CN112315561A - 一种基于三维重建的医用三维导向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维重建的医用三维导向系统，包括：定位模板、导向器套件和xyzGuide插件，所述定位模板采用带有等距离通孔的低温热塑板且内侧面贴敷医用无纺布双面胶，所述的导向器套件包括导向主体、把体连接环、导向把手、定位螺钉和穿刺套件，所述导向主体的顶面开设有中央孔通过穿刺套件和三个以中央孔为轴心且呈等边三角形分布的定位孔。所述xyzGuide插件为应用Python语言设计的3D_Slicer软件的插件。本系统解决的问题是：经皮微创手术时，穿刺的定位和导向问题，涉及医疗器械领域。本系统可以提高经皮穿刺的准确率，缩短手术时间，减少放射暴露，具有操作方法简单，材料廉价，设备小巧，应用范围广等优点。

Description

一种基于三维重建的医用三维导向系统

技术领域

本发明涉及医用三维导向系统技术领域，更具体为一种基于三维重建的医用三维导向系统。

背景技术

经皮穿刺技术目前已经广泛应用于微创脊柱外科、经皮活检、经皮病灶放化疗以及经皮颅内血肿引流等微创精准手术中。作为一种微创精准外科的基本技术手段，其具有创伤小、出血少、恢复快等优点，在临床实践中不断得到推广，但是依然存着放射暴露大、操作时间长、穿刺失败风险高等缺点。

为提高置钉准确率，医师们提出了各种不同的穿刺方法，并结合现代科技的进展创造性地应用了多种辅助导向方法，其中导航技术(包括计算机辅助导航和机器人技术)由于昂贵复杂的器械和相对较高的学习曲线，目前还不能广泛地应用于临床，而基于3D打印的导航模板，多需要取模后经3D打印导板后辅助置针，存在不能一期完成手术，由于体位变化，软组织的弹性及错动等原因造成准确度下降等缺点。为此，需要设计一个新的方案给予改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维重建的医用三维导向系统，解决了背景技术中所提出的问题，满足实际使用需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三维重建的医用三维导向系统，包括：定位模板、导向器套件和xyzGuide插件；

所述定位模板采用的低温热塑板是一种特殊合成的高分子聚酯，具有不吸收射线、加热软化后具有良好的塑型效果和所特有的形状记忆功能，用以克服皮肤等软组织的弹性及错动；所述定位模板布有距离相等的通孔点阵用以定位参考，所述定位模板内侧面贴敷医用无纺布双面胶以便和人体表面紧密贴合塑性。

作为本发明的一种优选实施方式，所述的导向器套件包括导向主体、把体连接环、导向把手、定位螺钉和穿刺套件，所述导向主体为鼎状立方体结构，导向主体的顶面中部开设有中央孔通过穿刺套件，所述三个以中央孔为轴心且呈等边三角形分布的定位孔通过定位螺钉，所述导向主体的上部为正多棱柱通过把体连接环连接导向把手。

作为本发明的一种优选实施方式，所述把体连接环的内壁与导向主体的正多棱柱外壁契合并有一定的缝隙，把体连接环的一端固定连接导向把手，两个所述把体连接环的另一端留有一定间隙且设置有固定板，且所述固定板之间采用捆绑橡皮筋弹性连接。这种开环的弹性固定，使得导向主体就可以在较强扭力的作用下旋转一定角度后，相对稳定的固定，这样有利于将把手固定于术者相对稳定的位置，而护环和把手作为一体可以相对于导向主体旋转，方便术者较为舒适的握持以完成操作。

作为本发明的一种优选实施方式，所述定位螺钉的末端穿过导向主体的定位孔并延伸至定位模板上，三枚定位螺钉通过调整末端与导向主体底部的距离来辅助确定导向角度。

作为本发明的一种优选实施方式，所述穿刺套件穿过导向主体的中央孔经导向模板延伸至病灶。

作为本发明的一种优选实施方式，所述的xyzGuide为应用Python语言设计的3Dslicer插件，采用了如下算法：

1)通过3Dslicer软件的xyzGuide插件读取患区带模板的影像数据并初始化；

2)选择关注区并创建皮肤及骨骼的VTK文件；

3)在3Dslicer上选择入皮点和靶点的坐标；

4)连接这两点创建穿刺轴线，轴线延长至体外，以该轴线为轴心创建一个与模板相交的正三棱柱，获取该三棱柱的顶点坐标，连点成线，形成和模板相交并与穿刺轴线平行且等距分布的三条线段；

5)应用射线投射函数Raycasting，计算出入皮点及三个定位螺杆顶点的坐标并和体表模板一起显示于3D视窗，计算出三个定位螺杆的高度，并作为定位螺杆顶点标签于上图一并显示，调整3D视窗视野，截图保存。

作为本发明的一种优选实施方式，所述三维导向系统包括如下步骤：

S1：做影像学查时，患者的体位和手术体位一致，患处消毒铺巾，定位模板加热，于检查区贴医用无纺布双面胶并将软化的模板贴敷于检查区，确保于检查区皮肤严密贴合。填充定影胶，做标记点，行影像学检查；

