一種醫用骶神經穿刺定位導引系統的製作方法

2023-06-10 20:55:46

本發明涉及一種醫用骶神經穿刺定位導引系統，具體為一種藉助3D術前規劃與體表交叉投影定位技術的醫用骶神經穿刺定位導引系統。

背景技術：

當神經系統發生病變或損傷後，會出現多種下尿路症狀（如尿急、尿頻、尿失禁、排尿困難）和/或腸道功能障礙（如大便失禁、便秘），嚴重影響患者的生命質量和身體健康。骶神經調節（sacral neuromodulation，SNM）作為各種難治性下尿路功能障礙及腸道功能障礙保守治療失敗後的一種行之有效的治療手段，近年來越來越多地得到臨床應用。

骶神經調節的手術方法首要步驟即安裝測試電極，其中的第3骶神經孔穿刺是關鍵環節，由於該孔體表特徵不明顯，使得盲穿定位困難，完全依據術者個人臨床經驗，存在反覆試穿甚至最終失敗的可能；另外，雖然部分輔以術中X線或B超引導，但前者雖骨性解剖標誌較為清楚，但尚不能直接、準確地標定皮膚穿刺點和穿刺路徑，且有放射性，後者雖無放射性，但骨性解剖標誌不易辨識，直接、準確地標定皮膚穿刺點和穿刺路徑的技術難點高，因此，這兩類技術仍然不能避免反覆多次試穿刺的情況，甚至當患者肥胖等致穿刺區域體表解剖特徵不明顯，或因外傷等致穿刺孔位置變異過大時，穿刺難度則更是大大增加，甚至穿刺失敗。以上所述的種種困難，使得骶神經調節的應用與推廣受到了一定的限制，使得廣大相關患者仍然苦受疾病困擾，不能享受該技術所帶來的療效。因此，有效解決該技術難題，實現安全、高效地精準穿刺迫切需要解決。

技術實現要素：

本發明為解決目前骶神經調節手術過程中，骶神經穿刺時或主要依靠術者主觀經驗，或依賴X線、B超，一至多次試穿以完成穿刺，甚至因患者肥胖等致穿刺區域體表解剖特徵不明顯，或因外傷等致穿刺孔位置變異過大而難以順利穿刺的技術問題，提供一種能夠用於輔助穿刺的醫用骶神經穿刺定位導引系統。

本發明是採用以下技術方案實現的：一種醫用骶神經穿刺定位導引系統，包括一個開放式主機架，開放式主機架上設有計算機主機以及與計算機主機相連接的第一顯示屏和鍵鼠；開放式主機架的一側連接有一個弧形架，所述弧形架的弧面內圈朝下且該弧面內圈帶有滑道；所述滑道上滑動設有第一投影與採集盒和第二投影與採集盒；兩個投影與採集盒均內置有微型投影儀、圖像採集器和集束光源；兩個投影與採集盒的集束光源均指向弧面所在圓的圓心，互不平行；兩個投影與採集盒均通過由計算機主機控制的步進電機驅動在弧形架上滑動，開放式主機架在設有弧形架的一側還配有與計算機主機相連接的第二顯示屏；

計算機主機採集術前獲得的患者俯臥位CT掃描圖像及穿刺針長度參數並在相應軟體的支持下，對所述CT掃描圖像進行髖骨、骶骨、尾骨、皮下脂肪、皮膚等關鍵解剖結構的三維重建，獲得相應的人體結構3D重建圖形；

