CN106344153B - 一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗辅助设备领域，具体涉及一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置及方法，本发明包括：定位机械臂，超声探头、数据处理设备、光学测量仪和定位标志；该定位标志分别固定安装于被穿刺对象上和超声探头上；光学测量仪对定位标志进行测量，得到光学测量数据；所述数据处理设备通过光学测量数据与超声图像数据相结合得到针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；对所有针尖位置坐标进行记录，得到当前时刻的针尖运动轨迹数据。本发明利用超声成像与光学定位相结合的方法进行定位跟踪，其具有定位精度高的优点，对针尖位置实现自动实时监控跟踪，给临床手术带来了方便。

Description

一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗辅助设备领域，具体涉及一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置及方法。

背景技术

在现有的微创手术中，柔性针穿刺的应用潜力越来越大，医生在进行柔性针穿刺手术中对针尖定位精度的要求非常高，并且需要实时跟踪针尖的位置。快速跟踪针尖位置需要定位追踪装置能自主快速准确定位，并且对外形复杂的穿刺对象有很好的追踪适应，这需要自动跟踪装置的运动灵活性和位置跟踪精确性提出了更高的要求。

目前临床微创手术所使用的柔性针穿刺跟踪设备主要是由计算机断层摄影和核磁共振成像扫描手段和定位设备相结合来获得。在传统针尖位置定位是通过在针尖安装传感器来识别针尖位置，通过矩阵转换到医学影像坐标系中，医生通过了解针尖位置和肿瘤靶区之间的相对位置的关系来进一步控制针的轨迹。中国发明专利号为：201510173724.0的专利文件中公开了一种在介入手术过程中相对于装置坐标系定位介入治疗针的介入治疗针定位方法，在该技术方案中其将传感器固定在针杆上，通过跟踪传感器位置来推算确定针尖位置，然而这种方法在固定传感器上带来很大的难度，在针杆上固定传感器会对针的刚度造成一定的影响，容易导致针尖断落或者传感器脱落，给手术带来再次的困难；传感器位置和针尖位置之间是通过坐标系计算，介入针在穿刺过程会发生弯曲，在计算坐标系过程会存在误差，造成定位不准确给治疗带来了困难。由此可见，针尖定位跟踪设计的不足是给临床使用带来困难，限制介入针治疗手术发展重要因素。若采取放射成像相结合跟踪针尖位置的方案，由于其具有辐射危害，且成像时间较长，不易频繁使用，不能对针尖的位置进行实时的跟踪。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置及方法，包括：定位机械臂，超声探头、光学跟踪设备和数据处理设备；

所述超声探头安装于所述定位机械臂的前端上，用于对被穿刺对象中的超声图像数据进行采集；

所述定位机械臂用于控制超声探头的移动；

所述光学跟踪设备包括：光学测量仪，以及与该光学测量仪配合的第一定位标志和第二定位标志；

所述第一定位标志固定安装于被穿刺对象上；

所述第二定位标志固定安装于超声探头上；

所述光学测量仪对第一定位标志和第二定位标志的位置进行测量，得到光学测量数据；

所述数据处理设备分别与所述超声探头和所述光学测量仪进行连接，对超声图像数据和光学测量数据进行接收，并根据光学测量数据以第一定位标志为基准建立基坐标系，得到第二定位标志在基坐标系中的位置坐标；又根据超声图像数据基准建立超声图像坐标系，获取针尖在超声图像数据中的针尖图像位置坐标；将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，得到针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；对所有针尖位置坐标进行记录，得到当前时刻的针尖运动轨迹数据。

进一步，所述定位机械臂为具有六自由度的机械臂。

进一步，所述光学测量仪为光学双目测量仪器。

进一步，所述第一、第二定位标志上均设有四个球体，且该四个体球均处在同一个平面上。

进一步，所述数据处理设备中设有显示屏，其用于对超声图像数据和光学测量数据进行显示。

本发明一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，包括：

在被穿刺对象上和超声探头上分别固定安装有第一定位标志和第二定位标志；

以该第一定位标志为基准建立基坐标系，使得第一定位标志的平面法向为该基坐标系的纵轴；

超声探头获取被穿刺对象中的超声图像，并根据超声图像建立超声图像坐标系；

超声探头搜寻被穿刺对象中的针尖，获取针尖图像；

在获取针尖图像后根据该针尖图像测量计算该针尖在超声图像的超声图像坐标系中的针尖图像位置坐标；

通过光学仪器观测当前第一定位标志和第二定位标志之间的位置关系，测量计算并记录所述第二定位标志在基坐标系中的探头位置坐标；

将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，使所述针尖图像位置坐标叠加至基坐标系中的探头位置坐标中，得到该针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；

