TWI624243B - 手術導引系統及其器械導引方法 - Google Patents

手術導引系統及其器械導引方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種手術導引系統及其器械導引方法，包括：取得一器械之預定器械路徑之三維空間資訊；將該三維空間資訊傳送至處理單元，以令處理單元利用一投影模型演算法將三維空間資訊轉換為二維空間資訊；以及令至少二影像式投影單元分別接收該二維空間資訊，以於一實體空間中分別投射至少二圖樣，其中，該二圖樣相交形成一交集區。

Description

手術導引系統及其器械導引方法
本發明係有關一種手術導引系統及其器械導引方法，尤指一種可提供光學導引以增加手術操作便利性之手術導引系統及其器械導引方法。
在現今許多微創外科手術中，醫生往往只能依據術前影像或即時影像的資料來進行手術，而此類輔助醫生進行手術之系統，可稱為手術導引系統。目前常見之手術導引系統例如有超音波成像(ultrasound imaging)或紅外線成像(Infrared imaging)搭配術前影像(如核磁共振影像、電腦斷層影像、X射線影像)之應用等。
然而，目前現有之手術導引系統在使用上，不論是術前影像或即時影像(例如：超音波能提供即時影像)，醫生都必須同時專注於觀看手術導引系統所提供的影像畫面以及患者實體的手術空間位置，容易造成醫生手術上的不便，更甚者會增加手術操作上的誤差。
是以，如何提供一種可改善上述問題之手術導引系統及其器械導引方法，為目前亟待解決的課題之一。
為解決上述問題，本發明之一目的在於提供一種手術導引系統，包括：導航單元，用以取得一器械之預定器械路徑之三維空間資訊；處理單元，接收該三維空間資訊，以利用一投影模型演算法將該三維空間資訊轉換為二維空間資訊；以及至少二影像式投影單元，用以分別接收該二維空間資訊，以於一實體空間中分別投射至少二圖樣，其中，該二圖樣相交形成一交集區。
本發明之另一目的在於提供一種手術導引系統之器械導引方法，包括：令導航單元取得一器械之預定器械路徑之三維空間資訊；將該三維空間資訊傳送至處理單元，以令該處理單元利用一投影模型演算法將該三維空間資訊轉換為二維空間資訊；以及令至少二影像式投影單元分別接收該二維空間資訊，以於一實體空間中分別投射至少二圖樣，其中，該二圖樣相交形成一交集區。
藉由本發明之手術導引系統及其器械導引方法，透過至少二影像式投影單元將一器械之預定器械路徑之三維空間資訊所轉換之二維空間資訊，而可分別於一實體空間中投射至少二圖樣，該二圖樣的交集區即為手術器械之導引路徑，醫生不需同時專注於觀看手術導引系統所提供的影像畫面以及患者實體的手術空間位置，只需依據該手術器械之導引路徑即可便於施展手術，可增加手術操作便利性。
1‧‧‧手術導引系統
10‧‧‧導航單元
11‧‧‧第一影像式投影單元
111‧‧‧第一圖樣
12‧‧‧第二影像式投影單元
121‧‧‧第二圖樣
13‧‧‧第三影像式投影單元
14‧‧‧交集區
15‧‧‧顯示單元
16‧‧‧處理單元
17‧‧‧器械
171‧‧‧第一端
172‧‧‧第二端
19‧‧‧患者
20‧‧‧追蹤球
30‧‧‧切面
S11~S14‧‧‧步驟
第1圖係為本發明之手術導引系統之第一實施例之組 成示意圖；第2圖係為本發明之手術導引系統之第二實施例之組成示意圖；第3圖係為本發明之手術導引系統之第三實施例之組成示意圖；第4圖係為本發明之手術導引系統之運用示意圖；第5A圖係為本發明之手術導引系統之第四實施例之運用示意圖；第5B圖係為本發明之手術導引系統之第五實施例之運用示意圖；第6圖係為本發明之手術導引系統之第六實施例之運用示意圖；以及第7圖係為本發明之手術導引系統之器械導引方法之流程圖。
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。
請參閱第1圖，本發明之第一實施例之手術導引系統1包括有導航單元10、處理單元16及至少二影像式投影單元，本發明並不限制影像式投影單元之數量。以下以第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12為例進行說明。其中，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元 12可分別將小的矩陣影像投影至空間中，其可為數位光處理投影(Digital Light Processing，DLP)裝置、雷射光束掃描投影(Laser Beam Scanning，LBS)裝置或矽基液晶投影(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)裝置等微型投影單元(pico projector)，但本發明並不以此為限。
