CN110584780A - 一种脑出血穿刺手术导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脑出血穿刺手术导航系统，具体涉及医疗手术导航技术领域，包括主机、AR设备以及裸眼3D显示设备，所述主机通过有线通讯方式与裸眼3D显示设备连接，所述主机通过无线通讯方式与AR设备连接；所述主机用于接收外部医疗设备所传送的患者脑出血医学CT/MRI数据，建立三维虚拟模型，并将三维虚拟模型在裸眼3D显示设备上进行互动显示。本发明采用基于AR(增强现实)技术的方法实现脑出血微创穿刺手术导航，具有成本低、医生上手快的优点，采用脑出血病灶与指定定位颅骨连线，实现导航显示；并在术前规划中根据虚拟导管模型比对实际操作导管影像的重叠显示，检验比对真实导管状态，更利于医生实时调整手术操作。

Description

一种脑出血穿刺手术导航系统
技术领域
本发明涉及医疗手术导航技术领域，更具体地说，本发明涉及一种脑出血穿刺手术导航系统。
背景技术
脑出血发病凶险，病情变化快，近半数死亡发生在急性期，特别是发病48小时内，患者需要就近医院施救。然而，我国大部分基层医院设备和技术条件相对有限，手术救治水平不高，在临床工作中经常出现脑出血微创穿刺手术置管位置偏移，手术效果不佳，甚至加重患者死亡风险。因此，急需进一步深入研究，研发出一种提高脑出血微创穿刺手术准确性、降低手术难度的设备系统。
目前，脑出血微创手术治疗主要有两种方式，一种是采用神经导航系统，将术前患者CT、MRI等影像资料导入系统，制定术前计划，避开重要功能区，选择最佳手术穿刺路径，并能实时动态跟踪指示靶点；另一种为基于App辅助导航穿刺引流，Sina或Slicer是神经外科协助Android或iPhone移动设备应用程序(App)，它们将病人术前进行的CT或磁共振成像图像和手机相机获取图像重叠，用于引导术中穿刺定位。
但神经导航系统术前准备时间长，不适合危急重症患者，且其高昂的价格以及较长的技术培训周期也使得我国大部分中小医院无力承担。而基于App的辅助导航方式不能以全息方式显示病灶部位及周边环境信息，其所采用的图像信息均为二维化信息，不能提供明确空间定位、信息反馈等人机交互内容，在一定程度上限制了其辅助能力，进而影响手术精度。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种脑出血穿刺手术导航系统，通过主机将外部医疗设备将检测的患者脑出血医学CT/MRI数据三维虚拟模型，此三维虚拟模型中标注有导管模拟插入导航定位信息和导航连线，在手术时，由医生佩戴AR设备(AR眼镜)，同时主机通过模型对接处理模块将三维虚拟模型发送给AR设备，进行模型交互，并且手术中患者头颅及血肿部位的三维虚拟模型在裸眼3D显示设备上进行互动显示；因此整个系统能够明确手术中的空间定位、信息反馈等人机交互内容，提高了手术精度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种脑出血穿刺手术导航系统，包括主机、AR设备以及裸眼3D显示设备，所述主机通过有线通讯方式与裸眼3D显示设备连接，所述主机通过无线通讯方式与AR设备连接；
所述主机用于接收外部医疗设备所传送的患者脑出血医学CT/MRI数据，建立三维虚拟模型，并将三维虚拟模型在裸眼3D显示设备上进行互动显示；
所述主机还用于获取三维虚拟模型和手术规划的导管模拟插入的角度深度信息，根据三维虚拟模型和角度深度信息模拟出操作导航定位与连线，以导入AR设备中；
所述主机包括模型重建模块、模型对接处理模块和数据库，所述模型重建模块与模型对接处理模块连接；
所述模型重建模块用于将多组患者脑出血医学CT/MRI数据建立三维虚拟模型；所述模型对接处理模块用于将建立的三维虚拟模型发送给AR设备，进行模型交互，最终得到患者头颅及血肿部位的三维虚拟模型，所述数据库用于存储患者进行生物标定标记后的头部特征点；
所述AR设备用于特征点检测、虚拟血肿和真实血肿间的空间配准、真实导管实时跟踪、虚拟血肿和虚拟导管的全息显示、与医生进行语音交互和体感交互。
在一个优选地实施方式中，所述无线通讯方式包括4G、5G、WIFI、蓝牙或Zigbee无线通讯中的其中之一或其组合。
在一个优选地实施方式中，所述AR设备还用于将AR设备内的信息通过无线通讯方式发送至主机，由主机连线裸眼3D显示设备进行显示，所述裸眼3D显示设备采用3D图像处理技术以及3D数字驱动引擎。
在一个优选地实施方式中，所述AR设备内集成设置有摄像头和图像识别软件，且特征点检测是通过摄像头和图像识别软件对进行生物标定标记后的头部特征点进行检测。
在一个优选地实施方式中，所述虚拟血肿和真实血肿间的空间配准是通过坐标转换将虚拟头颅的标记特征点映射至真实头颅的标记特征点。
在一个优选地实施方式中，所述真实导管实时跟踪是根据虚拟导管的定位对真实导管进行实时跟踪。
在一个优选地实施方式中，所述AR设备内集成设置有光学显示部件，且虚拟血肿和虚拟导管的全息显示是通过光学显示部件对虚拟血肿和虚拟导管进行三维显示。
在一个优选地实施方式中，所述AR设备内部集成有语音识别模块和手势识别模块，用于与医生进行语音交互和体感交互，AR设备接收医生的语音命令和体感命令，根据语音命令或体感命令实现对虚拟血肿或头颅的放大、缩小、左转或右转。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过主机将外部医疗设备将检测的患者脑出血医学CT/MRI数据三维虚拟模型，此三维虚拟模型中标注有导管模拟插入导航定位信息和导航连线，在手术时，由医生佩戴AR设备(AR眼镜)，同时主机通过模型对接处理模块将三维虚拟模型发送给AR设备，进行模型交互，并且手术中患者头颅及血肿部位的三维虚拟模型在裸眼3D显示设备上进行互动显示；因此整个系统能够明确手术中的空间定位、信息反馈等人机交互内容，提高了手术精度，且采用基于AR(增强现实)技术的方法实现脑出血微创穿刺手术导航，具有成本低、医生上手快的优点；
2、通过医生佩戴AR眼镜，摄像头实时拍摄手术画面，上传至图像识别软件中进行图像识别，发送至主机内，与数据库中标记的头部特征点进行对比，从而实现头部特征点的检测；
3、通过AR设备内的光学显示部件能够将三维虚拟模型中的虚拟头颅、虚拟导管全息映射显示，医生看到后，能够准确的进行定位手术，手术精准度更高，采用脑出血病灶与指定定位颅骨连线，实现导航显示；并在术前规划中根据虚拟导管模型比对实际操作导管影像的重叠显示，检验比对真实导管状态，更利于医生实时调整手术操作；
4、通过AR设备内部集成有语音识别模块和手势识别模块，医生可以通过语音或是手势，发出指令，此时语音识别模块和手势识别模块分别识别语音和手势，从而控制光学显示部件工作，对显示的模型进行处理，实现对虚拟血肿或头颅的放大、缩小、左转或右转，更加便于手术定位；
5、通过连线方式实现AR眼镜内信息显示，主机连接另外的裸眼3D显示副屏，既不影响进行手术的医生，同时可以为其他医护人员提供立体生动的观摩、学习、甚至监督的渠道；
6、通过3D引擎以及裸眼3D显示设备进行手术模拟与宣讲，有助于术前医患沟通。
附图说明
图1为本发明的整体系统拓扑图。
图2为本发明的整体系统框图。
图3为本发明的主机系统框图。
附图标记为：1主机、101模型重建模块、102模型对接处理模块、103数据库、2 AR设备、3裸眼3D显示设备、4摄像头、5图像识别软件、6光学显示部件、7语音识别模块、8手势识别模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1-3所示的一种脑出血穿刺手术导航系统，包括主机1、AR设备2以及裸眼3D显示设备3，所述主机1通过有线通讯方式与裸眼3D显示设备3连接，所述主机1通过无线通讯方式与AR设备2连接，无线通讯方式包括4G、5G、WIFI、蓝牙或Zigbee无线通讯中的其中之一或其组合；
所述主机1用于接收外部医疗设备所传送的患者脑出血医学CT/MRI数据，建立三维虚拟模型，并将三维虚拟模型在裸眼3D显示设备3上进行互动显示；
所述主机1还用于获取三维虚拟模型和手术规划的导管模拟插入的角度深度信息，根据三维虚拟模型和角度深度信息模拟出操作导航定位与连线，以导入AR设备2中；
所述主机1包括模型重建模块101、模型对接处理模块102和数据库103，所述模型重建模块101与模型对接处理模块102连接；
所述模型重建模块101用于将多组患者脑出血医学CT/MRI数据建立三维虚拟模型；所述模型对接处理模块102用于将建立的三维虚拟模型发送给AR设备2，进行模型交互，最终得到患者头颅及血肿部位的三维虚拟模型，所述数据库103用于存储患者进行生物标定标记后的头部特征点；
所述AR设备2用于特征点检测、虚拟血肿和真实血肿间的空间配准、真实导管实时跟踪、虚拟血肿和虚拟导管的全息显示、与医生进行语音交互和体感交互；
所述AR设备2还用于将AR设备2内的信息通过无线通讯方式发送至主机1，由主机1连线裸眼3D显示设备3进行显示，所述裸眼3D显示设备3采用3D图像处理技术以及3D数字驱动引擎，通过3D引擎以及裸眼3D显示设备3进行手术模拟与宣讲，有助于术前医患沟通。
实施方式具体为：在手术之前，首先外部医疗设备将检测的患者脑出血医学CT/MRI数据传送给主机1，由主机1内集成的模型重建模块101将数据建立成三维虚拟模型，此三维虚拟模型中标注有导管模拟插入导航定位信息和导航连线，因此，在手术时，由医生佩戴AR设备2(AR眼镜)，同时主机1通过模型对接处理模块102将三维虚拟模型发送给AR设备2，进行模型交互，并且手术中患者头颅及血肿部位的三维虚拟模型，在裸眼3D显示设备3上进行互动显示；因此整个系统能够明确手术中的空间定位、信息反馈等人机交互内容，提高了手术精度。
如图1所示，所述AR设备2内集成设置有摄像头4和图像识别软件5，且特征点检测是通过摄像头4和图像识别软件5对进行生物标定标记后的头部特征点进行检测；
实施方式具体为：在手术过程中，医生佩戴AR眼镜，摄像头4实时拍摄手术画面，上传至图像识别软件5中进行图像识别，发送至主机1内，与数据库103中标记的头部特征点进行对比，从而实现头部特征点的检测。
如图1所示，所述虚拟血肿和真实血肿间的空间配准是通过坐标转换将虚拟头颅的标记特征点映射至真实头颅的标记特征点；
所述真实导管实时跟踪是根据虚拟导管的定位对真实导管进行实时跟踪；
所述AR设备2内集成设置有光学显示部件6，且虚拟血肿和虚拟导管的全息显示是通过光学显示部件6对虚拟血肿和虚拟导管进行三维显示；
实施方式具体为：在手术过程中，AR设备2内的光学显示部件6能够将三维虚拟模型中的虚拟头颅、虚拟导管全息映射显示，医生看到后，能够准确的进行定位手术，手术精准度更高；采用脑出血病灶与指定定位颅骨连线，实现导航显示；并在术前规划中根据虚拟导管模型比对实际操作导管影像的重叠显示，检验比对真实导管状态，更利于医生实时调整手术操作。
所述AR设备2内部集成有语音识别模块7手势识别模块8，用于与医生进行语音交互和体感交互，AR设备2接收医生的语音命令和体感命令，根据语音命令或体感命令实现对虚拟血肿或头颅的放大、缩小、左转或右转；
实施方式具体为：在手术过程中，医生可以通过语音或是手势，发出指令，此时语音识别模块7和手势识别模块8分别识别语音和手势，从而控制光学显示部件6工作，对显示的模型进行处理，实现对虚拟血肿或头颅的放大、缩小、左转或右转。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：包括主机(1)、AR设备(2)以及裸眼3D显示设备(3)，所述主机(1)通过有线通讯方式与裸眼3D显示设备(3)连接，所述主机(1)通过无线通讯方式与AR设备(2)连接；
所述主机(1)用于接收外部医疗设备所传送的患者脑出血医学CT/MRI数据，建立三维虚拟模型，并将三维虚拟模型在裸眼3D显示设备(3)上进行互动显示；
所述主机(1)还用于获取三维虚拟模型和手术规划的导管模拟插入的角度深度信息，根据三维虚拟模型和角度深度信息模拟出操作导航定位与连线，以导入AR设备(2)中；
所述主机(1)包括模型重建模块(101)、模型对接处理模块(102)和数据库(103)，所述模型重建模块(101)与模型对接处理模块(102)连接；
所述模型重建模块(101)用于将多组患者脑出血医学CT/MRI数据建立三维虚拟模型；所述模型对接处理模块(102)用于将建立的三维虚拟模型发送给AR设备(2)，进行模型交互，最终得到患者头颅及血肿部位的三维虚拟模型，所述数据库(103)用于存储患者进行生物标定标记后的头部特征点；
所述AR设备(2)用于特征点检测、虚拟血肿和真实血肿间的空间配准、真实导管实时跟踪、虚拟血肿和虚拟导管的全息显示、与医生进行语音交互和体感交互。
2.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述无线通讯方式包括4G、5G、WIFI、蓝牙或Zigbee无线通讯中的其中之一或其组合。
3.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述AR设备(2)还用于将AR设备(2)内的信息通过无线通讯方式发送至主机(1)，由主机(1)连线裸眼3D显示设备(3)进行显示，所述裸眼3D显示设备(3)采用3D图像处理技术以及3D数字驱动引擎。
4.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述AR设备(2)内集成设置有摄像头(4)和图像识别软件(5)，且特征点检测是通过摄像头(4)和图像识别软件(5)对进行生物标定标记后的头部特征点进行检测。
5.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述虚拟血肿和真实血肿间的空间配准是通过坐标转换将虚拟头颅的标记特征点映射至真实头颅的标记特征点。
6.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述真实导管实时跟踪是根据虚拟导管的定位对真实导管进行实时跟踪。
7.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述AR设备(2)内集成设置有光学显示部件(6)，且虚拟血肿和虚拟导管的全息显示是通过光学显示部件(6)对虚拟血肿和虚拟导管进行三维显示。
8.根据权利要求1所述的一种脑出血穿刺手术导航系统，其特征在于：所述AR设备(2)内部集成有语音识别模块(7)和手势识别模块(8)，用于与医生进行语音交互和体感交互，AR设备(2)接收医生的语音命令和体感命令，根据语音命令或体感命令实现对虚拟血肿或头颅的放大、缩小、左转或右转。
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