CN109549689A - 一种穿刺辅助引导装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺辅助引导装置，包括：扫描模块，用于对被穿刺对象进行扫描，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；三维定位模块，用于根据被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定其空间位置；路径规划模块，用于至少根据被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对被穿刺对象的目标体进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并据此生成虚拟穿刺路径；数据传输模块，用于将虚拟穿刺路径的空间位置坐标发送给AR设备，便于当被穿刺对象出现在AR设备的视场中时，通过AR设备显示虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，辅助用户按照虚拟穿刺路径对被穿刺对象进行穿刺，极大的提高了手术的准确性和效率。

Description

一种穿刺辅助引导装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及临床医疗手术领域，尤其涉及一种医疗手术穿刺辅助引导装置、系统及方法。

背景技术

经皮的各类影像引导的穿刺操作及手术是目前临床医学上广泛应用的一种微创治疗手段，随着精准治疗和微创治疗的。通过CT或者MR(核磁共振)等影像设备对人体进行扫描获得断层图像后，在横断位图像上选择合适的靶点，然后择最优化的穿刺路径，并通过断层图像和扫描床坐标位置的空间匹配，找出人体表面的进针点位置，然后根据预先设计好的穿刺路径将微创治疗所需的各类器械穿入人体内，达到理想的靶点位置。

传统的穿刺方式，人体表面的穿刺点需要在体表放置显影的标记，然后再进行一次扫描方能确定体表标记和理想的入针点的位置，而穿刺过程中，进针的方向和距离则完全需要术者的经验和操作能力，往往由于人眼无法精确的的辨识细微角度的差别而导致穿刺针需要多次的调整和反复的扫描，增加手术的难度和风险以及手术时间。

为了完成精准的穿刺，帮助手术者精确的沿着计划的穿刺路线进针，目前已经有多种的穿刺辅助的影像引导装置以及穿刺机器人装置投入应用：

目前穿刺辅助的引导装置主要是通过①(激光)光学导航系统或②磁导航系统来实现穿刺的引导，通过穿刺器械上的光学标记或者磁标记来标记穿刺针，在扫描床上加载光学坐标系统或定位磁场来标记人体的三维位置，将横断位图像与人体三维位置的进行匹配后，利用计算机图像系统将选定的靶点和穿刺路径设置好，并将带有定位标记的穿刺器械的虚拟图像融合在一起，只要移动穿刺器械，系统会自动追踪扫描其位置，并将其位置反映在融合的图像上，操作者只需要移动穿刺针，使得穿刺器械的虚拟影像与穿刺路径重合即能完成理论上的完美穿刺。

但现有的穿刺辅助引导装置主要存在如下几个问题：

(1)穿刺辅助系统组件较多，占用空间较大，对操作室布局有较大的要求。比如光学导航系统，光学识别探头需要摆放在能同时识别到定位人体位置、机架位置、和穿刺针位置的标记光学反射球，而且一旦探头与标记球之间直线距离内存在阻挡物，则导航就会因此中断。磁导航系统也需要在CT和MRI扫描床和机架上布置定位用标示磁场，而且此类设备追踪穿刺针是通过光学或磁定位标记，此类装置附加在穿刺针的尾部，不仅增加穿刺针尾部的重量，而且验证影响手术者的操作手感和体验。

(2)无论是光学导航系统还是磁导航系统来实现穿刺引导，整个过程中操作者需要看着导航仪的屏幕，而操作者需要通过解读导航界面的图像再通过人脑的解读最后再反映到操作者手部到动作，最后还需要再在导航系统界面上得到验证。也就是说显示参照平面和虚拟穿刺针的屏幕或者投射显示器都无法和视觉上穿刺针的实际图像进行融合。操作者需要两头兼顾，既要侧头兼顾导航仪的屏幕又要兼顾实际穿刺针，操作者需要将导航仪显示的穿刺针虚拟路径与穿刺路径之间的偏差转化为手部调整穿刺针的动作，最后还需要在导航系统里查看追踪到的穿刺针的位置来验证之前的一系列操作。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种穿刺辅助引导装置、系统及方法。具体的，技术方案如下：

一方面，本发明公开了一种穿刺辅助引导装置，包括：扫描模块，用于对被穿刺对象进行扫描，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；三维定位模块，用于根据所述扫描模块获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；路径规划模块，用于至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象的目标体进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和穿刺到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；数据传输模块，用于将所述虚拟穿刺路径的空间位置坐标发送给AR设备，便于当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过所述AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，辅助用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

优选地，所述三维定位模块包括：数据处理子模块，用于对所述扫描模块获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据进行处理，构造所述被穿刺对象及其目标体的三维空间，确定所述被穿刺对象及其目标体在所述三维空间的初始位置坐标；参数获取子模块，用于获取所述被穿刺对象扫描后的移动参数数据；计算子模块，用于根据所述初始位置坐标及所述移动参数数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的最终位置坐标。

优选地，所述扫描模块包括：B超机、CT机、核磁共振机、X光机之中的任意一种或多种。

优选地，所述数据传输模块通过有线或无线的方式进行数据传输。

第二方面，本发明还公开了一种穿刺辅助引导系统，包括本发明所述的穿刺辅助引导装置、及AR设备；其中，所述AR设备，用于当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，显示所述被穿刺对象上的所述虚拟穿刺路径。

优选地，所述AR设备包括数据接收模块和显示模块，其中：所述数据接收模块，用于接收所述穿刺辅助引导装置获取的所述虚拟穿刺路径的位置信息，所述显示模块，用于根据所述数据接收模块接收到的所述虚拟穿刺路径的位置信息，在所述被穿刺对象上显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

优选地，所述AR设备上还设有深度摄像头，所述深度摄像头用于获取穿刺针穿刺的穿刺深度和角度。

优选地，所述深度摄像头包括摄像模块，用于实时采集穿刺过程中所述穿刺针的方位图像；所述穿刺辅助引导装置的三维定位模块，还用于对所述摄像模块采集的穿刺针图像进行图像处理，获取所述穿刺针穿刺所述被穿刺对象的穿刺切入点位置、及所述穿刺针针尾的空间位置；所述AR设备还包括穿刺针定位模块，用于根据所述穿刺切入点位置，及所述穿刺针针尾的空间位置，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度，定位显示所述穿刺针的虚拟针头刺入所述被穿刺对象体内的空间位置。

优选地，所述AR设备还包括动态模拟模块，其中：所述动态模拟模块，用于根据所述深度摄像头获取的穿刺针的穿刺深度和角度信息，获取所述穿刺针穿刺过程的动态模拟数据；所述显示模块，还用于根据所述动态模拟模块获取的动态模拟数据，在所述被穿刺对象上显示所述穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

