一种新型骨科导航系统及方法、信息数据处理终端与流程

本发明属于骨科手术导航技术领域，尤其涉及一种新型骨科导航系统及方法、信息数据处理终端。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

随着科学的进步，经济的发展，使得现在的医疗水平逐渐提升，人们对于手术的安全性和可靠性的要求日渐增加，越来越多的患处手术已经向微创手术方向发展，微创手术可以有效缓解患者的疼痛感，且手术准确度较高；骨科主要研究骨骼肌肉系统的解剖、生理与病理，运用药物、手术及物理方法保持和发展这一系统的正常形态与功能。例如，骨关节结核、骨髓炎、小儿麻痹症等疾病明显减少，交通事故引起的创伤明显增多。现代的骨科手术开始采用计算机辅助，提高了骨科手术的现代化进程，近年来骨科导航系统逐渐走进大众视野，骨科导航系统可以有效完成在骨科手术中避开错杂纷乱的血管、神经，从而提高手术的安全性。但是现有技术的手术指引性差，起到的作用不强，不利于手术的准确进行。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前市场上的骨科手术导航系统几乎被国外公司垄断，且这些手术导航设备价格高昂，集中在大型三甲医院，限制了手术导航技术的推广应用。所以非常有必要研发出一套价廉实用的骨科手术导航设备供各级医院，特别是基层医院使

解决上述技术问题的难度和意义：

价廉：无需再购买大型医疗设备，只需利用医院现有的设备资源，再通过开发出的新型骨科手术导航系统，即可实现骨科手术导航。

实用：可弥补现有导航设备不能在穿刺活检及微创手术时导航的缺陷，拓展了导航设备的使用范围，适合各级医院，特别是基层医院使用，此系统将有效地提高基层医院的医疗水平。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型骨科导航系统。

本发明是这样实现的，一种新型骨科导航系统，包括有信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、显示终端模块；

信息采集模块，与信息处理模块连接，用于通过光学设备获取图像信息；利用gps完成位置的追踪，获取位置信息，完成信息的采集；

信息处理模块，与信息采集模块连接，用于对采集信息通过术前建模与规则进行信息的对比与分析，获得匹配数据；

信息传输模块，用于传输患者信息同步至信息处理模块及将传输匹配数据同步至信息终端模块；

显示终端模块，与信息传输模块连接，采用头戴式ar设备显示所获得的匹配数据，增强显示手术的指引工作。

进一步，信息采集模块包括有图像采集单元、位置追踪单元。

进一步，信息处理模块包括有术前建模与规则单元、信息对比单元、信息分析单元。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述新型骨科导航系统的新型骨科导航方法，所述新型骨科导航方法包括：首先扫描患者手术部位的薄层ct，并进行3d重建，再将三维ct医学影像数据投射成数字重建影像，然后再将二维的数字重建影像和二维的c型臂x线机图像进行基于灰度方法的医学图像配准，并不断校正优化，改进算法，最终实现基于2d-3d图像配准技术的骨科术中导航。使用c型臂x线影像和三维图像表面预定义点的灰度梯度，重点研究ct体数据的刚性变换，通过幅度和方向信息实现表面法线和逆投影梯度之间的最佳匹配。

进一步，所述步骤二中图像不断校正优化，改进算法为：

迭代地求解从3d图像计算的2d投影即数字重建的射线照片drr，以产生与术中2d图像的最大相似性。

进一步，所述步骤三中刚性变换过程，具体包括：

首先基于水的ct值将ct影像从hounsfield单位(hu)转换为线性衰减系数μ，单位mm^-1，同时将术中x射线投影或射线或荧光透视进行对数标准化的。然后根据梯度信息gi度量来定义术中x射线照片即pf，固定图像和drr即pm，运动图像之间的相似性：

