CN106859742A - 一种穿刺手术导航定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿刺手术导航定位系统，属于医疗器械技术领域。所述系统包括穿刺定位装置、CT扫描装置、导航图像工作站、呼吸门控传感器和初始化定位基板；CT扫描装置与导航图像工作站电连接；导航图像工作站与穿刺定位装置电连接；呼吸门控传感器与穿刺定位装置电连接；初始化定位基板安装于CT扫描装置的CT扫描床上。本发明还提供了一种穿刺手术导航定位方法。本发明提供的穿刺手术导航定位系统和方法，可以准确地实现穿刺进针位置、进针深度及角度的确定，极大地提高了穿刺定位手术的准确性和可靠性，降低了各种并发症的产生。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种穿刺手术导航定位系统和方法。
背景技术
在进行经皮穿刺微创手术(例如：氩氦刀、射频消融、放射粒子植入和无水酒精注射等)与检测(活检)中，需要对人体进行穿刺。目前，医生主要是应用CT扫描装置进行辅助定位及穿刺后确认病灶及周边组织情况。在实际穿刺过程中，为了保证准确地刺中目标且不伤害周边重要组织，通常会对人体进行多次CT扫描，这样不仅会大大增加手术时间，而且多次辐射还会伤害患者的身心。此外，在实际穿刺过程中，主要是根据CT扫描图像来规划最佳进针点、进针角度和进针深度。进针角度是否合适主要依靠量角器、医生的个人经验和主观判断，准确度较差，很少能够做到一次进针即到达理想效果，通常需要反复不断地尝试、调整角度和深度来接近穿刺目标位置，这样很容易引起各种并发症(例如：气胸等)，甚至穿刺失败。
发明内容
为了解决现有穿刺手术时间长、进针准确度不高及易引起并发症等问题，本发明提供了一种穿刺手术导航定位系统，包括穿刺定位装置、CT扫描装置、导航图像工作站、呼吸门控传感器和初始化定位基板；所述CT扫描装置与所述导航图像工作站电连接；所述导航图像工作站与所述穿刺定位装置电连接；所述呼吸门控传感器与所述穿刺定位装置电连接；所述初始化定位基板安装于所述CT扫描装置的CT扫描床上。
所述穿刺定位装置包括主机、显示屏、定位机械手、第一测距仪、约束器和第二测距仪；所述主机分别与所述显示屏和所述定位机械手电连接；所述定位机械手的前端安装有所述约束器；所述第一测距仪安装在所述约束器上，并与所述主机电连接；所述第二测距仪安装在所述定位机械手上，并与所述主机电连接。
所述第一测距仪和第二测距仪均为激光测距仪、红外测距仪、长度计或光栅尺传感器。
所述定位机械手为五自由度或六自由度小型工业机械手。
所述显示屏为液晶显示屏或触摸显示屏；所述约束器的形状为管状或环状。
所述初始化定位基板上设置有至少三个位置不同且密度不同于人体组织的定位基准点。
所述定位基准点的形状为球形、方形或三角形。
所述呼吸门控传感器为呼吸幅度传感器；所述穿刺定位装置的安装方式为移动台车式或固定式。
本发明还提供了一种穿刺手术导航定位方法，所述方法包括：
将初始化定位基板安装在CT扫描床上，并测量定位机械手的初始位置与所述初始化定位基板上的定位基准点之间的距离；
测量患者的呼吸幅度初始值，并根据CT扫描图像的分辨率、扫描视野和层厚，建立CT扫描图像的空间坐标系；
根据所述定位基准点的三维坐标，以及所述定位机械手的初始位置与定位基准点之间的距离，计算出所述定位机械手的初始位置的三维坐标；
根据所述定位机械手的初始位置的三维坐标和患者体表进针点的三维坐标，将所述定位机械手上的约束器移动到所述患者体表进针点，将所述约束器的角度调整到穿刺目标点到所述患者体表进针点的延长线上，并使患者的呼吸幅度达到且保持所述呼吸幅度初始值，通过所述约束器送入穿刺针，进针深度为所述穿刺目标点到患者体表进针点的距离。
