CN109512514A - 一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法 - Google Patents

一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗领域，具体涉及一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法，包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位***、病灶参考***、手术器械***、CT设备、MRI设备、PACS***和导航计算机，混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息，标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用，定位***用于测量术中手术器械***与病灶参考***的坐标系与姿态；本发明所提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的依赖医生经验、辐射量较大、无法直观友好地观察到皮肤内部组织结构的缺陷。

Description

一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法
技术领域
本发明涉及医疗领域，具体涉及一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法。
背景技术
在传统手术中，医生通过在人体表面制造大型创口，从而可以直接目视观察手术部位的解剖结构进行手术操作，这样会对患者身体造成巨大伤害。新兴的微创手术是一种主要通过内窥镜及各种显像技术使外科医生在无需对患者造成巨大伤口的情况下进行手术。相比传统手术，微创手术无需对患者造成较大的创口即可进行手术，对患者的伤害大大减小，这是医学的巨大进步。
但微创手术也有更高的技术要求，由于微创手术中不能直接目视观察手术部位，医生必须依赖手术导航***获取人体手术部位、手术器械的空间位姿信息，微创手术导航***的稳定与否将会直接影响微创手术的结果，而手术中医生获取信息的便捷程度也会影响手术的质量。因此，微创手术导航***的有效运作是微创手术成功的关键。
目前，现有的骨科微创术中频繁使用C形臂或O形臂，对医生和患者造成辐射。本发明可在术中极大减少甚至不用以上设备，以此降低辐射量，提高患者、医生的生活质量。
由于微创手术只需开一个小孔进行手术，目前现有的骨科微创导航***，医生通过C形臂等影像设备观察手术进展，并不能直观看到皮肤里面的结构，因此骨科微创手术对医生的经验要求较高。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法，能够有效克服现有技术所存在的依赖医生经验、辐射量较大、无法直观友好地观察到皮肤内部组织结构的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种混合现实骨科微创手术导航***，包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位***、病灶参考***、手术器械***、影像***和导航计算机；
所述混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息；
所述标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用；
所述定位***用于测量术中手术器械***与病灶参考***的坐标系与姿态；
所述影像***包括CT设备、MRI设备、PACS***；
所述导航计算机有两种可选方式，一种为只用一台电脑连接影像***与定位***，实现术前规划与术中导航；另一种为用两台电脑，其中一台术前手术规划电脑连接影像***用于术前规划，另一台混合现实导航电脑连接定位***与混合现实眼镜/头盔用于术中导航。
优选地，所述定位***采用光学定位、磁定位、激光定位***。
优选地，医生佩戴所述混合现实眼镜/头盔后可清晰的360度无死角地观看到患者的CT、MRI 3D影像与组织分割建模信息。
优选地，术中所述病灶参考***放置于标记物留下印记处，通过定位***可精准得到病灶参考***的物理空间位置与姿态。
一种混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，包括以下步骤：
S1、手术前，将带有印记的标记物固定到患者身体某处；
S2、对患者进行CT扫描，得到患者和标记物的CT数据，将标记物取下；
S3、可选的对患者进行MRI扫描，得到患者MRI数据；
S4、可选的对CT数据、MRI数据进行多模态配准融合；
S5、对扫描的医学影像进行分割建模，得到不同组织的模型，同时对标记物CT数据建模点云处理，得到手术前标记物点云模型；
S6、根据CT数据、MRI数据的医学影像进行术前规划；
S7、手术中，将病灶***固定在患者术前标记物取下留下的印记处，通过定位***捕捉病灶***相对定位***的空间位置；
