CN109907801B - 一种可定位超声引导穿刺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机辅助外科领域，具体涉及一种可定位超声引导穿刺方法。与使用超声探头穿刺架方法相比较，本发明不限制穿刺针与超声探头间的位置关系，能够适用于人体多种部位的穿刺。与使用二维超声图像引导穿刺方法比较，本发明基于空间定位技术，能够直观地在二维超声图像和三维可视化环境中同时显示出超声图像和穿刺针的空间位置关系，避免了：超声图像与穿刺针间位置关系不明确；人体组织内穿刺针断面在超声图像上显示不清晰；超声图像平面与穿刺针长轴共面时穿刺操作的限制。

Description

一种可定位超声引导穿刺方法

技术领域

本发明属于计算机辅助外科领域，具体涉及一种可定位超声引导穿刺方法。

背景技术

穿刺，包括注射，下文中将穿刺和注射统一代称为穿刺，是指借助穿刺针，包括注射器等，下文中将穿刺针和注射器等统一代称为穿刺针，一类的医疗器械将液体或气体注入人体，或者提取人体的液体或组织等，以达到诊断、治疗、预防疾病的目的。穿刺因治疗效果快、创伤小、疼痛轻、并发症少、恢复快等特点越来越受到医生和病人的欢迎。由于超声具有无辐射、实时、成本低和移动方便等优点，在穿刺中多以超声图像来引导。但是，目前临床用超声多为二维超声，二维图像缺少三维信息，穿刺过程中难以判断穿刺针与超声图像间的空间位置关系，导致操作准确性和稳定性不高、严重依赖医生经验等缺点。虽然市面上的穿刺架能够在一定程度上确定穿刺针和超声图像间的位置关系，但穿刺架将穿刺针置于二维超声成像平面内，造成穿刺角度受限，对一些复杂解剖部位难以实施穿刺。

针对以上问题，本发明提出一种二维可定位超声图像引导穿刺方法。该方法在临床二维超声基础上引入空间定位设备，如光学定位或电磁定位等，能够同时定位超声探头和穿刺针的空间位置，并计算穿刺针尖端在二维超声图像上的投影位置。穿刺引导过程中，在二维超声图像上叠加显示穿刺针尖端的投影位置，同时在三维空间中同时显示二维超声图像和穿刺针的空间位置关系。在引导系统中包含定位模块、超声图像采集模块、穿刺针投影位置生成模块以及二维三维显示模块。临床医生使用此引导系统时，除观察传统二维超声图像外，还能够立体直观地了解二维超声图像与穿刺针间的空间位置关系，方便控制穿刺过程，减少操作时间和患者痛苦。

发明内容

为了利用二维超声图像准确引导穿刺，同时直观显示超声图像与穿刺针间的空间位置关系，避免对患者造成额外伤害，本发明对二维超声引导穿刺进行深入研究，提出一种在三维空间中，利用二维可定位超声图像准确定位病灶，并引导穿刺的导航方法。

一种可定位超声引导穿刺方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：引入空间定位仪确定超声图像的空间位置；

步骤2：在穿刺针上安装第二定位传感器，确定穿刺针的空间位置及穿刺针长轴的直线方程；

步骤3：计算穿刺针长轴延长线与超声图像的交点；

步骤4：计算穿刺针尖端在超声图像上投影点的空间坐标

在超声图像坐标系下的图像坐标

步骤5：通过可视化的方法建立一个导航系统引导穿刺针到达目标位置。

空间定位仪包含一个坐标系传感器和若干个定位传感器，将第一定位传感器安装到二维超声探头上，步骤1所述的超声图像的空间位置

表示为下式：

其中，T_o←s1为空间定位仪与第一定位传感器间的变换矩阵，T_s1←i为第一定位传感器与超声图像间的空间变换矩阵，T_s1←i通过下式计算：

中，T_o←s1 ^-1是T_o←s1的逆矩阵，

是物体上点的空间坐标矩阵

的逆矩阵。

步骤2所述的穿刺针的空间位置

表示为下式：

其中，T_o←s2为空间定位仪与第二定位传感器间的变换矩阵，

为第二定位传感器的局部坐标系下该点的坐标，穿刺针包含一个尖端和一个长轴构成，穿刺针长轴的方向由穿刺针尖端点和长轴上其它某点确定，通过标定过程计算出穿刺针上某点在第二定位传感器的局部坐标系下的坐标，得到步骤2所述的穿刺针长轴的直线方程：

