专利名称：计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航系统及方法
技术领域：
本发明涉及医用手术导航技术，特别是涉及到利用C形臂X光机完成计算机辅助肾穿刺定位导航系统及方法。
背景技术：
经皮肾镜术是腔内泌尿外科手术中一个十分重要的组成部分，与输尿管镜术、体外冲击波碎石术共同成为泌尿系结石主要的现代治疗方法，改变并逐渐取代了传统开放手术的治疗方式，而微创经皮肾穿刺取石术(minimallyinvasive percutaneous nepharolithotomy，MPCNL)是该技术发展和完善的结果。PCN(经皮肾穿刺取石术)是腔内泌尿外科最基本的技术，也是经皮肾镜术的基础。应用穿刺针成功穿刺进入肾脏集尿系统内，经过扩张建立经皮肾通道，是PCN手术成功的保证。合适的穿刺途径和尽可能小的穿刺通道是避免肾创伤出血、减少并发症的明智选择，因此穿刺针入针位置的选择是手术中最关键的一个步骤。目前进行的微创经皮肾穿刺取石手术中，将穿刺针插入到肾盏中通常是在C形臂的图像引导下完成的，为了确定穿刺针入针位置，常常需要医生进行多次的X光照射，这样对病人尤其对医生受辐射的损伤尤其大。目前也有通过机械刻度指示方法，但是机械装置在手术中不太容易使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航系统及方法，它通过定位系统、C形臂图像获取以及计算机图像处理的方法，帮助医生完成微创经皮肾穿刺取石手术中，插入到肾盂中的穿刺针入针初始位置的选择。
本发明计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航系统包括一C形臂及其配套图像采集装置，用于在手术之前拍摄肾脏病灶的X光图像，和作为引导穿刺的图像采集手段；一定位系统及其配套跟踪器，用于跟踪并确定穿刺针针尖的位置和穿刺针的方向；一靶罩，安装于C形臂的图像采集装置一端，其上包含至少3个标志点和若干铅点，若干铅点用于对C形臂所拍的X光图像畸变校正、以及用于获取大地坐标系和X光图像坐标系之间的投影变换矩阵，标志点作为建立定位系统坐标系和大地坐标系之间的变换关系的配准点；一图像工作站，与C形臂的图像采集装置和定位系统连接，用于完成图像采集、存储、处理等应用软件的运行；一配套图像导航处理软件，安装于所述图像工作站中，用于完成显示C形臂所拍的X光图像，图像校正，完成X光图像坐标系和大地坐标系之间的变换矩阵计算，建立定位系统坐标系和大地坐标系之间的变换关系，以及完成穿刺针和X光图像融合显示等功能。
一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航方法，包括以下步骤a、图像工作站通过C形臂拍摄病人肾脏部位的X光图像，在X光图像上勾勒出肾脏的轮廓图；b、根据靶罩上的铅点的空间三维坐标及该铅点在所述X光图像中对应的坐标，计算C形臂的中心投影矩阵，确定空间点在所述X光图像中的投影关系；c、根据靶罩边缘上标志点的空间三维坐标，以及通过定位系统测量到的该标志点的定位三维坐标，建立大地坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵；d、定位系统跟踪固定在穿刺针上的跟踪器，完成对穿刺针的跟踪定位，并将结果实时地传输到图像工作站中；图像工作站根据步骤c所建立的变换矩阵将穿刺针的定位系统坐标转换为大地坐标系中的三维坐标，并将该三维坐标通过步骤b所确定的投影关系投影在所述X光图像上；e、检测穿刺针的入针位置是否合适，如果合适，则进针，如果不合适，移动穿刺针，转步骤d。
