CN103417295B - 手术导航系统及手术导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种手术导航系统及手术导航方法，用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，患者处于第一坐标系统中，手术导航系统包含：影像系统，用以撷取患者的影像，影像系统具有影像增强器，影像增强器上配置标记件；定位模块，用以识别标记件并获取第二坐标系统，第二坐标系统为影像增强器中的影像的坐标系统；影像传输服务模块，耦接于影像系统，用以传输患者的影像；以及导航模块，耦接于定位模块及影像传输服务模块，用以接收影像传输服务模块所传输的患者的影像，并基于第二坐标系统与第一坐标系统的坐标变换将手术器械的位置变换至第二坐标系统并实时显示在患者的影像中。本发明可提高注册精度及具有较高的临床应用价值。

Description

手术导航系统及手术导航方法

技术领域

本发明涉及医疗领域，特别是涉及应用于医疗的一种手术导航系统及手术导航方法。

背景技术

手术导航系统为医生提供了一个实时观察手术器械在患者中的位置的平台，有助于提高手术定位精度，减轻病人痛苦，减少手术时间等优点，因此得到广泛的应用。

传统的手术导航系统，其通过如下步骤来实现导航：

（1）首先在患者身体上放置标记点；

（2）用成像设备获取病人图像；

（3）将患者转移到手术室；

（4）采用基于标记点的注册算法对患者空间坐标和图像空间坐标进行注册；以及

（5）开始导航。

但是，对于传统的手术导航系统，其采用基于标记点的注册算法，以及其定位系统的本身误差，因此会在一定程度上影响到注册的精度；另，标记点放置位置也有较高的要求，增加了操作复杂度；再，成像和手术要在两个地点完成，相应地增加了手术的时间和复杂度，不利于紧急情况下的手术实施。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种手术导航系统，以提高注册的精度、降低操作复杂度及降低手术时间。

此外，还提供一种手术导航方法。

本发明的一方面提出了一种手术导航系统，用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，所述患者处于第一坐标系统中，包含：影像系统，用以撷取所述患者的影像，所述影像系统具有影像增强器，所述影像增强器上配置标记件；定位模块，用以识别所述标记件并获取第二坐标系统，所述第二坐标系统为所述影像增强器中的影像的坐标系统；影像传输服务模块，耦接于所述影像系统，用以传输所述患者的影像；以及导航模块，耦接于所述定位模块及所述影像传输服务模块，用以接收所述影像传输服务模块所传输的所述患者的影像，并基于所述第二坐标系统与所述第一坐标系统的坐标变换将所述手术器械的位置变换至所述第二坐标系统并实时显示在所述患者的影像中。

在本发明一实施方式中，所述手术导航系统还包含：数据库，耦接于所述影像传输服务模块与所述导航模块之间，用以储存所述患者的影像，并且，当所述影像传输服务模块通知所述导航模块获取所述患者的影像时，所述导航模块从所述数据库中获取所述患者的影像。

在本发明一实施方式中，所述影像传输服务模块将所述患者的影像转换为DICOM标准影像储存至所述数据库。

在本发明一实施方式中，所述定位模块具体用于：

当所述影像增强器处于第一位置时，所述定位模块识别所述标记件进行第一次定位以获取第一定位信息；

当所述影像增强器处于第二位置时，所述定位模块识别所述标记件进行第二次定位以获取第二定位信息；以及

根据所述第一定位信息及第二定位信息得到所述第二坐标系统。

在本发明一实施方式中，所述第一坐标系统及所述第二坐标系统为三维坐标系统。

在本发明一实施方式中，所述影像系统为X光机。

在本发明一实施方式中，所述X光机为C型臂X光机。

本发明的另一方面还提出了一种手术导航方法，用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，所述患者处于第一坐标系统中，包含：提供标记件，配置在影像增强器上；获取第二坐标系统，所述第二坐标系统对应于影像增强器中影像的坐标系统；根据所述第二坐标系统与所述第一坐标系统的位置关系计算注册变换；获取所述患者的影像；以及根据注册变换将所述手术器械的位置变换至所述第二坐标系统并实时显示在所述患者的影像中。

在本发明一实施方式中，获取所述第二坐标系统的步骤包含：

当所述影像增强器处于第一位置时，通过识别所述标记件进行第一次定位以获取第一定位信息；

当所述影像增强器处于第二位置时，通过识别所述标记件进行第二次定位以获取第二定位信息；以及

根据所述第一定位信息及第二定位信息得到所述第二坐标系统。

在本发明一实施方式中，所获取的所述患者的影像为DICOM标准影像。

由上可知，本发明所提出的手术导航系统及手术导航方法，通过在影像增强器上配置标记件，而不需在患者身体上放置标记点，通过识别标记件可确定影像的坐标系统，并且通过对患者的坐标系统与影像的坐标系统的位置关系进行注册，相对于传统的注册，可以减少操作复杂度，从而提高注册精度；此外，撷取影像和手术在同一位置完成，可减轻医生负担和患者痛苦，具有较高的临床应用价值。

