CN107028659B - 一种ct图像引导下的手术导航系统及导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CT图像引导下的手术导航系统及导航方法，其特征在于，包括跟踪系统、标定示踪器、手术器械、手术器械示踪器、CT设备和导航计算机，CT设备连接导航计算机；标定示踪器固定设置在相对CT病床不发生移动的地方或患者体表，用于测量病床坐标系的位姿；手术器械示踪器固定设置在手术器械上，用于测量手术器械坐标系的位姿；跟踪系统用于测量病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪坐标系的位姿；标定示踪器上设置有导航标识和一组能被跟踪系统识别的特征点集II，导航标识包括一组不对称分布且不共直线并能够被CT设备成像的特征点集I，导航计算机通过坐标系之间的相互变换关系，将病床坐标系和手术器械坐标系变换到某一坐标系中。
Description
技术领域
本发明涉及一种手术导航系统及导航方法，特别是关于一种CT图像引导下的手术导航系统及导航方法。
背景技术
介入治疗是指在不开刀暴露病灶的情况下，经由血管、皮肤上的微小创伤口，在影像设备(血管造影机、透视机、CT、MR、B超)的引导下，将特制的导管、导丝等精密手术器械引入人体，采用冷冻、微波、药物注射等方法对病灶局部进行治疗。相对于内科治疗，大大提高了药物的吸收效率，减少药物用量和副作用。相对于外科治疗，病人创伤小恢复快，只需要局部麻醉，对正常器官的影响小。
但是传统的非血管介入手术，医生仅使用能够在CT下清晰成像的金属导丝结合图像确定皮肤穿刺点，凭借经验调整手术针行进路径抵达目标点，最后用影像设备扫描手术区域，确认手术器械的位置是否准确以及穿刺过程中是否引起无关组织创伤。这种方法使得手术器械与病灶目标点之间存在误差，影响手术质量；若操作者经验不足，或因病灶位置的特殊性反复调整手术器械的位置，增加患者负担，亦可能引起并发症。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够确保导航精度，进而能够引导手术精确操作的CT图像引导下的手术导航系统及导航方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种CT图像引导下的手术导航系统，其特征在于，该手术导航系统包括跟踪系统、标定示踪器、手术器械、手术器械示踪器、CT设备和导航计算机，所述CT设备连接所述导航计算机；所述标定示踪器固定设置在相对CT病床不发生移动的地方或患者体表，用于测量病床坐标系的位姿；所述手术器械示踪器固定设置在手术器械上，用于测量手术器械坐标系的位姿；所述跟踪系统用于测量所述病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪坐标系的位姿；所述标定示踪器上设置有导航标识和一组特征点集II，所述导航标识包括一组不对称分布且不共直线并能够被所述CT设备成像的特征点集I，特征点集II能够被跟踪系统1识别，所述导航计算机通过坐标系之间的相互变换关系，将病床坐标系和手术器械坐标系变换到某一坐标系中。
进一步地，所述跟踪系统采用光学跟踪系统或电磁跟踪系统，所述跟踪系统通过自身的位置传感器对所述标定示踪器和手术器械示踪器进行探测，获得所述病床坐标系和手术器械坐标系各自的原点在所述跟踪系统坐标系中的位置，以及所述病床坐标系和手术器械坐标系的三个坐标轴相对所述跟踪系统坐标系的旋转角度。
进一步地，所述标定示踪器与CT设备的电动床板连接在一起，或经消毒后贴于病灶附近的皮肤上，所述标定示踪器采用工程塑料制作而成的L型立方体，所述L型立方体的竖直面和水平面相互垂直，所述竖直面外表面设置有可被所述跟踪系统测量的特征点集II，所述水平面设置有可被所述CT设备测量的由金属导丝组成的三角形或是不在同一直线上的三个圆球，所述特征点集I是上述三角形的三个顶点或三个球的球心。
进一步地，采用所述标定示踪器对各坐标系进行标定的具体过程为：所述标定示踪器伴随患者扫描时，所述导航标识被CT序列层切，在单幅图像上表现为采样点，并得到采样点在图像坐标系中的坐标；将多个采样点分组拟合成三条直线，然后将三条直线拟合成一个三角形，求取三角形三个顶点的坐标，即为特征点集I在CT图像坐标系中的坐标，由于CT图像坐标与CT设备坐标具有一一对应的关系，得到特征点集I在CT设备坐标系里的坐标，所述跟踪系统测量特征点集II的位置，得到病床坐标系的位姿，由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系。
