CN102512246B

CN102512246B - 手术导航系统及方法

Info

Publication number: CN102512246B
Application number: CN201110435628.0A
Authority: CN
Inventors: 熊骏; 辜嘉
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Zhuhai Zhongke Advanced Technology Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: CN102512246A

Abstract

一种手术导航系统，包括三维图像成像装置、超声波扫描装置及处理装置；三维图像成像装置用于获取病人手术前的病变区的三维立体图像；超声波扫描装置用于实时获取病人手术中的病变区的超声波图像；处理装置与所述核磁共振成像装置及超声波扫描装置通讯连接，用于将所述三维立体图像与所述超声波图像进行配准，并将配准后的融合图像输出。上述手术导航系统将手术中的实时图像与手术前的三维立体图像相融合，使病变区域和手术器械的位置均可清晰的显现，并以融合后的图像作为手术指引，从而较为精确地引导手术。本发明还提供一种手术导航方法。

Description

手术导航系统及方法

【技术领域】

本发明涉及一种医疗器械领域，特别是涉及一种手术导航系统及方法。

【背景技术】

目前国内很多手术，诸如肾结石手术等，都是在手术前，拍摄X光片或核磁图片，医生根据医学这些影像寻找并记录结石或病变的具体位置，然后规划手术方案，最后在没有图像导引的情况下，由医生手持手术设备凭经验确定病变位置进行手术，即“盲操作”。“盲操作”存在风险极大，手术成功率低，手术创口多，手术时间长等诸多问题，亟待解决。

就肾结石消石手术为例，目前国内医院的通用做法是：先进行核磁扫描，医生通过核磁图像计算出出结石位置，由此确定穿刺的方向，穿刺的深度等信息。然而在手术过程中，由于病人的呼吸，人体的移动，结石位置会发生较大变化，医生只有凭经验估计结石位置，或者扩大穿刺孔通过肉眼观察结石，前者很容易造成穿刺过深，刺破血管，后者则会扩大创面，给病人造成更大的痛苦。

【发明内容】

鉴于上述状况，有必要提供一种较为精确地引导手术的手术导航系统及方法。

一种手术导航系统，包括：

三维图像成像装置，用于获取病人手术前的病变区的三维立体图像；

超声波扫描装置，用于实时获取病人手术中的病变区的超声波图像；及

处理装置，与所述三维图像成像装置及超声波扫描装置通讯连接，用于将所述三维立体图像与所述超声波图像进行配准，并将配准后的融合图像输出。

进一步地，还包括显示装置，用于将所述配准后的融合图像显示出来而用以引导手术。

进一步地，所述三维图像成像装置为电子计算机X射线断层扫描装置或核磁共振成像扫描装置。

进一步地，所述三维图像成像装置为电子计算机X射线断层扫描装置，所述处理装置获取病人手术前的病变区的核磁图像，并重建所述核磁图像而形成所述三维立体图像。

进一步地，还包括：

手术器械，用于对病人进行手术；

机械手，用于控制所述手术器械；及

机械手控制箱，与所述机械手通讯连接，所述处理装置通过所述机械手控制箱来控制所述机械手。

进一步地，还包括与所述处理装置通讯连接的远程控制手柄，通过所述远程控制手柄可控制所述机械手。

进一步地，还包括光学定位装置，用于获取所述机械手的位置信息。

一种手术导航方法，包括如下步骤：

获取病人手术前的病变区的三维立体图像；

实时获取病人手术中的病变区的超声波图像；及

将所述三维立体图像与所述超声波图像进行配准，并将配准后的融合图像输出。

进一步地，还包括根据所述配准后的融合图像控制所述机械手进行手术的步骤。

进一步地，所述根据所述配准后的融合图像控制所述机械手进行手术的步骤进一步包括：

根据所述配准后的融合图像确定所需手术的位置信息；

获取所述机械手当前的位置信息；及

根据所述手术的位置信息确定所述机械手所需移动的方向及距离。

上述手术导航系统将手术中的实时图像与手术前的三维立体图像相融合，使病变区域和手术器械的位置均可清晰的显现，并以融合后的图像作为手术指引，从而较为精确地引导手术。

【附图说明】

图1为一实施方式的手术导航系统的模块图；

图2为另一实施方式的手术导航系统的模块图；

图3为图2所示手术导航系统的示意图；

图4为一实施方式的手术导航方法的流程图；

图5为图4所示的手术导航方法中的步骤三的流程图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明较佳实施方式一的手术导航系统100包括三维图像成像装置110及超声波扫面装置120及处理装置130。

三维图像成像装置110用于获取病人手术前的病变区的三维立体图像。三维图像成像装置100可以为电子计算机X射线断层扫描装置（CT）或核磁共振成像扫描装置（MRI）。在进行手术之前，需要通过三维图像成像装置110对病人的病变区进行拍照，在计算机上重建后获取病人在手术前的三位立体图像，以供医生确定手术方案。以肾结石消融手术为例，在进行手术之前，需要通过核磁共振成像扫描装置对病人的肾脏进行拍摄，以获取肾脏的三维立体图像。此时通过肾脏的三位立体图像可以清楚地得知肾结石的具体位置。医生根据肾脏的三维立体图像规划技术路径，选择穿刺点，初步确定穿刺深度。

