專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于脊柱手術(shù)中的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)及方法，且特別地，涉及 手術(shù)前CT掃描與手術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖像的配準(zhǔn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
椎弓根內(nèi)固定術(shù)是一種治療胸腰椎段脊柱骨折的標(biāo)準(zhǔn)化常規(guī)手術(shù)，該方法通過植 入椎弓根螺釘來穩(wěn)定脊柱，可用于治療腰椎滑脫，胸腰椎骨折等癥。由于椎弓根鄰近脊髓、 神經(jīng)系統(tǒng)，在手術(shù)中，椎弓根往往不可見，所以手術(shù)難度很高，臨床研究表明傳統(tǒng)椎弓根內(nèi) 固定術(shù)的螺釘偏移率為28 40%。計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)(ComputerAided Orthopedic Surgery,也稱 CAOS)在醫(yī)學(xué) 影像，如CT，MRI，X光或三維超聲等的導(dǎo)引下，利用導(dǎo)航儀跟蹤手術(shù)器械的位置，從而可以 把虛擬手術(shù)器械與植釘部位融合并顯示在屏幕上，來增加手術(shù)的可視性，幫助醫(yī)生避開重 要的器官與組織，從而提高植釘精度，減少術(shù)中創(chuàng)傷。根據(jù)所使用圖像模態(tài)的不同，計(jì)算機(jī) 輔助脊椎手術(shù)一般可分為基于CT圖像與基于C型臂透視圖像兩種，其中C型臂手術(shù)導(dǎo)航又 分為二維和三維兩種。以基于CT圖像導(dǎo)航為例，導(dǎo)航脊柱手術(shù)可以分為以下步驟1.手術(shù)前采集患者CT影像數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，重建脊椎骨三維模 型，并規(guī)劃術(shù)中手術(shù)路徑。由于該系統(tǒng)采用單椎體表面配準(zhǔn)方式，所以要根據(jù)三維重建圖 像，在擬手術(shù)椎體后方表面選取3 5個(gè)特征點(diǎn)，待手術(shù)中用于點(diǎn)配準(zhǔn)。并確定椎弓根釘?shù)?植入位置及螺釘?shù)拈L度與直徑。2.術(shù)中暴露出患者脊柱后方解剖結(jié)構(gòu)后，在棘突上安裝動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)。由于動(dòng)態(tài)基準(zhǔn) 和手術(shù)器械上都裝有紅外發(fā)光二極管，其光線被導(dǎo)航儀所捕獲，從而確定了患者坐標(biāo)系與 手術(shù)器械坐標(biāo)系的關(guān)系。然后用導(dǎo)航探針點(diǎn)出術(shù)前設(shè)計(jì)的特征點(diǎn)在脊椎骨上的實(shí)際位置， 進(jìn)行點(diǎn)配準(zhǔn)和面配準(zhǔn)。導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算出此時(shí)的配準(zhǔn)誤差，如果誤差可以接受，即可進(jìn)行導(dǎo)航 手術(shù)，在三維影像的引導(dǎo)下，進(jìn)行植釘。臨床對比試驗(yàn)表明，利用導(dǎo)航手術(shù)能大大提高植釘精度，減少植釘偏移率。但現(xiàn)有 的商用骨科導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)仍存在若干缺陷，需要改進(jìn)。如使用Stryker公司的紅外主動(dòng)誘 導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行臨床手術(shù)，醫(yī)生反映利用該系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)配準(zhǔn)時(shí)，受操作誤差與點(diǎn)配準(zhǔn) 方法影響，配準(zhǔn)精度并不理想；并且手術(shù)中難以避免手術(shù)器械與動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)發(fā)生碰撞，這樣就 改變了配準(zhǔn)關(guān)系，需重新進(jìn)行配準(zhǔn)，延長了手術(shù)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型的基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)， 主要包括結(jié)構(gòu)光掃描儀、紅外導(dǎo)航定位儀、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、帶紅外發(fā)光二極管的手術(shù)器械和計(jì)算 機(jī)等，可利用結(jié)構(gòu)光掃描儀獲取手術(shù)部位的局部骨表面圖像，再利用多區(qū)域ICP配準(zhǔn)算法 