对当前时刻的针尖位置坐标进行记录，并结合已被记录的之前时刻的针尖位置坐标，得到并记录当前时刻的针尖运动轨迹数据。

进一步，所述超声探头搜寻被穿刺对象中的针尖，获取针尖图像包括：

根据之前时刻的针尖运动轨迹数据，对当前时刻的针尖位置坐标进行估算，得到针尖估算运动轨迹；

将超声探头以第二速度沿针尖估算运动轨迹进行移动，同时获取被穿刺对象中的超声图像，并判断该超声图像中，是否存在穿刺针图像；

若存在穿刺针图像，则超声探头继续沿针尖估算运动轨迹进行移动，直到其获取的超声图像中，不存在穿刺针图像为止；

当该超声探头取的超声图像中不存在穿刺针图像时，超声探头沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动，直到其获取的超声图像中，再次出现穿刺针图像为止；

当超声图像中再次出现穿刺针图像时，寻找到针尖位置，并获取并保存针尖图像，在保存针尖图像后，再次根据之前时刻的针尖运动轨迹数据，对当前时刻的针尖位置坐标进行估算。进一步，所述超声探头继续沿针尖估算运动轨迹进行移动包括：

超声探头以第二速度继续沿针尖估算运动轨迹进行移动，所述第二速度大于第一速度；所述第一速度为针尖在被穿刺对象中进行穿刺进针的移动速度。

进一步，所述超声探头沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动包括：

超声探头以第三速度沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动，所述第三速度小于第一速度。

本发明利用超声波成像与光学定位相结合的方法进行定位跟踪，其具有没有放射伤害，且定位精度高的优点；并且本发明的定位跟踪装置不需要使用传感器固定针杆上，免去了由于针弯曲而造成针刚度不足，容易发生断针现象，或者传感器容易脱落等问题，使用超声波成像技术，没有放射造成伤害，定位精度高，对针尖位置实现自动实时监控跟踪，给临床手术带来了方便。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图1为本发明自动跟踪装置的整体结构示意图；

图2为本发明自动跟踪装置中的光学测量仪整体结构示意图；

图3为本发明自动跟踪装置中的超声探头与定位标志之间的装配关系示意图；

图4为本发明自动跟踪方法中的一个实施例的工作流程示意图；

图5为本发明自动跟踪方法中获取的针尖图像的工作流程示意图；

图6为本发明自动跟踪方法中的另一个实施例的工作流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图3，本发明是一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，包括：定位机械臂1，超声探头2、光学跟踪设备3和数据处理设备(未图示)；

所述超声探头2安装于所述定位机械臂1的前端上，用于对被穿刺对象4中的超声图像数据进行采集；

所述定位机械臂1用于控制超声探头2的移动；

所述光学跟踪设备3包括：光学测量仪31，以及与该光学测量仪31配合的定位标志32，所述定位标志32包括：第一定位标志和第二定位标志；

所述第一定位标志固定安装于被穿刺对象4上；第一定位标志是固定不动的，用于识别被穿刺对象4的方位，并以此建立基坐标系；

所述第二定位标志固定安装于超声探头2上，第二定位标志固定在超声探头2上，随着探头移动而移动，用于识别超声探头2的方位；

所述光学测量仪31对第一定位标志和第二定位标志的位置进行测量，得到光学测量数据；

所述数据处理设备(未图示)分别与所述超声探头2和所述光学测量仪31进行连接，对超声图像数据和光学测量数据进行接收，并根据光学测量数据以第一定位标志为基准建立基坐标系，得到第二定位标志在基坐标系中的位置坐标；又根据超声图像数据基准建立超声图像坐标系，获取针尖在超声图像数据中的针尖图像位置坐标；将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，得到针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；对所有针尖位置坐标进行记录，得到当前时刻的针尖运动轨迹数据。

光学双目仪器31通过采集第一定位标志和第二定位标志的方位信息从而获取得到第一定位标志坐标系和第二定位标志坐标系之间的变换矩阵关系，即超声探头坐标系和基坐标系之间变换矩阵的关系；超声探头2和超声图像固连在一起，它们之间相对位置不变，通过对超声探头坐标系和基坐标系关系确定，超声探头2和超声图像之间的坐标关系确定，以及针在超声图像内的位置确定，从而确定了针尖在基坐标系上的坐标方位。超声探头2在根据进针控制输入得出的针尖估计位置，超声探头2在针尖附近的穿刺对象表面沿着穿刺方向移动寻找跟踪针尖，通过超声图像判断针尖的位置，自动实时地监控跟踪针尖的位置。

