專利名稱：一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于椎弓根內(nèi)固定手術(shù)的計算機輔助導航系統(tǒng)，尤其是一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
椎弓根內(nèi)固定手術(shù)是一種治療胸腰椎段脊柱骨折的標準化常規(guī)手術(shù)，該手術(shù)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。由于椎弓根鄰近的脊髓和神經(jīng)系統(tǒng)在手術(shù)中往往不可見，這類手術(shù)危險性大，難度高。臨床研究表明，傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定手術(shù)的螺釘偏移率為28 40%，是導致手術(shù)失敗和術(shù)后并發(fā)癥的最主要原因。計算機輔助骨科手術(shù)(ComputerAided Orthopedic Surgery,也稱 CAOS)是在醫(yī)學影像(如CT，MRI，X光或三維超聲等)的導引下，利用導航儀跟蹤手術(shù)器械的位置，把手術(shù) 器械與手術(shù)部位相融合，并實時顯示在計算機屏幕上，從而增加上述手術(shù)的可視性，幫助醫(yī)生避開重要的器官與組織，提高手術(shù)精度，減少術(shù)中創(chuàng)傷的手術(shù)方法，也稱為計算機輔助骨科導航手術(shù)。按照是否采用術(shù)前、術(shù)中的影像資料，目前的導航技術(shù)可分為基于影像和非基于影像的導航系統(tǒng)。根據(jù)所使用圖像種類的不同，又分為基于CT圖像與基于C型臂透視圖像兩種。以脊柱手術(shù)為例，基于CT圖像的導航手術(shù)步驟為術(shù)前采集患者脊椎骨及植入導航標記物的CT影像數(shù)據(jù)，并將其導入裝有手術(shù)導航軟件的計算機，重建脊椎骨三維模型，進行手術(shù)規(guī)劃；術(shù)中安裝參考支架和光感接受定位裝置；與術(shù)前植入導航標記物的對比，獲取在CT圖像中的相對位置，進行手術(shù)導航。這種術(shù)前植入導航標記物給病人造成了極大的痛苦。X線透視導航則是直接通過術(shù)中光學定位系統(tǒng)以及C形臂機成像系統(tǒng)，實時顯示X線圖像解剖、手術(shù)工具、C形臂機之間的空間位置關(guān)系。這種方法使用較為廣泛，但術(shù)中存在大量射線，且導航基于二維影像，即使換用三維C形臂X線機，其清晰度和精度也均不如CT影像，并需專用透X線手術(shù)床。非影像依賴性導航系統(tǒng)適合于解剖結(jié)構(gòu)暴露充分的手術(shù)，只需手術(shù)醫(yī)生在術(shù)中用帶有紅外標記點的探針來點取解剖結(jié)構(gòu)的特征點(稱為“注冊”)，利用運動學或解剖學標志，獲取三維多點定標，計算機利用收集的各種標準解剖資料自動生成模型，從而確定探針與模型之間的相互位置；安裝動態(tài)基準，對患骨在手術(shù)中的位置變化進行動態(tài)調(diào)整；使用帶有紅外標記物的手術(shù)器械進行導航手術(shù)。手術(shù)導航過程中，需要全程使用紅外導航儀將跟蹤探針、動態(tài)基準和手術(shù)器械上的紅外標記物位置信號。如具有代表性的Stryker公司紅外主動誘導手術(shù)導航系統(tǒng)，在臨床手術(shù)時醫(yī)生需手動取點，再由導航系統(tǒng)軟件進行點配準，醫(yī)生普遍反映利用該系統(tǒng)進行點配準時，受醫(yī)生經(jīng)驗、操作誤差與點配準方法影響，配準精度并不理想，醫(yī)生需反復進行手動取點并進行點配準。導航探針有時還會與動態(tài)基準發(fā)生碰撞，這樣就改變了配準關(guān)系，需重新進行點配準，延長了手術(shù)時間。為解決上述導航手術(shù)方法中存在的手動取點及點配準所導致的精度降低、手術(shù)時間加長、二次手術(shù)、射線損傷等一系列問題，本申請人于2009年4月15日申請了“基于結(jié)構(gòu)光圖像的椎弓根內(nèi)固定導航手術(shù)系統(tǒng)和方法”(公開號CN 101862220A)，該系統(tǒng)在前述手術(shù)導航系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了結(jié)構(gòu)光掃描儀。在工作時先獲取術(shù)前患骨CT影像，經(jīng)三維重建得到相應的患骨CT三維模型，術(shù)中首先采用結(jié)構(gòu)光掃描儀對患骨進行掃描，獲取到患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像，將該結(jié)構(gòu)光三維影像與患骨CT三維模型進行面配準，接著在紅外導航定位儀的參與下進行后續(xù)手術(shù)操作。相比傳統(tǒng)的紅外導航系統(tǒng)，這種手術(shù)導航方法在配準階段避免了醫(yī)生手動取點操作，且使用點集配準，精度有很大提高，醫(yī)生操作簡單，節(jié)省手術(shù)時間。