CN113229904B - 一种基于c型臂机穿刺的空间定位引导设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于粒子植入设备领域，公开了一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，通过设置在C型臂机的活动端部进行空间移动，其特征在于：包括引导架和设置在引导架上的固定机构，所述固定机构上设有具有引导穿刺针进行直线运动的限位件；所述限位件与固定机构可拆卸连接，并可在限位件与计划针道轴线重合后固定引导穿刺针穿入人体时释放。

Description

一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备

技术领域

本发明属于粒子植入设备技术领域，具体涉及一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备。

背景技术

粒子植入全称为“放射性粒子植入治疗技术”，是一种将放射源植入肿瘤内部，让其以摧毁肿瘤的治疗手段。粒子植入治疗技术涉及放射源，其核心是放射粒子。临床运用的是一种被称为碘125的物质，每个碘125粒子就像一个小太阳，其中心附近的射线最强，可最大限度降低对正常组织的损伤。放射性粒子植入治疗技术主要依靠立体定向系统将放射性粒子准确植入瘤体内，通过微型放射源发出持续、短距离的放射线，使肿瘤组织遭受最大限度杀伤，而正常组织不损伤或只有微小损伤。专家认为，相比其他肿瘤治疗技术，放射性粒子植入治疗技术本身技术含量并不高、难度并不大。但由于直接植入人体内，而且是放射源，所以要严格把握适应症。

对各种不同肿瘤的粒子植入治疗有不同的具体方法，首先要明确肿瘤的形态、位置、大小及与邻近器官、血管的关系，描绘出治疗的区域；其次要确定植入粒子的数量和位置，这取决于肿瘤的大小和放射源的活性强度；最后确定粒子植入的方式与方法。常用粒子种植治疗有3种方式：模板种植、B超和CT引导下种植、术中种植。由于粒子种植在三维空间进行，每种放射性粒子物理特性不同，对每种核素需要制定一种特殊的三维治疗计划系统。可根据B超、CT、ECT、MRI等影像检查获得的肿瘤图像，进行模拟粒子种植的空间分布，决定粒子种植数目和靶区及周围危险器官的剂量分布，指导临床粒子种植。

如上面方法所述，无论采用何种引导手段，在将放射粒子植入靶区时均需要通过穿刺针从皮肤表面进行穿刺，而现有技术中大部分均通过医师人工操作控制，其穿刺精度无法控制，从而导致粒子植入后的实际位置与设计位置具有偏差，影响治疗效果。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，通过引导定位辅助医师进行穿刺，从而提高穿刺精度，同时具有由医师进行穿刺可进行临场处置并改变手术方案。

本发明所采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，通过设置在C型臂机的活动端部进行空间移动，其特征在于：包括引导架和设置在引导架上的固定机构，所述固定机构上设有具有引导穿刺针进行直线运动的限位件；

所述限位件与固定机构可拆卸连接，并可在限位件与计划针道轴线重合后固定引导穿刺针穿入人体时释放。

首先，所谓的C型臂机是一种自动化设备，类似多轴机械臂，是通过外部的控制系统控制，能够在一定的空间内进行精确定位移动的设备。而粒子植入是通过穿刺针等器械穿入人体内并进入靶区，将放射性粒子通过穿刺针植入对应位置进行精准放疗的处理手段。

通常粒子植入手术是通过3D打印的具有多个引导通道的模板贴合在人体对应部位进行引导穿刺，但最终还是需要通过人来操作。且由于这种3D模板需要贴合在病患皮肤表面，实际操作时需要准确贴合固定，但不同的人体特征可能导致贴合部位的皮肤和组织存在软塌的情况，使得在穿刺时无法施加较大的压力在3D模板上，则导致穿刺针可能出现偏移的情况。

而这种C型臂机就是用来辅助和替代3D模块的引导穿刺方式，C型臂机上具有一个固定端部，该固定端部可在一定空间内进行任意移动。通过术前的计算和规划，可在手术时将该固定端部移动至人体表面对应的穿刺位置并形成固定状态，则可通过人手动或在固定端部上设有的自动设备进行引导穿刺，则可在不以人体皮肤为支撑固定点，可避免因皮肤和内部组织肌肉松软造成定位不稳的问题发生。