於本實施例中，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12係裝設於導航單元10上，因此，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12與導航單元10之間的座標系之轉換關係已固定且可於設計時得知。
該導航單元10用以取得一器械之預定器械路徑之三維空間資訊。於本實施例中，該器械之預定器械路徑之三維空間資訊係可利用光學追蹤器(例如：紅外線追蹤器)來取得，亦即，導航單元10可設有紅外線追蹤器，當該器械上裝有反光球標記時，能使導航單元10透過該紅外線追蹤器即時地偵測該器械的所在位置。於其他實施例中，該器械之預定器械路徑之三維空間資訊係可利用其他追蹤器(例如：電磁式追蹤器、機械式追蹤器)、超音波、電腦斷層、核磁共振或光學同調斷層掃描術(Optical Coherence Tomography，OCT)之方式來即時地取得。
更詳細地說，該器械之預定器械路徑之三維空間資訊係可在術前事先取得或術中即時取得。亦即，導航單元10可分為術前影像(pre-operative imaging)系統、術中影像(intra-operative imaging)系統及術中即時影像(intra-operative real-time imaging)系統。在術前影像系統 中，以紅外線追蹤器搭配術前影像(電腦斷層影像或核磁共振影像)為例子，則必須利用紅外線追蹤器將患者現在實際位置與電腦斷層或核磁共振所取得的影像位置進行對位，以進行註冊程序。在術中影像系統中，例如利用電腦斷層或核磁共振所取得的影像，則不需經由註冊程序，因病人是在電腦斷層設備或核磁共振設備中進行拍攝影像與手術，病人拍攝影像後仍固定不動，使得病人實際位置與影像位置已定位，故無須註冊。在術中即時影像系統中，例如利用超音波所取得的影像，並不需經由註冊程序。由於所屬技術領域中具有通常知識者已了解註冊程序之各種實施方式，故在此不再贅述。
上述以電腦斷層或核磁共振之方式所取得的影像，可僅提供作為術前影像，此時必須搭配追蹤器，以進行註冊；亦可提供作為術中影像，此時無須註冊。
在本實施例中，手術導引系統1係由導航單元10(如利用紅外線追蹤器)搭配術前影像(透過顯示單元15呈現)以提供手術導引方法。術前影像可由病人於手術前透過電腦斷層掃瞄、核磁共振掃瞄或其他醫學影像設備掃描而得到的影像。至於器械之預定器械路徑之三維空間資訊的取得，則有兩種不同的實施情境。於一實施情境中，手術導引系統1提供軟體介面以讓醫師能於手術前進行規劃，例如：透過術前影像之各個影像切面決定入刀點位置及角度。在手術時，則需利用紅外線追蹤器(即導航單元10)先將病人目前實際位置與術前影像位置進行註冊，並且取 得術前規劃之入刀點位置及角度(即透過軟體介面得到預定器械路徑之三維空間資訊)，接著處理單元16利用投影模型演算法將三維空間資訊轉為二維空間資訊，使第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12能根據收到的二維空間資訊於實體空間投射圖樣，以指示手術入刀處及角度。
於另一實施情境中，手術入刀點位置及角度係在術中決定並取得。例如使用追蹤器的情況，於註冊程序完成後，醫生可手持裝設有如追蹤球的手術器械，使得導航單元10可透過該追蹤球追蹤並定位該手術器械，並於顯示單元15呈現術前影像以及目前手術器械的即時位置(即，目前手術器械的即時位置疊合於術前影像)，而醫生則可邊觀看術前影像與目前手術器械的即時位置來模擬該手術器械要在患者身上進行手術的角度與位置。經醫生確認角度與位置後，可在導航單元10上輸入指令(例如按下手術器械上的確認按鈕、操作導航單元10的輸入裝置等)，而此一角度與位置即是手術器械之預定器械路徑，該導航單元10可將該預定器械路徑轉換成三維空間資訊。
處理單元16用以接收三維空間資訊，以利用一投影模型演算法將該三維空間資訊轉換為二維空間資訊。
於一實施例中，該投影模型演算法為透視投影模型(perspective projection model)，其公式為：，其中，M為器械路徑於導航單元10座標系統下之三維空間資訊，m為器械路徑於投影座標系統下 之二維空間資訊，s為縮放參數，P為投影矩陣，其包括，K為投影校準矩陣，R為旋轉矩陣，t為平移向量。因此，可藉由該演算法經由M來求出m，即將三維空間資訊回推至影像式投影單元之二維空間資訊。又於一實施例中，縮放參數通常可設為1，但本發明並不以此為限，且本發明亦不限制投影模型之演算法。
在本實施例中，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12與導航單元10之間的座標系之轉換關係已固定且可事前得知，係指R與t是固定且已知。
在處理單元16轉換出二維空間資訊後，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12可分別接收該二維空間資訊，以在一實體空間中投射分別投射至少二圖樣，例如第一影像式投影單元11投射第一圖樣111及第二影像式投影單元12投射第二圖樣121，該第一圖樣111與該第二圖樣121相交形成一交集區14，而此交集區14即為手術器械要在患者身上進行手術的角度與位置之指引。此部分於後將有詳細說明。
