CN108420532A - 一种手持式荧光影像导航定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手持式荧光影像导航定位装置，包括手持式外壳(1)、电源模块(2)、微型投影模块(3)、图像采集模块(4)、图像处理模块(5)、激发光源模块(6)和测距模块(7)，装置采用近红外荧光成像技术对病变组织进行显影，使用ICG(吲哚箐绿)作为造影剂，以实时投影的方式将采集到的荧光图像直接投射到相应病变部位，并加入测距模块实时校准投影位置和大小。相比于现有的显影方式，可以更加直观地观测到组织的荧光影像，而且具有更高的荧光效率和更好的动态性能。装置整体高度集成为手持式，操作方便，可用于临床手术中，具有良好的实用前景。
Description
技术领域
本发明涉及医疗影像，医疗器械的技术领域，具体涉及一种手持式荧光影像导航定位装置。
背景技术
目前由于手术设备、器械与技术的限制，传统医学外科手术很大程度上依赖于医生的临床经验，不仅加重医生的工作强度，也会造成手术精准度和成功率有比较大的随机性。
随着医学影像技术、图像处理技术等技术的发展与革新，近年来，外科手术正在向着精细、准确、快速的方向发展。手术导航系统正是在此过程中发展出来的新型手术辅助设备，这类设备的基本原理是将PET、CT、MRI、荧光等医学影像进行相应处理(如图像融合、坐标变换等)，从而实现有效地术前观察或者手术过程中的实时引导，这类设备首先应用于神经外科手术，随后逐渐推广用于其他手术领域，包括骨科、耳鼻喉科和整形外科等。其中，肿瘤切除手术是手术导航系统应用的一个新兴领域。目前，肿瘤切除是治疗癌症的首选方法，也是最有效的治疗方法，该方法通过将癌症原发病灶(癌症最初发生的部位)及转移病灶(由原发性转移的病灶)一并切除，从而使病人获得治愈机会。在肿瘤切除手术中，医生可采用手术导航装置作为手术辅助装置精确地分辨肿瘤病变部位和良性细胞部位，以实现对肿瘤病变部位的精准切除。手术导航系统在肿瘤切除手术中，对手术定位的精度提高、手术医源性损伤的减少、手术路径的优化及成功率的提高等具有十分重要的意义。
近红外荧光成像NIR近年来在医学影像领域得到了快速的推广与应用。近红外荧光有一定的组织穿透性，而且可以很容易的与人体自发荧光进行区别，具有较高的信噪比。另外，因为人眼对近红外波长(700-900nm)的不敏感性，近红外荧光可以被相机采集却不会给外科手术区域添加不必要的裸眼视觉干扰信号。现有的医用近红外荧光影像导航装置一般是使用荧光造影剂与特定部位相结合，并通过摄像头拍摄所需的医学影像，经处理后显示在相应屏幕上，提供给医生相应部位的信息。这种方法虽然能够将手术所需的信息呈现在医生面前，但是医生看到的影像与病人实际身体组织分开显示，需要医生在手术过程中不断切换视野，导致医生在切除病灶的过程中，无法精准地操作，给医生手术过程带来极大的不便。
还有一些投影导航装置可以采集荧光图像，并将其配准后投射到病人身体相应部位，实时显示目标组织的位置和大小。其中共光轴式显像投影导航装置采用图像采集与投影的共光轴设计，这样的设计无法实现成像光路和投影光路的同时对焦，或仅能通过分别对焦来实现采集和投影图像的清晰对焦，靠肉眼的识别相应带来了投影误差，耗费大量的手术时间。并且为保证同轴这些共轴式系统的光路复杂，多为体积较大的台式产品，使用操作不方便。
为解决上述临床中出现的问题，一些采用平行光轴设计的手术投影导航装置被开发出来，如中国专利“一种乳腺癌显像投射导航系统”(专利申请号：201420339875.X)和“一种病变部位显像投影导航装置”(专利申请号：201510068823.2)，这类平行光轴的投影导航装置，光路简单，装置体积小，荧光效率高，但是当设备工作距离发生变化时，投影图案无法与真实的生物组织实时精确配准，底座式设计也对医生的操作有一定的局限性。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种手持式荧光影像导航定位装置。装置采用近红外荧光成像技术，使用ICG(吲哚箐绿)作为造影剂，图像采集与投影光路平行放置，配合距离传感器，微处理器根据工作距离对采集到的荧光图像实时校准并准确投射到相应部位，使得医生在手术过程中可以实时观测到荧光影像，并根据影像导航寻找目标位置最终准确定位病变组织。整个装置内部高度集成化设计，整体为手持便携形式，占用空间小，操作简单，在使用过程中可以自由调节高度和角度，不受医疗环境限制，大大提升了应用范围和灵活性。