其中，(x₁,y₁,z₁)为穿刺针尖端点坐标，(x₂,y₂,z₂)为长轴上其它某点坐标。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：计算出交点的空间坐标；

步骤3.2：计算出交点在超声图像上的位置，即图像坐标

步骤3.1所述的交点的空间坐标由穿刺针长轴的参数方程计算得到，穿刺针长轴的参数方程表示为下式：

x＝x₁+v_x·t

y＝y₁+v_y·t

z＝z₁+v_z·t

其中，v_x＝x₂-x₁，v_y＝y₂-y₁，v_z＝z₂-z₁，t为未知参数，t表示为下式：

其中，超声图像左下角、右上角和右下角三个顶点经过变换后，形成空间三个坐标点，左下角和右下角顶点构成底边线，右上角和右下角顶点构成右边线，(n_x,n_y,n_z)为超声图像左上角顶点空间坐标点，(v_px,v_py,v_pz)为法线向量，法线向量表示为下式：

v_px＝v_by·v_ez-v_bz·v_ey

v_py＝v_bz·v_ex-v_bx·v_ez

v_pz＝v_bx·v_ey-v_by·v_ex

其中，(v_bx,v_by,v_bz)为底边线向量，(v_ex,v_ey,v_ez)为右边线向量。

步骤3.2所述的交点在超声图像上的位置，即图像坐标

由下式计算：

其中，

为空间定位仪与第一定位传感器间的变换矩阵T_o←s1的逆矩阵，

为第一定位传感器与超声图像间的空间变换矩阵T_s1←i的逆矩阵。

步骤4所述的穿刺针尖端在超声图像上投影点的空间坐标

由下式计算：

x_pro-x₁＝v_px·k

y_pro-y₁＝v_py·k

z_pro-z₁＝v_pz·k

其中，(v_px,v_py,v_pz)为穿刺针尖端点(x₁,y₁,z₁)与投影点(x_pro,y_pro,z_pro)形成的直线与超声图像平面的法向量，步骤4所述的在超声图像坐标系下的图像坐标

由下式计算：

其中，

为穿刺针尖端在超声图像上投影点的空间坐标。

步骤5所述的导航系统包括：超声图像采集模块、定位模块、配准模块、计算模块和显示模块。

本发明的有益效果在于：

(1)与使用超声探头穿刺架方法相比较，本发明不限制穿刺针与超声探头间的位置关系，能够适用于人体多种部位的穿刺。

(2)与使用二维超声图像引导穿刺方法比较，本发明基于空间定位技术，能够直观地在二维超声图像和三维可视化环境中同时显示出超声图像和穿刺针的空间位置关系，避免了：①超声图像与穿刺针间位置关系不明确；②人体组织内穿刺针断面在超声图像上显示不清晰；③超声图像平面与穿刺针长轴共面时穿刺操作的限制。

附图说明

图1 为 定位导航示意图。

图2为交叉点标定模型。

图3为空间定位仪的定位工具。

图4为交叉点的超声图像。

图5为安装有定位传感器的注射器。

图6为二维导航画面。

图7为三维导航画面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1中a代表坐标系传感器，b代表定位传感器1，c代表第一定位传感器的局部坐标系， d代表超声探头，e代表第二定位传感器，f代表定位传感器2的局部坐标系，g代表穿刺针， h代表图像坐标系，i代表投影点标记，j代表病灶，k代表交点标记，m代表空间坐标系。

本发明直接利用医院现有超声影像设备实时采集二维超声图像，引入空间定位技术定位超声探头，并计算出二维超声图像的空间位置，同时定位穿刺针的空间位置及方向，利用三维可视化软件在三维空间中同时显示超声图像及穿刺针的位置，计算穿刺针延长线在超声图像上的交点位置，引导医生将穿刺针对准病灶。各部分具体步骤说明如下：

