CN2587369Y - 基于c型臂x光机的电磁手术导航设备 - Google Patents
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Abstract
一种电磁手术导航设备，包括：C型臂X光机，其由C型臂影像增强器，图像校准器，X射线发射源和C型臂显像系统组成，用于对患者手术区域的正，侧位采集图像；磁场跟踪装置，由磁场源，器械手柄和磁阻传感器组成，根据手柄中的磁阻传感器感应的磁场信息确定器械手柄尖端的位置信息；控制单元，由图像单元，注册单元和导航单元构成，其中图像单元接收来自C型臂显像系统的医学图像，导航单元接收图像校准器传来的有关磁场源的注册信息和器械手柄尖端的位置信息，注册单元上述信息融合完成注册过程，建立图像和定位信息的映射关系；和显示部分，用于根据从注册单元传送来的图像信息，显示正，侧位图像和器械手柄尖端之间的虚拟的空间相对位置。
Description
技术领域
本实用新型涉及医用手术导航设备，尤其是涉及利用C型臂X光机的计算机辅助电磁手术导航设备。
背景技术
计算机辅助下的手术导航是一个正在兴起的全新技术。它是以医学影像为基础，在高性能计算机及特殊软件的辅助下，通过对手术器械的跟踪定位，实现微创手术的可视化，从而大大提高手术的成功率，减少了手术并发症的出现。目前，基于CT、MRI(Magnetic Resonance Imaging)和PET(Position Emission Tomography)获得的医学影像，通过机械或红外线导航的技术已经开始在神经外科手术中得到了很好的应用。
目前的计算机辅助医疗手术导航设备将跟踪系统和图像显示系统配合用于监视手术器械的位置，当手术器械相对人体移动时，配合预先录制的图像显示手术器械的相对移动位置，常用的跟踪装置包括：
被动式铰接臂，该装置在铰接臂的连接处装有微型记录装置，记录手术器械相对人体的位置，该装置需要附上一个粗糙笨重的机械臂，而且在人体内的某些部位难于确定该手术器械的位置和方向。
光学检测跟踪系统，包括红外线导航跟踪系统，这种系统需要一个参照单元，而且参照单元和手术装置都应在摄像机的视野中，而且要求至少一部分手术器械位于人体外，其限制了手术人员的移动并且产生设备的光线遮挡问题。
超声检测跟踪系统，其缺点是当超声检测跟踪系统已经初始化以后，在手术期间病者不能移动，而在手术过程中，医生常常要求患者移动到更有利的位置，移动的人体会造成超声检测跟踪系统的跟踪不准确。
使用可移动式C型臂X光机对于骨科和介入手术有很好的导航作用，但由于实时应用中的X射线辐射损伤对手术者的困扰，严重阻碍了其导航作用在手术中的充分发挥。另外，现有的电磁跟踪技术作为一种成熟的技术在虚拟现实中已经得到广泛应用。将它应用到医学影像的手术导航中，不仅精度可以完全满足需要，而且可以避免X线辐射损伤和红外线导航设备的光线遮挡问题。
发明内容
基于以上背景知识，为了克服上述缺陷，本实用新型的目的在于提出一种基于C型臂X光机的医学影像并应用电磁跟踪技术的电磁手术导航设备，其在高性能计算机及特殊算法的辅助下实现医疗手术中的虚拟导航，监测医疗器械相对患者人体的位置；其主要应用在临床骨科手术中，该装置在提高手术成功率的同时，也使手术者不再有受到过量X射线辐射的忧虑，使手术安全有效。
根据本实用新型第一方面的电磁手术导航设备，其包括：由影像增强器，X射线发射源和显像系统组成的C型臂X光机，用于对患者手术区域的正，侧位分别采集图像并获得关磁场源的位置信息；由磁场源，图像校准器，器械手柄和磁阻传感器组成的磁场跟踪装置，其中磁阻传感器位于用于器械手柄的手柄部分，其在磁场源形成的磁场中感应的磁场信息可确定器械手柄尖端的空间位置，图像校准器放置在C型臂X光机的影像增强器上；由图像单元，注册单元和导航单元构成的控制部分，其中，图像单元接收来自C型臂显像系统的医学图像，导航单元接收图像校准器传来的有关磁场源的位置信息，注册单元将医学图像信息和磁场源的位置信息融合，建立图像和定位信息的映射关系，形成注册信息；显示部分，用于根据从注册单元传送来的注册信息和器械手柄尖端的空间位置信息，显示正，侧位图像和器械手柄尖端之间的虚拟的空间相对位置。
根据本实用新型第二方面的电磁手术导航设备，其中所述的磁场源为三维正交线圈，由控制部分的导航单元驱动，其驱动电流可以是交变电流和直流两种。
根据本实用新型第三方面的电磁手术导航设备，其中交变电流的频率为30-120Hz。
根据本实用新型第四方面的电磁手术导航设备，其中磁场跟踪装置的磁场源一般固定在人体的与手术相关的部位上。