进一步，所述定位机械臂1为具有六自由度的机械臂。

进一步，所述光学测量仪31为光学双目测量仪器，所述光学双目测量仪器31安装于定位支架33上，定位支架33可以实现升降旋转调节光学双目仪器得到合适位置后固定。

进一步，所述第一、第二定位标志上均设有四个球体，且该四个体球均处在同一个平面上。由于定位标志32有四个球处在一个面上，光学测量仪31可以采集定为标志四个球的坐标，通过以某个球的坐标作为原点，四个球坐标值可以建立一个坐标系，四个球组成平面法向为Z轴。

进一步，所述数据处理设备(未图示)中设有显示屏，其用于对超声图像数据和光学测量数据进行显示。

本发明通过定位机械臂1抓取超声探头2贴合在被穿刺对象4表面，实时地跟踪针尖位置；超声探头2采集超声图像；光学跟踪装置跟踪超声探头2位置和穿刺对象位置并建立二者与基坐标系之间的坐标变换关系，结合超声图像相实时获取针尖在基坐标系中的位置。探头对针尖跟踪方法是由超声探头2在根据进针控制输入得出的针尖估计位置，探头贴合在穿刺对象表面沿着进针方向来回往返寻找针尖，通过超声图像是否出现针尖来判断针尖的位置，从而实现对针尖的跟踪。

请参阅图4至图5，本发明是一种柔性穿刺针针尖自动跟踪方法，包括：

401.分别安装有第一、第二定位标志

在被穿刺对象上和超声探头上分别固定安装有第一定位标志和第二定位标志；

402.建立基坐标系

以该第一定位标志为基准建立基坐标系，使得第一定位标志的平面法向为该基坐标系的纵轴；

403.建立超声图像坐标系

超声探头获取被穿刺对象中的超声图像，并根据超声图像建立超声图像坐标系；

404.在超声图像中获取的针尖图像

超声探头搜寻被穿刺对象中的针尖，获取针尖图像，并根据该针尖图像测算该针尖在超声图像的超声图像坐标系中的针尖图像位置坐标；超声探头在根据之前时刻的针尖运动轨迹数据进行估算，判断当前位置超声图像是否出现针的轨迹，超声探头探测到针位置时，在超声图像中会出现白色圆点，该圆点位置为针位置；通过图像识别可以得到该点在超声图像上的坐标方位。如果出现则探头继续前进，直到针在超声图像消失后再使探头往回走，超声图像寻找到针位置则采集记录当前针位置；当超声探头在根据进针控制输入得出的针尖估计位置，当前位置超声图像没有出现针的轨迹，探头则往后退，直到超声图像出现针位置，采集记录针位置。通过探头对针尖不断执行周期寻找针尖，从而实现对针尖的实时跟踪。

通过已知针的轨迹计算当前超声针与探头前进方向上一致的的速度v，判断当前位置超声图像是否出现针的轨迹，如果出现，则探头以v₁＝av前进(其中a>1)，前进时间t₁后，判断针是否脱离超声图像，如果没脱离探头继续以v₁速度前进直到超声图像脱离针轨迹，若脱离则探头以v₂＝bv后退(其中0<b<1)，后退时间t₂后，判断超声图像是否出现针轨迹，若没出现则探头继续以v₂＝bv后退直到找到针尖位置，若出现则采集记录当前针尖位置，判断是否进入下一循环跟踪针轨迹，如果继续则根据已知针的轨迹计算当前超声针与探头前进方向上一致的的速度v，进入下一循环跟踪，不继续跟踪则结束；

如果在当前位置超声图像没有针的轨迹时，则探头以v₂＝bv后退(其中0<b<1)，后退时间t₂后，判断超声图像是否出现针轨迹，若没出现探头则继续以v₂＝bv后退直到找到针尖位置，若出现则采集记录当前针尖位置，判断是否进入下一循环跟踪针轨迹，如果继续则根据已知针尖历史坐标拟合针轨迹计算当前超声针与探头前进方向上一致的的速度v，进入下一循环跟踪，不继续跟踪则结束。

