CN117860381B - 一种穿刺路径动态规划的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿刺路径动态规划的系统，该系统将获取的待手术区域上的穿刺靶点的靶点坐标、该穿刺靶点对应的第一投影点的第一坐标和第二投影点的第二坐标以及预设基点的基点坐标代入初始平面方程，得到对应的第一平面方程和第二平面方程，计算两个平面方程的相交线，实时检测第一坐标和第二坐标是否发生变化，若发生变化重新计算相交线，将计算出的相交线作为最终的穿刺路径。由此，本发明以待手术区域上的穿刺靶点、穿刺靶点对应的第一投影点和第二投影点进行穿刺路径规划，保证穿刺路径规划的合理性，且实时检测第一坐标和第二坐标是否发生变化，若发生变换，重新进行穿刺路径规划划，保证穿刺路径的准确性，降低手术风险性。

Description

一种穿刺路径动态规划的系统

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种穿刺路径动态规划的系统。

背景技术

穿刺手术在临床上可用于疾病的诊疗，通常，手术前需要预先进行穿刺路径的规划，为手术提供良好的术前规划指导，现有的穿刺路径规划是主要通过立体定向手术机器人，如华科、睿米机器人进行，然而，在手术过程中，由于各种因素的影响，如患者发生移动，将导致穿刺路径的准确性受到影响，从而增加手术的风险性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种穿刺路径动态规划的系统，实现穿刺路径的动态规划，提高穿刺路径的准确性，降低手术的风险性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种穿刺路径动态规划的系统，包括：

坐标获取模块，用于获取待手术区域上的穿刺靶点的靶点坐标、所述穿刺靶点对应的第一投影点的第一坐标和第二投影点的第二坐标以及预设基点的基点坐标；

所述预设基点与所述穿刺靶点、第一投影点以及第二投影点不共线；

平面计算模块，用于将所述靶点坐标、所述基点坐标分别与所述第一坐标和所述第二坐标代入初始平面方程，得到第一平面方程和第二平面方程，其中初始平面方程为：

Ax+By+Cz+D=0

其中，（A,B,C）表示初始平面的法向量分量，D表示常数项；

穿刺路径规划模块，用于计算所述第一平面方程和所述第二平面方程的相交线，将所述相交线作为初始穿刺路径，实时检测所述第一坐标和所述第二坐标是否发生变化，若是，则重新获取新的第一坐标和新的第二坐标，并根据新的第一坐标和新的第二坐标重新计算新的相交线，将新的相交线作为最终的穿刺路径，否则，将初始穿刺路径作为最终的穿刺路径；

所述相交线以参数方程形式表示，其中参数方程为：

其中，(l, m, n) 为相交线的方向向量分量，(x₀, y₀, z₀)为相交线上的一点；

所述平面计算模块具体为：

计算所述靶点坐标与所述第一坐标的第一向量以及所述基点坐标与所述第一坐标的第二向量，将所述第一向量和所述第二向量进行向量叉积，得到第一法向量和第一系数，将所述第一法向量和所述第一系数代入所述初始平面方程，得到第一平面方程；

计算所述靶点坐标与所述第二坐标的第三向量以及所述基点坐标与所述第二坐标的第四向量，将所述第三向量和所述第四向量进行向量叉积，得到第二法向量和第二系数，将所述第二法向量和所述第二系数代入所述初始平面方程，得到第二平面方程。

本发明的有益效果在于：以待手术区域上的穿刺靶点、穿刺靶点对应的第一投影点和第二投影点进行穿刺路径规划，保证穿刺路径规划的合理性，且实时检测第一投影点的第一坐标和第二投影点的第二坐标是否发生变化即实时检测患者的位置状态，若发生变换，将重新进行穿刺路径规划即实现动态的实时穿刺路径规划，进一步保证穿刺路径的准确性，降低手术的风险性。

