CN111728695B - 一种用于开颅手术的光束辅助定位系统 - Google Patents

一种用于开颅手术的光束辅助定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于开颅手术的光束辅助定位方法及定位系统，该系统包括术前规划系统、光束定位装置和具有三维坐标系配准功能的双目视觉相机；定位方法包括：1)基于CT图像对患者颅骨面和头皮进行三维视图重建；2)在三维视图中标记患者头部贴片并规划颅骨开窗路径和头皮切口路径；3)利用双目视觉相机探测患者头部和光束发射装置处的贴片以通过空间配准得到三维视图坐标系与光束坐标系之间的变换关系，以准确驱动光束发射装置发射的光束与规划手术路径一致；4)医生最终通过光束移动方式确认最终头皮切口路径和颅骨开窗路径；该定位方法及系避免过度人为经验依赖，减少术前准备时间，缓解医务人员疲劳，提高开颅手术的安全性与合理性。

Description

一种用于开颅手术的光束辅助定位系统
技术领域
本发明涉及神经外科手术领域，具体涉及一种用于开颅手术的光束辅助定位系统。
背景技术
开颅手术，亦称穿颅术，是颅骨外科手术的一种，指通过机械设备打开患者颅骨，从而进行一些非常规治疗。开颅操作存在术前定位标志漂移等问题，该手术要求医生有较高的操作技巧，手术定位难度大等缺点。在开颅手术前，医务人员根据病灶确定头皮切口与颅骨开窗的手术路径，但是传统手术并不能精确地呈现出颅骨开窗路径，以至于医务人员只能根据经验进行开窗行为，容易存在偏差，该偏差可能导致开窗偏移，还需进行进一步的颅骨开窗与边缘磨削操作。
已公开专利CN109620405A提出了一种开颅手术体表切口的移动增强现实导航办法，该方法步骤较复杂，需要打印识别图像，且需要在患者头皮上贴识别头像，定位精度步不高。已公开专利CN109493943A提出了一种结合光学手术导航的三维可视化开颅定位方法，该方法结构复杂，需要医生长时间手持探针移动，多次对比得以确定规划路径，增加了医生工作量，延长术前准备时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够缩短术前准备时间，减小患者创口的用于开颅手术的光束辅助定位系统。
为此，本发明技术方案如下：
一种用于开颅手术的光束辅助定位方法，具体步骤如下：
S1、采集病人的颅骨CT图像，利用其CT切片数据在图像坐标系下进行多表面重建，得到包含患者颅骨面和头皮的横断面视图、矢状面视图、冠状面视图和三维视图；
S2、在由步骤S1重建得到的四张立体视图中标记病灶区域和贴敷在患者头部的多个第一标记点，并根据病灶区域所在位置在四张立体视图中以隐藏患者头皮显示颅骨面的模式勾勒出颅骨开窗路径，接着以显示患者头皮的模式绘勾勒出头皮切口路径；
S3、利用双目视觉相机同时探测贴敷在患者头部的多个第一标记点和用于设置光束发射装置的六自由度机械臂末端的多个第二标记点的位置信息，并结合标记在头皮皮肤表面三维模型上的多个第一标记点的位置信息，将双目视觉相机位置所对应的光学坐标系、患者位置所对应的患者坐标系、光束发射装置发射的光束位置所对应光束坐标系和图像坐标系进行空间配准，得到图像坐标系与光束坐标系之间的变换关系，以实现固定在六自由度机械臂末端的光束发射装置发射的光束能够按照步骤S2中勾勒的颅骨开窗路径和头皮切口路径在患者头部进行移动；
S4、医生根据步骤S3中的光束移动路径观察头皮切口路径和颅骨开窗路径；若该头皮切口路径和颅骨开窗路径不满足手术要求，则重复步骤S1～S3；若该头皮切口路径和颅骨开窗路径确认为最佳头皮切口路径和最佳颅骨开窗路径，则使用记号笔依次在患者头皮上跟随光束发射装置发射的光束标记出头皮切口路径和颅骨开窗路径。
进一步地，步骤S1的四种视图的图像构建方法采用如下步骤实现：
S101、利用ITK函数库对载入的CT切片数据进行读取并根据灰度值对CT切片数据中的肌肉数据点、骨骼数据点和皮肤数据点进行分类并通过重新赋值使不同类别的数据点在图像中显示出不同的颜色；
