非介入式微創手術導航系統的製作方法
2023-07-23 15:38:06 1
非介入式微創手術導航系統的製作方法
【專利摘要】本發明屬於醫療器械【技術領域】，具體公開了一種非介入式微創手術導航系統。該系統包括術前數據模塊、術中數據模塊、定位模塊和導航模塊，所述術前數據模塊分別與術中數據模塊、導航模塊連接，定位模塊與導航模塊連接；所述術中數據模塊包括依次連接的定位器陣列、追蹤器、位姿編碼模塊和位姿查找表；所述定位器陣列為含有至少3個位姿定位器的陣列。本發明不需要藉助介入式設備獲取信息而進行輔助性的手術導航。由於本發明術前採集了病人的動態數據，據此生成的建模數據將更加精準，為醫生提供的導航精度更高。本發明不會對人體產生有害的輻射，在降低了系統成本的同時減輕了微創手術對醫生的傷害，利於微創手術的推廣。
【專利說明】非介入式微創手術導航系統
【【技術領域】】
[0001]本發明屬於醫療器械【技術領域】，特別涉及一種非介入式微創手術導航系統。
【【背景技術】】
[0002]人體是一個實時變動的彈性體，各個臟器及病灶會產生實時位移，在臨床上醫生需要手術導航系統實時呈現手術中的相關信息。計算機輔助手術系統是20世紀90年代初在歐美發達國家首先進入臨床應用的為外科醫生提供手術導航的先進醫療設備，手術導航系統將病人術前或術中影像數據和手術床上病人解剖結構準確對應，手術中跟蹤手術器械並將手術器械的位置在病人影像上以虛擬探針的形式實時更新顯示，使醫生對手術器械相對病人解剖結構的位置一目了然，使外科手術更快速、更精確、更安全。
[0003]目前臨床上使用手術導航系統主要有兩種:一種是僅依靠術前的CT、MRI影像進行術中的導航，這類手術導航系統存在的問題是很難實時的跟蹤和反映具有彈性的人體組織或器官，術前的醫學影像數據與術中實際情況無法完全匹配。另一種是將術前的靜態CT、MRI影像與術中的實時醫學影像(X光或超聲成像)進行配準、融合後，再進行圖像引導的手術導航。術中人體組織或器官會在呼吸過程中產生實時的位移和形變，病灶也會產生實時位移和形變，使用動態配準時會面臨超大的計算量，信息不能實時獲取，從而影響手術導航系統的精確性。第一種單純使用術前靜態CT和MRI數據，不能反應體內臟器的運動，可能產生錯誤信息；第二種使用C型臂等輔助定位設備，術中進行成像與術前數據進行配準，這種方法存在著X射線輻射的副作用，對醫生和患者都有很大影響，而且在需要多平面視圖觀察器械位置時，醫生需要反覆調節C型臂位置進行掃描定位，造成手術的等待中斷，且由於配準時計算量比較大，一般計算機很難實現實時配準顯示。
[0004]手術導航的難點主要有兩個:一個是提供人體在手術時不同時刻的器官位置數據，要實時準確地從術前數據中提取到當前狀態的有效數據；第二個是系統實時性要好，體現在系統要能實現人體定位和手術器`械定位，並根據建模信息進行相應的圖像顯示，實時便捷地顯現給手術醫生。
[0005]專利申請200410053055.5公開了一種手術導航方法，其使用待手術區的基準定位標誌統一建模，然後通過手術器械定位與基準定位標誌的位置變化，構建器械、病灶一體的數字模型，並基於此模型提供手術導航。但是將病灶的運動簡化為基準定位標誌的運動，並依此進行病灶的導航，因為病灶並不固連在基準定位標誌上，所以必然存在較大的定位誤差。
[0006]專利200910045399.4公開了一種微創手術導航系統，其利用機器視覺和三維立體定位技術對手術器械進行定位和導航，克服了現有微創技術中靜態CT信息與動態臟器位置不匹配的缺陷。其中提到使用內窺鏡為主體的機器視覺導航模塊，使用內窺鏡追蹤目標區信息，從而獲取相應的信息。但是，以內窺鏡為主體的機器視覺模塊對手術進行介入式導航，需要在病人身體上打開介入創口，不符合目前微創手術對病人產生最小傷害的初衷，且其對手術器官活動的影響是未知的；在需要內窺鏡在自然腔道內引導的手術中，將會破壞相應器官的原始形狀，導致與建模初始信息存在差別從而產生誤差；最重要的是，內窺鏡等介入式設備會影響手術的施展空間，甚至可能會干擾到醫生的正常手術。
