一种基于超声骨骼成像的导航配准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声骨骼成像的导航配准方法，包括以下步骤：步骤1，在患者盆骨或股骨上固定参考阵列；步骤2，按照前期标定好的位置在超声探头上安装超声探头跟踪阵列；步骤3，基于精度校验工装，验证步骤2中得到的超声探头阵列的安装精度是否满足精度要求；步骤4，安装精度验证通过后，在患者特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像；步骤5，当超声图像上出现清晰的骨性界面时，触发光学相机同时采集探头跟踪阵列和参考阵列的位置，完成一个区域的骨性表面的特征的采集，然后重复此过程完成下一个区域的表面采集过程，直到完成所有区域的采集，结束配准过程。结束配准过程。结束配准过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声骨骼成像的导航配准方法


[0001]本专利技术涉及手术导航配准领域，具体涉及一种基于超声骨骼成像的导航配准方法。

技术介绍

[0002]骨科手术导航中，注册配准是最核心的关键技术之一。注册配准是将患者基于术前扫描影像上的手术规划结果与术中患者真实位置实现空间配准的技术。通过注册配准医生可以准确的将术前规划的位置和角度信息投射到真实物理空间，实现精准的手术操作。
[0003]目前常规的骨科手术导航的配准方案多是依赖于骨性特征点的点云配准方式或者术中X影像，存在操作复杂，且有额外的辐射。基于术中超声骨骼成像算法，可以实现无创、快速地术中影像配准，提供更高效的工作流程。
[0004]常规的点云配准方式如图1所示，依赖带光学标记的探针，在骨头表面按照固定的顺序依次点选不同的骨性标记点，来实现配准过程。
[0005]在中国专利CN109890281A中用于术中盆骨配准的系统和方法，是非常典型的点云配准方式，其通过一些粗配准和精配准两个过程，来提升手术配准的精度，同时在精配准过程中，依赖采集特征点来拟合髋臼窝中心，并将中心点带回粗配准过程来提升整体配准准确性。
[0006]以髋关节手术为例，传统的注册方式称之为点云注册，医生通过带光学标记的探针在患者的骨表面选择特征点，当采集足够多特征点之后，利用采集特征点的空间坐标与术前的规划的影像做配准。这种注册方式有以下几个缺点，没有很好的解决掉，也一直是困扰行业发展的重要因素。
[0007]首先，特征点的选取严重依赖医生的经验，很多特征点是骨性标记点，在患者创口显露之后，由于出血和软组织遮挡，操作者很难找到规定的标记点，导致注册精度无法保证。
[0008]其次，特征点的选取必须要暴露创口，注册点的数量一般在40个左右，注册时间相对较长，过早的长时间暴露创口，很容易引发感染风险，尤其是关节附件血供不足，一旦产生感染很容易出现严重并发症。
[0009]再次，配准精度不高，容易陷入局部最优。以髋关节为例，点云注册的特征点采集主要集中在病人的髋臼窝附近采点，这主要是因为手术开口区域范围限制导致，但是由于注册配准的点选取过于集中，在注册配准时候很容易陷入髋臼窝的局部最优，而不是全局最优解。在做精度验证的时候在髋臼窝出精度还可以，但是如何要评价临床指标比如腿长和联合偏心距时候，依赖于全局最优的配准方式，很容易导致出现精度偏差过大的问题。
[0010]最后，无法解决复杂病例的注册问题。髋关节的点云注册依赖于髋臼窝中选点的情况，很多复杂病例髋臼窝特征不明显，或者类似先天性髋关节发育不良的患者没有明显的髋臼窝区域，此时在依赖髋臼窝的附近采集特征点配准，就很难实现精准配准，会导致配准失败，手术无法进行的问题。

