TW201519856A - 手術定位方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種手術定位方法，應用於C型臂影像導引系統中，係透過定位單元與C型臂之間的座標系統的轉換，並搭配感測器所取得的空間座標，使得C型臂僅需拍攝一次X光影像，即可將該X光影像與該感測器所取得的空間座標相結合，而能獲得手術器械於該X光影像上的即時位置資訊。

Description

手術定位方法

本發明係有關一種手術定位方法，尤指一種應用於C型臂拍攝之手術定位方法。

目前在骨科或脊椎手術過程中，醫療人員常常需要將一些植體植入到人體內，而為了能夠精確地將植體植入到正確的位置，近年來逐漸發展出電腦輔助定位之技術，以提升手術時定位之準確度。醫療人員能事先利用影像攝影設備取得病患的病灶位置之二維影像，再利用電腦重建出病灶的立體影像，並進行座標化。如此一來即可在手術進行時輸入手術刀具之座標位置以電腦進行導引，大幅提昇手術時定位之準確度。

C型臂(C-arm)為骨科或脊椎手術中經常使用的工具，用以確認手術刀具的方位並建立醫療影像，以作為醫療人員術中導引與定位之依據。目前C型臂之定位流程，係先於病患與C型臂上裝設動態參考框架(Dynamic reference frame,DRF)，再以C型臂於第一拍攝位置拍攝第一張X光影像，並以光學式攝影機紀錄此時C型臂與病患的相對位置。接著將C型臂移動至第二拍攝位置，以拍攝 第二張X光影像，同時以光學式攝影機紀錄第二拍攝位置之C型臂與病患的相對位置。利用此二次的X光影像、C型臂與病患的相對位置，計算出病患之病灶的三維空間座標與X光影像上相對應點的二維平面座標的轉換公式，以求得病灶在三維空間中之位置來作為醫療人員術中導引與定位之依據。

然而上述的方法必須使用C型臂拍攝兩張以上的X光影像，C型臂雖具備造影成本低、取像速度快、機動性高等優點，但是為了持續確認手術刀具之位置則必須不斷地拍攝新的影像，導致病患、醫療人員在手術過程中承受了高劑量的輻射，嚴重威脅人體健康。此外，光學式攝影機為了同時追蹤C型臂與病患上的動態參考框架，需要使用追蹤範圍較廣、體積較大的光學式攝影機，不但製造成本增加，亦不利於攜帶，且無法縮小手術室的空間。

有鑑於此，如何在有效減少C型臂拍攝X光影像之次數的同時，並只需追蹤病患身上的動態參考框架，而不需追蹤C型臂上的動態參考框架，以兼顧手術時定位之準確度、降低製造成本及增加系統可攜性，實為目前急需解決的課題之一。

鑑於上述問題，本發明之目的在於提供一種手術定位方法，應用於C型臂影像導引系統中，透過定位單元與C型臂之間座標系統的轉換，並搭配感測器所取得的空間座標，使得C型臂僅需拍攝一次X光影像，即可將該X光影 像與該感測器所取得的空間座標相結合，而能獲得手術器械於該X光影像上相對於該定位單元的即時位置資訊。

為達上述目的或其他目的，本發明係提供一種手術定位方法，應用於C型臂影像導引系統，配合一具有複數個標記點元件之手術器械於一手術部位使用，該手術定位方法包含下列步驟：(1)提供一C型臂及一定位單元，該定位單元具有複數個標記點元件且該定位單元係固定於該手術部位；(2)將位於該些標記點元件之中心點的標記點元件定義為原點，並計算該些標記點元件相對於該原點之空間座標，以得到一第一座標系統；(3)利用該C型臂針對該定位單元及該手術部位進行一X光影像拍攝，以得到一第二座標系統，且同時以一感測器取得該定位單元之第一空間座標；(4)取得該第一座標系統與該第二座標系統之間的轉換關係式；(5)利用該感測器取得該手術器械之第二空間座標；以及(6)根據該轉換關係式計算該第一空間座標及該第二空間座標於該X光影像上的相對位置，以獲得該手術器械於該X光影像上相對於該定位單元的即時位置資訊。

藉由本發明之手術定位方法，能夠取得定位單元及C型臂之間座標系統的轉換關係式，因此，感測器不需再追蹤C型臂上的動態參考框架，僅需追蹤手術器械上的定位單元，並利用該轉換關係式將手術器械之座標系統轉換至與該X光影像相同之座標系統，並結合該定位單元，以獲得該手術器械於該X光影像上相對於該定位單元的即時位 置資訊，並達到兼顧手術時定位之準確度、降低製造成本及增加系統可攜性等功效。

10‧‧‧C型臂

11‧‧‧投射點

12‧‧‧病患

121、122‧‧‧特徵點

13‧‧‧投影面

131、132‧‧‧投影點

21‧‧‧第一座標系統

22‧‧‧第二座標系統

f‧‧‧焦距

S01~S06‧‧‧步驟

T_z‧‧‧平移量

第1圖為本發明手術定位方法之一實施例之示意圖；以及第2圖為本發明手術定位方法之流程圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。因此，以下本發明涵蓋本文揭示的任何特定實施例之任何部件或方法，可與本文揭示的任何其他實施例之任何部件或方法相結合。