【
【發明內容】
】
[0007]本發明的目的在於提供一種非介入式微創手術導航系統。
[0008]本發明的目的通過以下技術方案實現:一種非介入式微創手術導航系統，包括術前數據模塊、術中數據模塊、定位模塊和導航模塊，所述術前數據模塊分別與術中數據模塊、導航模塊連接，定位模塊與導航模塊連接。
[0009]所述術前數據模塊包括依次連接的3D資料庫、文件查找表和輸入輸出模塊。術前數據模塊的主要功能是負責重建4D CT，在一個呼吸周期內的每隔0.1s重建出一個相應時刻的3D數據，並根據成像時刻進行3D資料庫存檔，文件查找表是根據術中數據模塊提供的記錄時刻來定位要提取文件在3D資料庫的位置。輸入輸出模塊可用來進行數據的錄入在請求提取數據查找完畢後提供文件輸出功能。
[0010]所述術中數據模塊包括依次連接的定位器陣列、追蹤器、位姿編碼模塊和位姿查找表；位姿查找表與所述文件查找表連接。術中數據模塊的主要功能是追蹤器追蹤定位器陣列狀態，由位姿編碼模塊生成編碼，使用此編碼根據位姿查找表查找定位器陣列此時的狀態編碼所對應的術前記錄時刻。位姿查找表中預先存放的是與動態CT掃描同步進行的定位器陣列狀態連續追蹤所生成的編碼序列，其每個編碼對應著的記錄時刻與造影時刻是一致的(這裡需要所有的系統時間系統要是完全同步的)。
[0011] 所述定位器陣列優選為含有至少3個位姿定位器的陣列；
[0012]所述位姿定位器優選為貼片式體外定位器；
[0013]所述貼片式定位器優選為磁貼片式定位器或光學貼片式定位器。
[0014]所述定位器陣列優選設置在隨呼吸變化較大的部位；
[0015]所述隨呼吸變化較大的部位優選為胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0016]所述定位模塊包括依次連接的手術器械定位模塊、人體定位模塊、增強現實設備定位模塊和追蹤器。定位模塊的主要功能是提供手術器械定位模塊、人體定位模塊和增強現實設備模塊在統一坐標系下的位姿，用於導航模塊的相關運算及顯示。
[0017]所述追蹤器優選為磁追蹤器或光學追蹤器。
[0018]所述手術器械定位模塊優選為磁定位模塊或光學定位模塊。
[0019]所述人體定位模塊優選為磁定位模塊或光學定位模塊。
[0020]所述人體定位模塊優選設置於不隨人體呼吸運動的區域；
[0021]所述不隨人體呼吸運動的區域優選為髖骨或肩部關節。
[0022]所述導航模塊包括依次連接的圖像疊加模塊、圖像運算模塊、圖像勾畫模塊和增強現實顯示模塊；圖像疊加模塊分別與所述手術器械定位模塊、人體定位模塊連接。導航模塊的主要功能是圖像疊加模塊通過人體和手術器械的定位來進行三維模型的虛擬化，圖像運算模塊則基於虛擬場景進行圖像去噪、圖像增強的運算；圖像勾畫模塊用於術前將病灶及附近手術需要注意的血管神經或臟器勾畫出來；增強現實顯示模塊將通過處理的圖像顯示出來，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強現實頭盔，則該顯示的效果是經過圖像勾畫、去噪和增強的圖像與真實場景相重合，使得醫生可以迅速獲取實時直觀的手術導航信肩、O
[0023]所述非介入式微創手術導航系統優選設置有液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器，所述液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器與所述增強現實設備模塊連接。液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器的主要功能是用於實時顯示人體三維體數據和手術器械的實施位置。
[0024]本發明的發明機理為:
[0025]在患者身體上貼附人體定位模塊和定位器陣列，4D CT掃描和定位器陣列位姿組合追蹤同時進行，將CT數據按照成像時刻來重建，每過一個時間間隔(建議間隔0.1s)重建出對應時刻的三維體數據模型，實時追蹤的定位器位姿序列則通過相對應的時間間隔進行編碼存檔。其中三維體數據要經過術前手術規劃的處理，利用系統的導航模塊中的圖像勾畫模塊用於術前將病灶及附近手術需要注意的血管神經或臟器勾畫出來，並存入3D資料庫內。定位器陣列的位姿狀態組合信息放入位姿查找表內。
