CN113940733B - 一种ct兼容的肺部穿刺活检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法，系统包括：图像处理单元，用于显示CT图像，在CT图像上确定穿刺层面，并标识出穿刺目标点和穿刺针入针点，形成术前穿刺路径规划；呼吸相检测单元，用于实时检测呼吸相，并将呼吸相检测结果传输至穿刺路径规划单元；穿刺路径规划单元，用于生成任意呼吸相下的穿刺路径，及用于调整机器人穿刺机构的穿刺姿态，使机器人穿刺机构上的穿刺针与穿刺路径共线；运动控制单元，用于控制机器人穿刺机构的运动，及控制穿刺针的穿刺运动。通过呼吸相检测单元在穿刺过程中对患者进行呼吸相的检测，使得能依据呼吸相生成优化的穿刺路径，从而实现精准的穿刺，减小因误穿而导致的患者体内损伤。

Description

一种CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体而言，涉及一种CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法。

背景技术

肺癌是发病率和死亡率最高的恶性肿瘤，肺癌的早筛查、早诊断和早治疗是提高肺癌患者五年生存率的最有效的办法。肺结节(即指肺内直径≤3cm的类圆形或不规则形病灶)的性质判定是肺癌早期诊断和治疗的重要环节。经皮肺穿刺针吸活检是目前针对肺结节的主要活检方法。在此术式中，医生在超声或计算机断层扫描(CT)图像的引导下，使用穿刺针刺入目标结节处，并利用活检枪提取组织样本，通过对组织样本的病理检查以明确病变的良恶性。术中CT是经皮肺穿刺活检的主要图像引导方法：施术时，患者在局部麻醉的状态下躺在CT检查床上，医生指示患者屏息后，对患者胸腹部进行CT扫查，并依据CT扫查图像进行穿刺针路径规划。而后将穿刺针经皮刺入直达目标结节处进行组织采样，最后退出穿刺针并通过术中CT扫描确认穿刺针和结节的位置。

由于穿刺针容易对穿刺路径上的组织结构造成损伤，穿刺手术对医生的操作精度有着极高要求；同时，当利用CT引导操作时，医务人员不可避免地暴露在辐射环境中，虽有铅衣保护，但极其沉重，且无法防护面部和双手，极大地增加了医务人员辐射损伤和综合负担。主从式机器人辅助穿刺能让医生远程操控穿刺针的运动，使得医生能够避免直接暴露在辐射环境中，并且能够有效解决解决医生操作精度不足和操作疲劳等问题。

现有的手动穿刺技术的缺点主要为：对于肺部的穿刺手术，在术中使用CT进行多次扫查时，医生长年累月所受辐射较大。为了提高穿刺的命中率以及避免医生所受辐射，现有的许多技术提出了不同结构的穿刺辅助机器人。目前现有的穿刺辅助机器人主要分为两类：一类是只提供定位功能，由医生手动穿刺；另一类是机器人自动完成定位和穿刺。这两类机器人在一定程度上提高了穿刺精度，但是均无法克服患者呼吸所带来的病灶移位等影响，特别是受呼吸影响较大的肺结节穿刺活检手术。

发明内容

本发明实施例提供了一种CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法，以解决现有穿刺过程中呼吸所带来的病灶移位技术问题，从而实现精准的穿刺，以减小因误穿而导致的患者体内损伤及并发症。

根据本发明的一实施例，提供了一种CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法，包括图像处理单元、穿刺路径规划单元、运动控制单元、呼吸相检测单元及用于进行穿刺工作的机器人穿刺机构；

