CN111658141B

CN111658141B - 一种胃切除术端口位置导航系统、装置及存储介质

Info

Publication number: CN111658141B
Application number: CN202010376113.7A
Authority: CN
Inventors: 陈韬; 李国新
Original assignee: Southern Hospital Southern Medical University
Current assignee: Southern Hospital Southern Medical University
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: CN111658141A

Abstract

本发明公开了一种胃切除术端口位置导航系统，包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器实现以下步骤：获取穿刺端口的历史位置和解剖结构信息；获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型；通过体位信息模型，并根据穿刺端口的历史位置与解剖结构信息确定候选穿刺端口的位置；系统提供了更为开阔的视野角度、更精确的触觉感知；对手术数据进行整合，生成提供了标准的、可复现的操作指引；取代经验操作，减少手术中因人为因素导致的误差；系统的数据平均误差小，也可广泛应用于医学成像技术领域。

Description

一种胃切除术端口位置导航系统、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，尤其是一种胃切除术端口位置导航系统、装置及存储介质。

背景技术

名词解释：

CT，即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查。

在腹腔镜胃切除术以及其他腹腔镜手术中，外科医生能够快速、准确地确定最佳的端口位置是至关重要的。由于视野角度减小和触觉等感知方式的缺乏，医生难以而直观而细致地观测术中病灶及周遭组织的全局状况。在当前的手术过程中，多数情况下都是外科医生根据其多年职业经验来确定手术的端口位置。但通过已有经验来确定手术端口的方式，其不仅因为存在主观因素而导致存在较大的操作误差，而且其过程也难以进行复现和追溯，无法形成统一操作规范或标准。

发明内容

为至少解决上述技术问题之一，本发明的目的在于：提供一种精准、快速、智能化的胃切除术端口位置导航系统、装置或存储介质，为了达到上述技术目的，本发明所提供的技术方案包括：

一方面，本发明提供了一种胃切除术端口位置导航系统，包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当该程序被处理器执行，使得处理器可实现以下步骤：

获取穿刺端口的历史位置和解剖结构信息；

获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型；

通过体位信息模型，并根据穿刺端口的历史位置与解剖结构信息确定候选穿刺端口的位置；

其中，解剖结构信息包括血管根部位置和肚脐位置。

此外，在本发明的一些实施例中，处理器实现的获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型这一步骤，其具体包括：

获取CT数据的医学图像；

根据获取的医学图像进行三维重建，得到体位信息模型，其中，体位信息模型中的三维模型包括腹腔、胃及胃周围血管。

在本发明的另外一些实施例中，处理器实现的获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型这一步骤，具体还包括：

设置标记点，确定标记点的位置；

根据标记点的位置构建空间坐标系，并将坐标系映射至体位信息模型中；

其中，标记点包括以下至少之一：腹主动脉血管根部、肚脐、肠系膜上动脉发出点、门脾角和胃网膜左动脉起始处。

在本发明的另外一些实施例中，通过处理器实现确定标记点的位置这一步骤，其具体包括：

获取标记点的红外信号；

根据红外信号确定标记点的位置。

在本发明的另外一些实施例中，处理器实现的通过体位信息模型，并根据穿刺端口的历史位置与解剖结构信息确定候选穿刺端口的位置这一步骤，其具体包括：

确定解剖结构信息中的靶血管，靶血管包括胃左动脉和胃右动脉；

在靶血管上标记穿刺端口的历史位置坐标；

根据标记后的坐标生成候选穿刺端口的位置。

在本发明的另外一些实施例中，处理器实现的根据标记后的坐标生成穿刺端口的位置这一步骤，其具体包括：

根据穿刺端口的历史位置坐标生成第一夹角、第二夹角以及第三夹角，并在靶血管上进行标记；

根据第一夹角、第二夹角以及第三夹角生成候选穿刺端口的位置；

第一夹角，为第一手术钳和第二手术钳之间的夹角；

第二夹角，为第一夹角的角平分线与穿刺端口中示波器的夹角；

第三夹角，为第一夹角与空间坐标系中水平面的夹角。

在本发明的另外一些实施例中，处理器实现的步骤，其还包括：生成解剖结构信息与候选穿刺端口的位置之间的距离；在体位信息模型中显示距离。

第二方面，本发明技术方案还提供另一种胃切除术端口位置导航系统，包括：

追踪显示单元，用于获取并显示穿刺端口的历史位置和解剖结构信息；

三维建模单元，用于获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型；

数据处理单元，用于根据穿刺端口的历史位置与解剖结构信息确定穿刺端口的位置。

第三方面，本发明技术方案还提供一种胃切除术端口位置导航装置，其包括：

探针，探针的顶部设有三维位置传感器，用于采集位置信息以及图像信息；位置信息包括穿刺端口的历史位置以及解剖结构信息；

光学追踪系统，用于捕捉标记点的空间位置信息，传输至主计算机；

主计算机，用于获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型，并将空间坐标系映射至体位信息模型中，确定候选穿刺端口的位置；

