CN116999129A - 一种用于神经外科穿刺手术的定位导航***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于神经外科穿刺手术的定位导航***及方法，***包括核磁共振扫描单元、光学定位单元、穿刺单元和导航***终端；穿刺单元包括机械臂和穿刺针；光学定位单元包括光学定位仪和定位导航支架，定位导航支架固定在患者头颅和机械臂末端，定位导航支架上固定多颗光学标记球；光学定位仪用于采集光学标记球的光学图像信息；核磁共振扫描单元包括核磁共振扫描仪、Z框架和多个钛钉，多个钛钉固定于患者头颅上，Z框架位于机械臂末端；核磁共振扫描仪用于采集患者颅脑、钛钉、Z框架以及穿刺针的扫描影像信息；导航***终端与核磁共振扫描单元、光学定位单元和穿刺单元相连。本发明能够在术中实现脑组织偏移补偿，保证穿刺路径安全性。
Description
技术领域
本发明主要涉及手术定位导航技术领域，具体涉及一种用于神经外科穿刺手术的定位导航***及方法。
背景技术
帕金森、脑肿瘤、脑卒中等疾病已成为影响国民健康的最严重疾病之一。神经外科穿刺手术是治疗这些脑神经疾病最主要的方法。其主要流程是将穿刺针刺入患者颅内，对病灶进行清除。然而由于颅内神经功能区、血管分布复杂，穿刺路径选择不得当或靶点定位偏差，都可能会引发严重的后遗症甚至危及患者的生命，因此亟需使用一种手术导航***来对整个颅内穿刺过程进行导航，以保证穿刺针能够安全且准确的到达患者的病灶靶点处。
现有的手术导航***大都是使用光学定位技术或者电磁导航技术，在术中实时跟踪手术器械在手术空间中的位置坐标，并将手术器械的位置坐标以虚拟的三维图像模型的形式在显示屏上进行显示，以便医生能够实时观察手术器械在患者颅内的相对空间位置，从而保障穿刺手术的顺利进行。为了将手术器械的位置坐标转换到手术区域的三维影像模型上进行显示，需要在头颅上打上多颗钛钉，方便进行坐标系的配准，从而确定手术空间与三维影像之间的空间转换关系。然而现有的手术导航***均没有考虑术中可能发生的脑组织漂移现象，仅根据术前重建的三维模型及提前规划好的穿刺路径进行手术导航，因此时常会出现病灶靶点定位不准，穿刺路径不安全等问题。除此之外，这种手术导航***在穿刺过程中均为“盲穿刺”，无法实时监控穿刺过程中颅内的实际状况，无法对手术过程中随时可能发生的意外进行及时反应和妥善处理。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现脑组织偏移补偿，保证手术中穿刺路径安全性的用于神经外科穿刺手术的定位导航***及方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于神经外科穿刺手术的定位导航***，包括核磁共振扫描单元、光学定位单元、穿刺单元和导航***终端；
所述穿刺单元包括机械臂和穿刺针，所述穿刺针位于所述机械臂的活动端；
所述光学定位单元包括光学定位仪和两个定位导航支架，两个所述定位导航支架刚性固定在患者头颅和机械臂末端，所述定位导航支架上固定多颗光学标记球；所述光学定位仪用于采集光学标记球的光学图像信息，以对患者头颅位置和机械臂末端进行光学跟踪；
所述核磁共振扫描单元包括核磁共振扫描仪、Z框架和多个钛钉，多个所述钛钉固定于患者头颅上，所述Z框架位于所述机械臂末端；所述核磁共振扫描仪用于采集患者颅脑、钛钉、Z框架以及穿刺针的扫描影像信息；
所述导航***终端分别与所述核磁共振扫描单元、光学定位单元和穿刺单元相连，用于在手术前，根据患者颅脑及颅骨表面钛钉的三维扫描影像信息对患者颅脑进行三维重建与分割，得到颅脑三维模型；并且根据颅骨表面钛钉的扫描影像信息和光学图像信息，确定手术前采集的扫描影像坐标系与光学导航坐标系之间的空间转换关系，完成机械臂的初始位姿标定；
以及在手术中，根据Z框架的扫描影像信息，调整核磁共振扫描仪的二维切片扫描平面，将颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准；根据配准后的包含穿刺针和患者颅脑的二维影像信息，确定病灶靶点与穿刺针的相对空间位置关系，对穿刺针的穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述光学定位仪包括近红外光光源和两个近红外摄像机；所述近红外光光源用于发射近红外光照射待测量物体，红外光从光学标记球反射回光学定位单元上的近红外摄像机，根据光线的交点进行三角测量得到光学标记球的三维坐标。
所述定位导航支架上固定有四颗光学标记球，各所述光学标记球的表面设有红外光反射涂层。
所述Z框架包括凹字形主体结构，主体结构内部设置圆柱形隧道且在拐角处联通，每个面的隧道呈Z型分布。
所述Z框架的主体结构由丙烯酸塑料制成，隧道内部由核磁共振扫描仪下可见的树脂填充。
