本發(fā)明屬于脊柱定位，尤其是涉及一種脊柱手術(shù)的定位引導方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、脊柱手術(shù)作為外科領域的重要分支，其精確性直接關(guān)系到手術(shù)的成功率與患者的術(shù)后恢復。由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)的復雜性和個體差異，如何在手術(shù)中準確定位目標節(jié)段并規(guī)劃手術(shù)路徑，一直是脊柱外科醫(yī)生面臨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的定位方法多依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗、解剖標志識別及術(shù)中透視等，這些方法雖然在一定程度上能夠輔助手術(shù)定位，但往往存在定位精度不足、手術(shù)時間長、射線暴露多等問題，增加了手術(shù)風險和患者的痛苦。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計算機輔助手術(shù)(cas)技術(shù)的興起，脊柱手術(shù)定位引導方法迎來了新的突破。通過術(shù)前采集患者的脊柱影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建精確的三維模型，結(jié)合患者的病理特征，醫(yī)生可以在虛擬環(huán)境中進行手術(shù)規(guī)劃和模擬，從而提高手術(shù)的準確性和安全性。這種基于影像導航的定位引導方法，不僅能夠幫助醫(yī)生在手術(shù)過程中實時調(diào)整手術(shù)器械的路徑，還能有效減少手術(shù)時間和患者的射線暴露，成為脊柱手術(shù)領域的重要發(fā)展方向。

2、現(xiàn)有技術(shù)的脊柱手術(shù)過程中，由于患者的呼吸、心跳以及手術(shù)器械的微小移動，手術(shù)器械的實際路徑可能與術(shù)前規(guī)劃的預設路徑產(chǎn)生偏差。現(xiàn)有的手術(shù)導航方法無法實時、準確地跟蹤這些偏差，導致手術(shù)精度下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于上述問題，本發(fā)明提供了一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種脊柱手術(shù)的定位引導方法及系統(tǒng)，通過構(gòu)建脊柱三維模型，并結(jié)合三維模型設置手術(shù)的預設路徑執(zhí)行手術(shù)任務，結(jié)合術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)與實時脊柱影像數(shù)據(jù)通過影像對比法確定手術(shù)器械的路徑偏差，再根據(jù)路徑偏差調(diào)整預設路徑繼續(xù)執(zhí)行手術(shù)任務，提高了脊柱手術(shù)定位引導的精準性。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種脊柱手術(shù)的定位引導方法，包括如下步驟：

3、s1、采集患者的術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)并基于所述術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)構(gòu)建脊柱三維模型；

4、s2、基于所述脊柱三維模型結(jié)合患者病理特征設置手術(shù)器械的預設路徑；

5、s3、基于所述預設路徑執(zhí)行對應患者的脊柱手術(shù)任務并獲取實時脊柱影像數(shù)據(jù)；

6、s4、結(jié)合所述術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)與所述實時脊柱影像數(shù)據(jù)通過影像對比法確定所述手術(shù)器械的路徑偏差；

7、s5、基于所述路徑偏差實時調(diào)整所述手術(shù)器械的預設路徑，然后迭代執(zhí)行所述s3-s4直至完成脊柱手術(shù)任務。

8、上述技術(shù)方案中，通過采集患者的術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)并構(gòu)建三維模型，基于脊柱三維模型和患者病理特征設置的手術(shù)器械預設路徑，實現(xiàn)在術(shù)前規(guī)劃最佳手術(shù)路徑，可以最大程度地減少手術(shù)過程中的誤差，確保手術(shù)操作的精準性。通過在手術(shù)過程中實時獲取脊柱影像數(shù)據(jù)，并與術(shù)前影像數(shù)據(jù)進行對比，可以及時發(fā)現(xiàn)手術(shù)器械的路徑偏差，有助于根據(jù)路徑偏差調(diào)整預設路徑，調(diào)整機制確保了手術(shù)過程的安全性和可控性。

