CN108852513A - 一种骨科手术导引系统的器械导引方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗骨科领域，尤其涉及一种骨科手术导引系统的器械导引方法，该方法执行于电脑系统中。该方法包括下列步骤：取得预定器械路径3D向量；取得预定切平面；显示目标标记于显示器上；读取动态3D向量；产生投影向量；显示二动态标记于显示器上以及导引器械以产生重叠影像。本发明有益效果如下：一、可以让医师于手术导引时能更视觉化地了解器械与预定器械路径的间的关系。二、可以加速手术的进行。三、可以减少患者及医事人员所接收的辐射剂量。四、可以减少医师学习的时间。

Description

一种骨科手术导引系统的器械导引方法

技术领域

本发明涉及医疗骨科领域，尤其涉及一种骨科手术导引系统的器械导引方法。

背景技术

在骨科手术中，医师通常使用C型臂透视X光机(以下简称C-arm)，重复撷取包括有手术器械及体内骨骼的影像资讯，再凭着个人临床手术经验决定体内的手术位置，利用这些影像资讯中手术器械与手术位置的空间关系，慢慢调整及移动手术器械至手术位置。这样的方式，除了非常仰赖医师的临床手术经验，亦使患者及医事人员接受了大量的辐射剂量。

如图1所示，为了解决医师需要重复撷取影像资讯以取得手术器械130与手术位置的空间关系，使得患者及医事人员接受了大量的辐射剂量的问题，近年来亦发展手术导引系统，手术导引系统可以在影像中显示出动态的手术器械130位置以提供导引资讯。其中手术导引系统在C-arm接收端110装设的校正器120、手术器械130及患者的手术部位附近分别设置动态参考框架(Dynamic Reference Frame,DRF)140，并使用光学定位器150来侦测DRF140的位置，使手术器械130的位置及C-arm接收端110的位置皆能对应至手术部位的DRF座标系统上，并将手术器械130的位置投影显示在由C-arm接收端110所撷取的影像。

如此一来，仅须撷取两张包括有手术器械130及体内骨骼的影像资讯(例如冠状切面及矢状切面)，并利用这些影像资讯规划出手术位置，透过DRF座标系统即可整合手术位置以及手术器械130的动态位置于两张影像资讯中，接着医师可参考手术位置以及手术器械130的动态位置的间的关系来调整手术器械130以将手术器械130置入手术位置，而无须持续的进行影像的撷取，大幅降低了患者及医事人员接受的辐射剂量。

然而，医师需要同时参考两张影像资讯(例如冠状切面及矢状切面)中手术位置及手术器械130的动态位置的间的关系才能正确地调整手术器械130，因此没有充份使用手术导引系统经验的新进医师会需要一段学习及适应时间，若能研发出一种更视觉化及直觉化的器械导引方法，以直接导引医师如何调整手术器械130，则可以大幅降低医师的学习历程以及手术时所耗费的时间。

发明内容

为了解决所述技术问题，本发明提供一种骨科手术导引系统的器械导引方法。

本发明为实现所述目的而采取的技术方案为：

一种骨科手术导引系统的器械导引方法，该器械导引方法包括下列步骤：取得预定器械路径3D向量，依照影像画面规划该预定器械路径3D向量；取得预定切平面，其中该预定切平面是以处理单元计算出与该预定器械路径3D向量垂直且通过该预定器械路径3D向量终点的空间平面；显示目标标记于显示器上，该目标标记为该预定切平面上的该预定器械路径3D向量终点；读取动态3D向量，该动态3D向量为器械的方向向量；产生投影向量，其将该动态3D向量投影至该预定切平面产生的；显示二动态标记于该显示器上，其中该动态标记为该投影向量的两标记点；以及导引该器械以产生重叠影像，其导引该器械使该动态标记的中心重叠于该目标标记的中心。

作为进一步改进，该器械导引方法还包括结合医学影像步骤，其将医学影像与该动态标记及该目标标记同时显示于该显示器上，该医学影像为X光影像、电脑断层影像、核磁共振影像或超音波影像。

