CN114343845A - 一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法，包括以下步骤：扫描CT获取DICOM图像数据；处理图像数据，获得三个标记物的中心点与病灶在CT图像坐标系下的位置信息，计算得到病灶及三个标记物相对于床板的坐标，得到病灶与三个标记物的相对位置关系；在穿刺机器人进行定位穿刺之前，利用相机获取三个标记物的实时坐标；将三个标记物的实时坐标转换至床板坐标系中，通过相对位置关系反算病灶的最新坐标；穿刺机器人系统根据获得的病灶动态位置信息，实时更新机器人执行机构的目标位置，完成精准穿刺；本发明同现有技术相比，解决了穿刺手术过程中，由于患者体位晃动以及呼吸所带来的病灶位置偏移的问题。

Description

一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法

[技术领域]

本发明属于医疗器械技术领域，具体地说是一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法。

[背景技术]

穿刺手术是一种医生借助CT图像，使用不同的特制的穿刺针，刺入血管、体腔或器官以抽取液体或组织用于活检诊断的手术。医生在穿刺中需要先依据图像初步判断病灶点位置，再实施穿刺，随后扫描CT判断穿刺针是否到达病灶点，如没有到达病灶点，需要重复穿刺及扫描CT操作，直至刺中病灶点。如此不仅会大大增加手术时间，而且多次辐射还会伤害患者的身心。辅助穿刺机器人结合了机械臂、成像设备、空间定位系统及相应处理软件，实现了依据病灶扫描图像，精准定位病灶点位置，可实现一次穿刺精准到位，减少了穿刺手术的时间，降低了穿刺手术给病人带来的痛苦。

在辅助穿刺机器人定位病灶点时，需要解决患者体位移动以及呼吸所带来的病灶位置偏移的问题。传统手术采用绑带、限位支架等一系列辅助附件来限制患者体位晃动，同时让患者先深吸一口气，再屏住呼吸进行穿刺，从而解决穿刺前后病灶位置偏移的问题。显然，这一方法忽略了患者在限位附件作用下的微小位移，同时需要患者屏气时的相位与扫描CT时屏气的相位相同，实际实施起来病灶点在穿刺时的位置与扫描时的位置存在偏差，故传统方法无法精准的进行病灶位置动态跟踪。

随着机器视觉技术的发展，机器视觉结合机器人技术已被广泛应用于医疗器械领域。若能借助视觉引导及定位，结合医学成像数据，为整个手术过程提供高精确的病灶定位，则能够极大程度地保证手术效果。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法，解决了穿刺手术过程中，由于患者体位晃动以及呼吸所带来的病灶位置偏移的问题。

为实现上述目的设计一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1)，将装有相机1的支架2安装在CT病床8旁，患者7依据病灶部位，平躺或侧躺于病床8上，将标记物一3、标记物二4、标记物三5分别粘于患者病灶6体表附近，且确保三个标记物均在摄像头视野范围内；

步骤2)，进行CT扫描，获取DICOM图像数据；

步骤3)，处理图像数据，获得标记物一3、标记物二4、标记物三5的中心点与病灶6在CT图像坐标系下的位置信息，计算得到病灶6及标记物一3、标记物二4、标记物三5相对于床板的坐标，得到病灶6与标记物一3、标记物二4、标记物三5的相对位置关系；

步骤4)，在穿刺机器人进行定位穿刺之前，利用相机1获取标记物一3、标记物二4、标记物三5的实时坐标；

步骤5)，将标记物一3、标记物二4、标记物三5的实时坐标转换至床板坐标系中，通过相对位置关系反算病灶6的最新坐标；

步骤6)，患者吸气并屏住呼吸，穿刺机器人系统根据获得的病灶动态位置信息，实时更新机器人执行机构的目标位置，完成精准穿刺。

进一步地，步骤1)中，标记物一3、标记物二4、标记物三5选取不同形状或不同颜色的图形，其选用的材料为可被CT扫描成像的材料。

进一步地，步骤3)中，以床板为基准建立坐标系，依据图像坐标系与床板坐标系之间的关系，得到病灶6在床板坐标系下的坐标，记为P_o(X_p、Y_p、Z_p)，标记物一3、标记物二4、标记物三5的中心点在床板坐标系下的坐标分别记为A₁(X_a、Y_a、Z_a)、B₁(X_b、Y_b、Z_b)、C₁(X_c、Y_c、Z_c)，即得到在床板坐标系下，病灶6与标记物一3、标记物二4、标记物三5的相对位置关系。

