CN115778545B - 一种消融定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消融定位方法及系统，包括在人体布置三个标点；建立人体的三维模型；通过深度相机获取人体的深度图像；根据深度图像确定三个标点与深度相机的第一相对位置；深度相机第二相对位置处包括第一消融针；确定消融针初始位置与所述三个标点的第三相对位置；根据三维模型中三个标点坐标以及第三相对位置在三维模型中绘制虚拟消融针；确定第一消融针相对初始位置的第四相对位置；根据第三相对位置以及第四相对位置确定第一消融针与三个标点的第五相对位置；根据所述第五相对位置更新虚拟消融针在所述三维模型中的图像。通过上述方案解决了在进行消融手术时难以定位消融病灶的技术问题。

Description

一种消融定位方法及系统

技术领域

本发明涉及医学数据处理领域，具体而言涉及一种消融定位方法及系统。

背景技术

消融是指通过物理或化学手段使肿瘤组织失活，利用射频消融技术治疗恶性肿瘤时通常是将不同形状的消融电极针插入到患者恶性肿瘤组织中，利用射频发生仪产生的交变电流使得组织内导电离子和极化分子沿射频电流方向做高速运动产生焦耳热，热能随时间增加逐渐向外传导给肿瘤细胞，利用肿瘤细胞对高温的承受能力较差的特点，完成对肿瘤细胞的原位灭活。

由于CT等三维图像实时性较差，并且具有辐射，因此目前消融手术的主要流程是在手术前通过医学影像设备对患者进行二维或三维扫描，通过获得的扫描图像对患者体内的恶性肿瘤进行精准定位，确定消融针要插入的位置。

在手术过程中，由医生控制消融针的插入位置，通过超声设备实时获取病灶位置的图像，通过超声图像定位消融针与病灶的相对位置，以免消融针插入错误的位置。

然而，根据超声图像的原理，其只能提供二维图像，只使用超声图像的只能判断消融针在水平方面是否准确，在垂直方向则无能为力，因此可能出现消融针刺入位置过高或过低的问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种消融定位方法及系统。

在本发明的一个方面，提供一种消融定位方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：在人体布置三个标点；术前建立所述人体的三维模型，所述三维模型至少包括所述三个标点以及病灶，在显示器中显示所述三维模型；术中通过深度相机实时获取包括所述人体的深度图像，所述深度图像至少包括所述三个标点；根据所述深度图像确定所述三个标点与所述深度相机的第一相对位置；所述深度相机第二相对位置处包括第一消融针，所述第一消融针第一位置包括第一加速度传感器，所述第一消融针第二位置包括第二加速度传感器；根据所述第一相对位置、所述第二相对位置确定所述消融针初始位置与所述三个标点相对的第三相对位置；根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针；医生操作所述第一消融针，所述第一加速度传感器及所述第二加速度传感器实时获得第一加速度数据及第二加速度数据，根据所述第一加速度数据及第二加速度数据确定所述第一消融针相对初始位置的第四相对位置；根据所述第三相对位置以及所述第四相对位置，确定所述第一消融针与三个标点的第五相对位置；根据所述第五相对位置更新所述虚拟消融针在所述三维模型中的图像；根据所述虚拟消融针及病灶在所述三维模型中的图像定位所述第一消融针与病灶的相对位置。

进一步地，所述三个标点呈三角排列。

进一步地，将所述三个标点坐标与所述深度相机坐标均转换至同一世界坐标系中。

进一步地，所述相对位置通过矢量表示。

进一步地，所述根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针之前将所述三维模型的坐标系与所述深度相机的坐标系进行尺度的统一。