作为进一步改进，该目标标记为十字线或是圆点。

作为进一步改进，还包括以该目标标记为圆心的圆圈。

作为进一步改进，还包括显示于该目标标记旁的数字，该数字的数值大小表示该动态3D向量的端点至该预定器械路径3D向量终点的距离。

作为进一步改进，该器械的方向向量由空间定位器追踪获得。

作为进一步改进，该标记点为第一标记点及第二标记点，该第一标记点对应第一动态标记且该第二标记点对应第二动态标记，该第一标记点为该投影向量的向量起点且该第二标记点为该投影向量的向量终点。

作为进一步改进，该动态标记为圆圈或是圆点。

该圆圈的半径与该动态3D向量的端点至该预定器械路径3D向量终点的距离成正比。

作为进一步改进，该圆圈具有十字线，且该十字线的交点为该圆圈的圆心。本发明有益效果如下：

一、可以让医师于手术导引时能更视觉化地了解器械与预定器械路径的间的关系。

二、可以加速手术的进行。

三、可以减少患者及医事人员所接收的辐射剂量。

四、可以减少医师学习的时间。

附图说明

图1为现有手术导引情境示意图。

图2为本发明手术导引情境示意图。

图3为本发明器械导引方法流程图。

图4为本发明取得预定器械路径3D向量步骤示意图。

图5为本发明取得预定切平面步骤示意图。

图6为本发明显示目标标记于显示器上步骤示意图。

图7为本发明显示二动态标记于显示器上步骤示意图。

图8,9,10,11,12为本发明术导引的多个时间点的手术器械位置的显示画面图。

图13,14,15,16,17为图8,9,10,11,12相对应的导引显示画面示意图。

图18为本发明综合导引显示画面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如如2,3所示，一种骨科手术导引系统的器械导引方法，该方法S100执行于电脑系统70中。该方法S100包括下列步骤：取得预定器械路径3D向量(步骤S10)；取得预定切平面(步骤S20)；显示目标标记于显示器上(步骤S30)；读取动态3D向量(步骤S40)；产生投影向量(步骤S50)；显示二动态标记于显示器上(步骤S60)以及导引器械以产生重叠影像(步骤S70)。

在进行手术导引时，若医师所使用的影像仪器为C-arm10，则C-arm 10的接收端上装设的校正器20、患者的手术部位60及手术器械30皆各自装设有DRF 40，光学定位器50用以接收这些DRF 40送出的讯号，使手术器械30的位置及手术部位60的位置皆能整合至DRF座标系统上并显示于C-arm 10撷取的影像中，其中影像可以为包括有手术器械30及手术部位60的矢状切面影像及冠状切面影像。影像仪器可以是其他影像仪器，不受限于实施例所列举的C-arm。

如图4所示，取得预定器械路径3D向量(步骤S10)，其中医师可以在上述C-arm 10所撷取的影像画面或两张影像画面中取得预定器械路径3D向量72。若是依照两张影像画面取得预定器械路径3D向量72，则两张影像画面分别是矢状切面的影像画面及冠状切面的影像画面，借此规划出手术器械30预定置入的手术位置71及到达手术位置71所需要通过的预定路径，再经由处理单元读取并计算手术位置71及预定路径后即可取得预定器械路径3D向量72。除此的外，医师亦可以在X光影像画面、电脑断层影像画面、核磁共振影像画面或超音波影像画面中进行步骤S10。

如图5所示，取得预定切平面(步骤S20)，其系以处理单元计算出与预定器械路径3D向量72垂直且通过预定器械路径3D向量的终点74的空间平面，此空间平面即为预定切平面73。也就是说，预定器械路径3D向量72在预定切平面73上的投影会形成一点。当手术器械30于预定切平面73上的投影为一点时，代表手术器械30与预定器械路径3D向量72平行，而当此点又刚好位于预定器械路径3D向量的终点74时，代表手术器械30即位于预定器械路径3D向量72上。

