[发明专利]基于移动终端的前交叉韧带重建手术导航方法及系统

说明书

本发明的目的在于提供一种前交叉韧带重建手术导航方法及系统，包括：通过术前分割和建模模块三维重建患者患处的虚拟模型，并在所述虚拟模型中设定基准点；通过摄像机标定和视频采集模块获取真实手术场景信息以及计算患者身上标记物的位置坐标；利用虚实配准技术模块对所述虚拟模型与真实手术部位的空间配准，并且在显示器上配备手术规划路径，并进行导航；通过成像与位置跟踪模块显示真实手术成像结果，并实时跟踪所述标记物并且计算所述标记物的坐标信息，以完成前交叉韧带重建手术导航。本发明采用点对点配准自动完成虚拟场景与真实场景的配准，当出现基准点配准不准确，可以通过实时反馈的位置信息改为手动完成基准点的配准，提高了配准率。

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体为一种基于移动终端的前交叉韧带重建手术导航方法及系统。

背景技术

随着计算机视觉、图像处理、跟踪定位等技术的快速发展，计算机辅助手术导航成为外科手术的重要研究方向之一。它已经运用于骨科、腔镜等手术中，并且因其精确、高效、低辐射等特点使其在临床实践中逐渐得到广泛应用。传统的全髋关节置换手术导航根据患者的术前三维影像完成患者病灶区域的定位。由于手术复杂度大、手术时间长，医生在术中的疲劳度会随之增加从而影响手术的精确度。除此之外，当病人位姿发生改变时还需要术中重新拍摄X光图片来确认导航定位是否有效，这不仅给医生和患者带来大量辐射，而且会延长手术时间和增加患者痛苦。

增强现实技术是一种将虚拟物体与真实场景无缝衔接的技术，它可以在屏幕上把虚拟世界套在现实世界中并进行互动。基于增强现实的手术导航系统能够在术中实时地呈现患者膝关节区域与手术器械的相对位置，并且可以对二者的位置进行跟踪检测。由于早期的增强现实技术设备昂贵、软件算法对CPU和GPU性能要求极高以及实时性、交互性、手眼协调都无法保证，因此不能运用于前交叉韧带重建术中。随着硬件设备的革新、算法的不断优化和对增强现实技术研究的不断深入，增强现实技术已经运用于前交叉韧带重建术中，它为胫骨和股骨隧道的钻取显著地提高了效率。

目前增强现实常用的交互设备分为投影仪、头戴式显示器、增强镜片和增强显示器。投影仪是一种手持式或者固定式的投影装置，它通过精准的配准技术将计算机生成的虚拟图像直接叠加到患者病灶处，从而完成增强显示。头戴式显示器是集显示与计算模块于一体，将计算机生成的虚拟画面直接覆盖到肉眼，或者将虚拟场景与摄镜头捕获的真实场景结合达到增强现实的效果。增强镜片则是在显示器和患者中间插入一个半透明镀银的镜片，通过镜片将计算机生产的虚拟场景准确反射到病人身上完成叠加显示。增强显示器是将虚拟三维模型与真实手术场景配准后的结果传输到平板电脑或者手机中完成显示。它通过自身集成的摄像头或者外部连接的高清摄像机实时获取真实手术场景的视频信号，然后利用计算机中的虚实配准程序完成病人手术部位的虚拟三维模型与真实的手术场景的融合，并且将视频信号实时呈现出来。投影仪和头戴式显示器的成像方式需要高昂的成本以及复杂的系统设置，不利于广泛地应用，而增强镜片由于占据过大的工作空间从而增大手术难度，因此不适宜广泛应用于前交叉韧带重建术。

一种成本低，配准率高的前交叉韧带重建手术导航方法及系统亟待研发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种前交叉韧带重建手术导航方法及系统，能够采用点对点配准自动完成虚拟场景与真实场景的配准，同时，采用增强显示器作为成像工具，具有成本低廉的优点。

本发明的技术方案是：一种基于移动终端的前交叉韧带重建手术导航方法，包括：

通过术前分割和建模模块三维重建患者患处的虚拟模型，并在所述虚拟模型中设定基准点；

通过摄像机标定和视频采集模块获取真实手术场景信息以及计算患者身上标记物的位置坐标；

利用虚实配准技术模块对所述虚拟模型与真实手术部位的空间配准，并且在显示器上配备手术规划路径，并进行导航；