TWI824964B - 手術定位系統及定位方法 - Google Patents
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Abstract
一種手術定位系統及定位方法，係在使用者身上設置複數定位元件；利用一攝影裝置預先掃描使用者的一身體，產生一組掃描影像，且掃描影像上包含代表定位元件的位置的複數第一標記點；通過一主機將掃描影像建立成身體之一3D模型；使用者手術時，利用一X光機掃描使用者的身體，產生一組2D影像，且2D影像上包含代表定位元件的位置的複數第二標記點；以及主機將第二標記點與第一標記點進行對位以重建3D模型，產生代表使用者在手術時之姿勢的一3D手術模型。藉由本發明可在手術中產生符合使用者目前姿勢的3D手術模型，以精準定位病灶的位置。
Description
本發明係有關一種手術定位技術，特別是指一種手術定位系統及定位方法。
由於微創手術並沒有打開皮膚，而只是在皮膚上鑽洞讓手術刀深入體內，因此手術視野全靠電腦製作的3D影像。故而微創手術中病灶位置的精準定位，於診斷、治療與預後等相關應用，是個十分重要的議題。以胸腔科為例，胸腔外科術前的評估與手術切除，進行結節真實位置定位；胸腔內科進行EBUS-TBNA支氣管內視鏡淋巴結細針採樣，確認癌症期別。以骨科為例，脊椎手術中脊柱的骨釘植入、骨腫瘤植入物的3D影像合成等，都需要在手術中精準定位病灶的位置。
但由於術前定位多採勾針、注射甲基藍標記定位，因此手術前需再拍攝一次電腦斷層攝影，或於手術中拍攝多張不同角度X光影像。此外，進行手術時，可能因為非充氣狀態、可視視野受限等原因，使肺部狀況已與拍攝時有很大落差。再者，甲基藍於身體中已代謝，有顏色部分皆切除，容易無法確切知道應送病理的組織為何。還有一種作法是先照電腦斷層後產生3D模型，接著在手術進行中一邊手術一邊照X光，以調整下刀角度，但此做法也相當不便。
有鑑於此，本發明針對上述習知技術之缺失及未來之需求，提出一種手術定位系統及定位方法，以解決上述該等缺失，具體架構及其實施方式將詳述於下：
本發明之主要目的在提供一種手術定位系統及定位方法，其利在手術中拍攝X光影像，並將其與術前掃描的3D模型進行對位，以解決在手術進行中病灶與身體的位置落差太大，無法精準定位病灶位置的問題。
本發明之另一目的在提供一種手術定位系統及定位方法，其只需拍攝一次電腦斷層掃描，不須在術前再拍攝一次，也不需在手術時拍攝多張不同角度的X光影像。
為達上述目的，本發明提供一種手術定位系統，包括：複數定位元件，設置於一使用者身上；一攝影裝置，預先掃描使用者的一身體，產生一組掃描影像，且掃描影像上包含代表定位元件的位置的複數第一標記點；一X光機，在手術準備開始時拍攝使用者的身體，產生一2D影像，且2D影像上包含代表定位元件的位置的複數第二標記點；以及一主機，連接攝影裝置及X光機，利用掃描影像建立身體之一3D模型，及將第二標記點與第一標記點進行對位以重建3D模型，產生代表使用者在手術時之姿勢的一3D手術模型。
依據本發明之實施例，定位元件為晶片，貼附在使用者身上的特定位置。
依據本發明之實施例，定位元件係設置在不可變組織的對應位置上，包括骨骼或關節。
依據本發明之實施例，X光機設置於一手術台上方，當使用者躺在手術台上準備開始進行手術時，X光機拍攝2D影像。
依據本發明之實施例，第一標記點包括一第一基準點及複數第一對照點，第二標記點包括一第二基準點及複數第二對照點，主機將第一基準點及第二基準點對位後，依據第一、第二對照點與第一、第二基準點之相對距離和相對角度，旋轉2D影像，將第一對照點一一對應到第二對照點，使3D模型重建為3D手術模型。
依據本發明之實施例，攝影裝置為電腦斷層掃描(computerized tomography,CT)裝置、磁力共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)裝置、正電子發射斷層顯像(Positron Emission Tomography)裝置或單光子放射斷層攝影(Single-photon Emission Computed Tomography)裝置。
依據本發明之實施例，X光機更在使用者之一患部區域拍攝一張輔助影像，以供主機結合D影像及該輔助影像進行精確定位。