1.超声图像的空间定位

本发明引入空间定位仪确定超声图像的空间位置。空间定位仪包含一个坐标系传感器和若干个定位传感器。坐标系传感器定义一个空间坐标系，它可以给出定位传感器在该空间坐标系下的位置和角度。超声图像定义一个图像坐标系，图像上任意一点均在图像坐标系下有唯一坐标。为了定位超声图像上某点

的空间位置，本发明将定位传感器1安装到二维超声探头上。由于空间定位仪可以给出定位传感器1的空间坐标，即空间定位仪与定位传感器 1间的变换矩阵T_o←s1已知。如果定位传感器1与超声图像间的空间变换矩阵T_s1←i已知，就可使用公式(1)推算出超声图像的空间位置

2.超声探头标定

超声探头标定是要获得定位传感器1与超声图像间的空间变换矩阵T_s1←i。具体标定方法是使用安装有定位传感器1的超声探头扫描空间中的物体，获得物体上若干点的图像坐标

再获得这些点的空间坐标

由于空间定位仪与定位传感器1间的变换矩阵T_o←s1已知，通过公式(2)推算出T_s1←i。其中，T_o←s1 ^-1是T_o←s1的逆矩阵，

是

的逆矩阵。由于需要建立方程组，因此，物体上的点的个数要大于等于3。

物体上点的空间坐标

是使用空间定位仪提供的定位工具获取的。该定位工具的尖端坐标可以直接由空间定位仪给出坐标值。因此，使用该定位工具尖端点触物体上某点，就可获取该点的空间坐标。

物体上点的图像坐标

是使用安装定位传感器1的超声探头扫描该点，获取超声图像，并在超声图像上手动或自动标识出物体上的点。由于超声图像本身构成图像坐标系，因此可计算出物体上点的图像坐标。

在完成超声探头标定后，就可获得定位传感器1与超声图像间的空间变换矩阵T_s1←i。以上标定过程中物体上的点在超声图像上的显示位置没有限制，也就是说超声图像上任意一点均满足公式(1)，那么利用公式(1)就可计算出超声图像上任一点的空间位置，也就是超声图像的空间位置。

3.穿刺针的空间定位

为确定穿刺针的空间位置，在穿刺针上安装定位传感器2。由于空间定位仪可以给出定位传感器2的空间坐标，即空间定位仪与定位传感器2间的变换矩阵T_o←s2已知。对于穿刺针上任意一点，如果知道定位传感器2的局部坐标系下该点的坐标

就可使用公式(3)推算出穿刺针上该点的空间位置

通常穿刺针包含一个尖端和一个长轴构成。因此，除了定位穿刺针尖端的空间位置，还需要知道穿刺针长轴的方向。长轴方向可由穿刺针尖端点和长轴上其它某点确定，即空间两点确定一条直线。设穿刺针尖端点坐标为(x₁,y₁,z₁)，长轴上其它某点坐标为(x₂,y₂,z₂)。那么穿刺针长轴上任意一点(x,y,z)的直线方程为：

4.穿刺针的标定

穿刺针安装定位传感器2后，需要通过标定过程计算出穿刺针上某点在定位传感器2的局部坐标系下的坐标。完成标定后，穿刺针上该点可使用公式(3)计算该点在空间坐标系中的坐标。具体标定方法是借助“2.超声探头标定”过程中采集物体上点的空间坐标的定位工具完成的。由于空间定位仪除提供空间坐标系下定位工具尖端的坐标外，还可提供以某一定位传感器定义的局部坐标系下定位工具尖端的坐标，因此通过空间定位仪的设置功能，将空间定位仪输出坐标值的坐标系改为定位传感器2定义的局部坐标系。此时，使用定位工具尖端点触穿刺针的尖端，记录定位工具尖端的坐标值。那么，该坐标值就是穿刺针尖端在定位传感器2的局部坐标系下的坐标，即为公式(3)中的

最后，将空间定位仪输出坐标值的坐标系改为空间坐标系，且定位传感器2与空间定位仪间的变换矩阵T_o←s2可由空间定位仪输出，那么利用公式(3)就可计算出穿刺针尖端的空间坐标。穿刺针长轴上另外一点的空间坐标也使用与尖端坐标相同的方法获得。