另一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航方法，包括以下步骤1)、图像工作站通过C形臂拍摄病人肾脏正位和侧位的X光图像，根据两幅X光图像重建肾脏的三维轮廓图，显示在显示屏上；2)、根据靶罩边缘上标志点的空间三维坐标，以及通过定位系统测量到的该标志点的三维坐标，建立大地坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵；3)、定位系统跟踪固定在穿刺针上的跟踪器，完成对穿刺针的跟踪定位，并将结果实时地传输到图像工作站中；图像工作站根据步骤2)所建立的变换矩阵将穿刺针的定位系统坐标转换为大地坐标系中的三维坐标，结合到重建出的肾脏三维图像中；4)、检测穿刺针的入针位置是否合适，如果合适，则进针，如果不合适，移动穿刺针，转步骤3)。
本发明利用空间目标跟踪技术和计算机图像处理技术，对穿刺针的位置和方向进行实时跟踪，帮助医生选择比较合适的穿刺针插入位置，并能做详细的手术计划。只需要拍摄一幅或两幅图像，即可完成穿刺针的入针位置的选择，能减少医生和病人的X光曝光次数，而且空间定位准确。
图1为本发明穿刺导航系统的系统结构图；图2为本发明穿刺导航系统的工作原理图；图3为固定有跟踪器的穿刺针的结构示意图；图4为穿刺针针尖空间位置的注册方法示意图；图5为C形臂及其靶罩的示意图；图6为本发明采用二维图像对穿刺针定位导航的流程图；图7为本发明采用三维图像对穿刺针定位导航的流程图。
具体实施例方式
本发明是为了完成经皮肾穿刺取石术中的穿刺针入针位置的最优确定，并通过不同位置入针的比较，从而确定手术路径，将穿刺针穿入病灶中。
它通过C形臂获取病人肾脏部位的一幅或两幅投影图，通过计算机处理，重建肾脏的二维或三维图像，用于医生选择穿刺针入位结果显示的对象；在C形臂上固定一个靶罩，通过靶罩中铅点在大地系中的三维坐标以及它在C形臂所拍摄出的X光图像中的图像坐标，建立空间坐标和图像坐标的投影关系变换矩阵，该变换矩阵是用于穿刺针针尖位置和方向投影到C形臂图像的投影矩阵；在靶罩的外边缘上固定能被定位系统识别的标志点，通过定位系统识别标志点，测量得到这些标志点在定位系统坐标系中的坐标。同时，固定在靶罩边缘上的这些标志点在大地坐标系中的三维坐标也是已知的。因此，通过这些标志点，可以得到定位系统坐标系和大地坐标系之间的坐标变换矩阵，该坐标变换矩阵用于将定位系统坐标变换到大地坐标系的坐标；在穿刺针上固定定位系统能识别的跟踪器，通过器械配准这一步骤，定位系统能够实时跟踪穿刺针针头顶点的空间坐标；经过空间坐标和图像坐标的投影关系变换矩阵，将穿刺针投影到C形臂拍摄的二维图像中，或者将穿刺针结合到重建出的肾脏三维图像中，通过定位系统的实时跟踪，从而能给医生提示穿刺针当前的位置，为医生选择最优的入针位置提供辅助。
它有两种工作模式，第一种工作模式是采用一幅X光片完成穿刺针入针位置选择，第二种工作模式是采用两幅X光片完成穿刺针入针位置选择。第一种工作模式，C形臂拍摄的是正位投影图片，导航软件只需要完成二维图像的显示，第二种工作模式既可以完成二维图像的显示，也能完成三维轮廓图像的显示，C形臂拍摄的是正位和侧位投影图片。
本发明包括了穿刺针空间位置和图像融合的功能，第一种工作模式下，穿刺针的空间位置最终要投影在二维X光图像上。第二种工作模式下，穿刺针的空间位置和方向既可以用第一种工作模式的显示方式，也可以用三维立体显示。本发明还能完成穿刺针针尖到病灶的距离计算、进针角度等测量功能。
下面结合附图对本发明做详细说明参照图1和图5，本计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航系统主要由C形臂2、靶罩6、定位系统3、跟踪器4、图像工作站1、穿刺针5以及相关辅助器械组成。C形臂2完成对病人图像的获取。
