专利名称：基于局部解剖结构特征的术中实时导航装置的制作方法现有技术中，计算机X线断层照相术(computerized tomography，以下简称CT)及核磁共振扫描技术(Magnetic Resonance Imaging，以下简称MRI)在临床上普遍应用，使颅内病变及其占位的诊断形象化，但是，CT及MRI技术不能提供手术入路。目前的神经外科手术需要神经外科医生术前复习病人术前的CT或MRI影像资料，把病变的位置和周围结构记在心里，然后离开影像资料，在病人头皮上划出皮肤切口和骨窗位置。这种手术定位方式存在误差，风险较大。
本实用新型的目的在于提供一种基于局部解剖结构特征的术中实时导航装置，所述的这种基于局部解剖结构特征的术中实时导航装置要解决现有技术中CT及MRI技术不能提供手术入路的技术问题。本实用新型的这种基于局部解剖结构特征的术中实时导航装置由图形工作站、手术显微镜、数字摄像机和空间坐标跟踪器构成，所述的空间坐标跟踪器上连接有信号发射端和信号接收端，所述的数字摄像机由摄像镜头和摄像控制器通过电缆连接构成，其中，所述的摄像镜头固定设置在所述的手术显微镜上，所述的摄像控制器通过电缆与所述的图形工作站连接，空间坐标跟踪器连接的信号发射端固定设置在所述的手术显微镜上，空间坐标跟踪器通过电缆与所述的图形工作站连接。进一步的，所述的图形工作站中设置有一个第一通用串行总线接口和一个第二通用串行总线接口，所述的摄像控制器通过一个第一通用串行总线电缆与所述的第一通用串行总线接口连接，所述的空间坐标跟踪器通过一个第二通用串行总线电缆与所述的第二通用串行总线接口连接。进一步的，所述的图形工作站中设置有计算机X线断层照相图像数据库、或者核磁共振扫描图像数据库。具体的，本实用新型中所述的图形工作站、手术显微镜、数字摄像机和空间坐标跟踪器均可采用现有技术中的公知技术，有关上述公知技术方案，本领域的技术人员均了解，所以不再赘述。本实用新型的工作过程是首先利用CT或核磁共振扫描技术获取患者颅部有关结构的图像信息，利用软件重建形成脑沟回结构指纹模型、重要的组织结构(如动脉血管网)和病灶三维图像，并将这些信息进行图像融合形成一个病人头部医学结构三维模型，制定手术入路计划，利用半透明组织显示技术建立术前患者手术计划数据库，其中，病灶以外的组织以半透明的形式显示，使病灶在三维图像中突出，能够清晰的表现病灶与其他组织的物理关系。将上述手术计划数据库存储到图形工作站并通过显示软件调用，显示软件在图形工作站中建立一个虚拟摄象机，虚拟摄象机根据病人术前三维图像重建的结果和手术计划产生图像。手术显微镜上的信号发射端将手术显微镜以及摄像镜头的空间坐标信号实时发送到空间坐标跟踪器，空间坐标跟踪器将手术显微镜以及摄像镜头的空间坐标信号实时传送到图形工作站，利用软件将摄像镜头与虚拟摄像机的空间坐标校准，使虚拟摄像机所指向的病人头部医学结构三维模型位置与数字摄像机所指向的病人头部位置一致，虚拟摄像机根据摄像镜头的位置和转向的改变，实时调整位置和方向，显示与摄像镜头的实时图像相对应的术前三维图像。然后利用摄像镜头的实时图像与术前三维图像进行比对，确定操作位置并精确调整虚拟摄像机坐标。之后，利用软件在摄像镜头获取的实时图像上叠加手术计划数据库中的手术入路图像和病灶位置图像。实时引导手术操作。
本实用新型依据的工作原理是脑裂入路是神经外科最为常用的手术方法，颅内的裂提供了天然的解剖腔隙，也是不同个体颅内相对最为恒定的解剖标记，宽大脑沟如中央沟、距状裂，颞上沟、颞下沟，也是颅内可供识别的标志性沟，另外，颅内标志性的结构尚包括血管，如WILLIS环，脑沟与血管的结合形成了每个脑回独有的形态，成为颅内的指纹现象，可以利用来进行识别。利用颅内的指纹现象进行定位，不但可以正确的描述病变的位置，还可以提供术者通过哪个脑沟、脑回、血管达到病变，而避免了常规导航下计算得到的病变离术野的直线距离，因为这种直线距离有时需要通过重要的功能区或结构，实际操作中往往不可行。而通过颅内不同脑回独特的形态进行病变的定位和切除，则可以解决上述问题，提供给术者实际操作路线。本实用新型的实时导航装置利用现有的影像检查手段，通过颅内原有结构的局部解剖特征进行病变的定位，不但可以正确描述病变的位置，而且可以实时提供和引导术者操作路线。
