CN107280737A

CN107280737A - 一种穿刺行进中旋转角度的计算方法

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Publication number: CN107280737A
Application number: CN201710420685.9A
Authority: CN
Inventors: 黄丹阳; 高欣
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2017-10-24

Abstract

本发明提出一种能够精确提示术中旋转操作角度的穿刺套件结构改进方法，并给出旋转角度的计算方法，通过对穿刺套管尾端进行改进，即添加一个角度调整指示刻度盘辅助装置，并在术前规划的基础上计算出规划路径所需的穿刺旋转角，使得改进后的穿刺套件能够实现精准的旋转操作，具有较高的精度，以及高度的个体特异性，实现精确穿刺。

Description

一种穿刺行进中旋转角度的计算方法

技术领域

本发明属于医疗仪器领域，具体的涉及一种用于经颈静脉肝内门体静脉分流术(TIPS)的穿刺套件结构改进及术中穿刺针旋转角度的计算方法。

背景技术

经颈静脉肝内门体静脉分流术(TIPS)是治疗肝硬化门静脉高压及并发症的微创介入技术，以安全、有效、微创，并可重复操作等特点，日益被广大医师和患者接受，逐渐成为临床治疗门脉高压及其并发症的主要手段。

TIPS采用介入放射技术，借助特殊介入治疗器械，在肝静脉与门静脉分支间建立分流通道，使部分门静脉血流直接汇入下腔静脉，从而降低门静脉压力，达到控制和预防门静脉高压症引起的严重并发症的目的。由于其具有微创伤、定位准确、安全有效及并发症少等优点，近 20年发展迅速。TIPS是高难度、高风险的手术，被《外周血管介入诊疗手术分级目录》列为最复杂的手术之一。

在特定区域内穿刺针从肝静脉穿出，再精确地从门静脉分支穿入是TIPS手术技术的难点。该步骤主要通过对穿刺针尾端进行旋转加推进来完成，其中穿刺针前进方向角度的调整主要是通过操作穿刺套件末端对穿刺针进行旋转实现的。目前，临床中TIPS手术所用穿刺针是德国的库克公司生产的RUPS100或RTPS100穿刺套件，该套件尾端有一个小箭头可以提示旋转方向，然而缺乏精确性；而旋转角度的确定则是医生借助术前CT影像“想象”构筑肝内门体静脉空间位置关系并设计穿刺路径，凭经验确定穿刺时的旋转角度。

这种完全凭经验预估和目测的旋转角度存在极大不确定性，一旦角度不合适，不仅无法保证规划路径的实施，而且极大地增加腹腔出血的风险。现有的提示旋转角度的方法主要靠穿刺针尾端上翘的尖形箭头设计来指示旋转方向，该尾标与针尖的弯折部分共面，可以提示穿刺针针尖大致旋转到什么位置，目前还没有针对术中旋转操作的角度计算方法。

在利用RUPS100穿刺针进行经颈静脉肝内门体静脉分流(TIPS)介入手术时，需要根据肝静脉与目标门静脉分支之间解剖上的相对位置关系在术中调整穿刺针的前进方向，这一步骤极为关键，错误的方向会导致穿不中目标而损伤其他血管或者肝实质，并须将穿刺针重新抽回至肝静脉再次调整旋转角度后再行穿刺，增加穿刺次数。由于肝静脉与门静脉不相连，且相对位置关系因人而异，则穿刺所需的旋转角度也不固定，而现有的穿刺套件又不能提供精确的旋转角度指示，且实际穿刺过程缺少实时影像引导，看不到肝静脉与门静脉实际位置关系，这一穿刺过程极为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于TIPS手术的穿刺套件结构改进方法，使得术中旋转操作角度提示更精确，并给出一种个性化的术中旋转角度的计算方法，实现精准的术中旋转操作。该方法主要针对现有技术中存在的以下技术问题：

(1)旋转操作的角度提示不精确

因为仅通过与穿刺针针尖共面的尾标来感观地提示旋转角度，没有对旋转操作进行量化，随着精准化手术时代的到来，必然要求量化的操作提示，所以带精准刻度的手术套件成为必然。

(2)旋转角度的确定完全凭经验

因为介入手术中在X线透视引导下只能看到肝静脉而看不到门静脉，则肝静脉与门静脉的相对位置关系不能确定，而穿刺是由肝静脉穿刺向门静脉分支，即旋转操作角度是由二者的相对位置关系共同决定的，仅凭术前的影像信息结合一些术中的辅助门静脉定位方法，无法准确确定旋转角度。

本发明就是要提出一种能够精确提示术中旋转操作角度的穿刺套件结构改进方法，并给出旋转角度的计算方法。通过对穿刺套管尾端进行改进，即添加一个角度调整指示刻度盘辅助装置，并在术前规划的基础上计算出规划路径所需的穿刺旋转角，使得改进后的穿刺套件能够实现精准的旋转操作，具有较高的精度，以及高度的个体特异性，实现精确穿刺。

本发明的技术方案是：

一种方法，其特征在于包括以下步骤：

将穿刺套件插入到位于受检者的身体中的腔中，所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接一个角度提示刻度盘，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端；位于所述远程前端中部的接触力传感器、位于所述远程前端前部的发射器、接收器，以及位于所述远程前端后部的位置传感器；