S3：将影像数据导入3Dslicer软件，并初始化；

S4：选取关注区并创建皮肤及骨骼的vtk文件；

S5：在3Dslicer上选择入皮点和靶点；

S6：计算出入皮点及三个定位螺杆顶点的坐标并和体表模板一起显示于3D视窗，计算出三个定位螺钉的高度，并作为定位螺杆顶点标签于上图一并显示，调整3D视窗视野，截图保存；

S7：根据所得定位螺钉的高度，分别调整3枚定位的螺钉高度，根据截图上的定位螺钉的位置，参照导向模板标记点阵，放置导向器套件于导向模板的相应位置上，进而依照一定步骤将穿刺套件经导向模板穿入体内达病灶完成穿刺。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本系统应用3D_Slicer软件，基于三维重建技术，重建经皮穿刺的部位，进而确定经皮入针点及入针方向，应用自行研制的3D导向装置穿入导针，从而实现经皮快速精准置针，该系统可以提高经皮穿刺的准确率，缩短手术时间。减少放射暴露，具有操作方法简单，材料廉价，设备小巧，应用范围广等优点。

附图说明

图1为本发明所述导向器套件的结构图；

图2为本发明所述导向器套件的爆炸图；

图3为本发明所述穿刺原理图；

图4为本发明所述定位模板的结构图；

图5为本发明3DSlicer算法的结构图；

图6为本发明3DSlicer加载影像数据的结构图；

图7为本发明3DSlicer定义关注区并生成模型的结构图；

图8为本发明3DSlicer放置入皮点及靶点；

图9为本发明3DSlicer计算结果显示；

图10为本发明所述基于三维重建的医用三维导向系统的流程图。

图中：1、导向主体；2、导针护管；3、导针；4、定位螺钉；5、把体连接环；6、导向把手；7、连接螺钉；8、定位模板。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种基于三维重建的医用三维导向系统，包括：定位模板8、导向器套件和xyzGuide插件。定位模板8由于在60-70℃可塑性良好作为石膏的替代品广泛的已应用于骨折外固定等方面，本系统采用了较薄的低温热塑板并利用医用无纺布双面胶贴敷于检查区域，以期和局部皮肤更好的贴合，使得模板得到更好的塑型。该材料在CT影像中可显影，其上的坐标点阵(在一些重要的部位比如人体中线等可以填入显影剂以便于定位)可用于确定体表标志，在常温下，相对坚硬的模板又可以作为放置导向器套件的底座，减少了导向器套件放置于皮肤软组织时因皮肤的弹性及错动而造成的误差。

导向器套件包括导向主体1、把体连接环5、导向把手6、定位螺钉4和穿刺套件3，导向主体1为鼎状立方体结构，导向主体1的上端为正多棱柱形且顶面中部开设有中央孔，导向主体1的顶部还开设有三个以中央孔为轴心且呈等边三角形分布的定位孔，导针3的末端贯穿中央孔且延伸至导向模板，穿刺套件借用临床上经皮穿刺用的套件(如经皮椎体成形术的穿刺套件)，定向穿刺后，可通过与之匹配的中空的导向钻头扩大孔径后，进一步完成定向操作，定位螺钉4与定位孔连接，定位螺钉4半径与定位孔匹配，用以固定导向器套件，螺钉的尖端固定于定位模板8，根据3DSlicer计算的数据调节螺丝的位置及螺钉尖端和导向套件底部的距离，从而完成导向穿刺；

把体连接环5对称设置有两个且分别设置在导向主体1的两侧，把体连接环5的内壁与导向主体1外壁契合并有一定的缝隙，把体连接环5的一端插入到导向把手6内且采用连接螺钉7固定连接，为连接导向主体1和导向把手，把体连接环5的内壁与正多棱柱的主体契合并有一定间隙，在把手的对侧留有间隙。该环与导向把手用固定螺钉，而与导向主体1则为开环的弹性固定，这样导向主体1就可以在较强扭转了的作用下旋转一定角度后，相对稳定的固定，这样有利于将把手固定于术者相对稳定的位置，而护环和把手作为一体可以相对于导向主体1旋转，方便术者较为舒适的握持以完成操作。

进一步改进地，三维导向系统包括如下步骤：

S1：患者俯卧于CT检查床，患处消毒铺巾，定位模板加热，于检查区贴医用无纺布双面胶并将软化的模板贴敷于检查区，确保于检查区皮肤严密贴合。填充定影胶，做标记点；

S2：根据CT十字定位线并参考标记点，调整CT检查区，并行CT检查；

S3：将CT影像数据导入3Dslicer软件，并初始化；

S4：选取关注区并创建皮肤及骨骼的vtk文件；

S5：在3Dslicer上选择入皮点和靶点；

S6：计算出入皮点及三个定位螺杆顶点的坐标并和体表模板一起显示于3D视窗，计算出三个定位螺钉的高度，并作为定位螺杆顶点标签于上图一并显示，调整3D视窗视野，截图保存；

