CN116549800A - 一种椎管内麻醉实时三维模拟图像导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，包括以下流程：利用UWB定位标签采集患者背部的时序点位数据；通过多个UWB定位基站对采集的时序点位数据进行三角定位分析，形成对应的时序坐标数据；利用Three.js 3D图像引擎创建医用模型场景，并根据UWB测得的时序坐标数据，在场景中创建对应数量的粒子模型；通过实时刷新粒子坐标，形成实时更新的动态三维模拟图像，并显示在屏幕上。本发明通过双屏幕实时显示背部脊椎平面的三维动态图像，可实时显示穿刺针与背部脊柱中线位置及进针方向与背部曲面形成的进针角度，使椎管内麻醉定位更加准确，减少盲探，避免反复椎管内麻醉穿刺，大幅提高成功率。
Description
技术领域
本发明涉及临床麻醉技术领域，特别涉及一种椎管内麻醉实时三维模拟图像导航系统及方法。
背景技术
椎管内麻醉是临床工作中常用的麻醉技术，在下腹部和下肢手术中应用较为广泛。传统的椎管内麻醉为盲探性穿刺技术，依靠麻醉医师的经验通过体表标记来确定穿刺点，由于操作时无菌区较小，受到视野遮挡和患者体位影响，难以一次成功，出现多次穿刺、长时间穿刺现象，尤其在肥胖患者、孕妇及脊柱解剖异常患者实施麻醉时，体表标志常常不明确，穿刺针进针方向和位置容易出现偏差，导致反复穿刺或穿刺失败。
目前已有超声影像技术辅助穿刺的应用，但该技术实施过程中对无菌操作要求较高，且超声属于平面成像技术，无法准确判断三维的进针方向和角度，对穿刺针和患者背部平面关系的掌握不够客观，稍有不慎就容易污染无菌区，直接影响麻醉成功率以及导致操作反复。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，包括以下流程：
S1-数据采集：
将多个UWB定位标签排布在患者后背，利用UWB定位标签采集患者背部平面上脊柱棘突表面及其周围代表性体表标记的时序点位数据；
S2-定位分析：
通过多个UWB定位基站对采集的时序点位数据进行三角定位分析，确定所有UWB定位标签的位置，形成对应的时序坐标数据；
S3-图像创建：
利用Three.js 3D图像引擎创建医用模型场景，并根据UWB测得的时序坐标数据，在场景中创建对应数量的粒子模型；
将粒子模型生成线框效果，相邻的两个UWB定位标签位置分析连线后，形成模拟平面关系；
在穿刺针的尾端连接两个单独序列的UWB定位标签，两个UWB定位标签的连线与穿刺针在同一直线，作为时序坐标创建粒子模型的同时投入Three.js3D图像引擎创建的医用模型场景，生成直线效果，用于实时展示穿刺针所在直线与三维模拟图像的位置关系；
S4-实时展示：
通过实时刷新粒子坐标，形成实时更新的动态三维模拟图像，并显示在屏幕上。
进一步的，在流程S1中，多个UWB定位标签的排布方式如下：沿患者背部肩胛下角线到骶骨之间的棘突上间隔粘贴多个UWB定位标签，两侧的肩胛下角各粘贴一UWB定位标签，骶骨三角区粘贴三个UWB定位标签。
进一步的，在流程S2中，多个UWB定位基站围绕手术床的四周设置，其中一个作为锚节点，其余的作为桥节点，从而与多个UWB定位标签进行通讯。
进一步的，在流程S3中，两个第二UWB定位标签的直线间隔距离为5-10cm。
进一步的，在流程S4中，三维模拟图像包括脊柱背部平面的冠状面、矢状面以及45°角图像，可自由切换，并包含图像360°旋转功能，分别同时显示在两个屏幕上。
本发明的有益效果是：
本发明通过双屏幕实时显示椎管的三维动态图像，可指引穿刺针的进针方向，并实时显示穿刺针与背部脊柱中线位置及进针方向与背部曲面形成的进针角度，使椎管内麻醉定位更加准确，减少盲探，避免反复椎管内麻醉穿刺，大幅提高成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中UWB定位标签的排布位置示意图；