9、優(yōu)選的，所述s1包括如下步驟：

10、s11、通過影像掃描設備掃描患者的脊柱區(qū)域得到術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)；

11、s12、對所述術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)進行預處理得到有效術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)；

12、s13、基于所述有效術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)通過圖像處理技術(shù)構(gòu)建脊柱三維模型。

13、上述技術(shù)方案中，通過影像掃描設備掃描患者的脊柱區(qū)域獲取術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)并進行預處理得到有效術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)，可以顯著提高影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。基于預處理得到的有效術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)構(gòu)建脊柱三維模型能夠清晰地展示脊柱的復雜結(jié)構(gòu)和病變情況，以實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中進行手術(shù)模擬和規(guī)劃，從而提高手術(shù)的精確性和安全性。

14、優(yōu)選的，所述s12包括如下步驟：

15、s121、通過濾波算法對所述術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)進行平滑處理得到第一影像數(shù)據(jù)；

16、s122、通過對比度增強算法調(diào)整所述第一影像數(shù)據(jù)的亮度分布得到第二影像數(shù)據(jù)；

17、s123、通過閾值分割算法根據(jù)所述第二影像數(shù)據(jù)的影像特征進行圖像分割得到第三影像數(shù)據(jù)；s124、通過影像矯正算法對所述第三影像數(shù)據(jù)進行調(diào)整得到第四影像數(shù)據(jù)；

18、s125、對所述第四影像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標準化得到有效術(shù)前脊柱有效數(shù)據(jù)。

19、上述技術(shù)方案中，通過濾波算法去除影像數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，使得影像更加平滑，減少了對后續(xù)處理步驟的負面影響。通過調(diào)整影像數(shù)據(jù)的亮度分布，使得圖像中的細節(jié)更加清晰，提高了影像的對比度和可讀性。利用閾值分割算法根據(jù)影像特征將圖像中的不同部分分割開來，為后續(xù)的三維模型構(gòu)建提供了準確的解剖結(jié)構(gòu)信息。通過影像矯正算法調(diào)整影像中的變形和扭曲，確保影像數(shù)據(jù)的準確性和一致性。通過對影像數(shù)據(jù)進行標準化處理，使得不同患者的影像數(shù)據(jù)可以在同一標準下進行比較和分析，提高了數(shù)據(jù)的可重用性和可比性。

20、優(yōu)選的，所述s2包括如下步驟：

21、s21、結(jié)合患者病理報告和診斷信息獲取患者病理特征；

22、s22、對所述患者病理特征進行分析確定手術(shù)目標和關(guān)鍵解刨結(jié)構(gòu)；

23、s23、根據(jù)所述手術(shù)目標和所述關(guān)鍵解刨結(jié)構(gòu)規(guī)劃手術(shù)器械的預設路徑并基于所述預設路徑對脊柱三維模型進行標注。

24、上述技術(shù)方案中，通過結(jié)合病理報告和診斷信息確定患者的病理特征，基于病理特征設置手術(shù)目標和關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)，有助于在手術(shù)過程中避免對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的損傷。根據(jù)手術(shù)目標和關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)，可以科學地規(guī)劃手術(shù)器械的預設路徑?；陬A設路徑對脊柱三維模型進行標注，有助于減少手術(shù)時間和手術(shù)過程中的風險，提高手術(shù)成功率。

25、優(yōu)選的，所述s3包括如下步驟：

26、s31、基于預設路徑通過無線射頻技術(shù)定位手術(shù)器械的初始位置；

27、s32、根據(jù)所述預設路徑從所述初始位置開始執(zhí)行脊柱手術(shù)任務；

28、s33、通過影像掃描設備結(jié)合無線射頻技術(shù)獲取實時脊柱影像數(shù)據(jù)。

29、上述技術(shù)方案中，利用無線射頻技術(shù)可以實時、準確地定位手術(shù)器械的初始位置，確保手術(shù)器械在手術(shù)開始時就處于正確的位置，有助于提高手術(shù)的精確性和安全性。通過沿著預設路徑開始執(zhí)行脊柱手術(shù)任務，并通過影像掃描設備結(jié)合無線射頻技術(shù)、在手術(shù)過程中實時獲取脊柱的影像數(shù)據(jù)，通過實時影像數(shù)據(jù)能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理手術(shù)過程中的異常情況，從而降低了手術(shù)風險。

