CN105250035B - 一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法和系统 - Google Patents

一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法和系统，其中方法包括步骤S1，构建定向仪的定位框架的框架坐标系；步骤S2，计算所述框架坐标系下靶点的坐标；步骤S3，根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量；步骤S4，根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数。本发明通过建立一个通用的定向仪机械参数计算方法和系统，为实现支持多种立体定向仪参数计算的工具提供基础，便于在医生使用不同的立体定向仪进行立体定向手术时，可以使用一套计算方法来进行定位和实施。

Description

一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法和系统
技术领域
本发明涉及立体定向仪领域，尤其涉及一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法和系统。
背景技术
立体定向手术是应用立体几何学坐标原理，建立脑坐标系和在颅骨上安装定向仪，建立坐标系，对脑部靶结构进行定位，将手术操作器(如微电极、活检针、毁损针等)导入靶点进行操作。立体定向术主要用于治疗神经外科领域中的帕金森病、肿瘤、癫痫等脑部疾患。
要立体定向就要有三维空间坐标体系，立体定向仪是通过颅脑外的框架建立一个坐标体系，即人为地在头颅外安装一个框架，由它来形成一个三维空间坐标体系，使脑结构包括在这个坐标体系内，这时将这个框架和病人一起进行CT或MRI的扫描，就会得到带有框架坐标参数标记的病人颅脑CT或MRI的图像，病人颅脑内的各个影像解剖结构都会在这个坐标体系内有一个相应的坐标值，然后通过脑立体定向仪定义的机械数据来达到该坐标点，从而实现脑立体定向。
定向仪的基本结构包括：⑴定位器：定位框架、定位尺(板)、固定螺丝和固定柱；⑵导向器：半弧形弓、载物器；⑶脑内操作器械：温控射频仪、毁损电极、搜索电极、活检针、异物钳、血肿排空针、内镜激光器等等。定向仪配备相应的CT定位器，定位器主要由左右两块有机玻璃板构成，有机玻璃板中镶嵌有“N”形的金属丝，人进行CT扫描时，用结合器将定向仪框架与CT检查床连接固定，然后根据需要进行不同层面的扫描，“N”形的金属丝会在CT胶片的两侧分别形成三个截面图像标志点，最后在CT胶片上进行测量，计算出X、Y、Z轴的坐标数值，称为CT定位法。
目前国内外生产的脑立体定向仪不但定位精度高(小于1mm)，而且使用方便，可以与X线、CT、MRI相配套。使用比较广泛的定位仪主要有：Leksell定向系统、BRW/CRW定向系统等。虽然现在比较广泛使用的定向系统各有特色，但是不同的定向系统定义了不同的坐标系统，相应的，在此基础上不同定向仪定义了不同的机械数据，因此不同定向仪的参数名称及计算方法各不相同，临床医生如果接触了不同定向系统的的定向仪，则需要重新学习该定向系统的计算参数和定位的方法，带来了额外的学习成本和工作量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法和系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，包括以下步骤：
步骤S1，构建定向仪的定位框架的框架坐标系；
步骤S2，计算所述框架坐标系下靶点的坐标；
步骤S3，根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量；
步骤S4，根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，步骤S1中，所述框架坐标系为x-y-z三维坐标系，横轴、纵轴和竖轴分别为x中、y轴和z轴，以定向仪的定位框架底部所在平面为所述框架坐标系的x-y平面，并以定位框架底部的中心作为所述框架坐标系的原点。
进一步地，步骤S2包括以下步骤：
步骤S21，构建靶面坐标系；
将经过靶点且与所述框架坐标系中x-y面相平行的面称为靶面；在所述靶面上构建二维靶面坐标系，记所述框架坐标系的原点在靶面上的投影点为O，将O作为所述靶面坐标系的原点，所述框架坐标系的x轴在所述靶面上投影为所述靶面坐标系的X轴，所述框架坐标系的y轴在所述靶面上的投影为所述靶面坐标系的Y轴；
步骤S22，将定向仪的N形金属丝和定位框架在所述靶面坐标系上进行投影；
定向仪的N形金属丝在所述靶面坐标系上的X轴正方向的投影点为Z1，在X轴负方向的投影点为Z2，定向仪的定位框架在所述靶面坐标系上的四个投影点分别为A、B、C和D，其中A位于由X轴正方向、Y轴负方向构成的区域内，B位于由X轴正方向、Y轴正方向构成的区域内，C位于由X轴负方向、Y轴负方向构成的区域内，D位于由X轴负方向、Y轴正方向构成的区域内；
步骤S23，根据步骤S22的投影结果，计算靶点在所述框架坐标系上的坐标；
将靶点记为T，假设T在框架坐标系中的坐标为(Tx，Ty，Tz)，则其中和均表示向量，表示X轴正方向上的单位向量，表示Y轴正方向上的单位向量。