这里i,j是图像域像素的坐标，且梯度函数g的定义是：

权重函数w的定义是：

当获取多个投影图像(ddr，至少是二个以上)时，可以获得相似度的总和：

因此需要最优化求解六个空间变换值(tx,ty,tz,rx,ry,rz)以的到最大化的相似度总和gisum：

这里的3d到2d的注册就是通过迭代寻找最优解的平移(tx,ty,tz)和旋转(rx,ry,rz)；

总体来说这就是一个迭代寻找最优解的过程，所求解的即平移(tx,ty,tz)和旋转(rx,ry,rz)就是刚性变换。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明充分利用医院现有的ct/mri及c型臂x线机等设备，基于2d/3d图像配准技术，设计简便的软硬件设施，完成信息采集和处理，实现新型骨科手术导航系统。该系统可以有效减少患者和医护人员的辐射暴露，提供手术精度，缩短手术时间。此系统可弥补现有导航设备不能在穿刺活检及微创手术时导航的缺陷，拓展了导航设备的使用范围，适合各级医院，尤其是在基层医院的推广，此系统还可以和远程医疗相结合，可有效地提高基层医院的医疗水平。

以下表格是对比

1秒c-arm曝光剂量约为0.05msv(毫西弗)，一次简单手术大约需要曝光45秒。传统简单手术操作时间约为1-2小时。

附图说明

图1是本发明实施例提供的新型骨科导航系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的新型骨科导航系统的工作原理示意图。

图3是本发明实施例提供的新型骨科导航方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的新型骨科导航系统，包括有信息采集模块1、信息处理模块2、信息传输模块3、显示终端模块4；

信息采集模块1，与信息处理模块2连接，用于通过光学设备获取图像信息；利用gps完成位置的追踪，获取位置信息，完成信息的采集；

信息处理模块2，与信息采集模块1连接，用于对采集信息通过术前建模与规则进行信息的对比与分析，获得匹配数据；

信息传输模块3，用于传输患者信息同步至信息处理模块及将传输匹配数据同步至信息终端模块；

显示终端模块4，与信息传输模块3连接，采用头戴式ar设备显示所获得的匹配数据，增强显示手术的指引工作。

本发明实施例提供的信息采集模块包括有图像采集单元、位置追踪单元。

本发明实施例提供的信息处理模块包括有术前建模与规则单元、信息对比单元、信息分析单元。

如图2所示，本发明实施例提供的新型骨科导航系统的工作原理示意图；

信息采集模块1与信息处理模块2连接，通过光学设备获取图像信息；利用gps完成位置的追踪，获取位置信息，完成信息的采集；通过信息传输模块3将患者信息同步传输给信息处理模块2；信息处理模块2将采集信息通过术前建模与规则进行信息的对比与分析，获得匹配数据；信息传输模块3将传输匹配数据同步至信息终端显示模块4；医生通过头戴式ar设备，获得匹配数据，进而显现增强显示手术的指引工作。

如图3所示，本发明实施例提供的新型骨科导航方法包括：

s101：首先，扫描患者手术部位的薄层ct，并进行3d重建，再将三维ct医学影像数据投射成数字重建影像；

s102：然后，再将二维的数字重建影像和二维的c型臂x线机图像进行基于灰度方法的医学图像配准，并不断校正优化，改进算法，最终实现基于2d-3d图像配准技术的骨科术中导航；

s103：使用c型臂x线影像和三维图像表面预定义点的灰度梯度，重点研究ct体数据的刚性变换，通过幅度和方向信息实现表面法线和逆投影梯度之间的最佳匹配。

所述步骤二中图像不断校正优化，改进算法为：

迭代地求解从3d图像计算的2d投影即数字重建的射线照片drr，以产生与术中2d图像的最大相似性。

所述步骤三中刚性变换过程，具体包括：

首先基于水的ct值将ct影像从hounsfield单位(hu)转换为线性衰减系数μ，单位mm^-1，同时将术中x射线投影或射线或荧光透视进行对数标准化的。然后根据梯度信息gi度量来定义术中x射线照片即pf，固定图像和drr即pm，运动图像之间的相似性：

这里i,j是图像域像素的坐标，且梯度函数g的定义是：

权重函数w的定义是：

当获取多个投影图像(ddr，至少是二个以上)时，可以获得相似度的总和：

因此需要最优化求解六个空间变换值(tx,ty,tz,rx,ry,rz)以的到最大化的相似度总和gisum：

这里的3d到2d的注册就是通过迭代寻找最优解的平移(tx,ty,tz)和旋转(rx,ry,rz)；

总体来说这就是一个迭代寻找最优解的过程，所求解的即平移(tx,ty,tz)和旋转(rx,ry,rz)就是刚性变换。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。