S102、对肌肉数据点和皮肤数据点进行不透明值处理，然后调用VTK函数库中的Marching·Cubes算法，对由骨骼数据点集B构成的二维CT图像进行轮廓识别、提取、合成，在图像坐标系下构建患者的颅骨三维模型；
S103、对肌肉数据点和骨骼数据点进行不透明值处理，然后调用VTK函数库中的Ray·Casting算法，对皮肤数据点集C构成的二维CT图像进行轮廓识别、提取、合成，在相同图像坐标系下构建患者的头皮皮肤表面三维模型；
S104、将软件开发平台QT Creator与VTK结合，将步骤S102构建的颅骨三维模型和步骤S103构建的皮肤表面三维模型显示在QT界面中，并通过算法进行处理，实时显示患者颅骨面和头皮皮肤的横断面视图、矢状面视图、冠状面视图和三维视图。
进一步地，贴敷在患者头部的多个第一标记点为双目视觉相机配套使用的贴片，其分别贴敷在患者眉心、鼻前棘、左右眼眶、左右颞骨、左右外耳道，贴敷个数为8个。
进一步地，贴敷在六自由度机械臂末端的第二标记点位于光束发射装置发射的线性光束的延长线上。
一种实现上述用于开颅手术的光束辅助定位方法的光束辅助定位系统，包括术前规划系统、光束定位装置和具有三维坐标系配准功能的双目视觉相机；其中，术前规划系统包括处理器和与处理器连接的显示器；光束定位装置包括设置在台车上的六自由度机械臂、设置在六自由度机械臂末端的光束发射器、以及控制六自由度机械臂运动的机械臂控制器；双目视觉相机设置在相机支架上；双目视觉相机、机械臂控制器分别与处理器通过有线或无线的方式连接。
与现有技术相比，该用于开颅手术的光束辅助定位方法及定位系统克服了传统手术方式中医生在手术现场依靠经验确定头皮切口路径和颅骨开窗路径的过程中颅骨暴露面积过大导致术后头皮缝合时间过长的问题，以及颅骨切除时颅骨表面标记不精准导致切骨面积过大或过小，甚至难以愈合颅骨缺损的问题；本申请通过术前规划系统、光束定位装置和双目视觉相机之间的相互配合，实现机械臂携带光束发射模块直观呈现出医生根据医学影像规划出的头皮切口路径和颅骨开窗路径，并能够在术前进行确认和快速调整确定最佳头皮切口路径和最佳颅骨开窗路径，避免过度人为经验依赖产生的问题，减少术前准备时间，缓解医务人员疲劳，提高开颅手术的安全性与合理性。
附图说明
图1为本发明的用于开颅手术的光束辅助定位方法实施对应的光束辅助定位系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例2中患者颅骨的CT图像；
图3(a)为本发明的实施例2中基于患者颅骨的CT图像处理得到的横断面视图；
图3(b)为本发明的实施例2中基于患者颅骨的CT图像处理得到的矢状面视图；
图3(c)为本发明的实施例2中基于患者颅骨的CT图像处理得到的冠状面视图；
图3(d)为本发明的实施例2中基于患者颅骨的CT图像处理得到的三维视图；
图4为本发明的实施例2中利用光束发射器勾勒出的头皮切口路径颅骨开窗路径；
图5为本发明的实施例2中利用光束发射器勾勒出的颅骨开窗路径。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
如图1所示，一种光束辅助定位系统，包括术前规划系统、光束定位装置和具有三维坐标系配准功能的双目视觉相机；其中，术前规划系统包括处理器和与处理器连接的显示器；光束定位装置包括设置在台车上的六自由度机械臂、设置在六自由度机械臂末端的光束发射器、以及控制六自由度机械臂运动的机械臂控制器；双目视觉相机设置在相机支架上；双目视觉相机、机械臂控制器分别与处理器通过有线或无线的方式连接。
实施例2
一种基于实施例1的光束辅助定位系统实现的用于开颅手术的光束辅助定位方法，具体步骤如下：
S1、如图2所示，采集病人的颅骨CT图像，利用其CT切片数据在图像坐标系下进行多表面重建，得到如图3(a)～图3(d)所示的患者颅骨面和头皮的横断面视图、矢状面视图、冠状面视图和三维视图；；
