CN114948206A - 一种融合偏振光成像的手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种融合偏振光成像的手术导航系统，包括：偏振光模块，其包括偏振光发射单元、偏振光接收单元和偏振光分析单元；注册模块，用于将现实空间与三维模型进行配准；控制中心，所述控制中心与其他组成部分通讯连接，接收并处理数据信息；人机交互模块，其与控制中心通信连接，用于显示虚拟影像及接受命令输入。

Description

一种融合偏振光成像的手术导航系统

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，更具体地说，涉及一种融合偏振光成像的手术导航系统。

背景技术

手术导航系统也称为计算机辅助外科手术，图像引导外科手术等，指的是将现代影像技术、立体定向技术、电子计算机技术和人工智能技术同外科医生有机的结合起来，充分利用信息使患者获得安全、精确、微创的手术治疗。与传统的外科手术过程不同，手术导航系统是把病人术前的影像资料与术中病灶的具体位置通过高性能计算机连接起来，准确地显示病灶的三维空间位置及相邻重要的组织器官，医生在术前就可以通过相关处理软件在计算机上选择最佳手术入径，制定最佳手术方案；手术导航系统还可跟踪手术器械位置，将手术器械位置在术中影像上实时更新显示，医生根据实时导航系统在术中避开重要的组织结构直达目标位置，并在切除病灶过程中根据实时导航信息有效的保护病灶周围的重要组织器官。

但是，目前针对脑部病变的切除手术，由于病变组织(例如胶质瘤)与健康组织的区别不明显，在开颅后由于脑脊液流失导致脑组织发生形变，使得现有的手术导航系统无法达到预期效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种手术导航系统，其包括：

偏振光模块，包括偏振光发射单元、偏振光接收单元和偏振光分析单元；

注册模块，用于将现实空间与三维模型进行配准；

控制中心，控制中心与其他组成部分通讯连接，接收并处理数据信息；

显示模块，其与控制中心通信连接，用于显示虚拟影像及相关信息。

在一些实施例中，本发明的手术导航系统还包括定位追踪模块，用于定位追踪装配有定位结构的装置。

进一步地，偏振光模块和/或注册模块装配有定位结构，通过定位追踪模块可以获得偏振光模块和/或注册模块的空间位置信息。

进一步地，还包括投影模块，用于将图像信息投射到预期位置。

可选地，定位追踪模块为光学追踪模块，定位结构为光学定位结构；优选地，光学追踪模块为双目视觉追踪装置或者红外追踪装置，定位结构可以为与双目视觉追踪装置适配的角点，或者与红外追踪装置适配的红外反光体或红外发光体。

可选地，定位追踪模块为电磁追踪模块，所述定位结构为电磁定位结构。

在另一些实施例中，本发明的手术导航系统还包括机械臂。

可选地，偏振光模块和/或注册模块可以与机械臂连接；进一步地，偏振光模块和注册模块可以与相同或不同的机械臂连接；当偏振光模块和注册模块独立连接相应的机械臂时，这些机械臂具有已知的相对空间位置关系。

本发明的手术导航系统中，注册模块可以有多种结构，包括探针、激光测距仪、线激光器、三维扫描仪、结构光装置等；进一步地，注册模块可以装配有定位结构，或者注册模块与机械臂连接。注册装置装配有定位结构时，使用定位追踪模块通过定位结构可以定位追踪注册装置的空间位置，从而将注册模块采集到的空间信息转换到定位追踪模块坐标系，继而完成定位追踪模块坐标系与三维模型的配准。注册模块与机械臂连接时，将注册模块采集到的空间信息转换到机械臂坐标系，继而完成机械臂坐标系与三维模型的配准；在具有两个或更多个机械臂的情况下，不同机械臂之间具有已知的相对空间位置关系。

