[發明專利]一種基于多模影像融合的骨科手術導航系統

有效

• 申請號: 201911336544.4
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN110946654B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李海;王騰飛;王宏志;江海河
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 鄧治平

本發明提出一種基于多模影像融合的骨科手術導航系統，包括：一個雙目視覺定位相機，用于實時獲取放置在手術器械以及受試者皮膚表面的被動紅外反射標記球的空間坐標；圖像分割模塊，用于將初始圖像中的脊椎部分精確的分割出來；空間坐標配準模塊，用于將空間坐標和圖像坐標進行配準；手術器械標定模塊，建立手術器械尖端坐標和放置在其末端被動紅外反射標記球坐標的轉換關系；多模圖像配準模塊，用于將術中的錐形束CT圖像配準到術前CT圖像上；可視化界面模塊，建立三維圖像，用于在術中實時顯示手術器械在受試者圖像中的位置。本發明能夠精確定位術中手術器械在受試者體內的實時位置，為骨科手術提供精確可靠的導航，有效降低手術風險，減少手術時間，并且系統操作簡便，適用性高。

技術領域

本發明涉及一種基于多模影像融合的骨科手術導航系統，屬于醫學圖像、計算機視覺、圖像處理等領域。

背景技術

在傳統的外科手術中，醫生無法直接觀測到進入人體手術器械的具體位置，外科醫生通常憑借經驗，判斷人體的解剖結構，再結合術前CT影像或術中X光影像來進行手術器械的定位、引導。因此，市場迫切需要新的手術導航系統，以便在復雜外科手術中，引導手術器械快速、精確到達特定位置，協助手術完成。隨著計算機、醫學影像、高精度測量等技術的發展，基于多模影像引導的手術導航系統正逐步發展起來，并逐漸成為高端醫療器械研發領域一個新的研究熱點。手術導航技術是利用醫學影像、立體定位和計算機可視化等相關技術，實時跟蹤、顯示手術器械以及人體部位的三維空間位置和運動信息，從而達到實時監測進入人體的手術器械，幫助外科醫生精確實施手術的一種技術。

目前常見的手術導航系統主要分為基于基準點配準和基于C型臂引導兩種?；诨鶞庶c配準的系統常采用手動選取基準點的方式來完成病人術前影像與實際手術空間的配準；這種方法通常需要醫生先利用手術探針選取30-50個基準點，然后依據基準點完成坐標空間配準，并對配準精度進行評估；如果精度達不到手術要求，則需要醫生重復進行基準點選擇和配準。由于人體解剖結構的復雜和個體差異的存在，基準點的選取精度往往難以保證?；贑型臂引導的系統利用術中的X光影像進行手術引導，影像信息可以實時地獲取更新。但是，術中X光影像只有二維圖像信息，不能提供手術部位的完整三維結構。

因此，研究者及醫生都希望借助術中三維影像完成手術引導，可以提供病人術中完整的三維解剖結構信息，并通過高精度的配準算法實現術前-術中影像的快速配準。這也是目前國際上手術導航領域的發展方向和研究熱點。相關技術公開的一種骨科手術導航系統(中國專利申請號：200710066724.6)，該系統需要依賴髓內釘，通過確定手術器械與髓內釘相對位置，從而跟蹤手術器械的位置，然而該系統主要用于封閉式髓內釘的骨折復原手術，存在一定的局限性。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于多模影像融合的骨科手術導航系統，能夠精確定位術中手術器械在病人體內的實時位置，為骨科手術提供精確可靠的導航，并且系統操作簡便，適用性高。

本發明技術解決方案：一種基于多模影像融合的骨科手術導航系統，包括醫學影像的三維可視、脊椎骨的精確分割、空間坐標配準、術前三維CT和術中CBCT的精確配準等功能，構建一套多模影像雙目視覺跟蹤的手術器械定位系統，在受試者圖像上實時顯示手術器械的位置和運動軌跡。

本發明的一種基于多模影像融合的骨科手術導航系統，包括：

雙目視覺定位相機，用于實時獲取放置在手術器械以及受試者皮膚表面的被動紅外反射標記球的空間坐標；所述手術器械及受試者身上分別設置多個被動紅外反射標記球；雙目視覺定位相機基于雙目視覺原理通過發出紅外線，接受被動紅外反射標記球反射回來的紅外距離信息，計算被動紅外反射標記球的三維空間坐標；根據得到所述被動紅外反射標記球的三維空間坐標，從而得到所述手術器械和受試者的空間位置，分別送至空間坐標配準模塊和手術器械標定模塊；