CN108294814A - 一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，属于神经影像导航领域。该方法首先采集带有标记物的患者CT扫描数据，然后根据CT数据建立患者头部以及颅内病灶的三维模型；在三维模型的基础上确定穿刺靶点、穿刺方向和穿刺深度，建立颅内穿刺路径；最后通过刚性配准，将头部三维模型和穿刺路径，通过混合现实技术叠加到患者手术部位，手术医生在虚拟三维模型的指导下实施穿刺手术，根据穿刺路径实时矫正穿刺操作。由于虚拟三维模型与实际场景完全吻合，虚拟的穿刺路径与实际情况高度匹配，因此沿虚拟穿刺路径实施的穿刺操作有效避免了传统经验性操作中存在偏差或失误，可以达到提高颅内穿刺精度和穿刺效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种颅内穿刺定位方法，特别涉及一种基于混合现实的颅内穿 刺定位方法，属于外科手术中的神经影像导航领域。
背景技术
颅内穿刺是神经外科领域常见的手术之一。对于颅内血肿、急性脑积水和 脑脓肿等患者，颅内穿刺能够迅速降低颅内高压，对于动脉瘤性蛛网膜下腔出 血患者还可以起到引流血性脑脊液的目的，是挽救患者生命并改善临床症状的 有效方法。但是该方法常常面临靶点位置深、需要凭术者经验进行定位的问题。 一旦穿刺位置不准，特别是深远部位的病灶，反复穿刺将会增加脑损伤的可能 性(李炜,江荣才,佟建洲等.利用头颅CT重建穿刺平面在脑室穿刺中的指导作 用.中华神经外科杂志,2017,(12):1278-1279.)。因此，手术医生在术前选 择穿刺入口以及穿刺的深度和角度，并精确到达计划中的颅内靶点，对患者的 有效治疗至关重要。
然而，由于头部缺乏表面解剖标志；手术时铺无菌巾后，头部仅有的解剖 标志更是全部被遮挡，因此依据传统的二维影像进行精确定位是比较困难的。 在这种情况下，临床医生主要依靠经验完成定位穿刺。但是临床研究证实，临 床医生通过经验性定位完成穿刺后经常会高估自己穿刺的准确性(Toma AK, Camp S,Watkins LD,et al.Externalventricular drain insertion accuracy: is there a need for change inpractice.Neurosurgery,2009,65(6): 1197-1200.Wilson TJ,Jr SW,Al-Holou WN,etal.Comparison of the accuracy of ventricular catheter placement usingfreehand placement, ultrasonic guidance,and stereotacticneuronavigation.Journal of Neurosurgery,2013,119(1):66-70.)。如果手术时操作难以到达理想位置， 则需要多次调整穿刺导管或者多次手术以达到满意的效果。这不仅会对已经损 伤的脑组织造成新的伤害，还可能增加出血或感染的风险。
针对上述问题，目前的解决方案主要有两种。一是依据影像学测量脑组织 沟回的投影以及颅骨的骨性标志，依据这些信息进行定位。这种定位方法依然 存在精度不高的问题，不太适合微创和精准医学的要求。二是借助有框架的立 体定向或无框架的导航技术进行定位。这种定位方法精度高，特别适合脑深部 的微小病灶；但是相关设备和系统非常昂贵，对大脑凸面或体积较大的病灶， 还存在术前影像准备比较费时、操作比较复杂的问题，不太适合某些需要在床 旁进行紧急治疗的情况。
混合现实技术(Mixed Reality，MR)是一种新型的虚拟现实技术。该技术 通过全息投影，将三维虚拟场景信息与现实场景混合在一起，在现实世界、虚 拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的回路，让用户同时保持与真实世界和虚 拟世界的联系，并根据自身的需要及所处情境进行交互操作。在这种环境下， 用户拥有很强的真实感体验。