根据本实用新型第五方面的电磁手术导航设备，其中磁阻传感器位于器械手柄的手柄部分，其感受到的磁场源发射的磁场信息确定器械手柄的尖端的空间位置。
根据本实用新型第六方面的电磁手术导航设备，其中磁场源所产生的磁场强度应当使传感器的有效检测范围为6-50cm。
根据本实用新型第七方面的电磁手术导航设备，其中所述的导航单元包括，输入放大电路，信号处理电路，微处理器，磁场驱动电路和输出放大及D/A转换电路，输入放大电路与磁阻传感器相连，微处理器与控制部分的注册单元相连，输出放大及D/A转换电路的输出驱动磁场源的三维正交线圈。
根据本实用新型第八方面的电磁手术导航设备，其中控制部分的注册单元包括存储单元，存储多个预先录制的人体的图像，该图像包括正面和侧面两个方向的，录像的图像是采取C型臂X光机的X光图像。
根据本实用新型第九方面的电磁手术导航设备，其中影像增强器上放置的图像校准器设计有点阵和传感器，用于建立映射图像与电磁跟踪系统之间的有机联系。
附图说明
图1是本实用新型电磁手术导航设备的结构组成示意图；
图2是磁场源放置实施例示意图；
图3是C型臂X光机放大的图像校准器示意图。
图4是电磁跟踪系统结构构图；图中
1 X光机C型臂 13 侧位图像显示部分
2 C型臂影像增强 14 示部分
3 图像校准器 15 椎骨棘突
4 磁场源 16 骨钉
5 器械手柄 17 点阵
6 X射线发射源 18 传感器
7 C型臂显像系统 19 输入放大电路
8 图像单元 20 信号处理A/D电路
9 注册单元 21 微处理器
10 导航单元 22 驱动电路
11 控制部分 23 输出放大和D/A转换电路
12 正位图像显示部分
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型电磁手术导航设备的结构组成作详细说明。图1是本实用新型电磁手术导航设备的结构组成示意图；如图1所示，导航设备由下列六大部分组成，六大部分为磁场源4，X光机C型臂1，图像校准器3，器械手柄5及其中的传感器18，显示部分14和控制部分11。其中控制部分又分为三个部分，包括图像单元8，注册单元9(建立图像与导航系统的联系)和导航单元10。
正式手术前，X光机的C型臂1置于患者正位，使磁场源4与X光机影像增强器2上的图像校准器3保持在适当的距离，触发C型臂1获取X光图像，C型臂1上的显像系统7显示所得图像满意后，立即由控制部分11的图像单元8采集所得图像，同时注册。C型臂1再置于患者侧位，进行同样操作。获得正、侧位图像各一幅，由图像单元8输出，分别显示在显示部分14上，显示部分14分为三个区域：上部左右两区分别为正位图像显示部分12和侧位图像显示部分13，下部为操作控制和文字信息区(见图1)。
与CT、MRI的平面成像不同，C型臂1所获得的X光图像是投射影像，因此，基于C型臂导航系统中的图像元素与空间位置关系的映射算法要比CT和MRI系统要复杂。本实用新型按照投射几何学原理建立的3D-2D映射算法，利用图像校准器3(固定在C型臂影像增强器2上)建立图像元素与手术空间位置的映射关系。
该图像信息经X光机的C型臂1显像系统进入控制部分11的图像单元8。进入图像单元8的图像经图像单元8处理和校正后进入注册单元9。与此同时，固定在人体的磁场源4和图像校准器3(安装在C型臂影像增强器2上)中的传感器将注册信息送入导航单元10，该注册信息经处理和校正后再送入注册单元9，在注册单元9，注册信息与图像信息融合，完成注册过程。此时，就建立了医学图像与定位跟踪系统的映射关系，为虚拟导航提供基础。
注册完成后，注册图像输出到显示部分14(显示器)，显示部分14分为正位图像显示部分12和侧位图像显示部分13，为手术者提供可视化界面。获取正位图像和侧位图像以后，C型臂X光机被移走，手术者握持器械手柄5进行手术，手柄中的传感器18不断感受磁场源4发出的磁场信息，通过对传感器18六自由度的跟踪定位，确定器械手柄5的尖端的空间位置，并将其虚拟地显示在先前获得的医学图像上，实现导航过程，指导手术者的手术操作。
系统中传感器18的位置和姿态可以描述为相对于磁场源4坐标的矩阵变换结果。以磁场源4为基准建立坐标系，传感器18的空间位置球坐标为(ρ，α，β)，传感器18的空间姿态表述为三个相继的转角ω，ε和ψ。传感器18在磁场源4的一个发射周期中接收的磁场特征数据用以计算传感器18的六个自由度。位置和姿态确定后，由于手术器械5的长度和与传感器18的相对位置已知，因此可以实现器械尖端的空间定位。
