專利名稱：一種用于顱頜面外科手術(shù)的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)外科治療過程中，手術(shù)醫(yī)生根據(jù)患者術(shù)前的臨床檢查及影像資料制定手術(shù)計劃，在術(shù)中只能憑借手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗及手術(shù)技巧來執(zhí)行手術(shù)計劃。這種方式對手術(shù)醫(yī)生的技巧要求高且準(zhǔn)確性較差，術(shù)中難以精確定為具體手術(shù)操作部位。隨著計算機輔助設(shè)計與計算機外科模擬技術(shù)的發(fā)展，及對手術(shù)精確度的要求逐漸提高，導(dǎo)航外科技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并被廣泛應(yīng)用于外科各個領(lǐng)域。外科導(dǎo)航技術(shù)可以將術(shù)前手術(shù)計劃較準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為術(shù)中手術(shù)現(xiàn)實，從而指導(dǎo)手術(shù)醫(yī)生依照術(shù)前計劃執(zhí)行手術(shù)操作。常用的導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的 Stryker導(dǎo)航系統(tǒng)、德國的Brainlab系統(tǒng)等。外科導(dǎo)航技術(shù)中關(guān)鍵的一個步驟就是將術(shù)中患者實際的軟硬組織與術(shù)前計劃中患者CT掃描圖像進行配準(zhǔn)，使兩者在手術(shù)過程中同步一致。從而可以確定手術(shù)器械、具體操作部位等與患者實體的相對位置，提高手術(shù)精確性和安全性。常用的外科導(dǎo)航系統(tǒng)配準(zhǔn)方式有點配準(zhǔn)與面配準(zhǔn)兩種方式點配準(zhǔn)是指通過將患者實體的軟硬組織上的某些標(biāo)識點與患者虛擬圖像中相對應(yīng)的標(biāo)識點通過導(dǎo)航探針逐一關(guān)聯(lián)配準(zhǔn)；面配準(zhǔn)是指將患者實體的軟硬組織上的某一表面通過導(dǎo)航探針進行識別，導(dǎo)航系統(tǒng)會自動與患者虛擬圖像中相吻合的面進行匹配關(guān)聯(lián)。但是這兩種方法都有術(shù)中操作繁瑣，配準(zhǔn)時間長，配準(zhǔn)精度欠佳及配準(zhǔn)標(biāo)識點識別困難等缺陷。特別是在顱頌面領(lǐng)域，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)操作空間有限，這些就更增加了導(dǎo)航配準(zhǔn)的難度。有些導(dǎo)航系統(tǒng)為了提高配準(zhǔn)精度需要術(shù)前在患者體內(nèi)植入導(dǎo)航定位釘，增加了對患者的創(chuàng)傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于頭顱額面外科手術(shù)的定位方法，該方法彌補了現(xiàn)有外科手術(shù)中導(dǎo)航定位配準(zhǔn)方式的不足，使整個導(dǎo)航定位過程更簡單、更易用、 更精確，同時該方法避免了常規(guī)導(dǎo)航中將手術(shù)前圖像與術(shù)中實體進行實時配準(zhǔn)這一過程， 而是采用空間矩陣變換的方法，對手術(shù)器械及頌骨骨塊進行實時追蹤導(dǎo)航，使整個過程快速準(zhǔn)確。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，包括以下步驟步驟一，根據(jù)患者牙列石膏的模型，制作出咬合板參考示蹤器，該咬合板參考示蹤器由與牙列相匹配的咬合板和作為示蹤器使用的反光球陣列組成；步驟二，將咬合板固定于患者的口腔內(nèi)，對患者進行CT掃描，得到CT掃描圖像數(shù)據(jù)，對得到的CT掃描圖像數(shù)據(jù)通過CT圖像重建軟件進行圖像數(shù)據(jù)分割與重建，獲得患者顱頌面部軟硬組織和咬合板參考示蹤器的三角面網(wǎng)格模型，采用球面擬合方法得到咬合板參考示蹤器上反光球陣列的幾何結(jié)構(gòu)，并建立咬合板參考示蹤器在頭顱三維坐標(biāo)系中的空間變換矩陣M1 ；步驟三，在患者頭部安放固定標(biāo)準(zhǔn)參考架，通過導(dǎo)航定位儀讀取咬合板參考示蹤器在固定標(biāo)準(zhǔn)參考架的三維坐標(biāo)系中的變換矩陣M2，求解固定標(biāo)準(zhǔn)參考架在頭顱三維坐標(biāo)系中的變換矩陣M，而后移除咬合板示蹤器，通過讀取任一工具反光球陣列相對于固定標(biāo)準(zhǔn)參考架的變換矩陣M'，求解工具反光球陣列在頭顱三維坐標(biāo)系中的變換矩陣Mf，根據(jù)矩陣 Mf，進行工具反光球陣列相對頭顱三維坐標(biāo)系的實時追蹤導(dǎo)航，對代表手術(shù)工具使用的工具反光球陣列進行定位，從而實現(xiàn)顱頌面外科手術(shù)的實時跟蹤導(dǎo)航定位。