磁共振掃描定位系統的製作方法

2023-12-07 18:11:01

專利名稱：磁共振掃描定位系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及磁共振醫療領域，特別涉及一種磁共振掃描定位系統。
背景技術：
介入治療是現代醫學的一大發展方向，介入治療與傳統外科手術的區別是它不需要開刀，只需要一個很小的創口即可將特製的導管、冷凍針、射頻消融針等穿刺針刺入到人體內的病灶部位或者手術靶點位置上，然後通過各種物理或化學作用達到治療的目的，從而解決過去需要開放式手術才能解決的腫瘤治療、組織活檢、人工器材或藥物放置等問題。在介入治療過程中，醫生無法直接觀察到病人體內的組織結構和病灶部位，只能通過醫學成像手段來實現介入手術規劃、導航、治療過程監控和治療效果評估。磁共振成像具有無射線、高解析度、軟組織成像能力強、掃描方位自由選擇、可以檢測組織溫度、能清楚顯示骨骼遮擋的病灶等優勢，隨著快掃技術的發展，磁共振成像成為較理想的介入治療的引導和監控手段。現有技術中，磁共振定位掃描是通過如下方法實現的首先對病灶部位進行橫斷位、矢狀位、冠狀位預掃描，作為定位像，然後在定位像病灶位置上通過手動標記定位線再進行定位掃描，獲取所需切面的圖像。這種定位掃描的方法操作繁瑣、多次掃描，因此掃描時間長，不便用於介入治療的實時掃描。更主要的是沒有手術器械的定位依據，很難確定手術器械的方位，所以無法得到手術器械與病灶之間完整關係的圖像。現有技術中在對手術導航時，磁共振成像系統把術前掃描病灶的成像數據傳輸到控制中心，通過光學系統對手術器械進行跟蹤把空間信息傳輸給控制中心，控制中心通過計算獲得手術器械的坐標，將術前圖像與手術器械轉換到同一個坐標系裡顯示。由於術中會發生病灶位移、器械扭曲、系統誤差等情況，這種顯示存在較大的誤差。中國實用新型專利CN101019765A公開了一種磁共振圖像引導下的手術系統及手術導航方法，該專利重點介紹了圖像空間與手術空間的標定與匹配。中國實用新型專利CN101904770A公開一種基於光學增強技術實現的手術導航系統及方法。該專利重點介紹了外科手術導航系統中光學測量系統的實現方法。

實用新型內容本實用新型所要解決的問題是提供一種磁共振掃描定位系統，克服現有技術中存在的上述問題。本實用新型的一種磁共振掃描定位系統，包括控制中心、光學測量系統、顯示設備和定位器，光學測量系統、顯示設備與控制中心相連，定位器上設有可被光學測量系統所跟蹤的被動標識球組，所述定位器上可拆卸連接一個準直器，所述準直器內沿其軸線方向設有供穿刺針穿過的引導孔，根據所述穿刺針粗細不同，適配有相應內徑引導孔的準直器，但所有準直器的外形尺寸都相同。優選的，所述準直器為圓錐體，並由對稱的兩部分組成。[0009]優選的，所述準直器由一壓板固定在定位器上，壓板的兩端與所述定位器由螺栓連接，所述準直器的上、下兩面各設有卡槽，所述上、下兩面的卡槽分別與定位器、壓板相配
口 o優選的，所述控制中心內建有磁共振成像坐標系和以磁體為參照物的空間坐標系，指定所述引導孔軸線所在的一個切面為掃描引導面，將所有平行於掃描引導面的方位定義為I號方位，將所有垂直於引導孔軸線的方位定義為II號方位，將同時垂直於1、11號方位的方位定義為III號方位，以上三個掃描切面可以任意組合定位，控制中心獲取單一方位單片、多片或多個方位單片、多片掃描圖像，並在顯示設備的不同顯示框內顯示。通過以上技術方案，本實用新型的磁共振掃描定位系統，可較好地實現穿刺手術實時引導與監控，具有以下優點(I)不同粗細的穿刺針，適配有統一外形尺寸和相應引導孔孔徑的準直器，在選用同一個定位器的情況下，只需一次性標定，手術過程中根據不同粗細的穿刺針只需替換相 應的準直器，不需重新標定或選擇，簡化了操作流程。