CN104083219B - 一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法 - Google Patents
一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，本方法将微细探针安装在高精度力传感器上，力传感器安装在手术设备所在颅外坐标系的Z轴上。首先通过利用颅骨表面的标记点，使得颅外设备坐标系的某一轴向面与颅内坐标系的相应的轴向面相平行，然后再利用通过颅内坐标原点与正中矢状面相垂直的垂线与颅骨表面的交点，利用交点这一标记点移动颅外坐标系原点与颅内原点相重合，达到颅内外坐标系耦合的目的。此方法设计构思巧妙，精确度高，解决了一系列现有技术中存在的问题，操作方便，效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，属于脑立体定位技术领域。
背景技术
颅脑内部疾病，如帕金森病、癫痫、肿瘤或血肿等通常要经过外科定向手术才能清除或根治。首要的问题是确定病灶的具体位置，以实现微创电极或穿刺针等手术工具的精确定位，此过程需要颅内脑组织坐标系与医疗设备坐标系的精确耦合。颅内脑组织坐标系是通过电子计算机X线体层扫描技术(CT)或磁共振技术(MRI)等医学影像扫描技术的断层图像重建病人颅内空间并构建坐标系以联系颅内脑组织的位置关系，此过程可同时确定病灶或颅骨表面标记点的具体方位，并取得其颅内坐标值。医疗设备坐标系是指医疗机器人或其它医疗设备操作时所使用的坐标系。
目前颅内外坐标系的耦合方法主要分为有框式和无框式两种。其中有框式方法需要将脑立体定位框架固定在病人的头部。首先通过四根角柱将基环固定在病人的颅骨上，如图2所示；然后将脑立体定位框架安装在基环上，该基环为病灶提供统一的基准，如图3所示；将病人头部连同基环和脑立体定位框架一起进行医学影像扫描，如图4所示。由于颅内组织和框架在图像上可见，因此颅内各点的坐标可以被限定在框架的坐标系中，目标靶点可以通过脑立体定位框架所确定笛卡尔坐标系的三个坐标值唯一确定；最后将医疗设备安装在脑立体定位框架上进行手术治疗。
基于无框架的立体定位方法是发展趋势，无框架式方法通过贴在病人脑部或人体自身颅骨表面的标记点建立医学图像空间和手术设备空间的对应关系，分为有机械臂式和无机械臂式两种定位方法。有机械臂式定位方法是指医生通过操纵医疗机器人的机械臂，接触病人头部的标记来确定标记的位置，然后推算出标记中心在手术设备空间下的坐标，通过颅骨表面所贴的标记点建立颅内外坐标系的耦合关系，如图5所示；无机械臂式定位方法是指利用超声、红外、磁场或可见光等方法定位标记中心在手术设备空间下的坐标，然后建立颅内外坐标系的耦合关系，如图6所示。
有框架和无框架立体定位方法都存在一定的问题，有框架方法的缺点：四根角柱通过螺钉将基环紧固在病人头部会给头部带来创伤，若病人之前头部受伤则可能无法安装；安装在基环上的框架使患者在整个成像和手术过程中存在压迫感和疼痛；因疼痛患者的不自主移动可能引起框架不明显的位移，导致手术操作精度的严重损失；因年龄、性别及种族等因素，不同病人的脑部尺寸差异较大，框架存在一定的兼容性问题；框架会影响MRI线圈的安装；框架会引起MRI扫描仪磁场的失真，在成像中产生潜在伪影，导致靶点精度的损失；框架会对手术部位特别是多病变部位产生一定的遮挡；手术过程外流的血液或脑脊液等可能通过脑立体定位框架引起病人之间的感染。
