CN110537982A - 软硬镜手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种软硬镜手术导航系统，设置有导航终端、标记板、注册探针和电磁传感器，标记板在人体上标记了多个标记点。导航终端获取包括目标部位和标记点的扫描图像进行三维重建，生成三维图像，并在手术空间内产生磁场，通过注册探针定位标记点的坐标，并根据标记点在手术空间和三维图像中的坐标位置，确定转换矩阵。导航终端通过电磁传感器，实时追踪软硬镜在手术空间中的坐标位置，并通过转换矩阵将坐标位置转换为三维图像中的追踪坐标，导航终端根据位置坐标生成包括软硬镜先端部和目标部位的三维图像并显示。

Description

软硬镜手术导航系统

技术领域

本发明涉及外科手术导航系统领域，特别是涉及一种软硬镜手术导航系统。

背景技术

软硬镜手术是将一根端部带有摄像头的柔性导丝，沿人体自身的管路置入目标部位，对目标部位进行探查和治疗。现有的软硬镜手术中，医生都是通过软硬镜端部的摄像头采集的图像追踪软硬镜端部的位置，由于摄像头的视角限制，往往需要医生多次转动软硬镜的角度，才能通过图像判定位置。而且人体自身的管路十分复杂，需要医生具有丰富的外科手术经验，才能准确地判断。这些都增加了手术的难度，延长了手术时间。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种软硬镜手术导航系统，通过电磁定位技术精确定位软硬镜端部的位置，并且将软硬镜端部的位置以虚拟的方式在目标部位的三维图像中显示，以便医生实时掌握软硬镜端部在人体的位置，方便手术。

技术方案如下：

软硬镜手术导航系统，设置有：

标记板，用于在人体上标记多个标记点；

导航终端，用于在手术空间内生成磁场，以及获取包括标记点和目标部位的扫描图像，并根据扫描图像建立包括标记点和目标部位的三维图像；

注册探针，用于检测标记点处的标记点磁场强度；

电磁传感器，用于实时检测软硬镜的先端部位置处的端部磁场强度；

所述导航终端还用于根据标记点磁场强度定位标记点的手术空间坐标，并根据标记点的手术空间坐标、三维图像进行手术注册，确定转换矩阵；

所述导航终端根据端部磁场强度实时追踪先端部的手术空间坐标，通过转换矩阵将先端部的手术空间坐标转换为追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜的先端部。

更进一步的，所述软硬镜的先端部设置有PCBA板，该PCBA板上设置有摄像头、N个LED灯以及所述电磁传感器。

更进一步的，所述摄像头设置在PCBA板的中央位置，所述电磁传感器和所有LED灯围绕摄像头呈圆周分布。

更进一步的，所述标记板上设置有至少3个标记点。

更进一步的，所述注册探针设置有磁场检测传感器，该磁场检测传感器设置在注册探针的尖端。

更进一步的，所述导航终端设置有：

电磁定位系统，用于生成磁场强度分布已知的电磁场，以及根据标记点磁场强度、端部磁场强度分别定位标记点和先端部的手术空间坐标；

导航系统，用于获取所述扫描图像进行三维重建，生成三维图像；

还用于根据三维图像，以及标记点和先端部的手术空间坐标确定软硬镜先端部的追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜先端部。

更进一步的，所述导航系统设置有：

信息获取单元，用于获取扫描图像，以及电磁定位系统发送的手术空间坐标信息；

信息处理单元，用于根据扫描图像进行三维重建，生成三维图像；

还用于根据三维图像，以及标记点和先端部的手术空间坐标确定软硬镜先端部的追踪坐标；

导航显示单元，用于根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜先端部。

更进一步的，所述信息处理单元设置有：

三维重建模块，用于根据扫描图像进行三维重建，建立包括标记点和目标部位的三维图像；

手术注册模块，用于根据三维图像，以及标记点的手术空间坐标确定转换矩阵；

导航追踪模块，用于根据转换矩阵将先端部的手术空间坐标转换所述追踪坐标。

有益效果：采用本发明的软硬镜手术导航系统，能实时追踪软硬镜端部在人体中的位置，并以虚拟的方式在三维图像中显示软硬镜端部，以便医生直观地掌握软硬镜端部和目标位置的相对位置，降低手术难度，缩短了手术时间。采用电磁定位技术进行软硬镜端部追踪，定位精度高，不易受到干扰。