本发明另一方面还提供一种消融定位系统，其特征在于所述系统包括如下模块：建模模块，用于在人体布置三个标点，术前建立所述人体的三维模型，所述三维模型至少包括所述三个标点以及病灶，在显示器中显示所述三维模型；摄像模块，用于术中通过深度相机实时获取包括所述人体的深度图像，所述深度图像至少包括所述三个标点；第一确定模块，用于根据所述深度图像确定所述三个标点与所述深度相机的第一相对位置；所述深度相机第二相对位置处包括第一消融针，所述第一消融针第一位置包括第一加速度传感器，所述第一消融针第二位置包括第二加速度传感器；第二确定模块，用于根据所述第一相对位置、所述第二相对位置确定所述消融针初始位置与所述三个标点相对的第三相对位置；第三确定模块，用于根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针；第四确定模块，用于医生操作所述第一消融针，所述第一加速度传感器及所述第二加速度传感器实时获得第一加速度数据及第二加速度数据，根据所述第一加速度数据及第二加速度数据确定所述第一消融针相对初始位置的第四相对位置；第五确定模块，用于根据所述第三相对位置以及所述第四相对位置，确定所述第一消融针与三个标点的第五相对位置；更新模块，用于根据所述第五相对位置更新所述虚拟消融针在所述三维模型中的图像；第六确定模块，用于根据所述虚拟消融针及病灶在所述三维模型中的图像定位所述第一消融针与病灶的相对位置。

本发明通过上述技术方案，将消融针相对人体的位置实时映射至三维模型中，通过三维模型定位消融针与病灶的相对位置，避免消融针刺入错误的位置，提高了消融手术的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 本发明方法流程图；

图2 人体标签示意图；

图3 人体三维模型示意图；

图4 第一相对位置示意图；

图5 第二相对位置示意图；

图6 第三相对位置示意图；

图7 人体三维模型图中虚拟消融针初始位置示意图；

图8 第四相对位置，第五相对位置示意图；

图9人体三维模型图中虚拟消融针移动示意图。

附图标记说明：

1 人体，1^，虚拟人体；

21、22、23 标点，21^，、22^，、23^， 虚拟标点；

3 深度摄像机；

41、42、43 第一相对位置；

5 消融针，5^， 虚拟消融针；

61、62 第二相对位置；

71、72 第三相对位置，71^，、72^， 虚拟第三相对位置；

81、82 第四相对位置；

91、92 第五相对位置，91^，、92^， 虚拟第五相对位置。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出优选的描述。

本实施例通过如下步骤解决上述问题:

在一个实施例中，参考图1，本发明提供一种消融定位方法，包括如下步骤：

在人体布置三个标点，所述三个标点呈三角排列。

标点是为了方便后面的建模定位，如图2所示，标点可以使用PE等材料贴于人体1表面。为了方便后续的建模设备进行扫描，三个标点21，22，23，最好贴于患者的同一侧，如胸腔表面、背面等位置。进一步地，所述三个标点位于病灶附近，如病灶为甲状腺时，将三个标点贴于颈部，当病灶为肝肿瘤时，将所述三个标点贴于胸腔。由于需要进行空间定位，三个标点应当避免贴成一条直线，较佳的方案是三个标点之间基本成等边三角形，并且为了定位的准确性，等边三角形大于一定的距离，如对于胸腔手术，距离应该大于10CM。

术前建立所述人体的三维模型，所述三维模型至少包括所述三个标点以及病灶，在显示器中显示所述三维模型。

本发明所述术前是指在实施消融手术之前；对手术目标位置进行三维建模可以使用现有技术中的任意方法，如CT扫描三维重建、MRI三维重建等，通过现有的医疗设备及三维建模软件得到相应的三维数字图像，具体的建模方案本发明不做限定，只要能够得到包括了标点及病灶的三维数字模型即可，以供后续的步骤使用。如图3所示，为三维模型中人体1，以及三个标点21^，，22^，，23^，、病灶10，。

本发明约定，在本发明中所有附图标记中不带上标的为现实世界中的对象，如人体1，所有带上标的均为三维模型中的虚拟对象，如虚拟人体1^，，后续全部附图标记均按此规则处理。

由于在患者身体表面布置了标点，因此通过CT等扫描能够得到相应的标点位置，通过人工或自动化的方式对标点位置进行标注，可以得到标点在三维图像中的位置坐标。三维模型是为了进行病灶位置确定的，因此三维模型至少还应该包括病灶，从三维模型中应该能够显示出病灶的位置、形状、大小等。对于人体的其它组织，如果手术目标是血管丰富的器官，如肝脏等，则可将血管显示于三维模型中，以避免在手术时破坏血管。

