CN115444523A

CN115444523A - 一种自动穿刺控制方法及系统

Info

Publication number: CN115444523A
Application number: CN202211302795.2A
Authority: CN
Inventors: 费岱; 王玉; 徐顺利; 薛丹; 张婷婷
Original assignee: Accu Target Medipharma Shanghai Co ltd
Current assignee: Accu Target Medipharma Shanghai Co ltd
Priority date: 2022-10-24
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明涉及穿刺控制技术领域，提供了一种自动穿刺控制方法及系统，包括设置监控呼吸和心脏相位的第一空间定位装置；采集待穿刺对象的影像数据，基于影像数据制定指导后续穿刺的穿刺路径；当获取到穿刺执行指令后，按照一固定时间间隔执行穿刺指令循环，直至获取到穿刺取消指令或当前穿刺深度大于或等于计划穿刺深度后，停止执行穿刺指令循环；其中，穿刺指令循环为在固定时间间隔内，实时读取第一空间定位装置的位置信息，与影像数据上的第一空间定位装置的位置信息进行对比，若呼吸相位和心脏相位与影像数据一致，在当前固定时间间隔内执行穿刺操作，否则不允许执行穿刺操作。解决了由于病人呼吸和心跳的因素所导致的穿刺时机难以把控的问题。

Description

一种自动穿刺控制方法及系统

技术领域

本发明涉及穿刺控制的技术领域，尤其涉及一种自动穿刺控制方法及系统。

背景技术

在目前CT或MR影像引导下的胸腹外科穿刺手术中，机械臂与穿刺执行机构的联合使用是非常普遍的情况。将穿刺执行机构固定至机械臂的终端位置，由机械臂控制穿刺的进针位置和角度，由穿刺执行机构执行穿刺进针，直至抵达病灶位置的过程，由此来配合完成整个穿刺过程。

具体而言，在手术过程中，病人先进行一次影像扫描，之后，根据病灶的大小和位置以及病灶周围的解剖学结构，手术医生在影像上勾画出合适的穿刺路径。然后由导航程序或者医生手动控制机械臂到达体外合适的穿刺位置，并调整好穿刺角度。之后再由导航程序或者医生手动控制穿刺执行机构进行穿刺，直到穿刺针达到病灶位置。

通常而言，穿刺手术属于微创手术，该类型的手术具有手术痛苦较小、术后并发症较少、手术伤口愈合较快的优点。

但微创手术也有其弊端，其最大的弊端在于获取病灶信息的间接性，因此主刀医生在术中获取相应的病灶信息时存在各种局限。以胸腹部肿瘤消融术为例，主刀医生需要在将相应的消融针穿刺到病灶指定位置之后进行消融。而由于对应的病灶藏于体内，在微创手术中对主刀医生而言是肉眼不可直接见的，因此，很多时候都采用影像(例如CT等)与导航定位手段结合辅助应道的方式帮助医生进行消融针穿刺。而由于人体心跳和呼吸作用的影响，整个穿刺过程并非是连续的，必须排除病人实时的心跳和呼吸等扰动因素来执行整个穿刺过程。

在影像引导下的胸腹部的导航穿刺手术的穿刺过程中，由于人体的呼吸以及心跳等因素的存在，通常会导致穿刺靶点及应该避开的敏感器官与影像位置不符的情形，因此并非穿刺过程中的所有时刻都是适合进行穿刺的时机。因此，医生通常会采用呼吸门控的方式来解决该问题，即医生根据经验来判断当前病人的呼吸相位以及心跳相位是否与影像所反映的位置相符，以此来判定病人体内器官和组织的位置是否与影像所反映的位置相符。而在此过程中，在自动穿刺的情况下，医生必须一边控制穿刺执行器穿刺或者停止，一边要关注病人的呼吸和心跳以确定相应的相位状况，这对医生而言显然是一个相当大的负担。这样的操作十分依赖于医生的经验，在很多情况下，很容易导致穿刺偏差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种自动穿刺控制方法及系统，用以解决由于病人呼吸和心跳的因素所导致的穿刺时机难以把控的问题。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种自动穿刺控制方法，包括以下步骤：