在该步骤S1中，图像处理是基于开发工具VTK实现的，具体步骤为：
S101、利用ITK函数库对载入的CT切片数据进行读取；利用肌肉、骨骼和皮肤具有不同的密度因而在CT图像中具有不同的像素灰度值，对CT切片数据中的灰度值进行阈值分割，通过设定合理的阈值范围进行分类，具体地，将阈值范围在-5～135时数据点归纳为肌肉数据数点集A，并将肌肉数据数点集A内的所有数据点重新赋值，使其在图像中显示为红色；将阈值范围在226～2896时数据点归纳为骨骼数据点集B，并将骨骼数据数点集B内的所有数据点重新赋值，使其在图像中显示为蓝色；阈值范围在-718～-177时数据点归纳为皮肤数据点集C，并将皮肤数据数点集C内的所有数据点重新赋值为，使其在图像中显示为绿色；
S102、对肌肉数据点集A和皮肤数据点集C的各数据点进行不透明值处理，然后调用VTK函数库中的Marching·Cubes算法，对由骨骼数据点集B构成的二维CT图像进行轮廓识别、提取、合成，在图像坐标系下构建患者的颅骨三维模型；
S103、对肌肉数据点集A和骨骼数据点集B的各数据点进行不透明值处理，然后调用VTK函数库中的Ray·Casting算法，对皮肤数据点集C构成的二维CT图像进行轮廓识别、提取、合成，在相同图像坐标系下构建患者的头皮皮肤表面三维模型；
S104、将软件开发平台QT Creator与VTK结合，将步骤S102构建的颅骨三维模型和步骤S103构建的皮肤表面三维模型的显示在QT界面中，并通过算法进行处理，实时显示患者颅骨面和头皮皮肤的横断面视图、矢状面视图、冠状面视图和三维视图；
S2、在由步骤S1重建得到的四张立体视图中标记病灶区域和贴敷在患者头部的多个第一标记点，并根据病灶区域所在位置在四张立体视图中以隐藏患者头皮显示颅骨面的模式勾勒出颅骨开窗路径，接着以显示患者头皮的模式绘勾勒出头皮切口路径；具体地，第一标记点具体为双目视觉相机配套使用的贴片，其数量为8个，其分别贴敷在患者眉心、鼻前棘、左右眼眶、、左右外耳道；
医生在术前规划模块呈现出的界面中进行图像窗口位置调节，图像放缩，旋转，平移等操作，观察病灶区域，进行病灶标记，在立体图中把头皮表面隐藏，露出颅骨面，确定最佳颅骨开窗位置，在立体图像中规划最佳颅骨开窗路径。该路径呈现在立体图像中，医生能够通过移动拖拽模块中视图的方式直观观察开窗位置是否符合最佳位置，该规划路径称为规划1；
医生在立体图中显示头皮表面，并在术前规划模块中进行病灶分析，确定最佳头皮切口位置，在立体图像中规划最佳头皮切口路径，该路径呈现在立体图像中，医生能够通过移动拖拽模块中视图的方式直观观察切口位置是否符合最佳头皮切口位置，该规划路径称为规划2；
S3、利用双目视觉相机探测贴敷在患者头部的多个第一标记点，获取双目视觉相机位置对应的光学坐标系与患者位置对应的患者坐标系之间的相对关系，即得到光学坐标系与患者坐标系之间的第一坐标变换公式；通过在图像坐标系下的头皮皮肤表面三维模型上标记多个第一标记点的贴敷位置获取图像坐标系与患者坐标系之间的相对关系，即得到图像坐标系与患者坐标系之间的第二坐标变换公式；利用双目视觉相机探测贴敷在六自由度机械臂末端的第二标记点，获取双目视觉相机位置对应的光学坐标系与光束发射装置发射的光束位置对应光束坐标系的相对关系，即得到光学坐标系与光束坐标系之间的第三坐标变换公式；进而基于第一坐标变换公式、第二坐标变换公式和第三坐标变换公式得到图像坐标系与光束坐标系之间的第四坐标变换公式，完成空间配准，从而实现固定在六自由度机械臂末端的光束发射装置发射的光束能够按照步骤S2中勾勒的颅骨开窗路径和头皮切口路径在患者头部进行移动；其中，贴敷在六自由度机械臂末端的第二标记点位于光束发射装置发射的线性光束的延长线上；
S4、医生根据步骤S3中的光束移动路径观察头皮切口路径和颅骨开窗路径；具体地，
