[发明专利]一种基于光学增强现实技术的手术导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明属医疗器械领域，具体涉及一种基于光学增强现实技术的手术导航系统及方法。

背景技术

传统的手术导航又称图像引导手术(IGS：Image guidedsurgery)，是以CT、MRI等医学图像信息为基础，通过重建精确的三维人体模型和使用高精度定位系统跟踪病人和手术器械的位置信息，在手术进行过程中，通过计算机实时模拟，对手术过程进行监控。手术导航可辅助医生制定术前方案，缩小手术创伤区域，保护重要组织结构，提高手术质量，降低意外率，具有十分积极的临床意义。

虽然IGS的应用给外科手术带来了极大的便利，但外科大夫在手术过程中必须一边看人体组织的3D显示，一边将3D显示与病人真实的解剖组织进行对应，将导航信息从虚拟空间反映到真实病人的空间。由于此过程难免存在主观上的偏差，同时也不符合手术的一般习惯，因此不利于手术的顺利进行。近年来增强现实技术(AR：Augmentedreality)的出现，给IGS带来了更直观的方法。AR是在虚拟现实(VR：Virtual Reality)基础上发展演化而来的一项技术，它将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息实时准确地叠加并显示到真实场景中，做到虚实结合，增强使用者对真实世界的观察。^[1]在外科手术领域，AR则可将重建产生的3D人体虚拟模型直接融合到医生所看到的真实场景中，实现手术视野的增强显示。

目前国际上用于AR的显示设备以头盔式显示器(HMD：Headmounted display)为主。根据使用原理不同，HMD又可分为视频透视式和光学透视式两种。使用光学透视式HMD，用户既可直接观察到周围的真实环境，还可看到计算机产生的增强图像或信息，显示效果明显强于视频透视式HMD。但光学式HMD中，由于来自真实场景的图像直接成像于用户视网膜上，无法直接标定^[2][3]，需要用户在线标定，这种人机交互过程高度依赖于用户。所以光学式HMD的标定是阻碍其实际应用的技术难点，目前尚未有成熟的基于光学式HMD的增强现实导航系统应用于临床实践。Tuceryan描述了一种光学式HMD的标定法——单点活动排列法(SPAAM)^[4]，取得了较好的效果，但它的标定过程仍然需要人工对准，精度受人为影响较大。

与本发明专利相关的已有技术或参考文献有：

[1]Azuma R T.A survey of augmented reality.Teleoperatorsand virtual environments，1997；4：355-385.

[2]Tuceryan M，Greer D，Whitaker R，et al.Calibrationrequirements and procedures for a monitor-based augmentedreality system.IEEE Trans Vis Comput Graph，1995；1：25573.

[3]Azuma R，Baillot Y，Behringer R，et al.Recent advancesin augmented reality.IEEE Comput Graph，2001；21：34 47.

[4]Tuceryan M，Navab N.Single point active alignment method(SPAAM)for optical see-through HMD calibration foraugmented reality.International Symposium for AugmentedReality，2000；149～158.

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光学增强现实技术的手术导航系统及方法，使手术导航在临床应用中更精确、实用和方便。