CN109646089A - 一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统及方法，属于医学领域。本发明利用超声技术进行实时脊柱图像采集；获得二维超声图像和二维超声图像对应的空间位置信息，并重建得到三维超声重建图；向系统输入采用非超声的方式获取到的脊柱多模式医学图像；再融合得到融合图像。融合图像可以用于穿刺训练或辅助手术。本发明凭借图像处理技术改善传统超声成像技术对脊柱骨性结构成像的技术短板；改善其穿刺损伤和辐射损害大、步骤繁琐耗时的不足，将在临床实操和模拟培训中，极大推动当今脊柱脊髓手术。

Description

一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智 能定位系统及方法

技术领域

本发明涉及医学领域，具体涉及一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统及方法。

背景技术

脊柱脊髓相关疾病包括脊柱脊髓肿瘤、外伤和退行性病变等，近年来，脊柱脊髓相关疾病发病率不断增高，严重影响人们的身体健康和劳动能力。在我国，脊柱脊髓相关疾病的诊疗工作主要由脊柱外科和神经外科医生承担，手术治疗是主要治疗手段之一。目前，脊柱脊髓手术主要分为开放手术和微创手术两大类，随着近年来医疗器械和导航技术的发展，微创手术凭借损伤小、出血少、时间短等优势逐渐占据主流地位。微创手术主要是在微创通道、内镜等器械辅助下，通过更小而精的切口，对病变部位进行精准暴露进而完成手术操作，实现治疗目的。正是由于微创理念下采用的短小而精准的切口和手术入路，使得手术医生无法像传统开放手术一样，通过充分观察和暴露病变周围其他组织，最大程度完成手术目标，例如完整切除肿瘤等，因此，微创手术的手术切口定位尤为重要。相比于传统开放手术，微创手术具有更高的技术门槛和更长的学习曲线，严重阻碍了微创技术的推广普及。当前，为降低微创手术技术门槛从而让更多病人的诊疗更微创化，临床医生根据具体情况不同，采用了多种方法：

第一，以C型臂X光机(简称C臂机)为代表的透视定位技术。C臂机是一种外形类似英文字母C的X线影像设备，利用X线透视完成辅助定位。C臂机的具体工作流程可简单概括为“穿刺——透视定位——调整穿刺——透视——定位完成”。基于C臂机的透视定位技术作为目前主流的定位方法，具备可以随时透视产生图像，定位精度高的优势，但仍存在穿刺针多次穿刺定位和反复透视，导致过程繁琐耗时且穿刺损伤和辐射损害较大。

第二，以导航设备和机器人为代表的导航定位技术。目前具有代表性的产品可以实现实时CT或MRI成像并得到二维和三维图像，配合6自由度的悬臂，辅助操作者实现高精度定位，并应用于椎弓根螺钉置入等操作。基于导航设备和机器人的导航定位方法，具备实时成像和定位精度高的优势，可减少精细操作的学习曲线和对操作者实践经验的依赖性，但同样存在设备价格昂贵、核心技术垄断、需要设置地标从而增加额外的体表损伤等问题。

第三，基于超声的导航定位技术。目前，超声引导下的脊神经阻滞和硬膜外麻醉穿刺的应用较为广泛，也有将超声与其他医学影像如CT、MRI结合，形成二维融合图像并用于辅助导航定位，相关设备及图像处理软件的使用，可以发挥超声图像实时、便携、无辐射的优势，但是，超声成像更适用于软组织结构，而对于骨骼结构，因存在声波衰减、畸变和反射，导致超声骨骼图像模糊、表面毛刺，难以清晰成像和精确定位，导致现有技术在实际应用的普适性和可靠性有限。

此外，鉴于微创操作技术具有较高的技术门槛和较长的学习曲线，年轻的操作者尚不具备足够的知识和经验，此消彼长之下，对年轻操作者在学习阶段的培训和工作初期的指导尤为困难。现有的培训方法、系统及设备可以较好的模拟整体操作流程，帮助初学者很好的了解操作步骤并辨识典型解剖结构，但存在模型及操作单一的问题，不足以应对纷繁的实际情况，同时出于对操作者的保护，难以运用诸如C臂机等透视设备，模拟真实状况下所需的精准定位。因此，目前对年轻操作者的培训指导仍依赖有经验的操作者借助尸体模型言传身教，其培训覆盖范围小，可重复性差。