图像处理单元，用于显示CT图像，在CT图像上确定穿刺层面，并标识出穿刺目标点和穿刺针入针点，形成术前穿刺路径规划；

呼吸相检测单元，用于实时检测呼吸相，并将呼吸相检测结果传输至穿刺路径规划单元；

穿刺路径规划单元，用于生成任意呼吸相下的穿刺路径，及用于调整机器人穿刺机构的穿刺姿态，使机器人穿刺机构上的穿刺针与穿刺路径共线；

运动控制单元，用于控制机器人穿刺机构的运动，及控制穿刺针的穿刺运动。

进一步地，图像处理单元包括：

术前路径规划模块，用于根据术前CT图像，选择合适的穿刺层面，并在穿刺层面的CT图像上选择穿刺目标点和表皮入针点，从而规划穿刺针路径；

术中CT图像采集模块，用于采集术中的CT图像；

术中影像配准模块，用于利用弹性配准实现术前CT图像与术中CT图像的叠加融合，并确定穿刺层面；

穿刺针监测模块，用于实时将穿刺针的进针过程进行反馈。

进一步地，呼吸相检测单元包括：

呼吸幅度检测模块，用于实时检测呼吸相，并发出呼吸相信号；

呼吸相判断模块，用于接收呼吸幅度检测模块发出的呼吸相信号，实时计算出在任意时刻呼吸相，并将呼吸相计算结果传输给穿刺路径规划单元。

进一步地，穿刺路径规划单元包括：

穿刺路径优化模块，用于接收呼吸相计算结果，生成任意呼吸相下的穿刺路径；

穿刺针姿态调整模块，用于接收穿刺路径调整穿刺针姿态，使穿刺针能与穿刺路径共线。

进一步地，运动控制单元包括：

执行机构控制模块，用于控制机器人穿刺机构的运动；

进针机构控制模块，用于控制穿刺针的运动。

进一步地，机器人穿刺机构包括：

拱形机架，拱形机机架包括设置的拱形导轨；

拱形导轨滑块，拱形导轨滑块安装在拱形机架上，并可在拱形导轨上滑动；

升降臂，升降臂可升降移动的安装在拱形导轨滑块上；

水平臂，水平臂可水平移动的安装在升降臂上；

旋转臂，旋转臂可旋转的安装在水平臂上；

进针机构，进针机构安装在旋转臂上，用于进行穿刺工作。

进一步地，进针机构包括穿刺针、持针器及进针框架，持针器可移动的安装在进针框架上，穿刺针安装在持针器上。

进一步地，机器人穿刺机构还包括固定底座，固定底座上设置有卡锁，拱形机架的固定端可旋转的安装在固定底座上，拱形机架的自由端通过卡锁可自由开合的与固定底座锁紧或解锁。

进一步地，机器人穿刺机构还包括导轨导向滑块，拱形导轨滑块通过导轨导向滑块与拱形导轨连接。

进一步地，机器人穿刺机构包括升降臂滑块及升降臂丝杆电机，拱形导轨滑块上设置有升降臂丝杆导轨，升降臂滑块连接在升降臂丝杆导轨上，升降臂丝杆电机驱动升降臂滑块在升降臂丝杆导轨上运动。

进一步地，机器人穿刺机构包括水平臂丝杆滑块及水平臂丝杆电机，升降臂上设置有水平臂丝杆导轨，水平臂丝杆滑块连接在水平臂丝杆导轨上，水平臂丝杆电机驱动水平臂丝杆滑块在水平臂丝杆导轨上运动。