将所述穿刺针操纵成抵达所述腔的壁中的第一目标出针点IP；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端前部和所述目标出针点之间的期望的接触力；以及

根据所述期望的接触力调整穿刺针手柄尾端进行绕手柄所在轴的自身旋转，直至到达期望的角度提示刻度盘上的角度值，此时穿刺针所在的平面和第一目标出针点IP与手柄轴所构成的平面重合；

穿刺针继续前进，到达预先规划的第二目标入针点TP。

进一步地，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

进一步地，包括：

穿刺点勾画，对受检者在术前预先获取医学成像模态，根据所述成像模态上进行路径规划操作，以及

采用迭代阈值分割结合形态学操作进行受检部位图像分割，在分割后的受检部位区域内采用双阈值法进行目标特征形态的提取，然后采用面绘制方法进行三维可视化，最后将可视化影像导入3D Slicer由操作者基于目标特征形态的空间解剖位置关系选取第一目标出针点IP及第二目标入针点TP，从而构筑虚拟穿刺路径，完成路径规划。

进一步地，包括，

所述医学成像模态是下列之一，医学共振(MR)成像；计算机断层摄影(CT)成像；正电子发射光谱(PET)成像；或单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像；所述目标特征形态是下列之一颈静脉、肝右静脉、下腔静脉、门静脉。

进一步地，包括，旋转角度γ的计算，

所述旋转角度γ定义为：当穿刺针进入到达预先规划的第一目标出针点IP时，针尖位于初始平面A，随后医生手持穿刺针手柄尾端进行绕手柄所在轴的自身旋转，使得穿刺针所在的平面和目标出针点与手柄轴所构成的平面重合，即针尖从初始平面A转到目标平面B后停止旋转，这一绕自身轴旋转所需的角度记为旋转角γ；其特征在于包括以下步骤：

第一步，CT断层扫描成像系统有自定义的坐标系，记为SCT，根据CT图像DICOM文件中的体素位置参数、体素大小参数、层距参数，获得术前规划的第一目标出针点IP(x_I，y_I，z_I)、第二目标入针点TP(x_T，y_T，z_T)以及虚拟穿刺路径上的其他参考点坐标信息；

第二步，初始平面A；在术前增强CT或者MR图像上，取所述肝右静脉汇入所述下腔静脉的交点作为参考点RP(x_R，y_R，z_R)，再在规划的所述肝右静脉内穿刺路径即中心线上任取两点P1(x₁，y₁，z₁)，P2(x₂，y₂，z₂)，此两点不与RP共线，三点即可得针尖所在的初始平面A，基于平面三点式方程：

可得初始平面A：A_ax+B_ay+C_az+D_a＝0，其中，Aa，Ba，Ca，Da为方程系数，据此，可知初始平面单位法向量：

记为：

第三步，目标平面B；当穿刺按照规划路径进行时，穿刺成功时穿刺针必过规划的IP和TP 两点，以及穿刺路径上的拐点RP(x_R，y_R，z_R)，三点即可构成穿刺平面，基于平面三点式方程：

可得目标平面B：A_bx+B_by+C_bz+D_b＝0，其中，Aa，Ba，Ca，Da为方程系数，据此，可知目标穿刺平面单位法向量：

记为：

第四步，二面角计算；旋转穿刺针时整个穿刺针轴体从初始平面A转到目标平面B，则转过的角度为手柄轴与平面A和平面B之间的二面角夹角由夹角余弦公式：

得旋转角：

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为TIPS手术示意图。

图2为本发明的角度刻度盘示意图装置的示意图。

图3为本发明的角度计算方案流程图。

图4为本发明的术中旋转操作角度示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

本发明主要包括两个方面：

一个是穿刺套件结构改进使得在术中操作时精确提示旋转角度；另一个是配套地给出一种个性化的旋转角度计算方法。

1)穿刺套件结构改进

手术操作过程分析：

手术时，病人平躺，介入医师从颈静脉1入针，经下腔静脉2到达肝静脉3，如图1；由于肝右静脉与门静脉4之间普遍的相对位置关系为上-下，右-左，后-前的关系，即肝右静脉位于医生手的右下后方，门脉分支位于左上前方，则当进入肝右静脉一定深度后，为保证穿刺针指向门静脉分支，需对穿刺针前进方向进行调整，即手持穿刺针手柄尾端进行绕手柄所在轴自身旋转，使得穿刺针所在的平面和目标穿刺点与手柄轴所构成的平面(目标平面)重合。

