CN109223176A - 一种手术规划系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术规划系统，其包括：控制器、激光标记装置和图像采集装置，所述控制器中储存有手术切割路径信息，所述激光标记装置用于将所述手术切割路径信息通过激光投影到患者的待手术部位，所述激光标记装置至少有三个，且全部的所述激光标记装置在待手术部位的激光投影相互重合，图像采集装置用于采集图像并将所述图像传输至输送控制器。本发明可便于Mohs手术对皮肤肿瘤的准确切除，大大降低了肿瘤细胞伪足残存的可能性。

Description

一种手术规划系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体为一种手术规划系统，尤其适用于Mohs手术规划。

背景技术

随着中国居民生活模式的改变与户外活动的增多，中国皮肤肿瘤的发生率逐年增高，已经成为人高发肿瘤之一，而Mohs手术是皮肤整形外科，甚至于治疗皮肤肿瘤，最常用的手术之一，所述Mohs手术可以通过观察冷冻显微切片，彻底检查皮肤肿瘤侧壁和底面是否有肿瘤残余，Mohs手术最大的优点是去除所有的肿瘤，又能保证术后皮肤缺损最小。但目前Mohs手术的手术路径规划完全靠人工完成，要耗费大量的时间与精力，且手术过程中肿瘤切除的路径与规划的路径会存在一定的偏差，使得手术难度增大。其次，Mohs手术中，会在所需切除的皮肤表面进行象限标记，但标记的象限位置会因皮肤组织的切除而无辨认，导致切片检查出的残余肿瘤组织来源无法确定，从而给二次切除残余肿瘤细胞带来不便。

综上，Mohs手术规划的改良尤为重要。现有的手术规划系统无法满足Mohs手术的特殊要求，且耗费的人力物力过大。如：现有技术1(申请号CN201210417086.9：，公开号：CN102961187A)公开了一种经皮穿刺的手术规划方法及其系统，其需要对每台手术都建立三维模型以及虚拟操作，在手术之前需耗费大量的时间与人力，且无法解决Mohs手术的皮肤位移和象限标记问题。

发明内容

为了解决现有技术中Mohs手术规划的不足，本发明提供一种手术规划系统，结合图像成像成型和激光描记，有利于简化Mohs手术的手术规划，便于Mohs手术准确切除所有肿瘤组织，降低手术难度。具体技术方案如下。

一种手术规划系统，其特征在于，包括：控制器和激光标记装置，所述控制器中储存有手术切割路径信息，所述激光标记装置用于将所述手术切割路径信息通过激光投影到患者的待手术部位，所述激光标记装置至少有三个，且全部的所述激光标记装置在待手术部位的激光投影相互重合。

采用上述的技术方案，在进行Mohs手术时，至少有三个激光标记装置从三个不同的方向向患者的待手术部位进行激光投影，待手术部位显示出手术切割路径，手术执行者即可按照该手术切割路径对皮肤肿瘤予以分块切除，若需扩大切除，手术执行者可设置相应分块边界外延一定距离，形成第二次手术规划路线，手术执行者可以通过控制器对该手术切割路径进行调整并确认后将新的手术切割路径投射于皮肤组织的手术部位上，重复以上步骤直至保证肿瘤组织清除干净。三个激光标记装置可通过控制器或人工调整位置，以实现将激光从多方向投射到需手术的皮肤上，可保证从任意角度都可看到清晰的激光标记路径。

进一步地，所述激光标记装置包括外壳、两个激光源、多棱透镜、反射镜、凹透镜、点阵孔板，所述两个激光源安装在所述外壳上，所述多棱透镜、反射镜、点阵孔板、凹透镜沿着所述激光源的激光路径依次安装在所述外壳内部，所述激光源包括激光灯和双平行狭缝挡板，两个所述激光源所述产生的激光的波长不相同；所述点阵孔板上具有若干个通孔，每一个所述通孔均设置有阀门，所述阀门的开闭由所述控制器控制。激光灯发出垂直正对双平行狭缝挡板的激光，以发生双缝干涉，两个所述激光源发出的激光要求频率相近却不相同，两个激光源的激光经过双缝干涉后的明暗部分可相互弥补，两部分的激光在一起形成亮度均匀的激光；之后激光束经过多棱透镜后，成为平行激光束；平行激光束再经过反射镜的反射，成为与点阵孔板垂直的激光束；穿过点阵孔板的激光经过凹透镜后投射到手术部位。其中点阵孔板中的若干个通孔的开启或关闭由控制器进行控制，控制器是根据手术切割路径信息来对应打开相关通孔的阀门，以有效控制能够通过点阵孔板的激光，形成手术切割路径的投射。