附图说明

图1为本发明的系统设备连接示意图；

图2为先端部501的结构示意图；

图3为PCBA板502的结构示意图

图4为注册探针300的结构示意图；

图5为标记板200的结构示意图；

图6为本发明的系统原理框图；

图7为导航终端的系统原理框图；

图8为图7中导航系统的系统原理框图；

图9为图8中信息处理单元的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1、图6所示，软硬镜手术导航系统设置有：

标记板200，用于在人体上标记多个标记点201；

导航终端100，用于在手术空间内生成磁场，以及获取包括标记点201和目标部位的扫描图像，并根据扫描图像建立包括标记点和目标部位的三维图像；

注册探针300，用于检测标记点处的标记点磁场强度；

电磁传感器400，用于实时检测软硬镜500的先端部501位置处的端部磁场强度；

所述导航终端100还用于根据标记点磁场强度定位标记点的手术空间坐标，并根据标记点的手术空间坐标、三维图像进行手术注册，确定转换矩阵；

所述导航终端100根据端部磁场强度实时追踪先端部501的手术空间坐标，通过转换矩阵将先端部501的手术空间坐标转换为追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜的先端部501。

具体而言，标记板200通过安装机构安装在人体上，该安装机构可以是现有的绑带、魔术带等。标记板200可以在人体上标记了多个标记点201，导航终端100可以通过扫描设备，如CT、MRI等，获取包括目标部位和标记点201的扫描图像。导航终端100还可以在手术空间内产生一个电磁场，并通过注册探针300去检查所有标记点201处的磁场强度，从而确定所有标记点201在手术空间的空间坐标。因此，导航终端100可以通过扫描图像和注册探针300进行手术导航注册，确定用于将手术空间中的位置坐标转换到三维图像中的转换矩阵。

导航终端100可以通过电磁传感器400，实时追踪软硬镜的先端部501在手术空间中的手术空间坐标，并通过转换矩阵将先端部的手术空间坐标，转换为三维图像中的追踪坐标，导航终端100根据追踪坐标生成包括软硬镜的先端部501和目标部位的三维图像并显示。

优选的，如图2所示，所述软硬镜500的先端部501设置有PCBA板502，该PCBA板502上设置有摄像头503、N个LED灯504以及所述电磁传感器400，其中N为正整数。具体而言，摄像头503可以采集目标部位图像，用于探查目标部位。所有的LED灯504可以给摄像头503提供照明，以便摄像头503采集图像。电磁传感器400检测PCBA板502所在位置的磁场强度，并将磁场强度信号发送给导航终端100，用于电磁手术导航。

优选的，如图3所示，该摄像头503设置在PCBA板502的中央位置，所述电磁传感器400和所有LED灯504围绕摄像头503呈圆周分布，方便安装摄像头503、LED灯504和电磁传感器400。

优选的，如图5所示，所述标记板上设置有至少3个标记点201。

应理解，通过注册探针300去点击注册板上的多个标记点201，可以检测多个标记点201的磁场强度，以便导航终端100定位多个标记点201的位置坐标。根据多个标记点201的位置坐标进行手术注册，可以提高转换矩阵的准确度，提高定位精度。

优选的，如图4所示，所述注册探针300设置有磁场检测传感器401，该磁场检测传感器401设置在注册探针300的尖端。通过磁场检测传感器401能检测注册探针300尖端位置的磁场强度，以便导航终端100定位注册探针300尖端的位置坐标，而使用注册探针300的尖端去点击标记点201，即可确定标记点201的磁场强度。

优选的，如图7所示，所述导航终端100设置有：

电磁定位系统，用于在手术空间内电磁场，以及根据标记点201磁场强度、端部磁场强度分别定位标记点201和先端部501的手术空间坐标；

导航系统，用于获取所述扫描图像进行三维重建，生成三维图像；

还用于根据三维图像，以及标记点201和先端部501的手术空间坐标确定软硬镜500先端部501的追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜500先端部501。

具体而言，电磁定位系统可以通过电磁发生器A产生电磁场，并根据标记参考系统200、注册探针300和电磁传感器400发送的磁场强度信号确定标记点201和先端部501的位置坐标，如NDI公司的Aurora定位跟踪系统。

导航系统可以根据扫描图像进行三维重建，生成三维图像，并结合标记点201和先端部501的位置坐标确定先端部501的追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜500先端部501。

优选的，如图8所示，所述导航系统设置有：

信息获取单元，用于获取扫描图像，以及电磁定位系统发送的手术空间坐标信息；

信息处理单元，用于根据扫描图像进行三维重建，生成三维图像；

还用于根据三维图像，以及标记点201和先端部501的手术空间坐标确定软硬镜500先端部501的追踪坐标；

导航显示单元，用于根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜500先端部501。

具体而言，信息获取单元可以设置有多个通信接口，如USB接口、RS232接口等，信息获取单元可以通过通信接口连接电磁定位系统和存储有扫描图像的设备，从而获取扫描图像和手术空间坐标信息，该手术空间坐标信息包括标记点201的手术空间坐标，以及先端部501的手术空间坐标。

信息处理单元可以采用现有的三维重建方法对扫描图像进行三维重建，生成三维图像，并根据三维图像、手术空间坐标信息确定先端部501的追踪坐标。导航显示单元可以三维图像和追踪坐标，采用现有的三维图像生成软件，生成先端部501和目标部位的三维图像信息，并进行显示。

优选的，如图9所示，所述信息处理单元设置有：

三维重建模块，用于根据扫描图像进行三维重建，建立包括标记点201和目标部位的三维图像；

手术注册模块，用于根据三维图像，以及标记点201的手术空间坐标确定转换矩阵；

导航追踪模块，用于根据转换矩阵将先端部501的手术空间坐标转换为所述追踪坐标。

具体而言，三维重建模块采用现有的三维重建方法，根据扫描图像进行三维重建，生成三维图像。手术注册模块根据三维图像，采用现有的图像定位方法确定标记点201在三维图像中的位置坐标，并结合标记点201在手术空间中的位置坐标，采用与现有的手术导航系统中相同的注册方法，确定转换矩阵。导航追踪模块可以根据转换矩阵将先端部501的手术空间坐标转换为三维图像中的追踪坐标。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种软硬镜手术导航系统，其特征在于，设置有：

标记板，用于在人体上标记多个标记点；

导航终端，用于在手术空间内生成磁场，以及获取包括标记点和目标部位的扫描图像，并根据扫描图像建立包括标记点和目标部位的三维图像；

注册探针，用于检测标记点处的标记点磁场强度；

电磁传感器，用于实时检测软硬镜的先端部位置处的端部磁场强度；

所述导航终端还用于根据标记点磁场强度定位标记点的手术空间坐标，并根据标记点的手术空间坐标、三维图像进行手术注册，确定转换矩阵；

所述导航终端根据端部磁场强度实时追踪先端部的手术空间坐标，通过转换矩阵将先端部的手术空间坐标转换为追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜的先端部。

2.根据权利要求1所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于，所述软硬镜的先端部设置有PCBA板，该PCBA板上设置有摄像头、N个LED灯以及所述电磁传感器。

3.根据权利要求2所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于，所述摄像头设置在PCBA板的中央位置，所述电磁传感器和所有LED灯围绕摄像头呈圆周分布。

4.根据权利要求1所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于：所述标记板上设置有至少3个标记点。

5.根据权利要求1所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于：所述注册探针设置有磁场检测传感器，该磁场检测传感器设置在注册探针的尖端。

6.根据权利要求1-5任一所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于：所述导航终端设置有：

电磁定位系统，用于生成磁场强度分布已知的电磁场，以及根据标记点磁场强度、端部磁场强度分别定位标记点和先端部的手术空间坐标；

导航系统，用于获取所述扫描图像进行三维重建，生成三维图像；

还用于根据三维图像，以及标记点和先端部的手术空间坐标确定软硬镜先端部的追踪坐标，并根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜先端部。

7.根据权利要求6所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于：所述导航系统设置有：

信息获取单元，用于获取扫描图像，以及电磁定位系统发送的手术空间坐标信息；

信息处理单元，用于根据扫描图像进行三维重建，生成三维图像；

还用于根据三维图像，以及标记点和先端部的手术空间坐标确定软硬镜先端部的追踪坐标；

导航显示单元，用于根据追踪坐标在三维图像中显示软硬镜先端部。

8.根据权利要求7所述的软硬镜手术导航系统，其特征在于：所述信息处理单元设置有：

三维重建模块，用于根据扫描图像进行三维重建，建立包括标记点和目标部位的三维图像；

手术注册模块，用于根据三维图像，以及标记点的手术空间坐标确定转换矩阵；

导航追踪模块，用于根据转换矩阵将先端部的手术空间坐标转换为追踪坐标。