进一步地，4.根据权利要求3所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，步骤S3中，设入点为I，假设I在框架坐标系中的坐标为(Ix，Iy，Iz)则有
进一步地，定向仪所用的定向系统包括Leksell定向系统和BRW/CRW定向系统。
进一步地，定向仪的半弧形弓的安装位置包括仰卧位、俯卧位、左侧位和右侧位。
进一步地，步骤S4中，对于Leksell定向系统：
设定向仪的定位框架边框长度为L；则调整Leksell定向系统中三个可调整刻度尺中的x值为L/2-Tx；y值为L/2-Ty；z值为L-Tz。
当半弧形弓的安装位置为仰卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；其中()z表示向量在所述框架坐标系中z轴上的投影；表示X轴负方向上的单位向量；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为俯卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；表示Y轴负方向上的单位向量；
当半弧形弓的安装位置为左侧卧时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为右侧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
其中α角为入颅的前倾或后仰角度，β角为入颅的左右侧偏角度。
进一步地，步骤S4中，对于BRW/CRW定向系统：
设定位仪的定位框架边框长度为H；则调整所述BRW/CRW定向系统中三个可调整刻度尺中的LAT值为Tx；AP值为Ty；VERT值为Tz-H；
当半弧形弓的安装位置为仰卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；其中()z表示向量在所述框架坐标系中z轴上的投影；表示X轴负方向上的单位向量；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为俯卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；表示Y轴负方向上的单位向量；
当半弧形弓的安装位置为左侧卧时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为右侧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
其中α角为入颅的前倾或后仰角度，β角为入颅的左右侧偏角度。
进一步地，当0<α<90时，表示入颅的前倾角度为α；
当90<α<210时，表示入颅的后仰角度为180-α；
当330<α<360时，表示入颅的前倾角度为α-360；
当35<β<90时，表示入颅的右侧偏角度为向右90-β；
当90<β<145时，表示入颅的左侧偏角度为β-90。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种使用所述支持多种立体定向仪的靶部位定位方法的系统，包括框架坐标系构建模块、靶点坐标计算模块、向量计算模块和定向仪参数计算模块；
所述框架坐标系构建模块用于构建定向仪的定位框架的框架坐标系；
所述靶点坐标计算模块用于计算所述框架坐标系下靶点的坐标；
所述向量计算模块用于根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量；
所述定向仪参数计算模块用于根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数。
本发明的有益效果是：本发明通过建立一个通用的定向仪机械参数计算方法和系统，为实现支持多种立体定向仪参数计算的工具提供基础，便于在医生使用不同的立体定向仪进行立体定向手术时，可以使用一套计算方法来进行定位和实施。
附图说明
图1为本发明实施例一所述支持多种立体定向仪的靶部位定位方法的流程图；
图2为本发明实施例一中框架坐标系的结构图；
图3为本发明实施例一中靶点坐标位置关系图；
图4为本发明实施例一中定向仪半弧形弓安装位置为仰卧位的示意图；
图5为本发明实施例一中定向仪半弧形弓安装位置为俯卧位的示意图；
图6为本发明实施例一中定向仪半弧形弓安装位置为左侧位的示意图；
图7为本发明实施例一中定向仪半弧形弓安装位置为右侧位的示意图；
图8为本发明实施例二所述支持多种立体定向仪的靶部位定位系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，构建定向仪的定位框架的框架坐标系。
图2为本发明实施例一中框架坐标系的结构图。
如图2所示，构建的框架坐标系为x-y-z三维坐标系，以定向仪的定位框架底部所在平面为x-y平面，并以定位框架底部的中心作为框架坐标系的原点，图2中标出了上、下、前、后、左、右六个方向，如图2所示，将从右向左的方向作为x轴正方向，将从前到后的方向作为y轴正方向，将从下到上的方向作为z轴正方向，框架坐标系中的每个点都可以用三维坐标来表示。
步骤S2，计算框架坐标系下靶点的坐标。
在具体实施例中，人在进行CT扫描时，需要用结合器将定向仪的定位框架与CT检查床连接固定，使用CT定位法根据需要对人体头部进行不同层面的扫描，得出CT影像，然后医生可以在CT影像上选择脑内操作器械刺入的靶点和入点。
图3为本发明实施例一中靶点坐标位置关系图。
如图3所示，步骤S2包括以下步骤：
