CN111803212A - 一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置及方法，属于植入手术系统领域，包括头架、钛钉、探针、标记点、双目跟踪传感器和计算机分析模块，其中：钛钉用于植入到患者侧耳廓后；所述探针安装在头架一侧，用于连接钛钉；标记点包括分别安装在探针、头架上的标记点，双目跟踪传感器用于采集标记点的空间坐标；计算机分析模块与双目传感器通讯连接，通过探针与头部钛钉的连接来计算钛钉以头架为参照系下的空间坐标和位置，与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行配准。本发明根据探针和头架的标记点以及钛钉和患者耳蜗的CT图像统一到参考坐标系下，能够精确的对手术工具进行定位，并根据术前规划进行导航，便于医生操作。

Description

一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准系统及方法
技术领域
本发明涉及人工耳蜗植入手术系统领域，尤其涉及一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准系统及方法。
背景技术
耳蜗是外周听觉系统的组成部分，其核心为听觉传到器官柯蒂氏器，它将来自中耳的声音信号转换为相应的神经电信号，交送脑的中枢听觉系统进行进一步处理。绝大多数感音神经性聋的病理基础是源于毛细胞的扫视或功能缺陷，人工耳蜗可由体外语言处理器将声音转换为一定编码形式的电信号，通过植入体内的电极系统直接兴奋听神经来恢复或重建聋人的听觉功能。
人工耳蜗植入手术的实质就是将人工耳蜗体内部分放入耳后的皮下和颅骨外并固定。该手术对执行者的要求极高，需要在不损伤电极的情况下，将电极深深地插入鼓阶内，在不损伤电极和植入体的同时，也不能损伤电极和植入体周围的结构，如头皮，外耳道，鼓膜，面神经等，因此手术过程存在一定风险，如损坏前庭系统或面神经等，并且目前仍未找到较好的解决方法。随着计算机和视觉等技术的发展，导航下的微创手术逐渐推广，不仅减小了手术创伤，还提高了手术精度。进行导航手术最关键的两个问题在于人体术区器官组织和手术器材工作空间的配准和实时导航。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准系统及方法，用于在人工耳蜗植入手术过程中对手术工具进行定位和导航，协助医生，以提高手术精度，降低手术风险。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，包括头架、钛钉、探针、标记点、所述图像分析模块、双目跟踪传感器和计算机分析模块，其中：
所述头架用于手术时对患者头部进行支撑固定；
所述钛钉用于植入到患者侧耳廓后；
所述探针安装在头架一侧，用于连接钛钉；
所述标记点包括分别安装在探针、头架上的标记点，与双目跟踪传感器连接，所述双目跟踪传感器用于采集标记点的空间坐标；
所述计算机分析模块与双目传感器通讯连接，用于读取各组标记点的空间坐标并进行计算，并从图像分析模块中获取患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置，通过探针与头部钛钉的连接来计算钛钉以头架为参照系下的空间坐标和位置，并与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行配准。
进一步地，还包括图像分析模块，所述图像分析模块用于根据患者的头部CT图像对患者钛钉、耳蜗及周围组织进行分割和三维重建以获得各自坐标和相对位置关系。
进一步地，所述图像分析模块可以采用传统的医疗图像分析软件。
进一步地，所述计算机分析模块通过构建头架的空间坐标系并根据探针的机械尺寸计算计算钛钉以头架为参照系下的空间坐标和位置。
进一步地，所述标记点还包括用于安装在手术工具上的标记点，所述计算机分析模块通过所述双目跟踪传感器定位手术工具上的标记点计算手术工具末端以头架参照系下的空间坐标实现手术过程的导航。
进一步地，所述钛钉的顶部设有用于探针末端插入的凹槽。
进一步地，所述钛钉为采用钛合金材料的螺钉。
进一步地，所述头架包括U型固定架和与U型固定架连接的安装部，所述U型固定架的开口宽度可调，用于固定患者头部，所述安装部用于将头架固定在手术床上。
进一步地，所述U型固定架的一个侧臂内侧连接有带有喇叭状末端的第一固定部，另一侧臂内侧连接有带有弧形末端的第二固定部，通过第一固定部、第二固定部固定患者头部；所述探针通过支架连接在第二固定部上。
进一步地，所述U型固定架通过调节旋钮调节两个侧壁的开口宽度。