进一步地，水平臂上安装有旋转臂电机，旋转臂与旋转臂电机连接，旋转臂电机驱动旋转臂进行旋转。

一种CT兼容的肺部穿刺活检方法，包括以下步骤：

将进行穿刺的执行机构位置进行初始化调位处理；

导入术前规划路径；

CT设备开始进行扫描；

在扫描过程中，进行呼吸相检测；

将术中扫描到的CT影像与术前带有规划路径的CT影像配准，以确定术中穿刺截面；

实时对术中CT影像进行显影标记，基于术中CT影像的显影标记、术中CT影像与术前CT影像的配准结果计算规划路径下的进针点和进针角度；

基于进针点和进针角度，完成对执行机构的定位，控制执行机构上的穿刺针进行自动进针。

进一步地，在控制执行机构上的进针机构完成自动进针中包括：

实时显示穿刺针的进针过程。

本发明实施例中的CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法，系统包括：图像处理单元，用于显示CT图像，在CT图像上确定穿刺层面，并标识出穿刺目标点和穿刺针入针点，形成术前穿刺路径规划；呼吸相检测单元，用于实时检测呼吸相，并将呼吸相检测结果传输至穿刺路径规划单元；穿刺路径规划单元，用于生成任意呼吸相下的穿刺路径，及用于调整机器人穿刺机构的穿刺姿态，使机器人穿刺机构上的穿刺针与穿刺路径共线；运动控制单元，用于控制机器人穿刺机构的运动，及控制穿刺针的穿刺运动。通过呼吸相检测单元在穿刺过程中对患者进行呼吸相的检测，使得能依据呼吸相生成优化的穿刺路径，从而实现精准的穿刺，减小误穿而导致的患者体内损伤及并发症。

附图说明

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

图1为本发明CT肺部穿刺活检系统的原理图；

图2为本发明机器人穿刺机构的结构示意图；

图3为本发明机器人穿刺机构的另一结构示意图；

图4为本发明机器人穿刺机构的又一结构示意图；

图5为本发明机器人穿刺机构的具体结构图；

图6为本发明机器人穿刺机构的另一具体结构图；

图7为本发明机器人穿刺机构的放大结构图；

图8为本发明机器人穿刺机构的水平臂内部结构图；

图9为本发明机器人穿刺机构的进针机构结构图；

图10为本发明机器人穿刺机构的进针机构结构放大图；

图11为本发明机器人穿刺机构的进针机构另一结构放大图；

图12为本发明机器人穿刺机构的进针机构又一结构放大图；

图13为本发明CT肺部穿刺活检方法的流程图；

图14为本发明CT肺部穿刺活检方法的具体流程图。

附图标记：

101-图像处理单元、102-穿刺路径规划单元、103-运动控制单元、104-机器人穿刺机构、1041-机械臂、1402-穿刺机构、1043-穿刺针夹持机构、105-呼吸相检测单元、106-操作主手；

1-可触控屏、2-穿刺针、3-持针器、4-进针机构、5-拱形导轨、6-锁定按钮、7-固定底座、8-拱形导轨滑块、9-升降臂、10-水平臂、11-导轨外壳、12-旋转臂、13-升降臂外壳、14-拱形导轨滑块外壳、15-紧停按钮、16-升降臂丝杆电机、17-升降臂丝杆导轨、18-升降臂滑块、19-水平臂丝杆电机、20-丝杆电机接线口、21-光电开关、22-导轨导向滑块、23-齿轮齿条机构、24-水平臂丝杆滑块、25-旋转臂电机、26-水平臂丝杆导轨、27-进针丝杆电机、28-法兰盘、29-持针器电机、30-进针丝杆导轨、31-持针器齿轮、32-持针器齿条、33-旋转电机、34-显影标记、35-卡锁、36-齿轮电机、37-接线处。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明一实施例，提供了一种CT兼容的肺部穿刺活检系统，参见图1，包括：图像处理单元101，穿刺路径规划单元102、运动控制单元103、呼吸相检测单元105及用于进行穿刺工作的机器人穿刺机构104；

图像处理单元101，用于显示CT图像，在CT图像上确定穿刺层面，并标识出穿刺目标点和穿刺针2入针点，形成术前穿刺路径规划；

呼吸相检测单元105，用于实时检测呼吸相，并将测得的呼吸相传输至穿刺路径规划单元102；

穿刺路径规划单元102，用于生成任意呼吸相下的穿刺路径，及用于调整机器人穿刺机构104的穿刺姿态，使机器人穿刺机构104上的穿刺针2与穿刺路径共线；

运动控制单元103，用于控制机器人穿刺机构104的运动，及控制穿刺针2的穿刺运动。

本发明实施例中的CT兼容的肺部穿刺活检系统及方法，系统包括：图像处理单元101，用于显示CT图像，在CT图像上确定穿刺层面，并标识出穿刺目标点和穿刺针2入针点，形成术前穿刺路径规划；呼吸相检测单元105，用于实时检测呼吸相，并将测得的呼吸相传输至穿刺路径规划单元102；穿刺路径规划单元102，用于生成任意呼吸相下的穿刺路径，及用于调整机器人穿刺机构104的穿刺姿态，使机器人穿刺机构104上的穿刺针2与穿刺路径共线；运动控制单元103，用于控制机器人穿刺机构104的运动，及控制穿刺针2的穿刺运动。通过呼吸相检测单元105在穿刺过程中对患者进行呼吸相的检测，使得能依据呼吸相生成优化的穿刺路径，从而实现精准的穿刺，减小误穿而导致的患者体内损伤及并发症。

