CN109480971A - 一种快速ct定位导航方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速CT定位导航方法及***。定位导航***包括控制计算机、定位盒、固定支架。定位导航方法包括如下步骤：步骤一：定位盒和病人进行扫描CT；步骤二：导入病人和定位盒的Dicom图像；步骤三：确定用于固定穿刺针的固定轴孔的坐标；步骤四：确定上平面的方程和下平面的方程；步骤五：医生确定穿刺通道对应的直线方程；步骤六：得到交点A’和交点B’；步骤七：计算固定轴孔需要达到交点位置所需要的x轴和y轴位移量；步骤八：移动滑块达到指定位置。本发明降低了坐标统一变换带来额外的误差，使用相对简便，大大提高了手术导航***使用方便性。

Description

一种快速CT定位导航方法及***
技术领域
本发明涉及一种快速CT定位导航方法及***。
背景技术
传统的经皮介入穿刺手术是医生在CT图像扫描设备的引导下，将小型手术器械，如活检穿刺针送入患者体内，对病变部位进行检测或治疗的一种微创手术。经皮介入穿刺手术与其他微创手术一样，具有创面小、康复快和术后并发症少等优点。在进行经皮穿刺时，精确的穿刺通道建立是手术的首要任务。穿剌操作不仅要求手术针最终准确到达靶点位置，还要求手术针通过的路径避开人体重要的组织如血管。然而常规的由CT图像引导的穿刺操作是由医生手动完成的。医生通过病灶附近的二维或三维扫描图像判断合适的入针点和入针方向，然后凭借经验通过手动调整穿刺通道完成穿刺操作，这对医生的操作技能和经验提出了很高的要求。然而即使是经验丰富的医生，通常情况下一次CT引导下介入穿刺手术也需要多次CT扫描，反复调整确认穿刺针位置才能完成，这严重限制了经皮穿刺技术的推广和临床应用。因此开发在CT导引下自动定位导航***是解决这一问题的重要手段。国内因此开发了一些采用商用机械臂的定位导航***，申请了一些CT导引下手术导航的专利。比如专利号CN207306723U CT图像引导下的手术导航***，提及采用手术器械示踪器，标定示踪器，跟踪***的手术导航***。该专利核心是在标定示踪器上同时集成CT下能识别的导航标识特征点集I和跟踪***识别的特征点集II。通过两个特征点集已知的几何特性实现病床坐标系和手术器械坐标***一，跟踪***需要通过光学跟踪***或电磁跟踪***来实现，该方法必须确保标定示踪器不受手术室物体视野遮挡，而且***相对比较复杂，并且增加了两种坐标统一带来的误差。
同样的CN100496429C外科手术导航***基于光学定位的机器人手术定位方法也是采用光学跟踪仪和机器人探针对同一坐标点测量来实现机器人坐标***和光学跟踪仪坐标***互换。
传统手术定位导航***采用商用串联式多轴机械臂实现穿刺针定位通道，机械臂形成通道位姿的控制需要通过跟踪***跟踪机械臂上定位标记，再跟踪病人身上固定的跟踪标记，再把跟踪***坐标，病人数据坐标，机械臂控制坐标统一，统一之后才可以把手术规划和穿刺针定位通道建立。由于坐标统一转换会带来转换误差，其次光学跟踪***必须确保不受手术室视场遮挡从而会影响手术操作空间，并且光学跟踪***的跟踪精度也会随着视场距离不同而变化，从而影响最终手术效果。另外电磁跟踪***容易受有磁性金属和机械臂电机磁场影响。因此依赖光学或电磁跟踪***，需要不同坐标***一的手术定位导航***存在这一固有缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种快速CT定位导航方法及***。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种快速CT定位导航***，包括计算机、定位盒、固定支架，所述计算机通过网络与定位盒连接，所述定位盒安装在固定支架上，所述定位盒包括上平面定位单元、下平面定位单元，所述上平面定位单元、下平面定位单元都包括移动滑块、电机模块、滑轨、定位控制器，所述电机模块通过滑轨连接移动滑块，所述电机模块受定位控制器控制，所述移动滑块设有用于固定穿刺针的固定轴孔、若干个CT图像扫描设备可识别的标记物。
所述位于上平面定位单元的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物处于不共线的同一个平面上，所述位于下平面定位单元的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物不共线且同处于另外一个平面上。位于上平面定位单元的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物不共线，指的是上平面定位单元上的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物不在同一直线上。位于下平面定位单元的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物不共线指的是下平面定位单元上的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物不在同一直线上。
