CN103479431A - 非介入式微创手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，具体公开了一种非介入式微创手术导航系统。该系统包括术前数据模块、术中数据模块、定位模块和导航模块，所述术前数据模块分别与术中数据模块、导航模块连接，定位模块与导航模块连接；所述术中数据模块包括依次连接的定位器阵列、追踪器、位姿编码模块和位姿查找表；所述定位器阵列为含有至少3个位姿定位器的阵列。本发明不需要借助介入式设备获取信息而进行辅助性的手术导航。由于本发明术前采集了病人的动态数据，据此生成的建模数据将更加精准，为医生提供的导航精度更高。本发明不会对人体产生有害的辐射，在降低了系统成本的同时减轻了微创手术对医生的伤害，利于微创手术的推广。

Description

非介入式微创手术导航系统

【技术领域】

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种非介入式微创手术导航系统。

【背景技术】

人体是一个实时变动的弹性体，各个脏器及病灶会产生实时位移，在临床上医生需要手术导航系统实时呈现手术中的相关信息。计算机辅助手术系统是20世纪90年代初在欧美发达国家首先进入临床应用的为外科医生提供手术导航的先进医疗设备，手术导航系统将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。

目前临床上使用手术导航系统主要有两种：一种是仅依靠术前的CT、MRI影像进行术中的导航，这类手术导航系统存在的问题是很难实时的跟踪和反映具有弹性的人体组织或器官，术前的医学影像数据与术中实际情况无法完全匹配。另一种是将术前的静态CT、MRI影像与术中的实时医学影像(X光或超声成像)进行配准、融合后，再进行图像引导的手术导航。术中人体组织或器官会在呼吸过程中产生实时的位移和形变，病灶也会产生实时位移和形变，使用动态配准时会面临超大的计算量，信息不能实时获取，从而影响手术导航系统的精确性。第一种单纯使用术前静态CT和MRI数据，不能反应体内脏器的运动，可能产生错误信息；第二种使用C型臂等辅助定位设备，术中进行成像与术前数据进行配准，这种方法存在着X射线辐射的副作用，对医生和患者都有很大影响，而且在需要多平面视图观察器械位置时，医生需要反复调节C型臂位置进行扫描定位，造成手术的等待中断，且由于配准时计算量比较大，一般计算机很难实现实时配准显示。

手术导航的难点主要有两个：一个是提供人体在手术时不同时刻的器官位置数据，要实时准确地从术前数据中提取到当前状态的有效数据；第二个是系统实时性要好，体现在系统要能实现人体定位和手术器械定位，并根据建模信息进行相应的图像显示，实时便捷地显现给手术医生。

专利申请200410053055.5公开了一种手术导航方法，其使用待手术区的基准定位标志统一建模，然后通过手术器械定位与基准定位标志的位置变化，构建器械、病灶一体的数字模型，并基于此模型提供手术导航。但是将病灶的运动简化为基准定位标志的运动，并依此进行病灶的导航，因为病灶并不固连在基准定位标志上，所以必然存在较大的定位误差。

专利200910045399.4公开了一种微创手术导航系统，其利用机器视觉和三维立体定位技术对手术器械进行定位和导航，克服了现有微创技术中静态CT信息与动态脏器位置不匹配的缺陷。其中提到使用内窥镜为主体的机器视觉导航模块，使用内窥镜追踪目标区信息，从而获取相应的信息。但是，以内窥镜为主体的机器视觉模块对手术进行介入式导航，需要在病人身体上打开介入创口，不符合目前微创手术对病人产生最小伤害的初衷，且其对手术器官活动的影响是未知的；在需要内窥镜在自然腔道内引导的手术中，将会破坏相应器官的原始形状，导致与建模初始信息存在差别从而产生误差；最重要的是，内窥镜等介入式设备会影响手术的施展空间，甚至可能会干扰到医生的正常手术。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种非介入式微创手术导航系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种非介入式微创手术导航系统，包括术前数据模块、术中数据模块、定位模块和导航模块，所述术前数据模块分别与术中数据模块、导航模块连接，定位模块与导航模块连接。

所述术前数据模块包括依次连接的3D数据库、文件查找表和输入输出模块。术前数据模块的主要功能是负责重建4D CT，在一个呼吸周期内的每隔0.1s重建出一个相应时刻的3D数据，并根据成像时刻进行3D数据库存档，文件查找表是根据术中数据模块提供的记录时刻来定位要提取文件在3D数据库的位置。输入输出模块可用来进行数据的录入在请求提取数据查找完毕后提供文件输出功能。