本发明针对肺结节穿刺活检手术中穿刺针2入针点及入针角度难以确定、穿刺过程中受呼吸影响病灶难以定位的问题，提供一种CT兼容的肺部穿刺活检系统，用以在穿刺前帮助医生定位穿刺针2，并在穿刺时完成呼吸相对应的穿刺路径实时配准，从而使得医生更加精准地刺中目标区域。本发明提出的CT兼容穿刺活检机器人尺寸兼容市面上大多数常用的CT机孔，可整体随CT机床进入CT机孔。

实施例中，图像处理单元101包括：

术前路径规划模块，用于根据术前CT图像，选择合适的穿刺层面，并在穿刺层面的CT图像上选择穿刺目标点和表皮入针点，从而规划穿刺针2路径；

术中CT图像采集模块，用于采集术中的CT图像；

术中影像配准模块，用于利用弹性配准实现术前CT图像与术中CT图像的叠加融合，并确定穿刺层面；

穿刺针2监测模块，用于实时将穿刺针2的进针过程进行反馈。

具体地，图像处理单元101包含术前路径规划模块、术中CT图像采集模块、术中CT影像配准模块以及穿刺针2监测模块。术前路径规划模块主要用于术前医生根据病人的CT图像，选择合适的穿刺层面，并在穿刺层面的CT图像上选择穿刺目标点和表皮入针点，从而规划穿刺针2路径；术中CT图像采集模块主要用于采集术中的CT图像，并让操作者实时观察被穿刺组织内部的情况；术中CT影像配准模块主要利用弹性配准实现术前与术中CT图像的叠加融合，并确定穿刺层面。

实施例中，呼吸相检测单元105包括：

呼吸幅度检测模块，用于实时检测呼吸相，并发出呼吸相信号；

呼吸相判断模块，用于接收呼吸幅度检测模块发出的呼吸相信号，实时计算出在任意时刻呼吸相，并将呼吸相计算结果传输给穿刺路径规划单元102。

具体地，呼吸相检测单元105主要利用呼吸带实时检测病人术中的呼吸相，并利用输出的呼吸相选择对应的最佳穿刺路径；在进行呼吸相检测时，患者身上绑有用于实时检测呼吸幅度的传感器。

实施例中，穿刺路径规划单元102包括：

穿刺路径优化模块，用于接收呼吸相计算结果，生成任意呼吸相下的穿刺路径；

穿刺针姿态调整模块，用于接收穿刺路径调整穿刺针2姿态，使穿刺针2能与穿刺路径共线。

具体地，动态穿刺路径优化模块主要利用术前重构的关键器官在全呼吸相下的运动轨迹和避障算法，生成任意呼吸相下的最佳穿刺路径；穿刺针姿态调整模块主要用于调整穿刺针2姿态，使其能与规划的入针轨迹所在直线共线。

实施例中，运动控制单元103包括：

执行机构控制模块，用于控制机器人穿刺机构104的运动；

进针机构控制模块，用于控制穿刺针2的运动。

具体地，执行机构控制模块主要控制执行机构的六个自由度，依据医生主端操作的指令将机器人放置在目标位置附近；进针机构控制模块主要控制将穿刺针2刺入目标病灶处。

下面以具体实施例，对本发明的CT兼容的肺部穿刺活检系统进行详细说明：

本申请系统包括：图像处理单元101、穿刺路径规划单元、运动控制单元103及呼吸相检测单元105。

如图1所示，图像处理单元101首先利用术前CT图像或影像，通过CT图像由医生确定穿刺层面，并在相应层面的CT图像上手动标识出穿刺目标点和穿刺针2入针点，形成术前穿刺路径规划；当患者躺在CT检查床上，并锁上穿刺机器人环状结构(拱形导轨5)后，利用术中CT图像采集模块实时采集术中CT图像；术中影像配准模块对术中的CT图像与术前规划的穿刺层面进行配准，从而确定术中的实际穿刺层面；上述模块的结果会输入到穿刺路径规划单元中的穿刺路径优化模块。

