CN115486937A - 一种2d图像手术定位导航***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种2D图像手术定位导航***及方法,属于医学影像数据处理技术领域。本发明借助于X线标定装置,利用X线标定装置的显影功能和与骨骼位置固定的关系,确定虚拟进针通道相对于X线标定装置的空间位置和延伸方向,并将其发送给混合现实眼镜,将虚拟进针通道位置呈现在混合现实眼镜中。因此,本发明不需要通过数百次的X线透视来构建骨骼的3D影像,只需要包含有X线标定装置的两张X线影像就能够实现手术导航,大大减少了放射剂量,避免了过多X线投射对人体的伤害,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种2D图像手术定位导航***及方法,属于医学影像数据处理技术领域。
背景技术
在骨科手术中,医生经常需要在骨性通道内置钉,但是肉眼无法直视骨骼内部,并且手术只能对部分骨质进行暴露,因此会造成置钉位置的偏差,严重者会损伤骨骼附近的神经和血管,造成难以估量的后果。目前的3D导航***有助于医生对置钉位置的把握,但是骨骼3D图形的构建意味着患者需要承受数百次的X线透视计量,这会对年轻患者造成无法估计的损伤;另外,现有的3D导航设备需要使用机器人***,这增加了手术费用。例如申请公布号为CN112043382A的专利申请文件,该文件公开了一种外科手术导航***及其使用方法,其中的导航***包括医学图像扫描装置、光学跟踪***、计算机处理装置及控制软件、机器人定位导航***、示踪器及配套标尺工具,其中医学图像扫描装置用于获取手术部位的三维扫描图像,计算机处理装置用于计算三维扫描图像和实时空间数据。上述方案为获取三维扫描图像需要大剂量的X线透视,对人体损伤比较大,且还需借助于机器人***进行定位,增加了手术费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种2D图像手术定位导航***及方法,以解决目前采用3D导航***进行手术定位时的费用高、对人体损伤大的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种2D图像手术定位导航***,该导航***包括X线标定装置、医学影像拍摄装置、混合现实眼镜、光学跟踪相机和处理器;所述X线标定装置用于固定在手术部位的设定范围内;所述医学影像拍摄装置用于拍摄两张不同角度的包含有X线标定装置在内的待定位骨骼的X线影像,这两张的拍摄角度大于等于设定角度,并将拍摄到的影像发送给处理器,其中一张为骨骼的正位X线影像,一张为骨骼的侧位X线影像;所述光学跟踪相机用于获取X线标定装置和混合现实眼镜的空间坐标并发送给处理器;所述处理器用于根据接收到的正、侧位X线影像规划虚拟进针通道在X线影像中的位置,包括进针点和终点,并根据虚拟进针通道的进针点和终点相对于X线标定装置的2维参数和X线标定装置的空间坐标计算出虚拟进针通道的3维空间位置,并将虚拟进针通道的空间位置发送给混合现实眼镜;所述混合现实眼镜用于呈现虚拟进针通道的空间位置图像。
本发明借助于X线标定装置,利用X线标定装置的显影功能和与骨骼位置关系固定的原理,通过两张不同角度的包含有X线标定装置的骨骼X线影像实现对虚拟进针通道位置的规划和空间位置计算。因此,本发明不需要通过数百次的X线透视或高放射剂量的CT来构建骨骼的3D影像,只需要2次透视就能够实现手术导航功能,大大减少了放射剂量,避免了过多X线投射对人体的伤害,具有广阔的应用前景。为了方便医生看到虚拟进针通道的位置,所述的导航***还包括混合现实眼镜,在混合现实眼镜中将虚拟进针通道相对于X线标定装置的位置和方向显示出来,使得医生能够准确、直观的看到规划好的通道。