對結(jié)構(gòu)光圖像與CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，之后利用紅外導(dǎo)航定位儀和動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)手術(shù)空間、結(jié)構(gòu)光圖像空間和CT圖像空間的位置映射變化，從而幫助醫(yī)生在CT圖像上實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)，包含結(jié)構(gòu)光掃描儀、紅外導(dǎo)航定位儀、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、帶紅外發(fā)光二極管的手術(shù)器械和計(jì)算機(jī)；其中，結(jié)構(gòu)光掃描儀和紅外 導(dǎo)航定位儀定位布置；手術(shù)器械上安裝若干紅外發(fā)光二極管，它們所發(fā)出的紅外光被紅外 導(dǎo)航定位儀所捕獲，從而確定紅外導(dǎo)航定位儀的導(dǎo)航坐標(biāo)系和手術(shù)器械的手術(shù)器械坐標(biāo)系 之間的關(guān)系；夾持在患者脊椎骨上的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，其同樣設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，用于實(shí)時(shí) 跟蹤患者坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的變化。 該動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)包含基座，基座下端為U型卡槽，該U型卡槽通過固緊螺釘調(diào)節(jié)開口大 小，基座上裝設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，而每個(gè)紅外發(fā)光二極管同心布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記 點(diǎn)內(nèi)圓外方，結(jié)構(gòu)光掃描時(shí)將他們掃描進(jìn)去，通過圖像處理可以獲取其圓心，結(jié)構(gòu)光圖像中 這些標(biāo)記點(diǎn)的中心與導(dǎo)航坐標(biāo)系確定的紅外發(fā)光二極管坐標(biāo)一一對應(yīng)。上述的紅外發(fā)光二極管均為3-5個(gè)。一種用于基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，該動(dòng)態(tài)基準(zhǔn) 包含基座，基座下端為U型卡槽，該U型卡槽通過固緊螺釘調(diào)節(jié)開口大小，基座上裝設(shè)有若 干紅外發(fā)光二極管，而每個(gè)紅外發(fā)光二極管同心布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)內(nèi)圓外方。一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)方法，用結(jié)構(gòu)光對手術(shù)部位進(jìn)行三 維掃描，通過改進(jìn)的ICP算法進(jìn)行多區(qū)域組合配準(zhǔn)，再利用紅外導(dǎo)航定位儀和動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，對 導(dǎo)航儀坐標(biāo)系、結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系、患者坐標(biāo)系和手術(shù)器械坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而 將手術(shù)器械位置導(dǎo)入術(shù)前CT圖像，實(shí)現(xiàn)術(shù)中導(dǎo)航。首先利用CT掃描獲取脊椎骨的CT數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)重建出三維模型，在模型上 圈定面配準(zhǔn)區(qū)域，并選取三個(gè)特征點(diǎn)供手術(shù)中預(yù)配準(zhǔn)使用；在手術(shù)室中布置結(jié)構(gòu)光掃描儀 和紅外導(dǎo)航定位儀，手術(shù)器械上安裝若干紅外發(fā)光二極管，它們所發(fā)出的紅外光被紅外導(dǎo) 航定位儀所捕獲，從而確定紅外導(dǎo)航定位儀的導(dǎo)航坐標(biāo)系和手術(shù)器械的手術(shù)器械坐標(biāo)系之 間的關(guān)系；夾持在患者脊椎骨上的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，其同樣設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，用于實(shí)時(shí)跟 