CN113940756B - 一种基于移动dr影像的手术导航系统 - Google Patents

一种基于移动dr影像的手术导航系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于移动DR影像的手术导航系统，手术导航系统包括：数据处理模块、术前手术规划模块、配准融合模块、手术实时引导模块和移动DR设备；数据处理模块与术前手术规划模块连接，配准融合模块分别与术前手术规划模块、移动DR设备和手术实时引导模块连接；数据处理模块用于获取术前医学影像，根据术前医学影像进行三维体渲染，建立三维可视的虚拟人体结构图；术前手术规划模块用于根据虚拟人体结构图生成至少一个手术途径，并将手术途径嵌入到虚拟人体结构图中；移动DR设备用于采集术中医学影像；配准融合模块用于建立临床影像坐标系、移动DR系统坐标系和光学定位坐标系的映射关系；手术实时引导模块用于通过目标医学影像实时观测手术进程。

Description

一种基于移动DR影像的手术导航系统
技术领域
本申请涉及网络技术领域，具体为一种基于移动DR影像的手术导航系统。
背景技术
目前，穿刺消融等介入手术和微创手术中缺乏全局病人影像信息，病人影像信息少，手术难度大，而且，临床常见的介入手术，常用的是基于CT或者C型臂的X线影像设备，这些大型X光射线设备，辐射剂量大，且设备体积大；尤其是CT只能在CT室拍摄，一般距离手术室较远，尤其是胸部微创手术前的肺小结节穿刺定位手术，整个手术过程需要在不同手术室完成，容易引发并发症。
鉴于此，克服该现有技术产品所存在的不足是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种基于移动DR影像的手术导航系统，可以应用于基于移动DR影像引导的手术过程中，可以在手术过程中给医生提供更全面的实时信息，辅助医生进行手术，提高治疗的精度和效果。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种基于移动DR影像的手术导航系统，所述手术导航系统包括：数据处理模块、术前手术规划模块、配准融合模块、手术实时引导模块和移动DR设备；所述数据处理模块与所述术前手术规划模块连接，所述配准融合模块分别与所述术前手术规划模块、移动DR设备和所述手术实时引导模块连接；
所述数据处理模块用于获取术前医学影像，根据所述术前医学影像进行三维体渲染，建立三维可视的虚拟人体结构图；
所述术前手术规划模块用于根据所述虚拟人体结构图生成至少一个手术途径，并将所述手术途径嵌入到所述虚拟人体结构图中；
所述移动DR设备用于采集术中医学影像；
所述配准融合模块用于建立临床影像坐标系、移动DR系统坐标系和光学定位坐标系的映射关系，以建立统一的坐标系；还用于基于所述映射关系将所述虚拟人体结构图、所述移动DR设备所采集的术中医学影像以及手术器械的操作轨迹融合到目标医学影像中；
所述手术实时引导模块用于通过所述目标医学影像实时观测手术进程。
优选地，所述手术导航系统还包括呼吸追踪装置，所述呼吸追踪装置与所述手术实时引导模块连接；
所述呼吸追踪装置用于监测病人的呼吸运动；
所述手术实时引导模块用于将所述呼吸运动融合到所述目标医学影像中。
优选地，所述呼吸追踪装置为条状交叉的栅栏状，且可被红外光仪器识别的仪器。
优选地，所述手术导航系统还包括导航注册工具，所述导航注册工具与所述配准融合模块连接，所述导航注册工具用于获取手术器械在手术过程中的操作轨迹，并将手术器械的操作轨迹发送给所述配准融合模块。
优选地，所述数据处理模块包括数据管理模块和三维重建模块；
所述数据管理模块用于获取术前医学影像；
所述三维重建模块用于根据所述术前医学影像进行病灶和器官分割，提取点云并构建三维曲面，建立三维可视的虚拟人体结构图。
优选地，所述数据处理模块用于通过USB接口获取U盘里的临床医学数据，还用于通过DICOM协议获取移动DR设备所采集的医学影像。
优选地，所述配准融合模块利用迭代优化算法建立临床影像坐标系和移动DR系统坐标系的配准关系，并用导航装置的标记点进行光学定位坐标系和移动DR坐标系的融合，以构建统一的坐标系。
优选地，所述手术导航系统还包括术后手术评估模块，所述手术导航系统将术后的医学影像配准到手术统一坐标系下，并进行融合显示，得到手术后的手术效果评估。
优选地，所述手术导航系统还包括几何标定装置，用于标定所述移动DR设备的光源位置，以及光源和探测板的几何位置关系，以供所述配准融合模块使用。
优选地，所述几何标定装置为镶嵌金属球的规则形状模具。
本申请的有益效果是：本申请提供一种基于移动DR影像的手术导航系统，所述手术导航系统包括：数据处理模块、术前手术规划模块、配准融合模块、手术实时引导模块和移动DR设备；所述数据处理模块与所述术前手术规划模块连接，所述配准融合模块分别与所述术前手术规划模块、移动DR设备和所述手术实时引导模块连接；所述数据处理模块用于获取术前医学影像，根据所述术前医学影像进行三维体渲染，建立三维可视的虚拟人体结构图；所述术前手术规划模块用于根据所述虚拟人体结构图生成至少一个手术途径，并将所述手术途径嵌入到所述虚拟人体结构图中；所述移动DR设备用于采集术中医学影像；所述配准融合模块用于建立临床影像坐标系、移动DR系统坐标系和光学定位坐标系的映射关系，以建立统一的坐标系；还用于基于所述映射关系将所述虚拟人体结构图、所述移动DR设备所采集的术中医学影像以及手术器械的操作轨迹融合到目标医学影像中；所述手术实时引导模块用于通过所述目标医学影像实时观测手术进程。
