CN117462259B - 一种导航定位激光手术系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于激光医学技术领域，公开了一种导航定位激光手术系统，包括导航定位模块、中央工作站管理模块、激光器模块、激光输出模块；中央工作站管理模块用于根据参数设置信息生成控制信号，根据接收的导航信息生成定位指令；激光器模块用于根据控制信号驱动激光发生装置生成工作激光；激光输出模块用于输出工作激光；坐标获取单元用于在接收到定位指令后，通过红外相机获取红外反射信息，根据红外反射信息和跟踪定位装置得到标记定位信息；中央工作站管理模块还用于根据标记定位信息得到皮肤参考面和手术工具位置，并将其显示在操作屏上。本申请能够精准定位病灶，及时引导手术操作，实现可视化靶向治疗，降低手术操作分险，实现精准医疗。

Description

一种导航定位激光手术系统

技术领域

本申请涉及激光医学技术领域，尤其涉及一种导航定位激光手术系统。

背景技术

激光作为一种能量载体，具有小直径、大能量的优势，可以通过纤细柔韧可弯曲的光纤传输，特别是可通过穿刺介入以及内镜、腔镜通道进人体对深部组织实施手术。然而，现有的激光治疗仪设备由于缺乏导航定位功能，无法在手术过程中对病灶的位置进行精准定位，无法对手术器械进行实时引导，无法实现可视化靶向治疗，存在手术操作分险高，临床学习曲线长的问题，无法满足精准医疗的需要。

发明内容

本申请提供了一种导航定位激光手术系统，能够及时引导手术操作，实现可视化靶向治疗，降低手术操作分险，达到精准、微创、安全、可控的清除病灶，实现精准医疗。

本申请实施例提供了一种导航定位激光手术系统，包括导航定位模块、中央工作站管理模块、激光器模块、激光输出模块；导航定位模块包括坐标获取单元 、红外相机和跟踪定位装置；坐标获取单元分别与红外相机和中央工作站管理模块连接；

中央工作站管理模块用于根据接收的参数设置信息生成控制信号，并发送到激光器模块；以及根据接收的导航信息生成定位指令，并发送到坐标获取单元；

激光器模块用于根据控制信号驱动对应的激光发生装置生成工作激光；

激光输出模块用于通过光纤器械工具输出工作激光；

坐标获取单元用于在接收到定位指令后，通过红外相机获取红外反射信息，根据红外反射信息和跟踪定位装置得到标记定位信息；

中央工作站管理模块还用于根据标记定位信息得到皮肤参考面和手术工具位置，并将皮肤参考面和手术工具位置显示在中央工作站管理模块的操作屏上。

进一步的，激光器模块包括电源驱动单元和多种波长的激光发生装置；电源驱动单元分别与中央工作站管理模块和各激光发生装置连接，用于为各激光发生装置供电，并将控制信号发送给对应的激光发生装置，以使其生成工作激光。

进一步的，激光输出模块包括多个激光输出器械接口，以及与各激光输出器械接口可拆卸连接的光纤器械工具；各激光输出器械接口与各种波长的激光发生装置一一对应连接，用于接收对应的激光发生装置生成的工作激光，并通过相连接的光纤器械工具输出工作激光。

进一步的，中央工作站管理模块还用于根据参数设置信息检测光纤器械工具与激光输出器械接口的连接是否正确；以及，在不正确时，生成连接异常信息并显示操作屏上。

进一步的，激光输出模块还包括脚踏控制单元，脚踏控制单元分别与各激光发生装置、各激光输出器械接口连接；脚踏控制单元用于控制工作激光至对应激光输出器械接口的通断。

进一步的，跟踪定位装置包括穿刺针、带有反光膜的定位框和多个标记球；

坐标获取单元用于根据红外反射信息得到定位框的第一空间坐标，以及各标记球的第二空间坐标和穿刺针的第三空间坐标；并将第一空间坐标、第三空间坐标和各第二空间坐标作为标记定位信息发送到中央工作站管理模块。

进一步的，中央工作站管理模块还用于根据第一空间坐标得到导航范围，并将导航范围显示在操作屏上；以及，根据各个第二空间坐标计算得到皮肤参考面，根据第三空间坐标得到手术工具位置，并将皮肤参考面和手术工具位置显示在操作屏上。