基于混合现实技术的上述特点，本发明提供了一种新的利用混合现实技术 辅助颅内穿刺定位的方法。该方法首先根据CT扫描数据建立患者头部以及颅内 病灶的三维模型；在三维模型的基础上确定穿刺靶点、穿刺方向和穿刺深度， 建立颅内穿刺路径；然后将颅部三维模型和穿刺路径，通过混合现实技术叠加 到患者手术部位，手术医生在虚拟三维模型的指导下实施穿刺手术，根据虚拟 穿刺路径实时矫正穿刺操作。由于虚拟三维模型与实际场景完全吻合，虚拟的 穿刺路径与实际情况高度匹配，因此沿虚拟穿刺路径实施的穿刺操作准确可靠， 避免了传统经验性操作中存在偏差或失误，可以明显提高颅内穿刺手术的精度 和效率。
发明内容
为了解决神经外科领域颅内穿刺定位困难、操作不够准确的问题，本发明 提出了一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法。该方法利用混合现实技术协助 手术医生从空间任意角度观察、定位穿刺靶点和穿刺路径，协调穿刺操作，达 到提高颅内穿刺精度和穿刺效率的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，包括以下步骤：
步骤1：采集带有标记物的患者头部CT数据，具体方法是：在CT扫描前， 先在患者头部手术区域附近贴上3个或3个以上的标记物，其中一个标记物粘 贴在计划中的穿刺入点处；然后再对患者头部进行CT扫描，得到包含标记物在 内的头部CT扫描数据；标记物包括但不限于心电图电极片，具体数量视实际需 要而定，一般以3到6个为宜。
步骤2：根据CT扫描数据，建立包含病灶和标记物在内的头部三维模型， 并设计穿刺靶点和穿刺路径，建立穿刺路径模型，具体方法是：将步骤1得到 的CT扫描数据导入医学影像处理软件3D Slice，利用该软件的Editor和Model Maker模块分别对患者的皮肤、病灶和标记物进行分割和建模，得到皮肤、病灶 和标记物的三维模型；然后在三维模型的基础上利用3D Slicer的Path Explorer 模块,设计穿刺靶点，并穿刺靶点和计划的穿刺入点，建立从入点到靶点的穿刺 路径，并将穿刺路径模型化，得到三维穿刺路径模型；最后将包含皮肤、病灶、 标记物、穿刺靶点和穿刺路径在内的所有三维模型保存为模型数据文件。
步骤3：将模型数据文件导入混合现实设备Hololens，利用运行在Hololens 上的全息外科手术计划查看软件HSP Viewer，分别对三维模型赋予不同的颜色 和透明度，然后利用Hololens的显示设备进行可视化渲染，得到包含所有模型 的三维全息投影结果。
步骤4：将Hololens全息投影的三维模型与患者的头部进行刚性配准，具 体方法是：手术医生或助手戴上Hololens，通过手势操控Holelens上的HSP Viewer软件，对Hololens全息投影的三维模型进行视点跟随、旋转和平移等操 作，使三维模型中的各个标记物与患者头部对应的标记物重合，由此实现全息 投影的三维模型和患者头部的刚性配准，并锁定配准结果。
步骤5：手术医生沿着Hololens全息投影的穿刺路径实施穿刺手术，具体 过程是：手术医生戴上Hololens，在经过刚性配准的全息投影模型中，找到穿 刺路径模型，沿着穿刺路径所指示的方位和角度，定向钻孔并植入穿刺管。
有益效果
本发明所述的一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，实际上是一种利用 三维建模技术和混合现实技术实施的颅内穿刺手术规划与导航方法。与现有的 人工经验性颅内穿刺方法相比，本发明的方法具有以下几个方面的优点：
(1)本发明方法利用CT扫描数据对患者头部及病灶进行三维模型，在三 维空间设计穿刺靶点和穿刺路径，可以从空间任意角度和方位查看患者颅内部 病灶和穿刺路径的关系。这不仅有效解决了临床上颅内病灶定位困难且不够精 确的问题，而且还使穿刺路径的设计更为方便，可以使穿刺路径设计结果更为 合理。
(2)本发明方法在采集CT扫描数据时，在患者头部手术区域粘贴类似于 心电图电极片的标记物，然后通过虚拟的标记物与实际标记物的匹配，有效解 决了患者头部三维模型和患者实际头部的刚性配准问题；由此进而解决了现实 手术过程中患者病灶和穿刺路径的定位问题。其中心电图电极片之类的标记物 简单、易用，且容易获取。通过粘贴简单的标记物，避免了以往在患者头部进 行复杂描记的问题。