进一步地,为了更好地实现X线标定装置的标定作用,所述的X线标定装置包括至少三个显影标记物,各显影标记物均固定设置在基体上,该X线标定装置的正位影像和侧位影像中的各显影标记物之间均不重叠。
进一步地,各显影标记物的结构相同或者不同。
进一步地,所述的显影标记物为球形结构。
本发明的X线标定装置采用多个显影标记物,使各显影标记物在X线标定装置的正位影像和侧位影像中均不重叠,进而使得医生通过正、侧位两张X线图像,就能够对其空间姿态进行准确判断,为进针通道规划提供准确的依据。
进一步地,所述的医学影像拍摄装置为G臂机或C臂机。
本发明还提供了一种2D图像手术定位导航方法,该方法包括以下步骤:
1)在手术部位的设定范围内固定X线标定装置,该X线标定装置用于对X线进行显影;
2)拍摄两张不同角度的包含有X线标定装置在内的待定位骨骼的X线影像,一张为骨骼的正位X线影像,一张为骨骼的侧位X线影像,两张的拍摄角度大于等于设定角度;
3)利用光学跟踪相机获取X线标定装置和混合现实眼镜的空间坐标;
4)在获得的正、侧位X线影像上规划虚拟进针通道在2维X线影像中的位置,包括进针点和终点,并根据虚拟进针通道的进针点和终点相对于X线标定装置的2维参数和X线标定装置的空间坐标计算出虚拟进针通道的3维空间位置;
5)将规划出的虚拟进针通道的空间位置发送给混合现实眼镜,在混合现实眼镜上显示虚拟进针通道的空间图像。
本发明的导航方法借助于X线标定装置,利用X线标定装置的显影功能和与骨骼位置关系固定的原理,通过两张不同角度的包含有X线标定装置的骨骼X线影像实现对虚拟进针通道位置的规划和空间位置计算。因此,本发明不需要通过数百次的X线透视或高放射剂量的CT来构建骨骼的3D影像,只需要2次透视就能够实现手术导航功能,大大减少了放射剂量,避免了过多X线透射对人体的伤害,具有广阔的应用前景。为了方便医生看到虚拟进针通道的位置,将确定出的虚拟进针通道相对于X线标定装置的空间位置和方向发送给混合现实眼镜,将虚拟进针通道相对于X线标定装置的位置和方向显示出来,使得医生能够准确、直观的看到规划好的虚拟通道。
进一步地,为了更好地实现X线标定装置的标定作用,所述的X线标定装置包括至少三个显影标记物,各显影标记物均固定设置在基体上,该X线标定装置的正位影像和侧位影像中的各显影标记物之间均不重叠。
进一步地,各显影标记物的结构相同或者不同。
进一步地,所述的显影标记物为球形结构。
本发明的X线标定装置采用多个显影标记物,使各显影标记物在X线标定装置的正位影像和侧位影像中均不重叠,进而使得医生通过正、侧位两张X线图像,就能够对其空间姿态进行准确判断,为进针通道规划提供准确的依据。
进一步地,所述步骤2)采用医学影像拍摄装置进行X线影像拍摄,医学影像拍摄装置为G臂机或C臂机。
附图说明
图1是本发明2D图像手术定位导航***的结构框图;
图2是本发明2D图像手术定位导航方法的流程图;
图3-a是本发明实施例中所采用的X线标定装置的结构示意图;
图3-b是本发明实施例中所采用的X线标定装置的侧方角示意图;
图4-a是本发明实施例中的正位X线影像以及规划出的虚拟通道示意图;
图4-b是本发明实施例中的侧位X线影像以及规划出的虚拟通道示意图;
图5是本发明实施例中MR眼镜中显示的虚拟进针通道位置关系示意图;
其中1为X线标定装置,2为医学影像拍摄装置,3为MR眼镜,4为光学跟踪相机,5术区表面结构(例如人体皮肤或切口表面),6为规划出的虚拟进针通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
***实施例
本发明的2D图像手术定位导航***如图1所示,包括X线标定装置1、医学影像拍摄装置2、混合现实眼镜3、光学跟踪相机4和处理器,处理器连接医学影像拍摄装置、混合现实眼镜和光学跟踪相机,X线标定装置用于固定在待定位的骨骼附近,能够对X线进行显影;医学影像拍摄装置用于拍摄两张不同角度的包含有X线标定装置在内的待定位骨骼的X线影像;光学跟踪相机用于获取X线标定装置和混合现实眼镜的空间坐标并发送给处理器;处理器用于根据拍摄的正、侧位X线影像规划虚拟通道的进针位置和方向。
