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1、10申请公布号CN104146767A43申请公布日20141119CN104146767A21申请号201410166557222申请日20140424A61B19/0020060171申请人薛青地址101101北京市通州区半壁店大街112号京洲园世爵源墅233号楼0201室72发明人薛青54发明名称辅助外科手术的术中导航方法和导航系统57摘要本发明公开了一种辅助外科手术的术中导航方法和导航系统，包括术前扫描、建立三维模型、固定第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记、结构光扫描仪扫描、粗配准和精配准，并利用控制器和显示器完成导航过程。由于有粗配准过程，三维图像与预配准区域的精配准过程很短，可。
2、以大大缩短手术导航开始前的配准准备时间。而且，利用两个三维空间进行精配准，发生误差的概率极低，可以明显提高病体与三维模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页10申请公布号CN104146767ACN104146767A1/2页21一种辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，包括以下步骤A、术前扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为三维模型，并在所述三维模型上确定预配准区域和所述预配准区域内的第一配准点组；B、在病体上固定连接第一坐标系参考标记，利用结构光扫。
3、描仪扫描所述病体和所述第一坐标系参考标记，将扫描结果形成三维图像输送给控制器，并撤走结构光扫描仪；利用导航定位仪扫描带有第二坐标系参考标记的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；C、用所述手术器械在所述病体上寻找第二配准点组，利用导航定位仪扫描后将所述第二配准点组的特征点与所述第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送给所述控制器；D、控制器根据所述粗配准结果将所述三维图像与所述预配准区域精配准，确定所述病体和所述三维模型之间的精确空间位置映射关系；E、利用导航扫描仪同时扫描记录第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记，跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记的精确位置，并。
4、在与所述控制器连接的显示器上显示所述手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。2根据权利要求1所述的辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，所述术前扫描为CT或核磁共振。3根据权利要求1所述的辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，所述第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记均由被动反光材料制作。4根据权利要求3所述的辅助外科手术的术中导航方法，其特征在于，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上的球状或平面标记。5一种辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，包括三维模型图像，由医学影像仪获取待手术部位的三维数据并重建后得到，包括预配准区域。
5、和设于所述预配准区域的第一配准点组；第一坐标系参考标记，固定连接于病体上，用于确定所述病体与第一坐标系的相对位置数据；第二坐标系参考标记，固定连接于手术器械上，用于确定所述手术器械与所述第二坐标系的相对位置数据，所述手术器械在所述病体上选取第二配准点组的特征点，并与所述第一配准点组的特征点一一粗配准；导航定位仪，用于跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记；结构光扫描仪，用于扫描所述病体和所述第一坐标系参考标记，并获取三维图像，该三维图像与所述预配准区域进行精配准；控制器，用于接收所述医学影像仪和所述结构光扫描仪获取的影像结果，利用三维模型、所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考。
6、标记计算完成所述粗配准和精配准过程；显示器，用于显示所述三维模型、所述病体、所述第一坐标系参考标记、所述第二坐标系参考标记和所述手术器械，完成术中导航。6根据权利要求5所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述结构光扫描仪和所述导航定位仪开始配准时设于所述第一坐标系参考标记的同侧。权利要求书CN104146767A2/2页37根据权利要求6所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述结构光扫描仪和所述导航定位仪安装于同一集成架上，且均与所述集成架铰接。8根据权利要求5所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述医学影像仪为CT机或核磁共振机。9根据权利要求5所述的辅助外科手。