附图说明

图1绘示了本发明一实施方式的手术导航系统的方块图；

图2绘示了图1中所示的影像系统110的一实施例的示意图；

图3A-图3D绘示了确定第二坐标系统的一实施例的各示意图；以及

图4绘示了本发明另一实施方式的手术导航方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域相关技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施方式的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

参照图1、图2及图3A-图3D，其中，图1绘示了本发明一实施方式的手术导航系统的方块图；图2绘示了图1中所示的影像系统110的一实施例的示意图；图3A-图3D绘示了确定第二坐标系统的一实施例的各示意图。

如图1所示，手术导航系统100包含影像系统110、定位模块120、影像传输服务模块130、导航模块140及数据库150。在本实施方式中，手术导航系统100可以用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，具体而言，在患者进行手术时，通过手术导航系统100，可以实现对手术器械进行实时导航。其中，患者处于第一坐标系统中，即此第一坐标系统为当患者在进行手术时所对应的坐标系统。较佳地，此第一坐标系统为三维坐标系统，但不以此为限。

影像系统110用以获取患者的影像。在一实施例中，影像系统110是C型臂X光机。

如图2所示，影像系统110为C型臂X光机，包含C型臂112、影像增强器114及标记件116。其中，影像增强器114固定在C型臂112的一端，标记件116配置在影像增强器114上，在本实施例中，标记件116为环体状，并套设在影像增强器116的一端。当然，影像系统110还可以包含其它元件，但为了描述简要，在此不再赘述。

定位模块120用以识别影像增强器114上的标记件116并获取第二坐标系统，此第二坐标系统与影像增强器114中的影像相对应，换言之，第二坐标系统为影像增强器114中的影像的坐标系统。同样，当第一坐标系统为三维坐标系统时，此第二坐标系统也为三维坐标系统。

对于第二坐标系统的确定，可通过如下步骤实现：

旋转C型臂112使影像增强器114处于第一位置，定位模块120通过识别标记件116对影像增强器114进行第一次定位以获取第一定位信息；再旋转C型臂112使影像增强器114处于第二位置，定位模块120通过识别标记件116对影像增强器114进行第二次定位以获取第二定位信息；然后，根据第一定位信息及第二定位信息得到第二坐标系统。

下面结合图3A-3D来对第二坐标系统的确定作详细描述。

首先，如图3A所示，旋转C型臂112使影像增强器114处于任一非起始位置（第一位置），通过定位模块120识别标记件116上标记点A1、A2，从而可以得到标记点A1、A2的坐标，根据标记点A1、A2的坐标可得到标记点A1、A2所构成的向量，从而得到平行于标记点A1、A2所构成的向量、并穿过影像增强器114的中心、与影像增强器114相垂直的向量a，且此向量a位于旋转平面（C型臂112所在平面）内。需说明的是，对于标记点A1、A2并不限定，因标记件116为环状设计，定位模块120可以识别与影像增强器114的轴向平行的标记件116上其它位置的另两个标记点。

然后，如图3B所示，旋转C型臂112使影像增强器114转至起始位置（第二位置），再次通过定位模块120识别标记点A1、A2，同理，可得到向量b，此向量b平行于标记点A1、A2所构成的向量，且穿过影像增强器114的中心及垂直于影像增强器114。此外，向量b也位于旋转平面内。

之后，如图3C所示，由于向量a和b都在旋转平面内，因此通过将向量a和向量b叉乘，即可获得旋转平面的法向量c。

继而，如图3D所示，由于影像增强器114中影像坐标系统（第二坐标系统）仅与影像增强器114所处起始位置有关，因此，这里可以将向量b和向量c视为影像坐标系统的坐标轴，然后将向量b和向量c进行叉乘得到向量d，从而得到影像坐标系统的另一坐标轴，藉此，可以将向量d、b及c分别作为影像坐标系统的X、Y及Z轴，从而确定了影像坐标系统，即第二坐标系统。

需说明的是，上述仅仅例举一种确定第二坐标系统的方法，但不以此为限，在其它一些实施例中，也可以通过其它方法来实现确定第二坐标系统。

影像传输服务模块130耦接于影像系统110，用以传输患者的影像。在一实施例中，影像传输服务模块130可以将患者的影像转换成医学数字影像和通信(Digital imaging and Communications in Medicine，DICOM)标准影像，再传输给导航模块140，即影像传输服务模块130通过DICOM协议传输影像，但需说明的是，在其它一些实施例中，影像传输服务模块130可以通过其它协议传输患者的影像，并可以将患者的影像转换成其它格式传输给导航模块140。

导航模块140耦接于定位模块120及影像传输服务模块130。其用以接收影像传输服务模块130所发送的患者的影像，还用以接收定位模块120所发送的第一坐标系统、第二坐标系统相关信息及手术器械的目标位置信息。