本发明采用的技术方案为：一种手持式荧光影像导航定位装置，包括手持式外壳、电源模块、微型投影模块、图像采集模块、图像处理模块、激发光源模块和测距模块，所述电源模块可向微型投影模块、图像采集模块、图像处理模块、激发光源模块和测距模块供电，图像处理模块分别与测距模块、图像采集模块和微型投影模块连接，图像采集模块采集病变部位荧光图像，并将拍摄的图像数据传输给数字图像处理模块，测距模块实时测量投影仪与病人身体组织的距离，并传输至图像处理模块，图像处理模块根据当前距离实时调整传输至投影仪的荧光图像的大小和位置，使投出的荧光影像和目标位置实时重合；图像采集模块的光轴和微型投影模块的光轴平行，激发光源模块靠近图像采集模块平行放置，测距模块置于图像处理模块底部，其中图像采集模块、测距模块和激发光源模块的底面与手持式外壳的底面共平面。
其中，激发光源模块为近红外激发光源模块，所述的近红外激发光源模块由多颗近红外LD组成，安置在摄像头的旁边，用于照射摄像头下方的病变部位，激发其产生近红外荧光。
其中，所述的图像处理模块中内置linux系统，并且可以与图像采集模块和微型投影模块连接，可捕获图像并进行处理后投影；所述的图像处理模块为CCD或者CMOS摄像头，安装在外壳的底端，配合安装在镜头前的高通滤光片，高通滤光片可以滤除背景杂光，从而确保获得清晰地病变部位图像。
其中，微型投影模块内置于外壳中，其投影窗口置于外壳的底端，为保证投影的效果，其投影的方向应固定且和摄像头的光轴平行。
其中，测距模块置于外壳底部投影模块的窗口旁边，用于测量病人身体与投影模块的距离；摄像头拍摄到荧光图像后，结合测距模块测得的距离数据进行图像处理，投影模块投出影像能和实际的身体组织很好地配准。
本发明的优点和积极效果为：
1.投影的显像方式使医生可凭肉眼直接在病变部位进行手术，且病变部位显示更直观，解决了现有技术中医生需反复在显示器与病变部位间频繁切换视角的问题，延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，更新了外科手术和外科手术器械的概念，对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义；
2.本装置除可应用于肿瘤切除手术，也适用于神经外科手术、血管手术、整形外科、骨科和耳鼻喉科等其他多种手术环境。相较于现有技术的其他设备，简单的平行光路设计使装置制造简单、成本相对较低，更易于推广使用。
3.采用LD阵列作为光源，其覆盖面更广，更均匀，使得光源能够覆盖全部癌症组织，从而得到更加清晰和准确的癌症组织轮廓，避免了因光源不均且照射范围小导致的肿瘤组织边界不清晰，无法获得肿瘤组织外形全貌的问题。
4.测距模块实时返回当前工作距离，处理器根据当前工作距离处理相机获取的图像，对投影进行实时校准，提高了投影与实际位置的重合度。
5.本发明将装置的各个模块进行微型化设计，并集合成可手持的便携形式，使用过程中可以自由调节投影的高度和角度。该装置不受患者身体部位的限制，占用空间小，大大提升了应用范围和灵活性。
6.本装置可以通过网络远程访问，可以远程实时监控装置采集到的荧光图像和处理后的图像，必要时可以实施远程手术指导。
附图说明
图1是本发明一种手持式荧光影像导航定位装置的结构示意图。
图1中，1是手持式壳体，2是电源模块，3是微型投影模块，4是图像采集模块，5是图像处理模块，6是激发光源模块，7是测距模块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