如图6,7所示，显示目标标记于显示器上(步骤S30)，其中显示于显示器上的目标标记81即是代表预定切平面73上预定器械路径3D向量的终点74，而显示器上可以显示剖面图85，并在剖面图85上标记目标标记81。剖面图85可以由患者于手术进行前拍摄的电脑断层(CT)影像或磁振造影(MRI)影像等重切此切面而得。由于本发明器械导引方法S100为一种视觉化及直觉化的导引，医师只需要参考本方法的标记点而不需参考实际的解剖影像，故亦可不显示任何背景影像于显示器上。

如图8，13所示，读取动态3D向量(步骤S40)，其中动态3D向量75系为一手术器械30的方向向量，手术器械30的方向向量可以由一空间定位器追踪获得，例如光学定位器50。藉由在手术器械30上装设DRF 40，使光学定位器50可以接收DRF 40的讯号而取得手术器械30的方向向量。

为了提供视觉化的导引效果，目标标记81可以为十字线812或是圆点，或是两者皆有，主要考量使用者的方便性而设定，使导引画面能简洁明了为主。目标标记81可以进一步包括以目标标记81为圆心的圆圈813，其中圆圈813的半径可以为固定值，亦可以与动态3D向量75的端点至预定器械路径3D向量的终点74的距离成正比，也就是说当手术器械30越接近目标终点，则圆圈813的半径就随的变小。另外，目标标记81亦可以进一步包括显示于目标标记81旁的一数字814，数字814的数值大小系表示动态3D向量75的端点至预定器械路径3D向量的终点74的单位距离，其中动态3D向量75的端点可以为动态3D向量75的起点或终点。

产生投影向量(步骤S50)，其中动态3D向量75投影至预定切平面73可以产生一投影向量，投影向量具有两标记点，例如是第一标记点及第二标记点。当第一标记点是投影向量的向量起点，第二标记点为投影向量的向量终点时，第一标记点为手术器械30的后端，第二标记点为手术器械30的前端。

显示二动态标记于显示器上(步骤S60)，其中该些动态标记是显示于显示器上且代表上述的投影向量的两标记点，又第一动态标记82对应第一标记点，且第二动态标记83对应第二标记点。为了提供视觉化的导引效果，该些动态标记可以为一圆圈832、一圆点831或其两者，其中圆圈832的半径可以为一固定值，亦可以与动态3D向量75的端点至预定器械路径3D向量的终点74的距离成正比。值得注意的是，一个导引显示画面中，通常仅会设定一个动态标记或是目标标记的半径随着动态3D向量75的端点至预定器械路径3D向量的终点74的距离进行调整，以避免混淆使用者。

另外，每一圆圈832还具有一十字线821，且十字线821的交点系为圆圈832的圆心。为了更便利医师快速辨别手术器械30的前端与后端，亦可以将代表手术器械30的后端的第一动态标记82与代表手术器械30的前端的第二动态标记83标示不同颜色，或者可以将上述投影向量显示于显示器上，并在显示的投影向量上标记出代表手术器械30的前端的位置。

导引器械以产生重叠影像(步骤S70)，根据显示器所显示的视觉化及直觉化的导引显示画面，医师可以相对应地调整手术器械30，直到使显示器中所显示的该些动态标记的中心重叠于目标标记81的中心以产生目标标记81、该些动态标记的中心皆重叠在一起的重叠影像。

在手术导引刚开始时，手术器械30仍离预定器械路径3D向量72有一段距离，在习知的手术导引方法中，医师需同时参考两个切面画面的手术器械位置图来决定要如何调整手术器械30。例如医师看到左手边的冠状切面画面时，决定将手术器械30往右移，再依照右手边的矢状切面画面决定将手术器械30往病人的头侧移动。

但在本发明实施例的导引方法中，为了方便医师判断影像与患者的相对位置，亦可以依照医师的习惯设定导引显示画面，例如在脊椎手术中，可以设定导引显示画面上方代表患者的头侧，下方代表患者的脚侧，左右方与医师的左右方相同，为了方便医师判读，导引显示画面中可以显示头侧、脚侧、右方及左方的方向指引标志90。当医师看到上述相对应的导引显示画面时，不需要先判定手术器械30于体内的位置，便可以直接根据导引显示画面所显示的标记点，例如目标标记81及两个动态标记82、83，依照导引显示画面直觉地将两个动态标记82、83重叠于目标标记81上。例如医师看到导引显示画面，可以知道要将第二动态标记83直接往右上方移动就可以与目标标记81重叠，也就是将手术器械30的前端往病人的右方及头侧移动。