综合目前脊柱脊髓相关疾病术中的导航定位技术及微创操作技术的培训现状，可以得出如下结论：导航定位技术在脊柱脊髓相关疾病手术治疗过程中的应用发展迅速，相关产品、技术较多，但尚无能够兼顾实时性、低成本、无或少辐射、无或少损伤的导航定位相关设备产品，超声技术的发展呈现出较大潜力，但超声图像对骨骼成像的劣势又使其进一步发展面临技术瓶颈；对年轻操作者的培训系统不健全，极大依赖师生带教，难以广泛、自主开展。因此，临床亟待一种脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统及方法，可以在临床实操和模拟培训中，既能发挥超声的优势，又能通过技术处理改善甚至克服超声骨骼成像的劣势，从而兼顾低辐射、损伤与高精度定位的定位技术。

发明内容

针对现有的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统及方法，创造性地通过获取术中患者脊椎骨表面的二维超声图像，经过二维初步处理和三维重建，获得脊椎骨表面的三维超声重建图像，并与事先获得的其他非超声的多模式医学图像融合配准后形成融合图像，为操作者提供体表穿刺入路点的辅助定位，在减少甚至消除透视辐射、穿刺损伤的同时，实现实时、精准地智能定位，进而缩短微创手术技术学习曲线、降低对操作者临床经验的依赖，实现脊柱脊髓微创操作的推广普及。

本发明采用如下的技术方案：

本发明首先公开了一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统，包括图像采集模块、图像处理模块和运动控制模块；

所述的图像采集模块包括超声图像输入接口和多模式医学图像输入接口；

所述的图像处理模块接收来自所述超声图像输入接口的二维超声图像和二维超声图像对应的空间位置信息，得到三维超声重建图；所述的图像处理模块获取来自多模式医学图像输入接口输入的多模式医学图像；并将三维超声重建图和多模式医学图像融合得到融合图像；

所述的运动控制模块包括脊柱脊髓体表穿刺入路点确定模块；所述入路点确定模块根据融合图像确定穿刺入路点。

优选的，所述的图像采集模块还包括超声设备，所述的超声设备与超声图像输入接口相连；所述的超声设备包括超声扫描仪和超声探头，所述的超声探头为带有磁定位标签的线阵探头；所述的多模式医学图像为非超声方式获得的脊柱医学图像。

优选的，所述的运动控制模块还包括导航模块和机械臂；所述的导航模块引导所述的机械臂运动至穿刺入路点，并引导所述的机械臂完成从穿刺入路点到目标病害位置的运动。

本发明还公开了一种基于多模式医学融合图像和超声图像的多模式融合图像的融合方法，包括如下步骤：

1)获取包含位置信息的二维超声图像；

2)对包含位置信息的二维超声图像进行重建得到三维超声重建图；将三维超声重建图和多模式医学图像融合得到融合图像。

优选的，所述的包含位置信息的二维超声图像的获得方法如下：

采用带有磁定位标签的线阵探头对目标区域进行扫描，扫描方法为目标脊柱区域的纵切和横切扫描；其中，纵切是指线阵超声探头长轴与脊柱中线平行扫描；横切是指线阵超声探头长轴与脊柱中线垂直扫描；脊柱中线是指真实人体或模型的脊柱中轴线。

在扫描获得超声图像的同时，随着超声探头在目标脊柱脊髓区域的移动和超声图像生成，同步采集目标脊柱脊髓区域的二维超声图像信息和磁定位标签的空间位置信息；其中磁定位标签的空间位置信息包括6个自由度，即其所在坐标系中x,y,z轴的距离位置信息和旋转角度信息；其中，目标脊柱脊髓区域是指以脊柱脊髓病灶点为中心，包含其上、下2-3个脊柱节段，左、右至两侧横突边缘的区域范围。

优选的，带有磁定位标签的线阵探头扫描范围包含目标脊柱节段的全部椎骨信息，对一节椎骨而言，应至少包括棘突和两侧横突结构的超声图像信息；对于一次扫描未能获得全部椎骨信息的区域或脊柱节段，通过多次反复扫描，直至获得所需内容。

优选的，所述的多模式医学图像包括医学CT、磁共振MR、计算机X线摄影 CR或者数字化计算机X线摄影DR的三维图像。

优选的，所述的步骤2)中，重建得到三维超声重建图的具体方法为：在每一张二维超声图像中选取包含定位所需信息的感兴趣区域，并进行去噪和图像增强处理，提取与感兴趣区域相对应的磁定位空间位置信息，并按照空间位置信息将每一张二维超声图像沿脊柱中线方向排布，基于边缘识别和图像分割的思想方法，提取脊柱脊髓解剖结构信息，重建得到三维超声重建图像；

