CN104605824B - 一种病变部位显像投影导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种病变部位显像投影导航装置，包括支架，支架上设有影像采集部件、投影部件和多个激发光源，影像采集部件连接投影部件，投影部件上设有投影调制装置和投影图像配准系统。本装置通过投影调制装置和投影图像配准系统时段控制影像采集和投影图像交错进行，投影设备投出的图像不会被图像采集设备所采集；当激发光照射间隙时，投影设备将荧光图像投射到相应组织病变区域，并将投出的图像进行配准，被医生肉眼捕获。从而既可以让手术医师看到投影出的图像，又避免投影设备投出的光被影像采集部件所采集，有效地避免了投影图像及其他背景光对荧光图像的影响，提高手术的精准度和成功率。

Description

一种病变部位显像投影导航装置

技术领域

本发明涉及医疗手术辅助装置技术领域，具体涉及一种病变部位显像投影导航装置。

背景技术

传统医学外科手术由于手术设备、器械与技术上的限制，很大程度上依赖于手术医师的临床经验，而不同的医生的临床经验是不同的，会造成手术精准度和成功率不同。同时，进行传统医学外科手术时，手术医师的工作强度和工作负担都很大。

近几十年来，随着医学影像技术、图像处理技术等技术的发展与革新，外科手术正在向着精细、准确、快速的方向发展。手术导航系统正是在此过程中发展出来的新型手术辅助设备，这类设备的基本原理是将PET、CT、MRI、荧光等医学影像进行相应处理（图像融合、坐标变换等），从而实现有效地术前观察或者手术过程中的实时引导。这类设备首先应用于神经外科手术，随后逐渐推广用于其他手术领域，包括骨科、耳鼻喉科和整形外科等。其中，肿瘤切除手术是手术导航系统应用的一个新兴领域。目前，肿瘤切除是治疗癌症的首选方法，也是最有效的治疗方法，该方法通过将癌症原发病灶（癌症最初发生的部位）及转移病灶（由原发性转移的病灶）一并切除，从而使病人获得治愈机会。在肿瘤切除手术中，医生可采用手术导航装置作为手术辅助装置精确的分辨肿瘤病变部位和良性细胞部位，以实现对肿瘤病变部位的精准切除。手术导航系统对于手术定位的精度提高、手术医源性损伤的减少、手术路径优化及成功率提高上等具有十分重要的意义。

现有的医用导航装置一般通过摄像头拍摄所需医学影像，经过处理后显示在相应屏幕上，提供给医生病变部位信息。这种方法虽然能够将手术所需的信息呈现在医生面前，但是医生看到的影像与病人实际病变部位分开显示，需要医生在手术过程中不断切换视野，导致医生在切除病灶的过程中，无法精准地操作。同时，由于医生需要不停地转换视角以获取影像提供的信息，给医生手术过程带来极大的不便。

也有一些人提出将处理后的医学影像投影到相应手术区域的方法，但是，这会造成投影出的影像再次被采集设备所采集，给下一时刻的图像处理增加了困难，引入了不必要的背景图像和噪声。从而使采集、投影的影像的准确性变差，增加了手术的不确定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种病变部位显像投影导航装置，能够采集手术病人病变部位的图像并精确投影到病人病变部位，指导手术医生精确的进行肿瘤切除手术。

