一種快速註冊經皮介入設備幾何結構的方法與流程

2023-05-30 20:55:46

本發明公開一種在高精度紅外監控設備下快速準確地註冊經皮介入設備幾何結構的方法，本方法在註冊經皮介入設備過程中能夠一步完成所有計算及註冊環節，有效地減小了由人工操作帶來的誤差。

背景技術：

在現代外科手術中，經皮介入手術是一種比較普遍的手術。操作者用經皮介入設備介入到人體的組織或器官，完成活檢、局部麻醉等操作。該技術廣泛應用於對人體心臟、動脈、肺、腎、肝、脊柱等器官和組織的診療。

在經皮介入手術中，穿刺精度是手術成敗的關鍵，為了提高精度，目前有越來越多可視化或虛擬實境技術應用到經皮介入手術的引導技術中，這些技術都需要對經皮介入設備的幾何結構在監控設備下進行註冊，傳統的註冊方法是操作人員手持經皮介入設備，並用三維探針來點取經皮介入設備的頭部、尾部，從而確定經皮介入設備與定位裝置間的位置關係。傳統方法的註冊誤差較大，因為在手持過程中，往往會因為操作者手部的抖動或其他因素，造成對經皮介入設備幾何結構註冊的不準確，這就使得在某些案例中，經皮介入設備的實際狀態與監控設備計算顯示的經皮介入設備的狀態存在偏差，這些偏差給手術帶來了極大的不便和危險。

鑑於上述問題，有必要找到一種能最大程度減小人工操作帶來的誤差，且快速、高精度地註冊經皮介入設備幾何結構的方法來解決問題。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明解決的技術問題是提供一種能夠快速、準確地註冊經皮介入設備幾何結構的方法。進一步地，提供的是一種能夠快速、準確地測量經皮介入設備的頭部、尾部、及固定於其尾部的定位裝置三者間的空間位置關係的方法。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種快速註冊經皮介入設備幾何結構的方法是基於高精度紅外監控設備進行跟蹤定位的，包括待註冊經皮介入設備模塊、定位支架模塊、控制顯示模塊。

待註冊經皮介入設備模塊包括待註冊經皮介入設備及其定位裝置，所述定位裝置固定於待註冊經皮介入設備尾部。

定位支架模塊包括一個剛性支架和固定於剛性支架上的定位裝置。

所述剛性支架分為上下兩部分，在此支架的上半部分包括一個可供待註冊經皮介入設備貫通的圓孔，在剛性支架的下半部分包括一個可供經皮介入設備頭部放置的倒錐形凹槽、多個高度不同且固定於剛性支架底部上表面的立柱，在立柱上分別固定一個定位裝置。

監控顯示模塊包括高精度紅外監控設備及其所需使用的三維位置註冊探針和計算機軟體。所述高精度紅外監控設備能拍攝獲取上述定位裝置的三維位置信息，計算機軟體可進行配準、計算的操作。

本發明揭示了一種快速註冊經皮介入設備幾何結構的方法，包括如下步驟：

S1：將定位支架固定在高精度紅外監控設備的監控範圍之內。

S2：開啟監控顯示模塊，將三維位置註冊探針針尖分別置於定位支架的倒錐形凹槽和貫通圓孔的位置，利用高精度紅外監控設備測量、計算此時探針針尖三維位置坐標，即得到倒錐形凹槽和貫通圓孔的三維位置坐標，再傳輸給計算機。同時，利用高精度紅外監控設備測量定位支架中定位裝置的三維位置坐標，並傳輸給計算機。

在本發明的至少一個實施例中，固定於剛性支架上的定位裝置是可被高精度紅外監控設備跟蹤和識別的紅外定位小球。但是所述領域的技術人員無需創造性勞動，就應該想到採用其他具有明顯紅外特徵的材質製成的其他形狀標記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術方案也沒有超過本發明所公開並要求保護的範圍。

在本發明中，所述定位支架中的定位裝置數量優選是四個，且其中任意三點的空間位置關係不能為等腰三角形以保證檢測到的定位裝置的運動能夠充分表現出三維空間中六個自由度(三維坐標系中三個方向上的平移和旋轉)的變化。如果採用不足三個定位裝置，會影響定位精度，甚至定位錯誤。如果超過四個，雖然精度更高，但計算複雜度高，在實際應用中不值得。

