CN112790863B - 手术器械定位方法、磁共振成像系统以及电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术器械定位方法、磁共振成像系统、电子装置和存储介质，其中，该手术器械定位方法包括：通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，其中，钻石NV色心传感器固定在手术器械上；根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定手术器械的实时空间位置信息。通过本申请，解决了相关技术中在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度低的问题，实现了提高在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度的技术效果。

Description

手术器械定位方法、磁共振成像系统以及电子装置

技术领域

本申请涉及磁共振成像技术领域，特别是涉及一种手术器械定位方法、磁共振成像系统、电子装置和存储介质。

背景技术

计算机软硬技术、医学成像技术、计算机视觉和三维空间定位技术的迅猛发展以及微创外科手术的广泛应用，大大促进了计算机辅助外科技术的建立和发展，出现了计算机辅助外科手术的概念。手术导航技术来源于立体定向神经外科，将医学影像诊断技术、空间定位技术、三维图像处理技术和高性能计算机结合起来，又称无框架立体定向外科或影像导航外科，通过医学影像设备扫描得到医学影像，对患者进行图像引导的手术治疗。

现有的医学影像设备多种多样，其中，磁共振共像(Magnetic ResonanceImaging，简称为MRI)是利用原子核在强磁场内发生共振产生的信号经图像重建的一种成像技术，是一种核物理现象。它是利用射频脉冲对置于磁场中含有自旋不为零的原子核进行激励，射频脉冲停止后，原子核进行弛豫，在其弛豫过程中用感应线圈采集信号，按一定的数学方法重建形成数学图像。

相关技术中常用的手术导航系统有两种：基于光学的导航定位和电磁导航定位。手术导航系统首先根据患者CT或MRI的断层影像重建解剖结构三维模型，使医生可以从各个角度观察病灶周围的组织结构关系，在手术前制定最佳的安全的手术路线。术中医生将手术器械指向患者的某一解剖部位时，悬挂于手术床上方的红外线定位仪(或电磁定位仪)追踪定位手术器械和患者解剖结构上固定安装的红外线反射源(或磁场发生器)的位置,确定手术器械和患者之间的相对位置关系，并输入到导航系统主机，同时此手术器械位置在病人影像上实时更新显示。然而，在这类技术方案中，基于光学的导航系统在体内手术时会无法定位手术器械，电磁导航定位在磁共振环境下对手术器械定位的精度和可靠性较低。

目前针对相关技术中在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度低的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种手术器械定位方法、磁共振成像系统、电子装置和存储介质，以至少解决相关技术中在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度低的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种手术器械定位方法，包括：通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，其中，所述钻石NV色心传感器固定在所述手术器械上；根据所述钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息。

在其中一些实施例中，通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息包括：通过预设磁场将设置于所述钻石NV色心传感器中的钻石NV色心的总磁共振峰劈裂得到四对磁共振峰，其中，所述四对磁共振峰分别对应所述钻石NV色心的四种主轴方向；根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对所述磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息；根据四种所述主轴方向下的磁场矢量信息，计算得到所述钻石NV色心传感器检测到的所述手术器械的实时磁场信息。

在其中一些实施例中，根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对所述磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息包括：根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别计算得到所述钻石NV色心在四种主轴方向下的色心磁场矢量信息；根据所述色心磁场矢量信息，计算得到所述预设磁场在四种主轴方向下的磁场矢量信息。

在其中一些实施例中，根据所述钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息包括：根据所述钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息；根据所述钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定所述钻石NV色心传感器的实时运动信息；根据所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息。

在其中一些实施例中，根据所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息包括：根据所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息；根据所述手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息。

