CN106333748A - 一种基于摄像头的穿刺导航*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于摄像头的穿刺导航***，包括成像设备、穿刺工作站、患者定位标记、安装在穿刺器械上的定位标记、摄像头实时定位装置。摄像头实时定位装置通过双目视觉原理实时计算定位标记的空间坐标，并在穿刺工作站软件中显示穿刺目标、周围重要器官、计划针道和实时针道的三维图像。方便医生准确的实施穿刺。

Description

一种基于摄像头的穿刺导航***
技术领域
本发明涉及一种穿刺导航设备。
背景技术
穿刺是将穿刺针刺入体腔抽取分泌物做化验，向体腔注入气体或造影剂做造影检查，或向体腔内注入药物的一种诊疗技术。传统的医生手动穿刺手术的完成程度要依赖医生的专业素质和操作经验，手术精确度低。
穿刺机器人虽说提高了穿刺的精确度，但机器人结构精巧复杂，设备费用高。超声图像常用于引导穿刺，但由于超声不能穿透骨和空气，超声图像引导有其局限性。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种基于摄像头的穿刺导航***，实时探测和显示穿刺针的姿态和位置。将其与计划针道和穿刺位置进行比较，三维显示其与穿刺目标和周围重要器官的相对位置，方便医生准确实施穿刺。
本发明公开的一种基于摄像头的穿刺导航***包括成像设备、穿刺工作站、患者定位标记、安装在穿刺器械上的定位标记、摄像头实时定位装置。其中穿刺工作站包括计算机和运行在计算机上的穿刺工作站软件。
成像设备是CT成像设备、MR成像设备或PET成像设备。
穿刺工作站软件读取或接收上述成像设备采集的解剖图像；并可在解剖图像的横截面、冠状面、矢状面和任意角度斜切面上勾画穿刺目标和周围重要器官；同样的，也可以在解剖图像的横截面、冠状面、矢状面和任意角度斜切面上设计穿刺的针道，设定穿刺点的坐标。
摄像头实时定位装置至少包含两个摄像头，摄像头拍摄患者定位标记和穿刺器械上的定位标记。并将视频图像实时传送到穿刺工作站。穿刺工作站软件从穿刺工作站实时获取摄像头实时定位装置传送过来的视频图像，从图像中实时提取患者定位标记和穿刺器械上的定位标记，并对其进行匹配，通过双目视觉原理重建出这些标记的空间坐标。
穿刺工作站软件有设置穿刺器械上的定位标记和穿刺针尖之间相对位置关系的设置界面。依据这些相对位置数据，穿刺工作站软件可以根据穿刺器械上的定位标记的空间坐标计算得到穿刺针尖上穿刺点的空间坐标。
患者定位标记在成像设备产生的图像上显示，也在摄像头实时定位装置捕获的视频图像上显示，用来确定成像设备产生图像的空间坐标系和双目视觉原理重建的空间坐标系之间的关系。
穿刺工作站软件包含实时针道显示模块，实时针道显示模块同时显示穿刺目标、重要器官、计划针道和实时针道的三维图像，实时显示当前针道的空间角度和针尖上穿刺点的坐标，显示计划针道的空间角度和穿刺点的坐标，实时显示计划针道和当前针道的夹角，实时显示计划穿刺点和当前针尖上穿刺点空间坐标差值。
附图说明
图1为实施例1定位装置、穿刺针和定位棒整体图；
图2为实施例1穿刺针和定位棒局部放大图；
图3为实施例2定位标贴、穿刺针和荧光定位棒整体图；
图4为实施例2定位标贴、穿刺针和荧光定位棒局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种基于摄像头的穿刺导航***实施例1包括CT成像设备、穿刺工作站、安装有反光小球106的弧形压板104、安装有反光小球105的定位棒102、摄像头实时定位装置103。其中穿刺工作站包括计算机和运行在计算机上的穿刺工作站软件。
