CN111839730B - 一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台 - Google Patents

一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，包括：光声影像设备，所述光声影像设备包括主体、探头和图像显示器。本发明所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，可提供高帧率的光声图像和超声图像，实时可视化深部组织肿瘤，定位其所在位置及精准勾勒肿瘤边界，同时光声成像可以可视化改良无菌手术刀，实现光声成像下肿瘤及手术刀同时显影，做到直视肿瘤边界下彻底切除病灶，不漏切、不误切，该技术可用于手术过程中肿瘤的定位，边界界定和精准切除，为外科肿瘤医生提供精确的术中指导，将减少术中肿瘤切除的不彻底性，提高彻底切除率，并最大限度的保留正常组织，进而减少肿瘤复发，提高生存率。

Description

一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台
技术领域
本发明涉及医疗领域，特别涉及一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台。
背景技术
癌症是严重影响人类健康的全球重大健康问题。特别是对于肝癌患者，手术切除肿瘤仍然是大多数肝癌患者最主要并且最有效的治疗方法。然而，我国大部分肝癌患者，均经历肝硬化到肝癌的病理发生发展过程，肝脏内部存在大量的再生结节，手术过程中，干扰手术医生对癌灶的辨别，尤其对小肝癌的鉴别能力降低。据统计，高达60％的小肿瘤病灶既看不到，也摸不到，术中单纯靠“眼看、手摸”辨别癌灶、确认其位置及边界不准确，造成手术的漏切、误切，致使术后5年复发率高达70％。因此，需要精确和客观的技术来帮助手术医生评估肿瘤及其边缘并避开血管等重要的解剖结构，以最大限度地减少伤害，实现完整切除。
目前已有部分成像方法引导术中切除，包括荧光成像、超声和基于核素的成像方法。尽管荧光成像灵敏度高，但收到有限的外源性造影剂限制，并且其分辨率低，成像深度不深(2-3毫米)。超声成像的软组织对比度差，对肿瘤边界的判定不准确。而基于核素成像的方法需要放射性试剂，具有辐射，对患者及其接触者健康带来不良影响。
光声成像是一种混合的成像方法，具有高对比度、高分辨率的光学成像和穿透深度深的声学成像优点。其广泛应用于生物医学领域，用于成像组织解剖结构，提供定量功能信息和辅助诊断疾病。需求导向的系统配置对光声成像的应用和临床转化有重要影响，为此，我们提出一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，光声影像设备，所述光声影像设备包括主体、探头和图像显示器，图像显示器设置在主体的上端外表面，所述光声影像设备的内部设置有B型超声成像装置和光声成像装置，所述探头的一端设置有连接线，所述探头通过连接线与主体连接；
支撑架，所述支撑架设置在光声影像设备的一侧，所述支撑架包括伸缩杆和限位圈，所述限位圈设置在伸缩杆的伸缩端，所述限位圈的内部设置有限位机构，所述伸缩杆的底端设置有吸盘；
重建光声超声图像的光声导航工作站，所述光声影像设备通过无线模块与光声导航工作站连接，所述光声导航工作站包括影像数据管理模块、三D可视化模块、三D影像自动分割模块、术前手术规划模块、术中导航模块、术后样本信息重建模块；以及
术中定位装置，所述术中定位装置包括定位支架和用于切除肿瘤的光声手术刀。
优选的，所述光声成像装置包括设置在主体内部的可调谐近红外激光器和B型超声成像仪，所述连接线包括两组激光光纤和超声线，所述激光光纤与可调谐近红外激光器连接，所述超声线与线性阵列超声换能器连接。
优选的，所述探头的中间位置设置有线性阵列超声换能器和超声波接收器，所述探头的上端和下端均嵌入式固定安装有近红外激光束，所述近红外激光束的一端与激光光纤连接。
优选的，所述限位机构包括固定轮和引导轮，所述固定轮和引导轮均包括安装板和两组橡胶滚轮，两组所述橡胶滚轮均活动安装在安装板上，所述引导轮还包括调节把手，所述调节把手的一端贯穿限位圈并与引导轮上安装板的一端活动连接。
