CN116983057A - 一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，包括穿刺针、体表标记器、穿刺瞄准器、B超探头、定位测距仪和数据处理与显示器，体表标记器包括体表定位芯片，用于贴于穿刺目标，穿刺瞄准器内部设置有瞄准定位芯片，用于供穿刺针穿过并限制穿刺针的穿刺点和穿刺方向，B超探头内部设置有探头定位芯片，定位测距仪用于探测体表定位芯片、瞄准定位芯片和探头定位芯片的位置数据，并发送至数据处理与显示器，数据处理与显示器用于对B超探头扫描后的穿刺目标区域进行三维重建，并对三维重建后的虚拟穿刺目标模型构建三维坐标系。本发明可以实现对穿刺全过程的指引与监控，让穿刺技术更易于掌握，有效提升穿刺便捷性与安全性。

Description

一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统。

背景技术

穿刺技术是临床中一项重要且基础的技术。医生通过手持穿刺针，在触摸、B超或CT引导等操作指引下，将穿刺针刺入穿刺目标。临床中，穿刺的主要目的主要有以下方面：1.通过向体内病灶穿刺，置入引流管，实现病灶引流；2.通过向体内病灶穿刺，经穿刺通道使用组织活检针进行病灶组织取样活检；3.通过向穿刺目标脉管穿刺，置入导管或导丝，实现血管介入手术；4.通过向穿刺目标腔隙穿刺，置入引流管，实现胸腔、腹腔、脑室等部位的体液引流与药物注入；5.通过向穿刺目标穿刺，进行设备植入。

现有的穿刺设备通常依赖实时的影像显示来保障穿刺过程的安全。例如最常见的B超/CT引导穿刺。以B超引导下穿刺过程为例，为了保障穿刺的安全，需要在将穿刺针刺入穿刺目标组织的同时在B超图像上实时显示针尖的位置，从而判断穿刺针针尖在组织中的位置。但B超图像为组织的截面，是一个平面。将一条直线始终保持在一个特定的平面内，在人手的操作下是一种较难的技术。临床上发明了各种穿刺技巧来帮助操作者辅助判断针尖位置：例如最常用的平面内穿刺(In Plane）与平面外（Out Plane）穿刺技术，以及各种B超穿刺引导架。以此来设法保障穿刺针角度的平直，可控，从而尽可能的让穿刺者更容易掌握如何使用B超观察穿刺针针尖的位置。然而，尽管有了这些方法、装置的辅助，要熟练掌握B超引导穿刺技术进行安全穿刺，依然需要经过大量的训练。《婴幼儿B 超引导下PICC 置管术学习曲线分析》一文研究显示“婴幼儿B 超引导下PICC（经外周静脉穿刺中心静脉置管）置管术需完成约35 例操作方能度过学习曲线，操作时间大致能维持在60 min”。还有一些学者则认为，一个初级操作者至少需要百余次实际穿刺经验才能稳定的掌握B超下对穿刺针针尖的定位。现有的穿刺技术不易掌握，难以保障穿刺安全性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，以解决有的穿刺技术不易掌握，难以保障穿刺安全性的问题。

根据本发明第一方面实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，包括：穿刺针；

体表标记器，包括体表定位芯片，用于贴于穿刺目标进而显示穿刺目标空间坐标；

穿刺瞄准器，内部设置有瞄准定位芯片，用于供所述穿刺针穿过并限制所述穿刺针的穿刺点和穿刺方向；

B超探头，内部设置有探头定位芯片；

定位测距仪，用于探测所述体表定位芯片、所述瞄准定位芯片和所述探头定位芯片的位置数据；

数据处理与显示器，与所述B超探头电性连接，与所述定位测距仪通讯连接，用于获取所述定位测距仪探测到的位置数据以及接收所述B超探头所探查到的B超图像，所述数据处理与显示器内部搭载图像三维重建模块，所述图像三维重建模块用于对所述B超探头扫描后的穿刺目标区域进行三维重建，并对三维重建后的虚拟穿刺目标模型构建三维坐标系。