S8、构建手术室虚拟三维空间，并在虚拟三维空间中渲染出手术前标记物点云模型；
S9、通过手术前标记物点云模型与手术中病灶***的空间位置，得到虚拟三维空间与物理空间的变换矩阵，并进行虚拟空间与现实物理空间精准匹配；
S10、通过混合现实设备显示变换后的3D图像，即在患者的手术位置渲染出医生需要的组织模型与术前规划信息，供医生参考。
优选地，所述虚拟空间物体与现实空间物体匹配的算法包括：
令手术室物理空间为P，世界坐标的原点为定位***中心点位置记为Po；
手术中病灶***在物理空间坐标为Lp，变换矩阵为
手术中医生佩戴混合现实设备的物理空间坐标为HP，变换矩阵为
令手术室虚拟三维空间为V，世界坐标的原点为混合现实设备最初的中心点位置记为Vo；
由混合现实设备渲染原理可知，混合现实设备的镜面即为图形渲染中的摄像头，即虚拟空间渲染摄像头为原点Vo；
由上述可知，物理空间中的病灶***在物理空间的坐标为Lp，通过下式将物理空间转换到虚拟空间，得到其虚拟空间坐标为Lp′：
Lp′＝Hp-Lp
令手术前标记物点云模型最初渲染位置为Lv，则通过下式将点云模型与手术中物理空间病灶***实现匹配：
其中，Z为点云模型的坐标。
优选地，所述混合现实设备为混合现实眼镜或混合现实头盔。
优选地，所述标记物取下后会在标记物固定处留下印记，供手术中使用。
优选地，所述病灶***与点云模型的配准进行虚拟三维空间与现实物理空间匹配实现精准配准的同时消除呼吸等运动带来的误差。
优选地，所述混合现实设备中虚拟信息的显示与否通过语音控制***进行控制。
优选地，所述手术器械***绑定在手术器械上，通过定位***实时获取手术器械的位置，同时通过混合现实设备显示手术器械的标定线，并通过改变规划虚拟器械的颜色确定手术器械的位置是否与规划位置一致，供医生参考。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法具有以下有益效果：
1、本发明结合术前规划***与混合现实***，将规划得到的组织结构模型与器械相关信息通过混合现实无缝映射到患者手术区域，使医生间接看到皮肤里面的组织结构，降低手术经验依赖性；
2、通过结合光学、磁、激光导航与标记物实现精准的虚拟空间与物理空间配准，并将物理手术器械信息实时传送到混合现实设备，医生可简单方便地观察手术器械是否到达规划的地方，快速、精准地进行手术；
3、本发明将导航信息和规划信息同时通过混合现实设备映射到患者手术区域，并通过语音控制***控制虚拟信息的显示与否，医生不需转移视线可专注于手术区域，降低医生的不适性，提高手术效率；
4、精准的虚拟空间与物理空间配准，降低术中C形臂等仪器的使用，以此降低辐射量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明***结构示意图；
图2为本发明流程示意图；
图3为本发明手术前规划流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有的骨科微创术中频繁使用C形臂或O形臂，对医生和患者造成辐射。由于微创手术只需开一个小孔进行手术，目前现有的骨科微创导航***，医生通过C形臂等影像设备观察手术进展，并不能直观看到皮肤里面的结构，因此骨科微创手术对医生的经验要求较高。基于此，本发明提出一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种混合现实骨科微创手术导航***，如图1所示，包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位***、病灶参考***、手术器械***、影像***和导航计算机；
混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息；
标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用；
定位***用于测量术中手术器械***与病灶参考***的坐标系与姿态；
影像***包括CT设备、MRI设备、PACS***用于获取患者的影像资料；
导航计算机有两种可选方式，一种为只用一台电脑连接影像***与定位***，实现术前规划与术中导航；另一种为用两台电脑，其中一台术前手术规划电脑连接影像***用于术前规划，另一台混合现实导航电脑连接定位***与混合现实眼镜/头盔用于术中导航。
医生佩戴混合现实眼镜/头盔后可清晰的360度无死角地观看到患者的CT、MRI 3D影像与组织分割建模信息。
术中病灶参考***放置于标记物留下印记处，通过定位***可精准得到病灶参考***的物理空间位置与姿态。
一种混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，如图2和图3所示，包括以下步骤：
S1、手术前，将带有印记的标记物固定到患者身体某处；
S2、对患者进行CT扫描，得到患者和标记物的CT数据，将标记物取下；
S3、可选的对患者进行MRI扫描，得到患者MRI数据；
S4、可选的对CT数据、MRI数据进行多模态配准融合；
S5、对扫描的医学影像进行分割建模，得到不同组织的模型，同时对标记物CT数据建模点云处理，得到手术前标记物点云模型；