所述定位基准点的三维坐标为所述定位基准点在CT扫描图像中各自层图像的x轴像素点数、z轴像素点数和所处的层数y。
本发明提供的穿刺手术导航定位系统，通过穿刺定位装置的主机、定位机械手、第一测距仪、约束器和第二测距仪，可以准确地实现穿刺进针位置、进针深度及角度的确定，并结合CT扫描装置、导航图像工作站、呼吸门控传感器和初始化定位基板，极大地提高了穿刺定位手术的准确性和可靠性，降低了各种并发症的产生。本发明提供的穿刺手术导航定位方法，通过空间几何学原理，确定了定位基准点的三维坐标、定位机械手的初始位置的三维坐标，从而进一步地确定了约束器的放置角度和穿刺针的进针深度，准确地实现了穿刺手术的导航定位。
附图说明
图1是本发明实施例穿刺手术导航定位系统的组成原理框图；
图2是本发明实施例穿刺定位装置的结构示意图；
图3是本发明实施例初始化定位基板的结构示意图；
图4是本发明实施例穿刺手术导航定位系统的工作状态示意图；
图5是本发明实施例穿刺手术导航定位方法的流程图；
图6是本发明实施例根据CT扫描图像建立的空间坐标系；
图7是本发明实施例定位机械手的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
参见图1，本发明实施例提供了一种穿刺手术导航定位系统，该系统包括穿刺定位装置101、CT扫描装置102、导航图像工作站103、呼吸门控传感器104和初始化定位基板105。其中，CT扫描装置102与导航图像工作站103电连接；导航图像工作站103与穿刺定位装置101电连接；呼吸门控传感器104与穿刺定位装置101电连接；初始化定位基板105安装于CT扫描装置102的CT扫描床上。
参见图2，本发明实施例的穿刺定位装置101具体包括：主机1、显示屏2、定位机械手3、测距仪4、约束器5和测距仪6。其中，主机1分别与显示屏2和定位机械手3电连接，定位机械手3的前端安装有约束器5；测距仪4安装在约束器5上，并与主机1电连接；测距仪6安装在定位机械手1上，并与主机1电连接。
在具体应用中，为了方便主机与多种外部设备实现数据通讯连接，主机可包括但不限于如下多种数据通讯接口：VGA接口、DVI接口、USB接口、以太网接口、PS2接口、HDMI接口、RS232通讯接口和RS485通讯接口中的一种或几种。在使用过程中，主机可通过PS2接口或USB接口与键盘或/和鼠标连接，实现对主机上运行的操作系统及各种应用软件的执行操作，例如：参数设定、打印输出等。测距仪4和测距仪6均可采用激光测距仪、红外测距仪、长度计或光栅尺传感器；在本实施例中，测距仪4采用光栅尺传感器，测距仪6采用激光测距仪。定位机械手3可采用五自由度或六自由度小型工业机械手，具有可靠性好、精度高等优点。显示屏2可采用液晶显示屏或触摸显示屏。约束器5上安装有电动执行机构(未示出)，电动执行机构用于自动送入穿刺针；约束器5的形状可为管状或环状，本实施例为管状。
在本实施例中，导航图像工作站103接收CT扫描装置102获取的患者的轴位图像，并对图像进行测量、调整窗宽窗位和三维重建，生成及显示三平面图像(轴位、矢状位、冠状位)和3D图像(三维立体图像)，进而模拟及预览穿刺手术过程，以使医生更加直观地观看到穿刺目标及周围组织情况，从而合理规划穿刺路径；导航图像工作站103与主机1进行数据交换，显示呼吸门控传感器104获得的患者的呼吸曲线及数值等。在本实施例中，主机1分别接收导航图像工作站103、呼吸门控传感器104、激光测距仪、光栅尺传感器的数据，通过显示屏2展示获取的数据，并根据获取的数据控制定位机械手3的运动；此外，主机1还通过显示屏2显示穿刺手术过程中穿刺针的实时位置和穿刺路径的三平面图像和3D图像，以方便医生观察周围组织情况和确认是否准确穿刺到穿刺目标，为医生导航。