于此同时，病人身上绑有用于实时检测呼吸幅度的传感器，并由呼吸相检测单元105中的呼吸幅度检测模块将信号传至呼吸相判定模块，从而实时计算出患者在任意时刻所处于的呼吸相，并将呼吸相计算结果传输给穿刺路径优化模块；当呼吸相判定模块指示呼吸相进入术前预定好的呼吸门控范围内时，医生可以进行穿刺，并示意患者屏息，穿刺路径规划单元中的穿刺路径优化模块会将相应的穿刺路径输入至穿刺针姿态调整模块，用以确定穿刺针2从当前位置到拟定穿刺位置需要如何动作。

如图2所示，之后由运动控制单元103中的执行机构控制模块控制穿刺机器人(机器人穿刺机构104)中的机械臂1041和进针机构4运动到指定位置，从而使得穿刺针2所在直线与规划的穿刺针2路径共线，。之后由医生控制操作主手106控制进针机构4控制模块，从而推进穿刺针2进针或者后退。进针机构4控制模块依据前进或后退的距离将穿刺针2位置显示在术中CT影像中，并通过医学图像处理单元101模块中的穿刺针2健侧模块将图像反馈给医生。图2至图4为本申请机器人穿刺机构104的结构图，机器人穿刺机构104包括：机械臂1041为三自由度的机械臂1041，负责将末端的三自由度的穿刺机构1042运动到空间指定位置，穿刺针夹持机构1043负责穿刺针2的夹持和脱离。

图5至图12所示，本申请系统包括还机器人穿刺机构104；机器人穿刺机构104具体包括部分为拱形导轨5、拱形导轨滑块8、升降臂9、水平臂10、旋转臂12和进针机构4；拱形导轨5及导轨外壳11主要包括齿轮齿条机构23作为驱动模块、导轨导向滑块22作为导向模块，齿轮齿条机构23由齿轮电机36驱动。其中，

拱形机架包括设置的拱形导轨5；机器人穿刺机构104还包括固定底座7，固定底座7上设置有卡锁35；拱形导轨5的固定端通过铰链可旋转的连接在固定底座7上，拱形机架的自由端通过卡锁35可自由开合的与固定底座7锁紧或解锁。

拱形导轨滑块8安装在拱形机架上，并可在拱形导轨5上滑动；拱形导轨滑块8通过导轨导向滑块22与拱形导轨5连接，可沿导轨运动，实现穿刺机构1042的横向运动。固定底座7上配有接线处37，拱形导轨5固定端配有紧停按钮15，用于物理安全干预。

升降臂9可升降移动的安装在拱形导轨滑块8上；机器人穿刺机构104包括升降臂滑块18及升降臂丝杆电机16，拱形导轨滑块8上设置有升降臂丝杆导轨17，升降臂丝杆电机16驱动升降臂滑块18在升降臂丝杆导轨17上运动；另外，升降臂9外包裹有升降臂外壳13，并通过升降臂滑块18连接在升降臂丝杆导轨17上，由升降臂丝杆电机16驱动，实现纵向升降运动。升降臂丝杆导轨17由拱形导轨滑块外壳14包裹，配有丝杆电机接线口20，以及用于滑轨限位作用的光电开关21。

水平臂10可水平移动的安装在升降臂9上；机器人穿刺机构104包括水平臂丝杆滑块24及水平臂丝杆电机19，升降臂9上设置有水平臂丝杆导轨26，水平臂丝杆电机19驱动水平臂丝杆滑块24在水平臂丝杆导轨26上运动；水平臂10刚性连接在水平臂丝杆滑块24上，随水平臂丝杆滑块24在水平臂丝杆导轨26上运动。水平臂10主要用于提供头脚向平移自由度，旋转臂电机25刚性连接在水平臂10中，随水平臂10一起作平移运动。