步驟二中，所述的球面擬合方法，是指根據(jù)咬合板上工具反光球陣列的CT掃描數(shù)據(jù)，重建陣列中的每個球的三角面網(wǎng)格模型，將單個球的三角面網(wǎng)格模型分割出來，用最小二乘法，迭代求解出求每個球面的球心坐標(biāo)及球面的半徑。對于咬合板參考示蹤器不會干擾的某些顱頌面部手術(shù)，在術(shù)中可以直接使用導(dǎo)航定位讀取任一工具反光球陣列相對于咬合板參考示蹤器的變換矩陣T，求解該工具反光球陣列在頭顱坐標(biāo)系中的變換矩陣Tf，根據(jù)矩陣Tf，實現(xiàn)該工具反光球陣列相對于頭顱坐標(biāo)系的實時追蹤導(dǎo)航，對該工具進行準(zhǔn)確定位，實現(xiàn)顱頌面外科手術(shù)的實時跟蹤導(dǎo)航和定位。對于正頌手術(shù)，建立咬合板參考架在頭顱坐標(biāo)系中的空間變換矩陣M1后，術(shù)中通過導(dǎo)航定位儀讀取咬合板參考架在固定標(biāo)準(zhǔn)參考架坐標(biāo)系中的變換矩陣M2,求解變換矩陣 M2的逆矩陣N，根據(jù)矩陣M1XN = W，實現(xiàn)咬合板參考示蹤器相對于參考頭顱坐標(biāo)系的實時追蹤，從而在術(shù)中直接定位追蹤頌骨骨塊空間位置，實現(xiàn)對正頌手術(shù)的精確導(dǎo)航指導(dǎo)。該定位方法中的矩陣變換步驟可作為在外科導(dǎo)航中的應(yīng)用。本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果(1)將咬合板直接固定于患者的口腔內(nèi)，位置固定且唯一，可重復(fù)性好，對患者無任何創(chuàng)傷；(2)通過確定咬合板參考示蹤器的空間位置坐標(biāo)，通過矩陣運算定位患者實體的空間位置，從而將患者實體與術(shù)前CT重建的三維面網(wǎng)格模型進行匹配，全部過程由幾何運算進行定位，具有較高的精確性；(3)避免了常規(guī)配準(zhǔn)過程中的誤差，無需對標(biāo)志點進行繁瑣的逐一配準(zhǔn)過程，采用矩陣變換的方法，全部定位及運算由計算機程序自動完成，整個定位過程只需要數(shù)秒。


圖1為本發(fā)明實施例中迭代求解算法的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中建立咬合板三維坐標(biāo)系的球心坐標(biāo)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中變換矩陣M2的變換示意圖；圖4為本發(fā)明實施例中變換矩陣M的變換示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中變換矩陣Mf的變換示意圖；圖6為本發(fā)明實施例中變換矩陣Tf的變換示意圖；圖7為本發(fā)明實施例中正頌手術(shù)的矩陣示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
實施例一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，其步驟如下步驟一，根據(jù)患者牙列石膏的模型，制作出咬合板參考示蹤器，該咬合板參考示蹤器由與牙列相匹配的咬合板和作為示蹤器使用的反光球陣列組成，位置唯一其具有較好的可重復(fù)性；步驟二，將咬合板固定于患者的口腔內(nèi)，對患者進行CT掃描，得到CT掃描圖像數(shù)據(jù)，對得到的CT掃描圖像數(shù)據(jù)通過CT圖像重建軟件進行圖像數(shù)據(jù)分割與重建，獲得患者顱頌面部軟硬組織和咬合板參考示蹤器的三角面網(wǎng)格模型，采用球面擬合方法得到咬合板參考示蹤器上反光球陣列的幾何結(jié)構(gòu)，并建立咬合板參考示蹤器在頭顱三維坐標(biāo)系中的空間變換矩陣M1 ；步驟二中的球面擬合方法該方法根據(jù)咬合板上反光球陣列的CT掃描數(shù)據(jù)，重建陣列中的每個球的三角面網(wǎng)格模型，將單個球的三角面網(wǎng)格模型分割出來，用最小二乘法， 迭代求解出求每個球面的球心坐標(biāo)及球面的半徑。具體算法如下對于分割出來的單個球面，列取其全部三角面網(wǎng)格的頂點Pi, (i = 1,2,-,η)；由于重建模型含噪聲，Pi不可能全部分布于球面上，設(shè)待求球面的球心坐標(biāo)為(X。，yc, Zc, P)， 球面半徑r2。最小二乘法算法步驟為1.確定(xc，yc, zc, P)的初始值
