一种术像一体的外科手术规划与导航方法技术

本发明专利技术公开一种术像一体的外科手术规划与导航方法，包括：步骤1、采集带定位标记的患者术前CT图像；步骤2、根据由环境动作捕捉系统确定的立体光学跟踪仪坐标、以及由立体光学跟踪仪定位的医疗器械及手术区域坐标建立术

【技术实现步骤摘要】
一种术像一体的外科手术规划与导航方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及外科手术机器人领域，尤其涉及一种术像一体的外科手术规划与导航方法。
[0003]
技术介绍

[0004]随着新材料、新技术的发展，机器人逐渐应用在了各个领域中，许多工厂都有机械臂的身影。机械臂可以完成大量重复的、高精度的操作。医疗领域外科手术中，有很多手术的关键操作极其重要，需要医生在手术中高度集中，而导致疲惫。而将高精度的手术操作，交予机械臂完成，可以大大减小医生的负担，同时提高手术的成功率。
[0005]手术机器人是帮助医生或在医生指导下完成手术的机器人，通常由导航模块和手术操作模块组成。导航模块指导手术操作模块完成手术，导航模块一定包含一个可以反馈位置信息的相机或仪器，手术操作系统通常包括一个机械臂夹持着手术工具。手术阶段可以分为：术前影像评估与规划，术中手术操作与术后评估。
[0006]外科手术规划就是医生根据术前患者拍摄的影像，对患者进行疾病诊断与手术区域制定，规划切除部分以及手术入路。传统的方法都是根据医生目测，或者在二维切片上进行笔画尺量进行计算，采用术像一体的外科手术规划方法，可使用得到的二维数据，重建出三维模型，对患者待手术部位进行直观诊断，可通过软件功能进行测量距离与角度，提高手术精度。而导航方法现在也渐渐在手术室普及，目前的导航方法，医生手持探针，将探针抵住待观测位置，由相机观测，对探针进行定位，进而识别探针抵住位置，医生通过辅助屏幕判断是否满足医生的手术要求。
[0007]术前术中配准方法的作用是在虚拟场景中规划手术路径。术前术中配准的问题在各种机器人手术中被普遍重视，现有的解决的方法主要分为两大类，一类是带有标记点的配准，另一类是无标记点的配准。有关术前术中的配准的方法使用标记点的文献中。标记点使导航系统可以定位其位置，目前被广泛使用，例如：[文献1]：K. Li, M. O
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Farrell, D. Martin, S. Kopf, C. Harner, and X. Zhang, "Mapping ligament insertion sites onto bone surfaces in knee by co
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registration of CT and digitization data," Journal of Biomechanics, vol. 42, no. 15, pp. 2624
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2626, 2009/11/13/ 2009.公开了在每个骨骼上固定三个球形标记，建立局部坐标系。
[0008][文献2]：T. Jang and K. Lee, "A novel registration method for total knee arthroplasty using a patient
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specific registration guide," in 2012 12th International Conference on Control, Automation and Systems, 2012, pp. 1859
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1862.公开了将植入物插入股骨和胫骨，根据表面形状与预先得到的骨骼模型进行配准。
[0009][文献3]：D. F. Amanatullah, P. E. Di Cesare, P. A. Meere, and G. C. Pereira, "Identification of the Landmark Registration Safe Zones During Total Knee Arthroplasty Using an Imageless Navigation System," The Journal of Arthroplasty, vol. 28, no. 6, pp. 938
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942, 2013/06/01/ 2013.公开了在骨骼模型里植入不锈钢阵列销钉完成配准。
[0010]类似地，现有技术还有通过探针采集的器官表面的点进行术前术中配准。
[0011][文献4]：P. D. L. Flood and S. A. Banks, "Automated Registration of 3
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D Knee Implant Models to Fluoroscopic Images Using Lipschitzian Optimization," IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 37, no. 1, pp. 326
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335, 2018.公开了植入金属植入物，使用边缘检测和轮廓匹配的方法检测完成配准。在力反馈器模拟切割过程方面。且该文献公开了一种机器人辅助手术系统，是软件控制的机电系统，被设计用于外科医生执行微创手术。该手术机器人系统可以由三个主要子系统组成：外科医生子系统
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用户控制台(外科医生控制台或外科医生桥)、中央控制子系统
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控制塔、以及患者子系统
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手术台(table)和机械臂。
[0012]专利CN201811588152.2公开了一种手术机器人系统。该系统主要实现的是执行微创手术，本质是由人支配机械手完成手术。
[0013]专利CN201310431608.5公开一种影像引导介入手术导航系统。其软件组成部分包括影像存储服务器、体数据管理模块、三维影像可视化模块、三维影像快速分割模块、术前手术规划模块、手术引导模块以及术后手术评估模块；所述手术引导模块用于导航手术的具体实施，该模块用于术前医疗器械和定位装置的标定算法以及术中手术器械的实时定位和空间坐标系转换算法。该系统未涉及到术前路径与术中患者的配准。
[0014]论文“A Projector
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Based Augmented Reality Navigation System for Computer
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Assisted Surgery”使用了投影仪的方法指导穿刺试验。把投影仪加入了医学实验中来，但是其使用投影仪作为指导穿刺位置的必要指导；且投影仪投射到平面白纸的位置，这在实际的外科手术中是不现实的。
[0015]专利CN202011029940.5公开一种手术导航系统及手术导航系统的配准方法。该方法包括导航模块，并根据图像进行配准。该系统中只有一个光学跟踪仪，要求所有的可被定位的装置都在其视野范围内，且不能发生遮挡。但实际的光学跟踪仪视野范围有限。该专利提出的配准方法使用了术中的影像。