X线标定装置包括至少包括三个显影标记物,各显影标记物均固定设置在基体上,该X线标定装置的正位影像和侧位影像中的各显影标记物之间均不重叠。其中显影标记物采用显影材料,如金属、陶瓷等,基体采用非显影材料,如塑料等。各显影标记物可采用相同的结构,也可采用不同的结构,例如,可采用球形结构或者立体的字母结构。基体可采用多个延伸的分支结构,各显影标记物分别设置在对应的分支结构上,为了保证X线标定装置能够起到定位的作用,需要保证X线标定装置在正位影像和侧位影像中的各显影标记物均不重叠,可通过使两个相邻的分支结构之间的角度不同,也可将显影标记物的高度设置成不同。
对本实施例而言,如图3-a所示,X线标定装置包括四个显影标记物,均为球形,四个延伸分支之间的角度均不同相同,其中的正视图如图3-a所示,侧视图如图3-b所示。从中可以看出,两附图中的四个显影标记物均不重叠。作为其他实施方式,显影标记物也可采用其他结构,例如,可采用立体字母形的显影标记物,分别设置在四个基体的四个延伸分支上。作为其他实施方式,一个X线标定装置中的显影标记物既可以是字母结构,也可是其他立体结构。
为了保证骨骼和X线标定装置之间的相对位置关系固定,X线标定装置需要固定在待定位骨骼附近的骨骼结构上。医学影像拍摄装置采用了G臂机或者C臂机等医学X线显影设备,本实施例可采用G臂机,通过G臂机对固定有X线标定装置的骨骼进行拍照,这样拍摄出来的X线影像中既包含有骨骼影像,又包含有显影标记物的影像;为了确保能够准确描述规划的虚拟进针通道和X线标定装置之间的位置关系,需要拍摄两张不同角度的X线影像,其中一张为骨骼正位X线影像,一张为骨骼侧位X线影像,两张的拍摄角度大于等于设定角度,本发明中的设定角度为45°即两张影像的拍摄角度≥45°,例如,为了方便计算,本实施例中正位X线影像和侧位X线影像的拍摄角度为90°。本实施例中得到骨骼正位X线影像如图4-a所示,骨骼侧位X线影像如图4-b所示。
光学跟踪相机用于获得X标定装置和MR眼镜的的空间位置,并发送给处理器,处理器采用一般的数据处理设备即可,例如电脑等,首先在骨骼正位X线影像上确定出虚拟通道的进针点,一般是由医生根据骨骼正位X线影像中骨骼的影像确定的,该虚拟进针位置为影像中的二维位置;然后在骨骼侧位X线影像对进针位置进行规划,可以称之为A点,同样的方法,在正、侧位X线影像上规划出进针的终点,称之为B点,根据A、B两点在2维影像图片上相对于X线标记物的参数信息计算出其3维空间相对位置,然后根据空间中两点决定一条直线的原理确定出虚拟进针通道的进针位置和延伸方向。
其中虚拟进针通道的长度和直径是医生提前设定的。假设本实施例中需要规划一个直径为1cm、长度为10cm的圆形通道,则需要医生在处理器上根据要求在X射线影像中规划该通道的起始位置和终点位置。对本实施例而言,如图4-a和图4-b所示,在包含有X线标定装置的骨骼正位X线影像和骨骼侧位X线影像上医生可根据实际情况进行虚拟进针通道的规划,确定出虚拟进针通道的进针位置和终点位置,将两点连成一条直线就是规划出的虚拟进针通道。如图4-a和图4-b所示,规划处的虚拟进针通道空间位置从两张X线影像图中获得,如图中的柱状通道,即规划出的虚拟进针通道可用与X线标定装置的相对位置关系来描述,X线标定装置和混合现实眼镜的空间位置数据由光学跟踪相机获得并发送给处理器。
为了方便医生比较直观的看到虚拟通道的位置,本发明将规划出的虚拟通道相对于X线标定装置的位置和延伸方向发送给混合现实眼镜,如图5所示,这样,医生在进行手术时通过MR眼镜就可以看到规划好的虚拟进针通道了。