本發明另提供一種手術定位方法，包括下列步驟：在一使用者身上設置複數定位元件；利用一攝影裝置預先掃描使用者的一身體，產生一組掃描影像，且掃描影像上包含代表定位元件的位置的複數第一標記點；通過一主機將掃描影像建立成身體之一3D模型；使用者準備開始手術時，利用一X光機掃描使用者的身體，產生一2D影像，且2D影像上包含代表定位元件的位置的複數第二標記點；以及主機將第二標記點與第一標記點進行對位以重建3D模型，產生代表使用者在手術時之姿勢的一3D手術模型。
10:手術定位系統
12:攝影裝置
14、14a、14b:主機
16:X光機
18:顯示器
20:掃描影像
22:3D模型
24:2D影像
26:3D手術模型
30a、30b、30c:定位元件
32:使用者
第1圖為本發明手術定位系統之一實施例之方塊圖；第2圖為本發明手術定位方法之另一實施例之方塊圖；第3圖為本發明手術定位方法之流程圖；第4A圖和第4B圖分別為使用者拍攝掃描影像和2D影像時的不同姿勢之示意圖；第5圖為定位元件設置位置之一實施例示意圖。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，熟悉本技術領域者在沒有做出進步性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
應當理解，當在本說明書和所附申請專利範圍中使用時，術語「包括」和「包含」指示所描述特徵、整體、步驟、操作、元素和/或元件的存在，但並不排除一個或複數其它特徵、整體、步驟、操作、元素、元件和/或其集合的存在或添加。
還應當理解，在此本發明說明書中所使用的術語僅僅是出於描述特定實施例的目的而並不意在限制本發明。如在本發明說明書和所附申請專利範圍中所使用的那樣，除非上下文清楚地指明其它情況，否則單數形式的「一」、「一個」及「該」意在包括複數形式。
還應當進一步理解，在本發明說明書和所附申請專利範圍中使用的術語「及/或」是指相關聯列出的項中的一個或複數的任何組合以及所有可能組合，並且包括這些組合。
請參考第1圖，其為本發明手術定位系統之一實施例之方塊圖。手術定位系統10包括複數定位元件(圖中未示)、一攝影裝置12、一X光機16及一主機14。主機14連接攝影裝置12及X光機16。定位元件設置於一使用者身上。
攝影裝置12為電腦斷層掃描(computerized tomography,CT)裝置、磁力共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)裝置、正電子發射斷層顯像(Positron Emission Tomography)裝置或單光子放射斷層攝影(Single-photon Emission Computed Tomography)裝置，用以在使用者的手術準備開始前(例如使用者已被麻醉後)就先掃描使用者的一身體。掃描後會產生一組掃描影像20提供給主機14，且掃描影像20上包含代表定位元件的位置的複數第一標記點。主機14接收攝影裝置12傳送的掃描影像20，並利用多張掃描影像20建立身體之一3D模型22。
須注意的是，由於躺在手術台上的時候使用者的姿勢和拍攝掃描影像20時的姿勢必然不同，例如同樣是躺著，可能骨盆的角度不一樣。請同時參考第4A圖和第4B圖所示，其分別為使用者32在攝影裝置12下和在X光機16下不同姿勢之示意圖，其中第4A圖中的A軸為攝影裝置的拍攝角度，第4B圖中的B軸則是X光機的拍攝角度。從圖中可明顯看出使用者32的姿勢、角度不同。因此當使用者32躺上手術台後，其姿勢與3D模型22已具有相當的誤差，需重新建立符合使用者32當下姿勢的3D模型，或是對現有的3D模型
22進行校正。而由於躺在手術台上無法取得3D資訊，為了建立手術中的身體的3D手術模型，以得知手術刀的下刀位置，本發明在手術室架設C Arm之類的X光機16在手術台上方，拍攝使用者32在手術中的身體的一2D影像24，並傳送到主機14。2D影像24上包含代表定位元件的位置的複數第二標記點。當接收到X光機16送出的2D影像24時，則將2D影像24上的第二標記點與3D模型22上的第一標記點進行對位，以重建3D模型22，產生代表目前使用者32躺在手術台上的姿勢的一3D手術模型26，才能精準對位到正確的身體。此3D手術模型26會顯示在一顯示器18上，以供醫生在手術中觀看手術刀的下刀位置是否有切到3D手術模型26上的病灶處。
