CN114767270A - 一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统 - Google Patents

一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于临床医学制作领域，具体提供了一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统，包括：路径规划模块、光学定位模块及导航显示模块；通过路径规划模块在同一物理坐标系下初始化标记光球坐标与穿刺路径；然后利用光学定位模块将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；最后通过导航显示模块将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。该系统应用于肺部穿刺定位导航手术中，通过光学追踪设备获取穿刺导航钢针的光学坐标，并将光学坐标与物理坐标进行相互转换，实现穿刺导航钢针在导航系统中的实时显示，提高穿刺成功率，减少患者手术时间。

Description

一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统
技术领域
本发明涉及临床医学技术领域，更具体地，涉及一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统。
背景技术
随着高分辨率CT扫描技术的发展，越来越多难以定性的肺部亚毫米级小结节被发现，近年来微创外科技术的提高，通过胸腔镜进行局部病灶切除成为可能。但是肺部结节较小、肺组织压缩后实变，难以通过触诊指导小结节切除，肺叶或肺段的切除创伤太大，因此肺部小结节的定位至关重要。
对此，公开号为CN108514643A的中国专利公开了一种肺部微小结节进行手术前颜色及触觉标记方法，该标记方法包括以下具体步骤：配制亚甲基蓝+凝血酶+氯化钙溶液和配制纤维蛋白原两种溶液，分别经两支不同的注射器通过三通管连接肺穿刺针，将上两种溶液同步注射到肺微小结节病灶处，在病灶处形成蓝色的凝胶结节。
此外，公开号为CN213525392U、名称为用于肺部手术的术前辅助穿刺定位装置，公开了一种用于肺部手术的术前辅助穿刺定位装置，应用于医疗穿刺用具技术领域，其包括穿刺件，穿刺件包括穿刺针以及设置在穿刺针端部的底座，底座设置在穿刺针远离刺尖的一端，底座远离穿刺针的一端设有存储囊，存储囊内设有阻隔件，阻隔件将存储囊分为第一空腔和第二空腔，底座内设有用于刺破存储囊的刺破件。本申请通过存储囊将亚甲蓝和医用胶挤压进患者的肺部，可以提高穿刺针的稳定性，以减少穿刺针出现位移的可能，并且可以提升穿刺针定位的精准度，提高了形成凝胶结节的位置精确度。
综上述所述，现有技术中均没有公开导航显示与肺部手术穿刺的相关技术，造成了操作者在进行手术过程中无法实现精准直观的定位，给操作中带来了极大的操作难度。且操作者在将肺穿刺针刺入肺部时，并未对肺部穿刺针进行固定，因此操作者在连接注射器的过程中，肺穿刺针很容易产生位移，从而造成肺穿刺针定位的精准度不高，导致形成凝胶结节的位置不准确，急需开发一种能在肺部手术穿刺中进行导航并实时显示的方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的肺部手术穿刺中无法实施导航显示而影响手术成功率的技术问题。
本发明提供了一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统，包括：
路径规划模块，用于将显示医学图像的Dicom文件和显示肺部结构的STL三维数据读取并解析，依次渲染到由同一物理坐标系建立的空间几何关系界面中，并初始化标记光球坐标与穿刺路径；
光学定位模块，用于获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；
导航显示模块，用于将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。
优选地，所述穿刺导航钢针和肺部结构的关系具体包括：所述穿刺导航钢针与穿刺规划路径的间距关系，以及所述穿刺导航钢针与标记球体的空间位置关系。
优选地，所述光学定位模块还用于误差修正：比较光学定位器返回的钢针的三维坐标的实时误差和光学定位器的标定移动误差；
当实时误差小于标定移动误差时，继续正常实时显示穿刺导航钢针的实时位置；
当实时误差不小于标定移动误差时，重新初始化标记光球坐标以更新所述穿刺导航钢针的实时位置。
优选地，所述导航显示模块用于：将经过误差修正后的穿刺导航钢针的实时位置信息，标记光球、穿刺路径及显示肺部结构的STL三维数据均转换成对应的光学坐标系的数据信息，均渲染成STL模型以进行三维实时显示。
优选地，所述光学定位模块还用于：通过光学定位器识别并实时追踪所述穿刺导航钢针，并返回所述穿刺导航钢针的光学坐标信息，渲染成三维STL三维数据以进行三维显示。
优选地，所述路径规划模块还用于：导入Dicom文件和STL三维数据，当文件不合法时提示文件错误，当文件合法时，先确立共同的物理坐标系及原点，建立并保存标记光球坐标和穿刺路径。
优选地，所述导航显示模块还用于：将标记光球、穿刺路径及显示肺部结构的STL三维数据均转换成对应的光学坐标系的数据，并渲染成STL模型以进行三维实时显示。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现用于肺部手术穿刺的导航显示系统的功能。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现用于肺部手术穿刺的导航显示系统的功能。