旋转臂12可旋转的安装在水平臂10上；水平臂10上安装有旋转臂电机25，旋转臂12与旋转臂电机25连接，旋转臂电机25驱动旋转臂12进行旋转；旋转臂12一端通过转轴刚性连接旋转臂电机25，实现末端穿刺机构1042的翻滚角调整。旋转臂12另一端通过转轴和法兰盘28与进针机构4刚性连接，进针机构4和转轴由刚性固定在旋转臂12中的旋转电机33驱动，实现末端穿刺机构1042俯仰角(在图中标明)的运动。旋转臂12上配有锁定按钮6和显影标记34，前者用于锁定旋转自由度，后者用于CT下的显影定位。

进针机构4安装在旋转臂12上，用于进行穿刺工作；进针机构4包括。进针机构4主要包括穿刺针2、持针器3、进针框架及进针丝杆导轨30，持针器3可移动的安装在进针框架上，穿刺针2安装在持针器3上。持针器3刚性固定在进针丝杆导轨30的滑块上，由进针丝杆电机27驱动完成进/退针运动。持针器3通过持针器齿轮31和持针器齿条32实现开合运动，由刚性连接在进针丝杆导轨30的滑块上的持针器电机29驱动。进针机构4同样装有显影标记34，用于CT下显示穿刺的姿态。此外，本发明提出的穿刺机器人还装有可触控屏1，上有功能按键，使得医生能够在手术台旁微调机构位置和整体位姿锁定。

患者进入CT机孔后，依据术前规划信息与术中实时CT影像进行快速配准，用以确定术中穿刺截面坐在位置，在可调呼吸门控下患者按照医嘱短暂屏息，拱形导轨滑块8、升降臂9、水平臂10和旋转臂12快速调整位姿完成定位，进针机构4通过持针器3夹持穿刺针2并完成同轴针插入，插入后持针器3与穿刺针2脱离。医生可通过同轴针建立的通道插入活检枪完成活检取样。

本发明采用了拱形结构作为穿刺机器人的基本结构，以满足CT兼容的设计要求。固定于手术床上的拱形机架分别搭载三自由度机械结构，三自由度机械结构包括拱形运动机构(拱形导轨滑块8)、升降运动机构(升降臂9)及水平运动机构(水平臂10)以实现机构的平移运动和弧线运动，三自由度穿刺机构1042(旋转臂12及进针机构4)可实现进针机构4的俯仰和摆动角度调整以及进/退针，穿刺针夹持机构1043负责夹持和脱离穿刺针2。其中，拱形臂由齿轮齿条导轨实现，升降臂9、水平臂10和进针机构4由丝杆导轨实现，旋转臂12由两个旋转电机33驱动，穿刺针夹持机构1043由齿轮齿条实现。穿刺机构1042参数设置为：进针机构4俯仰范围45度、摆动范围360度、进退针运动范围110mm；滑动机械臂1041参数设置为：平移模组运动范围166mm×123mm；弧线模组运动范围180度。此外，为使穿刺机构1042能够在CT下显影以进行坐标转换，穿刺机构1042还装有光学标记系统。拱形机械臂1041分别采用可开闭方式，并且可在术中由机构触控屏上的功能按键进行微调和锁定位置完成初始化标定。

