CN110711030B - 基于ar技术的股骨头坏死微创手术导航***及导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***及导航方法，导航***包括头戴式AR设备、处理器、图像采集组件、执行装置、空间***组件、探针、3D定位导板；3D定位导板固定于股骨颈部骨脊并设有手术导向开口；空间***组件设置于3D定位导板、探针、手术部位及执行装置上；图像采集组件采集空间***组件及手术部位的相关坐标信息；处理器将坐标信息与三维模型进行配准；以及根据坐标信息生成真实手术空间，将真实手术空间、三维模型、模拟手术路径进行融合，将融合图像显示在头戴式设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；达到头戴式AR设备与执行装置辅助技术相结合，帮助医生进行精准手术定位的作用。

Description

基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***及导航方法
技术领域
本发明涉及医学设备领域，尤其涉及一种基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***及导航方法。
背景技术
股骨头坏死为骨科常见的髋关节疾病，对患者工作、生活造成严重影响，给社会和家庭均造成严重负担。如何采取更优化的治疗方案，缓解症状、最大限度地保留股骨头、防止股骨头塌陷、保存髋关节功能，是骨科领域不断探索的课题。目前针对早中期股骨头坏死的保髋方法较多，但疗效仍然存在争议。如何使股骨头坏死保髋手术“微创化”，如何使微创手术“精准化”是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***及导航方法，以实现对股骨头坏死微创手术的微创化及精准化。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***，包括头戴式AR设备、处理器、图像采集组件、执行装置、空间***组件、探针和3D定位导板；
所述3D定位导板固定于股骨颈部骨脊，所述3D定位导板上设置有根据虚拟手术路径开设的手术导向开口；
所述空间***组件设置于所述3D定位导板、所述探针、患者手术部位及所述执行装置上；
所述图像采集组件与所述处理器电连接，用于采集所述探针、所述空间***组件的位置信息及手术部位的深度信息，并转换为坐标信息输送至处理器；
所述处理器将所述坐标信息与预存的虚拟股骨头坏死三维模型进行配准，进而调整手术导向开口的方向以与虚拟手术路径匹配；同时，所述处理器根据所述坐标信息生成真实手术空间，并能够将真实手术空间、虚拟股骨头坏死三维模型、虚拟手术路径进行融合，将融合图像显示在所述头戴式AR设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；
所述执行装置与所述处理器电连接，通过所述处理器控制所述执行装置运动。
进一步的，所述图像采集组件包括双目视觉采集***和深度相机，所述深度相机设置在所述头戴式AR设备上。
进一步的，所述空间***组件包括体表定位标志器、骨***及执行装置***，所述体表定位标志器固定在髂前上棘和股骨大粗隆上；
所述骨***固定在所述3D定位导板上，所述骨***包括多个针杆，所述针杆的下端为尖端结构；
所述执行***设置在所述执行装置上。
进一步的，所述骨***、探针及执行装置***上设置有被图像采集组件实时定位追踪的荧光定位球。
进一步的，所述3D定位导板上设置有用于穿过所述骨***的标志器孔。
进一步的，所述执行装置包括机械臂组件和病灶清除装置，所述病灶清除装置与所述机械臂组件连接，所述机械臂组件与所述处理器电连接。
进一步的，所述机械臂组件包括底座和固定在所述底座上的机械臂，所述机械臂采用六自由度机械臂，所述执行装置***设置在所述机械臂的末端。
进一步的，所述病灶清除装置包括骨科磨钻或骨科刮匙，所述病灶清除装置具备侧方变向功能。
进一步的，所述头戴式AR设备包括AR眼镜。
第二方面，本发明提供了一种股骨头坏死微创手术导航方法，包括如下步骤：
对患者进行影像采集，构建虚拟股骨头坏死三维模型；
根据虚拟股骨头坏死三维模型及骨坏死面积部位，设置虚拟手术路径，并通过3D打印机打印3D定位导板，在3D定位导板设置手术导向开口；