进一步地，采用所述标定示踪器对各坐标系进行标定的具体过程为：
(a)利用所述CT设备扫描导航标识各点在CT设备坐标系里的坐标由/>拟合出特征点集I各点在CT设备坐标系里的坐标/>
(b)利用所述跟踪系统测量特征点集II各点在所述跟踪系统坐标系里的坐标，由于特征点集I到特征点集II的关系已知，得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标进而得到CT设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿/>
(c)选取所代表的特征点之一为标识坐标系原点Omarker，连接/>各点生成L个列向量，从中选取线性无关的两个向量/>其中,/>作为标识坐标系x轴的方向向量，/>作为标识坐标系Y轴的方向向量，最后确定Z轴的方向向量/>根据右手螺旋定则生成一个空间直角坐标系，将三坐标轴归一化，得到旋转矩阵/>
(d)平移向量为标识坐标系原点在跟踪系统中的坐标：
得到变换关系
(e)由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系/>
一种基于手术导航系统的手术导航方法，包括以下步骤：
1)在相对于电动床不发生移动的地方或患者体表固定设置标定示踪器构成病床坐标系，在手术器械上固定设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；
2)将载有患者和标定示踪器的病床推入CT设备的成像区域，同时扫描标定示踪器和病灶，由导航计算机读取CT图像并自动计算出标定示踪器中特征点集I在CT设备坐标系中的坐标，采用跟踪系统测量标定示踪器上特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出CT设备坐标系和病床坐标系的变换关系，从而间接得到CT设备坐标系与病床坐标系的转换关系；
3)根据步骤2)中确定的变换关系，跟踪系统测量病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪系统坐标系的位姿，将病床坐标系和手术器械坐标系放置某一坐标系下观测；
4)病灶和手术器械相对位置的图像同时显示在导航计算机的显示屏上，即医生在显示屏看到的病灶和手术器械的相对位置，就是实际的病灶和手术器械的相对位置，移动手术器械，将其放置到目标区域，进行手术治疗操作。
进一步地，所述手术导航方法的坐标变换关系：在病床到位后，在病灶图像上将nnav个特征点从标定失踪器的导航标识中提取出来，得到特征点集I在CT设备坐标系里的三维坐标使用跟踪系统测量标定示踪器中自身的位置传感器位置，因特征点集I与标定示踪器中位置传感器的位置关系已知，得到它们在跟踪系统坐标系里的坐标/>病灶和手术器械坐标之间的变换关系为：
式中，为CT设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿，通过式(1)可得到nnav个方程，并解出/>从而病灶的任意一点在CT设备坐标系里的坐标/>可变换到跟踪系统坐标系：
手术器械上的任意一点T在手术器械坐标系里的坐标是已知的，将其变换到跟踪系统坐标系：
增加一个与病灶位置相对保持不变标定示踪器作为病床坐标系，其位姿被跟踪系统测量，用下标0表示病床处于初始的标定位置，1表示病床移动到新位置；
病灶的任意一点在病床坐标系里的坐标可由此点在CT设备坐标系里的坐标变换而来：
其中，为跟踪系统测量标定示踪器得到；
将手术器械的任意一点变换到病床坐标系：
式中，由跟踪系统测量得到，/>为CT设备坐标系和病床坐标系之间的变换关系。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有标定示踪器，针对CT设备坐标系在每次检查当中均发生变化的问题，既能完成坐标系之间的相互转换又能跟踪检查病床的移动，可以方便地将CT设备坐标系变换至病床坐标系中。2、由于CT设备在断层扫描的过程中不一定能恰好层切标识点，且存在部分容积效应，直接设置某种形状的定位标识点并不能以高精度完成标定，本发明提出不直接扫描特征点集，而是经由扫描与特征点集直接关联几何结构特征拟合出特征点，能够有效克服断层扫描中存在的部分容积效应。3、本发明将标定示踪器放置于病灶附近与病灶一同扫描，实时完成配准，只要病人与标定示踪器的相对位置不发生移动，标定的精度就不会发生变化，该过程简便快捷，适用于临床手术。4、CT机架发生角度旋转时，CT设备坐标系发生旋转，当采用标定示踪器进行标定时，本发明的标定算法不受此影响。综上所述，本发明提供了一种使医生在导航计算机显示屏上同时看到病灶和手术器械相对位置的介入导航系统，可以广泛应用在临床手术中。