本发明中的引导架则是设置在C型臂机的固定端部的结构，该引导架具有一定长度，并在引导架上设有一个限位件，限位件具有引导穿刺针的通道，通过C型臂机的移动使该通道能够处于预设针道上，并使其端部靠近人体后固定，此时医师可手持穿刺针从限位件穿出。由于限制力来自C型臂机，该机构属于外部机械固定机构，则不会受到人体表面影响。

值得说明的是，3D模板穿刺方式是完全手动操作，需要多名医师配合，且存在人为操作因素影响穿刺精度，无法保证穿刺稳定性。而全自动的机械装置引导穿刺过程虽然具有较高的精度，但由于穿刺时靶区所在位置不同，穿刺路径上可能存在骨头等障碍物，即使是在前期优化针道设计，但为了达到较好治疗效果，会需要避障穿过对应组织，此时电动穿刺的设备由于推动机构的限制无法提供有效的穿刺力。且具体操作时会出现临时情况，医师也需要根据穿刺过程中穿刺针的反馈力情况进行动作调整，则全自动设备无法做到较好的灵活度。

本发明中的设备主要是辅助医师进行穿刺，因为完全手动的3D模板穿刺和完全自动的机械臂穿刺均存在一定缺陷，这种辅助设备则能够结合现有的自动机械较高的定位效率和定位精度，从而实现更好的穿刺粒子植入。

结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，在引导架上还设有定位校准机构，所述定位校准机构具有朝向限位件一侧的检测端，通过检测获取限位件内用于引导穿刺针的通道轴线位置信息进行对比校验。

值得说明的是，限位件需要对穿刺针提供较好的限位效果，且为了限制其仅能沿直线运动，故只能采用管体结构，其内部截面直径与穿刺针的截面直径相同或相近。而这种结构设计势必会在单根穿刺针插入人体并达到预定位置后无法从穿刺针上取下，为了便于该设备进行多次穿刺任务，则将限位件与引导架设置为可拆卸连接方式，在完成单次穿刺过程后可直接取下限位件，并安装上新的限位件后继续进行同区域的另一针道穿刺任务。

由于限位件与引导架可拆卸连接，为了提高拆装效率，且避免在单次引导穿刺针穿入到指定位置后能够在不影响穿刺针的前提下快速拆卸，则两个部件之间具有一定的装配间隙，可适当调整限位件与引导架的相对位置。但C型臂机是由控制模块进行移动控制，而其固定端部的移动停止位均为固定点位，若限位件并未安装到指定位置，则同样会产生引导误差。

则设置的定位校准机构主要用于对安装好的限位件进行位置识别，保证每次安装后的限位件能够固定在准确位置。而其中主要的检测点则在限位件的通道处，只要该通道的位置与预设相对于引导架的参考位置重合，则可认为安装成功。同时，该定位校准机构与外部的处理模块连接，在手术时，会在外部设置一个显示屏，显示屏上一般显示有虚拟穿刺图像，是根据该穿刺针的实际检测插深和与预设针道的重合度来确定穿刺针的实时位置信息，并根据该位置信息将穿刺针的模型按比例放置在预先获得的靶区三维模型中，从而给医师提供一定的指导效果。由于在定位校准机构会实时将检测信息发送至处理模块(一般为电脑)中，则一旦出现偏差，则会在显示屏上提示，并可根据限位件上的通道实际偏差方向来通过虚拟箭头或其他引导画面来提示医师需向正确方向调整限位件。

结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第二种实施方式，所述定位校准机构为激光测距仪，激光测距仪的光束线可无遮挡地从被校准固定后的限位体的通道穿过。