通过本发明的定位***,医生可以根据MR眼镜上显示的通道位置进行微创手术了,不需要通过3D导航设备将骨骼的完整影像构建出来,借助于X线标定装置,只需要两张X线影像就能够实现手术导航,大大减少了放射剂量,避免了过多X线投射对人体的伤害,具有广阔的应用前景。
方法实施例
本发明的定位导航方法实现流程如图2所示,首先需要在待定位骨骼上固定X线标定装置;然后拍摄两张不同角度的包含有X线标定装置在内的待定位骨骼的X线影像;再根据接收到的包含有X线标定装置的显影图像规划出虚拟进针通道的起始位置和延伸方向,最后将规划好的虚拟进针通道相对于X线标定装置的起始位置和延伸方向发送给MR眼镜,将规划好的虚拟进针通道在MR眼镜上进行显示。该方法的具体实现过程已在***实施例中进行了详述,这里不再赘述。
Claims (10)
1.一种2D图像手术定位导航***,其特征在于,该导航***包括X线标定装置、医学影像拍摄装置、混合现实眼镜、光学跟踪相机和处理器;所述X线标定装置用于固定在手术部位的设定范围内;所述医学影像拍摄装置用于拍摄两张不同角度的包含有X线标定装置在内的待定位骨骼的X线影像,这两张的拍摄角度大于等于设定角度,并将拍摄到的影像发送给处理器,其中一张为骨骼的正位X线影像,一张为骨骼的侧位X线影像;所述光学跟踪相机用于获取X线标定装置和混合现实眼镜的空间坐标并发送给处理器;所述处理器用于根据接收到的正、侧位X线影像规划虚拟进针通道在X线影像中的位置,包括进针点和终点,并根据虚拟进针通道的进针点和终点相对于X线标定装置的2维参数和X线标定装置的空间坐标计算出虚拟进针通道的3维空间位置,并将虚拟进针通道的空间位置发送给混合现实眼镜;所述混合现实眼镜用于呈现虚拟进针通道的空间位置图像。
2.根据权利要求1所述的2D图像手术定位导航***,其特征在于,所述的X线标定装置包括至少三个显影标记物,各显影标记物均固定设置在基体上,该X线标定装置的正位影像和侧位影像中的各显影标记物之间均不重叠。
3.根据权利要求2所述的2D图像手术定位导航***,其特征在于,各显影标记物的结构相同或者不同。
4.根据权利要求2所述的2D图像手术定位导航***,其特征在于,所述的显影标记物为球形结构。
5.根据权利要求1所述的2D图像手术定位导航***,其特征在于,所述的医学影像拍摄装置为G臂机或C臂机。
6.一种2D图像手术定位导航方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)在手术部位的设定范围内固定X线标定装置,该X线标定装置用于对X线进行显影;
2)拍摄两张不同角度的包含有X线标定装置在内的待定位骨骼的X线影像,一张为骨骼的正位X线影像,一张为骨骼的侧位X线影像,两张的拍摄角度大于等于设定角度;
3)利用光学跟踪相机获取X线标定装置和混合现实眼镜的空间坐标;
4)在获得的正、侧位X线影像上规划虚拟进针通道在2维X线影像中的位置,包括进针点和终点,并根据虚拟进针通道的进针点和终点相对于X线标定装置的2维参数和X线标定装置的空间坐标计算出虚拟进针通道的3维空间位置;
5)将规划出的虚拟进针通道的空间位置发送给混合现实眼镜,在混合现实眼镜上显示虚拟进针通道的空间图像。
7.根据权利要求6所述的2D图像手术定位导航方法,其特征在于,所述的X线标定装置包括至少三个X线显影标记物,各显影标记物均固定设置在基体上,该X线标定装置的正位影像和侧位影像中的各显影标记物之间均不重叠。
8.根据权利要求7所述的2D图像手术定位导航方法,其特征在于,各显影标记物的结构相同或者不同。
9.根据权利要求7所述的2D图像手术定位导航方法,其特征在于,所述的显影标记物为球形结构。
10.根据权利要求6所述的2D图像手术定位导航方法,其特征在于,所述步骤2)采用医学影像拍摄装置进行X线影像拍摄,医学影像拍摄装置为G臂机或C臂机。
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