CN113633381A - 基于超声实时导航的开路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声实时导航的开路系统，包括：一体化超声导航开路器，其包括手柄部和介入探头，所述介入探头包括旋转杆和设置在所述旋转杆上的双频超声换能器；超声成像模块；以及导航模块，其包括三维成像模块、透骨探测模块以及钉道破损与周围组织探测模块。本发明的基于超声实时导航的开路系统将椎弓根钉道开路机构和超声成像系统进行了结合，在构建钉道的同时能够对椎弓根内部空间进行三维成像，同时还能透骨探测血流或脑脊液的流动信号，并得到钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离，能实现安全距离预警功能，从而可对钉道的构建进行实时导航，能够为脊柱外科手术提供一种实用、有效、精准、便携的操作系统。

Description

基于超声实时导航的开路系统
技术领域
本发明涉及超声技术领域，特别涉及一种基于超声实时导航的开路系统。
背景技术
脊柱经椎弓根螺钉内固定技术具有坚强的“三柱”控制和优越的重建稳定性，目前在临床上广泛应用于创伤、退变、肿瘤及畸形等疾病的治疗。但由于椎弓根周围毗邻脊髓、神经根、血管等重要结构，一旦螺钉穿出椎弓根可能会出现神经、血管损伤，严重者发生瘫痪、脑干或小脑缺血、主动脉穿孔等严重并发症；螺钉的准确植入是预防这些并发症的关键。
超声具有无电离辐射、费用低廉、便于携带以及实时显像等优点,利用超声成像来引导螺钉的准确植入椎弓根有望避免螺钉穿出椎弓根的风险，但现在未见公开可靠的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超声实时导航的开路系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于超声实时导航的开路系统，包括：
一体化超声导航开路器，其包括手柄部和介入探头，所述介入探头包括旋转杆和设置在所述旋转杆上的双频超声换能器，所述旋转杆用于通过旋转钻孔在椎弓根内创建钉道，所述手柄部内设置有用于驱动所述介入探头进行旋转的驱动机构；
超声成像模块，其与所述手柄部连接，所述超声成像模块控制所述双频超声换能器发射超声信号和接收回波信号，以及对所述驱动机构进行控制；
以及导航模块，其包括三维成像模块、透骨探测模块以及钉道破损与周围组织探测模块，所述三维成像模块用于对钉道内部进行三维成像以引导旋转杆创建钉道的方向，所述透骨探测模块用于对钉道壁与血管/脑脊液之间的距离进行探测，所述钉道破损与周围组织探测模块用于对钉道破损的位置和尺寸进行探测，以及对钉道破损处周围的组织进行探测。
优选的是，所述双频超声换能器为一个能发射两种频率的超声波的换能器或者为两个不同频率的超声换能器的组合。
优选的是，两个不同频率的超声换能器通过背靠背的方式组合在一起。
优选的是，双频超声换能器包括一个低频超声换能器和一个高频超声换能器，低频超声换能器发出的超声频率为2.5MHz，高频超声换能器发出的超声频率为15-30MHz。
优选的是，所述旋转杆具有锥体状的尖端，所述尖端的后部设置有螺纹部，所述螺纹部上开设有用于容纳所述双频超声换能器的安装槽。
优选的是，所述旋转杆上还具有刻度。
优选的是，所述超声成像模块包括与所述双频超声换能器对应的超声发射接收系统、用于对所述驱动机构进行控制的运动控制单元以及用于进行图像显示的成像硬件系统。
优选的是，所述三维成像模块进行三维成像的方法为：
接收所述双频超声换能器的两个不同频率的超声换能器采集的回波信号，进行双频超声图像融合，通过实时二维B模式图像显示实际钉道的内部形态；
对相邻二维B模式超声图像进行空间映射，将目标轮廓的空间位置信息映射到三维坐标系中予以排列，进而采用MC算法将二维切片数据转换为三维数据场，通过提取三维数据的等值面，构建得到钉道内部的三维图像，以引导旋转杆创建钉道的方向。
优选的是，透骨探测模块的探测方法为：控制处于钉道壁内的所述双频超声换能器发出脉冲多普勒信号，并采集回波信号，然后对采集的回波信号进行多普勒信号提取，识别血流或脑脊液的流动信号，再然后计算出钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离。