通过以上方法获得穿刺针尖端及长轴上另外一点各自的空间坐标，就可实时获得穿刺针尖端的空间坐标，并计算穿刺针长轴延长线与超声图像平面的交点坐标。

5.穿刺针长轴延长线与超声图像交点

穿刺针长轴延长线如果不与超声图像平面平行，那么将产生交点。该交点的计算步骤如下：

1)将“3.穿刺针的空间定位”中长轴直线方程写成参数方程形式，即有：

其中，v_x＝x₂-x₁，v_y＝y₂-y₁，v_z＝z₂-z₁，t为未知参数。

2)设超声图像左上角顶点经过公式(1)变换后，设其空间坐标点为(n_x,n_y,n_z)。超声图像左下角、右上角和右下角三个顶点经过公式(1)变换后，形成空间三个坐标点，左下角和右下角顶点构成底边线，右上角和右下角顶点构成右边线。设底边线向量为(v_bx,v_by,v_bz)，右边线向量为(v_ex,v_ey,v_ez)。那么空间中超声图像的地边线和右边线构成图像平面的法线向量，设法线向量为(v_px,v_py,v_pz)。则有：

那么，空间中超声图像平面的点法式方程为：

v_px·(x-n_x)+v_py·(y-n_y)+v_pz·(z-n_z)＝0 (6)

则公式(4)和(6)联立可得：

求解出t后代人公式(4)就可计算出交点的空间坐标

3)使用公式(8)计算出交点在超声图像上的位置，即图像坐标

其中，

和

分别是公式(1)中T_o←s1和T_s1←i的逆矩阵。

6.穿刺针尖端在超声图像的投影点

设穿刺针尖端在超声图像的投影点(x_pro,y_pro,z_pro)。由于投影点经过超声图像的平面，满足平面方程，因此代入公式(6)得：

v_px·(x_pro-n_x)+v_py·(y_pro-n_y)+v_pz·(z_pro-n_z)＝0 (9)

此外，穿刺针尖端点(x₁,y₁,z₁)与投影点(x_pro,y_pro,z_pro)形成的直线与超声图像平面的法向量(v_px,v_py,v_pz)平行，则有：

其中，k为未知参数。根据公式(9)和(10)可解得k，从而获得穿刺针尖端在超声图像的投影点(x_pro,y_pro,z_pro)。由于该坐标点是在空间坐标系下的坐标，因此，使用与交点同样的处理方法，借助公式(11)计算出投影点的空间坐标

在超声图像坐标系下的图像坐标

7.导航系统

由于在空间坐标系下，通过前面的方法能够获得二维超声图像和穿刺针的空间位置及方向，且可计算出穿刺针长轴延长线与超声图像平面的交点和尖端投影点，那么，可以通过可视化的方法建立一个导航系统引导穿刺针到达目标位置。该导航系统包括：

