非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】，具體公開(kāi)了一種非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括術(shù)前數(shù)據(jù)模塊、術(shù)中數(shù)據(jù)模塊、定位模塊和導(dǎo)航模塊，所述術(shù)前數(shù)據(jù)模塊分別與術(shù)中數(shù)據(jù)模塊、導(dǎo)航模塊連接，定位模塊與導(dǎo)航模塊連接；所述術(shù)中數(shù)據(jù)模塊包括依次連接的定位器陣列、追蹤器、位姿編碼模塊和位姿查找表；所述定位器陣列為含有至少3個(gè)位姿定位器的陣列。本發(fā)明不需要借助介入式設(shè)備獲取信息而進(jìn)行輔助性的手術(shù)導(dǎo)航。由于本發(fā)明術(shù)前采集了病人的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，據(jù)此生成的建模數(shù)據(jù)將更加精準(zhǔn)，為醫(yī)生提供的導(dǎo)航精度更高。本發(fā)明不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生有害的輻射，在降低了系統(tǒng)成本的同時(shí)減輕了微創(chuàng)手術(shù)對(duì)醫(yī)生的傷害，利于微創(chuàng)手術(shù)的推廣。
【專(zhuān)利說(shuō)明】非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]人體是一個(gè)實(shí)時(shí)變動(dòng)的彈性體，各個(gè)臟器及病灶會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)位移，在臨床上醫(yī)生需要手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)手術(shù)中的相關(guān)信息。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代初在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家首先進(jìn)入臨床應(yīng)用的為外科醫(yī)生提供手術(shù)導(dǎo)航的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)將病人術(shù)前或術(shù)中影像數(shù)據(jù)和手術(shù)床上病人解剖結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，手術(shù)中跟蹤手術(shù)器械并將手術(shù)器械的位置在病人影像上以虛擬探針的形式實(shí)時(shí)更新顯示，使醫(yī)生對(duì)手術(shù)器械相對(duì)病人解剖結(jié)構(gòu)的位置一目了然，使外科手術(shù)更快速、更精確、更安全。
[0003]目前臨床上使用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)主要有兩種:一種是僅依靠術(shù)前的CT、MRI影像進(jìn)行術(shù)中的導(dǎo)航，這類(lèi)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)存在的問(wèn)題是很難實(shí)時(shí)的跟蹤和反映具有彈性的人體組織或器官，術(shù)前的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)與術(shù)中實(shí)際情況無(wú)法完全匹配。另一種是將術(shù)前的靜態(tài)CT、MRI影像與術(shù)中的實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)影像(X光或超聲成像)進(jìn)行配準(zhǔn)、融合后，再進(jìn)行圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航。術(shù)中人體組織或器官會(huì)在呼吸過(guò)程中產(chǎn)生實(shí)時(shí)的位移和形變，病灶也會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)位移和形變，使用動(dòng)態(tài)配準(zhǔn)時(shí)會(huì)面臨超大的計(jì)算量，信息不能實(shí)時(shí)獲取，從而影響手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的精確性。第一種單純使用術(shù)前靜態(tài)CT和MRI數(shù)據(jù)，不能反應(yīng)體內(nèi)臟器的運(yùn)動(dòng)，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤信息；第二種使用C型臂等輔助定位設(shè)備，術(shù)中進(jìn)行成像與術(shù)前數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，這種方法存在著X射線輻射的副作用，對(duì)醫(yī)生和患者都有很大影響，而且在需要多平面視圖觀察器械位置時(shí)，醫(yī)生需要反復(fù)調(diào)節(jié)C型臂位置進(jìn)行掃描定位，造成手術(shù)的等待中斷，且由于配準(zhǔn)時(shí)計(jì)算量比較大，一般計(jì)算機(jī)很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)配準(zhǔn)顯示。