术中通过深度相机实时获取所述人体的深度图像，所述深度图像至少包括所述三个标点。

本发明所述术中是指进行消融手术的过程中；深度相机又称之为3D相机，与普通的相机相比，深度相机可检测出拍摄空间的景深距离；目前深度相机技术已比较成熟，本发明可使用现有技术中的任意深度相机，如Kinect。通过深度相机对准需要进行手术的位置进行拍摄，由于已在人体表面贴有标点，通过深度相机即可获取标点的位置属性，对尝试图像进行数字化处理可以获得标点的坐标等。

根据所述深度图像确定所述三个标点与所述深度相机的第一相对位置。

如图4所示，由于已在人体表面贴有标点21，22，23，由于深度相机3可以获取拍摄物的距离置，并通过软件将照片中的距离值转化为坐标，因此当深度图像中包括了已在人体表面贴好的标点时，即可通过得到的深度图像确定深度相机与三个标点的相对位置41，42，43。

本发明中相对位置是指一个对象相对另一个对象的位置，相对位置包括距离及方向，如图4中所示，摄像机3在病灶21的右上方，摄像机3与病灶21之间的距离以及摄像机3与病灶21连续形成的方向共同构成了摄像机3与病灶21的相对位置。本发明后续的实例方式中使用了矢量来表示相对位置，矢量为带有方向和大小的量，但也可以使用其它任意试进行表示，如坐标序列等，只要能够表达两个对象之间的距离与方向即可。

进一步地，为了方便统一计算，将所述三个标点与所述深度相机均转换至同一世界坐标系中，三个标点各自的坐标点与深度相机的坐标点的组合即可表示出三个标点与所述深度相机的第一相对位置。

进一步地，所述第一相对位置通过矢量（方向与长度）表示，由于三个标点有三个点，因此第一相对位置包括三个由标点分别指向深度相机的三个矢量，即图4中的41，42，43。

所述深度相机第二相对位置处包括第一消融针，所述第一消融针第一位置包括第一加速度传感器，所述第一消融针第二位置包括第二加速度传感器。

在医生操作消融针前，第一消融针可放置于一个固定的初始位置，因此第一消融针与深度相机之间的相对位置是确定的。在将深度相机转换至世界坐标系后，深度相机与消融针的相对位置是确定的，因此可以得到第一消融针在世界坐标系中的坐标。

进一步地，为了得到消融针5的姿态，需要在消融针上设置加速度传感器。由于消融针为长条形，因此需要至少两个点确定消融针的角度方位，因此在所述第一消融针第一位置包括第一加速度传感器，所述第一消融针第二位置包括第二加速度传感器。当消融针被移动时，通过初始位置加个加速度传感器的累加位置，即可确定每一个加速度传感器的实时坐标，通过两个加速度传感器的实时坐标即可计算出整个消融针的空间坐标。

优选地，在消融针针柄的两头各设置一个加速度传感器，通过针柄的两个加速度传感器可以实时获取针柄两头的位置变化，结合固定长度的消融针，即可知道整个消融针的位置变化。

需要说明的是由于消融针为有长度的杆形物，深度相机与消融针上的每一个点的相对位置均不同，本申请所述的第二相对位置是一个集合的概念，可以包括深度相机与消融针上一个或多个点的相对位置。

进一步地，所述第二相对位置通过矢量表示，由于消融针为杆状物，为了得到消融针的位置至少需要两个坐标点，因此第二相对位置至少包括两个矢量，并且两个矢量由深度相机指向消融针上两个不同位置，如图5所示，61，62为消融针5与相机3的矢量。

优先地，所述第二相对位置包括两个矢量，所述两个矢量由所述深度相机分别指向所述第一位置和所述第二位置得到。

消融手术中可以会同时使用多个消融针，本发明这里的第一消融针可以是多个消融中的一个；本发明实施例中仅针对一个消融针进行描述，很显然地，其它消融针都可以与第一消融针类似的进行定位。

