一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统

摘要

本发明提出一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，包括结构光扫描仪、动态基准及手术器械、装有手术导航软件及患骨CT三维模型的计算机。术中动态基准固定于患骨处，使用结构光扫描仪对患骨扫描得到结构光三维影像并与患骨CT三维模型进行面配准；利用结构光扫描仪上的摄像机跟踪手术器械，得到手术器械相对动态基准及患骨CT三维模型之间的位置关系，并在装有手术导航软件的计算机上实时显示，实现手术导航。与同类系统相比，本发明提出的手术导航系统不需红外导航定位仪参与术中跟踪，提高了导航定位精度，简化了手术导航过程，方便医生使用,降低整个系统的复杂度和成本，降低对手术室空间占用。

主权项

一种基于结构光扫描的椎弓根内固定手术导航系统，该系统包括结构光扫描仪(1)、动态基准(2)和手术器械(3)，以及含有手术导航软件和术前CT扫描的患骨CT三维模型的计算机(4)；所述的结构光扫描仪包括两台左右对称安装的摄像机和一个居中安装的投影光栅(8)，两台摄像机和投影光栅分别通过数据线与所述计算机相连；所述的动态基准固定于患骨处，结构光扫描仪采集患骨处的结构光三维影像,其特征在于：在动态基准上装有至少3个不共线的可见光标识，被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；在所述的手术器械上同样装有至少3个不共线的可见光标识，开始手术导航后被结构光扫描仪上的摄像机捕获，确定手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标；手术导航开始前与开始后，所述动态基准、手术器械在结构光图像坐标系下的齐次坐标满足如下关系：$V_S^{T0}=V_S^{D0}+V_S^{T1}-V_S^{D1}$其中：为手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的初始齐次坐标，为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，为开始手术导航后动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系下的齐次坐标，结构光扫描仪采集到的患骨处的结构光三维影像与所述患骨CT三维模型进行面配准，得到从结构光图像坐标系到CT图像坐标系的坐标转换矩阵，记为满足如下关系：$V_C=T_C^S·V_S$其中：V_C为动态基准上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标，V_S为动态基准上的可见光标识在结构光图像坐标系中的齐次坐标，开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系的位置为：$V_C^{T1}=T_C^S·V_S^{T0}=T_C^S·(V_S^{D0}+V_S^{T1}-V_S^{D1})$其中：为开始手术导航后手术器械上的可见光标识在CT图像坐标系中的齐次坐标。