一种骨科手术导航系统及导航方法技术方案

本发明专利技术涉及一种骨科手术导航系统及导航方法。本发明专利技术骨科手术导航系统包括：射线装置：用于术前拍摄患者手术部位骨骼的二维图像；图形工作站：用于软件的运行；三维运动捕捉系统：用于捕捉手术空间范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置、运动轨迹的三维运动信息；导航软件：运行于图形工作站上，用于分别对患者术前拍摄的手术部位骨骼的二维图像及患者手术部位和手术器械的形状、位置、运动轨迹的三维运动信息进行三维重建，将重建后的两种三维图像在同一坐标系下进行配准融合得到三维导航图像；智能眼镜系统：用于实时显示导航软件返回的三维导航图像。本发明专利技术采用可透视型智能眼镜作为图像显示工具，能更加安全、准确、高效的完成手术。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于医疗器械
，尤其涉及。
技术介绍
在传统的骨科手术中，骨科医生通常凭借人体的骨骼解剖特点、术前患者的影像学资料和术中患者的X线透视图像进行定位，但是，由于解剖标志的缺乏等因素，往往会导致术中的定位出现大的偏差，给手术的进行造成较大障碍，即便骨科医生的实践经验非常丰富，也不能从根本上改变术中定位精度较差的问题。而对于一般经验的骨科医生，这个问题会愈加严重，因为如果定位不准确，很可能会导致手术失败，甚至会对患者产生二次伤害。因此，如何避开错综复杂的神经、血管，让骨科医生能够更精确、更安全地进行多种复杂手术就成为了一个亟待解决的临床问题。为了解决这一临床问题，现有技术出现了计算机辅助骨科手术技术，即骨科计算机辅助导航技术，该技术基于术中图像，采用相应定位手段对手术部位和术中的手术器械进行精确的实时跟踪、显示和引导，从而使骨科医生能够根据导航图像开展手术。该导航技术的工作原理为:在患者的手术部位附近和手术器械上安装能够发出信号的装置，通常采用红外线作为发射源、CCD相机为接收器，利用发出的信号对患者的骨骼位置和手术器械的位置以及运动轨迹进行跟踪，同时将这些信息通过显示器展示给医生；在术中进行患者手术部位的X线透视，并将透视图像与得到的患者骨骼位置和手术器械位置图像进行合成，从而得到医生进行手术采用的导航图像。采用骨科计算机辅助导航技术后，医生在手术中首先在患者手术部位附近和手术器械上安装示踪器，然后拍摄患者手术部位的透视图像，此时，在导航软件上就能看到手术器械进入患者身体内部的虚拟图像，这样就能在导航显示器上实时观看手术器械与患者手术部位的位置关系，并可以根据导航系统制定的手术规划完成整个手术。目前的导航系统一般由以下几个部分组成: 患者示踪器:安装于患者手术部位附近，可以指示跟踪患者手术部位的位置；导航手术工具:可以发射或反射光信号；手术工具示踪器:跟踪手术器械的位置和运动轨迹；显视器:用于显示患者手术部位和手术器械的位置；C型臂:用于术前的拍片和术中的透视；图形工作站:完成整个系统软件部分的工作。相比于传统的骨科手术，骨科计算机辅助导航技术虽然能够在一定程度上辅助医生进行多种复杂的骨科手术，但也存在着一些问题:一、骨科医生的操作是在三维空间中完成的，这就要求导航系统能够提供一个三维空间图像，但现有的导航系统仍然停留在二维图像的显示上，无法匹配出真实的三维手术操作环境，由于二维的导航图像不够具体化，医生无法从任意角度看到患者手术部位的骨骼图像和手术器械进入患者身体内部具体位置的虚拟图像，不利于提高手术的高效性和安全性。二、整个导航图像通过二维显示器进行显示，医生不得不双眼紧盯着显示器，而不能看到正在操作的手术器械，这不仅会加重医生的手术负担，也会增加额外的手术风险；同时，由于医生的视线必须在患者手术部位与导航显示器上来回切换，这将降低手术的效率，延长手术时间(目前采用骨科计算机辅助导航的骨科手术比传统的骨科手术用时更长)。三、导航图像为二维图像，但是手术操作却是三维的，从三维到二维的转换会存在着真实图像信息以及运动坐标信息的丢失；虽然为了增加导航图像的真实性，采用了多幅不同视角的透视图像共同辅助定位过程，让医生能够从多个视角观看手术器械的运动信息，但是毕竟还是二维图像，仍然存在位置信息和坐标信息的丢失。四、现有的导航系统在设计上无法解决真正的临床需求，即在手术过程中无法让医生直接看到患者手术部位骨骼的图像以及手术器械进入患者身体的虚拟图像，不能真正让医生更安全、更高效的完成整个手术过程。同时，现有的导航系统在设计上存在以下不足:首先，定位复杂，需要在术前进行患者手术部位位置的标定，每一件手术器械也必须是特制的，才能被定位系统识别；其次，导航系统操作复杂，在一定程度上增加了手术的负担；并且该导航系统价格昂贵，一般医院无法承受。