所述上平面定位单元和下平面定位单元的电机模块都包括垂直布置的X轴电机、Y轴电机。
所述用于固定穿刺针的固定轴孔位于移动滑块伸出定位盒子外部的前端，便于固定穿刺针。
一种快速CT定位导航方法，包括如下具体步骤：
步骤一：将定位盒固定在病人病灶附近，定位盒和病人同时通过CT图像扫描设备进行扫描CT；
步骤二：计算机上的控制软件导入病人和定位盒的CT图像；
步骤三：通过CT图像可以确定上平面定位单元中至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物的中心坐标、下平面定位单元中至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物的中心坐标，由于结构设计时CT图像扫描设备可识别的标记物的中心位置和用于固定穿刺针的固定轴孔的轴心位置关系是已知的，进而通过这至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物可以确定上平面定位单元中的用于固定穿刺针的固定轴孔的坐标、下平面定位单元中的用于固定穿刺针的固定轴孔的坐标；
步骤四：通过上平面定位单元中的至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物的中心位置确定上平面的方程1：A1x+B1y+C1z+D1＝0，其中A1、B1、C1、D1通过上平面定位单元中的至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物的中心坐标求解来得出，通过下平面定位单元中至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物的中心坐标确定下平面的方程2：A2x+B2y+C2z+D2＝0，其中A2、B2、C2、D2通过下平面定位单元中的至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物的中心坐标求解来得出；
步骤五：医生在计算机上的控制软件中根据手术规划需要确定穿刺针需要的穿刺通道对应的直线方程3：(x-x1)/(x-x2)＝(y-y1)/(y-y2)＝(z-z1)/(z-z2)，其中x1,y1,z1是医生确定的入针点坐标，x2,y2,z2是医生确定的目标点坐标；
步骤六：通过方程1和直线方程3联合求解可以得到上平面与穿刺通道对应的直线的交点A’(x3,y3,z3)，从而通过方程2和直线方程3联合求解可以得到下平面与穿刺通道对应的直线的交点B’(x4,y4,z4)；
步骤七：通过上平面定位单元中的用于固定穿刺针的固定轴孔的坐标、下平面定位单元中的用于固定穿刺针的固定轴孔的坐标可以得到上平面定位单元中的用于固定穿刺针的固定轴孔需要达到交点位置A’(x3,y3,z3)所需要的x轴和y轴位移量和下平面定位单元中的用于固定穿刺针的固定轴孔需要达到交点位置B’(x4,y4,z4)所需要的x轴和y轴位移量；
步骤八：计算机通过定位控制器控制上平面定位单元、下平面定位单元中的X轴电机、Y轴电机，从而X轴电机、Y轴电机通过滑轨带动移动滑块移动相应的x轴和y轴位移量，从而移动滑块达到指定位置，从而实现需要的穿刺针通道。
本发明的有益效果如下：由于定位盒结构简单，因此体积可以相对传统的商用机械臂小很多，因此可以和病人一起做CT。本发明使用时只需要将定位盒固定在病人病灶附近，CT图像扫描设备将病人和定位盒一块扫描后，通过手术规划，再通过可识别的标记物确认上平面定位单元、下平面定位单元的移动滑块需要移动的位置，之后就可以用定位控制器通过控制电机来带动移动滑块在滑轨运动的位置，避免了传统的手术定位导航***采用商用机械臂比较复杂的操作过程，以及需要多种坐标系的坐标统一变换步骤，而且降低了坐标统一变换带来额外的误差，使用相对简便，大大提高了手术导航***使用方便性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为上平面定位单元或下平面定位单元的结构示意图；
图3为平面方程和直线方程求解示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1：