但采用上述手術(shù)導航系統(tǒng)仍有不足之處配準完成后，為跟蹤動態(tài)基準和手術(shù)器械的位置，仍需要紅外導航定位儀參與，所獲位置信息存在與結(jié)構(gòu)光掃描儀的位置信息交換和校準問題，造成整個系統(tǒng)復雜度增加，成本增加，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定工作的概率。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提出一種新型的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航 系統(tǒng)，使其在無紅外導航定位儀參與和不影響手術(shù)效果的前提下，最大限度地降低系統(tǒng)的復雜度和成本，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本實用新型的技術(shù)方案如下一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光掃描儀、動態(tài)基準和手術(shù)器械，以及含有手術(shù)導航軟件和術(shù)前CT掃描的患骨CT三維模型的計算機；所述的結(jié)構(gòu)光掃描儀包括兩臺左右對稱安裝的攝像機和一個居中安裝的投影光柵，兩臺攝像機和投影光柵分別通過數(shù)據(jù)線與所述計算機相連；所述的動態(tài)基準固定于患骨處，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像，在動態(tài)基準上裝有至少3個不共線的可見光標識，被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機捕獲，確定動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標；在所述的手術(shù)器械上同樣裝有至少3個不共線的可見光標識，開始手術(shù)導航后被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機捕獲，確定手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標；手術(shù)導航開始前與開始后，所述動態(tài)基準、手術(shù)器械在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標滿足如下關(guān)系F/0 =丨 I! -Ff1其中為手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標，rf為動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標，Γ τ1為開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標，為開始手術(shù)導航后動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集到的患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像與所述患骨CT三維模型進行面配準，得到從結(jié)構(gòu)光圖像坐標系到CT圖像坐標系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，記為//，滿足如下關(guān)系Vc = ■ Vs其中VC為動態(tài)基準上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標，[0020]Vs為動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系中的齊次坐標，開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在CT圖像坐標系的位置為rf = ■ Fj0= rcs · (VsDn + Vl1 - Ff1)其中為開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標。本實用新型的技術(shù)特征還在于手術(shù)器械末端點與手術(shù)器械上的可見光標識之間的齊次坐標記為^，則手術(shù)器械末端點在CT圖像坐標系的位置為Vtc= Vj1+ V0t其中Fg為手術(shù)器械末端點在CT圖像坐標系中的齊次坐標。·[0027]所述的動態(tài)基準上的可見光標識為表面被熒光材料覆蓋的小球，直徑為3 5_ ;或是直徑6 IOmm的黑色圓形，中間被直徑3 5mm的高亮銀色圓形同心覆蓋。所述的手術(shù)器械上的可見光標識為表面被突光材料覆蓋的小球，直徑為3 5mm ;或是直徑6 IOmm的黑色圓形，中間被直徑3 5_的高亮銀色圓形同心覆蓋。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果相比以往的手術(shù)導航系統(tǒng)，本實用新型所述手術(shù)導航系統(tǒng)不需額外采用紅外導航定位儀進行實時跟蹤，有效地降低了系統(tǒng)的復雜度、設(shè)備成本和對手術(shù)室的空間要求，提高設(shè)備在手術(shù)室的適用性。術(shù)中掃描配準和實時跟蹤均采用結(jié)構(gòu)光掃描儀完成，對動態(tài)基準和手術(shù)器械上的可見光標識進行實時跟蹤，消除了引入紅外導航定位儀所帶來的坐標轉(zhuǎn)換誤差，使定位更加精確，提高導航手術(shù)的可靠性。