设置监控呼吸相位和心脏相位的第一空间定位装置，所述第一空间定位装置设置于待穿刺对象上跟随呼吸和心跳而发生位置改变的部位；

采集所述待穿刺对象的影像数据，基于所述影像数据制定指导后续穿刺过程的穿刺路径；

当获取到穿刺执行指令后，按照一固定时间间隔执行穿刺指令循环，直至获取到穿刺取消指令或当前穿刺深度大于或等于计划穿刺深度后，停止执行所述穿刺指令循环；

其中，所述穿刺指令循环为在每一个所述固定时间间隔内，实时读取所述第一空间定位装置的位置信息，与所述影像数据上的所述第一空间定位装置的位置信息进行对比，若所述呼吸相位和所述心脏相位与所述影像数据一致，在当前所述固定时间间隔内执行穿刺操作，否则不允许执行所述穿刺操作。

进一步地，所述第一空间定位装置的位置信息具体包括X，Y，Z三个坐标轴和围绕X，Y，Z三个坐标轴的自旋角度变化六个位置参数；根据与所述呼吸相位相关的所述位置参数判断所述呼吸相位的变化，根据与所述心脏相位相关的所述位置参数判断所述心脏相位的变化。

进一步地，每一个所述固定时间间隔，具体为：

获取所述待穿刺对象的呼吸运动周期，判断所述呼吸运动周期中所述第一空间定位装置相对位移变化，依据所述相对位移对所述呼吸运动周期进行等分，等分后的每一段时间间隔为所述固定时间间隔；在所述固定时间间隔内，所述固定时间间隔的开始时间与结束时间之间的相对位移相对固定。

进一步地，在执行所述穿刺执行指令之前，还包括：

选定一与所述待穿刺对象保持相对固定的位置，设置第二空间定位装置，通过所述第二空间定位装置监控所述待穿刺对象的空间物理位置；

在执行穿刺操作的穿刺执行机构上绑定第三空间定位装置，通过所述第三空间定位装置，监控所述穿刺执行机构的位置，并根据所述穿刺执行机构与穿刺针的固定连接关系计算所述穿刺针的位置信息。

进一步地，基于所述影像数据制定的所述穿刺路径，具体为：

包括穿刺经皮点、穿刺目标点在内的基本位置信息，以及通过所述基本位置信息计算得到的包括穿刺深度参数、穿刺角度参数在内的基本参数信息。

进一步地，在执行穿刺指令之前，还包括：所述穿刺执行机构的预移动，具体为：

将所述穿刺执行机构固定于机械臂上，并将所述穿刺针安装于所述穿刺执行机构上；

基于所述穿刺路径，调整所述机械臂的姿态以及所述穿刺针的位置和角度，使得所述穿刺针的方向与所述穿刺路径重合，以及使得所述穿刺针的针尖停留于所述穿刺路径对应的穿刺经皮点附近。

进一步地，在所述穿刺指令循环执行的过程中，通过监控所述第三空间定位装置的位置信息推算所述穿刺针的所述当前穿刺深度，并与所述穿刺路径中的所述穿刺深度参数进行对比，若所述当前穿刺深度大于或等于所述穿刺深度参数中预设的穿刺深度后，停止所述穿刺操作，退出所述穿刺指令循环。

一种自动穿刺控制系统，包括：空间观测设备、空间定位装置、影像采集设备、导航软件、机械臂、穿刺执行机构和穿刺针；

所述空间观测设备，用于观测所述空间定位装置的位置信息，并将获取的所述空间定位装置的位置信息传送到所述导航软件上；

所述空间定位装置，至少包括设置于待穿刺对象上跟随呼吸和心跳而发生位置改变的部位的第一空间定位装置，所述第一空间定位装置用于监控呼吸相位和心脏相位；

所述影像采集设备，用于在执行穿刺执行指令之前采集所述待穿刺对象的影像数据，并将采集的所述影像数据传送到所述导航软件上；

所述导航软件，用于依据所述影像数据制定指导后续穿刺过程的穿刺路径，并在获取到穿刺执行指令后，按照一固定时间间隔执行穿刺指令循环，直至获取到穿刺取消指令或当前穿刺深度大于或等于计划穿刺深度后，停止执行所述穿刺指令循环；其中，所述穿刺指令循环为在每一个所述固定时间间隔内，实时读取所述第一空间定位装置的位置信息，与所述影像数据上的所述第一空间定位装置的位置信息进行对比，若所述呼吸相位和所述心脏相位与所述影像数据一致，在当前所述固定时间间隔内执行穿刺操作，否则不允许执行所述穿刺操作。