根据本发明实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，至少具有如下有益效果：

利用B超探头的B超图像的三维重建对穿刺目标进行虚拟重建，生成数字对象来实现可视化。定位测距仪探测探头定位芯片、体表定位芯片和瞄准定位芯片的位置数据，发送至数据处理与显示器，数据处理与显示器将现实穿刺过程中的所有要素进行实时动态虚拟复现，构建虚拟对象，穿刺针穿过穿刺瞄准器对穿刺目标进行穿刺。通过在生成的虚拟场景中，计算并观察穿刺针的穿刺点、穿刺方向、进针深度以及针尖与病灶及其周围组织结构的位置关系，实现对穿刺全过程的指引与监控，可以实现对穿刺目标、穿刺瞄准器和穿刺针与所构建的虚拟对象保持实时映射，让虚拟对象与穿刺目标的穿刺点信息、穿刺瞄准器控制的穿刺方向信息和穿刺针的进针深度信息可以双向交互，实现“数字孪生”。这将极大简化现有穿刺技术过程中寻找穿刺目标、定位穿刺针针尖所在位置的繁琐过程，有效提升穿刺便捷性与安全性。可以更为简单、直观、有效的观察穿刺针与病灶的空间位置关系，让穿刺技术更安全、更易于掌握，从而降低穿刺技术的学习曲线，并由此减少患者遭遇学习曲线状态下医生的概率，降低其接受穿刺操作的并发症发生概率，为患者带来治疗获益。

根据本发明的一些实施例，所述穿刺瞄准器包括瞄准外壳和夹紧机构，所述夹紧机构安装在所述瞄准外壳内，所述夹紧机构用于夹持所述穿刺针并限制所述穿刺针穿过所述瞄准外壳的中心，所述瞄准定位芯片设置有多个，多个所述瞄准定位芯片绕所述瞄准外壳中心环形阵列设置。

根据本发明的一些实施例，所述瞄准外壳包括瞄准底座和上盖，所述上盖连接在所述瞄准底座一侧，所述夹紧机构安装在所述瞄准底座和所述上盖之间，所述瞄准底座中部设置有第一通孔，所述上盖中部设置有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔轴线一致，多个所述瞄准定位芯片绕所述第一通孔的轴线环形阵列设置。

根据本发明的一些实施例，所述夹紧机构包括内齿圈和多个夹紧组件，所述夹紧组件包括转轴和叶片，所述叶片固定连接在所述转轴上，多个所述转轴转动连接在所述底座和所述上盖之间，多个所述转轴绕所述第一通孔轴线方向环形阵列设置，多个所述叶片用于夹持所述穿刺针，多个所述转轴上均设置有齿部，多个所述齿部均与所述内齿圈啮合。

根据本发明的一些实施例，所述上盖上绕所述第二通孔周侧设置有多个弧形孔，所述穿刺瞄准器还包括手柄，所述手柄穿过其中一个所述弧形孔与所述内齿圈连接。

根据本发明的一些实施例，所述叶片的横截面呈类三角形；

所述穿刺瞄准器位于初始状态时，多个所述叶片相互靠拢，且抵接到所述第一通孔的轴线，多个所述叶片的组合结构呈圆盘状，所述手柄位于所述弧形孔的一端；

所述穿刺瞄准器位于最大展开状态时，多个所述叶片相互远离，且远离所述第一通孔的轴线，所述手柄位于所述弧形孔的另一端；

所述穿刺瞄准器位于夹持状态时，多个所述叶片相互靠拢，多个所述叶片抵接所述穿刺针。

根据本发明的一些实施例，所述探头定位芯片设置有多个，多个所述探头定位芯片呈三角形排列，三个所述探头定位芯片所在平面与所述B超探头的成像截面重合。

根据本发明的一些实施例，所述定位测距仪包括支架、测距底座、伸缩杆和多个芯片探测器，所述伸缩杆两端分别连接所述测距底座与所述支架，多个所述芯片探测器安装在所述支架上，所述芯片探测器用于探测所述体表定位芯片、所述瞄准定位芯片和所述探头定位芯片的位置数据。