进一步的，中央工作站管理模块还用于根据病例数据和皮肤参考面生成包括病灶组织的三维人体影像；以及，将手术工具位置和三维人体影像显示在中央工作站管理模块的操作屏上。

进一步的，参数设置信息包括激光波长、激光工作模式、能量密度、脉冲时间、脉冲间隔和脉冲次数。

进一步的，光纤器械工具包括光子探头、激光光纤和治疗手具；

激光光纤包括传感光纤和医用激光光纤。

进一步的，该系统包括与激光器模块中的电源驱动单元连接的紧急按钮；紧急按钮用于控制各激光发生装置的急停。

综上，与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例提供的一种导航定位激光手术系统，通过中央工作站管理模块、激光器模块、激光输出模块实现激光手术治疗的同时，采用导航定位模块实现了在激光手术过程中对患者和手术工具的实时定位和跟踪显示；具体地，通过红外相机照射患者身上的跟踪定位装置，得到红外反射信息，坐标获取单元根据红外反射信息得到标记定位信息，通过中央工作站管理模块对标记定位信息进行计算，得到皮肤参考面和手术工具位置并显示。上述系统可以实时跟踪并显示手术工具与患者之间的相对位置，从而及时引导手术操作，实现可视化靶向治疗，降低了手术操作分险，达到了精准、微创、安全、可控的清除病灶，实现精准医疗。

附图说明

图1为本申请一个示例性实施例提供的一种导航定位激光手术系统的结构图。

图2为本申请一个示例性实施例提供的激光器模块和激光输出模块的结构图。

图3为本申请又一个示例性实施例提供的一种导航定位激光手术系统的结构图。

图4为本申请一个示例性实施例提供的跟踪定位装置的结构图。

图5为本申请另一个示例性实施例提供的一种导航定位激光手术系统的结构图。

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。

请参见图1，本申请实施例提供了一种导航定位激光手术系统，包括导航定位模块101、中央工作站管理模块102、激光器模块103、激光输出模块104。

导航定位模块101包括坐标获取单元、红外相机和跟踪定位装置；坐标获取单元分别与红外相机和中央工作站管理模块102连接；其中，坐标获取单元为光学导航系统主机。

中央工作站管理模块102用于根据接收的参数设置信息生成控制信号，并发送到激光器模块103；以及根据接收的导航信息生成定位指令，并发送到坐标获取单元。

激光器模块103用于根据控制信号驱动对应的激光发生装置生成工作激光。

激光输出模块104用于通过光纤器械工具输出工作激光。

坐标获取单元用于在接收到定位指令后，通过红外相机获取红外反射信息，根据红外反射信息和跟踪定位装置得到标记定位信息。

中央工作站管理模块102还用于根据标记定位信息得到皮肤参考面和手术工具位置，并将皮肤参考面和手术工具位置显示在中央工作站管理模块102的操作屏上。

其中，参数设置信息为用户通过中央工作站管理模块102操作屏输入到中央工作站管理模块102102的。具体地，参数设置信息包括激光波长、激光工作模式、能量密度、脉冲时间、脉冲间隔和脉冲次数。激光工作模式包括满足强激光治疗、弱激光治疗、光动力治疗等多模态激光治疗模式的连续、单脉冲、重复脉冲、点阵模式；光纤器械工具包括光子探头、激光光纤和治疗手具；激光光纤包括监测用的传感光纤和治疗用的医用激光光纤，还可以选择不同芯径的单模光纤、多模光纤或特种光纤（环形光纤、散射光纤）等。

激光光纤用于传输激光，在进行微创介入手术治疗时，激光光纤可通过穿刺针以及内镜、腔镜通道进入人体，当激光光纤顶端到达病灶位置时则可输出激光进行激光手术治疗。治疗手具是点阵激光治疗的辅助工具，可将激光发生装置输出的工作激光转换为点阵模式输出，通过中央工作站管理模块102操作屏可设置点阵激光光斑的形状、大小、密度等治疗参数，医护人员手持治疗手具对患者需治疗的部位进行治疗。

上述实施例提供的一种导航定位激光手术系统，通过中央工作站管理模块102、激光器模块103、激光输出模块104实现激光手术治疗的同时，采用导航定位模块101实现了在激光手术过程中对患者和手术工具的实时定位和跟踪显示；通过红外相机照射患者身上的跟踪定位装置，得到红外反射信息，坐标获取单元根据红外反射信息得到标记定位信息，通过中央工作站管理模块102对标记定位信息进行计算，得到皮肤参考面和手术工具位置并显示。上述系统可以实时跟踪并显示手术工具与患者之间的相对位置，从而及时引导手术操作，实现可视化靶向治疗，降低了手术操作分险，达到了精准、微创、安全、可控的清除病灶，实现精准医疗。

