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CT圖像引導下的手術導航系統.pdf

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CT 圖像 引導 手術 導航系統
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摘要
申請專利號:

CN201720085863.2

申請日:

20170123

公開號:

CN207306723U

公開日:

20180504

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61B34/20 主分類號: A61B34/20
申請人: 新博醫療技術有限公司
發明人: 鄭加生,趙磊,唐瑭,楊瑞,袁春旺,邊慶偉
地址: 100176 北京市大興區經濟技術開發區西環南路18號C座408室
優先權: CN201720085863U
專利代理機構: 北京紀凱知識產權代理有限公司 代理人: 徐寧;劉美麗
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201720085863.2

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本實用新型涉及一種CT圖像引導下的手術導航系統,其特征在于,包括跟蹤系統、標定示蹤器、手術器械、手術器械示蹤器、CT設備和導航計算機,CT設備連接導航計算機;標定示蹤器固定設置在相對CT病床不發生移動的地方或患者體表,用于測量病床坐標系的位姿;手術器械示蹤器固定設置在手術器械上,用于測量手術器械坐標系的位姿;跟蹤系統用于測量病床坐標系和手術器械坐標系相對于跟蹤坐標系的位姿;標定示蹤器上設置有導航標識和一組能被跟蹤系統識別的特征點集II,導航標識包括一組不對稱分布且不共直線并能夠被CT設備成像的特征點集I。

權利要求書

1.一種CT圖像引導下的手術導航系統,其特征在于,該手術導航系統包括跟蹤系統、標定示蹤器、手術器械、手術器械示蹤器、CT設備和導航計算機,所述CT設備連接所述導航計算機;所述標定示蹤器固定設置在相對CT病床不發生移動的地方或患者體表,用于測量病床坐標系的位姿;所述手術器械示蹤器固定設置在手術器械上,用于測量手術器械坐標系的位姿;所述跟蹤系統用于測量所述病床坐標系和手術器械坐標系相對于跟蹤坐標系的位姿;所述標定示蹤器上設置有導航標識和一組特征點集II,所述導航標識包括一組不對稱分布且不共直線并能夠被所述CT設備成像的特征點集I,特征點集II能夠被所述跟蹤系統識別。2.如權利要求1所述的CT圖像引導下的手術導航系統,其特征在于,所述跟蹤系統采用光學跟蹤系統或電磁跟蹤系統。3.如權利要求1或2所述的CT圖像引導下的手術導航系統,其特征在于,所述標定示蹤器與所述CT設備的電動床板連接在一起,或經消毒后貼于病灶附近的皮膚上,所述標定示蹤器采用工程塑料制作而成的L型立方體,所述L型立方體的豎直面和水平面相互垂直,所述豎直面外表面設置有可被所述跟蹤系統測量的特征點集II,所述水平面設置有可被所述CT設備測量的由金屬導絲組成的三角形或是不在同一直線上的三個圓球,所述特征點集I是上述三角形的三個頂點或三個球的球心。

說明書

技術領域

本實用新型涉及一種手術導航系統,特別是關于一種CT圖像引導下的手術導航系統及導航方法。

背景技術

介入治療是指在不開刀暴露病灶的情況下,經由血管、皮膚上的微小創傷口,在影像設備(血管造影機、透視機、CT、MR、B超)的引導下,將特制的導管、導絲等精密手術器械引入人體,采用冷凍、微波、藥物注射等方法對病灶局部進行治療。相對于內科治療,大大提高了藥物的吸收效率,減少藥物用量和副作用。相對于外科治療,病人創傷小恢復快,只需要局部麻醉,對正常器官的影響小。

但是傳統的非血管介入手術,醫生僅使用能夠在CT下清晰成像的金屬導絲結合圖像確定皮膚穿刺點,憑借經驗調整手術針行進路徑抵達目標點,最后用影像設備掃描手術區域,確認手術器械的位置是否準確以及穿刺過程中是否引起無關組織創傷。這種方法使得手術器械與病灶目標點之間存在誤差,影響手術質量;若操作者經驗不足,或因病灶位置的特殊性反復調整手術器械的位置,增加患者負擔,亦可能引起并發癥。

