两台摄像机和投影光栅固定在安装支架11上，两台摄像机和投影光栅分别通过数据线与所述计算机4相连,其中两台摄像机可组成一个简单的双目视觉系统。

使用本实用新型中所述结构光扫描仪1前首先要对包含的第一摄像机9和第二摄像机10分别进行标定，获取各自的内部参数，再联合两台摄像机的外部参数，获取二者空间位置关系。本实用新型中对摄像机的标定采用机器视觉中成熟的方法——Tsai两步法。对摄像机内外参数的标定，需借助标定板进行，使用具有外方内圆标记点的标定板，如图3所示为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中用于结构光扫描仪标定的标定板示意图，标定板13上带有4个有外圆圈的标志点，这4个标志点非对称分布。

图4为本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中结构光扫描仪1的工作原理图。居中安装的投影光栅8将具有某种特性的结构光栅（称为结构光）主动投射到患骨14表面，规则的结构光栅受到患骨14表面高度的调制而发生变形，两台摄像机同时摄取患骨处的反射图像，该图像中包含了患骨表面的三维形貌数据，这样就可以通过解相和基于结构光编码的相展开方法得到被调制光栅的相位，从而解决结构光栅和患骨处反射图像这两幅图像上空间点的对应问题，并通过两台摄像机的三角交汇得到患骨表面的三维坐标信息。

本实用新型中采用的结构光扫描仪投射的结构光栅根据时间先后顺序进行，包括多幅结构光栅图像，投射过程约20秒。通过解相与相展开过程可以分别得到结构光栅的相主值与相周期信息，叠加相主值与相周期即可得患骨14表面各点变形后光栅的绝对相位信息，再结合外极线几何原理，匹配两台摄像机投射的结构光栅图像上的点，对匹配后的图像利用已标定出的两台摄像机的内外参数和空间位置关系，计算患骨表面各点的三维坐标，从而重构出患骨表面的结构光三维影像。在本实用新型中解相方法基于对环境光不敏感的多频外差式原理。

往往进行一次结构光扫描不能完整获取待测患骨表面的结构光三维影像，需要进行多视角扫描，最好将多次扫描所分别获得的结构光三维影像拼接形成一个整体，形成完整的患骨表面结构光三维影像。在进行结构光扫描过程中，由于环境中存在光线干扰，如动态基准或者患骨表面某点反射光线过强，会被结构光扫描仪误认为是动态基准上的可见光标识，因此扫描完成后，需要对结构光三维影像进行检查，将识别错误的数据从结构光三维影像中删除。

本实用新型所述的基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统中各组成部分确立各自的坐标系，其中结构光扫描仪1确立结构光图像坐标系；动态基准2固定在患骨处为刚性连接代表患者坐标系；手术器械3上的可见光标识确立手术器械坐标系，该坐标系下手术器械上的任一点坐标也是不变的；计算机4内保存有患骨CT三维模型确立CT图像坐标系（也叫导航图像坐标系）。利用计算机求得手术器械坐标系与CT图像坐标系间的变换关系，将手术器械末端点与患骨CT三维模型的相对位置在计算机上实时显示。

本实用新型中采用的手术器械3为通用医疗器械，其上附着至少3个不共线的可见光标识，可见光标识与动态基准上的可见光标识采用同样类型；手术器械上的可见光标识被结构光扫描仪1所捕捉，以确定手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标

对手术器械进行标定，得到手术器械轴线和手术器械末端点在手术器械坐标系下的坐标。本实用新型中手术器械的标定方法是：手术器械轴向插入通用标定台内，调整结构光扫描仪的高度及手术器械高度，使手术器械上的可见光标识位于两台摄像机视野中，保持标定台位置不动，旋转手术器械到不同位置，分别由两台摄像机对可见光标识进行采集，通过图像拟合得出手术器械的空间轴线；手术器械的末端点标定与轴线标定类似。

图5为本实用新型所述基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统工作流程图，主要分为三步：

第一步：术前对病人进行CT扫描，获取其患骨的CT图像数据，经过CT三维重建得到患骨CT三维模型数据。

本实用新型中CT三维重建的具体方法是：将DICOM格式的CT图像导入装有手术导航软件的计算机4，根据经验值设定灰度阈值，对于脊椎骨来讲，灰度阈值设定为190~210，按照等值面的方法分离出骨骼与软组织，重建得到患骨CT三维模型，保存在装有手术导航软件的计算机里，并显示。医生可以根据计算机中显示的该患骨CT三维模型的形态确定手术操作的位置及角度，完成术前规划——根据病人的状况确定植入椎弓根钉的位置、深度、角度等，并在计算机上显示的患骨CT三维模型上进行标记，以便术中进行参照，此时也可在患骨CT三维模型上圈定与结构光图像进行面配准的区域，一般取棘突及其附近骨骼表面。