优选的，所述影像数据管理模块：用于获取并存储患者光声扫描数据，集中管理所获取光声数据影像可视化、3D重建、自动分割，包括手术导航术前、术中、术后各模块的数据的集成融合。
优选的，所述三D可视化模块：通过影像数据管理模块获取患者光声断层影像数据，经过数据重建可视化乳房病灶及其与肿瘤周围正常组织之间的界限，显示乳房肿瘤的大小、立体结构和空间位置，用于术前手术规划。
优选的，所述三D影像自动分割模块：通过光谱分离可视化肿瘤细胞、肿瘤微环境以及肿瘤周围血红蛋白及血氧代谢二维图像，并对获取的自动分割数据三维图像重建用于术前手术分析。
优选的，所述术前手术规划模块：用于乳腺癌保乳手术前的具体手术规划，包括术前肿瘤周围体表皮肤光声定标点(3个)，并以此为基础，建立肿瘤的空间坐标，并根据所述三D可视化模块进行乳腺肿瘤三维重建，描绘肿瘤的边界并记录其体表投影，按照体表投影计算手术定位装置固定位置以及术中光声手术刀拟走行的轨迹并预测手术切除后的乳房美容外观。
优选的，所述术中导航模块：定位装置将光声手术刀固定在定位装置上，通过术前定标点并进行空间转换，调整手术刀的切除角度，保持光声手术刀与肿块与正常组织的边界实时保持在同一光声成像界面，实时获取手术刀与肿块边界的位置，实现术中引导病灶的彻底切除，对切除样本进行光声定标点方位标记。
优选的，所述术后样本信息重建模块：患者切除样本进行光声扫描，根据三D可视化模块进行乳腺肿瘤样本三维重建，并根据样本的光声定标点记录样本内肿瘤病灶的空间位置，将此模型与术前的乳腺肿瘤三维模型进行图像融合，评价切除区域是否完全涵盖肿瘤病灶，并记录肿瘤边界至切除边缘的距离，评估肿瘤是否完整切除。
与现有技术相比，本发明提供了一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，具有如下有益效果：
本发明操作简单，而且可提供高帧率的光声图像和超声图像，实时可视化深部组织肿瘤，定位其所在位置及精准勾勒肿瘤边界，同时光声成像可以可视化改良无菌手术刀，实现光声成像下肿瘤及手术刀同时显影，做到直视肿瘤边界下彻底切除病灶，不漏切、不误切，该技术可用于手术过程中肿瘤的定位，边界界定和精准切除，为外科肿瘤医生提供精确的术中指导，将减少术中肿瘤切除的不彻底性，提高彻底切除率，并最大限度的保留正常组织，进而减少肿瘤复发，提高生存率；
本发明光声影像设备使用时支撑架能够将连接线支撑住，方便人们使用，而且能够将连接线位置限定住，减小光声影像设备运行时振动对探头位置的影响，测量精度更高。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台中光声影像设备的整体结构示意图；
图2为本发明一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台中探头的使用状态图；
图3为本发明一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台中支撑架的结构图；
图4为本发明一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台的流程图。
图中：1、主体；2、探头；3、图像显示器；4、连接线；5、支撑架；6、限位圈；7、吸盘；8、安装板；9、橡胶滚轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，如图1-3所示，光声影像设备，光声影像设备包括主体1、探头2和图像显示器3，图像显示器3设置在主体1的上端外表面，光声影像设备的内部设置有B型超声成像装置和光声成像装置，探头2的一端设置有连接线4，探头2通过连接线4与主体1连接；
支撑架5，支撑架5设置在光声影像设备的一侧，支撑架5包括伸缩杆和限位圈6，限位圈6设置在伸缩杆的伸缩端，限位圈6的内部设置有限位机构，伸缩杆的底端设置有吸盘7；
重建光声超声图像的光声导航工作站，光声影像设备通过无线模块与光声导航工作站连接，光声导航工作站包括影像数据管理模块、三D可视化模块、三D影像自动分割模块、术前手术规划模块、术中导航模块、术后样本信息重建模块；以及