如第4圖所示，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12分別投射第一圖樣111及第二圖樣121，而第一圖樣111及第二圖樣121在患者19上方欲進行手術的空間將相交形成一交集區14，其中，該交集區14為直線或曲線。以交集區14為直線為例，醫生可將器械17之第一端171抵接交集區14投射在患者19身上的點，接著可以第一端171為支點旋轉器械17之第二端172，以使得器械 17之第二端172與交集區14重疊，一旦重疊完成，即為器械17可進行手術的角度與位置。
於另一實施例中，本發明之手術導引系統1更包括介質散佈單元，介質散佈單元可被設置為一獨立裝置，且其具有無線訊號接收介面，可自手術導引系統1接收指令，用以根據該指令而散佈一介質於該實體空間中，以顯示該交集區14，輔助醫生辨識手術導引系統1所產生之交集區14，其中，該介質為具散射特性之物質(例如高濃度之二氧化矽、二氧化鈦、乾冰或其他具高散射係數特性且具滅菌考量之物質)，該介質散佈單元可例如為噴霧裝置(sprayer)或其他具噴霧性質之裝置，但本發明並不以此為限。
又，本發明之手術導引系統1可包括連接該導航單元10之顯示單元15及處理單元16，該顯示單元15可用以顯示經處理單元16處理過後的患者的術前影像或術中即時影像。
請參閱第2圖，本發明之第二實施例之手術導引系統1亦包括有導航單元10、第一影像式投影單元11、第二影像式投影單元12以及處理單元16。以下僅敘述與第一實施例不同之處，相同之技術內容於此不再贅述。
第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12並非設於導航單元10，而是設於另一支撐件上。因此，第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12之間之座標系統的關係為固定，且第一影像式投影單元11及第二影像 式投影單元12與該導航單元10之間之座標系統的關係係不固定，亦即，影像式投影單元與導航單元10之間的座標系之轉換關係非固定且未知，必須定位影像式投影單元之位置後才能進行座標轉換(例如透過追蹤球20定位)。換言之，R與t是非固定，必須即時偵測影像式投影單元的位置來決定。而此實施例中，醫生可隨意移動支撐件，來調整第一影像式投影單元11及第二影像式投影單元12之進行投影之位置。
須說明者，可使用光學追蹤器、電磁追蹤器或機械式追蹤器(如陀螺儀與加速規)來定位各個影像式投影單元，以建立各個影像式投影單元與導航單元10之間的座標系轉換。舉例而言，在本實施例中，可在影像式投影單元上設置追蹤球20，以讓紅外線追蹤器(即導航單元10)能追蹤影像式投影單元，進而能建立導航單元10與影像式投影單元間之座標轉換關係。上述紅外線追蹤器與追蹤球僅為本發明之一實施例，本發明並不限制定位及被定位裝置之種類與設置方式。
請參閱第3圖，本發明之第三實施例之手術導引系統1亦包括有導航單元10、第一影像式投影單元11、第二影像式投影單元12、至少一個第三影像式投影單元13以及處理單元16。以下僅敘述與第一實施例不同之處，相同之技術內容於此不再贅述。
第一影像式投影單元11、第二影像式投影單元12及第三影像式投影單元13並非設於導航單元10，第一、第 二及第三影像式投影單元11、12、13為單獨之結構，而可方便醫生將第一、第二及第三影像式投影單元11、12、13依據現場手術環境任意擺放。在使用上，必須先計算第一、第二及第三影像式投影單元11、12、13與導航單元10之位置的相對關係後，才能令第一、第二及第三影像式投影單元11、12、13進行投影。亦即，該第一影像式投影單元11、該第二影像式投影單元12、該第三影像式投影單元13及該導航單元10各自之座標系統之間的關係並不固定，必須定位影像式投影單元之位置後才能進行座標轉換(例如透過追蹤球20定位)。換言之，R與t是非固定，必須即時偵測影像式投影單元的位置來決定。在本實施例中，本發明並不限制影像式投影單元之數量。由於定位各影像式投影單元之方法已於前述實施例提及，故在此不再贅述。
上述內容係說明導航單元10設有紅外線追蹤器之實施方式，以下將分別進一步說明導航單元10採用超音波、電腦斷層、核磁共振或光學同調斷層掃描術之方式的實施例。
請同時參閱第5A、5B圖，本發明第四實施例以及第五實施例之手術導引系統1亦包括有導航單元10、第一影像式投影單元11、第二影像式投影單元12以及處理單元(未圖示)。本實施例之第一、二影像式投影單元11、12之技術內容已如前詳述，於此不再贅述。以下僅說明本實施例之導航單元10與前述實施例之不同之處。