进一步地，所述空间定位装置，还包括：

第二空间定位装置，所述第二空间定位装置设置于一与所述待穿刺对象保持相对固定的位置，通过所述第二空间定位装置监控所述待穿刺对象的空间物理位置；

第三空间定位装置，所述第三空间定位装置与执行穿刺操作的穿刺执行机构上绑定，通过所述第三空间定位装置，监控所述穿刺执行机构的位置，并根据所述穿刺执行机构与穿刺针的固定连接关系计算所述穿刺针的位置信息。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如上述的方法被执行。

与现有技术相比，本发明包括以下有益效果是：

在本发明中，通过设定一个穿刺指令循环，在每一个循环内部自动将当前的呼吸相位和心脏相位与影像数据中的数据进行对比，只有当前影像数据中的相位一致时，才允许在当前循环的固定时间间隔内部执行穿刺操作，否则继续等待下一个循环，直到获取到穿刺取消指令或当前穿刺深度大于或等于计划穿刺深度后，停止穿刺指令循环的执行。解决了由于待穿刺对象呼吸以及心跳等因素的影响，通常存在穿刺靶点及应该避开的敏感器官与影像位置不符，并非每个时刻都适合进行穿刺，从而导致在手术中穿刺时机难以把握。在很多时候医生进行穿刺时，一边需要关注穿刺的角度和深度，一边又要关注病人自身的呼吸和心跳，这种一心多用的处置方式将影像导航精度，进而增加医生手术难度并增加病人风险。使用本发明的上述技术方案将能够避免上述技术问题的发生，不仅减少医生的手术难度，更能够提高手术精度，减少手术风险，从而保护患者。

附图说明

图1为本发明一种自动穿刺控制方法的整体流程图；

图2为本发明一种自动穿刺控制方法的具体操作流程图；

图3为本发明一种自动穿刺控制方法中穿刺执行判定示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

第一实施例

如图1所示，本实施例提供了一种自动穿刺控制方法，包括以下步骤：

S1：设置监控呼吸相位和心脏相位的第一空间定位装置，所述第一空间定位装置设置于待穿刺对象上跟随呼吸和心跳而发生位置改变的部位。

具体的，为了实现对呼吸相位和心脏相位的监控，在本发明的技术方案中，需要在待穿刺对象上，受呼吸和心跳影响空间相对位置改变比较大的部位，设置能够被空间观测设备实时读取到的第一空间定位装置。第一空间定位装置可以是粘贴于待穿刺对象上的一个红外贴片，也可以是一个光学的标记点等，在本发明中不对第一空间定位装置的具体形式和形状做任何限制，只需要设置的第一空间定位装置能够通过空间观测设备读取到包括X，Y，Z三个坐标轴和围绕X，Y，Z三个坐标轴的自旋角度变化六个位置参数即可。

通过第一空间定位装置判断呼吸相位和心脏相位，具体为：根据与所述呼吸相位相关的所述位置参数判断所述呼吸相位的变化，根据与所述心脏相位相关的所述位置参数判断所述心脏相位的变化。举个例子来说，在待穿刺对象平躺的状态下，将第一空间定位装置水平贴在腹部，以平躺的人体左侧向右侧的方向为X轴，胸部垂直于平躺人体的方向为Y轴，平躺人体脚向头的方向为Z轴，受呼吸的影响，Y和Z的坐标值以及围绕着Y轴方向的自旋角值的变化是最明显的，受到心跳的影响，围绕着X轴方向的自旋角值的变化最明显。判断第一定位装置六个位置参数的变化，即可以同时监控到呼吸相位和心脏相位的变化。

进一步地，由于步骤S1为本发明执行自动穿刺控制的准备阶段，除了在待穿刺对象上设置第一空间定位装置以外，还可以设置第二空间定位装置和第三空间定位装置，具体为：

第二空间定位装置：

选定一与所述待穿刺对象保持相对固定的位置，设置第二空间定位装置，设置空间定位装置的目的在于，一是可以通过空间观测设备观察第二空间定位装置的位置信息，从而监控待穿刺对象的空间物理位置，二是由于第二空间定位装置与待穿刺对象保持相对固定，后续可以以第二空间定位装置为参考物，将第一空间定位装置和第三空间定位装置的坐标信息通过转换矩阵从空间观测设备的坐标系转换到第二空间定位装置的坐标系中，解决在自动穿刺的过程中，空间观测设备本身有可能发生移动，导致多个空间定位装置的位置信息读取不准确的情况发生。