有益效果：本发明提供的一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统，包括：路径规划模块，用于将显示医学图像的Dicom文件和显示肺部结构的STL三维数据读取并解析，依次渲染到由同一物理坐标系建立的空间几何关系界面中，并初始化标记光球坐标与穿刺路径；光学定位模块，用于获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；导航显示模块，用于将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。该系统应用于肺部穿刺定位导航手术中，通过光学追踪设备获取穿刺导航钢针的光学坐标，并将光学坐标与物理坐标进行相互转换，实现穿刺导航钢针在导航系统中的实时显示，提高穿刺成功率，减少患者手术时间。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统框图；
图2为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
图3为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明提供的一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统，包括：
路径规划模块，用于将显示医学图像的Dicom文件和显示肺部结构的STL三维数据读取并解析，依次渲染到由同一物理坐标系建立的空间几何关系界面中，并初始化标记光球坐标与穿刺路径；
光学定位模块，用于获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；
导航显示模块，用于将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。穿刺导航钢针和肺部结构的关系具体包括：所述穿刺导航钢针与穿刺规划路径的间距关系，以及所述穿刺导航钢针与标记球体的空间位置关系。
其中，标记球是在手术穿刺过程中，引入的一种硬件。识别标记球的是一种俗称“光学定位仪”的仪器，这种仪器是现有技术。它可以用于识别特定材质的小球，即标记光球。在手术穿刺的过程中，先定义一个原点标记光球，作为后续的左右三维空间下的坐标基准。即STL，DICOM等数据均需在导航中转化在以原点标记光球坐标系下的空间坐标系。
具体地操作过程如下：
首先，由CT图像和STL模型组成的物理坐标系，通过三维重建的方式采用WebGL技术呈现。并通过三维工具在重建后的CT图像和STL模型上增加标记光球与穿刺规划路径；
其次，获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针。穿刺导航钢针有四个反光球，通过光学定位器，将可以被定位到的穿刺导航钢针进行追踪。
最后，将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型的物理坐标与光学坐标进行转换，将物理坐标下的STL模型转换成光学坐标。便于与穿刺导航钢针统一在一个坐标系下。在完成坐标转换后，通过坐标计算，实时的将穿刺导航钢针的坐标显示给用户。以便用户控制穿刺导航钢针，完成术中穿刺导航的目的。导航显示是通过上述模块组成的工作流程和数据流程，计算出显示数据，并通过界面进行实时显示。
该方案主要应用于肺部穿刺定位导航手术中，通过光学追踪设备获取穿刺导航钢针的光学坐标，并将光学坐标与物理坐标进行相互转换，实现穿刺导航钢针在导航系统中的实时显示，提高穿刺成功率，减少患者手术时间。
优选的方案，路径规划模块用于：将标注Dicom文件(即医学图像文件)和肺部结构的STL文件读取并解析，依次渲染到界面中，由于Dicom和STL均由同一物理坐标系建立的空间几何关系，固将Dicom与STL所在坐标系统称为物理坐标系。在这个坐标系下，用户可以建立同坐标系中的标记光球和穿刺规划路径，这是穿刺导航最终要寻找的目标。
优选的方案，光学定位模块还用于误差修正：比较光学定位器返回的钢针的三维坐标的实时误差和光学定位器的标定移动误差；
当实时误差小于标定移动误差时，继续正常实时显示穿刺导航钢针的实时位置；
当实时误差不小于标定移动误差时，重新初始化标记光球坐标以更新所述穿刺导航钢针的实时位置。
在进行导航显示的过程中，通过光学定位器定位到的穿刺导航钢针坐标会出现一定的抖动，因此需要通过坐标误差分析实时监控穿刺导航钢针的位置变化。根据光学定位器返回的三维坐标和定位器标定的移动误差，具体地通过如下公式表示穿刺导航钢针的误差：
Figure BDA0003616874730000071
初始化光球坐标(x1,y1,z1)，实时光球坐标(x2,y2,z2)；R为标定移动误差，n为光球个数。当穿刺导航钢针误差满足时，穿刺导航钢针显示的位置不发生变化；当穿刺导航钢针误差不满足时，穿刺导航钢针显示位置将发送变化，即视为穿刺导航钢针移动。标记光球移动后，将新的位置定义为初始化光球坐标，如此反复。即可实现穿刺导航显示。
优选的方案，将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型(STL文件)，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并根据光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系，包括与穿刺规划路径的间距，与标记光球的空间关系等，帮助用户完成穿刺导航。
优选的方案，导航显示模块用于：将可识别的标记光球与钢针结合，设计成一个整体，形成穿刺导航钢针，穿刺导航钢针的三维数据在设计初期确认，通过光学定位器返回的光学坐标，即可定位穿刺导航钢针的位置。穿刺导航钢针会以STL方式以三维形态显示给用户。