本发明的手术导航系统，控制中心包括存储器和处理器；存储器用于存储程序代码，处理器用于调用所述程序代码，程序代码能够执行以下方法：

接收医学影像数据并建立三维模型，在显示模块中所述显示三维模型；

通过注册模块完成注册；

控制偏振光模块移动到预期位置，投射偏振光，采集信息并进行分析，得到待投射的图像信息；

控制投影模块将所述图像信息投射到预期位置。

本发明方法的有点不限于以下：

1、能够在脑组织变形后，手术过程中实时的获取待手术的组织，例如胶质瘤等脑肿瘤；方便医师识别；

2、透过投影显示手术区域，节省医师切换屏幕的时间和工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请中一个实施例提供的手术导航系统的示意图；

图2为本申请中一个实施例提供的手术导航系统的示意图；

图3为本申请中一个实施例提供的手术导航系统的示意图；

图4为本申请中一个实施例提供的手术导航系统的示意图；

图标：

100-控制中心；11-移动底座；12-主机；13-键盘；14-显示器；200-红外追踪相机系统；21-移动底座；22-可伸缩支架；23-红外光发射器和相机；300-偏振光模块；31-偏振光模块的基座；32-偏振光调制单元；33-偏振光分析单元；34-定位模块；400-注册模块；41-定位模块；43-探针；42-反光球；500-投影模块，51-投影模块的基座；52-投影组件；53-定位模块；100A-第一主机；100B-第二主机；600A-第一机械臂；600B-第二机械臂；14A-第一触摸屏，14B-第二触摸屏。

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，都属于本申请保护的范围。

本发明的手术导航系统包括：

偏振光模块，包括偏振光发射单元、偏振光接收单元和偏振光分析单元；

注册模块，用于将现实空间与三维模型进行配准；

控制中心，所述控制中心与其他组成部分通讯连接，接收并处理数据信息；

人机交互模块，其与控制中心通信连接，用于显示虚拟影像及接受命令输入。

还可以包括：

定位追踪模块，用于定位追踪装配有定位结构的装置；定位追踪模块不是必须的，在注册模块自身可以获得坐标信息或者可以转化为目标坐标系时，无需追踪模块，例如可以通过机械臂携带的结构光扫描模块来完成注册。

投影模块，投影模块可以将图像信息投射到预期位置。

偏振光模块和/或注册模块可装配定位结构，从而被追踪模块追踪定位。

偏振光模块，包括偏振光调制单元和偏振光分析单元，偏振光调制单元发射偏振光，偏振光到达组织后；通过获取至少两个不同入射光偏振调制态与出射光偏振分析态，可以计算得到一个反映被测样品组织全部偏振信息的Mueller矩阵参数。由于人体组织病变过程会改变健康生物组织原本的偏振信息，由此从偏振信息的变化和对比上，可以区分出健康组织与病变组织。

具体的，偏振光模块可以包括基座以及安装在基座内部的偏振光调制单元和偏振光分析单元；偏振光调制单元包括：光源、第一偏振片以及用于带动第一偏振片绕其中心转动的第一动力单元；光源的入射光透过第一偏振片后得到偏振光；偏振光分析单元包括：相机、第二偏振片以及用于带动第二偏振片绕其中心转动的第二动力单元；其中光源的入射光方向与所述相机的视场方向存在重合区域；光源的入射光透过第一偏振片到目标区域(例如人脑等)，目标区域反射回来的光透过第二偏振片后被相机接收到。

偏振光模块还可以与控制中心通信连接，接受控制中心的控制，或者独立设置有控制器，用于协调第一动力单元和第二动力单元，保证偏振光的成像。

偏振光模块还可以装配有定位模块，从而被对应的追踪装置，例如红外追踪相机、电磁追踪装置等追踪其空间位置。

注册模块可以为选自以下的多种装置：装配定位模块的探针；激光测距仪，线激光器，结构光装置。

人机交互模块可以是多种常见的装置，例如触摸屏，或者普通屏幕与鼠标、键盘的组合，用于显示程序界面和各种虚拟影像，接受控制命令，信息输入。

追踪模块是可以是红外追踪相机系统，其包括红外光发生单元和红外相机，红外光发生单元发出红外光到定位模块，例如带有四个反光球的定位结构，红外相机接受被反光球反射的红外光，从而计算得到定位结构在红外追踪相机系统坐标系中的空间位置。追踪模块也可以是电磁追踪系统等手术导航领域系统的常规装置。