为实现上述目的，本发明的一个实施例所采取的技术方案是：

包括支架，支架上设有影像采集部件、投影部件和多个激发光源，影像采集部件连接投影部件，投影部件上设有投影调制装置和投影图像配准系统。

优选地，影像采集部件和投影部件之间设有图像处理部件。

优选地，影像采集部件上设有图像增强部件。

优选地，影像采集部件上设有滤光部件。

优选地，投影调制装置连接投影图像修正解调装置。

优选地，支架包括基体模块和安装模块，基体模块和安装模块可拆卸连接，影像采集部件和投影部件设置在安装模块上。

优选地，基体模块为支撑式支架或佩戴式支架。

优选地，投影部件上设有移动电源，移动电源连接微处理器。

优选地，安装模块可以在基体模块上移动和转动。

本病变部位显像投影导航装置产生的有益效果为：

1. 本装置设有影像采集部件、投影部件和多个激发光源，激发光源均匀照射到病灶区域，影像采集部件采集病变部位影像，传输到投影部件，投影部件上设有投影调制装置和投影图像配准系统；通过时段控制，影像采集时，投影设备投出的图像被投影调制装置所阻挡，无法投射到手术区域，不会被图像采集设备所采集；当激发光照射间隙时，投影设备投出的图像可以通过投影调制装置和投影图像配准系统，将荧光图像投射到相应组织病变区域，并将投出的图像进行配准，被医生肉眼捕获。时段控制频率的采样频率在50Hz 以上，达到实时要求。投影出的影像的时间和所述影像采集部件采集的时间相互错开，从而既可以让手术医师看到投影出的图像，又避免投影设备投出的光被影像采集部件所采集，有效地避免了投影图像及其他背景光对荧光图像的影响，提高手术的精准度和成功率。

2. 影像采集部件和投影部件之间设有图像处理部件，将接收到的图片根据不同手术情况要求进行处理，例如伪彩增强、图像分割、图像锐化、边缘检测或图像融合等，使需要得到的手术信息在图片中更加清晰，将本不可见的手术信息，如肿瘤荧光、骨骼形状或血管分布等可视化，并且与背景部分对比强烈，能从背景部分中突出显示出来，可以在投影出以后，方便医生更准确的识别出病变区域与正常组织区域位置，辅助医生进行术前观察和手术定位。

3. 影像采集部件上设有滤光部件，滤光部件安装在影像采集部件前端前，用于滤除其他背景杂光，从而清晰地采集到病变部位的影像信息。

4. 支架包括基体模块和安装模块，基体模块和安装模块可拆卸连接，有助于装置的安装与运输；根据所选设备规格，可以自由选择为支架式或者佩戴式，使用在不同的手术区域和手术环境。

5. 投影调制装置连接投影图像修正解调装置，用以将调制后的图像进行处理，从而使图像更加清晰，使相应手术信息更加明显，易于辨别。

6. 投影部件上设有移动电源，移动电源连接微处理器，可以在没有电源输入的情况下给系统供电，装置使用更加方便。

7. 安装模块可以在基体模块上移动和转动，可以根据手术的需要，自由的调整安装模块的角度和方向。

附图说明

图1所示为本发明的病变部位显像投影导航装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。

参考图1，在本发明的一个实施例中，病变部位显像投影导航装置包括支架，支架上设有影像采集部件5、投影部件3和多个激发光源8，影像采集部件5连接投影部件3，投影部件上设有投影调制装置4和投影图像配准系统。

影像采集部件5可以是CCD、CMOS摄像头或者其他影像采集部件。

在本发明的一个实施例中，选择近红外感光能力强的CCD相机作为影像采集部件，用以采集荧光信息。

投影部件8投出的光既可以作为背景光又可以投出增强后的病灶医学图像，使肉眼可以观察到病灶位置。

在本发明的一个实施例中，采用微型投影仪作为投影设备，微型投影投影仪采用的是数字光处理DLP投影技术，其投影亮度为260 lm，最高分辨率可达1920*1080，可以投影的距离在0-3m。

在导航装置的安装过程要确保CCD相机镜头采集位置和微型投影仪投出位置相对固定。

激发光源8用于产生一定强度的激发光，以超过人眼分辨极限的某一特定频率照射到已注入荧光显像剂的病变组织上，其照射时段与图像采集时段一致。可以根据手术需求，选定数目和位置，安装在合适位置使其可以照射在手术区域相应位置。

激发光源8可根据使用场合不同，选用不同尺寸、波长、形状的足够功率的光源，其可以按照一定的频率对手术肿瘤区域进行激发，与投影部件3的投影图像时间相错开，即在投影图像未投影到手术区域，而影像采集部件5采集图像时进行激发，也可以根据环境选择常亮激发。

在本发明的一个实施例中，激发光源8可采用LED、LD 或其他功率足够的光源，固定于手术台或者安装在支架上，均匀的照射在手术区域上。

在本发明的一个实施例中，选择690nm的手持LED阵列作为激发光源，用以激发荧光造影剂从而产生荧光。

投影调制装置4控制投影部件3投出图像的频率，使其与影像采集部件5同步：即在图像采集时去除投影出的光，只对激发出的荧光进行采集；投出图像的频率控制到人眼辨别范围以上，从而使手术医生可以清楚地看到不闪烁的投影图像。

