TWI726548B

TWI726548B - 手術導引系統

Info

Publication number: TWI726548B
Application number: TW108147165A
Authority: TW
Inventors: 劉浩澧; 王昱欣; 廖振淵; 郭沁儒; 王御丞
Original assignee: 浩宇生醫股份有限公司
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-05-01
Also published as: TW202123893A

Abstract

一種手術導引系統適用於一超音波探頭及一手術工具，並包含一第一固定件、一第一特徵圖案、一攝影單元、一儲存單元、一顯示單元、及一處理單元。該處理單元電連接該儲存單元、該超音波探頭、該攝影單元、及該顯示單元，並根據該攝影單元所擷取的一即時影像所包含的該第一特徵圖案，及該儲存單元所儲存的一第一相對位置關係與一第二相對位置關係，獲得該超音波探頭所偵測的一個二維超音波影像及該手術工具在空間上的相對位置關係，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元。

Description

手術導引系統

本發明是有關於一種手術導引系統，特別是指一種用於醫學超音波的手術導引系統。

現有的腫瘤的治療方法，除了手術切除之外，部分症狀如腫瘤小於3公分者，也適用一種電燒治療的手術(又稱射頻消融術)。習知的電燒治療不但需要醫師一邊手持超音波探頭，還需要以另一隻手握持電燒針，並將電燒針保持在超音波探頭所掃描的扇形平面上，即以一種共面(in-plane)的方式同時操作超音波探頭及電燒針，才能將電燒針在人體組織中的位置顯示在超音波影像中，進而能夠操作電燒針至腫瘤位置。然而，習知這種採用共面操作方式的電燒治療便存有不少的改善空間。

因此，本發明的目的，即在提供一種用於超音波檢查並輔助手術工具之定位與導引的手術導引系統。

於是，根據本發明之一觀點，提供一種手術導引系統，適用於一超音波探頭及一包括一施作端的手術工具，並包含一第一固定件、一第一特徵圖案、一第二固定件、一攝影單元、一儲存單元、一顯示單元、及一處理單元。

該第一固定件可分離地與該手術工具結合。該第一特徵圖案設置於該第一固定件上，且用於作影像辨識分析。該第二固定件可分離地與該超音波探頭結合。該攝影單元設置於該第二固定件，以擷取包含該第一特徵圖案的一即時影像。該儲存單元儲存該施作端與該第一特徵圖案在空間上的一第一相對位置關係，且還儲存藉由該超音波探頭偵測所產生的一個二維超音波影像與該攝影單元在空間上的一第二相對位置關係。

該處理單元電連接該儲存單元、該超音波探頭、該攝影單元、及該顯示單元，並根據該即時影像的該第一特徵圖案、該第一相對位置關係、及該第二相對位置關係，獲得該二維超音波影像及該手術工具在空間上的相對位置關係，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元。

在一些實施態樣中，該手術導引系統還適用於一包括一目標物的待測物。其中，該超音波探頭偵測所產生的該二維超音波影像包含該目標物。當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於一共面(in-plane)狀態，且該施作端還未出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端所延伸的一延長線及該目標物，顯示於該顯示單元。而當該施作端與該二維超音波影像處於該共面狀態，且該施作端已出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端、該延長線、該目標物、及位於該施作端的一工作範圍，顯示於該顯示單元。

在另一些實施態樣中，該手術導引系統還適用於一包括一目標物的待測物。其中，該超音波探頭偵測所產生的該二維超音波影像包含該目標物。當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於一非共面(out-plane)狀態，且該施作端的投影還未出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端所延伸的一延長線的一投影線、該延長線與該二維超音波影像相交的一預計工作範圍、及該目標物，顯示於該顯示單元。而當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於該非共面(out-plane)狀態，且該施作端的該投影已出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端的該投影、該投影線、該預計工作範圍、該目標物、及位於該施作端的一工作範圍的投影，顯示於該顯示單元。

在另一些實施態樣中，其中，該處理單元還控制該顯示單元顯示一個即時三維影像，該即時三維影像包含該二維超音波影像、該延長線、及該目標物，或還包含該施作端、該工作範圍、該預計工作範圍、該延長線的該投影線、該施作端的該投影、及該施作端的該工作範圍的投影之其中部分者。