所述穿刺针包括外套管和内针，所述外套管套设在内针外，所述外套管为纯钽材质，内针为钛合金材质。
所述导航***终端包括信息获取模块、图像处理模块和处理计算模块；所述信息获取模块的输入端与核磁共振扫描单元和光学定位单元相连，所述信息获取模块的输出端与图像处理模块和处理计算模块相连。
所述信息获取模块的输入端通过USB接口与所述核磁共振扫描单元和光学定位单元相连。
本发明还公开了一种基于如上所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***的定位导航方法，包括步骤：
在手术前，根据患者颅脑及颅骨表面钛钉的三维扫描影像对患者颅脑进行三维重建与分割，得到颅脑三维模型；根据颅骨表面钛钉的影像信息和光学图像信息，确定手术前采集的影像坐标系与光学导航坐标系间的空间转换关系，完成机械臂的初始位姿标定；
在手术中，根据Z框架的扫描影像信息，调整核磁共振扫描仪的二维切片扫描平面，对手术前的颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准；根据配准后的同时包含穿刺针和患者颅脑的二维影像信息，确定病灶靶点与穿刺针的相对空间位置关系，对穿刺针的穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
作为上述技术方案的进一步改进：
将手术前的颅脑三维模型作为移动图像，手术中二维切片扫描平面作为参考图像，使用Elastix工具对手术前的颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在穿刺针进入颅脑前，采用光学定位单元进行机械臂的初始标定和穿刺针的跟踪；在穿刺针进入颅脑内后，采用核磁共振扫描单元的核磁影像定位的方式，将手术中实时的二维核磁影像与手术前的颅脑三维模型配准，从而实现脑偏移的补偿，保证术中穿刺路径的安全性；同时使用配准后的二维影像来实现病灶靶点的重定位、穿刺路径的重新规划以及穿刺针尖的精细定位。
本发明能有效的监控和补偿手术中由于颅压变化、穿刺针挤压等多种可能原因所导致的脑组织漂移问题，实现穿刺针和病灶靶点的术中精确定位，提高手术导航的精准度和安全性。由于***同时采用了光学定位和核磁影像定位两种方式，还能有效解决纯光学导航***可能出现的被遮挡问题，从而有效提高了穿刺手术过程的精确度与稳定性，更适用于神经外科穿刺手术这一特定应用场景。
附图说明
图1为本发明的定位导航方法在实施例的流程图。
图2为本发明的定位导航***在具体应用时的实施例图。
图3为本发明中的机械臂末端结构在实施例的结构示意图。
图4为本发明中的Z框架在实施例的结构示意图。
图5为本发明中的定位导航支架在实施例的结构示意图。
图6为本发明中的光学定位单元在实施例的结构示意图。
图7为本发明中的定位导航***在实施例的拓扑结构图。
图例说明：1、核磁共振扫描单元；101、核磁共振扫描仪；102、Z框架；103、钛钉；2、光学定位单元；201、光学定位仪；2011、近红外光光源；2012、近红外摄像机；202、定位导航支架；2021、光学标记球；3、穿刺单元；301、机械臂；302、穿刺针；4、导航***终端；401、信息获取模块；402、图像处理模块；403、处理计算模块；5、显示器。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图2所示，本发明实施例的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，包括核磁共振扫描单元1、光学定位单元2、穿刺单元3和导航***终端4；
穿刺单元3包括多自由度机械臂301和穿刺针302，穿刺针302位于多自由度机械臂301的活动端；其中多自由度机械臂301固定于患者病床上，用于自动执行穿刺操作；其中穿刺针302用于执行穿刺操作；
光学定位单元2包括光学定位仪201和两个定位导航支架202，两个定位导航支架202刚性固定在患者头颅和机械臂301末端，定位导航支架202上固定多颗光学标记球2021；光学定位仪201用于采集光学标记球2021的光学图像信息，以对患者头颅位置和机械臂301末端进行光学跟踪；
核磁共振扫描单元1包括核磁共振扫描仪101、Z框架102和多个钛钉103，多个钛钉103固定于患者头颅上，Z框架102位于机械臂301末端；核磁共振扫描仪101用于采集患者颅脑、钛钉103、Z框架102以及穿刺针302的扫描影像信息；
导航***终端4分别与核磁共振扫描单元1、光学定位单元2和穿刺单元3相连，用于在手术前，根据患者颅脑及颅骨表面钛钉103的三维扫描影像信息对患者颅脑进行三维重建与分割，得到颅脑三维模型；并且根据颅骨表面钛钉103的扫描影像信息和光学图像信息，确定手术前采集的扫描影像坐标系与光学导航坐标系之间的空间转换关系，完成机械臂301的标定；
