基于 2D/3D 配准的空间注册方法用于增强现实脊柱手术导航

空间增强现实术中导航是计算机图形学与空间追踪技术的结合。基于空间增强现实的脊柱手术导航系统，就是将重建后的患者医学图像与世界空间坐标系下的患者配准融合，其关键步骤为，将医学图像坐标系和现实世界坐标系建立关系。

在目前的空间注册方式中，基于物理解剖特征点的注册方式在当前手术导航系统中占主导地位[21]，但需要侵入性暴露目标解剖结构，并需要手动分割术前图像中的特征。另一种常用的空间注册方法通过在皮肤上贴标记物建立患者和医学图像关系[22]，但在手术过程中会因皮肤与骨骼产生位移而使术前手术规划产生误差。

一种新的图像引导系统 FLASH Navigation（SeaSpine，加利福尼亚州，美国）使用机器视觉创建患者表面骨骼解剖结构的 3D 图，使用无电离辐射的闪光灯和高分辨率立体相机('FLASH')。通过投射可见光FLASH 软件在术中构建患者暴露椎体的数字地形图。然后将该数字地图与脊柱解剖学的术前 CT 数据相关联[ 23、24 ]。该系统可以注册单个椎骨，但注册需要暴露的骨骼，限制其在微创手术中的应用。

综上所述，本研究拟提出一种基于 2D/3D 配准的空间注册方法，完成医学图像坐标系和患者坐标系的空间注册。为基于增强现实的脊柱手术导航提供准确、可靠的图像引导。首先，设计了可以被 X 射线和单目相机同时识别的个性化标记物，用于将导航光学空间配准到增强现实空间。其次，利用基于灰度的 2D/3D 配准技术完成术前 CT 图像与术中 X 光图像的配准。根据所求的转换矩阵，完成医学图像坐标系和患者坐标系的空间注册。最后，将虚拟图像与患者进行配准。为了验证基于 2D/3D 配准技术的空间注册方法在增强现实脊柱手术中的表面配准精度。我们进行了幻影实验在内的一系列实验。在接下来的章节中，将详细介绍本系统的设计与实现。