实施例1：

本发明的一些实施例中的手术导航系统，包括：

偏振光模块，装配有定位结构，

注册模块，装配有定位模块的探针，用于采集特征点的空间信息，将现实空间与三维模型进行配准；

投影模块，用于将图像信息投射到预期位置，装配有定位模块的投影设备；

定位追踪模块，为红外追踪相机系统，用于定位追踪装配有定位结构的偏振光模块、装配有定位模块的探针、装配有定位模块的投影设备；

控制中心，所述控制中心与其他组成部分通讯连接，接收并处理数据信息以及命令信息；

触摸屏，其与控制中心通信连接，用于显示虚拟影像以及接收命令信息。

其中，控制中心包括存储器和处理器；存储器用于存储程序代码，处理器用于调用所述程序代码，程序代码能够执行以下方法：

接收医学影像数据并建立三维模型，在显示模块中所述显示三维模型，医学影像信息可以包括一种或更多种图像信息，例如CT、MRI、PET等，使用多于一种医学影像信息时，可以生成多模态融合的三维模型，医学影像信息可以包括特征点或者预先安装的骨钉；

通过注册模块完成注册，具体的使用装配有定位模块的探针采集特征点(例如骨钉)在为红外追踪相机系统坐标系中的坐标，与三维模型中的坐标进行配对，建立转换矩阵；

将控制偏振光模块移动到预期位置，投射偏振光，采集信息并进行分析，得到待投射的图像信息，即通过偏振光数据分析获取真实的病灶位置；

控制投影模块将所述图像信息投射到预期位置，其中需要红外追踪相机系统追踪投影模块的位置，从未计算出合适的投影图形，以消除角度和距离变化对投影图形产生的畸变。

参见图1，对一个具体实例进行描述，控制中心100包括移动底座11，主机12，键盘13，显示器14；红外追踪相机系统200，移动底座21，可伸缩支架22，红外光发射器和相机23；偏振光模块300包括基座31以及安装在基座31上的偏振光调制单元32、偏振光分析单元33和定位模块34，注册模块400包括定位模块41，探针43，定位模块41上设置有四个反光球42；投影模块500，包括基座51和投影组件52，基座上设置定位模块53。附图中的结构仅仅是示意性的，结构比例与现实不完全对应。

本实施例的方案结构简单，成本低廉，适于推广，但是由于多个模块均由手持操作，追踪和维持难度高，操作难度较大。

可以理解，追踪系统和定位模块可以使用磁定位导航和相应的标志物，也包括在本发明的范围内。

实施例2：

在实施例1的基础上进行描述，其与实施例1的区别在于，注册模块采用激光测距仪或者使用线激光器，激光测距仪或者线激光器上配置有定位模块。该实施例采用激光测距仪或者线激光器进行注册，不需要植入骨钉等标志物，损伤小，患者已从性更好。

实施例3：

在实施例1的基础上进行描述，其与实施例1的区别在于，偏振光模块与投影模块融合，参见图2，偏振光模块300包括基座31以及安装在基座31的偏振光调制单元32、偏振光分析单元33、定位模块34和投影组件35。

将投影组件35与偏正光模块300固定设置，简化了计算投影图像畸变的复杂度，能够提高计算效率，节约时间。

实施例4：

参考图3，其示出了一个实施例中的手术导航系统，包括：

控制中心(主机)100，触摸屏(人机交互模块)14，偏振光模块300，结构光模块700，机械臂600；通过机械臂600可以确定偏振光模块300，结构光模块700在机械臂坐标系中的位置，从而将偏振光模块300，结构光模块700采集到的信息统一转换到机械臂坐标系中，即以机械臂坐标系作为世界坐标系。结构光模块700包含投影组件和图像获取装置，投影组件可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，然后进行配准；投影组件发射特定编码图案的方案，相比于激光单点采集数据仅采集有限范围内的数千个点，大大提高了采集效率，在相同的注册时间内，对数十厘米边长的正方形范围内可以进行全面覆盖的数据采集，采集数据的范围大大增加，获得百万量级的数据点，大大增加了点云的数量，从而提高三维结构的精度。投影组件不仅可发射特定的编码图案，还可投影图像到目标空间。即结构光模块700同时执行了注册模块和投影模块的功能。偏振光模块300和结构光模块700可分别与机械臂连接。