在其中一些实施例中，在确定所述手术器械的实时空间位置信息之后，所述方法还包括：获取坐标参照物的实时空间位置信息，其中，所述坐标参照物与所述磁共振成像系统保持相对静止；获取所述受术者在所述磁共振成像系统下相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息；根据所述坐标参照物的实时空间位置信息以及所述手术器械的实时空间位置信息，确定所述手术器械相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息；根据所述受术者在所述磁共振成像系统下相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息，以及所述手术器械相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息，确定所述手术器械与所述受术者的实时相对位置信息。

在其中一些实施例中，在确定所述手术器械与所述受术者的实时相对位置信息之后，所述方法还包括：将所述手术器械与所述受术者的实时相对位置信息输入所述磁共振成像系统，并控制所述磁共振成像系统中的显示器实时提供反映所述手术器械与所述受术者的实时相对位置的图像。

第二方面，本申请实施例提供了一种磁共振成像系统，所述磁共振成像系统包括：具有成像视野的孔腔的磁共振扫描仪；以及被配置为在受术者位于磁共振扫描仪中时操作所述磁共振扫描仪，通过从受术者感兴趣区域中采集磁共振信号来执行诊断扫描的处理器；以及存储有计算机程序的存储器；所述处理器还被配置为运行所述计算机程序以执行如上述第一方面所述的手术器械定位方法。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的手术器械定位方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的手术器械定位方法。

相比于相关技术，本申请实施例提供的一种手术器械定位方法、磁共振成像系统、电子装置和存储介质，解决了相关技术中在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度低的问题，实现了提高在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度的技术效果。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的磁共振成像系统的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的手术器械定位方法的流程图；

图3是根据本申请实施例的第一光探测磁共振图谱示意图；

图4是根据本申请实施例的第二光探测磁共振图谱示意图；

图5是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本申请所涉及的系统和方法不仅可用于非侵入成像，其所涉及的处理系统可以包括磁共振成像系统(MR系统)、正电子发射计算机断层显像-磁共振多模态混合系统(PET-MR系统)等。本申请所涉及的方法、装置、系统或者存储介质既可以与上述的处理系统集成在一起，也可以是相对独立的。

下面将以磁共振成像系统为例对本申请实施例进行说明。

本申请实施例提供了一种磁共振成像系统。图1是根据本申请实施例的磁共振成像系统的结构示意图，如图1所示，该磁共振成像系统包括：扫描仪和计算机，其中计算机包括存储器125、处理器122及存储在存储器125上并可在处理器122上运行的计算机程序。其中，处理器122被配置为运行计算机程序以执行本申请实施例的手术器械定位方法。

可以在手术器械108上配置钻石NV(氮空位，Nitrogen Vacancy，简称为NV)色心传感器107，例如，在手术器械108为穿刺针时，可以在穿刺针的后端或者顶端配置钻石NV色心传感器107，也可以配置多个钻石NV色心传感器107在手术器械108的不同位置上，根据多个钻石NV色心传感器107共同检测手术器械108不同位置的实时磁场信息。

扫描仪具有成像视野的孔腔，其通常包括磁共振机架，机架内有主磁体101，主磁体101可以是由超导线圈构成，用来产生静磁场，在一些情况下也可以采用永磁体。主磁体101可以用来产生0.2特斯拉、0.5特斯拉、1.0特斯拉、1.5特斯拉、3.0特斯拉或者更高的静磁场强度。在磁共振成像时，受术者150会由患者床106进行承载，随着床板的移动，将受术者150移入静磁场磁场分布较为均匀的区域105内。通常对于磁共振成像系统，如图1所示，空间坐标系(即磁共振成像系统的坐标系)的z方向设置为与磁共振成像系统机架的轴向相同，通常将患者的身长方向与z方向保持一致进行成像，磁共振成像系统的水平平面设置为xz平面，x方向与z方向垂直，y方向与x和z方向均垂直。