所述术中数据模块包括依次连接的定位器阵列、追踪器、位姿编码模块和位姿查找表；位姿查找表与所述文件查找表连接。术中数据模块的主要功能是追踪器追踪定位器阵列状态，由位姿编码模块生成编码，使用此编码根据位姿查找表查找定位器阵列此时的状态编码所对应的术前记录时刻。位姿查找表中预先存放的是与动态CT扫描同步进行的定位器阵列状态连续追踪所生成的编码序列，其每个编码对应着的记录时刻与造影时刻是一致的(这里需要所有的系统时间系统要是完全同步的)。

所述定位器阵列优选为含有至少3个位姿定位器的阵列；

所述位姿定位器优选为贴片式体外定位器；

所述贴片式定位器优选为磁贴片式定位器或光学贴片式定位器。

所述定位器阵列优选设置在随呼吸变化较大的部位；

所述随呼吸变化较大的部位优选为胸部靠下的肋骨或胸骨上。

所述定位模块包括依次连接的手术器械定位模块、人体定位模块、增强现实设备定位模块和追踪器。定位模块的主要功能是提供手术器械定位模块、人体定位模块和增强现实设备模块在统一坐标系下的位姿，用于导航模块的相关运算及显示。

所述追踪器优选为磁追踪器或光学追踪器。

所述手术器械定位模块优选为磁定位模块或光学定位模块。

所述人体定位模块优选为磁定位模块或光学定位模块。

所述人体定位模块优选设置于不随人体呼吸运动的区域；

所述不随人体呼吸运动的区域优选为髋骨或肩部关节。

所述导航模块包括依次连接的图像叠加模块、图像运算模块、图像勾画模块和增强现实显示模块；图像叠加模块分别与所述手术器械定位模块、人体定位模块连接。导航模块的主要功能是图像叠加模块通过人体和手术器械的定位来进行三维模型的虚拟化，图像运算模块则基于虚拟场景进行图像去噪、图像增强的运算；图像勾画模块用于术前将病灶及附近手术需要注意的血管神经或脏器勾画出来；增强现实显示模块将通过处理的图像显示出来，若显示模块选用穿戴式智能眼镜或增强现实头盔，则该显示的效果是经过图像勾画、去噪和增强的图像与真实场景相重合，使得医生可以迅速获取实时直观的手术导航信息。

所述非介入式微创手术导航系统优选设置有液晶显示器、可以透视的智能眼镜或可以透视的头盔显示器，所述液晶显示器、可以透视的智能眼镜或可以透视的头盔显示器与所述增强现实设备模块连接。液晶显示器、可以透视的智能眼镜或可以透视的头盔显示器的主要功能是用于实时显示人体三维体数据和手术器械的实施位置。

本发明的发明机理为：

在患者身体上贴附人体定位模块和定位器阵列，4D CT扫描和定位器阵列位姿组合追踪同时进行，将CT数据按照成像时刻来重建，每过一个时间间隔(建议间隔0.1s)重建出对应时刻的三维体数据模型，实时追踪的定位器位姿序列则通过相对应的时间间隔进行编码存档。其中三维体数据要经过术前手术规划的处理，利用系统的导航模块中的图像勾画模块用于术前将病灶及附近手术需要注意的血管神经或脏器勾画出来，并存入3D数据库内。定位器阵列的位姿状态组合信息放入位姿查找表内。

人体定位模块应固定在不随人体呼吸运动的区域如髋骨和肩部关节等处，定位器阵列应尽量固定在随呼吸变化较大的部位如胸部靠下的肋骨或胸骨上。

关于定位器位姿序列的编码方式可以自定，此处提供一种四个位姿定位器的一种编码方法：由于位姿具有方向性，此处的四个定位器均可识别，分别编号A1、A2、A3、A4，，此种编码方式按照“A1-A2”、“A2-A3”、“A3-A4”方式进行编码，其中“A？-A？”代表的是两个定位器之间的空间位姿关系，最简单的一种可以直接使用坐标转换矩阵，但是这种编码方式检索不便，可以使用“x-y-z”的空间角的记录方式进行存储，这样的好处是在没有精确数据吻合时可以使用一个最近似的数据进行替代，从而产生最接近状态的检索结果，避免因为不连续的取样造成的检索失败，而且这种最接近的检索结果反映到医学图像采集时间上最多误差0.05s，是完全可以接受的。

