CN113288370B - 一种术中穿刺针弯曲检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种术中穿刺针弯曲检测系统及方法，以解决现有穿刺引导系统无法实时检测穿刺针弯曲形变，使得穿刺效率及穿刺精度降低的问题。一种术中穿刺针弯曲检测系统，包括超声探头、穿刺针、辅助定位装置、空间定位机构、超声检测机构和图像处理服务器，空间定位机构通过辅助定位装置的定位信息获取超声探头、穿刺针的位置信息并进行标定，所述图像处理服务器生成针尖的空间坐标；图像处理服务器还实时从空间定位装中读取并计算针尖的空间坐标，计算两坐标的空间间距，将空间间距与阈值进行比较，判定穿刺针是否发生弯曲。

Description

一种术中穿刺针弯曲检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种术中穿刺针弯曲检测系统及其检测方法。

背景技术

超声成像设备因实时性高、操作简便、人体危害小等特点，在临床肿瘤的诊断和治疗过程中的应用十分普及，目前已广泛应用于肿瘤穿刺引导。在超声引导穿刺手术过程中，由于细直径的穿刺针受到生物组织的不均匀阻力，不可避免地会发生弯曲，穿刺针弯曲方向和弯曲的程度与其锋利程度、生物组织的纤维走向、穿刺速度等多因素相关，直接通过受力分析预测弯曲方向非常复杂。

目前市场上使用的针对不同穿刺针设置的穿刺架、适配型穿刺引导装置、及利用激光进行辅助穿刺，均未考虑实际临床穿刺过程中穿刺针的弯曲形变，尤其是穿刺针在垂直超声平面上的弯曲，这将大大降低上述方法的穿刺精度。另外，也有在穿刺针上贴布拉格光栅来感应针体形变的做法，只是新附着在针体的材料不仅对穿刺手术效果产生一定影响，而且他们反馈的穿刺针弯曲偏移量和方向的精度也不尽理想。

因此，如何通过便捷、直观、实时的穿刺针弯曲检测提高穿刺手术效率及准确性，成为人们亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出一种术中穿刺针弯曲检测系统及其检测方法，解决现有穿刺引导系统无法实时检测穿刺针弯曲形变，使得穿刺效率及穿刺精度降低的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种术中穿刺针弯曲检测系统，其特殊之处在于：

包括超声探头机构、穿刺针机构、辅助定位装置、空间定位机构、超声检测机构和图像处理服务器，

所述辅助定位装置分别固定在超声探头机构、穿刺针机构上，用于对超声探头机构、穿刺针机构的位置进行定位，

超声检测机构用于显示超声探头机构扫描的超声图像；

空间定位机构通过辅助定位装置的定位信息获取超声探头机构、穿刺针机构的位置信息并进行标定，

所述图像处理服务器实时检测超声图像上穿刺针机构的位置、方向，并生成穿刺针机构所对应针尖的空间坐标，记为Pi＝(x₁,y₁,z₁)；图像处理服务器还实时从空间定位装置中读取并计算针尖的空间坐标，记为Pc＝(x₂,y₂,z₂)，计算坐标Pi和坐标Pc的空间间距，将空间间距与阈值进行比较，判定穿刺针是否发生弯曲。

进一步地，图像处理服务器包括显示模块；

图像处理服务器根据空间定位机构的信息及超声检测机构的信息，将超声探头机构、穿刺针机构标定的位置信息和超声检测机构的超声图像转化到统一的空间坐标系下并进行标定；显示模块用于显示超声探头机构、穿刺针机构在该空间坐标系的位置。

进一步地，图像处理服务器包括基于超声图像的针检测算法模块，基于超声图像的针检测算法模块的作用是在超声图像上检测并跟踪穿刺针的位置。

进一步地，图像处理服务器包括空间定位数据获取模块，空间定位数据获取模块的作用是实时读取空间定位机构捕获的定位辅助工具的实时位置。

进一步地，图像处理服务器包括针检测数据处理，针检测数据处理的作用由穿刺针的特征点空间坐标生成穿刺针的三维空间图像。

一种术中穿刺针弯曲检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过空间定位机构可完成超声探头机构和穿刺针机构标定工作，将超声探头机构扫描得到的图像平面、穿刺针机构及其针尖转化到统一的空间坐标系下；

2)穿刺针机构与超声探头机构的扫描图像在同一空间平面内，图像处理服务器上运行的图像检测算法实时检测超声图像上穿刺针机构的位置、方向，并生成穿刺针机构所对应针尖的空间坐标，记为Pi＝(x₁,y₁,z₁)；同时，经过步骤1)对穿刺针机构标定之后，图像处理服务器可以实时从空间定位装置1中读取并计算针尖的空间坐标，记为Pc＝(x₂,y₂,z₂)，两者的空间坐标在同一坐标系下；

3)对图像处理服务器由图像检测算法确定的针尖的坐标Pi和基于穿刺针标定的计算针尖的坐标Pc进行空间间距比较，两者由三维空间欧氏距离公式实时计算空间间距

当两坐标的空间间距d大于某一个阈值时，需重新更新针检测算法搜索域模板、并检查穿刺针是否在前述空间定位机构的可视范围内即检查Pc的精度可靠；若d仍大于阈值，则可判定穿刺针已发生弯曲。