通常情况下，人体器官会随着每次的呼吸运动而移动，并且呼吸运动是周期性和重复性的运动，这样胸部或腹部的器官会随着呼吸运动周期而重复地移动。本实施例呼吸门控传感器可采用呼吸幅度传感器，用于测量患者呼吸幅度，以便消除因呼吸导致内脏器官位置变化而引起的偏差。本实施例光栅尺传感器的测量端可以随穿刺针沿约束器移动，这样可以在穿刺手术过程中实时测量穿刺针进针的深度。在主机的控制下，本实施例定位机械手前端的约束器移动到患者体表进针点，并根据医生预先规划的穿刺路径及深度数据，调整约束器与患者体表之间的角度，使医生沿着约束器进行穿刺，从而准确地穿刺到穿刺目标。如图3所示，本实施例初始化定位基板上设置有位置不同且密度不同于人体组织的定位基准点A、B和C；定位基准点A、B和C的形状可为球形、方形或三角形，本实施例定位基准点A、B和C均为球形；在实际应用中，为了更加准确地确定定位机械手的初始位置与初始化定位基板之间的距离，可以设定更多的定位基准点，例如：5个、6个等。本实施例激光测距仪用于测量定位机械手的初始位置与初始化定位基板上的定位基准点之间的距离，以便通过空间几何定位方法建立三维坐标系；激光测距仪可以安装在定位机械手上的任意位置，只要方便测量初始化定位基板上的定位基准点即可。初始化定位基板的材料采用高透射线率材料，例如碳纤维等。
参见图4，本发明实施例提供的穿刺手术导航定位系统的操作过程如下：
1)穿刺定位装置的初始化定位。
利用激光测距仪测量定位机械手的初始位置与初始化定位基板上的定位基准点之间的距离，并将测量数据传输到主机，主机通过空间几何定位方法建立三维坐标系。通常情况下，穿刺定位装置的初始化定位进行一次即可，不需要每次使用时都进行初始化定位；但当穿刺定位装置、初始化定位基板或CT扫描装置的位置发生改变时，需要重新进行初始化定位操作。
2)患者平躺在安装有初始化定位基板的CT床上，并在患者胸部或者腹部固定呼吸门控传感器。
3)对患者的穿刺器官部位进行CT扫描，获取穿刺部位CT图像；CT图像中可以显示出初始化定位基板上的定位基准点。
在进行CT扫描时通常需要患者配合憋气，暂停呼吸，以防止产生呼吸运动伪影。呼吸门控传感器可以精确测量患者憋住气时的呼吸幅度，主机记录患者憋住气时的呼吸幅度，并在穿刺定位装置的显示屏上显示该呼吸幅度。
4)导航图像工作站对CT图像进行测量、调整窗宽窗位和三维重建，生成及显示三平面图像和3D图像。
5)医生根据三平面图像和3D图像规划至少一条穿刺路径，并选择穿刺目标点和体表进针点。
6)医生在穿刺定位装置的主机上选择一条穿刺路径，并控制定位机械手使约束器摆放到体表进针点上方。
7)医生让患者调整呼吸幅度，使其接近或等于先前CT扫描时患者憋住气时的呼吸幅度，从而保证CT扫描时内脏器官的位置与穿刺时内脏器官的位置相对不变。
8)通过约束器送入穿刺针，开始穿刺针进针过程。
在进针过程中，医生通过穿刺定位装置的显示屏，实时观看穿刺针在人体内的位置，并且当穿刺针到达目标点时，主机发出提示音。穿刺针的运动可以通过安装于约束器上的电动执行机构来完成。穿刺针的进针深度为穿刺目标点到患者体表进针点的距离。
9)在穿刺手术完成后，定位机械手返回至待机位置。
在实际应用中，为了方便使用或节省空间，穿刺定位装置的安装方式可为移动台车式或固定式。例如：穿刺定位装置悬吊在CT扫描装置的CT扫描床上方的天棚上，或者固定在CT扫描室的侧墙上，或者固定在CT扫描室的地面上。