(1)超声图像采集模块：实时获取二维超声图像，并传输给显示模块。

(2)定位模块：与空间定位仪通信，实时提供定位传感器的空间位置信息。

(3)配准模块：通过本发明的方法获得定位传感器1与超声图像间的空间变换矩阵T_s1←i，以及定位传感器2坐标系下穿刺针上某点的坐标

(4)计算模块：计算穿刺针长轴延长线与超声图像的交点，穿刺针尖端到超声图像的投影点，以及交点和投影点之间的直线，穿刺针尖端到交点的距离等。

(5)显示模块：同时提供二维和三维图像引导显示。

二维引导是将超声图像采集到计算机中，并按照实际尺寸显示为二维图像，在其上面叠加绘制点

和点

的位置，以及它们的连线。其中在以点

为中心绘制一个的带颜色的图形(如绿色的正方形框)，表示沿穿刺针长轴方向刺入针尖会到达图像上的位置。以点

为中心绘制一个的带颜色的图形(如黄色的正方形框)，表示穿刺针尖端到超声图像平面的投影位置。在超声图像坐标系下绘制穿过点

和点

的一条直线，显示出穿刺针长轴在超声图像平面上的投影位置。

三维引导是将超声图像及穿刺针的空间位置关系进行三维可视化，以便让操作者了解超声图像与穿刺针的实际空间位置关系，操作者可在空间中任意角度使用穿刺针进行穿刺，在超声图像引导到完成操作。具体可视化方法为：在计算机中建立一个三维可视化环境，该可视化环境以空间定位仪定义的空间坐标系为基准，超声图像和穿刺针按他们在空间坐标系下的空间位置和方向显示在该可视化环境中。由于超声探头及穿刺针上分别安装有定位传感器，空间定位仪能够提供每个定位传感器的实时坐标，因此，超声探头及穿刺针的空间位置和方向也是实时计算出来的，并实现地更新三维可视化环境中的位置。将二维引导中的超声图像以及叠加显示的信息实时地显示在三维可视化环境中，其空间位置及方向使用公式(1)计算出在可视化环境中的对应位置。将穿刺针的三维尺寸进行测量，并按照实际尺寸建立三维模型，且按照公式(3)计算出在可视化环境中的对应位置。

利用空间两点间距离公式实时计算穿刺针尖端点(x₁,y₁,z₁)与点

之间的距离。当该距离小于某一阈值(如3mm)，在二维和三维环境中同时将超声图像上的以点

为中心的绿色的正方形框改为红色，提示穿刺针尖端已经到达超声图像上某一区域附近，可以进行穿刺或注射操作。

通过同时在二维及三维环境中给出图像的引导，可视化超声图像与穿刺针之间的位置关系，就可指引操作者准确地将穿刺针送达超声图像显示的病灶区域。

本发明利用医院常用超声，对穿刺或注射等过程中超声图像及穿刺针进行空间定位，实时显示出二者之间的空间位置关系，引导医生完成操作。具体实施方法如下：

1.配置环境

硬件需求：普通计算机、图像采集卡、超声扫描仪和空间定位仪；

软件需求：Windows、可视化工具包、VS2008或其他开发工具。

2.数据准备

使用图像采集卡实时获取超声扫描仪输出的超声图像，并传入到计算机中。使用VTK或其他三维建模软件建立坐标系传感器、超声探头及穿刺针等需要的三维模型。

3.超声探头标定

使用空间定位仪的一个定位传感器(定位传感器1)安装到超声探头上，安装位置以不妨碍探头使用为原则。

制作一个含有6个交叉点的标定模型(图2)。要求6个交叉点共面。6个交叉点的空间坐标是使用空间定位仪提供的定位工具(图3)获取的。6个交叉点的图像坐标是使用安装定位传感器1的超声探头扫描这6个点，通过手动调节使6个点均能清晰地显示在超声图像上 (图4)。获取超声图像，并在超声图像上手动或自动标识出6个交叉点。在图像坐标系上计算出每个点的图像坐标。最后通过公式(1)推算出T_s1←i。

4.穿刺针标定

这里以注射器为例，在注射器上安装定位传感器2(图5)。设置空间定位仪输出坐标值的坐标系改为定位传感器2定义的局部坐标系。此时，使用定位工具尖端点触注射器的尖端，记录定位工具尖端的坐标值。该坐标值就是注射器尖端在定位传感器2的局部坐标系下的坐标。然后，将空间定位仪输出坐标值的坐标系改为空间坐标系，且定位传感器2与空间定位仪间的变换矩阵T_o←s2可由空间定位仪输出，利用公式(3)计算出注射器尖端的空间坐标。另选注射器长轴上另外一点，这一点的空间坐标也使用注射器尖端相同的方法获得。

5.导航

用本发明编写的程序实时获取超声图像，并使用本发明的方法计算注射器长轴延长线与二维超声图像平面的交点，注射器尖端在二维超声图像平面的投影点，以及两个点直接的连线，并在二维超声图像上叠加显示这些信息(图6)。

建立一个三维可视化环境，读入坐标系传感器和注射器等模型文件，并使用不同颜色渲染，并显示在三维可视化环境中(图7)。编写程序将超声图像实时地显示在三维空间中，同时显示叠加信息，并以空间坐标系下超声图像和注射器的空间位置上实时地显示注射器、超声图像模型等。

Claims (1)