如第5A圖所示，導航單元10即為超音波探頭，其上 設有第一、二影像式投影單元11、12，為簡化示意，於第5A圖中並未繪示處理單元、顯示單元等相關元件。然，本領域具有通常知識者可根據上述說明了解處理單元如何於本實施例中實施。在本實施例中，係利用超音波之方式來即時取得影像，以使醫師在術中掃描到病人體內之一切面30時，即時決定入刀點位置及角度，例如，透過手術導引系統1所提供之軟體介面來讓醫師進行規劃，以令第一、二影像投影單元11、12根據所決定的入刀點位置及角度來投射至少二相交形成一交集區14之圖樣。
如第5B圖所示，則為另一種實施方式，可在導航單元10(即超音波探頭)上裝設追蹤球20，於第一、二影像式投影單元11、12上裝設紅外線追蹤器，以建立導航單元10與投影單元間的座標轉換關係。此時第一、二影像式投影單元11、12可為單獨之結構(如第3圖所示)，亦可為設於另一支撐件上之實施態樣(如第2圖以及第5B圖所示)，本發明並不以此為限。同樣地，於本圖中並未繪示處理單元、顯示單元等相關元件。然，本領域具有通常知識者可根據上述說明了解處理單元以及顯示單元如何於本實施例中實施。
請同時參閱第6圖，本發明第六實施例之手術導引系統1亦包括有導航單元10、第一影像式投影單元11、第二影像式投影單元12以及處理單元(未圖示)。本實施例之第一、二影像式投影單元11、12之技術內容已如前詳述，於此不再贅述。以下僅說明本實施例之導航單元10與前述 實施例之不同之處。
如第6圖所示，導航單元10可為電腦斷層(computed tomography；CT)掃描設備，第一、二影像式投影單元11、12則設於電腦斷層掃描設備上，病人在電腦斷層掃描設備上拍攝完CT影像後，醫師可直接在顯示影像的螢幕上規劃手術入刀路徑(即如前面所述利用軟體進行規劃)，由於病人拍完CT影像後並未移動，故無須註冊，而可使第一、二影像式投影單元11、12根據所規劃之手術入刀路徑投射至少二相交形成一交集區14之圖樣。
同樣地，在導航單元10為超音波或電腦斷層之例子中，導航單元10與影像式投影單元之間座標轉換關係可為固定或非固定，為方便說明起見，前述僅部分例示(例如：第六實施例僅示意電腦斷層設備與影像式投影單元之間座標轉換關係為固定之態樣)。由於所屬領域具有通常知識者可依據第一實施例至第三實施例之說明而了解各實施情形，故於此不再贅述。應瞭解者，在導航單元10為超音波或電腦斷層之例子中，若導航單元10與影像式投影單元之間座標轉換關係為非固定時，可額外加裝定位裝置(例如：光學追蹤器、電磁追蹤器等)於超音波/電腦斷層設備上，以及裝上定位感應裝置(例如：追蹤球)於影像式投影單元，用以定位影像式投影單元。
請參閱第7圖，本發明之手術導引系統之器械導引方法之實施例，該方法係包含步驟S11~S14。於步驟S11中，係先取得一器械之預定器械路徑之三維空間資訊，其中， 該器械之預定器械路徑之三維空間資訊係以一導航單元透過追蹤器、超音波、電腦斷層或核磁共振或光學同調斷層掃描術之方式所得者，接著進至步驟S12。
於步驟S12中，將該三維空間資訊傳送至處理單元，於步驟S13中，令處理單元利用一投影模型演算法將該三維空間資訊轉換為二維空間資訊。
於一實施例中，該演算法為透視投影模型，其公式為：，其中，M為器械路徑於導航單元之座標系統下之三維空間資訊，m為器械路徑於投影座標系統下之二維空間資訊，s為縮放參數，P為投影矩陣，其包括，K為投影校準矩陣，R為旋轉矩陣，t為平移向量。接著進至步驟S14。
於步驟S14中，令至少二影像式投影單元接收二維空間資訊，以於一實體空間中分別投射至少二圖樣，其中，該二圖樣相交形成一交集區，其中，該交集區為直線或曲線。
在本實施例中，各影像式投影單元與導航單元之間之座標系統的關係不固定，或各影像式投影單元之間之座標系統的關係為固定，但各影像式投影單元與導航單元之間之座標系統的關係不固定。又，各影像式投影單元與導航系統之間之座標系統的關係為固定。
於本發明之另一實施例中，可透過一介質散佈單元散佈一介質於該實體空間中以顯示該交集區，其中，該介質可為具散射特性之物質(例如二氧化鈦、二氧化矽、乾冰 或其他具高散射係數特性且具滅菌考量之物質)。
藉由本發明之手術導引系統及其器械導引方法，透過處理單元將一器械之預定器械路徑之三維空間資訊轉換為二維空間資訊，而可令至少二影像式投影單元分別於一實體空間中投射至少二圖樣，該二圖樣的交集區即為手術器械之導引路徑，醫生不需同時專注於觀看手術導引系統所提供的影像畫面以及患者實體的手術空間位置，只需依據該手術器械之導引路徑即可便於施展手術，可增加手術操作便利性。此外，本發明之手術導引系統因採用微型投影元件，故所使用之構件皆可微型化，且本發明之影像式投影單元可形成投射影像平面，解決現有技術中僅能投射出點及線的問題，換言之，本發明之影像式投影單元如採用數位光處理投影(DLP)裝置或矽基液晶投影(LCoS)裝置，可形成有實體的投影平面，如採用雷射光束掃描投影(LBS)裝置，可透過光柵掃描(raster scanning)之MEMS快速掃描技術，在人視覺暫留時間內形成2D影像平面。又本發明之手術導引系統及其器械導引方法可避免額外設計手術工具，減少設計時受限滅菌考量的影響。