第三空间定位装置：

在执行穿刺操作的穿刺执行机构上绑定第三空间定位装置，通过所述第三空间定位装置，监控所述穿刺执行机构的位置，并由于穿刺针与穿刺执行机构刚性连接，后续根据所述穿刺执行机构与穿刺针的固定连接关系计算所述穿刺针的位置信息。

进一步的，在自动穿刺控制的准备阶段，为了配合空间定位装置的定位，以及为后续的穿刺路径的规划，自动穿刺的执行，还需要准备：空间观测设备、影像采集设备、导航软件、机械臂、穿刺执行机构和穿刺针。必须确保影像采集设备所采集的待穿刺对象的影像数据可以发送到导航软件，且穿刺过程中，穿刺针的位置和姿态信息都能够在空间观测设备捕获后实时传输到导航软件上。同时需要调整好空间观测设备的观测角度，以确保在整个穿刺手术执行的过程中，空间观测设备都可以获取到所有的空间定位装置的位置信息。

S2：采集所述待穿刺对象的影像数据，基于所述影像数据制定指导后续穿刺过程的穿刺路径。

具体的，在自动穿刺的准备工作做完之后，需要拍摄待穿刺对象的影像数据发送到导航软件所在的工作站上，在导航软件上，医生将会基于所拍摄的影像数据上呼吸相位和心跳相位制定与影像数据相对于的穿刺路径，用以指导后续的穿刺过程。通常而言穿刺路径将至少包括穿刺经皮点、穿刺目标点在内的基本位置信息，以及通过所述基本位置信息计算得到的包括穿刺深度参数、穿刺角度参数在内的基本参数信息。

进一步地，在穿刺路径规划完成后，还包括对穿刺执行机构预移动，具体为：将所述穿刺执行机构固定于机械臂上，并将所述穿刺针安装于所述穿刺执行机构上；导航软件将基于所述穿刺路径，调整所述机械臂的姿态以及所述穿刺针的位置和角度，使得所述穿刺针的方向与所述穿刺路径重合，以及使得所述穿刺针的针尖停留于所述穿刺路径对应的穿刺经皮点附近。

S3：当获取到穿刺执行指令后，按照一固定时间间隔执行穿刺指令循环，直至获取到穿刺取消指令或当前穿刺深度大于或等于计划穿刺深度后，停止执行所述穿刺指令循环；其中，所述穿刺指令循环为在每一个所述固定时间间隔内，实时读取所述第一空间定位装置的位置信息，与所述影像数据上的所述第一空间定位装置的位置信息进行对比，若所述呼吸相位和所述心脏相位与所述影像数据一致，在当前所述固定时间间隔内执行穿刺操作，否则不允许执行所述穿刺操作。

具体的，步骤S3为自动穿刺执行阶段，也即本发明最关键的一个步骤：

如图2所示，在自动穿刺阶段，医生通过点击导航软件上的穿刺或者停止按钮来发送穿刺执行指令或者穿刺取消指令，导航软件在接受到医生的穿刺执行指令后，还会根据呼吸相位和心脏相位是否在允许的范围内才会执行穿刺，具体描述如下：

在医生发出穿刺执行指令后，导航软件将开启一个判定是否允许穿刺执行机构进行穿刺的穿刺指令循环，即每隔一固定时间间隔，导航软件将会判断当前状况是否允许穿刺执行机构进行穿刺，如果在当前固定时间间隔内允许穿刺，那穿刺执行机构将会在当前固定时间间隔内执行穿刺操作，直到下一个固定时间间隔到来结束穿刺操作，如果在当前固定时间间隔内不允许穿刺，穿刺执行机构将停止工作直到下一段允许穿刺的时间段到来。

在医生发出穿刺取消指令后，穿刺执行机构的任何穿刺动作都将停止，同时导航软件的判定是否允许穿刺执行机构执行穿刺的穿刺指令循环将停止循环。

在判定是否允许穿刺执行机构进行穿刺的穿刺指令循环中，每次动作，导航软件将会通过空间观测设备读取第一空间定位装置的位置信息，与之前采集的待穿刺对象的影像数据上的第一空间定位装置的位置信息进行对比，以此来监控呼吸相位和心跳相位变化。如果呼吸相位和心跳相位与影像数据上相符，则允许穿刺执行机构进行穿刺，而只要呼吸和心跳的相位中有一项与影像数据不相符，那么将不允许穿刺执行机构进行穿刺。也即是，在一个穿刺指令循环中，如图3所示，需要同时满足具有穿刺执行指令、呼吸相位位置相同、心脏相位位置相同三个条件，才允许穿刺执行机构进行穿刺，否则需要等待下一个指令循环。

