[發(fā)明專利]激光手術路徑引導方法、及其計算機設備和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010191501.8
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111345898B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設計）人: 宋雪霏;于逸塵;朱文瀚;李倫昊;周慧芳;翟廣濤;范先群
• 申請（專利權）人: 上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院;上海交通大學
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20;A61B34/10;A61B90/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 李治東

本申請?zhí)峁┑囊环N激光手術路徑引導方法、及其計算機設備和系統(tǒng)，通過獲取患者眼眶的三維影像信息以構建三維模型；在所述三維模型上標記手術路徑的關鍵點坐標；通過相機采集患者眼眶一參考點上設置的ArUco標簽，以計算出至少兩個設有激光發(fā)射器的機械臂在世界坐標系中的位姿坐標信息，并實現(xiàn)三維模型與各機械臂在世界坐標系中的空間配準；依據(jù)所述關鍵點坐標令各機械臂進行關節(jié)參數(shù)轉換、及坐標轉換，以實現(xiàn)至少兩個所述機械臂上的激光發(fā)射器所發(fā)射的激光定位至患者眼眶上對應三維模型的關鍵點坐標。本申請能夠實現(xiàn)了激光束在顱骨模型預先標記的手術路徑的關鍵點處的平滑移動，以及在模型位置更改后可以進行姿態(tài)調整和關鍵點的精確激光投影。

技術領域

本發(fā)明涉及的現(xiàn)實增強技術領域，特別是涉及一種激光手術路徑引導方法、及其計算機設備和系統(tǒng)。

背景技術

導航手術應用于眼眶病、頭頸疾病、骨科疾病、顱腦疾病等具有高精度要求的手術，手術操作的精確程度是影響患者預后的重要因素。傳統(tǒng)導航技術僅解決了定位難題，但如何在術中直觀、原位引導術者準確實施既定手術操作是仍待解決的問題，且昂貴的價格限制了其使用。

如現(xiàn)有的外科手術計算機輔助導航系統(tǒng)是一種三維定位的手術支持系統(tǒng)，為外科醫(yī)生進行手術規(guī)劃提供相對客觀、準確的手段，能夠根據(jù)實際手術的需要，進行手術定位，在計算機顯示器上對手術工具周圍的組織作相應的顯示，從而對手術進行實時的導航[1]。但是，導航探針在患者身上的定位和位置信息在計算機顯示器上的平面顯示帶來的不直觀、非原位的缺點，以及限制了導航手術的精度，延長了導航手術的時間，增加了導航使用的難度[2]。

而將激光與導航相結合用于手術動作路徑的引導，可能是解決以上問題的一個契機。激光定位技術指將激光發(fā)射器與醫(yī)學透視設備通過一定方法有機結合，以激光束引導手術器械到達患者相應的解剖位置，執(zhí)行手術[3]。常用的激光定位系統(tǒng)分2大類：(1)直接用激光指示定位：將激光及驅動裝置安裝在影像設備上，如CT、C臂X線機等，采用單束或雙束十字交叉激光用于手術定位導航。(2)通過激光追蹤引導手術器械：用于追蹤、捕捉可視激光束，可引導手術器械的位置、方向、深度，達到手術靶區(qū)域[4]。

激光投影系統(tǒng)和CT相結合主要用于活檢穿刺，能在體表準確投射出皮膚進針點位置和方向，激光定位設備與光學定位追蹤系統(tǒng)的結合有利于術中操作誤差的降低[5]。Toshihiko等研發(fā)了一種與光學定位追蹤系統(tǒng)結合的雙激光定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)中兩束交叉的激光直接投射體表和連接套筒以確定線性手術器械的術中路徑，在手術器械末端安裝發(fā)光二極管， OPTOTRA光學定位感應器便可感應手術器械的位置、方向。結果顯示用該系統(tǒng)進行克氏針置入誤差和角度誤差均明顯下降[6-7]。在此基礎上，Liao等則提出激光定位系統(tǒng)與視覺圖像疊加3D技術的結合，將激光定位系統(tǒng)與光學追蹤系統(tǒng)結合后，雙束激光的三維位置可在 POLARIS系統(tǒng)中測得，采用立體視覺圖像疊加技術將患者的三維影像通過一面半鍍銀鏡子疊加到患者身上，外科醫(yī)生即可以在患者三維影像結合激光定位下進行手術，經(jīng)25次膝關節(jié)模型手術顯示，插入點位置誤差和角度誤差顯著減低，基本能夠滿足精確制導膝關節(jié)手術的要求[8-9]。

在上述主要應用的于手術中的激光定位裝置中，依賴于術中X線、CT的類型增加了術者和患者的射線暴露。除骨科手術及少數(shù)需使用一體化手術室的手術外，手術過程一般不涉及射線[10]。但無頭架固定和頭位頻繁變動的事實情況使得上述兩種主流激光定位系統(tǒng)無法有效地在術區(qū)引導手術路徑[11]。

Poseestimation在計算機視覺領域扮演著十分重要的角色，并用于機器人導航、增強現(xiàn)實等，其基礎是找到現(xiàn)實世界和圖像投影之間的對應點[12]。確定過上述對應點最為流行的一個途徑是基于二進制平方的標記，例如基于ArUco庫的aruco模塊[13]。其亞毫米級的定位精度、對環(huán)境的較低要求使其在醫(yī)療上的應用成為可能，并在laparoscopicsurgery，peri-acetabular osteotomy surgery等方面進行了初步的探索[14-15]。然而，應用上述技術，針對更為廣泛手術類型、可更大限度挖掘術前影像數(shù)據(jù)價值的手術路徑引導和手術邊界提示的研究未見報道。