[0004]手術(shù)導(dǎo)航的難點(diǎn)主要有兩個(gè):一個(gè)是提供人體在手術(shù)時(shí)不同時(shí)刻的器官位置數(shù)據(jù)，要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地從術(shù)前數(shù)據(jù)中提取到當(dāng)前狀態(tài)的有效數(shù)據(jù)；第二個(gè)是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要好，體現(xiàn)在系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)人體定位和手術(shù)器`械定位，并根據(jù)建模信息進(jìn)行相應(yīng)的圖像顯示，實(shí)時(shí)便捷地顯現(xiàn)給手術(shù)醫(yī)生。
[0005]專(zhuān)利申請(qǐng)200410053055.5公開(kāi)了一種手術(shù)導(dǎo)航方法，其使用待手術(shù)區(qū)的基準(zhǔn)定位標(biāo)志統(tǒng)一建模，然后通過(guò)手術(shù)器械定位與基準(zhǔn)定位標(biāo)志的位置變化，構(gòu)建器械、病灶一體的數(shù)字模型，并基于此模型提供手術(shù)導(dǎo)航。但是將病灶的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為基準(zhǔn)定位標(biāo)志的運(yùn)動(dòng)，并依此進(jìn)行病灶的導(dǎo)航，因?yàn)椴≡畈⒉还踢B在基準(zhǔn)定位標(biāo)志上，所以必然存在較大的定位誤差。
[0006]專(zhuān)利200910045399.4公開(kāi)了一種微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其利用機(jī)器視覺(jué)和三維立體定位技術(shù)對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行定位和導(dǎo)航，克服了現(xiàn)有微創(chuàng)技術(shù)中靜態(tài)CT信息與動(dòng)態(tài)臟器位置不匹配的缺陷。其中提到使用內(nèi)窺鏡為主體的機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航模塊，使用內(nèi)窺鏡追蹤目標(biāo)區(qū)信息，從而獲取相應(yīng)的信息。但是，以?xún)?nèi)窺鏡為主體的機(jī)器視覺(jué)模塊對(duì)手術(shù)進(jìn)行介入式導(dǎo)航，需要在病人身體上打開(kāi)介入創(chuàng)口，不符合目前微創(chuàng)手術(shù)對(duì)病人產(chǎn)生最小傷害的初衷，且其對(duì)手術(shù)器官活動(dòng)的影響是未知的；在需要內(nèi)窺鏡在自然腔道內(nèi)引導(dǎo)的手術(shù)中，將會(huì)破壞相應(yīng)器官的原始形狀，導(dǎo)致與建模初始信息存在差別從而產(chǎn)生誤差；最重要的是，內(nèi)窺鏡等介入式設(shè)備會(huì)影響手術(shù)的施展空間，甚至可能會(huì)干擾到醫(yī)生的正常手術(shù)。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括術(shù)前數(shù)據(jù)模塊、術(shù)中數(shù)據(jù)模塊、定位模塊和導(dǎo)航模塊，所述術(shù)前數(shù)據(jù)模塊分別與術(shù)中數(shù)據(jù)模塊、導(dǎo)航模塊連接，定位模塊與導(dǎo)航模塊連接。
[0009]所述術(shù)前數(shù)據(jù)模塊包括依次連接的3D數(shù)據(jù)庫(kù)、文件查找表和輸入輸出模塊。術(shù)前數(shù)據(jù)模塊的主要功能是負(fù)責(zé)重建4D CT，在一個(gè)呼吸周期內(nèi)的每隔0.1s重建出一個(gè)相應(yīng)時(shí)刻的3D數(shù)據(jù)，并根據(jù)成像時(shí)刻進(jìn)行3D數(shù)據(jù)庫(kù)存檔，文件查找表是根據(jù)術(shù)中數(shù)據(jù)模塊提供的記錄時(shí)刻來(lái)定位要提取文件在3D數(shù)據(jù)庫(kù)的位置。輸入輸出模塊可用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入在請(qǐng)求提取數(shù)據(jù)查找完畢后提供文件輸出功能。