步骤S21，构建靶面坐标系；将经过靶点且与定向仪的定位框架底部所在水平面相平行的面称为靶面，将经过靶点且与所述框架坐标系中x-y面相平行的面称为靶面；在所述靶面上构建二维靶面坐标系，记所述框架坐标系的原点在靶面上的投影点为O，将O作为所述靶面坐标系的原点，所述框架坐标系的x轴在所述靶面上投影为所述靶面坐标系的X轴，所述框架坐标系的y轴在所述靶面上的投影为所述靶面坐标系的Y轴。
步骤S22，将定向仪的N形金属丝和定位框架在所述靶面坐标系上进行投影；定向仪的N形金属丝在所述靶面坐标系上的X轴正方向的投影点为Z1，在X轴负方向的投影点为Z2，定向仪的定位框架在所述靶面坐标系上的四个投影点分别为A、B、C和D，其中A位于由X轴正方向、Y轴负方向构成的区域内，B位于由X轴正方向、Y轴正方向构成的区域内，C位于由X轴负方向、Y轴负方向构成的区域内，D位于由X轴负方向、Y轴正方向构成的区域内；其中，无论靶点怎么变化，A、B、C、D、Z1和Z2的是固定的，它们在框架坐标系以及在靶面坐标系中的坐标值可以经过预先测量并保存起来作为已知量。
步骤S23，根据步骤S22的投影结果，计算靶点在所述框架坐标系上的坐标；将靶点记为T，假设T在框架坐标系中的坐标为(Tx，Ty，Tz)，则
其中和均表示向量，其中T在靶面坐标系中的坐标可以通过测量得出，表示X轴正方向上的单位向量，表示Y轴正方向上的单位向量。
步骤S3，根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量。
设入点为I，其中，无论靶点T怎么变化，I是固定的，入点在框架坐标系以及在靶面坐标系中的坐标值可以经过预先测量并保存起来作为已知量，则表示靶点到入点在框架坐标系下的向量，假设I在框架坐标系中的坐标为(Ix，Iy，Iz)则有
步骤S4，根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数。
计算定向仪的参数时，需要考虑定向仪所用定向系统的种类以及定向仪的半弧形弓的安装位置。其中，定向仪所用的定向系统包括Leksell定向系统和BRW/CRW定向系统，其中定向仪的半弧形弓的安装位置包括仰卧位、俯卧位、左侧位和右侧位，分别如图4、图5、图6和图7所示，为半弧形弓分别位于人体头部的上方、下方、左侧和右侧。
对于Leksell定向系统：
设定向仪的定位框架边框长度为L；则调整Leksell定向系统中三个可调整刻度尺中的x值为L/2-Tx；y值为L/2-Ty；z值为L-Tz。
当半弧形弓的安装位置为仰卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；其中()z表示向量在框架坐标系中z轴上的投影；表示X轴负方向上的单位向量；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为俯卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；表示Y轴负方向上的单位向量；
当半弧形弓的安装位置为左侧卧时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为右侧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
其中α角为入颅的前倾或后仰角度，β角为入颅的左右侧偏角度。
对于BRW/CRW定向系统：
设定位仪的定位框架边框长度为H；则调整所述BRW/CRW定向系统中三个可调整刻度尺中的LAT值为Tx；AP值为Ty；VERT值为Tz-H；
当半弧形弓的安装位置为仰卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；其中()z表示向量在框架坐标系中z轴上的投影；表示X轴负方向上的单位向量；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为俯卧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；表示Y轴负方向上的单位向量；
当半弧形弓的安装位置为左侧卧时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
当半弧形弓的安装位置为右侧位时，
当()z≥0时，α角＝arccos()；
当()z<0时，α角＝360-arccos()；β角＝arccos()；
根据上述计算：
当0<α<90时，表示入颅需要的前倾角度为α；
当90<α<210时，表示入颅需要的后仰角度为180-α；
当330<α<360时，表示入颅需要的前倾角度为α-360；
当35<β<90时，表示入颅需要的右侧偏角度为向右90-β；
当90<β<145时，表示入颅需要的左侧偏角度为β-90。
图8为本发明实施例二所述支持多种立体定向仪的靶部位定位系统的结构图。
根据上述支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，可以得出技术特征一一对应的一种支持多种立体定向仪的靶部位定位系统，包括框架坐标系构建模块、靶点坐标计算模块、向量计算模块和定向仪参数计算模块；框架坐标系构建模块用于构建定向仪的定位框架的框架坐标系；靶点坐标计算模块用于计算所述框架坐标系下靶点的坐标；向量计算模块用于根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量；定向仪参数计算模块用于根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“实施例二”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，构建定向仪的定位框架的框架坐标系；
