CN111544097A - 一种立体定向装置以及立体定向方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种立体定向装置以及立体定向方法。此立体定向装置应用光束引导技术进行术中导向。该发明方法首先在三维设计软件中构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置；再应用医学图像处理软件构建头颅三维模型，在虚拟环境中规划穿刺路径，并在头颅三维模型上绘制定位坐标系；然后应用构建的虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟穿刺手术，获取立体定向数据；最后在手术中用立体定向装置匹配立体定向数据实施术中导向。本发明提供的装置和方法，能为颅内穿刺术提供精准的立体定向，设备轻巧，操作简单，简化手术过程，缩短手术时间。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种立体定向装置以及立体定向方法。
背景技术
颅内穿刺术是神经外科常见的一种手术方式，通过小切口和小骨孔进行立体定向穿刺，将导管、电极、内镜等装置导入颅内靶点进行引流、给药、电刺激或手术来达到微创治疗疾病的效果。如急性脑积水行侧脑室穿刺引流术释放脑脊液快速缓解颅内高压，脑出血行血肿穿刺引流术清除血肿，脑肿瘤行穿刺置管术靶点给药。穿刺术能否达到预期效果，关键在于立体定向的精准度，即对穿刺点和颅内靶点的精准定位以及在穿刺过程中对穿刺方向的精准导向。
目前立体定向的方法主要有徒手穿刺操作、有框架立体定向技术和无框架立体定向技术。因头颅上缺乏明显独特的解剖定位标识，容易出现穿刺点定位偏差，且颅内靶点不可直视，徒手穿刺时只能通过假想的目标进行操作，很难确保精准的穿刺方向，因此单凭徒手穿刺操作的颅内穿刺术误差大，失败概率高。有框架和无框架立体定向技术有良好的穿刺点和颅内靶点定位以及穿刺导向功能，但是两种方法对仪器设备技术要求高，费用昂贵，难以广泛推广；在具体的实施过程中，两种方法对影像数据均有特殊要求，部分有框架立体定向技术还需准备带特殊标记的影像数据，术前需较长时间准备，术中操作复杂，手术时间相对较长，尤其难以适应于急诊手术。
因此提供一种能精准定位导向，设备轻巧，术中操作性能好，对影像资料无特殊要求，所需设备和耗材的费用适中，能同时适用择期和急诊颅内穿刺术的立体定向装置以及立体定向方法非常必要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种立体定向装置以及立体定向方法。此立体定向装置应用光束引导技术进行术中导向。该发明方法首先在三维设计软件中构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置；再应用医学图像处理软件构建头颅三维模型，在虚拟环境中规划穿刺路径，并在头颅三维模型上绘制定位坐标系；然后应用构建的虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟穿刺手术，获取立体定向数据；最后在手术中用立体定向装置匹配立体定向数据实施术中导向。本发明提供的装置和方法，能为颅内穿刺术提供精准的立体定向，设备轻巧，操作简单，简化手术过程，缩短手术时间。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是。
1. 优选的，所述装置包括导轨；安装在导轨末端的卡槽；安装在卡槽内的光源指示器。
2. 优选的，所述的导轨上有导向槽。
3. 优选的，所述光源指示器有特定的光发射模式，投影所形成的光斑形状包括但不限于十字线型、点阵、正方形、圆形、图案。
4. 优选的，所述立体定向方法，包括以下步骤：构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置；构建头颅三维模型，规划穿刺路径和绘制定位坐标系；用虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟穿刺手术，获取立体定向数据；术中用立体定向装置匹配立体定向数据辅助实施手术。
