CN117084786A - 一种穿刺导航系统、定位托和定位穿刺针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺导航系统，该系统包括：定位托，该定位托内设有至少三个空间标志物；定位穿刺针，该穿刺针上设有IMU定位器；显像单元，用于对受检者穿刺部位的显像。该系统的穿刺导航过程包括，使受检者卧于检查台上，将所述定位托置于受检者拟穿刺部位；将显像单元的探测器照射所述拟穿刺部位；将所述定位穿刺针对向拟穿刺部位；接收所述定位穿刺针上的IMU定位器的姿态角度，结合从显像单元获取的图像，实现对穿刺位置的路径规划和导航。

Description

一种穿刺导航系统、定位托和定位穿刺针

技术领域

本发明属于临床医学技术领域，特别涉及一种穿刺导航系统、定位托和定位穿刺针。

背景技术

活体组织检查(Biopsy)简称“活检”。患者在就医时，医生可能摸到肿块或通过CT发现肿块、结节、占位。但运用体格检查、血检、尿检和影像检查都无法确定此异常或肿瘤是良性还是癌性。此时需要通过手术进行穿刺活检，从患者体内取出活体组织样本或细胞样本。

因此，活检是指应诊断和治疗的需要，通过手术从患者体内切取、钳取或穿刺等取出活体组织样本或细胞样本，以供病理医生进行病理学检测。活检及病理检测通常是为了深入了解病变/肿块是否为癌症、癌症类型以及癌症的性质等，从而指导患者后续的整体治疗方案，包括手术、放疗和药物治疗。

穿刺活检是局部麻醉后，医生使用肺部穿刺针，通过CT等图像引导将针穿过胸壁进入可疑部位并获取肺组织。这种活检也可以称为闭式、经胸活检或经皮活检。此过程可能需要半小时左右完成。穿刺活检分为穿刺活检(Fine Needle Aspiration Biopsy FNA)和粗针/芯针穿刺活检(Core Needle Biopsy)两种。

发明内容

本公开实施例之一，一种穿刺导航系统，包括，

定位托，该定位托内设有至少一个空间标志物；

定位穿刺针，该穿刺针上设有IMU定位器；

显像单元，用于对受检者穿刺部位的显像。

这里，IMU全称inertial measurement unit，即惯性测量单元。它由三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪组成，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，对这些信号进行处理之后，便可解算出物体的姿态。

当显像单元为CT显像单元，空间标志物用以作为CT显像标志物。当穿刺部位位于肺部，本公开实施例的穿刺导航系统，用以实现基于IMU和CT显像标志物的CT下配准、及角度修正的肺部穿刺定位导航过程。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1根据本发明实施例之一的定位托组成示意图。

图2根据本发明实施例之一的定位托使用方式示意图。

图3图2中A处的局部放大图。

图4根据本发明实施例之一的穿刺导航系统示意图。

图5根据本发明实施例之一的穿刺导航方法流程图。

图6根据本发明实施例之一的可穿刺时间示例图。

10——定位托，20——手术台，30——受检者，

11——定位穿刺针，

12——方形空间标志物，

13——圆形空间标志物，

14——三角形空间标志物。

具体实施方式

传统的穿刺活检，必须先通过多次CT拍片确定，不仅对患者的身体的造成一定的负担，而且多次CT拍片确定的最大断层部位不一定精准。此外，传统的穿刺活检一旦不小心造成穿刺针的偏移，医生无法迅速得知，必须经过CT拍片进行多次的确认，会增加穿刺活检手术的危险性。

