[发明专利]用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统，其中，方法包括：获取HoloLens应用程序对应虚拟空间的世界坐标系与现实场景的坐标系之间的第一关系；将术中膝关节点云和预设的三维模型点云按照空间变换匹配，得到术前医学图像空间坐标系和双目相机坐标系的第二关系；根据第一关系和第二关系将虚拟股骨、胫骨模型及对应的手术导板模型叠加到HoloLens视野下，实现增强现实导航。该方法可实现HoloLens虚拟空间坐标系的半自动化标定，并结合图像配准技术将虚拟膝关节解剖模型及虚拟手术导板模型准确叠加至对应真实患部位置，从而可以为医生提供直观准确的术中图像引导。

技术领域

本发明涉及微创外科手术技术领域，特别涉及一种用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统。

背景技术

膝关节置换术，是将衬垫磨损的膝关节面切除，换上由金属、聚乙烯等材料制成的关节面，以达到解除患者疼痛、改善膝关节功能等目的。TKA(Total Knee Arthroplasty，全膝关节置换术)是目前治疗膝关节疾病的重要途径。膝关节结构复杂，手术空间狭小，周围存在重要的血管和神经，传统开放式手术易造成大出血及多种并发症。与之相反，MIS-TKA(Minimally Invasive Total Knee Arthroplasty，微创全膝关节置换术)以其创口小等优势而逐渐成为TKA手术的主流发展趋势。

但是，微创全膝关节置换术由于术野狭小，对于医生的经验技巧要求较高，易造成置入假体对线偏离，进而导致磨损、偏心负荷等问题，影响患者术后行动并缩短假体寿命。目前骨科微创手术中常采用关节镜或CT等图像引导手段辅助医生完成手术，但对于MIS-TKA手术，都或多或少存在手术环境感知有限，定位不便或引入辐射等问题。增强现实导航可以为医生提供术中引导，有效解决手术视野狭小，难以获取患部定位信息的问题，同时避免了辐射伤害。

鉴于骨科手术的特殊性，目前对于骨科手术的增强现实导航的研究，一般采用基于光学透视的增强现实导航方法，但受限于相关硬件技术的发展，对基于光学透视的术中增强现实导航技术的研究仍处于起步阶段。目前最先进的基于光学透视的增强现实设备是微软的HoloLens混合现实眼镜，现有与手术应用相关的对于此类增强现实导航的研究几乎全部基于HoloLens。使用HoloLens进行术中增强现实导航，需要解决的核心问题是如何将虚拟场景空间、术中现实场景空间与术前图像空间统一起来，以便将来自患者术前CT/MRI扫描的虚拟解剖模型以准确的位置和姿态叠加到佩戴HoloLens的医生的视野下。

现有研究主要分为三类：其一是直接将虚拟模型显示在患者体外仅供医生参考，在实际临床应用中意义不大；其二是通过HoloLens提供的语音、手势等交互功能，在视野下手动调整虚拟模型的位姿直至与手术部位重合，但此方法操作不便，耗时较多，显示精度上也难以保证；其三是通过HoloLens上的网络摄像头获取图像，利用单目视觉及图像识别技术确定坐标系之间的关系，但由于网络摄像头获取的图像与佩戴HoloLens的人看见的虚实场景的相对位置并不相同，最终的增强现实效果虽然在网络摄像头获取的图像中是正确的，但是在HoloLens的佩戴者看来虚拟模型和实际患部位置存在一定的偏差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法。

本发明的另一个目的在于提出一种用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航系统。