无框架立体定位方法相对方便，但也存在一些问题：此方法需要特定的能在医学影像扫描技术下显示的标记物，增加了定位成本，并且在标记物缺乏的条件下不适用；标记物移动会引起定位精度误差甚至定位失败；难以满足急诊条件下的脑血管意外受损紧急微创手术的快速精确定位的要求；基于人体自身颅骨表面标记点的方式进行定位，如鼻尖、耳垂、眼角等特征位置，也存在一些问题，当选择的特征标记点较多时，这些特征点之间没有任何直接联系，医生在三维图像数据中手动定位这些特征点比较麻烦，且容易出错；超声、红外、磁场或可见光等标记识别方法定位精度相对较低，且需要复杂的程序，存在一定的程序风险，可靠性差。
以上几种方法虽然都能实现颅内脑组织坐标系与医疗设备坐标系的耦合，但都存在较多问题，因此对神经外科脑立体定位术中颅内外坐标系的便捷精确耦合提出了现实且迫切的需求，急需寻求一种便捷高效的耦合方法。
发明内容
术语解释:
AC-PC线：联合间线，为前联合后缘中点至后联合前缘中点的连线，又称AC-PC线，脑立体定位断层解剖研究多以此为基线。
MRI：磁共振成像，是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术，是一项新的医学影像诊断技术。
基于颅骨表面标记点与颅内脑组织结构具有一定立体对应关系的原理，本发明提出一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法。
本发明的技术方案如下：
本发明使用的手术设备可以自动实现X、Y、Z轴的高精度移动和底座角度的微细调节，X、Y、Z轴的直线性为10μm/100mm，重复定位精度为5μm，Z轴的分辨率可达2μm；底座的角度可通过手动调节角度调整装置简单实现，手术前将微细探针安装在高精度力传感器上，力传感器安装在手术设备的Z轴上。
一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，包括如下步骤，
(1)首先，对病人头部进行CT或MRI三维扫描，根据扫描结果，依据现有技术通过计算机重建得到颅内三维图像数据；
(2)以颅内AC-PC线为Y轴正向，以AC-PC线的中点为原点建立颅内笛卡尔坐标系，即O0-X0Y0Z0坐标系，其中，X0Y0面为轴向面，Y0Z0面为正中矢状面，X0Z0面为冠状面；
(3)通过计算病变靶点在颅内笛卡尔坐标系的坐标值，以确定病变靶点在颅内的位置；
(4)创设标记点，将步骤(2)中颅内笛卡尔坐标系的轴向面平行移动与人脑颅骨表面形成交界线，在交界线上选取至少三个标记点，记录各标记点的坐标值，同时记录X0轴与颅骨表面的交点在颅内笛卡尔坐标系的坐标值；
(5)根据病变靶点在颅内的位置调整病人头部姿态至最有利于手术操作的部位，通过固定病人头部下半部位的方式将其固定在手术台上，露出步骤(4)中的标记点及头的上半部位；
(6)将装有微细探针的力传感器安装在颅外医疗设备笛卡尔坐标系即O-XYZ坐标系的Z轴上，粗调医疗设备的位置及设备的Z轴位置，至微细探针的探头容易探测颅骨表面标记点的位置，然后将探头的Z轴坐标置零；
(7)调整探头的位置使探头分别与颅骨表面交界线上的标记点相接触，当力传感器检测到接触时，会瞬间停止Z轴运动，并记录相应标记点Z轴坐标，观察各标记点Z轴坐标是否相同；
(8)通过医疗设备底座的角度调节装置精调设备的位置，再次移动探头的位置，检测并记录交界线上各标记点的Z轴坐标，直到交界线上各标记点的Z轴坐标相同，此时，探针所在的颅外医疗设备笛卡尔坐标系与颅内笛卡尔坐标系相平行；
(9)继续移动探头，使探头检测X0轴与颅骨表面的交点，记录该交点在颅外医疗设备笛卡尔坐标系的坐标值，通过调整颅外医疗设备笛卡尔坐标系使该交点坐标值的Y轴值和Z轴值置零；
(10)接着将探头移动至颅内正中矢状面上，探头所移动的距离为交点在颅内坐标系中X0轴的值，通过将X0轴值置零，至此实现颅内外坐标系的耦合。
