一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法及系统，该方法包括以下步骤：重建病人脊柱的虚拟三维图像；将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置；将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中；将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点；控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术；在术中实时获取真实手术场景，将获取的视频信号输出在3D显示器上。本发明专利技术可以实现术前手术路径规划，对病灶点进行精确定位，实现对手术过程实时监测，术中实时跟踪，避免手术出错，提高手术成功率。

A Navigation Method and System for Minimally Invasive Spinal Surgery Based on Augmented Reality

The invention discloses a navigation method and system for spinal minimally invasive surgery based on augmented reality, which includes the following steps: reconstructing a virtual three-dimensional image of the patient's spine; registering the virtual three-dimensional image with the patient's space to obtain the location of virtual focus points in the patient's space in the virtual three-dimensional image; and projecting the surgical path established in the virtual three-dimensional image into the patient's space; The preoperative CT images are generated into DRR images, which are real-time matched with intraoperative X-ray images to determine the actual focus points; the robot is controlled to hold the surgical instruments to operate on the actual focus points; the real surgical scene is acquired in real time during the operation, and the acquired video signals are output to the 3D display. The invention can realize preoperative operation path planning, precise positioning of focus points, real-time monitoring of operation process, real-time tracking during operation, avoid operation errors, and improve the success rate of operation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法及系统
本专利技术涉及手术导航
，特别涉及一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法及系统。
技术介绍
手术导航IGS(ImageGuidedSurgery)是指医生在术前利用医学影像设备和计算机图像学的方法，对患者多模式的图像数据进行三维重建和可视化处理，获得三维模型，制定合理、定量的手术计划，开展术前模拟；在术中通过注册操作，把三维模型与患者的实际体位、空间中手术器械的实时位置统一在一个坐标系下，并利用三维定位系统对手术器械在空间中的位置实时采集并显示，医生通过观察三维模型中手术器械与病变部位的相对位置关系，对病人进行导航手术治疗。目前，医生通过佩戴HMD可以实时观察到叠加显现在病人身上的任意解剖结构，但是头戴式显示器容易受到周围环境的影响导致配准结果偏差或者显示效果不佳，而且医生佩戴头戴式显示器进行手术操作时只能看到摄像机拍摄的场景，完全看不到真实的手术场景，这会大大增加手术风险。大多数手术比较复杂，手术时间比较长，如果医生长时间佩戴头戴式显示器会给医生带来不适，影响手术操作；同时采用增强镜片的方法，需要将增强镜片放置在医生与手术区域之间，这会大大限制医生的手术操作，增加手术难度。医生在手术时需要同时观察透过增强镜片的显示信息和增强镜片中反射的显示信息，如此很容易对医生造成视觉疲劳。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的之一在于提供一种可视化、便于医生对手术过程实时检测的基于增强现实的脊柱微创手术导航方法。其采用如下技术方案：一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，其包括：重建病人脊柱的虚拟三维图像；将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置；将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中；将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点；控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术；在术中实时获取真实手术场景，将获取的视频信号输出在3D显示器上。作为本专利技术的进一步改进，所述所述将虚拟三维图像与病人空间配准，具体包括：在虚拟三维图像和病人空间中分别设置4个不共面的标志点，将虚拟三维图像中的4个标志点和病人空间中的4个标志点分别重合，即实现配准。作为本专利技术的进一步改进，所述将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点，具体包括：在CT影像和手术器械上均设置NDI小球，通过NDI光学跟踪器实时跟踪NDI小球的位置，得到病人、手术器械、NDI被动刚体之间的坐标位置关系，以确定实际病灶点。作为本专利技术的进一步改进，所述重建病人脊柱的虚拟三维图像，具体包括：根据一组CT影像重建病人脊柱的虚拟三维图像。本专利技术目的之二在于提供一种可视化、便于医生对手术过程实时检测的基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。其采用如下技术方案：一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统，其特征在于，包括：影像重建模块，用于重建病人脊柱的虚拟三维图像；第一配准模块，用于将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置；投射模块，用于将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中；第二配准模块，用于将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点；机器人控制模块，用于控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术；图像获取模块，用于在术中实时获取真实手术场景；输出模块，用于将获取的视频信号输出在3D显示器上；3D显示器，用于显示所述视频信号。作为本专利技术的进一步改进，所述将虚拟三维图像与病人空间配准，具体包括：在虚拟三维图像和病人空间中分别设置4个不共面的标志点，将虚拟三维图像中的4个标志点和病人空间中的4个标志点分别重合，即实现配准。作为本专利技术的进一步改进，所述将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点，具体包括：在CT影像和手术器械上均设置NDI小球，通过NDI光学跟踪器实时跟踪NDI小球的位置，得到病人、手术器械、NDI被动刚体之间的坐标位置关系，以确定实际病灶点。作为本专利技术的进一步改进，所述重建病人脊柱的虚拟三维图像，具体包括：根据一组CT影像重建病人脊柱的虚拟三维图像。本专利技术的有益效果：本专利技术可以实现术前手术路径规划，对病灶点进行精确定位，在机器人进行手术过程中，通过3D显示器可以帮助医生随时观看手术区域的解剖结构和手术器械，对手术过程实时监测，术中实时跟踪，避免手术出错，提高手术成功率。不需要佩戴头盔或眼镜，也不需要在医生与病人之间放置额外的增强现实设备，既不会增加医生的操作难度也不会让医生感到不适，增强了医生手术的舒适度。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。附图说明图1是本专利技术实施例一中基于增强现实的脊柱微创手术导航方法的示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。实施例一如图1所示，为本专利技术实施例一中基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，该方法包括以下步骤：S1、重建病人脊柱的虚拟三维图像。具体包括：根据一组CT影像重建病人脊柱的虚拟三维图像。S2、将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置。其中，将虚拟三维图像与病人空间配准，具体包括：在虚拟三维图像和病人空间中分别设置4个不共面的标志点，将虚拟三维图像中的4个标志点和病人空间中的4个标志点分别重合，即实现配准。S3、将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中。S4、将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点。具体包括：在CT影像和手术器械上均设置NDI小球，通过NDI光学跟踪器实时跟踪NDI小球的位置，得到病人、手术器械、NDI被动刚体之间的坐标位置关系，以确定实际病灶点。S51、控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术。S52、在术中实时获取真实手术场景，将获取的视频信号输出在3D显示器上。实施例二一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统，其包括：影像重建模块，用于重建病人脊柱的虚拟三维图像；具体包括：根据一组CT影像重建病人脊柱的虚拟三维图像。第一配准模块，用于将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置；其中，将虚拟三维图像与病人空间配准，具体包括：在虚拟三维图像和病人空间中分别设置4个不共面的标志点，将虚拟三维图像中的4个标志点和病人空间中的4个标志点分别重合，即实现配准。投射模块，用于将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中；第二配准模块，用于将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点；具体包括：在CT影像和手术器械上均设置NDI小球，通过NDI光学跟踪器实时跟踪NDI小球的位置，得到病人、手术器械、NDI被动刚体之间的坐标位置关系，以确定实际病灶点。机器人控制模块，用于控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术；图像获取模块，用于在术中实时获取真实手术场景；输出模块，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，其特征在于，包括：重建病人脊柱的虚拟三维图像；将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置；将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中；将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点；控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术；在术中实时获取真实手术场景，将获取的视频信号输出在3D显示器上。