計算機主機在相應軟體的支持下結合人體結構3D重建圖形以及輸入的穿刺針長度參數合成帶有虛擬穿刺針的3D重建合成圖形，並依據兩個投影與採集盒的實際空間位置，生成相對應視覺角度下的兩幅平面待投影圖像；其中第一投影與採集盒對應的平面待投影圖像模擬第一投影與採集盒視角下人體結構3D重建圖形的皮膚投影，以及第一投影與採集盒上所設的集束光源照射到穿刺針之後在皮膚上所形成的陰影Sa；陰影Sa的前端為Pa點，末端為Pa1點，中部有Pa2點；第二投影與採集盒對應的平面待投影圖像模擬第二投影與採集盒視角下人體結構3D重建圖形的皮膚投影，以及第二投影與採集盒上所設的集束光源照射到穿刺針之後在皮膚上所形成的陰影Sb；陰影Sb的前端為Pb點，末端為Pb1點，中部有Pb2點；Pa、Pb分別作為兩個穿刺針陰影的針尖端點且重合，Pa1和Pb1分別為穿刺前兩個穿刺針陰影的針尾端點，Pa2和Pb2分別為穿刺後兩個穿刺針陰影的針尾端點；呈一定角度的第一、二投影與採集盒用於將所述的兩幅平面待投影圖像投影至待投影區域，並採集真實投影圖像後輸入計算機主機3中，以3D重建圖形的皮膚投影，以及Pa1和Pb1的重疊為標準進行第一、二投影與採集盒位置的實時同步調整。

進一步的，在計算機主機獲得相應的人體結構3D重建圖形之後，需要先進行校準，校準步驟如下：

向計算機主機輸入兩個投影與採集盒在實際空間中的相對位置、待投影的位置高度後，計算機主機使用第一投影與採集盒將第一投影與採集盒視角下的人體結構3D重建圖形向手術床上真實俯臥的人體皮膚投影，並採集實際圖像，以投影影像與真實人體皮膚的輪廓相吻合為校準標準，完成第一投影與採集盒校準；之後計算機主機使用第二投影與採集盒，將第二投影與採集盒視角下的人體結構3D重建圖形向手術床上真實俯臥的人體皮膚投影，並採集實際圖像，以投影影像與真實人體皮膚的輪廓相吻合為校準標準，完成第二投影與採集盒校準。

本發明的工作原理：計算機主機內設三維重建圖像處理子系統、術前規劃分析子系統、虛擬實境定位投射子系統、資料庫子系統；

使用本發明時，在術前獲得患者俯臥位CT掃描圖像後，將薄層DICOM文件導入本系統，在三維重建圖像處理子系統內，進行髖骨、骶骨、尾骨、皮下脂肪、皮膚等關鍵解剖結構的三維重建；通過第一、二顯示屏觀察閱覽得到的3D重建圖形，在術前規劃與分析子系統內，以此圖像為基礎進行穿刺位置、方向、深度的術前規劃，存入資料庫子系統後輸出至定位導引界面；調整系統位置擺放（術者對側的手術床旁），調整弧形架上第一、第二投影與採集盒至適宜位置，第一投影與採集盒一般位於目標穿刺孔正上方，或據術前規劃調整後，向體表投射半透明化髖、骶、尾骨及皮膚輪廓，使用計算機主機調整投影位置及縮放倍數，使之與實際體表標誌基本吻合，第二投影與採集盒在第一投影與採集盒與主機架之間，且與第一投影與採集盒呈一定角度，使用計算機主機調整投影位置及縮放倍數，使之與實際體表標誌基本吻合，使用計算機主機對第一、二投影與採集盒同時投影圖像做自動分析並微調，使之完全重疊；輸入穿刺針長度等必要參數後，投影與採集盒採集結合在工作站自動分析已設定好的第一投影與採集盒與體表、第一投影與採集盒與第二投影與採集盒在實際空間中的相對位置，虛擬實境定位投射子系統智能計算第一、第二投影與採集盒視角下穿刺針分別在皮膚上的體表投影（如圖3、4、5所示），之後以某一顏色同時向體表投射出穿刺點Pa，Pb以及穿刺針體表投影線段Sa（Pa-Pa1），Sb（Pb-Pb1），並行自動校準（Pa與Pb重合視為投影校準無誤），校準無誤後，以另一顏色投射穿刺完成後的針尾體表投影Pa2，Pb2；此時術者手持穿刺針，將針尖置於穿刺點Pa（即Pb），調整穿刺針方向，至其體表陰影與Sa（Pa-Pa1），Sb（Pb-Pb1）線段重合後，沿當前方向穿刺，深度以其針尾體表投影與Pa2，Pb2重合，此過程中並適當結合術者經驗，體會此過程中應有的突破感及穿刺入骶骨裂孔後的落空感，視為成功，從而完成精準定位導引。