根据所述第一相对位置、所述第二相对位置确定所述消融针初始位置与所述三个标点相对的第三相对位置。

通过前述步骤已经确定了三个点与深度相机的相对位置，以及深度相机与消融针的相对位置，通过空间直线的矢量计算即可以。示例性地，如图6所示，将第一个标点指向深度相机的第一矢量与由深度相机指向消融针上第一个位置的第二矢量相加即可得到第一个标点指向消融针上第一个位置的矢量；如图6中所示，将矢量41与62相加可以得到矢量72，将矢量41与61相加可得到矢量71，71与72即为第三相对位置中的矢量；类似地，可以通过矢量加法得到所有标点与消融针上各位置的矢量，也就是第三相对位置。

根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针；

为了方便计算，先将所述三维模型的坐标系与所述深度相机的坐标系进行尺度的统一，进行尺度统一之后，坐标标量的意义相同，坐标之间的相对关系可以通过矢量直接求得。坐标系统一可采用统一坐标系转换，如均转换成原点相同的世界坐标系，或通坐标大小的缩放得到。由于三维模型中三个标点坐标已确定，通过第三相对位置，可以确定出三维模型中消融针与三个标点坐标之间的距离以及方向关系。从而求得消融针在三维模型中的若干坐标，由于消融针为一线段，从而可以在三维模型中绘制出消融针的初始位置。如图7所示，1，为人体1三维模型中对应的人体，类似的，所有带上标的均为三维模型中对应的意义。通过矢量71^，，72^，即可求出在三维模型中虚拟消融针5，相对人体的位置，从而可以在三维模型中绘制出虚拟消融针5，模型。

医生操作所述第一消融针，所述第一加速度传感器及所述第二加速度传感器实时获得第一加速度数据及第二加速度数据，根据所述第一加速度数据及第二加速度数据确定所述第一消融针相对初始位置的第四相对位置；

在手术中，从医生拿起消融针开始，根据加速度传感器的原理，两个加速度传感器进行累加方位计算，通过第一加速度数据及第二加速度数据可以实时计算出第一位置、第二位置相对原始位置的变化量，得到第四相对位置，如图7所示，消融针移动后，矢量81、82指示了消融针5的移动状态。

根据所述第三相对位置以及所述第四相对位置，确定所述第一消融针与三个标点的第五相对位置；

如图7所示，第三相对位置（矢量71、72）是标点相对于消融针初始位置的，而第四相对位置是消融针当前位置相对于消融针初始位置的，通过图7可以看出第五相对位置，即标点相对于消融针当前的位置可以通过矢量相当求得，以图7为示例，第五相对位置（矢量91、92）可分别通过矢量72、82相加、矢量71、81相加得到。

根据所述第五相对位置更新所述虚拟消融针在所述三维模型中的图像；

与绘制初始模型类似的，第五相对位置是现实世界中三个标点与所述消融针之间的矢量；对于三维模型，由于将三维模型的坐标尺度与现实尺度进行了统一，如图8所示，将现实中的第五相对位置更新至三维模型中，即得到了三维模型中标点21，与三维模型中消融针5，的相对位置（矢量91^，、92^，），很显然，由于标点的位置固定，矢量91^，、92^，在前述步骤中已求得，因此消融针5，的坐标就确定了，可以通过消融针5，的坐标绘制出消融针5^，在三维模型中的图像。

根据所述虚拟消融针及病灶在所述三维模型中的图像定位所述第一消融针与病灶的相对位置。

如图9所示，由于在显示中显示出了实时的消融针位置以及病灶的位置，医生在进行手术操作时可以直观地看到消融针与病灶之间的相对位置，通过三维模型中的图像定位所述消融针与所述病灶的相对位置来指导医生的手术操作，避免通过B超无法确定消融深度的问题。

通过上述步骤，将消融针相对人体的位置实时映射至三维模型中，通过三维模型定位消融针与病灶的相对位置，避免消融针刺入错误的位置，提高了消融手术的成功率。

在另一种实施中，本发明还提供一种消融定位系统，包括如下模块：

建模模块，用于在人体布置三个标点，术前建立所述人体的三维模型，所述三维模型至少包括所述三个标点以及病灶，在显示器中显示所述三维模型；

摄像模块，用于术中通过深度相机实时获取包括所述人体的深度图像，所述深度图像至少包括所述三个标点；

第一确定模块，用于根据所述深度图像确定所述三个标点与所述深度相机的第一相对位置；所述深度相机第二相对位置处包括第一消融针，所述第一消融针第一位置包括第一加速度传感器，所述第一消融针第二位置包括第二加速度传感器；