可选地，所述坐标获取模块包括：

标记模块，用于通过预设规则分别对所述第一投影点和所述第二投影点进行标记，得到第一标记位置和第二标记位置。

根据上述描述可知，以标记的形式记录第一标记位置和第二标记位置，便于后续实时检测第一投影点和第二投影点是否发生变化。

附图说明

图1为本发明所提供的一种穿刺路径动态规划的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所涉及的待手术区域为头部时的穿刺靶点、第一投影点以及第二投影点对应的坐标的位置示意图；

图3为本发明实施例所涉及的第一平面方程对应的第一平面和第二平面方程对应的第二平面的示意图。

【附图标记说明】

1、一种穿刺路径动态规划的系统；

2、坐标获取模块； 21、标记模块；

3、平面计算模块；

4、穿刺路径规划模块。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

请参照图1至图3，本发明提供一种穿刺路径动态规划的系统，具体包括：坐标获取模块2、标记模块21、平面计算模块3和穿刺路径规划模块4。

其中，坐标获取模块2，用于获取待手术区域上的穿刺靶点的靶点坐标、所述穿刺靶点对应的第一投影点的第一坐标和第二投影点的第二坐标以及预设基点的基点坐标；

在本实施例中，使用立体定向手术机器人进行穿刺路径动态规划，如图2所示，以待手术区域为头部为例，在手术开始前，先获取待手术区域上即头部上的穿刺靶点的靶点坐标，图2中的（F-1）interventricular foramen表示穿刺靶点，F-2表示该穿刺靶点对应的第一投影点，F-3表示该穿刺靶点对应的第二投影点，（P）puncture point表示预设基点，其中，预设基点为立体定向手术机器人的基座上的一点，且预设基点与穿刺靶点、第一投影点以及第二投影点不共线。

具体地，所述坐标获取模块2包括：

标记模块21，用于通过预设规则分别对所述第一投影点和所述第二投影点进行标记，得到第一标记位置和第二标记位置。

在本实施例中，通过预设规则对第一投影点和第二投影点进行标记，如当待手术区域为头部时，对头皮上的第一投影点和第二投影点进行标记，可在对应的投影点上置入骨钉，以骨钉的形式进行标记，也可以通过头皮标记物对对应的投影点进行标记，具体的标记规则和标记方式可以根据实际情况进行调整。

其中，平面计算模块3，用于将所述靶点坐标、所述基点坐标分别与所述第一坐标和所述第二坐标代入初始平面方程，得到第一平面方程和第二平面方程，其中初始平面方程为：

Ax+By+Cz+D=0

其中，（A,B,C）表示初始平面的法向量分量，D表示常数项；

在本实施例中，构建第一投影点与穿刺靶点、预设基点的第一平面的第一平面方程，以及第二投影点与穿刺靶点、预设基点的第二平面的第二平面方程，关于第一平面方程和第二平面方程的构建是将对应的投影点的坐标、穿刺靶点的靶点坐标以及预设基点的基点坐标代入到初始平面方程中进行计算。

具体地，所述平面计算模块具体为：

计算所述靶点坐标与所述第一坐标的第一向量以及所述基点坐标与所述第一坐标的第二向量，将所述第一向量和所述第二向量进行向量叉积，得到第一法向量和第一系数，将所述第一法向量和所述第一系数代入所述初始平面方程，得到第一平面方程；

计算所述靶点坐标与所述第二坐标的第三向量以及所述基点坐标与所述第二坐标的第四向量，将所述第三向量和所述第四向量进行向量叉积，得到第二法向量和第二系数，将所述第二法向量和所述第二系数代入所述初始平面方程，得到第二平面方程。

在本实施例中，计算穿刺靶点的靶点坐标与第一投影点的第一坐标的第一向量，如：穿刺靶点的靶点坐标为F₁（x₁,y₁,z₁），第一投影点的第一坐标为F₂（x₂,y₂,z₂），则，第一向量为，计算预设基点的基点坐标与第一投影点的第一坐标的第二向量，如：预设基点的基点坐标为P（x₀,y₀,z₀），则，第二向量为，将第一向量/>与第二向量/>进行向量叉积，从而得到第一法向量（A₁,B₁,C₁）和第一系数D₁，将其代入初始平面方程，得到第一平面方程，同理，计算第二法向量（A₂,B₂,C₂）和第二系数D₂，将其代入初始平面方程，得到第二平面方程，如图3所示，第一平面方程对应的第一平面以及第二平面方程对应的第二平面，其中，F₃表示第二投影点。