[0010]所述術(shù)中數(shù)據(jù)模塊包括依次連接的定位器陣列、追蹤器、位姿編碼模塊和位姿查找表；位姿查找表與所述文件查找表連接。術(shù)中數(shù)據(jù)模塊的主要功能是追蹤器追蹤定位器陣列狀態(tài)，由位姿編碼模塊生成編碼，使用此編碼根據(jù)位姿查找表查找定位器陣列此時(shí)的狀態(tài)編碼所對(duì)應(yīng)的術(shù)前記錄時(shí)刻。位姿查找表中預(yù)先存放的是與動(dòng)態(tài)CT掃描同步進(jìn)行的定位器陣列狀態(tài)連續(xù)追蹤所生成的編碼序列，其每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)著的記錄時(shí)刻與造影時(shí)刻是一致的(這里需要所有的系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)要是完全同步的)。
[0011] 所述定位器陣列優(yōu)選為含有至少3個(gè)位姿定位器的陣列；
[0012]所述位姿定位器優(yōu)選為貼片式體外定位器；
[0013]所述貼片式定位器優(yōu)選為磁貼片式定位器或光學(xué)貼片式定位器。
[0014]所述定位器陣列優(yōu)選設(shè)置在隨呼吸變化較大的部位；
[0015]所述隨呼吸變化較大的部位優(yōu)選為胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0016]所述定位模塊包括依次連接的手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備定位模塊和追蹤器。定位模塊的主要功能是提供手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備模塊在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的位姿，用于導(dǎo)航模塊的相關(guān)運(yùn)算及顯示。
[0017]所述追蹤器優(yōu)選為磁追蹤器或光學(xué)追蹤器。
[0018]所述手術(shù)器械定位模塊優(yōu)選為磁定位模塊或光學(xué)定位模塊。
[0019]所述人體定位模塊優(yōu)選為磁定位模塊或光學(xué)定位模塊。
[0020]所述人體定位模塊優(yōu)選設(shè)置于不隨人體呼吸運(yùn)動(dòng)的區(qū)域；
[0021]所述不隨人體呼吸運(yùn)動(dòng)的區(qū)域優(yōu)選為髖骨或肩部關(guān)節(jié)。
[0022]所述導(dǎo)航模塊包括依次連接的圖像疊加模塊、圖像運(yùn)算模塊、圖像勾畫(huà)模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊；圖像疊加模塊分別與所述手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊連接。導(dǎo)航模塊的主要功能是圖像疊加模塊通過(guò)人體和手術(shù)器械的定位來(lái)進(jìn)行三維模型的虛擬化，圖像運(yùn)算模塊則基于虛擬場(chǎng)景進(jìn)行圖像去噪、圖像增強(qiáng)的運(yùn)算；圖像勾畫(huà)模塊用于術(shù)前將病灶及附近手術(shù)需要注意的血管神經(jīng)或臟器勾畫(huà)出來(lái)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊將通過(guò)處理的圖像顯示出來(lái)，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔，則該顯示的效果是經(jīng)過(guò)圖像勾畫(huà)、去噪和增強(qiáng)的圖像與真實(shí)場(chǎng)景相重合，使得醫(yī)生可以迅速獲取實(shí)時(shí)直觀的手術(shù)導(dǎo)航信肩、O
[0023]所述非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)選設(shè)置有液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器，所述液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器與所述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備模塊連接。液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器的主要功能是用于實(shí)時(shí)顯示人體三維體數(shù)據(jù)和手術(shù)器械的實(shí)施位置。
[0024]本發(fā)明的發(fā)明機(jī)理為:
[0025]在患者身體上貼附人體定位模塊和定位器陣列，4D CT掃描和定位器陣列位姿組合追蹤同時(shí)進(jìn)行，將CT數(shù)據(jù)按照成像時(shí)刻來(lái)重建，每過(guò)一個(gè)時(shí)間間隔(建議間隔0.1s)重建出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的三維體數(shù)據(jù)模型，實(shí)時(shí)追蹤的定位器位姿序列則通過(guò)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔進(jìn)行編碼存檔。其中三維體數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)術(shù)前手術(shù)規(guī)劃的處理，利用系統(tǒng)的導(dǎo)航模塊中的圖像勾畫(huà)模塊用于術(shù)前將病灶及附近手術(shù)需要注意的血管神經(jīng)或臟器勾畫(huà)出來(lái)，并存入3D數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。定位器陣列的位姿狀態(tài)組合信息放入位姿查找表內(nèi)。
[0026]人體定位模塊應(yīng)固定在不隨人體呼吸運(yùn)動(dòng)的區(qū)域如髖骨和肩部關(guān)節(jié)等處，定位器陣列應(yīng)盡量固定在隨呼吸變化較大的部位如胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0027]關(guān)于定位器位姿序列的編碼方式可以自定，此處提供一種四個(gè)位姿定位器的一種編碼方法:由于位姿具有方向性，此處的四個(gè)定位器均可識(shí)別，分別編號(hào)Al、A2、A3、A4，，此種編碼方式按照“A1-A2”、“A2-A3”、“A3-A4”方式進(jìn)行編碼，其中“A ? -A ? ”代表的是兩個(gè)定位器之間的空間位姿關(guān)系，最簡(jiǎn)單的一種可以直接使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，但是這種編碼方式檢索不便，可以使用“x-y-z”的空間角的記錄方式進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣的好處是在沒(méi)有精確數(shù)據(jù)吻合時(shí)可以使用一個(gè)最近似的數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，從而產(chǎn)生最接近狀態(tài)的檢索結(jié)果，避免因?yàn)椴贿B續(xù)的取樣造成的檢索失敗，而且這種最接近的檢索結(jié)果反映到醫(yī)學(xué)圖像采集時(shí)間上最多誤差0.05s，是完全可以接受的。
[0028]術(shù)中數(shù)據(jù)模塊的追蹤器追蹤定位器的位姿狀態(tài)由位姿編碼模塊生成編碼使用此編碼根據(jù)位姿查找表查找定位器陣列此時(shí)的狀態(tài)編碼所對(duì)應(yīng)的術(shù)前數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻；術(shù)前數(shù)據(jù)模塊的文件查找表根據(jù)術(shù)中數(shù)據(jù)模塊所提供的記錄時(shí)刻來(lái)定位要提取文件在3D數(shù)據(jù)庫(kù)的位置。輸入輸出模塊將查找到的三維體數(shù)據(jù)文件傳輸給導(dǎo)航模塊；定位模塊利用追蹤器將手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備模塊在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)位姿坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，并將該實(shí)時(shí)定位信息傳輸給導(dǎo)航模塊；導(dǎo)航模塊利用圖像疊加模塊通過(guò)人體和手術(shù)器械的定位來(lái)進(jìn)行三維模型的動(dòng)態(tài)構(gòu)建，圖像運(yùn)算模塊則基于虛擬場(chǎng)景進(jìn)行圖像去噪、圖像增強(qiáng)的運(yùn)算；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊將通過(guò)處理的圖像顯示出來(lái)，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔，則該顯示的效果是經(jīng)過(guò)圖像勾畫(huà)、去噪和增強(qiáng)的圖像與真實(shí)場(chǎng)景相重合，使得醫(yī)生可以迅速獲取實(shí)時(shí)直觀的手術(shù)導(dǎo)航信息。
[0029]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0030](I)本發(fā)明不需要醫(yī)生借助操作內(nèi)窺鏡、X光機(jī)或者實(shí)時(shí)超聲等介入式設(shè)備獲取信息，為醫(yī)生提供實(shí)時(shí)的人體三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行輔助性的手術(shù)導(dǎo)航，并通過(guò)新型交互設(shè)備(智能眼鏡等)為醫(yī)生提供實(shí)時(shí)提不。