本发明实施例提供的穿刺手术导航定位系统，具有如下优点：
1)通过呼吸门控传感器准确测量患者呼吸幅度，消除因呼吸导致内脏器官位置的变化引起的偏差。
2)通过主机、定位机械手、光栅尺传感器、约束器和激光测距仪，穿刺定位装置可以准确地实现穿刺进针位置、进针深度及角度的确定，极大地提高穿刺定位手术的准确性。
3)在穿刺过程中，可在显示屏上实时显示穿刺进针的三平面及3D图像，为穿刺手术提供导航。
4)可以根据医生规划的穿刺路径，模拟穿刺手术过程，并进行预览，以使医生更加准确地了解手术过程。
5)导航图像工作站可以根据医生要求，将CT图像进行三维重建，生成三平面及3D图像，以使医生更加直观地观看到穿刺目标及周围组织情况，从而合理规划穿刺路径。
6)由于五自由度或六自由度小型工业机械手的动作精度可在几十微米，光栅尺传感器及激光测距仪的精度也均在微米级，因此穿刺手术导航定位的精度取决于CT扫描图像的分辨率及扫描层厚。目前CT扫描图像的分辨率一般都在512*512以上甚至更高，最小层厚可以达到0.5mm甚至更低，且扫描速度快，使得本发明实施例提供的穿刺手术导航定位系统的精度可达到1mm。
本发明实施例提供的穿刺手术导航定位系统，通过穿刺定位装置的主机、定位机械手、光栅尺传感器、约束器和激光测距仪，可以准确地实现穿刺进针位置、进针深度及角度的确定，并结合CT扫描装置、导航图像工作站、呼吸门控传感器和初始化定位基板，极大地提高了穿刺定位手术的准确性和可靠性，降低了各种并发症的产生。
参见图5，本发明实施例还提供了一种穿刺手术导航定位方法，包括：
步骤201：将穿刺定位装置水平固定于CT扫描床一侧，且满足定位机械手的工作半径，并将初始化定位基板安装在CT扫描床上。
CT扫描装置的CT机架、CT扫描床均采用水平安装，相应地，穿刺定位装置的主机也应为水平安装，这样可保证定位机械手准确地移动到所需坐标位置。为了方便使用，通过穿刺定位装置内部电子水平仪测量水平数据，并根据水平数据控制穿刺定位装置内部的四个电动升降装置自动调整水平并锁定。此外，为了节省空间，还可以将穿刺定位装置悬吊在CT扫描装置的CT扫描床上方的天棚上，定位机械手的底座需要水平安装。
步骤202：测量定位机械手的初始位置与初始化定位基板上的定位基准点之间的距离。
穿刺定位装置的主机控制定位机械手摆放到预先设置的初始位置，控制定位机械手上的激光测距仪，依次分别测量与初始化定位基板上的A、B、C三点之间的距离；穿刺定位装置的初始化完成，定位机械手返回到待机位置。穿刺定位装置的初始化定位进行一次即可，不需要每次使用时都进行初始化定位；但当穿刺定位装置、初始化定位基板或CT扫描装置的位置发生改变时，需要重新进行初始化定位。
步骤203：测量患者的呼吸幅度初始值，并根据CT扫描图像的分辨率、扫描视野和层厚，建立CT扫描图像的空间坐标系。
患者平躺在CT扫描床上，并将呼吸门控传感器固定在患者胸部或者腹部，测量患者的呼吸幅度初始值，并进行1mm层厚的CT扫描。由于人体器官会随着每次的呼吸运动而移动，呼吸运动是周期性和重复性的运动，因此胸部或腹部的器官会随着呼吸运动周期而重复地移动。在进行CT扫描时通常需要患者配合憋气，暂停呼吸，以防止产生呼吸运动伪影。呼吸门控传感器可以精确测量呼吸幅度，在对患者进行CT扫描时主机会自动记录患者憋住气时的呼吸幅度，并在显示器上显示。扫描后的图像由CT主机传输到导航图像工作站上。