S6、根据CT数据、MRI数据的医学影像进行术前规划；
S7、手术中，将病灶***固定在患者术前标记物取下留下的印记处，通过定位***捕捉病灶***相对定位***的空间位置；
S8、构建手术室虚拟三维空间，并在虚拟三维空间中渲染出手术前标记物点云模型；
S9、通过手术前标记物点云模型与手术中病灶***的空间位置，得到虚拟三维空间与物理空间的变换矩阵，并进行虚拟空间与现实物理空间精准匹配；
S10、通过混合现实设备显示变换后的3D图像，即在患者的手术位置渲染出医生需要的组织模型与术前规划信息，供医生参考。
本实例所用的一种虚拟空间物体与现实空间物体匹配的算法包括：
令手术室物理空间为P，世界坐标的原点为定位***中心点位置记为Po；
手术中病灶***在物理空间坐标为Lp，变换矩阵为
手术中医生佩戴混合现实设备的物理空间坐标为HP，变换矩阵为
令手术室虚拟三维空间为V，世界坐标的原点为混合现实设备最初的中心点位置记为Vo；
由混合现实设备渲染原理可知，混合现实设备的镜面即为图形渲染中的摄像头，即虚拟空间渲染摄像头为原点Vo；
由上述可知，物理空间中的病灶***在物理空间的坐标为Lp，通过下式将物理空间转换到虚拟空间，得到其虚拟空间坐标为Lp′：
Lp′＝Hp-Lp
令手术前标记物点云模型最初渲染位置为Lv，则通过下式将点云模型与手术中物理空间病灶***实现匹配：
其中，Z为点云模型的坐标。
混合现实设备为混合现实眼镜或混合现实头盔。
标记物取下后会在标记物固定处留下印记，供手术中使用。
病灶***与点云模型的配准进行虚拟三维空间与现实物理空间匹配实现精准配准的同时消除呼吸等运动带来的误差。
混合现实设备中虚拟信息的显示与否可通过语音控制***进行控制。
手术器械***绑定在手术器械上，通过定位***实时获取手术器械的位置，同时通过混合现实设备显示手术器械的标定线，并通过改变规划虚拟器械的颜色确定手术器械的位置是否与规划位置一致，供医生参考。
手术前，将带印记的标记物放置患者身体的某一部分，使用的是一种无创的标记物标定，并进行CT扫描，之后取下标记物将留下一个印记，可得到标记物分割点云图像和患者身体标记物印记。手术中，在患者标记物印记处放置病灶***，并由定位***得到病灶***的位置信息。将术前标记物点云图像与术中病灶***的位置信息进行实时匹配，可快速实现术前CT建模数据、规划信息，与术中物理空间精准实时匹配。
手术前，将带有印记的标记物固定到患者身体某处，对患者进行CT扫描、MRI扫描得到医学影像，通过第一主控电脑对CT数据、MRI数据进行多模态配准融合，帮助医生看到不同的组织结构信息，对CT数据、MRI数据进行分割建模，得到不同组织的模型，同时对标记物CT数据建模点云处理，得到手术前标记物点云模型，如将脊椎、椎间盘和其他组织分离，分离方式可以依据像素值或者像素之间的关系进行半自动分割，或者依据深度学习的方法进行自动分割。根据CT数据、MRI数据的医学影像进行术前规划，医生佩戴混合现实眼镜，观察病症及与其他组织模型之间关系进行手术规划，或者通过深度学习的方式进行手术自动规划。
手术中，将病灶***固定在患者术前标记物取下留下的印记处，通过定位***捕捉病灶***相对定位***的空间位置。通过第二主控电脑构建手术室虚拟三维空间，并在虚拟三维空间中渲染出手术前标记物点云模型，通过手术前标记物点云模型与手术中病灶***的空间位置，得到虚拟三维空间与物理空间的变换矩阵，并进行虚拟空间与现实物理空间精准匹配。通过混合现实设备显示变换后的3D图像，即在患者的手术位置渲染出医生需要的组织模型与术前规划信息，供医生参考。
本发明使用了新型的标记物进行术前、术中的标定，本发明使用的是一种无创的标记物标定，术前放置标记物在患者身上，进行CT扫描之后取下，标记物将留下一个印记，术中在印记处放置病灶***进行术中定位。
本发明使用了全新的病灶***与标记物点云的配准，使虚拟空间与现实物理空间进行精准的实时配准。骨科手术是一种刚体的手术，术中主要受呼吸等运动的影响，由于本发明采用实时病灶***与标记物点云配准，可降低呼吸等运动带来的影响。
值得注意的是：
1)将患者的CT数据或MRI数据输入到***中，其中的MRI数据为可选；
2)将输入的数据进行重建，重建包括3D重建与MPR重建；
3)可选的进行MRI、CT多模态配准
在一个优选实例中选择基于粒子群的交互信息多模态配准方法，将其进行2D对2D，2D对3D，3D对3D的配准；
4)对CT数据、MRI数据进行组织结构的分割与建模
一个优选的实例中选择基于3D DeepLabv3网络结构的深度学习方法对脊椎、椎间盘、脊髓等组织结构进行自动分割；
5)根据融合图像与组织建模及其相关信息进行手术规划，得到手术器械的路径等信息
在一个优选的实例中选择基于3D SSD网络结构的深度学习方法进行自动路径规划。
本发明所提供的一种混合现实骨科微创手术导航***及使用方法具有以下有益效果：
1、本发明结合术前规划***与混合现实***，将规划得到的组织结构模型与器械相关信息通过混合现实无缝映射到患者手术区域，使医生间接看到皮肤里面的组织结构，降低手术经验依赖性；
2、通过结合光学、磁、激光导航与标记物实现精准的虚拟空间与物理空间配准，并将物理手术器械信息实时传送到混合现实设备，医生可简单方便地观察手术器械是否到达规划的地方，快速、精准地进行手术；