优选的是，钉道破损与周围组织探测模块的探测方法为：先利用所述双频超声换能器发出高频超声探测钉道破损的位置和大小，然后使双频超声换能器移动到钉道破损的位置，使用二维B模式成像方式直接探测钉道破损位置周围的组织。
本发明的有益效果是：本发明的基于超声实时导航的开路系统将椎弓根钉道开路机构和超声成像系统进行了结合，在构建钉道的同时能够对椎弓根内部空间进行三维成像，同时还能透骨探测血流或脑脊液的流动信号，并得到钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离，能实现安全距离预警功能，从而可对钉道的构建进行实时导航，能够为脊柱外科手术提供一种实用、有效、精准、便携的操作系统。
附图说明
图1为本发明的基于超声实时导航的开路系统的原理框图；
图2为本发明的一体化超声导航开路器的结构示意图；
图3为本发明的手柄部的结构示意图；
图4为本发明的一体化超声导航开路器钻入椎弓根内部的结构示意图；
图5(a)为一体化超声导航开路器钻入椎弓根内部的效果示意图；
图5(b)为钉道内部的三维图像；
图6(a)为一体化超声导航开路器贴近颈椎椎弓根椎动脉侧皮质骨时的示意图；
图6(b)为超声脉冲多普勒透骨探测流动的液体信号；
图7为多普勒信号表征的距离示意图。
附图标记说明：
1—一体化超声导航开路器；2—超声成像模块；3—导航模块；11—手柄部；12—介入探头；13—旋转杆；14—双频超声换能器；15—尖端；16—螺纹部；17—安装槽；18—驱动机构；181—电机；182—编码器；183—滑环。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
参照图1，本实施例的一种基于超声实时导航的开路系统，包括：
一体化超声导航开路器1，其包括手柄部11和介入探头12，介入探头12包括旋转杆13和设置在旋转杆13上的双频超声换能器14，旋转杆13用于通过旋转钻孔在椎弓根内创建钉道，手柄部11内设置有用于驱动介入探头12进行旋转的驱动机构18；
超声成像模块2，其与手柄部11连接，超声成像模块2控制双频超声换能器14发射超声信号和接收回波信号，以及对驱动机构18进行控制；
以及导航模块3，其包括三维成像模块、透骨探测模块以及钉道破损与周围组织探测模块，三维成像模块用于对钉道内部进行三维成像以引导旋转杆13创建钉道的方向，透骨探测模块用于对钉道壁与血管/脑脊液之间的距离进行探测，钉道破损与周围组织探测模块用于对钉道破损的位置和尺寸进行探测，以及对钉道破损处周围的组织进行探测。
在一种实施例中，双频超声换能器14为一个能发射两种频率的超声波的换能器。
在另一种实施例中，双频超声换能器14为两个不同频率的超声换能器的组合。两个超声换能器可采用背靠背、互相嵌入、并排等方式组合在一起，本实施例中，两个不同频率的超声换能器通过背靠背的方式组合在一起。
其中，双频超声换能器14包括一个低频超声换能器和一个高频超声换能器，低频超声换能器用于实现一定深度的探测，高频超声换能器用于检测钉道表面破损的大小，使得双频超声换能器14能实现深度和破损区域的同时检测。高频超声信号可以使图像分辨率提高进而使钉道内壁部分更为清晰，远场部分则由低频探头部分负责以提高成像深度。本实施例中，低频超声换能器发出的超声频率为2.5MHz，高频超声换能器发出的超声频率为15-30MHz。
参照图2，其中，旋转杆13具有锥体状的尖端15，尖端15的后部设置有螺纹部16，通过驱动旋转杆13旋转，借助尖端15实现钻孔，以构建钉道。螺纹部16上开设有用于容纳双频超声换能器14的安装槽17。旋转杆13材料选用金属或者金属合金：如铝、钛合金、钢等。在优选的实施例中，旋转杆13上还具有刻度，辅助观测钉道创建的深度。