權(quán)利要求
1.一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，根據(jù)患者牙列石膏的模型，制作出咬合板參考示蹤器，該咬合板參考示蹤器由與牙列相匹配的咬合板和作為示蹤器使用的反光球陣列組成；步驟二，將咬合板固定于患者的口腔內(nèi)，對患者進行CT掃描，得到CT掃描圖像數(shù)據(jù)，對得到的CT掃描圖像數(shù)據(jù)通過CT圖像重建軟件進行圖像數(shù)據(jù)分割與重建，獲得患者顱頌面部軟硬組織和咬合板參考示蹤器的三角面網(wǎng)格模型，采用球面擬合方法得到咬合板參考示蹤器上反光球陣列的幾何結(jié)構(gòu)，并建立咬合板參考示蹤器在頭顱三維坐標(biāo)系中的空間變換矩陣M1 ；步驟三，在患者頭部安放固定標(biāo)準(zhǔn)參考架，通過導(dǎo)航定位儀讀取咬合板參考示蹤器在固定標(biāo)準(zhǔn)參考架的三維坐標(biāo)系中的變換矩陣M2,求解固定標(biāo)準(zhǔn)參考架在頭顱三維坐標(biāo)系中的變換矩陣M，而后移除咬合板示蹤器，通過讀取任一工具反光球陣列相對于固定標(biāo)準(zhǔn)參考架的變換矩陣M'，求解工具反光球陣列在頭顱三維坐標(biāo)系中的變換矩陣Mf，根據(jù)矩陣Mf, 進行工具反光球陣列相對頭顱三維坐標(biāo)系的實時追蹤導(dǎo)航，對工具反光球陣列進行定位， 從而實現(xiàn)顱頌面外科手術(shù)的實時跟蹤導(dǎo)航定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，其特征在于步驟二中，所述的球面擬合方法，是指根據(jù)咬合板上反光球陣列的CT掃描數(shù)據(jù)，重建陣列中的每個球的三角面網(wǎng)格模型，將單個球的三角面網(wǎng)格模型分割出來，用最小二乘法，迭代求解出求每個球面的球心坐標(biāo)及球面的半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，其特征在于對于咬合板參考示蹤器不會干擾的某些顱頌面部手術(shù)，在術(shù)中可以直接使用導(dǎo)航定位讀取任一工具反光球陣列相對于咬合板參考示蹤器的變換矩陣T，求解該工具反光球陣列在頭顱坐標(biāo)系中的變換矩陣Tf，根據(jù)矩陣Tf，實現(xiàn)該工具反光球陣列相對于頭顱坐標(biāo)系的實時追蹤導(dǎo)航，對該工具進行準(zhǔn)確定位，實現(xiàn)顱頌面外科手術(shù)的實時跟蹤導(dǎo)航和定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，其特征在于對于正頌手術(shù)，建立咬合板參考架在頭顱坐標(biāo)系中的空間變換矩陣M1后，術(shù)中通過導(dǎo)航定位儀讀取咬合板參考架在固定標(biāo)準(zhǔn)參考架坐標(biāo)系中的變換矩陣M2,求解變換矩陣M2的逆矩陣N，根據(jù)矩陣M1XN = W，實現(xiàn)咬合板參考示蹤器相對于參考頭顱坐標(biāo)系的實時追蹤，從而在術(shù)中直接定位追蹤頌骨骨塊空間位置，實現(xiàn)對正頌手術(shù)的精確導(dǎo)航指導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于顱頌面外科手術(shù)的定位方法，其特征在于該定位方法中的矩陣變換步驟可作為在外科導(dǎo)航中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了種用于頭顱額面外科手術(shù)的定位方法，包括以下步驟步驟一，根據(jù)患者牙列石膏的模型，制作出咬合板參考示蹤器；步驟二，將咬合板固定于患者的口腔內(nèi)，對患者進行CT掃描，得到CT掃描圖像數(shù)據(jù)，對得到的CT掃描圖像數(shù)據(jù)通過CT圖像重建軟件進行圖像數(shù)據(jù)分割與重建，獲得患者顱頜面部軟硬組織和咬合板參考示蹤器的三角面網(wǎng)格模型；步驟三，在患者頭部安放固定標(biāo)準(zhǔn)參考架，通過導(dǎo)航定位儀讀取咬合板參考示蹤器在固定標(biāo)準(zhǔn)參考架的三維坐標(biāo)系中的變換矩陣M2，求解固定標(biāo)準(zhǔn)參考架在頭顱三維坐標(biāo)系中的變換矩陣M，求解工具反光球陣列在頭顱三維坐標(biāo)系中的變換矩陣Mf，進行工具反光球陣列相對頭顱三維坐標(biāo)系的實時追蹤導(dǎo)航，對工具反光球陣列進行定位。
文檔編號A61B19/00GK102551892SQ20121001600
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者李彪, 王旭東 申請人:李彪, 王旭東