在磁共振成像中，脉冲控制单元111控制射频脉冲产生单元116产生射频脉冲，射频脉冲由放大器放大后，经过开关控制单元117，最终由体线圈103或者局部线圈104发出，对受术者150进行射频激发。受术者150根据射频激发，会由共振产生相应的射频信号。在接收受术者150根据激发产生的射频信号时，可以由体线圈103或者局部线圈104进行接收，射频接收链路可以有很多条，射频信号发送到射频接收单元118后，进一步发送到图像重建单元121进行图像重建，形成磁共振图像。

磁共振扫描仪还包括梯度线圈102，梯度线圈可以用来在磁共振成像时对射频信号进行空间编码。脉冲控制单元111控制梯度信号产生单元112产生梯度信号，梯度信号通常会分为三个相互正交方向的信号：x方向、y方向和z方向，不同方向的梯度信号经过梯度放大器(113、114、115)放大后，由梯度线圈102发出，在区域105内产生梯度磁场。

脉冲控制单元111、图像重建单元121与处理器122、显示单元123、输入/输出设备124、存储器125、通信端口126之间可以通过通信总线127进行数据传输，从而实现对磁共振成像过程的控制。

其中，处理器122可以由一个或多个处理器组成，可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，显示单元123可以是提供给用户用来显示图像的显示器，显示器还可以提供反映手术器械108与受术者的实时相对位置的图像。

其中，输入/输出设备124可以是键盘、鼠标、控制盒等相关设备，支持输入/输出相应数据流。

其中，存储器125可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器125可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器125可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器125可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器125是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器125包括只读存储器(ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。存储器125可以用来存储需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器122所执行的可能的程序指令。当处理器122执行存储器125中的存储的指定程序时，该处理器122可执行被本申请提出的手术器械定位方法。

其中，通信端口126可以实现与其他部件例如：外接设备、图像采集设备、数据库、外部存储以及图像处理工作站等之间进行数据通信。

其中，通信总线127包括硬件、软件或两者，将磁共振成像系统的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，通信总线127可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，其中，钻石NV色心传感器固定在手术器械上；根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为通过预设磁场将设置于钻石NV色心传感器中的钻石NV色心的总磁共振峰劈裂得到四对磁共振峰，其中，四对磁共振峰分别对应钻石NV色心的四种主轴方向；根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息；根据四种主轴方向下的磁场矢量信息，计算得到钻石NV色心传感器检测到的手术器械的实时磁场信息。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别计算得到钻石NV色心在四种主轴方向下的色心磁场矢量信息；根据色心磁场矢量信息，计算得到预设磁场在四种主轴方向下的磁场矢量信息。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定钻石NV色心传感器的初始空间位置信息；根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定钻石NV色心传感器的实时运动信息；根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息；根据手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为将手术器械与受术者的实时相对位置信息输入磁共振成像系统，并控制磁共振成像系统中的显示器实时提供反映手术器械与受术者的实时相对位置的图像。

在其中一些实施例中，处理器122被配置为获取坐标参照物的实时空间位置信息，其中，坐标参照物与磁共振成像系统保持相对静止；获取受术者在磁共振成像系统下相对于坐标参照物的实时空间位置信息；根据坐标参照物的实时空间位置信息以及手术器械的实时空间位置信息，确定手术器械相对于坐标参照物的实时空间位置信息；根据受术者在磁共振成像系统下相对于坐标参照物的实时空间位置信息，以及手术器械相对于坐标参照物的实时空间位置信息，确定手术器械与受术者的实时相对位置信息。

本实施例提供了一种手术器械定位方法，图2是根据本申请实施例的手术器械定位方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S201，通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，其中，钻石NV色心传感器固定在手术器械上。

步骤S202，根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

在本实施例中，可以在手术器械上配置钻石NV色心传感器，例如，在手术器械为穿刺针时，可以在穿刺针的后端或者顶端配置钻石NV色心传感器，也可以配置多个钻石NV色心传感器在手术器械的不同位置上，根据多个钻石NV色心传感器共同检测手术器械不同位置的实时磁场信息，钻石NV色心传感器的尺寸非常小，可以达到1mm³，且精度以及动态范围较高，同时在磁共振环境下实时测得磁场信息，保证了在磁共振环境下对手术器械的精确定位。