在一些实施例中，激光器模块103包括电源驱动单元和多种波长的激光发生装置；电源驱动单元分别与中央工作站管理模块102和各激光发生装置连接，用于为各激光发生装置供电，并将控制信号发送给对应的激光发生装置，以使其生成工作激光。

具体地，请参见图2，激光发生装置主要包括1940nm、1470nm、635nm/980nm双波长的激光发生装置，本申请采用三核激光器，激光发生装置可单独或交替工作并互为备用，保证激光能量强劲输出，最大程度保障一个激光发生装置故障情况下手术不中断。

中央工作站管理模块102的操作屏会提供4种波长激光供操作使用者选择，操作使用者通过点击屏幕选择相应波长的激光，并将激光波长记录在参数设置信息中，令中央工作站管理模块102生成控制信号以进行相对应的激光发生装置的启动。

操作使用者在中央工作站管理模块102操作屏上选择好相应波长的激光后，进入激光参数设置页面，在此页面进行各种治疗参数的设置，例如设置工作模式（连续、单脉冲、重复脉冲、点阵）、治疗模式（强激光治疗、弱激光治疗（LLLT）、光动力治疗（PDT））、出光模式（直射、环射、散射）以及激光功率、能量、治疗时间等，还可以选择设置光纤器械工具（激光光纤、光子探头、治疗手具），确认和校准治疗参数。也可选择一键智能匹配参数模式快速、便捷的智能匹配治疗参数。设置完成后需点击屏幕中的“准备”进入真正的治疗待机状态，此时激光治疗参数已被系统确认并锁定。因此，可以选择连接不同的光纤器械工具，通过不同光纤器械工具输出多种波长的激光进行强激光治疗、弱激光治疗（LLLT）、光动力治疗（PDT）多模态激光治疗。并能通过选择光纤器械工具实现不同出光模式下的激光治疗，例如普通医用光纤只能产生直射光，通过使用特种结构光纤可以产生环射光、散射光。选择635nm波长激光，连接光动力治疗光纤，则可以实现光动力治疗。

上述实施例采用了一种多波长激光技术，可单独或交替发射四种特定波长的激光，与现有的激光治疗仪设备只能发射一种或两种波长的激光技术相比，手术适应症更广、临床治疗功能更丰富，手术操作方法更全面，可更好的满足临床疾病手术治疗的需要。

在一些实施例中，激光输出模块104包括多个激光输出器械接口，以及与各激光输出器械接口可拆卸连接的光纤器械工具。

各激光输出器械接口与各种波长的激光发生装置一一对应连接，用于接收对应的激光发生装置生成的工作激光，并通过相连接的光纤器械工具输出工作激光。

请参见图2，当采用三核激光器时，通过三个激光发生装置可对应设置三个激光输出器械接口连接对应的光纤器械工具输出四种特定波长的激光。

具体地，还可通过中央工作站管理模块102操作屏设置激光输出通道，通过不同激光输出通道选择单独或交替输出激光。若设置为1个输出通道，则需要对4个波长的激光发生装置产生的激光进行耦合后再从一个激光输出器械接口进行输出，这样会导致激光损耗大幅增大；同时因为增加了光学元件，光路可能发生变化，并且4种波长的激光输出功率不同，在功率较大的激光输出时，有可能产生反射光返回至其它激光发生装置造成损坏，因此本申请就不同波长的激光发生装置设置了对应的激光输出器械接口，实现了单个通道独立工作，大大减少了激光损耗，也避免了激光发生装置的彼此损害。

上述实施例采用多个激光输出通道技术，可单独或交替使用不同的激光输出通道输出激光。与现有的激光治疗仪设备采用一个激光输出通道输出激光的技术相比，能更好的满足临床医生在手术治疗时对不同波长激光的治疗需要，能更好的满足临床医生在手术治疗时自由选择、快速切换使用其它波长的激光的需要，同时能更好的保障一个输出通道的激光出现故障的情况下仍能最大限度的完成手术治疗。

在一些实施例中，中央工作站管理模块102还用于根据参数设置信息检测光纤器械工具与激光输出器械接口的连接是否正确；以及，在不正确时，生成连接异常信息并显示在操作屏上。

