CN108272502A - 一种ct三维成像引导的消融针导向手术方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法及系统，包括消融手术执行机构、工作站、磁场定位装置，消融手术执行机构包括末端设有消融针的机械臂、机械臂控制器，机械臂安装于CT扫描床上，磁场定位装置包括发射装置与接收装置，发射装置为磁场发生器，接收装置为贴于患者体表的若干片磁感应片。工作站设有主控系统，所述机械臂控制器根据主控系统控制信号控制机械臂运动。本发明能够清晰快速的重建病灶处三维模型，并根据三维模型设定消融手术路径，根据磁场定位装置进行空间定位，并根据所设定的消融手术路径精准的控制机械臂姿态与位置，确保消融手术的精确性与安全性。

Description

一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法及系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法及系统。

背景技术

目前临床上基于CT引导的肿瘤热消融治疗，一般先通过个人经验以及对二维CT影像的理解，凭经验拟定肿瘤消融计划。在治疗中，医师在CT影像的引导下，凭借手眼协调能力及个人经验将热消融针穿刺到肿瘤内部。CT引导下肝肿瘤热消融治疗成功的关键是热消融针的精准定位和穿刺。临床治疗中的定位与穿刺受医师的个人经验和能力影响，不同的手术医师制定的消融计划往往是不同的，治疗过程和效果也是有差异的。人工调节消融穿刺时会存在较大的误差，对于腹腔及腹腔内部肿瘤而言，微小的角度差异都会导致无法准确命中病灶，这样，在穿刺过程中，需要多次进针调整进针角度，增加了手术风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种CT三维成像引导的消融针导向系统，包括消融手术执行机构、工作站、磁场定位装置，所述消融手术执行机构包括末端设有消融针的机械臂、机械臂控制器，所述机械臂安装于CT扫描床上，所述磁场定位装置包括发射装置与接收装置，所述发射装置为磁场发生器，所述接收装置为贴于患者体表的若干片磁感应片。所述工作站设有主控系统，所述机械臂控制器根据主控系统控制信号控制机械臂运动。

进一步的，所述主控系统包括图像采集及重建模块、导航定位坐标模块、患者呼吸检测模块、手术路径规划模块、机械臂控制模块、术后评估模块、虚拟手术培训模块；

所述图像采集及重建模块可根据患者二维CT图像重建病灶三维模型；

所述患者呼吸检测模块，能根据贴于患者的体表磁感应片的监测人体呼吸运动变化；

所述导航定位坐标模块能将机械臂坐标系、三维模型图像坐标系和患者坐标系通过坐标变换统一到同一个空间坐标下，从而建立起坐标变换关系，为手术导航模块以及手术路径规划模块提供精确空间坐标数据；

所述手术路径规划模块可根据三维模型确定入针点与病灶区，根据导航定位坐标模块输出的空间坐标，选择最优的手术规划措施，包括消融手术预规划进针点、进针角度、进针深度、消融功率；

