CN112294438B - 一种光动力手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供一种光动力手术导航系统，包括阵列治疗光源(1)，三维扫描仪(2)，待治疗皮损区域(3)及计算机(4)，通过对系统阵列治疗光源的标定为医生提供阵列治疗光源各个光单元的光功率空间分布，并通过三维扫描仪获取治疗皮损区域(3)的三维表面数据，计算得到皮损的面积、表面法线、颜色等信息，使医生可根据光照功率密度治疗需求及待治疗皮损的面型特征调整治疗光源各个单元的光功率、治疗光源位置和角度，解决光动力治疗时光功率密度均匀性的调节与跟踪记录问题。

Description

一种光动力手术导航系统

技术领域

本发明涉及一种基于三维重建技术的光动力手术导航系统，具体涉及一种利用三维重建技术，获得治疗部位的三维表面数据，并根据医疗诊断后的治疗方案，辅助医生对治疗部位的表面精确定位并施加能量的手术导航系统，也可适用于类似的能量辐射型治疗中，针对治疗表面进行的能量施加。

背景技术

通过辐射光或者热等能量到人体表层以实现相应疾病的治疗是外科的一种手术形式，其中涉及光动力疗法，具体指利用日光或是以特定波长的光(例如：激光、发光二极管)治疗鲜红斑痣、皮肤癌等疾病的方法，在一些手术过程，也包括将某种光敏剂静脉注射入患者体内，该光敏剂选择性地亲和病变细胞，在病变细胞中积聚后经过特定波长和能量的光照射后，利用光化学反应生成单态激发态氧，从而能迅速杀死病变细胞，达到治疗目的。

影响光动力疗法治疗效果的因素众多，其中光剂量(包括光照射功率密度及能量密度两个参数)对皮损治疗效果起到关键作用。但常见的治疗光源空间针对待治疗区域的表面分布不均匀，极大影响了治疗效果。如典型的激光光治疗光源，其空间分布为高斯分布；单个发光二极管的光空间分布近似为方向角余弦值的n次方。虽然可通过阵列拼接或微透镜等技术对这些非均匀分布的光源进行整形，并在平面区域形成近似均匀分布特性，但由于待治疗区域的皮损往往为曲面结构，鉴于光接收面所获得光功率密度与其表面与光源距离的平方成反比，并与光接收面和光源表面法线夹角余弦值成反比的物理学特性，现有的阵列治疗光源主要调节各个单元的间距、照明光源与光接收面的距离、照明单元光照分布实现平面区域光均匀性控制，难以解决曲面光照均匀性的控制，依靠人工进行光源照射角度与间距的调节虽然在实时反馈帮助下具有一定的实施可能性，但依然难以满足对治疗光剂量的控制精确度需求，如医生很难获知皮损表面实际接收的光照射功率密度以及能量密度，当采用这些光源对曲面皮损部位进行治疗时，皮损部位接收的光剂量仍难以维持医生预设的光照射功率密度及能量密度大小，使得医生难以统计治疗剂量与治疗效果的关系。此外，由于缺乏治疗光源与待治疗皮损之间位置和姿态的调节与控制参数，医生依靠主观判断和手感调节照射光源与皮损间的准确参数，也不利于根据不同的病情实施不同的治疗光剂量。

发明内容

本发明目的是提供一种基于三维重建技术的手术导航系统，对于光动力治疗而言，涉及一种利用三维重建技术，获得治疗部位的三维表面数据，使医生可根据诊断后设定的治疗时光照功率密度需求及待治疗皮损的面型特征调整治疗阵列治疗光源各个组成单元的光功率、阵列治疗光源的位置和角度，解决施加光动力治疗时光功率密度均匀性的调节问题。

本发明的光动力手术导航系统，包括阵列治疗光源，三维扫描仪，及控制用计算机，阵列治疗光源用于根据三维扫描仪获得的三维重建数据，在待治疗皮损区域根据预定治疗计划实施光动力手术，施加光动力；三维扫描仪被置于正对待治疗皮损区域实施对皮损区域的三维扫描，或者可位于其他位置以满足同时可对皮损区域及阵列治疗光源的特征区域进行三维扫描。

