專利名稱：一種基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于椎弓根內固定手術的計算機輔助導航系統，尤其是一種基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統。
背景技術：
椎弓根內固定手術是一種治療胸腰椎段脊柱骨折的標準化常規手術，該手術通過植入椎弓根螺釘來穩定脊柱，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系統在手術中往往不可見，這類手術危險性大，難度高。臨床研究表明，傳統椎弓根內固定手術的螺釘偏移率為28 40%，是導致手術失敗和術后并發癥的最主要原因。計算機輔助骨科手術(ComputerAided Orthopedic Surgery,也稱 CAOS)是在醫 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器械的位置，把手術器械與手術部位相融合，并實時顯示在計算機屏幕上，從而增加上述手術的可視性，幫助醫生避開重要的器官與組織，提高手術精度，減少術中創傷的手術方法，也稱為計算機輔助骨科導航手術。按照是否采用術前、術中的影像資料，目前的導航技術可分為基于影像和非基于影像的導航系統。根據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。以脊柱手術為例，基于CT圖像的導航手術步驟為術前采集患者脊椎骨及植入導航標記物的CT影像數據，并將其導入裝有手術導航軟件的計算機，重建脊椎骨三維模型，進行手術規劃；術中安裝參考支架和光感接受定位裝置；與術前植入導航標記物的對比，獲取在CT圖像中的相對位置，進行手術導航。這種術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中光學定位系統以及C形臂機成像系統，實時顯示X線圖像解剖、手術工具、C形臂機之間的空間位置關系。這種方法使用較為廣泛，但術中存在大量射線，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線手術床。非影像依賴性導航系統適合于解剖結構暴露充分的手術，只需手術醫生在術中用帶有紅外標記點的探針來點取解剖結構的特征點(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；安裝動態基準，對患骨在手術中的位置變化進行動態調整；使用帶有紅外標記物的手術器械進行導航手術。手術導航過程中，需要全程使用紅外導航儀將跟蹤探針、動態基準和手術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導航系統，在臨床手術時醫生需手動取點，再由導航系統軟件進行點配準，醫生普遍反映利用該系統進行點配準時，受醫生經驗、操作誤差與點配準方法影響，配準精度并不理想，醫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基準發生碰撞，這樣就改變了配準關系，需重新進行點配準，延長了手術時間。為解決上述導航手術方法中存在的手動取點及點配準所導致的精度降低、手術時間加長、二次手術、射線損傷等一系列問題，本申請人于2009年4月15日申請了“基于結構光圖像的椎弓根內固定導航手術系統和方法”(公開號CN 101862220A)，該系統在前述手術導航系統基礎上增加了結構光掃描儀。在工作時先獲取術前患骨CT影像，經三維重建得到相應的患骨CT三維模型，術中首先采用結構光掃描儀對患骨進行掃描，獲取到患骨處的結構光三維影像，將該結構光三維影像與患骨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手術操作。相比傳統的紅外導航系統，這種手術導航方法在配準階段避免了醫生手動取點操作，且使用點集配準，精度有很大提高，醫生操作簡單，節省手術時間。但采用上述手術導航系統仍有不足之處配準完成后，為跟蹤動態基準和手術器械的位置，仍需要紅外導航定位儀參與，所獲位置信息存在與結構光掃描儀的位置信息交換和校準問題，造成整個系統復雜度增加，成本增加，降低了系統穩定工作的概率。
發明內容
本發明的目的是提出一種新型的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，使其在無紅外導航定位儀參與和不影響手術效果的前提下，最大限度地降低系統的復雜度和成本，并提高系統的穩定性。 本發明的技術方案如下一種基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，其特征在于該系統包括結構光掃描儀、動態基準和手術器械，以及含有手術導航軟件和術前CT掃描的患骨CT三維模型的計算機；所述的結構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據線與所述計算機相連；所述的動態基準固定于患骨處，結構光掃描儀采集患骨處的結構光三維影像，在動態基準上裝有至少3個不共線的可見光標識，被結構光掃描儀上的攝像機捕獲，確定動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標；在所述的手術器械上同樣裝有至少3個不共線的可見光標識，開始手術導航后被結構光掃描儀上的攝像機捕獲，確定手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標；手術導航開始前與開始后，所述動態基準、手術器械在結構光圖像坐標系下的齊次坐標滿足如下關系Fj0 = Ff0 + Fsn - Ffj其中為手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標，為動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標，Ffi為開始手術導航后手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的齊次坐標，Ff為開始手術導航后動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的齊次坐標，結構光掃描儀采集到的患骨處的結構光三維影像與所述患骨CT三維模型進行面配準，得到從結構光圖像坐標系到CT圖像坐標系的坐標轉換矩陣，記為res，滿足如下關系Vc = Tg- Vs
