CN101869501A - 计算机辅助针刀定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机辅助针刀治疗的针刀定位系统，包括X光机、视频跟踪装置、计算机及存储在计算机内的图像控制操作软件构成。X光机成像装置采集图像后，其图像数据传输至计算机内，经图像控制处理系统处理后，为针刀治疗过程的可视化提供了图形基础，具有视频跟踪装置的定位仪采集到标志点位置和针刀位置，通过配准可以正确地显示针刀在个体化三维模型中的运行轨迹，最终实现针刀治疗过程的可视化。本发明综合利用了医学、机械学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科技术，解决了人体三维成像个体化和利用单幅图像实现针刀治疗过程位置跟踪的关键技术，实现了针刀治疗过程的可视化，在尽量不增加医疗费用的前提下，较为显著减少了手术过程中的盲视，提高了针刀治疗的手术安全性。

Description

计算机辅助针刀定位系统

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别是涉及一种借助于计算机及其控制操作软件来辅助医生对人体软组织进行针刀治疗的计算机辅助针刀定位系统。

背景技术

使用针刀进入人体皮肤，以治疗软组织损伤，相对于其他疗法具有治愈率高、创伤小的明显优势。然而由于针刀治疗采用的闭合性手术入路，难度相对来说比较大，它是建立在对治疗部位的精确定位的基础上的，这种定位不仅平面要定位，而且要立体定位。但目前医生的进针过程局限于平面定位，在“盲视”下，根据经验体会针刀进入体内的位移等各种变化，针具及周围组织情况均不可见，具有危险性因素，阻碍针刀疗法的普及。基于此，在对人体组织实施针刀治疗时，对针刀的位置作准确、实时的定位显得更加重要。

现有技术中，例如授权公告号为CN1203435C的中国专利申请，其所涉及的是一个计算机辅助髓内钉远端锁定系统，是应用于骨科手术中髓内钉的固定的。然而作为本领域公知的，由于软组织和骨部组织的不同，软组织结构的复杂性使其相对于骨部组织实现准确定位变得更加困难。

现有技术中还存在有基于CT、MRI成像的手术导航系统，可以实现计算机辅助定位，然而由于CT、MRI设备的昂贵，使得这种手术导航系统难以在基层推广。

与前述的现有技术相比，本发明实现针刀的操作过程可视化的方式具有成本低、利于推广等优点。且本发明可以解决正确实施针刀治疗软组织损伤进针入路等技术问题。

发明内容

本发明以中国数字人数据集为图像数据源，利用组织分割与模型融合技术，基于视频相机的目标跟踪技术，记录各个目标的空间姿态和运动轨迹，实现在三维环境下实时跟踪针刀的实际运动情况。

本发明提供了一种对人体肌肉组织进行针刀治疗的计算机辅助针刀定位系统，包括：一针刀，用于切入手术对象的肌肉组织，以实施针刀治疗，所述针刀具有一用于跟踪的标记；X光成像装置，用于获取所述手术对象的待治疗部位的X光图像；视频照相跟踪装置，其用于在进行针刀切入待治疗部位的皮肤表面后，根据所述针刀的标记，实时跟踪针刀的位置信息和运动情况；万向支架，用于承载所述视频照相跟踪装置；存储装置，用于存储图像数据，所述图像数据包括中国数字人图像数据集；计算单元，其包括三维重构模块，三维模型个体化模块，配准模块；其中，所述三维重构模块，对所述中国数字人图像数据集中的断层图像进行三维重构，得到标准三维模型；所述三维模型个体化模块，基于手术对象的待治疗部位的X光图像数据与数字人标准三维模型中的相应部位，生成手术对象的个体化三维模型；所述配准模块，根据所述视频照相跟踪装置跟踪的所述位置信息和所述运动状况，以及根据所述个体化三维模型进行配准，以确立所述针刀在个体化三维模型中的位置；显示装置，用于实时显示经配准后的所述针刀的位置，以反映所述针刀在所述人体肌肉组织中的运动情况。

