[发明专利]基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统和方法

权利要求书

1.一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统，其特征在于：

包含结构光扫描仪、红外导航定位仪、动态基准、带红外发光二极管的手术器械和计算机；

其中，手术室布置结构光扫描仪和红外导航定位仪；手术器械上安装若干红外发光二极管，它们所发出的红外光被红外导航定位仪所捕获，从而确定红外导航定位仪的导航坐标系和手术器械的手术器械坐标系之间的关系；

夹持在患者脊椎骨上的动态基准，其同样设有若干红外发光二极管，用于实时跟踪患者坐标系相对导航坐标系的变化。

2.如权利要求1所述的一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统，其特征在于：该动态基准包含基座，基座下端为U型卡槽，该U型卡槽通过固紧螺钉调节开口大小，基座上装设有若干红外发光二极管，而每个红外发光二极管同心布置一个标记点，标记点内圆外方，结构光扫描时将他们扫描进去，通过图像处理可以获取其圆心，结构光图像中这些标记点的中心与导航坐标系确定的红外发光二极管坐标一一对应。

3.如权利要求1或2所述的一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统，其特征在于：上述的红外发光二极管均为3-5个。

4.一种用于基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统的动态基准，其特征在于：该动态基准包含基座，基座下端为U型卡槽，该U型卡槽通过固紧螺钉调节开口大小，基座上装设有若干红外发光二极管，而每个红外发光二极管同心布置一个标记点，标记点内圆外方。

5.一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术方法，其特征在于：用结构光对手术部位进行三维扫描，通过改进的ICP算法进行多区域组合配准，再利用红外导航定位仪和动态基准，对导航仪坐标系、结构光图像坐标系、患者坐标系和手术器械坐标系之间进行坐标变换，从而将手术器械位置导入术前CT图像，实现术中导航。

6.如权利要求5所述的一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术方法，其特征在于：首先利用CT扫描获取脊椎骨的CT数据，利用计算机重建出三维模型，在模型上圈定面配准区域，并选取三个特征点供手术中预配准使用；

在手术室中布置结构光扫描仪和红外导航定位仪，手术器械上安装若干红外发光二极管，它们所发出的红外光被红外导航定位仪所捕获，从而确定红外导航定位仪的导航坐标系和手术器械的手术器械坐标系之间的关系；夹持在患者脊椎骨上的动态基准，其同样设有若干红外发光二极管，用于实时跟踪患者坐标系相对导航坐标系的变化；

手术中利用结构光扫描仪发出的结构光扫描手术局部部位，获得局部骨表面图像并与术前三维CT图像进行配准；

利用红外导航定位仪和动态基准，对导航仪坐标系、结构光图像坐标系、患者坐标系和手术器械坐标系之间进行坐标变换，计算手术部位在术中发生变化情况下，手术器械在术前三维CT图像中的相对位置，实现手术导航。

7.如权利要求5或6所述的一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术方法，其特征在于：采用预配准与多区域ICP配准相结合的方法来确定术前CT图像与术中结构光图像的坐标转换关系，首先估算出两组点集中每一点的法矢和曲率，所有的曲率相近点构成一系列点对，计算将每个点对的法矢方向映射为一致的三维空间变换，每个点对间所有可能的三维变换构建一个哈希列表，找出列表中使得最多数量的点对法矢一致的变换，该变换能够实现2个点集的粗略配准，将粗略配准后2个点云的位置作为新的初始位置，运用多区域ICP算法对散乱点云的初始配准结果做进一步地优化，从而实现散乱点云的精确配准。

8.如权利要求5或6所述的一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术方法，其特征在于：动态基准装有若干红外发光二极管用于导航仪定位，每个红外发光二极管同心还布置一个标记点，标记点内圆外方，可同时进行结构光扫描，结构光图像中这些标记点的中心与导航仪坐标系确定的红外发光二极管的坐标一一对应。

9.如权利要求5或6所述的一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术方法，其特征在于：由于一次测量通常不能获取待测脊椎骨的全部三维信息，需要进行多视角测量，需要将各次测量所获得的三维信息拼接到一起形成一个整体。