CN106063726A - 实时穿刺导航系统及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实时穿刺导航系统，其包括：穿刺针；上位机，显示基于术前磁共振图像和术中超声图像相融合的多模态影像的穿刺导航空间；超声探测装置，其包括超声探头和超声成像设备，超声探头将采集的超声数据发送给超声成像设备处理后输出术中超声图像进行显示并发送至上位机；空间配准装置，其具有磁定位仪和标定体模，磁定位仪接收器通过探头夹具固定在超声探头上；标定体模标定磁定位仪接收器与术中超声图像平面的对应位置；磁定位仪接收器采集超声探头的空间位置进而得到术中超声图像平面的空间位置；连接到上位机和穿刺针的增强现实眼镜。本发明无需特定的超声探头和成像设备，不局限于特定的穿刺部位，穿刺导航的便利性和准确性较高。

Description

实时穿刺导航系统及其导航方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，更具体地说，本发明涉及一种实时穿刺导航系统及其导航方法。

背景技术

随着医疗技术的发展，微创诊断和治疗在临床中得到越来越广泛的应用，如前列腺癌的穿刺活检、肝脏病灶的穿刺消融治疗等。但是，由于病灶位置深体积小，通常经体表进行穿刺无法准确定位穿刺的位置、深度和方向，会造成误诊漏诊等问题。目前，超声成像是进行穿刺引导时应用最广泛的术中实时成像手段，它优点在于操作简单、实时性好，缺点在于分辨率较低、图像噪声大、组织器官区分度低且成像方式单一。磁共振成像有较高的分辨率并能提供多种成像方式，对器官组织的区分度高，但是，磁共振成像时间长，磁场兼容性要求高，不适合术中导航实时成像。目前，已有国外少数厂商提供基于超声成像和磁共振成像的多模态影像融合的穿刺解决方案，但其基本集成于硬件设备中，造价昂贵；此外，现有的二维三维影像成像技术应用于穿刺手术术中导航时，手术效果对于医生的经验和成像认知能力依赖度很大，无法提供更直观的穿刺导航，因此相关技术推广困难。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种实时穿刺导航系统，将基于超声成像和磁共振成像的多模态影像数据融合在同一坐标系下显示供穿刺针导航，无需特定的超声探头和成像设备，不局限于特定的穿刺部位，提高穿刺导航的便利性和准确性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：

本发明所述的实时穿刺导航系统，包括：

穿刺针，用于穿刺；

上位机，其显示基于术前磁共振图像和术中超声图像相融合的穿刺导航空间；

超声探测装置，其包括超声探头和超声成像设备，所述超声探头将采集的超声数据发送给所述超声成像设备处理后输出术中超声图像进行显示，所述超声成像设备将所述术中超声图像发送至所述上位机显示；以及，

空间配准装置，其具有磁定位仪和标定体模，所述标定体模标定所述磁定位仪接收器与所述术中超声图像平面的对应位置；所述磁定位仪接收器采集所述超声探头的空间位置进而获得所述术中超声图像平面的空间位置。

优选的是，还包括：分别连接到所述上位机和所述穿刺针的增强现实眼镜，所述增强现实眼镜将基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像形成的穿刺导航空间与所述穿刺针的穿刺现实空间融合配准后显示。

优选的是，所述超声探测装置还包括超声数据采集卡，所述超声成像设备将所述术中超声图像通过所述超声数据采集卡发送至所述上位机显示。

优选的是，所述磁定位仪接收器通过探头夹具固定在所述超声探头上。

一种实时穿刺的导航方法，包括以下步骤：

对病人进行术前磁共振扫描，输出术前磁共振图像至所述上位机，所述上位机对所述术前磁共振图像分割出目标组织器官的穿刺目标靶位区域；

所述超声探头将采集的超声数据发送给所述超声成像设备处理后，输出术中超声图像至所述上位机，将所述超声探头空间位置与上位机上显示的所述术中超声图像平面的空间位置进行配准；