具体地，光纤器械工具与激光输出器械接口进行连接时，中央工作站管理模块102会检测光纤器械工具的型号与连接的激光输出器械接口对应的激光波长，和参数设置信息进行对比，并通过中央工作站管理模块102操作屏信息提示、声音提示或绿色、红色灯闪信号等方式提示操作使用者是否连接正确。3个激光输出器械接口分别对应着1940nm激光、1470nm激光、635/980nm激光；当不同的光纤器械工具连接到对应的激光输出器械接口正确时，中央工作站管理模块102会光声信号提示连接正常，激光治疗操作自动运行至下一步，相反，当光纤器械工具和激光输出器械接口连接不正确时，中央工作站管理模块102会光声信号提示连接不正常，激光治疗操作无法运行至下一步；因为激光输出器械接口为标准SMA905接口，只允许与接口为SMA905的光纤器械工具连接，其它的器械需要连接使用时需要通过具有标准SMA905接口的多功能连接线转换间接连接使用激光。

上述实施例能够实现光纤器械工具的连接判断，从而实现了术前系统的自动检测，进一步保证了手术的安全性，降低了手术风险。

在一些实施例中，激光输出模块104还包括脚踏控制单元，脚踏控制单元分别与各激光发生装置、各激光输出器械接口连接。

脚踏控制单元用于控制工作激光至对应激光输出器械接口的通断。

具体地，脚踏控制单元在系统接收到准备指令，进入治疗待机状态后才具有控制激光输出和停止的权限，在进入治疗待机状态前，踩下脚踏无法输出激光，且会强制中断中央工作站管理模块102触摸屏的选择功能，这样设计的目的是防止系统出错导致意外出光造成危险。

在一些实施例中，跟踪定位装置包括穿刺针、带有反光膜的定位框和多个标记球。

坐标获取单元用于根据红外反射信息得到定位框的第一空间坐标，以及各标记球的第二空间坐标和穿刺针的第三空间坐标；并将第一空间坐标、第三空间坐标和各第二空间坐标作为标记定位信息发送到中央工作站管理模块102。

中央工作站管理模块102还用于根据第一空间坐标得到导航范围，并将导航范围显示在操作屏上；以及，根据各个第二空间坐标计算得到皮肤参考面，根据第三空间坐标得到手术工具位置，并将皮肤参考面和手术工具位置显示在操作屏上。

请参见图3，其中，在收到定位指令时，坐标获取单元控制红外相机发出红外光信号，并被跟踪定位装置发现捕获进行适配配准校正后建立空间坐标位置信息；还可根据双目立体视觉原理，即用已知坐标系对应关系确定被标定的未知位置，实现对三维空间靶点的定位。

具体地，在开启红外相机后，首先要对定位框进行注册：将定位框平放于红外相机前1.5m处，坐标获取单元会分析定位框反射的红外反射信息并形成第一空间坐标，此时标定成功，当移动定位框，显示的导航范围始终处于中央工作站管理模块102的操作屏的中央。

进一步的，标记球在治疗前放置于患者皮肤表面，治疗过程中起参考面作用，具体为：标定结束后，将多个标记球置于患者需进行穿刺的位置，标记球会反射红外光到坐标获取单元，坐标获取单元将红外反射信息转换为电信号并进行数据分析，得到第二空间坐标，并计算生成一个参考面，三个标记球确定三个坐标就形成一个参考面，将该参考面作为患者的皮肤参考面。

请参见图4，穿刺针上也设有标记球，定位框（定位工具）上的反光膜也可用标记球替代；此时再使用固定有标记球的穿刺针进行手术操作，通过获取穿刺针上标记球的第三空间坐标，和标记球与穿刺针头的已知距离，得到穿刺针头的位置，即手术工具位置。

经过以上操作，用户可实时监控穿刺针头与皮肤表面的相对位置。

在一些实施例中，中央工作站管理模块102还用于根据病例数据和皮肤参考面生成包括病灶组织的三维人体影像；以及，将手术工具位置和三维人体影像显示在中央工作站管理模块102的操作屏上。具体地，通过三维影像重建和获取的第二空间坐标，形成融合空间位置的3D人体影像，精准定位病灶组织，智能生成导航路径，实时跟踪手术器械，及时引导手术操作。

进一步的，中央工作站管理模块102主要包括操作屏、工作站管理软件、3D影像软件、导航软件、患者管理软件，通过工作站管理软件，可以进行激光手术治疗操作技能在线教培学习、病例比对、诊疗分析、病例收集；通过导航软件，可以精准定位病灶组织，智能生成导航路径，实时跟踪手术器械，及时引导手术操作。

通过患者管理软件，可以在疾病手术治疗过程中及时建立患者管理数据库，智能生成治疗评估报告，术前术中术后患者治疗信息自然匹配，随时调用查看，也可作为大数据支持，用于人工智能算法分析研究及智能比对，进行患者术后跟踪管理。