为了解决上述问题，本公开旨在准确定位患部的空间位置同时，减少对患者身体的损失，通过IMU定位器在穿刺针偏移的情况下，及时提醒医生转变穿刺针的方向。

现有的穿刺活检过程，是参照既往的CT影像决定穿刺的体位。将栅格定位尺贴到患部表面，在患者身体的下方放置万向支撑架，支撑架的头端指向穿刺部位，在患者患部固定定位尺用于穿刺体表，然后进行CT扫描，根据CT图片确定病变的最大断层部位，在病灶床位处打开激光定位灯，激光定位灯与栅格定位尺的交叉点即为皮肤进针点。通过测量进针点与患部点所形成的直线与地心垂线的夹角，确定穿刺的角度，包括穿刺进针深度和穿刺靶点。把导向器紧紧插入支撑夹，使用导向器调整好双向角度，夹持穿刺针进入扫描断层。之后采取分步进针法，第一针先进到皮下2厘米内，观察穿刺针的方向，第二针穿过胸膜进入肺内直至到脏器表面，观察穿刺针的方向和患者的呼吸，第三针扎到患部上方，迅速进入肺组织，第四针扎入至和患部贴合。

在这个过程中，涉及到空间配准。理想的空间配准，是指通过立体定位跟踪系统,在手术中确定手术器械与患者的相对关系,并与术前的CT模型整合显示在一起,有效地指导手术计划,实时引导手术的进行。同时空间配准，可以实现手术器械的可视化与实时跟踪。现有的穿刺却不能实现理想的空间配准。

因为现有穿刺活检手术，包括以下缺点：

1.穿刺活检手术的角度配准十分复杂，需要有多年影像经验的医生完成；

2.由于皮肤在接触定位尺时会产生角度的偏差，可能导致配准的角度产生偏差；3.患部的空间位置需要栅格定位尺和多张CT图确定，需要消耗大量时间；

4.计算患部的空间位置和穿刺的角度需要人工确定，可能会出现偏差；

5.在确定患部位置时，多次开启CT机，会对病人身体健康产生影响；

6.病变的最大断层部位的确定仅仅是通过多张CT图片确定，确定的位置可能不是实际的最大断层部位；

7.一旦穿刺针发生偏移，医生无法迅速获知，只能通过CT图片进行校准。

根据一个或者多个实施例，为了解决现有穿刺过程中的定位导航难题，本公开提出了一种穿刺导航系统，如图4所示，该系统包括，

定位托，该定位托内设有至少3个空间标志物，每个空间标志物具有不同或者相同的标准几何形状，或者是三角形，或者是圆形，或者为方形，通过三个不同的几何形状的标志物，是为了便于空间匹配；

定位穿刺针，该穿刺针上设有IMU定位器，并且所述定位穿刺针在所述定位托内具有定位点，该定位点可以是固定的，在穿刺导航操作开始前，该定位穿刺针被固定在定位托内，由于三个空间标志物的相互空间位置是已知确定的，从而是的定位穿刺针在空间也确定了一个初始空间坐标位置；

CT显像单元，用于对受检者穿刺部位的显像，所述空间标志物可以作为CT显像标志物。

在这里，IMU是惯性导航系统英文缩写，主要元件有陀螺仪、加速度计和磁力计。其中陀螺仪可以得到各个轴的加速度，而加速度计能得到x，y，z方向的加速度，而磁力计能获得周围磁场的信息。主要的工作便是将三个传感器的数据融合得到较为准确的姿态信息。值得注意的是，IMU提供的是一个相对的定位信息，它的作用是测量相对于起点物体所运动的路线。