根据本发明，优选的，所述步骤(4)中标记点选为交界线的最前点、极左点和极右点。此设计的好处在于，轴向面平行移动与颅骨表面形成的交界线为不规则的交界线，手术时，人躺在手术床上，医生在人脑上方进行手术，此时从上方看到该交界线在颅骨表面上的三个点最为特殊和明显，即交界线在颅骨最上方的点—最前点，还有交界线在颅骨两侧的两个边界点—极左点和极右点，这三个点的明显性和特殊性最有利于医生寻找和设定标记点，便于手术。
根据本发明，优选的，所述力传感器为美国ATI公司所生产的NANO17三轴力三轴力矩传感器。
本发明的有益效果在于：
1.本发明方法避免了目前脑立体定位术中需要在人脑上固定定位框架给病人带来疼痛的问题，采用在颅骨表面标记标记点方法进行颅内外坐标系耦合的媒介，不会给病人带来额外的痛苦。
2.本发明方法解决了目前脑立体定位术中定位精度损失、医学影像失真的问题，采用高精度的力传感器，采集的数据信息准确无误，为后续颅内外坐标系的耦合提供了基础。
3.本发明方法还解决了现有无框架方法实施复杂、可靠性差的问题，该方法通过调节颅外医疗设备底座平台进行颅外坐标系的调整，操作方便，可靠性高。
4.本发明方法设计构思巧妙，简单易行，效果良好，具有广泛的市场前景和经济价值，值得推广应用。
附图说明
图1为颅内外坐标系耦合方法原理示意图；
图2为有框式方法中所用基环在颅骨上固定的结构示意图；
图3为有框式方法中所用脑定位框架在基环上安装的结构示意图；
图4为有框架式病人头部的影像扫描示意图；
图5为有机械臂式检测颅骨表面所贴标记点的耦合方法原理示意图；
图6为无机械臂式检测颅骨表面所贴标记点的耦合方法；
图7为无框架式病人头部的影像扫描示意图；
图8为AC—PC线及颅内坐标系的建立示意图；
图9为颅内坐标系及常用基准面的示意图；
图10为在颅骨表面建立标记点的位置关系示意图；
图11为医疗设备底座的角度调节平台结构示意图；
图12为颅内外坐标系耦合方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，包括如下步骤，
(1)首先，对帕金森病患者头部直接进行1.5T Siemens MRI三维扫描，如图7所示，根据扫描结果，依据现有技术通过计算机重建得到颅内三维图像数据；
(2)以颅内AC-PC线为Y轴正向，以AC-PC线的中点为原点建立颅内笛卡尔坐标系，即O0-X0Y0Z0坐标系，其中，X0Y0面为轴向面，Y0Z0面为正中矢状面，X0Z0面为冠状面，如图8和图9所示；
(3)通过计算病变靶点即丘脑底核在颅内笛卡尔坐标系的坐标值，以确定丘脑底核在颅内的位置；
(4)创设标记点，将步骤(2)中颅内笛卡尔坐标系中的X0Y0轴向面平行移动至与人脑颅骨表面形成交界线，在交界线上选取三个标记点，即交界线上最前点、极左点和极右点，采用图像直接定位和坐标值定位相结合的方法计算颅骨表面标记点的颅内坐标值，同时还记录X0轴与颅骨表面的交点在颅内笛卡尔坐标系的坐标值，如图9和图10所示；
(5)根据丘脑底核在颅内的位置调整病人头部姿态至最有利于手术操作的部位，通过固定病人头部下半部位的方式将其固定在手术台上，露出步骤(4)中上述标记点及头的上半部位，如图1所示；
(6)将装有微细探针的力传感器安装在颅外医疗设备笛卡尔坐标系即O-XYZ坐标系的Z轴上，粗调医疗设备的位置及设备的Z轴，至微细探针的探头容易探测颅骨表面标记点的位置，然后将探头的Z轴坐标置零；
(7)调整探头的位置使探头分别与颅骨表面交界线上的标记点即最前点、极左点和极右点相接触，当力传感器检测到接触时，会瞬间停止Z轴运动，并记录相应标记点的Z轴坐标Z1、Z2、Z3的数值，观察各标记点Z1、Z2、Z3的数值是否相同；