本实用新型与现有技术相对比，其效果是积极和明显的。本实用新型利用空间坐标跟踪器实时获取手术显微镜上的摄像镜头的空间坐标和方向，根据摄像镜头的空间坐标实时调阅术前三维图像数据库中的相同坐标和方向上的图像，利用图形工作站的显示器叠加显示当前实际图像和数据库图像，并显示计划手术入路，引导手术进行。可实时提供手术操作人员正确的路线，引导医生按计划有效避开重要生理结构，对病人创伤小，对医生经验依赖小，病人在不同的医生做手术时都能够获得同样效果，降低了手术风险，缩短了手术时间。


图1是本实用新型的基于局部解剖结构特征的术中实时导航装置的一个实施例的示意图；
如图1所示，本实用新型的基于局部解剖结构特征的术中实时导航装置由图形工作站1、手术显微镜2、数字摄像机和空间坐标跟踪器3构成，所述的空间坐标跟踪器3上连接有信号发射端31和信号接收端32，所述的数字摄像机由摄像镜头4和摄像控制器5通过电缆连接构成，其中，所述的摄像镜头4固定设置在所述的手术显微镜2上，所述的摄像控制器5通过电缆与所述的图形工作站1连接，空间坐标跟踪器3连接的信号发射端31固定设置在所述的手术显微镜2上，空间坐标跟踪器3通过电缆与所述的图形工作站1连接。
进一步的，所述的图形工作站1中设置有一个第一通用串行总线接口和一个第二通用串行总线接口，所述的摄像控制器4通过一个第一通用串行总线电缆与所述的第一通用串行总线接口连接，所述的空间坐标跟踪器3通过一个第二通用串行总线电缆与所述的第二通用串行总线接口连接。
进一步的，所述的图形工作站1中设置有计算机X线断层照相图像数据库、或者核磁共振扫描图像数据库。
本实用新型的一个优选实施例中，数字摄像机采用ImagePlanet?USB2.020MPX Digital Microscope Camera医疗专用数字摄象机，其主要参数为两千万象素，每秒15-60帧数字图像，USB2.0计算机接口；空间坐标跟踪器3采用Polhemus?Patriot坐标跟踪器，其主要参数为跟踪精度达到2mm，角度精度0.1度。本实用新型的一个优选实施例的技术参数是数字摄像机与虚拟摄像机之间的位置误差不超过3mm，转向误差不超过0.1度，虚拟摄像机跟踪数字摄像机的位置和转向的变化在0.1s之内完成，病灶三维图像与摄像机三维实时图像进行叠加速度大于5帧/秒，同时，脑沟回结构指纹模型上标志性沟和手术入路表达清晰，脑沟回结构指纹模型、重要生理结构、病灶、手术入路之间位置关系表达清晰。
本实用新型的一个优选实施例中，软件采用医学图像三维重建及手术计划系统，如STP软件。
图像比对算法已经以软件模块形式嵌入了上述医学图像三维重建系统中。该算法以虚拟摄像机相对于病人头部三维图像模型位置为参考点，提取虚拟摄像机视野范围内的病人脑沟回指纹并与数字摄像机的实时图像进行比较，并找出对应关系。
图像叠加算法已经以软件模块形式嵌入了上述医学图像三维重建系统中。该算法将数字摄像机实时图像和虚拟摄像机实时图像半透明化并按照图像比对算法所找到的对应关系显示在同一显示器上。
医生首先采用核磁共振扫描获得和重建颅脑脑沟回结构指纹模型、病灶、重要组织结构和头部表面的三维重建图像。然后在重建的图象上制定出手术计划即通过哪些脑沟的解剖到达病灶，期间可能遭遇的重要组织结构，并将手术路线图叠加到三维重建图象上。接着安排病人进入手术室，麻醉并进行头部固定后，将显微镜对准病人的某一生理特征点，然后调整虚拟摄像机的位置和朝向使其与数字摄像机一致，并把该位置定为坐标原点。之后，启动空间坐标跟踪设备，使虚拟摄像机与数字摄像机在空间位置的朝向上同步。接着，显示数字摄像机图像并叠加病灶三维图像，设计手术切口。然后，根据设计手术切口，进行开颅操作，暴露出大脑皮层。此时，医生将数字摄像机对准手术切口，这时虚拟摄像机上清晰显示出重要脑沟回、手术入路、病灶位置和重要生理结构位置，并与手术视野中的图象进行比对，进一步确定手术者当前的位置。在数字摄象机实时图象上叠加与其比对后相吻合的三维重建图象，执行原定手术计划。