图2为本发明中UWB定位基站的排布位置示意图；
图3为本发明中穿刺针与UWB定位标签的连接示意图；
图4为本发明中粒子模型的点阵示意图；
图5为本发明中粒子模型的平面连线示意图；
图6为本发明中粒子模型的三维成像示意图；
图7为本发明中粒子模型在双屏幕中的显示状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中介媒体相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例的椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，包括以下实施流程：
S1-数据采集：
将多个UWB定位标签排布在患者后背，利用UWB定位标签采集患者背部平面上脊柱棘突表面及其周围代表性体表标记的时序点位数据。
UWB定位标签1的布置方式如下：如图1所示，首先让患者采取侧卧位，背部与手术台的边缘平齐，两手抱膝，脊椎尽量弯曲，使腰椎棘突间隙加宽；操作医师使用医用贴片或吸盘将多个UWB定位标签1粘贴在患者背部，排布方式如下：沿患者背部肩胛下角线到骶骨之间的棘突上间隔粘贴多个UWB定位标签1，用于定位并显示脊柱走行和曲率，以及穿刺针的轴向进针角度；两侧的肩胛下角各粘贴一UWB定位标签1，骶骨三角区粘贴三个UWB定位标签1，用于定位并显示穿刺针的平面进针角度；背部UWB定位标签1越多，形成平面的精确度越高。
S2-定位分析：
通过多个UWB定位基站对采集的时序点位数据进行三角定位分析，确定所有UWB定位标签的位置，形成对应的时序坐标数据。
如图2所示，多个UWB定位基站2围绕手术床的四周设置，其中一个作为锚节点，其余的作为桥节点，从而与多个UWB定位标签1进行通讯。
UWB定位基站2与UWB定位标签1之间的通讯方式可采用本领域常用的三角定位算法，包括但不仅限于TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)和RSSI(Received Signal Strength Indicator)等，下面以TOA算法为例来说明UWB定位标签1的时序点位数据的获取方法。
首先，每个锚节点和桥节点的位置(坐标)和当前时间都是已知的，当UWB定位标签1发送一个信号时，每个锚节点和桥节点(UWB定位基站2)都会接收到该信号，并记录下接收信号的时间戳。通过比较标签发射信号的时间戳和每个UWB定位基站2接收信号的时间戳，可以计算出UWB定位标签1与每个UWB定位基站2之间的距离，该距离就是信号在空中传播了一定时间后所覆盖的距离。
根据三角形定位原理，如果已知任意三点之间的距离，则可以计算出这三个点的坐标。因此，在已知至少三个UWB定位标签1与UWB定位基站2之间的距离后，就可以使用三角定位算法计算出每个UWB定位标签1在每个时刻所处的空间位置。
S3-图像创建：
利用Three.js 3D图像引擎创建医用模型场景，并根据UWB测得的时序坐标数据，在场景中创建对应数量的粒子模型(如图4所示)。
将粒子模型生成线框效果，相邻的两个UWB定位标签位置分析连线后，形成模拟平面关系(如图5所示)；由于患者采取蜷曲侧卧姿势，从空间角度来看，该平面实际为三维立体图像(如图6所示)。
S4-实时展示：
通过实时刷新粒子坐标，形成实时更新的动态三维模拟图像，并显示在屏幕4上。
如图3所示，在穿刺针3的尾端间隔连接两个单独序列的UWB定位标签1’，两个UWB定位标签1’的连线与穿刺针在同一直线，且两个第二UWB定位标签1’的直线间隔距离为5-10cm。
通过对UWB定位标签1’发送和接收的信号进行处理，可以确定两个UWB定位标签1’之间的距离和方向信息。基于已经确定的时序坐标数据，创建相应数量的粒子模型，并将它们投入到Three.js 3D图像引擎所创建的医用模型场景中，并展示穿刺针3所在直线与三维模拟图像的位置关系。