所述机械臂控制模块能根据导航定位坐标模块输出的空间坐标、手术路径规划模块输出的最优路径，对机械臂控制器发送控制命令，对消融手术机械臂进行控制。

所述术后评估模块能在手术完成后重新进行CT扫描，重新建立三维模型，观察治疗区域范围及邻近重要组织结构情况，评价手术效果及制定下一步治疗方式。

所述虚拟手术培训模块可模拟消融手术操作过程，可用于新手医师对消融手术过程进行学习与培训。

进一步的，所述工作站还设有治疗方案数据库与手术历史数据库，所述治疗方案数据库用于存储不同情况下消融手术治疗方案，所述手术历史数据库用于存储每次手术实施措施数据。

进一步的，所述治疗方案数据库与手术历史数据库可为所述虚拟手术培训模块提供数据支持。

进一步的，所述机械臂为四自由度以上的机械臂，所述机械臂上设有图像传感器，所述图像传感器与工作站信号互连。

进一步的，所述工作站设有若干块显示屏和键盘，所述若干块显示屏能分别显示图像传感器的图像与病灶三维模型，所述键盘与手术路径规划模块信号相连。

进一步的，所述机械臂控制模块通过USB数据线与机械臂控制器信号相连。

进一步的，一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法，包括以下步骤：

S1、将病人放置于CT扫描床上，并在病人体表粘贴若干磁感应片；

S2、CT扫描床对患者病灶处进行扫描，建立病灶处的三维模型；

S3、建立基于磁场坐标、三维模型坐标、患者坐标的空间坐标系，为机械臂导航提供精确空间坐标；

S4、根据病灶处的三维模型以及患者呼吸频率，设定最优手术规划路径及包括进针点、进针角度、进针深度、消融功率的手术措施；

S5、根据所述最优手术规划路径及措施，控制机械臂进行消融手术；

S6、对手术后的病灶处重新进行扫描，重新建立病灶处的三维模型，与步骤S2中的病灶处的三维模型进行对比，判断手术效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法及系统，通过磁场定位装置能准确的能建立基于磁场坐标、三维模型坐标、患者坐标的空间坐标系，为消融手术提供精确空间坐标导航，大大提高了控制精度，通过工作台设定的图像采集及重建模块、导航定位坐标模块、患者呼吸检测模块、手术路径规划模块能根据CT扫描出的二维图像建立三维模型，并根据三维模型提出消融手术的进针角度等手术措施，通过机械臂及机械臂控制模块，对带有消融针的机械手臂按照预规划的消融手术措施进行控制，本发明提供的一种三维成像引导的消融针导向手术方法及系统，降低了手术难度，提高了治疗的精度和效果，同时提高了消融手术的精确性与稳定性，降低了患者的手术风险。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种CT三维成像引导的消融针导向系统整体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，一种CT三维成像引导的消融针导向系统，包括消融手术执行机构、工作站、磁场定位装置，所述消融手术执行机构包括末端设有消融针的机械臂、机械臂控制器，所述机械臂安装于CT扫描床上，所述磁场定位装置包括发射装置与接收装置，所述发射装置为磁场发生器，所述接收装置为贴于患者体表的六片磁感应片，六片磁感应片作为患者坐标系的基准点，用作校准空间坐标，所述工作站设有主控系统，所述机械臂控制器根据主控系统控制信号控制机械臂运动。

具体的，所述主控系统包括图像采集及重建模块、导航定位坐标模块、患者呼吸检测模块、手术路径规划模块、机械臂控制模块、术后评估模块；

所述图像采集及重建模块可将接收的CT扫描床所传输的二维DICOM格式CT图像进行图像分割，并根据图像分割结果采用体绘制方法建立出病灶处的三维模型；

所述患者呼吸检测模块，能根据贴于患者体表的磁感应片的监测人体呼吸运动变化，实时采集患者呼吸运动和体位微小移动的位置和姿态数据，并经处理后用于手术路径规划，实现术前和术中患者生理运动的实时无损监测；

所述导航定位坐标模块能将机械臂坐标系、三维模型图像坐标系和患者坐标系，以六片磁感应片作为基准点，通过坐标变换统一到同一个空间坐标下，从而建立起坐标变换关系，为手术导航模块以及手术路径规划模块提供精确空间坐标数据；

所述手术路径规划模块可根据三维模型，观察肿病灶与毗邻重要结构如神经、血管、肠管等之间的空间位置关系，了解入路过程中组织解剖结构，根据导航定位坐标模块输出的空间坐标以及患者呼吸信号，选择最优的手术规划路径，避开人体高危部位，并根据病灶处的病灶形态，输出消融手术实施措施，具体实施措施包括消融手术预规划进针点、进针角度、进针深度、消融功率；