[0031](2)相對(duì)于傳統(tǒng)的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，本發(fā)明通過(guò)采用定位器陣列與追蹤器，不需要C型臂、超聲等較為昂貴的設(shè)備進(jìn)行輔助，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生有害的輻射，在降低了系統(tǒng)成本的同時(shí)減輕了此類(lèi)手術(shù)對(duì)醫(yī)生的傷害，有利于此類(lèi)手術(shù)的推廣。[0032](3)本發(fā)明不需要術(shù)中制造額外的輔助手術(shù)創(chuàng)口 ；由于術(shù)前采集了病人的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，本發(fā)明據(jù)此生成的建模數(shù)據(jù)將更加精準(zhǔn)，為醫(yī)生提供的導(dǎo)航精度更高；信息的傳遞更加人性化且更為有效，便于醫(yī)生術(shù)中進(jìn)行實(shí)時(shí)信息獲取。
【【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】】
[0033]圖1是實(shí)施例1的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0034]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0035]實(shí)施例1
[0036]如圖1所示，一種非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括術(shù)前數(shù)據(jù)模塊100、術(shù)中數(shù)據(jù)模塊200、定位模塊300和導(dǎo)航模塊400，所述術(shù)前數(shù)據(jù)模塊100分別與術(shù)中數(shù)據(jù)模塊200、導(dǎo)航模塊400連接，定位模塊300與導(dǎo)航模塊400連接。
[0037]術(shù)前數(shù)據(jù)模塊100包括依次連接的3D數(shù)據(jù)庫(kù)101、文件查找表102和輸入輸出模塊103。術(shù)前數(shù)據(jù)模塊的主要功能是負(fù)責(zé)重建4D CT，在一個(gè)呼吸周期內(nèi)的每隔0.1s重建出一個(gè)相應(yīng)時(shí)刻的3D數(shù)據(jù)，并根據(jù)成像時(shí)刻進(jìn)行3D數(shù)據(jù)庫(kù)存檔，文件查找表是根據(jù)術(shù)中數(shù)據(jù)模塊提供的記錄時(shí)刻來(lái)定位要提取文件在3D數(shù)據(jù)庫(kù)的位置。輸入輸出模塊可用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入，在請(qǐng)求提取數(shù)據(jù)查找完畢后提供文件輸出功能。
[0038]術(shù)中數(shù)據(jù)模塊200包括依次連接的定位器陣列201、追蹤器210、位姿編碼模塊220和位姿查找表230 ;位姿查找表230與文件查找表102連接。術(shù)中數(shù)據(jù)模塊的主要功能是追蹤器追蹤定位器陣列狀態(tài)， 由位姿編碼模塊生成編碼，使用此編碼根據(jù)位姿查找表查找定位器陣列此時(shí)的狀態(tài)編碼所對(duì)應(yīng)的術(shù)前記錄時(shí)刻。位姿查找表中預(yù)先存放的是與動(dòng)態(tài)CT掃描同步進(jìn)行的定位器陣列狀態(tài)連續(xù)追蹤所生成的編碼序列，其每個(gè)編碼對(duì)應(yīng)著的記錄時(shí)刻與造影時(shí)刻是一致的(這里需要所有的系統(tǒng)的時(shí)間是完全同步的)。
[0039]定位器陣列201為含有4個(gè)位姿定位器的陣列；
[0040]所述位姿定位器為貼片式體外定位器；
[0041]所述貼片式定位器為磁貼片式定位器。
[0042]所述定位器陣列設(shè)置在隨呼吸變化較大的部位；
[0043]所述隨呼吸變化較大的部位為胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0044]定位模塊300包括依次連接的手術(shù)器械定位模塊301、人體定位模塊302、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備定位模塊303和追蹤器304。定位模塊的主要功能是提供手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備模塊在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的位姿，用于導(dǎo)航模塊的相關(guān)運(yùn)算及顯示。
[0045]所述追蹤器為磁追蹤器。