将所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与所述术中超声图像的空间位置配准后，为所述穿刺针的实时穿刺导航。

优选的是，将所述超声探头空间位置与上位机上显示的所述术中超声图像平面的空间位置进行配准，具体包括以下步骤：

所述磁定位仪接收器通过探头夹具固定在所述超声探头上；

所述标定体模标定所述磁定位仪接收器与所述术中超声图像平面的对应位置；

所述磁定位仪接收器采集所述超声探头的空间位置进而获得所述术中超声图像平面的空间位置。

优选的是，所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与所述术中超声图像的空间位置配准，具体包括以下步骤：

在三维模型的空间坐标中，记录所述标定体模标定所述磁定位仪接收器与所述术中超声图像平面对应位置的空间坐标变换；

分别在所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域和所述术中超声图像中选取至少三对解剖标志点对；

所述上位机根据所述空间坐标变换和所述至少三对解剖标志点对进行换算，得出所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与所述术中超声图像的空间坐标变换并存储。

优选的是，还包括虚拟穿刺和现实穿刺的融合显示，其包括以下步骤：

佩戴分别连接到所述上位机和所述穿刺针的增强现实眼镜，基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像的穿刺导航空间与所述穿刺针的穿刺现实空间融合配准后通过所述增强现实眼镜显示。

本发明至少包括以下有益效果：

1)本发明提供的实时穿刺导航系统，通过空间配准装置，将超声探头空间位置与上位机上显示的术中超声图像平面的空间位置进行配准、将术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准，实现基于超声成像和磁共振成像的多模态影像数据融合在同一坐标系下显示供穿刺针导航，无需特定的超声探头和成像设备，也不局限于特定的穿刺部位，适用范围广、降低采购成本，提高穿刺导航的便利性和准确性；

2)增强现实眼镜将基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像形成的穿刺导航空间与穿刺针的穿刺现实空间融合配准后显示，即将虚拟的穿刺空间与现实的穿刺空间配准显示，显示直观，减少了穿刺手术效果对于手术医生经验能力的依赖，可普遍有效地提高穿刺的准确性；

3)通过上位机根据空间坐标变换和至少三对解剖标志点对进行换算，得出术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间坐标变换并存储，提高术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准的精确性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的实时穿刺导航系统的示意图；

图2为本发明所述的实时穿刺的导航方法的流程图；

图3为本发明所述的超声探头空间位置与术中超声图像平面的空间位置进行配准的流程图；

图4为本发明所述的术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

本发明提供一种实时穿刺导航系统，如图1所示，包括：

穿刺针10，用于穿刺；

上位机20，其显示基于术前磁共振图像和术中超声图像相融合的穿刺导航空间；

超声探测装置30，其包括超声探头31和超声成像设备32，超声探头31将采集的超声数据发送给超声成像设备32处理后输出术中超声图像进行显示，超声成像设备32将术中超声图像发送至上位机20显示；以及，

空间配准装置40，其具有磁定位仪41和标定体模42，标定体模42标定磁定位仪接收器411与术中超声图像平面的对应位置；磁定位仪接收器411采集超声探头31的空间位置进而获得术中超声图像平面的空间位置。

上述实施方式中，通过空间配准装置40，将超声探头31空间位置与上位机20上显示的术中超声图像平面的空间位置进行配准、将术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准，实现术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与超声探头31的空间位置配准，即实现基于超声成像和磁共振成像的多模态影像数据融合在同一坐标系下显示，为穿刺针10的实时穿刺提供导航，无需特定的超声探头和成像设备，降低采购特定超声探头和成像设备等医疗结构的成本；也不局限于特定的穿刺部位，不受穿刺部位大小、穿刺位置、穿刺深度和穿刺方向等因素的影响，适用范围广、穿刺准确性高、穿刺便利。