如图1到图3所示，一种快速CT定位导航方法及***，包括计算机1、定位盒2、固定支架7，所述计算机1通过网络与定位盒2连接，所述定位盒2安装在固定支架7上，所述定位盒2包括上平面定位单元3、下平面定位单元4，所述上平面定位单元3、下平面定位单元4都包括移动滑块19、电机模块、滑轨23、定位控制器24，所述电机模块通过滑轨23连接移动滑块19，所述电机模块受定位控制器24控制。所述位于上平面定位单元(3)的3个CT图像扫描设备可识别的标记物铝金属圆片(22)处于不共线的同一个平面上，所述位于下平面定位单元(4)的3个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)铝金属圆片不共线且同处于另外一个平面上。所述上平面定位单元和下平面定位单元的电机模块都包括垂直布置的X轴电机20、Y轴电机21。所述用于固定穿刺针的固定轴孔6位于移动滑块19伸出定位盒子外部的前端。
接下来步骤如下：
步骤一：将定位盒2固定在病人病灶附近，定位盒2和病人同时通过CT图像扫描设备进行扫描CT；
步骤二：计算机1上的控制软件导入病人和定位盒2的CT图像；
步骤三：通过CT图像可以确定上平面定位单元3中3个铝金属圆片标记物22的中心坐标、下平面定位单元4中3个铝金属圆片标记物22的中心坐标，由于结构设计时铝金属圆片标记物22的中心位置和用于固定穿刺针的固定轴孔6的轴心位置关系是已知的，进而通过这3个铝金属圆片的标记物22可以确定上平面定位单元3中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标、下平面定位单元4中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标；
步骤四：通过上平面定位单元3中的3个铝金属圆片标记物22的中心位置确定上平面的方程1：A1x+B1y+C1z+D1＝0，其中A1、B1、C1、D1通过上平面定位单元3中的3个铝金属圆片标记物22的中心坐标求解来得出，通过下平面定位单元4中3个铝金属圆片标记物22的中心坐标确定下平面的方程2：A2x+B2y+C2z+D2＝0，其中A2、B2、C2、D2通过下平面定位单元4中的3个铝金属圆片标记物22的中心坐标求解来得出；
步骤五：医生在计算机1上的控制软件中根据手术规划需要确定穿刺针需要的穿刺通道对应的直线方程3：(x-x1)/(x-x2)＝(y-y1)/(y-y2)＝(z-z1)/(z-z2)，其中x1,y1,z1是医生确定的入针点坐标，x2,y2,z2是医生确定的目标点坐标；
步骤六：通过方程1和直线方程3联合求解可以得到上平面与穿刺通道对应的直线的交点A’(x3,y3,z3)，从而通过方程2和直线方程3联合求解可以得到下平面与穿刺通道对应的直线的交点B’(x4,y4,z4)；
步骤七：通过上平面定位单元3中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标、下平面定位单元4中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标可以得到上平面定位单元3中的用于固定穿刺针的固定轴孔6需要达到交点位置A’(x3,y3,z3)所需要的x轴和y轴位移量和下平面定位单元4中的用于固定穿刺针的固定轴孔6需要达到交点位置B’(x4,y4,z4)所需要的x轴和y轴位移量；
步骤八：计算机1通过定位控制器24控制上平面定位单元3、下平面定位单元4中的X轴电机20、Y轴电机21，从而X轴电机20、Y轴电机21通过滑轨23带动移动滑块19移动相应的x轴和y轴位移量，从而移动滑块19达到指定位置，从而实现需要的穿刺针通道。
由于定位盒结构简单，因此体积可以相对传统的商用机械臂小很多，因此可以和病人一起做CT。本发明使用时只需要将定位盒固定在病人病灶附近，CT图像扫描设备将病人和定位盒一块扫描后，通过手术规划，再通过可识别的标记物确认上平面定位单元、下平面定位单元的移动滑块需要移动的位置，之后就可以用定位控制器通过控制电机来带动移动滑块在滑轨运动的位置，避免了传统的手术定位导航***采用商用机械臂比较复杂的操作过程，以及需要多种坐标系的坐标统一变换步骤，而且降低了坐标统一变换带来额外的误差，使用相对简便，大大提高了手术导航***使用方便性。
实施例2：
