CN1415275A - 数字化呼吸门控ct导航手术系统 - Google Patents

Abstract

数字化呼吸门控CT导航手术系统，包括呼吸门控装置1、自动定位装置2和穿刺器3，其特征在于束胸带13置于患者胸部，传感器14安装在束胸带13上，自动定位装置2前部设置穿刺器3。本发明将呼吸门控的方法应用于穿刺过程中，更好的解决了因患者呼吸运动而产生定位精度偏差的问题。适用于各种计算机断层影像扫描设备，包括X线－CT、MR－CT及SPET－CT等，是医用穿刺的理想装置，宜于普及和推广。

Description

数字化呼吸门控CT导航手术系统

所属领域

本发明涉及自动定位穿刺器，特别是数字化呼吸门控CT导航手术系统及其使用方法。

背景技术

由于穿刺系统的定位坐标是通过扫描图象得到，而穿刺过程在扫描过程之后进行，这样就产生了时间差，因此，患者的呼吸运动将对穿刺位置造成影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种数字化呼吸门控CT导航手术系统，由呼吸门控、自动定位和穿刺器三个基本部分组成。该系统可以利用CT扫描后的图象及数据经计算机控制进行自动三维定位，通过呼吸门控部分对穿刺时机的控制，由穿刺器准确的进行病理采样，药物注射，导管留置等操作。

数字化呼吸门控CT导航手术系统，包括呼吸门控装置1、自动定位装置2和穿刺器3，其特征在于束胸带13置于患者胸部，传感器14安装在束胸带13上，自动定位装置2接受传感器14信号，前部设置穿刺器3。

本设计中同时提供了“一体式”、“悬挂式”和“机械臂式”三种不同的实施方案，可以适用于各种计算机断层影像扫描设备，包括X线-CT、MR-CT及SPET-CT等，是医用穿刺的理想装置，宜于普及和推广。

“一体式”结构包括：扫描架4、束胸带13和穿刺器3等，其特征在于穿刺器3通过连接杆12与伸缩杆10相连接，伸缩杆10与伸缩油缸7配合动作，伸缩油缸7通过偏转电机8与扫描架4相连，伸缩标尺9固定于伸缩油缸7上，伸缩定位器11固定在伸缩杆10上，偏转标尺6固定于扫描架4上，偏转定位器5固定在伸缩油缸7上，束胸带13佩带于患者胸部，传感器14安装在束胸带13上。如图(2)、(3)所示，设装置是置于CT机内，形成一体。

“悬挂式”结构包括：丝杠17、束胸带13和穿刺器3等，其特征在于丝杠17置于固定架18上并与电机20连接，滑柄15置于丝杠17上，滑柄伸缩杆16置于滑柄15上，伸出端连接偏转驱动器19，偏转驱动器19连接穿刺伸缩杆21，穿刺伸缩杆21前端设置穿刺器3，束胸带13佩带于患者胸部，传感器14安装在束胸带13上。如图(3)、(4)所示，该装置于CT机外部，悬挂于CT机机架或CT室墙壁上，固定架可为直线臂或C型臂。

“机械臂式”结构包括：机械臂22、束胸带13和穿刺器3等，其特征在于机械臂22前端设置穿刺器3，束胸带13佩带于患者胸部，传感器14安装在束胸带13上。如图(3)、(5)所示，机械臂22与扫描架分离，固定在扫描架前面或后面。

使用方法

经CT扫描后，在断层图象上选定穿刺目标和路径，测定坐标并输入计算机，计算机通过运算程序计算出各个定位部件的位置，驱动各个部件到位，完成定位，随后计算机发出穿刺指令，借助呼吸门控部分对穿刺时间的判断，穿刺针高速，准确的进行病理采样、药物注射、导管留置等各种预定操作。

呼吸门控部分

由于穿刺系统的定位坐标是通过扫描图象得到，而穿刺过程在扫描过程之后进行，这样就产生了时间差，因此，患者的呼吸运动将对穿刺位置造成影响。通过呼吸门控的应用，可有效的避免由于患者的呼吸运动而造成的穿刺位置偏差。该部分的工作原理如图(6)。