技术实现思路

[0016]本专利技术要解决的技术问题就是针对外科手术机器人系统中规划与导航问题，由机械臂完成手术。本专利技术提供一种术像一体的外科手术规划与导航方法，对外科手术室的环境、手术操作及导航臂、人机交互设备进行一体化的空间关系描述，实现从“术前
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种术像一体的外科手术规划与导航方法，其特征在于，该方法包括：步骤1、采集带定位标记的患者术前CT图像；步骤2、根据由环境动作捕捉系统确定的立体光学跟踪仪坐标、以及由立体光学跟踪仪定位的医疗器械及手术区域坐标建立术
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像一体化联合坐标系；并将所述术
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像一体化联合坐标系与所述带定位标记的患者术前CT图像进行配准；其中，术坐标系为手术室坐标系，像坐标系为虚拟影像坐标系；步骤3、将术前规划的虚拟影像坐标系下的手术路径转换到手术室坐标系下，实现机械臂及手术器械的术中主动导航；步骤4、将规划切面投射到手术区域并动态随动，结合力反馈器进行辅助手术操作。2.根据权利要求1所述的术像一体的外科手术规划与导航方法，其特征在于，所述步骤2中：根据环境动作捕捉系统所观测的立体光学跟踪仪、以及被立体光学跟踪仪所观测的所有设备，建立手术室坐标系，所述手术室坐标系为全局坐标系；所述手术室坐标系包括以下子坐标系：环境动作捕捉系统坐标系、立体光学跟踪仪坐标系、患者坐标系、投影仪坐标系、以及操作机械臂末端执行器坐标系；其中，所述环境动作捕捉系统坐标系、立体光学跟踪仪坐标系均被环境动作捕捉系统所定位；所述患者坐标系、投影仪坐标系、以及操作机械臂末端执行器坐标系均由靶标被立体光学跟踪仪所定位。3.根据权利要求2所述的术像一体的外科手术规划与导航方法，其特征在于，所述步骤2中：按照真实手术场景创建虚拟场景，并在大屏幕中展示所述虚拟场景；所述虚拟场景包括手术室中患者以及每个设备的位置；其中，手术室中患者的位置通过患者术前固定好靶标后，拍摄CT图像，然后对CT图像进行三维重建得到；所述三维重建包括：根据手术室中患者的位置数据，构建患者待手术部分的三维重建模型并在大屏幕中展示；将所述三维重建模型的初始坐标系作为虚拟影像坐标系。4.根据权利要求3所述的术像一体的外科手术规划与导航方法，其特征在于，所述步骤3中，所述将术前规划的虚拟影像坐标系下的手术路径转换到手术室坐标系下包括：步骤3.1、术前规划中建立虚拟影像坐标系下的手术路径；步骤3.2、将所述手术路径由虚拟影像坐标系下转化到手术室坐标系下；其中所述步骤3.1包括：步骤3.1.1、根据患者术前固定好靶标后拍摄的CT图像，于术前完成对患者手术部位的定位与手术路径的规划；规划的手术路径由n个点组成，所述手术路径基于虚拟影像坐标系；步骤3.1.2、依次以手术路径上的每个点为原点、该点到下一点的方向为Z轴方向构建n个坐标系；则由n个点组成的手术路径可表示为n个由虚拟影像坐标系转换到手术路径点的齐次变换矩阵；所述步骤3.2包括：步骤3.2.1、获取术前固定好靶标后拍摄的CT图像，标记CT图像中事先固定好的靶标的位置，获取虚拟影像坐标系转换到靶标坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岩丁，王鸿鹏，韩建达，马铭谦，蒙一扬，游煜根，耿鹏秀，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：