本发明涉及骨科手术导航，具体说是一种辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航方法。
背景技术：
内固定技术是骨科的核心技术。具体到骨科的多个亚专科，无论脊柱外科、关节外科还是创伤外科，大部分手术的核心内容都是在保护好神经、肌肉和血管等重要组织的前提下，准确无误地将内固定材料植入骨骼中，以重建或恢复骨骼、关节的解剖结构。然而，因内固定失败导致近期或远期并发症的不良事件层出不穷，骨科手术导航系统应运而生。
例如，脊柱外科内固定最常用的是椎弓根螺钉系统。目前，脊柱手术导航系统最成熟的是美敦力公司的o-arm术中ct及其配置的导航系统，其工作原理是：通过术中三维ct扫描获取脊柱椎体骨三维影像；定义已安装三维定位器的手术器械与脊椎骨的三维坐标，并实时获取二者相对位置关系的变化；实时监测下植入椎弓根螺钉。然而，其缺点是：设备及软件费用高达千万元，操作过程复杂繁琐，术中三维ct扫描对患者和手术医生造成附加的放射性伤害。开发新型术中导航系统有其巨大的实用价值。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种精准度高、无放射损害、操作简单和便于携带的辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航方法，其包括以下步骤：
（1）手术前，使用断层扫描设备获取骨科病人手术部位骨骼整体三维形貌，根据骨骼整体三维形貌预先规划手术器械的操作路径；
（2）手术准备过程中，在手术器械上安装视觉扫描三维重建设备；
（3）手术过程中，手术器械上的视觉扫描三维重建设备实时重建已暴露的手术部位的局部三维形貌，并将该局部三维形貌与所述骨骼整体三维形貌进行匹配，确定手术器械与操作路径之间的位置关系；
（4）根据上述位置关系引导手术器械沿预先规划的操作路径进行手术操作。
作为优选，利用上述骨骼整体三维形貌的数据可获取手术部位的骨骼、神经及血管的相对位置关系，根据该相对位置关系确定手术器械的所述操作路径。
作为优选，所述操作路径包括手术器械的作用点、作用方向及作用深度。
作为优选，所述视觉扫描三维重建设备安装在手术器械上的位置和方向保持固定。
作为优选，以虚拟透视的方式实时显示手术器械与操作路径之间的位置关系。
本发明还提供一种辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航系统，包括手术器械，还包括视觉扫描三维重建设备、导航定位数据处理计算机、ar显示器，其中：
视觉扫描三维重建设备，用于在手术时实施扫描重建已暴露的手术部位的局部三维形貌；
导航定位数据处理计算机，用于将上述局部三维形貌与术前或得的骨骼整体三维形貌进行匹配，得到手术器械与操作路径之间的位置关系；
ar显示器，用于实时动态显示手术器械与操作路径之间位置关系的透视效果影像。
作为优选，所述视觉扫描三维重建设备上配置有联接件，手术器械上设有安装接口，所述视觉扫描三维重建设备通过联接件固定在所述安装接口上。
作为优选，所述视觉扫描三维重建设备基于结构光三维重建或者双目立体视觉密集特征点重建原理。
作为优选，所述导航定位数据处理计算机通过有线或无线方式与所述视觉扫描三维重建设备通信。
作为优选，所述ar显示器对导航定位处理计算机得到的位置关系进行增强现实显示。
从以上技术方案可知，本发明在手术过程中采用视觉扫描三维重建设备、导航定位数据处理计算机、ar显示器等，提供了一种简单、准确、无放射损害的骨科术中导航方法及系统，该导航方法和系统能够显著提高骨科内固定置入准确性，缩短导航匹配时间，避免术中放射伤害，从而全面提高骨科内固定技术精度和成功率。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1详细介绍本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
一种辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航方法，其包括以下步骤：
（1）手术前，使用断层扫描设备，如ct、磁共振等获取骨科病人手术部位的骨骼整体三维形貌，得到手术部位的骨骼、骨髓及血管等的相对位置关系，根据该相对位置关系预先规划手术器械的作用点、作用方向以及作用深度等最佳手术操作路径方案。