进一步地，所述两个激光源之间的距离为C＝2K*(λ*L/d)+λ*L/d，其中激光波长λ为620～760nm，L为激光源(双平行狭缝挡板)到所述多棱透镜之间的距离，d为双平行狭缝挡板的狭缝缝宽，k∈N。优选激光波长λ为680～720nm，激光灯优选为红色激光灯。实验表明当两激光源距离在所述范围内时，在两激光源之间重叠出的激光面处处光强相近，其中一个红色激光灯发射激光波长限定在620～760nm，优选685nm，另一个红色激光灯发射激光波长限定在620～760nm，优选690nm，两红色激光灯发射的激光频率及波应不相同，目的是防止两激光源产生的衍射光相互干扰。

进一步地，至少三个所述激光标记装置安装在机械臂上，所述机械臂受控于所述控制器。通过控制所述机械臂来精确调整激光标记装置的位置，以便更加精确地对手术切割路径信息进行投影。

进一步地，所述手术规划系统还包括有图像采集装置，所述图像采集装置包括有设置在所述外壳上的CCD摄像头与LED光源，所述CCD摄像头用于采集图像并将所述图像传输至输送控制器，所述LED光源为所述CCD摄像头提供照明；所述控制器对所述图像进行处理并生成和储存手术切割路径信息。在进行手术前，图像采集装置实时地采集患者该部位的图像，并将该图像传输至控制器，控制器通过对图像进行处理确认最佳手术切割路线后，该手术切割路线画面将由控制器传输至激光标记装置，并以激光投射的方式显示于患者手术部位，手术执行者即可按照该手术切割路线对皮肤肿瘤予以分块切除，此时切割下来的组织制作成冷冻显微切片，该冷冻显微切片的象限(方位)能够与控制器中的手术切割路径信息相对应，有利于提高二次切除残余肿瘤细胞的准确性。

进一步地，在手术切割路径信息已经投影到待手术部位后，所述CCD摄像头用于采集已经投影的实际手术切割路径，所述控制器将所述实际手术切割路径和预先储存的手术切割路径信息进行对比，并实时通过所述激光标记装置调整投影的实际手术切割路径，直到两者的误差在设定范围内。采用这种处理方式，可以大大提高手术切割路径信息投影的准确性，避免皮肤曲率较大时带来的投影误差。

进一步地，所述手术规划系统还包括有警示机构，所述警示机构包含与所述控制器相连的激光测距装置与提示系统，所述激光测距装置安装在所述外壳上，用于测量所述激光标记装置与待手术部位的之间的距离。所述激光测距装置可将测得的距离数据传给控制器，若所述激光测距装置测出的距离数据发生非人为的改变，控制器将比较距离数据变化值与阈值的大小，若距离数据变化值超过阈值，控制器就会通过提示系统发出距离改变的警示。

进一步地，所述机械臂安装在基座上，所述基座上设置有相互平行的导轨和齿条，所述机械臂的底座安装有套筒，所述套筒套设在导轨上，所述底座上还固定安装有驱动电机，所述驱动电机连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿条相啮合。

进一步地，所述套筒中设置有电磁夹持机构，电磁夹持机构包括螺线管、弹簧和磁体，所述螺线管和磁体位于套筒的两侧，磁体位于套筒的径向导孔中，当螺线管未通电时，磁体在弹簧的弹力作用下远离所述导轨，当螺线管通电后螺线管吸引磁体以磁体紧贴于导轨。

本发明通过激光投射的方式对手术路径进行标记，能够对在Mohs手术中对手术部位进行象限划分，通过观察不同象限的冷冻显微切片的细胞情况，可对仍有肿瘤组织处的皮肤象限进行二次切除，并通过重复所述步骤达到切除所有肿瘤组织的目的。