(2)所述準直器既起到引導穿刺的作用，又可以作為掃描定位的基準件，在預掃描、靶點選擇、靶點瞄準時無需使用穿刺針。(3)本實用新型通過準直器及掃描引導面引導磁共振成像系統進行指向性定位掃描，解決了現有技術中磁共振成像系統只能通過預掃定位像、醫生手動標記定位線然後再次掃描獲取所需圖像的麻煩；解決了現有外科手術導航系統由於採用術前圖像進行手術引導容易造成手術失誤的缺陷；解決了穿刺針需要逐個標定的麻煩。

圖I本實用新型磁共振掃描定位系統的結構框圖。圖2本實用新型所述定位器的具體結構圖。圖3所述光學測量系統的工作示意圖。圖4所述標識面和引導孔軸線位置關係圖。圖5a、5b為掃描方位和祀點貓準不意圖。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型的磁共振掃描定位系統，包括控制中心I、光學測量系統
3、顯示設備2和定位器4。本實用新型的控制中心I包括用戶界面、應用軟體和實用工具，並建有磁共振成像系統5的圖像坐標系和以磁體為參照的空間坐標系。本實用新型的磁共振掃描定位系統通過控制中心I和磁共振成像系統5相連接，定位器4和磁體上安裝有被光學測量系統識別和跟蹤的標識球組。如圖2所示，本實用新型的定位器4上裝有一個圓錐體的準直器42，準直器42內有一個供穿刺針穿過的引導孔44。準直器42由完全對稱且設有卡槽的兩部分組成，兩部分卡槽分別與定位器4、壓板43相配合，準直器42由壓板43固定在定位器4上，壓板43兩端由螺栓緊固在定位器4上。本實用新型準直器42與定位器可拆卸連接，根據不同粗細的穿刺針，適配有相應內徑引導孔44的準直器，但所有準直器42的外形尺寸都相同，在同一個定位器4上可替換使用。定位器4上還設有供手握的把手41，方便操作使用該定位器。如圖4所示，本實用新型指定引導孔軸線47的一個切面作為掃描引導面，引導孔軸線47、準直器前端中心點、掃描引導面與定位器4上被動標識球組45的相對位置關係固定，由控制中心I記憶。由定位器4上指定的三個被動標識球的中心點組成的平面為標識面46,本實施方案中掃描引導面47和標識面46平行。如圖5(a)所不,將所有平行於掃描引導面的方位定義為I號方位，I號方位的中心切面為引導面，將所有垂直於引導孔軸線47的方位定義為II號方位，II號方位的中心切面(靶點指定後使用)包含靶點，將同時垂直於I、II號方位的方位定義為III號方位，III號方位的中心切面包含引導孔軸線47，以上三個掃描方位可以單一方位單片、多片或 多個方位單片、多片任意組合定位。本實用新型由控制中心I通過光學測量系統3識別和跟蹤定位器4，得到引導孔軸線47和掃描引導面的空間位置並轉換成圖像坐標，作為所選掃描切面定位參數的確定依據。控制中心I將選擇的掃描序列、掃描參數以及定位參數傳送給磁共振成像系統5，作為指向性定位掃描的依據。採用本實用新型的磁共振掃描定位系統來進行指向性定位掃描的方法，包括以下步驟步驟一在初次使用上述磁共振掃描定位系統進行定位掃描時，控制中心I通過光學測量系統3對磁共振成像系統5中的磁體進行空間位置標定，建立識別、跟蹤依據和空間坐標系；在初次使用定位器4時，控制中心I通過光學測量系統3對該定位器4進行標定，建立識別和跟蹤依據；通常使用時，只需在控制中心I用戶界面中選中該定位器4並安裝和穿刺針適配的準直器。步驟二 控制中心I通過光學測量系統3、標定模型和磁共振成像系統5，將磁共振成像系統5的圖像坐標系與空間坐標系進行匹配，確定圖像坐標系與空間坐標系之間的轉換關係。