本发明的优点：

本发明提出一种术中穿刺针弯曲检测方法，本发明提供了一种术中穿刺针弯曲的实时检测方法，基于术中超声图像的针检测、超声探头标定、穿刺针针尖标定，可实时检测超声图像中穿刺针的位置，通过与理论的穿刺位置对比，可以检测穿刺针在最佳超声成像平面内以及垂直最佳超声平面的弯曲形变量，从而在穿刺手术过程中，可以准确、实时地反馈穿刺针的弯曲位置和方向，为调整穿刺动作提供量化依据。

附图说明

图1是本发明术中弯曲检测方法硬件布局图；

图2是判断穿刺针弯曲原理的简化示意图。

1、空间定位机构；2、辅助定位装置；3、超声探头机构；4、穿刺针机构；5、超声检测机构；6、图像处理服务器；7、病灶；8、已标定的穿刺针；9、针尖。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

本发明是为了解决现有穿刺引导装置无法实时检测穿刺针弯曲形变，使得穿刺效率及穿刺精度降低的问题。本发明提供了一种术中穿刺针弯曲的检测系统和方法，基于术中超声图像的针检测、超声探头标定、穿刺针针尖标定，可实时检测超声图像中穿刺针的位置，通过与理论的穿刺位置对比，可以检测穿刺针在最佳超声成像平面内以及垂直最佳超声平面的弯曲形变量，从而在穿刺手术过程中，可以准确、实时地反馈穿刺针的弯曲位置和方向，为调整穿刺动作提供量化依据。

参见图1，一种术中穿刺针弯曲检测系统，包括超声探头机构3、穿刺针机构4、辅助定位装置2、空间定位机构1、超声检测机构5和图像处理服务器6。

所述辅助定位装置2分别固定在超声探头机构3、穿刺针机构4上，用于对超声探头机构3、穿刺针机构4的位置进行定位。超声检测机构5用于显示超声探头机构3扫描的超声图像；空间定位机构1通过辅助定位装置2的定位信息获取超声探头机构3、穿刺针机构4的位置信息并进行标定。所述图像处理服务器6实时检测超声图像上穿刺针机构4的位置、方向，并生成穿刺针机构4所对应针尖9的空间坐标，记为Pi＝(x₁,y₁,z₁)；图像处理服务器6还实时从空间定位装置1中读取并计算针尖9的空间坐标，记为Pc＝(x₂,y₂,z₂)，计算坐标Pi和坐标Pc的空间间距，将空间间距与阈值进行比较，判定穿刺针是否发生弯曲。

优选地，图像处理服务器6上的软件系统包含实时图像接入模块、基于超声图像的针检测算法模块、空间定位数据获取模块、针检测数据处理及显示模块等。

所述图像处理服务器6根据空间定位机构1的信息及超声检测机构5的信息，将超声探头机构3、穿刺针机构4标定的位置信息和超声检测机构5的超声图像转化到统一的空间坐标系下并进行标定；显示模块用于显示超声探头机构3、穿刺针机构4在该空间坐标系的位置。

所述基于超声图像的针检测算法模块的作用是在超声图像上检测并跟踪穿刺针的位置。

所述空间定位数据获取模块的作用是实时读取空间定位机构捕获的定位辅助工具的实时位置。

所述针检测数据处理的作用是由穿刺针的特征点空间坐标生成穿刺针的三维空间图像。

基于上述术中穿刺针弯曲检测系统，本发明还提出一种术中穿刺针弯曲检测方法，即在超声辅助的穿刺手术系统中，实时检测进入组织内的穿刺针弯曲状况，其特征在于，在超声探头机构3和穿刺针机构4上增加辅助定位装置2，空间定位机构1实时监测穿刺针机构4及其针尖9的空间坐标A，同时图像处理服务器6基于实时超声图像运行针检测算法，检测穿刺针机构4及其针尖9的图像坐标并通过标定转换成与定位装置相同的空间坐标系下的空间坐标B，通过判断空间坐标A和空间坐标B两者之间的偏差是否大于某一阈值，确定穿刺针机构4是否发生弯曲。

具体地，所述术中穿刺针弯曲检测方法，具体包括以下步骤：

步骤一：搭建超声引导穿刺手术硬件设备，含连接超声机的超声探头机构3(以夹具附着反光小球)、空间定位机构1、手术穿刺针机构4(带带辅助定位装置2)、通过图像采集卡连接超声机的数据处理服务器5，空间定位机构1连接图像处理服务器6。图像处理服务器6上的软件系统包含实时图像接入模块、基于超声图像的针检测算法模块、空间定位数据获取模块、针检测数据处理及显示模块等。