3D定位导板、患者手术部位及执行装置上设置空间***组件，图像采集装置采集探针、所述空间***组件的位置信息及手术部位的深度信息，并转换为坐标信息输送至处理器；
所述处理器将所述坐标信息与预存的虚拟股骨头坏死三维模型进行配准，进而调整手术导向开口的方向以与虚拟手术路径匹配；
同时，所述处理器根据所述坐标信息生成真实手术空间，并能够将真实手术空间信息、虚拟股骨头坏死三维模型、虚拟手术路径进行融合，将融合图像显示在所述头戴式AR设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；
处理器控制执行装置实时调整姿态和位置，完成手术操作。
采用上述技术方案，本申请提供的基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***及导航方法，具有的技术效果有：
根据术前影像分析，构建虚拟股骨头坏死三维模型，以规划出最佳手术路径，空间***组件设置于3D定位导板、患者手术部位及执行装置上；通过图像采集组件获取探针、空间***组件的位置信息及手术部位的深度信息，并转换为坐标信息输送至处理器；将坐标信息与预存的虚拟股骨头坏死三维模型进行配准，进而调整手术导向开口的方向以与虚拟手术路径匹配；同时，处理器根据坐标信息生成真实手术空间，并能够将真实手术空间、虚拟股骨头坏死三维模型、虚拟手术路径进行融合，将融合图像显示在头戴式AR设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；帮助医生进行精准定位，大幅减轻了外科医生的工作强度，提高了股骨头坏死治疗的手术疗效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的股骨头坏死微创手术导航***的示意图；
图2为本发明实施例提供的3D定位导板的示意图；
图3为本发明实施例提供的体表定位标志器的示意图；
图4为本发明实施例提供的探针的示意图。
标号：100-3D定位导板、110-手术导向开口、120-标志器孔、200-体表定位标志器、300-定位球、400-探针。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***，基于增强现实技术和机械臂辅助下的股骨头坏死微创手术导航***可以精准定位股骨头坏死的病灶范围，将术前虚拟模型和术中实时显示结合，三维配准，同时帮助医生精准定位、高效清除坏死病灶，有效提高股骨头坏死保髋治疗的准确性。
本发明提供的股骨头坏死微创手术导航***包括：头戴式AR设备、处理器、图像采集组件、执行装置、空间***组件、探针、3D定位导板100。
3D定位导板100固定于股骨颈部骨脊，3D定位导板100上设置有根据虚拟股骨头坏死三维模型开设的手术导向开口110，用于引导执行装置进行手术；
3D定位导板100在制作前，需要对患者术前进行CT/MR I影像资料采集，通过医学影像处理软件(M imi cs等)，将患者的原始CT/MR I影像信息转化为***可用的数字化资料，对其逆向处理，通过特征提取和曲面拟合技术，进行分割、多模态影像配准及三维重建，构建虚拟股骨头坏死三维模型；根据虚拟股骨头坏死三维模型及骨坏死面积部位，优化手术路径，设计出固定于股骨颈部骨脊的3D定位导板100，通过3D打印机打印制作出虚拟三维模型中的实体3D定位导板100。
需要说明的是，上述的所路径规划方法为：利用虚拟股骨头坏死三维模型制作出的3D定位导板100，所述的规划路径为头颈结合区距离骨坏死病灶中心区域的最短距离。
空间***组件设置于3D定位导板100、探针400、患者手术部位及执行装置上，方便图像采集组件实时采集空间***组件的空间位置；
图像采集组件与处理器电连接，用于采集探针、空间***组件的位置信息及手术部位的深度信息，并转换为坐标信息输送至处理器；
处理器根据上述的坐标信息与处理器内预存的虚拟股骨头坏死三维模型进行配准，进而调整3D定位导板上的手术导向开口的方向以与虚拟手术路径匹配；
同时，所述处理器根据坐标信息生成真实手术空间，并能够将真实手术空间信息、虚拟股骨头坏死三维模型、虚拟手术路径进行融合，将融合图像显示在头戴式AR设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；