另一方面，提供一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准方法，包括如下步骤：
S1.通过双目跟踪传感器分别采集探针及头架上的标记点的空间坐标，其中探针末端用于与患者头部的钛钉连接；并获取患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置；
S2.构建头架的空间坐标系，并根据探针的机械尺寸、探针和头架在双目跟踪传感器下的坐标计算出钛钉在头架参照系下的空间坐标，与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行钛钉配准。
进一步地，还包括步骤S3：通过双目跟踪传感器采集手术工具上的标记点的空间坐标，结合手术工具的物理尺寸将器械末端坐标转换为头架参照系的空间坐标实现手术工具的定位和导航。
进一步地，步骤S1中，所述患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置从图像分析模块中获取，所述图像分析模块根据患者头部CT扫描影像对患者头部的钛钉、外耳道、耳蜗及周围组织进行三维重建，获得在影像空间中的各自坐标和相对位置关系。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置及方法，根据探针和头架的标记点以及钛钉和患者耳蜗的CT图像统一到参考坐标系下，能够精确的对手术工具进行定位，并根据术前规划进行导航，便于医生操作，提高了手术的精度，降低了手术风险和对患者可能的损伤。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置的一个实施例的局部结构示意图；
图3是本发明的人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置的头架的一个实施例的结构示意图；
图4是本发明的人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置的钛钉的一个实施例的结构示意图；
图5是本发明的人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置的探针和钛钉的一个结合实施例的局部结构示意图；
图中，各部件的标记如下：
1-手术床2-患者3-钛钉4-探针5-标记点6-头架7-双目传感器603-安装部(弹簧夹)401-探针首端402-探针末端。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。
本发明提供一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置的实施例，如图1至图5所示，包括头架6、钛钉3、探针4、标记点5、双目跟踪传感器7、计算机分析模块和分析处理模块，其中：
头架6用于手术时对患者头部进行支撑固定；
钛钉3用于植入到患者侧耳廓后；
探针4安装在头架6一侧，用于连接钛钉3；
标记点5包括分别安装在探针4、头架6上的标记点，与双目跟踪传感器7连接，双目跟踪传感器7用于采集标记点的空间坐标；
计算机分析模块与双目传感器7通讯连接，用于读取各组标记点的空间坐标并进行计算，并从图像分析模块中获取患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置，通过探针与头部钛钉的连接来计算钛钉以头架为参照系下的空间坐标和位置，并与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行配准。
本发明在使用时，手术前在患者术侧耳廓后植入四根钛钉3，对患者2进行头部CT扫描，使用图像处理模块(可以为传统医疗图像软件)对钛钉、耳蜗及周围组织进行分割和三维重建，在影像空间中获得其各自坐标和相对位置关系，根据手术需求进行三维手术路径的规划。手术时，患者2平躺于手术床1上，头部侧放，植入钛钉侧朝上方；将头架6固定在手术床上，调整头架夹紧头部，保证手术时人体头部的稳定。然后依次将探针末端依次插入到各个钛钉3顶部的凹槽中，探针、头架上的标记点可被双目跟踪传感器所识别；双目跟踪传感器7可获得探针4和头架6上的标记点5的空间坐标。计算机分析模块通过构建头架6的空间坐标系，根据探针4的机械尺寸，探针4和头架6在双目跟踪传感器7下的坐标计算出钛钉在头架6参照系下的空间坐标。根据在影像分割(三维重组)中获得的钛钉3与耳蜗及其周围组织之间的空间位置关系和探针采集中获得的钛钉3在头架6参照系下的空间坐标，可以计算出头架6参照系下患者耳蜗及其周围组织的空间坐标和位置，配准结束。