上述各硬體部件均為市場上可以購買到的，軟體技術亦均為現有技術，是易於實現的。本領域技術人員根據上述工作過程的記載就可以編寫出相應的軟體，實現以3D重建圖形為基礎合成一個帶有虛擬穿刺針的3D重建合成圖形以及兩種視覺角度下的平面待投影圖像，並將兩幅平面待投影圖像以不同角度投射。

本發明具有的有益效果：

1、術前依據擬接受穿刺病人的俯臥位CT數據，行三維重建並術前穿刺規劃，不僅直觀、量化，更具有明顯的個體化特徵，可以精準地對穿刺方案進行分析判斷和虛擬預演；

2、術中體表交叉投影定位技術的應用，使得無論穿刺前還是整個穿刺過程中，穿刺針空間位置均直觀、準確，清晰顯示，可隨時對比，從而提高了穿刺成功率；

3、術中體表交叉投影定位技術的應用，操作簡單，容易掌握，不僅易於該技術的普及和推廣，更可降低骶骨部位情況複雜的穿刺難度。

附圖說明

圖1本發明結構簡圖。

圖2本發明功能結構示意圖。

圖3本發明體表投射示意圖（頂視圖）。

圖4為圖3中A的放大結構示意圖。

圖5本發明體表投射示意圖（側視圖）。

圖6本發明所述醫用骶神經穿刺定位導引系統的左視結構示意圖。

圖7本發明所述醫用骶神經穿刺定位導引系統的頂視結構示意圖。

圖8本發明所述醫用骶神經穿刺定位導引系統的後視結構示意圖（工作狀態）。

圖9本發明所述醫用骶神經穿刺定位導引系統的後視結構示意圖（展開狀態下）。

1-可制動萬向輪；2-開放式主機架；3-計算機主機；4-鍵鼠；5-第一顯示屏；6-第一水平軸；7-顯示屏連接杆；8-第二水平軸；9-豎直滑道；10-延伸臂；11-第二顯示屏；12-反「L」形軸；13-弧形架座；14-弧形架；15-第一投影與採集盒；16-第二投影與採集盒；17-手術床；18-骶骨，19-穿刺針。

具體實施方式

一種醫用骶神經穿刺定位導引系統，包括一個開放式主機架2，開放式主機架2上設有計算機主機3以及與計算機主機3相連接的第一顯示屏5和鍵鼠4（可選用無線鍵鼠）；開放式主機架2的一側連接有一個弧形架14，所述弧形架14的弧面內圈朝下且該弧面內圈帶有滑道；所述滑道上滑動設有第一投影與採集盒15和第二投影與採集盒16；兩個投影與採集盒均內置有微型投影儀、圖像採集器和集束光源；兩個投影與採集盒的集束光源均指向弧面所在圓的圓心，互不平行；兩個投影與採集盒均通過由計算機主機3控制的步進電機驅動在弧形架14上滑動，開放式主機架2在設有弧形架14的一側還配有與計算機主機3相連接的第二顯示屏11；

計算機主機3採集術前獲得的患者俯臥位CT掃描圖像及穿刺針長度參數並在相應軟體的支持下，對所述CT掃描圖像進行髖骨、骶骨、尾骨、皮下脂肪、皮膚等關鍵解剖結構的三維重建，獲得相應的人體結構3D重建圖形；

此時，需要先進行校準，校準步驟如下：向計算機主機3輸入兩個投影與採集盒在實際空間中的相對位置、待投影的位置高度後，計算機主機3使用第一投影與採集盒15將第一投影與採集盒15視角下的人體結構3D重建圖形向手術床17上真實俯臥的人體皮膚投影，並採集實際圖像，以投影影像與真實人體皮膚的輪廓相吻合為校準標準，完成第一投影與採集盒15校準；之後計算機主機3使用第二投影與採集盒16，將第二投影與採集盒16視角下的人體結構3D重建圖形向手術床17上真實俯臥的人體皮膚投影，並採集實際圖像，以投影影像與真實人體皮膚的輪廓相吻合為校準標準，完成第二投影與採集盒16校準。