1、记录病人平静呼吸时的呼吸曲线；

2、扫描同时记录病人的张力值；

3、储存该张力值作为“参考值”；

4、进行穿刺定位；

5、作穿刺前的张力比较，如比较值不同则重复该步骤，如相同则续；

6、进行穿刺。

呼吸门控部分同时适用于本设计中的三种不同结构。

定位部分数学模型

对于“一体式”结构，从该装置在横断面上投影图可见该穿刺器可以达到断层面上任意位置。如图(7)所示。各参数设定如下：

病灶：A(Xa，Ya)，            皮肤穿刺点：B(Xb，Yb)，

针尖：C(Xc，Yc)，            伸缩杆前端：D(Xd，Yd)，

伸缩油缸偏转轴：E(Xe，Ye)    穿刺路径：AB，

针尖穿刺行程：AC，           伸缩杆行程：DE，

针尖和皮肤的距离(自定义)：BC，

穿刺针针尖至伸缩杆前端长度：CD

扫描架旋转角度：∠α，        伸缩油缸偏转角度：∠Φ，

穿刺器和X轴的夹角：∠β，     机架倾斜角度：∠θ。已知量：A(Xa，Ya)，B(Xb，Yb)，OE，BC，CD，∠θ。求解未知量：AB，AC，DE，∠α，∠Φ？由A、B两点坐标和OE，可得到E点坐标(Xe，Ye)： $\mathrm{AB}=\sqrt{{(\mathrm{Xb}-\mathrm{Xa})}^2+{(\mathrm{Yb}-\mathrm{Ya})}^2}$ 由.

既可得到E点坐标(Xe，Ye)。由E点坐标(Xe，Ye)，得： $\∠\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{Ye}}{\mathrm{Xe}}$ 又由 $\∠\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{Yb}-\mathrm{Ya}}{\mathrm{Xb}-\mathrm{Xa}}$ 得到∠Φ＝∠α-∠β $\mathrm{AE}=\sqrt{{(\mathrm{Xe}-\mathrm{Xa})}^2+{(\mathrm{Ye}-\mathrm{Ya})}^2}$

AC＝AB+BC         DE＝AE-AB-BC-CD

对于“悬挂式”结构的定位数学模型与“一体式”完全相同，不赘述。

对于“机械臂”式结构的定位数学模型比较简单，只需确定C点坐标C(Xc，Yc)即可，不赘述。

自动定位、穿刺部分控制原理

图(8)所示为“一体式”结构的定位穿刺控制部分结构框图。控制信号由CPU发出，通过I/O接口与D/A转换器相连接，分别控制偏转电机、伸缩油缸电机、扫描架旋转电机及穿刺器气泵电机运动；反馈信号分别由偏转传感器、伸缩传感器和张力传感器发出，经A/D转换传送给CPU，从而时时检测偏转角度、伸缩长度以及张力值，并将这些数值时时显示给操作者。

图(11)所示为“一体式”结构的定位穿刺控制部分逻辑框图。

1、准备扫描；

2、启动呼吸门控部分；

3、开始扫描，同时记录当前张力值大小；

4、扫描结束同时储存张力值；

5、检查床的位置“Z点”和扫描架倾角“∠θ”；

6、由操作人员指定穿刺位置，“A”、“B”两点坐标；

7、由A、B、Z点坐标及∠θ值，计算出∠α、∠Φ和DE长度；

8、CPU发出指令控制偏转电机动作；

9、油缸偏转至∠Φ；

10、CPU发出指令控制伸缩油缸电机动作；

11、油缸伸缩到DE；

12、CPU发出指令控制扫描架旋转电机动作，使扫描架旋转至∠α；

13、将当前张力值与储存值进行比较；

14、穿刺器动作。

图(9)所示为“悬挂式”结构的定位穿刺控制部分结构框图。控制信号由CPU发出，通过I/O接口与D/A转换器相连接，分别控制丝杠电机、伸缩电机、偏转电机、伸缩油缸电机及穿刺器气泵电机运动；反馈信号分别由丝杠传感器、伸缩传感器、偏转传感器、伸缩传感器和张力传感器发出，经A/D转换传送给CPU，从而时时检测偏转角度、伸缩长度以及张力值，并将这些数值时时显示给操作者。

