CN107789072A - 一种基于头戴式增强现实设备的颅内病变体表全息投影定位系统 - Google Patents

一种基于头戴式增强现实设备的颅内病变体表全息投影定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述系统包括增强现实头盔(1)、实际标记物(5)、标记物投影(6)、病变体表投影(7)、患者头部(8)、多功能数据接口(9)、显示电脑工作站(10)、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型(11)、适配数据线(12)。本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，解决了现有技术对于颅内病变体表投影定位的问题，可替代专用的神经导航系统。硬件费用低廉，操作简便，耗时短，稳定可靠，便于临床实践应用，有较大的应用价值。

Description

一种基于头戴式增强现实设备的颅内病变体表全息投影定位 系统
技术领域
本发明涉及医疗器械，具体涉及一种基于头戴式增强现实设备的颅内病变体表全息投影定位系统。
背景技术
在神经外科手术中，颅内病变由于有颅骨遮挡，无法直接触及并进行体表定位。同时，颅盖部分的表面缺乏突出的解剖标志作为参照，也给颅内病变的体表投影定位带来了很大困难。而神经外科在进行开颅或穿刺手术时，要求定位准确是其关键，因此，病变的术前体表投影确定至关重要，对设计最佳手术切口，手术入路有很大影响，对病变的顺利切除和脑组织的有效保护有很大作用。传统常用方法包括凭术者经验测量和利用专用神经导航设备等。但是术者凭经验测量具有误差较大，难以重复，可靠性差等缺点。而使用神经导航定位虽然精度较高，但具有设备笨重，价格昂贵，使用繁琐等缺点。
基于上述原因，需要开发使用方便，价格较低廉，易于使用，界面直观易操作的新型定位系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述不足之处，研究设计使用方便，价格较低廉，且易于使用，界面直观易操作的新型定位检测系统。
本发明提供一种基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统。
所述系统包括头戴式增强现实头盔、实际标记物、标记物投影、病变体表投影、患者头部、多功能数据接口、显示电脑工作站、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型、适配数据线。如图1所示。
所述多功能数据接口、显示电脑工作站、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型分别连接在适配数据线上，再连接到头戴式增强现实头盔。
所述实际标记物通常是在磁共振上或是CT上能明显和人体组织有不同表现的物质，例如维生素E胶丸。
所述实际标记物、标记物投影、病变体表投影、患者头部分别位于头戴式增强现实头盔的对面，并必须在头戴式增强现实头盔的显示范围内。
本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统的原理在于颅内病变及标记物的三维全息显示，环境匹配的三维全息投射在术野，达成全息增强现实显像的效果，通过移动全息模型来进行标记物配准，并完成病变体表投影确定。
本发明使用带有标记物的患者头颅磁共振或CT扫描数据，利用磁共振或CT进行三维重建后，生成病变及标记物的三维影像。然后利用头戴式增强现实设备将病变及标记物的三维全息影像投射在患者头部。通过调整三维全息图像的位置和旋转角度，将标记物的全息影像与患者头部相应的标记物重合，此时病变的全息投影影像即为真实颅内病变的体表投影。
本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统使用时的操作包括下列步骤：
(1)采集患者术前扫描的原始影像Dicom数据(采用西门子1.5T磁共振，型号Espree)，利用3D-SLICER软件(开源软件，下载网址www.slicer.org)重建出1:1大小的头颅和病变的三维模型11(图2)。
(2)三维重建的模型11通过数字化方式传输至头戴式增强现实头盔1(图3，Hololens，微软公司)，将患者头颅8，标记物投影6，及病变体表投影7的全息影像连接到多功能数据接口9、显示电脑工作站10，通过适配数据线12连接到头戴式增强现实头盔1进行增强现实显示。
(3)通过头戴式增强现实头盔1的显示器将重建的三维影像直接投射到患者头部，实现数字化三维模型和实际头颅的叠加，达到增强现实显像的目的(图4)。
(4)、通过手势操作或手柄操作配准实际标记物5及患者头部8颅面部特征性标记如眼眶、鼻根、耳廓或颧弓等的位置，实现标记物投影6与实际标记物5位置的准确叠加，标记物位置一旦重叠后，病变全息影像投射的位置即为实际颅内病变的空间投影位置。
本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，解决了现有技术对于颅内病变体表投影定位的问题，可替代专用的神经导航系统。硬件费用低廉，操作简便，耗时短(平均30分钟)，稳定可靠，便于临床实践应用，有较大的应用价值。
附图说明
图1本发明基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统示意图
1、增强现实头盔；5.实际标记物，6.标记物投影，7.病变体表投影，8.患者头部，9.多功能数据接口，10.显示电脑工作站，11.载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型，12.适配数据线
图2采集患者术前扫描的原始影像Dicom数据(CT或磁共振等)，利用3D-SLICER软件重建出1:1大小的头颅和血肿的三维模型。
5：实际标记物；13：手术入路；8：患者头部
图3三维重建的模型通过数字化方式传输至头戴式增强现实头盔，将患者头颅，实际标记物，及病变的全息影像进行增强现实显示。
图4头戴式增强现实头盔
具体实施方式
硬件：
1、头戴式增强现实头盔：Hololens，微软公司(美国)出品
2、影像设备：通用医用磁共振或CT等影像设备
3、计算机：安装有微软公司Windows或苹果公司MacOS的通用计算机
软件：
1、3D Slicer:开源软件，下载网址download.slicer.org
实施例1
参照图1本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统包括头戴式增强现实头盔1、实际标记物5、标记物投影6、病变体表投影7、患者头部8、多功能数据接口9、显示电脑工作站10、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型11、适配数据线12
结合图2-图4
本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统包括头戴式增强现实头盔1、实际标记物5、标记物投影6、病变体表投影7、患者头部8、多功能数据接口9、显示电脑工作站10、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型11、适配数据线12。
所述多功能数据接口、显示电脑工作站、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型分别连接在适配数据线上，再连接到头戴式增强现实头盔。
所述实际标记物5通常是在磁共振上或是CT上能明显和人体组织有不同表现的物质，如维生素E胶丸。
所述实际标记物5、标记物投影6、病变体表投影7、患者头部8分别位于头戴式增强现实头盔的对面，并必须在头戴式增强现实头盔的显示范围内。
使用时，本发明所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统操作包括下列步骤：
(1)采集患者术前扫描的原始影像Dicom数据(采用西门子1.5T磁共振，型号Espree)，利用3D-SLICER软件(开源软件，下载网址www.slicer.org)重建出1:1大小的头颅和病变的三维模型11(图2)。
(2)三维重建的模型11通过数字化方式传输至头戴式增强现实头盔1(图3，Hololens，微软公司)，将患者头部8，标记物投影6，及病变体表投影7的全息影像连接到多功能数据接口9、显示电脑工作站10，通过适配数据线12连接到头戴式增强现实头盔1进行增强现实显示。
(3)通过头戴式增强现实头盔1的显示器将重建的三维影像直接投射到患者头部，实现数字化三维模型和实际的叠加，达到增强现实显像的目的(图4)。
(4)、通过手势操作或手柄操作配准实际标记物5维生素E胶丸及头部8颅面部特征性标记如眼眶、鼻根、耳廓或颧弓等的位置，实现(重建模型标记物)标记物投影6与实际标记物5位置的准确叠加。标记物位置一旦重叠后，病变全息影像投射的位置即为实际颅内病变的空间投影位置。
本发明与现有的神经导航技术及设备相比，该方法具有设备轻便(头戴式)，价格低廉，使用方便(使用手势操作)等优势，经过与专用神经导航设备对照，平均误差约为5mm，可以满足较大病变的手术定位需求。