在另一些實施態樣中，該手術工具還包括一本體，其中，該第一固定件設置於該本體上，使得該第一特徵圖案不會被一使用者的手部遮蔽。

在另一些實施態樣中，其中，該第一特徵圖案包括N個子圖案，N為正整數且大於等於2，該N個子圖案位於一平面上，該等子圖案包含一個一維條碼、一個二維條碼、及一個包含電腦視覺特徵的影像之其中至少一者。

於是，根據本發明之另一觀點，提供一種手術導引系統，適用於一超音波探頭及一包括一施作端的手術工具，並包含一第一固定件、一第一特徵圖案、一第二固定件、一第二特徵圖案、一攝影單元、一儲存單元、一顯示單元、及一處理單元。

該第一固定件可分離地與該手術工具結合。該第一特徵圖案設置於該第一固定件上，且用於作影像辨識分析。該第二固定件可分離地與該超音波探頭結合。該第二特徵圖案設置於該第二固定件上，且用於作影像辨識分析。該攝影單元擷取包含該第一特徵圖案及該第二特徵圖案的一即時影像。該儲存單元儲存該施作端與該第一特徵圖案在空間上的一第一相對位置關係，且還儲存藉由該超音波探頭偵測所產生的一個二維超音波影像與該第二特徵圖案在空間上的一第二相對位置關係。

該處理單元，電連接該儲存單元、該超音波探頭、該攝影單元、及該顯示單元，並根據該即時影像的該第一特徵圖案、該第二特徵圖案、該第一相對位置關係、及該第二相對位置關係，獲得該二維超音波影像及該手術工具在空間上的相對位置關係，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元。

本發明的功效在於：藉由該第一特徵圖案及該攝影單元的設置，或藉由該第一特徵圖案及該第二特徵圖案的設置，使得該儲存單元能夠預先儲存該第一相對位置關係及該第二相對位置關係，再藉由該處理單元根據該即時影像，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元，且再進一步地共同顯示作為該手術工具的該施作端的輔助與導引的標記或標線，而實現一種在該共面狀態或該非共面狀態下都能夠正確提供定位與導引的手術導引系統。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明手術導引系統之一第一實施例，適用於一使用者、一超音波探頭9、一手術工具8、及一包括一目標物92的待測物，並包含一第一固定件5、一第一特徵圖案6、一第二固定件7、一攝影單元2、一儲存單元3、一顯示單元4、及一處理單元1。該使用者例如是一醫療人員，並以一手握持超音波探頭9，且以另一手握持該手術工具8。該待測物例如是一病人的腹部組織，該目標物92例如是一肝臟腫瘤，但都不以此為限。

再參閱圖2，該攝影單元2是一單鏡頭的攝影模組，並設置於該第二固定件7，以擷取並獲得包含該第一特徵圖案6的一即時影像。該第二固定件7可分離地與該超音波探頭9結合，例如以套設、夾設、或以其他螺絲或套環等方式作固定，以使得該攝影單元2能夠搭配不同尺寸的該第二固定件7，進而固定在對應的各種不同型號的該超音波探頭9上，且保持該攝影單元2與該超音波探頭9之間的相對位置不變。

再參閱圖3，該手術工具8例如是一電燒針，並包括一本體82及一施作端81，舉例來說，以鄰近該施作端81的3公分為直徑所形成的一球體範圍84即為該電燒針所能實施電燒的範圍。該第一特徵圖案6設置於該第一固定件5上，且用於作影像辨識分析。該第一固定件5可分離地與該手術工具8的該本體82結合，例如以套設、夾設、或以其他螺絲或套環等方式作固定。舉例來說，該第一固定件5包括一支撐部71及一平面部72，該支撐部71與該手術工具8的該本體82連結設置，使得該使用者握持該手術工具8時，不會遮蔽該第一特徵圖案6。