参照图3，其中，手柄部11供手持操作，其内部的驱动机构18包括电机181、编码器182及滑环183等常规机构。使用时，操作者手持手柄部11，通过驱动机构18驱动旋转杆13旋转，在椎弓根内构建钉道，旋转杆13上的双频超声换能器14一同旋转并介入内部，通过实时超声成像，对钉道的构建方向进行导航。在优选的实施例中，为了保护人体组织不受到旋转运动的破坏，旋转杆13的外部还设置有塑料鞘管，塑料鞘管需要有较好的声学性能，能够透过换能器产生的声学信号，可选用Pebax材料。参照图4，为一体化超声导航开路器1钻入椎弓根内部的示意图。
在一种实施例中，双频超声换能器14为两个不同频率的超声换能器的组合时，超声成像模块2包括与双频超声换能器14的两个不同频率的超声换能器分别对应的两个独立的超声发射接收系统、用于对驱动机构18进行控制的运动控制单元以及用于进行图像显示的成像硬件系统。
在另一种实施例中，双频超声换能器14为一个能发射两种频率的超声波的超声换能器时，超声成像模块2中的超声发射接收系统为一套，能与该超声换能器配合实现两种超声频率的发射和回波接收。
在一种实施例中，三维成像模块进行三维成像的方法为：
接收双频超声换能器14的两个不同频率的超声换能器采集的回波信号，进行双频超声图像融合，通过实时二维B模式图像显示实际钉道的内部形态；
对相邻二维B模式超声图像进行空间映射，将目标轮廓的空间位置信息映射到三维坐标系中予以排列，进而采用MC算法将二维切片数据转换为三维数据场，通过提取三维数据的等值面，构建得到钉道内部的三维图像，以引导旋转杆13创建钉道的方向。
其中，二维B模式超声即B型超声，简称B超，即亮度模式超声，B超能将从组织反射回来的回波信号强度转换成图像灰度组成切面二维图像，能直观地显示脏器的大小、形态、内部结构；组织间声阻抗相差越大，反射越强，产生的回声信号幅度越大，图像越亮；反之回波信号越弱，产生的图像越暗，并可将实质性、液性或含气性组织区分开来。
参照图5(a)为一体化超声导航开路器1钻入椎弓根内部的效果示意图，图5(b)为钉道内部的三维图像。
在一种实施例中，透骨探测模块的探测方法为：控制处于钉道壁内的双频超声换能器14发出脉冲信号，并采集回波信号，然后对采集的回波信号进行多普勒信号提取，识别血流或脑脊液的流动信号，再然后计算出钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离。钉道创建过程中，透骨探测模块实时探测钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离，且当该距离小于预先设置的安全距离阈值时，透骨探测模块会发出距离报警信号，以实现距离预警。
其中，二维多普勒又称彩色多普勒，即彩色超声，其利用超声波与血流之间的多普勒效应，对运动的脏器和血流进行探测把所得的血流信息经相位检测、自相关等处理，将平均血流速度以彩色灰阶编码的形式叠加显示在B型灰阶图像上。超声发射的脉冲信号，遇到组织中的散射子/骨头/血管，会返回超声信号，如果遇到运动的组织或者血流信号，在回波信号处可以检测到较强的多普勒信号，结合回波处的时间，乘以路径上的速度，就可以得到距离。
参照图6(a)为一体化超声导航开路器1贴近颈椎椎弓根椎动脉侧皮质骨时的示意图，图6(b)为超声脉冲多普勒透骨探测流动的液体信号。
本实施例中，进行了透骨探测的仿体实验：利用双频超声换能器14发出2.5MHz的超声波对仿体进行超声透骨血流检测，超声换能器在水槽中穿过1.8mm骨片对人工血管内血流进行检测(超声换能器和人工血管之间设置一块1.8mm后的骨片)，模拟动脉实际情况，将人工血管内血流的流速设置为30cm/s；由超声回波数据提取的多普勒信号如图7所示，通过该多普勒信号计算得到的超声换能器与人工血管之间的距离与真实距离吻合(图中从左向右，第一条虚线和第三条虚线之间的距离表示超声换能器与人工血管之间的距离)。
在一种实施例中，钉道破损与周围组织探测模块的探测方法为：先利用双频超声换能器14发出高频超声探测钉道破损的位置和大小，然后使双频超声换能器14移动到钉道破损的位置，使用二维B模式成像方式直接探测钉道破损位置周围的组织。