步驟三將掃描對象放置在磁共振成像系統5的掃描區域中心位置。步驟四在控制中心I的用戶界面中選擇掃描序列、掃描切面和設定掃描參數；並在磁共振掃描區域中，將準直器42及掃描引導面以一定的方位穩定地指向掃描部位，由控制中心根據所述引導孔軸線47、掃描引導面的空間坐標計算出所選的每一層掃描切面的定位參數的圖像坐標，通過控制中心I向磁共振成像系統5發送掃描序列、掃描參數、定位參數和掃描指令，磁共振成像系統5執行掃描，並將所得圖像傳送至控制中心1，在顯示設備2中各自的圖像框內顯示。步驟五改變準直器42的指向或偏轉掃描引導面，磁共振成像系統5的掃描方位也隨之改變。本實用新型按照以上步驟，可以得到一定範圍內的I、III號方位的圖像，II號方位的圖像僅在靶點指定後使用。若採用快掃序列，通過改變指向，可實現搜索性掃描。本實用新型的光學測量系統3基於光學定位裝置，其原理是該光學定位裝置具有位置傳感器可發射紅外光，紅外光照射在裝有被動標識球的物體上，被動標識球反射紅外光回到位置傳感器，位置傳感器通過軟體程序計算出被動標識球所處的空間信息，可以實時得知裝有被動標識球的物體所處空間位置進而進行定位導航。在本實用新型中，所有被光學測量系統跟蹤的物件都安裝有被動標識球組，被動標識球組由三個以上被動標識球組成，不同的物件上被動標識球的排布方式不同，以示區別，每個物件上的被動標識球組經過標定註冊後以物件名稱由控制中心I記憶。光學測量系統3隻要跟蹤到某被動標識球組，控制中心1就能夠計算出光學測量系統3和該被動標識球組的空間關係，並識別該物件。本實用新型在手術空間中選擇磁體為參照物，由於磁體固定不動，磁體上安裝的被動標識球組也固定不動。當光學測量系統3擺放在一定的位置，能同時跟蹤到磁體及其他物件，則光學測量系統3把檢測到和磁體被動標識球組之間的空間關係以及和其他物件被動標識球組之間的空間關係傳送給控制中心1，控制中心I能夠計算出該物件被動標識球組和磁體被動標識球組之間的空間關係。根據此原理，上述步驟一具體為如圖3所示，在手術空間內位置不變的磁體上固定被動標識球組，將裝有被動標識球組的定位器4放入手術空間，光學測量系統3獲取其自身與磁體的相對位置關係a以及自身與定位器4的相對位置關係b，進而通過軟體程序計算得到磁體與定位器的相對位置關係C，並將磁體與定位器的相對位置關係c記為定位器在手術空間中的空間信息。上述步驟二中，圖像空間和手術空間通過標定模型進行標定，實現兩個坐標系的匹配。標定模型為具有已知空間結構的幾何體，在標定模型的表面固定有被動標識球組，標定模型內具有多個可以被掃描成像的幾何標記物，幾何標記物與被動標識球組的位置關係為已知，將標定模型放置在磁共振成像系統5的成像區域中心，通過磁共振成像系統5掃描標定模型並將圖像數據傳輸給控制中心1，控制中心I獲取標定模型內幾何標記物在圖像坐標系的坐標；通過光學測量系統3獲取標定模型的空間信息並傳輸到控制中心1，控制中心I計算出標定模型中內部幾何標記物在空間坐標系的坐標與圖像坐標系的坐標的對應關係，從而確定圖像坐標系與空間坐標系之間的轉換關係。本實用新型控制中心I標記靶點和獲取坐標的步驟為醫生根據術前圖像，結合病灶位置和臨床經驗，選擇合適的穿刺路徑，並在體表標記穿刺點。將定位器4上的準直器前端中心點放置在體表穿刺點，使準直器指向病灶大致位置，通過改變準直器42指向或偏轉掃描引導面進行搜索性掃描，可以得到一定範圍內的I、III號方位的圖像和三維圖像以確定病灶具體信息，利用所得圖像標記靶點，控制中心I從而獲取該靶點在圖像坐標系的坐標。本實用新型控制中心I獲取體表穿刺點坐標的步驟為將定位器4上的準直器前端中心點放置在體表穿刺點時，控制中心I根據定位器4上標識球組45的空間位置計算出準直器前端中心點的空間坐標，並轉換成圖像坐標系坐標，該準直器前端中心點的坐標即為體表穿刺點的坐標。