CN114052903A - 一种近红外成像手术导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种近红外成像手术导航系统及方法，包括建立患者三维人体数字模型；利用近红外影像探针靶向标定病变组织；向靶向标定的病变组织部位发射白光，通过CCD相机的高清模式成像；向靶向标定的病变组织部位发射激发光，诱导探针发光，通过CCD相机的红外模式成像；对白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行配准校正，叠加白光成像和红外成像；与远程医疗系统相结合，通过数据处理分析或人为标定，制定手术规划与路径设计；划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息；接收手术规划模块的规划信息，完成预定切除任务；本公开通过融合多种技术，以光学为主要探测工具，能够更清晰准确的划分切除范围与边界，以克服上述技术问题。
Description
技术领域
本公开属于医疗仪器技术领域，尤其涉及一种近红外成像手术导航系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
切除手术作为一种常用的手术方法，涉及多个领域不同疾病的治疗，从癌症的癌细胞组织切除到胎记、疤痕切除再到烧伤等原因造成的皮肤移植等疾病，均需要以手术切除为主要治疗手段，而手术切除中的关键问题之一在于能否准确的切除病变组织；若额外切除正常组织，则会影响病人的正常生命活动，而若病变组织未切除干净，则有再次复发的可能性；而如今的科技技术仍然无法保证准确的切除病变区域，许多病人面临着手术切除所带来的风险，以至威胁生命；同时，普通医生操作手术难以避免医生的手颤、疲劳引起的手术的精确度的降低，不便于手术的顺利开展。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种近红外成像手术导航系统及方法；一本公开通过融合多种技术，以光学为主要探测工具，能够更清晰准确的划分切除范围与边界，以克服上述技术问题。
为了实现上述目的，本公开的第一方面提供了一种近红外成像手术导航系统，采用如下技术方案：
一种近红外成像手术导航系统，包括：人体模型建立模块、近红外影像探针、内窥镜装置、影像处理器、手术规划模块和手术机器人；
所述人体模型建立模块，用于记录标志点，建立患者三维人体数字模型；
所述近红外影像探针，用于靶向标定病变组织；
所述内窥镜装置,用于向靶向标定的病变组织部位发射白光，通过内窥镜装置中CCD相机的高清模式成像；向靶向标定的病变组织部位发射激发光，诱导探针发光，通过CCD相机的红外模式成像；
所述影像处理器,用于对白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行配准校正，叠加白光成像和红外成像，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；
所述手术规划模块,用于与远程医疗系统相结合，通过所述影像处理器中数据处理分析或远程医疗系统的人为标定，制定手术路径规划；结合融合后的三维模型，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息；
所述手术机器人,用于接收手术规划模块的规划信息，并执行手术。
进一步的，建立患者三维人体数字模型时，建立手术室坐标系与影像检查坐标系之间的关系，通过扫描与处理，建立患者三维人体数字模型。
进一步的，建立患者三维人体数字模型时，患者躺于固定的病床上，并对患者关键部位进行标志。
进一步的，所述人体模型建立模块包括探头与处理器，所述探头用于对患者进行全部扫描，所述处理器用于构建三维人体数字模型，并在显示屏上呈现。
进一步的，三个可转动和折叠三角形平面的中间三角形区域放置CCD相机，CCD相机分为高清模式和红外模式，高清模式用于接收和捕捉白光照射后所反射的光进行成像，红外模式用于接收捕捉探针的荧光信号；
所述内窥镜装置设置有三个可转动和折叠三角形平面，三个三角形平面顶端各设置双层刚性球体，用于光线发射，所述双层刚性球体内层用于发射激发光，外层发射白光。
进一步的，使用时首先用白光模式照射，刚性球外层发出白光，CCD相机置于高清模式进行成像；然后，刚性球内层再发出激发光，诱导荧光探针发出荧光，CCD相机置于红外模式采集荧光信号进行成像。
进一步的，将白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行磨合与叠加，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；同时，手术部位三维模型单独显示手术部位，显示手术部位的细节。
进一步的，所述手术规划模块，通过数据处理分析或人为标定，同时与远程医疗系统相结合，向专家求助，制定手术规划与路径设计，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息，将指令传输给手术机器人。
进一步的，所述手术机器人由可伸缩机械臂与末端执行工具组成，所述末端执行工具与所述可伸缩机械臂通过球形件连接。
为了实现上述目的，本公开的第二方面提供了一种近红外成像手术导航方法，采用了如第一方面提供的近红外成像手术导航系统，内容包括：
记录标志点，建立患者三维人体数字模型；
用于靶向标定病变组织；
向靶向标定的病变组织部位发射白光，通过内窥镜装置中CCD相机的高清模式成像；向靶向标定的病变组织部位发射激发光，诱导探针发光，通过CCD相机的红外模式成像；