优选地，所述显示模块，还用于根据所述被穿刺对象的目标体的3D图像数据及空间位置，在所述被穿刺对象上显示虚拟目标体。

优选地，所述显示模块，还用于根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据和空间位置，在所述被穿刺对象上显示所述目标体周边预设范围内的虚拟生物组织信息。

优选地，所述显示模块，还用于显示所述虚拟穿刺路径的尺寸信息。

优选地，所述虚拟穿刺路径尺寸信息通过不同的颜色进行表示。

优选地，所述AR设备还包括偏差获取模块；所述偏差获取模块，用于通过所述深度摄像头获取所述穿刺针的实际穿刺路径，并结合所述数据接收模块接收的虚拟穿刺路径的位置信息，获取所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的偏离度。

优选地，所述AR设备还包括提醒模块；所述提醒模块，用于通过文字、语音、影像、图像之中的任意一种或多种方式提醒所述用户当前穿刺深度和/或偏离度。

优选地，所述AR设备还包括报警模块；所述报警模块，用于当所述穿刺针的穿刺深度和/或偏离度大于预设的偏差值时，发出警报。

第三方面，本发明还公开了一种穿刺辅助引导方法，包括：

扫描被穿刺对象，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；

根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；

至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；

当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于辅助所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

优选地，所述扫描被穿刺对象采用的扫描工具为B超机、CT机、核磁共振机、X光机之中的任意一种或多种。

优选地，所述至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置包括：

对获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据进行处理，构造所述被穿刺对象及其目标体的三维空间，确定所述被穿刺对象及其目标体在所述三维空间的初始位置坐标；

获取所述被穿刺对象扫描后的移动参数数据；

根据所述被穿刺对象及其目标体的初始位置坐标及所述移动参数数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的最终位置坐标。

优选地，所述穿刺辅助引导方法还包括：穿刺过程中，通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度。

优选地，所述通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度包括：

通过所述深度摄像头实时采集穿刺过程中所述穿刺针的方位图像；

对所述穿刺针图像进行图像处理，获取所述穿刺针穿刺所述被穿刺对象的穿刺切入点位置、及所述穿刺针针尾的空间位置；

根据所述穿刺切入点位置，及所述穿刺针针尾的空间位置，通过所述AR设备获取所述穿刺针的穿刺深度和角度信息，定位所述穿刺针的针头刺入所述被穿刺对象体内的空间位置。

优选地，所述穿刺辅助引导方法还包括：

根据所述深度摄像头获取的穿刺针的穿刺深度和角度信息，获取所述穿刺针穿刺过程的动态模拟数据；

根据所述动态模拟数据，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示所述穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

优选地，所述的穿刺辅助引导方法还包括：根据所述被穿刺对象的目标体的3D图像数据及空间位置，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示虚拟目标体。

优选地，所述的穿刺辅助引导方法还包括，根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据集空间位置，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示所述目标体周边预设范围内的虚拟生物组织信息。生物组织信息包括骨头、血管、器官等。

优选地，所述穿刺辅助引导方法还包括：通过所述AR设备显示所述虚拟穿刺路径的尺寸信息。

优选地，通过所述AR设备以不同的颜色进行标识显示所述虚拟穿刺路径尺寸信息。

优选地，所述穿刺辅助引导方法还包括：通过所述深度摄像头获取到所述穿刺针的穿刺深度和角度信息后，结合所述数据接收模块接收的虚拟穿刺路径的位置信息，获取所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的偏离度。

优选地，所述穿刺辅助引导方法还包括：通过文字、语音、影像、图像之中的任意一种或多种方式提醒所述用户当前穿刺深度和/或偏离度。

优选地，所述穿刺辅助引导方法还包括：当获取到的所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的深度和/或偏离度大于预设的偏差值时，发出警报。

本发明至少具备以下一项有益效果：

(1)本发明采用AR技术的辅助，将理想的穿刺路径用虚拟影像的线条与实际操作的视觉图像进行融合重叠，而且虚拟穿刺路径的线条是在三维空间内添加的可以根据手术操作者的位置即头戴式AR显示器的位置进行实时的调整，不受位置和角度的限制，整个系统没有复杂的光学或磁场定位系统，除了AR显示头盔之外，没有其他的大型设备，更重要的是穿刺针不需要标记，因此不会在穿刺针的尾部添加复杂的标记物，不会影响手术者的感觉。

(2)本发明与以往的既有系统不同，本系统将虚拟的穿刺路径用AR技术的虚拟图像通过投射的方式，投射在人眼所见的实际视觉图像上，即操作者可以看见一条虚拟的线条穿出人体表面，此线条的空间三维位置是固定的，而通过AR技术帮助操作者可以在不同的位置看到虚拟现实的穿刺路径，整个操作就是把针尖放在虚拟线条穿出人体/动物体表面的那个点(体表切入点)，然后把针沿着虚拟的线条(虚拟穿刺路径)慢慢穿入人体。

(3)本发明创造利用AR的深度摄像头通过将穿刺针的针尾和体表切入点进行定位，推算体内穿刺深度，将计算好的针头所在平面的重建横断位图像投射在操作者面前一定的距离上，避免了操作者需要一边观察穿刺针，一边盯着显示屏，两头兼顾增加操作的难度。

(4)由于与传统方式截然不同的设计，本发明无需以往传统各类导航设备复杂的标示、追踪、器械，比如光学导航的标记球，持针器、光学追踪器。只需要一副头戴式显示器，整个操作室内无其他多余的设备，配合专用的穿刺针，计算机主机放置于操作室外。整个系统组件少，设备简单。

(5)因为传统的穿刺导航的穿刺针尾部有特殊结构，硕大而笨重，这样的持针器严重影响手术医生的手感和穿刺体验，而本发明创造通过深度摄像头实时监控普通穿刺针的尾部，这样对医生的穿刺手感不会施加任何影响。

附图说明

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要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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。