蹤患者坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的變化；手術(shù)中利用結(jié)構(gòu)光掃描儀發(fā)出的結(jié)構(gòu)光掃描手術(shù)局 部部位，獲得局部骨表面圖像并與術(shù)前三維CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；利用紅外導(dǎo)航定位儀和動(dòng)態(tài) 基準(zhǔn)，對導(dǎo)航儀坐標(biāo)系、結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系、患者坐標(biāo)系和手術(shù)器械坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐標(biāo)變 換，計(jì)算手術(shù)部位在術(shù)中發(fā)生變化情況下，手術(shù)器械在術(shù)前三維CT圖像中的相對位置，實(shí) 現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航。采用預(yù)配準(zhǔn)與多區(qū)域ICP配準(zhǔn)相結(jié)合的方法來確定術(shù)前CT圖像與術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖 像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，首先估算出兩組點(diǎn)集中每一點(diǎn)的法矢和曲率，所有的曲率相近點(diǎn)構(gòu)成 一系列點(diǎn)對，計(jì)算將每個(gè)點(diǎn)對的法矢方向映射為一致的三維空間變換，每個(gè)點(diǎn)對間所有可 能的三維變換構(gòu)建一個(gè)哈希列表，找出列表中使得最多數(shù)量的點(diǎn)對法矢一致的變換，該變 換能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)點(diǎn)集的粗略配準(zhǔn)，將粗略配準(zhǔn)后2個(gè)點(diǎn)云的位置作為新的初始位置，運(yùn)用 多區(qū)域ICP算法對散亂點(diǎn)云的初始配準(zhǔn)結(jié)果做進(jìn)一步地優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云的精確配 準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)裝有若干紅外發(fā)光二極管用于導(dǎo)航儀定位，每個(gè)紅外發(fā)光二極管同心還 布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)內(nèi)圓外方，可同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)光掃描，結(jié)構(gòu)光圖像中這些標(biāo)記點(diǎn)的中心與導(dǎo)航儀坐標(biāo)系確定的紅外發(fā)光二極管的坐標(biāo)一一對應(yīng)。由于一次測量通常不能獲取待測脊椎骨的全部三維信息，需要進(jìn)行多視角測量， 需要將各次測量所獲得的三維信息拼接到一起形成一個(gè)整體。簡述如下術(shù)前通過CT掃描獲取手術(shù)部位的三維CT圖像。 術(shù)中利用結(jié)構(gòu)光掃描儀對手術(shù)部位和手術(shù)部位上面固定好的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)進(jìn)行局部 掃描，獲取脊椎骨與動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)光圖像，然后利用多區(qū)域ICP配準(zhǔn)算法對結(jié)構(gòu)光圖像 與CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算出兩圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)上不僅裝有紅外發(fā)光二極管，可被光學(xué)導(dǎo)航儀捕獲，還貼有可被結(jié) 構(gòu)光掃描儀識(shí)別的標(biāo)記點(diǎn)，所以可以計(jì)算出光學(xué)導(dǎo)航儀與結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 而手術(shù)器械也安裝紅外發(fā)光二極管，與同樣被光學(xué)導(dǎo)航儀導(dǎo)航的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)也建立了聯(lián)系， 這樣術(shù)中，術(shù)前的各坐標(biāo)系都確立了轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過醫(yī)學(xué)圖像，醫(yī)生就可以在屏幕上看到， 手術(shù)器械與脊椎骨實(shí)時(shí)的相對位置，從而進(jìn)行導(dǎo)航手術(shù)。