CN111714203A - 一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法 - Google Patents

一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,该方法包括如下步骤:步骤一:通过核磁共振或CT的方式获取患者手术部位的二维扫描图像并传输至数据处理终端建立初步三维图像;步骤二:通过空间定位装置的参考架和探针对患者手术部位及周边器官特征进行数据采集,生成空间数据;步骤三:数据处理终端接收空间数据,空间数据结合初步三维图像在空间坐标系内进行计算配准;步骤四:配准后的初步三维图像通过显示器显示出来辅助进行手术导航。

Description

一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域,具体涉及一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法。
背景技术
计算机软硬技术、医学成像技术、计算机视觉和三维空间定位技术的迅猛发展以及微创外科手术的广泛应用,大大促进了计算机辅助外科技术的建立和发展,出现了计算机辅助外科手术的概念。手术导航技术来源于立体定向神经外科,将医学影像诊断技术、空间定位技术、三维图像处理技术和高性能计算机结合起来,又称无框架立体定向外科或影像导航外科。常用的手术导航系统追踪定位方式有两种:基于光学(红外线)的导航定位和电磁导航定位。手术导航系统首先根据患者CT或MRI的断层影像重建解剖结构三维模型,使医生可以从各个角度观察病灶周围的组织结构关系,在手术前制定最佳的安全的手术路线。术中医生将手术器械指向患者的某一解剖部位时,悬挂于手术床上方的红外线定位仪(或电磁定位仪)追踪定位手术工具和患者解剖结构上固定安装的红外线反射源(或磁场发生器)的位置,确定手术工具和患者之间的相对位置关系,并输入到导航系统主机,同时此手术工具位置在病人影像上实时更新显示。
越来越多不同科室的医生开始研究导航手术在临床中的应用,尽管不同科室的手术类型不同,但从导航系统的技术流程来看,包括患者图像分析、术前规划、术中配准、术中导航、术后评估等在内的导航重要环节,都可以在同一软件框架下完成;而且除针对特定手术类型的专用工具外,导航系统的硬件配置几乎完全一致。
实际上,在某些手术现场,导航系统追踪工具的方式才是限制手术导航有效应用的重要因素之一。在刚性手术工具无法进入的体内术区,基于光学的导航系统会受到限制;而电磁导航系统只需将磁感应线圈置入导管或柔性手术工具顶端便可追踪其空间位置,有其不可替代的应用优势,但其导航精度有限,且易受手术环境因素的影响。通过混合运用两种导航定位方式,就可以实现定位追踪方式的增强,从而提高导航系统的适应性。虽然国外有多家公司声称研发此类导航系统,但至今无成熟的商用系统销售。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,能够通过光磁一体化手术导航系统兼容光或磁单源的导航定位模式和光磁一体的导航定位模式,提高了手术导航系统的适应性,临床医生可根据手术类型、手术环境因素、手术精度要求和使用的手术工具类型等选择最优的导航定位模式,实现不间断跟踪,辅助临床医生准确快速实施手术,用以解决现有技术导致的缺陷。
为解决上述技术问题本发明提供以下的技术方案:一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,该方法包括如下步骤:
步骤一:通过核磁共振或CT的方式获取患者手术部位的二维扫描图像并传输至数据处理终端建立初步三维图像;
步骤二:通过空间定位装置的参考架和探针对患者手术部位及周边器官特征进行数据采集,生成空间数据;
步骤三:所述数据处理终端接收所述空间数据,所述空间数据结合所述初步三维图像在空间坐标系内进行计算配准;
步骤四:配准后的所述初步三维图像通过显示器显示出来辅助进行手术导航。
上述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,所述空间定位装置为光学定位和电磁定位结合的光磁一体化装置,所述光学定位与所述电磁定位相互补偿进行手术导航。
上述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,所述光磁一体化装置通过参考架与探针对患者手术部位及周边器官特征采集包括以下步骤:
通过所述光磁一体化装置分别通过光学导航定位系统建立坐标系COSO、通过电磁导航定位系统建立坐标系COSM
通过所述参考架分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中的坐标系,记为COSRO、COSRM,以及分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中实时坐标转换数据,记为
Figure BDA0002002676850000031
通过所述探针分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中的坐标系,记为COSPO、COSPM,以及分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中实时坐标转换数据,记为
Figure BDA0002002676850000032
生成所述空间数据,所述空间数据包括COSO、COSM、COSRO、COSRM
Figure BDA0002002676850000031
COSPO、COSPM
Figure BDA0002002676850000035
COSR、COSP,其中COSR为所述参考架采集并建立的坐标系,COSP为所述探针采集并建立的坐标系。
上述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,所述空间数据处理终端接收所述空间数据后进行实时坐标
Figure BDA0002002676850000036
Figure 100002_1
的计算,所述探针在 COSRO中的实时坐标
Figure BDA0002002676850000038
所述探针在COSRM中的实时坐标
Figure BDA0002002676850000039
其中
Figure 100002_3
Figure 100002_2
分别表示探针在光学导航定位系统坐标系下和电磁导航定位系统坐标系下的偏移量。