附图说明
图1是本发明手术导航系统的结构示意图；
图2是本发明标定示踪器结构示意图；
图3是本发明采用CT断层扫描导航标识所得的图像示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的CT图像引导下的手术导航系统包括跟踪系统1、标定示踪器2、手术器械3、手术器械示踪器4、CT设备5和导航计算机6，CT设备5通过计算机网络连接导航计算机6，将扫描的图像发送到导航计算机6。
标定示踪器2固定设置在相对CT病床不发生移动的地方或患者体表，用于测量病床坐标系的位姿(位置和姿态)；
手术器械示踪器4固定设置在手术器械3上，用于测量手术器械坐标系的位姿；
跟踪系统1用于在跟踪视场(保持测量精度的空间区域)内探测目标点的坐标，同时用于测量病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪系统坐标系的位姿；
标定示踪器2设置有导航标识和一组特征点集II，导航标识用于自动识别和定位，要求材料在CT设备下成像不产生伪影，并且具有较高的X射线吸收系数，可以在数字图像处理中不受其它噪声干扰。导航标识包括一组不对称分布且不共直线的特征点集I，特征点集II能够被跟踪系统1识别，特征点集I和特征点集II之间相对位置关系已知，经标定后，导航计算机6通过坐标系之间的相互变换关系，将病床坐标系和手术器械坐标系变换到某一坐标系中，其中，某一坐标系可以是病床坐标系、手术器械坐标系或跟踪系统坐标系。
在一个优选的实施例中，跟踪系统1可以采用光学跟踪系统或电磁跟踪系统。跟踪系统1通过自身的位置传感器对标定示踪器2和手术器械示踪器4进行探测，完成对病床坐标系和手术器械坐标系的位姿跟踪测量，获得病床坐标系和手术器械坐标系各自的原点在跟踪系统坐标系中的位置，以及病床坐标系和手术器械坐标系的三个坐标轴相对跟踪系统坐标系的旋转角度。
在一个优选的实施例中，标定示踪器2和手术器械示踪器4均可以采用现有技术中由若干个(3个或3个以上)最小的示踪单位(比如表面具有荧光材料的示踪球)组成示踪器，标定示踪器2和手术器械示踪器4分别作为一个坐标系，提供所依附设备的位姿信息。
在一个优选的实施例中，如图2所示，标定示踪器2与CT设备5的电动床板连接在一起，或经消毒后贴于病灶附近的皮肤上，在治疗过程中病人与标定示踪器2的相对位置不发生变化。标定示踪器2既能在CT设备5中成像，也能被跟踪系统1测量，导航计算机6可以自动计算出CT设备坐标系与病床坐标系之间的坐标转换关系。标定示踪器2可以采用工程塑料制作而成的L型立方体，L型立方体的竖直面22和水平面24相互垂直，竖直面22外表面设置有可被跟踪系统1测量的特征点集II(21)，水平面24设置有可被CT设备测量的由金属导丝组成的三角形23，也可以是不在同一直线上的三个圆球，特征点集I是上述三角形的三个顶点或三个球的球心，特征点集II需保证不共线，数目大于等于3。
在一个优选的实施例中，手术器械3包括导管和导丝，手术中被引入人体对体内病灶进行诊断和局部治疗。
基于本发明的手术导航系统实现在CT图像引导下的手术导航方法，包括以下步骤：
1、在相对于电动床不发生移动的地方或患者体表固定设置标定示踪器2构成病床坐标系，在手术器械3上固定设置手术器械示踪器4构成手术器械坐标系；
2、将载有患者和标定示踪器2的病床推入CT设备的成像区域，同时扫描标定示踪器和病灶，由导航计算机6读取CT图像并自动计算出标定示踪器2中特征点集I在CT设备坐标系中的坐标，采用跟踪系统1测量标定示踪器上特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出CT设备坐标系和病床坐标系的变换关系，从而间接得到图像坐标系与病床坐标系的转换关系；
3、根据步骤2中确定的变换关系，跟踪系统测量病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪系统坐标系的位姿，将病床坐标系和手术器械坐标系放置某一坐标系下观测；即将病灶的图像数据与手术器械的图像数据融合显示；
4、将病灶和手术器械相对位置的图像，同时显示在导航计算机的显示屏上，即医生在显示屏看到的病灶和手术器械的相对位置，就是实际的病灶和手术器械的相对位置。移动手术器械，将其放置到目标区域，进行手术治疗操作。
本发明的CT图像引导下的手术导航方法支持导航模式A，导航模式A描述中出现的变量定义如表1所示：
表1变量的定义