請同時參閱第1、2圖，本發明之手術定位方法，係配合一手術器械於一手術部位使用，例如應用在腰椎微創內固定手術，而手術器械則具體可為電燒刀或攻牙錐，手術部位則為病患之脊椎、腰椎、關節、髖關節或其他骨頭部位等等，因此，本發明之手術定位方法，為電腦輔助手術的相關技術之一，用影像導航技術輔助治療，以降低如椎弓根螺釘的植入手術中螺釘的錯位率。該手術器械具有複數個標記點元件(landmark)，且手術器械上的標記點元件為至少四個以上，而該些標記點元件皆設置在同一平面上。標記點元件具體為被動式的具有反射功能的反光球，或是具有主動式光源的元件。

於步驟S01中，本發明之手術定位方法，必須應用在C型臂(C-arm)10及定位單元之C型臂影像導引系統中。C型臂10為一種影像設備，可於術中拍攝X光影像，如搭配導航系統則可將該X光影像作為導航之用。定位單元即為裝置在病患12之手術部位的動態參考框架(Dynamic reference frame,DRF)，該定位單元上具有複數個標記點元件，標記點元件具體為塗佈有特殊塗料而具有反射功能的反光球，以反射感測器所發出的光線，或是具有主動式光源的發光元件，如可發出特定區段波長(880nm~930m，)的紅外線發光二極體。此外，標記點元件的數量係為至少四個以上，且設置在定位單元上的標記點元件必須在不同平面上。於第1圖中，病患12上的特徵點121、122即是對應該定位單元上的標記點元件，於本實施例中係以二個特徵點121、122(即二個標記點元件)來作說明，最佳為四個以上，但本發明並不以此為限。

於步驟S02中，必須先定義定位單元上的標記點元件之其中一點為原點，具體為將位於複數個標記點元件之中心點的標記點元件定為原點，其他的標記點元件即可以相對於該原點之空間座標進行計算，來求出每個標記點元件的空間座標。於一實施例中，即以病患12上的特徵點121作為原點。而整體標記點元件之空間座標，可構成第一座標系統21。具體而言，該第一座標系統12為病患的座標系(即定位單元的座標系)，而特徵點122的相對空間座標，則以作為原點之特徵點121加以計算所得。

於步驟S03中，移動C型臂10將其定位後，就可以利用該C型臂10來進行X光影像的拍攝作業。而在拍攝X光影像時，必須確認該定位單元上的所有標記點元件都在X光影像的拍攝範圍內，即C型臂10係針對定位單元及手術部位來進行X光影像的拍攝，而用在該X光影像的座標系統，係為第二座標系統22。具體而言，C型臂10必須將特徵點121、122都納入X光影像的拍攝範圍內。該第二座標系統22為該C型臂的座標系。而拍攝出的X光影像，以一模擬之投影面13來作說明，由於C型臂10將特徵點121、122都納入X光影像的拍攝範圍，故在投影面13上可看出分別對應特徵點121、122的投影點131、132。在C型臂10拍攝X光影像的同時，一併利用一感測器追蹤該定位單元的空間位置，而得到第一空間座標，該感測器具體為紅外線感測器。於一實施例中，係可移動該C型臂10讓C型臂10之中心盡量正對著該原點，以減少後續計算的複雜度，亦即，將C型臂10之中心的投射點11盡量對準作為原點的特徵點121，但本發明並不此以為限。

於步驟S04中，係將前述取得的第一座標系統及第二座標系統計算得到兩者之間的轉換關係式，該轉換關係式具體為齊次轉換矩陣(homogeneous transformation matrix)，為一4x4矩陣，可表示成，其中，R為正交矩陣，T為平移矩陣。該正交矩陣係根據該第一座標系統及該第二座標系統之間的相對角度關係所得，該平移矩陣 係以該C型臂之中心到該原點之間的距離所得。

詳而言之，投射點11為C型臂10之中心點，可先定義出C型臂10之投射點11的座標系單位向量為，即為第二座標系統22。特徵點121、122的座標系單位向量可先定義為，由於特徵點121定義為原點(M₀)，故特徵點122之座標(M_i)可藉由作為原點之特徵點121加以推導出，即特徵點121、122座標在空間中為已知，未知的係為特徵點121、122在第二座標系統22內的投影點131、132的座標。假設欲求的投影點132的影像座標為(x _i ,y _i )，特徵點122之座標為(X _i ,Y _i ,Z _i )，特徵點121、122的向量為。

因此，該齊次轉換矩陣中的正交矩陣R可表示為，正交矩陣R表示第一座標系統及第二座標系統之間的相對角度關係，其中，R₁、R₂、R₃定義為正交矩陣R的列向量，正交矩陣R內每一列分別為第二座標系統的單位向量，在第一座標系統中的相對位置係分別定義，且。