在本实施方式中，基于第二坐标系统与第一坐标系统的坐标变换将手术器械的位置变换至第二坐标系统并实时显示在患者的影像中，从而进行导航。具体而言，因手术器械所对应的坐标系为第一坐标系统，而要将手术器械的位置显示在患者的影像中，则需先进行坐标变换，即基于第二坐标系统与第一坐标系统的坐标变换。并且，可以将定位模块120所发送的手术器械的目标位置信息，进行坐标变换后并显示在影像中，之后导航模块140实时跟踪手术器械以将其实时位置显示在患者的影像中，藉此，可通过观察患者的影像以及手术器械的目标位置信息在患者的影像中的位置，移动手术器械使手术器械逐渐靠近目标位置，从而达成导航。

在本实施方式中，导航系统100还可以包含数据库150，该数据库150耦接于影像传输服务模块130与导航模块140之间，用以储存患者的影像，比如，可以储存经影像传输模块130转换后的DICOM标准影像。并且，当影像传输服务模块130通知导航模块140获取当前手术患者的影像时，导航模块140可以从数据库150中读取预先存储的该患者的影像。

参照图4，图4绘示了本发明另一实施方式的手术导航方法的流程图。

在本实施方式中，手术导航方法，用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，此患者处于第一坐标系统中，第一坐标系统，较佳地，为三维坐标系统。

下面将结合图1至图4对本实施方式进行详细说明。

首先，在步骤410中，提供标记件116（如图2所示），此标记件116，可以是配置在影像系统110中的影像增强器114上。

然后，在步骤420中，获取第二坐标系统。此第二坐标系统可通过如下实现：当影像增强器114处于第一位置时，通过识别标记件116进行第一次定位以获取第一定位信息；当影像增强器114处于第二位置时，识别标记件116进行第二次定位以获取第二定位信息；以及，根据第一定位信息及第二定位信息得到第二坐标系统。对于此步骤，可以通过定位模块120来识别标记件116来确定此第二坐标系统，具体过程，可以参照前述，在此不再赘述。

之后，在步骤430中，根据第二坐标系统与第一坐标系统的位置关系计算注册变换，即，通过第二坐标系统与第一坐标系统的位置关系来确定注册变换的相关参数，并且，将相关参数写入至导航模块140所在的主机中。

继而，在步骤440中，获取患者的影像，具体而言，可通过影像系统110（C型臂X光机）撷取患者的影像，并将此患者的影像通过影像传输服务模块130传输至导航模块140。此患者的影像可以是DICOM标准影像。

然后，在步骤450中，根据注册变换将手术器械的位置变换至第二坐标系统并实时显示在患者的影像中。再根据定位模块120所提供的手术器械的目标位置信息，可将目标位置显示在影像中，藉此，移动手术器械可使手术器械逐渐靠近目标位置，以达成导航。

由上可知，本发明所提出的手术导航系统及手术导航方法，通过在影像增强器上配置标记件，而不需在患者身体上放置标记点，通过识别标记件可确定影像的坐标系统，并且通过对患者的坐标系统与影像的坐标系统的位置关系进行注册，相对于传统的注册，可以减少操作复杂度，从而提高注册精度；此外，撷取影像和手术在同一位置完成，可减轻医生负担、缩短手术时间及减轻患者痛苦，具有较高的临床应用价值。

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 (6)

1.一种手术导航系统，用于对患者手术中所使用的手术器械进行导航，所述患者处于第一坐标系统中，其特征在于，包含：

影像系统，用以撷取所述患者的影像，所述影像系统具有影像增强器，所述影像增强器上配置标记件；

定位模块，用以识别所述标记件并获取第二坐标系统，所述第二坐标系统为所述影像增强器中的影像的坐标系统；

影像传输服务模块，耦接于所述影像系统，用以传输所述患者的影像；以及

导航模块，耦接于所述定位模块及所述影像传输服务模块，用以接收所述影像传输服务模块所传输的所述患者的影像，并基于所述第二坐标系统与所述第一坐标系统的坐标变换将所述手术器械的位置变换至所述第二坐标系统并实时显示在所述患者的影像中；

所述定位模块具体用于：

当所述影像增强器处于第一位置时，所述定位模块识别所述标记件进行第一次定位以获取第一定位信息，该第一定位信息为平行于所述标记件上的两个标记点所构成的向量、并穿过影像增强器的中心、与影像增强器相垂直的向量a；

当所述影像增强器处于第二位置时，所述定位模块识别所述标记件进行第二次定位以获取第二定位信息，该第二定位信息为平行于所述标记件上的两个标记点所构成的向量、并穿过影像增强器的中心、与影像增强器相垂直的向量b；以及

根据所述向量a及向量b得到所述第二坐标系统。

2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，还包含：

数据库，耦接于所述影像传输服务模块与所述导航模块之间，用以储存所述患者的影像，并且，当所述影像传输服务模块通知所述导航模块获取所述患者的影像时，所述导航模块从所述数据库中获取所述患者的影像。

3.根据权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述影像传输服务模块将所述患者的影像转换为DICOM标准影像储存至所述数据库。

4.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述第一坐标系统及所述第二坐标系统为三维坐标系统。

5.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述影像系统为X光机。

6.根据权利要求5所述的手术导航系统，其特征在于，所述X光机为C型臂X光机。