CN207855724U - 一种跟踪系统坐标系校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种跟踪系统坐标系校准装置，其包括穿刺套件、移动单元、校准容器和信息处理单元，穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端部；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；通过添加一个角度调整指示刻度盘辅助装置，并在术前规划的基础上计算出针点位置、规划路径以及所需的穿刺旋转角，使得改进后的穿刺套件能够实现精准的旋转操作，具有较高的精度，以及高度的个体特异性，实现精确穿刺。

Description

一种跟踪系统坐标系校准装置

技术领域

本实用新型属于医疗仪器领域，具体的涉及一种用于前列腺病变组织的局部穿刺方法，及跟踪系统坐标系校准装置。

背景技术

前列腺癌是男性人群中最常见的癌症之一，并且其致死率在非皮肤癌中排行第二。目前，最为流行的前列腺癌筛查方法是血清前列腺特异性抗原筛查，其次是在实时2D经直肠超声引导下进行的六次或更多次活检。作为这一程序的部分，通常将前列腺分为6个等体积的区域。以系统的、但本质上无方向性的方式从这六个区域中的每个获取一次或多次活检。这一程序称为六分仪活检。

由于六分仪活检成本低并且相对于检测前列腺癌的其他方法较为简单而被广泛使用。然而，六分仪活检已经表现出具有严重的假阴性率，并且可能关于活检的真实位置不准确。通常使用前列腺的原始标准图报告六分仪活检的结果，在前列腺的原始标准图上，病理医师手动地注解活检结果。这张图本质上是不准确的，因为进行注解的病理医师不知道活检的真实部位。经直肠超声(TRUS)引导的系统性穿刺活检似乎解决了上述的技术难题，因其实时性，成像无辐射，低成本和操作简单等性能已成为检查诊断前列腺癌的重要指标。但是，超声成像速度快，虽然可以在术中实时成像，但由于超声波图像的分辨率有限，图像中软组织间的区分度也不高，虽能实时追踪采样导管的位置，却无法通过图像对病变组织进行精确定位，导致单纯基于超声的采样方法，对癌症检测的灵敏度不高，只有60％至85％。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于前列腺穿刺术的穿刺套件结构改进及术前穿刺针空间位置的计算方法，使得术中旋转穿刺针成为可能，且其操作角度提示更精确，并给出一种个性化的术前穿刺针空间位置的计算方法，实现精准的六分仪活检操作。该方法主要针对现有技术中存在的以下技术问题：

(1)旋转操作的角度提示不精确

因为仅通过与穿刺针针尖共面的尾标来感观地提示旋转角度，没有对旋转操作进行量化，随着精准化手术时代的到来，必然要求量化的操作提示，所以带精准刻度的手术套件成为必然。

(2)六分仪活检位置的确定完全凭经验

因为前列腺介入手术在2D经直肠超声引导下进行的，只能看到前列腺组织轮廓而看不到软组织，则对慢性前列腺炎、前列腺肥大、与早期前列腺癌不能敏感区分，所以六分仪活检通常分别从前列腺顶部、中部和底部、左右两侧平均分成六部分，进行代表性样品取出，这种随机的活检是在没有准确掌握癌症位置时所进行的预测，无法保证癌症的高检出率，大多数的癌症发生在前列腺的顶部区域，虽然活检经由TURS导引，但是穿刺针可能无法准确地到达目标区域，仅医生技能和经验对穿刺针定位，无法准确确定是否准确。

本实用新型就是给医生提供一种能够精确地操作前列腺穿刺针进行活检取出方法，并给出术前穿刺针空间位置的计算方法。通过对传统的六分仪活检进行改进，即将以往对前列腺整体进行六部分均分(前列腺顶部、中部和底部、左右两侧)改进为只对感兴趣区域选点穿刺，通过术前影像信息完全能提供给医生清晰地、立体的前列腺病变区域，通过添加一个角度调整指示刻度盘辅助装置，并在术前规划的基础上计算出针点位置、规划路径以及所需的穿刺旋转角，使得改进后的穿刺套件能够实现精准的旋转操作，具有较高的精度，以及高度的个体特异性，实现精确穿刺。

本实用新型的技术方案是：

一种方法，其特征在于包括以下步骤：

将穿刺套件插入到位于受检者的身体中的腔中，所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端部；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；

将所述穿刺针操纵成与位于所述腔的壁中的目标检测点接触；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端前部和目标出针点之间的期望的接触力；以及

根据所述期望的接触力调整穿刺针手柄尾端空间姿态，直至到达期望的第一目标入针点，通过所述软管取出受检组织物A1；

继续调整穿刺针手柄尾端的空间姿态，到达预先规划的第二、第三、第四、第五、第六目标入针点；通过所述软管取出受检组织物A2、A3、A4、A5、A6。

进一步地，所述外鞘的尾端外缘还接一个角度提示刻度盘，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

进一步地，包括：

穿刺点勾画，对受检者在术前预先获取医学成像模态，根据所述成像模态上进行路径规划操作，以及

采用迭代阈值分割结合形态学操作进行受检部位图像分割，在分割后的受检部位区域内采用双阈值法进行目标特征形态的提取，然后采用面绘制方法进行三维可视化，最后将可视化影像导入3D Slicer由操作者基于目标特征形态的空间解剖位置关系选取第一目标入针点至第六目标入针点，从而取出受检组织物A2、A3、A4、A5、A6。

