[发明专利]一种基于多模影像融合的骨科手术导航系统

说明书

本发明提出一种基于多模影像融合的骨科手术导航系统，包括：一个双目视觉定位相机，用于实时获取放置在手术器械以及受试者皮肤表面的被动红外反射标记球的空间坐标；图像分割模块，用于将初始图像中的脊椎部分精确的分割出来；空间坐标配准模块，用于将空间坐标和图像坐标进行配准；手术器械标定模块，建立手术器械尖端坐标和放置在其末端被动红外反射标记球坐标的转换关系；多模图像配准模块，用于将术中的锥形束CT图像配准到术前CT图像上；可视化界面模块，建立三维图像，用于在术中实时显示手术器械在受试者图像中的位置。本发明能够精确定位术中手术器械在受试者体内的实时位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，有效降低手术风险，减少手术时间，并且系统操作简便，适用性高。

技术领域

本发明涉及一种基于多模影像融合的骨科手术导航系统，属于医学图像、计算机视觉、图像处理等领域。

背景技术

在传统的外科手术中，医生无法直接观测到进入人体手术器械的具体位置，外科医生通常凭借经验，判断人体的解剖结构，再结合术前CT影像或术中X光影像来进行手术器械的定位、引导。因此，市场迫切需要新的手术导航系统，以便在复杂外科手术中，引导手术器械快速、精确到达特定位置，协助手术完成。随着计算机、医学影像、高精度测量等技术的发展，基于多模影像引导的手术导航系统正逐步发展起来，并逐渐成为高端医疗器械研发领域一个新的研究热点。手术导航技术是利用医学影像、立体定位和计算机可视化等相关技术，实时跟踪、显示手术器械以及人体部位的三维空间位置和运动信息，从而达到实时监测进入人体的手术器械，帮助外科医生精确实施手术的一种技术。

目前常见的手术导航系统主要分为基于基准点配准和基于C型臂引导两种。基于基准点配准的系统常采用手动选取基准点的方式来完成病人术前影像与实际手术空间的配准；这种方法通常需要医生先利用手术探针选取30-50个基准点，然后依据基准点完成坐标空间配准，并对配准精度进行评估；如果精度达不到手术要求，则需要医生重复进行基准点选择和配准。由于人体解剖结构的复杂和个体差异的存在，基准点的选取精度往往难以保证。基于C型臂引导的系统利用术中的X光影像进行手术引导，影像信息可以实时地获取更新。但是，术中X光影像只有二维图像信息，不能提供手术部位的完整三维结构。

因此，研究者及医生都希望借助术中三维影像完成手术引导，可以提供病人术中完整的三维解剖结构信息，并通过高精度的配准算法实现术前-术中影像的快速配准。这也是目前国际上手术导航领域的发展方向和研究热点。相关技术公开的一种骨科手术导航系统(中国专利申请号：200710066724.6)，该系统需要依赖髓内钉，通过确定手术器械与髓内钉相对位置，从而跟踪手术器械的位置，然而该系统主要用于封闭式髓内钉的骨折复原手术，存在一定的局限性。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于多模影像融合的骨科手术导航系统，能够精确定位术中手术器械在病人体内的实时位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，并且系统操作简便，适用性高。

本发明技术解决方案：一种基于多模影像融合的骨科手术导航系统，包括医学影像的三维可视、脊椎骨的精确分割、空间坐标配准、术前三维CT和术中CBCT的精确配准等功能，构建一套多模影像双目视觉跟踪的手术器械定位系统，在受试者图像上实时显示手术器械的位置和运动轨迹。

本发明的一种基于多模影像融合的骨科手术导航系统，包括：

双目视觉定位相机，用于实时获取放置在手术器械以及受试者皮肤表面的被动红外反射标记球的空间坐标；所述手术器械及受试者身上分别设置多个被动红外反射标记球；双目视觉定位相机基于双目视觉原理通过发出红外线，接受被动红外反射标记球反射回来的红外距离信息，计算被动红外反射标记球的三维空间坐标；根据得到所述被动红外反射标记球的三维空间坐标，从而得到所述手术器械和受试者的空间位置，分别送至空间坐标配准模块和手术器械标定模块；