CN105361950A - 一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航***及方法。由于人的呼吸、心跳和无意识的动作等会造成人体运动，从而会引起穿刺针与穿刺路径之间的角度偏差，以及穿刺针针尖与穿刺中心之间的距离偏差等偏差，对穿刺过程产生较大影响。本发明公开的***采用红外定位的方法，对穿刺过程中穿刺针的位置进行实时监控，从而使操作者能够及时发现出现的偏差并加以改正。本发明也涉及对应的方法。
Description
技术领域
本发明公开一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航***及方法，本***在穿刺过程中能够实时定位穿刺针与穿刺中心，并在计算机中监控进程，从而能够立刻得到穿刺针与预定义的穿刺路径之间的偏差。
背景技术
在现代外科手术中，针穿刺是一种比较普遍的技术。操作者用穿刺针刺入人体的组织或器官，完成活检、局麻等操作。该技术广泛应用于对人体肺、肾、脊柱等器官和组织的诊疗。
在穿刺手术中，穿刺精度是手术成败的关键，但是目前穿刺的准确性主要依赖于操作者的经验和技术。操作者只能在手术前通过CT等医用扫描设备在图像上大概确定穿刺中心和穿刺路径后，凭经验下针。而由病人的自主呼吸或心跳等引起的穿刺中心位置变化和人为操作失误都会直接影响穿刺位置的准确性。而且由于目前技术的局限性，操作者定义的穿刺路径基本上都是竖直的，这就使得在某些案例中，穿刺针无法避开敏感器官或组织，这给穿刺带来了极大的不便和危险。
鉴于上述问题，有必要找到一种能够实时监控穿刺针与穿刺中心及穿刺路径的***或方法来解决问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是能够实时监控穿刺针与穿刺中心及预定义的穿刺路径的位置关系，在计算机中可直观观察并指导手术进程。***可以根据数据自动规划出多条备选穿刺路径，操作者根据经验从中选择合适的路径，也可自行手动规划。同时，本发明打破了穿刺路径角度单一的局限，可以实现从任意角度进行穿刺。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，包括穿刺针模块、人体定位装置模块和监控显示模块。穿刺针模块包括穿刺针和穿刺针定位装置，穿刺针定位装置固定于穿刺针尾部，可以利用定位装置的位置配准计算得到穿刺针针尖与针尾的三维位置，进一步得到穿刺针的角度；人体定位装置模块包括固定于人体体表的定位装置，人体体表的定位装置用于间接反映人体内部各个组织和器官、穿刺中心以及穿刺路径的实时三维位置；监控显示模块包括高精度红外监控设备和计算机软件，高精度红外监控设备能拍摄获取上述定位装置的位置信息，计算机软件可进行显示、配准、计算的操作。
本发明揭示了一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航的方法，包括如下步骤：
S1：根据实际需要，在人体体表上的穿刺区域附近固定三个以上定位装置；
在本发明的至少一个实施例中，所述人体体表上的定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
安装在人体体表的定位装置的数量优选是三个及以上，以保证检测到的定位装置的运动能够充分表现出三维空间中六个自由度(三维坐标系中三个方向上的平移和旋转)的变化。如果采用不足三个定位装置，会影响定位精度，甚至定位错误。一般会选择三个以上的定位装置，以免出现因为遮挡导致的定位失误。
S2：通过医用扫描***，获得穿刺目标区域的图像，重建三维影像模型。在第一类坐标系下定义定位装置、人体内部敏感组织器官及穿刺目标，并通过计算机配准得到这些部分之间的三维相对位置关系的信息；
在计算机中定义穿刺路径，即穿刺中心到体表入针点的路径，配准计算得到体表定位装置与穿刺中心及穿刺路径之间的三维相对位置关系的信息；
S3：根据实际情况选择穿刺针型号，***内部预定义了多种穿刺针型号信息，型号信息主要是指固定于穿刺针尾部的定位装置与穿刺针针尖、针尾的三维位置关系的信息；
利用红外定位***，实时追踪固定在穿刺针尾部的定位装置，在第二类坐标系下确定其三维位置坐标，根据所选穿刺针型号和定位装置的实时三维位置配准计算得到针尖和针尾的实时三维位置坐标，并在计算机上虚拟显示穿刺针；
在本发明的至少一个实施例中，所述固定在穿刺针尾部的定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
固定于穿刺针尾部的定位装置的数量是三个，以保证检测到的定位装置的运动能够充分表现出三维空间中六个自由度(三维坐标系中三个方向上的平移旋转)的变化。如果采用不足三个定位装置，会影响定位精度，甚至定位错误。
S4：穿刺过程中，根据高精度红外监控设备实时追踪的定位装置的位置信息，在重建的三维模型中以虚拟现实的方式显示出穿刺中心、穿刺路径和穿刺针的三维位置坐标，由此，操作者能够直观地看到穿刺的整个过程；
S5：穿刺针到达穿刺中心，穿刺完成。
本发明的有益效果在于：可以实现从任意角度进行穿刺，打破了穿刺路径只能垂直人体表面的局限。可以合理规划穿刺路径，有效避开敏感器官和组织。能够对穿刺过程进行实时监控，操作者可以实时得知穿刺针与穿刺路径之间的角度偏差，及穿刺针针尖与穿刺中心之间的距离偏差等，并及时修正，从而大大提高了穿刺的准确性与安全性。
附图说明
图1是本发明在穿刺过程中应用的流程示意图。
图2中的左图是穿刺针及其定位装置的立体图，右图是穿刺针及其定位装置的俯视图。
图3是计算机三维重建的模型示意图。
图4是人体定位示意图。
图5是穿刺过程的示意图。
图6是穿刺***总示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