技术实现思路
本专利技术提供了，旨在解决现有的骨科计算机辅助导航技术无法匹配出 真实的三维手术空间图像，不利于提高手术的高效性和安全性，以及医生的视线必须在患者手术部位与显示器之间来回切换，降低了手术效率且存在操作复杂的技术问题。本专利技术提供的技术方案为:一种骨科手术导航系统，包括:射线装置:用于术前拍摄患者手术部位骨骼的二维图像；图形工作站:用于软件的运行；三维运动捕捉系统:用于捕捉手术空间范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置、运动轨迹的三维运动信息；导航软件:运行于图形工作站上，用于分别对患者术前拍摄的手术部位骨骼的二维图像及患者手术部位和手术器械的形状、位置、运动轨迹的三维运动信息进行三维重建，将重建后的两种三维图像在同一坐标系下进行配准融合得到三维导航图像；智能眼镜系统:用于实时显示导航软件返回的三维导航图像。本专利技术的技术方案还包括:所述射线装置为C型臂，所述三维运动捕捉系统包括至少两个摄像头，所述摄像头与图形工作站连接，所述摄像头对患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹进行捕捉，所述摄像头采用双目立体视觉技术根据捕捉到的图像计算出患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维运动信息。本专利技术的技术方案还包括:所述三维运动捕捉系统通过可伸缩的金属杆固定在所述射线装置的射线接收端，并沿着射线装置与射线方向上下运动，通过调节三维运动捕捉系统距离患者手术部位皮肤表面的距离将医生操作手术器械的范围置于三维运动捕捉系统的捕捉范围内，同时建立定位坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵，其中，所述世界坐标系是手术前以射线装置导轨圆心为中心，用射线装置对患者手术部位进行拍片得到的病人三维图像的坐标系，所述定位坐标系是以三维运动捕捉系统中心为原点，三个坐标轴方向分别与世界坐标系的坐标轴方向平行。本专利技术的技术方案还包括:所述导航软件通过C型臂拍摄的二维图像重建出患者手术部位骨骼的三维图像，将三维运动捕捉系统捕捉到的三维运动信息进行三维重建，得到三维运动捕捉系统捕捉范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维图像；并将重建出来的患者手术部位骨骼的三维图像与患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维图像进行配准，根据定位坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵，在同一坐标系下将两种三维图像进行融合，得到实时的反映手术过程中患者手术部位骨骼与手术器械位置关系的三维导航图像。本专利技术的技术方案还包括:所述智能眼镜系统包括可透视型智能眼镜、至少两个摄像头及红外测距系统，所述摄像头分别对称放置在可透视型智能眼镜的两侧，所述红外测距系统位于可透视型智能眼镜的中间，所述摄像头采用双目立体视觉技术计算出此刻可透视型智能眼镜在定位坐标系中的三维坐标信息，通过无线网络将坐标信息传送至导航软件。本专利技术的技术方案还包括:所述导航软件根据定位坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵，计算出此刻可透视型智能眼镜在世界坐标系中的坐标，根据该坐标计算出此刻可透视型智能眼镜中应该显示的三维导航图像，并通过无线网络将计算得到的三维导航图像传送至智能眼镜系统进行显示；所述三维导航图像包括在此角度下患者手术部位的骨骼图像以及手术器械进入患者身体内部的虚拟三维图像。本专利技术提供的另一技术方案，一种骨科手术导航方法，包括:步骤a:通过射线装置拍摄患者手术部位骨骼的二维图像；步骤b:通过三维运动捕捉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种骨科手术导航系统，包括射线装置和图形工作站，所述射线装置用于术前拍摄患者手术部位骨骼的二维图像，所述图形工作站用于软件的运行，其特征在于，还包括：三维运动捕捉系统：用于捕捉手术空间范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维运动信息；导航软件：运行于图形工作站上，用于分别对患者术前拍摄的手术部位骨骼的二维图像及患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维运动信息进行三维重建，将重建后的两种三维图像在同一坐标系下进行配准融合得到三维导航图像；智能眼镜系统：用于实时显示导航软件返回的三维导航图像。

【技术特征摘要】
1.一种骨科手术导航系统，包括射线装置和图形工作站，所述射线装置用于术前拍摄患者手术部位骨骼的二维图像，所述图形工作站用于软件的运行，其特征在于，还包括: 三维运动捕捉系统:用于捕捉手术空间范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维运动信息； 导航软件:运行于图形工作站上，用于分别对患者术前拍摄的手术部位骨骼的二维图像及患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维运动信息进行三维重建，将重建后的两种三维图像在同一坐标系下进行配准融合得到三维导航图像； 智能眼镜系统:用于实时显示导航软件返回的三维导航图像。2.根据权利要求1所述的骨科手术导航系统，其特征在于，所述射线装置为C型臂，所述三维运动捕捉系统包括至少两个摄像头，所述摄像头与图形工作站连接，所述摄像头对患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹进行捕捉，所述摄像头采用双目立体视觉技术根据捕捉到的图像计算出患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维运动信息。3.根据权利要求1或2所述的骨科手术导航系统，其特征在于，所述三维运动捕捉系统通过可伸缩的金属杆固定在所述射 线装置的射线接收端，并沿着射线装置与射线方向上下运动，并通过调节三维运动捕捉系统距离患者手术部位皮肤表面的距离将医生操作手术器械的范围置于三维运动捕捉系统的捕捉范围内，同时建立定位坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵，其中，所述世界坐标系是手术前以射线装置导轨圆心为中心，用射线装置对患者手术部位进行拍片得到的病人三维图像的坐标系，所述定位坐标系以三维运动捕捉系统中心为原点，三个坐标轴方向分别与世界坐标系的坐标轴方向平行。4.根据权利要求3所述的骨科手术导航系统，其特征在于，所述导航软件通过射线装置拍摄的二维图像重建出患者手术部位骨骼的三维图像，将三维运动捕捉系统捕捉到的三维运动信息进行三维重建，得到三维运动捕捉系统捕捉范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维图像；并将重建出来的患者手术部位骨骼的三维图像与患者手术部位和手术器械的形状、位置和/或运动轨迹的三维图像进行配准，根据定位坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵，在同一坐标系下将两种三维图像进行融合，得到实时的反映手术过程中患者手术部位骨骼与手术器械位置关系的三维导航图像。5.根据权利要求4所述的骨科手术导航系统，其特征在于，所述智能眼镜系统包括可透视型智能眼镜、至少两个摄像头及红外测距系统，所述摄像头分别放置在可透视型智能眼镜的两侧，所述红外测距系统位于可透视型智能眼镜的中间，所述摄像头采用双目立体视觉技术计算出此刻可透视型智能...

【专利技术属性】
技术研发人员：费树培，谢耀钦，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：