3、本发明将导航信息和规划信息同时通过混合现实设备映射到患者手术区域，并通过语音控制***控制虚拟信息的显示与否，医生不需转移视线可专注于手术区域，降低医生的不适性，提高手术效率；
4、精准的虚拟空间与物理空间配准，降低术中C形臂等仪器的使用，以此降低辐射量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种混合现实骨科微创手术导航***，其特征在于：包括混合现实眼镜/头盔、标记物、手术器械、定位***、病灶参考***、手术器械***、影像***和导航计算机；
所述混合现实眼镜/头盔用于显示虚拟世界，便于医生同时观看患者的组织结构信息与实际物理信息；
所述标记物用于术前放置在患者某处，并在取下后留下印记，供术中使用；
所述定位***用于测量术中手术器械***与病灶参考***的坐标系与姿态；
所述影像***包括CT设备、MRI设备、PACS***；
所述导航计算机有两种可选方式，一种为只用一台电脑连接影像***与定位***，实现术前规划与术中导航；另一种为用两台电脑，其中一台术前手术规划电脑连接影像***用于术前规划，另一台混合现实导航电脑连接定位***与混合现实眼镜/头盔用于术中导航。
2.根据权利要求1所述的混合现实骨科微创手术导航***，其特征在于：医生佩戴所述混合现实眼镜/头盔后可清晰的360度无死角地观看到患者的CT、MRI 3D影像与组织分割建模信息。
3.根据权利要求1所述的混合现实骨科微创手术导航***，其特征在于：术中所述病灶参考***放置于标记物留下印记处，通过定位***可精准得到病灶参考***的物理空间位置与姿态。
4.一种混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、手术前，将带有印记的标记物固定到患者身体某处；
S2、对患者进行CT扫描，得到患者和标记物的CT数据，将标记物取下；
S3、可选的对患者进行MRI扫描，得到患者MRI数据；
S4、可选的对CT数据、MRI数据进行多模态配准融合；
S5、对扫描的医学影像进行分割建模，得到不同组织的模型，同时对标记物CT数据建模点云处理，得到手术前标记物点云模型；
S6、根据CT数据、MRI数据的医学影像进行术前规划；
S7、手术中，将病灶***固定在患者术前标记物取下留下的印记处，通过定位***捕捉病灶***相对定位***的空间位置；
S8、构建手术室虚拟三维空间，并在虚拟三维空间中渲染出手术前标记物点云模型；
S9、通过手术前标记物点云模型与手术中***的空间位置，得到虚拟三维空间与物理空间的变换矩阵，并进行虚拟空间与现实物理空间精准匹配；
S10、通过混合现实设备显示变换后的3D图像，即在患者的手术位置渲染出医生需要的组织模型与术前规划信息，供医生参考。
5.根据权利要求4所述的混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：所述虚拟空间物体与现实空间物体匹配的算法包括：
令手术室物理空间为P，世界坐标的原点为定位***中心点位置记为Po；
手术中病灶***在物理空间坐标为Lp，变换矩阵为
手术中医生佩戴混合现实设备的物理空间坐标为Hp，变换矩阵为
令手术室虚拟三维空间为V，世界坐标的原点为混合现实设备最初的中心点位置记为Vo；
由混合现实设备渲染原理可知，混合现实设备的镜面即为图形渲染中的摄像头，即虚拟空间渲染摄像头为原点Vo；
由上述可知，物理空间中的病灶***在物理空间的坐标为Lp，通过下式将物理空间转换到虚拟空间，得到其虚拟空间坐标为Lp′：
Lp′＝Hp-Lp
令手术前标记物点云模型最初渲染位置为Lv，则通过下式将点云模型与手术中物理空间病灶***实现匹配：
其中，Z为点云模型的坐标。
6.根据权利要求4所述的混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：所述混合现实设备为混合现实眼镜或混合现实头盔。
7.根据权利要求4所述的混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：所述标记物取下后会在标记物固定处留下印记，供手术中使用。
8.根据权利要求4所述的混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：所述病灶***与点云模型的配准进行虚拟三维空间与现实物理空间匹配实现精准配准的同时消除呼吸等运动带来的误差。
9.根据权利要求4所述的混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：所述混合现实设备中虚拟信息的显示与否通过语音控制***进行控制。
10.根据权利要求4所述的混合现实骨科微创手术导航***的使用方法，其特征在于：所述手术器械***绑定在手术器械上，通过定位***实时获取手术器械的位置，同时通过混合现实设备显示手术器械的标定线，并通过改变规划虚拟器械的颜色确定手术器械的位置是否与规划位置一致，供医生参考。
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