在判定是否允许穿刺执行机构进行穿刺的穿刺指令循环中，导航软件将一直监控穿刺执行机构所反馈的当前穿刺深度，并将之与穿刺路径中记录的穿刺深度参数加以比对，如果当前穿刺深度大于或等于计划中的穿刺深度参数，那么穿刺动作停止，并在判定是否允许穿刺执行机构进行穿刺的穿刺指令循环中退出。其中，判定当前穿刺深度的具体方法为：在穿刺指令循环执行的过程中，通过监控所述第三空间定位装置的位置信息推算所述穿刺针的所述当前穿刺深度。

进一步地，在本实施例中对穿刺指令循环中的固定时间间隔进行解释，具体为：获取所述待穿刺对象的呼吸运动周期，判断所述呼吸运动周期中所述第一空间定位装置相对位移变化，依据所述相对位移对所述呼吸运动周期进行等分，等分后的每一段时间间隔为所述固定时间间隔；在所述固定时间间隔内，所述固定时间间隔的开始时间与结束时间之间的相对位移相对固定。举个例子来说，相对心跳而言，其实呼吸运动中人体的相对位移是比较大的，所以优先满足呼吸相位的需求，在满足呼吸相位的基础上考虑心跳因素。以人体的呼吸频率15次/分计算，从平衡点到极点(假设以正弦波来模拟人体呼吸相关组织的位置变化，那么正弦波的波峰最高点和波谷最低点将被视为相关组织随呼吸运动可以达到的极点，波峰最高点和波谷最低点之间的中间位置则被视为呼吸运动的平衡点)的1/4周期实际时间约为1秒，但由于其中相对运动范围其实较大，取该过程的1/4作为一个判断循环间隔的经验值，即60秒/15/4/4＝0.25秒。该举例为结合呼吸和心跳计算的一个经验值，实际使用时，不一定一定是0.25秒，可以根据操作者的经验进行设定。

第二实施例

本实施例提供了一种自动穿刺控制系统，包括：空间观测设备、空间定位装置、影像采集设备、导航软件、机械臂、穿刺执行机构和穿刺针；

进一步地，所述空间定位装置，还包括：

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机代码，当计算机代码被执行时，如上述方法被执行。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种自动穿刺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的自动穿刺控制方法，其特征在于，还包括：

所述第一空间定位装置的位置信息具体包括X，Y，Z三个坐标轴和围绕X，Y，Z三个坐标轴的自旋角度变化六个位置参数；

根据与所述呼吸相位相关的所述位置参数判断所述呼吸相位的变化，根据与所述心脏相位相关的所述位置参数判断所述心脏相位的变化。

3.根据权利要求1所述的自动穿刺控制方法，其特征在于，每一个所述固定时间间隔，具体为：

获取所述待穿刺对象的呼吸运动周期，判断所述呼吸运动周期中所述第一空间定位装置相对位移变化，依据所述相对位移对所述呼吸运动周期进行等分，等分后的每一段时间间隔为所述固定时间间隔；

在所述固定时间间隔内，所述固定时间间隔的开始时间与结束时间之间的相对位移相对固定。

4.根据权利要求1所述的自动穿刺控制方法，其特征在于，在执行所述穿刺执行指令之前，还包括：

5.根据权利要求4所述的自动穿刺控制方法，其特征在于，基于所述影像数据制定的所述穿刺路径，具体为：

6.根据权利要求4所述的自动穿刺控制方法，其特征在于，在执行穿刺指令之前，还包括：所述穿刺执行机构的预移动，具体为：

7.根据权利要求5所述的自动穿刺控制方法，其特征在于，还包括：

在所述穿刺指令循环执行的过程中，通过监控所述第三空间定位装置的位置信息推算所述穿刺针的所述当前穿刺深度，并与所述穿刺路径中的所述穿刺深度参数进行对比，若所述当前穿刺深度大于或等于所述穿刺深度参数中预设的穿刺深度后，停止所述穿刺操作，退出所述穿刺指令循环。

8.一种自动穿刺控制系统，其特征在于，包括：空间观测设备、空间定位装置、影像采集设备、导航软件、机械臂、穿刺执行机构和穿刺针；

9.根据权利要求8所述的自动穿刺控制系统，其特征在于，所述空间定位装置，还包括：

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如权利要求1至7中任一项所述的方法被执行。