CN105054999B - 一种改进的颅内穿刺导向方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种改进的颅内穿刺导向方法，包括如下步骤：1)穿刺规划导航，1.1)加载头颅扫描图像序列，建立脑部三维模型，同时加载测量角度修正数据；1.2)设置基准点，在三维模型中建立相互垂直的基准参考平面；1.3)：设置靶点和进入点，计算出靶点和进入点组成的穿刺路径的长度及其与基准参考平面之间的夹角；通过角度修正数据进行修正，得到最终计划穿刺角度和深度；2)穿刺实施；所述步骤1.3)中，当头颅坐标系与地面坐标系不一致时，头部坐标系与地面坐标系的配准采用基于陀螺仪输出数据的点配准方法，自动计算出配准后穿刺路径与基准参考平面的夹角。以及提供一种改进的颅内穿刺导向装置。本发明实施简单、便于操作，便于临床应用。

Description

一种改进的颅内穿刺导向方法及装置

技术领域

本发明涉及颅内穿刺导向方法及装置，用于颅内穿刺手术，属于医疗器械技术领域，能使导向系统在临床应用中更实用、方便。

背景技术

颅内穿刺是治疗高血压性脑出血引起的颅内血肿的有效手术方式之一。与开颅手术相比，穿刺治疗脑出血具有创伤小，安全可靠，操作简单，价格较低等特点，应用日益广泛。然而，穿刺方向角度和穿刺深度往往需要凭借医生的经验来确定，受人为因素的影响较大，因此，实施穿刺手术往往需要借助一些价格昂贵，使用繁琐的导航设备，并且还需要在病人头部安装框架来达到定位和导向的目的，增加了病人的痛苦。

现有的颅内穿刺辅助导向系统，借助陀螺仪进行颅内穿刺的方法。该方法首先基于CT或核磁共振图像，确定基准坐标系，以及穿刺路径与基准坐标系形成的夹角；随后，借助陀螺仪测定穿刺探针在空间中的角度；最后，借助计算机软件辅助，使穿刺探针沿着预设的角度进入头颅，实施穿刺。但是，该方法要求所建立的病人头颅坐标系与地面坐标系一致，当血肿出现在不利于手术穿刺操作的位置时，若仍按照此方法把病人头部摆放在与地面坐标系一致的位置，则不利于医生实施手术，增加了手术操作的难度，造成该方法在临床应用上的局限性。

发明内容

为了克服已有颅内穿刺辅助导向方式的要求病人头颅坐标系与地面坐标系一致、实施复杂、不便于操作的不足，本发明提供一种通过补偿头颅坐标系与地面坐标系间的角度差完成两个坐标系的匹配、实施简单、便于操作的改进的颅内穿刺导向方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种改进的颅内穿刺导向方法，所述导向方法包括如下步骤：

1)穿刺规划导航

1.1)加载头颅扫描图像序列，建立脑部三维模型，同时加载测量角度修正数据；

1.2)：设置基准点，在三维模型中建立相互垂直的基准参考平面；

1.3)：设置靶点和进入点，计算出靶点和进入点组成的穿刺路径的长度及其与基准点确定的基准参考平面之间的夹角；通过角度修正数据进行修正，得到最终计划穿刺角度和深度；

2)穿刺实施

2.1)：陀螺仪获取三维空间姿态，输出穿刺装置与实际物理坐标系的夹角。

2.2)：调整穿刺装置，使陀螺仪的输出与计划穿刺角度一致；

2.3)：保持穿刺装置姿态不变，实施穿刺。

所述步骤1.3)中，在计算穿刺路径与基准参考面的夹角过程中，当头颅坐标系与地面坐标系不一致时，头部坐标系与地面坐标系的配准采用基于陀螺仪输出数据的点配准方法，自动计算出配准后穿刺路径与基准参考平面的夹角，即根据陀螺仪姿态的改变计算出头部姿态的变化值，使用变化值旋转坐标系和设定的基准点，获得头颅在偏转情况下的穿刺角度。

进一步，所述步骤1.3)中，配准方法包括如下步骤：

1.3.1)在头颅纵轴垂直于地面时，确定头部姿态值，首先在额头处放置一个陀螺仪，将陀螺仪与头颅纵轴线比对，当两者平行时，读取陀螺仪yaw值读数，作为头颅的初始yaw值，记为yaw_init；其次，测出头颅的初始pitch值，记为pitch_init；当头部纵轴线与地面垂直时roll_init为零度；头部姿态值为(yaw_init,pitch_init,roll_init)，陀螺仪此时的姿态值为(yaw_gyro_init,pitch_gyro_init,roll_gyro_init)；