导航监视器，显示穿刺端口的位置以及探针与候选穿刺端口的位置的距离。

第四方面，本发明技术方案还提供一种存储介质，其处理器为上述一种胃切除术端口位置导航系统中的处理器。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本发明技术方案提供的一种胃切除术端口位置导航系统，系统通过构建手术位置的体位信息模型，提供了更为开阔的视野角度、更精确的触觉感知；结合穿刺端口的历史位置和解剖结构信息，确定手术端口的位置；对历史手术数据进行整合，提供了标准的、可复现的操作指引；取代经验操作，减少手术中因人为因素导致的误差；系统的数据平均误差小，可广泛应用于临床。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1为本发明实施例一种胃切除术端口位置导航系统中处理器执行的程序步骤流程图；

图2为本发明实施例在根据标记后的坐标生成穿刺端口的位置的过程中，计算得到的三个角度的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，一种胃切除术端口位置导航系统，包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当该程序被处理器执行，使得处理器可实现步骤S01-S04：

S01、获取穿刺端口的历史位置以及解剖结构信息；其中，解剖结构信息包括血管根部位置和肚脐位置。穿刺端口的历史位置是通过预先获取的大量外科医生的术前规划，以及依照执刀经验选取方便合适的穿刺方向，通过携带反射标记的三维位置传感器测量并记录手术中的血管根部和脐部的位置，将手术中的图片数据或文字记录等构建成数据集或数据库。解剖结构信息则为实际手术中根据探针捕捉到的患者解剖位置的结构信息，与穿刺端口的历史位置相同，包含血管根部位置和肚脐位置。

S02、获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型；除去穿刺端口的历史位置以及解剖结构信息，系统通过内置的医学图像三维可视化软件系统Mimics17.0，导入患者的腹部薄层CT数据，并进行快速图像分割、配准和三维重建，建立腹腔、胃及其周遭血管的三维模型即体位信息。

此外，在一些实施例中，步骤S02还包括步骤S021-S022：

S021、设置标记点，确定标记点的位置；在构建体位信息的三维模型同时，实施例的系统分别在腹主动脉血管根部、肚脐、肠系膜上动脉发出点、门脾角和胃网膜左动脉起始处设立4组标记点，在Polaris光学跟踪系统的辅助下，通过位置传感器对个标记点的相对空间位置进行捕捉。在本实施例中，Polaris光学跟踪主要是通过位置传感器输出红外光并接收标记点反射的红外光新型来计算标记点的位置和方向。

S022、根据标记点的位置构建空间坐标系，并将坐标系映射至体位信息模型中；根据Polaris光学跟踪后获取并计算的4组标记点位置构建一空间坐标系，进一步将该立体空间映射至构建体位信息的三维模型中，从而得到穿刺端口的历史位置以及解剖结构信息在体位模型中的空间坐标即空间位置。

S03、通过体位信息模型，并根据穿刺端口的历史位置与解剖结构信息确定候选穿刺端口的位置；在完成穿刺端口的历史位置以及解剖结构信息在体位模型中的映射后，需进一步分析穿刺端口历史位置与血管之间的夹角关系，步骤S03进一步可细分为：

S031、确定解剖结构信息中的靶血管；首先需确定穿刺端口历史位置与体位模型中相吻合的血管位置，在吻合的血管中选取靶血管；本实施例中选取RGA(胃右动脉)和LGA(胃左动脉)作为靶血管。

S032、在靶血管上标记穿刺端口的历史位置坐标；即将穿刺端口历史位置中的与靶血管吻合的血管的信息映射到靶血管上。

S033、根据标记后的坐标生成穿刺端口的位置；具体的，利用Polaris光学跟踪，在体位信息模型的3D腹腔镜图像中的靶血管的标记信息，计算得出以下三个角度：

θ₁，是手术钳(左右手术钳之间夹角线)与穿刺端口中(历史数据)示波器Scope的夹角；

θ2，是手术钳(左右手术钳之间夹角线)与体位信息模型中立体空间坐标系的水平面horizontal plane的夹角；

θ₃，左右手术钳之间的夹角。

根据θ₁至θ₃三个角度，可通过深度学习的方式，通过神经网络训练得到端口最佳放置角度的模型，在手术过程中，根据探针侦测的图像信息以及通过位置传感器获取的位置信息，实时生成候选的端口放置位置。实施例中，系统在体位信息模型中的三维图像中，通过绿色和黄色线条指示候选端口放置位置。

S04、生成解剖结构信息与穿刺端口的位置之间的距离；在体位信息模型中显示距离；在本发明的其他一些实施例中，可对应生成探针与候选穿刺端口位置之间的距离，并在体位信息模型中进行实时显示。