超声波扫描装置120用于实时获取病人手术中的病变区的超声波图像。目前医疗影像设备获取设备有核磁，CT，X光、超声等几大类，其中核磁和CT采集和处理图像速度慢，不适合手术中实时采集图像；X光辐射太强，不适宜长时间使用；超声采集图像快，实时性强。因此采用超声波扫描装置120可快速地获得病人在手术中的病变区实时图像。

处理装置130与三维图像成像装置110及超声波扫描装置120通讯连接，用于将三维立体图像与超声波图像进行配准，并将配准后的融合图像输出。处理装置130可以表示为一个或多个通用的处理器（例如，微处理器）、专用处理器例如数字信号处理器（DSP）或其他类型的装置。图像配准方法可划分为单峰（或模内）及多峰（或模间）配准。在单峰配准的应用中，被配准的图像属于同一种形式，且相反地，在多峰应用中，被配准的图像源自不同的形式。由于相同形式的图像间的高度的类似性，解决单峰配准通常比多峰应用简单一个数量级，尤其是在可变性的变换中，

上述手术导航系统100将手术中的实时图像与手术前的三维立体图像相融合，使病变区域和手术器械的位置均可清晰的显现，并以融合后的图像作为手术指引，从而较为精确地引导手术。

请参阅图2及图3，本发明较佳实施方式二的手术导航系统200与实施方式一的控制系统100基本相似，其包括三维图像成像装置210及超声波扫面装置220及处理装置230，其不同之处在于：手术导航系统200还包括显示装置240、机械手控制箱250、机械手260及手术器械270。

显示装置240用于将配准后的融合图像显示出来而用以引导手术。显示装置240可以为阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）等。

机械手控制箱250与机械手260通讯连接，处理装230置通过机械手控制箱250来控制机械手260。机械手260用于控制手术器械270。手术器械270用于对病人进行手术，其可以为常见的医疗手术用具，例如，手术刀、电刀等

需要说明的是，在本发明中“机械手”指常见的医疗机器人，例如，三轴机器人、五轴机器人、六轴机器人等。

另外，当需要手动操作对病人进行手术时，手术导航系统200还包括远程控制手柄280。远程控制手柄280与处理装置230通讯连接，通过远程控制手柄280可控制机械手。

手术导航系统200还包括光学定位装置290，用于获取机械手260的位置信息。手术导航系统200可实时地获取机械手260的位置信息，并将机械手260的位置信息反馈到处理装置230。

下面以肾结石消融手术为例，来阐述手术导航系统200如何来引导手术。

在手术前通过核磁共振成像扫描装置（三维图像成像装置210）例如先对肾脏进行扫描，经处理装置230处理获得三维的肾脏立体图像，结石也清晰的显示在立体图像中。在穿刺手术中，通过超声波扫面装置220实时获得病变区的超声波图像，并与手术前获得的肾脏立体图像进行配准，以获得配准后的融合图像。借助配准后的融合图像，确定结石的准确位置，然后通过机械手控制箱250来控制机械手260，通过穿刺孔放入电刀。

在上述实际应用中，超声波图像实时给出了结石的具体位置，而核磁图像起到了锐化图像的功能，使融合后的图像更加清晰，结石和人体组织更清晰。

请参阅图4，本发明较佳实施方式的手术导航方法，包括如下步骤S401～S403。

步骤S401，获取病人手术前的病变区的三维立体图像。在本实施方式中，在手术前通过三维图像成像装置210对病人进行照射，并将获取的图像输入处理装置230，经过重建后得到病变区的三维立体图像。

步骤S402，实时获取病人手术中的病变区的超声波图像。在本实施方式中，通过超声波扫面装置220实时扫面病人，以获得病变区的超声波图像。

步骤S403，将三维立体图像与超声波图像进行配准，并将配准后的融合图像输出。在本实施方式中，通过处理装置230将病变区的超声波图像与三维立体图像进行配准。

在本实施方式中，采用多模态图像配准方法，其包括以下步骤：

步骤a，将参考图像和待配准图像按照第一采样比例进行采样获取具有第一分辨率的参考图像和待配准图像。

在本实施例中，步骤a中对参考图像和待配准图像按照采样比例进行采样的步骤具体包括：

①将所述参考图像和待配准图像的像素灰度值进行归一化。

②以采样比例对256个灰度级进行采样。

在本实施例中，采样的方法采用如下方式之一：随机采样、等间隔采样以及金字塔分层采样。优选地，采用金字塔分层采样。

图像配准是对取自不同时间、不同传感器或者不同视角的同一场景的多幅图像匹配的过程。一般来说，CT图像和MRI的原始图像分辨率都可以达到1518*1092的高分辨率。因此将图像的像素灰度值进行归一化，以一定比例对全部256个灰度级的数据采样，并采用采样子集代替所有像素数据计算相似性测度，即每一次的配准采用不同的图像分辨率。