[0026]人體定位模塊應固定在不隨人體呼吸運動的區域如髖骨和肩部關節等處，定位器陣列應儘量固定在隨呼吸變化較大的部位如胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0027]關於定位器位姿序列的編碼方式可以自定，此處提供一種四個位姿定位器的一種編碼方法:由於位姿具有方向性，此處的四個定位器均可識別，分別編號Al、A2、A3、A4，，此種編碼方式按照「A1-A2」、「A2-A3」、「A3-A4」方式進行編碼，其中「A ? -A ? 」代表的是兩個定位器之間的空間位姿關係，最簡單的一種可以直接使用坐標轉換矩陣，但是這種編碼方式檢索不便，可以使用「x-y-z」的空間角的記錄方式進行存儲，這樣的好處是在沒有精確數據吻合時可以使用一個最近似的數據進行替代，從而產生最接近狀態的檢索結果，避免因為不連續的取樣造成的檢索失敗，而且這種最接近的檢索結果反映到醫學圖像採集時間上最多誤差0.05s，是完全可以接受的。
[0028]術中數據模塊的追蹤器追蹤定位器的位姿狀態由位姿編碼模塊生成編碼使用此編碼根據位姿查找表查找定位器陣列此時的狀態編碼所對應的術前數據記錄時刻；術前數據模塊的文件查找表根據術中數據模塊所提供的記錄時刻來定位要提取文件在3D資料庫的位置。輸入輸出模塊將查找到的三維體數據文件傳輸給導航模塊；定位模塊利用追蹤器將手術器械定位模塊、人體定位模塊和增強現實設備模塊在統一坐標系下的實時位姿坐標計算出來，並將該實時定位信息傳輸給導航模塊；導航模塊利用圖像疊加模塊通過人體和手術器械的定位來進行三維模型的動態構建，圖像運算模塊則基於虛擬場景進行圖像去噪、圖像增強的運算；增強現實顯示模塊將通過處理的圖像顯示出來，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強現實頭盔，則該顯示的效果是經過圖像勾畫、去噪和增強的圖像與真實場景相重合，使得醫生可以迅速獲取實時直觀的手術導航信息。
[0029]本發明相對於現有技術具有如下的優點及有益效果:
[0030](I)本發明不需要醫生藉助操作內窺鏡、X光機或者實時超聲等介入式設備獲取信息，為醫生提供實時的人體三維數據，進行輔助性的手術導航，並通過新型交互設備(智能眼鏡等)為醫生提供實時提不。
[0031](2)相對於傳統的手術導航設備，本發明通過採用定位器陣列與追蹤器，不需要C型臂、超聲等較為昂貴的設備進行輔助，不會對人體產生有害的輻射，在降低了系統成本的同時減輕了此類手術對醫生的傷害，有利於此類手術的推廣。[0032](3)本發明不需要術中製造額外的輔助手術創口 ；由於術前採集了病人的動態數據，本發明據此生成的建模數據將更加精準，為醫生提供的導航精度更高；信息的傳遞更加人性化且更為有效，便於醫生術中進行實時信息獲取。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0033]圖1是實施例1的非介入式微創手術導航系統的結構示意圖。
【【具體實施方式】】
[0034]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的保護範圍並不限於此。
[0035]實施例1
[0036]如圖1所示，一種非介入式微創手術導航系統，包括術前數據模塊100、術中數據模塊200、定位模塊300和導航模塊400，所述術前數據模塊100分別與術中數據模塊200、導航模塊400連接，定位模塊300與導航模塊400連接。
[0037]術前數據模塊100包括依次連接的3D資料庫101、文件查找表102和輸入輸出模塊103。術前數據模塊的主要功能是負責重建4D CT，在一個呼吸周期內的每隔0.1s重建出一個相應時刻的3D數據，並根據成像時刻進行3D資料庫存檔，文件查找表是根據術中數據模塊提供的記錄時刻來定位要提取文件在3D資料庫的位置。輸入輸出模塊可用來進行數據的錄入，在請求提取數據查找完畢後提供文件輸出功能。