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。

Claims (18)

  1. 一種手術導引系統，包括：導航單元，用以取得器械之預定器械路徑之三維空間資訊；處理單元，接收該三維空間資訊，以利用投影模型演算法將該三維空間資訊轉換為二維空間資訊；以及至少二影像式投影單元，用以分別接收該二維空間資訊，以於實體空間中分別投射至少二圖樣，其中，該二圖樣相交形成交集區，且其中，該至少二影像式投影單元為微型投影裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，其中，該微型投影裝置為數位光處理投影裝置、雷射光束掃描投影裝置或矽基液晶投影裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，其中，該影像式投影單元及該導航單元之間之座標系統的關係不固定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，其中，該影像式投影單元之間之座標系統的關係為固定，且該影像式投影單元與該導航單元之間之座標系統的關係不固定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，其中，該影像式投影單元及該導航單元之間之座標系統的關係為固定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，其中，該導航單元係利用追蹤器、超音波、電腦斷層、核磁共振或光學同調斷層掃描術之方式來取得該器械之預定器械路徑之三維空間資訊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之手術導引系統，其中，該追蹤器為光學追蹤器、電磁式追蹤器或機械式追蹤器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，其中，該交集區為直線或曲線。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之手術導引系統，更包括介質散佈單元，用以散佈介質於該實體空間中，以顯示該交集區，其中，該介質為具散射特性之物質。
  10. 一種手術導引系統之器械導引方法，包括：令導航單元取得器械之預定器械路徑之三維空間資訊；將該三維空間資訊傳送至處理單元，以令該處理單元利用投影模型演算法將該三維空間資訊轉換為二維空間資訊；以及令至少二影像式投影單元分別接收該二維空間資訊，以於實體空間中分別投射至少二圖樣，其中，該二圖樣相交形成交集區，且其中，該至少二影像式投影單元為微型投影裝置。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，其中，該微型投影裝置為數位光處理投影裝置、雷射光束掃描投影裝置或矽基液晶投影裝置。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，其中，該器械之預定器械路徑之三維空間資訊係以該導航單元透過追蹤器、超音波、電腦斷層或核磁共振或光學同調斷層掃描術之方式所得者。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之器械導引方法，其中，該追蹤器為光學追蹤器、電磁式追蹤器或機械式追蹤器。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，其中，該影像式投影單元及該導航單元之間之座標系統的關係不固定。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，其中，該影像式投影單元之間之座標系統的關係為固定，且該影像式投影單元與該導航單元之間之座標系統的關係不固定。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，其中，該影像式投影單元及該導航單元之間之座標系統的關係為固定。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，其中，該交集區為直線或曲線。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之器械導引方法，更包括以介質散佈單元散佈介質於該實體空間中以顯示該交集區之步驟，其中，該介質為具散射特性之物質。
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