一种基于三维扫描的头部手术导航方法与流程

本发明涉及医学领域，尤其涉及公开了一种基于三维扫描的头部手术导航方法。

背景技术：

计算机辅助手术(cas)是一种新兴技术，它利用计算机高速信息处理能力，综合先进的成像设备(ct、mri等)和空间定位方法，为外科医生提供导航支持，使手术过程更安全精确，手术效果更好，康复过程更短。cas的基本原理是利用外部跟踪设备，实时测量手术器械相对于操作对象的位置，然后将位置信息显示在医学图像或图谱上，使得外科医生能够清楚地看到手术器械的当前位置，便于判断和决策手术操作。

ct导航是发展最早、也是技术最成熟的一类手术导航方法，其典型过程是在手术之前获得术区的ct扫描图像，在术中建立患者实际解剖结构与术前ct图像之间的联系，为医生进行规划和操作提供丰富的二维和三维导航信息。ct导航的核心问题是如何在ct图像与实际物体之间建立坐标变换，这一过程称为配准。

现有的ct导航系统中，配准方法分为两类。其一是利用ct下显影的标志点；其二是利用人体组织特征区域的点云。第一类方法需要手术前进行较多准备工作，第二类方法在手术中操作较为复杂。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种基于三维扫描的头部手术导航方法，该方法是一种无创高精度定位导航方法，利用三维扫描设备，通过非接触式方法获得头部皮肤表面点云用于ct配准，并采用三维扫描设备构建的空间模型关系对立体视觉构建的空间模型关系进行纠正。

为实现上述目的，本发明提供的基于三维扫描的头部手术导航方法，包括以下步骤：

s1.对患者头部进行术前ct扫描；

s2.患者手术体位摆放完成后，在其头部附近固定安装一个或多个校正参考架，在患者头部安装基准参考架，安装立体视觉设备，在手术器械中安装目标参考架；

s3.采用三维扫描设备获取患者头部、基准参考架、所有校正参考架的三维模型，在三维模型中拟合基准参考架及所有校正参考架的特征点，构建患者头部、所有校正参考架与基准参考架在三维模型坐标系下的空间关系，并将模型关系矩阵输入到导航软件中；

s4.采用立体视觉设备获取基准参考架、所有校正参考架的空间坐标，建立所有校正参考架与基准参考架在视觉坐标系下的空间关系；

s5.通过误差纠正模型校正视觉空间误差，构建立体视觉下的导航空间；

s6.将患者头部ct模型与三维扫描设备构建的头部模型进行点云配准，将患者头部ct模型与基准参考架的空间关系统一到视觉空间坐标系下；

s7.立体视觉设备实时获取目标参考架、基准参考架的空间坐标，在导航软件中实时显示器械在ct空间的位置。

根据本发明，所述的校正参考架可以在完成步骤4后移去。

根据本发明，所述的基准参考架与患者头部保持相对固定的位置关系并且位于不影响手术操作的位置。

根据本发明，所述的基准参考架、校正参考架、目标参考架具有三维特征，包括但不限于角点、球面、锥形，均有可以被立体视觉识别的标志。

根据本发明，所述的三维扫描设备可以对物体的空间外形进行扫描，获取物体表面的空间坐标。

根据本发明，所述的立体视觉设备是基于视差原理来获取物体三维几何信息。

根据本发明，所述的步骤2中，基准参考架、校正参考架要在立体视觉设备的空间范围内。

根据本发明，所述的步骤6以ct数据中的皮肤与三维扫描的皮肤作为配准标志。

根据本发明，所述的步骤5采用的误差纠正模型如下：

记基准参考架的坐标矩阵为mo，校正参考架的坐标矩阵为ml，...，mn，以及相应的标记球球心在各自参考架中的坐标为那么在基准参考架空间中，所有标记球的坐标为

在三维模型中，每个标记球由分布在球面上的点云{qi＝(ai，bi，ci)}(i＝1，..，n)构成

模型空间{qi}到基准空间{pi}的转换矩阵t

使用平移、旋转分量表示m为六参数组(tx，ty，tz，rx，ry，rz)，即

其中，

转换矩阵m是使两组点之间的总体误差最小的转换矩阵m，即σ²＝∑||pi-mqi||²最小。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于三维扫描的头部手术导航方法，不需要术前在患者身上添加标记，方便术前ct扫描，避免由于术前与术中的标记偏移造成的导航偏差，同时空间校正方法可以提高手术导航的精度。

附图说明

图1是一种基于三维扫描的头部手术导航方法的系统结构示意图

201-基准参考架，202-校正参考架，203-光学点位系统，204-三维扫描设备

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行描述。

参照图1，本发明的基于三维扫描的头部手术导航方法的一个实施例，包括以下步骤：

s1.对患者头部进行术前ct扫描；

s2.患者手术体位摆放完成后，在其头部附近固定安装一个或多个校正参考架202，在患者头部安装基准参考架201，安装立体视觉设备203，在手术器械中安装目标参考架205；

s3.采用三维扫描设备204获取患者头部、基准参考架、所有校正参考架的三维模型，在三维模型中拟合基准参考架及所有校正参考架的特征点，构建患者头部、所有校正参考架202与基准参考架201在三维模型坐标系下的空间关系，并将模型关系矩阵输入到导航软件中；

s4.采用立体视觉设备203获取基准参考架201、所有校正参考架202的空间坐标，建立所有校正参考架202与基准参考架201在视觉坐标系下的空间关系；

s5.通过误差纠正模型校正视觉空间误差，构建立体视觉下的导航空间；

s6.将患者头部ct模型与三维扫描设备204构建的头部模型进行点云配准，将患者头部ct模型与基准参考架的空间关系统一到视觉空间坐标系下；

s7.立体视觉设备203实时获取目标参考架、基准参考架的空间坐标，在导航软件中实时显示器械在ct空间的位置。

所述的基准参考架201是整个手术导航的参考基准，应该始终与患者头部保持相对固定的位置关系并且位于不影响手术操作的位置。基准参考架201可能的安装位置包括：手术床、头架。

所述的校正参考架202应尽可能靠近手术区域。一种较佳实施例为，使用绑带将参考架捆绑于额头或颞侧；另一种较佳实施例为，使用医用胶带将参考架粘贴于皮肤表面。校正参考架202安装位置的选取需满足：不应使特征明显的皮肤区域发生形变，如鼻、唇、耳。

所述的立体视觉设备是基于视差原理来获取物体三维几何信息，可以采用ndipolaris、或其他光学设备。

步骤6所述以ct数据中的皮肤与三维扫描的皮肤作为配准标志，配准算法可以是迭代最近点(icp)算法。

所述的三维扫描设备可以对物体的空间外形进行扫描，获取物体表面的空间坐标，包括但不限于结构光扫描仪、三维激光扫描仪。

所述的基准参考架与患者头部保持相对固定的位置关系并且位于不影响手术操作的位置，如手术床、头架等。

校正参考架202应尽可能靠近手术区域。一种较佳实施例为，使用绑带将参考架捆绑于额头或颞侧；另一种较佳实施例为，使用医用胶带将参考架粘贴于皮肤表面。校正参考架202安装位置的选取需满足：不应使特征明显的皮肤区域发生形变，如鼻、唇、耳。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。