图1为本发明一种穿刺辅助引导装置实施例一的框图；

图2为虚拟穿刺路径的示意图；

图3为本发明一种穿刺辅助引导装置实施例二的框图；

图4为本发明一种穿刺辅助引导系统实施例三的框图；

图5为穿刺操作者佩戴AR设备进行穿刺操作的示意图；

图6为本发明一种穿刺辅助引导系统实施例四的框图；

图7为本发明一种穿刺辅助引导系统实施例五的框图；

图8为本发明一种穿刺辅助引导方法实施例七的流程图；

图9为本发明一种穿刺辅助引导方法实施例八的流程图；

图10为本发明一种穿刺辅助引导方法实施例九的流程图。

附图标记：

100--穿刺辅助引导装置；110--扫描模块；120--三维定位模块；130--路径规划模块；140--数据传输模块；1--穿刺到达点；2--体表切入点；3--体外延伸点；121--数据处理子模块；122--参数获取子模块；123--计算子模块；200--AR设备；210--数据接收模块；220--显示模块；230--深度摄像头；240--穿刺针定位模块；250--动态模拟模块；260--偏差获取模块；270--提醒模块；280--报警模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明公开了一种穿刺辅助引导装置，实施例一如图1所示，包括：扫描模块110，用于对被穿刺对象进行扫描，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；三维定位模块120，用于根据所述扫描模块110获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；路径规划模块130，用于至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象的目标体进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和穿刺到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；数据传输模块140，用于将所述虚拟穿刺路径的空间位置坐标发送给AR设备，便于当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过所述AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，辅助用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

本实施例中，首先对被穿刺对象进行扫描，这里采用的扫描工具可以是B超机、CT机、核磁共振机、X光机之中的任意一种或多种，通过这些扫描工具进行扫描从而获取被穿刺对象及其体内的目标体(比如病灶)的三维图像。被穿刺对象的3D图像数据，并不要求是被穿刺对象(包括人体或者动物体或者黑盒对象)的所有身体部分的完整3D图像数据，可以是被穿刺对象身体某部分的3D图像数据，比如扫描被穿刺对象的头部获取的被穿刺对象的头部3D图像数据，脑内的病灶体就是目标体。

具体的，比如在相对固定的的空间中，放置固定的CT设备(MR设备也可，本实施例仅以CT为例)，CT(ComputedTomography)，即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查；根据所采用的射线不同可分为：X射线CT(X-CT)、超声CT(UCT)以及γ射线CT(γ-CT)等。病患(被穿刺对象)躺或趴在CT扫描床上固定，随着CT扫描床的前后移动，CT机对该病患进行人体断层扫描。

CT是用X射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器(analog/digital converter)转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素(voxel)。

扫描所得信息经计算而获得每个体素的X射线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵(digital matrix)，数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器(digital/analog converter)把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素(pixel)，并按矩阵排列，即构成CT图像。所以，CT图像是重建图像。每个体素的X射线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。

CT的工作程序是这样的：它根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。

目前很多医学扫描工具可以扫描后直接获取到相应的三维图像，当然对于无法直接获取到三维图像的扫描工具，则也可以将扫描获取的非3D图像数据进行融合，通过三维建模的方式获取到对应的三维图像。

获取到被穿刺对象及其目标体的3D图像数据后，再据此定位病患(被穿刺对象)及其体内的病灶(目标体)的空间位置范围(三维坐标)，病灶的具体位置也称靶位/靶点。然后手术医生，根据上述断面和立体的图像，再确定穿刺在病患体表的具体位置范围(三维坐标)，该具体位置也即穿刺的入刺位置范围。接着手术医生根据体内具体目标位置范围与体表入刺位置范围之间寻找确定一条直线路径，该路径是规避掉骨头和大血管以及易损伤的空腔脏器的。医生确定好穿刺方案后，根据医生的输入，便可以生成虚拟穿刺路径。当然该方案的制定也可以不是医生来制定的，只需要知道病灶体的位置，根据病患及病灶体的3D图像数据，避开骨头和大血管位置，由本发明装置智能确定穿刺切入点(病患体表刺入点)，直达病灶体(穿刺到达点)，生成虚拟穿刺路径。

穿刺切入点和穿刺到达点一旦确认，一条穿刺路径就被确认下来了，并且该路径会延伸至病患体外，构成完整的虚拟穿刺路径。然后将该虚拟穿刺路径的位置坐标发送给AR设备，传送给AR设备的通信方式可以采用有线或者无线的方式进行，其中，无线方式又可以采用LIFI、WIFI、蓝牙、紫蜂等之中的任意一种或多种。本发明对数据传输的方式不加限定。传输给AR设备后，通过AR方式可以看到一条从病灶、体表到体外的完整虚拟穿刺路径。当然，根据实际需求，如图2所示，可以只显示虚拟穿刺路径的体外段(体表切入点及延伸的体外路径部分)，图2中的2-3部分为体外段；或者只显示虚拟穿刺路径的体内段(体表切入点至体内目标体路径部分)，图2中的1-2部分为体内段；当然，也可以显示整个完整的虚拟穿刺路径(体内段+体外段)，图2中的1-3部分(包含1-2，2-3部分)为完整的虚拟穿刺路径示意图。

值得一提的是，因为靶位与体表切入点的连线，与人体大多情况下并非垂直或水平关系(如果是，也是巧合)，所以该连线是带有一定的角度的。如此，手术医生在进程手术穿刺的时候，在AR设备的配合下，非常容易找到切入点和切入角度。穿刺针只需沿着该体外延长线从切入点(体表穿刺点)穿刺进入并通过穿刺针尾部与体外延长线拟合度，继续沿着该穿刺线穿刺下去，直到到达病灶，然后进行后续手术操作。

实施例二

本发明装置的另一实施例，如图3所示，在上述装置实施例的基础上，所述三维定位模块120包括：数据处理子模块121，用于对所述扫描模块110获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据进行处理，构造所述被穿刺对象及其目标体的三维空间，确定所述被穿刺对象及其目标体在所述三维空间的初始位置坐标；参数获取子模块122，用于获取所述被穿刺对象扫描后的移动参数数据；计算子模块123，用于根据所述初始位置坐标及所述移动参数数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的最终位置坐标。

本实施例中，被穿刺对象在扫描床上被麻醉后会先进行扫描，由于扫描床在扫描房间的位置是已知的，比如，以扫描房间的某角点作为坐标系原点，建立扫描所在房间的空间坐标系，那么这个扫描房间内的所有东西都可以通过位置坐标来定位其所在的位置关系。扫描床是在扫描房间内的固定设备，因此其在扫描时或扫描前的位置都是固定已知的。扫描床扫描后沿着轨道发生移动，比如在空间坐标系的X轴发生移动，移动到一定距离比如2m后停下固定下来，该位置也就是扫描床移动后的最终位置，穿刺操作者后续也是在这个扫描床上对被麻醉的穿刺对象进行穿刺操作。由于被穿刺对象麻醉后不会动，因此，躺在扫描床上的被穿刺对象相对扫描床也是固定位置的，扫描床扫描时初始位置已知的情况下，在扫描了扫描床上的被穿刺对象后，便也可以确定被穿刺对象扫描时的初始空间位置坐标，扫描床的移动参数数据，也就是扫描床沿轨道移动发生的位移(比如沿X轴移动了2m)，同样也是被穿刺对象在扫描后发生的位移，也就是被穿刺对象的移动参数数据；获取到这个移动参数数据后，那么就可以确定被穿刺对象的最终空间位置。如果移动参数数据是沿x轴移动了2m的话，那么被穿刺对象的最终空间位置就是在初始的空间位置坐标基础上，X轴坐标加上了2m，Y轴和Z轴方向的坐标未发生变化。同样的被穿刺对象体内的目标体位置，由于相对被穿刺对象也是固定位置，通过其3D图像数据也可以定位目标体扫描时的初始位置坐标，然后再结合移动参数数据，便可获得目标体的最终空间位置。