目前，基于钻石NV色心的磁测量技术相对于传统的磁测量技术，例如霍尔效应传感器、磁力显微镜等，具有诸多优势：工作温度范围宽，空间分辨率和灵敏度高，同时对样品本身磁场没有任何侵扰。

另一方面，作为一个传感器，钻石NV色心由于其原子尺度的大小，能够靠近待测样品到纳米量级，结合其高灵敏度的优势就能够实现单电子自旋、单核自旋的测量。

因此，借鉴传统的磁共振技术，钻石NV色心能够实现单分子核磁共振和单分子顺磁共振，基于钻石NV色心的磁测量技术往往被应用于磁学和磁学材料研究中。

然而，钻石NV色心传感器还并未应用于在磁共振环境下的手术器械定位中，相关技术中常用的手术导航系统有两种：基于光学的导航定位和电磁导航定位。手术导航系统首先根据患者CT或MRI的断层影像重建解剖结构三维模型，使医生可以从各个角度观察病灶周围的组织结构关系，在手术前制定最佳的安全的手术路线。术中医生将手术器械指向患者的某一解剖部位时，悬挂于手术床上方的红外线定位仪(或电磁定位仪)追踪定位手术器械和患者解剖结构上固定安装的红外线反射源(或磁场发生器)的位置,确定手术器械和患者之间的相对位置关系，并输入到导航系统主机，同时此手术器械位置在病人影像上实时更新显示。然而，在这类技术方案中，基于光学的导航系统在体内手术时会无法定位手术器械，电磁导航定位在磁共振环境下对手术器械定位的精度和可靠性较低。

相比传统的手术器械定位技术，基于钻石NV色心传感器的手术器械定位方法不仅具有纳米量级的空间分辨率和微特斯拉量级的磁灵敏度，同时对受检者没有空间或环境上的要求，测量的频率带宽也可以满足要求，可以在磁共振环境下实时测得磁场信息，通过设置在手术器械上的钻石NV色心传感器获取手术器械的实时磁场信息的变化量，并根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，进一步确定手术器械的初始空间位置信息以及实时空间位置信息，并将手术器械与坐标参照物的物理坐标系配准，确定手术器械相对于坐标参照物的实时空间位置信息，最后得到手术器械与受术者的实时相对位置信息，保证了在磁共振环境下对手术器械的精确定位。

在本实施例中，实时磁场信息可以包括实时静磁场信息以及实时梯度磁场信息，其中，静磁场可以由磁共振系统的机架中设置的主磁体产生，主磁体可以为超导线圈或者永磁体，梯度磁场可以由梯度线圈产生。

在其中一些实施例中，通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息包括如下步骤：

步骤1，通过预设磁场将设置于钻石NV色心传感器中的钻石NV色心的总磁共振峰劈裂得到四对磁共振峰，其中，四对磁共振峰分别对应钻石NV色心的四种主轴方向。

步骤2，根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息。

步骤3，根据四种主轴方向下的磁场矢量信息，计算得到钻石NV色心传感器检测到的手术器械的实时磁场信息。

在本实施例中，四种主轴方向可以分别对应于钻石晶格结构的四个晶轴方向，即(111)，(1-11)，(-111)和(11-1)四个晶轴方向。

图3是根据本申请实施例的第一光探测磁共振图谱示意图，图中Y轴为荧光强度(Fluorescence intensity)，X轴为探头微波频率(Probe microwave frequency)，单位为(MHz)，如图3所示，可以通过预设磁场将设置于钻石NV色心传感器中的钻石NV色心的总磁共振峰劈裂得到a、b、c、d四对磁共振峰，从八个磁共振峰的中心分开每一对左右两个磁共振峰，图中中心点为2.87GHz，每一对磁共振峰对应钻石NV色心轴在碳晶格中的四种主轴方向。