CT成像设备将扫描得到的CT图像保存为DICOM格式的文件，用户将这些CT图像文件复制到穿刺工作站上，由穿刺工作站软件读入。通过穿刺工作站软件可显示解剖图像的横截面、冠状面、矢状面和任意角度斜切面，用户可以在上述各个显示面上勾画穿刺目标和周围重要器官；同样的，也可以在上述各个显示面上设计穿刺的针道，设定穿刺点的坐标。
弧形压板104固定在治疗床上。松开四个竖直杆上的旋钮，弧形压板可沿四个竖直杆上下移动。向下压紧患者后，可以锁紧四个竖直杆上的旋钮，使其不可上下移动，用来固定患者。弧形压板上装有四个反光标记小球106作为患者定位标记。
定位棒102固定在穿刺针101后端，和穿刺针101位于同一条直线上。定位棒上有两个反光标记小球105，方便摄像头实时定位装置103捕获和识别。
弧形压板为碳纤维材质，以减少对CT成像射线X光的吸收。弧形压板上的反光标记小球106和定位棒上的反光标记小球105均为金属材质，在CT图像上有较高的HU值，以方便在穿刺工作站软件上对其进行自动识别。
穿刺工作站软件有设置定位棒上位于后端的反光标记小球和穿刺针101尖之间距离的设置界面。由于穿刺针尖总是和反光标记小球105在一条直线上，因此它们之间的相对位置关系只需用一个标记小球和穿刺针尖之间的距离表示。
摄像头实时定位装置103由四个带有LED灯的摄像头构成，确保弧形压板上每一个反光标记小球和定位棒上的每一个反光标记小球都至少有两个摄像头捕获。摄像头将视频图像实时传送到穿刺工作站。穿刺工作站软件从穿刺工作站实时获取摄像头实时定位装置传送过来的视频图像，从图像中实时提取弧形压板上反光标记小球和定位棒上的反光标记小球，并对其进行匹配，通过双目视觉原理重建出这些标记的空间坐标。穿刺工作站软件通过重建的定位棒上的反光标记小球105的空间坐标和定位棒102与穿刺针101的相对位置关系，计算出穿刺针101的姿态和针尖上穿刺点的坐标。
患者在进行CT扫描时，需要将弧形压板上的反光标记小球106扫描进CT图像。用户可以通过穿刺工作站软件，在CT图像上标出这些患者定位标记。或者，由穿刺工作站软件通过阈值分割和根据这四个反光小球的相对位置关系对其进行辅助自动识别，再由用户进行确认。穿刺工作站软件将双目视觉原理重建的弧形压板上的反光小球和CT图像上的反光小球进行重合，以确定成像设备产生图像的空间坐标系和双目视觉原理重建的空间坐标系之间的关系。
通过成像设备产生图像的空间坐标系和双目视觉原理重建的空间坐标系之间的关系，穿刺工作站可以将两个坐标系中的元素在同一个三维图像中显示。在实时针道显示模块，可同时显示穿刺目标、重要器官、计划针道和实时针道的三维图像，实时显示当前针道的空间角度和针尖上穿刺点的坐标，显示计划针道的空间角度和穿刺点的坐标，实时显示计划针道和当前针道的夹角，实时显示计划穿刺点和当前针尖上穿刺点空间坐标差值。
实施例2
一种基于摄像头的穿刺导航***实施例2包括PET-CT成像设备、穿刺工作站工作站、定位标贴204、荧光定位棒202、摄像头实时定位装置203。其中穿刺工作站包括计算机和运行在计算机上的穿刺工作站软件。
PET-CT成像设备通过网络将扫描得到的PET图像和CT图像发送到DICOM服务器，穿刺工作站软件通过DICOM网络协议从服务器查询和读取PET图像和CT图像数据。通过穿刺计划软件可显示CT图像、PET图像或两者融合图像的横截面、冠状面、矢状面和任意角度斜切面，用户可以在上述各个显示面上勾画穿刺目标和周围重要器官；同样的，也可以在上述各个显示面上设计穿刺的针道，设定穿刺点的坐标。
定位标贴204作为患者定位标记贴在患者的体表，标贴上固定有荧光表层的金属球。荧光表层方便摄像头捕获，金属材质在CT图像上有较高的HU值，方便穿刺工作站软件对其进行自动识别。
荧光定位棒202固定在穿刺针201后端，和穿刺针201位于同一条直线上。荧光表层方便摄像头实时定位装置203捕获和识别。