7、术的术中导航系统，其特征在于，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均由被动反光材料制作。10根据权利要求9所述的辅助外科手术的术中导航系统，其特征在于，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上的球状或平面标记。权利要求书CN104146767A1/5页4辅助外科手术的术中导航方法和导航系统技术领域0001本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种辅助外科手术的术中导航方法。此外，本发明还涉及一种术中导航系统。背景技术0002在常见的外科手术中，脊柱、关节等骨科手术及脑外科手术由于精度要求高、操作复杂、术后并发症严重等原因，导致手术难度大、失败率高。流行病学资料表明，。
8、目前我国每年至少有100万到150万骨关节病患者、150万到200万脊柱病患者、30万到40万例的脑外科患者需要进行手术治疗。导航系统在手术过程中给医生提供可视性信息，进行器械导航和监控，可以大大提高手术的成功率。在对手术进行导航的过程中，实际手术中器械操作还是由医生完成，因此这种导航系统仅起到辅助作用，属于被动式的图像引导手术。0003手术导航系统的基本原理是将术前获得的患者病体的资料经过数据处理后形成三维模型，在手术时先对病体和所述三维模型进行配准，在术中利用导航定位仪跟踪手术器械的位置，向医生提供在所述三维模型中的虚拟手术器械在三维模型中的可视化信息，指导医生来完成具体的手术操作。000。
9、4传统的基于C型臂透视图像导航技术存在术中注册时间长、配准精度低、图像质量差、术中辐射损伤大等缺点；除此之外，早期通过事先植入导航标记物的二次手术导航方法会给病人造成很大的痛苦，同时增加了感染的几率，目前已被逐渐取代。目前普遍采用的CT图像导航系统利用红外技术进行多点配准和术中跟踪，其中最具有代表性的是STRYKER手术导航系统。但这种导航系统和方法对多点配准的精度要求很高，大大增加了医生在手术中的操作难度。在临床手术中，医生普遍反映在利用这种导航系统进行多点配准时，受操作误差与多点配准方法影响，配准精度很不理想，且多点配准数据的信息量十分有限，不但存在导航系统误判从而导致手术完全失败的可能性。
10、，而且导航系统对多点配准的校验失败率高，医生往往需要反复进行手动多点配准，延长了手术时间，增加了手术风险。0005因此，如何提高手术导航技术的成熟度和可靠性，提高配准精度和配准效率，是本领域技术人员目前迫切需要解决的关键性技术问题。发明内容0006本发明的目的是提供一种辅助外科手术的术中导航方法，该导航方法可以有效地提高术中导航的准确率和可靠性，缩短配准时间，从而提高手术的质量和成功率。本发明的另一目的是提供一种辅助外科手术的术中导航系统，该系统可高效准确地完成手术导航。0007为实现上述发明目的，本发明提供一种辅助外科手术的术中导航方法，包括以下步骤0008A、术前扫描，获取待手术部位的三维。
11、数据并重建为三维模型，并在所述三维模型上确定预配准区域和所述预配准区域内的第一配准点组；0009B、在病体上固定连接第一坐标系参考标记，利用结构光扫描仪扫描所述病体和所说明书CN104146767A2/5页5述第一坐标系参考标记，将扫描结果形成三维图像输送给控制器，并撤走结构光扫描仪；利用导航定位仪扫描带有第二坐标系参考标记的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；0010C、用所述手术器械在所述病体上寻找第二配准点组，利用导航定位仪扫描后将所述第二配准点组的特征点与所述第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送给所述控制器；0011D、控制器根据所述粗配准结果将所述三维图像与所述预。
12、配准区域精配准，确定所述病体和所述三维模型之间的精确空间位置映射关系；0012E、利用导航扫描仪同时扫描记录第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记，跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记的精确位置，并在与所述控制器连接的显示器上显示所述手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。0013优选地，所述术前扫描为CT或核磁共振。0014优选地，所述第一坐标系参考标记和第二坐标系参考标记均由被动反光材料制作。0015优选地，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上的球状或平面标记。0016本发明还提供一种辅助外科手术的术中导航系统，包。
13、括0017三维模型图像，由医学影像仪获取待手术部位的三维数据并重建后得到，包括预配准区域和设于所述预配准区域的第一配准点组；0018第一坐标系参考标记，固定连接于病体上，用于确定所述病体与第一坐标系的相对位置数据；0019第二坐标系参考标记，固定连接于手术器械上，用于确定所述手术器械与所述第二坐标系的相对位置数据，所述手术器械在所述病体上选取第二配准点组的特征点，并与所述第一配准点组的特征点一一粗配准；0020导航定位仪，用于跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记；0021结构光扫描仪，用于扫描所述病体和所述第一坐标系参考标记，并获取三维图像，该三维图像与所述预配准区域进行精配准；。
14、0022控制器，用于接收所述医学影像仪和所述结构光扫描仪获取的影像结果，利用三维模型、所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记计算完成所述粗配准和精配准过程；0023显示器，用于显示所述三维模型、所述病体、所述第一坐标系参考标记、所述第二坐标系参考标记和所述手术器械，完成术中导航。0024优选地，所述结构光扫描仪和所述导航定位仪开始配准时设于所述第一坐标系参考标记的同侧。0025优选地，所述结构光扫描仪和所述导航定位仪安装于同一集成架上，且均与所述集成架铰接。0026优选地，所述医学影像仪为CT机或核磁共振机。0027优选地，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均由被动反光材料。
15、制作。说明书CN104146767A3/5页60028优选地，所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记均为固定在支架上的球状或平面标记。0029本发明所提供的术中导航方法，用于辅助外科手术，为医务人员完成外科手术进行导航。该导航方法包括术前病体扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为三维模型，并在所述三维模型上确定预配准区域和所述预配准区域内的第一配准点组包含不少于三个特征点；在病体上固定连接第一坐标系参考标记，利用结构光扫描仪扫描所述病体和所述第一坐标系参考标记，并将扫描结果形成三维图像输送给控制器；利用导航定位仪扫描带有第二坐标系参考标记的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；用所述手。
16、术器械在所述病体上依次寻找第二配准点组，利用导航定位仪扫描后将所述第二配准点组的特征点与所述第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送给所述控制器；控制器根据粗配准结果将所述三维图像与所述预配准区域精配准，确定所述病体和所述三维模型之间的精确空间位置映射关系；利用导航扫描仪跟踪所述第一坐标系参考标记和所述第二坐标系参考标记的精确位置，并在与所述控制器连接的显示器上显示所述手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。在上述的导航过程中，三维模型的预配准区域在病体上都有与之对应的实体区域，第一配准点组的特征点在病体上都有与之对应的实体特征点，利用所述手术。
17、器械在病体上寻找第二配准点组时并不要求精确对准，与第一配准点组的对应点进行粗匹配，大致确定与三维模型中的第一配准点的相互位置。利用结构光扫描仪扫描病体获取与预配准区域对应的实体区域的三维图像，将这个三维图像与预配准区域进行精配准，由于有第一配准点组与第二配准点组的粗配准结果，以及利用控制器进行自动计算，三维图像与预配准区域的精配准的时间很短。而且，利用两个三维空间进行精配准，发生配准误判的概率极低，可以明显提高病体与控制器中的三维模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。0030在提供上述导航方法的基础上，本发明还提供一种应用上述导航方法的导航系统；由于导航方法具有上述技术效果，应。
18、用该导航方法的导航系统也具有相应的技术效果。附图说明0031图1为本发明所提供辅助外科手术的术中导航方法一种具体实施方式的流程图；0032图2为本发明所提供辅助外科手术的术中导航系统一种具体实施方式的工作示意图；0033其中包括结构光扫描仪1、导航定位仪2、控制器3、第一坐标系参考标记4、第二坐标系参考标记5、显示器6、病体7。具体实施方式0034本发明的核心是提供一种辅助外科手术的术中导航方法，该导航方法可以有效提高术中导航的准确率和可靠性，缩短配准时间，从而提高手术的质量和成功率。本发明的另一核心是提供一种辅助外科手术的术中导航系统，该系统可高效准确完成外科手术导航。0035为了使本技术领。
19、域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。0036请参考图1，图1为本发明所提供辅助外科手术的术中导航方法一种具体实施方说明书CN104146767A4/5页7式的流程图。0037本发明提供一种导航方法，该方法用于外科手术中，指导医务人员通过导航完成外科手术。该导航方法包括术前对病体7进行扫描，获取待手术部位的三维数据并重建为三维模型，并在三维模型上确定预配准区域和预配准区域内的第一配准点组，其应包括不少于三个特征点；在病体7上固定连接第一坐标系参考标记4，利用结构光扫描仪1扫描病体7和第一坐标系参考标记4，并将扫描结果形成三维图像输送给控制器3；利用。
20、导航定位仪2扫描带有第二坐标系参考标记5的手术器械，对其进行空间坐标位置的标定；用所述手术器械在病体7上寻找第二配准点组，利用导航定位仪2扫描后将第二配准点组的特征点与第一配准点组的特征点进行一一粗配准，并将粗配准结果输送给控制器3；控制器3根据粗配准结果将三维图像与预配准区域精配准，确定病体7和三维模型之间的精确空间位置映射关系；利用导航定位仪跟踪第一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5的精确位置，并在与控制器3连接的显示器6上显示带有第二坐标系参考标记5的手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。在上述的导航过程中，三维模型的预配准区域在病体7上都有与之对应的实体区域，第一。
21、配准点组的特征点在病体上都有与之对应的实体特征点，利用手术器械在病体7上找第二配准点组时，可以与第一配准点组的对应点进行粗配准，大致确定与三维模型中的第一配准点的相互位置。再利用结构光扫描仪1扫描病体7所获取的、与预配准区域对应的实体区域的三维图像，将这个三维图像与预配准区域进行精配准，粗配准和精配准过程都在控制器3中完成，并通过与控制器3连接的显示器6显示所述带有第二坐标系参考标记5的手术器械所对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置及相互关系，实现术中导航。由于有第一配准点组与第二配准点组的粗配准过程，以及利用控制器进行自动计算，三维图像与预配准区域的精配准过程很短。而且，利用两个三维空间。
22、进行精配准，发生误差的概率极低，可以明显提高病体7与控制器3中的三维模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。0038请参考图2，图2为本发明所提供辅助外科手术的术中导航系统一种具体实施方式的工作示意图。0039除了上述辅助外科手术的术中导航方法，本发明还提供一种辅助外科手术的术中导航系统，该导航系统包括三维模型、第一坐标系参考标记4、第二坐标系参考标记5、导航定位仪2、结构光扫描仪1、控制器3和显示器6。其中，三维模型由医学影像仪获取待手术部位的三维数据并重建后得到，根据手术需要可以在三维模型上提前选择预配准区域和设于预配准区域的第一配准点组，其应包括不少于三个特征点；病体7上固。
23、定连接有第一坐标系参考标记4，结构光扫描仪1对病体7和第一坐标系参考标记4进行扫描，确定病体7和第一张坐标系参考标记4与第一坐标系的相对位置数据；手术器械上固定连接有第二坐标系参考标记5，可以确定手术器械与第二坐标系的相对位置数据。导航定位仪2跟踪第一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5；控制器3根据第一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5的相对位置，计算手术器械与病体7的相对位置，并在显示器6上显示对应的虚拟手术器械在三维模型中的相对位置。0040在导航过程中，手术器械在病体7上选取第二配准点组，导航定位仪2跟踪选点的过程，并将选取的结果输送到控制器3，与存储在控制器3中的三维模型里的第。
24、一配准点组进行比对，实现粗配准。说明书CN104146767A5/5页80041结构光扫描仪1扫描病体7和第一坐标系参考标记4，并获取病体7的三维图像，该三维图像输送给控制器3，在控制器3中与三维模型中的预配准区域进行精配准；并通过显示器6将配准结果显示出来。0042由于有第一配准点组与第二配准点组的粗配准过程，以及利用控制器进行自动计算，三维图像与预配准区域的精配准过程很短。而且，利用两个三维空间进行精配准，发生误差的概率极低，可以明显提高病体7与控制器3中的三维模型配准的准确率和可靠性，从而提高手术的质量和成功率。0043本发明所提供的导航方法与导航系统以技术创新和临床应用为目标，将结构光。
25、扫描配准技术引入外科手术的导航过程中，将术中结构光扫描图像与术前扫描的三维模型进行配准，可显著提高外科手术的导航精度和可靠性，缩短手术时间，提高手术质量，大幅度降低现有导航技术的设备成本和手术费用，具有重要的技术价值和广阔的应用前景。0044在一种具体的实施方式中，本发明所提供的导航方法和导航系统里，术前扫描可以采用CT或核磁共振采集待手术部位的三维数据，并根据三维数据建立三维模型。CT和核磁共振扫描都是成熟的图像获取技术，可靠性高。而且，CT机和核磁共振机是很多医院常规设备，利用CT机和核磁共振机获取三维数据，不需要额外增加设备，可以降低手术成本。0045在进一步的技术方案中，第一坐标系参考。
26、标记4可以由被动反光材料制作，使第一坐标系参考标记4可以在灯光等其它光的作用下识别，不需要在第一坐标系参考标记4上额外增加光源，从而简化第一坐标系参考标记4的结构，降低成本。而且，较简单的结构也便于医务人员在导航过程中操作。同理，第二坐标系参考标记5也可以采用被动反光材料制作，其作用相同，在此不再赘述。0046具体地，第一坐标系参考标记4和第二坐标系参考标记5均为固定在支架上的球状或平面标记，结构简单，可满足反光要求，达到识别的目的。0047在手术室中，开始配准时结构光扫描仪1和导航定位仪2相对于第一坐标系参考标记4的同侧布置。结构光扫描仪1和导航定位仪2在导航过程中均可以根据实际需求移动和调。
27、整位置，结构光扫描仪1扫描所述病体7和所述第一坐标系参考标记4后即可撤离手术台，只留下导航定位仪进入手术导航阶段，从而清空手术空间，防止医疗设备及手术器械间的干涉和碰撞。0048具体地，结构光扫描仪1和导航定位仪2均可以安装于同一集成架上，且均与集成架铰接，在导航过程中结构光扫描仪1和导航定位仪2均可以移动和调整位置，也方便结构光扫描仪1扫描病体7和第一坐标系参考标记4后即撤离手术台，为手术提供便利。0049以上对本发明所提供的辅助外科手术的术中导航方法和导航系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。说明书CN104146767A1/2页9图1说明书附图CN104146767A2/2页10图2说明书附图CN104146767A10。