在进行CT扫描时，初始化定位基板上的A、B和C点的图像可以是高密度或低密度，其显示区别于人体组织的密度，便于图像识别。例如：进行连续1mm薄层扫描30cm，即300张图像；设定CT扫描的第一层图像左下角为坐标零点，通过CT扫描图像的分辨率、扫描视野(FOV)，可以确定水平方向和垂直方向每个像素点对应的实际尺寸(例如，分辨率为512x512的CT图像，FOV＝512x512mm，则每个像素点对应一平方毫米)；再根据CT图像扫描的层厚，可以确定扫描方向每个像素点对应的实际尺寸(本实施例中扫描层厚为1mm，则每个像素点在空间上为一立方毫米)；这样在300张图像中建立空间坐标系，即三维坐标系(x，y，z)，如图6所示。
步骤204：根据定位基准点在CT扫描图像中各自层图像的x轴像素点数、z轴像素点数和所处的层数y，确定定位基准点的三维坐标。
通过图像处理识别到定位基准点A、B、C三点，并分别确定其在CT扫描图像中各自层图像的x轴像素点数、z轴像素点数和其所处的层数y，从而确定A、B、C三点的(x，y，z)三维坐标。例如：A点在第五层图像中，那么y＝5mm；A点在水平方向第100个像素上，那么x＝100；A点在垂直方向第200个像素上，那么z＝200；A点的三维坐标则为(100,5,200)。
步骤205：根据定位基准点的三维坐标，以及定位机械手的初始位置与定位基准点之间的距离，计算出定位机械手的初始位置的三维坐标。
如图7所示，在穿刺定位装置初始化时，已测量出了定位机械手上的激光测距仪(e点)到定位基准点A、B、C三点的距离，再结合A、B、C三点的三维坐标，则可以根据立体几何学计算出e点的三维坐标；此外，约束器上的d点与e点通过机器人关节刚性连接，根据机器人学中的坐标变换，可以计算出d点的三维坐标。
步骤206：将定位机械手上的约束器移动到患者体表进针点，将约束器的角度调整到穿刺目标点到患者体表进针点的延长线上，并使患者的呼吸幅度达到且保持呼吸幅度初始值，通过约束器送入穿刺针，进针深度为穿刺目标点到患者体表进针点的距离。
如图6所示，假设o点为穿刺目标点，d’点为患者体表进针点；o点和d’点为医生根据患者CT图像选择的合理的穿刺路径的终止点和起始点；医生只要在患者CT图像上标注出o点和d’点即可，o点和d’点可以根据像素点数及层数确定三维坐标。已知d点三维坐标、o点三维坐标、d’点三维坐标；由o点和d’点的三维坐标计算出o点到d’点的延长线的空间角度(即水平方向的夹角和垂直方向的夹角)及o点到d’点的距离，穿刺定位装置的主机通过对定位机械手的控制将d点移动到d’点，并将约束器的角度调整到o点到d’点的延长线上。
医生让患者调整呼吸并憋住气，憋气时的呼吸幅度为之前CT扫描时记录的患者憋气时的呼吸幅度初始值，这样CT扫描原始图像时内脏器官的位置与即将穿刺时内脏器官的位置相对不变。医生将穿刺针放入约束器(约束器可以是管状或多个同心的环，其内径等于穿刺针的外径)中，穿刺针针尖在d’点进针，进针深度为o点到d’点的距离，这样穿刺针的针尖即可到达目标o点。穿刺针进针时会带动约束器上的光栅尺传感器同步移动，光栅尺传感器将距离信号传输给穿刺定位装置的主机，这样显示器上会显示进针深度及在患者图像上显示出针尖移动的位置和轨迹，实现了穿刺手术的导航定位。
本发明实施例提供的穿刺手术导航定位方法，通过空间几何学原理，建立了CT扫描图像的空间坐标系，并由此确定了定位基准点的三维坐标、定位机械手的初始位置的三维坐标，从而进一步地根据穿刺目标点和患者体表进针点的三维坐标，确定了约束器的放置角度和穿刺针的进针深度，准确地实现了穿刺手术的导航定位。