由於攝影裝置12和X光機16可能放在不同的地方，而使掃描拍攝的資料會儲存在不同的電腦。因此本發明還有另一實施例方塊圖，如第2圖所示，手術定位系統10包括複數定位元件(圖中未示)、一攝影裝置12、一X光機16、一主機A 14a及一主機B 14b。主機A 14a連接攝影裝置12，而主機B 14b則連接X光機16。舉例而言，主機A 14a和攝影裝置12都設在檢查室，而主機B 14b和X光機16則設在手術室。攝影裝置12掃描使用者的身體的掃描影像20後，掃描影像20被傳送到主機A 14a，並根據掃描影像20產生3D模型22。X光機16拍攝使用者在手術中的身體的2D影像24，並傳送到手術室的主機B 14b。接著主機B 14b將2D影像24與從主機A 14a處接收到的3D模型22進行對位，即可將3D模型22轉換成使用者在手術時的姿勢的3D手術模型26，並顯示在顯示器18上。
請同時參考第3圖，其為本發明手術定位方法之流程圖。在步驟S10中，在使用者身上設置複數定位元件。步驟S12中，利用一攝影裝置12
預先掃描使用者的一身體，產生一組掃描影像20，且掃描影像20上包含代表定位元件的位置的複數第一標記點。步驟S14中，通過一主機14將掃描影像20建立成身體之一3D模型22。接著如步驟S16所述，當使用者在手術進行中，利用一X光機16掃描使用者的身體，產生一組2D影像24，且2D影像24上包含代表定位元件的位置的複數第二標記點。最後如步驟S18所述，主機14b將第二標記點與第一標記點進行對位以重建3D模型22，產生代表使用者在手術時之姿勢的一3D手術模型26，並將3D手術模型26顯示在一顯示器18上。醫生憑藉3D手術模型26，可觀看手術刀是否有切割到正確的身體的位置。
第5圖為定位元件設置位置之一實施例示意圖。定位元件之數量需大於等於3，才能以三角定位技術進行定位。定位元件為晶片，貼附在使用者身上的特定位置。此特定位置係指不可變組織的對應位置上，例如骨骼或關節上的皮膚。如圖中的三個定位元件30a、30b和30c，其中定位元件30a和30b是設在左右肩膀突起的骨頭上，而定位元件30c是設在尾椎上。由於這些位置有突起結構，不論使用者是什麼姿勢都可以輕易找到這三個突起點，故較容易定位。
重建3D模型22以產生3D手術模型26的步驟包括：先設定掃描影像20上的第一標記點包括一第一基準點及複數第一對照點，及2D影像24上的第二標記點包括一第二基準點及複數第二對照點，例如第5圖中的定位元件30c為基準點，定位元件30a、30b為對照點。接著主機將第一基準點及第二基準點進行對位。此時，其餘對照點尚未對位，主機依據第一對照點與第一基準點之間的相對距離和相對角度，和第二對照點與第二基準點之間的相對距離和相對角度，全方位旋轉2D影像24，並可縮放2D影像24，使第一對照點一一可對應到第二對照點，進而將3D模型重建為3D手術模型。
此外，第5圖的三個定位元件30a、30b和30c通常為預設的固定位置，且皆設在軀幹上。但有些患部區域不在軀幹上，此時X光機16拍攝的2D影像24會無法拍到需要開刀的患處。因此，X光機16更在使用者之一患部區域拍攝一張輔助影像，以供主機14結合2D影像24及輔助影像進行精確定位。例如膝關節手術便很需要X光機16多拍攝一張局部的膝蓋輔助影像幫助定位。首先，主機14利用2D影像24上的基準點和對照點去與3D模型22對位，此3D模型包含使用者全身，而非只有軀幹部位。接著主機14再將患部區域的輔助影像套入3D模型22中，擷取出只有患部區域的3D手術模型26，即完成精確定位。
綜上所述，一般而言若身體有較嚴重的病灶，在門診時就會先進行身體掃描，產生3D病灶模型，但在手術時使用者的姿勢必然和檢查時不同，因此無法單依靠先前的3D模型在手術中精準定位。本發明所提供之手術定位系統及定位方法提供在手術進行中利用X光機拍攝2D影像，藉以將3D模型轉換成符合目前使用者躺在手術台上的姿勢。如此一來，只需拍攝一次X光，即可用定位元件去計算目前的下刀位置在疊合影像的哪個位置、是否需要調整角度，不須一邊手術一邊照X光。
唯以上該者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:手術定位系統
12:攝影裝置
14:主機
16:X光機
18:顯示器
20:掃描影像
22:3D模型
24:2D影像
26:3D手術模型
Claims (13)