其中，控制中心包括存储器和处理器；存储器用于存储程序代码，处理器用于调用所述程序代码，程序代码能够执行以下方法：

接收医学影像数据并建立三维模型，在显示模块中所述显示三维模型，医学影像信息可以包括一种或更多种图像信息，例如CT、MRI、PET等，使用多于一种医学影像信息时，可以生成多模态融合的三维模型；

结构光模块700采集点云，与三维模型中的三维模型进行配对，建立转换矩阵；

偏振光模块300移动到预期位置，投射偏振光，采集信息并进行分析，得到待投射的图像信息，即通过偏振光数据分析获取真实的病灶位置；

结构光模块700采集点云将病灶位置的图像信息投射到预期位置。

该实施例通过机械臂和结构光模块大大简化了系统的组成，简化了操作。

实施例5：

参见图4，在实施例4的基础上进行描述，其与实施例4的区别在于，使用两个机械臂分别控制偏振光模块300和结构光模块700，第一主机100A与第二主机100B可以是保持固定位置关系，或者通过通信保持坐标系转换和统一，第一主机100A控制第一机械臂600A连接，第一机械臂600A与结构光模块700连接，第二主机100B控制第二机械臂600B连接，第二机械臂600B与偏振光模块300连接。14A-第一触摸屏和14B-第二触摸屏可以方便更多的使用者协同操作。

该实施例使用两个机械臂，避免了拆卸实施例4中拆卸替换偏振光模块300和结构光模块700的繁琐操作。

实施例6：

在实施例5的基础上进行描述，其与实施例5的区别在于，在同一主机上设置两个机械臂，第一机械臂600A与结构光模块700连接，第二机械臂600B与偏振光模块300连接，从而减少了对手术室空间的影响，第一机械臂600A与第二机械臂600B有着确定的空间位置关系。

本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种融合偏振光成像的手术导航系统，其特征在于，包括：

偏振光模块，包括偏振光发射单元、偏振光接收单元和偏振光分析单元；

注册模块，用于将现实空间与三维模型进行配准；

控制中心，所述控制中心与其他组成部分通讯连接，接收并处理数据信息；

人机交互模块，其与控制中心通信连接，用于显示虚拟影像及接受命令输入。

2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，还包括定位追踪模块，用于定位追踪装配有定位结构的装置。

3.根据权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述偏振光模块和/或所述注册模块装配有定位结构。

4.根据权利要求2或3所述的手术导航系统，其特征在于，还包括投影模块。

5.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，还包括至少一个机械臂。

6.根据权利要求5所述的手术导航系统，其特征在于，所述偏振光模块与所述机械臂连接。

7.根据权利要求5或6所述的手术导航系统，其特征在于，所述注册模块与所述机械臂连接。

8.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述注册模块为探针。

9.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述注册模块为激光测距仪。

10.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述注册模块为线激光器。

11.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述注册模块为结构光装置。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的手术导航系统，其特征在于，所述注册模块装配有定位结构，或者所述注册模块与机械臂连接。

13.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述控制中心包括存储器和处理器；所述存储器用于存储程序代码，所述处理器用于调用所述程序代码，所述程序代码能够执行以下方法：

接收医学影像数据并建立三维模型，在显示模块中所述显示三维模型；

通过定位追踪模块与注册模块完成注册；

控制偏振光模块移动到预期位置，投射偏振光，采集信息并进行分析，得到待投射的图像信息；

控制投影模块将所述图像信息投射到预期位置。

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