根据本发明的一些实施例，所述体表标记器包括标记外壳，所述体表定位芯片设于所述标记外壳内部，所述标记外壳上设有用于粘贴到穿刺目标的胶层。

根据本发明的一些实施例，所述穿刺针包括针体和针座，所述针座连接在所述针体一端，所述针体另一端设置有针尖，所述针体内部中空，所述针座上设置有卡槽，所述针座远离所述针体一端设置有与所述针体内部连通的针芯导入口，所述针芯导入口呈锥头状。

根据本发明的一些实施例，所述瞄准底座上设置有多个第一转孔，所述上盖上设置有多个第二转孔，所述转轴两端分别转动连接在所述第一转孔和所述第二转孔中；

根据本发明的一些实施例，所述瞄准底座上设置有多个支撑凸起和多个限位凸起，多个所述支撑凸起绕所述第一通孔轴线环形阵列设置，多个所述限位凸起绕所述第一通孔轴线环形阵列设置，所述支撑凸起用于支撑所述内齿圈，所述限位凸起抵接所述内齿圈外侧。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的B超探头的内部结构示意图；

图3为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的体表标记器的剖视图；

图4为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的穿刺瞄准器的结构示意图；

图5为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的穿刺瞄准器的爆炸结构示意图；

图6为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的转轴和叶片展开时的结构示意图；

图7为本发明一种实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的穿刺针的结构示意图。

附图标号：

100、穿刺针；110、针体；111、针尖；120、针座；121、卡槽；122、针芯导入口；

200、体表标记器；210、体表定位芯片；220、标记外壳；230、胶层；

300、穿刺瞄准器；310、瞄准定位芯片；320、瞄准外壳；321、瞄准底座；3211、第一通孔；3212、第一转孔；3213、支撑凸起；3214、限位凸起；322、上盖；3221、第二通孔；3222、弧形孔；3223、第二转孔；330、夹紧机构；331、转轴；3311、齿部；332、叶片；333、内齿圈；340、手柄；

400、B超探头；410、探头定位芯片；

500、定位测距仪；510、支架；520、测距底座；530、伸缩杆；540、芯片探测器；

600、数据处理与显示器；610、计算机；620、显示屏。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。

请参阅图1、图2、图3和图5，根据本发明第一方面实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，包括穿刺针100、体表标记器200、穿刺瞄准器300、B超探头400、定位测距仪500和数据处理与显示器600。体表标记器200包括体表定位芯片210，用于贴于穿刺目标进而显示穿刺目标空间坐标。穿刺瞄准器300内部设置有瞄准定位芯片310，用于供穿刺针100穿过并限制穿刺针100的穿刺点和穿刺方向。B超探头400内部设置有探头定位芯片410，定位测距仪500用于探测体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410的位置数据。数据处理与显示器600与B超探头400电性连接，数据处理与显示器600与定位测距仪500通讯连接，数据处理与显示器600用于获取定位测距仪500探测到的位置数据以及接收B超探头400所探查到的B超图像。数据处理与显示器600包括计算机610和显示屏620，计算机610内部搭载图像三维重建模块，图像三维重建模块用于对B超探头400扫描后的穿刺目标区域进行三维重建，并对三维重建后的虚拟穿刺目标模型构建三维坐标系。