得到融合图像的具体方法为，通过特征识别方法识别多模式医学图像中脊椎骨棘突、横突、关节突及必要时的肋骨和肋骨头结构，基于特征匹配与融合方法，将其与三维超声重建图中的相应结构一一对应，实现三维超声重建图和多模式医学图像融合匹配，最终得到多模式融合图像。

相对于现有技术，本发明的优越性体现在：

第一，构建多模式医学融合图像，实现基于骨性结构的多模式医学图像成像特点的强强联合。本发明凭借新颖的图像处理技术思想及方法，改善传统超声成像技术对脊柱骨性结构成像的技术短板，获取带有磁定位空间位置信息的高质量三维超声重建图，并与非超声的多模式医学图像重建图像基于特征结构融合匹配，形成多模式医学融合图像，实现三维超声重建图的最新空间位置信息，与其他多模式医学图像完备解剖结构信息的强强联合，最终用于体表穿刺入路点的智能定位。

第二，本发明继承当前主流定位技术的高精度优势，改善其穿刺损伤和辐射损害大、步骤繁琐耗时的不足，同时有望打破国际先进设备在本领域的垄断地位。

第三，应用本发明提供的基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统及方法，将在临床实操和模拟培训中，极大推动当今脊柱脊髓手术，尤其以脊柱内镜为代表的微创手术技术的快速发展与普及，为快速、准确、无损的智能定位提供了新思路。

附图说明

图1为本发明图像处理流程示意图；

图2为本发明系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本实施例涉及一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统，包括图像采集模块、图像处理模块和运动控制模块；所述的图像采集模块包括超声图像输入接口和多模式医学图像输入接口；所述的图像处理模块接收来自所述超声图像输入接口的二维超声图像和二维超声图像对应的空间位置信息，得到三维超声重建图；所述的图像处理模块获取来自多模式医学图像输入接口输入的多模式医学图像；并将三维超声重建图和多模式医学图像融合得到融合图像；所述的运动控制模块包括脊柱脊髓体表穿刺入路点确定模块；所述入路点确定模块根据融合图像确定穿刺入路点。

所述的脊柱脊髓体表穿刺入路点确定模块利用不同种多模式医学图像，在其各自扫描成像时固有的距离数据信息，量化并显示具有标记意义的解剖结构与体表、与病灶点及周边其他结构的距离数值，并根据多模式融合图像中所包含的最新空间位置信息和解剖结构信息予以校正，在融合图像中确定并标记脊柱脊髓体表穿刺入路点，其中，在多模式融合图像中，最新空间位置信息来源于三维超声重建图，解剖结构信息来源于多模式医学图像重建图；最后，经过磁定位探头实时标记和验证算法确认无误，锁定脊柱脊髓体表穿刺入路点，其中，磁定位探头实时标记是指，将磁定位探头放置于体表，借助标记算法，在多模式融合图像中实时显示探头位置。

为了获得能满足融合需求的超声图像，在本发明的一个具体实施例中，本发明系统的图像采集模块还包括超声设备，所述的超声设备与超声图像输入接口相连；所述的超声设备包括超声扫描仪和超声探头，所述的超声探头为带有磁定位标签的线阵探头；所述的多模式医学图像为非超声方式获得的脊柱医学图像。

为了配套完全穿刺训练或手术需求，本发明还可配套导航模块和机械臂。在本发明的一个具体实施案例中，所述的运动控制模块还包括导航模块和机械臂；所述的导航模块引导所述的机械臂运动至穿刺入路点，并引导所述的机械臂完成从穿刺入路点到目标病害位置的运动。

在本发明的另一个具体实施例中，图像采集模块分为两个部分。第一部分是利用超声技术进行实时脊柱图像采集，超声设备分为超声扫描仪和超声探头，在本发明实施例中，超声探头采用的是带有磁定位标签的线阵探头(10MHz)。采用安装了定位装置的超声扫描探头来扫描目标脊柱区域的纵切和横切，可以获取到目标脊柱区域的全部椎骨信息以及空间位置信息。第二部分则是向系统输入采用非超声的方式获取到的脊柱医学图像。所述的多模式医学图像包括医学CT、磁共振MR、计算机X线摄影CR或者数字化计算机X线摄影DR的三维图像。