该系统的穿刺导航过程包括，

使受检者卧于检查台上，将所述定位托置于受检者拟穿刺部位；

将显像单元的探测器照射所述拟穿刺部位；

将所述定位穿刺针从定位托内的定位点拿出，对向拟穿刺部位；

接收所述定位穿刺针上的IMU定位器的姿态角度，结合从显像单元获取的图像，实现对穿刺位置的路径规划和导航。

在本公开实施例中，如图1、2、3所示，为了获得一个初始且固定的空间坐标，设计了一个定位托装置。在定位托中加入3个标志物，标志物的作用是通过电脑准确且快速的生成患部的空间位置，能够减轻医生的任务量，这里可以将3个标志物称为“CT显像标志物”。这3个空间标志物，每个空间标志物具有不同的标准几何形状，可以分别是是三角形、圆形、方形。由于形状明显不同，在影像重建与识别中能够用简单的特征提取算法提取出不同的标志物，定位其相应的坐标，从而减轻了计算量，加快了计算速度。同时，由于三个标志物的相对距离位置是固定已知的，由三个标志物的坐标以及三个点决定的面，建立了导航空间参照系，在这个参照系里，获取了具有IMU定位器的定位穿刺针的空间路径数据，则能实现对于穿刺路径的精确定位控制和路径规划。又如图1所示，为了是的患者更为舒适，定位托可以设计为凹字形。

对于使用定位托的材质进行了挑选，选择不容易形变的材质，并且放置在患者的身体下方，减少可能产生的配准角度偏差。把肺部穿刺针置于定位托中，在进行空间初始位置的确定之后，再将肺部穿刺针从定位托中拿出。在CT影像中不易显形。CT显像标志物在确定患部的空间位置时对患者的身体健康没有影响。将ium角度仪器和穿刺针组合，实时监测肺部穿刺针的针对初始位置的偏移角度，一旦穿刺针偏差的角度大于设定值，就会及时报警，提醒手术医生注意。

在该定位托中，在其中固定3个CT显像标志物，同时在定位托里设计一个卡槽，专门用来放置和固定带有IMU定位器的穿刺针。由于3个CT显像标志物是固定在定位托中的，医生能够知道3个ct显像标志物在实际空间中的位置。设计一款IMU定位器，IMU定位器上有个夹具，能够使IMU定位器固定在穿刺针上。把带有IMU定位器的穿刺针插入定位托的卡槽后，穿刺针会被固定在定位托中，然后把定位托放到患部下方。

定位托使用稍硬的材质，防止形变导致测量有误差。由于IMU定位器被固定在定位托上，也能知道IMU定位器的空间位置。对患者的患部进行CT扫描，医生通过CT能够知道结节的真实物理空间位置和需要穿刺的角度，以及穿刺路径。同时CT能够拍到三个标志物，用深度学习的方法把标志物分割出来，得到3个CT显像标志物在CT中的位置。在这里，穿刺导航系统的数据处理电脑，连接到CT机的影像数据输出端口，接收到包含有3个CT显像标志物在实际空间位置数据的CT影像图像数据后，结合同时接收到的定位穿刺针的IMU定位器的定位轨迹数据就能够做穿刺配准。这个过程包括，通过3个CT显像标志物建立坐标，对IMU定位器进行初始化，得到IMU定位器的初始位置。同时计算IMU定位器需要进行的角度转换，与规划的穿刺路径一致，从而指导对患者的穿刺操作。穿刺过程开始前，需要对患者身体拍摄CT，把带有IMU定位器的穿刺针从定位托的卡槽中拔出，开始进行对患者拟穿刺部位的穿刺。

