一种2D图像手术定位导航系统及方法与流程

一种2d图像手术定位导航系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种2d图像手术定位导航系统及方法，属于医学影像数据处理技术领域。


背景技术：

2.在骨科手术中，医生经常需要在骨性通道内置钉，但是肉眼无法直视骨骼内部，并且手术只能对部分骨质进行暴露，因此会造成置钉位置的偏差，严重者会损伤骨骼附近的神经和血管，造成难以估量的后果。目前的3d导航系统有助于医生对置钉位置的把握，但是骨骼3d图形的构建意味着患者需要承受数百次的x线透视计量，这会对年轻患者造成无法估计的损伤；另外，现有的3d导航设备需要使用光学定位系统，这增加了导航的系统误差。例如申请公布号为cn112043382a的专利申请文件，该文件公开了一种外科手术导航系统及其使用方法，其中的导航系统包括医学图像扫描装置、光学跟踪系统、计算机处理装置及控制软件、机器人定位导航系统、示踪器及配套标尺工具，其中医学图像扫描装置用于获取手术部位的三维扫描图像，计算机处理装置用于计算三维扫描图像和实时空间数据。上述方案为获取三维扫描图像需要大剂量的x线透视，对人体损伤比较大，且还需借助于光学跟踪系统进行定位，增加了系统误差。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种2d图像手术定位导航系统及方法，以解决目前采用3d导航系统进行手术定位时存在的定位精度低、对人体损伤大的问题。
4.本发明为解决上述技术问题而提供一种2d图像手术定位导航系统，该导航系统包括x线标定装置、医学影像拍摄装置、混合现实眼镜和处理器；所述x线标定装置用于固定在待定位的骨骼上，可以对x线进行显影；所述医学影像拍摄装置用于拍摄两张不同角度的包含有x线标定装置在内的待定位骨骼的x影像，并将拍摄到的影像发送给处理器，其中一张为骨骼的正位x影像，一张为骨骼的侧位x影像；所述处理器用于根据接收到的正、侧位x影像确定虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度；所述虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度都是以x线标定装置为坐标基准；
5.处理器将确定出的虚拟进针通道相对于x线标定装置的位置、方向和深度发送给混合现实眼镜，所述混合现实眼镜上设置有摄像装置，并且所述混合现实眼镜中设置有所述x线标定装置的三维结构模型，混合现实眼镜将显示出的三维结构模型与固定在待定位骨骼上的x线标定装置进行对准，在两者完全对齐后将接收到的虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度在混合现实眼镜上进行显示。
6.本发明借助于x线标定装置，利用x线标定装置的显影功能和与骨骼位置关系固定的原理，通过两张不同角度的包含有x线标定装置的骨骼x影像实现对虚拟进针通道位置的规划。因此，本发明不需要通过数百次的x线透视或高放射剂量的ct来构建骨骼的3d影像，只需要2次透视就能够实现精确导航，大大减少了放射剂量，避免了过多x线投射对人体的
伤害，具有广阔的应用前景。为了方便医生看到虚拟进针通道的位置，所述的导航系统还包括混合现实眼镜，在混合现实眼镜中将虚拟的x线标定装置的模型与实际的x线标定装置的图像进行对准，在对准后将虚拟进针通道相对于x线标定装置的位置和方向显示出来，使得医生能够准确、直观的看到规划好的通道。
7.进一步地，为了更好地实现x线标定装置的标定作用，所述的x线标定装置包括间距、大小和相对空间位置固定的x线显影线，其空间排列的上下、前后、左右均为非对称性结构，仅通过正、侧位两张x线图像就能判断出其真实空间姿态。
8.进一步地，所述的x线显影线由非x线显影材料连接。
9.本发明通过将x线标定装置设计成上下、前后、左右均为非对称性结构，使得医生通过正、侧位两张x线图像，就能够对其空间姿态进行准确判断，为进针通道规划提供准确的依据。
10.进一步地，所述的医学影像拍摄装置为g臂机或c臂机。
11.本发明还提供了一种2d图像手术定位导航方法，该方法包括以下步骤：
12.1)在待定位骨骼上固定x线标定装置，该x线标定装置用于对x线进行显影；
13.2)拍摄两张不同角度的包含有x线标定装置在内的待定位骨骼的x影像，一张为骨骼的正位x影像，一张为骨骼的侧位x影像；