在图像采集的同时，也会同步采集目标脊柱区域相应磁定位标签的空间位置信息；其中磁定位标签的空间位置信息包括其所在坐标系中x,y,z轴的距离位置信息和旋转角度信息。通过这样的方式，可以实现对人体检测的零辐射，避免对病人的潜在危害。通过对超声的应用，本发明打破了现代医学对X光等对人体有辐射危害的检测方式的依赖，突破了一个技术瓶颈。

如图1和2所示，本发明基于多模式医学融合图像和超声图像的多模式融合图像的融合方法，包括如下步骤：

1)获取包含位置信息的二维超声图像；

2)对包含位置信息的二维超声图像进行重建得到三维超声重建图；将三维超声重建图和多模式医学图像融合得到融合图像。

其中，包含位置信息的二维超声图像的获得方法如下：

采用带有磁定位标签的线阵探头对目标区域进行扫描，扫描方法为目标脊柱区域的纵切和横切扫描；其中，纵切是指线阵超声探头长轴与脊柱中线平行扫描；横切是指线阵超声探头长轴与脊柱中线垂直扫描；脊柱中线是指真实人体或模型的脊柱中轴线。

在扫描获得超声图像的同时，随着超声探头在目标脊柱脊髓区域的移动和超声图像生成，同步采集目标脊柱脊髓区域的二维超声图像信息和磁定位标签的空间位置信息；其中磁定位标签的空间位置信息包括6个自由度，即其所在坐标系中x,y,z轴的距离位置信息和旋转角度信息；其中，目标脊柱脊髓区域是指以脊柱脊髓病灶点为中心，包含其上、下2-3个脊柱节段，左、右至两侧横突边缘的区域范围。

其中，带有磁定位标签的线阵探头扫描范围包含目标脊柱节段的全部椎骨信息，对一节椎骨而言，应至少包括棘突和两侧横突结构的超声图像信息；对于一次扫描未能获得全部椎骨信息的区域或脊柱节段，通过多次反复扫描，直至获得所需内容。

其中，所述的步骤2)中，重建得到三维超声重建图的具体方法为：在每一张二维超声图像中选取包含定位所需信息的感兴趣区域，并进行去噪和图像增强处理，提取与感兴趣区域相对应的磁定位空间位置信息，并按照空间位置信息将每一张二维超声图像沿脊柱中线方向排布，基于边缘识别和图像分割的思想方法，提取脊柱脊髓解剖结构信息，重建得到三维超声重建图像；

得到融合图像的具体方法为，通过特征识别方法识别多模式医学图像中脊椎骨棘突、横突、关节突及必要时的肋骨和肋骨头结构，基于特征匹配与融合方法，将其与三维超声重建图中的相应结构一一对应，实现三维超声重建图和多模式医学图像融合匹配，最终得到多模式融合图像。

本发明的多模式融合图像可以用于医务人员进行穿刺训练，也可辅助医务人员完成手术过程。其中，一种较为理想的应用方式是通过多模式融合图像得到穿刺入路点，其步骤如下：

首先，操作者根据事先获得的多模式医学图像及其重建图像，结合自身操作经验，识别判断并确定脊柱脊髓病灶点所在区域，即上述目标脊柱脊髓区域，并识别图像所示具有标记意义的解剖结构，如椎体棘突、横突、关节突及肋骨、肋骨头；其次，如上述权利要求8所述，依据特征识别算法及校验程序，使不同图像中，相对应的具有标记意义的解剖结构一一融合匹配，实现三维超声重建图与其他非超声多模式医学图像的三维重建图像对应融合及精确匹配；第三，利用不同种多模式医学图像，在其各自扫描成像时固有的距离数据信息，量化并显示具有标记意义的解剖结构与体表、与病灶点及周边其他结构的距离数值，并根据多模式融合图像中所包含的最新空间位置信息和解剖结构信息予以校正，在融合图像中确定并标记脊柱脊髓体表穿刺入路点，其中，在多模式融合图像中，最新空间位置信息来源于三维超声重建图，解剖结构信息来源于多模式医学图像重建图；最后，经过磁定位探头实时标记和验证算法确认无误，锁定脊柱脊髓体表穿刺入路点，其中，磁定位探头实时标记是指，将磁定位探头放置于体表，借助标记算法，在多模式融合图像中实时显示探头位置。

获得穿刺入路点后，医务人员即可进行穿刺训练。以获得的穿刺入路点为指导，医务人员可以在穿刺模型从穿刺入路点开始进行穿刺手术的训练操作；或者，也可以由医务人员根据自身经验先判断穿刺入路点，再根据判断得到的穿刺入路点与融合图像得到穿刺入路点的差异，进行由计算机指导的纠正学习，减少对于师生带教的依赖。