穿刺工作站软件有设置荧光定位棒202后端和穿刺针201尖之间距离的设置界面。由于穿刺针尖总是和荧光定位棒在一条直线上，因此它们之间的相对位置关系只需用荧光定位棒后端和穿刺针尖之间的距离表示。
摄像头实时定位装置203由四个带有LED灯的摄像头构成，确保每一个定位标贴和荧光定位棒都至少有两个摄像头捕获。摄像头将视频图像实时传送到穿刺工作站。穿刺工作站软件从穿刺工作站实时获取摄像头实时定位装置传送过来的视频图像，从图像中实时提取定位标贴上小球204和荧光定位棒202的端点，并对其进行匹配，通过双目视觉原理重建出这些标记的空间坐标。穿刺工作站软件通过重建的荧光定位棒上的端点空间坐标和荧光定位棒202与穿刺针201的相对位置关系，计算出穿刺针201的姿态和针尖上穿刺点的坐标。
患者在进行CT扫描时，需要将定位标贴204扫描进CT图像。用户可以通过穿刺工作站软件，在CT图像上标出这些患者定位标记。或者，由穿刺工作站软件通过阈值分割和其紧贴体表的相对位置关系对其进行辅助自动识别，再由用户进行确认。穿刺工作站软件将双目视觉原理重建的定位标贴小球和CT图像上的定位标贴小球进行重合，以确定成像设备产生图像的空间坐标系和双目视觉原理重建的空间坐标系之间的关系。
通过成像设备产生图像的空间坐标系和双目视觉原理重建的空间坐标系之间的关系，穿刺工作站可以将两个坐标系中的元素在同一个三维图像中显示。在实时针道显示模块，可同时显示穿刺目标、重要器官、计划针道和实时针道的三维图像，实时显示当前针道的空间角度和针尖上穿刺点的坐标，显示计划针道的空间角度和穿刺点的坐标，实时显示计划针道和当前针道的夹角，实时显示计划穿刺点和当前针尖上穿刺点空间坐标差值。
与实施例1不同的是，实施例2的患者定位标记直接贴在患者体表，若在穿刺过程中患者产生移动，通过摄像头实时定位装置监视患者定位标记，穿刺目标、重要器官、计划针道的位置和姿态也可以进行实时更新。

Claims (8)

1.一种基于摄像头的穿刺导航***，其特征在于：包括成像设备、穿刺工作站、患者定位标记、安装在穿刺器械上的定位标记、摄像头实时定位装置；穿刺工作站包括计算机和运行在计算机上的穿刺工作站软件。
2.按照权利要求1所述的成像设备，其特征在于：此成像设备是CT成像设备、MR成像设备或PET成像设备。
3.按照权利要求1所述的患者定位标记，其特征在于：此患者定位标记在成像设备产生的图像上显示，也在摄像头实时定位装置捕获的视频图像上显示。
4.按照权利要求1所述的摄像头实时定位装置，其特征在于：此定位装置至少包含两个摄像头，摄像头拍摄患者定位标记和穿刺器械上的定位标记，并将视频图像实时传送工作站。
5.按照权利要求1所述的穿刺工作站软件，其特征在于：此穿刺工作站软件读取或接收成像设备采集的解剖图像；并可在解剖图像的横截面、冠状面、矢状面和任意角度斜切面上勾画穿刺目标和重要器官，设计穿刺的针道、穿刺点的坐标。
6.按照权利要求1所述的穿刺工作站软件，其特征在于：此穿刺工作站软件从穿刺工作站实时获取摄像头实时定位装置传送过来的视频图像，从图像中实时提取患者定位标记和穿刺器械上的定位标记，并通过双目视觉原理重建出这些标记的空间坐标。
7.按照权利要求1所述的穿刺工作站软件，其特征在于：此穿刺工作站软件有设置穿刺器械上的定位标记和穿刺针尖之间相对位置关系的设置界面。
8.按照权利要求1所述的穿刺工作站软件，其特征在于：此穿刺工作站软件包含实时针道显示模块，实时针道显示模块同时显示穿刺目标、重要器官、计划针道和实时针道的三维图像，实时显示当前针道的空间角度和针尖上穿刺点的坐标，显示计划针道的空间角度和穿刺点的坐标，实时显示计划针道和当前针道的夹角，实时显示计划穿刺点和当前针尖上穿刺点空间坐标差值。
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