中央工作站管理模块102还可通过3D影像软件实现对超声、CT、MRI影像的三维重建，进行手术计划评估、多模态影像分析、模拟手术训练、可视化辅助治疗，还可配备VR眼镜，通过3D成像对手术位置和手术工具进行3D构图，从而在VR眼镜上生成3D手术效果图，更直观地显示手术工具的位置和手术路径，进一步实现精准治疗。

上述实施例采用多模态三维影像技术，可进行三维影像重建，与现有的激光治疗仪设备相比，能更好的满足临床医生在疾病手术治疗前实现手术计划评估、多模态影像分析、模拟手术训练，能更好的实现可视化精准手术治疗。

请参见图5，在一些实施例中，该系统包括与激光器模块103中的电源驱动单元连接的紧急按钮；紧急按钮用于控制各激光发生装置的急停。

具体地，紧急按钮作为激光器总控，按下时所有激光发生装置停止输出激光，中央工作站管理模块102操作屏无法点击进行设置，此时需按照紧急按钮上指示的方向旋转使其恢复初始状态方可进行其它操作。

以上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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种导航定位激光手术系统，其特征在于，包括导航定位模块、中央工作站管理模块、激光器模块、激光输出模块；所述导航定位模块包括坐标获取单元、红外相机和跟踪定位装置；所述坐标获取单元分别与所述红外相机和所述中央工作站管理模块连接；

所述中央工作站管理模块用于根据接收的参数设置信息生成控制信号，并发送到所述激光器模块；以及根据接收的导航信息生成定位指令，并发送到所述坐标获取单元；其中，所述参数设置信息包括激光波长、激光工作模式、能量密度、脉冲时间、脉冲间隔和脉冲次数；

所述激光器模块包括电源驱动单元和多种波长的激光发生装置，其中，所述激光发生装置包括1940nm、1470nm、635nm/980nm双波长的激光发生装置；所述电源驱动单元分别与所述中央工作站管理模块和各所述激光发生装置连接，用于为各所述激光发生装置供电，并将所述控制信号发送给对应的所述激光发生装置，以使其生成工作激光；

所述激光输出模块包括多个激光输出器械接口，以及与各所述激光输出器械接口可拆卸连接的光纤器械工具；

各所述激光输出器械接口与各种波长的所述激光发生装置一一对应连接，用于接收对应的所述激光发生装置生成的所述工作激光，并通过相连接的所述光纤器械工具输出所述工作激光；

所述坐标获取单元用于在接收到所述定位指令后，通过所述红外相机获取红外反射信息，根据所述红外反射信息和所述跟踪定位装置得到标记定位信息；

具体地，所述跟踪定位装置包括穿刺针、带有反光膜的定位框和多个标记球；

所述坐标获取单元用于根据所述红外反射信息得到所述定位框的第一空间坐标，以及各所述标记球的第二空间坐标和所述穿刺针的第三空间坐标；并将所述第一空间坐标、所述第三空间坐标和各所述第二空间坐标作为所述标记定位信息发送到所述中央工作站管理模块；

所述中央工作站管理模块还用于根据所述第一空间坐标得到导航范围，并将所述导航范围显示在操作屏上；以及，根据各个所述第二空间坐标计算得到皮肤参考面，根据所述第三空间坐标得到手术工具位置，并将所述皮肤参考面和所述手术工具位置显示在所述操作屏上。

2.根据权利要求1所述的导航定位激光手术系统，其特征在于，所述中央工作站管理模块还用于根据所述参数设置信息检测所述光纤器械工具与所述激光输出器械接口的连接是否正确；以及，在不正确时，生成连接异常信息并显示在所述操作屏上。

3.根据权利要求1所述的导航定位激光手术系统，其特征在于，所述激光输出模块还包括脚踏控制单元，所述脚踏控制单元分别与各所述激光发生装置、各所述激光输出器械接口连接；所述脚踏控制单元用于控制所述工作激光至对应所述激光输出器械接口的通断。

4.根据权利要求1所述的导航定位激光手术系统，其特征在于，所述中央工作站管理模块还用于根据病例数据和所述皮肤参考面生成包括病灶组织的三维人体影像；以及，将所述手术工具位置和所述三维人体影像显示在所述中央工作站管理模块的操作屏上。

5.根据权利要求1所述的导航定位激光手术系统，其特征在于，所述光纤器械工具包括光子探头、激光光纤和治疗手具；所述激光光纤包括传感光纤和医用激光光纤。

6.根据权利要求1所述的导航定位激光手术系统，其特征在于，还包括与所述激光器模块中的所述电源驱动单元连接的紧急按钮；所述紧急按钮用于控制各所述激光发生装置的急停。