圖I為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中用于結(jié)構(gòu)光掃描儀標定的標定板示意圖。圖4為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀的工作原理圖。圖5為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)工作流程圖。其中1_結(jié)構(gòu)光掃描儀；2_動態(tài)基準；3_手術(shù)器械；4_裝有手術(shù)導航軟件的計算機；5_手術(shù)臺；6_患者；7_手術(shù)室；8_投影光柵；9-第一攝像機；10-第二攝像機；11-安裝支架；12_數(shù)據(jù)線；13_標定板；14_患骨。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的原理、結(jié)構(gòu)和實施方式作進一步的說明。圖I為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，該手術(shù)導航系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光掃描儀I、動態(tài)基準2和手術(shù)器械3，以及裝有含有手術(shù)導航軟件和術(shù)前CT掃描的患骨CT三維模型的計算機4。在手術(shù)室7內(nèi)有手術(shù)臺5，患者6位于手術(shù)臺上。由于術(shù)中病人位姿隨時會發(fā)生變化，在病人患骨上夾持一個動態(tài)基準2，動態(tài)基準采用現(xiàn)有技術(shù)中通常使用的結(jié)構(gòu)，例如采用公開號為CN101862220A中所使用的動態(tài)基準。在動態(tài)基準2上裝有至少3個不共線的可見光標識，可見光標識選用反射率大的材料制成，一般有兩種類型1)亮彩色小球，球體表面由熒光材料覆蓋，可被高精度攝像機所捕獲，直徑為3 5mm ；2)直徑6 IOmm的黑色圓形，中間為直徑3 5mm的高亮銀色圓形。動態(tài)基準上的可見光標識被結(jié)構(gòu)光掃描儀I所捕捉，以確定動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標。圖2為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)光掃描儀包括兩臺左右對稱安裝的攝像機(第一攝像機9和第二攝像機10)和一個居中安裝的投影光柵8，所述的兩臺攝像機和投影光柵固定在安 裝支架11上，兩臺攝像機和投影光柵分別通過數(shù)據(jù)線與所述計算機4相連，其中兩臺攝像 機可組成一個簡單的雙目視覺系統(tǒng)。使用本實用新型中所述結(jié)構(gòu)光掃描儀I前首先要對包含的第一攝像機9和第二攝像機10分別進行標定，獲取各自的內(nèi)部參數(shù)，再聯(lián)合兩臺攝像機的外部參數(shù)，獲取二者空間位置關(guān)系。本實用新型中對攝像機的標定采用機器視覺中成熟的方法——Tsai兩步法。對攝像機內(nèi)外參數(shù)的標定，需借助標定板進行，使用具有外方內(nèi)圓標記點的標定板，如圖3所示為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中用于結(jié)構(gòu)光掃描儀標定的標定板示意圖，標定板13上帶有4個有外圓圈的標志點，這4個標志點非對稱分布。圖4為本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)光掃描儀I的工作原理圖。居中安裝的投影光柵8將具有某種特性的結(jié)構(gòu)光柵(稱為結(jié)構(gòu)光)主動投射到患骨14表面，規(guī)則的結(jié)構(gòu)光柵受到患骨14表面高度的調(diào)制而發(fā)生變形，兩臺攝像機同時攝取患骨處的反射圖像，該圖像中包含了患骨表面的三維形貌數(shù)據(jù)，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，從而解決結(jié)構(gòu)光柵和患骨處反射圖像這兩幅圖像上空間點的對應問題，并通過兩臺攝像機的三角交匯得到患骨表面的三維坐標信息。本實用新型中采用的結(jié)構(gòu)光掃描儀投射的結(jié)構(gòu)光柵根據(jù)時間先后順序進行，包括多幅結(jié)構(gòu)光柵圖像，投射過程約20秒。通過解相與相展開過程可以分別得到結(jié)構(gòu)光柵的相主值與相周期信息，疊加相主值與相周期即可得患骨14表面各點變形后光柵的絕對相位信息，再結(jié)合外極線幾何原理，匹配兩臺攝像機投射的結(jié)構(gòu)光柵圖像上的點，對匹配后的圖像利用已標定出的兩臺攝像機的內(nèi)外參數(shù)和空間位置關(guān)系，計算患骨表面各點的三維坐標，從而重構(gòu)出患骨表面的結(jié)構(gòu)光三維影像。