步骤二：将超声探头机构3(带辅助定位装置2，并已在图像处理服务器6上完成超声探头机构采集到的超声图像所对应的图像坐标系到空间坐标系标定)移动到最佳超声成像平面，固定超声探头机构3的位置，超声图像平面5内实时显示病灶的位置。穿刺针机构4(带辅助定位装置2，并已在图像处理服务器6上已完成穿刺针定位辅助装置2对应的针尖坐标系到空间坐标系的标定，标定误差为δ₁)抵近超声平面，进入预设的穿刺入针点。

步骤三：穿刺针机构4沿入针点与动态病灶中心(指的是病灶区域最大运动范围的中间位置)的虚拟连线，向病灶区域穿刺，超声探头机构3实时采集病灶和穿刺针的图像，并传送数据到图像处理服务器6，服务器6运行实时针检测算法，检测穿刺针机构4的针尖9位置(检测误差为δ₂)、入针角度和成像质量，经超声探头标定模块将针尖的平面图像坐标转换成以NDI固定端为坐标原点的空间坐标Pi＝(x₁,y₁,z₁)，与穿刺针机构4标定计算得到的针尖坐标Pc＝(x₂,y₂,z₂)进行实时计算空间间距，由n维空间欧氏距离公式计算：

当d>δ₁+δ₂+δ₀时(δ₀表示一个自定义的常数误差)，则：(1)以Pc为参考，更新针检测算法模板，重新检测图像上针尖的空间位置。(2)检查穿刺针的NDI可视范围，以确定Pc的精度可靠。

经前述更新模板及检查定位系统可视范围后，重新计算d，当d>δ₁+δ₂+δ₀，则可判定穿刺针发生弯曲。

其中，图2上pi表示基于图像针尖检测确定的针尖空间坐标，pc表示基于标定的计算针尖空间坐标，d表示两者的空间间距，pa表示实际的针尖位置。

步骤四：当评估穿刺针机构4发生弯曲后，停止穿刺操作。可将超声探头机构3沿换能器中线进行顺时针旋转一定角度ζ(角度ζ以穿刺针针尖9部位在超声图像上消失为最小角度，且不大于90°)，再沿逆时针旋转ζ角度，同时超声探头机构3实时采集穿刺针机构4的超声图像。

步骤五：在上述超声探头机构3旋转过程中，实时采集到的穿刺针机构4超声图像，经过图像坐标系与空间坐标系的转换，拟合出穿刺针机构4的实时空间形态。此时结合已经标定的超声探头扫描的超声图像坐标系以及在超声图像上显示的病灶7、已标定的穿刺针8，将病灶靶点空间位置、穿刺针的实际空间位置和定位系统计划空间位置，以三维方式在图像处理服务器6上进行可视化。

步骤六：结合三维可视化的量化标注信息，为医生重新判断穿刺手术的最佳成像位置或调整当前穿刺实施过程提供依据。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种术中穿刺针弯曲检测系统，其特殊之处在于：

包括超声探头机构(3)、穿刺针机构(4)、辅助定位装置(2)、空间定位机构(1)、超声检测机构(5)和图像处理服务器(6)，

所述辅助定位装置(2)分别固定在超声探头机构(3)、穿刺针机构(4)上，用于对超声探头机构(3)、穿刺针机构(4)的位置进行定位，

超声检测机构(5)用于显示超声探头机构(3)扫描的超声图像；

空间定位机构(1)通过辅助定位装置(2)的定位信息获取超声探头机构(3)、穿刺针机构(4)的位置信息并进行标定，

所述图像处理服务器(6)实时检测超声图像上穿刺针机构(4)的位置、方向，并生成穿刺针机构(4)所对应针尖(9)的空间坐标，记为Pi＝(x₁,y₁,z₁)；图像处理服务器(6)还实时从空间定位机构(1)中读取并计算针尖(9)的空间坐标，记为Pc＝(x₂,y₂,z₂)，计算坐标Pi和坐标Pc的空间间距，将空间间距与阈值进行比较，判定穿刺针是否发生弯曲；

图像处理服务器(6)包括显示模块；

图像处理服务器(6)根据空间定位机构(1)的信息及超声检测机构(5)的信息，将超声探头机构(3)、穿刺针机构(4)标定的位置信息和超声检测机构(5)的超声图像转化到统一的空间坐标系下并进行标定；显示模块用于显示超声探头机构(3)、穿刺针机构(4)在该空间坐标系的位置。

2.根据权利要求1所述的一种术中穿刺针弯曲检测系统，其特殊之处在于：

图像处理服务器(6)包括基于超声图像的针检测算法模块，基于超声图像的针检测算法模块用于实现在超声图像上检测并跟踪穿刺针的位置。

3.根据权利要求2所述的一种术中穿刺针弯曲检测系统，其特殊之处在于：

图像处理服务器(6)包括空间定位数据获取模块，空间定位数据获取模块用于实现实时读取空间定位机构捕获的定位辅助工具的实时位置。

4.根据权利要求3所述的一种术中穿刺针弯曲检测系统，其特殊之处在于：

图像处理服务器(6)包括针检测数据处理，针检测数据处理用于实现由穿刺针的特征点空间坐标生成穿刺针的三维空间图像。

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