图(12)所示为“悬挂式”结构的定位穿刺控制部分逻辑框图。

1、准备扫描；

2、启动呼吸门控部分；

3、开始扫描，同时记录当前张力值大小；

4、扫描结束同时储存张力值；

5、检查床的位置“Z点”和扫描架倾角“∠θ”；

6、由操作人员指定穿刺位置，“A”、“B”两点坐标；

7、由A、B、Z点坐标及∠θ值，计算出∠α、∠Φ和DE长度；

8、CPU发出指令控制丝杠电机动作；

9、偏转轴到达Xe；

10、CPU发出指令控制伸缩电机动作；

11、伸缩杆2到达Ye；

12、CPU发出指令控制偏转电机动作；

13、偏转油缸到达∠α；

14、CPU发出指令控制伸缩油缸动作；

15、伸缩杆到达DE；

16、将当前张力值与储存值进行比较；

17、穿刺器动作。

图(10)所示为“机械臂式”结构的定位穿刺部分结构框图。控制信号由CPU发出，通过I/O接口与机械臂连接，控制机械臂定位。同时CPU通过I/O接口连接D/A转换器控制穿刺器气泵电机运动；反馈信号分别由机械臂通过I/O接口传送给CPU、由张力传感器通过A/D经I/O接口传送回CPU，从而时时检测穿刺器位置和张力值，并将这些数值时时显示给操作者。

图(13)所示为“机械臂式”结构的定位穿刺控制部分逻辑框图。

1、准备扫描；

2、启动呼吸门控部分；

3、开始扫描，同时记录当前张力值大小；

4、扫描结束同时储存张力值；

5、检查床的位置“Z点”和扫描架倾角“∠θ”；

6、由操作人员指定穿刺位置，“A”、“B”两点坐标；

7、计算出C点坐标；

8、CPU发出指令机械臂进行定位动作；

9、将当前张力值与储存值进行比较；

10、穿刺器动作。

复位

定位穿刺完成后，发出复位指令至CPU，CPU计算各个相关初始数据，经数/摸转换，依次驱动各部分回至初始位置，并显示于终端。

手控

该装置的各个定位驱动器均设有手动按扭，在手动模式状态时可由手动完成操作。

本发明将呼吸门控的方法应用于穿刺过程中，更好的解决了因患者呼吸运动而产生定位精度偏差的问题。是医用穿刺的理想装置，宜于普及和推广。

附图说明

图1为一体式三维结构示意图。

图2为一体式结构示意图。

图3为呼吸门控装置结构示意图。

图4为悬挂式结构简图。

图5为机械臂式结构示意图。

图6为呼吸门控部分控制原理图。

图7为一体式结构数学模型。

图8为一体式定位穿刺控制部分结构框图。

图9为悬挂式定位穿刺控制部分结构框图。

图10为机械臂式定位穿刺控制部分结构框图。

图11为一体式结构定位穿刺控制逻辑图。

图12为悬挂式结构定位穿刺控制逻辑图。

图13为机械臂式结构定位穿刺控制逻辑图。

图14为伸缩部分液压系统示意图。

图15为穿刺器结构示意图。

具体实施方式

实施例1：一体式数字化呼吸门控CT导航手术系统

1、机架部分

见图(2)所示，本系统机械部分设计在CT扫描架内部，与CT融为一体。可适用于多种型号的CT。

2、呼吸门控部分

如图(3)所示，呼吸门控部分由束胸带13和传感器14组成。束胸带13佩带于患者的胸腔且弹性较小，可紧固在患者的胸部。传感器14安装于束胸带上，可精确测定束带承受的张力大小，并传送给计算机。

本装置中的传感器采用张力传感，也可采用压力或位置等其他形式的传感器，实现原理相同。传感器可以同时使用多个，采集患者不同部位张力的大小，进行比较分析，从而获得更精确的数据。