术中数据模块的追踪器追踪定位器的位姿状态由位姿编码模块生成编码使用此编码根据位姿查找表查找定位器阵列此时的状态编码所对应的术前数据记录时刻；术前数据模块的文件查找表根据术中数据模块所提供的记录时刻来定位要提取文件在3D数据库的位置。输入输出模块将查找到的三维体数据文件传输给导航模块；定位模块利用追踪器将手术器械定位模块、人体定位模块和增强现实设备模块在统一坐标系下的实时位姿坐标计算出来，并将该实时定位信息传输给导航模块；导航模块利用图像叠加模块通过人体和手术器械的定位来进行三维模型的动态构建，图像运算模块则基于虚拟场景进行图像去噪、图像增强的运算；增强现实显示模块将通过处理的图像显示出来，若显示模块选用穿戴式智能眼镜或增强现实头盔，则该显示的效果是经过图像勾画、去噪和增强的图像与真实场景相重合，使得医生可以迅速获取实时直观的手术导航信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：

（1）本发明不需要医生借助操作内窥镜、X光机或者实时超声等介入式设备获取信息，为医生提供实时的人体三维数据，进行辅助性的手术导航，并通过新型交互设备(智能眼镜等)为医生提供实时提示。

（2）相对于传统的手术导航设备，本发明通过采用定位器阵列与追踪器，不需要C型臂、超声等较为昂贵的设备进行辅助，不会对人体产生有害的辐射，在降低了系统成本的同时减轻了此类手术对医生的伤害，有利于此类手术的推广。

（3）本发明不需要术中制造额外的辅助手术创口；由于术前采集了病人的动态数据，本发明据此生成的建模数据将更加精准，为医生提供的导航精度更高；信息的传递更加人性化且更为有效，便于医生术中进行实时信息获取。

【附图说明】

图1是实施例1的非介入式微创手术导航系统的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，一种非介入式微创手术导航系统，包括术前数据模块100、术中数据模块200、定位模块300和导航模块400，所述术前数据模块100分别与术中数据模块200、导航模块400连接，定位模块300与导航模块400连接。

术前数据模块100包括依次连接的3D数据库101、文件查找表102和输入输出模块103。术前数据模块的主要功能是负责重建4D CT，在一个呼吸周期内的每隔0.1s重建出一个相应时刻的3D数据，并根据成像时刻进行3D数据库存档，文件查找表是根据术中数据模块提供的记录时刻来定位要提取文件在3D数据库的位置。输入输出模块可用来进行数据的录入，在请求提取数据查找完毕后提供文件输出功能。

术中数据模块200包括依次连接的定位器阵列201、追踪器210、位姿编码模块220和位姿查找表230；位姿查找表230与文件查找表102连接。术中数据模块的主要功能是追踪器追踪定位器阵列状态，由位姿编码模块生成编码，使用此编码根据位姿查找表查找定位器阵列此时的状态编码所对应的术前记录时刻。位姿查找表中预先存放的是与动态CT扫描同步进行的定位器阵列状态连续追踪所生成的编码序列，其每个编码对应着的记录时刻与造影时刻是一致的(这里需要所有的系统的时间是完全同步的)。

定位器阵列201为含有4个位姿定位器的阵列；

所述位姿定位器为贴片式体外定位器；

所述贴片式定位器为磁贴片式定位器。

所述定位器阵列设置在随呼吸变化较大的部位；

所述随呼吸变化较大的部位为胸部靠下的肋骨或胸骨上。

定位模块300包括依次连接的手术器械定位模块301、人体定位模块302、增强现实设备定位模块303和追踪器304。定位模块的主要功能是提供手术器械定位模块、人体定位模块和增强现实设备模块在统一坐标系下的位姿，用于导航模块的相关运算及显示。

所述追踪器为磁追踪器。

所述手术器械定位模块为磁定位模块。

所述人体定位模块为磁定位模块。

所述人体定位模块设置于不随人体呼吸运动的区域；

所述不随人体呼吸运动的区域为髋骨或肩部关节。

导航模块400包括依次连接的图像叠加模块401、图像运算模块402、图像勾画模块403和增强现实设备显示模块404；图像叠加模块401分别与手术器械定位模块301、人体定位模块302连接。导航模块的主要功能是图像叠加模块通过人体和手术器械的定位来进行三维模型的虚拟化，图像运算模块则基于虚拟场景进行图像去噪、图像增强的运算；图像勾画模块用于术前将病灶及附近手术需要注意的血管神经或脏器勾画出来；增强现实设备显示模块将通过处理的图像显示出来，若显示模块选用穿戴式智能眼镜或增强现实头盔，则该显示的效果是经过图像勾画、去噪和增强的图像与真实场景相重合，使得医生可以迅速获取实时直观的手术导航信息。