影像采集部件5采集到的图像由投影部件3经投影调制装置4控制投出，并将投出的图像进行配准，能与组织中的肿瘤部分相重叠。

投影调制装置4可以对投影光进行频率，相位，幅值的改变或者混合不同类型的光源，对出射图案进行各种变换，使用点扫描或线扫描光源等其他改变光源信息的方法，使得投影出的图片符合相应的需求，便于分辨和观察。

投影调制装置4可以根据不同需求，采用机械型装置（斩波轮、高速快门等）、电子型装置（电路控制、电子快门等）或者其他类型装置等。

在本发明的一个实施例中，采用斩波轮作为投影调制装置4的光源调频系统，安装在微型投影仪投射口位置。

在本发明的一个实施例中，影像采集部件5和投影部3件之间设有图像处理部件6，将接收到的图片根据不同手术情况要求进行处理，例如伪彩增强、图像分割、图像锐化、边缘检测或图像融合等，使需要得到的手术信息在图片中更加清晰，将本不可见的手术信息，如肿瘤荧光、骨骼形状或血管分布等可视化，并且与背景部分对比强烈，能从背景部分中突出显示出来，可以在投影出以后，方便医生更准确的识别出病变区域与正常组织区域位置，辅助医生进行术前观察和手术定位。

在本发明的一个实施例中，影像采集部件5上设有图像增强部件，将影像采集部件采集的手术荧光图像进行增强，并传输给投影部件3，由投影部件3投出相应增强图像于特定手术区域。

由于调制装置对投出的图像的清晰度和稳定性上可能会有一定影响，因此，在本发明的一个实施例中，投影调制装置4连接投影图像修正解调装置，用以将调制后的图像进行处理，从而使图像更加清晰，使相应手术信息更加明显，易于辨别。

在本发明的一个实施例中，影像采集部件5上设有滤光部件7，安装在影像采集部件5前端，用于滤除其他背景杂光，从而清晰地采集到肿瘤部位的荧光信息。

进一步地，在本发明的一个实施例中，滤光部件7与所激发的荧光波长匹配，仅采集荧光所在波段的光所成的影像。

在本发明的一个实施例中，滤光部件7可采用长通滤光片、带通滤光片或者其他有相应功能的滤光设备。

在本发明的一个实施例中，滤光部件7可以选用780nm长通滤光片，安装于CCD相机镜头前。

在本发明的一个实施例中，支架包括基体模块1和安装模块2，基体模块1和安装模块2之间为可拆卸连接，影像采集部件5和投影部件3设置在安装模块2上，有助于装置的安装与运输；根据所选设备规格，可以自由选择为支撑式或者佩戴式，使用在不同的手术区域和手术环境，当处于手术室等正常手术操作情况下，可选用支撑式手术支架，将其固定在手术台上或手术室相应位置处。当处于野外急救，野战，室外紧急救助时，可使用佩戴式支架，佩戴于医生的头部或其他肢体部位，可方便快速进行观察或手术，减少人员投入。

在本发明的一个实施例中，安装模块2可以在基体模块1上移动和转动，可以根据手术的需要，自由的调整安装模块2的角度和方向。

在本发明的一个实施例中，投影部件3上设有移动电源，移动电源连接微处理器，可以在没有电源输入的情况下给系统供电，装置使用更加方便。

参考图1，本导航装置的工作状态分为两个状态，第一个工作状态为图像采集状态：通过外接电路的辅助，激发光源8和影像采集部件5达到同步功能，即在激发光源8打开时，激发光照射到手术区域，影像采集部件5才开始工作，采集相应荧光信息，与此同时，通过外接电路辅助，通过投影调制装置4控制使图像投影与影像采集相互错开，即在图像采集过程中，投影部件3投影的图像不能投影到手术区域内。为了使医生的眼镜感受不到光的闪烁，采用的激发光照射频率和经调频后的投影部件3投出图像频率均大于75Hz。采集到的图像被传输给图像处理部件6进行图像处理，继而再将处理增强后的图像传给投影部件3。此时，导航装置进入第二个工作状态：投影部件3投影的图像通过投影调制装置4控制，可以使增强图像投影到相应手术区域，被医生肉眼所观察到，同时影像采集部件5暂停工作，不采集投影出的图像。投影调制装置4控制投影图像的投出频率在75Hz以上，超过人眼分辨极限，手术医生并不会感到投影图像的闪烁，从而减轻不适感。