[0046]所述手術(shù)器械定位模塊為磁定位模塊。
[0047]所述人體定位模塊為磁定位模塊。
[0048]所述人體定位模塊設(shè)置于不隨人體呼吸運(yùn)動(dòng)的區(qū)域；
[0049]所述不隨人體呼吸運(yùn)動(dòng)的區(qū)域?yàn)轶y骨或肩部關(guān)節(jié)。
[0050]導(dǎo)航模塊400包括依次連接的圖像疊加模塊401、圖像運(yùn)算模塊402、圖像勾畫(huà)模塊403和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備顯示模塊404 ;圖像疊加模塊401分別與手術(shù)器械定位模塊301、人體定位模塊302連接。導(dǎo)航模塊的主要功能是圖像疊加模塊通過(guò)人體和手術(shù)器械的定位來(lái)進(jìn)行三維模型的虛擬化，圖像運(yùn)算模塊則基于虛擬場(chǎng)景進(jìn)行圖像去噪、圖像增強(qiáng)的運(yùn)算；圖像勾畫(huà)模塊用于術(shù)前將病灶及附近手術(shù)需要注意的血管神經(jīng)或臟器勾畫(huà)出來(lái)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備顯示模塊將通過(guò)處理的圖像顯示出來(lái)，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔，則該顯示的效果是經(jīng)過(guò)圖像勾畫(huà)、去噪和增強(qiáng)的圖像與真實(shí)場(chǎng)景相重合，使得醫(yī)生可以迅速獲取實(shí)時(shí)直觀的手術(shù)導(dǎo)航信息。
[0051]所述非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置有液晶顯示器，所述液晶顯示器與所述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備顯示模塊404連接。液晶顯示器的主要功能是用于實(shí)時(shí)顯示人體三維體數(shù)據(jù)和手術(shù)器械的實(shí)施位置。
[0052]在患者身體上貼附人體定位模塊和定位器陣列，4D CT掃描和定位器陣列位姿組合追蹤同時(shí)進(jìn)行，將CT數(shù)據(jù)按照成像時(shí)刻來(lái)重建，每過(guò)一個(gè)時(shí)間間隔(建議間隔0.1s)重建出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的三維體數(shù)據(jù)模型，實(shí)時(shí)追蹤的定位器位姿序列則通過(guò)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔進(jìn)行編碼存檔。其中三維體數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)術(shù)前手術(shù)規(guī)劃的處理，利用系統(tǒng)的導(dǎo)航模塊中的圖像勾畫(huà)模塊用于術(shù)前將病灶及附近手術(shù)需要注意的血管神經(jīng)或臟器勾畫(huà)出來(lái)，并存入3D數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。定位器陣列的位姿狀態(tài)組合信息放入位姿查找表內(nèi)。
[0053]人體定位模塊應(yīng)固定在不隨人體呼吸運(yùn)動(dòng)的區(qū)域如髖骨和肩部關(guān)節(jié)等處，定位器陣列應(yīng)盡量固定在隨呼吸變化較大的部位如胸部靠下的肋骨或胸骨上。
[0054]關(guān)于定位器位姿序列的編碼方式可以自定，本實(shí)施例提供一種四個(gè)位姿定位器的一種編碼方法:由于位姿具有方向性此處的四個(gè)定位器均可識(shí)別分別編號(hào)Al、A2、A3、A4，，此種編碼方式按照“A1-A2” “A2-A3” “A3-A4”方式進(jìn)行編碼，其中“A ? -A ? ”代表的是兩個(gè)定位器之間的空間位姿關(guān)系，最簡(jiǎn)單的一種可以直接使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，但是這種編碼方式檢索不便，可以使用“x-y-z”的空`間角的記錄方式進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣的好處是在沒(méi)有精確數(shù)據(jù)吻合時(shí)可以使用一個(gè)最近似的數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，從而產(chǎn)生最接近狀態(tài)的檢索結(jié)果，避免因?yàn)椴贿B續(xù)的取樣造成的檢索失敗，而且這種最接近的檢索結(jié)果反映到醫(yī)學(xué)圖像采集時(shí)間上最多誤差0.05s，是完全可以接受的。