本實用新型靶點瞄準的步驟為如圖5a所示，上述體表穿刺點A與靶點B的連線即為虛擬穿刺路徑H，將準直器前端中心點放置在體表穿刺點A，使準直器42指向病灶大致位置，控制中心I把靶點B、虛擬穿刺路徑I、引導孔軸線延長線I投影到I、II、III方位的中心切面上，並在顯示設備2上各自的圖像框中顯示。調整準直器42的指向，當虛擬穿刺路徑I的投影與引導孔軸線延長線在I、III號中心切面的圖像上同時重疊時，則準直器42瞄準了靶點B，如圖5(b)所示。當準直器42瞄準了靶點B後，以引導孔軸線47為中心，偏轉掃描引導面，可任意改變磁共振掃描的切面。在磁共振圖像中，手術使用的鈦合金穿刺針以低信號顯影其外形特徵，當準直器42瞄準了靶點後，保持所述定位器4不動，將穿刺針穿過引導孔44插入病人體內並推進一段距離，然後實時掃描，在包含引導孔軸線47的I、III號方位中心切面的圖像中可以實時觀察穿刺針與病灶、靶點之間的位置關係；若穿刺針朝著靶點方向正常行進，則繼續推進一段穿刺針；若穿刺針偏離了靶點方向，則需要根據具體情況進行糾偏，如此循序漸進，直至穿刺針到達病灶上指定的靶點。利用上述磁共振掃描定位系統進行穿刺手術引導包括以下步驟步驟一在初次使用本實用新型磁共振掃描定位系統時，需要做一下準備工作I)定位器的標定註冊，由控制中心記憶；2)控制中心通過光學測量系統對磁體進行空間位置標定；3)控制中心將磁共振成像系統成像區域的圖像坐標系與空間坐標系進行匹配，確定圖像坐標系與空間坐標系之間的轉換關係。步驟二 選用已註冊的定位器並安裝與穿刺針適配的準直器。步驟三將掃描部位送至磁共振成像區域中心。步驟四在控制中心用戶界面中選擇掃描序列、掃描切面和設定掃描參數。步驟五根據術前磁共振圖像或指向性定位實時掃描圖像，制定手術方案。手術方案包括穿刺路徑的選擇、體表穿刺點的標記、病灶祀點(穿刺目標點)的標記。(一 )術前磁共振掃描用磁共振成像系統進行常規定位多片掃描，掃描方位的選擇視病灶所在位置決定，獲取的圖像具有足夠的病灶信息，並把圖像傳送給控制中心。( 二)穿刺路徑選擇與體表穿刺點的標記手術醫生根據術前圖像，結合病灶位置和臨床經驗，選擇合適穿刺路徑，並在體表標記穿刺點。將準直器前端中心點放置在體表穿刺點，由控制中心讀取準直器前端中心點坐標作為體表穿刺點的空間坐標，並轉換成圖像坐標。(三)靶點標記當準直器前端中心點放置在體表入針處，準直器以一定方位指向某病灶大致位置時，通過改變準直器指向或偏轉掃描引導面進行搜索性掃描，可以得到一定範圍內的I、III號方位的圖像和三維圖像確定病灶具體信息，利用所得圖像標記靶點，然後提取該靶點的圖像空間坐標。步驟六實施手術弓I導(一 )靶點投影在實施穿刺過程中，首先將靶點投影至各掃描面，通過標記疊加在圖像上並在顯示設備上各圖像框內顯示。(二)靶點瞄準靶點瞄準在上述I、III兩個掃描方位的中心切面中進行。將準直器前端中心點部位放置在體表穿刺點，根據術前圖像，準直器大致指向病灶。如圖5a所示，體表穿刺點為A，革巴點為B,體表穿刺點A與祀點B的連線為虛擬穿刺路徑AB ,保持準直器前端中心點所在體表穿刺點部位不變，調整準直器指向，在顯示設備上I、III兩個切面圖像框內同時使引導孔軸線延長線和虛擬穿刺路徑I的投影重疊，II號中心切面圖像框內B、C兩點自然重疊，如圖5b所示，則引導孔軸線瞄準了靶點。(三)掃描切面選擇[0059]將準直器對準靶點，以引導孔軸線為中心，偏轉掃描引導面，可改變磁共振掃描切面。(四)手術引導在磁共振圖像中，手術使用的鈦合金穿刺針以低信號顯影其外形特徵。