- 一種手術定位系統，包括：複數定位元件，設置於一使用者身上；一攝影裝置，預先掃描該使用者的身體，產生一組掃描影像，且該組掃描影像上包含代表該等定位元件的位置的複數第一標記點；一X光機，在手術準備開始時拍攝該使用者的身體，產生一2D影像，且該2D影像上包含代表該等定位元件的位置的複數第二標記點；以及一主機，連接該攝影裝置及該X光機，利用該組掃描影像建立該身體之一3D模型，及將該等第二標記點與該等第一標記點進行對位以重建該3D模型，產生代表該使用者在手術時之姿勢的一3D手術模型。
- 如請求項1所述之手術定位系統，其中該等定位元件係貼附在該使用者身上的特定位置。
- 如請求項1所述之手術定位系統，其中該等定位元件係設置在不可變組織的對應位置上，包括骨骼或關節。
- 如請求項1所述之手術定位系統，其中該X光機設置於一手術台上方，當該使用者躺在該手術台上準備開始進行手術時，該X光機拍攝該組2D影像。
- 如請求項1所述之手術定位系統，其中該等第一標記點包括一第一基準點及複數第一對照點，該等第二標記點包括一第二基準點及複數第二對照點，該主機將該第一基準點及該第二基準點對位後，依據該等第一、第二對照點與該第一、第二基準點之相對距離和相對角度， 旋轉該組2D影像，將該等第一對照點一一對應到該等第二對照點，使該3D模型重建為該3D手術模型。
- 如請求項1所述之手術定位系統，其中該X光機更在該使用者之一患部區域拍攝一張輔助影像，以供該主機結合該2D影像及該輔助影像進行精確定位。
- 如請求項1所述之手術定位系統，其中該攝影裝置為電腦斷層掃描(computerized tomography,CT)裝置、磁力共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)裝置、正電子發射斷層顯像(Positron Emission Tomography)裝置或單光子放射斷層攝影(Single-photon Emission Computed Tomography)裝置。
- 一種手術定位方法，包括下列步驟：利用一攝影裝置預先掃描一使用者的身體，產生一組掃描影像，其中，在該使用者身上設置複數定位元件，且該組掃描影像上包含代表該等定位元件的位置的複數第一標記點；通過一主機將該組掃描影像建立成該身體之一3D模型；該使用者的手術準備開始時，利用一X光機掃描該使用者的該身體，產生一2D影像，且該2D影像上包含代表該等定位元件的位置的複數第二標記點；以及該主機將該等第二標記點與該等第一標記點進行對位以重建該3D模型，產生代表該使用者在手術時之姿勢的一3D手術模型。
- 如請求項8所述之手術定位方法，其中該等定位元件係貼附在該使用者身上的特定位置。
- 如請求項8所述之手術定位方法，其中該定位元件係設置在不可變組織的對應位置上，包括骨骼或關節。
- 如請求項8所述之手術定位方法，其中該X光機設置於一手術台上方，當該使用者躺在該手術台上準備開始進行手術時，該X光機拍攝該組2D影像。
- 如請求項8所述之手術定位方法，其中該3D手術模型之產生方法包括下列步驟：設定該等第一標記點包括一第一基準點及複數第一對照點，及該等第二標記點包括一第二基準點及複數第二對照點；該主機將該第一基準點及該第二基準點進行對位；以及依據該等第一、第二對照點與該第一、第二基準點之相對距離和相對角度，該主機旋轉該組2D影像，將該等第一對照點一一對應到該等第二對照點，使該3D模型重建為該3D手術模型。
- 如請求項8所述之手術定位方法，其中該X光機更在該使用者之一患部區域拍攝一張輔助影像，以供該主機結合該2D影像及該輔助影像進行精確定位。
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2023
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- 2023-09-18 US US18/369,637 patent/US20240346689A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| TW202108085A (zh) * | 2019-08-30 | 2021-03-01 | 國立中央大學 | 與手術導航系統整合之混合實境系統 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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