30、優(yōu)選的，所述s4包括如下步驟：

31、s41、基于所述實時脊柱影像數(shù)據(jù)提取實時路徑，基于所述實時路徑對所述實時脊柱影像數(shù)據(jù)進行標注得到實時標注影像；

32、s42、基于預設路徑對術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)進行標注得到術(shù)前標注影像；

33、s43、基于特征點圖像配準方法將所述術(shù)前標注影像與所述實時標注影像在相同坐標系下進行空間對齊；

34、s44、將對齊后的所述術(shù)前標注影像與所述實時標注影像進行融合生成融合影像；

35、s45、基于所述融合影像計算手術(shù)器械的位置偏差和角度偏差；

36、s46、結(jié)合所述位置偏差和所述角度偏差計算所述手術(shù)器械的路徑偏差。

37、上述技術(shù)方案中，基于實時脊柱影像數(shù)據(jù)提取實時路徑，并進行標注得到實時標注影像，有助于準確跟蹤手術(shù)器械的當前位置和路徑?；陬A設路徑對術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)進行標注，得到術(shù)前標注影像，可以清晰地確定手術(shù)計劃的執(zhí)行情況。利用特征點圖像配準方法將術(shù)前標注影像與實時標注影像在相同坐標系下進行空間對齊，將對齊后的術(shù)前標注影像與實時標注影像進行融合生成融合影像，將對齊后的術(shù)前標注影像與實時標注影像進行融合，生成融合影像，實時反映了手術(shù)過程中的變化情況，有助于提高手術(shù)的精度和安全性，減少手術(shù)風險。

38、優(yōu)選的，所述s43包括如下步驟：

39、s431、通過角點檢測算法對所述術(shù)前標注影像進行檢測得到第一特征點集，通過角點檢測算法對所述實時標注影像進行檢測得到第二特征點集；

40、s432、分別對所述第一特征集合所述第二特征點集進行描述生成對應的第一描述符和第二描述符；

41、s433、結(jié)合所述第一描述符、所述第二描述符對所述第一特征點集和所述第二特征點集進行匹配得到特征點對；

42、s434、基于所述特征點對計算所述術(shù)前標注影像和所述實時標注影像的空間變換矩陣；

43、s435、通過所述空間變換矩陣將所述術(shù)前標注影像變換到與實時標注影像相同的坐標系下進行空間對齊。

44、上述技術(shù)方案中，通過角點檢測算法對術(shù)前標注影像和實時標注影像進行檢測，能夠準確地提取出圖像中的關(guān)鍵特征點。對提取出的特征點集進行描述，生成對應的第一描述符和第二描述符，描述符能夠準確地表示特征點的局部特征，便于后續(xù)的特征匹配。結(jié)合第一描述符和第二描述符對特征點集進行匹配得到特征點對，能夠準確地找到術(shù)前標注影像和實時標注影像之間的對應點，為計算空間變換矩陣提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)?；谄ヅ涞玫降奶卣鼽c對，計算術(shù)前標注影像和實時標注影像之間的空間變換矩陣，通過計算得到的空間變換矩陣，將術(shù)前標注影像變換到與實時標注影像相同的坐標系下實現(xiàn)空間對齊，確保了術(shù)前規(guī)劃與實時影像之間的精確對應。通過術(shù)前標注影像與實時標注影像的精確對齊，可以清晰地看到手術(shù)器械在術(shù)前規(guī)劃中的位置以及實時手術(shù)過程中的位置變化，從而進行精準導航，由于實現(xiàn)了精確的空間對齊，可以更快地識別手術(shù)過程中的偏差，并及時進行調(diào)整，從而減少了手術(shù)過程中的調(diào)整時間。