在本实施例中，在每次采用不同分辨率配准过程中都采用3次B样条曲面作为空间转换函数，且根据不同尺度的配准需要，可以在每层的配准过程中采用大小不同的B样条曲面作为变形模型。优选地，采用5*5和10*10大小的两种B样条曲面作为变形模型。

步骤b，采用B样条曲面作为变形模型对所述具有第一分辨率的参考图像和待配准图像进行配准、计算配准测度并获得第一配准参数。

在本实施例中，计算配准测度的步骤中：采用归一化的互信息值作为配准测度。

互信息是信息理论中的一个基本概念，用于描述两个系统间的统计相关性，或者是一个系统中所包含的另一个系统中信息的量。其中，在配准测度中，由于方差和均方差是测度数据变异程度的最重要、最常用的指标，因此常采用归一化的形式。

步骤c，增大采样比例重复上述步骤直至配准测度达到预设阈值；其中，每次增大采样比例后进行配准时均以上一次的配准参数为初始配准参数。

将上一次的配准参数作为下一次的初始配准参数，能够提高两次配准的连续性和稳定性。

在本实施例中，采样及配准的步骤重复1次，其中，第一采样比例为0.3，重复采样比例为0.6。

配准测度达到预设阈值时，将参考图像与待配准图像进行绝对配准，其中在绝对配准中定义B样条控制网格。当参考图像与待配准图像的配准参数间的差值在±5%之间时，认为配准测度达到预设阈值。具体地，采用B样条网格控制区域的方法步骤包括：

①选取参考图像中的感兴趣区域，得到其像素信息，并将像素信息映射到待配准图像的对应区域，同时控制B样条网格变化。

②将变化后的网格控制区域进行优化计算，达到匹配阈值后嵌入到待配准图像中。

上述多模态图像配准方法，采用多层分辨率图像配准实现方法，同时以B样条曲面作为变形模型，能够快速准确的将参考图像与待配准图像找到两者的配准测度阈值，实现准确的图像配准。

步骤S404，根据配准后的融合图像控制机械手进行手术的步骤。请参阅图5，在本实施方式中，步骤S404进一步包括：

步骤S4041，根据配准后的融合图像确定所需手术的位置信息；

步骤S4042，获取机械手当前的位置信息；及

步骤S4043，根据手术的位置信息确定机械手所需移动的方向及距离。

与现有的最好方法相比，上述手术导航方法至少具有以下优点：

（1）上述手术导航方法不使用X光，安全，超低辐射。

（2）上述手术导航方法基于良好的图像配准算法，引导手术的配准图像兼具清晰度和实时性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种手术导航系统，其特征在于，包括：

处理装置，与所述三维图像成像装置及超声波扫描装置通讯连接，用于将所述三维立体图像与所述超声波图像进行配准，并将配准后的融合图像输出；

所述手术导航系统还包括显示装置，用于将所述配准后的融合图像显示出来而用以引导手术；

所述三维图像成像装置为电子计算机X射线断层扫描装置或核磁共振成像扫描装置，所述处理装置获取病人手术前的病变区的核磁图像，并重建所述核磁图像而形成所述三维立体图像；

所述手术导航系统还包括手术器械、机械手及机械手控制箱，所述手术器械，用于对病人进行手术，所述机械手，用于控制所述手术器械，所述机械手控制箱，与所述机械手通讯连接，所述处理装置通过所述机械手控制箱来控制所述机械手；

所述手术导航系统还包括与所述处理装置通讯连接的远程控制手柄，通过所述远程控制手柄可控制所述机械手；

所述手术导航系统还包括光学定位装置，用于获取所述机械手的位置信息;

其中，所述处理装置采用多模态图像配准方法将所述三维立体图像与所述超声波图像进行配准，其包括以下步骤：

步骤a，将参考图像和待配准图像按照第一采样比例进行采样获取具有第一分辨率的参考图像和待配准图像，其中，将所述参考图像和待配准图像的像素灰度值进行归一化，并以第一采样比例对256个灰度级进行采样，采样方式为随机采样、等间隔采样或金字塔分层采样；

步骤b，采用B样条曲面作为变形模型对所述具有第一分辨率的参考图像和待配准图像进行配准、计算配准测度并获得第一配准参数，其中，采用归一化的互信息值作为配准测度；

步骤c，增大采样比例重复上述步骤a及步骤b直至配准测度达到预设阈值，每次增大采样比例后进行配准时均以上一次的配准参数为初始配准参数，配准测度达到预设阈值时，将参考图像与待配准图像进行绝对配准，其中在绝对配准中定义B样条控制网格，当参考图像与待配准图像的配准参数间的差值在±5%之间时，认为配准测度达到预设阈值。