利用B超探头400的B超图像的三维重建对穿刺目标，进行虚拟重建，生成数字对象来实现可视化。定位测距仪500探测探头定位芯片410、体表定位芯片210和瞄准定位芯片310的位置数据，发送至数据处理与显示器600，数据处理与显示器600将现实穿刺过程中的所有要素进行实时动态虚拟复现，构建虚拟对象，穿刺针100穿过穿刺瞄准器300对穿刺目标进行穿刺。通过在生成的虚拟场景中，计算并观察穿刺针100的穿刺点、穿刺方向、进针深度以及针尖111与病灶及其周围组织结构的位置关系，实现对穿刺全过程的指引与监控，可以实现对穿刺目标、穿刺瞄准器300和穿刺针100与所构建的虚拟对象保持实时映射，让虚拟对象与穿刺目标的穿刺点信息、穿刺瞄准器300控制的穿刺方向信息和穿刺针100的进针深度信息可以双向交互，实现“数字孪生”。这将极大简化现有穿刺技术过程中寻找穿刺目标、定位穿刺针100针尖111所在位置的繁琐过程，有效提升穿刺便捷性与安全性。可以更为简单、直观、有效的观察穿刺针100与病灶的空间位置关系，让穿刺技术更安全、更易于掌握，从而降低穿刺技术的学习曲线，并由此减少患者遭遇学习曲线状态下医生的概率，降低其接受穿刺操作的并发症发生概率，为患者带来治疗获益。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。三维重建技术与数字孪生技术可以为现实世界的对象建立同步的虚拟对象，并通过监测所构建的实时同步虚拟对象，可以有效的观察与预测现实对象的运动、变化规律。降低穿刺技术难度，提高穿刺安全性与便捷性。

在一些实施例中，请参阅图1、图4和图5，穿刺瞄准器300包括瞄准外壳320和夹紧机构330，夹紧机构330安装在瞄准外壳320内，夹紧机构330用于夹持穿刺针100，并限制穿刺针100穿过瞄准外壳320的中心。瞄准定位芯片310设置有多个，多个瞄准定位芯片310绕瞄准外壳320中心环形阵列设置。多个瞄准芯片绕瞄准外壳320中心环形阵列设置，多个瞄准芯片不共线，可以形成瞄准平面，以及确定瞄准外壳320的中心点，夹紧机构330限制穿刺针100穿过瞄准外壳320的中心。具体操作时，可以选择使用两个穿刺瞄准器300，两个穿刺瞄准器300的中心连线方向即穿刺方向。

在一些实施例中，请参阅图1、图4和图5，瞄准外壳320包括瞄准底座321和上盖322，上盖322连接在瞄准底座321一侧，夹紧机构330安装在瞄准底座321和上盖322之间。瞄准底座321中部设置有第一通孔3211，上盖322中部设置有第二通孔3221，第二通孔3221与第一通孔3211轴线一致，多个瞄准定位芯片310绕第一通孔3211的轴线环形阵列设置。瞄准外壳320的中心位于第一通孔3211的轴线上，设置瞄准底座321和上盖322，方便安装夹紧机构330和瞄准定位芯片310，在瞄准底座321上设置第一通孔3211，在上盖322上设置第二通孔3221，方便供穿刺针100通过穿刺瞄准器300。

瞄准底座321和上盖322均呈扁平三棱柱状，瞄准定位芯片310设置有三个，三个瞄准定位芯片310设于瞄准底座321与上盖322的三个顶点位置，三个瞄准定位芯片310，可以确立穿刺瞄准器300的平面位置以及穿刺瞄准器300的中心位置。

在一些实施例中，请参阅图1、图4、图5和图6，夹紧机构330包括内齿圈333和多个夹紧组件，夹紧组件包括转轴331和叶片332，叶片332固定连接在转轴331上。多个转轴331转动连接在瞄准底座321和上盖322之间，多个转轴331绕第一通孔3211轴线方向环形阵列设置。多个叶片332用于夹持穿刺针100，多个转轴331上均设置有齿部3311，多个齿部3311均与内齿圈333啮合。通过转动内齿圈333，带动多个转轴331转动，进而带动多个叶片332同时展开或同时闭合，叶片332展开时，穿刺针100可以插入多个叶片332之间的间隙，叶片332闭合夹持穿刺针100。

在一些实施例中，请参阅图1、图4、图5和图6，上盖322上设置有多个弧形孔3222，多个弧形孔3222绕第二通孔3221周侧设置。穿刺瞄准器300还包括手柄340，手柄340穿过其中一个弧形孔3222与内齿圈333连接。设置手柄340连接内齿圈333，拨动手柄340即可转动内齿圈333，方便操作。设置弧形孔3222，可以对手柄340进行限位，保障手柄340只能在弧形孔3222内来回移动，进而带动内齿圈333顺时针或逆时针转动，进而带动夹紧组件展开或闭合。