45、優(yōu)選的，所述空間變換矩陣的數(shù)學表達式如下：

46、

47、式中：t表示空間變換矩陣；r表示術(shù)前標注影像的第一特征點p的旋轉(zhuǎn)矩陣；t表示術(shù)前標注影像的第一特征點p的平移向量，1表示標量；0表示零向量。

48、優(yōu)選的，所述s5包括如下步驟：

49、s51、根據(jù)歷史數(shù)據(jù)設定脊柱手術(shù)任務的路徑偏差對應的偏差閾值；

50、s52、根據(jù)所述路徑偏差與所述偏差閾值的大小關(guān)系確定是否調(diào)整預設路徑，若所述路徑偏差小于所述偏差閾值，則調(diào)整預設路徑并返回執(zhí)行s3-s4，直至完成脊柱手術(shù)任務；

51、同步地，若所述路徑偏差大于或等于所述偏差閾值，則繼續(xù)完成脊柱手術(shù)任務。

52、上述技術(shù)方案中，通過實時監(jiān)測手術(shù)器械的路徑偏差，并與預設的偏差閾值進行比較，能夠動態(tài)地評估手術(shù)操作的準確性，當路徑偏差超出可接受范圍時，及時調(diào)整預設路徑，有助于減少手術(shù)過程中的誤差，提高手術(shù)精度。及時調(diào)整手術(shù)的預設路徑可以預防因手術(shù)器械偏離預設路徑而導致的潛在風險，從而提高手術(shù)的安全性。

53、根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種脊柱手術(shù)的定位引導系統(tǒng)，包括：

54、模型構(gòu)建模塊，用于采集患者的術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)并基于術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)構(gòu)建脊柱三維模型；

55、路徑設置模塊，用于基于脊柱三維模型結(jié)合患者病理特征設置手術(shù)器械的預設路徑；

56、實時跟蹤模塊，用于基于預設路徑執(zhí)行對應患者的脊柱手術(shù)任務并獲取實時脊柱影像數(shù)據(jù)；偏差計算模塊，用于結(jié)合術(shù)前脊柱影像數(shù)據(jù)與實時脊柱影像數(shù)據(jù)通過影像對比法確定手術(shù)器械的路徑偏差；

57、路徑調(diào)整模塊，用于基于路徑偏差實時調(diào)整手術(shù)器械的預設路徑，基于預設路徑重新執(zhí)行脊柱手術(shù)任務直至完成脊柱手術(shù)任務。

58、根據(jù)本發(fā)明的方案，通過高質(zhì)量的影像掃描和預處理，構(gòu)建了精確的脊柱三維模型，為手術(shù)模擬和規(guī)劃提供了堅實基礎，顯著提升了手術(shù)的精確性和安全性。結(jié)合病理特征和診斷信息，能夠?qū)崿F(xiàn)科學規(guī)劃手術(shù)器械路徑，有效避免了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的損傷。利用無線射頻技術(shù)實時定位手術(shù)器械，結(jié)合實時影像掃描，實現(xiàn)了手術(shù)過程的動態(tài)監(jiān)控，能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，降低了手術(shù)風險。通過將實時標注影像與術(shù)前標注影像的融合，生成了融合影像，不僅清晰展示了手術(shù)計劃的執(zhí)行情況，還實時反映了手術(shù)過程中的細微變化，進一步提升了手術(shù)的精準度。同時通過實時監(jiān)測手術(shù)器械的路徑偏差，并與預設閾值比較，實現(xiàn)了對手術(shù)操作的動態(tài)評估，確保了手術(shù)路徑的精確控制。一旦路徑偏差超出范圍，立即調(diào)整預設路徑，有效預防了潛在風險，保障了手術(shù)的安全進行。

59、上述
技術(shù)實現(xiàn)要素：
僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實施方式。