對比現(xiàn)有手術(shù)方法，本發(fā)明提出的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根導(dǎo)航手術(shù)有以下有益 效果(1)相對傳統(tǒng)椎弓根手術(shù)，本發(fā)明能夠讓醫(yī)生在術(shù)中有更好的視野，能實(shí)時(shí)觀察到 手術(shù)器械相對椎弓根的位置，降低手術(shù)難度，并提高植釘精度；(2)相對于基于二維C臂導(dǎo)航手術(shù)，本發(fā)明所使用的術(shù)前CT是三維醫(yī)學(xué)圖像，質(zhì)量 很高，可以用于直徑更細(xì)小的頸椎手術(shù)，三維重建后醫(yī)生可以觀察任意視角下椎弓根釘相 對手術(shù)部位的位姿，提高手術(shù)安全性，并可減少術(shù)中醫(yī)生被X光輻射；(3)相對于現(xiàn)有商用CT導(dǎo)航手術(shù)，本發(fā)明使用的結(jié)構(gòu)光圖像與CT圖像的多區(qū)域 ICP配準(zhǔn)算法替代了前者的點(diǎn)配準(zhǔn)方法，減少了醫(yī)生手動(dòng)取點(diǎn)誤差，且面配準(zhǔn)使用更多的配 準(zhǔn)點(diǎn)，精度比點(diǎn)配準(zhǔn)有很大提高；(4)本發(fā)明提出的改進(jìn)型動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，體積比較小，可以減少手術(shù)中被觸碰到的幾 率，避免觸碰后重新配準(zhǔn)的過程，可以縮短手術(shù)時(shí)間，并且利用該動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，還可以實(shí)現(xiàn)結(jié) 構(gòu)光圖像與導(dǎo)航儀坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。


圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)工作流程圖；圖2為本發(fā)明對脊椎骨重建后的三維模型；圖3為本發(fā)明中導(dǎo)航儀對手術(shù)器械與動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)定位的示意圖；圖4為本發(fā)明中雙攝像機(jī)結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的原理圖；圖5為本發(fā)明中改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，首先對患者進(jìn)行術(shù)前掃描，獲取其脊椎骨的CT數(shù)據(jù)1。CT是以X線 束從多個(gè)方向沿著人體某一選定斷層層面透射，測定透過的X線量，數(shù)字化后經(jīng)過計(jì)算得 出該層層面組織各個(gè)單位體積的吸收系數(shù)，然后重建成圖像的一種成像技術(shù)。CT圖像以不 同的灰度值來表示，反映了各器官和組織對X線的吸收與透過率的不同。其中黑影表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如軟組織；白影表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如骨骼。根據(jù)不同組織間的灰度階躍設(shè)置分解閾值，再利用該閾值將CT圖像中各器官的邊界提取出來，作為三維重 建的輪廓輸入。具體操作時(shí)，本文首先將DICOM格式的CT圖像導(dǎo)入Mimics軟件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 值設(shè)定灰度閾值來提取出骨骼表面，再重建出骨骼的三維模型2，如圖2所示是對一脊椎骨 重建后的骨骼表面圖像。醫(yī)生可以根據(jù)脊椎骨的形態(tài)確定手術(shù)時(shí)植釘點(diǎn)的位置及植釘?shù)慕?度。然后需要在模型上圈定面配準(zhǔn)區(qū)域，一般取棘突及其附近骨骼表面，用于術(shù)中和結(jié)構(gòu)光 圖像配準(zhǔn)，并點(diǎn)出三個(gè)特征點(diǎn)供手術(shù)中預(yù)配準(zhǔn)使用3。在本具體實(shí)施例中，手術(shù)室里布置加拿大X X公司的X X紅外導(dǎo)航定位儀與北 京三維天遠(yuǎn)公司的OKIO-II結(jié)構(gòu)光掃描儀4。如圖3所示，X X紅外導(dǎo)航定位儀定位原理類似衛(wèi)星定位原理，在手術(shù)器械上安 裝有3 5個(gè)紅外主動(dòng)紅外發(fā)光二極管，它們所發(fā)出的紅外光被導(dǎo)航儀的攝像機(jī)所捕獲，從 而可以確定導(dǎo)航儀坐標(biāo)系(C-COS)和手術(shù)器械坐標(biāo)系(T-COS)之間的關(guān)系。由于呼吸或手 術(shù)需要，手術(shù)中患者位姿會(huì)有所變動(dòng)，所以要在患者脊椎骨上夾持一同樣裝有紅外發(fā)光二 極管的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)(DRB)，以實(shí)時(shí)跟蹤患者坐標(biāo)系(Α-cos)相對導(dǎo)航儀坐標(biāo)系的變化。