进一步地，包括，

所述医学成像模态是下列之一，医学共振(MR)成像；计算机断层摄影(CT)成像；正电子发射光谱(PET)成像；或单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像。

进一步地，包括，超声图像与跟踪系统坐标系校准的计算，

第一步，医学成像模态设备有自定义的坐标系，记为所述方法中的跟踪系统坐标系C_T，根据医学成像模态图像DICOM文件中的体素位置参数、体素大小参数、层距参数，获得参考点的坐标信息；

第二步，将校准容器内注入水或耦合剂，将穿刺套件放于固定支架上，贴于容器一侧并固定，实时采集校准容器内的超声图像，记录此时第二位置传感器给出的转换矩阵T2；

第三步，将金属探针定位器固定于探针夹持支架上，移动金属探针定位器空间位置，当超声图像上出现亮点时，停止移动，此时金属探针定位器固定，金属探针针尖位于超声成像区域内，记录此时金属探针定位器在跟踪系统坐标系C_T中的坐标P_i，并记录超声图像上此亮点在超声图像坐标系Cus上的坐标I_i；

第四步，重复上述操作n次，得到跟踪系统坐标系C_T中的点集P_i(i＝1,2,…,n)，这n个点的坐标均不相同，并得到与这n个点对应的超声图像坐标系Cus中的点集I_i(i＝1,2,…,n)；由坐标关系，P_i＝T2·T1·I_i，其中P_i、I_i、T2均为已知，T1待求。

进一步地，包括，

令US坐标系(Cus)与跟踪系统坐标系(C_T)之间的转换矩阵T＝T2·T1，那么Pi＝T·Ii；求解T采用下列刚性点集配准方法之一，ICP(Iterative Closest Points)算法、CPR(coherent point drift)算法、RP(robust point match)算法；求出T后，T1＝(T2)-1·T。

作为本实用新型的一个实施例，还提供一种设备，其特征在于包括：穿刺套件、移动单元、校准容器和信息处理单元，

所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端部；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端前部和目标出针点之间的期望的接触力的处理器；以及

响应于所述处理器和所述超声换能器回波信号建立超声图像的信息处理单元，

所述移动单元在三维方向上对夹持物实时移动；

所述校准容器为一顶端开口的容器。

进一步地，包括，

所述外鞘的尾端外缘还接一个角度提示刻度盘，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

进一步地，包括，

金属探针定位器，所述金属探针定位器由手柄、针、定位传感器组成，跟踪系统可实时显示定位传感器在跟踪系统坐标系中的实时坐标。

进一步地，包括，

所述移动单元由底座和若干杆件以及夹持器组成，杆件之间由滑轨连接，可滑动并固定夹持器夹持金属探针定位器，并可使之移动到目标位置并固定，使金属探针定位器保持向下垂直。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的六点取样示意图。

图2为本实用新型的角度刻度盘示意图装置的示意图。

图3为本实用新型的超声图像与跟踪系统坐标系校准计算方案流程图。

图4为本实用新型的US与跟踪系统坐标系校准装置。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

本实用新型主要包括两个方面：

一个是穿刺套件结构改进使得在术中操作时精确提示旋转角度；另一个是配套地给出一种个性化的旋转角度计算方法。

1)穿刺套件结构改进

手术操作过程分析：

手术时，病人平躺，介入医师将经直肠的穿刺套件经过直肠进入前列腺，超声波经过直肠壁、前列腺、和直肠交界面从前列腺一侧进入前列腺，为了保证超声信号的穿透能力，工作频率通常在6.5MHz左右，由于术前医生已经获得病变区域在医学成像模态设备中的位置，介入医生凭经验选取感兴趣区域进行给针，将传统的对前列腺整体进行六部分均分(前列腺顶部、中部和底部、左右两侧)改进为只对上述感兴趣区域的病变组织选点穿刺，分别对所述病变组织的上-下、左-右、前-后六个方向选点，如图1；由于直肠与前列腺为不连通器官，穿刺针只能在直肠内进行，穿刺套件只能在直肠上下移动，因此如果需要尽可能减少穿刺针进入前列腺的刺点数以及深度的情况下，需对穿刺针前进方向进行调整，即手持穿刺针手柄尾端进行绕手柄所在轴自身旋转，使得穿刺针在对病变组织一次进针的情况下通过进出和旋转实现六点取样。