校準完成後，計算機主機3在相應軟體的支持下結合人體結構3D重建圖形以及輸入的穿刺針長度參數合成帶有虛擬穿刺針的3D重建合成圖形，並依據兩個投影與採集盒15、16的實際空間位置，生成相對應視覺角度下的兩幅平面待投影圖像；其中第一投影與採集盒15對應的平面待投影圖像模擬第一投影與採集盒15視角下人體結構3D重建圖形的皮膚投影，以及第一投影與採集盒15上所設的集束光源照射到穿刺針之後在皮膚上所形成的陰影Sa；陰影Sa的前端為Pa點，末端為Pa1點，中部有Pa2點；第二投影與採集盒16對應的平面待投影圖像模擬該視角下人體結構3D重建圖形的皮膚投影，以及第二投影與採集盒16上所設的集束光源照射到穿刺針之後在皮膚上所形成的陰影Sb；陰影Sb的前端為Pb點，末端為Pb1點，中部有Pb2點；Pa、Pb分別作為兩個穿刺針陰影的針尖端點且重合，Pa1和Pb1分別為穿刺前兩個穿刺針陰影的針尾端點，Pa2和Pb2分別為穿刺後兩個穿刺針陰影的針尾端點；呈一定角度的第一、二投影與採集盒15、16用於將所述的兩幅平面待投影圖像投影至待投影區域，並採集真實投影圖像後輸入計算機主機3中，以3D重建圖形的皮膚投影，以及Pa1和Pb1的重疊為標準進行第一、二投影與採集盒15、16位置的實時同步調整。

呈一定角度的第一、二投影與採集盒15、16用於將所述的兩幅平面待投影圖像投影至待投影區域，且可避免投影時操作者手部等的遮擋。

所述陰影Sa和Sb以及Pa、Pa1、Pa2、Pb、Pb1、Pb2均採用不同的顏色予以顯示並投影。

所述第一、二顯示屏5、11，可全程顯示人體結構3D重建圖形及兩個不同位置的穿刺針3D圖形，以及兩個投影與採集盒15、16相對應視覺角度下的兩幅平面待投影圖像。

開放式主機架2包括底座、豎直安裝在靠近底座一側的立板以及安裝在立板頂部的頂部平臺；計算機主機3設在底座上，第一顯示屏5和鍵盤4設在頂部平臺上；立板上開有豎直滑道9，豎直滑道9上滑動設有一個在水平方向延伸的延伸臂10，延伸臂10的一端滑動連接在豎直滑道9上，所述弧形架14安裝在延伸臂10的另一端且位於與開放式主機架2相反的一側；弧形架14所在豎直面與延伸臂10所在豎直面相垂直；所述延伸臂10也通過相應的步進電機驅動實現上下滑動，該步進電機也由計算機主機3進行控制；第二顯示屏11安裝在延伸臂10的中部與開放式主機架2相反的一側。

弧形架（一般橫位）與延伸臂（一般偏頭側，在頭側與水平面呈80°左右，以避開術中X線與骶骨目標孔的連線，或據術前規劃調整。

延伸臂10連接有一個反「L」型軸12，反「L」型軸12連接有一個弧形架座13；所述弧形架14安裝在弧形架座13上。弧形架座13可以繞著反「L」型軸12轉動，如圖8為工作狀態下本發明的結構示意圖，圖9中弧形架座繞著反「L」型軸12轉動呈展開狀態。

開放式主機架2的底部設有可制動萬向輪1。第一顯示屏5通過顯示屏連接杆7製成在頂部平臺上，第一顯示屏與顯示屏連接杆7之間通過第一水平軸6相連接，顯示屏連接杆7通過第二水平軸8與頂部平臺相連接。