另外，該齊次轉換矩陣中的平移矩陣T可表示為，平移矩陣T表示該C型臂之中心到該原點之間的距離。因將C型臂10之中心的投射點11盡量對準作為原點的特徵點121，投射點11與特徵點121之向量平行於投射點11與投影點131之向量，故計算第一座標系統的平移只需平移量T_z的座標值，平移量T_z即為該C型臂10之中心的投 射點11到該特徵點121之間的Z軸上的距離，另定義該C型臂10之中心的投射點11至投影面13的距離為焦距f。在比例垂直投影中，其投影面13上投影的向量之比例因子為，投影點132的影像座標為(x _i ,y _i )則可分別表示為。在縮放垂直投影中，特徵點121、122彼此之間的深度會遠小於作為原點之特徵點121到C型臂10之中心的投射點11之間的距離，因此，可將投影點132的影像座標為(x _i ,y _i )進一步表示成，其中ε為計算誤差。

在進行演算時，經由比例因子及可定義出於投影面13上的兩向量，且已知，投影點132的含有誤差之影像座標為(x _i ',y _i )，x _i ',y _i '可分別以與特徵點121、122之向量來求得，公式可表示為：

將代入上二式可得。為了使修正計算誤差使其更為精準，先假設誤差ε=0，再依據上述公式分別計算出， 再以計算出R₃，有了R₃則可計算出ε _i ，檢視ε _i 是否趨近於ε _i-1，若趨近則結束運算，並以該ε _i 作為誤差計算值進行修正；若非趨近則再將ε _i 作為ε並代入上述公式重新計算，直到ε _i 趨近於ε _i-1。如此一來，藉由此運算流程能夠修正誤差值，進而得到更為精確的影像。

求得該轉換關係式後，即可搭配手術器械於手術部位使用時，將手術器械的座標系轉換成C型臂的座標系。於步驟S05中，必須先利用該感測器取得該手術器械的第二空間座標。於步驟S06中，取得該第二空間座標後，利用該轉換關係式將該第二空間座標轉換成C型臂的座標系，而定位單元的第一空間座標亦一併利用該轉換關係式進行轉換。在第一空間座標及第二空間座標皆轉換成C型臂的座標系後，即可將定位單元及手術器械之相對位置在X光影像上顯示出來。如此一來，只要持續利用該感測器追蹤該手術器械的空間座標，經轉換關係式轉換後，可即時在X光影像上取得手術器械相對於該定位單元的即時位置資訊。因此，感測器不需要追蹤C型臂上的動態參考框架，只需要追蹤手術器械上的定位單元，如此一來可使用追蹤範圍較小的感測器，進一步降低製造成本並增加系統的可攜性。而本發明之手術定位方法，只需要拍攝一次X光影像即可達到手術定位的目的，且令病患、醫療人員不必承受過多高劑量的輻射。

上述實施形態僅為例示性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟 習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

S01~S06‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種手術定位方法，應用於C型臂影像導引系統，係配合一具有複數個標記點元件之手術器械於一手術部位使用，該手術定位方法包含下列步驟：(1)提供一C型臂及一定位單元，該定位單元具有複數個標記點元件且該定位單元係固定於該手術部位；(2)將位於該些標記點元件之中心點的標記點元件定義為原點，並計算該些標記點元件相對於該原點之空間座標，以得到一第一座標系統；(3)利用該C型臂對該定位單元及該手術部位進行一X光影像拍攝，以得到一第二座標系統，且同時以一感測器取得該定位單元之第一空間座標；(4)取得該第一座標系統與該第二座標系統之間的轉換關係式；(5)利用該感測器取得該手術器械之第二空間座標；以及(6)根據該轉換關係式計算該第一空間座標及該第二空間座標於該X光影像上的相對位置，以獲得該手術器械於該X光影像上相對於該定位單元的即時位置資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之手術定位方法，其中，該定位單元為動態參考框架，該定位單元之複數個標記點元件係為至少四個以上且分別設置在不同平面 上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之手術定位方法，其中，該手術器械之複數個標記點元件係為至少四個以上且設置在同一平面上。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之手術定位方法，其中，該些標記點元件係為反光球或紅外線發光二極體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之手術定位方法，其中，該感測器為紅外線感測器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之手術定位方法，其中，該轉換關係式係為齊次轉換矩陣。
7. 如申請專利範圍第6項所述之手術定位方法，其中，該齊次轉換矩陣更包含一正交矩陣，該正交矩陣係依據該第一座標系統及該第二座標系統之間的相對角度關係所得者。
8. 如申請專利範圍第6項所述之手術定位方法，其中，該齊次轉換矩陣更包含一平移矩陣，該平移矩陣係以該C型臂之中心到該原點之間的距離所得者。
9. 如申請專利範圍第1項所述之手術定位方法，其中，該手術器械為電燒刀或攻牙錐。