以及在手术中，根据Z框架102的扫描影像信息，调整核磁共振扫描仪101的二维切片扫描平面，将颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准；根据配准后的包含穿刺针302和患者颅脑的二维影像信息，确定病灶靶点与穿刺针302的相对空间位置关系，对穿刺针302的穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
本发明在穿刺针302进入颅脑前，采用光学定位单元2进行机械臂301的初始标定和穿刺针302的跟踪；在穿刺针302进入颅脑内后，采用核磁共振扫描单元1的核磁影像定位的方式，将手术中实时的二维核磁影像与手术前的颅脑三维模型配准，从而实现脑组织偏移的补偿，保证术中穿刺路径的安全性；同时使用配准后的二维影像来实现病灶靶点的重定位、穿刺路径的重新规划以及穿刺针尖的精细定位。
本发明能有效的监控和补偿手术中由于颅压变化、穿刺针302挤压等多种可能原因所导致的脑组织漂移问题，实现穿刺针302和病灶靶点的术中精确定位，提高手术导航的精准度和安全性。由于***同时采用了光学定位和核磁影像定位两种方式，还能有效解决纯光学导航***可能出现的被遮挡问题，从而有效提高了穿刺手术过程的精确度与稳定性，更适用于神经外科穿刺手术这一特定应用场景。
在一具体实施例中，如图6所示，光学定位仪201包括近红外光光源2011和两个近红外摄像机2012；近红外光光源2011用于发射近红外光照射待测量物体，红外光从光学标记球2021反射回光学定位单元2上的近红外摄像机2012，根据光线的交点进行三角测量得到光学标记球2021的三维坐标。如图5所示，定位导航支架202上固定有四颗光学标记球2021，各光学标记球2021的表面设有红外光反射涂层，保证能反射红外光。其中定位导航支架202的主体结构为钛合金材质。当然，在其它实施例中，也可以设置三颗、五颗或更多颗的光学标记球2021，具体数量根据实际情况而定。
在一具体实施例中，如图3所示，Z框架102固定于机械臂301末端，与穿刺针302直接连接。如图4所示，Z框架102包括凹字形主体结构，主体结构内部设置圆柱形隧道且在拐角处联通，每个面的隧道呈Z型分布。除隧道外的框架整体由丙烯酸塑料构成，内部隧道由核磁共振扫描仪101下可见的(聚醚醚酮)树脂填充。上述Z框架102用于在手术中作为参考坐标系，通过Z框架102坐标系与图像坐标系的配准，间接实现手术器械(穿刺针302)坐标系与图像坐标系的配准，进而调整核磁共振扫描仪101成像平面，以实现在扫描图像中对穿刺针302进行定位。
在一具体实施例中，穿刺针302包括外套管和内针，外套管套设在内针外，外套管为纯钽材质，内针为钛合金材质。其中钛钉103在核磁共振扫描仪101和CT扫描仪下均能清晰成像，用于植入患者颅骨，充当标记物实现光学坐标系与三维影像坐标系之间的配准。其中机械臂301需采用核磁兼容材质，如钛合金等材料制作，保证其能在核磁共振扫描仪101下正常工作。
在一具体实施例中，如图7所示，导航***终端4包括信息获取模块401、图像处理模块402和处理计算模块403；信息获取模块401的输入端通过USB接口与核磁共振扫描单元1和光学定位单元2相连，信息获取模块401的输出端与图像处理模块402和处理计算模块403相连。
在信息获取模块401获取到光学定位信息和扫描影像信息后，将光学定位信息发送给处理计算模块403，将扫描影像信息发送给图像处理模块402，图像处理模块402处理完后发送给处理计算模块403。具体如下：
信息获取模块401，用于获取光学定位信息和术前、术中的CT及核磁影像信息。应理解，信息获取模块401可以是具有多个通信接口的通信模块，通过该通信模块与核磁共振扫描仪101、光学定位单元2通信连接，以便获取光学定位信息和扫描图像信息，该图像获取接口可以是USB接口等。
图像处理模块402，用于根据术前的CT和MR影像信息建立三维影像模型；用于处理获取到的钛钉103的扫描影像信息和光学图像信息；根据Z框架102的核磁影像来计算核磁扫描仪的成像平面方向；对术前三维模型与术中二维核磁影像进行空间配准；根据配准后的二维核磁影像对穿刺针302进行分割和定位。
处理计算模块403，用于根据图像处理模块402计算结果进行进一步计算，具体有：完成术前***初始标定；调整核磁共振仪的成像平面，与穿刺针302所在平面平行，从而确保穿刺针302可以在单帧的二维核磁影像切片中被完整成像；重新确定病灶靶点位置；对穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