对白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行配准校正，叠加白光成像和红外成像，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；
与远程医疗系统相结合，通过所述影像处理器中数据处理分析或远程医疗系统的人为标定，制定手术路径规划；结合融合后的三维模型，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息；
接收手术规划模块的规划信息，并执行手术。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开较现有技术相比，具有灵敏度高、操作准确、安全性高、敏感度高和操作灵活等特点，极大的推动了手术向智能化、微创化和精确化的方向发展。
2.本公开将手术导航技术与手术机器人相结合，保证了准确切除病变区域的目的，同时，避免了因医生手颤、疲劳引起的手术精确度降低的问题。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本公开实施例1的流程图；
图2为本公开实施例1的内窥镜三角形支架的示意图；
图3为本公开实施例1的内窥镜三角形折叠状态示意图；
图4为本公开实施例1的手术机器人示意图。
图中，1、CCD相机，2、刚性球体，3、可伸缩机械臂，4、连接件，5、执行工具。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本公开提供了一种近红外成像手术导航系统及方法；包括人体模型建立模块、近红外影像探针、内窥镜装置、影像处理器、手术规划模块和手术机器人。
所述人体模型建立模块包括探头与处理器，所述探头用于对患者进行全部扫描，所述处理器用于构建三维人体数字模型，并在显示屏上呈现。
在本实施例中，所述内窥镜装置设置有三个可转动和折叠三角形平面，三个三角形平面顶端各设置双层刚性球体，用于光线发射，所述双层刚性球体内层用于发射激发光，外层发射白光；三个可转动和折叠三角形平面的中间三角形区域放置CCD相机，CCD相机分为高清模式和红外模式，高清模式用于接收和捕捉白光照射后所反射的光进行成像，红外模式用于接收捕捉探针的荧光信号；具体的，使用时首先用白光模式照射，刚性球外层发出白光，CCD相机置于高清模式进行成像；然后，刚性球内层再发出激发光，诱导荧光探针发出荧光，CCD相机置于红外模式采集荧光信号进行成像。
在本实施例中，内窥镜装置包括光线发射装置2和光线接收成像装置1；手术机器人包括可伸缩机械臂3、执行工具5；所述执行工具5与所述可伸缩机械臂3通过球形件4连接，可以理解的，所述球形件4为机械臂中的驱动件；所述手术机器人中的可伸缩机械臂3和执行工具5及连接方式可采用现有手术机器人中设置方式实现，在此不再详述。
本实施例的工作过程或原理为：
手术前，利用所述人体模型建立模块对患者关键部位进行标志，方便在移动后恢复术前采集数据时对应的坐标系中；所述人体模型建立模块包括探头与处理器，所述探头对人体进行全部扫描，由所述处理器构建出三维人体数字模型，在显示屏上呈现，为手术规划做好提前准备。
选择合适的近红外影像探针和对手术需要切除部位有靶向作用的靶向分子，并将两者修饰在一起，结合成能够激发荧光的靶向标记物，将修饰后的近红外影像探针注入患者体内，实现对患者需要切除的病变组织的靶向标定；能够在激发光的诱导下产生近红外荧光信号。
如图2和图3所示，所述内窥镜装置由光线发射装置的刚性球体2与多功能CCD相机1组成，所述刚性球体含有双层结构，内层球体为激发光发射装置，外层球圈为白光发射装置；手术时，当近红外影像探针注入病人体内后，首先调节光线发射装置向病变部位发射白光，三角形平面连接处通过铰接件连接，选择合适角度与方向对其进行调节(如图3所示)，使得病变部位全部接收光线，同时CCD相机1切换为高清模式接收反射光线并成像；接着，调节光线发射装置使其向病变部位发射激发光，调节合适角度方向，确保近红外影像探针接受诱导发出荧光，此时，CCD相机1切换为红外模式，接受探针发出的荧光信号进而成像。
所述影像处理器对白光成像与红外成像二者进行配准、比对与校正，得到更精确的病变部位的三维立体图像，一方面可与术前建立的三维人体数字模型相结合，从整体的角度全局考虑手术方式；另一方面还可以单独显示病变部位三维立体图像，从细节角度精确考虑手术途径。二者相结合，从而明确手术切口、出口、角度与手术平面等问题，确定最合适的手术方法。
通过所述手术规划模块，利用数据分析大数据处理技术，由计算机结合患者特异性病变方式与程度，结合相应算法，再由医生进行适度调节，得出最合适的手术途径；同时，地处偏远地区的医生，可以通过远程医疗系统，求助于相关领域专家，由专家审核评定，确定最合适的手术途径。
所述手术规划模块中确定的手术方案以数据(指令)的形式传输给所述手术机器人，所述手术机器人由可伸缩机械臂3、末端执行工具5和球形物件4组成，所述球形件4连接所述末端执行工具5和所述可伸缩机械臂3；所述可伸缩机械臂3可分为两部分，由竖直方向伸缩臂和水平方向伸缩臂组成，竖直方向伸缩臂可以调节手术机器人的高度，水平方向伸缩臂可以调节手术机器人长度，连接所述末端执行工具5与所述可伸缩机械臂3的球形件4可以通过旋转一定方向与角度使得所述末端执行工具5按照提前规划的最精准的角度进行手术，极大的提高了手术机器人的灵活性，增强了手术的准确性，确保了病变组织准确切除；可以理解的，所述竖直方向伸缩臂和水平方向伸缩臂可以通过液压缸或滚珠丝杠实现；所述球形件4采用现有技术中机械臂中的关节部件实现。
实施例2：
本实施例提供了一种近红外成像手术导航方法，采用了如实施例1中提供的近红外成像手术导航系统，内容包括：
记录标志点，建立患者三维人体数字模型；
用于靶向标定病变组织；