当然，还有一种情况，比如说扫描床是不会移动的，即扫描时相对移动的是CT机探头，也就是说是扫描床固定不能发生位移的，那么这种方案更为简单，扫描床在这个扫描的房间内是绝对固定的位置，那么也就是说扫描床在这个三维空间内是固定位置坐标，而同样，被穿刺对象被麻醉后躺在扫描床上也是固定不会移动的，扫描机进行扫描后获得的三维图像数据，再结合已知的扫描床的空间位置坐标，便可确定出被穿刺对象及其目标体的三维空间坐标，又由于扫描床是不会移动的，也就是说移动参数数据为0，那么被穿刺对象及其目标体在扫描前后的位移没有发生变化。被穿刺对象及其目标体的最终空间位置便是其各自的初始空间位置。

值得注意的是，除了在穿刺辅助引导装置中存有三维空间坐标系外，在后续使用的AR设备中也需要存有这一套三维空间坐标系。这样才能在接收到穿刺辅助引导装置发生的虚拟穿刺路径位置信息后，迅速定位到显示虚拟穿刺路径的坐标位置。也就是说穿刺辅助引导装置和AR设备使用的是同一套三维空间坐标。

实施例三

此外，本发明还公开了一种穿刺辅助引导系统，如图4所示，包括本发明上述任一实施例所述的穿刺辅助引导装置100、及AR设备200；其中：

所述穿刺辅助引导装置100包括：扫描模块110，用于对被穿刺对象进行扫描，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；三维定位模块120，用于根据所述扫描模块110获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；路径规划模块130，用于至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象的目标体进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和穿刺到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；数据传输模块140，用于将所述虚拟穿刺路径的空间位置坐标发送给AR设备；

所述AR设备200，用于当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，显示所述被穿刺对象上的所述虚拟穿刺路径。

本实施例中，通过穿刺辅助引导装置定位了被穿刺对象及其目标体的三维空间位置，并生成穿刺被穿刺对象体内的目标体的虚拟穿刺路径，再通过AR设备则可以在被穿刺对象的相应坐标位置看到该虚拟穿刺路径，从而为穿刺提供参考，穿刺操作者只需戴上该AR设备，便可参考显示的虚拟穿刺路径，对被穿刺对象进行穿刺，如此，大大提高了手术的准确性和效率。图5为穿刺操作者佩戴AR设备进行穿刺的示意图。

本系统将虚拟的穿刺路径用AR技术的虚拟图像通过投射的方式，投射在人眼所见的实际视觉图像上，即操作者可以看见一条虚拟的线条穿出人体表面，此线条的空间三维位置是固定的，而通过AR技术帮助操作者可以在不同的位置看到虚拟现实的穿刺路径，整个操作就是把针尖放在虚拟线条穿出人体表面的那个点，然后把针沿着虚拟的线条慢慢穿入人体。

实施例四

在上述实施例三的基础上，如图6所示，所述AR设备200包括数据接收模块210和显示模块220，其中：所述数据接收模块210，用于接收所述穿刺辅助引导装置100获取的所述虚拟穿刺路径的位置信息，所述显示模块220，用于根据所述数据接收模块210接收到的所述虚拟穿刺路径的位置信息，在所述被穿刺对象上显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

本实施例采用AR技术的辅助，将理想的穿刺路径用虚拟影像的线条与实际操作的视觉图像进行融合重叠，一旦被穿刺对象出现在AR设备的视场，则会在该被穿刺对象上根据实际需求显示出虚拟穿刺路径的部分路径段(体内段、或体外段)或者完整路径段(体内+体外段)。其中，虚拟穿刺路径的体内段是指穿刺的体表切入点至体内目标体路径部分；虚拟穿刺路径的体外段是指穿刺的体表切入点及其延伸的体外部分。由于虚拟穿刺路径的位置信息已发送给AR设备了，因此，AR设备便可根据该位置信息显示虚拟穿刺路径，从而为后续的穿刺提供参考。而且虚拟穿刺路径的线条是在三维空间内添加的，不受手术操作者的位置和角度的限制，整个系统没有复杂的光学或磁场定位系统，穿刺辅助系统组件少。就连穿刺针也是最普通的穿刺针，不会因被改造而给手术医生带来使用上的负担或者违和感。

实施例五

本发明系统的另一实施例，如图7所示，在上述任一实施例基础上，所述AR设备200上还设有深度摄像头230，所述深度摄像头230用于获取穿刺针穿刺的穿刺深度和角度。因为传统的穿刺导航的穿刺针尾部有特殊结构，硕大而笨重，这样的持针器严重影响手术医生的手感和穿刺体验，而本发明创造通过TOF摄像头实时监控普通穿刺针的尾部，这样对医生的穿刺手感不会施加任何影响。

目前的深度视觉产品主要是深度摄像头。深度摄像头除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，也就是三维的位置和尺寸信息，使得整个计算系统获得环境和对象的三维立体数据。按技术分类，深度摄像头可分为以下三类主流技术：结构光、双目视觉和TOF飞行时间法。

结构光(Structured Light)：结构光投射特定的光信息到物体表面后，由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。

TOF(Time OfFlight)：TOF系统是一种光雷达系统，可从发射极向对象发射光脉冲，接收器则可通过计算光脉冲从发射器到对象，再以像素格式返回到接收器的运行时间来确定被测量对象的距离。

双目成像(Stereo System)：利用双摄像头拍摄物体，再通过三角形原理计算物体距离。

通过以上任意一种深度摄像头的实现方案拍摄的图像，可以获取到图像色彩信息和深度信息。获取到这些信息后便可据此进行定位了。具体到本实施例中，利用深度摄像头拍摄拍摄穿刺针的方位图像，然后根据该方位图像便可以去定位穿刺针的针尾和切入点位置了(针头由于穿刺进入了体内，所以摄像头无法拍摄到体内的针头图像情况)，由于穿刺针的长度是固定的，然后根据针尾和穿刺针切入点的位置，便可以推算出针头的位置，获得穿刺针的穿刺深度和穿刺角度信息。

也就是说，上一实施例中的深度摄像头包括摄像模块，用于实时采集穿刺过程中所述穿刺针的方位图像；所述穿刺辅助引导装置的三维定位模块，还用于对所述摄像模块采集的穿刺针图像进行图像处理，获取所述穿刺针穿刺所述被穿刺对象的穿刺切入点位置、及所述穿刺针针尾的空间位置；所述AR设备还包括穿刺针定位模块，用于根据所述穿刺切入点位置，及所述穿刺针针尾的空间位置，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度，定位虚拟显示所述穿刺针的针头刺入所述被穿刺对象体内的空间位置。

由于体内部分现实中肉眼无法观察到，因此以示区别，本申请的实施例中对于体内的信息显示称为虚拟显示。本实施例中，摄像模块可以采用双鱼眼镜头来采集穿刺过程中穿刺针的方位图像，鱼眼镜头是一种焦距为16mm或更短的并且视角接近或等于180°的镜头。它是一种极端的广角镜头，“鱼眼镜头”是它的俗称。为使镜头达到最大的摄影视角，这种摄影镜头的前镜片直径很短且呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，“鱼眼镜头”因此而得名。鱼眼镜头的视角广，焦距短，这种镜头的物理原理是光线的折射现象，鱼眼镜头的最大特点是视角范围特别大，一般可达220或230度，，这为近距离拍摄大范围景物创造了条件；鱼眼镜头在接近被摄物拍摄时能造成非常强烈的透视效果，强调被摄物近大远小的对比，使所摄画面具有一种震撼人心的感染力；鱼眼镜头具有相当长的景深，有利于表现照片的长景深效果。

利用鱼眼镜头构建全方位视觉系统，每一鱼眼镜头能一次获取半球域视场中的环境信息，并且不需要摄像头旋转运动，也不需要通过多个相机采集图像来进行拼接复原，从而大大简化了系统设计的复杂度和算法实现上的难度，而且由于可以一次采集大量的图像信息，所以极大地减少图像生成阶段图像信息的采集时间，能够很好地满足实时性要求。

由于鱼眼镜头的基本成像原理是光的折射，因此，鱼眼镜头采集的图像信息一般存在畸变，因此，还需要通过穿刺辅助引导装置中的三维定位模块对鱼眼镜头采集的图像进行畸变矫正等图像处理，并对鱼眼镜头建立模块，确定图像中像素位置和空间中穿刺针(针尾至穿刺切入点)位置之间的关系，定位穿刺针的针尾和穿刺切入点的空间位置。然后再通过AR设备的穿刺针定位模块推算出所述穿刺针的穿刺深度和角度信息，定位穿刺针针头刺入体内的空间位置(穿刺针长度固定已知)。

本发明系统的另一实施例，在上述任一实施例的基础上，如图7所示，所述AR设备200还包括动态模拟模块250，其中：所述动态模拟模块250，用于根据所述深度摄像头230获取的穿刺针的穿刺深度和角度信息，获取所述穿刺针穿刺过程的动态模拟数据；所述显示模块220，还用于根据所述动态模拟模块250获取的动态模拟数据，在所述被穿刺对象上模拟显示所述穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

较佳的，所述显示模块220，还用于根据所述被穿刺对象的目标体的3D图像数据及空间位置，在所述被穿刺对象上模拟显示虚拟目标体。

更佳的，所述显示模块220，还用于根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据和空间位置，在所述被穿刺对象上模拟显示所述目标体周边预设范围内的虚拟生物组织信息。

此外，所述显示模块220，还用于显示所述虚拟穿刺路径的尺寸信息。进一步地，所述虚拟穿刺路径尺寸信息通过不同的颜色进行表示。

具体的，下面简单说明下AR设备的虚拟显示部分：

(1)虚拟穿刺路径显示。这个在前面的实施例里也已经提到过，在被穿刺对象出现在AR设备的视场中时，便会在被穿刺对象的相应位置显示虚拟穿刺路径。也就是说戴上AR眼镜看到被穿刺对象后，便也会在被穿刺对象的相应位置上看到虚拟穿刺路径。虚拟穿刺路径的显示可以根据需求进行显示，比如可以显示的是完整的虚拟穿刺路径(体内段+体外段)、也可以只显示虚拟穿刺路径的一部分(体内段或者体外段)。一般的，显示虚拟穿刺路径的体外段即可给到穿刺操作者以参考，穿刺操作者在操作时，便可以该体外段的虚拟穿刺路径为参考进行穿刺，让穿刺针尽可能的与虚拟穿刺路径重合。

(2)动态虚拟穿刺过程的模拟显示。穿刺过程中，根据AR设备的深度摄像头实时采集的穿刺针方位图像，可及时获得穿刺针的穿刺深度和角度信息，从而可以获取到穿刺过程中穿刺针的穿刺动态模拟数据，然后再通过AR设备的显示模块实时显示出穿刺针当前的穿刺动态，模拟出穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

(3)虚拟目标体的模拟显示。根据被穿刺对象体内的目标体的3D图像数据，可以通过AR设备在被穿刺对象的体内显示出虚拟的目标体。也就是说，戴上AR眼镜后，除了看到实际的被穿刺对象外，还在被穿刺对象的体内相应位置看到病灶体(虚拟目标体)，这个虚拟目标体就是穿刺到达到的穿刺点。

(4)虚拟目标体周边预设范围内的虚拟生物组织信息的模拟显示。该显示一般基于(3)之上，也就是说除了在被穿刺对象体内显示虚拟目标体外，还会根据被穿刺对象的3D图像数据，显示虚拟目标体(病灶)周边的虚拟生物组织信息，比如显示病灶体周边的血管、骨头、器官等生物组织信息。这样就更利于穿刺操作者在实际执行穿刺过程中避开大血管、骨头等组织进行穿刺，减小了穿刺风险，提高了穿刺精度。