具体来说，这里的配准过程包括以下步骤：

1.穿刺导航系统的数据处理电脑获取CT数据；

2.使用特征提取算法对CT图像进行自动分割，分割出三个标志物，实际空间中标志物的坐标已知，且与IMU的相对位置已知，此时可解算出IMU在CT图像中的位置；

通过人工或者图像识别算法识别出患者肿瘤区域，设定穿刺路径，这里的穿刺路径为线性，此时需要设置两个点的坐标，及入针点和目标点；

3.将上述两个点坐标，入针点和目标点坐标，经过解算后，传回IMU定位器；

4.此时，IMU已知晓目标角度，开始进行角度提醒，这里可以设定了2个阈值，分别是2°和5°。如果穿刺针的倾斜角度在2度之内，IMU定位器显示为绿灯。

由于，三个标志物是固定在定位托上的，设为不同形状是为了图像识别是更加快速。而且，CT影像也是同时获取了定位托的空间数据的。这样，通过标志物可以迅速进行空间定位。

当定位穿刺针在开始时，固定在定位托上，实际上就是确定了初始空间位置。而患者在穿刺操作手术台上通常的姿势，是仰卧或者侧卧。

根据一个或者多个实施例，一种穿刺手术导航系统。该系统包括，

定位托，该定位托内设有至少三个空间标志物；

定位穿刺针，该穿刺针上设有IMU定位器；

显像单元，用于对受检者穿刺部位的显像。

所述定位穿刺针在所述定位托内具有定位点。

该系统的穿刺导航过程包括，

使受检者卧于检查台上，将所述定位托置于受检者拟穿刺部位；

将显像单元的探测器照射所述拟穿刺部位；

将所述定位穿刺针从所述定位点处起出，对向拟穿刺部位；

接收所述定位穿刺针上的IMU定位器的姿态角度，结合从显像单元获取的图像，实现对穿刺位置的路径规划和导航。

穿刺手术开始后，IMU会不断把数据传入系统导航数据处理电脑，电脑程序会不断分析IMU的数据，然后把数据变换到现实人体的坐标系，并实时跟踪当前的角度和位置，和预设的路径进行匹配。对于IMU产生的累计误差，通过滤波等方法消除。穿刺导航系统，通过设置提醒装置，能够对CT规划的路径在现实中进行提示。在病灶床位处打开激光定位灯，通过CT显像纸和CT机定位光标确定穿刺点的位置。穿刺针的位置也会显示在CT影像空间中，系统根据CT的数据，重建出来一个三维坐标空间，穿刺针也会同步显示到这个空间中。这里CT机是系统重显像单元设备的一种，即导航数据处理电脑也可以连接其他类型的人体影像数据扫描设备，包括MRI设备，或者其他可以实时获取人体内部影像数据的设备。CT显像纸，也称为CT定位纸、显影胶带，用于在CT引导下的经皮穿刺定位。定位纸上有用于定位的小方格，可以用于介入穿刺引流、活检定位，以及仲瘤消融定位。定位精准、影像清晰，适用于介入科、仲瘤科、呼吸科、骨科、疼痛科等。

这里，可以设定了2个阈值，分别是2°和5°。如果穿刺针的倾斜角度在2度之内，IMU定位器显示绿灯。如果偏离角度是2到5度，IMU定位器闪烁黄灯并发出警报声音。如果偏离角度在5度以上会闪烁红灯发出警报声音。之后采取分步进针法，第一针先进到皮下2厘米内，观察穿刺针的方向，第二针穿过胸膜进入肺内直至到脏器表面，观察穿刺针的方向和患者的呼吸，第三针扎到患部上方，迅速进入肺组织，第四针扎入至和患部贴合。在穿刺过程中，根据需要，可能获取多张人体扫描CT影像图像。

如图5所示，穿刺导航过程包括以下步骤：

1.通过夹具把IMU定位器固定在穿刺针上，打开穿刺针的IMU装置并把把穿刺针插入定位托的卡槽。放置定位托，患者躺好；

2.CT扫描，确定患处位置，使用算法分割出定位托中的CT显像标志物，并进行空间配准，此时穿刺针与定位托中的CT显像标志物的相对位置已知；

3.医生规划穿刺路径，并将路径数据传至IMU装置；

4.医生从定位托的卡槽中取出穿刺针，根据IMU装置的灯光提示进行穿刺；

5.穿刺结束。

考虑到患者一直处于呼吸状态，会导致空间位置的偏移，可以再增加一个IMU定位器,设置在患者身上，通过校对患者的呼吸移动偏移，使得能够更加精准的定位穿刺部位。也就是说，针对肺部或者是说为了防止人体移动，可以在人体上添加第二个IMU定位器或者压阻呼吸传感器装置，监控身体的变化。