14.3)根据拍摄的正、侧位x影像，在处理器上规划虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度，规划好的虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度都是以相对于x线标定装置为坐标基准；
15.4)将规划出的虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度发送给混合现实眼镜，所述混合现实眼镜上设置有摄像装置，并且所述混合现实眼镜中设置有所述x线标定装置的三维结构模型，混合现实眼镜将显示出的三维结构模型与拍摄的固定在待定位骨骼上的x线标定装置进行对准，在两者完全对齐后将接收到的虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度在混合现实眼镜上进行显示。
16.本发明借助于x线标定装置，利用x线标定装置的显影功能和与骨骼位置关系固定的原理，通过两张不同角度的包含有x线标定装置的骨骼x影像实现对虚拟进针通道位置的规划。因此，本发明不需要通过数百次的x线透视或高放射剂量的ct来构建骨骼的3d影像，只需要2次透视就能够实现精确导航，大大减少了放射剂量，避免了过多x线透射对人体的伤害，具有广阔的应用前景。为了方便医生看到虚拟进针通道的位置，将确定出的虚拟进针通道相对于x线标定装置的空间位置和方向发送给混合现实眼镜，在混合现实眼镜中将虚拟的x线标定装置的图像和拍摄到实际的x线标定装置的图像进行对准，并在对准后将虚拟进针通道相对于x线标定装置的位置和方向显示出来，使得医生能够准确、直观的看到规划好的虚拟进针通道。
17.进一步地，为了更好地实现x线标定装置的标定作用，所述的x线标定装置包括间距、大小和相对空间位置固定的x线显影线，其空间排列为上下、前后、左右均为非对称性结构，满足仅通过正侧位两张x线图像就能判断出其真实空间姿态。
18.进一步地，所述的x线显影线由非x线显影材料连接。
19.本发明通过将x线标定装置设计成上下、前后、左右均为非对称性结构，使得医生通过正、侧位两张x线图像，就能够对其空间姿态进行准确判断，为进针通道规划提供准确
的依据。
20.进一步地，所述步骤2)采用医学影像拍摄装置进行x影像拍摄，医学影像拍摄装置为g臂机或c臂机。
附图说明
21.图1是本发明2d图像手术定位导航系统的结构框图；
22.图2是本发明2d图像手术定位导航方法的流程图；
23.图3-a是本发明实施例中所采用的x线标定装置的结构示意图
24.图3-b是本发明实施例中所采用的x线标定装置的内部第一视角示意图；
25.图3-c是本发明实施例中所采用的x线标定装置的内部第二视角示意图；
26.图3-d是本发明实施例中所采用的x线标定装置的内部第三视角示意图；
27.图4-a是本发明实施例中的正位x影像以及规划出的虚拟进针通道示意图；
28.图4-b是本发明实施例中的侧位x影像以及规划出的虚拟进针通道示意图；
29.图5是本发明实施例中mr眼镜中显示的虚拟进针通道位置关系示意图；
30.其中1为x线标定装置，2为医学影像拍摄装置，3为mr眼镜,4为术区表面结构(例如人体皮肤或切口表面)，5为规划出的虚拟进针通道，6为mr眼镜拍摄到的x线标定装置的影像。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
32.系统实施例
33.本发明的2d图像手术定位导航系统包括x线标定装置1、医学影像拍摄装置2、混合现实眼镜(mr眼镜3)和处理器，处理器连接x线拍摄装置和mr眼镜，x线标定装置用于固定在待定位的骨骼上，能够对x线进行显影；医学影像拍摄装置2为x线拍摄装置，用于拍摄两张不同角度的包含有x线标定装置在内的待定位骨骼的x影像；处理器用于根据拍摄的正、侧位x影像规划虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度；虚拟进针通道的进针位置、方向和进针深度都是以x线标定装置为坐标基准的。