如图1到图3所示，一种快速CT定位导航方法及***，包括计算机1、定位盒2、固定支架7，所述计算机1通过网络与定位盒2连接，所述定位盒2安装在固定支架7上，所述定位盒2包括上平面定位单元3、下平面定位单元4，所述上平面定位单元3、下平面定位单元4都包括移动滑块19、电机模块、滑轨23、定位控制器24，所述位于上平面定位单元(3)的4个CT图像扫描设备可识别的标记物塑料圆球(22)处于不共线的同一个平面上，所述位于下平面定位单元(4)的4个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)塑料圆球不共线且同处于另外一个平面上。所述上平面定位单元和下平面定位单元的电机模块都包括垂直布置的X轴电机20、Y轴电机21。所述用于固定穿刺针的固定轴孔6位于移动滑块19伸出定位盒子外部的前端。
接下来步骤如下：
步骤一：将定位盒2固定在病人病灶附近，定位盒2和病人同时通过CT图像扫描设备进行扫描CT；
步骤二：计算机1上的控制软件导入病人和定位盒2的CT图像；
步骤三：通过CT图像可以确定上平面定位单元3中4个塑料圆球标记物22的中心坐标、下平面定位单元4中4个塑料圆球标记物22的中心坐标，由于结构设计时CT图像扫描设备可识别的标记物22的中心位置和用于固定穿刺针的固定轴孔6的轴心位置关系是已知的，进而通过这4个塑料圆球标记物22可以确定上平面定位单元3中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标、下平面定位单元4中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标；
步骤四：通过上平面定位单元3中的4个塑料圆球标记物22的中心位置确定上平面的方程1：A1x+B1y+C1z+D1＝0，其中A1、B1、C1、D1通过上平面定位单元3中的4个塑料圆球标记物22的中心坐标求解来得出，通过下平面定位单元4中4个塑料圆球标记物22的中心坐标确定下平面的方程2：A2x+B2y+C2z+D2＝0，其中A2、B2、C2、D2通过下平面定位单元4中的4个塑料圆球标记物22的中心坐标求解来得出；
步骤五：医生在计算机1上的控制软件中根据手术规划需要确定穿刺针需要的穿刺通道对应的直线方程3：(x-x1)/(x-x2)＝(y-y1)/(y-y2)＝(z-z1)/(z-z2)，其中x1,y1,z1是医生确定的入针点坐标，x2,y2,z2是医生确定的目标点坐标；
步骤六：通过方程1和直线方程3联合求解可以得到上平面与穿刺通道对应的直线的交点A’(x3,y3,z3)，从而通过方程2和直线方程3联合求解可以得到下平面与穿刺通道对应的直线的交点B’(x4,y4,z4)；
步骤七：通过上平面定位单元3中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标、下平面定位单元4中的用于固定穿刺针的固定轴孔6的坐标可以得到上平面定位单元3中的用于固定穿刺针的固定轴孔6需要达到交点位置A’(x3,y3,z3)所需要的x轴和y轴位移量和下平面定位单元4中的用于固定穿刺针的固定轴孔6需要达到交点位置B’(x4,y4,z4)所需要的x轴和y轴位移量；
步骤八：计算机1通过定位控制器24控制上平面定位单元3、下平面定位单元4中的X轴电机20、Y轴电机21，从而X轴电机20、Y轴电机21通过滑轨23带动移动滑块19移动相应的x轴和y轴位移量，从而移动滑块19达到指定位置，从而实现需要的穿刺针通道。
由于定位盒结构简单，因此体积可以相对传统的商用机械臂小很多，因此可以和病人一起做CT。本发明使用时只需要将定位盒固定在病人病灶附近，CT图像扫描设备将病人和定位盒一块扫描后，通过手术规划，再通过可识别的标记物确认上平面定位单元、下平面定位单元的移动滑块需要移动的位置，之后就可以用定位控制器通过控制电机来带动移动滑块在滑轨运动的位置，避免了传统的手术定位导航***采用商用机械臂比较复杂的操作过程，以及需要多种坐标系的坐标统一变换步骤，而且降低了坐标统一变换带来额外的误差，使用相对简便，大大提高了手术导航***使用方便性。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，比如滑轨可以用同步带或丝杆做简单替换。总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种快速CT定位导航方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤一：将定位盒(2)固定在病人病灶附近，定位盒(2)和病人同时通过CT图像扫描设备进行扫描CT；
步骤二：计算机(1)上的控制软件导入病人和定位盒(2)的CT图像；