图2是磁场源放置实施例示意图；如图2所示，本实施例以椎体手术为例，患者手术体位摆好后，磁场源4通过骨钉16固定在人体的手术相关椎体的棘突15上。磁场源4由控制部分11的导航单元10驱动。
图3是C型臂X光机的放大的图像校准器示意图。如前所述，C型臂X光机在正式手术前采集患者手术区的正位和侧位X光影像，这两个位置的X光影像就是以后(C型臂移开后)手术导航中的参考图像。C型臂1的图像将通过其后部的显像系统7的视频输出端口传送到控制部分11的图像单元8。C型臂1在使用前，在其影像增强器2上固定一个图像校准器3。图像校准器3上装有传感器，用以探测磁场源4和手术器械5的空间位置，图像校准器3与控制部分11的导航单元10相连。图像校准器3上的点阵17的位置关系是3D-2D的投影映射关系。图像校准器3与传感器18一起完成注册过程。C型臂1的显像系统7与控制部分11的图像单元8相连，而图像校准器3与导航单元10相连。
图4是电磁跟踪系统结构示意图；如图4所示，电磁跟踪系统包括三个部分：磁场源4、传感器18和控制部分11的导航单元10。磁场源4的固定范围的磁场用以产生传感器18可以有效测量的磁场强度。磁场的有效检测范围为8-50cm。传感器18为磁阻传感器，接收磁场源4发射的信号。系统根据接收信号的磁场特征值计算传感器4的空间位置和姿态。导航单元10为控制电路，包括驱动磁场源4的磁场驱动电路22、传感器信号处理A/D电路20和微处理器21。微处理器21还与控制部分的注册单元10连接，实现与图像系统的联系。
Claims (9)
1.一种电磁手术导航设备，其特征在于包括：
一C型臂X光机，由影像增强器，X射线发射源和显像系统组成，用于对患者手术区域的正，侧位分别采集图像并获得关磁场源的位置信息；
一磁场跟踪装置，由磁场源，图像校准器，器械手柄和磁阻传感器组成，其中磁阻传感器位于器械手柄的手柄部分，其在磁场源形成的磁场中感应的磁场信息可确定器械手柄尖端的空间位置，图像校准器放置在C型臂X光机的影像增强器上；
一控制部分，由图像单元，注册单元和导航单元构成，其中，图像单元接收来自C型臂显像系统的医学图像，导航单元接收图像校准器传来的有关磁场源的位置信息，注册单元将医学图像信息和磁场源的位置信息融合，建立图像和定位信息的映射关系，形成注册信息。
一显示部分，用于根据从所述的控制部分的注册单元传送来的注册信息和器械手柄尖端的空间位置信息，显示正，侧位图像和器械手柄尖端之间的虚拟的空间相对位置。
2.如权利要求1所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的磁场源为三维正交线圈，由所述的控制部分的导航单元驱动，其驱动电流可以是交变电流和直流两种。
3.如权利要求1或2所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的交变电流的频率为30-120Hz。
4.如权利要求1所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的磁场跟踪装置的磁场源一般固定在人体的与手术相关的部位上。
5.如权利要求1所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的磁阻传感器位于所述的器械手柄的手柄部分，其感受到的磁场源发射的磁场信息确定器械手柄的尖端的空间位置。
6.如权利要求1所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的磁场源所产生的磁场强度应当使传感器的有效检测范围为6-50cm。
7.如权利要求1或2所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的导航单元包括，输入放大电路，信号处理电路，微处理器，磁场驱动电路和输出放大及D/A转换电路，输入放大电路与磁阻传感器相连，微处理器与控制部分的注册单元相连，输出放大及D/A转换电路的输出驱动磁场源的三维正交线圈。
8.如权利要求1所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的控制部分的注册单元包括存储单元，存储多个预先录制的人体的图像，该图像包括正面和侧面两个方位的图像，录像的图像是采取C型臂X光机的X光图像。
9.如权利要求1所述的电磁手术导航设备，其特征在于：所述的影像增强器上放置的图像校准器设计有点阵和传感器，用于建立映射图像与电磁跟踪系统之间的有机联系。
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