参见图13，根据本发明的另一实施例，提供了一种CT肺部穿刺活检方法，该方法能通过使用上述系统中的特征实现CT肺部穿刺活检方法，方法包括以下步骤：

S101：将进行穿刺的穿刺执行机构位置进行初始化调位处理；

S102：导入术前规划路径；

S103：CT设备开始进行扫描；

S104：在扫描过程中，进行呼吸相检测；

S105：将术中扫描到的CT影像与术前带有规划路径的CT影像配准，以确定术中穿刺截面；

S106：实时对术中CT影像进行显影标记，基于术中CT影像的显影标记、术中CT影像与术前CT影像的配准结果计算规划路径下的进针点和进针角度；

S107：基于进针点和进针角度，完成对执行机构的定位，控制执行机构上的穿刺针进行自动进针。

本申请通过术前CT影像下的穿刺路径规划与术中实时CT扫描结果的配准，实现一定误差范围内的呼吸门控穿刺，提高了穿刺活检特别是受呼吸影响较大的肺结节穿刺活检的准确性、效率和安全性。本申请通过在穿刺过程中对患者进行呼吸相的检测，使得能依据呼吸相生成优化的穿刺路径，从而实现精准的穿刺，减小误穿而导致的患者体内损伤及并发症。

参见图1、图5、13和14，下面以具体实施例，对本发明实施的CT兼容的肺部穿刺活检方法的工作流程进行详细说明：

步骤一，术前预备：拱形导轨5自由端与固定底座7分离，机构本体打开，患者进入CT检查床，按照医嘱选择合适的穿刺体位，最后拱形导轨5关闭，卡锁35锁紧。

步骤二，穿刺机构1042位置初调：医生操控操作主手106将执行机构(机器人穿刺机构104)移动到患者手术区域上方，再由助手在执行机构旁通过可触控屏1控制三自由度滑轨机构和三自由度穿刺机构1042，使得穿刺机构1042更加，安装穿刺同轴针，最后锁定机构完成初始化。

步骤三，导入术前规划路径：医生在主控端将术前采集的包含整个完整呼吸相的CT影像及其对应的穿刺路径规划结果导入到图像处理单元101，导入的数据中已包括术前医生通过人机交互识别模块选取的最优呼吸相下的最优穿刺路径结果。

步骤四，术中CT扫查：医生远程控制CT机床和执行机构一起进入CT机孔，患者按照术前呼吸训练的指示正常呼吸，CT机开始扫描。

步骤五，呼吸相监测：图像处理单元101中的图像采集模块采集术中实时CT数据，医生通过主控端显示屏实时监控，当患者呼吸状态处于术前预定好的呼吸门控范围内时，医生指示患者立即屏息。

步骤六，影像配准：图像处理单元101迅速完成术中CT与术前带有规划路径的CT影像配准，以确定术中穿刺截面。

步骤七，运动规划：运动规划单元按照术中实时CT下的显影标记34、术中CT与术前CT的配准结果计算规划路径下的进针点和进针角度。

步骤八，运动执行：运动控制单元103依据运动规划单元的计算结果驱动执行机构完成定位，并控制进针机构4完成自动进针，整个过程由医生在主控端远程实时监控。

步骤九，穿刺针2进针：进针时，图像处理单元101的穿刺针2检测模块实时将穿刺针2的进针过程特别是进针深度实时反馈给医生，由医生判断穿刺针2是否准确按照预先制定的穿刺路径抵达目标处。

步骤十，穿刺针2与机构分离：穿刺完成后，穿刺针夹持机构1043脱离穿刺针2，执行机构整体复位远离穿刺区域，患者恢复正常呼吸。

步骤十一，活检取样：CT机床与机构整体退出CT机，医生来到手术台前通过同轴穿刺针2建立好的穿刺通道插入活检枪，完成活检取样。

步骤十二，术后评估：医生完成术后评估，包括手术流程和术后可能并发症的评估。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，包括：图像处理单元、穿刺路径规划单元、运动规划单元、运动控制单元、呼吸相检测单元及用于进行穿刺工作的机器人穿刺机构；