這樣， 如果需要跟蹤某物體在手術(shù)空間的位姿變化，只需在該物體上安裝紅外發(fā)光二極管即可實(shí) 現(xiàn)。并且各物體間實(shí)時(shí)的相對位置關(guān)系也可以計(jì)算出來。圖4是OKIO-II結(jié)構(gòu)光掃描儀的雙攝像機(jī)結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)基本原理圖，結(jié)構(gòu)光掃 描儀以及其工作原理是現(xiàn)有技術(shù)，在此簡要說明。該系統(tǒng)結(jié)合了投影柵相位法與立體視覺 原理，可以看出，該系統(tǒng)由投影裝置401與兩個(gè)攝像機(jī)402、403組成。投影裝置401將有具 有某種特性的光(稱為結(jié)構(gòu)光)投射到物體上，結(jié)構(gòu)光包括解相光柵和一系列編碼光柵，光 柵圖像投影到被掃描物體表面后，由兩臺(tái)安裝在不同角度上的攝像機(jī)402、403同時(shí)攝取圖 像。規(guī)則的光柵受到物體表面高度的調(diào)制而發(fā)生變形，這樣就可以通過解相和基于結(jié)構(gòu)光 編碼的相展開方法得到被調(diào)制光柵的相位，從而解決兩幅圖像上空間點(diǎn)的對應(yīng)問題，并通 過兩臺(tái)攝像機(jī)的三角交匯得到形體的三維坐標(biāo)信息。術(shù)中首先要對兩架攝像機(jī)402、403分別進(jìn)行標(biāo)定，獲取各自的內(nèi)外參數(shù)。再聯(lián)合 兩部攝像機(jī)的外參數(shù)，獲取兩者的空間位置關(guān)系。對攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，需要借助標(biāo)定 塊進(jìn)行。然后向待測三維形體表面投射結(jié)構(gòu)光柵，以獲取三維形體表面相位信息。兩架攝 像機(jī)分別拍攝在變形后的光柵，計(jì)算光柵中所包含的相位信息。該系統(tǒng)投射的結(jié)構(gòu)光柵供 包括11幅圖像，其中4幅相主值包含了結(jié)構(gòu)光柵的相主值信息，7幅相周期包含了結(jié)構(gòu)光柵 的相周期信息。通過解相與相展開過程可以分別得到投影光柵的相主值與相周期信息，疊 加相主值與相周期即可得到三維形體表面各點(diǎn)上變形后光柵的相位信息。這樣就可以結(jié)合外極線幾何與步驟2中獲得的相位，匹配兩架攝像機(jī)中的圖像上 的點(diǎn)。對匹配后的圖像利用步驟1中標(biāo)定出的兩架攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和空間位置關(guān)系，計(jì) 算待測物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，重構(gòu)出三維形體表面的三維信息。由于一次測量通常不能獲取待測脊椎骨的全部三維信息，需要進(jìn)行多視角測量。 最好需要將各次測量所獲得的三維信息拼接到一起形成一個(gè)整體。實(shí)際手術(shù)中，醫(yī)生在手術(shù)部位夾持動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，然后利用結(jié)構(gòu)光掃描儀對棘突及動(dòng) 態(tài)基準(zhǔn)進(jìn)行掃描，獲取其表面的三位形貌。動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)如圖5所示，緊固螺釘504通過調(diào)節(jié)基 座503下端U型卡槽兩側(cè)的距離將基準(zhǔn)固定在手術(shù)部位。本實(shí)施例中，在基準(zhǔn)上裝有三個(gè)紅外發(fā)光二極管502，發(fā)出的紅外光可以被導(dǎo)航儀所捕捉，這樣就可以實(shí)時(shí)跟蹤由于呼吸而 引起的患者坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)，而每個(gè)紅外發(fā)光二極管502同心還布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)501，這些標(biāo) 記點(diǎn)內(nèi)圓外方，結(jié)構(gòu)光掃描時(shí)將它們掃描進(jìn)去，通過圖像處理可以獲取其圓心，結(jié)構(gòu)光圖像 中這些標(biāo)記點(diǎn)501的中心與導(dǎo)航儀坐標(biāo)系確定的紅外發(fā)光二極管502的坐標(biāo)一一對應(yīng)。