穿刺套件改进：

为了协助医生操作，穿刺套件的穿刺针手柄尾端包含向位于控制台中的处理器提供信号的位置传感器。处理器可履行如下描述的若干处理功能，在穿刺套件中引入接触力传感器和位置传感器，在穿刺套件外鞘的尾端外缘接一个角度提示刻度盘。角度刻度盘设计如图2：刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合；角度增大的方向为逆时针方向；中央的孔洞为留出孔，用于嵌套在穿刺套件的外鞘上。手术前建立好受检部位的空间位置，并且根据接触力传感器的读数来建立穿刺针远程前端部和目标出针点之间的期望的接触力，通常情况不同的受检部位(例如前列腺、直肠、子宫等)的受力值不同，对于个性化手术导航而言，有经验的医生提前会建立起力值和空间位置之间的关系作为辅助，手术时将带刻度盘的外鞘固定，穿刺针及软管嵌在外鞘内进出直肠或旋转操作，穿刺针尾端的箭头留出在外鞘外，通过读箭头在刻度盘的指示和处理器给出的受力参数来实时读取操作时的旋转角。

2)个性化的超声图像与跟踪系统坐标系校准的计算

配套的超声图像与跟踪系统坐标系校准计算方案流程图如图3：

第一步，医学成像模态设备有自定义的坐标系，记为所述方法中的跟踪系统坐标系C_T，根据医学成像模态图像DICOM文件中的体素位置参数、体素大小参数、层距参数，获得参考点的坐标信息；

第二步，将校准容器(4)内注入水或耦合剂，将穿刺套件(9)放于固定支架(11)上，贴于容器(4)一侧并固定，实时采集校准容器(4)内的超声图像(6)，记录此时第二位置传感器(10)给出的转换矩阵T2；

第三步，将金属探针定位器5(由柄5-1和针5-2组成)固定于探针夹持支架上，移动金属探针定位器(5)空间位置，当超声图像上出现亮点时，停止移动，此时金属探针定位器固定，金属探针针尖(5-2)位于超声成像区域内，记录此时金属探针定位器(5)在跟踪系统坐标系C_T中的坐标(7)P_i，并记录超声图像上此亮点在超声图像坐标系Cus上的坐标(8)I_i；第四步，重复上述操作n次，得到跟踪系统坐标系C_T中的点集P_i(i＝1,2,…,n)，这n个点的坐标均不相同，并得到与这n个点对应的超声图像坐标系Cus中的点集I_i(i＝1,2,…,n)；由坐标关系，P_i＝T2·T1·I_i，其中P_i、I_i、T2均为已知，T1待求。

令US坐标系(Cus)与跟踪系统坐标系(C_T)之间的转换矩阵T＝T2·T1，那么Pi＝T·Ii；求解T采用下列刚性点集配准方法之一，ICP(Iterative Closest Points)算法、CPR(coherent point drift)算法、RP(robust point match)算法；求出T后，T1＝(T2)-1·T。

如图4所示，探针夹持支架(1)的目的是夹持金属探针定位器(5)，并可使金属探针定位器 (5)移动到目标位置并固定。探针夹持支架由底座和支架杆(1)、横杆(2)、纵杆(3)组成，支架杆(1)、横杆(2)、纵杆(3)之间由滑轨连接，可滑动并固定。纵杆(3)上装有夹持器，可夹持金属探针定位器(5)的柄5-1，使针5-2保持向下垂直。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种跟踪系统坐标系校准装置，其特征在于包括：穿刺套件、移动单元、校准容器和信息处理单元，

所述穿刺套件具有外鞘、嵌在所述外鞘内的穿刺针及软管，所述外鞘的尾端外缘接第一位置传感器，所述穿刺针有供操作者手持的手柄尾端和接触受检部位的远程前端部；位于所述远程前端部的接触力传感器、位于所述远程前端部的发射器、接收器和超声换能器，以及位于所述远程前端部后侧的第二位置传感器；

响应于所述接触力传感器的读数来建立所述穿刺针远程前端部和目标出针点之间的期望的接触力的处理器；以及

响应于所述处理器和所述超声换能器回波信号建立超声图像的信息处理单元，

所述移动单元在三维方向上对夹持物实时移动；

所述校准容器为一顶端开口的容器。

2.根据权利要求1所述的一种跟踪系统坐标系校准装置，其特征在于包括，

所述外鞘的尾端外缘还接一个角度提示刻度盘，所述角度提示刻度盘为逆时针方向布置，刻度盘中0刻度的方向与人体坐标系的矢状轴重合。

3.根据权利要求2所述的一种跟踪系统坐标系校准装置，其特征在于包括，

金属探针定位器，所述金属探针定位器由手柄、针、定位传感器组成，跟踪系统可实时显示定位传感器在跟踪系统坐标系中的实时坐标。

4.根据权利要求3所述的一种跟踪系统坐标系校准装置，其特征在于包括，

所述移动单元由底座和若干杆件以及夹持器组成，杆件之间由滑轨连接，可滑动并固定夹持器夹持金属探针定位器，并可使之移动到目标位置并固定，使金属探针定位器保持向下垂直。