以肺部为例，如图6所示，首先确定拍CT时的呼吸状态(主要确定人体的起伏)，然后根据IMU或者压阻呼吸传感器装置，判断当前时刻的人体起伏状态。达到合适区域时，IMU穿刺针的灯显示绿色，否则显示其他颜色。图6中的每个t时刻代表的时间区间为可穿刺时间。

本公开的技术方案，能以更准确快速地测量患部的空间方位，并且用IMU定位器提示灯提示医生穿刺针插入的偏离角度，准确地将穿刺针和拟穿刺部位贴合。

本公开的导航系统，把肺部穿刺针置于定位托中，在进行空间初始位置的确定之后，再将肺部穿刺针从定位托中拿出将3个CT影像标志物放入定位托中，使用CT扫描仪或者其他类型的实时或者非实时人体内部影像设备，收集人体影像数据并上传至电脑。用电脑精准确定患部的空间位置对穿刺针加装IMU定位器，实时监测穿刺针的针对初始位置的偏移角度，分为三个范围，如果穿刺针的倾斜角度在2度之内，IMU定位器显示绿灯。如果偏离角度是2到5度，IMU定位器闪烁黄灯并发出警报声音。如果偏离角度在5度以上会闪烁红灯发出警报声音。

相较于传统的方法，本公开的方法更加准确和具有实时性，这是因为使用CT显像标志物确定患部空间位置的方法比传统的根据多次CT图片确定患部空间位置的方法更加迅速快捷。传统的穿刺活检手术中，一旦发生穿刺针的偏离，必须通过CT的多次拍摄才能发现和校准，但是在本项目中可以使用IMU定位器迅速发现偏离，使得医生及时发现和校准。

应理解，在本发明实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种穿刺导航系统，其特征在于，该系统包括，

定位托，该定位托内设有至少三个空间标志物；

定位穿刺针，该穿刺针上设有第一IMU定位器；

显像单元，用于对受检者穿刺部位的显像。

2.根据权利要求1所述的穿刺导航系统，其特征在于，所述定位穿刺针在所述定位托内具有定位点。

3.根据权利要求2所述的穿刺导航系统，其特征在于，该系统的穿刺导航过程包括，

使受检者卧于检查台上，将所述定位托置于受检者拟穿刺部位；

将显像单元的探测器照射所述拟穿刺部位；

将所述定位穿刺针从所述定位点处起出，对向拟穿刺部位；

接收所述定位穿刺针上的第一IMU定位器的姿态角度，结合从显像单元获取的图像，实现对穿刺位置的路径规划和导航。

4.根据权利要求3所述的穿刺导航系统，其特征在于，在患者身上设置第二IMU定位器。

5.根据权利要求1所述的穿刺导航系统，其特征在于，所述系统还包括一定位光源，用于对拟穿刺部位的显像照射，

优选的，所述显像单元是CT显像单元。

6.根据权利要求1所述的穿刺导航系统，其特征在于，所述空间标志物具有标准几何形状，

优选的，每个空间标注物具有不同的标准几何形状。

7.根据权利要求1所述的穿刺导航系统，其特征在于，所述定位托内设有卡槽，所述定位穿刺针被置于卡槽内。

8.一种定位托，其特征在于，该定位托内设有至少一个空间标志物，所述定位托用于穿刺导航过程，该定位托的使用方式是，

使受检者卧于检查台上，将所述定位托置于受检者拟穿刺部位；

将显像单元的探测器照射所述拟穿刺部位；

将所述定位穿刺针从所述定位托内的定位点起出，对向拟穿刺部位；

接收所述定位穿刺针上的第一IMU定位器的姿态角度，结合从显像单元获取的图像，实现对穿刺位置的路径规划和导航。

9.根据权利要求8所述的定位托，其特征在于，所述定位托内设有的空间标志物的数量为多个，每个空间标注物具有不同的标准几何形状。

10.一种定位穿刺针，其特征在于，该穿刺针上设有IMU，用于如权利要求1所述的穿刺导航系统。