值得说明的是，选用的激光测距仪的光束能够正好穿过处于正确安装位置的限位体通道，则当限位件安装到位时，测距仪测出的距离信息应当大于设定的阈值。一旦限位件具有角度偏差，此时测距仪获取到的距离数据则是测距仪与限位件之间的间距，该间距小于阈值，会提示医师进行位置调整。这种方式的检测原理较为简单，成本较低。

结合第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第三种实施方式，所述定位校准机构为摄像头，在限位件上设有用于校准的标识端面，所述摄像头与外部具有穿刺针道信息的处理模块通信连接。

结合第一方面的第三种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，所述限位件为引导管，所述固定机构为设置在引导架上的夹持座，所述引导管轴线处为用于引导穿刺针的通道，在引导管外侧设有供夹持座夹持固定的夹持端。

结合第一方面的第四种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，所述夹持端为与引导管一体成型的硬质片体，在夹持端表面设有防滑纹路。

结合第一方面的第五种实施方式，本发明提供第一方面的第六种实施方式，所述夹持座上设有接触面积大于夹持端表面面积的凹槽，在凹槽内设有活动的压片，在夹持座外侧设有与压片转动连接的固定旋钮，所述固定旋钮与夹持座螺纹配合，通过旋拧固定旋钮使压片在凹槽内横向移动。

结合第一方面的第四至六种实施方式，本发明提供第一方面的第七种实施方式，所述引导管具有内径渐变用于引导穿刺针进入引导管内的斜孔的扩张端，在扩张端的端面上绕所述斜孔开口等圆心角设有多个用于定位的定位标识；

所述摄像头采集定位标识的图像信息与处理模块中的预设值比对确定重合度，当重合度高于99％时通过外部终端设备提示定位成功。

由于穿刺过程中虽然有限位件对穿刺针进行引导固定，使其仅能沿直线运动。但实际操作时，由于装配件之间存在一定的公差，穿刺针具有一定长度，则穿刺时还是可能会产生一定的偏移。则设有的定位校准机构不仅需要对限位件的安装精度进行监控，同时也对穿刺针在穿刺过程中的运动轨迹也进行检测监控。

与激光测距仪不同的是，摄像头是获取实时的图像信息，并通过处理模块中的分析软件对图像进行处理。由于是固定焦段，并且摄像头固定，则设定的正确安装位置信息包括平面定位信息和深度信息。该摄像头具有光学变焦模块和自动对焦模块，且能够向外输出焦距信息。限位件上设有定位用的标识端面，一般为十字定位标识，摄像头获取到图像信息后，能够计算出景深数据和十字标识在该焦距下的平面位置信息。根据景深数据(若采用单镜头结构，则景深数据即为通过焦距信息间接计算得出，若采用双镜头结构，则直接通过算法获取景深数据)来确定物距，即穿刺针的插深。也就是说，平面位置信息包括限位件的通道方向和穿刺针的穿刺方向，需要对两者进行确定从而保证穿刺精度。而插深主要是针对穿刺针的移动距离，通过该整个系统监测并提示医师是否达到目标深度。

结合第一方面的第三至六种实施方式，本发明提供第一方面的第八种实施方式，所述穿刺针尾部设有标记头，所述标记头上具有用于定位的十字标记，当处理模块对比十字标记与预设值计算的重合度小于99％时通过外部终端设备进行提示。

结合第一方面及其第一至六种实施方式，本发明提供第一方面的第九种实施方式，所述引导架具有伺服电机和丝杠，丝杠上设有可沿丝杠轴线往复运动的滑动座，所述固定机构与滑动座固定连接；所述伺服电机与处理模块连接进行动作控制。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过设置在C型臂机上的引导机构来对穿刺针进行定位引导，相较于贴合在人体表面的3D打印模板的方式，能够提供更加精准的穿刺引导效果；

(2)本发明在引导架上设有的定位校准机构，能够对限位件与穿刺针的方向及位置变化进行检测，从而反馈到虚拟模型中用以展示穿刺过程中穿刺针的相对位置，同时还能够对可拆卸的限位件进行校准，防止其与引导架的相对位置具有偏差从而影响穿刺引导精度。