穿刺路径规划模块4，用于计算所述第一平面方程和所述第二平面方程的相交线，将所述相交线作为初始穿刺路径，实时检测所述第一坐标和所述第二坐标是否发生变化，若是，则重新获取新的第一坐标和新的第二坐标，并根据新的第一坐标和新的第二坐标重新计算新的相交线，将新的相交线作为最终的穿刺路径，否则，将初始穿刺路径作为最终的穿刺路径。

在本实施例中，通过联立第一平面方程和第二平面方程可以消除平面方程中的某一个变量，如x变量，从而得到两个关于y变量个z变量的二元方程，对这两个二元方程进一步进行求解，得到y变量与z变量之间的关系，通过代入任意一组的（x,y,z）值，可以求出第一平面方程与第二平面方程的相交线，该相交线以参数方程形式表示，其中参数方程为：

其中，(l, m, n) 为相交线的方向向量分量，(x₀, y₀, z₀)为相交线上的一点。

将计算出的相交线作为初始穿刺路径，并通过立体定向手术机器人实时检测第一坐标和第二坐标是否发生变化，即，实时检测第一投影点和第二投影点是否发生变化，当检测到某一投影点发生变化时，重新获取变化后的第一坐标和第二坐标，根据变化后的，即新的第一坐标和新的第二坐标通过上述步骤重新计算相交线，将计算出的新的相交线作为最终的穿刺路径，如果未检测到坐标发生变化，则将初始穿刺路径作为最终的穿刺路径，确定最终的穿刺路径后，将最终的穿刺路径转换为立体定向手术机器人的运动指令，从而调整立体定向手术机器人的姿态和位置，使其末端执行器沿着最终的穿刺路径进行移动，从而进行穿刺手术。

由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (2)

1.一种穿刺路径动态规划的系统，其特征在于，包括：

坐标获取模块，用于获取待手术区域上的穿刺靶点的靶点坐标、所述穿刺靶点对应的第一投影点的第一坐标和第二投影点的第二坐标以及预设基点的基点坐标；

所述预设基点与所述穿刺靶点、第一投影点以及第二投影点不共线；

平面计算模块，用于将所述靶点坐标、所述基点坐标分别与所述第一坐标和所述第二坐标代入初始平面方程，得到第一平面方程和第二平面方程，其中初始平面方程为：

Ax+By+Cz+D=0

其中，（A,B,C）表示初始平面的法向量分量，D表示常数项；

穿刺路径规划模块，用于计算所述第一平面方程和所述第二平面方程的相交线，将所述相交线作为初始穿刺路径，实时检测所述第一坐标和所述第二坐标是否发生变化，若是，则重新获取新的第一坐标和新的第二坐标，并根据新的第一坐标和新的第二坐标重新计算新的相交线，将新的相交线作为最终的穿刺路径，否则，将初始穿刺路径作为最终的穿刺路径；

所述相交线以参数方程形式表示，其中参数方程为：

其中，(l, m, n) 为相交线的方向向量分量，(x₀, y₀, z₀)为相交线上的一点；

所述平面计算模块具体为：

计算所述靶点坐标与所述第一坐标的第一向量以及所述基点坐标与所述第一坐标的第二向量，将所述第一向量和所述第二向量进行向量叉积，得到第一法向量和第一系数，将所述第一法向量和所述第一系数代入所述初始平面方程，得到第一平面方程；

计算所述靶点坐标与所述第二坐标的第三向量以及所述基点坐标与所述第二坐标的第四向量，将所述第三向量和所述第四向量进行向量叉积，得到第二法向量和第二系数，将所述第二法向量和所述第二系数代入所述初始平面方程，得到第二平面方程。

2.如权利要求1所述的一种穿刺路径动态规划的系统，其特征在于，所述坐标获取模块包括：

标记模块，用于通过预设规则分别对所述第一投影点和所述第二投影点进行标记，得到第一标记位置和第二标记位置。