[发明专利]一种脊柱微创手术增强现实导航方法

说明书

本发明涉及一种脊柱微创手术增强现实导航方法，将CT图像转换成术前点云，并将CT图像进行三维重建；在术中通过深度相机采集切口处的脊柱图像，并生成术中点云；将术前点云和术中点云进行配准；计算头戴式显示设备在空间的位置，获取头戴式显示设备和现实脊柱的转换关系，将脊柱三维模型通过增强现实技术叠加显示在患者脊柱上。本发明利用深度信息，实时定位和修正显示设备在实际手术空间中的位置；解决了术中三维模型变焦显示的问题，实时精确地将术前图像叠加到真实手术中患者脊椎对应位置，不受视野限制，降低了医生手术的难度，缩短手术时间。

技术领域

本发明涉及增强现实导航领域，具体地说是一种脊柱微创手术增强现实导航方法。

背景技术

目前，将增强现实导航技术用于外科手术领域还存在以下问题：

由于术中图像在采集的过程中视野狭小以及环境噪声等的影响，成像后的自然特征不明显，影响配准的精度，无法将基于术前CT图像生成的脊柱三维模型准确的和术中扫描的脊柱点云匹配。

确定观察点和视角的过程中传感器的噪声，会导致观察点和视角的偏差，无法将三维模型精确地叠加显示在脊柱上。

头戴式显示设备定位过程中的噪声会导致系统的精度下降。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明基于患者个性化术前CT图像的脊柱三维模型在术中患者脊柱实时增强现实显示的问题，围绕点云重建、点云配准、脊柱重建及实时定位四个方面开展研究，开展基于患者个性化医学影像和手术现实环境的配准方法、基于头戴设备变焦显示虚拟信息的方法及手术过程动态增强现实显示技术方法的研究，解决成像后的图像特征不明显，头戴式设备位置变化后如何保持脊柱三维模型位置实时叠加在患者脊柱上及图像采集、头戴式显示设备定位过程中的噪声导致系统的精度下降等问题，提供一种将患者的三维脊柱模型直接显示在患者的身体上，并对需要实施手术的部位精确地定位的导航方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种脊柱微创手术增强现实导航方法，包括以下步骤：

步骤1：将CT图像转换成术前点云，并将CT图像进行三维重建；

步骤2：在术中通过深度相机采集切口处的脊柱图像，并生成术中点云；

步骤3：将术前点云和术中点云进行配准；

步骤4：计算头戴式显示设备在空间的位置，获取头戴式显示设备和现实脊柱的转换关系，将脊柱三维模型通过增强现实技术叠加显示在患者脊柱上。

所述将术前点云和术中点云进行配准包括以下过程：

步骤1：基于ICP算法得到术中点云和术前点云的对应关系，并将对应后的点云分割为状态信息点云和量测信息点云；

步骤2：构建基于点云的状态空间方程，采用基于扩展集员滤波的配准算法，得到术前点云空间和术中点云空间的转换关系，完成图像空间和真实空间的转换。

所述基于ICP算法得到术中点云和术前点云的对应关系过程为：

步骤1：在重建的三维脊柱模型中选择棘突点和/或横突点作为特征点，进行配准；

步骤2：获取一个初始的转换关系，并用初始的转换关系对术中点云进行转换；

步骤3：通过ICP算法迭代优化转换矩阵，寻找术中浮动点云中每个点在目标点云中的最近点，构成对应点对，计算术中点云和术前点云的转换关系。

所述状态信息点云为在建立状态空间方程时，作为状态量的点云。

所述量测信息点云为在建立状态空间方程时，作为观测量的点云。

所述基于点云的状态空间方程为：