發明內容

針對上述問題,本實用新型的目的是提供一種能夠確保導航精度,進而能夠引導手術精確操作的CT圖像引導下的手術導航系統。

為實現上述目的,本實用新型采取以下技術方案:一種CT圖像引導下的手術導航系統,其特征在于,該手術導航系統包括跟蹤系統、標定示蹤器、手術器械、手術器械示蹤器、CT設備和導航計算機,所述CT設備連接所述導航計算機;所述標定示蹤器固定設置在相對CT病床不發生移動的地方或患者體表,用于測量病床坐標系的位姿;所述手術器械示蹤器固定設置在手術器械上,用于測量手術器械坐標系的位姿;所述跟蹤系統用于測量所述病床坐標系和手術器械坐標系相對于跟蹤坐標系的位姿;所述標定示蹤器上設置有導航標識和一組特征點集II,所述導航標識包括一組不對稱分布且不共直線并能夠被所述CT設備成像的特征點集I,特征點集II能夠被所述跟蹤系統識別。

進一步地,所述跟蹤系統采用光學跟蹤系統或電磁跟蹤系統。

進一步地,所述標定示蹤器與所述CT設備的電動床板連接在一起,或經消毒后貼于病灶附近的皮膚上,所述標定示蹤器采用工程塑料制作而成的L型立方體,所述L型立方體的豎直面和水平面相互垂直,所述豎直面外表面設置有可被所述跟蹤系統測量的特征點集II,所述水平面設置有可被所述CT設備測量的由金屬導絲組成的三角形或是不在同一直線上的三個圓球,所述特征點集I是上述三角形的三個頂點或三個球的球心。

本實用新型由于采取以上技術方案,其具有以下優點:本實用新型由于設置有標定示蹤器,針對CT設備坐標系在每次檢查當中均發生變化的問題,既能完成坐標系之間的相互轉換又能跟蹤檢查病床的移動,可以方便地將CT設備坐標系變換至病床坐標系中。綜上所述,本實用新型提供了一種使醫生在導航計算機顯示屏上同時看到病灶和手術器械相對位置的介入導航系統,可以廣泛應用在臨床手術中。

附圖說明

圖1是本實用新型手術導航系統的結構示意圖;

圖2是本實用新型標定示蹤器結構示意圖;

圖3是本實用新型采用CT斷層掃描導航標識所得的圖像示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本實用新型進行詳細的描繪。然而應當理解,附圖的提供僅為了更好地理解本實用新型,它們不應該理解成對本實用新型的限制。

如圖1所示,本實用新型提供的CT圖像引導下的手術導航系統包括跟蹤系統1、標定示蹤器2、手術器械3、手術器械示蹤器4、CT設備5和導航計算機6,CT設備5通過計算機網絡連接導航計算機6,將掃描的圖像發送到導航計算機6。

標定示蹤器2固定設置在相對CT病床不發生移動的地方或患者體表,用于測量病床坐標系的位姿(位置和姿態);

手術器械示蹤器4固定設置在手術器械3上,用于測量手術器械坐標系的位姿;

跟蹤系統1用于在跟蹤視場(保持測量精度的空間區域)內探測目標點的坐標,同時用于測量病床坐標系和手術器械坐標系相對于跟蹤系統坐標系的位姿;

標定示蹤器2設置有導航標識和一組特征點集II,導航標識用于自動識別和定位,要求材料在CT設備下成像不產生偽影,并且具有較高的X射線吸收系數,可以在數字圖像處理中不受其它噪聲干擾。導航標識包括一組不對稱分布且不共直線的特征點集I,特征點集II能夠被跟蹤系統1識別,特征點集I和特征點集II之間相對位置關系已知,經標定后,導航計算機6通過坐標系之間的相互變換關系,將病床坐標系和手術器械坐標系變換到某一坐標系中,其中,某一坐標系可以是病床坐標系、手術器械坐標系或跟蹤系統坐標系。

在一個優選的實施例中,跟蹤系統1可以采用光學跟蹤系統或電磁跟蹤系統。跟蹤系統1通過自身的位置傳感器對標定示蹤器2和手術器械示蹤器4進行探測,完成對病床坐標系和手術器械坐標系的位姿跟蹤測量,獲得病床坐標系和手術器械坐標系各自的原點在跟蹤系統坐標系中的位置,以及病床坐標系和手術器械坐標系的三個坐標軸相對跟蹤系統坐標系的旋轉角度。

在一個優選的實施例中,標定示蹤器2和手術器械示蹤器4均可以采用現有技術中由若干個(3個或3個以上)最小的示蹤單位(比如表面具有熒光材料的示蹤球)組成示蹤器,標定示蹤器2和手術器械示蹤器4分別作為一個坐標系,提供所依附設備的位姿信息。