1.3.2)头部转动到适合手术位置时，得到陀螺仪新的数据记为yaw_gyro_new,pitch_gyro_new,roll_gyro_new；

根据陀螺仪的两种姿态值，得到头颅坐标系绕Z轴的旋转量：

deltaRoll＝roll_gyro_new-roll_init ①

把姿态值通过函数关系映射到坐标点上，函数如下：

x＝cos(yaw)*cos(pitch)

y＝sin(pitch) ②

z＝cos(pitch)*sin(yaw)

根据公式②和头部姿态值(yaw_init,pitch_init,roll_init)、陀螺仪的姿态值(yaw_gyro_init,pitch_gyro_init,roll_gyro_init)分别得到头部纵轴垂直于地面时的坐标点(x1,y1,z1)和陀螺仪的坐标点(x2,y2,z2)；

在三维空间中，旋转通过三个欧拉角来定义，在右手笛卡尔坐标中的绕Z轴主动旋转矩阵表达为：

③

式中θ表示绕Z轴的旋转量，把公式①的结果值代入公式③中得到矩阵R_dr，把坐标点(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)分别左乘R_dr，分别得到坐标点(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，计算yaw、pitch值的函数为：

将坐标点(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)分别代入公式④，式中dot()、norm()分别是求向量的数量积、向量的模的函数，使用向量的数量积和模运算分别计算出头部航向、俯仰坐标值(yaw_1,pitch_1)、陀螺仪航向、俯仰坐标值(yaw_2,pitch_2)；绕Z轴旋转过后，陀螺仪与头颅在yaw、pitch方向上的变化是一致的，通过公式⑤运算得到偏转后头部的航向、俯仰姿态值：

此时头颅偏转后航向、俯仰方向上姿态值为(yaw_new,pitch_new)，步骤3.1.1)中记录的头部初始航向、俯仰姿态值为(yaw_init,pitch_init)，头颅坐标系航向、俯仰的旋转量是两种姿态值的差值为:

上式中(deltaYaw,deltaPitch)即为头颅在yaw和pitch方向的旋转变化量，因为陀螺仪与头颅绕Z轴的旋转量一致，所以deltaRoll的值直接取陀螺仪的绕Z轴的变化值，根据公式①，得到deltaRoll；基于三个方向旋转量(deltaYaw,deltaPitch,deltaRoll)，对所有的基准点、进入点、靶点进行空间坐标变换，坐标变换矩阵函数表示为：

⑦

其中α,β,γ分别表示yaw、pitch、roll三个方向上的旋转量，把(deltaYaw,deltaPitch,deltaRoll)代入公式⑦得到空间变换矩阵M，将初始头颅的基准点、靶点和进入点分别左乘矩阵M得到头颅旋转后基准点、靶点和进入点的新位置，建立新基准参考平面。

再进一步，所述步骤2.3)中，将穿刺针刺入颅内，同时配合穿刺针表面的刻度和显示的计划穿刺深度，将穿刺针刺入相应的深度，以完成穿刺手术。

一种改进的颅内穿刺导向装置，所述装置包括穿刺规划导航子系统和穿刺装置子系统，其中，所述穿刺规划导航子系统包括：

计算模块，用于加载头颅扫描图像序列，建立脑部三维模型；设定基准点，在三维模型中建立相互垂直的基准参考平面；设置靶点和进入点，计算靶点和进入点组成的穿刺路径的长度，根据陀螺仪姿态的改变计算出头部姿态的变化值，使用变化值旋转坐标系和设定的基准点，获得头颅在偏转情况下的穿刺路径的长度及其与基准参考平面之间的夹角；

第一通信模块，用于采用无线传输的方式，接收从陀螺仪发送的穿刺装置与物理空间参考平面之间的实时夹角；

所述穿刺装置子系统包括：

角度测量模块，用于通过陀螺仪确定穿刺装置的三维空间姿态，实时输出穿刺装置与物理空间参考平面之间的夹角。

第二通信模块：用于采用无线传输的方式，发送穿刺装置与物理空间参考平面之间的实时夹角。

进一步，所述穿刺规划导航子系统还包括：数据显示提示模块：用于显示角度测量模块获取的实时角度信息，从计算模块处获取的计划穿刺角度信息及两者的角度差，同时，根据接收的数据虚拟手术器械，跟踪显示手术器械和病灶的空间位置关系，并通过图形箭头辅助医生将穿刺装置调节到相应的姿态。

再进一步，所述穿刺装置子系统还包括：带有刻度的穿刺针，用于在穿刺装置到达确定的穿刺姿态之后实施穿刺手术，通过穿刺针表面的刻度与所需穿刺深度比较，从而达到计划的穿刺深度。

