[发明专利]一种脊柱椎弓根钉植入定位装置

说明书

技术领域

本发明涉及医学领域，尤其涉及一种脊柱椎弓根钉植入定位装置。

背景技术

随着微创外科的发展，椎弓根螺钉内固定技术逐步成为脊椎外科手术的常规操作，其关键环节是椎弓根植入手术操作，即将固定用的椎弓根螺钉穿过椎弓根植入脊柱的椎体。传统的椎弓根植入手术操作是医生凭借自己的专业技巧，依据手术室的C型臂拍摄的X光图象，调整手术路径，完成椎弓根植入手术操作。由于医生的专业水平不一样，往往导致很多手术出现不同程度的后遗症。同时，X光图像采集过程中会对医生产生辐射伤害，影响医生的身体健康。基于计算机辅助导航技术的椎弓根钉植入手术，依据术前或术中的医学图像(CT医学图像、X光图象)，利用图像里的骨性标志和位置跟踪传感器，建立手术空间、图像空间和机器人空间之间的关系，然后将手术空间的手术器械、机器人末端装置转换到图像空间，虚拟现实出来，辅助医生完成椎弓根钉植入手术操作。这种方法操作复杂，过程中的误差会被放大，在导航图像上看到的位置关系是假象，并不能准确及时反应工具与椎弓根之间的关系，无法真正意义上的实时检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种椎弓根钉植入定位装置，采用数字图像处理技术和机器人技术，利用患者脊柱的术前CT或核磁等3D医学影像数据，构建术前3D手术规划环境，辅助医生定义脊椎椎弓根钉植入手术路径，完成个性化的术前椎弓根钉植入手术路径位置规划。同时，结合脊柱的解剖特征(如脊柱棘突、上平面等解剖特征)，定义两个不平行平面，构建空间坐标系，描述手术路径的坐标。在术中，利用C型臂X光机依据脊柱正位投影方向，采集手术空间的2D医学图像(包含要手术的脊柱椎体、手术器械)，结合位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，建立术中2D图像导航环境，定义术中椎弓根钉植入手术路径。并依据术前3D手术规划环境定义的空间坐标系，结合术中2D导航环境的特征点影像数据，描述术中手术路径。在此基础上，计算术中手术路径与术前定义的手术路径的位置差异，以及手术器械与术前定义的手术路径的位置差异，辅助医生调整C型臂等硬件的图像采集位姿和术中手术路径，使术中手术路径与术前规划的手术路径一致，并利用机器人跟踪术中手术路径，使手术器械的路径与术中手术路径一致，辅助医生完成精准、安全的手术操作。解决传统手术中脊柱椎弓根钉植入路径定位不准确导致的手术后遗症，降低手术难度，提高手术疗效。

本发明提供的一种椎弓根钉植入定位装置，由C型臂X光机(3)、图像校正标定板(4)、图像采集模块(2)、定位机器人(6)、路径定位架(7)、位置跟踪平台(5)、计算机(1)、存存储于计算机内的基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块和基于术中X光图像的定位导航模块组成。图像校正定位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集端部，路径定位架7和定位机器人之间采用螺钉8连接，C型臂X光机3与计算机之间连接有图像采集模块2，机器人6与计算机1之间利用通讯总线连接。图像采集模块2用于采集C型臂拍摄的X光片，可以是图像采集卡，也可以是可以进行网络通讯的DICOM图像传输模块。

本发明的术前路径规划功能，是由基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块实现的。基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块包括：3D医学图像数据可视化单元、3D环境下椎弓根钉手术路径位置规划单元。其中，

3D医学图像数据可视化单元，用于构建脊柱椎弓根钉植入路径规划的人机交互环境，通过算法重建脊柱三维模型。

3D环境下椎弓根钉手术路径位置规划单元，用于术前手术路径规划。选取解剖特征、测量脊柱几何参数、绘制脊柱椎弓根钉植入路径，构建基于解剖特征的坐标系，并描述术前规划的脊柱椎弓根钉植入路径坐标。

本发明的基于2D影像数据的椎弓根钉植入手术导航功能，是由基于术中X光图片的定位导航模块实现的。基于术中X光图像的定位导航模块由图像纠正单元、图像空间标定单元、2D导航单元、机器人运动控制单元组成。其中，

A)图像纠正单元用于C型臂X光图像的校正。读取C型臂拍摄的X光片，进行图像失真校正后获得失真参数与校正图像。所采用的X光图像依据脊柱正位投影方向或接近于正位投影方向，图像中要包含目标脊柱椎体、机器人末端的手术器械。

B)图像空间标定单元，用于空间映射模型的建立。以图像校正标定板的不在一个平面的6个以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据，建立2D导航图像空间和3D手术空间之间的映射模型。所述映射模型满足：