將某紅外發(fā)光二極管的中心(同時(shí)也是標(biāo)記點(diǎn)的圓心)在導(dǎo)航儀坐標(biāo)系(C-COS)、 結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系(S-COS)與動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)確定的患者坐標(biāo)系(P-COS)下的坐標(biāo)分別記作三維 向量 Vc，Vs，Vp，貝 IJVc = Vp · Tp, c, Vs = Vp · Tp, s即Vs = Vc. (TP,cr、TP,s其中，Tp, c為患者坐標(biāo)系(P-COS)到導(dǎo)航儀坐標(biāo)系(C-COS)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，TP, s 為患者坐標(biāo)系(P-COS)到結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系(S-COS)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。而手術(shù)器械也安裝有紅外發(fā)光二極管，這樣也確立了一個(gè)局部坐標(biāo)系，設(shè)為 T-C0S，利用光學(xué)定位儀來跟蹤其變化。設(shè)在手術(shù)器械坐標(biāo)系(T-COS)下，任一點(diǎn)的位置用 向量Vt表示(下標(biāo)T代表向量所在的坐標(biāo)系T-C0S)，利用光學(xué)定位儀所給出的轉(zhuǎn)換關(guān)系， 可以將它首先變換到患者局部坐標(biāo)系下，用矢量Vp表示，即Vp = Vt · Ττ, ρ其中，· Ττ,ρ為手術(shù)器械坐標(biāo)系(T-COS)到患者坐標(biāo)系(P-COS)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。這樣就確定了術(shù)中手術(shù)空間內(nèi)任一點(diǎn)在C-cos，S-cos，P-cos和T_cos各坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中用光學(xué)導(dǎo)航方法確定了 C-cos，T-cos, P-cos之間的轉(zhuǎn)換，而后通過 動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得S-cos坐標(biāo)系與導(dǎo)航儀之間聯(lián)系起來。為了將術(shù)前CT圖像引入術(shù)中導(dǎo)航，本發(fā)明結(jié)合預(yù)配準(zhǔn)6與多區(qū)域ICP面配準(zhǔn)7對 結(jié)構(gòu)光圖像與CT圖像進(jìn)行面配準(zhǔn)。Besl等提出的最近點(diǎn)迭代(Iterative closest point, I CP)算法是現(xiàn)有多種用于不同模態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)配準(zhǔn)算法中，運(yùn)用最為廣泛的。但I(xiàn)CP 算法具有局部收斂性，要求兩組點(diǎn)云的初始位置不能相差太大，否則將導(dǎo)致ICP收斂方向 的不確定性，從而導(dǎo)致配準(zhǔn)失敗。因此，本發(fā)明采取預(yù)配準(zhǔn)6與多區(qū)域ICP配準(zhǔn)7相結(jié)合的 方法來確定術(shù)前CT圖像與術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。其基本思想是，首先估算出兩組點(diǎn)集中每一點(diǎn)的法矢和曲率，所有的曲率相近點(diǎn) 構(gòu)成一系列點(diǎn)對，計(jì)算將每個(gè)點(diǎn)對的法矢方向映射為一致的三維空間變換，每個(gè)點(diǎn)對間所 有可能的三維變換構(gòu)建一個(gè)哈希列表，找出列表中使得最多數(shù)量的點(diǎn)對法矢一致的變換， 該變換能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)點(diǎn)集的粗略配準(zhǔn)。將粗略配準(zhǔn)后2個(gè)點(diǎn)云的位置作為新的初始位置， 運(yùn)用多區(qū)域ICP算法對散亂點(diǎn)云的初始配準(zhǔn)結(jié)果做進(jìn)一步地優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云的精 確配準(zhǔn)。這樣，手術(shù)空間的各個(gè)局部坐標(biāo)系就可以借助術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖像4與術(shù)前CT圖像2 的配準(zhǔn)，來確定各自與術(shù)前CT圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，并將手術(shù)器械與椎弓根的相對位置關(guān) 系在CT圖像上顯現(xiàn)出來，指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行導(dǎo)航手術(shù)。
權(quán)利要求