在一個優選的實施例中,如圖2所示,標定示蹤器2與CT設備5的電動床板連接在一起,或經消毒后貼于病灶附近的皮膚上,在治療過程中病人與標定示蹤器2的相對位置不發生變化。標定示蹤器2既能在CT設備5中成像,也能被跟蹤系統1測量,導航計算機6可以自動計算出CT設備坐標系與病床坐標系之間的坐標轉換關系。標定示蹤器2可以采用工程塑料制作而成的L型立方體,L型立方體的豎直面22和水平面24相互垂直,豎直面22外表面設置有可被跟蹤系統1測量的特征點集II(21),水平面24設置有可被CT設備測量的由金屬導絲組成的三角形23,也可以是不在同一直線上的三個圓球,特征點集I是上述三角形的三個頂點或三個球的球心,特征點集II需保證不共線,數目大于等于3。

在一個優選的實施例中,手術器械3包括導管和導絲,手術中被引入人體對體內病灶進行診斷和局部治療。

基于本實用新型的手術導航系統實現在CT圖像引導下的手術導航方法,包括以下步驟:

1、在相對于電動床不發生移動的地方或患者體表固定設置標定示蹤器2構成病床坐標系,在手術器械3上固定設置手術器械示蹤器4構成手術器械坐標系;

2、將載有患者和標定示蹤器2的病床推入CT設備的成像區域,同時掃描標定示蹤器和病灶,由導航計算機6讀取CT圖像并自動計算出標定示蹤器2中特征點集I在CT設備坐標系中的坐標,采用跟蹤系統1測量標定示蹤器上特征點集II的坐標,通過這兩組坐標數據標定出CT設備坐標系和病床坐標系的變換關系,從而間接得到圖像坐標系與病床坐標系的轉換關系;

3、根據步驟2中確定的變換關系,跟蹤系統測量病床坐標系和手術器械坐標系相對于跟蹤系統坐標系的位姿,將病床坐標系和手術器械坐標系放置某一坐標系下觀測;即將病灶的圖像數據與手術器械的圖像數據融合顯示;

4、將病灶和手術器械相對位置的圖像,同時顯示在導航計算機的顯示屏上,即醫生在顯示屏看到的病灶和手術器械的相對位置,就是實際的病灶和手術器械的相對位置。移動手術器械,將其放置到目標區域,進行手術治療操作。

本實用新型的CT圖像引導下的手術導航方法支持導航模式A,導航模式A描述中出現的變量定義如表1所示:

表1變量的定義

CT設備坐標系隨著病床歸零位的變化而變化,因此導航模式A采用標定示蹤器2作為病床坐標系,標定示蹤器2的位置相對CT病床不發生變化。在手術器械3上固定手術器械示蹤器4作為手術器械坐標系。CT設備同時掃描病灶和標定示蹤器2,通過標定示蹤器2的標定,可以得到當前檢查中CT設備坐標系和病床坐標系之間的坐標變換關系,使病灶(CT提供其圖像和位姿信息)能變換到病床坐標系中(每次手術均需要做一次標定)。通過機械加工參數或代數方法計算手術器械3在手術器械坐標系里的位姿(每次手術都要標定,因為手術前才將手術器械示蹤器4固定)。將病床移出CT成像區域至手術位置,實施手術。在手術過程中,跟蹤系統1測量病床坐標系的位姿,得到跟蹤系統1自己的坐標系和病床坐標系的轉換關系;同時,跟蹤系統1測量手術器械坐標系的位姿,得到自己的坐標系和手術坐標系之間的轉換關系,從而將手術器械3變換到病床坐標系觀測。除了統一將病灶和手術器械變換到病床坐標系觀測,也可以將它們變換到其它坐標系觀測,例如CT成像設備坐標系或者跟蹤系統坐標系等。導航模式A坐標變換關系具體的推導過程如下:

在病床到位后,在病灶圖像上將nnav個特征點從導航標識中(nnav≥3)提取出來,得到特征點集I在CT設備坐標系里的三維坐標(i=1,2,...,nnav);使用跟蹤系統1測量標定示蹤器2中自身的“位置傳感器”位置,因特征點集I與標定示蹤器2中位置傳感器的位置關系已知,得到它們在跟蹤系統坐標系里的坐標病灶和手術器械坐標之間的變換關系為:

