[发明专利]一种基于增强现实技术的鼻内镜微创手术导航系统

说明书

发明领域

本发明专利涉及一种鼻内镜微创手术导航系统，尤其是一种基于增强现实技术的鼻内镜微创手术导航系统。

技术背景

鼻腔、鼻窦内炎症、泪囊炎是常见病、多发病，鼻腔、鼻窦和颅底病变发病率也正在不断上升。内镜微创鼻窦外科技术的发展已使传统的鼻腔、鼻窦手术方式发生了根本的变化，内镜下鼻窦手术的优点是照明好、视角广、视野清晰、创伤小，有助于鼻腔、鼻窦的功能保留和恢复。内镜下鼻腔、鼻窦手术的广泛开展大大提高了鼻息肉、慢性鼻窦炎的治愈率，这一技术的成熟已使手术范围拓展到颅底和鼻、眼相关疾病的手术，如前、中及部分侧颅底肿瘤的切除术、脑脊液鼻漏修补术和经鼻腔视神经减压术等等，更加体现了其手术径路直接、简单、视野开阔及微创等优点。

鼻内镜手术改变了一些传统手术路径，将大量的“开放式”手术方法转为“微创”手术方法，达到了鼻外入路同样的手术范围，同时避免了手术入路中对颜面皮肤、软组织及骨性结构的破坏。但是由于鼻窦、颅底解剖结构复杂，视野狭小，周围有众多颅神经和大血管穿行，随着此类手术应用范围的扩大，手术难度和风险大大增加，内镜鼻窦手术所导致的复视、失明、脑脊液漏和致命性大出血等时有发生。有经验的医师多需上千例手术的训练。如何减少手术的难度，预防和减少内镜手术并发症的发生，规范和加速专科医师的培养是目前面临的一个重要问题。

为克服鼻内镜手术中定位困难的问题，计算机辅助影像导航技术被引入鼻内镜外科领域。其工作原理是将术前采集的患者CT(Computerizedtomography)或MRI(Magnetic Resonance Imaging)等医学影像数据在工作站进行三维重建，并在手术开始前与患者头部进行匹配校准，利用各种不同原理和方式的跟踪系统将手术器械的位置实时显示于导航显示器上，完成对手术器械在术野中的精确定位。

内镜微创外科技术已广泛应用于鼻窦、颅底手术，主要用于治疗鼻息肉、慢性鼻窦炎、慢性泪囊炎等常见病和多发病，以及鼻窦、前、中及部分侧颅底肿瘤的切除术、脑脊液鼻漏修补术和经鼻腔视神经减压术等。但该区域周围有众多神经、血管穿行，术野狭小，手术难度和风险大。术中定位困难是困扰术者的主要问题之一。影像导航系统虽然可帮助术者定位，但现有导航系统显示不直观，配准复杂，影响精度，价格昂贵，应用欠广泛。因此迫切需要研发新一代鼻内镜微创手术导航系统解决上述问题。

本发明采用光学跟踪技术对手术器械、患者进行跟踪定位，应用图像校正、配准等技术实现多模态三维医学影像与鼻内镜术野图像、手术器械位置姿态等的融合显示，开发了一套基于增强现实技术的鼻内镜微创手术导航系统。

发明内容

一种基于增强现实技术的鼻内镜微创手术的导航系统，包括鼻内镜、红外跟踪摄像机、三维扫描仪、三维立体显示器、计算机以及基准标志点、红外标志点，所述红外跟踪摄像机、所述三维扫描仪、所述三维立体显示器分别与所述计算机相连，所述鼻内镜与所述三维立体显示器相连。

所述基于增强现实技术的鼻内镜微创手术的导航系统，还包括：

a.在手术前，由所述计算机对患者的医学影像数据进行分割、多模态影像配准及三维重建从而获得患者颅内组织、血管及面部皮肤的三维模型；

b.然后，由三维扫描仪扫描固定在手术台上的所述基准标志点，从而获得所述基准标志点的三维数据，再由红外跟踪摄像机拍摄所述基准标志点的红外图像，从而获取所述基准标志点在红外跟踪摄像机坐标系下的三维数据，之后将两组三维数据同时传入所述计算机，所述计算机利用两组三维数据计算获得三维扫描仪坐标系与红外跟踪摄像机坐标系的第一转换矩阵，从而实现两者之间的配准；

c.在手术过程中，随着所述鼻内镜在患者鼻腔中的运动，由所述鼻内镜所拍摄的图像实时显示在三维立体显示器上；

d.与此同时，由所述三维扫描仪实时扫描患者面部，从而获取患者面部皮肤的三维数据，并将该数据传入所述计算机，所述计算机利用该数据和在手术前重建的面部皮肤的所述三维模型的数据进行计算，获得三维扫描仪坐标系与面部皮肤的所述三维模型的坐标系之间的第二转换矩阵，从而实现两者之间的配准；

e.然后，由所述红外跟踪摄像机实时跟踪固定在鼻内镜上的所述红外标志点，从而获得鼻内镜的位置和姿态的第三实时数据，并将所述第三实时数据传入所述计算机；

f.之后，由所述计算机将所述第一转换矩阵与所述第二转换矩阵相乘，得到第四矩阵，将所述第四矩阵与第三实时数据相乘从而得到第五数据，所述第五数据为鼻内镜在术前重建的患者颅内组织、血管的所述三维模型坐标系下的位置和姿态数据；