参阅图1所示，本发明所提供的一种手持式荧光影像导航定位装置。所述手持式荧光影像导航定位装置包括手持式壳体1，设于手持式壳体内部的电源模块2和图像处理模块5、设于手持式壳体底部窗口的微型投影模块3、图像采集模块4、激发光源模块6和测距模块7。
所述图像处理模块5分别与测距模块7、图像采集模块4、微型投影模块3和电源模块2连接，电源模块分别与微型投影模块3、激发光源模块6和图像处理模块5连接供电。激发光源模块6可为近红外激发光源模块。
所述的图像处理模块中内置linux系统，并且可以与图像采集模块和微型投影模块连接，可捕获图像并进行处理后投影。所述的图像处理模块为CCD或者CMOS摄像头，安装在外壳的底端，配合安装在镜头前的高通滤光片，高通滤光片可以滤除背景杂光，从而确保获得清晰地病变部位图像。微型投影模块内置于外壳中，其投影窗口置于外壳的底端，为保证投影的效果，其投影的方向应固定且和摄像头的光轴平行。所述的近红外激发由多颗近红外LD组成，安置在摄像头的旁边，用于照射摄像头下方的病变部位，激发其产生近红外荧光。测距模块置于外壳底部投影模块的窗口旁边，用于测量病人身体与投影模块的距离。摄像头拍摄到荧光图像后，结合测距模块测得的距离数据进行图像处理，投影模块投出影像能和实际的身体组织很好地配准。所述的显像过程由向组织中注射ICG(吲哚箐绿)实现。ICG作为显影剂也广泛用于先前的导航仪器中，其主要原理为，在生物组织中注入ICG，外部用激光照射激发，可以拍摄高光谱图像的荧光摄像头便可以捕获组织中含有ICG的组织图像，称之为荧光影像摄像头可以配合一个高通滤光片，可以拍摄到近红外光所成的影像。从而对组织中有一定深度的病变组织进行检测。将拍摄到的近红外影像投影到手术操作平面上，可以和实际肉眼无法看到的病变位置及形状有效地配准，实时地指导医生进行切除手术。摄像头通过USB可以直接将图像传输至微处理器中进行处理，用投影仪将处理过的荧光影像投射到组织上，通过大小和位置匹配算法，结合所测得的工作距离，可以将荧光影像调整至实际大小，并且和实际所在位置重合，从而可以达到增强现实的效果，使得医生在操作过程中能更加真实地对病变组织进行定位和切除。所有模块均被集成于手持式壳体。
本发明将外激发光源模块6，图像采集模块4和测距模块7、图像处理模块5和微型投影模块3都进行了微型化设计，并将各个模块高度整合，集成在一个手持式壳体内，使其能够组装后总重2kg。
在本发明中，图像采集模块4用于对患者病变部位进行拍摄，并将拍摄的图像数据传输给图像处理模块5，图像采集模块4由感光元件、镜头和滤光片组成。滤光片滤掉环境杂光，获取完整清晰的荧光图。
微型投影模块2采用的是DLP投影技术。最高分辨率可达720*480，可以投影的距离在15-35cm。
测距模块7用于测量投影仪与病人身体组织的距离。投影的大小、位置需要根据投影高度进行改变，来使荧光影像和目标位置实时重合。
上述手持式荧光影像导航定位装置的一个重点应用为乳腺切除手术中的前哨淋巴结的定位与切除，前哨淋巴结是乳腺癌淋巴转移的第一站，医生在患者的腋下作一小切口并准确地将前哨淋巴结取出并进行活检，若病理结果为阴性则可以结束手术，若结果为阳性则需要再进行清扫术，保证转移癌细胞清理彻底。
前哨淋巴结的切除过程分为以下7步：
1、在乳晕附近进行四等分点注射造影剂ICG溶液；
2、若干分钟后，待荧光造影剂扩散完毕，医护人员手握装置并启动，将投影窗口对准造影剂注射点，此时近红外波段的激发光均匀照射,医生肉眼并不会看到此激发光，不会由于激发光亮度而影响手术；
3、移动手臂调节仪器高度距离目标组织约20cm位置。使投影仪模块2边框上的文字logo变得清晰说明高度最佳；
4、进行荧光图像采集和投影，此时距离传感器实时输出当前工作距离，微处理器根据当前工作距离对投影进行实时校准，投影光为可见光，可以为医生指示荧光位置；
5、荧光造影剂ICG从注射点扩散可进入淋巴管并随着淋巴管流向前哨淋巴结，所以在激发光的照射下淋巴脉管可以发射荧光被摄像头采集，在投影的指导下医生从注射处开始可以看到淋巴管影像，顺着淋巴管方向导航，移动投影窗口跟踪淋巴管；