其中，UWB定位标签1(1’)和UWB定位基站2均采用本领域的现有技术手段，如喜讯科技(XEXUN)公司生产的U04型UWB高精度定位标签和U20型UWB高精度定位基站，或者英国Ubisense公司生产的DIMENSION4迷你标签和U2000系列定位基站。
如图7所示，在穿刺过程中，穿刺针3的粒子模型(为一条直线)在棘突处的粒子模型中运动；由于穿刺过程中穿刺针3是不断运动的，且患者的体位也有可能发生变化，因此通过UWB定位基站2实时刷新粒子坐标，形成新的连接关系，进而形成动态的三维模拟图像，该三维模拟图像包括椎管的冠状面、矢状面、45°角图像和其他多角度图像，分别显示在两个屏幕4上，并可根据实际情况自由切换图像，并包含图像360°旋转功能。
操作医师在进行穿刺时，可实时观察屏幕4上三维模拟图像的变化状态，从而精确控制穿刺针3的进针位置和角度，以此实现穿刺过程中的可视导航，使椎管内麻醉更易于实施且更加安全，提高了对椎管内麻醉患者，尤其是肥胖患者、孕妇及解剖异常患者实施麻醉时的成功率，避免反复穿刺、长时间穿刺，减轻了患者的痛苦。
需要说明的是，UWB定位标签1(1’)、UWB定位基站2、屏幕4以及计算机之间的连接方式均为本领域的常规技术手段，本发明并不是对上述装置及通讯方式的改进，例如UWB定位标签1(1’)与UWB定位基站2之间可通过RFID方式进行通讯，UWB定位基站2与计算机之间可通过WIFI或者以太网进行通讯，计算机与屏幕4之间可采用VGA、HDMI等有线方式进行通讯。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，包括以下流程：
S1-数据采集：
将多个UWB定位标签排布在患者后背，利用UWB定位标签采集患者背部平面上脊柱棘突表面及其周围代表性体表标记的时序点位数据；
S2-定位分析：
通过多个UWB定位基站对采集的时序点位数据进行三角定位分析，确定所有UWB定位标签的位置，形成对应的时序坐标数据；
S3-图像创建：
利用Three.js 3D图像引擎创建医用模型场景，并根据UWB测得的时序坐标数据，在场景中创建对应数量的粒子模型；
将粒子模型生成线框效果，相邻的两个UWB定位标签位置分析连线后，形成模拟平面关系；
在穿刺针的尾端连接两个单独序列的UWB定位标签，两个UWB定位标签的连线与穿刺针在同一直线，作为时序坐标创建粒子模型的同时投入Three.js3D图像引擎创建的医用模型场景，生成直线效果，用于实时展示穿刺针所在直线与三维模拟图像的位置关系；
S4-实时展示：
通过实时刷新粒子坐标，形成实时更新的动态三维模拟图像，并显示在屏幕上。
2.根据权利要求1所述的椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，其特征在于：在流程S1中，多个UWB定位标签的排布方式如下：沿患者背部肩胛下角线到骶骨之间的棘突上间隔粘贴多个UWB定位标签，两侧的肩胛下角各粘贴一UWB定位标签，骶骨三角区粘贴三个UWB定位标签。
3.根据权利要求1所述的椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，其特征在于：在流程S2中，多个UWB定位基站围绕手术床的四周设置，其中一个作为锚节点，其余的作为桥节点，从而与多个UWB定位标签进行通讯。
4.根据权利要求1所述的椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，其特征在于：在流程S3中，两个第二UWB定位标签的直线间隔距离为5-10cm。
5.根据权利要求1所述的椎管内麻醉实时三维模拟图像导航方法，其特征在于：在流程S4中，三维模拟图像包括脊柱背部平面的冠状面、矢状面以及45°角图像，可自由切换，并包含图像360°旋转功能，分别同时显示在两个屏幕上。
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