步骤S2，计算所述框架坐标系下靶点的坐标；
步骤S3，根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量；
步骤S4，根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数；
其中,步骤S1中，所述框架坐标系为x-y-z三维坐标系，横轴、纵轴和竖轴分别为x中、y轴和z轴，以定向仪的定位框架底部所在平面为所述框架坐标系的x-y平面，并以定位框架底部的中心作为所述框架坐标系的原点；
步骤S2包括以下步骤：
步骤S21，构建靶面坐标系；
将经过靶点且与所述框架坐标系中x-y面相平行的面称为靶面；在所述靶面上构建二维靶面坐标系，记所述框架坐标系的原点在靶面上的投影点为O，将O作为所述靶面坐标系的原点，所述框架坐标系的x轴在所述靶面上投影为所述靶面坐标系的X轴，所述框架坐标系的y轴在所述靶面上的投影为所述靶面坐标系的Y轴；
步骤S22，将定向仪的N形金属丝和定位框架在所述靶面坐标系上进行投影；
定向仪的N形金属丝在所述靶面坐标系上的X轴正方向的投影点为Z1，在X轴负方向的投影点为Z2，定向仪的定位框架在所述靶面坐标系上的四个投影点分别为A、B、C和D，其中A位于由X轴正方向、Y轴负方向构成的区域内，B位于由X轴正方向、Y轴正方向构成的区域内，C位于由X轴负方向、Y轴负方向构成的区域内，D位于由X轴负方向、Y轴正方向构成的区域内；
步骤S23，根据步骤S22的投影结果，计算靶点在所述框架坐标系上的坐标；
将靶点记为T，假设T在框架坐标系中的坐标为(Tx，Ty，Tz)，则
其中和均表示向量，表示X轴正方向上的单位向量，表示Y轴正方向上的单位向量。
2.根据权利要求1所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，步骤S3中，设入点为I，假设I在框架坐标系中的坐标为(Ix，Iy，Iz)则有
3.根据权利要求2所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，定向仪所用的定向系统包括Leksel l定向系统和BRW/CRW定向系统。
4.根据权利要求3所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，定向仪的半弧形弓的安装位置包括仰卧位、俯卧位、左侧位和右侧位。
5.根据权利要求4所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，步骤S4中，对于Leksel l定向系统：
设定向仪的定位框架边框长度为L；则调整Leksel l定向系统中三个可调整刻度尺中的x值为L/2-Tx；y值为L/2-Ty；z值为L-Tz；
当半弧形弓的安装位置为仰卧位时，
当时，其中表示向量在所述框架坐标系中z轴上的投影；表示X轴负方向上的单位向量；
当时，
当半弧形弓的安装位置为俯卧位时，
当时，
当时， 表示Y轴负方向上的单位向量；
当半弧形弓的安装位置为左侧卧时，
当时，
当时，
当半弧形弓的安装位置为右侧位时，
当时，
当时，
其中α角为入颅的前倾或后仰角度，β角为入颅的左右侧偏角度。
6.根据权利要求4所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，步骤S4中，对于BRW/CRW定向系统：
设定位仪的定位框架边框长度为H；则调整所述BRW/CRW定向系统中三个可调整刻度尺中的LAT值为Tx；AP值为Ty；VERT值为Tz-H；
当半弧形弓的安装位置为仰卧位时，
当时，其中表示向量在所述框架坐标系中z轴上的投影；表示X轴负方向上的单位向量；
当时，
当半弧形弓的安装位置为俯卧位时，
当时，
当时， 表示Y轴负方向上的单位向量；
当半弧形弓的安装位置为左侧卧时，
当时，
当时，
当半弧形弓的安装位置为右侧位时，
当时，
当时，
其中α角为入颅的前倾或后仰角度，β角为入颅的左右侧偏角度。
7.根据权利要求6所述的支持多种立体定向仪的靶部位定位方法，其特征在于，当0<α<90时，表示入颅的前倾角度为α；
当90<α<210时，表示入颅的后仰角度为180-α；
当330<α<360时，表示入颅的前倾角度为α-360；
当35<β<90时，表示入颅的右侧偏角度为向右90-β；
当90<β<145时，表示入颅的左侧偏角度为β-90。
8.一种使用权利要求1-7中任一项所述支持多种立体定向仪的靶部位定位方法的系统，其特征在于，包括框架坐标系构建模块、靶点坐标计算模块、向量计算模块和定向仪参数计算模块；
所述框架坐标系构建模块用于构建定向仪的定位框架的框架坐标系；
所述靶点坐标计算模块用于计算所述框架坐标系下靶点的坐标；
所述向量计算模块用于根据靶点的坐标计算靶点到入点在所述框架坐标系下的向量；
所述定向仪参数计算模块用于根据靶点的坐标以及靶点到入点在所述框架坐标系下的向量计算定向仪的参数。
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