阵列治疗光源由若干个辐照用光单元构成，各个光单元均可以进行单独调节控制，通过调节驱动电流或电压调节阵列治疗光源的各个光单元，实现辐射光出射密度的调节。

三维扫描仪的扫描光源光谱与阵列治疗光源的主波长处于不同波段，示意性的，三维扫描仪采用近红外光源，阵列治疗光源采用紫外或可见光源。

进一步包括与阵列治疗光源(1)联用的机械人系统。

根据本发明的导航系统，阵列治疗光源向待治疗皮损区域施加光动力之前，优选的以三维扫描仪进行光照度标定，获得阵列治疗光源各个光单元的光照分布函数。

根据本发明的导航系统，对待治疗皮肤病灶进行三维表面重建后，再进行施加光动力，三维表面重建包括获得皮损部位的三维表面点云数据的步骤以及在标准光源照射下获得光谱反射图像，对多光谱反射图像将皮损病灶进行分割的步骤。

在提取上述三维扫描仪获得的阵列治疗光源外轮廓和待治疗皮损区域的三维点云数据后，按照治疗方案控制阵列治疗光源，根据光辐照度传播原理计算得到待治疗皮损在所处位置、姿态下的表面光照度分布，指导手术进行以实现手术导航。

通过本发明的手术导航系统，调节阵列光动力治疗仪位于最佳治疗位置和姿态，并根据治疗需求实现治阵列照明系统光照剂量的自动调整，有效提升了医生操作使用的便利性和准确度。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点更能明显易懂，下文特举一实施例，并配合附图，详细说明如下：

图1为本发明的光动力导航系统图。

图2为本发明的光动力导航系统对阵列治疗光源实施标定时的位置关系示意图。

附图标号：阵列治疗光源(1)，三维扫描仪(2)，待治疗皮损区域(3)、计算机(4)、投影屏(5)

具体实施方式

下面结合附图与实例，对本发明做更进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。

本发明的手术导航系统包括能量施加装置，三维扫描仪以及控制器，在本具体实施例中，示意性的能量施加装置为阵列治疗光源(1)，如图1所示，三维扫描仪(2)被置于正对待治疗皮损区域(3)实施三维扫描；或者可位于其他位置以满足同时可对皮损区域(3)及阵列治疗光源(1)的特征区域进行三维扫描，并通过三维点云配准获得皮损区域(3)与阵列治疗光源(1)的相对位置与姿态关系；控制器为装载有预定控制用程序的计算机(4)，根据控制程序获取皮损区域(3)与阵列治疗光源(1)的三维点云重建、点云分割与配准，使得系统可在存在部分遮挡情况下仍然可获得皮损区域(3)与阵列治疗光源(1)相对位置与姿态的测量，优选的，使阵列治疗光源(1)的各个光单元均可以进行单独调节控制，以通过调节驱动电流或电压调节辐射光出射密度。

【阵列治疗光源的标定】

阵列治疗光源(1)在被首次使用时应进行光照度标定，以获得阵列治疗光源各个光单元的光照分布曲线，该标定过程包括获得光单元中心坐标位置的步骤以及根据上述中心坐标获得该光单元光照分布曲线的步骤。本领域技术人员理解的，依据物理测量的阵列治疗光源总体以及各单元位置布局相对关系可以得到阵列治疗光源各个治疗单元的中心坐标位置，或者通过三维扫描仪对阵列治疗光源进行三维扫描，再逐个分离出治疗单元中心位置坐标均是可实施的方案，为基准和精度的一致性，本实施例优选使用三维扫描仪的方式获得。

本发明使用的分离治疗单元中心位置的标定方法可描述为：首先将三维扫描仪放置在阵列治疗光源前方，对阵列治疗光源进行三维重建，通过三维点云分离获得阵列治疗光源上各个光单元中心位置及阵列治疗光源边框的三维点云坐标，通过获取的三维点云坐标平面拟合获取阵列治疗光源所处的平面方程；第二，在阵列治疗光源前方治疗基准位置处，例如5cm或10cm处放置投影屏，优选地可调节投影屏位置与姿态使其与阵列治疗光源保持平行，再次采用三维扫描仪对投影屏进行三维扫描，通过平面拟合获取投影屏幕的平面方程；最后驱动阵列治疗光源依次逐个点亮各个光单元照明投影屏，对投影屏进行拍照获取各个光单元在投影屏的光照分布图像，根据上述获得的光源所处平面方程、投影屏幕的平面方程及光照分布图像进行计算，得到提取的光照分布图像的中心位置坐标，以及根据光照分布图像拟合而出的光照度随光照角度的分布曲线。示例性的方式中，所述投影屏表面可采用网格线进行区域划分。