其中，所述的视频照相跟踪装置，是Micron Tracker2视频跟踪设备，该设备在连接之后可以实时跟踪黑白相间的标记。

为了配合视频照相跟踪装置，将所述用于切入人体组织的针刀的尾部设置黑白相间的标记，以利于跟踪定位。

所述视频照相跟踪装置，被置于万向支架上，是定位仪的主体，在使用时其定位、转向、移动更加方便。

其中，计算单元还包括：

图像预处理模块：采用形态学方法从中国数字人数据集图像上分割出肩部不同组织的轮廓特征；

位置跟踪模块：采用双目视频跟踪相机实时采集目标的位置信息；

人机交互模块：利用组织的三维模型和获得的轨迹信息，得出针刀治疗过程的相关参数及基于模型的针具三维空间定位，开发人机界面友好的操作接口。

附图说明

图1是本发明的系统的整体结构示意图。

图2是本发明中的系统在进行针刀治疗时的示意图。

图3是本发明中系统的工作流程图。

图4是本发明主要部件单元构成图。

图5是计算单元的模块构成图。

图6是数字人数据集中肩部的原始断层图像。

图7是手术三维导航的图像配准流程图。

图8是本发明的系统中所使用的针刀图片。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明的计算机辅助针刀定位系统包括定位座椅1，X光机2，X光机后台设备3，计算机4，视频跟踪定位仪5。在使用时，首先按规定姿态由X光机2对手术对象进行X光成像，X光机后台设备3获得手术对象的X光图像并通过网络传送给计算机4，由计算机4调用其中的功能模块，实现手术对象三维模型生成。通过视频跟踪定位仪5获得手术对象皮肤上的marker点坐标和针刀坐标，并送入计算机4，调用其中的功能模进行空间配准，让针刀与手术对象三维模型能合理的同时显示出来，并进行针刀运动跟踪等功能。为使用方便，可将所述视频跟踪定位仪5置于万向支架上。

图2中示出了使用本发明的系统进行针刀治疗的场景，其中通过本发明特制的针刀，对手术对象的肩部施针。所使用的针刀尾部具有黑白相间的标记，可被视频跟踪定位仪5监测到位置信号，所述位置信号经处理，与手术对象的肩部三维模型配准，并将配准后的图像实时显示在显示装置上，以供进行手术的医生参考。

图4中显示了整个系统的各个主要部件。其中计算单元作为核心部件，分别与存储装置、视频跟踪相机、用户交互接口以及显示装置相连。

图5中示出了核心部件计算单元的多个功能模块。其中，

图像预处理模块，该模块对中国数字人数据集的断层图像进行预处理，本发明采用的数字人数据集是关于肩部切片的断层图像，其原始图像如图6所示，从图中可以看出，这种彩色断层图像骨骼和肌肉色彩相近，边缘不连续，同一张图像上，骨膜、韧带、肌肉及血管彼此交错比邻，色彩连通，缺少达到计算机自动分割的理想边缘。针对上述特点，本发明的图像处理模块采用了半自动分割人机交互方式，利用photoshop工具以及系统内置分割模块进行手动或自动勾画，并在此基础上进行轮廓提取及相关信息处理。

三维重建模块，该模块对经图像处理模块处理的图像数据进行三维重构，形成基于数字人数据集的肩部骨骼肌肉的三维模型。其重建算法是轮廓拼接三维重建算法。该方法中采用轮廓线提取的方法来获得肢体各层的轮廓线，在三维重建时，通过定义“复杂网格”类C3DComplexGrid，来表示每个肢体部件，例如肩胛骨、肱骨以及斜方肌都是一个“复杂网格”对象，每个C3DComplexGrid包含着若干个子网格C3Dobject，例如肱骨只包含一块子网格，而肩胛骨则包含11块子网格，“复杂网格”由子网格分裂拼接而成。三维重建时，需要找出上下两轮廓线内各点间对应关系，根据关系来组建面片完成表面重建。

个体化三维模型(STL模型)生成模块。为了降低成本，推广针刀手术定位的应用，本发明基于手术对象的肩部X光图像数据与数字人三维重建肩部模型，生成STL模型，作为手术对象的个性化模型，用于针刀治疗过程定位。本发明的STL模型生成模块是采用特征点的模型形变方法生成的，该生成过程是：首先获取三维重建模块生成的初始化标准模型，对该标准模型进行特征点定制，最后根据特征点进行morph变形。所述的特征点包括具有医学意义的医学特征点，例如肩锁关节点SJP，肱颈上点GNUP，肱纵下点GZDP，肩外点JOP等；也包括利于计算的辅助特征点，所述辅助特征点是为了方便morph变形而人为标出的。

配准模块。通过该模块将虚拟空间和实际手术对象联系起来，这样才能将实际空间的操作影射到虚拟空间中去，从而引导医生完成手术。本发明的配准模块是采用基于X光片的4点2D/3D空间配准算法。通过三维重建后的三维模型是一种表面模型，利用X光片上的标记点并通过射线求交原理求得三维模型目标区域表面的4个标记点的三维坐标集合P。同时我们用双目视觉定位仪一次性获得实际手术对象皮肤上所带marker在实际工作空间内的三维坐标集合Q。然后利用4点2D/3D空间配准算法可以求出Q到P的配准矩阵。