將準直器瞄準靶點，在控制中心掃描界面內選擇掃描序列、掃描切面和設置掃描參數，控制中心以引導孔軸線、掃描引導面為基準計算出所選掃描切面的定位參數，並驅動磁共振成像系統按照掃描指定的序列、掃描參數和定位參數進行掃描。靶點B、引導孔軸線延長線和虛擬穿刺路徑I分別投影到各掃描切面上，與圖像疊加後分別在顯示設備上各自圖像框內顯示。手術進程由虛擬引導穿刺、實時掃描觀察和糾偏交替進行，當準直器瞄準靶點，將穿刺針穿過準直器引導孔插入人體並推進一段距離，然後實時掃描，觀察穿刺針與病灶、靶點之間的關係，若穿刺針朝著靶點方向正常行進，繼續推進一段穿刺針，若穿刺針偏離了靶點方向，則需要根據具體情況進行糾偏。如此循序漸進，直至穿刺針到達病灶指定靶點。若病灶較大，需要指定多個靶點與穿刺路徑，可按上述過程依次進行穿刺。手術過程中難免會發生病灶移位、穿刺偏差和系統誤差，必須以指向性定位掃描得到的監控圖像為依據，決定調整方案。以上所述本實用新型的磁共振掃描定位系統，通過準直器及掃描引導面引導磁共 振成像系統進行指向性定位掃描，解決了現有技術中磁共振成像系統只能通過預掃定位像、醫生手動標記定位線然後再次掃描獲取所需圖像的麻煩；解決了現有外科手術導航系統由於採用術前圖像進行手術引導容易造成手術失誤的缺陷；解決了穿刺針逐個標定的麻煩。本實用新型的磁共振掃描定位系統及其指向性定位掃描方法，可較好地實現穿刺手術實時引導與監控。
權利要求1.一種磁共振掃描定位系統，包括控制中心(1)、光學測量系統(3)、顯示設備(2)和定位器(4)，光學測量系統(3)、顯示設備(2)與控制中心(1)相連，定位器(4)上設有可被光學測量系統所跟蹤的被動標識球組(45)，其特徵在於，所述定位器(4)上可拆卸連接一個準直器，所述準直器內沿其軸線方向設有供穿刺針穿過的引導孔(44)，根據所述穿刺針粗細不同，適配有相應內徑引導孔(44)的準直器(42)，但所有準直器(42)的外形尺寸都相同。
2.根據權利要求I所述的磁共振掃描定位系統，其特徵在於，所述準直器(42)為圓錐體，並由對稱的兩部分組成。
3.根據權利要求1所述的磁共振掃描定位系統，其特徵在於，所述準直器(42)由一壓板(43)固定在定位器(4)上，壓板(43)的兩端與所述定位器(4)由螺栓連接，所述準直器(42)的上、下兩面各設有卡槽，所述上、下兩面的卡槽分別與定位器(4)、壓板(43)相配合。
4.根據權利要求1所述的磁共振掃描定位系統，其特徵在於，指定所述引導孔軸線(47)所在的一個切面為掃描引導面，將所有平行於掃描引導面的方位定義為I號方位，將所有垂直於引導孔軸線的方位定義為II號方位，將同時垂直於I、II號方位的方位定義為III號方位，以上三個掃描切面可以任意組合定位，控制中心獲取單一方位單片、多片或多個方位單片、多片掃描圖像，並在顯示設備的不同顯示框內顯示。
專利摘要本實用新型公開一種磁共振掃描定位系統，其包括控制中心、光學測量系統、顯示設備和定位器，光學測量系統、顯示設備與控制中心相連，定位器上設有可被光學測量系統所跟蹤的被動標識球組，所述定位器上可拆卸連接一個準直器，所述準直器內沿其軸線方向設有供穿刺針穿過的引導孔，根據所述穿刺針粗細不同，適配有相應內徑引導孔的準直器，但所有準直器的外形尺寸都相同。本實用新型的磁共振掃描定位系統能夠進行指向性定位掃描，呈現實時掃描圖像。
文檔編號A61B5/055GK202408898SQ201120568368
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者張琦蔚, 方順峰, 焦健 申請人:上海愛立峰醫療科技有限公司