本发明实施例提供的穿刺手术导航定位系统，可以准确地实现穿刺进针位置、进针深度及角度的确定，极大地提高了穿刺定位手术的准确性和可靠性，降低了各种并发症的产生。本发明实施例提供的穿刺手术导航定位方法，通过空间几何学原理，建立了CT扫描图像的空间坐标系，确定了约束器的放置角度和穿刺针的进针深度，准确地实现了穿刺手术的导航定位。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种穿刺手术导航定位系统，其特征在于，包括穿刺定位装置、CT扫描装置、导航图像工作站、呼吸门控传感器和初始化定位基板；所述CT扫描装置与所述导航图像工作站电连接；所述导航图像工作站与所述穿刺定位装置电连接；所述呼吸门控传感器与所述穿刺定位装置电连接；所述初始化定位基板安装于所述CT扫描装置的CT扫描床上。
2.如权利要求1所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述穿刺定位装置包括主机、显示屏、定位机械手、第一测距仪、约束器和第二测距仪；所述主机分别与所述显示屏和所述定位机械手电连接；所述定位机械手的前端安装有所述约束器；所述第一测距仪安装在所述约束器上，并与所述主机电连接；所述第二测距仪安装在所述定位机械手上，并与所述主机电连接。
3.如权利要求2所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述第一测距仪和第二测距仪均为激光测距仪、红外测距仪、长度计或光栅尺传感器。
4.如权利要求2所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述定位机械手为五自由度或六自由度小型工业机械手。
5.如权利要求2所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述显示屏为液晶显示屏或触摸显示屏；所述约束器的形状为管状或环状。
6.如权利要求1所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述初始化定位基板上设置有至少三个位置不同且密度不同于人体组织的定位基准点。
7.如权利要求6所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述定位基准点的形状为球形、方形或三角形。
8.如权利要求1所述的穿刺手术导航定位系统，其特征在于，所述呼吸门控传感器为呼吸幅度传感器；所述穿刺定位装置的安装方式为移动台车式或固定式。
9.一种穿刺手术导航定位方法，其特征在于，所述方法包括：
将初始化定位基板安装在CT扫描床上，并测量定位机械手的初始位置与所述初始化定位基板上的定位基准点之间的距离；
测量患者的呼吸幅度初始值，并根据CT扫描图像的分辨率、扫描视野和层厚，建立CT扫描图像的空间坐标系；
根据所述定位基准点的三维坐标，以及所述定位机械手的初始位置与定位基准点之间的距离，计算出所述定位机械手的初始位置的三维坐标；
根据所述定位机械手的初始位置的三维坐标和患者体表进针点的三维坐标，将所述定位机械手上的约束器移动到所述患者体表进针点，将所述约束器的角度调整到穿刺目标点到所述患者体表进针点的延长线上，并使患者的呼吸幅度达到且保持所述呼吸幅度初始值，通过所述约束器送入穿刺针，进针深度为所述穿刺目标点到患者体表进针点的距离。
10.如权利要求9所述的穿刺手术定位方法，其特征在于，所述定位基准点的三维坐标为所述定位基准点在CT扫描图像中各自层图像的x轴像素点数、z轴像素点数和所处的层数y。
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