(5)虚拟穿刺路径的尺寸信息显示。该显示基于(1)的基础上，在虚拟穿刺路径上还显示出虚拟穿刺路径的尺寸信息，让穿刺操作在穿刺时有个参考。比如实际穿刺时穿刺针按照虚拟穿刺路径穿刺，穿刺开始时，穿刺针的针头在体表切入点穿刺路径标识的0cm处，针尾在虚拟穿刺路径标识的10cm处，即假设穿刺针完整长度为10cm，假如穿刺针按照虚拟穿刺路径角度进行穿刺的话只要穿刺深度为5cm时便可达到病灶体，随着穿刺的深入，穿刺针的针尾慢慢往虚拟穿刺路径标识的5cm处移动，比如穿刺者看到穿刺针针尾到达了虚拟穿刺路径标识的6cm处，便会知晓离病灶体只有1cm了，便会更加放慢穿刺的速度，慢慢进一步刺入，除了参考虚拟穿刺路径上的标识尺寸信息外，再结合医生自己的临床经验感觉来判定是否达到病灶体。较佳的。虚拟穿刺路径的尺寸信息的显示可以通过多种方式来进行标识。比如虚拟穿刺路径上进行虚拟刻度的标识，或者数字直接标识。又比如通过不同的颜色来进行标识，比如每一种颜色代表一个尺寸，或者每一cm用一种颜色来固定表示和显示等等。通过颜色表示出和显示不同的尺寸信息。

(6)动态虚拟穿刺过程中虚拟穿刺针的尺寸信息模拟显示。该显示基于(2)的基础上，在动态虚拟穿刺过程的显示中，进一步显示出虚拟穿刺针的尺寸信息，比如显示出穿刺时穿刺针在体外段的长度，或者显示出穿刺针在体内段的穿刺深度等。同样的，该尺寸信息的显示也可以通过多种方式进行表示，比如不同的颜色、刻度、数字、图像等等。我们以颜色为例，可以让虚拟穿刺针通过不同的颜色表示出当前的穿刺进度。比如刚开始穿刺时，虚拟穿刺针以红色显示，随着穿刺的深入，每深入1cm则穿刺针改变一个颜色，也就是说每一种颜色代表了一个尺寸信息。同样以穿刺到病灶体的穿刺深度为5cm为例，假如穿刺针总长度为10cm，如果穿刺针体外段长度达到5cm或者穿刺针体内长度(穿刺深度)为5cm时，虚拟穿刺针的颜色会变为绿色(或红色，可以根据手术医生的提示习惯进行颜色设定)，那么穿刺操作者在穿刺过程中，只要观察穿刺针的颜色变化，便可知晓当前的穿刺深度，当通过AR眼镜看到虚拟穿刺针的颜色变化为绿色时，便说明穿刺深度达到了方案中的穿刺深度，也就是达到了体内的病灶体了。

上述的几个虚拟显示部分并不要求全部在AR设备上显示，可以根据需求只显示其中的一种或几种。简单举几个虚拟显示组合的例子如下：

A、显示虚拟穿刺路径+动态虚拟穿刺过程。也就是说在AR设备上的虚拟显示，除了(1)中的虚拟穿刺路径外，还可实时显示出动态虚拟穿刺过程。具体的，穿刺过程中，根据AR设备的深度摄像头实时采集的穿刺针方位图像，可及时获得穿刺针的穿刺深度和角度信息，从而可以获取到穿刺过程中穿刺针的穿刺动态模拟数据，然后再通过AR设备的显示模块实时显示出穿刺针当前的穿刺动态，模拟出穿刺针的动态虚拟穿刺过程。也就是随着穿刺的一点点深入，通过AR设备也可以看到虚拟的穿刺针一点点深入到被穿刺对象体内，体外的穿刺针部分的长度也越来越短。

B、显示虚拟穿刺路径+动态虚拟穿刺过程+虚拟目标体的显示。也就是说通过AR设备，可以在实际的被穿刺对象上看到虚拟的穿刺路径，被穿刺对象体内的虚拟目标体(比如病灶)，且在穿刺过程中，会实时呈现动态虚拟穿刺过程，显示虚拟穿刺针头在体内的空间位置，直至到虚拟目标体(病灶)。

C、显示虚拟穿刺路径+动态虚拟穿刺过程+虚拟目标体+虚拟目标体周边预设范围内的虚拟生物组织信息。

D、显示虚拟穿刺路径+虚拟路径尺寸信息。

E、显示虚拟穿刺路径+动态虚拟穿刺过程+不同颜色表示的虚拟路径尺寸信息。

上面只是简单举了几个虚拟显示的组合，实际可以根据前面虚拟显示的(1)-(6)进行其它组合显示。当然，对于实际的穿刺针本身，也可以通过特殊颜色标记，比如可以使用带有贴于体表带有特殊颜色标记的标定模版和带有特殊颜色固定环和内芯帽的穿刺针。如此，AR设备的深度摄像头在定位穿刺针针尾和穿刺针的体表切入点时更为准确。也可以据此生成相对应的虚拟穿刺针进行显示。

实施例六

本发明的另一实施例，在上述实施例五的基础上，如图7所示，所述AR设备200还包括偏差获取模块260；所述偏差获取模块260，用于通过所述深度摄像头230获取所述穿刺针的实际穿刺路径，并结合所述数据接收模块210接收的虚拟穿刺路径的位置信息，获取所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的偏离度。

较佳的，所述AR设备200还包括提醒模块270；所述提醒模块270，用于通过文字、语音、影像、图像之中的任意一种或多种方式提醒所述用户当前穿刺深度和/或偏离度。

可选地，所述AR设备200还包括报警模块280；所述报警模块280，用于当所述穿刺针的穿刺深度和/或偏离度大于预设的偏差值时，发出警报。

前面实施例中提到过，利用深度摄像头可以采集穿刺过程中，穿刺针的方位图像，从而定位了穿刺针针尾和穿刺切入点的位置坐标，这样也就可以获得实际穿刺的穿刺路径了，而虚拟穿刺路径在AR设备中早已接收到了，因此，简单的比对，便可获取到实际穿刺路径与虚拟穿刺路径的偏离度。当然，前面我们也提到过，利用深度摄像头定位了穿刺针针尾和切入点的位置坐标后，同样可以推算出穿刺针穿刺时的穿刺深度。然后，则可以通过文字、语音、影像、图像之中的任意一种或多种方式提醒用户当前穿刺深度、偏离度等。我们以语音提示穿刺偏离度为例，实际穿刺过程中，则会实时语音提示当前实际穿刺偏离度为X度，从而提醒穿刺操作者及时调整。此外，较佳的，还可以通过报警模块在穿刺深度或偏离度大于预设的偏差值时发出警报。比如，预设的穿刺深度为5cm，也就是说穿刺深度达到了5cm时便达到了病灶体，假如预设的偏差值为1mm，那么当穿刺针的穿刺深度超过了5.1cm时，报警模块便会发出警报，告诉穿刺操作者不能再深入穿刺了。同样的，当穿刺的偏离度达到了预设的偏离度差值时，便会发出警报，提示穿刺操作者当前穿刺已发生了偏离。通过这些提示或者警报的方式，可以及时的告知穿刺操作者穿刺中的穿刺进度或穿刺偏离，从而及时让穿刺操作者进行调整，提高了穿刺的安全性和准确性。