S3：計算機記錄S2測量得到的定位支架的倒錐形凹槽、貫通圓孔的三維位置坐標以及定位裝置的三維位置坐標，計算並存儲定位支架各部件的空間位置關係。

S4：將帶定位裝置的待註冊經皮介入設備從貫通圓孔插入，頭部放到倒錐形凹槽內。

S5：利用高精度紅外監控設備測量固定於經皮介入設備尾部的定位裝置三維坐標和此時定位支架上定位裝置的三維位置坐標，並傳輸給計算機。

在本發明的至少一個實施例中，固定於待註冊經皮介入設備尾部的定位裝置是可被高精度紅外監控設備跟蹤和識別的紅外定位小球。但是所述領域的技術人員無需創造性勞動，就應該想到採用其他具有明顯紅外特徵的材質製成的其他形狀標記物體代替所述的定位小球。因此類似的技術方案也沒有超過本發明所公開並要求保護的範圍。

在本發明中，固定於待註冊經皮介入設備尾部的定位裝置數量優選是四個，且其中任意三點的空間位置關係不能為等腰三角形以保證檢測到的定位裝置的運動能夠充分表現出三維空間中六個自由度(三維坐標系中三個方向上的平移和旋轉)的變化。如果採用不足三個定位裝置，會影響定位精度，甚至定位錯誤。如果超過四個，雖然精度更高，但計算複雜度高，在實際應用中不值得。

S6：計算機結合S5測量得到的定位支架上定位裝置的三維位置坐標和S3得到的定位支架各部件間的空間位置關係，配準、計算得到此時定位支架的倒錐形凹槽和貫通圓孔的三維坐標，即得到待註冊經皮介入設備的頭部和尾部的坐標；再結合S5測量得到的固定於待註冊經皮介入設備尾部的定位裝置三維坐標，配準、計算並記錄此時待註冊經皮介入設備尾部的定位裝置與經皮介入設備的頭部、尾部的空間位置關係。

進一步地，所述「待註冊經皮介入設備尾部的定位裝置與待註冊經皮介入設備的頭部、尾部的空間位置關係」即經皮介入設備的幾何結構。

本發明的有益效果在於：可以實現快速、準確地對經皮介入設備的幾何結構進行註冊，避免了人工手持時產生的較大誤差。可一步完成所有註冊過程，既方便了操作人員，又減小了人為操作的誤差，大大提高了註冊的準確性，大大增加了經皮介入設備實際狀態與監控設備計算顯示的經皮介入設備狀態的一致性，有利於精確引導經皮介入手術的執行。

附圖說明

圖1：定位支架模塊示意圖

圖2：帶定位裝置的經皮介入設備示意圖

圖3：系統原理示意圖

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。

參考圖1～3，固定於經皮介入設備尾部的定位裝置和剛性支架上的定位裝置是可被所述高精度紅外監控設備識別的紅外定位小球。紅外定位小球表面覆蓋一層能夠反射絕大部分入射紅外光線的材料。高精度紅外監控設備發射紅外光被小球反射回來，監控設備接收反射回來的紅外光線，分析數據計算得到被所述高精度紅外監控設備識別的紅外定位小球的三維位置坐標，實現了監控定位裝置的目的。

參考圖1，定位支架上的定位裝置0、1、2、3可被所述高精度紅外監控設備識別，配合使用高精度紅外監控設備和三維位置註冊探針可分別獲得倒錐形凹槽以及貫通圓孔的位置，計算機接收定位裝置、倒錐形凹槽及貫通圓孔的位置坐標並計算出它們彼此間的空間位置關係。這樣，多個定位裝置和凹槽、圓孔間空間的位置關係就已經確定且固定不變。因此在所述高精度紅外監控設備下，只要檢測到定位支架上的定位裝置0、1、2、3，就可以根據已知的空間位置關係配準、計算出倒錐形凹槽和貫通圓孔的坐標。

參考圖2，經皮介入設備的定位裝置位於經皮介入設備的尾部，優選地，包括4個定位裝置。本發明通過經皮介入設備定位裝置來實時跟蹤、計算出經皮介入設備的幾何結構。經皮介入設備的幾何結構指經皮介入設備尾部的定位裝置與經皮介入設備的頭部、尾部的空間位置關係。

參考圖3，將圖2所示帶有定位裝置的經皮介入設備從貫通圓孔插入後，將經皮介入設備的頭部放到倒錐形凹槽內，此時經皮介入設備的定位裝置4、5、6、7和定位支架上的定位裝置0、1、2、3同時處於所述高精度紅外監控設備的監控範圍內。計算機軟體接收所述高精度紅外監控設備此時測量得到的定位裝置0～3的位置坐標可以計算出貫通圓孔和倒錐形凹槽位置坐標，從而可以計算出定位裝置4、5、6、7和倒錐形凹槽、貫通圓孔的空間位置關係。由於此時倒錐形凹槽位置與經皮介入設備的頭部位置一致，且倒錐形凹槽和貫通圓孔確定了經皮介入設備的角度，因此經皮介入設備的頭部、角度及其定位裝置間的位置關係也就確定了，從而完成了經皮介入設備幾何結構的註冊。