3、偏转部分

见图(2)所示，该部分由偏转电机8、偏转定位器5、偏转标尺6组成。偏转电机8为低速大扭矩步进电机，固定于扫描架4上，转子带动伸缩油缸7实现一定角度的偏转。偏转标尺6固定于扫描架上。偏转定位器5固定于伸缩油缸尾部。偏转定位部分采用光传感器的手段，探测伸缩油缸7在标尺6上的位移，并传送给计算机，从而使计算机实时的计算出当前的偏转量，并通过监视器显示给操作者。

4、伸缩器部分

见图(2)所示，该部分由伸缩油缸7、伸缩标尺9、伸缩杆10、伸缩定位器11构成。伸缩油缸7与伸缩杆10配合，通过液压驱动，实现慢速往复运动。伸缩标尺9固定于伸缩油缸7的外壁，为伸缩杆10的往复运动提供参照标尺。伸缩定位器11固定于伸缩杆外端。伸缩器部分的实现机理与偏转部分的实现机理相同。液压传动部分结构如图(14)所示，电机带动油泵运转，驱动油缸动作，使伸缩杆10实现伸缩运动，电磁换向阀控制伸缩方向。

5、穿刺器部分

见图(15)所示，穿刺针29置于汽缸28的活塞杆前端，汽缸孔23连接气源，汽缸孔24连接收集或给药器，弹簧25置于活塞杆内部，通过连杆26与针尖开合连杆27连接。气缸孔24在活塞杆前进时排气，在活塞杆致最大行程时与活塞上的孔重合，与穿刺针针孔相通，实现对病灶处抽真空取样，给药等操作。当活塞杆致最大行程，连杆27可使针尖打开，退针时，弹簧25可使针尖闭合。气源是由一个普通单向电机驱动一气泵，通过电磁换向阀使气缸完成进程和回程。

6、功能说明

偏转电机8可带动伸缩油缸7实现+45°--45°的偏转；伸缩杆10可伸缩，行程0-200mm；穿刺器3在到达指定位置后可进行高速穿刺。

实施例2：悬挂式数字化呼吸门控CT导航手术系统

该设计在机械结构上将CT引导下自动定位穿刺器的C型臂与滑柄配合动作改进为丝杠17与滑柄15配合动作，易于加工制造。同时应用呼吸门控部分，提高穿刺精度。

1、机架部分

如图(4)所示，机架部分包括丝杠电机20、丝杠17、固定架18和滑柄15。丝杠17设计在CT扫描架上或CT室墙壁上，要求具有良好的水平精度。丝杠17与滑柄15配合动作可实现水平方向的运动。

2、滑柄及伸缩杆部分

如图(4)所示，该部分结构由滑柄伸缩杆16、偏转驱动器19组成。滑柄15与滑柄伸缩杆16配合可实现沿竖直方向的运动，其结构与CT引导下自动定位穿刺器中的结构相同。

3、偏转及伸缩器部分

该部分位于滑柄伸缩杆16的前端，其核心作用是实现滑柄伸缩杆16的伸缩和沿轴线的偏转，配合穿刺器3达到指定位置。

4、呼吸门控部分

与实施例1中相同，不赘述。

5、穿刺器部分

与实施例1中相同，不赘述。

6、功能说明

滑柄15与丝杠17配合动作可实现行程0-1000mm的滑动；滑柄伸缩杆16可伸缩，行程0-200mm；偏转驱动器19可驱动穿刺器3作0-360°的偏转；穿刺器伸缩杆21可伸缩，行程0-700mm。穿刺器3在到达指定位置后可进行高速穿刺。

实施例3：机械臂式数字化呼吸门控CT导航手术系统

1、机架定位部分

该实施例机架部分可以选用目前已有的成型机械臂22结构。如图(5)所示。机械臂22与扫描架分离，固定在扫描架前面或后面，穿刺器3固定于机械臂22前端。

2、呼吸门控部分

与实施例1中相同，不赘述。

3、穿刺器部分

与实施例1中相同，不赘述。

4、功能说明

机械臂可在400mm*500mm*300mm空间范围内进行定位，将穿刺器定位至穿刺点进行穿刺。

Claims (8)