图4是根据本申请实施例的第二光探测磁共振图谱示意图，图中Y轴为荧光强度(Fluorescence intensity)，X轴为探头微波频率(Probe microwave frequency)，单位为(MHz)，如图4所示，可以根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息，例如：以对应关系f_±＝2γB_z为例，其中，f_±＝f₊-f_-，即该对磁共振峰的劈裂宽度，f₊为该对磁共振峰中右边磁共振峰的探头微波频率，f_-为该对磁共振峰中左边磁共振峰的探头微波频率，γ为钻石NV色心的旋磁比，B_z即预设磁场在Z轴方向下的磁场矢量信息，可以通过该对应关系，得到预设磁场在Z轴方向下的磁场矢量信息，图中△v为中心线宽，C为实测得到的磁共振峰的荧光强度。

在其中一些实施例中，根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息包括：根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别计算得到钻石NV色心在四种主轴方向下的色心磁场矢量信息；根据色心磁场矢量信息，计算得到预设磁场在四种主轴方向下的磁场矢量信息。

在本实施例中，得到钻石NV色心在碳晶格中的四种主轴方向下的色心磁场矢量信息后，对钻石NV色心在碳晶格中的四种主轴方向下的色心磁场矢量信息进行计算，可以综合得到预设磁场在四种主轴方向下的磁场矢量信息，进一步得到手术器械的磁场信息。

在其中一些实施例中，根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定手术器械的实时空间位置信息包括如下步骤：

步骤1，根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定钻石NV色心传感器的初始空间位置信息。

步骤2，根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定钻石NV色心传感器的实时运动信息。

步骤3，根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

在本实施例中，钻石NV色心传感器的初始空间位置信息可以包括位于物理坐标系下的一组或多组三维坐标数据，物理坐标系是空间直角坐标系，包括：X轴、Y轴以及Z轴三个坐标轴。钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以至少包括7个分量，分别为：X轴的层面中心位置、Y轴的层面中心位置、Z轴的层面中心位置、X轴的法向量、Y轴的法向量、Z轴的法向量以及层面内旋转角度。

例如，钻石NV色心传感器的初始实时磁场信息为B₀，根据预设的磁场信息与钻石NV色心传感器的空间位置信息的对应关系，得到钻石NV色心传感器的初始空间位置信息T₀，根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量B_x，则此时钻石NV色心传感器的实时磁场信息为B₀+B_x，同样，根据预设的磁场信息与钻石NV色心传感器的空间位置信息的对应关系，可以得到钻石NV色心传感器的实时空间位置信息T₁，根据T₁相对于T₀在物理u坐标系下的运动矢量，通过坐标运算即可得到钻石NV色心传感器的实时运动信息，由于钻石NV色心传感器是固定在手术器械上的固定位置的，以穿刺针为例，根据钻石NV色心传感器在穿刺针上的固定位置在物理坐标系中距离穿刺针针尖的距离，根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息T₀以及实时运动信息，既可以获取穿刺针针尖的实时空间位置信息。

通过实时空间位置信息中的坐标数据以及实时运动信息，通过坐标计算就可以更方便精确的得到钻石NV色心传感器的实时空间位置信息。

在本实施例中，可以根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息，并根据手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

其中，手术器械的初始空间位置信息以及实时空间位置信息也为位于物理坐标系下的一组或多组三维坐标数据，通过实时空间位置信息中的坐标数据以及实时运动信息，通过坐标计算就可以更方便精确的得到手术器械的实时运动信息。

在本实施例中，实时运动信息可以为在物理坐标系下的运动矢量数据。

手术器械的初始空间位置信息以及实时空间位置信息可以直接反馈至磁共振成像系统中的序列时序控制单元，序列时序控制单元可以运行扫描序列，将扫描序列中的扫描参数传递给梯度组件和射频组件，使梯度组件和射频组件根据接受到的扫描参数进行磁共振扫描。