使用本装置时，为能在病灶区域采集到荧光，在采集图像前向手术区域组织中注射吲哚箐绿(ICG)，再用激发光激发病灶区域。ICG作为显影剂已经广泛应用于多种手术导航中，其工作原理为，在生物组织中注入ICG，外部用相应波长（如690nm，785nm等）的激发光照射时，可以激发出一定强度的近红外波段荧光，对800nm以上近红外光敏感的CCD可以采集到这部分近红外荧光，形成荧光影像。

本发明的导航装置的使用步骤如下：

1. 将本导航装置固定在手术区域旁，调整好位置，使手术区域可以完全被影像采集部件5采集到；

2. 将荧光造影剂注入病人病灶区域；

3. 待病人就位，打开系统开关，移动激发光源8使激发光均匀照射到病灶区域；

4. 进行荧光图像采集和投影；

5. 激发光源8产生的激发光以超过人眼辨别范围的一定频率对病灶区域进行激发，当其照射到病灶区域时，影像采集部件5开始进行图像采集，将采集到的荧光图像传给图像处理部件6，再将增强后的图像传递给投影部件3，此时，投影部件3投出的图像被投影调制装置4所阻挡，无法投射到手术区域，不会被图像采集部件5采集；在激发光照射间隙，投影部件3投出的图像可以通过投影调制装置4将处理增强后的荧光图像投射到相应组织病变区域，被医生肉眼捕获。

当医生进行手术时，或者病人进行移动时，投出的荧光图像会跟踪病灶区域，同时移动；医生根据所投出的荧光图像，可以判定组织病变区域的位置和大小，进行相应的切除或其他操作；

当切除或其他操作结束后，医生可以通过所投影的荧光图像是否存在或存在大小，判定病变组织是否被完全清理，保证手术的彻底和成功。

本发明所公开的导航装置，除了应用于肿瘤外科手术之外，还可以应用于神经外科手术、血管手术、整形外科、骨科和耳鼻喉科等。本装置将需要用到的手术图像信息进行处理，并将处理后的图像配准投影到相应手术区域，叠加在手术区域真实组织上，使医生肉眼可捕捉到相应手术信息，延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，更新了外科手术和外科手术器械的概念。对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义。

上述实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种病变部位显像投影导航装置，其特征在于：包括支架，所述支架上设有影像采集部件、投影部件和多个激发光源，所述影像采集部件连接投影部件，所述投影部件上设有投影调制装置和投影图像配准系统；所述投影调制装置控制投影部件投出图像的频率，使所述投影部件与影像采集部件同步：通过时段控制，影像采集时，投影设备投出的图像被投影调制装置所阻挡，无法投射到手术区域，不会被图像采集设备所采集；当激发光照射间隙时，投影设备投出的图像通过投影调制装置和投影图像配准系统，将荧光图像投射到相应组织病变区域，并将投出的图像进行配准，被医生肉眼捕获；即在图像采集时去除投影出的光，只对激发出的荧光进行采集；投出图像的频率控制到人眼辨别范围以上，从而使手术医生清楚地看到不闪烁的投影图像；投影调制装置对投影光进行频率，相位，幅值的改变或者混合不同类型的光源，对出射图案进行各种变换，使用点扫描或线扫描光源这两种改变光源信息的方法，使得投影出的图片符合相应的需求，便于分辨和观察。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述影像采集部件和投影部件之间设有图像处理部件。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述影像采集部件上设有图像增强部件。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述影像采集部件上设有滤光部件。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述投影调制装置连接投影图像修正解调装置。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述支架包括基体模块和安装模块，所述基体模块和安装模块可拆卸连接，所述影像采集部件和投影部件设置在安装模块上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述基体模块为支撑式支架或佩戴式支架。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述安装模块在所述基体模块上移动和转动。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述投影部件上设有移动电源，所述移动电源连接微处理器。