上述实施方式中，超声探测装置30还包括超声数据采集卡33，超声成像设备32将术中超声图像通过超声数据采集卡33发送至上位机20显示。

上述实施方式中，磁定位仪41的磁定位仪接收器411通过探头夹具固定在超声探头31上。

为了将基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像形成的穿刺导航空间与穿刺针10的穿刺现实空间融合配准后显示，即将虚拟的穿刺空间与现实的穿刺空间配准显示，作为本发明的优选实施方式，实时穿刺导航系统还包括分别连接到上位机20和穿刺针10的增强现实眼镜50，增强现实眼镜50将基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像形成的穿刺导航空间与穿刺针10的穿刺现实空间融合配准后显示，显示更直观，减少了穿刺手术效果对于手术医生经验能力的依赖，可普遍有效地提高穿刺的准确性。

实施例2

本发明提供一种运用本发明的实时穿刺导航系统进行实时穿刺导航的方法，如图2所示，包括以下步骤：

S10，对病人进行术前磁共振扫描，输出术前磁共振图像至上位机20，上位机20对术前磁共振图像分割出目标组织器官的穿刺目标靶位区域；

S20，超声探头31将采集的超声数据发送给超声成像设备32处理后，输出术中超声图像至上位机20，将超声探头31空间位置与上位机20上显示的术中超声图像平面的空间位置进行配准；

S30，将术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准后，为穿刺针10的实时穿刺导航。

上述方法步骤中，通过将超声探头31空间位置与术中超声图像平面的空间位置进行配准、术前磁共振图像分割出目标组织器官的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准，从而实现术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与超声探头31空间位置配准，为穿刺针10的实时穿刺提供导航，无需特定的超声探头和成像设备，降低采购特定超声探头和成像设备等医疗结构的成本；也不局限于特定的穿刺部位，不受穿刺部位大小、穿刺位置、穿刺深度和穿刺方向等因素的影响，适用范围广、穿刺准确性高、穿刺便利。

其中，如图3所示，步骤S20具体包括以下步骤：

S21，磁定位仪接收器411通过探头夹具固定在超声探头31上；

S22，标定体模42标定磁定位仪接收器411与术中超声图像平面的对应位置；

S23，磁定位仪接收器411采集超声探头31的空间位置进而获得术中超声图像平面的空间位置。

上述方法步骤中，通过探头夹具将磁定位仪接收器411固定在超声探头31上、标定体模42标定磁定位仪接收器411与术中超声图像平面的对应位置，从而实现超声探头31的空间位置与术中超声图像屏幕的空间位置对应起来。

为了提高术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准的精确性，更进一步地，如图4所示，步骤S30具体包括以下步骤：

S31，在三维模型的空间坐标中，记录标定体模42标定磁定位仪接收器411与术中超声图像平面对应位置的空间坐标变换；

S32，分别在术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域和术中超声图像中选取至少三对解剖标志点对；

S33，上位机20根据空间坐标变换和至少三对解剖标志点对进行换算，得出术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间坐标变换并存储。

上述方法步骤中，在术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域和术中超声图像中选取至少三对解剖标志点对，上位机20对至少三对解剖标志点对和空间坐标变换换算出术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间坐标变换，进而实现术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准；且至少三对解剖标志点对的选择，有利于提高术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的空间位置配准的精确性。

为了将基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像形成的穿刺导航空间与穿刺针10的穿刺现实空间融合配准后显示，如图2所示，实时穿刺的导航方法还包括步骤：S40，虚拟穿刺和现实穿刺的融合显示，具体指的是，佩戴分别连接到上位机20和穿刺针10的增强现实眼镜50，基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像的穿刺导航空间与穿刺针10的穿刺现实空间融合配准后通过增强现实眼镜50显示。