其中术前初始***标定过程具体而言，采用现有的图像定位技术，确定钛钉103在三维影像模型中的模型定位信息，即在影像空间中的位置坐标。还根据光学定位信息确定钛钉103在手术空间的位置坐标，即各个钛钉103在光学定位***坐标系下的空间位置坐标。处理计算模块403根据多颗钛钉103的影像空间位置坐标和光学空间位置坐标，采用现有的转换矩阵算法，计算出光学空间坐标系与影像空间坐标系之间的转换矩阵。
其中信息获取模块401设置有两个USB接口，信息获取模块401通过USB接口与光学定位单元2信号及核磁共振扫描仪101连接，从而获取扫描图像信息。
本发明实施例还公开了一种基于如上所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***的定位导航方法，包括步骤：
在手术前，根据患者颅脑及颅骨表面钛钉103的三维扫描影像对患者颅脑进行三维重建与分割，得到颅脑三维模型；根据颅骨表面钛钉103的影像信息和光学图像信息，确定手术前采集的影像坐标系与光学导航坐标系间的空间转换关系，完成机械臂301的初始标定；
在手术中，根据Z框架102的扫描影像信息，调整核磁共振扫描仪101的二维切片扫描平面，对手术前的颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准；根据配准后的同时包含穿刺针302和患者颅脑的二维影像信息，确定病灶靶点与穿刺针302的相对空间位置关系，对穿刺针302的穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
其中计算光学空间坐标系与影像坐标系之间的转换矩阵的方法，可以使用ICP配准算法。
其中手术前三维模型与术中二维核磁共振影像进行配准方法，可以直接将术前三维模型作为移动图像，术中二维核磁共振影像作为参考图像，使用Elastix工具进行配准。
其中基于配准后的二维核磁共振影像，进行穿刺针302尖的分割与定位方法可以使用Mask-RCNN深度学习网络。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，如图1所示：
1.手术前的患者颅脑三维重建与手术路径规划：在手术前需要将定位导航支架202与患者头颅刚性连接，并在颅骨上植入至少三个钛钉103。使用CT扫描仪和核磁共振扫描仪101对患者头颅进行术前扫描，将获取的包含钛钉103和患者颅脑的CT和MR影像发送至导航***终端4。基于采集到的CT和MR影像，进行重要脑组织、神经、血管、病灶的高精度三维分割与重建，根据重建所得的高精度颅脑三维模型进行手术路径的规划，并确定各个钛钉103在影像坐标系下的三维空间坐标。
2.手术前的***初始标定：穿刺针302依次点击颅骨表面所有的钛钉103，记录下机械臂301末端光学标记球2021200的光学图像信息，确定各个钛钉103在光学导航坐标系下的三维坐标。结合钛钉103在影像空间坐标系中的三维坐标，计算影像空间坐标系与光学导航***坐标系间的转换关系,完成***初始标定。根据手术前规划的穿刺路径，自动调整机械臂301末端移动至预打孔处，使用超声骨刀完成颅脑开孔。完成开孔后将超声骨刀重新替换为穿刺针302，并利用滑轨移动手术床，将患者头部和机械臂301均移入核磁共振扫描仪101内，准备开始穿刺手术。
3.术中核磁成像平面调整：根据核磁共振扫描仪101采集到的Z框架102影像，实时调整核磁共振扫描仪101的扫描平面与穿刺针302所在的平面平行，以确保穿刺针302可以在单帧的二维核磁影像切片中被完整成像。
4.穿刺路径的安全评估与重规划：将核磁共振扫描仪101在术中实时扫描的二维影像切片与术前的高精度三维模型进行配准，从而快速在二维扫描图像中得到重要脑组织、神经、血管以及病灶的位置坐标信息，对术前规划的穿刺路径进行安全评估和重规划。
5.穿刺针302定位与导航：基于核磁共振扫描仪101扫描的二维切片影像进行穿刺针302的分割与定位，实现手术过程中的穿刺针302的导航与定位。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，包括核磁共振扫描单元(1)、光学定位单元(2)、穿刺单元(3)和导航***终端(4)；
所述穿刺单元(3)包括机械臂(301)和穿刺针(302)，所述穿刺针(302)位于所述机械臂(301)的活动端；
所述光学定位单元(2)包括光学定位仪(201)和两个定位导航支架(202)，两个所述定位导航支架(202)刚性固定在患者头颅和机械臂(301)末端，所述定位导航支架(202)上固定多颗光学标记球(2021)；所述光学定位仪(201)用于采集光学标记球(2021)的光学图像信息，以对患者头颅位置和机械臂(301)末端进行光学跟踪；