34.具体结构如图1所示，其中x线标定装置由大小尺寸固定的显影线构成，各显影线之间的间距、相对位置关系固定；由于x射线不能穿过铅，因此，本发明中的显影线采用铅制，这样x线拍摄装置就可以对其中铅制线进行显影。其中，x线显影线之间由非x线显影材料连接，非x线显影材料可采用塑料等物质，为了通过正、侧位x线图像判断x线标定装置的空间姿态，x线标定装置中的显影线采用空间排列为上下、前后、左右均为非对称性的结构，满足仅通过正侧位两张x线图像就能判断出其真实空间姿态。例如可采用多个“t”字型和“l”型的混合结构，如图3-a所示，为了更好地展示其中的内部结构，本实施例从各视角对内部进行了展示，如图3-b、图3-c和图3-d所示，其中s、l、r、i、p和a分别代表x线标定装置的不同面，从中可以看出其内部包括两个“l”型和两个“t”型结构，这四个结构是均是由显影线构成，其中一个“l”型和一个“t”型并排设置，另一个“l”和“t”型设置在其上方，为了保证这四个结构的非对称性，另一个“l”型的放置方向不一样；为了实现这四个结构的固定，在制作时，可通过一体式浇筑的方式实现，即通过浇筑非x线显影材料将这四个结构固定在一个
矩形体内。作为其他实施方式，显影结构也可采用其他形状的组合。
35.为了保证骨骼和x线标定装置之间的相对位置关系固定，x线标定装置需要固定在骨骼上。医学影像拍摄装置采用了g臂机或者c臂机等医学x线显影设备，本实施例可采用g臂机，通过g臂机对固定有x线标定装置的骨骼进行拍照，这样拍摄出来的x影像中既包含有骨骼影像，又包含有显影线的影像；为了确保能够准确描述骨骼和x线标定装置之间的位置关系，需要拍摄两张不同角度的x影像，其中一张为骨骼正位x影像，一张为骨骼侧位x影像，本实施例中得到骨骼正位x影像如图4-a所示，骨骼侧位x影像如图4-b所示。
36.处理器采用的一般数据处理设备即可，例如cpu、mcu、dsp等，首先在骨骼正位x影像上确定出虚拟进针通道的初步进针位置和方向，一般是由医生根据骨骼正位x影像中骨骼的影像确定的，该虚拟进针位置为影像中的二维位置，可采用相对于x线标定装置的位置来描述；然后根据骨骼侧位x影像可以对初步进针位置和方向进行修正；通过骨骼正位x影像和侧位x影像确定出虚拟进针通道的进针位置和延伸方向，以此实现对虚拟进针通道的规划。
37.其中虚拟进针通道的长度和直径是医生提前设定的。假设本实施例中需要规划一个直径为1cm、长度为10cm的圆形通道，则需要医生在处理器上根据要求在x射线影像中规划该通道的起始位置和延伸方向。对本实施例而言，如图4-a和图4-b所示，在包含有x线标定装置的骨骼正位x影像和骨骼侧位x影像上医生可根据实际情况进行虚拟进针通道的规划，确定出虚拟进针通道的进针位置和延伸方向，进而规划出的虚拟进针通道。如图4-a和图4-b所示，规划处的虚拟进针通道都是相对于x线标定装置而言的，如图中的柱状通道，即规划出的虚拟进针通道可用于x线标定装置的相对位置关系来描述。具体而言，是通过与x线标定装置中的各显影结构来描述的，对本实施例来说，可通过描述与其中“t”字型和“l”型显影结构的相对位置关系来说明虚拟进针通道的位置。
38.为了方便医生比较直观的看到虚拟进针通道的位置，本发明将规划出的虚拟进针通道相对于x线标定装置的位置和延伸方向发送给mr眼镜，mr眼镜中设置有x线标定装置的三维模型，医生带着mr眼镜，通过mr眼镜上自带的摄像装置就可以拍摄到真实的x线标定装置，并与虚拟的x线标定装置的三维模型进行匹配对齐，然后将接收到的虚拟进针通道相对于x线标定装置的位置和延伸方向显示出来，这样，医生在进行手术时通过mr眼镜就可以看到规划好的虚拟进针通道了，不需要显示骨骼图像。
39.对本实施例而言，如图5所示，医生在mr眼镜中可以观察到的mr眼镜拍摄到的x线标定装置的影像6，当该影像与mr眼镜中存储的x线标定装置模型对齐后，将之前规划好的相对于x线标定装置的虚拟进针通道5以当前的x线标定装置的影像6为基准进行显示，其中浅色部分是人体皮肤4之外的部分，深色部分是进入人体皮肤4的部分。
40.通过本发明的定位系统，医生可以根据mr眼镜上显示的通道位置进行微创手术了，不需要通过3d导航设备将骨骼的完整影像构建出来，借助于x线标定装置，只需要两张x线影像就能够实现精确导航，大大减少了放射剂量，避免了过多x线投射对人体的伤害，具有广阔的应用前景。
41.方法实施例
42.本发明的定位导航方法实现流程如图2所示，首先需要在待定位骨骼上固定x线标定装置；然后拍摄两张不同角度的包含有x线标定装置在内的待定位骨骼的x影像；再根据
接收到的包含有x线标定装置的显影图像规划出虚拟进针通道的起始位置和延伸方向，最后将规划好的虚拟进针通道相对于x线标定装置的起始位置和延伸方向发送给混合现实眼镜，在混合现实眼镜中，将虚拟的x线标定装置模型和真实的x线标定装置匹配对齐，并在对齐后将规划好的虚拟进针通道在混合现实眼镜上进行显示。该方法的具体实现过程已在系统实施例中进行了详述，这里不再赘述。