(3)本发明方法涉及的颅内穿刺手术是在Hololens全息投影的穿刺路径 模型指导下进行的。手术医生以全息投影的穿刺路径模型为参照物，沿穿刺路 径定向钻孔并植入穿刺管。在这个过程中，手术医生可以依据看到的参照物随 时调整穿刺器械的方位和角度，使其与穿刺路径吻合，从而有效避免手术过程 中出现的穿刺偏差或失误。这有利于降低患者的手术风险，提高手术成功率。
(4)本发明方法在实施的时候，除了混合现实设备Hololens之外，不需 要其他复杂昂贵的专用手术导航设备，也不需要其他额外的辅助设备；而 Hololens是一个非常便携的头戴式混合现实设备。因此，本发明方法便于应用 推广。在某些需要进行床旁紧急治疗的情况下，其便携应用的优势更为明显。
附图说明
图1实施例的标记物粘贴结果；
图2实施例的三维模型及穿刺路径设计结果；
图3实施例三维模型的全息投影结果；
图4三维模型刚性配准的现场情景；
图5刚性配准后的混合现实场景；
图6手术医生戴着Hololens实施穿刺手术；
图7实施穿刺手术时通过Hololens看到的混合现实场景。
具体实施方式
本发明采用某患者的颅内血肿穿刺作为实施例。下面结合附图和实施例， 详细说明本发明的具体实施方式。
一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，该方法包括以下处理步骤：
步骤1：采集带有标记物的患者头部CT数据，具体方法是：在CT扫描前， 先在患者头部手术区域附近贴上3个或3个以上的标记物，其中一个标记物粘 贴在计划中的穿刺入点处；然后再对患者头部进行CT扫描，得到包含标记物在 内的头部CT扫描数据；标记物包括但不限于心电图电极片，具体数量视实际需 要而定，一般以3到6个为宜。
本实施例在CT扫描前，将心电图电极片作为标记物，先在患者头部手术区 域附近贴上如图1所示的4个心电图电极片，然后使用8排CT机对患者进行CT 扫描。CT扫描的参数根据实际需要设定。本实施例设定的扫描参数是：各向同 性体素大小为1.25×1.25×1.25mm，扫描矩阵大小为256×256。CT扫描结束后， 得到包含标记物在内的头部CT扫描数据。在本实施例中得到的CT扫描数据是 DICOM格式的数据文件。
步骤2：根据CT扫描数据，建立包含病灶和标记物在内的头部三维模型， 并设计穿刺靶点和穿刺路径，建立穿刺路径模型，具体方法是：将步骤1得到 的CT扫描数据导入医学影像处理软件3D Slice，利用该软件的Editor和Model Maker模块分别对患者的皮肤、病灶和标记物进行分割和建模，得到皮肤、病灶 和标记物的三维模型；然后在三维模型的基础上利用3D Slicer的Path Explorer 模块,设计穿刺靶点，并穿刺靶点和计划的穿刺入点，建立从入点到靶点的穿刺 路径，并将穿刺路径模型化，得到三维穿刺路径模型；最后将包含皮肤、病灶、 标记物、穿刺靶点和穿刺路径在内的所有三维模型保存为模型数据文件。
本实施例在按照上述步骤处理后得到的三维模型如图2所示，其中：青色 的是血肿病灶区域，绿色的是标记物，标记物中包含了计划中的穿刺入点，黄 色的细管和褐色线段展示了穿刺路径的设计结果。需要注意的是，此时的模型 是3D Slicer里面的模型，模型的颜色和透明度只是为了区分各个模型，并非 最终在Hololens里面全息投影的结果。最后，这些模型都被保存到VTK格式的 模型数据文件中。VTK格式是3D Slicer默认支持的模型文件格式。
步骤3：将模型数据文件导入混合现实设备Hololens，利用运行在Hololens 上的全息外科手术计划查看软件HSP Viewer，分别对三维模型赋予不同的颜色 和透明度，然后利用Hololens的显示设备进行可视化渲染，得到包含所有模型 的三维全息投影结果。
本实施例在将模型数据文件导入Hololens之后，通过HSP Viewer设置了 三维模型的颜色和透明度，然后利用Hololens的显示设备进行可视化渲染，得 到如图3所示的三维模型全息投影结果。图3是将三维模型投影到患者身边， 准备与患者头部进行刚性配准时的情景。
步骤4：将Hololens全息投影的三维模型与患者的头部进行刚性配准，具 体方法是：手术医生或助手戴上Hololens，通过手势操控Holelens上的HSP Viewer软件，对Hololens全息投影的三维模型进行视点跟随、旋转和平移等操 作，使三维模型中的各个标记物与患者头部对应的标记物重合，由此实现全息 投影的三维模型和患者头部的刚性配准，并锁定配准结果。