步骤三：通过CT图像可以确定上平面定位单元(3)中至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心坐标、下平面定位单元(4)中至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心坐标，由于结构设计时CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心位置和用于固定穿刺针的固定轴孔(6)的轴心位置关系是已知的，进而通过这至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)可以确定上平面定位单元(3)中的用于固定穿刺针的固定轴孔(6)的坐标、下平面定位单元(4)中的用于固定穿刺针的固定轴孔(6)的坐标；
步骤四：通过上平面定位单元(3)中的至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心位置确定上平面的方程(1)：A1x+B1y+C1z+D1＝0，其中A1、B1、C1、D1通过上平面定位单元(3)中的至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心坐标求解来得出，通过下平面定位单元(4)中至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心坐标确定下平面的方程(2)：A2x+B2y+C2z+D2＝0，其中A2、B2、C2、D2通过下平面定位单元(4)中的至少三个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)的中心坐标求解来得出；
步骤五：医生在计算机(1)上的控制软件中根据手术规划需要确定穿刺针需要的穿刺通道对应的直线方程(3)：(x-x1)/(x-x2)＝(y-y1)/(y-y2)＝(z-z1)/(z-z2)，其中(x1,y1,z1)是医生确定的入针点坐标，(x2,y2,z2)是医生确定的目标点坐标；
步骤六：通过方程(1)和直线方程(3)联合求解可以得到上平面与穿刺通道对应的直线的交点A’(x3,y3,z3)，从而通过方程(2)和直线方程(3)联合求解可以得到下平面与穿刺通道对应的直线的交点B’(x4,y4,z4)；
步骤七：通过上平面定位单元(3)中的用于固定穿刺针的固定轴孔(6)的坐标、下平面定位单元(4)中的用于固定穿刺针的固定轴孔(6)的坐标可以得到上平面定位单元(3)中的用于固定穿刺针的固定轴孔(6)需要达到交点位置A’(x3,y3,z3)所需要的x轴和y轴位移量和下平面定位单元(4)中的用于固定穿刺针的固定轴孔(6)需要达到交点位置B’(x4,y4,z4)所需要的x轴和y轴位移量；
步骤八：计算机(1)通过定位控制器(24)控制上平面定位单元(3)、下平面定位单元(4)中的X轴电机(20)、Y轴电机(21)，从而X轴电机(20)、Y轴电机(21)通过滑轨(23)带动移动滑块(19)移动相应的x轴和y轴位移量，从而移动滑块(19)达到指定位置，从而实现需要的穿刺针通道。
2.一种快速CT定位导航***，其特征在于，包括计算机(1)、定位盒(2)、固定支架(7)，所述计算机(1)通过网络与定位盒(2)连接，所述定位盒(2)安装在固定支架(7)上，所述定位盒(2)包括上平面定位单元(3)、下平面定位单元(4)，所述上平面定位单元(3)、下平面定位单元(4)都包括移动滑块(19)、电机模块、滑轨(23)、定位控制器(24)，所述电机模块通过滑轨(23)连接移动滑块(19)，所述电机模块受定位控制器(24)控制，所述移动滑块(19)设有用于固定穿刺针的固定轴孔(6)、若干个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)。
3.根据权利要求2所述快速CT定位导航***，其特征在于，所述位于上平面定位单元(3)的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)处于不共线的同一个平面上，所述位于下平面定位单元(4)的若干个CT图像扫描设备可识别的标记物(22)不共线且同处于另外一个平面上。
4.根据权利要求2所述快速CT定位导航***，其特征在于，所述位于上平面定位单元和下平面定位单元的CT图像扫描设备可识别的标记物(22)都至少为三个。
5.根据权利要求2所述快速CT定位导航***，其特征在于，所述上平面定位单元和下平面定位单元的电机模块都包括垂直布置的X轴电机(20)、Y轴电机(21)。
6.根据权利要求2所述快速CT定位导航***，其特征在于，所述用于固定穿刺针的固定轴孔(6)位于移动滑块(19)伸出定位盒子外部的前端。
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