[发明专利]手术导航系统及执行手术导航方法的计算机与存储介质

说明书

本申请手术导航系统包括手术器械上的空间定位标记元件、骨骼结构上的示踪器、双目摄像机和计算机，示踪器设有导航示踪面，空间定位标记元件包括导航面，双目摄像机连接计算机，将采集到的示踪器和空间定位标记元件的信息传输至计算机。本申请计算机以及计算机可读存储介质，分别存储有计算机程序，执行手术导航方法：生成骨骼和手术器械三维模型，获得示踪器配准信息和空间定位标记元件标定信息；接收双目摄像机采集到的示踪器和空间定位标记元件的实时信息；计算得到骨骼、手术器械的空间位置信息，与三维模型实时融合得到两者实时位置关系动态图像。本申请实现手术导航并无需术中配准，简化手术过程，提高了手术精准度。

【技术领域】

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种可用于骨科手术术中的骨科手术导航系统，尤其涉及一种采用3D打印示踪器以及光学定位技术相结合的骨科手术导航系统及执行导航方法的计算机与存储介质。

【背景技术】

随着现代医学和计算机技术的不断发展，医学成像技术、计算机图像处理技术正逐步应用于医学领域，计算机辅助手术技术已经成为外科手术中一个主要的发展方向，该技术延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，重新定义了外科手术和手术器械的概念。对于提高手术定位精度、减少手术损伤、减少手术时间和提高手术成功率等具有十分重要的意义。

外科手术导航系统，即采用了计算机辅助技术的手术系统，如今已经应用于脊柱、骨盆和胸椎外科、关节外科、创伤外科、骨肿瘤和矫形外科，通过数字化医学影像构造虚拟手术环境，为外科医生提供可视化的支持，使外科手术更准确、更微创、更安全。这项技术实时跟踪手术部位和手术器械，犹如为飞机和舰船导航一样，所以称为导航系统。

目前的手术导航系统普遍采用如下原理：外科医生手持经过改进的具有可跟踪标记的手术器械，对患者的手术目标部位实施手术。手术器械的立体空间定位和瞄准操作过程均在连接计算机的跟踪器监视之下，同时跟踪器要通过配准精确给出患者解剖位置与术前或术中多模图像的相对关系，从而引导医生操作手术器械，实施相应的手术操作。

手术过程一般遵循如下过程：获得术前患者影像，如CT/X光，并导入计算机系统，进行必要的处理，如消噪、3D重建；术前规划，医生根据患者的情况制定手术规划，如置钉位置、置钉角度和深度；术中配准，通过术中影像和定位跟踪器与术前影像进行空间匹配(配准)，获得手术器械和患者解剖结构间的空间位置关系，并在监控计算机中建立仿真模型，实时显示手术器械的位置；实施手术，跟踪手术器械和手术部位，根据术前规划引导手术。

骨科手术导航系统多采用电磁定位、超声波定位或光学定位法，也有采用陀螺仪复合定位法。如中国专利申请号201810430822.1中公开的一种手术导航系统，包括安装在手术器械上的角度方位定位装置、两个以上的激光投影板、两个以上的激光投影点采集器、计算机；该装置中的角度方位定位装置可以测得当前手术器械的角度，激光投影点采集器可以采集到激光束在激光投影板上的位置变化，进而判断手术器械在垂直方向上的位移情况，获得手术器械的进入深度。但是该技术方案需要对手术器械进行大幅改造，定位设备也十分复杂，安装在手术器械上的角度方位定位装置包括陀螺仪、两个以上的激光器等部件，无论设备本身还是工作原理都相当复杂，并且配准难度高。

其中，配准技术是导航系统的关键技术，其目的是把患者术前医学影像、以及通过术中定位示踪器得到的患者解剖结构位置信息、手术器械的位置信息集成到同一个空间坐标系中，其中都要用到固定在患者身上的导航示踪器，如中国专利申请号201710970763.2，“一种用于骨科手术的示踪器及其连接结构”，包括顶部成型用于固定示踪器的槽体，连接件和用于固定在患者的骨性结构上的固定件。目前采用的示踪器都为预先设计好的结构，一方面需要固定在手术部位骨结构附近，需要额外的位置，扩大了开放面，增加了患者痛苦和手术难度，另一方面不能很好的配合不同的骨结构，固定难度大，可能造成导航精度下降和术中的二次损伤。使用这种技术，在术中需要进行透视影像配准，增加了手术时间，医护人员和患者还要在手术中受到更多的辐射，透视过程需要用到C型臂X光机，占用的手术空间大，不利于小型医院的推广使用。