再參閱圖4，該第一特徵圖案6包括多個子圖案61、62，該等子圖案61、62位於一平面上，承續前例，即該等子圖案61、62設置在該第一固定件5的該平面部72上。該等子圖案61、62該等子圖案包含至少一個一維條碼、至少一個二維條碼、及至少一個包含電腦視覺特徵的影像之其中至少一者，N為正整數且大於等於2，該至少一個包含電腦視覺特徵的影像用於提供作影像辨識。在本實施例中，N等於4，且每一該子圖案62為不同的一個二維條碼。另外要提醒的是：圖4僅簡單顯示該等子圖案61、62的相對關係，並省略該等子圖案62的每一該二維條碼而未畫出。此外，在其他實施例中，當N等於2時，例如是選擇該四個子圖案62之其中對角的二個為不同的二個該二維條碼。

該儲存單元3例如是記憶體或磁碟等儲存裝置，並儲存手術工具8的該施作端81與該第一特徵圖案6在空間上的一第一相對位置關係，且還儲存藉由該超音波探頭9偵測所產生的一個二維超音波影像91與該攝影單元2在空間上的一第二相對位置關係。由於該施作端81與該第一特徵圖案6之間的相對位置，及該超音波探頭9與該攝影單元2之間的相對位置都是固定且事先已知，所以該儲存單元3能夠預先獲得並儲存該第一相對位置關係及該第二相對位置關係，如轉換矩陣、轉換公式等。

該處理單元1例如是微處理器、電腦主機等運算裝置，並電連接該儲存單元3、該超音波探頭9、該攝影單元2、及該顯示單元4，且接收該即時影像及該二維超音波影像91，並根據該即時影像的該第一特徵圖案6、該第一相對位置關係、及該第二相對位置關係，作影像辨識以獲得該二維超音波影像91及該手術工具8在空間上的相對位置關係，以將該二維超音波影像及該手術工具8在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元4。再者，該處理單元1還控制該顯示單元4顯示一個即時三維影像，該即時三維影像至少包含該二維超音波影像91，或還包含該施作端81。此外，該處理單元1還控制該顯示單元4顯示輔助與導引的標記或標線，以輔助該使用者對該手術工具8的該施作端81的定位與導引。該顯示單元4例如是一顯示螢幕、一頭戴式顯示器、或一穿透式顯示裝置等等。

更詳細地說，參閱圖1與圖5，圖5示例性地說明該手術工具8的該施作端81與該二維超音波影像91處於一共面(in-plane)狀態的一種態樣。該顯示單元4顯示二個子畫面48、49，該子畫面48顯示當該施作端81還未出現在該二維超音波影像91中時，該處理單元1將該施作端81所延伸的一延長線41及該目標物92，顯示於該顯示單元4。圖5所顯示的是該使用者手持該手術工具8且該延長線41正好通過該目標物92時。該子畫面49同時顯示對應的該即時三維影像。再參閱圖6，當該施作端81已出現在該二維超音波影像91中時，該處理單元1將該延長線41、該目標物92、及位於該施作端81的一工作範圍(即該球體範圍)44，顯示於該顯示單元4。圖6所顯示的是該使用者手持該手術工具8且該延長線41正好通過該目標物92且該施作端81正在接近該目標物92時。

參閱圖1與圖7，圖7示例性地說明該手術工具8的該施作端81與該二維超音波影像91處於一非共面(out-plane)狀態的一種態樣。該子畫面48顯示當該施作端81的投影還未出現在該二維超音波影像91中時，該處理單元1將該施作端81所延伸的該延長線41的一投影線42、該延長線41與該二維超音波影像91相交的一預計工作範圍43、及該目標物92，顯示於該顯示單元4。圖7所顯示的是該使用者手持該手術工具8且該延長線41正好瞄準該目標物92時。該子畫面49也同時顯示對應的該即時三維影像。再參閱圖8，當該施作端81的該投影83已出現在該二維超音波影像91中時，該處理單元1將該施作端81的該投影83、該投影線42、該預計工作範圍43、該目標物92、及位於該施作端81的該工作範圍44的投影，顯示於該顯示單元4。圖8所顯示的是該使用者手持該手術工具8且該延長線正好瞄準該目標物92且該施作端81正好抵達該目標物92時，此時，該預計工作範圍43、該目標物92、該工作範圍44、及該工作範圍44的該投影正好都重疊，且該延長線與該投影線42也正好重疊。