CT设备坐标系随着病床归零位的变化而变化，因此导航模式A采用标定示踪器2作为病床坐标系，标定示踪器2的位置相对CT病床不发生变化。在手术器械3上固定手术器械示踪器4作为手术器械坐标系。CT设备同时扫描病灶和标定示踪器2，通过标定示踪器2的标定，可以得到当前检查中CT设备坐标系和病床坐标系之间的坐标变换关系，使病灶(CT提供其图像和位姿信息)能变换到病床坐标系中(每次手术均需要做一次标定)。通过机械加工参数或代数方法计算手术器械3在手术器械坐标系里的位姿(每次手术都要标定，因为手术前才将手术器械示踪器4固定)。将病床移出CT成像区域至手术位置，实施手术。在手术过程中，跟踪系统1测量病床坐标系的位姿，得到跟踪系统1自己的坐标系和病床坐标系的转换关系；同时，跟踪系统1测量手术器械坐标系的位姿，得到自己的坐标系和手术坐标系之间的转换关系，从而将手术器械3变换到病床坐标系观测。除了统一将病灶和手术器械变换到病床坐标系观测，也可以将它们变换到其它坐标系观测，例如CT成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系等。导航模式A坐标变换关系具体的推导过程如下：
在病床到位后，在病灶图像上将nnav个特征点从导航标识中(nnav≥3)提取出来，得到特征点集I在CT设备坐标系里的三维坐标使用跟踪系统1测量标定示踪器2中自身的“位置传感器”位置，因特征点集I与标定示踪器2中位置传感器的位置关系已知，得到它们在跟踪系统坐标系里的坐标/>病灶和手术器械坐标之间的变换关系为：
式中，为CT设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿。通过式(1)可得到nnav个方程，并解出/>从而病灶的任意一点在CT设备坐标系里的坐标/>可变换到跟踪系统坐标系：
手术器械3上的任意一点T在手术器械坐标系里的坐标是已知的，将其变换到跟踪系统坐标系：
增加一个与病灶位置相对保持不变标定示踪器作为病床坐标系，其位姿被跟踪系统测量，用下标0表示病床处于初始的标定位置，1表示病床移动到新位置；病灶的任意一点在病床坐标系里的坐标/>可由此点在CT设备坐标系里的坐标/>变换而来：
其中，为跟踪系统测量标定示踪器得到,坐标/>可以从CT图像中获取。
将手术器械的任意一点变换到病床坐标系：
式中，由跟踪系统测量得到，至此，病灶和手术器械3已经被放到同一个坐标系中观测，它们可以被显示在导航计算机的显示屏上，医生在显示屏上看到的病灶和手术器械3的相对位置，就是实际的病灶和手术器械3的相对位置。
上述CT设备坐标系的标定中，CT扫描物体得到图像，所用的空间坐标系为CT设备坐标系，为了将CT设备坐标系变换到其它的坐标系(如病床坐标系)，就需要进行标定工作，得到CT图像坐标系和某坐标系R之间的变换关系有了这个关系，病灶就可以变换到该坐标系中观测。如果知道其它的坐标系和病床坐标系的关系，还可以将病灶变换到其它的坐标系中。
在一个优选的实施例中，标定示踪器2伴随患者扫描时，如图3所示，导航标识32被CT序列31层切，在单幅图像上表现为采样点33，通过图像预处理和阈值分割可以得到采样点33在图像坐标系中的坐标；将多个采样点分组拟合成三条直线，然后将三条直线拟合成一个三角形，求取三角形三个顶点的坐标，即为特征点集I在CT图像坐标系中的坐标，又CT图像坐标与CT设备坐标具有一一对应的关系且已知，就可以得到特征点集I在CT设备坐标系里的坐标，且由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系。
在一个优选的实施例中，用标定示踪器对各坐标系进行标定时，除借助CT设备获取病灶和标定示踪器图像外，还使用导航计算机自动完成标定的整个过程，其步骤如下：
(a)利用CT设备5扫描导航标识各点在CT设备坐标系里的坐标 由/>拟合出特征点集I各点在CT设备坐标系里的坐标/> 其中，求取特征点集I在图像中的坐标时，本发明采用了高精度的标识定位方法：不直接扫描特征点集I而是经由扫描与特征点集I直接关联的几何结构，根据结构特征拟合出特征点，具体过程为：
1)对扫描得到的CT图像作双边滤波，降低图像噪声；
2)通过阈值分割得到导航标识在每一幅断层图像中的位置；
3)根据导航标识的几何特征采用最小二乘法拟合特征点集I在图像坐标系中的位置，并将其映射到CT设备坐标系；
(b)利用跟踪系统测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，因为特征点集I到特征点集II的关系已知，得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标可以得到/>其中，/>为CT设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿；