向靶向标定的病变组织部位发射白光，通过内窥镜装置中CCD相机的高清模式成像；向靶向标定的病变组织部位发射激发光，诱导探针发光，通过CCD相机的红外模式成像；
对白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行配准校正，叠加白光成像和红外成像，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；
与远程医疗系统相结合，通过所述影像处理器中数据处理分析或远程医疗系统的人为标定，制定手术路径规划；结合融合后的三维模型，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息；
接收手术规划模块的规划信息，并执行手术。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，包括：人体模型建立模块、近红外影像探针、内窥镜装置、影像处理器、手术规划模块和手术机器人；
所述人体模型建立模块，用于记录标志点，建立患者三维人体数字模型；
所述近红外影像探针，用于靶向标定病变组织；
所述内窥镜装置,用于向靶向标定的病变组织部位发射白光，通过内窥镜装置中CCD相机的高清模式成像；向靶向标定的病变组织部位发射激发光，诱导探针发光，通过CCD相机的红外模式成像；
所述影像处理器,用于对白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行配准校正，叠加白光成像和红外成像，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；
所述手术规划模块,用于与远程医疗系统相结合，通过所述影像处理器中数据处理分析或远程医疗系统的人为标定，制定手术路径规划；结合融合后的三维模型，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息；
所述手术机器人,用于接收手术规划模块的规划信息，并执行手术。
2.如权利要求1所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，建立患者三维人体数字模型时，建立手术室坐标系与影像检查坐标系之间的关系，通过扫描与处理，建立患者三维人体数字模型。
3.如权利要求2所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，建立患者三维人体数字模型时，患者躺于固定的病床上，并对患者关键部位进行标志。
4.如权利要求2所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，所述人体模型建立模块包括探头与处理器，所述探头用于对患者进行全部扫描，所述处理器用于构建三维人体数字模型，并在显示屏上呈现。
5.如权利要求1所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，三个可转动和折叠三角形平面的中间三角形区域放置CCD相机，CCD相机分为高清模式和红外模式，高清模式用于接收和捕捉白光照射后所反射的光进行成像，红外模式用于接收捕捉探针的荧光信号；
所述内窥镜装置设置有三个可转动和折叠三角形平面，三个三角形平面顶端各设置双层刚性球体，用于光线发射，所述双层刚性球体内层用于发射激发光，外层发射白光。
6.如权利要求5所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，使用时首先用白光模式照射，刚性球外层发出白光，CCD相机置于高清模式进行成像；然后，刚性球内层再发出激发光，诱导荧光探针发出荧光，CCD相机置于红外模式采集荧光信号进行成像。
7.如权利要求1所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，将白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行磨合与叠加，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；同时，手术部位三维模型单独显示手术部位，显示手术部位的细节。
8.如权利要求1所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，所述手术规划模块，通过数据处理分析或人为标定，同时与远程医疗系统相结合，向专家求助，制定手术规划与路径设计，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息，将指令传输给手术机器人。
9.如权利要求1所述的一种近红外成像手术导航系统，其特征在于，所述手术机器人由可伸缩机械臂与末端执行工具组成，所述末端执行工具与所述可伸缩机械臂通过球形件连接。
10.一种近红外成像手术导航方法，采用了如权利要求1-9任一项所述的近红外成像手术导航系统，主要包括以下内容：
记录标志点，建立患者三维人体数字模型；
用于靶向标定病变组织；
向靶向标定的病变组织部位发射白光，通过内窥镜装置中CCD相机的高清模式成像；向靶向标定的病变组织部位发射激发光，诱导探针发光，通过CCD相机的红外模式成像；
对白光照射产生的影像与激发光照射下产生的影像进行配准校正，叠加白光成像和红外成像，构建手术部位三维模型，与患者三维人体数字模型进行融合；
与远程医疗系统相结合，通过所述影像处理器中数据处理分析或远程医疗系统的人为标定，制定手术路径规划；结合融合后的三维模型，划定手术器具入口、操作平面及深度与出口信息；
接收手术规划模块的规划信息，并执行手术。
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