如图9所示，接着医师看到左手边的冠状切面画面时，无法很确定地决定要怎么移动，再参考右手边的矢状切面画面而决定将手术器械30的前端往病人的头侧移动，手术器械30的后端往病人的脚侧移动。

如图14所示，但在本发明实施例的导引方法中，医师看到上述相对应的导引显示画面时，直接可以视觉化地了解要将第一动态标记82直接往左下方移动就可以与目标标记81重叠，也就是将手术器械30的后端往病人的左方移动及往脚侧移动，其中手术器械的30前端及后端也可以很轻易地由显示的投影向量84判断出来。

如图10,15所示，同理，接下来只要依照导引显示画面将手术器械30的前端往病人的右方及头侧调整一点点，而手术器械30的后端往病人的左方及脚侧调整一点点，就可以产生一重叠影像。

如图11,16所示，当重叠影像产生时，代表手术器械30已经在预定器械路径3D向量72上，此时再参考例如第二动态标记83有包括一圆圈832时，圆圈832的半径会与动态3D向量75的端点至预定器械路径3D向量的终点74的距离成正比，因此医师可以将手术器械30往病人腹侧深入一点。

如图12,17所示，当医师把手术器械30往病人腹侧深入时，可以看到动态标记的半径变小，例如第一动态标记82，当动态标记小到一定程度时，就代表已经到达一开始规划的手术位置71。

如图18所示，该器械导引方法S100在步骤S60后还包括结合医学影像步骤S65，将医学影像与动态标记及目标标记81同时显示于显示器上，医学影像可以为X光影像、电脑断层影像、核磁共振影像或超音波影像。也就是说，医学影像可以是患者解剖的切面影像，且可以使用X光影像、电脑断层、核磁共振或超音波的切面影像，并将医学影像及与动态标记及目标标记81显示。

Claims (10)

1.一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于，该器械导引方法包括下列步骤：取得预定器械路径3D向量，依照影像画面规划该预定器械路径3D向量；取得预定切平面，其中该预定切平面是以处理单元计算出与该预定器械路径3D向量垂直且通过该预定器械路径3D向量终点的空间平面；显示目标标记于显示器上，该目标标记为该预定切平面上的该预定器械路径3D向量终点；读取动态3D向量，该动态3D向量为器械的方向向量；产生投影向量，其将该动态3D向量投影至该预定切平面产生的；显示二动态标记于该显示器上，其中该动态标记为该投影向量的两标记点；以及导引该器械以产生重叠影像，其导引该器械使该动态标记的中心重叠于该目标标记的中心。

2.根据权利要求1所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该器械导引方法还包括结合医学影像步骤，其将医学影像与该动态标记及该目标标记同时显示于该显示器上，该医学影像为X光影像、电脑断层影像、核磁共振影像或超音波影像。

3.根据权利要求1所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该目标标记为十字线或是圆点。

4.根据权利要求3所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：还包括以该目标标记为圆心的圆圈。

5.根据权利要求3所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：还包括显示于该目标标记旁的数字，该数字的数值大小表示该动态3D向量的端点至该预定器械路径3D向量终点的距离。

6.根据权利要求1所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该器械的方向向量由空间定位器追踪获得。

7.根据权利要求1所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该标记点为第一标记点及第二标记点，该第一标记点对应第一动态标记且该第二标记点对应第二动态标记，该第一标记点为该投影向量的向量起点且该第二标记点为该投影向量的向量终点。

8.根据权利要求1所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该动态标记为圆圈或是圆点。

9.根据权利要求4-8任意一项所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该圆圈的半径与该动态3D向量的端点至该预定器械路径3D向量终点的距离成正比。

10.根据权利要求8所述的一种骨科手术导引系统的器械导引方法，其特征在于：该圆圈具有十字线，且该十字线的交点为该圆圈的圆心。