[0055]術(shù)中數(shù)據(jù)模塊的追蹤器追蹤定位器的位姿狀態(tài)，由位姿編碼模塊生成編碼，使用此編碼根據(jù)位姿查找表查找定位器陣列此時(shí)的狀態(tài)編碼所對(duì)應(yīng)的術(shù)前數(shù)據(jù)記錄時(shí)刻；術(shù)前數(shù)據(jù)模塊的文件查找表根據(jù)術(shù)中數(shù)據(jù)模塊所提供的記錄時(shí)刻來(lái)定位要提取文件在3D數(shù)據(jù)庫(kù)的位置。輸入輸出模塊將查找到的三維體數(shù)據(jù)文件傳輸給導(dǎo)航模塊；定位模塊利用追蹤器將手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備模塊在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)位姿坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，并將該實(shí)時(shí)定位信息傳輸給導(dǎo)航模塊；導(dǎo)航模塊利用圖像疊加模塊通過(guò)人體和手術(shù)器械的定位來(lái)進(jìn)行三維模型的動(dòng)態(tài)構(gòu)建，圖像運(yùn)算模塊則基于虛擬場(chǎng)景進(jìn)行圖像去噪、圖像增強(qiáng)的運(yùn)算；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊將通過(guò)處理的圖像顯示出來(lái)，若顯示模塊選用穿戴式智能眼鏡或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔，則該顯示的效果是經(jīng)過(guò)圖像勾畫(huà)、去噪和增強(qiáng)的圖像與真實(shí)場(chǎng)景相重合，使得醫(yī)生可以迅速獲取實(shí)時(shí)直觀的手術(shù)導(dǎo)航信息。
[0056]以上所述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所作出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，包括術(shù)前數(shù)據(jù)模塊、術(shù)中數(shù)據(jù)模塊、定位模塊和導(dǎo)航模塊，所述術(shù)前數(shù)據(jù)模塊分別與術(shù)中數(shù)據(jù)模塊、導(dǎo)航模塊連接，定位模塊與導(dǎo)航模塊連接；所述術(shù)前數(shù)據(jù)模塊包括依次連接的3D數(shù)據(jù)庫(kù)、文件查找表和輸入輸出模塊；所述術(shù)中數(shù)據(jù)模塊包括依次連接的定位器陣列、追蹤器、位姿編碼模塊和位姿查找表；位姿查找表與所述文件查找表連接；所述定位模塊包括依次連接的手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備定位模塊和追蹤器；所述導(dǎo)航模塊包括依次連接的圖像疊加模塊、圖像運(yùn)算模塊、圖像勾畫(huà)模塊和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模塊；圖像疊加模塊分別與所述手術(shù)器械定位模塊、人體定位模塊連接； 所述定位器陣列為含有至少3個(gè)位姿定位器的陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述位姿定位器為貼片式體外定位器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述貼片式定位器為磁貼片式定位器或光學(xué)貼片式定位器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述追蹤器為磁追蹤器或光學(xué)追蹤器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述手術(shù)器械定位模塊為磁定位模塊或光學(xué)定位模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述人體定位模塊為磁定位模塊或光學(xué)定位模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述非介入式微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置有液晶顯 示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器，所述液晶顯示器、可以透視的智能眼鏡或可以透視的頭盔顯示器與所述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備模塊連接。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK103479431SQ201310444482
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】王建軍, 朱青松, 樊建平, 岳冰心, 謝耀欽 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院