导航模块3还包括显示单元，钉道构建过程中，显示单元实时显示三维成像模块得到的钉道内部的三维图像以及透骨探测模块获得的钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离，以对钉道构建方向进行导航。同时，显示单元还可显示钉道破损与周围组织探测模块得到的钉道破损处以及破损处周围组织的图像。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，包括：
一体化超声导航开路器，其包括手柄部和介入探头，所述介入探头包括旋转杆和设置在所述旋转杆上的双频超声换能器，所述旋转杆用于通过旋转钻孔在椎弓根内创建钉道，所述手柄部内设置有用于驱动所述介入探头进行旋转的驱动机构；
超声成像模块，其与所述手柄部连接，所述超声成像模块控制所述双频超声换能器发射超声信号和接收回波信号，以及对所述驱动机构进行控制；
以及导航模块，其包括三维成像模块、透骨探测模块以及钉道破损与周围组织探测模块，所述三维成像模块用于对钉道内部进行三维成像以引导旋转杆创建钉道的方向，所述透骨探测模块用于对钉道壁与血管/脑脊液之间的距离进行探测，所述钉道破损与周围组织探测模块用于对钉道破损的位置和尺寸进行探测，以及对钉道破损处周围的组织进行探测。
2.根据权利要求1所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，所述双频超声换能器为一个能发射两种频率的超声波的超声换能器或者为两个不同频率的超声换能器的组合。
3.根据权利要求2所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，两个不同频率的超声换能器通过背靠背的方式组合在一起。
4.根据权利要求3所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，双频超声换能器包括一个低频超声换能器和一个高频超声换能器，低频超声换能器发出的超声频率为2.5MHz，高频超声换能器发出的超声频率为15-30MHz。
5.根据权利要求1所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，所述旋转杆具有锥体状的尖端，所述尖端的后部设置有螺纹部，所述螺纹部上开设有用于容纳所述双频超声换能器的安装槽。
6.根据权利要求5所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，所述旋转杆上还具有刻度。
7.根据权利要求2所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，所述超声成像模块包括与所述双频超声换能器对应的超声发射接收系统、用于对所述驱动机构进行控制的运动控制单元以及用于进行图像显示的成像硬件系统。
8.根据权利要求7所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，所述三维成像模块进行三维成像的方法为：
接收所述双频超声换能器的两个不同频率的超声换能器采集的回波信号，进行双频超声图像融合，通过实时二维B模式图像显示实际钉道的内部形态；
对相邻二维B模式超声图像进行空间映射，将目标轮廓的空间位置信息映射到三维坐标系中予以排列，进而采用MC算法将二维切片数据转换为三维数据场，通过提取三维数据的等值面，构建得到钉道内部的三维图像，以引导旋转杆创建钉道的方向。
9.根据权利要求8所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，透骨探测模块的探测方法为：控制处于钉道壁内的所述双频超声换能器发出脉冲多普勒信号，并采集回波信号，然后对采集的回波信号进行多普勒信号提取，识别血流或脑脊液的流动信号，再然后计算出钉道壁与血管或者脑脊液之间的距离。
10.根据权利要求9所述的基于超声实时导航的开路系统，其特征在于，钉道破损与周围组织探测模块的探测方法为：先利用所述双频超声换能器发出高频超声探测钉道破损的位置和大小，然后使双频超声换能器移动到钉道破损的位置，使用二维B模式成像方式直接探测钉道破损位置周围的组织。
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