5. 优选的，所述构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置的步骤还包括：应用具有三维设计功能的软件按同比例大小构建虚拟立体定向装置和虚拟穿刺装置；在虚拟穿刺装置头端构建与其同轴心线的虚拟导向柱；构建与光束形态大小相同的虚拟光束予以模拟；将所有构建的模型按现实装置的形态合并成一个虚拟立体定向穿刺装置。
6. 优选的，所述构建头颅三维模型，规划穿刺路径和绘制定位坐标系的步骤还包括：将头颅影像数据导入医学图像处理软件构建头颅三维模型，在模型上确定穿刺点和靶点，依据两点位置规划穿刺路径，测量路径长度；以面部明显体表标识为基准在模型上绘制定位坐标系；在定位坐标系中定位穿刺点位置，获取立体定向数据。
7. 优选的，所述用虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟穿刺手术，获取立体定向数据的步骤还包括：将虚拟立体定向穿刺装置导入头颅三维模型中，调节装置位置使虚拟穿刺装置头端与穿刺点重合，使虚拟导向柱与穿刺路径重合；以虚拟导向柱的轴心线为轴旋转整个装置，使虚拟光束与头颅三维模型表面相交形成虚拟光斑；在定位坐标系中定位虚拟光斑的位置，获取立体定向数据。
8. 优选的，所述术中用立体定向装置匹配立体定向数据辅助实行手术的步骤还包括：术中根据面部明显体表标识在患者头颅上绘制对应的定位坐标系，在定位坐标系中标注穿刺点，绘制虚拟光斑；将穿刺装置安装在立体定向装置的导向槽内，穿刺装置头端放置于穿刺点，调整立体定向装置使光束投影的光斑与虚拟光斑吻合，再根据穿刺路径长度，将穿刺装置沿导向槽滑行进行穿刺。
本发明的有意效果是。
本发明应用三维设计软件在虚拟场景下对头颅和靶点进行三维重建，并对头颅进行半透明化显示，可全方位观察靶点和头颅的相对位置关系，更直观地规划最优手术路径。
本发明利用特征性的体表标识为定位基准在现实和虚拟场景中绘制定位坐标系，如外耳道孔、眼眶上缘、鼻尖等，并利用软件的平面、曲面和空间测距功能获取相关位置数据，可确保现实和虚拟场景中的坐标位置保持一致，使标注在患者体表的穿刺点和虚拟光斑所在位置与头颅模型上的吻合，将虚拟场景里的定位数据精准地标注到现实患者的体表，为后续穿刺术提供精准的立体定向数据。
本发明利用光束的光斑与虚拟光斑重合来匹配立体定向数据，无需复杂计算即可使现实手术能够按虚拟场景中规划的优选方案进行手术，在穿刺过程中还可根据光斑与虚拟光斑重合的情况实时校正穿刺方向，对穿刺过程进行实时导向。
本发明利用明显固定的体表特征性标识作为定位基准，无需在头皮上黏贴定位标记而另行CT或MRI，降低了本发明对影像资料的要求，缩短术前准备时间；还可避免在检查和手术中头皮移动导致定位标记脱离、移位等，提高定位和导向数据的精准度。
本发明的颅内穿刺装置无需框架，避免患者佩戴框架带来的附加损伤，减少术区接触，降低手术感染风险。
本发明的立体定向装置轻巧，利于术者术中操作，提高穿刺成功率，缩短手术时间。
本发明无需大型特殊的仪器设备，所需三维设计软件和医学图像处理软件均为常用软件，如Auto CAD、3D MAX、SolidWorks、Mimics、3D slicer等，所述软件在目前绝大多数PC机上均能运行，不受设备和场地限制，运行成本不高。
附图说明
本申请的说明书附图是用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为立体定向装置正面和侧面示意图。
图2为立体定向装置剖面示意图。
图3为立体定向装置和穿刺装置组合示意图。
图4为虚拟立体定向穿刺装置示意图。
图5为头颅三维模型上的定位坐标系和穿刺路径示意图。
图6为模拟手术穿刺示意图。
图7为光束导向原理示意图。
其中：1.导轨；2.卡槽；3. 光源指示器；4.导向槽；5.透光隔板；6.穿刺装置；7. 虚拟导向柱；8. 虚拟光束；9. 头颅；10. 定位坐标系；11. V曲线；12. U曲线；13.靶点（血肿）；14. 穿刺点；15. 穿刺路径；16. 光斑；17. 投影平面；18. 发散角。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节，但是所描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的指导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