附图说明

图1为本发明手术规划系统的示意图；

图2为激光标记装置的示意图；

图3为激激光标记装置内部结构的示意图；

图4为手术规划系统的流程图。

图中：基座1、导轨11、机械臂2、底座20、套筒21、驱动电机22、驱动齿轮23、齿条3、激光标记装置4、红色激光灯410、外壳411、双平行狭缝挡板413、凹透镜412、多棱透镜414、反射镜415、点阵孔板416。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1-4，一种手术规划系统，其包含皮肤粘合圈(图中未示出)，机械臂2与激光标记装置4。所述皮肤粘合圈在术前贴合于患者皮肤需手术部位的外围；共有三个激光标记装置4，均安装于机械臂2上，并由计算机(控制器的示例)控制其功能的实现。

所述皮肤粘合圈可固定皮肤组织，从而防止皮肤组织发生位移。于Mohs手术而言，皮肤组织的位移将导致各部分皮肤的位置难以确定，从而给残余肿瘤的切除带来极大的不便，增大了手术失败的可能性，更使得患者癌症复发的可能性大大增加。所述皮肤粘合圈可将肿瘤切除部分外围的皮肤组织固定，并具有消毒的功能，给手术带来了便利，大大增加了手术的成功率。

机械臂2为多自由度机械臂，机械臂2安装在基座1上，基座1上设置有相互平行的导轨11和齿条3，机械臂2的底座20安装有套筒21，所述套筒21套设在导轨11上，底座20上还固定安装有驱动电机22，驱动电机22连接有驱动齿轮23，所述驱动齿轮23与所述齿条3相啮合。当需要移动机械臂时，开启驱动电机22，驱动电机22带动驱动齿轮23旋转，驱动齿轮23和齿条3啮合从而带动机械沿着导轨11移动。优选地，所述套筒中设置有电磁夹持机构，电磁夹持机构包括螺线管、弹簧和磁体，所述螺线管和磁体位于套筒的两侧，磁体位于套筒的径向导孔中，磁体在弹簧的弹力作用下远离所述导轨11，当螺线管通电后螺线管吸引磁体以磁体紧贴于导轨11，实现对机械臂2的制动，当螺线管断电后磁体在弹簧的作用下远离导轨11。利用电磁夹持机构对机械臂的横向移动进行制动，具有响应快速的特点，能准确地实现机械臂的定位。

所述驱动电机采用步进电机，其结构简单，成本较低，精度高且易于控制。

三个所述激光标记装置，分别安装于机械臂2的末端。为了不对手术视野造成影响并且不妨碍手术操作，三个激光标记装置距地面高度为1.9～2.1m，优选2m。所述三个激光标记装置可通过计算机或人工调整位置，以实现从多方向将激光束投射到皮肤的手术切除部位，达到无影的效果。任意两激光标记装置之间的距离不低于30cm。

参见图3，所述激光标记装置包含两个激光源，外壳411，凹透镜412，多棱透镜414，反射镜415与点阵孔板416，两个激光均包含红色激光灯410与双平行狭缝挡板413，外壳411构成所述激光标记装置的外部，其形状类似于圆柱，其中部直径略大于两端的直径，一端与机械臂2连接，一端为空并固定有凹透镜412，所述多棱透镜414、反射镜415、点阵孔板416、凹透镜412沿着所述激光源的激光路径依次安装在所述外壳411内部，外壳411上固定有两个激光源，外壳411的内表面分别设有多棱透镜固定框(图中未示出)，反射镜固定框(图中未示出)，可对上述两种镜分别进行固定。所述多棱透镜414位于反射镜415与激光源之间，在反射镜固定框与凹透镜412之间设有一点阵孔板416，所述外壳411的内壁与点阵孔板416的边缘无缝连接，外壳411为黑色，不透光。

两个激光源安装在外壳411上，两个激光源之间的距离为C＝2K*(λ*L/d)+λ*L/d，其中光波长λ＝620～760nm，L为所述红色激光源到所述多棱透镜之间的距离，d为所述狭缝的缝宽，k∈N，优选光波长λ＝680～720nm，实验表明当所述两激光源距离在所述范围内时，在所述两激光源之间重叠出的激光面处处光强相近，两个激光均包含红色激光灯410与双平行狭缝挡板413，其中一个红色激光灯410发射激光波长限定在620～760nm，优选685nm，另一个红色激光灯410发射激光波长限定在620～760nm，优选690nm，两红色激光灯410发射的激光频率及波应不相同，目的是防止两装置产生的衍射光相互干扰(上述公式中，λ取其中一个激光灯410的波长即可)。为了在不同情况下均可得到最佳投影效果，所述红色激光灯410的功率可变，其功率范围优选1～8mw，当所述红色激光灯410的功率在此范围内时，其所述激光辐照强度即单位面积上的光辐射功率为10～50μw/cm2。

