CN109907825B - 混合现实引导的近距离粒子手术植入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合现实引导的近距离粒子手术植入系统，包括近距离粒子植入手术规划系统模块、定位引导模块、远程通信模块、混合现实显示模块和混合现实交互模块；近距离粒子植入手术规划系统模块具有读取CT图功能、提取皮肤功能、勾画靶区功能、剂量规划功能、数据库导出功能和术后验证功能；定位引导模块具有获取位置功能和远程调用功能；远程通信模块具有传输数据功能、传输位姿功能、误差校准功能和配准功能；混合现实显示模块具有SLAM功能、双目渲染功能、定位功能和主界面UI；混合现实交互模块具有语音识别功能、手势识别功能和按键识别功能。本发明结构简洁，高效，易于维护，可作为放疗粒子植入设备的辅助手术系统。

Description

混合现实引导的近距离粒子手术植入系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，属于机械、计算机与医学放疗领域交叉的前沿学科，更具体的说，是涉及一种混合现实引导的近距离粒子手术植入系统。

背景技术

随着现代人癌症发病率越来越高，现阶段肿瘤的治疗中，放射治疗普及程度越来越高。放疗过程是通过各种高能射线，对肿瘤病变组织进行照射，以达到抑制癌细胞的目的。放射治疗肿瘤可以被划分为远距离放疗和近距离放疗。近距离放疗是通过放置放射性粒子，使其靠近肿瘤部位来杀伤肿瘤细胞，代表的治疗方式主要有¹²⁵I粒子植入式治疗与¹⁹²Ir后装治疗。近年来，近距离粒子局部微创消融放疗在恶性肿瘤综合治疗中的地位愈发显得重要，具有微创性、出血小、对病人伤害小等特点。近距离放射治疗异军突起，在放射治疗领域成为引人注目的治疗方法，取得较好的临床疗效。

作为一种近距离放疗治疗手段，放射性¹²⁵I粒子植入被越来越多应用到临床治疗并取得非常好的疗效。相较于传统的远距离照射治疗，粒子植入式的放射治疗具有许多优点：1.粒子被精确植入肿瘤内部，能够精确的杀灭癌细胞的同时，配合精确的术前规划，能够减少了对周围正常组织的放射性损伤，不会造成永久性伤害。2.由于粒子被永久性植入肿瘤组织，因此其照射剂量相对固定，患者移动时并不会影响其他器官，对肿瘤组织可造成持续性伤害，疗效也更加明显，不会对患者的日常生活产生影响，使患者生活质量有极大的提高，对癌细胞杀伤效果也比较好。

通过研究表明的情况，粒子的精确到达植入靶区位置至关重要，其关系到肿瘤靶区的剂量分布和对正常器官的影响性，直接关系到放疗疗效，而粒子植入的位置往往难以判定，需要在手术时对其进行额外引导。通常的体外引导方式包括定位仪追踪引导和三维成型模板引导。本发明的特点在于提出了一套适用于近距离粒子植入的混合现实手术引导系统，是对定位仪引导近距离粒子植入手术的拓展，能够达到实现精准引导术中穿刺针和粒子的目的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种混合现实引导的近距离粒子手术植入系统，实现精准、高效的引导术中针和粒子，在病人身上准确的显示CT图和靶区。该系统具有使用的简便性，配合TPS系统进行剂量规划，能够快速的将手术规划导入系统中，配合混合现实设备，使得穿刺针、粒子、靶区、皮肤骨骼和CT图能够准确的叠加在真实病人身上，减少针和粒子植入误差，达到高精度引导穿刺手术的目的，减少病人痛苦。该结构简洁，高效，易于维护，可作为放疗粒子植入设备的辅助手术系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明混合现实引导的近距离粒子手术植入系统，包括近距离粒子植入手术规划系统模块、定位引导模块、远程通信模块、混合现实显示模块和混合现实交互模块；

所述近距离粒子植入手术规划系统模块用于对病人图像数据进行图像处理和手术规划，具有读取CT图功能、提取皮肤功能、勾画靶区功能、剂量规划功能、数据库导出功能和术后验证功能；其中，所述读取CT图功能实现对病人图像和信息的读取及显示，读取CT、核磁、超声的DICOM格式图像，并自动获取图像中包含的信息，将信息显示出来；配合近距离粒子植入规划剂量软件，加载规划数据并显示针及粒子的信息；显示三维立体和对应的矢状面，冠状面，横断面；并单张DICOM图像进行放大、缩小、平移、翻转、还原操作，使用者通过浏览图像会对病人病情有直观的了解；所述提取皮肤功能和勾画靶区功能实现对图像进行处理，重建出三维立体模型，显示皮肤、骨骼、重要器官和靶区，使用户能直观地观察器官形状以及器官间的相对位置关系，方便规划导向通道时避开重要组织；所述剂量规划功能是在粒子手术之前，基于获取到的病人CT图像进行放射性粒子剂量规划，通过合理的粒子分布使得放射剂量有效地覆盖靶区，并生成剂量规划报告，为医生准备实施手术提供指导；所述数据库导出功能使医生在剂量规划后，将所有规划信息保存至数据库；所述术后验证功能使医生对手术效果进行验证；

所述定位引导模块是维持混合现实渲染自身姿态稳定性的基本模块，具有获取位置功能和远程调用功能；其中，所述获取位置功能用于获取定位装置传输位移和姿态的模块，间隔一定时间获取一次定位仪参数并且对其进行解码，从而获取其四个端口接收器的位姿，进而分别计算各自的位姿，配合配准算法获得穿刺针的实际位姿；所述远程调用功能用于实现对混合现实设备的调控，方便医生进行位置姿态估计；

所述远程通信模块用于将所需数据加载至混合现实系统中，具有传输数据功能、传输位姿功能、误差校准功能和配准功能；其中，所述传输数据功能通过加载上一步近距离粒子植入剂量规划软件的数据库，加载所有的CT图像，使得混合现实设备与计算机通过无线远程连接，进行数据库的远程传输和加载；所述传输位姿功能用于远程将定位仪的端口位置数据传输至混合现实设备中；所述误差校准功能和配准功能实现高精度的校准；

所述混合现实显示模块是在混合现实设备中进行显示渲染的模块，具有SLAM功能、双目渲染功能、定位功能和主界面UI；其中，所述SLAM功能用于确定混合现实系统的空间位姿；所述双目渲染功能主要是通过双目视觉算法，将三维物体进行双目渲染；所述定位功能通过之前的一系列配准算法，将穿刺针、CT图像叠加在人体模型上，通过主界面UI一系列按钮对显示系统加以控制，从而达到引导手术的目的；

所述混合现实交互模块是人与虚拟物体进行交互的模块，具有语音识别功能、手势识别功能和按键识别功能；其中，所述语音识别功能用于将人发出的语音指令进行转化、识别，从而执行系统中的一系列命令；所述手势识别功能用于识别人的手势变化，包括两个手势，张开手势代表回到主菜单，空中单击手势代表单击一次按钮；所述按键识别功能通过远程调用，使得计算机控制混合现实系统交互的功能。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明流程新颖、便捷，技术上易于实现，方便使用者进行使用、操作。本发明设计的混合现实近距离粒子植入引导系统能够对放射治疗起到较好的辅助作用，能够定位导向通道、术前计划、皮肤骨骼、靶区等，进行精准穿刺的功能。本发明能够拓宽近距离治疗应用范围，提高近距离治疗的治疗效果。可以精确的将术前计划与真实病人完美叠加，达到精准引导近距离粒子植入手术的效果。相较于传统医生凭借经验进行手术，本发明最重要的特性在于迅速的剂量规划、快速的加载规划、精确的引导手术；和传统利用三维导板引导手术相比，本发明能够减少打印模板的时间，精度较之前更高，以减少病人等待手术的时间，降低病人的痛苦，防止病情恶化。具有一定的社会意义，手术示意图如图5所示，混合现实设备如图6所示。

附图说明

图1是本发明混合现实引导的近距离粒子手术植入系统组成示意图；

图2是近距离粒子植入剂量规划软件示意图；

图3是混合现实电脑配套软件示意图；

图4是混合现实引导近距离粒子植入主界面图；

图5是混合现实引导近距离粒子植入示意图；

图6是混合现实设备示意图。

附图标记：1主功能区，2二维显示窗口，3三维显示窗口，4定位仪控制区，5三维配准模块，6穿刺针追踪，7 CT图像叠加显示，8剂量规划叠加。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明混合现实引导的近距离粒子手术植入系统共包含五个模块，其一，近距离粒子植入手术规划系统模块；其二，定位引导模块；其三，远程通信模块；其四，混合现实显示模块；其五，混合现实交互模块。

所述近距离粒子植入手术规划系统模块能够对病人图像数据进行图像处理和手术规划，具有读取CT图功能、提取皮肤功能、勾画靶区功能、剂量规划功能、数据库导出功能和术后验证功能。其中，所述读取CT图功能可以实现对病人图像和信息的读取及显示，能够读取CT、核磁、超声等DICOM格式的图像，并能自动获取图像中包含的信息，将信息显示出来。配合近距离粒子植入规划剂量软件，能加载规划数据并显示针及粒子的信息；可以显示三维立体和对应的矢状面，冠状面，横断面。并可以对单张DICOM图像进行放大、缩小、平移、翻转、还原等操作，使用者通过浏览图像会对病人病情有直观的了解。所述提取皮肤功能和勾画靶区功能可以对图像进行处理，重建出三维立体模型，显示皮肤、骨骼、重要器官和靶区，使用户能直观地观察器官形状以及器官间的相对位置关系，方便规划导向通道时避开重要组织。本模块中最主要的组成部分是剂量规划功能，术前剂量规划是在粒子手术之前，基于获取到的病人CT图像进行放射性粒子剂量规划。通过合理的粒子分布使得放射剂量有效地覆盖靶区，并生成剂量规划报告，为医生准备实施手术提供指导。所述数据库导出功能能够使医生在剂量规划后，将所有规划信息保存至数据库，方便后续操作。所述术后验证功能能够使医生对手术效果进行验证。如图2所示。

所述定位引导模块是维持混合现实渲染自身姿态稳定性的基本模块，具有获取位置功能和远程调用功能。其中，所述获取位置功能，通过程序获取定位装置传输位移和姿态的模块，间隔一定时间获取一次定位仪参数并且对其进行解码，从而获取其四个端口接收器的位姿，进而分别计算各自的位姿，配合配准算法可以获得穿刺针的实际位姿。所述远程调用功能能够实现对混合现实设备的调控，方便医生进行位置姿态估计。

所述远程通信模块能够将所需数据加载至混合现实系统中，具有传输数据功能、传输位姿功能、误差校准功能和配准功能。其中，所述传输数据功能通过加载上一步近距离粒子植入剂量规划软件的数据库，加载所有的CT图像，使得混合现实设备能够与计算机通过无线远程连接，进行数据库的远程传输和加载。所述传输位姿功能能够远程将定位仪的端口位置数据传输至混合现实设备中。所述误差校准功能和配准功能能够实现高精度的校准。如图3所示。

所述混合现实显示模块是在混合现实设备中进行显示渲染的模块，具有SLAM功能、双目渲染功能、定位功能和主界面UI。其中，所述SLAM功能用于确定混合现实系统的空间位姿。所述双目渲染功能主要是通过双目视觉算法，将三维物体进行双目渲染。所述定位功能通过之前的一系列配准算法，能够将穿刺针、CT图像等准确的叠加在人体模型上，通过主界面UI一系列按钮能够对显示系统加以控制，从而达到引导手术的目的。如图4所示。

所述混合现实交互模块是人与虚拟物体进行交互的模块，具有语音识别功能、手势识别功能和按键识别功能。其中，所述语音识别功能能够将人发出的语音指令进行转化、识别，从而执行系统中的一系列命令。所述手势识别功能能够识别人的手势变化，包括两个手势，张开手势代表回到主菜单，空中单击手势代表单击一次按钮。所述按键识别功能通过远程调用，使得计算机控制混合现实系统交互的功能。

以下对混合现实引导的近距离粒子手术植入系统工作方式进行说明。

在辅助术前规划系统中选择要打开的CT图文件夹，软件会读取一系列图像并显示在浏览区域。此时可以在界面下方手动调节窗宽窗位、手动进行图像序列的调整。此时在重建模块可以对病人的CT图提取皮肤和骨骼、手动勾画靶区和重要器官，在术前规划模块可以添加空间针和粒子，实时显示出剂量球和DVH曲线，本模块还包括术中优化和术后验证两部分，能够对手术后的状况进行评估。

在混合现实系统配套辅助PC系统中，软件可以实时的获取空间定位装置四个端口的位姿，计算每个接收器的旋转矩阵，实时评估当前环境质量。配合标定和配准模块，准确的将定位装置映射到混合现实设备中，通过加载数据库，获取辅助术前规划系统的术前规划，包括计划穿刺针和粒子，加载后远程传输至混合现实设备中。然后利用精配准进行精确的配准。

在混合现实系统中，首先系统会自动进行初始化操作，扫描整个空间并三维重建和对全场景进行定位，从而完成对混合现实设备的定位操作。初始化结束后使用WIFI与PC端程序进行连接，然后进行加载CT图、术前规划等，获取配准的数据并使计划与真实病人完美叠加一起，通过自定义的协议对定位仪装置的位姿进行编码-传输-解码操作，能够实时动态的显示穿刺针的位姿，并于医生手持穿刺针重叠一起，达到精确引导手术的效果，在程序内部有一系列自定义的语音指令，能够控制CT图的显示、计划的显示、上下张的切换等操作。通过张开-轻按手势识别，能够对主界面按钮进行控制。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，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，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种混合现实引导的近距离粒子手术植入系统，其特征在于，包括近距离粒子植入手术规划系统模块、定位引导模块、远程通信模块、混合现实显示模块和混合现实交互模块；

所述近距离粒子植入手术规划系统模块用于对病人图像数据进行图像处理和手术规划，具有读取医学图像功能、提取皮肤功能、勾画靶区功能、剂量规划功能、数据库导出功能和术后验证功能；其中，所述读取医学图像功能实现对病人图像和信息的读取及显示，读取CT、核磁、超声的DICOM格式图像，并自动获取图像中包含的信息，将信息显示出来；配合近距离粒子植入规划剂量软件，加载规划数据并显示针及粒子的信息；显示三维的CT、核磁、超声的医学图像和对应的矢状面，冠状面，横断面；对单张DICOM图像进行放大、缩小、平移、翻转、还原操作，使用者通过浏览图像会对病人病情有直观的了解；所述提取皮肤功能和勾画靶区功能实现对图像进行处理，重建出三维立体模型，显示皮肤、骨骼、重要器官和靶区，使用户能直观地观察器官形状以及器官间的相对位置关系，方便规划导向通道时避开重要组织；所述剂量规划功能是在粒子手术之前，基于获取到的病人医学图像进行放射性粒子剂量规划，通过合理的粒子分布使得放射剂量有效地覆盖靶区，并生成剂量规划报告，为医生准备实施手术提供指导；所述数据库导出功能使医生在剂量规划后，将所有规划信息保存至数据库；所述术后验证功能使医生对手术效果进行验证；

所述定位引导模块是维持混合现实渲染自身姿态稳定性的基本模块，具有获取位置功能和远程调用功能；其中，所述获取位置功能用于获取定位装置的传输位移和姿态，间隔一定时间获取一次定位仪参数并且对其进行解码，从而获取电磁定位仪的四个端口接收器的位姿，进而分别计算各自的位姿，配合配准算法获得穿刺针的实际位姿；所述远程调用功能用于实现对混合现实设备的调控，方便医生进行位置姿态估计；

所述远程通信模块用于将所需数据加载至混合现实系统中，具有传输数据功能、传输位姿功能、误差校准功能和配准功能；其中，所述传输数据功能通过加载上一步近距离粒子植入剂量规划软件的数据库，加载所有的医学图像，使得混合现实设备与计算机通过无线远程连接，进行数据库的远程传输和加载；所述传输位姿功能用于远程将定位仪的端口位置数据传输至混合现实设备中；所述误差校准功能和配准功能实现高精度的校准；

所述混合现实显示模块是在混合现实设备中进行显示渲染的模块，具有SLAM功能、双目渲染功能、定位功能和主界面UI；其中，所述SLAM功能用于确定混合现实系统的空间位姿；所述双目渲染功能主要是通过双目视觉算法，将三维物体进行双目渲染；所述定位功能通过配准算法，将穿刺针、医学图像叠加在人体模型上，通过主界面UI上面的按钮对显示系统加以控制，从而达到引导手术的目的；

所述混合现实交互模块是人与虚拟物体进行交互的模块，具有语音识别功能、手势识别功能和按键识别功能；其中，所述语音识别功能用于将人发出的语音指令进行转化、识别，从而执行系统中的一系列命令；所述手势识别功能用于识别人的手势变化，包括两个手势，张开手势代表回到主菜单，空中单击手势代表单击一次按钮；所述按键识别功能通过远程调用，使得计算机控制混合现实系统交互的功能。

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