在本申请中，在手术过程中可以提供病人影像信息，为手术提供全面的医学信息，还可以提供可供参考的手术途径，并提供整体手术过程情况的影像导航技术，降低了手术难度，提高手术效率。此外，移动DR设备具有轻量化、可移动的特点，可以使整个手术过程全部在同一个手术室完成，减少并发症的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种基于移动DR影像的手术导航系统的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种基于移动DR影像的手术导航系统的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。
需要说明的是，本申请实施例方法由于是在电子设备中执行，各电子设备的处理对象均以数据或信息的形式存在，例如时间，实质为时间信息，可以理解的是，后续实施例中若提及尺寸、数量、位置等，均为对应的数据存在，以便电子设备进行处理，具体此处不作赘述。
实施例1：
参阅图1，本申请提供一种基于移动DR影像的手术导航系统，所述手术导航系统包括：数据处理模块、术前手术规划模块、配准融合模块、手术实时引导模块和移动DR设备；所述数据处理模块与所述术前手术规划模块连接，所述配准融合模块分别与所述术前手术规划模块、移动DR设备和所述手术实时引导模块连接；所述数据处理模块用于获取术前医学影像，根据所述术前医学影像进行三维体渲染，建立三维可视的虚拟人体结构图；所述术前手术规划模块用于根据所述虚拟人体结构图生成至少一个手术途径，并将所述手术途径嵌入到所述虚拟人体结构图中；所述移动DR设备用于采集术中医学影像；所述配准融合模块用于建立临床影像坐标系、移动DR系统坐标系和光学定位坐标系的映射关系，以建立统一的坐标系；还用于基于所述映射关系将所述虚拟人体结构图、所述移动DR设备所采集的术中医学影像以及手术器械的操作轨迹融合到目标医学影像中；所述手术实时引导模块用于通过所述目标医学影像实时观测手术进程。
其中，所述手术导航系统还包括呼吸追踪装置，所述呼吸追踪装置与所述手术实时引导模块连接；所述呼吸追踪装置用于监测病人的呼吸运动；所述手术实时引导模块用于将所述呼吸运动融合到所述目标医学影像中。可选地，所述呼吸追踪装置为条状交叉的栅栏状，且可被红外光仪器识别的仪器。
具体地，所述数据处理模块包括数据管理模块和三维重建模块；所述数据管理模块用于获取术前医学影像。所述数据处理模块用于通过USB接口获取U盘里的临床医学数据，还用于通过DICOM协议获取移动DR设备所采集的医学影像。例如，数据管理模块与数据导入介质连接，数据导入介质可以为U盘，通过数据导入介质将病人手术前诊断的CT、MR等医学影像和术前手术规划、器官分割和病灶分割结果等相关的数据信息导入导航工作站。
此外，所述手术导航系统还包括导航注册工具，所述导航注册工具与所述配准融合模块连接，所述导航注册工具用于获取手术器械在手术过程中的操作轨迹，并将手术器械的操作轨迹发送给所述配准融合模块。导航注册工具还用于获取移动DR设备的位置。为了保证手术过程能实时追踪这些位置，本申请采用的是基于红外光的定位仪器。
由于移动DR设备的探测板和光源位置不像CT或者C型臂的X线影像设备等位置是相对位置固定的，这里的位置关系是不确定的，所以需要对拍摄时候的DR系统几何位置进行标定，以用于配准融合模块，因此，所述手术导航系统还包括几何标定装置，用于标定所述移动DR设备的光源位置，以及光源和探测板的几何位置关系，以供所述配准融合模块使用。可选地，所述几何标定装置为镶嵌金属球的规则形状模具。
在实际应用场景下，所述三维重建模块用于根据所述术前医学影像进行病灶和器官分割，提取点云并构建三维曲面，建立三维可视的虚拟人体结构图。其中，三维重建模块用于进行快速地三维体渲染，以及基于图像分割结果的三维重建的可视化；本申请对导入的临床医学数据(如CT影像)进行病灶和器官分割后，提取点云并构建三维曲面，并进一步在系统实现三维渲染，在接下来术前手术规划等模块中反复使用。
进一步地，所述配准融合模块利用迭代优化算法建立临床影像坐标系和移动DR系统坐标系的配准关系，并用导航装置的标记点进行光学定位坐标系和移动DR坐标系的融合，以构建统一的坐标系。
在优选的实施例中，所述手术导航系统还包括术后手术评估模块，所述手术导航系统将术后的医学影像配准到手术统一坐标系下，并进行融合显示，得到手术后的手术效果评估。
在本实施例中，在手术过程中可以提供病人影像信息，为手术提供全面的医学信息，还可以提供可供参考的手术途径，并提供整体手术过程情况的影像导航技术，降低了手术难度，提高手术效率。此外，移动DR设备具有轻量化、可移动的特点，可以使整个手术过程全部在同一个手术室完成，减少并发症的发生。
