[发明专利]激光手术路径引导方法、及其计算机设备和系统

说明书

本申请提供的一种激光手术路径引导方法、及其计算机设备和系统，通过获取患者眼眶的三维影像信息以构建三维模型；在所述三维模型上标记手术路径的关键点坐标；通过相机采集患者眼眶一参考点上设置的ArUco标签，以计算出至少两个设有激光发射器的机械臂在世界坐标系中的位姿坐标信息，并实现三维模型与各机械臂在世界坐标系中的空间配准；依据所述关键点坐标令各机械臂进行关节参数转换、及坐标转换，以实现至少两个所述机械臂上的激光发射器所发射的激光定位至患者眼眶上对应三维模型的关键点坐标。本申请能够实现了激光束在颅骨模型预先标记的手术路径的关键点处的平滑移动，以及在模型位置更改后可以进行姿态调整和关键点的精确激光投影。

技术领域

本发明涉及的现实增强技术领域，特别是涉及一种激光手术路径引导方法、及其计算机设备和系统。

背景技术

导航手术应用于眼眶病、头颈疾病、骨科疾病、颅脑疾病等具有高精度要求的手术，手术操作的精确程度是影响患者预后的重要因素。传统导航技术仅解决了定位难题，但如何在术中直观、原位引导术者准确实施既定手术操作是仍待解决的问题，且昂贵的价格限制了其使用。

如现有的外科手术计算机辅助导航系统是一种三维定位的手术支持系统，为外科医生进行手术规划提供相对客观、准确的手段，能够根据实际手术的需要，进行手术定位，在计算机显示器上对手术工具周围的组织作相应的显示，从而对手术进行实时的导航[1]。但是，导航探针在患者身上的定位和位置信息在计算机显示器上的平面显示带来的不直观、非原位的缺点，以及限制了导航手术的精度，延长了导航手术的时间，增加了导航使用的难度[2]。

而将激光与导航相结合用于手术动作路径的引导，可能是解决以上问题的一个契机。激光定位技术指将激光发射器与医学透视设备通过一定方法有机结合，以激光束引导手术器械到达患者相应的解剖位置，执行手术[3]。常用的激光定位系统分2大类：(1)直接用激光指示定位：将激光及驱动装置安装在影像设备上，如CT、C臂X线机等，采用单束或双束十字交叉激光用于手术定位导航。(2)通过激光追踪引导手术器械：用于追踪、捕捉可视激光束，可引导手术器械的位置、方向、深度，达到手术靶区域[4]。

激光投影系统和CT相结合主要用于活检穿刺，能在体表准确投射出皮肤进针点位置和方向，激光定位设备与光学定位追踪系统的结合有利于术中操作误差的降低[5]。Toshihiko等研发了一种与光学定位追踪系统结合的双激光定位系统。该系统中两束交叉的激光直接投射体表和连接套筒以确定线性手术器械的术中路径，在手术器械末端安装发光二极管， OPTOTRA光学定位感应器便可感应手术器械的位置、方向。结果显示用该系统进行克氏针置入误差和角度误差均明显下降[6-7]。在此基础上，Liao等则提出激光定位系统与视觉图像叠加3D技术的结合，将激光定位系统与光学追踪系统结合后，双束激光的三维位置可在 POLARIS系统中测得，采用立体视觉图像叠加技术将患者的三维影像通过一面半镀银镜子叠加到患者身上，外科医生即可以在患者三维影像结合激光定位下进行手术，经25次膝关节模型手术显示，插入点位置误差和角度误差显著减低，基本能够满足精确制导膝关节手术的要求[8-9]。

在上述主要应用的于手术中的激光定位装置中，依赖于术中X线、CT的类型增加了术者和患者的射线暴露。除骨科手术及少数需使用一体化手术室的手术外，手术过程一般不涉及射线[10]。但无头架固定和头位频繁变动的事实情况使得上述两种主流激光定位系统无法有效地在术区引导手术路径[11]。

Poseestimation在计算机视觉领域扮演着十分重要的角色，并用于机器人导航、增强现实等，其基础是找到现实世界和图像投影之间的对应点[12]。确定过上述对应点最为流行的一个途径是基于二进制平方的标记，例如基于ArUco库的aruco模块[13]。其亚毫米级的定位精度、对环境的较低要求使其在医疗上的应用成为可能，并在laparoscopicsurgery，peri-acetabular osteotomy surgery等方面进行了初步的探索[14-15]。然而，应用上述技术，针对更为广泛手术类型、可更大限度挖掘术前影像数据价值的手术路径引导和手术边界提示的研究未见报道。