上述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,所述空间数据处理终端将接收所述空间数据与所述三维图像结合前需先进行配准,具体包括以下步骤:
判断所述探针光学导航追踪是否有效,若有效,则采用基于坐标系COSRO的坐标变换与所述三维图像结合进行可视化处理;
若无效,仅电磁导航追踪有效,则采用基于坐标系COSRM获得的坐标变换到坐标系COSRO下的坐标
Figure BDA0002002676850000041
再与所述三维图像结合进行可视化处理。
上述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,所述光磁一体化装置内部分别设有光学导航系统与电磁导航系统,所述参考架、所述探针均与所述光学导航系统、所述电磁导航系统连接。
上述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,所述光磁一体化装置上还分别连接有装有反光球的适配器、连接有定位线圈的柔性工具。
依据上述本发明一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法提供的技术方案效果是:光磁一体化手术导航系统兼容光或磁单源的导航定位模式和光磁一体的导航定位模式,提高了手术导航系统的适应性,临床医生可根据手术类型、手术环境因素、手术精度要求和使用的手术工具类型等选择最优的导航定位模式,实现不间断跟踪,辅助临床医生准确快速实施手术。
附图说明
图1为本发明一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法的流程图。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解,下结合具体图示,进一步阐述本发明。
本发明的第一实施例是提供一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,目的是通过光磁一体化手术导航系统兼容光或磁单源的导航定位模式和光磁一体的导航定位模式,提高了手术导航系统的适应性,临床医生可根据手术类型、手术环境因素、手术精度要求和使用的手术工具类型等选择最优的导航定位模式,实现不间断跟踪,辅助临床医生准确快速实施手术。
如图1所示,一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其中,该方法包括如下步骤:
步骤一:通过核磁共振或CT的方式获取患者手术部位的二维扫描图像并传输至数据处理终端建立初步三维图像;
步骤二:通过空间定位装置的参考架和探针对患者手术部位及周边器官特征进行数据采集,生成空间数据;
步骤三:数据处理终端接收空间数据,空间数据结合初步三维图像在空间坐标系内进行计算配准;
步骤四:配准后的初步三维图像通过显示器显示出来辅助进行手术导航。
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,采用的空间定位装置为光学定位和电磁定位结合的光磁一体化装置,光学定位与电磁定位相互补偿进行手术导航。
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,采用的光磁一体化装置通过参考架与探针对患者手术部位及周边器官特征采集包括以下步骤:
通过光磁一体化装置分别通过光学导航定位系统建立坐标系COSO、通过电磁导航定位系统建立坐标系COSM
通过参考架分别采集在光学导航定位系统、电磁导航定位系统中的坐标系,记为COSRO、COSRM,以及分别采集在光学导航定位系统、电磁导航定位系统中实时坐标转换数据,记为
Figure BDA0002002676850000051
通过探针分别采集在光学导航定位系统、电磁导航定位系统中的坐标系,记为COSPO、COSPM,以及分别采集在光学导航定位系统、电磁导航定位系统中实时坐标转换数据,记为
Figure BDA0002002676850000052
生成空间数据,空间数据包括COSO、COSM、COSRO、COSRM
Figure BDA0002002676850000053
COSPO、 COSPM
Figure BDA0002002676850000054
COSR、COSP,其中COSR为参考架采集并建立的坐标系,COSP为探针采集并建立的坐标系;
探针和参考架在不同模式定位系统下的坐标系和实时坐标转换数据如下表1所示:
Figure BDA0002002676850000061
表1
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,采用的空间数据处理终端接收空间数据后进行实时坐标
Figure BDA0002002676850000062
Figure BDA0002002676850000063
的计算,探针在COSRO中的实时坐标
Figure BDA0002002676850000064
探针在COSRM中的实时坐标
Figure BDA0002002676850000065
Figure BDA0002002676850000066
其中
Figure BDA0002002676850000067
Figure BDA0002002676850000068
分别表示探针在光学导航定位系统坐标系下和电磁导航定位系统坐标系下的偏移量;
由于参考架的COSRO和COSRM之间的相对关系是固定的,即光学导航定位系统与电磁导航定位系统坐标系的坐标变换值
Figure BDA0002002676850000069
是固定的;对光磁一体化手术导航系统进行临床模拟使用,保证全程两种导航定位模式同时可被识别,使用探针在患者模型上取n个点(n≥3且不共线),根据公式
Figure BDA00020026768500000610
Figure BDA00020026768500000611
其中i=1,2,……n,可得到
Figure BDA00020026768500000612
作为一个常数可在以后的术中注册配准及术中导航过程实现两种定位系统坐标系的坐标变换。
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,采用的空间数据处理终端将接收空间数据与三维图像结合前需先进行配准,具体包括以下步骤:
判断探针光学导航追踪是否有效,若有效,则采用基于坐标系COSRO的坐标变换与三维图像结合进行可视化处理;
若无效,仅电磁导航追踪有效,则采用基于坐标系COSRM获得的坐标变换到坐标系COSRO下的坐标
Figure BDA0002002676850000071