其中VC為動態基準上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標，Vs為動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系中的齊次坐標，開始手術導航后手術器械上的可見光標識在CT圖像坐標系的位置為Fcri = Jc · Fj0 = Tcs ■ (lfJ + Vj1 — Ffj)其中r P為開始手術導航后手術器械上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標。本發明的技術特征還在于手術器械末端點與手術器械上的可見光標識之間的齊次坐標記為^，則手術器械末端點在CT圖像坐標系的位置為V1c=Vj1+Vuj 其中Ff為手術器械末端點在CT圖像坐標系中的齊次坐標。所述的動態基準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 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。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果相比以往的手術導航系統，本發明所述手術導航系統不需額外采用紅外導航定位儀進行實時跟蹤，有效地降低了系統的復雜度、設備成本和對手術室的空間要求，提高設備在手術室的適用性。術中掃描配準和實時跟蹤均采用結構光掃描儀完成，對動態基準和手術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換誤差，使定位更加精確，提聞導航手術的可罪性。
圖I為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統結構原理示意圖。圖2為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中結構光掃描儀的結構示意圖。圖3為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中用于結構光掃描儀標定的標定板示意圖。圖4為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中結構光掃描儀的工作原理圖。圖5為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統工作流程圖。其中1_結構光掃描儀；2_動態基準；3_手術器械；4_裝有手術導航軟件的計算機；5_手術臺；6_患者；7_手術室；8_投影光柵；9-第一攝像機；10-第二攝像機；11-安裝支架；12_數據線；13_標定板；14_患骨。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的原理、結構和實施方式作進一步的說明。圖I為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統結構原理示意圖，該手術導航系統包括結構光掃描儀I、動態基準2和手術器械3，以及裝有含有手術導航軟件和術前CT掃描的患骨CT三維模型的計算機4。在手術室7內有手術臺5，患者6位于手術臺上。由于術中病人位姿隨時會發生變化，在病人患骨上夾持一個動態基準2，動態基準采用現有技術中通常使用的結構，例如采用公開號為CN 101862220A中所使用的動態基準。在動態基準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。動態基準上的可見光標識被結構光掃描儀I所捕捉，以確定動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標1 。圖2為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中結構光掃描儀的結構示意圖，該結構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據線與所述計算機4相連，其中兩臺攝像機可 組成一個簡單的雙目視覺系統。使用本發明中所述結構光掃描儀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，獲取各自的內部參數，再聯合兩臺攝像機的外部參數，獲取二者空間位置關系。本發明中對攝像機的標定采用機器視覺中成熟的方法——Tsai兩步法。對攝像機內外參數的標定，需借助標定板進行，使用具有外方內圓標記點的標定板，如圖3所示為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中用于結構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為本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中結構光掃描儀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構光柵(稱為結構光)主動投射到患骨14表面，規則的結構光柵受到患骨14表面高度的調制而發生變形，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據，這樣就可以通過解相和基于結構光編碼的相展開方法得到被調制光柵的相位，從而解決結構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二維坐標/[目息。本發明中采用的結構光掃描儀投射的結構光柵根據時間先后順序進行，包括多幅結構光柵圖像，投射過程約20秒。