进一步地，步骤4)中，在穿刺机器人进行定位穿刺之前，利用相机1实时获得标记物一3、标记物二4、标记物三5的中心点在相机1坐标系下的位置，坐标分别记为A′₁(X′_a、Y′_a、Z′_a)、B′₁(X′_b、Y′_b、Z′_b)、C″₁(X′_c、Y′_c、Z′_c)，依据相机1坐标系与床板坐标系的相对位置关系，获得三个标记物在床板坐标系下的实时坐标，分别记为A″₁(X″_a、Y″_a、Z″_a)、B″₁(X″_b、Y″_b、Z″_b)、C″₁(X″_c、Y″_c、Z″_c)。

进一步地，步骤5)中，根据CT的DICOM图像得到的病灶6与标记物一3、标记物二4、标记物三5之间在床板坐标系下的相对位置关系，以及摄像头1得到的标记物一3、标记物二4、标记物三5在床板坐标系下的实时坐标信息，计算得到病灶6在床板坐标系下的实时坐标信息，记为P′₀(X′_p、Y′_p、Z′_p)。

进一步地，步骤3)中，标记物一3、标记物二4、标记物三5随呼吸运动一同做周期性运动，其与病灶6之间的空间距离视为固定距离，应用图像中获取的床板坐标系下各标记物及病灶的坐标信息，计算每个标记物与病灶之间的相对距离，可得：

进一步地，步骤4)和步骤5)中，依据标记物一3、标记物二4、标记物三5的实时坐标，以及每个标记物与病灶之间的相对位置关系X₁、X₂、X₃，反推计算病灶中心点的实时坐标P″₀(X″_p、Y″_p、Z″_p)，其计算的方程如下：

计算得到P″₀的两个解，得到的解一个位于三个标记物中心点所决定的平面之上，另一个在三个标记物所决定的平面之下，取Z″_p较小的解作为方程的解，得到P″₀(X″_p、Y″_p、Z″_p)。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明解决了穿刺手术过程中，由于患者体位晃动以及呼吸所带来的病灶位置偏移的问题，为穿刺机器人系统提供一种病灶位置动态跟踪的方法，实现了病灶位置精确定位；

(2)本发明结合CT的DICOM图像数据，计算出患者体表标记物与病灶的位置关系，根据得到的位置关系，利用机器视觉来实时计算病灶位置，实现病灶位置的动态跟踪，为辅助穿刺机器人系统提供精确定位，有效提高穿刺的精度；

(3)本发明结合辅助穿刺机器人系统的优势，为机器人开发一种效率更高，适用性更广的病灶实时跟踪方法，具有重要意义，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明病床、相机之间的相对位置示意图；

图2是本发明所使用的三个标记物与病灶点之间的空间位置示意图；

图3是本发明的方法流程图；

图中：1、相机 2、支架 3、标记物一 4、标记物二 5、标记物三 6、病灶 7、患者 8、病床。

[具体实施方式]

为解决穿刺手术过程中，由于患者体位晃动以及呼吸所带来的病灶位置偏移的问题，本发明提供了一种用于辅助穿刺机器人系统的病灶位置动态跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一，将装有相机1的支架2安装在CT病床8旁，患者7依据病灶部位，平躺或侧躺于病床8上，将标记物一3、标记物二4、标记物三5分别粘于患者病灶6体表附近，且确保三个标记物均在摄像头视野范围内。

步骤二，进行CT扫描，获取D工COM图像数据。

步骤三，处理图像数据，获得标记物一3、标记物二4、标记物三5的中心点与病灶6在CT图像坐标系下的位置关系，以床板为基准建立坐标系，依据图像坐标系与床板坐标系之间的关系，得到病灶6在床板坐标系下的坐标，记为P_o(X_p、Y_p、Z_p)，标记物一3、标记物二4、标记物三5的中心点在床板坐标系下的坐标分别记为A₁(X_a、Y_a、Z_a)、B₁(X_b、Y_b、Z_b)、C₁(X_c、Y_c、Z_c)。这样便可以得到在床板坐标系下，病灶6与标记物一3、标记物二4、标记物三5的相对位置关系。