1.数字化呼吸门控CT导航手术系统，包括呼吸门控装置1、自动定位装置2和穿刺器3，其特征在于束胸带13置于患部，传感器14安装在束胸带13上，自动定位装置2接受传感器14信号，前部设置穿刺器3。

2.根据权利要求1所述的数字化呼吸门控CT导航手术系统，其特征在于穿刺器3通过连接杆12与伸缩杆10相连接，伸缩杆10与伸缩油缸7配合动作，伸缩油缸7通过偏转电机8与扫描架4相连，伸缩标尺9固定于伸缩油缸7上，伸缩定位器11固定在伸缩杆10上，偏转标尺6固定于扫描架4上，偏转定位器5固定在伸缩油缸7上，束胸带13佩带于患者患部，传感器14安装在束胸带13上。

3.根据权利要求1所述的数字化呼吸门控CT导航手术系统，其特征在于丝杠17置于固定架18上连接电机20，滑柄15置于丝杠17上，滑柄伸缩杆16置于滑柄15上，伸出端连接偏转驱动器19，偏转驱动器19连接穿刺伸缩杆21，穿刺伸缩杆21前端设置穿刺器3，束胸带13佩带于患者患部，传感器14安装在束胸带13上。

4.根据权利要求1所述的数字化呼吸门控CT导航手术系统，其特征在于机械臂22前端设置穿刺器3，束胸带13佩带于患者患部，传感器14安装在束胸带13上。

5.数字化呼吸门控CT导航手术系统使用方法，经CT扫描后，在断层图象上选定穿刺目标和路径，测定坐标并输入计算机，计算机通过运算程序计算出各个定位部件的位置，驱动各个部件到位，完成定位，随后计算机发出穿刺指令，借助呼吸门控部分对穿刺时间的判断，穿刺针高速，准确的进行病理采样、药物注射、导管留置等各种预定操作。

6.根据权利要求5所述的数字化呼吸门控CT导航手术系统使用方法，准备扫描；启动呼吸门控部分；扫描同时记录当前张力值大小；扫描结束同时储存张力值；检查床的位置“Z点”和扫描架倾角“∠θ”；由操作人员指定穿刺位置，“A”、“B”两点坐标；由A、B、Z点坐标及∠θ值，计算出∠α、∠Φ和DE长度；CPU发出指令控制偏转电机动作；油缸偏转至∠Φ；CPU发出指令控制伸缩油缸电机动作；油缸伸缩到DE；CPU发出指令控制扫描架旋转电机动作，使扫描架旋转至∠α；将当前张力值与储存值进行比较；穿刺器动作。

7.根据权利要求5所述的数字化呼吸门控CT导航手术系统使用方法，准备扫描；启动呼吸门控部分；开始扫描，同时记录当前张力值大小；扫描结束同时储存张力值；检查床的位置“Z点”和扫描架倾角“∠θ”；由操作人员指定穿刺位置，“A”、“B”两点坐标；由A、B、Z点坐标及∠θ值，计算出∠α、∠Φ和DE长度；CPU发出指令控制丝杠电机动作；偏转轴到达Xe；CPU发出指令控制伸缩电机动作；伸缩杆2到达Ye；CPU发出指令控制偏转电机动作；偏转油缸到达∠α；CPU发出指令控制伸缩油缸动作；伸缩杆到达DE；将当前张力值与储存值进行比较；穿刺器动作。

8.根据权利要求5所述的数字化呼吸门控CT导航手术系统使用方法，准备扫描；启动呼吸门控部分；开始扫描，同时记录当前张力值大小；扫描结束同时储存张力值；检查床的位置“Z点”和扫描架倾角“∠θ”；由操作人员指定穿刺位置，“A”、“B”两点坐标；计算出C点坐标；CPU发出指令机械臂进行定位动作；将当前张力值与储存值进行比较；穿刺器动作。

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