设置多个弧形孔3222绕第二通孔3221的周侧设置，各弧形孔3222间隔设置，弧形孔3222与第二通孔3221之间的部分方便安装夹紧组件中的转轴331，可以保障上盖322的结构稳定性。

在一些实施例中，请参阅图1、图4、图5和图6，瞄准底座321上设置有多个第一转孔3212，上盖322上设置有多个第二转孔3223，转轴331两端分别转动连接在第一转孔3212和第二转孔3223中。瞄准底座321上设置有多个支撑凸起3213和多个限位凸起3214，多个支撑凸起3213绕第一通孔3211轴线环形阵列设置，多个限位凸起3214绕第一通孔3211轴线环形阵列设置，支撑凸起3213用于支撑内齿圈333，保障内齿圈333与齿部3311啮合，限位凸起3214抵接内齿圈333外侧，保障内齿圈333转动稳定。

在一些实施例中，请参阅图1、图4、图5和图6，叶片332的横截面呈类三角形，穿刺瞄准器300位于初始状态时，多个叶片332相互靠拢，且抵接到第一通孔3211的轴线，多个叶片332的组合结构呈圆盘状，手柄340位于弧形孔3222的一端。多个叶片332由一个圆盘同等份切割而成，转轴331位于圆盘的边缘上，且绕圆盘的轴线环形阵列设置。保障多个叶片332闭合时，各叶片332结合紧密。

穿刺瞄准器300位于最大展开状态时，多个叶片332相互远离，且远离第一通孔3211的轴线，手柄340位于弧形孔3222的另一端。多个叶片332展开时，中心露出间隙方便穿过穿刺针100。穿刺瞄准器300位于夹持状态时，多个叶片332相互靠拢，多个叶片332抵接穿刺针100。多个叶片332闭合时，方便叶片332夹持穿刺针100。

在一个实施例中，请参阅图1、图4、图5和图6，夹持组件设置有六个，六个叶片332组成一个圆盘，六个转轴331位于圆盘的边缘，六个转轴331绕圆盘中心环形阵列设置。叶片332包括两两相连的第一弧形面、第二弧形面和第三弧形面，转轴331位于第二弧形面与第三弧形面交接处，第一弧形面到转轴331的距离相等，第三弧形面为圆盘边缘，第三弧形面刀第一弧形面与第二弧形面的交接处（圆心位置）距离相等，第一弧形面贴合另一叶片332的第二弧形面。保障各叶片332之间间隙较小，结合紧密，夹紧穿刺针100效果更好。

在一些实施例中，请参阅图1和图2，探头定位芯片410设置有多个，多个探头定位芯片410呈三角形排列，三个探头定位芯片410所在平面与B超探头400的成像截面重合。通过三个探头定位芯片410，确定B超探头400的成像平面，方便位置探测仪探测到B超探头400的位置信息，可确定B超探头400在空间中的位置坐标与探查方位与角度等信息，从而为探查的每幅B超图像附加相对于选定的参照系的空间位置坐标信息。

在一些实施例中，请参阅图1、图2、图3和图5，定位测距仪500包括支架510、测距底座520、伸缩杆530和多个芯片探测器540，伸缩杆530两端分别连接测距底座520与支架510，多个芯片探测器540安装在支架510上。体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410均为无线射频芯片，可发出射频信号。

芯片探测器540用于探测体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410的位置数据。伸缩杆530用于调整支架510的高度，多个芯片探测器540设于支架510上，支架510呈环状，倾斜设置，多个芯片探测器540以特定的几何分布布置（多个芯片探测器540间隔均匀，当芯片探测器540为四个时，上面两个芯片探测器540位于同一水平面，下面两个芯片探测器540位于同一水平面）保障芯片探测器540探测范围较大，更好的探测到体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410的位置数据。定位测距仪500可以以空间中任意参照点构建坐标系，通过无线信号可对其覆盖范围内的体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410进行位置解算，获得各定位信标芯片的空间坐标值，并将定位数据无线传输至数据处理与显示器600中。