技术实现思路

[0011]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于超声骨骼成像的导航配准方法。
[0012]本专利技术提供了一种基于超声骨骼成像的导航配准方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，在患者盆骨或股骨上固定参考阵列；步骤2，按照前期标定好的位置在超声探头上安装超声探头跟踪阵列；步骤3，基于精度校验工装，验证步骤2中得到的超声探头阵列的安装精度是否满足精度要求；步骤4，安装精度验证通过后，在患者特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像；步骤5，当超声图像上出现清晰的骨性界面时，触发光学相机同时采集探头跟踪阵列和参考阵列的位置，完成一个区域的骨性表面的特征的采集，然后重复此过程完成下一个区域的表面采集过程，直到完成所有区域的采集，结束配准过程。
[0013]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤5具体包括以下步骤：步骤5
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1，当超声图像上出现清晰的骨性界面时，通过手动或自动的方式提出边界轮廓，并且在边界轮廓上做均匀离散化取点，得到离散点的像素坐标；步骤5
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2，将离散点的像素坐标通过标定矩阵转换到超声探头跟踪阵列坐标系下；步骤5
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3，光学跟踪系统采集探头跟踪阵列的位置，将离散点的像素坐标转换到光学跟踪相机坐标系下；步骤5
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4，在光学跟踪相机坐标系下，与术前规影像实现配准。
[0014]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤5
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1中，通过边界轮廓获取骨性表面边界的拟合曲线，将拟合曲线中的点做离散化处理后转为离散点的像素坐标。
[0015]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，基于超声骨骼成像的导航配准方法使用基于超声骨骼成像的导航配准设备进行配准，该超声骨骼成像的导航配准设备包括：患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在患者的特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像；骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位导航，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪手术执行器参考阵列、超声探头跟踪阵列以及患者盆骨/股骨参考阵列，完成特定区域的骨性表面的特征的采集。
[0016]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，患者盆骨/股骨参考阵列通过骨针刚性固定在患者骨头上。
[0017]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，超声扫描主机将超声探头采集到的数据重建为超声图像，智能识别骨性表面并标记，超声探头通过皮肤表面扫描，采集患者骨性表面，实现表面特征信号的采集，超声探头跟踪阵列固定在超声探头的预定位置，经过标定后与超声影像坐标系建立关系，将超声影像中的像素坐标转换到光学阵列坐标系中，最终转换到光学相机坐标系中。
[0018]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，手术执行装置推车主体内部包含控制执行器、图像处理单元以及手术配准单元，实现定位和导航功能，手术机械臂通过控制器控制机械臂完成特定运动和定位实现精准手术操作，手术执行器的参考阵列将手术执行装置推车主体的基坐标与光学导航系统坐标系建立
联系，实现在光学导航系统坐标系下，完成患者术前规划、患者病灶以及手术执行器坐标位置的统一。
[0019]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，光学跟踪系统支撑结构用于支持光学跟踪相机主体，并集成有光学跟踪相机的位置和角度调节结构。
[0020]在本专利技术提供的基于超声骨骼成像的导航配准方法中，还可以具有这样的特征：其中，超声骨骼成像的导航配准设备还包括控制系统，该控制系统用于控制超声扫描系统、骨科手术导航系统以及光学跟踪系统的运行，当在患者盆骨或股骨上固定患者标记物并按照前期标定好的位置在超声探头上安装超声探头跟踪阵列之后，控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声骨骼成像的导航配准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在患者盆骨或股骨上固定参考阵列；步骤2，按照前期标定好的位置在超声探头上安装超声探头跟踪阵列；步骤3，基于精度校验工装，验证步骤2中得到的超声探头阵列的安装精度是否满足精度要求；步骤4，所述安装精度验证通过后，在患者特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像；步骤5，当所述超声图像上出现清晰的骨性界面时，触发光学相机同时采集所述探头跟踪阵列和所述参考阵列的位置，完成一个区域的骨性表面的特征的采集，然后重复此过程完成下一个区域的表面采集过程，直到完成所有区域的采集，结束配准过程。2.根据权利要求1所述的基于超声骨骼成像的导航配准方法，其特征在于：其中，步骤5具体包括以下步骤：步骤5
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1，当所述超声图像上出现清晰的骨性界面时，通过手动或自动的方式提出边界轮廓，并且在所述边界轮廓上做均匀离散化取点，得到离散点的像素坐标；步骤5
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2，将所述离散点的像素坐标通过标定矩阵转换到超声探头跟踪阵列坐标系下；步骤5
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3，光学跟踪系统采集所述探头跟踪阵列的位置，将所述离散点的像素坐标转换到光学跟踪相机坐标系下；步骤5
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4，在所述光学跟踪相机坐标系下，与术前规影像实现配准。3.根据权利要求2所述的基于超声骨骼成像的导航配准方法，其特征在于：其中，步骤5
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1中，通过所述边界轮廓获取骨性表面边界的拟合曲线，将拟合曲线中的点做离散化处理后转为所述离散点的像素坐标。4.根据权利要求1所述的基于超声骨骼成像的导航配准方法，其特征在于：其中，所述基于超声骨骼成像的导航配准方法使用基于超声骨骼成像的导航配准设备进行配准，该超声骨骼成像的导航配准设备包括：患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在所述患者的特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像；骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位导航，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪所述手术执行器参...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢强，他得安，李博艺，李颖，杨春山，韩帅，李旦，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：