上述标定在阵列治疗光源被首次使用时执行，且光源的运行条件和环境变化可能影响光源时应该被视为首次使用而执行，因此，优选的可以在每次施加光治疗前执行以确保标定准确度。为标定准确性更好，三维扫描仪(2)的扫描光源光谱与阵列治疗光源(1)的主波长应处于不同波段，如红外光波段；阵列治疗光源(1)选择采用紫外、可见光波段。

根据本发明导航系统实现的导航，基于上述对阵列治疗光源的各个光单元的空间位置坐标及光照分布曲线进行标定；具体导航过程为：施加光动力前通过对待治疗皮肤病灶进行三维表面重建，再进行施加光动力的治疗，光动力施加过程中，根据光辐照度传播原理计算得到待治疗皮损在所处位置、姿态下的表面光照度分布，也可进一步利用计算机优化获得最佳阵列治疗光源所处位置和姿态，以及反馈调节阵列治疗光源各个单元的光功率大小满足治疗需求。

【待治疗表面区域的三维表面重建】

手术过程中，在施加光之前，先行对待治疗表面区域进行三维表面重建，针对皮损类部位，优选地采用近红外光进行三维重建以避免环境光照及治疗光照对测量结果的影响，获得皮损部位的三维表面点云数据，以及标准光源(5500K色温，6500K色温)照射下光谱反射图像，根据多光谱反射图像采用超像素分割、区域生长等方法将皮损病灶进行分割，并获得实际皮损位置的散点或不连续面积对应的三维坐标、表面法线、面积等特征参数；医生根据诊断信息需要，可设置对治疗区域采用均匀光照或者依据病情不同调整光照剂量的方式进行优化。

当以均匀光照为目标进行优化时，其典型步骤如下:

1)根据阵列治疗光源的标定结果，可获得治疗光源任一治疗单元在距离不同位置的平面时光照功率的分布曲线；

2)根据获取的病灶三维表面数据，将患者的皮损区域进行三维滤波、三角面片计算，将连续皮损区域分割为若干个三角型面片，并计算各个三角面片与阵列治疗光源任一治疗单元的距离和角度关系；

3)选取病灶中心区域距离最近的阵列治疗光源治疗单元P₀为起点，计算该单元在基准治疗距离(如5cm或10cm)时治疗单元在各个三角型面片T₀的光照功率大小；

4)调整该阵列光源治疗单元周围八邻域的治疗单元P₁～P₇驱动电流大小，使其与距离皮损区域三角面片距离最近的三角面片的光照度与三角型面片T₀的光照功率相等；

5)以此类推，直至所有的皮损区域三角面片均获得等同的光照功率；

6)对各个三角面片在全部治疗单元光照功率进行累加，获得三角面片在整个治疗单元照明下实际光照功率；

7)对光照功率进行统计计算，计算其光功率均值和偏差大小，调整治疗光源与曲面皮损的相对位置与角度关系，搜索光功率变异系数最小的位置与姿态，即为最佳治疗位置与姿态。

依据病情不同调整光照剂量时可将病情的等级作为权重系数，如最为严重的等级权重系数为k1，次严重的等级权重系数为k2，以最严重的皮损区域中三角型面片与最近的阵列治疗光源治疗单元为起点，作为不同皮损区域对应的功率大小期望值与权重系数相乘后各三角面片的光照功率期望值，以此作为光照功率的偏差大小。

【光动力施加过程】

开始手术治疗后，提取前述三维扫描仪获得的阵列治疗光源外轮廓和待治疗皮损区域的三维点云数据，如手动选取阵列治疗光源边缘至少4个点进行分割，并与阵列光源标定时获得的扫描三维点云结果进行配准；获得待治疗皮损与阵列治疗光源各个单元的相对位置与角度关系，根据光辐照度传播原理计算得到待治疗皮损在阵列治疗光源下所处位置、姿态下的实际表面光照度分布，依照治疗方案，实施治疗。

根据本发明的手术导航系统，由于包括了三维扫描仪，可对治疗过程中的待治疗区域的运动进行监测，根据待治疗皮损部位的运动位置和姿态变化，进一步利用计算机优化获得患者运动后最佳阵列治疗光源所处应处的位置和姿态，反馈调节阵列治疗光源各个单元的光功率大小使其满足在治疗过程对皮损剂量的需求。并合理控制因运动等干扰因素而使待治疗皮损部位部分区域的光照功率密度超出治疗需求时，发送信号使导航系统实施控制以降低该区域对应治疗单元发光二极管的电流，示例性的，当患者由于疼痛产生移动待治疗皮损的光照度偏离治疗需求的10％时，可反馈调节对应发光二极管的电流，若超出发光二极管反馈调节范围时，系统报警提醒医生中断治疗，再次调节治疗阵列治疗光源与待治疗皮损区域的相对位置与角度关系。