（2）手术准备过程中，在手术器械上安装视觉扫描三维重建设备；在实施过程中使用联接件，用于在手术器械如钻孔器械上安装小型非放射线型视觉扫描三维重建设备，联接件可以适应手术过程中多种手术器械。在手术器械上预先准备好固定安装接口，联接件安装在该接口时，其位置与方向是固定的，没有二义性。这样就保证了三维重建设备与手术器械的相对位置、方向关系固定，而且该关系在联接件确定后，就可以采用标定方法获取，例如机器视觉中的手眼定标方法，具体以椎弓根螺钉的植入为例：将通过联接件安装了三维重建设备的椎弓根手术器械固定在一个运动平台上，平台运动3次以上，其运动量由平台自身提供；同时在每次运动完成后，三维重建设备对其视场中预先布置的6个以上控制点成像，由此可以解算在此运动状态下成像设备和控制点坐标系的关系，这样就会构成对三维重建设备和手术器械安装关系的定解条件，从而获得三维重建设备与手术器械的相对位置、方向关系。
（3）手术过程中，手术器械上的视觉扫描三维重建设备实时重建已暴露的手术部位的局部三维形貌，并将该局部三维形貌与前述骨骼整体三维形貌进行匹配，确定手术器械与预先规划的操作路径之间的位置关系；由于三维重建设备在手术器械上的安装位置和方向是固定的，而且已知，因此该三维重建设备与手术器械的相对位置和方向关系固定，而且已知，这就意味着，利用三维重建设备可得到其与手术部位的位置、方向关系，就能准确推算到手术器械与手术部位的位置、方向关系，从而可以确定手术器械与操作路径之间的位置关系。
（4）根据上述位置关系引导手术器械沿预先规划操作路径进行手术操作；手术过程中，手术器械在接近骨骼表面，或者深入骨骼内部等情况下，利用手术器械上的三维重建设备对骨骼的暴露部分进行重建测量，即可确定手术器械与手术部位的相对关系，以虚拟透视方式实时显示手术器械与手术部位的相对位置、方向，同时显示术前手术方案确定的手术器械的作用点、作用方向以及作用深度，直观引导手术器械的调整和操作，实现辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航。
本发明还提供一种辅助骨科手术的非放射线透视视觉导航系统，包括视觉扫描三维重建设备2和手术器械1，导航定位数据处理计算机3、ar显示器4，其中：
视觉扫描三维重建设备，用于在手术时实时重建已暴露的手术部位的局部三维形貌；视觉扫描三维重建设备，是一种集成化、体积小、重量轻，利用视觉传感器实现对手术部位的暴露部分进行扫描并三维重建的设备，安装在手术器械上，不会干扰其正常操作。视觉扫描三维重建设备基于结构光三维重建或者双目立体视觉密集特征点重建原理。
导航定位数据处理计算机，用于将上述局部三维形貌与所述骨骼整体三维形貌进行匹配，得到手术器械与操作路径之间的位置关系；导航定位数据处理计算机读取手术前三维扫描数据获得骨骼整体三维形貌，用于实时导航。导航定位处理计算机通过有线或无线通信介质，读取视觉扫描三维重建设备对暴露部位的实时三维重建数据，通过与术前骨骼整体三维形貌数据的匹配，实现手术器械的定位和整体数据的感知。
ar显示器，用于显示手术器械与操作路径之间位置关系的透视效果图；ar显示器对导航定位数据处理计算机得到的手术器械的定位和骨骼全貌整体数据进行增强现实显示。
手术过程中，利用重建测量确定手术器械与手术部位的相对位置、坐标方位关系。手术中，固定在手术器械上的三维形貌重建设备快速扫描已暴露的部分骨骼表面，得到骨骼局部的三维形貌，将骨骼局部三维形貌与术前骨骼整体三维形貌进行匹配叠加，即可实现手术部位的透视效果；同时，三维形貌重建设备相对手术部位的位置和方向也在重建过程中被确定，由于三维形貌重建设备与手术器械的精确相对位置和方向关系固定且已知，因此手术器械相对手术部位的位置和方向也随之被确定，其进入手术部位的位置和方向也可以确定。在实施过程中，将手术部位的透视观察效果和手术器械在其中的位置方向以虚拟现实方式显示，实现手术过程的实时虚拟透视导航。为了更准确、方便地开展手术，还可以在手术区域的透视图上显示预先规划最佳操作路径，手术过程中将内固定器械沿着预先规划的路径打入，即可获得最佳置入效果。
本发明的三维重建设备基本功能是确定其视场中的大量三维点的空间坐标，从而形成关于目标的三维点云或深度图像，描述目标的三维形貌。双目立体视觉密集特征点重建原理是在两个相机关于目标的图像中，首先分别提取大量特征点，形成密集特征点库，进一步，对这两个图像中的特征点分别进行同名点匹配，最后交会形成这些特征点的空间坐标集合，用来表达目标三维形貌。结构光三维重建可以理解为将双目立体视觉系统中的一个相机用结构光投射器替代，可以在一定程度上简化特征提取和匹配，其重建过程类似双目立体视觉。
上述实施方式仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴。