CN110711028B - 手术器具定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术器具定位系统及其定位方法，将术前拍摄的医疗影像所呈现的人体自然特征信息数据先输入本发明的定位系统，并进行3D数据重构，再将经光感应元件所得手持器具的位置信息回传至定位系统。接着，可经由定位系统自动建议特征点或自动指定特征点或由操作者手工点选特征点，以建立病患位置与手持器具的坐标关系，解决现有技术对于医生在手术过程中所产生的影响问题。

Description

手术器具定位系统及其定位方法

技术领域

本发明为一种用于在手术中，针对手术器具进行定位的系统与定位方法。

背景技术

在进行精密的外科手术时，因下刀或穿刺的位置是达成成功手术的重要因素之一，因此通常进行此类手术时是通过影像导引确认手术穿刺针的位置，藉此避免手术过程因些许距离位置差异而造成的失误与带来手术成效的影响。此类手术常见的应用包括：椎弓螺钉置入手术、活体取样手术、脊椎神经阻断术或植牙等。

其中一种现有的手术技术，施术者为能掌握器具位置，需重复照射X光影像，来导引穿刺针前进方向，以确认穿刺针最后的位置。通过精准的穿刺针放置，用以可提供后续手术器械的导引路径，而达到精确无误的治疗。然而，前述的侵入性手术，亦可利用外部的引导系统(或称导航系统)来记录或告知施术者目前手术器具所抵达的位置。

其中一种导引方式即是在手术器具上贴上反光元件，在手术进行前，先于引导系统中对该手术器具进行位置注册，以确认反光元件与手术器具间的相对位置关系，而在手术进行时，被施行手术的部位(人体上)也会设置数个反光元件，以供引导系统进行分析手术器具与施行手术部位的相对位置关系。

然而，在施术部位上设置反光元件的作法，很容易形成施术者于施术过程中的障碍阻挠，例如：影响器具的动作路径。有鉴于此，当知在现有技术当中，如何解决目前外科手术引导系统上的不便及困难，即是本发明所欲解决的问题的所在，针对上述的问题，本发明提出一种手术器具定位系统及其定位方法，藉以解决前述的缺失。

发明内容

本发明主要通过指定身体某个位置为特征点，取代现有技术的方式(对应部位设置反光元件)。藉此，可克服现有技术的问题。本发明的主要目的在于提供一种手术器具定位系统及其定位方法，本发明的方法是依据分析被施行手术部位或是其周围的表面影像数据，由施术者自行指定或由系统建议或由系统选定至少三个位置，并对应设定与记录为第一坐标数据与第二坐标数据，以将第一坐标数据分别建立成定位系统中的第一特征点、第二特征点与第三特征点，再将第一特征点、第二特征点与第三特征点可设定成绝对位置。该电子计算器所搭载的一手术器具显示软件，即可藉由该光感应元件回传的数据与前述的第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据计算出该光感应元件的实时影像位置数据的相对位置并再据以呈像于屏幕。通过本发明将无需于被施行手术部位或是其周围再设置数个反光元件，克服施术者在施行手术过程中所产生的施术障碍。

为了达成前述的目的，本发明在此揭示一种手术器具定位系统，于进行手术时，可用以确认一手持器具的前端相对于一人体内施行手术部位的位置，该手术器具定位系统包括一光感应元件、一影像撷取设备、一电子计算器与一显示设备。光感应元件设置于该手持器具上。影像撷取设备用以连续撷取该手术部位的表面影像数据及该光感应元件的实时影像位置数据。电子计算器电讯连接该影像撷取设备，可接收该表面影像数据及该光感应元件的实时影像位置数据，该电子计算器根据该光感应元件位置计算出该手持器具相对人体以及影像数据位置的位置。该电子计算器再搭载执行一手术器具显示软件，以分析该表面影像数据后，寻找合适的至少三个位置，并对应设定并记录为一第一坐标数据、一第二坐标数据与第三坐标数据，所述的分析寻找合适的位置，其亦可由使用者直接指定或是于分析后向使用者提出建议，并将该第一坐标数据、该第二坐标数据与第三坐标数据分别建立成一第一特征点、一第二特征点与第三特征点。显示设备电性连接该电子计算器，以显示出该第一特征点、该第二特征点与第三特征点及该手持器具的实时仿真影像。

前述的手术器具定位系统中，该第一坐标数据、该第二坐标数据与第三坐标数据设为绝对位置，而该光感应元件的实时影像位置数据为该第一坐标数据、该第二坐标数据与第三坐标数据的相对位置。

而该第一坐标数据、该第二坐标数据与第三坐标数据输入的其中一种方式藉由一输入设备，该输入设备为电性连接该电子计算器，用户可配合显示设备所呈现的内容，操控输入设备进行点选第一特征点、第二特征点与第三特征点进而输入本手术器具定位系统。亦可通过手术器具直接点选特征点或是自动扫描(线对线或面对面)的方式进行，达到完成定位的目的，该手术器具显示软件可藉由该影像撷取设备确认该光感应元件是否到达对应的位置上。

为了精确地计算出本系统所需的定位信息，该第一特征点、该第二特征点与第三特征点可为人体特征，所述人体特征包括眼角、鼻尖、牙齿间隙、牙齿线条趋势或牙窝等具有可部分辨识的影像。

本发明在此揭示一种手术器具定位方法，于进行外科手术时，确认该手持器具的前端相对于人体内被施行手术部位的位置，手术器具定位方法包含有下列步骤：(A)提供一光感应元件，设置于该手持器具上；(B)提供一影像撷取设备，以连续地或间歇地撷取该人体的一表面影像数据及该光感应元件的实时影像位置数据；(C)根据该表面影像数据及该光感应元件位置计算出该手持器具相对人体以及影像数据位置的位置；(D)提供一手术器具显示软件，以分析该表面影像数据的至少三个位置，并对应设定并记录为一第一坐标数据、一第二坐标数据与一第三坐标数据，并将该第一坐标数据、该第二坐标数据与第三坐标数据分别建立成一第一特征点、一第二特征点与第三特征点；以及(E)提供一显示设备，以显示出该第一特征点、该第二特征点与第三特征点及该手持器具的实时位置或是仿真影像。

前述的手术器具定位方法中，于步骤(E)之后更包括下列步骤：藉由一输入设备点选该第一特征点、该第二特征点与第三特征点，由该显示设备所显示的该手术器具显示软件显示该影像撷取设备确认该光感应元件是否到达该第一特征点、该第二特征点或第三特征点的位置上。

而前述的手术器具显示软件中的演算方法流程如下：(a)加载医学影像；(b)医学图像处理；(c)3D数据重构；(d)判断特征数据；(e)取得实际空间特征数据；(f)取得初对位矩阵或(f-1)特征点对应算法，以取得影像与实际空间转换矩阵；(g)取得实际空间中表面数据；(h)表面对应算法，以取得影像与实际空间转换矩阵。

其中该演算方法步骤(d)的判断方式可为自动判断或手动判断；而该演算方法步骤(d)的判断特征数据为点、面或部位。

其中该演算方法步骤(g)取得实际空间中表面数据利用接触方式或非接触方式。

而当该演算方法步骤(d)的判断方式可为自动判断时，该自动判断特征数据的流程如下：(d-1)加载医学影像；(d-2)影像滤波、去噪声、强化；(d-3)直方图分析、影像频率分析；(d-4)数据分群与条件设定；(d-5-1)根据不同阈值、范围、频率区域成长；(d-5-2)根据解剖构造区域成长或分割；(d-6)梯度与散度计算；(d-7)特征部位判断；(d-8)输出特征部位坐标、形状、类型。

经由上述的说明可知，藉由本发明的手术器具定位系统及其定位方法，即可实现本发明人人所欲达成的目标，藉由病患本人的生物特征作为绝对寻址位置，仅配合手持器具上的光感应元件，而不需在被施行手术部位上再设置数个反光元件，藉以解决施术者在施行手术过程中所产生的施术障碍。

附图说明

图1为本发明的手术器具定位系统示意图。

图2为本发明的手术器具定位方法流程图。

图3为本发明的手术器具定位方法另一流程图。

图4为本发明的手术器具定位方法的特征信息注册方式。

图5为本发明的手术器具定位方法自动判断特征数据的流程图。

附图标记说明：10-手术器具定位系统；12-手持器具；14-光感应元件；16-影像撷取设备；18-电子计算器；20-显示设备；22-输入设备。

具体实施方式

本发明为一种有关手术的手术器具定位系统及其定位方法。以下将配合图式，对本发明所提出的手术器具定位系统及其定位方法实施态样做进一步的说明。

首先，请参阅图1，说明本发明的手术器具定位系统示意图。如图所示，本发明的一种手术器具定位系统10，于进行外科手术时，确认手持器具12的前端相对于人体内欲施行手术部位的位置，其中，手术器具定位系统10包含有一光感应元件14、一影像撷取设备16、一电子计算器18、与一显示设备20。

如前所述，本发明的光感应元件14设置于手持器具12上，影像撷取设备16用以连续地或间歇地撷取人体的部分表面影像数据及光感应元件14的实时影像位置数据。电子计算器18电性连接影像撷取设备16，用以接收表面影像数据及光感应元件14的实时影像位置数据。

接着，电子计算器18根据光感应元件14位置计算出手持器具12的位置。电子计算器18搭载执行一手术器具显示软件，可以分析表面影像数据，并对应设定与记录其中三个位置为为第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据，并将第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据分别建立成第一特征点、第二特征点与第三特征点，显示设备20电性连接电子计算器18，以显示出第一特征点、第二特征点与第三特征点及手持器具12的实时位置或是3D仿真环境。

如前所述的手术器具定位系统10，其中第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据为绝对位置，且光感应元件14的实时影像位置数据为第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据的相对位置。

此外，本发明亦可由电子计算器18电讯连接一输入设备22，输入设备22可藉由显示设备20所显示仿真影像，于系统中先进行点选第一特征点、第二特征点与第三特征点并确认设定，以供系统记录特征点相对位置的关系，且手术器具显示软件可藉由影像撷取设备16确认搭载光感应元件14的手术器具是否到达第一特征点、第二特征点或第三特征点的位置上。

再者，本发明所揭示的手术器具定位系统10，其中手持器具12为手术探针，电子计算器18可为计算机、携带型计算机或是平板计算机，显示设备20可为屏幕，光感应元件14可为反光元件或是主动发光元件，输入设备22为鼠标或触摸板。此外，第一特征点、第二特征点与第三特征点可为人体特征，所述人体特征包括眼角、鼻尖、牙齿间隙或牙窝。第一特征点、第二特征点与第三特征点亦可依据人体骨头构造建立，人体骨头构造可为单一牙齿的形状、牙齿线条趋势或牙窝位置。

据上所述，依据本发明所揭示的技术内容，其手术器具定位系统10在特征点选取的功能导入之下，若实施在植牙手术时，可以使患者在拍摄断层扫描时不需戴咬合板，即可进行光学注册。

施术者可根据经验与喜好进行特征点点取，选取显而易见的人体特征点，如眼角、鼻尖、牙齿间隙、牙窝或是牙齿表面的尖端等，且系统可以记录医师点选特征点顺序，点选时的软件视角，在手术用手术器具去点选实际位置时，手术器具显示软件可协助指引施术者其要点选的位置。当然，亦可使用自动扫描(线对线或面对面)的方式进行，以完成点选的作业。

针对区域的不同，可搭配进行不同的特征分析，如牙齿，根据其形状、线条趋势等，判定其牙窝位置或是具有明显的点、线或面特征处；或判定其相邻间隔关系，再进一步根据其边界特征，找寻其牙缝特征。其中，亦可于分析表面影像数据后，由软件运算寻找最适合担任为特征点的位置，并据以呈现于标示于显示设备上，供施术者参考。亦可，通过红外线制造光点于待治疗部位的周围，且该光点保持照射邻近于治疗部位的位置，亦可达到作为特征点的目的。

依据上述系统实施例的技术展现，本发明在此亦可再列举一方法实施例，参阅图2，说明本发明的手术器具定位方法流程图，如图所示，本发明的一种手术器具定位方法，于进行外科手术时，可确认手持器具的前端相对于人体内的位置，手术器具定位方法包含有下列步骤，如步骤(A)所示，提供一光感应元件，设置于手持器具上，如步骤(B)所示，提供影像撷取设备，以连续撷取人体的表面影像数据及光感应元件的实时影像位置数据。如步骤(C)所示，根据表面影像数据及光感应元件位置计算出手持器具的位置。

然后，如步骤(D)所示的提供手术器具显示软件，经该软件以分析表面影像数据的至少三个位置，并对应设定与记录为第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据，并将第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据分别建立成第一特征点、第二特征点与第三特征点，最后，如步骤(E)所示，提供显示设备，以显示出第一特征点、第二特征点与第三特征点及手持器具的实时位置。

如前所述的手术器具定位方法，其中第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据为绝对位置，且光感应元件的实时影像位置数据为第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据的相对位置。

接着，参阅图3，说明本发明的手术器具定位方法另一流程图，如图所示，本发明所揭示的手术器具定位方法，其中于步骤(E)之后，尚包含有下列步骤，如步骤(F)所示，提供输入设备，以藉由显示设备所显示的手术器具显示软件，来点选第一特征点、第二特征点或第三特征点或是自动扫描(线对线或面对面)的方式进行点选，最后，如步骤(G)所示，手术器具显示软件可藉由影像撷取设备确认光感应元件是否到达第一特征点、第二特征点或第三特征点的位置上。

接着，参阅图4，说明本发明的手术器具定位方法中人体物理特征信息的注册方式，其于该手术器具显示软件中的演算方法流程如下：(a)加载医学影像；(b)医学图像处理；(c)3D数据重构；(d)判断特征数据；(e)取得实际空间特征数据；(f)取得初对位矩阵或(f-1)特征点对应算法，以取得影像与实际空间转换矩阵；(g)取得实际空间中表面数据；(h)表面对应算法，以取得影像与实际空间转换矩阵。

接着，参阅图5，说明本发明的手术器具定位方法中，自动判断特征数据的流程图，该流程如下：(d-1)加载医学影像，例如是CT；(d-2)影像滤波、去噪声、强化，以凸显出特定的线条或是点或是面；(d-3)直方图分析、影像频率分析，用以确认该些点、线、面的特征；(d-4)数据分群与条件设定，将近似结果的特征分组；(d-5-1)根据不同阈值、范围、频率区域成长；(d-5-2)根据解剖构造区域成长或分割；(d-6)梯度与散度计算；(d-7)特征部位判断；(d-8)输出特征部位坐标、形状、类型。

进一步，如前所述的手术器具定位方法，其中手持器具为手术探针，显示设备为屏幕，光感应元件为反光元件，输入设备为鼠标或触摸板。其中第一特征点、第二特征点与第三特征点可为人体特征，所述人体特征包括眼角、鼻尖、牙齿间隙或牙窝。且第一特征点、第二特征点与第三特征点依据人体骨头构造建立，人体骨头构造可为单一牙齿的形状、牙齿线条趋势或牙窝位置。

综上所述，本发明所揭示的手术器具定位系统及定位方法，其依据分析表面影像数据的至少三个位置，并对应设定并记录为第一坐标数据、第二坐标数据与第三坐标数据，以将各坐标数据分别建立成第一特征点、第二特征点与第三特征点，因此可将第一特征点、第二特征点与第三特征点设定成绝对位置，在电子计算器搭载有手术器具显示软件时，即可计算出光感应元件的实时影像位置数据的相对位置，如此一来，施术者便不用在施术的部位设置数个反光元件，将得以避免施术者在施术过程中所产生的施术障碍。以植牙手术举例来说，患者的头部可能需要左右翻转，在第一特征点、第二特征点与第三特征点设定成绝对位置的情况下，在电子计算器都可计算出光感应元件的实时影像位置数据的相对位置，施术者可以任意移动患者的施术部位，更加彰显本发明的功效。

虽然，本发明前述的实施方式及实施例揭露如上，然其并非用以限订本发明。在不脱离本发明的精神和范围内所为的更动与润饰，均属于本发明专利范围的主张。

Claims (8)

1.一种手术器具定位系统，于进行一外科手术时，用于确认一手持器具的前端相对于一人体内的位置，其特征在于，该手术器具定位系统包括：

一光感应元件，设置于该手持器具上，且该光感应元件为一主动发光元件；

一影像撷取设备，以连续地或间歇性地撷取该人体的一表面影像数据，及该光感应元件的实时影像位置数据；

一电子计算器，电性连接该影像撷取设备，接收该表面影像数据及该光感应元件的实时影像位置数据，该电子计算器根据该光感应元件位置计算出该手持器具相对人体以及影像数据位置的位置，且该电子计算器搭载执行一手术器具显示软件，用以分析该表面影像数据的至少三个位置，并对应设定并记录为一第一坐标数据、一第二坐标数据与一第三坐标数据，并将该第一坐标数据与该第二坐标数据与一第三坐标数据分别建立成一第一特征点、一第二特征点与一第三特征点；以及

一显示设备，电性连接该电子计算器，以显示出该第一特征点、该第二特征点、第三特征点及该手持器具的实时位置或是显示仿真该手持器具与其周围立体影像；

其中，该手术器具显示软件中的演算过程具体为：

(a)加载医学影像；

(b)医学图像处理；

(c)3D数据重构；

(d)判断特征数据；

(e)取得实际空间特征数据；

(f)取得初对位矩阵或(f-1)特征点对应算法，以取得影像与实际空间转换矩阵；

(g)取得实际空间中表面数据；

(h)表面对应算法，以取得影像与实际空间转换矩阵。

2.如权利要求1所述的手术器具定位系统，其特征在于，该第一坐标数据、该第二坐标数据与该第三坐标数据为绝对位置，且该光感应元件的实时影像位置数据为该第一坐标数据、该第二坐标数据与该第三坐标数据的相对位置。

3.如权利要求2所述的手术器具定位系统，其特征在于，更包括：一输入设备，电性连接该电子计算器，该输入设备藉由该显示设备所显示的该手术器具显示软件，以点选该第一特征点或该第二特征点或该第三特征点，且该手术器具显示软件可藉由该影像撷取设备确认该光感应元件所结合的手持器具是否到达该第一特征点或该第二特征点或该第三特征点的位置上。

4.如权利要求3所述的手术器具定位系统，其特征在于，该第一特征点、该第二特征点与或该第三特征点为人体特征、眼角、鼻尖、牙齿间隙、牙齿线条趋势或牙窝。

5.如权利要求1所述的手术器具定位系统，其特征在于，步骤(d)的判断方式为自动判断或手动判断。

6.如权利要求1所述的手术器具定位系统，其特征在于，步骤(d)的判断特征数据为点、面或部位。

7.如权利要求1所述的手术器具定位系统，其特征在于，步骤(g)取得实际空间中表面数据利用接触方式或非接触方式。

8.如权利要求5所述的手术器具定位系统，其特征在于，该自动判断特征数据的流程如下：

(d-1)加载医学影像；

(d-2)影像滤波、去噪声、强化；

(d-3)直方图分析、影像频率分析；

(d-4)数据分群与条件设定；

(d-5-1)根据不同阈值、范围、频率区域成长；

(d-5-2)根据解剖构造区域成长或分割；

(d-6)梯度与散度计算；

(d-7)特征部位判断；

(d-8)输出特征部位坐标、形状、类型。

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