术中定位装置(现有技术，类似于手术机器人)，术中定位装置包括定位支架和用于切除肿瘤的光声手术刀，光声手术刀为非金属材质组成，其吸收光谱不同于血液和肿瘤组织，从而产生与两者不同的光声信号，通过信号分析可进行分解各组成，实现术中可视化血管、肿瘤和光声手术刀。
如图2所示，光声成像装置包括设置在主体1内部的可调谐近红外激光器和B型超声成像仪，连接线4包括两组激光光纤和超声线，激光光纤与可调谐近红外激光器连接，超声线与线性阵列超声换能器连接。
如图2所示，探头2的中间位置设置有线性阵列超声换能器和超声波接收器，探头2的上端和下端均嵌入式固定安装有近红外激光束，近红外激光束的一端与激光光纤连接。
可调的近红外激光束被分成两线形状，安装在探头的两侧，照射组织，产生光声信号，接收光声信号的具有256通道的线性阵列超声换能器将数据传输给工作站，检测到的信号由工作站进行处理和重构。
可以启动B型超声成像仪进行B型超声成像，还可以用于接收光声信号进行光声成像，使用更加方便。
如图3所示，限位机构包括固定轮和引导轮，固定轮和引导轮均包括安装板8和两组橡胶滚轮9，两组橡胶滚轮9均活动安装在安装板8上，引导轮还包括调节把手，调节把手的一端贯穿限位圈6并与引导轮上安装板8的一端活动连接。
如图4所示，影像数据管理模块：用于获取并存储患者光声扫描数据，集中管理所获取光声数据影像可视化、3D重建、自动分割，包括手术导航术前、术中、术后各模块的数据的集成融合。
如图4所示，三D可视化模块：通过影像数据管理模块获取患者光声断层影像数据(人体内不同组织的光吸收能力不同，因此不同组织之间形成光声断层数据)，经过数据重建可视化乳房病灶及其与肿瘤周围正常组织之间的界限，显示乳房肿瘤的大小、立体结构和空间位置，用于术前手术规划。
如图4所示，三D影像自动分割模块：通过光谱分离可视化肿瘤细胞、肿瘤微环境以及肿瘤周围血红蛋白及血氧代谢二维图像，并对获取的自动分割数据三维图像重建用于术前手术分析。
如图4所示，术前手术规划模块：用于乳腺癌保乳手术前的具体手术规划，包括术前肿瘤周围体表皮肤光声定标点(3个)，并以此为基础，建立肿瘤的空间坐标，并根据三D可视化模块进行乳腺肿瘤三维重建，描绘肿瘤的边界并记录其体表投影，按照体表投影计算手术定位装置固定位置以及术中光声手术刀拟走行的轨迹并预测手术切除后的乳房美容外观。
如图4所示，术中导航模块：定位装置将光声手术刀固定在定位装置上，通过术前定标点并进行空间转换，调整手术刀的切除角度，保持光声手术刀与肿块与正常组织的边界实时保持在同一光声成像界面，实时获取手术刀与肿块边界的位置，实现术中引导病灶的彻底切除，对切除样本进行光声定标点方位标记。
如图4所示，术后样本信息重建模块：患者切除样本进行光声扫描，根据三D可视化模块进行乳腺肿瘤样本三维重建，并根据样本的光声定标点记录样本内肿瘤病灶的空间位置，将此模型与术前的乳腺肿瘤三维模型进行图像融合，评价切除区域是否完全涵盖肿瘤病灶，并记录肿瘤边界至切除边缘的距离，评估肿瘤是否完整切除，提高彻底切除率。
需要说明的是，本发明为一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，在手术过程中，将探头置于肿瘤表面，获取连续的光声和超声信号，经图像处理后显示在屏幕上，实时可视化深部组织肿瘤，定位其所在位置及精准勾勒肿瘤边界，同时光声成像可以可视化改良无菌手术刀，实现光声成像下肿瘤及手术刀同时显影，做到直视肿瘤边界下彻底切除病灶，不漏切、不误切，该技术可用于手术过程中肿瘤的定位，边界界定和精准切除，为外科肿瘤医生提供精确的术中指导，将减少术中肿瘤切除的不彻底性，提高彻底切除率，并最大限度的保留正常组织，进而减少肿瘤复发，提高生存率。
本发明光声影像设备使用时支撑架5能够将连接线4支撑住，方便人们使用，而且能够将连接线4位置限定住，减小光声影像设备运行时振动对探头2位置的影响，测量精度更高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于，包括：