[0038]術中數據模塊200包括依次連接的定位器陣列201、追蹤器210、位姿編碼模塊220和位姿查找表230 ;位姿查找表230與文件查找表102連接。術中數據模塊的主要功能是追蹤器追蹤定位器陣列狀態， 由位姿編碼模塊生成編碼，使用此編碼根據位姿查找表查找定位器陣列此時的狀態編碼所對應的術前記錄時刻。位姿查找表中預先存放的是與動態CT掃描同步進行的定位器陣列狀態連續追蹤所生成的編碼序列，其每個編碼對應著的記錄時刻與造影時刻是一致的(這裡需要所有的系統的時間是完全同步的)。
[0039]定位器陣列201為含有4個位姿定位器的陣列；
[0040]所述位姿定位器為貼片式體外定位器；
[0041]所述貼片式定位器為磁貼片式定位器。
[0042]所述定位器陣列設置在隨呼吸變化較大的部位；
[0043]所述隨呼吸變化較大的部位為胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0044]定位模塊300包括依次連接的手術器械定位模塊301、人體定位模塊302、增強現實設備定位模塊303和追蹤器304。定位模塊的主要功能是提供手術器械定位模塊、人體定位模塊和增強現實設備模塊在統一坐標系下的位姿，用於導航模塊的相關運算及顯示。
[0045]所述追蹤器為磁追蹤器。
[0046]所述手術器械定位模塊為磁定位模塊。
[0047]所述人體定位模塊為磁定位模塊。
[0048]所述人體定位模塊設置於不隨人體呼吸運動的區域；
[0049]所述不隨人體呼吸運動的區域為髖骨或肩部關節。
[0050]導航模塊400包括依次連接的圖像疊加模塊401、圖像運算模塊402、圖像勾畫模塊403和增強現實設備顯示模塊404 ;圖像疊加模塊401分別與手術器械定位模塊301、人體定位模塊302連接。導航模塊的主要功能是圖像疊加模塊通過人體和手術器械的定位來進行三維模型的虛擬化，圖像運算模塊則基於虛擬場景進行圖像去噪、圖像增強的運算；圖像勾畫模塊用於術前將病灶及附近手術需要注意的血管神經或臟器勾畫出來；增強現實設備顯示模塊將通過處理的圖像顯示出來，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強現實頭盔，則該顯示的效果是經過圖像勾畫、去噪和增強的圖像與真實場景相重合，使得醫生可以迅速獲取實時直觀的手術導航信息。
[0051]所述非介入式微創手術導航系統設置有液晶顯示器，所述液晶顯示器與所述增強現實設備顯示模塊404連接。液晶顯示器的主要功能是用於實時顯示人體三維體數據和手術器械的實施位置。
[0052]在患者身體上貼附人體定位模塊和定位器陣列，4D CT掃描和定位器陣列位姿組合追蹤同時進行，將CT數據按照成像時刻來重建，每過一個時間間隔(建議間隔0.1s)重建出對應時刻的三維體數據模型，實時追蹤的定位器位姿序列則通過相對應的時間間隔進行編碼存檔。其中三維體數據要經過術前手術規劃的處理，利用系統的導航模塊中的圖像勾畫模塊用於術前將病灶及附近手術需要注意的血管神經或臟器勾畫出來，並存入3D資料庫內。定位器陣列的位姿狀態組合信息放入位姿查找表內。
[0053]人體定位模塊應固定在不隨人體呼吸運動的區域如髖骨和肩部關節等處，定位器陣列應儘量固定在隨呼吸變化較大的部位如胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0054]關於定位器位姿序列的編碼方式可以自定，本實施例提供一種四個位姿定位器的一種編碼方法:由於位姿具有方向性此處的四個定位器均可識別分別編號Al、A2、A3、A4，，此種編碼方式按照「A1-A2」 「A2-A3」 「A3-A4」方式進行編碼，其中「A ? -A ? 」代表的是兩個定位器之間的空間位姿關係，最簡單的一種可以直接使用坐標轉換矩陣，但是這種編碼方式檢索不便，可以使用「x-y-z」的空`間角的記錄方式進行存儲，這樣的好處是在沒有精確數據吻合時可以使用一個最近似的數據進行替代，從而產生最接近狀態的檢索結果，避免因為不連續的取樣造成的檢索失敗，而且這種最接近的檢索結果反映到醫學圖像採集時間上最多誤差0.05s，是完全可以接受的。