所述红色激光灯410发出的平行激光束由以下步骤产生：

S1:所述红色激光灯410发出垂直正对双平行狭缝挡板413的激光，以发生双缝干涉，所述狭缝之间距离优选10μm。两个所述激光源发出的激光要求频率相近却不相同，通过固定所述两激光源的位置，其双缝干涉光的明暗部分可相互弥补，成为一个完整激光面。

S2:所述激光束经过多棱透镜414后，成为平行激光束。

S3:平行激光束再经过反射镜415的反射，成为与点阵孔板416垂直的激光束。

其中，为避免激光束在皮肤上显示的路径发生变化，所述激光束投射的皮肤曲率不应过大，优选曲率半径大于3m。

所述点阵孔板416大小不特别限定，根据患者皮肤肿瘤大小有不同型号。优选地，点阵孔板416的通孔密度为56*56个每平方英寸，此分辨率已经满足手术的要求，并且相对于更高分辨率的点阵孔板416，此点阵孔板制作成本低，且工艺较为简单。所述点阵孔板416上的每个通孔均设有可以控制激光通透性的阀门，由计算机控制其打开与闭合。每个通孔都有一个专有的，位于二维平面坐标系下的特征坐标，以便于计算机的控制管理。

所述激光束经过点阵孔板416上特定开放的通孔的透光后，形成的激光的形状恰好与手术规划系统规划的手术切割路径与皮肤象限划分相同，此激光最后经过凹透镜412的发散，可形成描记出手术切割路径的激光圈与激光象限。所述凹透镜412可减小激光标记装置的体积，降低成本的同时可避免对手术视野的影响。

所述三个激光标记装置因所处的相对位置的不同，每个所述激光标记装置的镜头方向都不一致，但都正对需手术的皮肤位置，通过计算机程序算法控制所述三束激光束投射到皮肤的图像相互重合。

所述手术规划系统还包括图像采集装置，其包含CCD摄像头421与可调光LED光源420。所述CCD摄像头421与可调光LED光源420均固定于外壳411的外表面；所述可调光LED光源420的作用是为CCD摄像头421补光，便于CCD摄像头421拍摄出清晰的图像。所述图像采集装置可自动检测其所处环境的光亮度，所述可调光LED光源420可根据图像采集装置检测出的环境光亮度调整自身亮度，也可由手术执行者通过其配备于外部的调节旋钮进行手动调节，以获得所述CCD摄像头421的最佳拍摄效果。

所述CCD摄像头421由计算机控制，其作用是采集需手术部分的图像至计算机，以便计算机自动规划手术最佳路径。在患者需手术部位进行手术前，图像采集装置可实时地采集患者该部位的影像，并将该影像传输至计算机，计算机即计算出手术最佳路径，可经过人工调节路径，确认最终最佳手术切割路线后，手术切割路径信息储存在计算机中，该手术切割路线将由计算机传输至激光标记装置，并通过激光标记装置以激光投射的方式显示于患者手术部位的皮肤组织上，手术执行者即可循该手术切割路线对皮肤肿瘤予以分块切除，若需扩大切除，手术执行者可设置相应分块边界外延一定距离，形成第二次手术规划路线，在手术执行者对该路线进行调整并确认后将新的手术路线投射于手术部位的皮肤组织上，重复以上步骤直至保证肿瘤组织清除干净。

在手术切割路径信息已经投影到待手术部位后，CCD摄像头421可用于采集已经投影的实际手术切割路径，计算机将述实际手术切割路径和预先储存的手术切割路径信息进行对比，并实时通过激光标记装置调整投影的实际手术切割路径，直到两者的误差在设定范围内。采用这种处理方式，可以大大提高手术切割路径信息投影的准确性，避免皮肤曲率较大时带来的投影误差。

手术规划系统还包括有警示机构，警示机构包含与控制器相连的激光测距装置43与提示系统(未图示)，激光测距装置43安装在外壳411上，用于测量所述激光标记装置与待手术部位的之间的距离。激光测距装置43包括激光发射器，激光接收器和相位测量器。激光发射器将激光发射至手术部位，再由激光接收器接受经皮肤反射回来的激光，所述相位测量器将测量发出的激光与接收的激光两个相邻完整周期所间隔的距离，进而测量出相位差与距离。所述激光测距装置43的测距范围为0.5～5m，激光发射器发射激光的频率为50～144Hz，优选120Hz。