在一具体应用场景下，如图2所示，导航工作站主要用于各种手术相关数据管理、操作者权限管理、器官和病灶的自动分割和可视化、三维重建、术前手术规划、基于移动DR影像的配准融合操作、不同导航装置的坐标融合，并最终实时引导指导手术进行和监控。本申请采用高性能的显卡和处理器来支持各个模块的实现。软件部分包括用户登录和权限管理的用户管理模块；数据管理模块用于读取数据导入介质存储的临床医学数据和移动DR设备直接的通信；本申请中，通过DICOM协议与移动DR设备建立通信连接，以直接获取图像，并通过USB接口读入U盘里的临床医学数据。
具体来讲，导航工作站是用于装载整个手术导航的系统；数据管理模块，用于存储和管理临床医学影像以及术中过程中的器官分割、路径规划和三维重建等信息；用户管理模块，用于管理医生及操作者的登录权限和配置；三维重建模块，用于基于医学影像的分割以及三维重建、平滑和三维渲染的功能；移动DR设备的几何标定装置用于标定移动DR设备的光源位置，以及光源和探测板的几何位置关系；导航注册装置，用于光学等导航所需追踪器的注册和追踪使用；呼吸追踪装置，用于术中的实时呼吸监测使用；数据导入介质，用于医学图像从常用医学成像设备或者医生工作站导入本申请的导航工作站中；术前手术规划模块，用于医生规划手术路径的交互使用；配准融合模块，用于将病人手术前和手术中的影像和导航信息进行配准融合，以用于手术的实时追踪显示使用；手术实时导航模块，用于手术器械的实时定位和追踪、及空间坐标系的转换等使用；手术评估模块用于手术效果的影像呈现和量化评估手术效果。
本申请可以应用于基于移动DR影像引导的手术过程中，可以在手术过程中给医生提供更全面的实时信息，辅助医生进行手术，提高治疗的精度和效果。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请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技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于移动DR影像的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统包括：几何标定装置、呼吸追踪装置、数据处理模块、术前手术规划模块、配准融合模块、手术实时引导模块和移动DR设备；所述数据处理模块与所述术前手术规划模块连接，所述配准融合模块分别与所述术前手术规划模块、移动DR设备和所述手术实时引导模块连接；
所述数据处理模块用于获取术前医学影像，根据所述术前医学影像进行三维体渲染，建立三维可视的虚拟人体结构图；
所述术前手术规划模块用于根据所述虚拟人体结构图生成至少一个手术途径，并将所述手术途径嵌入到所述虚拟人体结构图中；
所述移动DR设备用于采集术中医学影像；
所述配准融合模块用于建立临床影像坐标系、移动DR系统坐标系和光学定位坐标系的映射关系，以建立统一的坐标系；还用于基于所述映射关系将所述虚拟人体结构图、所述移动DR设备所采集的术中医学影像以及手术器械的操作轨迹融合到目标医学影像中；
所述手术实时引导模块用于通过所述目标医学影像实时观测手术进程；所述呼吸追踪装置与所述手术实时引导模块连接；
所述呼吸追踪装置用于监测病人的呼吸运动；
所述手术实时引导模块用于将所述呼吸运动融合到所述目标医学影像中；
所述几何标定装置，用于标定所述移动DR设备的光源位置，以及光源和探测板的几何位置关系，以供所述配准融合模块使用。
2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述呼吸追踪装置为条状交叉的栅栏状，且可被红外光仪器识别的仪器。
3.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统还包括导航注册工具，所述导航注册工具与所述配准融合模块连接，所述导航注册工具用于获取手术器械在手术过程中的操作轨迹，并将手术器械的操作轨迹发送给所述配准融合模块。
4.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述数据处理模块包括数据管理模块和三维重建模块；
所述数据管理模块用于获取术前医学影像；
所述三维重建模块用于根据所述术前医学影像进行病灶和器官分割，提取点云并构建三维曲面，建立三维可视的虚拟人体结构图。
5.根据权利要求4所述的手术导航系统，其特征在于，所述数据处理模块用于通过USB接口获取U盘里的临床医学数据，还用于通过DICOM协议获取移动DR设备所采集的医学影像。
6.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述配准融合模块利用迭代优化算法建立临床影像坐标系和移动DR系统坐标系的配准关系，并用导航装置的标记点进行光学定位坐标系和移动DR坐标系的融合，以构建统一的坐标系。
7.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统还包括术后手术评估模块，所述手术导航系统将术后的医学影像配准到手术统一坐标系下，并进行融合显示，得到手术后的手术效果评估。
8.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述几何标定装置为镶嵌金属球的规则形状模具。
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