头戴式AR设备与处理器电连接，用于显示上述的融合图像及执行装置的实时位姿信息；
执行装置与处理器电连接，通过处理器控制执行装置运动，进而完成对股骨头坏死部位的手术操作。
一个可选方案中，头戴式AR设备包括AR眼镜，其与处理器电连接，AR眼镜中显示器用于显示融合图像信息及执行装置的位置姿态信息，方便医生获取术中操作信息。
一个可选方案中，处理器为计算机，处理器内设置有术前规划模块及手术控制模块，使用者通过操作进行人机交互，搭建虚拟影像，载入虚拟股骨头坏死三维模型，使用者可以深入股骨头病变内部微小结构，从任意角度进行分析，实现术前虚拟手术路径规划，该虚拟股骨头坏死三维模型和虚拟手术路径储存病留待术中使用；手术控制模块根据手术方案和执行装置的手术路径，主要用于手术机械臂的运动路径操控和术中实时监控。
一个可选方案中，图像采集组件包括双目视觉采集***和深度相机，深度相机设置在头戴式AR设备上，其中，空间***组件及探针要求在双目视觉采集***和深度相机的采集视野范围内。应用时，深度相机用于采集手术部位的深度图像信息；双目视觉采集***用于采集探针、骨***及执行装置上的空间***组件实时位置信息。
处理器根据头戴式AR设备的空间位置，获得头戴式AR设备、现实髋关节手术部位和执行装置的转换矩阵，将模拟手术路径与真实手术空间相叠加，同时将执行装置的位置与手术规划位置配准，实现虚拟股骨头坏死三维模型、真实手术空间和模拟手术路径三者融合统一，根据空间***组件在头戴式AR设备的坐标，头戴式AR设备能够实时显示虚拟股骨头坏死三维模型和实时路径规划信息，同时头戴式AR设备的显示屏可以实时显示术中操作，由观察者监控手术方案和术中实际的对应情况。
一个可选方案中，空间***组件包括体表定位标志器200、骨***和执行装置***，体表定位标志器200可以固定在髂前上棘和股骨大粗隆上，保证在双目视觉采集***和深度相机的视野范围内；体表定位标志器200采用不透明橡胶或聚酯材料制作的表面粘贴式标记，具体实施时，可以采用直径为4mm,厚度为2mm的圆形荧光贴片。
骨***固定在3D定位导板100上，骨***包括多个针杆；针杆的下端为尖端结构，用于固定在股骨上。
3D定位导板100外形优选设置为弧形，与人体的股骨颈外形适配，进而方便固定在股骨颈部。
3D定位导板100设置有手术导向开口110，大小为长×宽为1.5cm×1cm，与病灶清除装置的尺寸相配套，3D定位导板100还设置有用于穿过骨***的标志器孔120，利用上述的针杆穿过标志器孔120将3D定位导板100固定在股骨颈上。
执行装置***设置在执行装置末端，便于图像采集组件采集执行装置末端在手术时的位置。
一个可选方案中，骨***、探针(参照图4)及执行装置***上设置有被图像采集组件实时定位追踪的定位球300，并且各个定位球300之间具有固定的空间位置关系，定位球300要求具有荧光特性，可用于图像采集组件进行位置采集。
一个可选方案中，执行装置包括机械臂组件和病灶清除装置，病灶清除装置与机械臂组件连接，机械臂组件与处理器电连接。具体地，机械臂组件包括底座和固定在底座上的机械臂，六轴机械臂采用现有技术中的六个关节轴机械臂，机械臂具有六个自由度，因此可以实现机械臂末端在机座关节的活动范围内以任意位姿到达任意空间位置，满足手术需要。
机械臂的末端安装有体表定位标志器200，通过双目视觉采集***识别机械臂上的体表定位标志器200的坐标，实时显示机械臂的实施路径，按照术前规划对深度和路径进行精确控制，减少误差。
一个可选方案中，病灶清除装置可以是现有技术中任意类型的骨科磨钻，也可以是任意类型的骨科刮匙，本实施例中病灶清除装置为骨科变向气动磨钻，其内柄具备骨科深部手术空间内的侧方变向功能，以满足手术使用需要。
采用本发明实施例提供的股骨头坏死微创手术导航***，可以实现对股骨头坏死的CT/MRI这些传统二维医学影像进行直观全面、具体精确地查看与标定，术前基于手术规划，优化手术方案，术中利用可视化、交互操作平台，实现股骨头坏死灶的精确定位、精准手术路径建立、实时监控病灶清除。
另外，本发明实施例还提供了一种基于上述导航***的手术导航方法，该方法包括如下步骤：
患者术前进行CT/MRI影像资料采集，通过医学影像处理软件(M imi cs)，将患者的原始CT/MRI影像信息转化为***可用的数字化资料，对其逆向处理，通过特征提取和曲面拟合技术，进行分割、多模态影像配准及三维重建，构建虚拟股骨头坏死三维模型；