进一步，所述的光动力手术导航系统，阵列治疗光源(1)可以与匹配三维扫描仪重建精度的机械人系统联合用，在同一控制下自动调整阵列治疗光源(1)的位置和姿态，实现治疗过程中通过调节与皮损位置的距离和姿态实现待治疗皮损区域(3)光照功率密度的动态调整，完成手术导航过程的全自动性。

本发明的手术导航系统，采用三维扫描仪不仅可获取阵列治疗光源的轮廓，实现对待治疗皮损区域进行三维重建，还可同步获得各个光单元的光照分布曲线，进而获得阵列治疗光源与待治疗皮损区域的相对位置与姿态关系，通过计算获得待治疗皮损区域治疗时光照的实际光照功率密度分布，解决了(1)治疗光照功率分布的监测问题；通过对阵列治疗光源在标定位置对各个光单元进行光照分布标定，可对阵列治疗光源的光照分布进行监测和评估，有利于医生掌握治疗时的实际光照功率密度分布曲线。(2)医生手动操作治疗位置难以规范的问题；通过治疗过程中对阵列治疗光源与待治疗皮损区域的三维重建，医生可有效控制两者间相对位置与姿态关系，获得患者待治疗皮损区域治疗时实时光照功率密度分布。(3)解决曲面光照功率密度的调节问题；医生可有效控制两者间相对位置与姿态关系，并可通过调整光单元的驱动电压或电流调节输出光功率，使患者待治疗皮损区域曲面位置仍可获得预期的光照功率分布。

本领域技术人员可以理解的，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。以上所述仅是本发明的实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种光动力手术导航系统，包括阵列治疗光源(1)，三维扫描仪(2)，及控制用计算机(4)，其中，三维扫描仪(2)被置于正对待治疗皮损区域(3)实施对皮损区域的三维扫描，对待治疗皮肤病灶进行三维表面重建，所述三维表面重建包括获得皮损部位的三维表面点云数据的步骤以及在标准光源照射下获得光谱反射图像、根据多光谱反射图像将皮损病灶进行分割的步骤；

阵列治疗光源用于根据上述获得的三维重建数据，在待治疗皮损区域(3)根据预定治疗计划施加光动力；所述阵列治疗光源的主波长与所述三维扫描仪(2)的扫描光源光谱处于不同波段，在向待治疗皮损区域施加光动力之前以三维扫描仪进行光照度标定，获得阵列治疗光源的外轮廓及各个光单元的光照分布函数；

提取上述三维扫描仪获得的阵列治疗光源外轮廓和待治疗皮损区域的三维点云数据，按照治疗方案控制阵列治疗光源，根据光辐照度传播原理计算得到待治疗皮损在所处位置、姿态下的表面光照度分布，指导手术进行以实现手术导航；

所述获得阵列治疗光源各个光单元的光照分布函数的步骤包括：首先将三维扫描仪放置在阵列治疗光源前方，对阵列治疗光源进行三维重建，通过三维点云分离获得阵列治疗光源上各个光单元中心位置及阵列治疗光源边框的三维点云坐标，通过获取的三维点云坐标平面拟合获取阵列治疗光源所处的平面方程；第二，在阵列治疗光源前方治疗基准位置处放置投影屏，再次采用三维扫描仪对投影屏进行三维扫描，通过平面拟合获取投影屏幕的平面方程；最后驱动阵列治疗光源依次逐个点亮各个光单元照明投影屏，对投影屏进行拍照获取各个光单元在投影屏的光照分布图像，根据上述获得的光源所处平面方程、投影屏幕的平面方程及光照分布图像进行计算，得到提取的光照分布图像的中心位置坐标，以及根据光照分布图像拟合而出的光照度随光照角度的分布曲线。

2.根据权利要求1所述的光动力手术导航系统，其特征在于阵列治疗光源(1)由若干个辐照用光单元构成，各个光单元均可以进行单独调节控制。

3.根据权利要求2所述的光动力手术导航系统，其特征在于所述三维扫描仪(2)采用近红外光源进行三维表面重建，阵列治疗光源(1)采用紫外或可见光源。

4.根据权利要求1所述的光动力手术导航系统，其特征在于进一步包括与阵列治疗光源(1)联用的机械人系统，机械人实现治疗过程中，光照功率密度的动态调整。

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