参考图2～6，固定于穿刺针上的定位装置和人体体表上的定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球。红外定位小球表面覆盖一层能够反射绝大部分入射红外光线的材料。高精度红外监控设备发射红外光被小球反射回来，监控设备接收反射回来的红外光线，分析数据计算得到小球的三维位置坐标，实现了监控定位装置的目的。
参考图2，穿刺针上定位装置被固定支架固定于穿刺针的尾部，计算机中预先定义了多种型号的穿刺针信息。所述穿刺针信息主要是定位装置和穿刺针针尖与针尾的三维相对位置关系，因此，计算机可以利用高精度红外监控设备传回的穿刺针上定位装置的三维位置坐标和穿刺针型号信息，配准计算得到穿刺针针尖和针尾的三维位置坐标，更进一步可以得到穿刺针的角度。
进一步地，所述“穿刺针的三维位置坐标”为配准计算得到的穿刺针针尾及针尖的三维坐标。
参考图3，手术开始前，计算机接收病人的扫描图像，分析处理后重建人体的三维模型，在计算机中显示。操作者凭经验手动在三维模型中定义穿刺中心。
参考图4，计算机根据接收的数据自动规划出几条合适的穿刺路径，有效避开敏感组织或器官。操作者可从中选择合适的，也可根据所获信息在计算机中手动定义穿刺路径。在该三维模型中，可以设定不同的阈值渲染出人体不同的组织，从而可以直观地确定穿刺路径及穿刺中心位置的准确性。
人体定位装置在扫描之前就已经固定在穿刺区域的人体表面，计算机接收扫描图像后自动寻找扫描图像中的定位装置。根据扫描图像配准计算人体体表定位装置与人体内部各个组织和器官、穿刺中心以及穿刺路径的三维相对位置关系，记作初始三维相对位置。
手术开始后，高精度红外监控设备能够实时追踪人体体表定位装置的三维位置坐标。将这些坐标信息传至计算机，计算机根据记录的初始三维相对位置，配准计算得到人体内部各个组织和器官、穿刺中心以及穿刺路径的实时三维位置。
参考图5，当穿刺针从入针点进入人体后，计算机的三维模型中能够实时显示穿刺进程。若穿刺针与穿刺路径出现偏差，操作者会立刻从计算机上得知，并及时改正。当穿刺针的针尖到达穿刺中心时，穿刺完成。
Claims (10)
1.一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于：所述***包括穿刺针模块、人体定位装置模块和监控显示模块；
所述穿刺针模块包括穿刺针和穿刺针定位装置，所述穿刺针定位装置固定于穿刺针尾部，可以利用定位装置的位置配准计算得到穿刺针针尖与针尾的三维位置，进一步得到穿刺针的角度；
所述人体定位装置模块包括固定于人体体表的定位装置，人体体表的定位装置用于间接反映人体内部各个组织和器官、穿刺中心以及穿刺路径的实时三维位置；
所述监控显示模块包括高精度红外监控设备和计算机软件；所述高精度红外监控设备能拍摄获取上述定位装置的位置信息；所述计算机软件可进行显示、配准、计算的操作。
2.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述穿刺针定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，其数量为三个。
3.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述监控显示模块预先定义了不同型号的穿刺针信息，该信息包括穿刺针的针尖、针尾与穿刺针定位装置之间的相对三维位置关系的信息。
4.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述人体定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，其数量至少为三个。
5.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述监控显示模块中的高精度红外监控设备能够探测、接收定位装置的实时三维位置信息。
6.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述监控显示模块中的计算机软件能接收医用扫描设备得到的图像，经过渲染处理重建人体三维模型，并能提供角度和距离的测量功能。
7.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述计算机软件能够根据扫描图像以及定位装置在扫描图像中的位置，智能地从任意角度合理规划穿刺路径，有效避开敏感器官和组织，并在三维重建模型中的相应位置显示。
8.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，所述计算机软件能够根据穿刺针上定位装置的三维位置信息和穿刺针型号信息，配准计算得到穿刺针的针尖和针尾的实时位置，并在三维重建模型中的相应位置显示出来。
9.如权利要求1所述的红外引导下的计算机辅助穿刺导航***，其特征在于，在穿刺过程中，所述计算机软件能够实时显示穿刺针与穿刺路径之间的偏差。
10.一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：根据实际需要，在人体体表上的穿刺区域附近固定至少三个定位装置；
S2：通过医用扫描***，获得穿刺目标区域的图像，重建三维影像模型，在第一类坐标系下定义定位装置、人体内部敏感组织器官及穿刺目标，并通过计算机配准得到人体体表上的定位装置与这些部位的相对位置关系；
S3：根据实际情况选择穿刺针型号，***内部预定义了多种穿刺针型号信息，型号信息主要是指固定于穿刺针尾部的定位装置与穿刺针针尖、针尾的三维位置关系；
S4：穿刺过程中，根据高精度红外监控设备实时追踪的定位装置的位置信息，在重建的三维模型中以虚拟现实的方式显示出穿刺中心、穿刺路径和穿刺针，由此，医生能够直观地看到穿刺的整个过程；
S5：穿刺针到达穿刺中心，穿刺完成。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |