CN110141360A - 数字技术导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了数字技术导航方法，包括以下步骤：三维虚拟图像生成装置接受病人身体数据进行三维重建以得到虚拟模型；空间定位装置对设于病人身体上的识别特征进行识别，生成空间数据；空间数据处理终端接受空间数据，进行三维空间坐标的计算标定；光学式头戴显示器接受三维空间的坐标数据和虚拟模型后，通过增强现实技术将虚拟模型与病人身体部位融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。本发明利用图像模型数据，可以帮助医生选择最佳手术路径、提高定位精度，减小手术损伤、减少对临近组织损害，从而提高手术的成功率。

Description

数字技术导航方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，更确切地说是基于数字技术的导航系统。
背景技术
医疗健康这个行业中，传统设备的简陋、资源的匮乏、医疗水平地域性差距、专业人才的欠缺等都是造成目前困顿的局面，也是促进新技术应用的双面盾。
传统手术中导航与术中监护、介入治疗是在手术过程中进行荧光透视法、超声、MRI下，在图像的引导下进行定位。
这导致了治疗过程完全依赖于医师的经验与技巧，造成了手术效果的不稳定性。同时，由于荧光透视法和MRI等技术，依赖或部分依赖于X射线照射，图像引导的过程中产生大量放射，对医师与病患均会造成不同程度的二次伤害。
发明内容
本发明的目的是提供数字技术的导航系统，其可以解决现有技术中的上述缺点。
本发明采用以下技术方案：
数字技术导航系统，包括以下步骤：
1)三维虚拟图像生成装置接受病人身体数据进行三维重建以得到虚拟模型；
2)空间定位装置对设于病人身体上的识别特征进行识别，生成空间数据；
3)空间数据处理终端接受所述空间数据和虚拟模型，进行三维空间坐标的计算标定，生成三维空间的坐标数据；
4)光学式头戴显示器接受所述三维空间的坐标数据和所述虚拟模型后，通过增强现实技术将所述虚拟模型与所述病人身体数据融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。
空间定位装置对识别特征进行识别的包括红外线空间定位步骤，其包括：
①在病人体表放置红外标记物以设置标记点；
②获取病人体表的所述标记点的位置；
③获取所述标记点的位置信息；
④确定所述标记点的位置偏差；
⑤病人的位置进行校准；
⑥实时进行病人位置信息的获取；
⑦通过所述位置信息生成红外空间数据。
空间定位装置对识别特征进行识别的包括X射线空间定位步骤，其包括：
①将手术床移至适当的位置；
②设置成像的参数；
③进行图像拍摄；
④进行图像处理；
⑤判断图像质量是否满意，若满意则保存，不满意则重新设置成像参数；
⑥将生成的两张图像进行处理比对，然后生成X射线空间数据。
空间定位装置还包括一手术导航图像识别装置，其将红外线空间数据和所述X线空间数据进行处理组合。
一种手术导航系统，包括：
一三维虚拟图像生成装置，其用于将病人的病症数据转换成虚拟模型
一空间定位装置，其用于进行空间定位，并将该空间定位生成空间坐标数据；
一数据处理终端，数据处理终端分别与三维虚拟图像生成装置和空间定位装置连接，其用于接收三维虚拟图像生成装置的虚拟模型和空间定位装置的空间坐标数据，将进行三维空间坐标的计算标定生成三维空间的坐标数据；
一光学式头带显示器，光学式头带显示器与数据处理终端连接，其用于接收三维空间的坐标数据和虚拟模型后，通过增强现实技术将虚拟模型与病人身体数据融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。
空间定位装置包括红外线空间定位装置、X射线空间定位装置和手术导航图像识别装置。
红外线空间定位装置包括红外探测器，X射线空间定位装置包括X射线球管，红外探测器设于手术床的前方，X射线球管为两个且分别位于所述手术床的后部两侧位置，且所述手术床前部的两侧还分别设有一非晶硅成像面板，所述非晶硅成像面板接收处于对角的X射线球管的X射线。
所述手术床的两侧分别设有运动导轨，所述两个X射线球管分别固定于手术床两侧的运动导轨上。
所述红外探测器包括热释电传感器，热释电传感器连接一放大滤波电路，且所述放大滤波电路连接一电压比较器，所述电压比较器连接一驱动电路，通过所述驱动电路进行信号输出。
所述手术导航图像识别装置包括滤波电路、A/D和D/A转换电路、调制解调电路、编解码器、存储器、中央处理器、显示屏、3D光学组件及驱动电路，所述滤波电路连接到所述A/D和D/A转换电路，所述A/D和D/A转换电路连接到所述调制解调电路，所述调制解调电路连接到编解码器，所述编解码器连接到所述中央处理器，所述中央处理器分别与所述存储器和所述显示屏连接，所述显示屏连接到3D光学组件，所述3D光学组件连接到所述驱动电路；所述驱动电路包括光阀驱动控制电路和光阀驱动电路，光阀驱动控制电路包括一FPGA，且所述光阀驱动电路包括若干驱动子模块，所述显示屏为液晶显示屏，所述驱动子模块与液晶显示屏中的液晶光阀一一对应，且任意一驱动子模块单独驱动各自对应的液晶光阀。
本发明的优点是：通过手术精准辅助平台的手术导航无须在介入环境下，将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配，通过计算机增强现实技术(AR)使得医生看到的图像既有实际图像，又有叠加了的三维图形。同时通过实时精准定位技术引导医生按照手术前模拟制定的手术方案，包括手术过程，进刀的部位，角度等来完成手术。本发明利用图像模型数据，可以帮助医生选择最佳手术路径、提高定位精度，减小手术损伤、减少对临近组织损害，从而提高手术的成功率。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是本发明的系统框图。
图3是本发明的空间定位装置的结构示意图。
图4是本发明的红外探测器的电路模块图。
图5是图4中的电路图。
图6是本发明的手术导航图像识别装置的电路图。
图7是图6中的驱动电路的电路图。
图8是图7中的半桥驱动器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方式：
图1示出了根据本发明的实施例的数字技术导航系统，其包括以下步骤：
S100，三维虚拟图像生成装置接受病人身体数据进行三维重建以得到虚拟模型；
S200，空间定位装置对设于病人身体上的识别特征进行识别，生成空间数据；
S300，空间数据处理终端接受空间数据，进行三维空间坐标的计算标定；
S400，所述光学式头戴显示器接受三维空间的坐标数据和虚拟模型后，通过增强现实技术将虚拟模型与病人身体部位融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。
空间定位装置对识别特征进行识别的包括红外线空间定位步骤，其包括：
①在病人体表放置红外标记物以设置标记点；
②获取病人体表的所述标记点的位置；
③获取所述标记点的位置信息；
④确定所述标记点的位置偏差；
⑤病人的位置进行校准；
⑥实时进行病人位置信息的获取；
⑦通过所述位置信息生成红外空间数据。
空间定位装置对识别特征进行识别的包括X射线空间定位步骤，其包括：
①将手术床移至适当的位置；
②设置成像的参数；
③进行图像拍摄；
④进行图像处理；
⑤判断图像质量是否满意，若满意则保存，不满意则重新设置成像参数；
⑥将生成的两张图像进行处理比对，然后生成X射线空间数据。
空间定位装置还包括一手术导航图像识别装置，其将红外线空间数据和所述X射线空间数据进行处理组合。
如图2所示，本发明还公开了一种手术导航系统，包括：
一三维虚拟图像生成装置100，其用于将病人的病症数据转换成虚拟模型
一空间定位装置200，其用于进行空间定位，并将该空间定位生成空间坐标数据；
一数据处理终端300，数据处理终端分别与三维虚拟图像生成装置和空间定位装置连接，其用于接收三维虚拟图像生成装置的虚拟模型和空间定位装置的空间坐标数据，将进行三维空间坐标的计算标定生成三维空间的坐标数据；
一光学式头带显示器400，光学式头带显示器与数据处理终端连接，其用于接收三维空间的坐标数据和虚拟模型后，通过增强现实技术将虚拟模型与病人身体数据融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。
空间定位装置包括红外线空间定位装置、X射线空间定位装置和手术导航图像识别装置。
红外线空间定位装置包括红外探测器1，X射线空间定位装置包括X射线球管4、5，红外探测器1设于手术床3的前方，X射线球管4、5为两个且分别位于所述手术床3的后部两侧位置，且所述手术床3前部的两侧还分别设有一非晶硅成像面板2、6，所述非晶硅成像面板2接收处于对角的X射线球管5 的X射线，另一非晶硅成像面板6接收处于对角的X射线球管4的X射线。
所述手术床3的两侧分别设有运动导轨，所述两个X射线球管4、5分别固定于手术床两侧的运动导轨上。
本发明中的双X射线图像可以进行实时的采集，且采集图像的时间短，基于红钻戒的定位跟踪系统能够自动实时的对放置在病人体表的红外标记点进行位置的检测追踪，为病人的摆放定位和体位检测提供精确的参考，X射线系统和红外系统的结合能够对运动靶区的实时动态跟踪。
如图3、4所示，所述红外探测器包括热释电传感器，热释电传感器连接一放大滤波电路，且所述放大滤波电路连接一电压比较器，所述电压比较器连接一驱动电路，通过所述驱动电路进行信号输出。一温度补偿电路与所述放大滤波电路连接。一基准电压源与所述电压比较器连接。热释电传感器包括IC，且所述IC为人体热释电红外传感器，其型号为P2288。所述的IC外侧设有一透镜，且所述透镜为菲涅尔透镜。，A1、A2、A3、A4选用μA741型集成运算放大器，D1、D2、D3均选用4148型二极管，BG1选用9013型晶体三极管，LED选用发光二极管，电源电压15V，热释电传感器感应到人体辐射的红外线信号的变化并将其转变为电压信号，进而送入后续放大电路进行放大。由于PIR检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱，在电路图中设置有A1、A2两级放大电路，且A1、A2也为高低通滤波放大电路，以滤除电路中的杂波成份，避免干扰，另外电路中设置诸多旁路电容亦是为了抑制干扰，避免误动作。为了能使后续电路对人体进入检测区后及时做出反应，在电路图中设置有一上、下限比较电路。当人体红外线未被检测到时，由于放大电路输出的电平比A3的6脚电平低，而比A4的2脚电平高，因此A3、A4输出皆为低电平，D1与D2均截止，电路与后续电路断开。当人体红外线被检测到时，若信号位于负半周，上、下限比较器输出电平恰相等，即7脚输出低电平，1脚输出高电平，D1截止，D2导通；若信号位于正半周，3脚电平高于2脚所加电平3.26V，比较电压下限比较器由1脚输出低电平，D2截止，而6脚电平低于5脚电平，上限比较器输出高电平，D1导通；D1或D2导通后输出的高电平使后续电路的三极管饱和导通，从而控制驱动电路工作。
本发明能够实现治疗过程X射线图像的实时采集，且采集图像的时间较短：基于红外的定位跟踪系统能够自动实叫的对放置在病人体表的红外标记点进行位置检测追踪，为病人摆位定位和体位监测提供精确的参考，X射线系统和红外系统的结合能够实现对靶区的时时追踪。
如图6、7、8所示，所述手术导航图像识别装置包括滤波电路12、A/D 和D/A转换电路13、调制解调电路14、编解码器15、存储器16、中央处理器 17、显示屏19、3D光学组件20及驱动电路21，所述滤波电路12连接到所述 A/D和D/A转换电路13，所述A/D和D/A转换电路13连接到所述调制解调电路 14，所述调制解调电路14连接到编解码器15，所述编解码器15连接到所述中央处理器17，所述中央处理器17分别与所述存储器16和所述显示屏19连接，所述显示屏19连接到3D光学组件20，所述3D光学组件20连接到所述驱动电路21。
存储器16为SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器，同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写)；编解码器 15为PCM编解码器(脉冲编码调制(PulseCodeModulation，PCM))。
在接收信号的过程中，经过滤波电路12保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，然后利用A/D和D/A转换电路13将模拟量转换为相应的数字量进行传输，再通过调制解调电路14去除噪声，获得有用的信号，信号再经编解码器15解码后送入中央处理器17进行处理，外围存储部分使用存储器16。由于3D信息的数据量很大，所以同时使用存储器16对实时传输的数据进行存储。经中央处理器17处理的文字、图像和视频信息显示到显示屏19。显示屏19上使用前置型3D光学元件20，通过驱动电路21驱动3D光学元件20可裸眼观看到3D图像和视频信息。利用对驱动电路21的控制可实现裸眼3D和2D显示之间的转换。
驱动电路21可以很好的实现显示屏19的驱动，同时消除了闪烁的现象，所述光学式头戴显示器接受三维空间的坐标数据和虚拟模型后，通过图像生成装置生成图像进行空间定位，然后通过增强现实技术将虚拟模型与病人身体部位融合，映射在其显示屏19上，辅助进行手术导航。
本发明的驱动电路是由光阀驱动控制模块和光阀驱动模块构成，驱动控制模块的核心是现场可编程门阵列(FPGA)，该模块为光阀驱动控制和温控所共有，与光阀驱动模块通过柔性扁平电缆(FFC)相连。光阀驱动模块是由二十个相同的子模块并联而成，每个小模块可以单独驱动一层液晶光阀。二十个子模块共用一个高压和地，本质上是二十个H桥并联。所述子模块包括两个光电耦合器、两个半桥驱动器、一个与非门、NMOS管1、NMOS管2、NMOS管3、NMOS管4， NMOS管1和NMOS管3一端与电源连接，NMOS管1和NMOS管3的另一端分别连接NMOS管2和NMOS管4接地，NMOS管2和NMOS管4的另一端接地，一液晶屏两端分别连接于NMOS管1和NMOS管2之间以及NMOS管3和NMOS管4之间。
FPGA的型号为EP1C3T144C88。所述半桥驱动器同时驱动半桥臂上下两个MOS管，且半桥驱动器为IR2104。只有SD为高时HO和LO输出才与IN有关：HO 与IN相同，LO与IN反相。液晶光阀正向充电时，此时Q 1和Q4闭合，Q2和Q3 打开；为液晶光阀正向放电时，此时Q 1由闭合变打开，同时Q2由打开变闭合，液晶光阀两端接地，对地放电；光阀反向充电时，此时Q2和Q3闭合，Q1和Q4打开；反向放电过程时，此时Q3由闭合变打开，同时Q4由打开变闭合，液晶光阀两端接地，对地放电。与非门的作用是为了防止Q 1、Q3同时打开对液晶光阀造成损坏，通过对IN 1和IN2信号进行与非操作，并将结果输出给SD；当IN1和IN2 都为高时SD两端为低，Q1-Q4全部打开，使电路更加的安全可靠。
在发送信号的过程中，需要发送的信息通过中央处理器17到编解码器 15进行编码后进入A/D和D/A转换电路13将数字量转换为相应的模拟量。
通过实时精准定位技术引导医生按照手术前模拟制定的手术方案(包括手术过程，进刀的部位，角度等)来完成手术。
本发明利用图像模型数据，可以帮助医生选择最佳手术路径、提高定位精度，减小手术损伤、减少对临近组织损害，从而提高手术的成功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.数字技术导航系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)三维虚拟图像生成装置接受病人身体数据进行三维重建以得到虚拟模型；
2)空间定位装置对设于病人身体上的识别特征进行识别，生成空间数据；
3)空间数据处理终端接受所述空间数据和虚拟模型，进行三维空间坐标的计算标定，生成三维空间的坐标数据；
4)光学式头戴显示器接受所述三维空间的坐标数据和所述虚拟模型后，通过增强现实技术将所述虚拟模型与所述病人身体数据融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。
2.根据权利要求1所述手术导航方法，其特征在于，所述空间定位装置对设于病人身体上的识别特征进行识别包括红外线空间定位步骤，所述红外线空间定位步骤包括：
①在病人体表放置红外标记物以设置标记点；
②获取病人体表的所述标记点的位置；
③获取所述标记点的位置信息；
④确定所述标记点的位置偏差；
⑤病人的位置进行校准；
⑥实时进行病人位置信息的获取；
⑦通过所述位置信息生成红外空间数据。
3.根据权利要求1所述手术导航方法，其特征在于，所述空间定位装置对设于病人身体上的所述识别特征进行识别包括X射线空间定位步骤，其包括：
①将手术床移至适当的位置；
②设置成像的参数；
③进行图像拍摄；
④进行图像处理；
⑤判断图像质量是否满意，若满意则保存，不满意则重新设置成像参数；
⑥将生成的两张图像进行处理比对，然后生成X射线空间数据。
4.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于，所述空间定位装置还包括一手术导航图像识别装置，所述手术导航图像识别装置用于将红外线空间数据和所述X射线空间数据进行处理组合。
5.一种手术导航系统，其特征在于，包括：
一三维虚拟图像生成装置，其用于将病人的病症数据转换成虚拟模型
一空间定位装置，其用于进行空间定位，并将该空间定位生成空间坐标数据；
一数据处理终端，数据处理终端分别与三维虚拟图像生成装置和空间定位装置连接，其用于接收三维虚拟图像生成装置的虚拟模型和空间定位装置的空间坐标数据，将进行三维空间坐标的计算标定生成三维空间的坐标数据；
一光学式头戴显示器，光学式头戴显示器与数据处理终端连接，其用于接收三维空间的坐标数据和虚拟模型后，通过增强现实技术将虚拟模型与病人身体数据融合，映射在其显示屏上，辅助进行手术导航。
6.根据权利要求5所述的手术导航系统，其特征在于，空间定位装置包括红外线空间定位装置、X射线空间定位装置和手术导航图像识别装置。
7.根据权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于，红外线空间定位装置包括红外探测器，X射线空间定位装置包括X射线球管，红外探测器设于手术床的前方，X射线球管为两个且分别位于所述手术床的后部两侧位置，且所述手术床前部的两侧还分别设有一非晶硅成像面板，所述非晶硅成像面板接收处于对角的X射线球管的X射线。
8.根据权利要求7所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术床的两侧分别设有运动导轨，所述两个X射线球管分别固定于手术床两侧的运动导轨上。
9.根据权利要求7所述的手术导航系统，其特征在于，所述红外探测器包括热释电传感器，热释电传感器连接一放大滤波电路，且所述放大滤波电路连接一电压比较器，所述电压比较器连接一驱动电路，电压比较器通过所述驱动电路进行信号输出。
10.根据权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航图像识别装置包括滤波电路、A/D和D/A转换电路、调制解调电路、编解码器、存储器、中央处理器、显示屏、3D光学组件及驱动电路，所述滤波电路连接到所述A/D和D/A转换电路，所述A/D和D/A转换电路连接到所述调制解调电路，所述调制解调电路连接到编解码器，所述编解码器连接到所述中央处理器，所述中央处理器分别与所述存储器和所述显示屏连接，所述显示屏连接到3D光学组件，所述3D光学组件连接到所述驱动电路；所述驱动电路包括光阀驱动控制电路和光阀驱动电路，光阀驱动控制电路包括一FPGA，且所述光阀驱动电路包括若干驱动子模块，所述显示屏为液晶显示屏，所述驱动子模块与液晶显示屏中的液晶光阀一一对应，且任意一驱动子模块单独驱动各自对应的液晶光阀。
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