如图1、2所示，本发明公开的一种立体定向装置，包括导轨；安装在导轨末端的卡槽；安装在卡槽内的光源指示器。
本优选实施方式中，卡槽与导轨固定连接，当光源指示器安装在卡槽内，光束的发射方向与导轨平行。
在另一个可选实施方式中，与上个实施不同之处在于，卡槽与导轨通过活动关节连接，两者可通过关节相对活动，当光源指示器安装在卡槽内，光束的发射方向可通过调节卡槽与导轨间的角度而改变。
本优选实施方式中，所述光源指示器所发出的光束能通过卡槽底部，如图1、2所示，可在卡槽底部设置一个开窗，进一步的可用透光隔板封闭开窗予以隔离手术区域。
在另一个可选实施方式中，与上个实施不同之处在于，可直接用透光材料制成卡槽。
如图3所示，所述的导轨上的导向槽用于安放穿刺装置，目前颅内穿刺术中所应用到的穿刺装置都为不同直径大小的圆柱型穿刺针或穿刺导管，所以导向槽的长度和宽度根据穿刺装置的规格决定，所设计的导向槽产生的效果为：当穿刺装置安放于导向槽内，能使装置平稳的放置在导轨上，且能沿着导轨被推动滑行。
所述光源指示器有特定的光发射模式，投影所形成的光斑形状包括但不限于十字线型、点阵、正方形、圆形、图案。
本优选实施方式中，所应用的光源指示器为能发出“十”字光斑的激光指示器，所述光束垂直于平面投影时，所显示的光斑形状为十字线性，两线相互垂直，两线交点为两线的中点，光束的发散角为20°。
本优选实施方式中，所述构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置的步骤为：如图4所示，应用AutoCAD软件三维建模功能，构建与立体定向装置和穿刺装置大小相同的虚拟立体定向装置和虚拟穿刺装置；将虚拟穿刺装置安放到虚拟立体定向装置的导向槽内并使装置的头端与导轨头端平齐，在虚拟穿刺装置头端构建与其同轴心线的虚拟导向柱；虚拟立体定向穿刺装置中所模拟的激光束形态特征为：光源指示器垂直于平面投影时，所显示的光斑形状为十字线性，两线相互垂直，两线交点为两线的中点，激光束的发散角为20°；具体模拟方法为：应用AutoCAD软件构建两个顶角（发散角）为20°的三角形平面；调整两平面，使两平面的顶点与顶点重合，顶角平分线与顶角平分线重合；调整两平面交角为90°。
上述所构建的虚拟立体定向装置、虚拟穿刺装置、虚拟导向柱和虚拟光束的三维模型按实际装置位置关系予以组合成虚拟立体定向穿刺装置；在实际手术过程中，可能会选用不同直径和长度的穿刺装置，因此可根据穿刺装置大小构建多个虚拟立体定向穿刺装置，以满足手术的选择。
本优选实施方式中，所述构建头颅三维模型，规划穿刺路径和绘制定位坐标系的步骤为：如图5所示，将头颅CT影像数据导入mimics软件构建头颅三维模型，调整头颅模型透明度为半透明显示，观察头颅模型与靶点（颅内血肿、肿瘤、侧脑室等）的相对位置，在模型上确定穿刺点和靶点，两点的连线即为穿刺路径，测量路径长度作为穿刺深度；参照球面曲纹坐标网绘制原理在头颅模型表面绘制定位坐标系：绘制头颅模型的矢状线作为定位坐标系的一条v曲线；以方便定位穿刺点和虚拟光斑位置为宜，根据穿刺路径位置，以双外耳道孔为极点绘制一条u曲线，应用软件的测量工具，测量两线交点到双眼眶上缘连线与v曲线交点的距离作为u曲线的定位距离；在绘制的定位坐标系中测量穿刺点的位置。
本优选实施方式中，所述通过虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟手术，获取立体定向数据的步骤为：如图6所示，将虚拟立体定向穿刺装置模型导入mimics软件构建的头颅三维模型中，调节虚拟立体定向穿刺装置位置，使虚拟穿刺装置的头端与穿刺点重合，虚拟导向柱与穿刺路径重合；再以虚拟导向柱的轴心线为轴旋转虚拟立体定向穿刺装置，使虚拟光束与头颅模型表面相交形成“十”字形虚拟光斑，在定位坐标系中测量“十”字形虚拟光斑四个端点的位置；上述穿刺点位置、虚拟光斑位置以及穿刺路径长度的数据即为立体定向数据。