所述核磁共振扫描单元(1)包括核磁共振扫描仪(101)、Z框架(102)和多个钛钉(103)，多个所述钛钉(103)固定于患者头颅上，所述Z框架(102)位于所述机械臂(301)末端；所述核磁共振扫描仪(101)用于采集患者颅脑、钛钉(103)、Z框架(102)以及穿刺针(302)的扫描影像信息；
所述导航***终端(4)分别与所述核磁共振扫描单元(1)、光学定位单元(2)和穿刺单元(3)相连，用于在手术前，根据患者颅脑及颅骨表面钛钉(103)的三维扫描影像信息对患者颅脑进行三维重建与分割，得到颅脑三维模型；并且根据颅骨表面钛钉(103)的扫描影像信息和光学图像信息，确定手术前采集的扫描影像坐标系与光学导航坐标系之间的空间转换关系，完成机械臂(301)的初始位姿标定；
以及在手术中，根据Z框架(102)的扫描影像信息，调整核磁共振扫描仪(101)的二维切片扫描平面，将颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准；根据配准后的包含穿刺针(302)和患者颅脑的二维影像信息，确定病灶靶点与穿刺针(302)的相对空间位置关系，对穿刺针(302)的穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
2.根据权利要求1所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述光学定位仪(201)包括近红外光光源(2011)和两个近红外摄像机(2012)；所述近红外光光源(2011)用于发射近红外光照射待测量物体，红外光从光学标记球(2021)反射回光学定位单元(2)上的近红外摄像机(2012)，根据光线的交点进行三角测量得到光学标记球(2021)的三维坐标。
3.根据权利要求2所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述定位导航支架(202)上固定有四颗光学标记球(2021)，各所述光学标记球(2021)的表面设有红外光反射涂层。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述Z框架(102)包括凹字形主体结构，主体结构内部设置圆柱形隧道且在拐角处联通，每个面的隧道呈Z型分布。
5.根据权利要求4所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述Z框架(102)的主体结构由丙烯酸塑料制成，隧道内部由核磁共振扫描仪(101)下可见的树脂填充。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述穿刺针(302)包括外套管和内针，所述外套管套设在内针外，所述外套管为纯钽材质，内针为钛合金材质。
7.根据权利要求1或2或3所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述导航***终端(4)包括信息获取模块(401)、图像处理模块(402)和处理计算模块(403)；所述信息获取模块(401)的输入端与核磁共振扫描单元(1)和光学定位单元(2)相连，所述信息获取模块(401)的输出端与图像处理模块(402)和处理计算模块(403)相连。
8.根据权利要求7所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***，其特征在于，所述信息获取模块(401)的输入端通过USB接口与所述核磁共振扫描单元(1)和光学定位单元(2)相连。
9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述的用于神经外科穿刺手术的定位导航***的定位导航方法，其特征在于，包括步骤：
在手术前，根据患者颅脑及颅骨表面钛钉(103)的三维扫描影像对患者颅脑进行三维重建与分割，得到颅脑三维模型；根据颅骨表面钛钉(103)的影像信息和光学图像信息，确定手术前采集的影像坐标系与光学导航坐标系间的空间转换关系，完成机械臂(301)的初始位姿标定；
在手术中，根据Z框架(102)的扫描影像信息，调整核磁共振扫描仪(101)的二维切片扫描平面，对手术前的颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准；根据配准后的同时包含穿刺针(302)和患者颅脑的二维影像信息，确定病灶靶点与穿刺针(302)的相对空间位置关系，对穿刺针(302)的穿刺路径的安全性进行评估和重新规划。
10.根据权利要求9所述的定位导航方法，其特征在于，将手术前的颅脑三维模型作为移动图像，手术中二维切片扫描平面作为参考图像，使用Elastix工具对手术前的颅脑三维模型与手术中二维切片扫描平面进行空间配准。
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