步骤四，在穿刺机器人进行定位穿刺之前，利用相机1实时获得标记物一3、标记物二4、标记物三5的中心点在相机1坐标系下的位置，坐标分别记为A′₁(X′_a、Y′_a、Z′_a)、B′₁(X′_b、Y′_b、Z′_b)、C′₁(X′_c、Y′_c、Z′_c)。依据相机1坐标系与床板坐标系的相对位置关系，可以获得三个标记物在床板坐标系下的实时坐标，分别记为A″₁(X″_a、Y″_a、Z″_a)、B″₁(X″_b、Y″_b、Z″_b)、C″₁(X″_c、Y″_c、Z″_c)。

步骤五，根据CT的DICOM图像得到的病灶6与标记物一3、标记物二4、标记物三5之间在床板坐标系下的相对位置关系，以及摄像头1得到的标记物一3、标记物二4、标记物三5在床板坐标系下的实时坐标信息，可以计算得到病灶6在床板坐标系下的实时坐标信息，记为P′₀(X′_p、Y′_p、Z′_p)。

步骤六，患者吸气并屏住呼吸，穿刺机器人系统可根据获得的病灶动态位置信息，实时更新机器人执行机构的目标位置，完成精准穿刺。

下面结合附图和具体实例，对本发明作进一步说明：

如附图1所示，为本发明中患者、摄像头与床板的摆放位置示意图。O₁为床板坐标系，O₂为相机坐标系。图中装有相机1的支架2安装在CT病床8旁，患者7依据病灶位置平躺或侧躺于病床8之上。相机1和支架2与病床8的相对位置关系已知。

如附图2所示，为病灶点与三个标记物的位置示意图，三个标记物需要选取不同形状或不同颜色的图形，选用的材料为可被CT扫描成像的材料。术前在病人完成摆位后，将三个标记物固定于病人身体的皮肤表面，固定位置为靠近病灶器官的表皮处，需正对深度相机固定，无特定固定角度。

如附图3所示，为本发明动态跟踪方法的流程图，具体包括：

在固定完特殊标记物后，对病人进行CT扫描，获得的图像信息包含床板，病灶及三个特殊标记物。依据图像与床板的位置信息，得到病灶点中心在床板坐标系下的坐标P_o(X_p、Y_p、Z_p)，标记物一中心点在床板坐标系下的坐标A₁(X_a、Y_a、Z_a)，标记物二中心点在床板坐标系下的坐标B₁(X_b、Y_b、Z_b)，标记物三中心点在床板坐标系下的坐标C₁(X_c、Y_c、Z_c)。

每个特殊标记物随呼吸运动一同做周期性运动，其与病灶点之间的空间距离可视为固定距离。应用图像中获取的床板坐标系下各标记物及病灶的坐标信息，计算每个标记物与病灶之间的相对距离，可得：

在运动时，应用相机获取三个特殊标记物中心点的实时坐标记为A′₁(X′_a、Y′_a、Z′_a)、B″₁(X′_b、Y′_b、Z′_b)、C′₁(X′_c、Y′_c、Z′_c)。

将相机中三个特殊标记物中心的坐标，转换至床板坐标系中，得到标记物一中心坐标A″₁(X″_a、Y″_a、Z″_a)，标记物二中心坐标B″₁(X″_b、Y″_b、Z″_b)，标记物三中心坐标C″₁(X″_c、Y″_c、Z″_c)。

依据三个特殊标记物的实时坐标，以及标记物与病灶点之间的相对位置关系X₁、X₂、X₃，可反推计算病灶中心点的实时坐标P″₀(X″_p、Y″_p、Z″_p)，计算的方程如下：

计算得到P″₀的两个解，得到的解一个位于三个标记物中心点所决定的平面之上，一个在三个标记物所决定的平面之下。由于固定特殊标记物时，固定位置总是在病灶点表皮之上，所以取Z″_p较小的解作为方程的解，得到P′₀(X″_p、Y″_p、Z″_p)。