所述非介入式微创手术导航系统设置有液晶显示器，所述液晶显示器与所述增强现实设备显示模块404连接。液晶显示器的主要功能是用于实时显示人体三维体数据和手术器械的实施位置。

在患者身体上贴附人体定位模块和定位器阵列，4D CT扫描和定位器阵列位姿组合追踪同时进行，将CT数据按照成像时刻来重建，每过一个时间间隔(建议间隔0.1s)重建出对应时刻的三维体数据模型，实时追踪的定位器位姿序列则通过相对应的时间间隔进行编码存档。其中三维体数据要经过术前手术规划的处理，利用系统的导航模块中的图像勾画模块用于术前将病灶及附近手术需要注意的血管神经或脏器勾画出来，并存入3D数据库内。定位器阵列的位姿状态组合信息放入位姿查找表内。

人体定位模块应固定在不随人体呼吸运动的区域如髋骨和肩部关节等处，定位器阵列应尽量固定在随呼吸变化较大的部位如胸部靠下的肋骨或胸骨上。

关于定位器位姿序列的编码方式可以自定，本实施例提供一种四个位姿定位器的一种编码方法：由于位姿具有方向性此处的四个定位器均可识别分别编号A1、A2、A3、A4，，此种编码方式按照“A1-A2”“A2-A3”“A3-A4”方式进行编码，其中“A？-A？”代表的是两个定位器之间的空间位姿关系，最简单的一种可以直接使用坐标转换矩阵，但是这种编码方式检索不便，可以使用“x-y-z”的空间角的记录方式进行存储，这样的好处是在没有精确数据吻合时可以使用一个最近似的数据进行替代，从而产生最接近状态的检索结果，避免因为不连续的取样造成的检索失败，而且这种最接近的检索结果反映到医学图像采集时间上最多误差0.05s，是完全可以接受的。

术中数据模块的追踪器追踪定位器的位姿状态，由位姿编码模块生成编码，使用此编码根据位姿查找表查找定位器阵列此时的状态编码所对应的术前数据记录时刻；术前数据模块的文件查找表根据术中数据模块所提供的记录时刻来定位要提取文件在3D数据库的位置。输入输出模块将查找到的三维体数据文件传输给导航模块；定位模块利用追踪器将手术器械定位模块、人体定位模块和增强现实设备模块在统一坐标系下的实时位姿坐标计算出来，并将该实时定位信息传输给导航模块；导航模块利用图像叠加模块通过人体和手术器械的定位来进行三维模型的动态构建，图像运算模块则基于虚拟场景进行图像去噪、图像增强的运算；增强现实显示模块将通过处理的图像显示出来，若显示模块选用穿戴式智能眼镜或增强现实头盔，则该显示的效果是经过图像勾画、去噪和增强的图像与真实场景相重合，使得医生可以迅速获取实时直观的手术导航信息。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非介入式微创手术导航系统，其特征在于，包括术前数据模块、术中数据模块、定位模块和导航模块，所述术前数据模块分别与术中数据模块、导航模块连接，定位模块与导航模块连接；所述术前数据模块包括依次连接的3D数据库、文件查找表和输入输出模块；所述术中数据模块包括依次连接的定位器阵列、追踪器、位姿编码模块和位姿查找表；位姿查找表与所述文件查找表连接；所述定位模块包括依次连接的手术器械定位模块、人体定位模块、增强现实设备定位模块和追踪器；所述导航模块包括依次连接的图像叠加模块、图像运算模块、图像勾画模块和增强现实显示模块；图像叠加模块分别与所述手术器械定位模块、人体定位模块连接；

所述定位器阵列为含有至少3个位姿定位器的阵列。

2.根据权利要求1所述的非介入式微创手术导航系统，其特征在于，所述位姿定位器为贴片式体外定位器。

3.根据权利要求2所述的非介入式微创手术导航系统，其特征在于，所述贴片式定位器为磁贴片式定位器或光学贴片式定位器。

4.根据权利要求1所述的非介入式微创手术导航系统，其特征在于，所述追踪器为磁追踪器或光学追踪器。

5.根据权利要求1所述的非介入式微创手术导航系统，其特征在于，所述手术器械定位模块为磁定位模块或光学定位模块。

6.根据权利要求1所述的非介入式微创手术导航系统，其特征在于，所述人体定位模块为磁定位模块或光学定位模块。

7.根据权利要求1所述的非介入式微创手术导航系统，其特征在于，所述非介入式微创手术导航系统设置有液晶显示器、可以透视的智能眼镜或可以透视的头盔显示器，所述液晶显示器、可以透视的智能眼镜或可以透视的头盔显示器与所述增强现实设备模块连接。

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