另外要特別說明的是：為圖式方便且清楚說明起見，圖5與圖7的該子畫面49中的一平面區域92(即該子畫面48)省略該二維超音波影像91的圖式，僅保留標線與標號。且圖7的子畫面49中的該平面區域92還省略該投影線42。此外，在本實施例中，該手術工具8示一電燒針，而在其他的實施例中，該手術工具8也可以是其他用於穿刺、燒灼、或提取組織的手持工具。再者，該手術導引系統也能夠還適用於另一手術工具，只要藉由與該第一特徵圖案6相似的另一特徵圖案設置於該另一手術工具，則該處理單元1即能夠以類似的方式在該顯示單元4中顯示該另一手術工具，及相關的導引與定位的標記或標線。

參閱圖9，本發明手術導引系統之一第二實施例，大致上是與該第一實施例相同，不同的地方在於：該攝影單元2不設置在該第二固定件7上，且該手術導引系統還包含一第二特徵圖案60，該第二特徵圖案60與該第一特徵圖案6相似，並設置於該第二固定件7上，且用於作影像辨識分析。該攝影單元2擷取包含該第一特徵圖案6及該第二特徵圖案60的該即時影像，以提供該處理單元1作影像辨識以計算該二維超音波影像91及該手術工具8在空間上的相對位置關係，進而將該二維超音波影像及該手術工具8在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元4。

綜上所述，藉由該第一特徵圖案及該攝影單元的設置，或藉由該第一特徵圖案及該第二特徵圖案的設置，使得該儲存單元能夠預先儲存該第一相對位置關係及該第二相對位置關係，再藉由該處理單元根據該即時影像作影像辨識，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並以二維及三維兩種呈現的方式，共同顯示於該顯示單元，且再進一步地顯示作為該手術工具的該施作端的輔助與導引的標記或標線，而實現一種在該共面狀態或該非共面狀態下都能夠正確提供定位與導引的手術導引系統，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1:處理單元 2:攝影單元 3:儲存單元 4:顯示單元 41:延長線 42:投影線 43:預計工作範圍 44:工作範圍 48:子畫面 49:子畫面 5:第一固定件 6:第一特徵圖案 60:第二特徵圖案 61:子圖案 62:子圖案 7:第二固定件 71:支撐部 72:平面部 8:手術工具 81:施作端 82:本體 83:施作端的投影 84:球體範圍 9:超音波探頭 91:二維超音波影像 92:目標物 98:平面區域

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明手術導引系統的一第一實施例；圖2是一示意圖，說明該第一實施例的一超音波探頭及一第二固定件的一種態樣；圖3是一示意圖，說明該第一實施例的一手術工具、一第一固定件、及一第一特徵圖案的一種態樣；圖4是一示意圖，說明該第一實施例的該第一特徵圖案的一種態樣；圖5是一示意圖，說明該第一實施例的一顯示單元所呈現的內容；圖6是一示意圖，輔助圖5說明該第一實施例的該顯示單元所呈現的內容；圖7是一示意圖，說明該第一實施例的該顯示單元所呈現的另一種內容；圖8是一示意圖，輔助圖7說明該第一實施例的該顯示單元所呈現的內容；及圖9是一方塊圖，說明本發明手術導引系統的一第二實施例。