一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)，其特征在于包含結(jié)構(gòu)光掃描儀、紅外導(dǎo)航定位儀、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、帶紅外發(fā)光二極管的手術(shù)器械和計(jì)算機(jī)；其中，手術(shù)室布置結(jié)構(gòu)光掃描儀和紅外導(dǎo)航定位儀；手術(shù)器械上安裝若干紅外發(fā)光二極管，它們所發(fā)出的紅外光被紅外導(dǎo)航定位儀所捕獲，從而確定紅外導(dǎo)航定位儀的導(dǎo)航坐標(biāo)系和手術(shù)器械的手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的關(guān)系；夾持在患者脊椎骨上的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，其同樣設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，用于實(shí)時(shí)跟蹤患者坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)，其特征在 于該動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)包含基座，基座下端為U型卡槽，該U型卡槽通過固緊螺釘調(diào)節(jié)開口大小，基 座上裝設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，而每個(gè)紅外發(fā)光二極管同心布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)內(nèi) 圓外方，結(jié)構(gòu)光掃描時(shí)將他們掃描進(jìn)去，通過圖像處理可以獲取其圓心，結(jié)構(gòu)光圖像中這些 標(biāo)記點(diǎn)的中心與導(dǎo)航坐標(biāo)系確定的紅外發(fā)光二極管坐標(biāo)一一對應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)，其特 征在于上述的紅外發(fā)光二極管均為3-5個(gè)。
4.一種用于基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，其特征在于 該動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)包含基座，基座下端為U型卡槽，該U型卡槽通過固緊螺釘調(diào)節(jié)開口大小，基座 上裝設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，而每個(gè)紅外發(fā)光二極管同心布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)內(nèi)圓 外方。
5.一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)方法，其特征在于用結(jié)構(gòu)光對手術(shù) 部位進(jìn)行三維掃描，通過改進(jìn)的ICP算法進(jìn)行多區(qū)域組合配準(zhǔn)，再利用紅外導(dǎo)航定位儀和 動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，對導(dǎo)航儀坐標(biāo)系、結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系、患者坐標(biāo)系和手術(shù)器械坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐 標(biāo)變換，從而將手術(shù)器械位置導(dǎo)入術(shù)前CT圖像，實(shí)現(xiàn)術(shù)中導(dǎo)航。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)方法，其特征在 于首先利用CT掃描獲取脊椎骨的CT數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)重建出三維模型，在模型上圈定面 配準(zhǔn)區(qū)域，并選取三個(gè)特征點(diǎn)供手術(shù)中預(yù)配準(zhǔn)使用；在手術(shù)室中布置結(jié)構(gòu)光掃描儀和紅外導(dǎo)航定位儀，手術(shù)器械上安裝若干紅外發(fā)光二極 管，它們所發(fā)出的紅外光被紅外導(dǎo)航定位儀所捕獲，從而確定紅外導(dǎo)航定位儀的導(dǎo)航坐標(biāo) 系和手術(shù)器械的手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的關(guān)系；夾持在患者脊椎骨上的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，其同樣設(shè) 有若干紅外發(fā)光二極管，用于實(shí)時(shí)跟蹤患者坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的變化；手術(shù)中利用結(jié)構(gòu)光掃描儀發(fā)出的結(jié)構(gòu)光掃描手術(shù)局部部位，獲得局部骨表面圖像并與 