1.一种可定位超声引导穿刺系统，其特征在于：包括预标定的穿刺针、超声图像采集模块、定位模块、配准模块和显示模块；所述的超声图像采集模块包括预标定的超声探头，在预标定的超声探头上安装有第一定位传感器，预标定的超声探头获取目标位置所在区域的二维超声图像并传输给定位模块和显示模块；所述的预标定的穿刺针上安装有第二定位传感器；所述的定位模块包括空间定位仪，空间定位仪获取超声图像中左上角顶点的空间坐标(n_x,n_y,n_z)、左下角顶点的空间坐标和右下角顶点的空间坐标，并传输给配准模块和显示模块；所述的配准模块计算预标定的穿刺针尖端在超声图像中投影点的空间坐标

及在超声图像中的坐标

并传输给显示模块；所述的显示模块提供穿刺针与目标位置的二维超声图像和三维空间图像的引导显示；

所述的预标定的超声探头的标定方法为：

步骤1.1：使用安装有第一定位传感器的超声探头扫描空间中的物体，得到物体的二维超声图像；

步骤1.2：在物体的二维超声图像上标识出物体上至少三个点，根据二维超声图像本身构成的图像坐标系，获取物体上各标识点的在二维超声图像中的坐标

步骤1.3：使用空间定位仪的定位工具尖端点触物体上各标识点，获取各标识点的空间坐标

步骤1.4：建立方程组，计算第一定位传感器与超声图像间的空间变换矩阵T_s1←i，完成超声探头的标定；

其中，T_o←s1 ^-1是T_o←s1的逆矩阵，T_o←s1为已知的空间定位仪与第一定位传感器间的变换矩阵；

是

的逆矩阵；

所述的预标定的穿刺针标定方法为：

步骤2.1：将空间定位仪输出坐标值的坐标系改为第二定位传感器定义的局部坐标系；使用空间定位仪的定位工具尖端点触穿刺针的尖端，记录空间定位仪的定位工具尖端在第二定位传感器的局部坐标系下的坐标

根据已知的空间定位仪与第二定位传感器间的变换矩阵T_o←s2，计算得到穿刺针尖端的空间坐标

步骤2.2：使用空间定位仪的定位工具尖端点触穿刺针长轴上除尖端外某一点，记录空间定位仪的定位工具尖端在第二定位传感器的局部坐标系下的坐标，并根据空间定位仪与第二定位传感器间的变换矩阵T_o←s2，计算得到穿刺针长轴上除尖端外某一点的空间坐标(x₂,y₂,z₂)；

步骤2.3：获取穿刺针长轴上任意一点(x,y,z)的直线方程，完成穿刺针的标定；

所述的配准模块计算预标定的穿刺针尖端在超声图像中投影点的空间坐标

及在超声图像中的坐标

的方法具体为：

步骤3.1：根据空间定位仪获取到的超声图像中左上角顶点的空间坐标(n_x,n_y,n_z)、左下角顶点的空间坐标和右下角顶点的空间坐标，令左下角顶点和右下角顶点构成底边线，底边线向量为(v_bx,v_by,v_bz)；令右上角顶点和右下角顶点构成右边线，右边线向量为(v_ex,v_ey,v_ez)；

步骤3.2：计算预标定的穿刺针长轴延长线与目标位置所在区域的二维超声图像的交点的空间坐标

x_cross＝x₁+v_x·t

y_cross＝y₁+v_y·t

z_cross＝z₁+v_z·t

v_x＝x₂-x₁

v_y＝y₂-y₁

v_z＝z₂-z₁

v_px＝v_by·v_ez-v_bz·v_ey

v_py＝v_bz·v_ex-v_bx·v_ez

v_pz＝v_bx·v_ey-v_by·v_ex

步骤3.3：预标定的穿刺针长轴延长线与目标位置所在区域的二维超声图像的交点在二维超声图像上的坐标

步骤3.4：计算预标定的穿刺针尖端在目标位置所在区域的二维超声图像的投影点的空间坐标

x_pro-x₁＝v_px·k

y_pro-y₁＝v_py·k

z_pro-z₁＝v_pz·k

步骤3.5：计算预标定的穿刺针尖端在目标位置所在区域的二维超声图像的投影点在二维超声图像上的坐标

Images