再与三维图像结合进行可视化处理;
当手术导航系统的光、磁功能同时运行并进行术中注册配准时,若探针光学导航追踪有效,则软件系统采用基于坐标系COSRO的坐标
Figure BDA0002002676850000072
若一体式探针光学导航追踪无效,仅电磁导航追踪有效,则配准点的坐标变换有:
Figure BDA0002002676850000073
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,采用的光磁一体化装置内部分别设有光学导航系统与电磁导航系统,参考架、探针均与光学导航系统、电磁导航系统连接。
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,采用的,光磁一体化装置上还分别连接有装有反光球的适配器、连接有定位线圈的柔性工具;
本实施例提供的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法具有三种导航定位模式:
1.对于应用于体外,常规的刚性工具,将装有反光球的适配器将其引入导航系统,基于光学导航定位系统坐标系COSO下进行可视化处理;
2.对于深入体内的柔性工具,在工具顶端安装定位线圈,通过磁场发生器实现实时追踪,基于电磁导航定位系统坐标系COSM下进行可视化处理;
3.由于术中病灶区域和操作空间限制,一些工具使用时容易被遮挡,可使用一体式导航手术工具,利用光学导航定位系统和电磁导航定位系统两种方法结合定位,术中由计算机控制,根据可见性、精度等条件自动切换到最优的定位模式,实现不间断跟踪。
综上,本发明的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,能够通过光磁一体化手术导航系统兼容光或磁单源的导航定位模式和光磁一体的导航定位模式,提高了手术导航系统的适应性,临床医生可根据手术类型、手术环境因素、手术精度要求和使用的手术工具类型等选择最优的导航定位模式,实现不间断跟踪,辅助临床医生准确快速实施手术。
以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,发明并不局限于上述特定实施方式,其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换,这并不影响发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一:通过核磁共振或CT的方式获取患者手术部位的二维扫描图像并传输至数据处理终端建立初步三维图像;
步骤二:通过空间定位装置的参考架和探针对患者手术部位及周边器官特征进行数据采集,生成空间数据;
步骤三:所述数据处理终端接收所述空间数据,所述空间数据结合所述初步三维图像在空间坐标系内进行计算配准;
步骤四:配准后的所述初步三维图像通过显示器显示出来辅助进行手术导航。
2.如权利要求1所述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,所述空间定位装置为光学定位和电磁定位结合的光磁一体化装置,所述光学定位与所述电磁定位相互补偿进行手术导航。
3.如权利要求2所述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,所述光磁一体化装置通过参考架与探针对患者手术部位及周边器官特征采集包括以下步骤:
通过所述光磁一体化装置分别通过光学导航定位系统建立坐标系COSO、通过电磁导航定位系统建立坐标系COSM
通过所述参考架分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中的坐标系,记为COSRO、COSRM,以及分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中实时坐标转换数据,记为
Figure FDA0002002676840000011
通过所述探针分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中的坐标系,记为COSPO、COSPM,以及分别采集在所述光学导航定位系统、所述电磁导航定位系统中实时坐标转换数据,记为
Figure FDA0002002676840000012
生成所述空间数据,所述空间数据包括COSO、COSM、COSRO、COSRM
Figure 1
Figure 2
COSR、COSP,其中COSR为所述参考架采集并建立的坐标系,COSP为所述探针采集并建立的坐标系。
4.如权利要求3所述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,所述空间数据处理终端接收所述空间数据后进行实时坐标
Figure FDA0002002676840000022
Figure 3
的计算,所述探针在COSRO中的实时坐标
Figure FDA0002002676840000025
所述探针在COSRM中的实时坐标
Figure FDA0002002676840000026
其中
Figure FDA0002002676840000027
Figure FDA0002002676840000028
分别表示探针在光学导航定位系统坐标系下和电磁导航定位系统坐标系下的偏移量。
5.如权利要求4所述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,所述空间数据处理终端将接收所述空间数据与所述三维图像结合前需先进行配准,具体包括以下步骤:
判断所述探针光学导航追踪是否有效,若有效,则采用基于坐标系COSRO的坐标变换与所述三维图像结合进行可视化处理;
若无效,仅电磁导航追踪有效,则采用基于坐标系COSRM获得的坐标变换到坐标系COSRO下的坐标
Figure FDA0002002676840000029
再与所述三维图像结合进行可视化处理。
6.如权利要求5所述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,所述光磁一体化装置内部分别设有光学导航系统与电磁导航系统,所述参考架、所述探针均与所述光学导航系统、所述电磁导航系统连接。
7.如权利要求6所述的一种光学定位与电磁定位结合的手术导航方法,其特征在于,所述光磁一体化装置上还分别连接有装有反光球的适配器、连接有定位线圈的柔性工具。
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