穿刺套件改进：

为了协助医生操作，穿刺套件的穿刺针手柄尾端包含向位于控制台中的处理器提供信号的位置传感器。处理器可履行如下描述的若干处理功能，在穿刺套件中引入接触力传感器和位置传感器，在穿刺套件外鞘的尾端外缘接一个角度提示刻度盘。由于旋转时方向为逆时针，角度刻度盘设计如图2：刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合；角度增大的方向为逆时针方向；中央的孔洞为留出孔，用于嵌套在穿刺套件的外鞘上。手术前建立好受检部位的空间位置，并且根据接触力传感器的读数来建立穿刺针远程前端前部和目标出针点之间的期望的接触力，通常情况不同的受检部位的受力值不同，对于个性化手术导航而言，有经验的医生提前会建立起力值和空间位置之间的关系作为辅助，手术时将带刻度盘的外鞘固定，穿刺针及软管嵌在外鞘内进出血管或旋转操作，穿刺针尾端的箭头留出在外鞘外，通过读箭头在刻度盘的指示和处理器给出的受力参数来实时读取操作时的旋转角。

2)个性化的旋转角度计算

配套的角度计算方案流程图如图3：

角度计算过程主要包括三个处理步骤：

第一步，穿刺点勾画。对病人在术前采集的CT或者MR图像上进行路径规划操作。主要包括，采用迭代阈值分割结合形态学操作进行肝脏分割，在分割后的肝脏区域内采用双阈值法进行肝静脉及门静脉血管的提取，然后采用面绘制方法进行三维可视化，最后将可视化影像导入3D Slicer由介入医生基于肝静脉与门静脉空间解剖位置关系凭经验选取穿刺点(肝静脉出针点(Initial Point，IP)及门静脉入针点(Terminal Point，TP))，从而构筑虚拟穿刺路径，完成路径规划。

第二步，建模分析。根据TIPS手术中穿刺套件在肝内行进的流程，可以将其抽象为如下模型：首先，穿刺针由颈静脉1进入血管内，经下腔静脉2到达肝静脉3，如图1；当进入肝右静脉到达预先规划的目标出针点IP时，医生手持穿刺针手柄尾端进行绕手柄所在轴的自身旋转，使得穿刺针所在的平面和目标出针点与手柄轴所构成的平面(目标平面)重合，即针尖从初始平面A转到目标平面B后停止旋转。这一绕自身轴旋转所需的角度即为旋转角γ，如图4；旋转到达目标平面后，穿刺针继续前进，到达预先规划的目标入针点TP，即完成穿刺最关键的一步，再将导丝沿着针尖处切线延长线继续前行引入门脉主干进行后续的支架5 植入。整个穿刺操作中旋转操作所须的角度至关重要，只有合适的旋转角才能保证穿刺针从 IP出针后能够对着门静脉上的TP点方向向前推进后刺中门静脉(分支)，否则不仅造成多次穿刺，增加肝脏出血风险，甚至导致无法穿中门静脉，手术失败。

第三步，数值计算。在规划的基础上，结合病人肝右静脉的解剖结构，给出操作穿刺针时前进方向角度即旋转角的计算方法，从而给出旋转操作的定量依据。

CT断层扫描成像系统有自定义的坐标系，记为SCT。根据CT图像DICOM文件中的参数(体素位置、体素大小、层距)，可确定某个体素在SCT中的坐标。基于此坐标系，可获得术前规划的穿刺点IP(x_I，y_I，z_I)、TP(x_T，y_T，z_T)以及虚拟穿刺路径上的其他参考点坐标信息。

初始平面a

在术前增强CT或者MR图像上，取肝右静脉汇入下腔静脉的交点作为参考点 RP(x_R，y_R，z_R)，再在规划的肝右静脉内穿刺路径即中心线上任取两点P1(x₁，y₁，z₁)， P2(x₂，y₂，z₂)(此两点不与RP共线)，三点即可得针尖所在的初始平面a。基于平面三点式方程：

可得初始平面a：A_ax+B_ay+C_az+D_a＝0，其中，Aa，Ba，Ca，Da为方程系数。据此，可知初始平面单位法向量：

记为：

目标平面b

当穿刺按照规划路径进行时，穿刺成功时穿刺针必过规划的IP和TP两点，以及穿刺路径上的拐点RP(x_R，y_R，z_R)，三点即可构成穿刺平面，基于平面三点式方程：

可得目标平面b：A_bx+B_by+C_bz+D_b＝0，其中，Ab，Bb，Cb，Db为方程系数。据此，可知目标穿刺平面单位法向量：

记为：

二面角计算

旋转穿刺针时整个穿刺针轴体1从初始平面a转到目标平面b，则转过的角度为手柄轴与平面a和平面b之间的二面角夹角由夹角余弦公式：

得旋转角：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种方法，其特征在于包括以下步骤：

穿刺针继续前进，到达预先规划的第二目标入针点TP。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于包括，

5.根据权利要求4所述的方法，包括，旋转角度γ的计算，

第一步，CT断层扫描成像系统有自定义的坐标系，记为SCT，根据CT图像DICOM文件中的体素位置参数、体素大小参数、层距参数，获得术前规划的第一目标出针点IP[x_I，y_I，z_I)、第二目标入针点TP(x_T，y_T，z_T)以及虚拟穿刺路径上的其他参考点坐标信息；

记为：

第三步，目标平面B；当穿刺按照规划路径进行时，穿刺成功时穿刺针必过规划的IP和TP两点，以及穿刺路径上的拐点RP(x_R，y_R，z_R)，三点即可构成穿刺平面，基于平面三点式方程：

记为：

得旋转角：