(c)选取所代表的特征点之一为标识坐标系原点Omarker(xtrack；ytrack；ztrack)，连接/>各点生成L个列向量，从中选取线性无关的两个向量/>其中,/>作为标识坐标系x轴的方向向量，/>作为标识坐标系Y轴的方向向量，最后确定Z轴的方向向量/>根据右手螺旋定则可以生成一个空间直角坐标系，将三坐标轴归一化，得到旋转矩阵/>
(d)平移向量为标识坐标系原点在跟踪系统中的坐标
得到变换关系
(e)由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系/>
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (2)
1.一种CT图像引导下的手术导航系统，其特征在于，该手术导航系统包括跟踪系统、标定示踪器、手术器械、手术器械示踪器、CT设备和导航计算机，所述CT设备连接所述导航计算机；
所述标定示踪器固定设置在相对CT病床不发生移动的地方或患者体表，用于测量病床坐标系的位姿；
所述手术器械示踪器固定设置在手术器械上，用于测量手术器械坐标系的位姿；
所述跟踪系统用于测量所述病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪坐标系的位姿；
所述标定示踪器上设置有导航标识和一组特征点集II，所述导航标识包括一组不对称分布且不共直线并能够被所述CT设备成像的特征点集I，特征点集II能够被跟踪系统1识别，所述导航计算机通过坐标系之间的相互变换关系，将病床坐标系和手术器械坐标系变换到某一坐标系中；
采用所述标定示踪器对各坐标系进行标定的具体过程为：
(a)利用所述CT设备扫描导航标识各点在CT设备坐标系里的坐标由/>拟合出特征点集I各点在CT设备坐标系里的坐标/>
(b)利用所述跟踪系统测量特征点集II各点在所述跟踪系统坐标系里的坐标，由于特征点集I到特征点集II的关系已知，得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标进而得到CT设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿/>
(c)选取所代表的特征点之一为标识坐标系原点Omarker，连接/>各点生成L个列向量，从中选取线性无关的两个向量/>其中,/>作为标识坐标系x轴的方向向量，作为标识坐标系Y轴的方向向量，最后确定Z轴的方向向量/>根据右手螺旋定则生成一个空间直角坐标系，将三坐标轴归一化，得到旋转矩阵/>
(d)平移向量为标识坐标系原点在跟踪系统中的坐标：
得到变换关系
(e)由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系/>
所述标定示踪器与CT设备的电动床板连接在一起，或经消毒后贴于病灶附近的皮肤上，所述标定示踪器采用工程塑料制作而成的L型立方体，所述L型立方体的竖直面和水平面相互垂直，所述竖直面外表面设置有可被所述跟踪系统测量的特征点集II，所述水平面设置有可被所述CT设备测量的由金属导丝组成的三角形或是不在同一直线上的三个圆球，所述特征点集I是上述三角形的三个顶点或三个球的球心；
采用所述标定示踪器对各坐标系进行标定的具体过程为：所述标定示踪器伴随患者扫描时，所述导航标识被CT序列层切，在单幅图像上表现为采样点，并得到采样点在图像坐标系中的坐标；将多个采样点分组拟合成三条直线，然后将三条直线拟合成一个三角形，求取三角形三个顶点的坐标，即为特征点集I在CT图像坐标系中的坐标，由于CT图像坐标与CT设备坐标具有一一对应的关系，得到特征点集I在CT设备坐标系里的坐标，所述跟踪系统测量特征点集II的位置，得到病床坐标系的位姿，由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系。
2.如权利要求1所述的CT图像引导下的手术导航系统，其特征在于，所述跟踪系统采用光学跟踪系统或电磁跟踪系统，所述跟踪系统通过自身的位置传感器对所述标定示踪器和手术器械示踪器进行探测，获得所述病床坐标系和手术器械坐标系各自的原点在所述跟踪系统坐标系中的位置，以及所述病床坐标系和手术器械坐标系的三个坐标轴相对所述跟踪系统坐标系的旋转角度。
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