本优选实施方式中，所述术中用立体定向装置匹配立体定向数据辅助实行手术的步骤为：术中固定患者头部后，绘制头颅矢状线作为定位坐标系的v曲线，连线双眼眶上缘与v曲线相交，根据上述u曲线的定位距离标注u曲线与v曲线的交点，连线此交点与双外耳道孔即可完成u曲线绘制；在绘制的定位坐标系中标注穿刺点，并根据虚拟光斑位置数据绘制虚拟光斑，将穿刺装置头端与导轨头端平齐安装于导向槽中，将穿刺装置头端定位在穿刺点，调整立体定向穿刺装置使光束投影的“十”字光斑与虚拟光斑重合，再根据所测量的穿刺深度，将穿刺装置沿导向槽滑行进行穿刺手术。
本优选实施方式中，所述光束形态特征为光源指示器垂直于平面投影时，所显示的光斑形状为“十”字线性，两线相互垂直，两线交点为两线的中点，激光束的发散角为20°；其光导向原理如图7所示，当光束与一平面以任意角度相交形成“十”字光斑时，发光点为P点，发散角为∠APC和∠BPD，“十”字光斑的四个端点分别为A、B、C、D点，交点为O点。在△APC中，已知∠APC角度，OA、OC长度，利用三角函数原理，可求得PA、PC和PO的长度，即可确定△APC，根据三角形稳定性原理，P、A、C三点在同一平面的位置关系固定，即在空间中P点只能以A、C两点连线为轴进行旋转，从而确定P点在A-C方向的位置；同理在△BPD中可确定P点在B-D方向的位置；PO长度已求得，确定了P点在P-O方向的位置；依据笛卡尔直角坐标系原理，P点在空间中的位置被确定，因为所设计的立体定向装置的导轨和光源发射器的空间位置关系可固定，所以当穿刺点确定后，导轨的方向位置被确定。光源指示器的点阵、正方形、圆形、图案等其他光发射模式的立体定向原理亦可通过此原理予以解释。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限定本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种立体定向装置，其特征在于：包括导轨；安装在导轨末端的卡槽；安装在卡槽内的光源指示器。
2.根据权利要求1所述的一种立体定向装置，其特征在于：导轨上有导向槽。
3.根据权利要求1所述的一种立体定向装置，其特征在于：光源指示器有特定的光发射模式，投影所形成的光斑形状包括但不限于十字线型、点阵、正方形、圆形、图案。
4.一种立体定向方法，其特征在于：包括以下步骤：构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置；构建头颅三维模型，规划穿刺路径和绘制定位坐标系；用虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟穿刺手术，获取立体定向数据；术中用立体定向装置匹配立体定向数据辅助实施手术。
5.根据权利要求4所述的一种立体定向方法，其特征在于：所述构建带虚拟光束的虚拟立体定向穿刺装置的步骤还包括：应用具有三维设计功能的软件按同比例大小构建虚拟立体定向装置和虚拟穿刺装置；在虚拟穿刺装置头端构建与其同轴心线的虚拟导向柱；构建与光束形态大小相同的虚拟光束予以模拟；将所有构建的模型按现实装置的形态合并成一个虚拟立体定向穿刺装置。
6.根据权利要求4所述的一种立体定向方法，其特征在于：所述构建头颅三维模型，规划穿刺路径和绘制定位坐标系的步骤还包括：将头颅影像数据导入医学图像处理软件构建头颅三维模型，在模型上确定穿刺点和靶点，依据两点位置规划穿刺路径，测量路径长度；以面部明显体表标识为基准在模型上绘制定位坐标系；在定位坐标系中定位穿刺点位置，获取立体定向数据。
7.根据权利要求4所述的一种立体定向方法，其特征在于：所述用虚拟立体定向穿刺装置在头颅三维模型上模拟穿刺手术，获取立体定向数据的步骤还包括：将虚拟立体定向穿刺装置导入头颅三维模型中，调节装置位置使虚拟穿刺装置头端与穿刺点重合，使虚拟导向柱与穿刺路径重合；以虚拟导向柱的轴心线为轴旋转整个装置，使虚拟光束与头颅三维模型表面相交形成虚拟光斑；在定位坐标系中定位虚拟光斑的位置，获取立体定向数据。
8.根据权利要求4所述的一种立体定向方法，其特征在于：所述术中用立体定向装置匹配立体定向数据辅助实行手术的步骤还包括：术中根据面部明显体表标识在患者头颅上绘制对应的定位坐标系，在定位坐标系中标注穿刺点，绘制虚拟光斑；将穿刺装置安装在立体定向装置的导向槽内，穿刺装置头端放置于穿刺点，调整立体定向装置使光束投影的光斑与虚拟光斑吻合，再根据穿刺路径长度，将穿刺装置沿导向槽滑行进行穿刺。
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