其中，本实施例中的物理坐标与光学坐标之间的转换是通过转换矩阵进行转换。两个坐标系之间转换用到的转换矩阵为现有技术，在物理坐标系和光学坐标系之间，存在这想换转换的关系，通过转换算法可以得出转换关系矩阵。该矩阵是物理坐标系与光学坐标系转换的桥梁。在此不再进一步赘述。
优选的方案，路径规划模块还用于：导入Dicom文件和STL三维数据，当文件不合法时提示文件错误，当文件合法时，先确立共同的物理坐标系及原点，建立并保存标记光球坐标和穿刺路径。通过判断文件是否合法，可以预先防止出错。
优选的方案，导航显示模块还用于：将经过误差修正后的穿刺导航钢针的实时位置信息，标记光球、穿刺路径及显示肺部结构的STL三维数据均转换成对应的光学坐标系的数据信息，均渲染成STL模型以进行三维实时显示。将各个对象最后都统一到光学坐标系中，然后进行三维渲染后进行实时显示。这样，医生便可以实现虚拟显示一样的操作手术，提高手术体验和手术真实度。
请参阅图2为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图2所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器1310、处理器1320及存储在存储器1310上并可在处理器1320上运行的计算机程序1311，处理器1320执行计算机程序1311时实现以下步骤：S1，将显示医学图像的Dicom文件和显示肺部结构的STL三维数据读取并解析，依次渲染到由同一物理坐标系建立的空间几何关系界面中，并初始化标记光球坐标与穿刺路径；S2，获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；S3，将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。
请参阅图3为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图3所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质1400，其上存储有计算机程序1411，该计算机程序1411被处理器执行时实现如下步骤：S1，将显示医学图像的Dicom文件和显示肺部结构的STL三维数据读取并解析，依次渲染到由同一物理坐标系建立的空间几何关系界面中，并初始化标记光球坐标与穿刺路径；S2，获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；S3，将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，包括：
路径规划模块，用于将显示医学图像的Dicom文件和显示肺部结构的STL三维数据读取并解析，依次渲染到由同一物理坐标系建立的空间几何关系界面中，并初始化标记光球坐标与穿刺路径；
光学定位模块，用于获取钢针在空间几何关系界面中的三维形态模型，将可识别显示的标记光球与钢针结合形成穿刺导航钢针；
导航显示模块，用于将穿刺导航钢针的三维模型和肺部结构的三维模型，在坐标转换矩阵的作用下，统一以光学坐标系表示，并通过光学定位器实时显示穿刺导航钢针和肺部结构的关系。
2.根据权利要求1所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，所述穿刺导航钢针和肺部结构的关系具体包括：所述穿刺导航钢针与穿刺规划路径的间距关系，以及所述穿刺导航钢针与标记球体的空间位置关系。
3.根据权利要求1所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，所述光学定位模块还用于误差修正：比较光学定位器返回的钢针的三维坐标的实时误差和光学定位器的标定移动误差；
当实时误差小于标定移动误差时，继续正常实时显示穿刺导航钢针的实时位置；
当实时误差不小于标定移动误差时，重新初始化标记光球坐标以更新所述穿刺导航钢针的实时位置。
4.根据权利要求3所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，所述导航显示模块用于：将经过误差修正后的穿刺导航钢针的实时位置信息，标记光球、穿刺路径及显示肺部结构的STL三维数据均转换成对应的光学坐标系的数据信息，均渲染成STL模型以进行三维实时显示。
5.根据权利要求1所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，所述光学定位模块还用于：通过光学定位器识别并实时追踪所述穿刺导航钢针，并返回所述穿刺导航钢针的光学坐标信息，渲染成三维STL三维数据以进行三维显示。
6.根据权利要求1所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，所述路径规划模块还用于：导入Dicom文件和STL三维数据，当文件不合法时提示文件错误，当文件合法时，先确立共同的物理坐标系及原点，建立并保存标记光球坐标和穿刺路径。
7.根据权利要求1所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统，其特征在于，所述导航显示模块还用于：将标记光球、穿刺路径及显示肺部结构的STL三维数据均转换成对应的光学坐标系的数据，并渲染成STL模型以进行三维实时显示。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现如权利要求1-7任一项所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统的功能。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的用于肺部手术穿刺的导航显示系统的功能。
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