实施例七

基于相同的技术构思，本发明还公开了一种穿刺辅助引导方法，实施例如图8所示，包括：

S101扫描被穿刺对象，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；

S102根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；

S103至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；

S104当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于辅助所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

上述方法实施例中，步骤S101中扫描被穿刺对象采用的扫描工具为B超机、CT机、核磁共振机、X光机之中的任意一种或多种。具体的，我们以扫描工具是CT机为例，简单描述下本发明方法的流程：

首先患者(被穿刺对象)在CT机上先完成扫描过程，获得人体的连续的断层图像(人体的连续断层图像可以合成为3D图像数据)，在CT图像上可以确定病灶(目标体)在人体内的位置。图像数据传输到与CT扫描机相连的AR辅助穿刺系统的主机，根据CT扫描获得的3D图像数据，以及CT扫描床和人体相对固定的位置，可以确定在CT机房空间内人体及目标体的空间位置(由于CT床是相对固定设备，扫描前后CT床在CT机房空间内的空间位置已知)。然后根据人体及病灶的3D图像数据和空间位置，结合人体的解剖结构特点，选择最合适的方向作为穿刺的路径，确定好穿刺路径后，则可以获得人体表面和病灶之间的理想路径，也就是最佳穿刺路径，这是一条有特定角度的直线，这条直线由两个点确定而成，一个点是身体内部特定位置的病灶，另一个点是人体表面的一个具体的入针点(穿刺切入点)。这两个点的位置对于穿刺手术至关重要。根据这两个点的位置信息，便可以生成虚拟穿刺路径，将虚拟穿刺路径的位置信息传送给AR设备后，便可通过佩戴AR设备，在看到该病患的时候，在其相应位置看到相应的虚拟穿刺路径。虚拟穿刺路径的显示可以根据实际需求显示完整的路径(体内段+体外段)；当然也可以只显示体内段或者体外段。

我们以显示的是虚拟穿刺路径的体外段为例。手术医师戴上AR眼镜之后，只要视野内出现该病患(被穿刺对象)，既可以将虚拟的穿刺路径投射在AR眼镜上，使虚拟的线重叠上人体上。手术中无论手术者如何移动位置，始终都能看到由体表入针点和靶点(病灶)之间的连线，这条连线显示的部分是从入针点向后延伸的一条直线，直线的长度和选用的穿刺针的长度契合，因为实际操作中，随着穿刺针的刺入，肉眼仅能看到尚未刺入的部分，体内的虚拟路径我们根据需要在AR眼镜上显示，切换只显示的是体外的指引线和/或切入身体内的穿刺进程。手术者在人体表面可以看到虚拟线条和人体表面的交汇点，这就是入针点，手术者在入针点进行局部麻醉后，即可手持穿刺针，调整位置，使手中的穿刺针的方向与虚拟线条一致，由于虚拟线条是重建后投射在AR眼镜上的，所以手术者可以在不同方向观察手里的穿刺针与虚拟线条的关系，达到精准的方向控制，确定好方向后，手术者即可沿着该方向将穿刺针慢慢刺入人体。

实施例八

本发明方法的另一实施例，如图9所示，包括：

S201扫描被穿刺对象，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；

S202对获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据进行处理，构造所述被穿刺对象及其目标体的三维空间，确定所述被穿刺对象及其目标体在所述三维空间的初始位置坐标；

S203获取所述被穿刺对象扫描后的移动参数数据；

S204根据所述被穿刺对象及其目标体的初始位置坐标及所述移动参数数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的最终位置坐标。

S205至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；

S206当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于辅助所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

在上述任一实施例基础上，所述穿刺辅助引导方法还包括：穿刺过程中，通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度。

较佳地，所述通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度包括：

通过所述深度摄像头实时采集穿刺过程中所述穿刺针的方位图像；

对所述穿刺针图像进行图像处理，获取所述穿刺针穿刺所述被穿刺对象的穿刺切入点位置、及所述穿刺针针尾的空间位置；

根据所述穿刺切入点位置，及所述穿刺针针尾的空间位置，通过所述AR设备获取所述穿刺针的穿刺深度和角度信息，定位模拟显示所述穿刺针的虚拟针头刺入所述被穿刺对象体内的空间位置。

因为穿刺针的长度是固定的，所以通过测量穿刺针尾部与人体体表切入点的相对距离，就可以推测出针头的行径位置。比如在AR-HMD(头戴式AR设备)上设有TOF摄像头，该摄像头实时监测切入点的空间位置和穿刺针尾部的空间位置，通过实时计算即可得到穿刺针尾部与切入点的距离差，一般切入点的空间位置是固定的，而穿刺针尾部随着针头穿刺入人体内会逐渐靠近切入点，这样根据尾部的空间位置计算，也能推算出针头的空间位置。

实施例九

本发明方法的另一实施例，如图10所示，包括：

S301扫描被穿刺对象，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；

S302根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；

S303至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；

S304当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段；且根据所述被穿刺对象的目标体的3D图像数据及空间位置，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示虚拟目标体；

S305穿刺过程中，通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度；

S306根据所述深度摄像头获取的穿刺针的穿刺深度和角度信息，获取所述穿刺针穿刺过程的动态模拟数据；

S307根据所述动态模拟数据，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示所述穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

本实施例在上述实施例基础上，显示了动态虚拟穿刺过程。也就是说在AR设备中，不仅能看到虚拟穿刺路径，也能看到原CT获取断面或立体的病灶图像；由于穿刺针总的长度固定，通过AR设备的机器视觉可确定穿刺针的针尾位置和穿刺切入点位置，并据此可推算出针头位置，从而能动态地模拟显示虚拟穿刺针头在体内的空间位置，直至到达虚拟病灶的目标位。

除了上述实施例中的虚拟显示外，还可以根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据集空间位置，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示所述目标体周边预设范围内的虚拟生物组织信息。具体的，比如显示病灶周边的血管、器官、骨头等生物组织信息，穿刺时便可避开大血管或骨头等，从而提高穿刺的准确性，降低风险。