(8)通过医疗设备底座的角度调节装置精调设备的位置，如图11所示，再次移动探头的位置，检测并记录交界线上三个标记点的Z轴坐标，直到交界线上三个标记点的Z轴坐标Z1、Z2、Z3的数值相同，此时，探针所在的颅外医疗设备笛卡尔坐标系与颅内笛卡尔坐标系相平行；
(9)继续移动探头，使探头检测X0轴与颅骨表面的交点，记录该交点在颅外坐标系的坐标值(X4，Y4，Z4)，通过调整颅外医疗设备笛卡尔坐标系使该交点坐标值的Y轴值Y4和z轴值Z4置零；
(10)接着将探头移动至颅内正中矢状面上，探头所移动的距离为交点在颅内坐标系中X0轴的值，通过将X0轴置零，至此实现了颅内脑组织坐标系O0-X0Y0Z0与医疗设备坐标系O-XYZ的耦合。
实施例2：
一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，步骤如实施例1所述，其不同之处在于，步骤(6)中的力传感器为美国ATI公司所生产的NANO17三轴力三轴力矩传感器。
Claims (3)
1.一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，包括如下步骤，
(1)首先，对病人头部进行CT或MRI三维扫描，根据扫描结果，依据现有技术通过计算机重建得到颅内三维图像数据；
(2)以颅内AC-PC线为Y轴正向，以AC-PC线的中点为原点建立颅内笛卡尔坐标系，即O0-X0Y0Z0坐标系，其中，X0Y0面为轴向面，Y0Z0面为正中矢状面，X0Z0面为冠状面；
(3)通过计算病变靶点在颅内笛卡尔坐标系的坐标值，以确定病变靶点在颅内的位置；
(4)创设标记点，将步骤(2)中颅内笛卡尔坐标系的轴向面平行移动与人脑颅骨表面形成交界线，在交界线上选取至少三个标记点，记录各标记点的坐标值，同时记录X0轴与颅骨表面的交点在颅内笛卡尔坐标系的坐标值；
(5)根据病变靶点在颅内的位置调整病人头部姿态至最有利于手术操作的部位，通过固定病人头部下半部位的方式将其固定在手术台上，露出步骤(4)中的标记点及头的上半部位；
(6)将装有微细探针的力传感器安装在颅外医疗设备笛卡尔坐标系即O-XYZ坐标系的Z轴上，粗调医疗设备的位置及设备的Z轴位置，至微细探针的探头容易探测颅骨表面标记点的位置，然后将探头的Z轴坐标置零；
(7)调整探头的位置使探头分别与颅骨表面交界线上的标记点相接触，当力传感器检测到接触时，会瞬间停止Z轴运动，并记录相应标记点Z轴坐标，观察各标记点Z轴坐标是否相同；
(8)通过医疗设备底座的角度调节装置精调设备的位置，再次移动探头的位置，检测并记录交界线上各标记点的Z轴坐标，直到交界线上各标记点的Z轴坐标相同，此时，探针所在的颅外医疗设备笛卡尔坐标系与颅内笛卡尔坐标系相平行；
(9)继续移动探头，使探头检测X0轴与颅骨表面的交点，记录该交点在颅外医疗设备笛卡尔坐标系的坐标值，通过调整颅外医疗设备笛卡尔坐标系使该交点坐标值的Y轴值和Z轴值置零；
(10)接着将探头移动至颅内正中矢状面上，探头所移动的距离为交点在颅内坐标系中X0轴的值，通过将X0轴值置零，至此实现颅内外坐标系的耦合。
2.如权利要求1所述的神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，其特征在于，所述步骤(4)中标记点选为交界线的最前点、极左点和极右点。
3.如权利要求1所述的神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，其特征在于，所述力传感器为美国ATI公司所生产的NANO17三轴力三轴力矩传感器。
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