附图说明

图1是本发明整个引导设备的正视图；

图2是本发明整个引导设备的第一轴侧示意图；

图3是本发明整个引导设备的第二轴侧示意图；

图4是本发明引导设备部分零部件拆分后的爆炸图；

图5是本发明中引导管的轴侧示意图；

图6是本发明中整个C型臂机的轴侧示意图。

图中：1-引导架，2-穿刺针，3-引导管，3.1-夹持端，3.2-本体，3.3-扩张端，3.4-定位标识，4-摄像头，5-尾架，6-标记头，7-夹持座，8-固定旋钮，9-滑动座。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

本实施例公开一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，主要引用在粒子植入手术中对于穿刺针2的引导定位。

如图6所示，图中展示了该C型臂机的具体结构，包括一个门型架和设置在门型架上且可沿门型架顶部横梁滑动的C型臂机。在粒子植入过程中，患者处于平躺状态，而手术床则放置在门型架中部，并可手动推动整个门型架移动至对应区域，再通过电脑控制C型臂进行位置调整。

其中，用于控制整个系统的电脑设置在外部，在图中并未示出。在门型架上仅设有一个活动的显示屏，该显示屏与电脑连接，用于展示数据信息和图像信息。

所谓的C型臂机，是指其主要的结构部件为一种C型的滑架，在滑架上还设有滑轨，滑轨上滑动配合有共面机构，所谓共面机构则是指两个相互垂直连接的丝杠移动机构，在最下部的丝杠移动机构上具有固定端，用于固定穿刺针2，通过共面机构能够在一个平面上随意移动穿刺针2，而滑架能够调整穿刺针2的偏移方向。

本实施例中的引导设备则是设置在该固定端上的结构，如图1-5所示，包括一个引导架1，该引导架1同样是一种丝杠移动控制机构，其一端设有伺服电机控制引导架1内部的丝杠转动。而在引导架1上设有滑动座9，该滑动座9与丝杠配合，通过丝杠转动带动其沿轴线方向往复运动。

在滑动座9上设有一个夹持座7，该夹持座7通过螺栓与滑动座9上表面固定连接。图中可以看到，夹持座7正面具有一个凹槽，该凹槽内设有滑动夹持的压板，在夹持座7外部设有可旋拧的固定旋钮8。固定旋钮8中部具有一根螺杆，该螺杆与夹持座7螺纹配合且其端部穿入凹槽内与压板转动连接。通过转动固定旋钮8可使压板在凹槽内横向移动，从而对插入凹槽内的结构进行压接固定。

在夹持座7上设有一个引导管3结构，图中可以看到，引导管3具有一个本体3.2，在本体3.2一端设有一个扩张端3.3，该扩张端3.3即为穿刺针2插入端。而引导管3外壁上具有一个片状的夹持端3.1，该夹持端3.1与引导管3为一体成型结构，在本实施例中为透明的硬质高分子材质。

将引导管3固定在夹持座7上，通过伺服电机移动可将引导管3贴近皮肤表面，按照预设的针道调整引导管3方向，使其内部通道的轴线正好与设计针道的空间方位重合，然后固定整个设备，医师可拿住穿刺针2从引导管3穿过并插入人体内。

由于夹持座7与引导管3为可拆卸连接，且夹持座7的凹槽宽度大于夹持端3.1的厚度，则在安装时具有一定调节范围，使得安装后的引导管3并未处于正确位置，导致穿刺针2出现偏差。

进一步的，为了提高精度，在引导架1连接伺服电机一侧设有尾架5，尾架5具有一个向伺服电机处延伸的臂，在臂的端部设有一个固定座，在固定座内设有摄像头4。该摄像头4通过线束与电脑连接，电脑中预设有整套穿刺针2的定位信息，同时还具有图像识别算法。在引导管3的扩张端3.3端面上还设有定位标识3.4，在穿刺针2的尾部也同样设有标记头6。标记头6的端面上设有与定位标识3.4相同形状的十字星凸起，而摄像头4正对引导管3一侧，通过获取实时的十字定位标识3.4进行定位，从而可确认引导管3的偏移角度和穿刺针2的插深。