将手术器械的初始空间位置信息以及实时空间位置信息反馈至磁共振成像系统中的序列时序控制单元后，可以在扫描序列中增设标识位，当运行扫描序列至该标识位时，触发序列时序控制单元获得手术器械的初始空间位置信息以及实时空间位置信息，使得手术器械的实时空间位置信息的采集和磁共振数据的采集互相独立，同时进行，实时完成对受术者磁共振图像的采集以及对手术器械的定位。

在其中一些实施例中，在确定手术器械的实时空间位置信息之后，该方法还包括如下步骤：

步骤1，获取坐标参照物的实时空间位置信息，其中，坐标参照物与磁共振成像系统保持相对静止。

步骤2，获取受术者在磁共振成像系统下相对于坐标参照物的实时空间位置信息。

步骤3，根据坐标参照物的实时空间位置信息以及手术器械的实时空间位置信息，确定手术器械相对于坐标参照物的实时空间位置信息。

步骤4，根据受术者在磁共振成像系统下相对于坐标参照物的实时空间位置信息，以及手术器械相对于坐标参照物的实时空间位置信息，确定手术器械与受术者的实时相对位置信息。

其中，坐标参照物可以与磁共振成像系统中的磁共振扫描仪保持相对静止，可以固定设置在磁共振成像系统中的磁共振扫描仪上。

在本实施例中，以坐标参照物的实际位置作为物理坐标系的原点，通过磁共振成像系统获取受术者受术部位的磁共振图像，并将磁共振图像中的受术者受术部位与坐标参照物的物理坐标系配准，使得所扫描的受术者受术部位相对于坐标参照物的空间相对位置可知。

在其他一些实施例中，还可以在受术者受术部位的不同位置设置多个钻石NV色心传感器，通过多个钻石NV色心传感器检测受术者受术部位的实时磁场信息，并根据根据多个钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定受术者受术部位的实时空间位置信息。

同时，通过设置在手术器械上的钻石NV色心传感器获取手术器械的实时磁场信息的变化量，并根据钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，进一步确定手术器械的初始空间位置信息以及实时空间位置信息，并将手术器械与坐标参照物的物理坐标系配准，确定手术器械相对于坐标参照物的实时空间位置信息，最后得到手术器械与受术者的实时相对位置信息。

通过坐标参照物获得手术器械与受术者的实时相对位置信息，避免受术者发生运动时所导致的手术器械定位出错，提高对手术器械的定位精度以及定位速度。

在其中一些实施例中，在确定手术器械与受术者的实时相对位置信息之后，该方法还包括：将手术器械与受术者的实时相对位置信息输入磁共振成像系统，并控制磁共振成像系统中的显示器实时提供反映手术器械与受术者的实时相对位置的图像。

在本实施例中，可以通过兼容MRI系统的显示器实时提供反映手术器械与受术者的实时相对位置的图像，实现对手术器械的实时追踪。

通过上述步骤S201至S202，通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，并根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定手术器械的实时空间位置信息。钻石NV色心传感器的尺寸非常小，可以达到1mm³，且精度以及动态范围较高，同时在磁共振环境下实时测得磁场信息，保证了在磁共振环境下对手术器械的精确定位。通过本申请，解决了相关技术中在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度低的问题，实现了提高在磁共振环境下对手术器械进行定位的精度的技术效果。

本实施例还提供了一种电子装置，图5是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图，如图5所示，该装置包括存储器504和处理器502，该存储器504中存储有计算机程序，该处理器502被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体地，上述处理器502可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器504可以包括用于数据或指令的大容量存储器504。举例来说而非限制，存储器504可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(Solid State Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(UniversalSerial Bus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器504可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器504可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器504是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器504包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(ElectricallyAlterable Read-Only Memory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-AccessMemory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器504(Fast Page Mode DynamicRandom Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(ExtendedDate Out Dynamic Random Access Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。