1:處理單元

2:攝影單元

3:儲存單元

4:顯示單元

5:第一固定件

6:第一特徵圖案

7:第二固定件

8:手術工具

81:施作端

82:本體

9:超音波探頭

Claims

一種手術導引系統，適用於一超音波探頭、一包括一目標物的待測物、及一包括一施作端的手術工具，並包含：一第一固定件，可分離地與該手術工具結合；一第一特徵圖案，設置於該第一固定件上，且用於作影像辨識分析；一第二固定件，可分離地與該超音波探頭結合；一攝影單元，設置於該第二固定件，以擷取包含該第一特徵圖案的一即時影像；一儲存單元，儲存該施作端與該第一特徵圖案在空間上的一第一相對位置關係，且還儲存藉由該超音波探頭偵測所產生的一個二維超音波影像與該攝影單元在空間上的一第二相對位置關係；一顯示單元；及一處理單元，電連接該儲存單元、該超音波探頭、該攝影單元、及該顯示單元，並根據該即時影像的該第一特徵圖案、該第一相對位置關係、及該第二相對位置關係，獲得該二維超音波影像及該手術工具在空間上的相對位置關係，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元；其中，該超音波探頭偵測所產生的該二維超音波影像包含該目標物，當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於一共面(in-plane)狀態，且該施作端還未出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端所延伸的一延長線及該目標物，顯示於該顯示單元，而當該施作端與該二維超音波影像處於該共面狀態，且該施作端已出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端、該延長線、該目標物、及位於該施作端的一工作範圍，顯示於該顯示單元，該超音波探頭偵測所產生的該二維超音波影像包含該目標物，當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於一非共面(out-plane)狀態，且該施作端的一投影還未出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端所延伸的一延長線的一投影線、該延長線與該二維超音波影像相交的一預計工作範圍、及該目標物，顯示於該顯示單元，而當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於該非共面(out-plane)狀態，且該施作端的該投影已出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端的該投影、該投影線、該預計工作範圍、該目標物、及位於該施作端的一工作範圍的一投影，顯示於該顯示單元。
如請求項1所述的手術導引系統，其中，該處理單元還控制該顯示單元顯示一個即時三維影像，該即時三維影像包含該二維超音波影像、該延長線、及該目標物，或還包含該施作端、該工作範圍、該預計工作範圍、該延長線的該投影線、該施作端的該投影、及位於該施作端的該工作範圍的該投影之其中部分者。
如請求項1所述的手術導引系統，該手術工具還包括一本體，其中，該第一固定件設置於該本體上，使得該第一特徵圖案不會被一使用者的手部遮蔽。
如請求項1所述的手術導引系統，其中，該第一特徵圖案包括N個子圖案，N為正整數且大於等於2，該N個子圖案位於一平面上，該等子圖案包含至少一個一維條碼、至少一個二維條碼、及至少一個包含電腦視覺特徵的影像之其中至少一者。
一種手術導引系統，適用於一超音波探頭、一包括一目標物的待測物、及一包括一施作端的手術工具，並包含：一第一固定件，可分離地與該手術工具結合；一第一特徵圖案，設置於該第一固定件上，且用於作影像辨識分析；一第二固定件，可分離地與該超音波探頭結合；一第二特徵圖案，設置於該第二固定件上，且用於作影像辨識分析；一攝影單元，擷取包含該第一特徵圖案及該第二特徵圖案的一即時影像；一儲存單元，儲存該施作端與該第一特徵圖案在空間上的一第一相對位置關係，且還儲存藉由該超音波探頭偵測所產生的一個二維超音波影像與該第二特徵圖案在空間上的一第二相對位置關係；一顯示單元；及一處理單元，電連接該儲存單元、該超音波探頭、該攝影單元、及該顯示單元，並根據該即時影像的該第一特徵圖案、該第二特徵圖案、該第一相對位置關係、及該第二相對位置關係，獲得該二維超音波影像及該手術工具在空間上的相對位置關係，以將該二維超音波影像及該手術工具在空間上正確疊合並顯示於該顯示單元；其中，該超音波探頭偵測所產生的該二維超音波影像包含該目標物，當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於一共面(in-plane)狀態，且該施作端還未出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端所延伸的一延長線及該目標物，顯示於該顯示單元，而當該施作端與該二維超音波影像處於該共面狀態，且該施作端已出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端、該延長線、該目標物、及位於該施作端的一工作範圍，顯示於該顯示單元，該超音波探頭偵測所產生的該二維超音波影像包含該目標物，當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於一非共面(out-plane)狀態，且該施作端的一投影還未出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端所延伸的一延長線的一投影線、該延長線與該二維超音波影像相交的一預計工作範圍、及該目標物，顯示於該顯示單元，而當該手術工具的該施作端與該二維超音波影像處於該非共面(out-plane)狀態，且該施作端的該投影已出現在該二維超音波影像中時，該處理單元將該施作端的該投影、該投影線、該預計工作範圍、該目標物、及位於該施作端的一工作範圍的一投影，顯示於該顯示單元。
如請求項5所述的手術導引系統，其中，該處理單元還控制該顯示單元顯示一個即時三維影像，該即時三維影像包含該二維超音波影像、該延長線、及該目標物，或還包含該施作端、該工作範圍、該預計工作範圍、該延長線的該投影線、該施作端的該投影、及位於該施作端的該工作範圍的該投影之其中部分者。