Claims (6)

1.一种基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述系统包括头戴式增强现实头盔(1)、实际标记物(5)、标记物投影(6)、病变体表投影(7)、患者头部(8)、多功能数据接口(9)、显示电脑工作站(10)、载入电脑工作站的头颅、标记物、病变三维模型(11)、适配数据线(12)。
2.根据权利要求1所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述多功能数据接口(9)、显示电脑工作站(10)、载入显示电脑工作站(10)的头部、标记物、病变三维模型(11)分别连接在适配数据线(12)上，再连接到头戴式增强现实头盔(1)。
3.根据权利要求1所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述实际标记物(5)为在磁共振上或CT上能明显显示与人体组织有不同的物质。
4.根据权利要求3所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述实际标记物(5)为维生素E胶丸。
5.根据权利要求1所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述实际标记物(5)、标记物投影(6)、病变体表投影(7)、分别位于头戴式增强现实头盔(1)的对面，并必须在头戴式增强现实头盔(1)的显示范围内。
6.根据权利要求1所述基于头戴式增强现实的颅内病变体表全息投影定位系统，其特征在于，所述系统使用时的操作包括下列步骤：
(1)采集患者术前扫描的原始影像Dicom数据，利用3D-SLICER软件重建出1:1大小的头部和病变的三维模型11；
(2)三维重建的模型11通过数字化方式传输至头戴式增强现实头盔(1)，将患者头部(8)、标记物投影(6)、及病变体表投影(7)的全息影像连接到多功能数据接口(9)、显示电脑工作站(10)，通过适配数据线(12)连接到头戴式增强现实头盔(1)进行增强现实显示；
(3)通过头戴式增强现实头盔(1)的显示器将重建的三维影像直接投射到患者头部，实现数字化三维模型和实际患者头部(8)的叠加，达到增强现实显像的目的；
(4)通过手势操作或手柄操作配准实际标记物(5)及患者头部(8)颅面部特征性标记如眼眶、鼻根、耳廓或颧弓等的位置，实现标记物投影(6)与实际标记物(5)位置的准确叠加，标记物位置一旦重叠后，病变全息影像投射的位置即为实际颅内病变的空间投影位置。
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