本发明的技术构思为：在原有方法基础上，通过补偿头颅坐标系与地面坐标系间的角度差完成两个坐标系的匹配，能使导向系统在临床应用中更实用和方便。

本发明的有益效果主要表现在：设计合理，实施简单，精度可靠，使用软件辅助计算，易于操作，改进了颅内穿刺辅助导向系统，便于临床应用。

附图说明

图1是改进的颅内穿刺导向系统的结构示意图。

图2是穿刺规划导航子系统示意图。

图3是本发明穿刺装置子系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种改进的颅内穿刺导向方法，所述导向方法包括如下步骤：

1)穿刺规划导航

1.1)加载头颅扫描图像序列，建立脑部三维模型，同时加载测量角度修正数据；

1.2)：设置基准点，在三维模型中建立相互垂直的基准参考平面；

1.3)：设置靶点和进入点，计算出靶点和进入点组成的穿刺路径的长度及其与基准点确定的基准参考平面之间的夹角；通过角度修正数据进行修正，得到最终计划穿刺角度和深度；

2)穿刺实施

2.1)：陀螺仪获取三维空间姿态，输出穿刺装置与实际物理坐标系的夹角。

2.2)：调整穿刺装置，使陀螺仪的输出与计划穿刺角度一致；

2.3)：保持穿刺装置姿态不变，实施穿刺。

所述步骤1.3)中，在计算穿刺路径与基准参考面的夹角过程中，当头颅坐标系与地面坐标系不一致时，头部坐标系与地面坐标系的配准采用基于陀螺仪输出数据的点配准方法，自动计算出配准后穿刺路径与基准参考平面的夹角，即根据陀螺仪姿态的改变计算出头部姿态的变化值，使用变化值旋转坐标系和设定的基准点，获得头颅在偏转情况下的穿刺角度。

进一步，所述步骤1.3)中，配准方法包括如下步骤：

1.3.1)在头颅纵轴垂直于地面时，确定头部姿态值，首先在额头处放置一个陀螺仪，将陀螺仪与头颅纵轴线比对，当两者平行时，读取陀螺仪yaw值读数，作为头颅的初始yaw值，记为yaw_init；其次，测出头颅的初始pitch值，记为pitch_init；当头部纵轴线与地面垂直时roll_init为零度；头部姿态值为(yaw_init,pitch_init,roll_init)，陀螺仪此时的姿态值为(yaw_gyro_init,pitch_gyro_init,roll_gyro_init)；

1.3.2)头部转动到适合手术位置时，得到陀螺仪新的数据记为yaw_gyro_new,pitch_gyro_new,roll_gyro_new；

根据陀螺仪的两种姿态值，得到头颅坐标系绕Z轴的旋转量：

deltaRoll＝roll_gyro_new-roll_init ①

把姿态值通过函数关系映射到坐标点上，函数如下：

x＝cos(yaw)*cos(pitch)

y＝sin(pitch) ②

z＝cos(pitch)*sin(yaw)

根据公式②和头部姿态值(yaw_init,pitch_init,roll_init)、陀螺仪的姿态值(yaw_gyro_init,pitch_gyro_init,roll_gyro_init)分别得到头部纵轴垂直于地面时的坐标点(x1,y1,z1)和陀螺仪的坐标点(x2,y2,z2)；

在三维空间中，旋转通过三个欧拉角来定义，在右手笛卡尔坐标中的绕Z轴主动旋转矩阵表达为：

③

式中θ表示绕Z轴的旋转量，把公式①的结果值代入公式③中得到矩阵Rdr，把坐标点(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)分别左乘Rdr，分别得到坐标点(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，计算yaw、pitch值的函数为：

将坐标点(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)分别代入公式④，式中dot()、norm()分别是求向量的数量积、向量的模的函数，使用向量的数量积和模运算分别计算出头部航向、俯仰坐标值(yaw_1,pitch_1)、陀螺仪航向、俯仰坐标值(yaw_2,pitch_2)；绕Z轴旋转过后，陀螺仪与头颅在yaw、pitch方向上的变化是一致的，通过公式⑤运算得到偏转后头部的航向、俯仰姿态值：

此时头颅偏转后航向、俯仰方向上姿态值为(yaw_new,pitch_new)，步骤3.1.1)中记录的头部初始航向、俯仰姿态值为(yaw_init,pitch_init)，头颅坐标系航向、俯仰的旋转量是两种姿态值的差值为:

上式中(deltaYaw,deltaPitch)即为头颅在yaw和pitch方向的旋转变化量，因为陀螺仪与头颅绕Z轴的旋转量一致，所以deltaRoll的值直接取陀螺仪的绕Z轴的变化值，根据公式①，得到deltaRoll；基于三个方向旋转量(deltaYaw,deltaPitch,deltaRoll)，对所有的基准点、进入点、靶点进行空间坐标变换，坐标变换矩阵函数表示为：