第二确定模块，用于根据所述第一相对位置、所述第二相对位置确定所述消融针初始位置与所述三个标点相对的第三相对位置；

第三确定模块，用于根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针；

第四确定模块，用于医生操作所述第一消融针，所述第一加速度传感器及所述第二加速度传感器实时获得第一加速度数据及第二加速度数据，根据所述第一加速度数据及第二加速度数据确定所述第一消融针相对初始位置的第四相对位置；

第五确定模块，用于根据所述第三相对位置以及所述第四相对位置，确定所述第一消融针与三个标点的第五相对位置；

更新模块，用于根据所述第五相对位置更新所述虚拟消融针在所述三维模型中的图像；

第六确定模块，用于根据所述虚拟消融针及病灶在所述三维模型中的图像定位所述第一消融针与病灶的相对位置。

需要说明的是上述消融定位系统的详细实现原理以及进一步的改进措施都与前述的消融定位方法相同，本实施例中不再进行详细描述，本领域技术人员可以根据现有技术消融定位方法在消融定位系统中进行具体实现。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分以及具体实施例部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。

Claims (5)

1.一种消融定位系统，其特征在于所述系统包括如下模块：

建模模块，用于在人体布置三个标点，术前建立所述人体的三维模型，所述三维模型至少包括所述三个标点以及病灶，在显示器中显示所述三维模型；

摄像模块，用于术中通过深度相机实时获取包括所述人体的深度图像，所述深度图像至少包括所述三个标点；

第一确定模块，用于根据所述深度图像确定所述三个标点与所述深度相机的第一相对位置；

将所述三个标点与所述深度相机均转换至同一世界坐标系中，三个标点各自的坐标点与深度相机的坐标点的形成的矢量为所述三个标点与所述深度相机的第一相对位置；

在医生操作消融针前，第一消融针放置于一个固定的初始位置，第一消融针与深度相机之间的相对位置是确定的；

所述深度相机第二相对位置处包括第一消融针，所述第一消融针第一位置包括第一加速度传感器，所述第一消融针第二位置包括第二加速度传感器；

所述第二相对位置包括两个矢量，所述两个矢量由所述深度相机分别指向所述第一位置和所述第二位置得到；

第二确定模块，用于根据所述第一相对位置、所述第二相对位置确定所述消融针初始位置与所述三个标点相对的第三相对位置；

所述第三相对位置由所述第一相对位置矢量与所述第二相对位置矢量相加得到；

第三确定模块，用于根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针；

第四确定模块，用于医生操作所述第一消融针，所述第一加速度传感器及所述第二加速度传感器实时获得第一加速度数据及第二加速度数据，根据所述第一加速度数据及第二加速度数据确定所述第一消融针相对初始位置的第四相对位置；

通过所述第一加速度数据及所述第二加速度数据实时计算出第一位置、第二位置相对原始位置的变化量，得到所述第四相对位置；

第五确定模块，用于根据所述第三相对位置以及所述第四相对位置，确定所述第一消融针与三个标点的第五相对位置；

所述第三相对位置以及所述第四相对位置矢量相加得到所述第五相对位置；

更新模块，用于根据所述第五相对位置更新所述虚拟消融针在所述三维模型中的图像；

第六确定模块，用于根据所述虚拟消融针及病灶在所述三维模型中的图像定位所述第一消融针与病灶的相对位置。

2.如权利要求1所述的一种消融定位系统，其特征在于：所述三个标点呈三角排列。

3.如权利要求1所述的一种消融定位系统，其特征在于：将所述三个标点坐标与所述深度相机坐标均转换至同一世界坐标系中。

4.如权利要求1所述的一种消融定位系统，其特征在于：所述相对位置通过矢量表示。

5.如权利要求1所述的一种消融定位系统，其特征在于：所述根据所述三维模型中三个标点坐标以及所述第三相对位置在所述三维模型中绘制虚拟消融针之前将所述三维模型的坐标系与所述深度相机的坐标系进行尺度的统一。