在本實用新型中解相方法基于對環(huán)境光不敏感的多頻外差式原理。往往進行一次結(jié)構(gòu)光掃描不能完整獲取待測患骨表面的結(jié)構(gòu)光三維影像，需要進行多視角掃描，最好將多次掃描所分別獲得的結(jié)構(gòu)光三維影像拼接形成一個整體，形成完整的患骨表面結(jié)構(gòu)光三維影像。在進行結(jié)構(gòu)光掃描過程中，由于環(huán)境中存在光線干擾，如動態(tài)基準或者患骨表面某點反射光線過強，會被結(jié)構(gòu)光掃描儀誤認為是動態(tài)基準上的可見光標識，因此掃描完成后，需要對結(jié)構(gòu)光三維影像進行檢查，將識別錯誤的數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)光三維影像中刪除。本實用新型所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)中各組成部分確立各自的坐標系，其中結(jié)構(gòu)光掃描儀I確立結(jié)構(gòu)光圖像坐標系；動態(tài)基準2固定在患骨處為剛性連接代表患者坐標系；手術(shù)器械3上的可見光標識確立手術(shù)器械坐標系，該坐標系下手術(shù)器械上的任一點坐標也是不變的；計算機4內(nèi)保存有患骨CT三維模型確立CT圖像坐標系(也叫導航圖像坐標系)。利用計算機求得手術(shù)器械坐標系與CT圖像坐標系間的變換關(guān)系，將手術(shù)器械末端點與患骨CT三維模型的相對位置在計算機上實時顯示。本實用新型中采用的手術(shù)器械3為通用醫(yī)療器械，其上附著至少3個不共線的可見光標識，可見光標識與動態(tài)基準上的可見光標識采用同樣類型；手術(shù)器械上的可見光標識被結(jié)構(gòu)光掃描儀I所捕捉，以確定手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標Ff。對手術(shù)器械進行標定，得到手術(shù)器械軸線和手術(shù)器械末端點在手術(shù)器械坐標系下·的坐標。本實用新型中手術(shù)器械的標定方法是手術(shù)器械軸向插入通用標定臺內(nèi)，調(diào)整結(jié)構(gòu)光掃描儀的高度及手術(shù)器械高度，使手術(shù)器械上的可見光標識位于兩臺攝像機視野中，保持標定臺位置不動，旋轉(zhuǎn)手術(shù)器械到不同位置，分別由兩臺攝像機對可見光標識進行采集，通過圖像擬合得出手術(shù)器械的空間軸線；手術(shù)器械的末端點標定與軸線標定類似。圖5為本實用新型所述基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)工作流程圖，主要分為三步第一步術(shù)前對病人進行CT掃描，獲取其患骨的CT圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過CT三維重建得到患骨CT三維模型數(shù)據(jù)。本實用新型中CT三維重建的具體方法是將DICOM格式的CT圖像導入裝有手術(shù)導航軟件的計算機4，根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定灰度閾值，對于脊椎骨來講，灰度閾值設(shè)定為19(Γ210，按照等值面的方法分離出骨骼與軟組織，重建得到患骨CT三維模型，保存在裝有手術(shù)導航軟件的計算機里，并顯示。醫(yī)生可以根據(jù)計算機中顯示的該患骨CT三維模型的形態(tài)確定手術(shù)操作的位置及角度，完成術(shù)前規(guī)劃——根據(jù)病人的狀況確定植入椎弓根釘?shù)奈恢?、深度、角度等，并在計算機上顯示的患骨CT三維模型上進行標記，以便術(shù)中進行參照，此時也可在患骨CT三維模型上圈定與結(jié)構(gòu)光圖像進行面配準的區(qū)域，一般取棘突及其附近骨骼表面。第二步在手術(shù)室布置有本實用新型所述的手術(shù)導航系統(tǒng)，對該結(jié)構(gòu)光掃描儀和手術(shù)器械初始標定完成后首先進入掃描模式。醫(yī)生剝離出術(shù)前在患骨CT三維模型上選定的患骨部位，固定放置動態(tài)基準2，并將動態(tài)基準2上的所有可見光標識朝向結(jié)構(gòu)光掃描儀上的兩臺攝像機，然后利用結(jié)構(gòu)光掃描儀I對裸露出的患骨及動態(tài)基準2進行掃描，在裝有手術(shù)導航軟件的計算機4上顯示患骨部位的結(jié)構(gòu)光三維影像，動態(tài)基準2上的可見光標識也能被結(jié)構(gòu)光掃描儀I所捕獲，同時顯示在患骨部位的結(jié)構(gòu)光三維影像中，作為患骨的初始參照位置。由裝有手術(shù)導航軟件的計算機對術(shù)前患骨CT三維模型和術(shù)中結(jié)構(gòu)光三維影像這兩幅圖像構(gòu)成的點云進行面配準，計算出上述兩幅圖像分別所屬坐標系——即CT圖像坐標系和結(jié)構(gòu)光圖像坐標系的初始映射關(guān)系，得到從結(jié)構(gòu)光圖像坐標系到CT圖像坐標系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣。將動態(tài)基準上某個可見光標識的中心在CT圖像坐標系和結(jié)構(gòu)光圖像坐標系中的位置分別記作齊次坐標V。和Vs，則Vc - 7:.s..i,s(I)本實用新型中，患骨CT三維模型和結(jié)構(gòu)光三維影像所采用的面配準方法為醫(yī)生分別在患骨CT三維模型和結(jié)構(gòu)光三維影像的對應部位(對應患骨同一位置)選取3 5個點對，對結(jié)構(gòu)光三維影像與患骨CT三維模型進行初配準，并保證上述兩幅圖像上點云的初始位置相差不會太大，得到結(jié)構(gòu)光圖像坐標系到CT圖像坐標系的一個初步空間變換矩陣，再通過最近點迭代算法(ICP)進行精配準，計算出上述兩幅圖像初始狀態(tài)下的映射關(guān)系(SP坐標轉(zhuǎn)換矩陣Γ|)。在本實用新型所述的配準過程中設(shè)置誤差閾值為O. 3_，迭代次數(shù)上限為100次，精配準時間不超過3秒。第三步掃描模式結(jié)束后，進入跟蹤模式，開始手術(shù)導航。關(guān)閉結(jié)構(gòu)光掃描儀I上·的投影光柵8，仍開啟的兩臺已標定好的攝像機(第一攝像機9和第二攝像機10)用雙目立體視覺技術(shù)實時跟蹤動態(tài)基準2和手術(shù)器械3上安裝的可見光標識。由于手術(shù)器械3上的可見光標識在手術(shù)器械上的相對位置事先已經(jīng)過標定，因此可通過手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系中的位置，確定手術(shù)器械坐標系，并利用坐標轉(zhuǎn)換方法得到手術(shù)器械3在CT圖像坐標系中的方位。這樣，醫(yī)生就可在裝有手術(shù)導航軟件的計算機上看到手術(shù)器械末端點與患骨的相對位置，從而施行手術(shù)。本實用新型基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)工作流程圖中第二步和第三步均用到結(jié)構(gòu)光掃描儀中的兩臺攝像機，所以結(jié)構(gòu)光圖像坐標系和攝像機的坐標系相同，避免了同類系統(tǒng)中由紅外導航定位儀參與跟蹤而產(chǎn)生的坐標轉(zhuǎn)換精度損失。將動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標記作1^=.開始手術(shù)導航后在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標記作.手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)
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構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標記作if ^ :開始手術(shù)導航后，手術(shù)器械上的可見光標識在患者坐標系(由動態(tài)基準確定)下的齊次坐標記作，在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標記作手術(shù)導航開始前與開始后，所述動態(tài)基準、手術(shù)器械在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊
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次坐標滿足如下關(guān)系Fjn = Vfn + Jf — Ff1(2)在開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在CT圖像坐標系的位置為Vtc1 = Tsc · Fj0 = Tsc · (Vf0 + if ) = TSC · (Ff0 + Vsn - Vf1) (3)其中為開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標。 由于手術(shù)器械事先經(jīng)過標定，確立了手術(shù)器械坐標系。設(shè)手術(shù)器械末端點與某一可見光標識點之間的齊次坐標為F》，則手術(shù)器械末端點在CT圖像坐標系中的齊次坐標記為VI ,滿足如下關(guān)系 Vtc = Vtc1+V0r(4)[0063] 通過坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，可確定手術(shù)器械上任一點在CT圖像坐標系中相對患骨CT三維模型的動態(tài)坐標以及手術(shù)器械的軸 位置，從而實現(xiàn)手術(shù)導航。