存储器504可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器502所执行的可能的计算机程序指令。

处理器502通过读取并执行存储器504中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种手术器械定位方法。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备506以及输入输出设备508，其中，该传输设备506和上述处理器502连接，该输入输出设备508和上述处理器502连接。

可选地，在本实施例中，上述处理器502可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

S1，通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，其中，钻石NV色心传感器固定在手术器械上。

S2，根据钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定手术器械的实时空间位置信息。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

另外，结合上述实施例中的手术器械定位方法，本申请实施例可提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种手术器械定位方法。

本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种手术器械定位方法，应用于磁共振成像系统中，其特征在于，包括：

通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息，其中，所述钻石NV色心传感器固定在所述手术器械上；

根据所述钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息；

根据所述钻石NV色心传感器检测到的实时磁场信息的变化量，以及磁共振成像系统的磁场分布信息，确定所述钻石NV色心传感器的实时运动信息；

根据所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息。

2.根据权利要求1所述的手术器械定位方法，其特征在于，通过钻石NV色心传感器检测手术器械的实时磁场信息包括：

通过预设磁场将设置于所述钻石NV色心传感器中的钻石NV色心的总磁共振峰劈裂得到四对磁共振峰，其中，所述四对磁共振峰分别对应所述钻石NV色心的四种主轴方向；

根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对所述磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息；

根据四种所述主轴方向下的磁场矢量信息，计算得到所述钻石NV色心传感器检测到的所述手术器械的实时磁场信息。

3.根据权利要求2所述的手术器械定位方法，其特征在于，根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别确定在与每对所述磁共振峰对应的主轴方向下的磁场矢量信息包括：

根据磁共振峰劈裂宽度与磁场大小的对应关系，分别计算得到所述钻石NV色心在四种主轴方向下的色心磁场矢量信息；

根据所述色心磁场矢量信息，计算得到所述预设磁场在四种主轴方向下的磁场矢量信息。

4.根据权利要求1所述的手术器械定位方法，其特征在于，根据所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息包括：

根据所述钻石NV色心传感器的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息；

根据所述手术器械的初始空间位置信息以及实时运动信息，确定所述手术器械的实时空间位置信息。

5.根据权利要求1所述的手术器械定位方法，其特征在于，在确定所述手术器械的实时空间位置信息之后，所述方法还包括：

获取坐标参照物的实时空间位置信息，其中，所述坐标参照物与所述磁共振成像系统保持相对静止；

获取受术者在所述磁共振成像系统下相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息；

根据所述坐标参照物的实时空间位置信息以及所述手术器械的实时空间位置信息，确定所述手术器械相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息；

根据所述受术者在所述磁共振成像系统下相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息，以及所述手术器械相对于所述坐标参照物的实时空间位置信息，确定所述手术器械与所述受术者的实时相对位置信息。

6.根据权利要求5所述的手术器械定位方法，其特征在于，在确定所述手术器械与所述受术者的实时相对位置信息之后，所述方法还包括：

将所述手术器械与所述受术者的实时相对位置信息输入所述磁共振成像系统，并控制所述磁共振成像系统中的显示器实时提供反映所述手术器械与所述受术者的实时相对位置的图像。

7.一种磁共振成像系统，其特征在于，所述磁共振成像系统包括：具有成像视野的孔腔的磁共振扫描仪；以及被配置为在受术者位于磁共振扫描仪中时操作所述磁共振扫描仪，通过从受术者感兴趣区域中采集磁共振信号来执行诊断扫描的处理器；以及存储有计算机程序的存储器；所述处理器还被配置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至6中任一项所述的手术器械定位方法。

8.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至6中任一项所述的手术器械定位方法。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行权利要求1至6中任一项所述的手术器械定位方法。

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