在一些实施例中，请参阅图1、图2、图3和图5，体表标记器200包括标记外壳220，体表定位芯片210设于标记外壳220内部，标记外壳220上设有胶层230，胶层230用于粘贴到穿刺目标。体表定位芯片210设于标记外壳220内，胶层230为医用双面粘胶，通过对粘贴在穿刺目标的多个体表标记器200内的体表定位芯片210进行测距定位，获得各信标的空间坐标来间接确定穿刺目标在空间中的坐标信息。

在一些实施例中，请参阅图1和图7，穿刺针100包括针体110和针座120，针座120连接在针体110一端，针体110另一端设置有针尖111，针座120上设置有卡槽121，针尖111方便穿过穿刺瞄准器300和穿刺目标。针座120上设置有卡槽121，方便人手把持。针座120末端设有针芯导入口122，针体110内部中空，针芯导入口122连通至针体110内部，针芯导入口122呈锥头状，方便沿针芯导入口122灌输药物。

本申请实施例的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统的工作原理：

将穿刺针100、体表标记器200、穿刺瞄准器300、B超探头400、定位测距仪500和数据处理与显示器600移至拟穿刺对象床旁，启动各电气部件电源，定位测距仪500开始计算其工作范围内所监测到的体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410的位置数据，并将数据发送至计算机610，计算机610接收信号后，在计算机610系统内建立虚拟的空间及坐标系，并以光点及标注的形式在显示屏620中进行显示。取三个体表标记器200贴在拟穿刺对象的体表，使之呈三角形分布。

使用B超探头400对拟穿刺区域进行多次探查扫描，并将扫描的图像实时传输至计算机610中。计算机610将根据收到的图像以及附加在图像上的B超成像时的角度、方位、位置，对所有B超图像进行三维重建得到穿刺区域的重建模型，并将其在显示屏620上进行显示。同时，结合第一步显示的体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410的光点，可以在显示屏620上观察到体表定位芯片210、瞄准定位芯片310和探头定位芯片410以及穿刺区域重建模型的真实位置关系。此时根据观察到虚拟中探头定位芯片410的光点以及此处重建的穿刺区域模型成像质量，移动现实中的B超探头400对重建不满意的地方进行多次扫描，直至各部位成像清晰。

最后，使用两个穿刺瞄准器300，左手持一个穿刺瞄准器300在穿刺区域体表来回扫动，观察显示屏620中代表穿刺点相应的光点（穿刺瞄准器300中心）所在位置及其与穿刺区域下方拟穿刺目标的位置关系。找到合适的穿刺点位置后，保持左手所持的穿刺瞄准器300对于体表皮肤固定，右手持另外一个穿刺点瞄准器，并在其中心穿过一根穿刺针100，调整夹紧机构330将穿刺针100尾部夹持固定。将针尖111置于左手持的穿刺点瞄准器中心处。以针尖111为顶点，移动针尾反复调整。观察显示屏620上代表针尾的信标光点（右手持穿刺瞄准器300中心）与代表针尖111的信标光点（左手持穿刺瞄准器300中心）两者连线是否穿过目标穿刺病灶，及其路径是否安全。确定安全后，左手拨动左手持的穿刺瞄准器300的手柄340，调节夹紧机构330，右手推进穿刺针100进行穿刺，同时通过观察显示屏620上进针深度及代表针尖111的提示影像，实时观察穿刺情况。穿刺完毕后，撤除所有装置器械进行消毒备用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，包括：