如图4所示，保证光束定位模块中机械臂末端光束发射模块发射的光束照射在患者头皮表面是根据术前规划模块生成的规划2进行单次或循环移动，为医生显示出规划2的位置，供医生能够直观检查规划2在实际操作中是否满足手术要求，之后，医生跟随光束发射装置照射在患者头皮上的光束点用记号笔进行头皮路径标记；
如图5所示，保证光束定位模块中机械臂末端光束发射模块发射的光束照射在患者头皮表面是根据术前规单次或者循环移动，为医生显示出规划1的位置，供医生能够划模块生成的规划1进行直观检查规划1在实际操作中是否满足手术要求，之后，医生跟随光束发射装置照射在患者颅骨上的光束点用记号笔进行了颅骨路径标记。

Claims (3)

1.一种用于开颅手术的光束辅助定位系统，其特征在于，包括术前规划系统、光束定位装置和具有三维坐标系配准功能的双目视觉相机；其中，术前规划系统包括处理器和与处理器连接的显示器；光束定位装置包括设置在台车上的六自由度机械臂、设置在六自由度机械臂末端的光束发射器、以及控制六自由度机械臂运动的机械臂控制器；双目视觉相机设置在相机支架上；双目视觉相机、机械臂控制器分别与处理器通过有线或无线的方式连接；
采用该系统实现光束辅助定位的方法为：
S1、采集病人的颅骨CT图像，利用其CT切片数据在图像坐标系下进行多表面重建，得到包含患者颅骨面和头皮的横断面视图、矢状面视图、冠状面视图和三维视图；步骤S1的具体步骤为：
S101、利用ITK函数库对载入的CT切片数据进行读取并根据灰度值对CT切片数据中的肌肉数据点、骨骼数据点和皮肤数据点进行分类并赋予不同的显示颜色；
S102、对肌肉数据点和皮肤数据点进行不透明值处理，然后调用VTK函数库中的Marching·Cubes算法，对由骨骼数据点集B构成的二维CT图像进行轮廓识别、提取、合成，在图像坐标系下构建患者的颅骨三维模型；
S103、对肌肉数据点和骨骼数据点进行不透明值处理，然后调用VTK函数库中的Ray·Casting算法，对皮肤数据点集C构成的二维CT图像进行轮廓识别、提取、合成，在相同图像坐标系下构建患者的头皮皮肤表面三维模型；
S104、将软件开发平台QT Creator与VTK结合，将步骤S102构建的颅骨三维模型和步骤S103构建的皮肤表面三维模型显示在QT界面中，并通过算法进行处理，实时显示患者颅骨面和头皮皮肤的横断面视图、矢状面视图、冠状面视图和三维视图；
S2、在由步骤S1重建得到的四张立体视图中标记病灶区域和贴敷在患者头部的多个第一标记点，并根据病灶区域所在位置在四张立体视图中以隐藏患者头皮显示颅骨面的模式勾勒出颅骨开窗路径，接着以显示患者头皮的模式勾勒出头皮切口路径；
S3、利用双目视觉相机同时探测贴敷在患者头部的多个第一标记点和贴敷在用于设置光束发射装置的六自由度机械臂末端的多个第二标记点的位置信息，并结合标记在头皮皮肤表面三维模型上的多个第一标记点的位置信息，将双目视觉相机位置所对应的光学坐标系、患者位置所对应的患者坐标系、光束发射装置发射的光束位置所对应光束坐标系和图像坐标系进行空间配准，得到图像坐标系与光束坐标系之间的变换关系，以实现固定在六自由度机械臂末端的光束发射装置发射的光束能够按照步骤S2中勾勒的颅骨开窗路径和头皮切口路径在患者头部进行移动；
S4、医生根据步骤S3中的光束移动路径观察头皮切口路径和颅骨开窗路径；若该头皮切口路径和颅骨开窗路径存在问题，则重复步骤S1~S3；若该头皮切口路径和颅骨开窗路径确认为最佳头皮切口路径和最佳颅骨开窗路径，则使用记号笔依次在患者头皮上跟随光束发射装置发射的光束标记出头皮切口路径和颅骨开窗路径。
2.根据权利要求1所述的用于开颅手术的光束辅助定位系统，其特征在于，贴敷在患者头部的多个第一标记点为双目视觉相机配套使用的贴片，其分别贴敷在患者眉心、鼻前棘、左右眼眶、左右颞骨、左右外耳道，贴敷个数为8个。
3.根据权利要求1所述的用于开颅手术的光束辅助定位系统，其特征在于，贴敷在六自由度机械臂末端的第二标记点位于光束发射装置发射的线性光束的延长线上。
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