第二步：在手术室布置有本实用新型所述的手术导航系统，对该结构光扫描仪和手术器械初始标定完成后首先进入扫描模式。医生剥离出术前在患骨CT三维模型上选定的患骨部位，固定放置动态基准2，并将动态基准2上的所有可见光标识朝向结构光扫描仪上的两台摄像机，然后利用结构光扫描仪1对裸露出的患骨及动态基准2进行扫描，在装有手术导航软件的计算机4上显示患骨部位的结构光三维影像，动态基准2上的可见光标识也能被结构光扫描仪1所捕获，同时显示在患骨部位的结构光三维影像中，作为患骨的初始参照位置。由装有手术导航软件的计算机对术前患骨CT三维模型和术中结构光三维影像这两幅图像构成的点云进行面配准，计算出上述两幅图像分别所属坐标系——即CT图像坐标系和结构光图像坐标系的初始映射关系，得到从结构光图像坐标系到CT图像坐标系的坐标转换矩阵

将动态基准上某个可见光标识的中心在CT图像坐标系和结构光图像坐标系中的位置分别记作齐次坐标V_C和V_S，则：

V_{C} = T_{C}^{S} \cdot V_{S} - - - (1)

本实用新型中，患骨CT三维模型和结构光三维影像所采用的面配准方法为：医生分别在患骨CT三维模型和结构光三维影像的对应部位（对应患骨同一位置）选取3～5个点对，对结构光三维影像与患骨CT三维模型进行初配准，并保证上述两幅图像上点云的初始位置相差不会太大，得到结构光图像坐标系到CT图像坐标系的一个初步空间变换矩阵，再通过最近点迭代算法（ICP）进行精配准，计算出上述两幅图像初始状态下的映射关系（即坐标转换矩阵）。在本实用新型所述的配准过程中设置误差阈值为0.3mm，迭代次数上限为100次，精配准时间不超过3秒。

第三步：扫描模式结束后，进入跟踪模式，开始手术导航。关闭结构光扫描仪1上的投影光栅8，仍开启的两台已标定好的摄像机（第一摄像机9和第二摄像机10）用双目立体视觉技术实时跟踪动态基准2和手术器械3上安装的可见光标识。由于手术器械3上的可见光标识在手术器械上的相对位置事先已经过标定，因此可通过手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系中的位置，确定手术器械坐标系，并利用坐标转换方法得到手术器械3在CT图像坐标系中的方位。这样，医生就可在装有手术导航软件的计算机上看到手术器械末端点与患骨的相对位置，从而施行手术。

本实用新型基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统工作流程图中第二步和第三步均用到结构光扫描仪中的两台摄像机，所以结构光图像坐标系和摄像机的坐标系相同，避免了同类系统中由红外导航定位仪参与跟踪而产生的坐标转换精度损失。

将动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标记作

开始手术导航后在结构光图像坐标系下的齐次坐标记作

手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标记作

开始手术导航后，手术器械上的可见光标识在患者坐标系（由动态基准确定）下的齐次坐标记作

在结构光图像坐标系下的齐次坐标记作

V_{S}^{T 0} = V_{S}^{D 0} + V_{S}^{T 1} - V_{S}^{D 1} - - - (2)

在开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系的位置为：

V_{C}^{T 1} = T_{C}^{S} \cdot V_{S}^{T 0} = T_{C}^{S} \cdot (V_{S}^{D 0} + V_{P}^{T 1}) = T_{C}^{S} \cdot (V_{S}^{D 0} + V_{S}^{T 1} - V_{S}^{D 1}) - - - (3)

其中：

由于手术器械事先经过标定，确立了手术器械坐标系。设手术器械末端点与某一可见光标识点之间的齐次坐标为

则手术器械末端点在CT图像坐标系中的齐次坐标记为

满足如下关系：

V_{C}^{T} = V_{C}^{T 1} + V_{T}^{0} - - - (4)

通过坐标转换关系，可确定手术器械上任一点在CT图像坐标系中相对患骨CT三维模型的动态坐标以及手术器械的轴线位置，从而实现手术导航。

Claims

1.一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，其特征在于：该系统包括结构光扫描仪（1）、动态基准（2）和手术器械（3），以及含有手术导航软件和术前CT扫描的患骨CT三维模型的计算机（4）；所述的结构光扫描仪包括两台左右对称安装的摄像机和一个居中安装的投影光栅（8），两台摄像机和投影光栅分别通过数据线与所述计算机相连；所述的动态基准固定于患骨处，结构光扫描仪采集患骨处的结构光三维影像,在动态基准上装有至少3个不共线的可见光标识，被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；在所述的手术器械上同样装有至少3个不共线的可见光标识，开始手术导航后被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；