上述实施例中，图像分析模块(可以为传统医疗图像软件)用于根据患者的头部CT图像对患者钛钉、耳蜗及周围组织进行分割和三维重建以获得各自坐标和相对位置关系。
本发明用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置及方法，根据探针和头架的标记点以及钛钉和患者耳蜗的CT图像统一到参考坐标系下，能够精确的对手术工具进行定位，并根据术前规划进行导航，便于医生操作，提高了手术的精度，降低了手术风险和对患者可能的损伤。
以钛钉配准进行手术工具的定位与导航，标记点5还包括用于安装在手术工具上的标记点，计算机分析模块通过双目跟踪传感器7定位手术工具上的标记点5计算手术工具末端以头架6参照系下的空间坐标，实现手术过程的导航。进行人工耳蜗植入手术时，手术工具上有标记点5，手术的过程中，通过双目跟踪传感器7对器械进行定位，结合手术工具的物理尺寸将器械末端坐标转换到头架6参照系下，实现了手术过程中的器械导航。
进一步地，探针4包括探针首端401和与其连接的探针末端402，探针首端401上设有若干标记点5，标记点5的数量为五个。
进一步地，钛钉3的顶部设有用于探针末端402插入的凹槽。是一种采用钛合金材料的特殊螺钉。
进一步地，头架6包括U型固定架和与U型固定架连接的安装部603，U型固定架的开口宽度可调，用于固定患者头部，安装部603用于将头架6固定在手术床1上。安装部603可以为弹簧夹。
进一步地，U型固定架的一个侧臂602内侧连接有带有喇叭状末端的第一固定部，另一侧臂601内侧连接有带有弧形末端的第二固定部，通过第一固定部、第二固定部固定患者头部；探针4通过支架连接在第二固定部上。
进一步地，U型固定架通过调节旋钮调节两个侧壁的开口宽度。
上述实施例中，固定头部是指手术过程中患者头部2与头架6始终保持相对静止，头架6、探针4上的标记点5可被双目跟踪传感器7所识别。
上述实施例中，
另一方面，提供一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准方法，可采用上述钛钉配准系统配准，包括如下步骤：
S1.通过双目跟踪传感器分别采集探针及头架上的标记点的空间坐标，其中探针末端用于与患者头部的钛钉连接；并获取患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置；
患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置从图像分析模块中获取，所述图像分析模块根据患者头部CT扫描影像对患者头部的钛钉、外耳道、耳蜗及周围组织进行三维重建，获得在影像空间中的各自坐标和相对位置关系；
S2.构建头架的空间坐标系，并根据探针的机械尺寸、探针和头架在双目跟踪传感器下的坐标计算出钛钉在头架参照系下的空间坐标，与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行钛钉配准。
根据在影像分割(三维重建)中获得的钛钉与耳蜗及其周围组织之间的空间位置关系和探针采集中获得的钛钉在头架参照系下的空间坐标，可以计算出头架参照系下患者耳蜗及其周围组织的空间坐标和位置，配准结束。
进一步地，还包括步骤3-手术工具的定位方法：通过双目跟踪传感器采集手术工具上的标记点的空间坐标，结合手术工具的物理尺寸将器械末端坐标转换为头架参照系的空间坐标实现手术工具的定位和导航。
本发明的一个具体实施例可以为：
参照图1和图2，手术前在患者术侧耳廓后植入4根钛钉，对患者进行头部CT扫描，使用计算机对钛钉3、耳蜗及周围组织进行三维重建，在影像空间中获得其各自坐标和相对位置关系，根据手术需求进行三维手术路径的规划。
参照图3，手术时，患者2平躺于手术床1上，头部侧放，植入钛钉侧朝上方；将头架6弹簧夹603夹在手术床1上，依次调整左侧臂602和右侧臂601，夹紧人体头部，保证手术时人体头部的稳定。
参照图4和图5，依次将探针末端402依次插入到各个钛钉3顶部的凹槽中，探针首端401上的标记点5可被双目跟踪传感器7所识别；双目跟踪传感器7可获得探针4和头架6上的标记点5的空间坐标。
构建头架6的空间坐标系，根据探针4的机械尺寸，探针4和头架6在双目跟踪传感器7下的坐标计算出钛钉在头架6参照系下的空间坐标。
根据在影像分割(三维重建)中获得的钛钉3与耳蜗及其周围组织之间的空间位置关系和探针采集中获得的钛钉3在头架6参照系下的空间坐标，可以计算出头架6参照系下患者耳蜗及其周围组织的空间坐标和位置，配准结束。