此外，还可以通过所述AR设备模拟显示所述虚拟穿刺路径的尺寸信息，进一步地，通过所述AR设备以不同的颜色进行标识显示所述虚拟穿刺路径尺寸信息。

实施例十

本发明方法的另一实施例，在上述任一实施例的基础上，所述穿刺辅助引导方法还包括：通过所述深度摄像头获取到所述穿刺针的穿刺深度和角度信息后，结合所述数据接收模块接收的虚拟穿刺路径的位置信息，获取所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的偏离度。获取到该偏离度后，便可通过文字、语音、影像、图像之中的任意一种或多种方式提醒所述用户当前穿刺深度和/或偏离度。

此外，当获取到的所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的深度和/或偏离度大于预设的偏差值时，发出警报。

具体的，比如，穿刺过程中，随着穿刺针的逐步刺入，虚拟穿刺针的线条也会逐步的变化，达到提示穿刺深度的作用，因为每一根穿刺针的长度都是固定的，该系统通过机器视觉配合穿刺针上的特殊颜色标记，可以识别出穿刺针进入人体的深度，随着穿刺针的深入，虚拟的线条会逐步缩短，直到系统检测出穿刺针达到理论上的理想穿刺深度，也就是穿刺路径的长度时，系统可以发出提示蜂鸣音。此时手术者即可放手，观察非握持状态下穿刺针的方向是否和理想路径完全重叠，并走出CT扫描室，进行扫描确认。

在穿刺过程中，因为穿刺针是刚性的，所以当穿刺针的尾部偏离体外的穿刺路径，也就意味着在体内，针头也偏离了体内的穿刺路径，当TOF摄像头检测到针尾的偏离达到预设的阈值，系统就会发出报警，提示手术医生穿刺已经发生了偏离。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种穿刺辅助引导装置，其特征在于，包括：

扫描模块，用于对被穿刺对象进行扫描，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；

三维定位模块，用于根据所述扫描模块获取的被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；

路径规划模块，用于至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象的目标体进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和穿刺到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；

数据传输模块，用于将所述虚拟穿刺路径的空间位置坐标发送给AR设备，便于当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过所述AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，辅助用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

2.一种基于权利要求1所述的穿刺辅助引导装置的穿刺辅助引导系统，其特征在于，还包括：AR设备；

所述AR设备，用于当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，显示所述被穿刺对象上的所述虚拟穿刺路径。

3.根据权利要求2所述的一种穿刺辅助引导系统，其特征在于，所述AR设备包括数据接收模块和显示模块，其中：

所述数据接收模块，用于接收所述穿刺辅助引导装置获取的所述虚拟穿刺路径的位置信息，

所述显示模块，用于根据所述数据接收模块接收到的所述虚拟穿刺路径的位置信息，在所述被穿刺对象上显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

4.根据权利要求3所述的一种穿刺辅助引导系统，其特征在于，所述AR设备上还设有深度摄像头，所述深度摄像头用于获取穿刺针穿刺的穿刺深度和角度。

5.根据权利要求4所述的一种穿刺辅助引导系统，其特征在于，所述深度摄像头包括摄像模块，用于实时采集穿刺过程中所述穿刺针的方位图像；

所述穿刺辅助引导装置的三维定位模块，还用于对所述摄像模块采集的穿刺针图像进行图像处理，获取所述穿刺针穿刺所述被穿刺对象的穿刺切入点位置、及所述穿刺针针尾的空间位置；

所述AR设备还包括穿刺针定位模块，用于根据所述穿刺切入点位置，及所述穿刺针针尾的空间位置，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度，定位显示所述穿刺针的虚拟针头刺入所述被穿刺对象体内的空间位置。

6.根据权利要求3所述的一种穿刺辅助引导系统，其特征在于，所述AR设备还包括动态模拟模块，其中：

所述动态模拟模块，用于根据所述深度摄像头获取的穿刺针的穿刺深度和角度信息，获取所述穿刺针穿刺过程的动态模拟数据；

所述显示模块，还用于根据所述动态模拟模块获取的动态模拟数据，在所述被穿刺对象上显示所述穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

7.根据权利要求3-6任一项所述的一种穿刺辅助引导系统，其特征在于，所述显示模块，还用于根据所述被穿刺对象的目标体的3D图像数据及空间位置，在所述被穿刺对象上显示虚拟目标体。

8.一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，包括：

扫描被穿刺对象，获取被穿刺对象及其体内的目标体的3D图像数据；

根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据，确定所述被穿刺对象及其目标体的空间位置；

至少根据所述被穿刺对象及其目标体的3D图像数据及空间位置，确定对所述被穿刺对象进行穿刺的穿刺切入点和穿刺到达点的位置，并根据所述穿刺切入点和到达点的位置信息，生成虚拟穿刺路径；

当所述被穿刺对象出现在所述AR设备的视场中时，通过AR设备显示所述虚拟穿刺路径的体内段和/或体外段，便于辅助所述用户按照所述虚拟穿刺路径对所述被穿刺对象进行穿刺。

9.根据权利要求8所述的一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，还包括：

穿刺过程中，通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度。

10.根据权利要求9所述的一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，所述通过所述AR设备上的深度摄像头，获取所述穿刺针的穿刺深度和角度包括：

通过所述深度摄像头实时采集穿刺过程中所述穿刺针的方位图像；

对所述穿刺针图像进行图像处理，获取所述穿刺针穿刺所述被穿刺对象的穿刺切入点位置、及所述穿刺针针尾的空间位置；

根据所述穿刺切入点位置，及所述穿刺针针尾的空间位置，通过所述AR设备获取所述穿刺针的穿刺深度和角度信息，定位所述穿刺针的针头刺入所述被穿刺对象体内的空间位置。

11.根据权利要求9所述的一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，还包括：

根据所述深度摄像头获取的穿刺针的穿刺深度和角度信息，获取所述穿刺针穿刺过程的动态模拟数据；

根据所述动态模拟数据，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示所述穿刺针的动态虚拟穿刺过程。

12.根据权利要求9所述的一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，还包括：根据所述被穿刺对象的目标体的3D图像数据及空间位置，通过所述AR设备在所述被穿刺对象上显示虚拟目标体。

13.根据权利要求9所述的一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，还包括：通过所述AR设备显示所述虚拟穿刺路径的尺寸信息。

14.根据权利要求9-13任一项所述的一种穿刺辅助引导方法，其特征在于，还包括：

通过所述深度摄像头获取到所述穿刺针的穿刺深度和角度信息后，结合所述数据接收模块接收的虚拟穿刺路径的位置信息，获取所述穿刺针实际穿刺路径与所述虚拟穿刺路径的偏离度。