式中,為CT設備坐標系在跟蹤系統坐標系里的位姿。通過式(1)可得到nnav個方程,并解出從而病灶的任意一點在CT設備坐標系里的坐標可變換到跟蹤系統坐標系:

手術器械3上的任意一點T在手術器械坐標系里的坐標是已知的,將其變換到跟蹤系統坐標系:

增加一個與病灶位置相對保持不變標定示蹤器作為病床坐標系,其位姿被跟蹤系統測量,用下標0表示病床處于初始的標定位置,1表示病床移動到新位置;病灶的任意一點在病床坐標系里的坐標可由此點在CT設備坐標系里的坐標變換而來:

其中,為跟蹤系統測量標定示蹤器得到,坐標可以從CT圖像中獲取。

將手術器械的任意一點變換到病床坐標系:

式中,由跟蹤系統測量得到,至此,病灶和手術器械3已經被放到同一個坐標系中觀測,它們可以被顯示在導航計算機的顯示屏上,醫生在顯示屏上看到的病灶和手術器械3的相對位置,就是實際的病灶和手術器械3的相對位置。

上述CT設備坐標系的標定中,CT掃描物體得到圖像,所用的空間坐標系為CT設備坐標系,為了將CT設備坐標系變換到其它的坐標系(如病床坐標系),就需要進行標定工作,得到CT圖像坐標系和某坐標系R之間的變換關系有了這個關系,病灶就可以變換到該坐標系中觀測。如果知道其它的坐標系和病床坐標系的關系,還可以將病灶變換到其它的坐標系中。

在一個優選的實施例中,標定示蹤器2伴隨患者掃描時,如圖3所示,導航標識32被CT序列31層切,在單幅圖像上表現為采樣點33,通過圖像預處理和閾值分割可以得到采樣點33在圖像坐標系中的坐標;將多個采樣點分組擬合成三條直線,然后將三條直線擬合成一個三角形,求取三角形三個頂點的坐標,即為特征點集I在CT圖像坐標系中的坐標,又CT圖像坐標與CT設備坐標具有一一對應的關系且已知,就可以得到特征點集I在CT設備坐標系里的坐標,且由于特征點集I和特征點集II的關系已知,得到CT設備坐標系到病床坐標系的變換關系。

在一個優選的實施例中,用標定示蹤器對各坐標系進行標定時,除借助CT設備獲取病灶和標定示蹤器圖像外,還使用導航計算機自動完成標定的整個過程,其步驟如下:

(a)利用CT設備5掃描導航標識各點在CT設備坐標系里的坐標由擬合出特征點集I各點在CT設備坐標系里的坐標其中,求取特征點集I在圖像中的坐標時,本實用新型采用了高精度的標識定位方法:不直接掃描特征點集I而是經由掃描與特征點集I直接關聯的幾何結構,根據結構特征擬合出特征點,具體過程為:

1)對掃描得到的CT圖像作雙邊濾波,降低圖像噪聲;

2)通過閾值分割得到導航標識在每一幅斷層圖像中的位置;

3)根據導航標識的幾何特征采用最小二乘法擬合特征點集I在圖像坐標系中的位置,并將其映射到CT設備坐標系;

(b)利用跟蹤系統測量特征點集II各點在跟蹤系統坐標系里的坐標,因為特征點集I到特征點集II的關系已知,得到特征點集I各點在跟蹤系統坐標系里的坐標可以得到其中,為CT設備坐標系在跟蹤系統坐標系里的位姿;

(c)選取所代表的特征點之一為標識坐標系原點Omarker(xtrack;ytrack;ztrack),連接各點生成L個列向量,從中選取線性無關的兩個向量其中,作為標識坐標系x軸的方向向量,作為標識坐標系Y軸的方向向量,最后確定Z軸的方向向量根據右手螺旋定則可以生成一個空間直角坐標系,將三坐標軸歸一化,得到旋轉矩陣

(d)平移向量為標識坐標系原點在跟蹤系統中的坐標

得到變換關系

(e)由于特征點集I和特征點集II的關系已知,得到CT設備坐標系到病床坐標系的變換關系

上述實施例僅用于說明本實用新型,其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的,凡是在本實用新型技術方案的基礎上進行的等同變換和改進,均不應排除在本實用新型的保護范圍之外。

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