權(quán)利要求1.一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)光掃描儀(I)、動態(tài)基準(2)和手術(shù)器械(3)，以及含有手術(shù)導航軟件和術(shù)前CT掃描的患骨CT三維模型的計算機(4);所述的結(jié)構(gòu)光掃描儀包括兩臺左右對稱安裝的攝像機和一個居中安裝的投影光柵(8)，兩臺攝像機和投影光柵分別通過數(shù)據(jù)線與所述計算機相連；所述的動態(tài)基準固定于患骨處，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像，在動態(tài)基準上裝有至少3個不共線的可見光標識，被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機捕獲，確定動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標；在所述的手術(shù)器械上同樣裝有至少3個不共線的可見光標識，開始手術(shù)導航后被結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機捕獲，確定手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標； 手術(shù)導航開始前與開始后，所述動態(tài)基準、手術(shù)器械在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標滿足如下關(guān)系j10 :vf°+rsn -Vf1 其中 為手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標， Cf為動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的初始齊次坐標， 為開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標，為開始手術(shù)導航后動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系下的齊次坐標，結(jié)構(gòu)光掃描儀采集到的患骨處的結(jié)構(gòu)光三維影像與所述患骨CT三維模型進行面配準，得到從結(jié)構(gòu)光圖像坐標系到CT圖像坐標系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，記力JT滿足如下關(guān)系Vc = TpVs 其中=Vc為動態(tài)基準上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標， Vs為動態(tài)基準上的可見光標識在結(jié)構(gòu)光圖像坐標系中的齊次坐標， 開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在CT圖像坐標系的位置為I 1 =Tr5- Ff0 = rc5 (Vf0 + — Vf1) 其中I n為開始手術(shù)導航后手術(shù)器械上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)，其特征在于手術(shù)器械末端點與手術(shù)器械上的可見光標識之間的齊次坐標記為片，則手術(shù)器械末端點在CT圖像坐標系的位置為Vtc =Vl1+V0t 其中為手術(shù)器械末端點在CT圖像坐標系中的齊次坐標。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)，其特征在于所述的動態(tài)基準上的可見光標識為表面被熒光材料覆蓋的小球，直徑為3 5_ ;或是直徑6 10_的黑色圓形，中間被直徑3 5_的高亮銀色圓形同心覆蓋。
4.按照權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)，其特征在于所述的手術(shù)器械上的可見光標識為表面被突光材料覆蓋的小球，直徑為3 5_ ;或是直徑6 10_的黑色圓形，中間被直徑3 5_的高亮銀色圓形同心覆蓋。
專利摘要本實用新型提出一種基于結(jié)構(gòu)光掃描的椎弓根內(nèi)固定手術(shù)導航系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)光掃描儀、動態(tài)基準及手術(shù)器械、裝有手術(shù)導航軟件及患骨CT三維模型的計算機。術(shù)中動態(tài)基準固定于患骨處，使用結(jié)構(gòu)光掃描儀對患骨掃描得到結(jié)構(gòu)光三維影像并與患骨CT三維模型進行面配準；利用結(jié)構(gòu)光掃描儀上的攝像機跟蹤手術(shù)器械，得到手術(shù)器械相對動態(tài)基準及患骨CT三維模型之間的位置關(guān)系，并在裝有手術(shù)導航軟件的計算機上實時顯示，實現(xiàn)手術(shù)導航。與同類系統(tǒng)相比，本實用新型提出的手術(shù)導航系統(tǒng)不需紅外導航定位儀參與術(shù)中跟蹤，提高了導航定位精度，簡化了手術(shù)導航過程，方便醫(yī)生使用，降低整個系統(tǒng)的復雜度和成本，降低對手術(shù)室空間占用。
文檔編號A61B19/00GK202751447SQ20122035532
公開日2013年2月27日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者李書綱, 鄭浩峻 申請人:北京先臨華寧醫(yī)療科技有限公司