依据实时更新的病灶点位置，控制机器人实时更新进针点，当临床医生做好进针准备，病人需要吸气并屏住呼吸，穿刺机器人依据最新的病灶点位置进行进针，并完成穿刺。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于辅助穿刺系统的病灶位置动态跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，将装有相机(1)的支架(2)安装在CT病床(8)旁，患者(7)依据病灶部位，平躺或侧躺于病床(8)上，将标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)分别粘于患者病灶(6)体表附近，且确保三个标记物均在摄像头视野范围内；

步骤2)，进行CT扫描，获取DICOM图像数据；

步骤3)，处理图像数据，获得标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的中心点与病灶(6)在CT图像坐标系下的位置信息，计算得到病灶(6)及标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)相对于床板的坐标，得到病灶(6)与标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的相对位置关系；

步骤4)，在穿刺机器人进行定位穿刺之前，利用相机(1)获取标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的实时坐标；

步骤5)，将标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的实时坐标转换至床板坐标系中，通过相对位置关系反算病灶(6)的最新坐标；

步骤6)，患者吸气并屏住呼吸，穿刺机器人系统根据获得的病灶动态位置信息，实时更新机器人执行机构的目标位置，完成精准穿刺。

2.如权利要求1所述的动态跟踪方法，其特征在于：步骤1)中，标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)选取不同形状或不同颜色的图形，其选用的材料为可被CT扫描成像的材料。

3.如权利要求1所述的动态跟踪方法，其特征在于：步骤3)中，以床板为基准建立坐标系，依据图像坐标系与床板坐标系之间的关系，得到病灶(6)在床板坐标系下的坐标，记为P_o(X_p、Y_p、Z_p)，标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的中心点在床板坐标系下的坐标分别记为A₁(X_a、Y_a、Z_a)、B₁(X_b、Y_b、Z_b)、C₁(X_c、Y_c、Z_c)，即得到在床板坐标系下，病灶(6)与标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的相对位置关系。

4.如权利要求3所述的动态跟踪方法，其特征在于：步骤4)中，在穿刺机器人进行定位穿刺之前，利用相机(1)实时获得标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的中心点在相机(1)坐标系下的位置，坐标分别记为A′₁(X′_a、Y′_a、Z′_a)、B′₁(X′_b、Y′_b、Z′_b)、C′₁(X′_c、Y′_c、Z′_c)，依据相机(1)坐标系与床板坐标系的相对位置关系，获得三个标记物在床板坐标系下的实时坐标，分别记为A″₁(X″_a、Y″_a、Z″_a)、B″₁(X″_b、Y″_b、Z″_b)、C″₁(X″_c、Y″_c、Z″_c)。

5.如权利要求4所述的动态跟踪方法，其特征在于：步骤5)中，根据CT的DICOM图像得到的病灶(6)与标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)之间在床板坐标系下的相对位置关系，以及摄像头1得到的标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)在床板坐标系下的实时坐标信息，计算得到病灶(6)在床板坐标系下的实时坐标信息，记为P′₀(X′_p、Y′_p、Z′_p)。

6.如权利要求5所述的动态跟踪方法，其特征在于：步骤3)中，标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)随呼吸运动一同做周期性运动，其与病灶(6)之间的空间距离视为固定距离，应用图像中获取的床板坐标系下各标记物及病灶的坐标信息，计算每个标记物与病灶之间的相对距离，可得：

7.如权利要求6所述的动态跟踪方法，其特征在于：步骤4)和步骤5)中，依据标记物一(3)、标记物二(4)、标记物三(5)的实时坐标，以及每个标记物与病灶之间的相对位置关系X₁、X₂、X₃，反推计算病灶中心点的实时坐标P″₀(X″_p、Y″_p、Z″_p)，其计算的方程如下：

计算得到P″₀的两个解，得到的解一个位于三个标记物中心点所决定的平面之上，另一个在三个标记物所决定的平面之下，取Z″_p较小的解作为方程的解，得到P″₀(X″_p、Y″_p、Z″_p)。

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