在辅助手术完成脊柱脊髓穿刺手术方面，本发明的技术可以实现三大功能。

1、根据融合图像，自动识别并确定手术入路点、目标病变位置、区域内重要的解剖结构。通过图像确定入路点，可以更加准确地找到最佳入路点，避免反复穿刺情况的发生，更好的保护病人。

2、智能设计出参考穿刺路径，实现不仅完成操作，还能避开病人可以避免损伤的解剖结构。

3、基于穿刺路径，控制机械臂运动至手术入路点完成穿刺，然后继续指导后续手术操作。通过图像指导，可以让目标区域更加透明化，降低手术难度，也可以减少对临床经验的依赖，更加客观理性地完成手术。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统，其特征在于包括图像采集模块、图像处理模块和运动控制模块；

所述的图像采集模块包括超声图像输入接口和多模式医学图像输入接口；

所述的图像处理模块接收来自所述超声图像输入接口的二维超声图像和二维超声图像对应的空间位置信息，得到三维超声重建图；所述的图像处理模块获取来自多模式医学图像输入接口输入的多模式医学图像；并将三维超声重建图和多模式医学图像融合得到融合图像；

所述的运动控制模块包括脊柱脊髓体表穿刺入路点确定模块；所述入路点确定模块根据融合图像确定穿刺入路点。

2.根据权利要求1所述的基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统，其特征在于所述的图像采集模块还包括超声设备，所述的超声设备与超声图像输入接口相连；所述的超声设备包括超声扫描仪和超声探头，所述的超声探头为带有磁定位标签的线阵探头；所述的多模式医学图像为非超声方式获得的脊柱医学图像。

3.根据权利要求1所述的基于多模式医学融合图像的脊柱脊髓体表穿刺入路点智能定位系统，其特征在于所述的运动控制模块还包括导航模块和机械臂；

所述的导航模块引导所述的机械臂运动至穿刺入路点，并引导所述的机械臂完成从穿刺入路点到目标病害位置的运动。

4.一种基于多模式医学融合图像和超声图像的多模式融合图像的融合方法，其特征在于包括如下步骤：

1)获取包含位置信息的二维超声图像；

2)对包含位置信息的二维超声图像进行重建得到三维超声重建图；将三维超声重建图和多模式医学图像融合得到融合图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的包含位置信息的二维超声图像的获得方法如下：

采用带有磁定位标签的线阵探头对目标区域进行扫描，扫描方法为目标脊柱区域的纵切和横切扫描；其中，纵切是指线阵超声探头长轴与脊柱中线平行扫描；横切是指线阵超声探头长轴与脊柱中线垂直扫描；脊柱中线是指真实人体或模型的脊柱中轴线。

在扫描获得超声图像的同时，随着超声探头在目标脊柱脊髓区域的移动和超声图像生成，同步采集目标脊柱脊髓区域的二维超声图像信息和磁定位标签的空间位置信息；其中磁定位标签的空间位置信息包括6个自由度，即其所在坐标系中x,y,z轴的距离位置信息和旋转角度信息；其中，目标脊柱脊髓区域是指以脊柱脊髓病灶点为中心，包含其上、下2-3个脊柱节段，左、右至两侧横突边缘的区域范围。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：带有磁定位标签的线阵探头扫描范围包含目标脊柱节段的全部椎骨信息，对一节椎骨而言，应至少包括棘突和两侧横突结构的超声图像信息；对于一次扫描未能获得全部椎骨信息的区域或脊柱节段，通过多次反复扫描，直至获得所需内容。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的多模式医学图像包括医学CT、磁共振MR、计算机X线摄影CR或者数字化计算机X线摄影DR的三维图像。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的步骤2)中，重建得到三维超声重建图的具体方法为：在每一张二维超声图像中选取包含定位所需信息的感兴趣区域，并进行去噪和图像增强处理，提取与感兴趣区域相对应的磁定位空间位置信息，并按照空间位置信息将每一张二维超声图像沿脊柱中线方向排布，基于边缘识别和图像分割的思想方法，提取脊柱脊髓解剖结构信息，重建得到三维超声重建图像；

得到融合图像的具体方法为，通过特征识别方法识别多模式医学图像中脊椎骨棘突、横突、关节突及必要时的肋骨和肋骨头结构，基于特征匹配与融合方法，将其与三维超声重建图中的相应结构一一对应，实现三维超声重建图和多模式医学图像融合匹配，最终得到多模式融合图像。