图4是本实施例在进行刚性配准时的现场情景，其中手术助手正戴着 Hololens，通过手势操控HSP Viewer软件，将全息投影的三维模型与患者头部 的标记物进行匹配。按照上述步骤进行刚性配准之后，通过Hololens看到的混 合现实场景如图5所示，其中配准后的虚拟三维模型与现场患者头部重叠在一 起，箭头所指的穿刺路径指示了实际穿刺手术时应该实施的穿刺方位和角度。
步骤5：手术医生沿着Hololens全息投影的穿刺路径实施穿刺手术，具体 过程是：手术医生戴上Hololens，在经过刚性配准的全息投影模型中，找到穿 刺路径模型，沿着穿刺路径所指示的方位和角度，定向钻孔并植入穿刺管。
图6是本实施例的手术医生戴着Hololens实施穿刺手术时的现场照片。此 时手术医生在在Hololens视野中看到的混合现实场景如图7所示，白色箭头所 指为穿刺导管，黑色箭头所指为穿刺路径模型。在穿刺过程中，手术医生可以 在穿刺路径模型的指导下，使穿刺导管与路径模型吻合，从而确保按照预先设 计的路径进行穿刺，有效避免穿刺偏差。
上述步骤说明了本发明所述的一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法的全 部过程。
应该理解的是，本实施方式只是本发明实施的具体实例。在实施例中引入 细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述的方法。在 不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围的情况下，对上述内容进行等效 的修改或变更均应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (1)
1.一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采集带有标记物的患者头部CT数据，具体方法是：在CT扫描前，先在患者头部手术区域附近贴上3个或3个以上的标记物，其中一个标记物粘贴在计划中的穿刺入点处；然后再对患者头部进行CT扫描，得到包含标记物在内的头部CT扫描数据；标记物包括但不限于心电图电极片，具体数量视实际需要而定，一般以3到6个为宜；
步骤二：根据CT扫描数据，建立包含病灶和标记物在内的头部三维模型，并设计穿刺靶点和穿刺路径，建立穿刺路径模型，具体方法是：将步骤一得到的CT扫描数据导入医学影像处理软件3D Slice，利用该软件的Editor和ModelMaker模块分别对患者的皮肤、病灶和标记物进行分割和建模，得到皮肤、病灶和标记物的三维模型；然后在三维模型的基础上利用3D Slicer的Path Explorer模块,设计穿刺靶点，并穿刺靶点和计划的穿刺入点，建立从入点到靶点的穿刺路径，并将穿刺路径模型化，得到三维穿刺路径模型；最后将包含皮肤、病灶、标记物、穿刺靶点和穿刺路径在内的所有三维模型保存为模型数据文件；
步骤三：将模型数据文件导入混合现实设备Hololens，利用运行在Hololens上的全息外科手术计划查看软件HSP Viewer，分别对三维模型赋予不同的颜色和透明度，然后利用Hololens的显示设备进行可视化渲染，得到包含所有模型的三维全息投影结果；
步骤四：将Hololens全息投影的三维模型与患者的头部进行刚性配准，具体方法是：手术医生或助手戴上Hololens，通过手势操控Holelens上的HSPViewer软件，对Hololens全息投影的三维模型进行视点跟随、旋转和平移等操作，使三维模型中的各个标记物与患者头部对应的标记物重合，由此实现全息投影的三维模型和患者头部的刚性配准，并锁定配准结果；
步骤五：手术医生沿着Hololens全息投影的穿刺路径实施穿刺手术，具体过程是：手术医生戴上Hololens，在经过刚性配准的全息投影模型中，找到穿刺路径模型，沿着穿刺路径所指示的方位和角度，定向钻孔并植入穿刺管。
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