所述激光测距装置43可将测得的距离数据传给计算机，若所述激光测距装置43测出的距离数据发生非人为的改变，计算机将比较距离数据变化值与阈值(本实施方案中设定的阈值为3mm)的大小，若距离数据变化值超过阈值，计算机就会通过提示系统发出距离改变的警示。

Mohs手术中对手术部位进行象限划分，通过观察不同象限的冷冻显微切片的细胞情况，可对仍有肿瘤组织处的皮肤象限进行二次切除，进行二次切除时，仍然是先规划好切割路线(二次切割时，可以利用计算机自动规划手术切割路径，也可以人工手动规划手术切割路径)，利用激光标记装置对手术切割路径信息进行激光投射，并通过不断重复激光投射步骤和切割步骤以达到切除所有肿瘤组织的目的。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手术规划系统，其特征在于，包括：控制器和激光标记装置，所述控制器中储存有手术切割路径信息，所述激光标记装置用于将所述手术切割路径信息通过激光投影到患者的待手术部位，所述激光标记装置至少有三个，且全部的所述激光标记装置在待手术部位的激光投影相互重合。

2.根据权利要求1所述的一种手术规划系统，其特征在于，所述激光标记装置包括外壳、两个激光源、多棱透镜、反射镜、凹透镜、点阵孔板，所述两个激光源安装在所述外壳上，所述多棱透镜、反射镜、点阵孔板、凹透镜沿着所述激光源的激光路径依次安装在所述外壳内部，所述激光源包括激光灯和双平行狭缝挡板，两个所述激光源所述产生的激光的波长不相同；所述点阵孔板上具有若干个通孔，每一个所述通孔均设置有阀门，所述阀门的开闭由所述控制器控制。

3.根据权利要求2所述的一种手术规划系统，其特征在于，所述两个激光源之间的距离为C＝2K*(λ*L/d)+λ*L/d，其中激光波长λ为620～760nm，L为激光源到所述多棱透镜之间的距离，d为双平行狭缝挡板的狭缝缝宽，k∈N。

4.根据权利要求3所述的一种手术规划系统，其特征在于，其中一个激光灯发射激光波长为685nm，另一个激光灯发射激光波长为690nm。

5.根据权利要求1所述的一种手术规划系统，其特征在于，所述手术规划系统还包括有图像采集装置，所述图像采集装置包括有设置在所述外壳上的CCD摄像头与LED光源，所述CCD摄像头用于采集图像并将所述图像传输至输送控制器，所述LED光源为所述CCD摄像头提供照明；所述控制器对所述图像进行处理并生成和储存手术切割路径信息。

6.根据权利要求4所述的一种手术规划系统，其特征在于，在手术切割路径信息已经投影到待手术部位后，所述CCD摄像头用于采集已经投影的实际手术切割路径，所述控制器将所述实际手术切割路径和预先储存的手术切割路径信息进行对比，并实时通过所述激光标记装置调整投影的实际手术切割路径，直到两者的误差在设定范围内。

7.根据权利要求1所述的一种手术规划系统，其特征在于，所述手术规划系统还包括有警示机构，所述警示机构包含与所述控制器相连的激光测距装置与提示系统，所述激光测距装置安装在所述外壳上，用于测量所述激光标记装置与待手术部位的之间的距离。

8.根据权利要求1所述的一种手术规划系统，其特征在于，所述至少三个激光标记装置安装在机械臂上，所述机械臂受控于所述控制器；所述机械臂安装在基座上，所述基座上设置有相互平行的导轨和齿条，所述机械臂的底座安装有套筒，所述套筒套设在导轨上，所述底座上还固定安装有驱动电机，所述驱动电机连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿条相啮合。

9.根据权利要求8所述的一种手术规划系统，其特征在于，所述套筒中设置有电磁夹持机构，电磁夹持机构包括螺线管、弹簧和磁体，所述螺线管和磁体位于套筒的两侧，磁体位于套筒的径向导孔中，当螺线管未通电时，磁体在弹簧的弹力作用下远离所述导轨，当螺线管通电后螺线管吸引磁体以磁体紧贴于导轨。