所述机械臂控制模块能根据导航定位坐标模块输出的空间坐标、手术路径规划模块输出的最优路径、以及消融手术实施措施对机械臂控制器发送控制命令，对消融手术机械臂进行控制，使消融手术机械臂能按照预定的手术规划路径以及实施措施进行消融手术。

所述术后评估模块能在手术完成后重新进行CT扫描，重新建立三维模型，对比观察手术前与手术后的治疗区域范围及邻近重要组织结构情况，评价手术效果，并根据新的三维模型，判定是否继续进行消融手术，当医生认为效果不够理想时，重新通过手术路径规划模块设定消融手术实施措施，再次进行消融手术。

所述主控系统还包括虚拟手术培训模块，所述虚拟手术培训模块可模拟病患情况，由医师模拟提出治疗方案，再将该治疗方案与实际方案进行对比，使医师能明白模拟治疗方案的不足之处，从而起到为医师培训学习的效果。

具体的，所述工作站还设有治疗方案数据库与手术历史数据库，所述治疗方案数据库用于存储不同情况下消融手术治疗方案，供医师进行参考和选择，为手术路径规划提供数据支持，所述手术历史数据库用于存储每次手术实施措施数据，既能继续为医师提供参考也能作为教学案例。

进一步的，所述治疗方案数据库与手术历史数据库能为虚拟手术培训模块提供数据支持，使医师在学习消融手术操作时能有具体案例进行分析与学习。

具体的，所述机械臂为四自由度以上的机械臂，能够达到所设定操作空间区域内三维任意姿态和位置，所述机械臂上设有摄像头作为图像传感器，所述摄像头能根据工作站命令实现镜头的聚焦近与聚焦远、变倍近与变倍远、启动与关闭，使得摄像头能够将清晰的图像提供给医生。

进一步的，所述工作站设有两块显示屏和键盘，其中第一显示屏能显示图像采集及重建模块构建的三维模型，三维重建中使用过了重采样技术，只提取了部分数据进行显示，经过三维重建后，可显示出病患身上所贴线圈传感器的位置，通过点击每个传感器，可从而获取每个传感器精确的位置，还可根据需要查看三维模型中的任意剖面(轴向面、冠状面、矢状面、斜切面、垂直面等)。第二显示屏能显示摄像头传输的画面，使医生能清楚了解患者情况，所述键盘能支持医生手动修改进针深度、消融功率等数据。