⑦

其中α,β,γ分别表示yaw、pitch、roll三个方向上的旋转量，把(deltaYaw,deltaPitch,deltaRoll)代入公式⑦得到空间变换矩阵M，将初始头颅的基准点、靶点和进入点分别左乘矩阵M得到头颅旋转后基准点、靶点和进入点的新位置，建立新基准参考平面。

再进一步，所述步骤2.3)中，将穿刺针刺入颅内，同时配合穿刺针表面的刻度和显示的计划穿刺深度，将穿刺针刺入相应的深度，以完成穿刺手术。

一种改进的颅内穿刺导向装置，所述装置包括穿刺规划导航子系统和穿刺装置子系统，其中，所述穿刺规划导航子系统包括：

计算模块，用于加载头颅扫描图像序列，建立脑部三维模型；设定基准点，在三维模型中建立相互垂直的基准参考平面；设置靶点和进入点，计算靶点和进入点组成的穿刺路径的长度，根据陀螺仪姿态的改变计算出头部姿态的变化值，使用变化值旋转坐标系和设定的基准点，获得头颅在偏转情况下的穿刺路径的长度及其与基准参考平面之间的夹角；

第一通信模块，用于采用无线传输的方式，接收从陀螺仪发送的穿刺装置与物理空间参考平面之间的实时夹角；

所述穿刺装置子系统包括：

角度测量模块，用于通过陀螺仪确定穿刺装置的三维空间姿态，实时输出穿刺装置与物理空间参考平面之间的夹角。

第二通信模块：用于采用无线传输的方式，发送穿刺装置与物理空间参考平面之间的实时夹角。

进一步，所述穿刺规划导航子系统还包括：数据显示提示模块：用于显示角度测量模块获取的实时角度信息，从计算模块处获取的计划穿刺角度信息及两者的角度差，同时，根据接收的数据虚拟手术器械，跟踪显示手术器械和病灶的空间位置关系，并通过图形箭头辅助医生将穿刺装置调节到相应的姿态。

再进一步，所述穿穿刺装置子系统还包括：带有刻度的穿刺针，用于在穿刺装置到达确定的穿刺姿态之后实施穿刺手术，通过穿刺针表面的刻度与所需穿刺深度比较，从而达到计划的穿刺深度。

如图1所示，本实施例的改进的颅内穿刺引导装置包括辅助计算穿刺角度、深度和实时引导的穿刺规划导航子系统(如图2所示)和用以实施穿刺手术的穿刺装置子系统(如图3所示)。其中，穿刺规划导航子系统包括计算模块，通信模块和数据显示提示模块，计算模块用以加载头颅扫描图像序列，角度修正数据，以计算穿刺角度和深度；通信模块通过无线传输将控制命令传输到穿刺装置中的陀螺仪中并接收实时数据；数据显示提示模块显示数据，跟踪显示手术器械并通过图形箭头提示调节装置到相应的姿态。穿刺装置子系统包括角度测量模块，通信模块和带有刻度的穿刺针，分别用以获取实时角度信息，发送实时数据和辅助确定深度。

Claims (3)

1.一种改进的颅内穿刺导向装置，其特征在于：所述装置包括穿刺规划导航子系统和穿刺装置子系统，其中，所述穿刺规划导航子系统包括：

计算模块，用于加载头颅扫描图像序列，建立脑部三维模型；设定基准点，在三维模型中建立相互垂直的基准参考平面；设置靶点和进入点，计算靶点和进入点组成的穿刺路径的长度，根据陀螺仪姿态的改变计算出头部姿态的变化值，使用变化值旋转坐标系和设定的基准点，获得头颅在偏转情况下的穿刺路径的长度及其与基准参考平面之间的夹角；

第一通信模块，用于采用无线传输的方式，接收从陀螺仪发送的穿刺装置与物理空间参考平面之间的实时夹角；

所述穿刺装置子系统包括：

角度测量模块，用于通过陀螺仪确定穿刺装置的三维空间姿态，实时输出穿刺装置与物理空间参考平面之间的夹角；

第二通信模块：用于采用无线传输的方式，发送穿刺装置与物理空间参考平面之间的实时夹角。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述穿刺规划导航子系统还包括：数据显示提示模块：用于显示角度测量模块获取的实时角度信息，从计算模块处获取的计划穿刺角度信息及两者的角度差，同时，根据接收的数据虚拟手术器械，跟踪显示手术器械和病灶的空间位置关系，并通过图形箭头辅助医生将穿刺装置调节到相应的姿态。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述穿刺装置子系统还包括：带有刻度的穿刺针，用于在穿刺装置到达确定的穿刺姿态之后实施穿刺手术，通过穿刺针表面的刻度与所需穿刺深度比较，从而达到计划的穿刺深度。