光声影像设备，所述光声影像设备包括主体(1)、探头(2)和图像显示器(3)，图像显示器(3)设置在主体(1)的上端外表面，所述光声影像设备的内部设置有B型超声成像装置和光声成像装置，所述探头(2)的一端设置有连接线(4)，所述探头(2)通过连接线(4)与主体(1)连接；
支撑架(5)，所述支撑架(5)设置在光声影像设备的一侧，所述支撑架(5)包括伸缩杆和限位圈(6)，所述限位圈(6)设置在伸缩杆的伸缩端，所述限位圈(6)的内部设置有限位机构，所述伸缩杆的底端设置有吸盘(7)；
重建光声超声图像的光声导航工作站，所述光声影像设备通过无线模块与光声导航工作站连接，所述光声导航工作站包括影像数据管理模块、三D可视化模块、三D影像自动分割模块、术前手术规划模块、术中导航模块、术后样本信息重建模块；以及
术中定位装置，所述术中定位装置包括定位支架和用于切除肿瘤的光声手术刀；
其中，所述限位机构包括固定轮和引导轮，所述固定轮和引导轮均包括安装板(8)和两组橡胶滚轮(9)，两组所述橡胶滚轮(9)均活动安装在安装板(8)上，所述引导轮还包括调节把手，所述调节把手的一端贯穿限位圈(6)并与引导轮上安装板(8)的一端活动连接；
其中，所述三D影像自动分割模块：通过光谱分离可视化肿瘤细胞、肿瘤微环境以及肿瘤周围血红蛋白及血氧代谢二维图像，并对获取的自动分割数据三维图像重建用于术前手术分析。
2.根据权利要求1所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述光声成像装置包括设置在主体(1)内部的可调谐近红外激光器和B型超声成像仪，所述连接线(4)包括两组激光光纤和超声线，所述激光光纤与可调谐近红外激光器连接，所述超声线与线性阵列超声换能器连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述探头(2)的中间位置设置有线性阵列超声换能器和超声波接收器，所述探头(2)的上端和下端均嵌入式固定安装有近红外激光束，所述近红外激光束的一端与激光光纤连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述影像数据管理模块：用于获取并存储患者光声扫描数据，集中管理所获取光声数据影像可视化、3D重建、自动分割，包括手术导航术前、术中、术后各模块的数据的集成融合。
5.根据权利要求1所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述三D可视化模块：通过影像数据管理模块获取患者光声断层影像数据，经过数据重建可视化乳房肿瘤与乳房肿瘤周围正常组织之间的界限，显示乳房肿瘤的大小、立体结构和空间位置，用于术前手术规划。
6.根据权利要求1所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述术前手术规划模块：用于乳腺癌保乳手术前的具体手术规划，包括术前肿瘤周围体表皮肤光声定标点，并以此为基础，建立肿瘤的空间坐标，并根据所述三D可视化模块进行乳腺肿瘤三维重建，描绘肿瘤的边界并记录其体表投影，按照体表投影计算手术定位装置固定位置以及术中光声手术刀拟走行的轨迹并预测手术切除后的乳房美容外观。
7.根据权利要求1所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述术中导航模块：术中定位装置将光声手术刀固定在术中定位装置上，通过术前定标点并进行空间转换，调整手术刀的切除角度，保持光声手术刀与肿块与正常组织的边界实时保持在同一光声成像界面，实时获取手术刀与肿块边界的位置，实现术中引导病灶的彻底切除，对切除样本进行光声定标点方位标记。
8.根据权利要求1所述的一种用于引导肿瘤切除的光声成像手术导航平台，其特征在于：所述术后样本信息重建模块：患者切除样本进行光声扫描，根据三D可视化模块进行乳腺肿瘤样本三维重建，并根据样本的光声定标点记录样本内肿瘤病灶的空间位置，将此模型与术前的乳腺肿瘤三维模型进行图像融合，评价切除区域是否完全涵盖肿瘤病灶，并记录肿瘤边界至切除边缘的距离，评估肿瘤是否完整切除。
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