上述方法步骤中，医生佩戴增强现实眼镜50进行穿刺手术时，透过病人皮肤表面可以看到术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像的实时融合，虚拟穿刺针的位置、深度和方向与现实的穿刺针的位置、深度和方向保持一致，当现实中的穿刺进进入皮肤后，虚拟穿刺针将在术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与术中超声图像融合的导航画面中继续直观地显示，降低了穿刺手术效果对于手术医生经验能力的依赖。医生根据虚拟穿刺针10的位置、深度和方向，以及术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像的穿刺导航空间与穿刺针的穿刺现实空间融合配准，即可完成现实的穿刺针10对穿刺目标靶位区域进行穿刺的手术。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种实时穿刺导航系统，其特征在于，包括：

穿刺针，用于穿刺；

上位机，其显示基于术前磁共振图像和术中超声图像相融合的穿刺导航空间；

超声探测装置，其包括超声探头和超声成像设备，所述超声探头将采集的超声数据发送给所述超声成像设备处理后输出术中超声图像进行显示，所述超声成像设备将所述术中超声图像发送至所述上位机显示；以及，

空间配准装置，其具有磁定位仪和标定体模，所述标定体模标定所述磁定位仪接收器与所述术中超声图像平面的对应位置；所述磁定位仪接收器采集所述超声探头的空间位置进而获得所述术中超声图像平面的空间位置。

2.如权利要求1所述的实时穿刺导航系统，其特征在于，还包括：分别连接到所述上位机和所述穿刺针的增强现实眼镜，所述增强现实眼镜将基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像形成的穿刺导航空间与所述穿刺针的穿刺现实空间融合配准后显示。

3.如权利要求1所述的实时穿刺导航系统，其特征在于，所述超声探测装置还包括超声数据采集卡，所述超声成像设备将所述术中超声图像通过所述超声数据采集卡发送至所述上位机显示。

4.如权利要求1所述的实时穿刺导航系统，其特征在于，所述磁定位仪接收器通过探头夹具固定在所述超声探头上。

5.一种运用如权利要求1-4所述的实时穿刺导航系统进行实时穿刺导航的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对病人进行术前磁共振扫描，输出术前磁共振图像至所述上位机，所述上位机对所述术前磁共振图像分割出目标组织器官的穿刺目标靶位区域；

所述超声探头将采集的超声数据发送给所述超声成像设备处理后，输出术中超声图像至所述上位机，将所述超声探头空间位置与上位机上显示的所述术中超声图像平面的空间位置进行配准；

将所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与所述术中超声图像的空间位置配准后，为所述穿刺针的实时穿刺导航。

6.如权利要求5所述的实时穿刺的导航方法，其特征在于，将所述超声探头空间位置与上位机上显示的所述术中超声图像平面的空间位置进行配准，具体包括以下步骤：

所述磁定位仪接收器通过探头夹具固定在所述超声探头上；

所述标定体模标定所述磁定位仪接收器与所述术中超声图像平面的对应位置；

所述磁定位仪接收器采集所述超声探头的空间位置进而获得所述术中超声图像平面的空间位置。

7.如权利要求6所述的实时穿刺的导航方法，其特征在于，所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与所述术中超声图像的空间位置配准，具体包括以下步骤：

在三维模型的空间坐标中，记录所述标定体模标定所述磁定位仪接收器与所述术中超声图像平面对应位置的空间坐标变换；

分别在所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域和所述术中超声图像中选取至少三对解剖标志点对；

所述上位机根据所述空间坐标变换和所述至少三对解剖标志点对进行换算，得出所述术前磁共振图像的穿刺目标靶位区域与所述术中超声图像的空间坐标变换并存储。

8.如权利要求5所述的实时穿刺的导航方法，其特征在于，还包括虚拟穿刺和现实穿刺的融合显示，其包括以下步骤：

佩戴分别连接到所述上位机和所述穿刺针的增强现实眼镜，基于术中超声图像和三维模型下的术前磁共振图像的穿刺导航空间与所述穿刺针的穿刺现实空间融合配准后通过所述增强现实眼镜显示。