[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于脊柱手术中的计算机辅助手术系统及方法，且特别地，涉及手术前CT扫描与手术中结构光图像的配准系统及方法。

背景技术

椎弓根内固定术是一种治疗胸腰椎段脊柱骨折的标准化常规手术，该方法通过植入椎弓根螺钉来稳定脊柱，可用于治疗腰椎滑脱，胸腰椎骨折等症。由于椎弓根邻近脊髓、神经系统，在手术中，椎弓根往往不可见，所以手术难度很高，临床研究表明传统椎弓根内固定术的螺钉偏移率为28～40％。

计算机辅助骨科手术(Computer Aided Orthopedic Surgery，也称CAOS)在医学影像，如CT，MRI，X光或三维超声等的导引下，利用导航仪跟踪手术器械的位置，从而可以把虚拟手术器械与植钉部位融合并显示在屏幕上，来增加手术的可视性，帮助医生避开重要的器官与组织，从而提高植钉精度，减少术中创伤。根据所使用图像模态的不同，计算机辅助脊椎手术一般可分为基于CT图像与基于C型臂透视图像两种，其中C型臂手术导航又分为二维和三维两种。

以基于CT图像导航为例，导航脊柱手术可以分为以下步骤：

1.手术前采集患者CT影像数据，并将其导入计算机导航系统，重建脊椎骨三维模型，并规划术中手术路径。由于该系统采用单椎体表面配准方式，所以要根据三维重建图像，在拟手术椎体后方表面选取3～5个特征点，待手术中用于点配准。并确定椎弓根钉的植入位置及螺钉的长度与直径。

2.术中暴露出患者脊柱后方解剖结构后，在棘突上安装动态基准。由于动态基准和手术器械上都装有红外发光二极管，其光线被导航仪所捕获，从而确定了患者坐标系与手术器械坐标系的关系。然后用导航探针点出术前设计的特征点在脊椎骨上的实际位置，进行点配准和面配准。导航系统计算出此时的配准误差，如果误差可以接受，即可进行导航手术，在三维影像的引导下，进行植钉。

临床对比试验表明，利用导航手术能大大提高植钉精度，减少植钉偏移率。但现有的商用骨科导航手术系统仍存在若干缺陷，需要改进。如使用Stryker公司的红外主动诱导手术导航系统进行临床手术，医生反映利用该系统进行点配准时，受操作误差与点配准方法影响，配准精度并不理想；并且手术中难以避免手术器械与动态基准发生碰撞，这样就改变了配准关系，需重新进行配准，延长了手术时间。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统，主要包括结构光扫描仪、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等，可利用结构光扫描仪获取手术部位的局部骨表面图像，再利用多区域ICP配准算法对结构光图像与CT图像进行配准，之后利用红外导航定位仪和动态基准实现手术空间、结构光图像空间和CT图像空间的位置映射变化，从而帮助医生在CT图像上实现手术导航。

本发明的技术方案为：

一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统，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，结构光扫描仪和红外导航定位仪定位布置；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。

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。

上述的红外发光二极管均为3-5个。

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，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。

一种基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术方法，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。