进行人工耳蜗植入手术，手术工具上有标记点5，手术的过程中，通过双目跟踪传感器7对器械进行定位，结合手术工具的物理尺寸将器械末端坐标转换到头架6参照系下，实现了手术过程中的器械导航。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，包括头架、钛钉、探针、标记点、双目跟踪传感器和计算机分析模块，其中：
所述头架用于手术时对患者头部进行支撑固定；
所述钛钉用于植入到患者侧耳廓后；
所述探针安装在头架一侧，用于连接钛钉；
所述标记点包括分别安装在探针、头架上的标记点，与双目跟踪传感器连接，所述双目跟踪传感器用于采集标记点的空间坐标；
所述计算机分析模块与双目传感器通讯连接，用于读取各组标记点的空间坐标并进行计算，并从图像分析模块中获取患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置，通过探针与头部钛钉的连接来计算钛钉以头架为参照系下的空间坐标和位置，并与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行配准。
2.根据权利要求1所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，还包括图像分析模块，所述图像分析模块用于根据患者的头部CT图像对患者钛钉、耳蜗及周围组织进行分割和三维重建以获得各自坐标和相对位置关系；
和/或，所述计算机分析模块通过构建头架的空间坐标系并根据探针的机械尺寸计算计算钛钉以头架为参照系下的空间坐标和位置。
3.根据权利要求1或2所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，所述标记点还包括用于安装在手术工具上的标记点，所述计算机分析模块通过所述双目跟踪传感器定位手术工具上的标记点计算手术工具末端以头架参照系下的空间坐标实现手术过程的导航。
4.根据权利要求1至3任一所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，所述钛钉的顶部设有用于探针末端插入的凹槽。
5.根据权利要求4所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，所述钛钉为采用钛合金材料的螺钉。
6.根据权利要求1至5任一所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，所述头架包括U型固定架和与U型固定架连接的安装部，所述U型固定架的开口宽度可调，用于固定患者头部，所述安装部用于将头架固定在手术床上。
7.根据权利要求6所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，所述U型固定架的一个侧臂内侧连接有带有喇叭状末端的第一固定部，另一侧臂内侧连接有带有弧形末端的第二固定部，通过第一固定部、第二固定部固定患者头部；所述探针通过支架连接在第二固定部上。
8.根据权利要求6或7所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置，其特征在于，所述U型固定架通过调节旋钮调节两个侧壁的开口宽度。
9.一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过双目跟踪传感器分别采集探针及头架上的标记点的空间坐标，其中探针末端用于与患者头部的钛钉连接；并获取患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置；
S2.构建头架的空间坐标系，并根据探针的机械尺寸、探针和头架在双目跟踪传感器下的坐标计算出钛钉在头架参照系下的空间坐标，与获取的患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置进行钛钉配准。
10.根据权利要求9所述的用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准方法，其特征在于，还包括步骤S3：通过双目跟踪传感器采集手术工具上的标记点的空间坐标，结合手术工具的物理尺寸将器械末端坐标转换为头架参照系的空间坐标实现手术工具的定位和导航；
和/或，步骤S1中，所述患者耳蜗及周围组织的三维空间坐标和位置从图像分析模块中获取，所述图像分析模块根据患者头部CT扫描影像对患者头部的钛钉、外耳道、耳蜗及周围组织进行三维重建，获得在影像空间中的各自坐标和相对位置关系。
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