通过探头对针尖不断执行周期寻找针尖，从而实现对针尖的实时跟踪。

405.得到超声探头在基坐标系中的位置坐标

通过光学仪器观测当前第一定位标志和第二定位标志之间的位置关系，测算并记录所述第二定位标志在基坐标系中的探头位置坐标；

406.得到针尖在基坐标系中的位置坐标

将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，使所述针尖图像位置坐标叠加至基坐标系中的探头位置坐标中，得到该针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；针尖在超声图像坐标系Ψ_i中的坐标为P_a，超声图像坐标系Ψ_i到超声探头坐标系Ψ_P的齐次变换矩阵为T_pa，超声探头坐标系Ψ_P到基坐标系Ψ₀的齐次变换矩阵为T_OP。坐标P_a是通过图像识别获取得到针尖在超声图像上的位置。由于超声探头和超声图像是固连在一起，超声图像坐标系Ψ_i和超声探头坐标系Ψ_P之间的齐次变换矩阵T_pa在测量跟踪过程是不变，由超声探头上第二定位标志安装位置所决定；采用N线模型等方法得到齐次变换矩阵T_pa，通过标准模型中的位置确定N形标记线，在超声成像中切割出对应的标志点，以及在模型与超声探头上第二定位标志的相对位置，可以形成闭环的空间变换关系，即可解算出齐次变换矩阵T_pa就是所需要标定的变换关系；齐次变换矩阵T_OP是通过光学双目仪器对穿刺对象上第一定位标志和超声探头上的第二定位标志实时采集而得到第一定位标志与第二定位标志之间的变换矩阵，即第二定位标志与基坐标系的变换矩阵；齐次变换矩阵为4×4结构[R P；0 1]，R代表旋转变换，P代表平移变换。从而针尖在基坐标系Ψ₀中的坐标P₀可以用以下公式计算得到：

407.记录针尖运动轨迹数据

对当前时刻的针尖位置坐标进行记录，并结合已被记录的之前时刻的针尖位置坐标，得到并记录当前时刻的针尖运动轨迹数据。

请参阅图6，本发明是一种柔性穿刺针针尖自动跟踪方法，包括：

501.分别安装有第一、第二定位标志

在被穿刺对象上和超声探头上分别固定安装有第一定位标志和第二定位标志；

502.建立基坐标系

以该第一定位标志为基准建立基坐标系，使得第一定位标志的平面法向为该基坐标系的纵轴；

503.建立超声图像坐标系

超声探头获取被穿刺对象中的超声图像，并根据超声图像建立超声图像坐标系；

504.估计针尖估算运动轨迹

根据之前时刻的针尖运动轨迹数据，对当前时刻的针尖位置坐标进行估算，得到针尖估算运动轨迹；

505.针尖与超声探头进行前进

针尖以第一速度进行进针，同时超声探头以第二速度为沿针尖估算运动轨迹进行移动，同时获取被穿刺对象中的超声图像，其中，所述第二速度大于第一速度；

506.判断是否存在穿刺针图像

对被穿刺对象中的超声图像进行判断，判断该超声图像中是否存在穿刺针图像；若不存在穿刺针图像，则进入步骤509.超声探头以第三速度进行后退；

507.超声探头以第二速度进行前进

若存在穿刺针图像，则超声探头以第二速度继续沿针尖估算运动轨迹进行移动；

508.判断是否脱离穿刺针图像

在超声探头以第二速度继续沿针尖估算运动轨迹进行移动的同时，判断超声图像是否脱离穿刺针图像；若该超声图像没脱离穿刺针图，则继续进行步骤507.超声探头以第二速度进行前进；

509.超声探头以第三速度进行后退

若该超声图像脱离穿刺针图时，超声探头沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动，其中，所述第三速度小于第一速度；

510.判断是否再次存在穿刺针图像

在超声探头反方向进行移动时，判断超声图像中是否再次出现穿刺针图像，若没有再次出现穿刺针图像，则返回步骤509.超声探头以第三速度进行后退；

511.获取针尖图像

若再次出现穿刺针图像，超声探头停止移动，同时获取针尖图像，并根据该针尖图像测量计算该针尖在超声图像的超声图像坐标系中的针尖图像位置坐标，在获取针尖图像后，同时进行步骤512.得到超声探头在基坐标系中的位置坐标和步骤504.估计针尖估算运动轨迹；

512.得到超声探头在基坐标系中的位置坐标

通过光学仪器观测当前第一定位标志和第二定位标志之间的位置关系，测算并记录所述第二定位标志在基坐标系中的探头位置坐标；

513.得到针尖在基坐标系中的位置坐标

将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，使所述针尖图像位置坐标叠加至基坐标系中的探头位置坐标中，得到该针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；