通過解相與相展開過程可以分別得到結構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，再結合外極線幾何原理，匹配兩臺攝像機投射的結構光柵圖像上的點，對匹配后的圖像利用已標定出的兩臺攝像機的內外參數和空間位置關系，計算患骨表面各點的三維坐標，從而重構出患骨表面的結構光三維影像。在本發明中解相方法基于對環境光不敏感的多頻外差式原理。往往進行一次結構光掃描不能完整獲取待測患骨表面的結構光三維影像，需要進行多視角掃描，最好將多次掃描所分別獲得的結構光三維影像拼接形成一個整體，形成完整的患骨表面結構光三維影像。在進行結構光掃描過程中，由于環境中存在光線干擾，如動態基準或者患骨表面某點反射光線過強，會被結構光掃描儀誤認為是動態基準上的可見光標識，因此掃描完成后，需要對結構光三維影像進行檢查，將識別錯誤的數據從結構光三維影像中刪除。本發明所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統中各組成部分確立各自的坐標系，其中結構光掃描儀I確立結構光圖像坐標系；動態基準2固定在患骨處為剛性連接代表患者坐標系；手術器械3上的可見光標識確立手術器械坐標系，該坐標系下手術器械上的任一點坐標也是不變的；計算機4內保存有患骨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器械坐標系與CT圖像坐標系間的變換關系，將手術器械末端點與患骨CT三維模型的相對位置在計算機上實時顯示。本發明中采用的手術器械3為通用醫療器械，其上附著至少3個不共線的可見光標識，可見光標識與動態基準上的可見光標識采用同樣類型；手術器械上的可見光標識被結構光掃描儀I所捕捉，以確定手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標廠Q對手術器械進行標定，得到手術器械軸線和手術器械末端點在手術器械坐標系下的坐標。本發明中手術器械的標定方法是手術器械軸向插入通用標定臺內，調整結構光掃 描儀的高度及手術器械高度，使手術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，旋轉手術器械到不同位置，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器械的空間軸線；手術器械的末端點標定與軸線標定類似。圖5為本發明所述基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統工作流程圖，主要分為三步第一步術前對病人進行CT掃描，獲取其患骨的CT圖像數據，經過CT三維重建得到患骨CT三維模型數據。本發明中CT三維重建的具體方法是將DICOM格式的CT圖像導入裝有手術導航軟件的計算機4，根據經驗值設定灰度閾值，對于脊椎骨來講，灰度閾值設定為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，保存在裝有手術導航軟件的計算機里，并顯示。醫生可以根據計算機中顯示的該患骨CT三維模型的形態確定手術操作的位置及角度，完成術前規劃——根據病人的狀況確定植入椎弓根釘的位置、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，以便術中進行參照，此時也可在患骨CT三維模型上圈定與結構光圖像進行面配準的區域，一般取棘突及其附近骨骼表面。第二步在手術室布置有本發明所述的手術導航系統，對該結構光掃描儀和手術器械初始標定完成后首先進入掃描模式。醫生剝離出術前在患骨CT三維模型上選定的患骨部位，固定放置動態基準2，并將動態基準2上的所有可見光標識朝向結構光掃描儀上的兩臺攝像機，然后利用結構光掃描儀I對裸露出的患骨及動態基準2進行掃描，在裝有手術導航軟件的計算機4上顯示患骨部位的結構光三維影像，動態基準2上的可見光標識也能被結構光掃描儀I所捕獲，同時顯示在患骨部位的結構光三維影像中，作為患骨的初始參照位置。由裝有手術導航軟件的計算機對術前患骨CT三維模型和術中結構光三維影像這兩幅圖像構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一即CT圖像坐標系和結構光圖像坐標系的初始映射關系，得到從結構光圖像坐標系到CT圖像坐標系的坐標轉換矩陣rf 0將動態基準上某個可見光標識的中心在CT圖像坐標系和結構光圖像坐標系中的位置分別記作齊次坐標V。和Vs，則
Vc=Tc-Vs(I)本發明中，患骨CT三維模型和結構光三維影像所采用的面配準方法為醫生分別在患骨CT三維模型和結構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，對結構光三維影像與患骨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，得到結構光圖像坐標系到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下的映射關系(即坐標轉換矩陣？t)。在本發明所述的配準過程中設置誤差閾值為O. 3_，迭代次數上限為100次，精配準時間不超過3秒。第三步掃描模式結束后，進入跟蹤模式，開始手術導航。關閉結構光掃描儀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實時跟蹤動態基準2和手術器械3上安裝的可見光標識。由于手術器械3上的可見光標識在手術器械上的相對位置事先已經過標定，因此可通過手術器械上的可見光標 識在結構光圖像坐標系中的位置，確定手術器械坐標系，并利用坐標轉換方法得到手術器械3在CT圖像坐標系中的方位。這樣，醫生就可在裝有手術導航軟件的計算機上看到手術器械末端點與患骨的相對位置，從而施行手術。本發明基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統工作流程圖中第二步和第三步均用到結構光掃描儀中的兩臺攝像機，所以結構光圖像坐標系和攝像機的坐標系相同，避免了同類系統中由紅外導航定位儀參與跟蹤而產生的坐標轉換精度損失。將動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標記作.開