所述图像处理单元，用于显示CT图像，在所述CT图像上确定穿刺层面，并标识出穿刺目标点和穿刺针入针点，形成术前穿刺路径规划；

所述图像处理单元，还用于在穿刺前完成术中CT与术前带有规划路径的CT影像配准，以确定术中穿刺截面；

所述呼吸相检测单元，用于实时检测穿刺前的呼吸相，并将实时检测得的呼吸相数据传输至所述穿刺路径规划单元；

所述穿刺路径规划单元，用于在穿刺前生成任意所述呼吸相下的穿刺路径，及用于调整所述机器人穿刺机构的穿刺姿态，使所述机器人穿刺机构上的穿刺针与穿刺路径共线；

所述运动规划单元，用于在穿刺前按照术中实时CT下的显影标记、术中CT与术前CT的配准结果计算规划路径下的进针点和进针角度；

所述运动控制单元，用于控制所述机器人穿刺机构的运动，及控制所述穿刺针的穿刺运动。

2.根据权利要求1所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述图像处理单元包括：

术前路径规划模块，用于根据术前CT图像，选择合适的穿刺层面，并在穿刺层面的CT图像上选择穿刺目标点和表皮入针点，从而规划穿刺针路径；

术中CT图像采集模块，用于采集术中的CT图像；

术中影像配准模块，用于利用弹性配准实现术前CT图像与术中CT图像的叠加融合，并确定穿刺层面；

穿刺针监测模块，用于实时将所述穿刺针的进针过程进行反馈。

3.根据权利要求1所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述呼吸相检测单元包括：

呼吸幅度检测模块，用于实时检测呼吸相，并发出呼吸相信号；

呼吸相判断模块，用于接收所述呼吸幅度检测模块发出的呼吸相信号，实时计算出在任意时刻呼吸相，并将呼吸相计算结果传输给所述穿刺路径规划单元。

4.根据权利要求3所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述穿刺路径规划单元包括：

穿刺路径优化模块，用于接收所述呼吸相计算结果，生成任意呼吸相下的穿刺路径；

穿刺针姿态调整模块，用于接收所述穿刺路径调整穿刺针姿态，使所述穿刺针能与所述穿刺路径共线。

5.根据权利要求1所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述运动控制单元包括：

执行机构控制模块，用于控制所述机器人穿刺机构的运动；

进针机构控制模块，用于控制所述穿刺针的运动。

6.根据权利要求1所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述机器人穿刺机构包括：

拱形机架，所述拱形机架包括设置的拱形导轨；

拱形导轨滑块，所述拱形导轨滑块安装在所述拱形机架上，并可在所述拱形导轨上滑动；

升降臂，所述升降臂可升降移动的安装在所述拱形导轨滑块上；

水平臂，所述水平臂可水平移动的安装在所述升降臂上；

旋转臂，所述旋转臂可旋转的安装在所述水平臂上；

进针机构，所述进针机构安装在所述旋转臂上，用于进行穿刺工作。

7.根据权利要求6所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述进针机构包括穿刺针、持针器及进针框架，所述持针器可移动的安装在所述进针框架上，所述穿刺针安装在所述持针器上。

8.根据权利要求6所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述机器人穿刺机构还包括固定底座，所述固定底座上设置有卡锁，所述拱形机架的固定端可旋转的安装在所述固定底座上，所述拱形机架的自由端通过所述卡锁可自由开合的与所述固定底座锁紧或解锁。

9.根据权利要求6所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述机器人穿刺机构还包括导轨导向滑块，所述拱形导轨滑块通过所述导轨导向滑块与所述拱形导轨连接。

10.根据权利要求6所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述机器人穿刺机构包括升降臂滑块及升降臂丝杆电机，所述拱形导轨滑块上设置有升降臂丝杆导轨，所述升降臂滑块连接在所述升降臂丝杆导轨上，所述升降臂丝杆电机驱动所述升降臂滑块在所述升降臂丝杆导轨上运动。

11.根据权利要求6所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述机器人穿刺机构包括水平臂丝杆滑块及水平臂丝杆电机，所述升降臂上设置有水平臂丝杆导轨，所述水平臂丝杆滑块连接在所述水平臂丝杆导轨上，所述水平臂丝杆电机驱动所述水平臂丝杆滑块在所述水平臂丝杆导轨上运动。

12.根据权利要求6所述的CT兼容的肺部穿刺活检系统，其特征在于，所述水平臂上安装有旋转臂电机，所述旋转臂与所述旋转臂电机连接，所述旋转臂电机驱动所述旋转臂进行旋转。