514.记录针尖运动轨迹数据

对当前时刻的针尖位置坐标进行记录，并结合已被记录的之前时刻的针尖位置坐标，得到并记录当前时刻的针尖运动轨迹数据。

本发明的目的是提出一种定位精度高，无放射伤害，可以自动实时地跟踪针尖的位置的跟踪装置及其跟踪方法。本发明利用超声波成像与光学定位相结合方法，没有放射伤害，定位精度高的优点，本发明的定位跟踪装置不需要使用传感器固定针杆上，免去了由于针弯曲而造成针刚度不足，容易发生断针现象，或者传感器容易脱落等问题，使用超声波成像技术，没有放射造成伤害，定位精度高，对针尖位置实现自动实时监控跟踪，给临床手术带来了方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，包括：定位机械臂、超声探头、光学跟踪设备和数据处理设备；

所述超声探头安装于所述定位机械臂的前端上，用于对被穿刺对象中的超声图像数据进行采集；

所述定位机械臂用于控制超声探头的移动；

所述光学跟踪设备包括：光学测量仪，以及与该光学测量仪配合的第一定位标志和第二定位标志；

所述第一定位标志固定安装于被穿刺对象上；

所述第二定位标志固定安装于超声探头上；

所述光学测量仪对第一定位标志和第二定位标志的位置进行测量，得到光学测量数据；

所述数据处理设备分别与所述超声探头和所述光学测量仪进行连接，对超声图像数据和光学测量数据进行接收，并根据光学测量数据以第一定位标志为基准建立基坐标系，得到第二定位标志在基坐标系中的位置坐标；又根据超声图像数据基准建立超声图像坐标系，获取针尖在超声图像数据中的针尖图像位置坐标；将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，得到针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；对所有针尖位置坐标进行记录，得到当前时刻的针尖运动轨迹数据。

2.根据权利要求1所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述定位机械臂为具有六自由度的机械臂。

3.根据权利要求2所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述光学测量仪为光学双目测量仪器。

4.根据权利要求3所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述第一、第二定位标志上均设有四个球体，且该四个体球均处在同一个平面上。

5.根据权利要求4所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述数据处理设备中设有显示屏，其用于对超声图像数据和光学测量数据进行显示。

6.一种柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，包括：

在被穿刺对象上和超声探头上分别固定安装有第一定位标志和第二定位标志；

以该第一定位标志为基准建立基坐标系，使得第一定位标志的平面法向为该基坐标系的纵轴；

超声探头获取被穿刺对象中的超声图像，并根据超声图像建立超声图像坐标系；

超声探头搜寻被穿刺对象中的针尖，获取针尖图像；

在获取针尖图像后根据该针尖图像测量计算该针尖在超声图像的超声图像坐标系中的针尖图像位置坐标；

通过光学仪器观测当前第一定位标志和第二定位标志之间的位置关系，测量计算并记录所述第二定位标志在基坐标系中的探头位置坐标；

将基坐标系和超声图像坐标系进行叠加转换，使所述针尖图像位置坐标叠加至基坐标系中的探头位置坐标中，得到该针尖在基坐标系中的针尖位置坐标；

对当前时刻的针尖位置坐标进行记录，并结合已被记录的之前时刻的针尖位置坐标，得到并记录当前时刻的针尖运动轨迹数据。

7.根据权利要求6所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述超声探头搜寻被穿刺对象中的针尖，获取针尖图像包括：

根据之前时刻的针尖运动轨迹数据，对当前时刻的针尖位置坐标进行估算，得到针尖估算运动轨迹；

将超声探头以第二速度沿针尖估算运动轨迹进行移动，同时获取被穿刺对象中的超声图像，并判断该超声图像中，是否存在穿刺针图像；

若存在穿刺针图像，则超声探头继续沿针尖估算运动轨迹进行移动，直到其获取的超声图像中，不存在穿刺针图像为止；

当该超声探头取的超声图像中不存在穿刺针图像时，超声探头沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动，直到其获取的超声图像中，再次出现穿刺针图像为止；

当超声图像中再次出现穿刺针图像时，寻找到针尖位置，并获取与保存针尖图像，在保存针尖图像后，再次根据之前时刻的针尖运动轨迹数据，对当前时刻的针尖位置坐标进行估算。

8.根据权利要求7所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述超声探头继续沿针尖估算运动轨迹进行移动包括：

超声探头以第二速度继续沿针尖估算运动轨迹进行移动，所述第二速度大于第一速度；所述第一速度为针尖在被穿刺对象中进行穿刺进针的移动速度。

9.根据权利要求8所述的柔性穿刺针针尖自动跟踪装置，其特征在于，所述超声探头沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动包括：

超声探头以第三速度沿针尖估算运动轨迹的反方向进行移动，所述第三速度小于第一速度。