【技术特征摘要】
1.一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，其特征在于，包括：重建病人脊柱的虚拟三维图像；将虚拟三维图像与病人空间配准得到虚拟三维图像中的虚拟病灶点在病人空间中的位置；将虚拟三维图像中制定的手术路径投射到病人空间中；将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点；控制机器人夹持手术器械对实际病灶点进行手术；在术中实时获取真实手术场景，将获取的视频信号输出在3D显示器上。2.如权利要求1所述的基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，其特征在于，所述将虚拟三维图像与病人空间配准，具体包括：在虚拟三维图像和病人空间中分别设置4个不共面的标志点，将虚拟三维图像中的4个标志点和病人空间中的4个标志点分别重合，即实现配准。3.如权利要求1所述的基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，其特征在于，所述将术前CT影像生成DRR图像，与术中X光图像实时配准，确定实际病灶点，具体包括：在CT影像和手术器械上均设置NDI小球，通过NDI光学跟踪器实时跟踪NDI小球的位置，得到病人、手术器械、NDI被动刚体之间的坐标位置关系，以确定实际病灶点。4.如权利要求1所述的基于增强现实的脊柱微创手术导航方法，其特征在于，所述重建病人脊柱的虚拟三维图像，具体包括：根据一组CT影像重建病人脊柱的虚拟三维图像。5.一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统，其特征在于，包括：影像重建模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰峰，陈龙，孙立宁，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32