进一步的，所述机械臂控制模块通过USB数据线与机械臂控制器信号相连，USB通讯方式具有即插即用、通讯安全可靠的优点，能很好的保证连接的稳定性与安全性。

进一步的，参见图2，一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法，包括以下步骤：

S1、将病人放置于CT扫描床上，并在病人体表粘贴若干磁感应片；

S2、CT扫描床对患者病灶处进行扫描，建立病灶处的三维模型；

S3、建立基于磁场坐标、三维模型坐标、患者坐标的空间坐标系，为机械臂导航提供精确空间坐标；

S4、根据病灶处的三维模型以及患者呼吸频率，设定最优手术规划路径及包括进针点、进针角度、进针深度、消融功率的手术措施；

S5、根据所述最优手术规划路径及措施，控制机械臂进行消融手术；

S6、对手术后的病灶处重新进行扫描，重新建立病灶处的三维模型，与步骤S2中的病灶处的三维模型进行对比，判断手术效果。

工作时，将患者摆放于CT扫描床上，对患者病灶处进行CT扫描，将所获取扫描二维DICOM格式CT图像数据输入图像采集及重建模块重建形成病灶处的三维模型，勾画病灶形态大小，并观察肿瘤与毗邻重要结构如神经、血管、肠管等之间的空间位置关系，根据病灶三维模型以及患者呼吸运动变化的数据设计手术规划措施及进针路线，避开重要组织结构，导航定位坐标模块根据六个磁感应基准点，将机械臂坐标系、三维模型图像坐标系和患者坐标系坐标变换统一到同一个空间坐标下，将手术区域空间位置与三维模型进行匹配，确定消融机械臂的空间位置。机械臂控制模块根据预设定的手术规划路径以及手术实施措施控制机械臂按预定的路径及措施实施手术，在手术完成后，重新进行CT扫描，重新建立三维模型，通过术后手术评估模块对比观察手术前与手术后的治疗区域范围及邻近重要组织结构情况，评价手术效果及制定下一步治疗方式。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，包括消融手术执行机构、工作站、磁场定位装置，所述消融手术执行机构包括末端设有消融针的机械臂、机械臂控制器，所述机械臂安装于CT扫描床上，所述磁场定位装置包括发射装置与接收装置，所述发射装置为磁场发生器，所述接收装置为贴于患者体表的若干片磁感应片，所述工作站设有主控系统，所述机械臂控制器根据主控系统控制信号控制机械臂运动。

2.根据权利要求1所述的一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，所述主控系统包括图像采集及重建模块、导航定位坐标模块、患者呼吸检测模块、手术路径规划模块、机械臂控制模块、术后评估模块、虚拟手术培训模块；

所述图像采集及重建模块可根据患者二维CT图像重建病灶三维模型；

所述患者呼吸检测模块，能根据贴于患者的体表磁感应片的监测人体呼吸运动变化；

所述导航定位坐标模块能将机械臂坐标系、三维模型图像坐标系和患者坐标系通过坐标变换统一到同一个空间坐标下，从而建立起坐标变换关系，为手术导航模块以及手术路径规划模块提供精确空间坐标数据；

所述手术路径规划模块可根据三维模型确定入针点与病灶区，根据导航定位坐标模块输出的空间坐标，选择最优的手术规划措施，包括消融手术预规划进针点、进针角度、进针深度、消融功率；

所述机械臂控制模块能根据导航定位坐标模块输出的空间坐标、手术路径规划模块输出的最优路径，对机械臂控制器发送控制命令，从而对机械臂进行控制；

所述术后评估模块能在手术完成后重新进行CT扫描，重新建立三维模型，观察治疗区域范围及邻近重要组织结构情况，评价手术效果及制定下一步治疗方式。

所述虚拟手术培训模块可模拟消融手术操作过程，可用于新手医师对消融手术过程进行学习与培训。

3.根据权利要求1所述的一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，所述工作站还设有治疗方案数据库与手术历史数据库，所述治疗方案数据库用于存储不同情况下消融手术治疗方案，所述手术历史数据库用于存储每次手术实施措施数据。

4.根据权利要求3所述的一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，所述治疗方案数据库与手术历史数据库可为虚拟手术培训模块提供数据支持。

5.根据权利要求1所述的一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，所述机械臂为四自由度以上的机械臂，所述机械臂上设有图像传感器，所述图像传感器与工作站信号互连。

6.根据权利要求1所述的一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，所述工作站设有若干块显示屏和键盘，所述若干块显示屏能分别显示图像传感器的图像与病灶三维模型，所述键盘与手术路径规划模块信号相连。

7.根据权利要求1所述的一种CT三维成像引导的消融针导向系统，其特征在于，所述机械臂控制模块通过USB数据线与机械臂控制器信号相连。

8.根据权利要求2所述的一种CT三维成像引导的消融针导向手术方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将病人放置于CT扫描床上，并在病人体表粘贴若干磁感应片；

S2、CT扫描床对患者病灶处进行扫描，建立病灶处的三维模型；

S3、建立基于磁场坐标、三维模型坐标、患者坐标的空间坐标系，为机械臂导航提供精确空间坐标；

S4、根据病灶处的三维模型以及患者呼吸频率，设定最优手术规划路径及包括进针点、进针角度、进针深度、消融功率的手术措施；

S5、根据所述最优手术规划路径及措施，控制机械臂进行消融手术；

S6、对手术后的病灶处重新进行扫描，重新建立病灶处的三维模型，与步骤S2中的病灶处的三维模型进行对比，判断手术效果。