除此之外，本发明实施例提供了包括：

对应的，本发明还提供一种胃切除术端口位置导航装置，其包括：

主计算机，用于获取CT数据，根据CT数据生成体位信息模型，并将空间坐标系映射至体位信息模型中，确定穿刺端口的位置；

导航监视器，显示穿刺端口的位置以及探针与穿刺端口的位置的距离。

具体的，本装置的具体的实施步骤为：通过主计算机进行术前CT的容积再现，建立虚拟3D腹腔镜图像，并将穿刺端口的历史位置(以往的手术数据)通过光学追踪系统构建立体空间坐标系映射至3D腹腔镜图像中，构建完整的体位信息模型；并通过机器学习，根据穿刺端口的历史位置(以往的手术数据)中的三种角度条件，生成候选(最佳的)端口位置；在完成导航的过程中，通过在手术室外科医生使用带有反射标记的探针，三维位置传感器发送信号，经过反射标记反射后重吸收，经系统计算从而侦测探针位置，达到跟踪探针的目的。在导航监视器上显示跟踪的探针图像，并实时显示跟踪的探针与最佳端口之间的距离，用绿色和黄色线条指示候选端口放置。通过移动腹壁上的探针，确定最佳的候选穿刺端口位置。

本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，该处理器为实施例中的一种胃切除术端口位置导航系统中的处理器。

本说明书的实施例的功能以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务端，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

并从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

1.本发明的技术方案提供了更为开阔的视野角度、更精确的触觉感知；

2.本发明的技术方案结合穿刺端口的历史位置和解剖结构信息，确定手术端口的位置；对手术数据进行整合，生成提供了标准的、可复现的操作指引；取代经验操作，减少手术中因人为因素导致的误差；

3.本发明的技术方案的系统平均误差足够小，还可用于帮助外科新手确定腹腔镜胃切除术的端口位置。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种胃切除术端口位置导航系统，其特征在于，包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现以下步骤：

获取穿刺端口的历史位置和解剖结构信息；

获取CT数据，根据所述CT数据生成体位信息模型；

通过所述体位信息模型，并根据所述穿刺端口的历史位置与所述解剖结构信息确定候选穿刺端口的位置；

所述解剖结构信息包括血管根部位置和肚脐位置；

所述通过所述体位信息模型，并根据所述穿刺端口的历史位置与所述解剖结构信息确定候选穿刺端口的位置这一步骤，其具体包括：

确定所述解剖结构信息中的靶血管，所述靶血管包括胃左动脉和胃右动脉；

在所述靶血管上标记所述穿刺端口的历史位置坐标；

根据标记后的坐标生成候选穿刺端口的位置；

所述根据标记后的坐标生成候选穿刺端口的位置这一步骤，其具体包括：

根据所述穿刺端口的历史位置坐标生成第一夹角、第二夹角以及第三夹角，并在所述靶血管上进行标记；

根据所述第一夹角、第二夹角以及第三夹角生成候选穿刺端口的位置；

所述第一夹角，为第一手术钳和第二手术钳之间的夹角；

所述第二夹角，为第一夹角的角平分线与穿刺端口的历史位置中示波器的夹角；

所述第三夹角，为第一夹角与空间坐标系中水平面的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种胃切除术端口位置导航系统，其特征在于，至少一个处理器实现的获取CT数据，根据所述CT数据生成体位信息模型这一步骤，其具体包括：

获取所述CT数据的医学图像；

根据所述医学图像进行三维重建，得到所述体位信息模型，所述体位信息模型中的三维模型包括腹腔、胃及胃周围血管。

3.根据权利要求2所述的一种胃切除术端口位置导航系统，其特征在于：至少一个处理器实现的获取CT数据，根据所述CT数据生成体位信息模型这一步骤，具体还包括：

设置标记点，确定所述标记点的位置；

根据所述标记点的位置构建空间坐标系，并将所述坐标系映射至体位信息模型中；

所述标记点，包括以下至少之一：腹主动脉血管根部、肚脐、肠系膜上动脉发出点、门脾角和胃网膜左动脉起始处。

4.根据权利要求3所述的一种胃切除术端口位置导航系统，其特征在于：至少一个处理器实现的确定所述标记点的位置这一步骤，其具体包括：

获取所述标记点的红外信号；

根据所述红外信号确定所述标记点的位置。

5.根据权利要求1所述的一种胃切除术端口位置导航系统，其特征在于，使得所述至少一个处理器实现的步骤，其还包括：

生成探针与候选穿刺端口的位置之间的距离；

在所述体位信息模型中显示所述距离。

6.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于：所述处理器为权利要求1-5中任一项所述的一种胃切除术端口位置导航系统中的处理器。