在穿刺过程中，医师可通过显示屏查看相关的数据和图像，其中数据就包括患者的体征，同时也包括粒子植入过程中的一切数据信息。而图像主要是通过前期处理后获取到的患者整体或局部的三维建模图像，并通过将设计针道的图像在三维模型中展示，并通过实时监测C型臂机的移动数据来确定对应的针道。

当引导架1已经移动至对应针道位置后，C型臂机便固定不动，而伺服电机会推动引导管3尽可能靠近穿刺点的皮肤处，并通过摄像头4确认引导管3是否与本次穿刺的设计针道重合，并在重合度高于99％时确认该引导管3固定有效。此时医师可将穿刺针2从引导管3中穿入，并在插入皮肤前，通过摄像头4确认该穿刺针2是否存在偏差，若重合度也高于99％则确认为有效穿刺。随着医师的操作，穿刺针2会插入人体中，由于电脑能够根据摄像头4获取到的图像数据计算得到穿刺针2的移动距离，从而在显示屏中的三维模型上实时显示正在穿刺的穿刺针2的对应位置，给医师提示，若此时穿刺针2出现偏差，会在显示屏上迅速提示示警，并通过箭头等指向性图示引导医师将穿刺针2向正常方向引导，从而完成整个穿刺过程。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (5)

1.一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，通过设置在C型臂机的活动端部进行空间移动，其特征在于：包括引导架（1）和设置在引导架（1）上的固定机构，所述固定机构上设有具有引导穿刺针（2）进行直线运动的限位件；

所述限位件与固定机构可拆卸连接，并可在限位件与计划针道轴线重合后固定引导穿刺针（2）穿入人体时释放；

在引导架（1）上还设有定位校准机构，所述定位校准机构具有朝向限位件一侧的检测端，通过检测获取限位件内用于引导穿刺针（2）的通道轴线位置信息进行对比校验；

所述定位校准机构为激光测距仪，激光测距仪的光束线可无遮挡地从被校准固定后的限位件的通道穿过；

所述定位校准机构为摄像头（4），在限位件上设有用于校准的标识端面，所述摄像头（4）与外部具有穿刺针道信息的处理模块通信连接；

所述限位件为引导管（3），所述固定机构为设置在引导架（1）上的夹持座（7），所述引导管（3）轴线处为用于引导穿刺针（2）的通道，在引导管（3）外侧设有供夹持座（7）夹持固定的夹持端（3.1）；

所述夹持端（3.1）为与引导管（3）一体成型的硬质片体，在夹持端（3.1）表面设有防滑纹路。

2.根据权利要求1所述的一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，其特征在于：所述夹持座（7）上设有接触面积大于夹持端（3.1）表面面积的凹槽，在凹槽内设有活动的压片，在夹持座（7）外侧设有与压片转动连接的固定旋钮（8），所述固定旋钮（8）与夹持座（7）螺纹配合，通过旋拧固定旋钮（8）使压片在凹槽内横向移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，其特征在于：所述引导管（3）具有内径渐变用于引导穿刺针（2）进入引导管（3）内的斜孔的扩张端（3.3），在扩张端（3.3）的端面上绕所述斜孔等圆心角设有多个用于定位的定位标识（3.4）；

所述摄像头（4）采集定位标识（3.4）的图像信息与处理模块中的预设值比对确定重合度，当重合度高于99%时通过外部终端设备提示定位成功。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，其特征在于：所述穿刺针（2）尾部设有标记头（6），所述标记头（6）上具有用于定位的十字标记，当处理模块对比十字标记与预设值计算的重合度小于99%时通过外部终端设备进行提示。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于C型臂机穿刺的空间定位引导设备，其特征在于：所述引导架（1）具有伺服电机和丝杠，丝杠上设有可沿丝杠轴线往复运动的滑动座（9），所述固定机构与滑动座（9）固定连接；所述伺服电机与处理模块连接进行动作控制。

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