術(shù)前三維CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；利用紅外導(dǎo)航定位儀和動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，對導(dǎo)航儀坐標(biāo)系、結(jié)構(gòu)光圖像坐標(biāo)系、患者坐標(biāo)系和 手術(shù)器械坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算手術(shù)部位在術(shù)中發(fā)生變化情況下，手術(shù)器械在術(shù) 前三維CT圖像中的相對位置，實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)方法，其特 征在于采用預(yù)配準(zhǔn)與多區(qū)域ICP配準(zhǔn)相結(jié)合的方法來確定術(shù)前CT圖像與術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖像 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，首先估算出兩組點(diǎn)集中每一點(diǎn)的法矢和曲率，所有的曲率相近點(diǎn)構(gòu)成一 系列點(diǎn)對，計(jì)算將每個(gè)點(diǎn)對的法矢方向映射為一致的三維空間變換，每個(gè)點(diǎn)對間所有可能的三維變換構(gòu)建一個(gè)哈希列表，找出列表中使得最多數(shù)量的點(diǎn)對法矢一致的變換，該變換 能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)點(diǎn)集的粗略配準(zhǔn)，將粗略配準(zhǔn)后2個(gè)點(diǎn)云的位置作為新的初始位置，運(yùn)用多區(qū) 域ICP算法對散亂點(diǎn)云的初始配準(zhǔn)結(jié)果做進(jìn)一步地優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)散亂點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)。
8.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)方法，其特 征在于動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)裝有若干紅外發(fā)光二極管用于導(dǎo)航儀定位，每個(gè)紅外發(fā)光二極管同心還 布置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)內(nèi)圓外方，可同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)光掃描，結(jié)構(gòu)光圖像中這些標(biāo)記點(diǎn)的中 心與導(dǎo)航儀坐標(biāo)系確定的紅外發(fā)光二極管的坐標(biāo)一一對應(yīng)。
9.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)方法，其特 征在于由于一次測量通常不能獲取待測脊椎骨的全部三維信息，需要進(jìn)行多視角測量，需 要將各次測量所獲得的三維信息拼接到一起形成一個(gè)整體。
全文摘要
本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)，包含結(jié)構(gòu)光掃描儀、紅外導(dǎo)航定位儀、動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)、帶紅外發(fā)光二極管的手術(shù)器械和計(jì)算機(jī)；其中，結(jié)構(gòu)光掃描儀和紅外導(dǎo)航定位儀定位布置；手術(shù)器械上安裝若干紅外發(fā)光二極管，它們所發(fā)出的紅外光被紅外導(dǎo)航定位儀所捕獲，從而確定紅外導(dǎo)航定位儀的導(dǎo)航坐標(biāo)系和手術(shù)器械的手術(shù)器械坐標(biāo)系之間的關(guān)系；夾持在患者脊椎骨上的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)，其同樣設(shè)有若干紅外發(fā)光二極管，用于實(shí)時(shí)跟蹤患者坐標(biāo)系相對導(dǎo)航坐標(biāo)系的變化。本發(fā)明利用結(jié)構(gòu)光掃描圖像代替醫(yī)生手動(dòng)取點(diǎn)，減少了手動(dòng)操作誤差，并減少了X光對醫(yī)生和患者的傷害；所提出的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)還具有體積小，功能強(qiáng)的特點(diǎn)，能提高手術(shù)可靠性和植釘精度，減少手術(shù)創(chuàng)傷。
文檔編號(hào)A61B6/03GK101862220SQ200910082110
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者李書綱, 鄭浩峻 申請人:中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院