[0055]術中數據模塊的追蹤器追蹤定位器的位姿狀態，由位姿編碼模塊生成編碼，使用此編碼根據位姿查找表查找定位器陣列此時的狀態編碼所對應的術前數據記錄時刻；術前數據模塊的文件查找表根據術中數據模塊所提供的記錄時刻來定位要提取文件在3D資料庫的位置。輸入輸出模塊將查找到的三維體數據文件傳輸給導航模塊；定位模塊利用追蹤器將手術器械定位模塊、人體定位模塊和增強現實設備模塊在統一坐標系下的實時位姿坐標計算出來，並將該實時定位信息傳輸給導航模塊；導航模塊利用圖像疊加模塊通過人體和手術器械的定位來進行三維模型的動態構建，圖像運算模塊則基於虛擬場景進行圖像去噪、圖像增強的運算；增強現實顯示模塊將通過處理的圖像顯示出來，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強現實頭盔，則該顯示的效果是經過圖像勾畫、去噪和增強的圖像與真實場景相重合，使得醫生可以迅速獲取實時直觀的手術導航信息。
[0056]以上所述本發明的【具體實施方式】，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，包括術前數據模塊、術中數據模塊、定位模塊和導航模塊，所述術前數據模塊分別與術中數據模塊、導航模塊連接，定位模塊與導航模塊連接；所述術前數據模塊包括依次連接的3D資料庫、文件查找表和輸入輸出模塊；所述術中數據模塊包括依次連接的定位器陣列、追蹤器、位姿編碼模塊和位姿查找表；位姿查找表與所述文件查找表連接；所述定位模塊包括依次連接的手術器械定位模塊、人體定位模塊、增強現實設備定位模塊和追蹤器；所述導航模塊包括依次連接的圖像疊加模塊、圖像運算模塊、圖像勾畫模塊和增強現實顯示模塊；圖像疊加模塊分別與所述手術器械定位模塊、人體定位模塊連接； 所述定位器陣列為含有至少3個位姿定位器的陣列。
2.根據權利要求1所述的非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，所述位姿定位器為貼片式體外定位器。
3.根據權利要求2所述的非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，所述貼片式定位器為磁貼片式定位器或光學貼片式定位器。
4.根據權利要求1所述的非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，所述追蹤器為磁追蹤器或光學追蹤器。
5.根據權利要求1所述的非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，所述手術器械定位模塊為磁定位模塊或光學定位模塊。
6.根據權利要求1所述的非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，所述人體定位模塊為磁定位模塊或光學定位模塊。
7.根據權利要求1所述的非介入式微創手術導航系統，其特徵在於，所述非介入式微創手術導航系統設置有液晶顯 示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器，所述液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器與所述增強現實設備模塊連接。
【文檔編號】A61B19/00GK103479431SQ201310444482
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】王建軍, 朱青松, 樊建平, 嶽冰心, 謝耀欽 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院