图7中示出了本发明的配准模块进行针刀治疗三维导航的配准流程，其中为了有效提高配准精度，将配准分为初配准、手工精配准两步进行。

位置跟踪模块。用于和双目视频跟踪装置进行信息交互，处理针刀尾部的位置数据，并将其转化成针尖的位置数据。

人机交互模块。用于在计算机和操作者/医生之间进行交互使用，用于X光片特征点标注、手术路径规划、场景显示方式切换等需人机交互的功能。常见的，该模块可以通过触摸屏、鼠标、键盘以及对应的软件来实现。

下面结合图3，对本发明的系统的工作流程作一个说明，该流程说明以对肩部的软组织进行针刀治疗为例：

首先，使用X光机2对手术对象拍摄肩部X光片，并从X光机后台设备3载入手术对象的肩部的X光图像数据(步骤S1)，将所述X光图像数据在计算机4的屏幕上显示出来，然后在计算机4的屏幕上通过用户交互接口以及用户交互模块来标注X光图像上的特征点(步骤S2)，从存储装置获取标准数字人模型及其特征点(步骤S3)，通过morph变形算法计算对应于手术对象的个性化参数，获得手术对象的肩部的个体化三维模型(步骤S4)。

接下来，在步骤S5，根据术前医生的诊断结果，在X光片上确定病灶的位置和手术路径，手术路径应该尽量符合使损伤减至最小的原则。

然后打开双目视频照相跟踪装置(步骤S6)。本系统采用的视频跟踪设备是Micron Tracker2视频跟踪设备，该设备在连接之后可以实时跟踪黑白相间的标记，而相应的，在待跟踪的针刀的尾部设置黑白相间的标记(如图8所示)，以利于被视频跟踪设备跟踪。

然后，加载步骤S4中生成的STL模型(S7)，对所加载的STL模型进行空间配准以准确定位(S8)，装载之前设定的进针路径(S9)，然后开始进刀，进刀的过程中，针尖的运动位置可以经由视频跟踪装置监测跟踪，并实时的将针尖的位置经过配准矩阵转换后与STL模型一起共同显示在显示装置上，从而开始针刀跟踪导航(S10)。

本发明的对人体组织实施针刀治疗的计算机辅助针刀定位系统，综合利用了三维重建技术、实时导航技术、以及STL模型生成技术，解决了针刀治疗的安全性问题，使治疗过程可视化，且成像过程快速，成本低廉，具有极高的性价比和推广应用价值。

Claims (5)

1.一种用于对人体肌肉组织进行针刀治疗的计算机辅助针刀定位系统，包括：针刀，用于切入手术对象的肌肉组织，以实施针刀治疗，所述针刀具有一用于跟踪的标记；

X光成像装置，用于获取所述手术对象的待治疗部位的X光图像；

视频照相跟踪装置，其用于在进行针刀切入待治疗部位的皮肤表面后，根据所述针刀的标记，实时跟踪针刀的位置信息和运动情况；

万向支架，用于承载所述视频照相跟踪装置；

存储装置，用于存储图像数据，所述图像数据包括中国数字人图像数据集；

计算单元，其包括三维重构模块，三维模型个体化模块，配准模块；其中，所述三维重构模块，对所述中国数字人图像数据集中的断层图像进行三维重构，得到标准三维模型；

所述三维模型个体化模块，基于手术对象的待治疗部位的X光图像数据与数字人标准三维模型中的相应部位，生成手术对象的个体化三维模型；所述配准模块，根据所述视频照相跟踪装置跟踪的所述位置信息和所述运动状况，以及根据所述个体化三维模型进行配准，以确立所述针刀在个体化三维模型中的位置；

显示装置，用于实时显示经配准后的所述针刀的位置，以反映所述针刀在所述人体肌肉组织中的运动情况。

2.如权利要求1所述的计算机辅助针刀定位系统，其特征在于，所述视频照相跟踪装置是Micron Tracker2视频跟踪设备。

3.如权利要求1-2任一项所述的计算机辅助针刀定位系统，其特征在于，所述针刀尾部的标记是黑白相间的标记。

4.如权利要求1-3任一项所述的计算机辅助针刀定位系统，其特征在于，所述计算单元还包括：图像预处理模块。

5.如权利要求1-4任一项所述的计算机辅助针刀定位系统，其特征在于，所述计算单元还包括：位置跟踪模块和人机交互模块。

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