始手術導航后在結構光圖像坐標系下的齊次坐標記作iIi .手術器械上的可見光標識在結
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構光圖像坐標系下的初始齊次坐標記作^廣；開始手術導航后，手術器械上的可見光標識在患者坐標系(由動態基準確定)下的齊次坐標記作7/ ，在結構光圖像坐標系下的齊次坐標記作Fli手術導航開始前與開始后，所述動態基準、手術器械在結構光圖像坐標系下的齊
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次坐標滿足如下關系vp = Vf0 + Ff — Vfj(2 )在開始手術導航后手術器械上的可見光標識在CT圖像坐標系的位置為If = . Ff = Ti · (Ff0 + 卜 T(s ■ (Vf0 + If — Vf1) C3;其中Fg為開始手術導航后手術器械上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標。由于手術器械事先經過標定，確立了手術器械坐標系。設手術器械末端點與某一可見光標識點之間的齊次坐標為,則手術器械末端點在CT圖像坐標系中的齊次坐標記為VI，滿足如下關系Vtc= Vtc1+ V0t(4)通過坐標轉換關系，可確定手術器械上任一點在CT圖像坐標系中相對患骨CT三維模型的動態坐標以及手術器械的軸線位置，從而實現手術導航。
權利要求
1.一種基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，其特征在于該系統包括結構光掃描儀(I)、動態基準(2)和手術器械(3)，以及含有手術導航軟件和術前CT掃描的患骨CT三維模型的計算機(4);所述的結構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據線與所述計算機相連；所述的動態基準固定于患骨處，結構光掃描儀采集患骨處的結構光三維影像，在動態基準上裝有至少3個不共線的可見光標識，被結構光掃描儀上的攝像機捕獲，確定動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標；在所述的手術器械上同樣裝有至少3個不共線的可見光標識，開始手術導航后被結構光掃描儀上的攝像機捕獲，確定手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標； 手術導航開始前與開始后，所述動態基準、手術器械在結構光圖像坐標系下的齊次坐標滿足如下關系 J 10 0 + Jf -If1 其中 if15為手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標， 為動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的初始齊次坐標， 為開始手術導航后手術器械上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的齊次坐標， 為開始手術導航后動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系下的齊次坐標， 結構光掃描儀采集到的患骨處的結構光三維影像與所述患骨CT三維模型進行面配準，得到從結構光圖像坐標系到CT圖像坐標系的坐標轉換矩陣，記為G，滿足如下關系 Vc = Tcs-Vs 其中為動態基準上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標， Vs為動態基準上的可見光標識在結構光圖像坐標系中的齊次坐標， 開始手術導航后手術器械上的可見光標識在CT圖像坐標系的位置為 t/ΤΙ rYiS τ/ΓΟ rTiS /J/-DU 丄 jrTl JJrDl \vC =tC - Vs =Tc -(Vs +Vs -Vs ) 其中為開始手術導航后手術器械上的可見光標識在CT圖像坐標系中的齊次坐標。
2.按照權利要求I所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，其特征在于手術器械末端點與手術器械上的可見光標識之間的齊次坐標記為片，則手術器械末端點在CT圖像坐標系的位置為 I- I = Vj1+ V0f 其中 '1.為手術器械末端點在CT圖像坐標系中的齊次坐標。
3.按照權利要求I所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，其特征在于所述的動態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.按照權利要求I所述的基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，其特征在于所述的手術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。
全文摘要
本發明提出一種基于結構光掃描的椎弓根內固定手術導航系統，包括結構光掃描儀、動態基準及手術器械、裝有手術導航軟件及患骨CT三維模型的計算機。術中動態基準固定于患骨處，使用結構光掃描儀對患骨掃描得到結構光三維影像并與患骨CT三維模型進行面配準；利用結構光掃描儀上的攝像機跟蹤手術器械，得到手術器械相對動態基準及患骨CT三維模型之間的位置關系，并在裝有手術導航軟件的計算機上實時顯示，實現手術導航。與同類系統相比，本發明提出的手術導航系統不需紅外導航定位儀參與術中跟蹤，提高了導航定位精度，簡化了手術導航過程，方便醫生使用,降低整個系統的復雜度和成本，降低對手術室空間占用。
文檔編號A61B17/90GK102784003SQ20121025433
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月20日 優先權日2012年7月20日
發明者李書綱, 鄭浩峻 申請人:北京先臨華寧醫療科技有限公司