根据股骨头坏死模型及骨坏死面积部位，医生可以深入股骨头病变内部微小结构，从任意角度进行分析，实现术前手术路径规划，设置模拟手术路径，并通过3D打印机打印固定于股骨颈部骨脊的3D定位导板100，在3D定位导板100设置手术导向开口110；
在髂前上棘和股骨大粗隆设置体表定位标志器200，在股骨颈脊上安装3D定位导板100，在3D定位导板100上安装骨***，在机械臂的末端安装执行装置***，利用探针滑动采集股骨头颈部解剖关键点，图像采集装置采集探针在解剖点的位置以及体表定位标志器200、骨***、执行装置***的位置并转换为坐标信息，处理器将坐标信息与预存的虚拟股骨头坏死三维模型进行配准，利用手术导向开口110的方向与虚拟股骨头坏死三维模型设计的路径配准以统一手术路径；
同时，处理器根据坐标信息生成真实手术空间，并能够将真实手术空间、虚拟股骨头坏死三维模型、模拟手术路径进行融合，将融合图像显示在头戴式设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；
处理器控制执行装置实时调整姿态和位置，完成手术导航操作。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于AR技术的股骨头坏死微创手术导航***，其特征在于，包括头戴式AR设备、处理器、图像采集组件、执行装置、空间***组件、探针和3D定位导板；
所述3D定位导板固定于股骨颈部骨脊，所述3D定位导板上设置有根据虚拟手术路径开设的手术导向开口；
所述空间***组件设置于所述3D定位导板、所述探针、患者手术部位及所述执行装置上；
所述图像采集组件与所述处理器电连接，用于采集所述探针、所述空间***组件的位置信息及手术部位的深度信息，并转换为坐标信息输送至处理器；
所述处理器将所述坐标信息与预存的虚拟股骨头坏死三维模型进行配准，进而调整手术导向开口的方向以与虚拟手术路径匹配；同时，所述处理器根据所述坐标信息生成真实手术空间，并能够将真实手术空间、虚拟股骨头坏死三维模型、虚拟手术路径进行融合，将融合图像显示在所述头戴式AR设备中，并实时跟踪显示执行装置的位姿；
所述执行装置与所述处理器电连接，通过所述处理器控制所述执行装置运动；
所述空间***组件包括体表定位标志器、骨***及执行装置***，所述体表定位标志器固定在髂前上棘和股骨大粗隆上；
所述骨***固定在所述3D定位导板上，所述骨***包括多个针杆，所述针杆的下端为尖端结构；
所述执行装置***设置在所述执行装置上；
所述3D定位导板上设置有用于穿过所述骨***的标志器孔；
所述骨***、探针及执行装置***上设置有被图像采集组件实时定位追踪的荧光定位球；
患者术前进行CT/MRI影像资料采集，通过医学影像处理软件，将患者的原始CT/MRI影像信息转化为***可用的数字化资料，对其逆向处理，通过特征提取和曲面拟合技术，进行分割、多模态影像配准及三维重建，构建虚拟股骨头坏死三维模型；
根据股骨头坏死模型及骨坏死面积部位，医生可以深入股骨头病变内部微小结构，从任意角度进行分析，实现术前手术路径规划，设置模拟手术路径，并通过3D打印机打印固定于股骨颈部骨脊的3D定位导板，在3D定位导板设置手术导向开口。
2.如权利要求1所述的股骨头坏死微创手术导航***，其特征在于，所述图像采集组件包括双目视觉采集***和深度相机，所述深度相机设置在所述头戴式AR设备上。
3.如权利要求1所述的股骨头坏死微创手术导航***，其特征在于，所述执行装置包括机械臂组件和病灶清除装置，所述病灶清除装置与所述机械臂组件连接，所述机械臂组件与所述处理器电连接。
4.如权利要求3所述的股骨头坏死微创手术导航***，其特征在于，所述机械臂组件包括底座和固定在所述底座上的机械臂，所述机械臂采用六自由度机械臂，所述执行装置***设置在所述机械臂的末端。
5.如权利要求3所述的股骨头坏死微创手术导航***，其特征在于，所述病灶清除装置包括骨科磨钻或骨科刮匙，所述病灶清除装置具备侧方变向功能。
6.如权利要求1所述的股骨头坏死微创手术导航***，其特征在于，所述头戴式AR设备包括AR眼镜。
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