S7：根据所得定位螺钉的高度，调整螺钉高度，根据截图上的定位螺钉的位置，参照导向模板标记点阵，放置导向器套件于导向模板的相应位置上，进而依照一定步骤将穿刺套件经导向模板穿入体内达病灶完成穿刺。

进一步改进地，定位模板8表面贴有无纺布双面胶并通过无纺布双面胶贴合在检查区域，定位模板8的表面开设有若干个通孔，若干个通孔组成坐标点阵。

进一步改进地，定位螺钉4的下端置于导向主体1的下方且与定位模板8连接。

进一步改进地，把体连接环5远离导向把手6的一端设置有固定板，且两个固定板之间采用捆绑皮筋连接，通过捆绑皮筋来调整夹持的松紧度。

具体地，导针3上安装于穿刺套件2，穿刺套件2的下端经导向主体1中央孔延伸导向模板，进而固定于接近病灶靶点附近或者皮质骨面，可借助椎体成型术的可卸式穿刺套件，为了控制穿刺深度可加入了限制套管穿刺深度的限位器，穿刺套件作为工作通道，进一步完成穿刺。

本发明在使用时，患者俯卧于CT检查床，患处消毒铺巾，定位模板8加热，于检查区贴医用无纺布双面胶并将软化的模板贴敷于检查区，确保于检查区皮肤严密贴合。填充定影胶，做标记点。根据CT十字定位线并参考标记点，调整CT检查区，并行CT检查。将CT影像数据(Dicom格式)导入3DSlicer软件，通过自行设计的插件，计算出入皮点及三个定位螺杆顶点的坐标并和体表模板一起显示于3D视窗，计算出三个定位螺杆的高度，并作为定位螺杆顶点标签于上图一并显示，调整3D视窗视野，截图保存。根据截图，参照模板标记点及坐标孔阵，标记入皮点及定位点于导向模板，入皮点开孔，清除碎屑，放置定位器及穿刺套件，经皮徒手穿刺直至穿透骨面，取出穿刺针芯，用电钻穿入导针3至靶点，完成定位操作。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：本系统的定位导向方法步骤如下：

1)带导向模板做影像学检查：做影像学查时，患者的体位和手术体位一致，患处消毒铺巾，定位模板(8)加热，于检查区贴医用无纺布双面胶并将软化的模板贴敷于检查区，行影像学检查；

2)应用xyzGuide插件计算数据：将影像数据导入3Dslicer软件，通过xyzGuide插件分步计算出入皮点及三个定位螺杆顶点的坐标并和体表模板一起显示于3D视窗，计算出三个定位螺杆的高度，并作为定位螺杆顶点标签于上图一并显示，调整3D视窗视野，截图保存；

3)应用导向器套件完成穿刺：根据3Dslicer截图和定位螺钉(4)的高度，调整螺钉高度，参照模板标记点，放置导向器套件于导向模板，插入穿刺套件，进而完成穿刺。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：所述定位模板(8)采用的低温热塑板，所述定位模板(8)布有距离相等的通孔点阵用以定位参考，所述定位模板(8)内侧面贴敷医用无纺布双面胶。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：所述导向器套件包括导向主体(1)、把体连接环(5)、导向把手(6)、定位螺钉(4)和穿刺套件。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：所述导向主体(1)为鼎状立方体结构，导向主体(1)的顶面中部开设有中央孔，所述导向主体(1)的顶面还开设有三个以中央孔为轴心且呈等边三角形分布的定位孔，所述导向主体(1)的上部为正多棱柱通过把体连接环(5)连接导向把手(6)。

5.根据权利要求3所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：所述定位螺钉(4)的末端穿过导向主体(1)的定位孔并延伸至定位模板(8)上，三枚定位螺钉(4)通过调整末端与导向主体(1)底部的距离来辅助确定导向角度。

6.根据权利要求3所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：所述把体连接环(5)的内壁与导向主体(1)的正多棱柱外壁契合并有一定的缝隙，两个所述把体连接环(5)的一端固定连接导向把手(6)、另一端均安装有固定板，且两个所述固定板之间留有一定间隙，两个所述固定板之间采用捆绑橡皮筋弹性连接。

7.根据权利要求3所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：所述穿刺套件穿过导向主体(1)的中央孔经导向模板延伸至病灶。

8.根据权利要求1所述的一种基于三维重建的医用三维导向系统，其特征在于：应用Python语言设计的3Dslicer插件：xyzGuide，采用了如下算法：

1)通过3Dslicer软件的xyzGuide插件读取患区带模板的影像数据并初始化；

2)选择关注区并创建皮肤及骨骼的VTK文件；

3)在3Dslicer上选择入皮点和靶点的坐标；

4)连接这两点创建穿刺轴线，轴线延长至体外，以该轴线为轴心创建一个与模板相交的正三棱柱，获取该三棱柱的顶点坐标，连点成线，形成和模板相交并与穿刺轴线平行且等距分布的三条线段；

5)应用射线投射函数Raycasting，计算出入皮点及三个定位螺杆顶点的坐标并和体表模板一起显示于3D视窗，计算出三个定位螺杆的高度，并作为定位螺杆顶点标签于上图一并显示，调整3D视窗视野，截图保存。

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