穿刺针；

体表标记器，包括体表定位芯片，用于贴于穿刺目标进而显示穿刺目标的空间坐标；

穿刺瞄准器，内部设置有多个瞄准定位芯片，用于供所述穿刺针穿过并限制所述穿刺针的穿刺点和穿刺方向，所述穿刺瞄准器包括瞄准外壳和夹紧机构，所述夹紧机构安装在所述瞄准外壳内，所述夹紧机构用于夹持所述穿刺针并限制所述穿刺针穿过所述瞄准外壳的中心，多个所述瞄准定位芯片绕所述瞄准外壳中心环形阵列设置，所述夹紧机构包括内齿圈和多个夹紧组件，所述夹紧组件包括转轴和叶片，所述叶片固定连接在所述转轴上，多个所述转轴转动连接在所述瞄准外壳内，多个所述转轴绕所述瞄准外壳中心环形阵列设置，多个所述叶片用于夹持所述穿刺针，多个所述转轴上均设置有齿部，多个所述齿部均与所述内齿圈啮合，所述内齿圈用于转动时带动多个所述转轴转动以调节多个所述叶片同时展开或同时闭合以将所述穿刺针松开或夹持；

B超探头，内部设置有探头定位芯片；

定位测距仪，用于探测所述体表定位芯片、所述瞄准定位芯片和所述探头定位芯片的位置数据；

数据处理与显示器，与所述B超探头电性连接，与所述定位测距仪通讯连接，用于获取所述定位测距仪探测到的位置数据以及接收所述B超探头所探查到的B超图像，所述数据处理与显示器内部搭载图像三维重建模块，所述图像三维重建模块用于对所述B超探头扫描后的穿刺目标区域进行三维重建，并对三维重建后的虚拟穿刺目标模型构建三维坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述瞄准外壳包括瞄准底座和上盖，所述上盖连接在所述瞄准底座一侧，所述夹紧机构安装在所述瞄准底座和所述上盖之间，所述瞄准底座中部设置有第一通孔，所述上盖中部设置有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔轴线一致，多个所述瞄准定位芯片绕所述第一通孔的轴线环形阵列设置。

3.根据权利要求2所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述上盖上绕所述第二通孔周侧设置有多个弧形孔，所述穿刺瞄准器还包括手柄，所述手柄穿过其中一个所述弧形孔与所述内齿圈连接。

4.根据权利要求3所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述叶片的横截面呈类三角形；

所述穿刺瞄准器位于初始状态时，多个所述叶片相互靠拢，且抵接到所述第一通孔的轴线，多个所述叶片的组合结构呈圆盘状，所述手柄位于所述弧形孔的一端；

所述穿刺瞄准器位于最大展开状态时，多个所述叶片相互远离，且远离所述第一通孔的轴线，所述手柄位于所述弧形孔的另一端；

所述穿刺瞄准器位于夹持状态时，多个所述叶片相互靠拢，多个所述叶片抵接所述穿刺针。

5.根据权利要求2所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述瞄准底座上设置有多个支撑凸起和多个限位凸起，多个所述支撑凸起绕所述第一通孔轴线环形阵列设置，多个所述限位凸起绕所述第一通孔轴线环形阵列设置，所述支撑凸起用于支撑所述内齿圈，所述限位凸起抵接所述内齿圈外侧。

6.根据权利要求1所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述探头定位芯片设置有多个，多个所述探头定位芯片呈三角形排列，三个所述探头定位芯片所在平面与所述B超探头的成像截面重合。

7.根据权利要求1所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述定位测距仪包括支架、测距底座、伸缩杆和多个芯片探测器，所述伸缩杆两端分别连接所述测距底座与所述支架，多个所述芯片探测器安装在所述支架上，所述芯片探测器用于探测所述体表定位芯片、所述瞄准定位芯片和所述探头定位芯片的位置数据。

8.根据权利要求1所述的一种可实时多重配准的数字孪生图像穿刺引导系统，其特征在于，所述穿刺针包括针体和针座，所述针座连接在所述针体一端，所述针体另一端设置有针尖，所述针体内部中空，所述针座上设置有卡槽，所述针座远离所述针体一端设置有与所述针体内部连通的针芯导入口，所述针芯导入口呈锥头状。