6、根据淋巴管导航跟踪至淋巴管影像消失位置进行切口，并继续通过投影装置跟踪，直至找到淋巴结，在投影出的淋巴结荧光图像的指导下，医生在投影区域可直接定位前哨淋巴结并进行切除；
7、切除后使用本导航装置检查是否将荧光标记目标区域切除干净。
当医生进行手术时，移动装置，投出的荧光图像会跟踪荧光标记组织同时移动；医生根据所投出的荧光图像，可以判定目标的位置和大小，进行相应的切除或其他操作；当调整导航装置与目标部位间距离时，投影出的荧光仍能实时的与目标区域的真实荧光分布重合。当切除或其他操作结束后，医生可以通过所投影的荧光图像是否存在或存在大小，判定病变组织是否被完全清理，保证手术的彻底和成功。
在一些实施过程中，手持式壳体1上有螺纹孔，可以连接鹅颈管，在找到投影的最佳位置后，方便固定投影模块到肿瘤组织的距离，使投影稳定。
在一些实施过程中，手持式壳体1中内置电源模块2能够蓄电，可以给系统供电，由此，当内置电源模块2有电时，可以直接使用设备而无需充电。
在一些实施过程中，手持式壳体1上有充电接口，当内置电源模块2的电量不够时，可以利用充电接口进行充电并使用。
在一些实施过程中，手持式图像采集模块4可以通过USB数据线连接到显示屏，采集到的荧光图像可以在显示屏上直接观察。
在一些实施过程中，图像处理模块5可以通过数据转换线连接到显示屏，图像处理的结果可以通过显示屏直接观察。
在一些实施过程中，可以通过网络远程访问图像处理模块5，对拍摄到的荧光图像或处理后的图像进行远程监控，并可实施远程手术指导。
Claims (5)
1.一种手持式荧光影像导航定位装置，其特征在于：包括手持式外壳(1)、电源模块(2)、微型投影模块(3)、图像采集模块(4)、图像处理模块(5)、激发光源模块(6)和测距模块(7)，所述电源模块(2)可向微型投影模块(3)、图像采集模块(4)、图像处理模块(5)、激发光源模块(6)和测距模块(7)供电，图像处理模块(5)分别与测距模块(7)、图像采集模块(4)和微型投影模块(3)连接，图像采集模块(4)采集病变部位荧光图像，并将拍摄的图像数据传输给数字图像处理模块(5)，测距模块(7)实时测量投影仪与病人身体组织的距离，并传输至图像处理模块(5)，图像处理模块(5)根据当前距离实时调整传输至投影仪的荧光图像的大小和位置，使投出的荧光影像和目标位置实时重合；图像采集模块(4)的光轴和微型投影模块(3)的光轴平行，激发光源模块(6)靠近图像采集模块(4)平行放置，测距模块(7)置于图像处理模块(5)底部，其中图像采集模块(4)、测距模块(7)和激发光源模块(6)的底面与手持式外壳(1)的底面共平面。
2.根据权利要求1所述的一种手持式荧光影像导航定位装置，其特征在于：激发光源模块(6)为近红外激发光源模块，所述的近红外激发光源模块由多颗近红外LD组成，安置在摄像头的旁边，用于照射摄像头下方的病变部位，激发其产生近红外荧光。
3.根据权利要求1所述的一种手持式荧光影像导航定位装置，其特征在于：所述的图像处理模块中内置linux系统，并且可以与图像采集模块和微型投影模块连接，可捕获图像并进行处理后投影；所述的图像处理模块为CCD或者CMOS摄像头，安装在外壳的底端，配合安装在镜头前的高通滤光片，高通滤光片可以滤除背景杂光，从而确保获得清晰地病变部位图像。
4.根据权利要求1所述的一种手持式荧光影像导航定位装置，其特征在于：微型投影模块内置于外壳中，其投影窗口置于外壳的底端，为保证投影的效果，其投影的方向应固定且和摄像头的光轴平行。
5.根据权利要求1所述的一种手持式荧光影像导航定位装置，其特征在于：测距模块置于外壳底部投影模块的窗口旁边，用于测量病人身体与投影模块的距离；摄像头拍摄到荧光图像后，结合测距模块测得的距离数据进行图像处理，投影模块投出影像能和实际的身体组织很好地配准。
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