靶罩6固定于C形臂2的图像采集装置一端，它包含平板，平板的上面64和下面62均设置若干铅点63，平板的边沿设置至少3个标志点61，该平板与C形臂2的成像平面基本平行。所述靶罩6上、下面的铅点的大小、数量和分布间隔不同，一般来说靶罩6上面的铅点比下面铅点要大，同时铅点的分布保证两层上的铅点在垂直方向不重叠，铅点的数量应足够对C形臂所拍的X光图像畸变校正、并足够获取大地坐标系和X光图像坐标系之间的投影变换矩阵。为了便于软件的自动识别，靶罩6上、下两面铅点的分布可以按照一定方式分布，例如上层铅点分布是“L”形等等。参照图5，靶罩6上的铅点63在X光投射下，在C形臂2上成像，铅点63的像100’在X光图像100中能被清楚地识别出来。可以根据实际需要给靶罩设置不同类型的接口以适配不同的C形臂，同时要保证靶罩上的平板要尽量和C形臂的成像面平行。
靶罩6完成对图像畸变的校正，靶罩6上的铅点63用于作为X光图像坐标和大地坐标系的空间三维坐标建立中心投影关系的标志点。中心投影变换关系的建立可以通过直接线形变换(Direct Linear Transform，DLT)方式如公式1和公式2所示。其中L1，L2，……L11是C形臂的投影模型系数。通过这组系数将空间坐标(Xw，Yw，Zw)投影到图像坐标(X，Y)中。靶罩边沿上的标志点61用于作为建立定位系统坐标系和大地坐标系之间相互关系的标志点。任何两个空间三维坐标系统中的坐标变换关系如式3所示，其中R为旋转矩阵，T为平移矩阵。
X=L1xw+L2yw+L3zw+L4L5xw+L6yw+L7zw+1---1]]>Y=L8xw+L9yw+L10zw+L11L5xw+L6yw+L7zw+1---2]]>xcyczc=Rxwywzw-T---3]]>定位系统3完成对跟踪器4和靶罩6上标志点61的空间三维坐标重建和跟踪功能，定位系统3可以采用机械、或光学、或电磁定位系统。与定位系统3配套的跟踪器4则固定在穿刺针5上，用于实时跟踪穿刺针5在空间中的三维坐标。跟踪器4上设置若干标志点41，该标志点41跟定位系统3要求能被识别的标志点相匹配；定位系统3能够实时地提供穿刺针5的空间三维坐标，定位系统3的三维坐标计算精度应能够满足临床所需要的范围。
图像工作站1则是完成C形臂2所拍图像的处理(比如肾脏轮廓提取处理，肾脏三维图像重建等处理)，以及将穿刺针5的空间位置投影在C形臂获取的图像上，最终将投影图像在显示器11上显示，用于辅助医生完成穿刺针5初始入位的选择。
如图1所示。病人10躺在手术台9上，靶罩6安装在C形臂2的成像头上。C形臂2的位置摆放在能拍摄到肾脏的地方。定位系统3摆放的位置要使得它的测量范围尽量覆盖手术区域，跟踪器4通过专门设计的固定装置42(夹子)固定在穿刺针5上，跟踪器4的活动范围要在定位系统3的测量范围之内。C形臂2的图像通过图像数据传输线8传输到图像工作站1中，定位系统3测量得到跟踪器4上的标志点41的空间坐标以及靶罩6上标志点61的空间三维坐标，通过定位系统数据线7传输到图像工作站1中。医生可以通过键盘12、鼠标或者触摸屏等手段完成相应软件功能的操作。图像工作站1主要完成C形臂2的图像畸变校正处理、肾脏的轮廓提取、靶罩铅点识别、C形臂的投影关系式的建立、以及穿刺针的针尖位置和方向在图像的投影等功能。最终处理结果在显示器11上显示。
数据的传输依次为C形臂2采集到的数据图像按照C形臂图像的存储格式以DICOM的图像格式传输到图像工作站1中。定位系统3获取跟踪器4上的标志点的空间三维坐标，并将结果实时地通过串行线输入到图像工作站1中。跟踪器4通过夹子固定在穿刺针5上，然后锁死，使得跟踪器4上的标志点坐标和穿刺针5针尖的位置相对固定。穿刺针5针尖的空间三维坐标通过配准器的配准而获得。靶罩6上的铅点空间坐标和分布固定，以文件的形式保存靶罩的型号、铅点数目以及各个铅点相对于铅点靶罩原点的空间三维坐标。该文件在图像工作站1启动导航软件的时候被读入到应用程序中。
图2是系统工作原理图。C形臂通过对病灶的拍摄，获得一幅包含靶罩铅点成像信息的X光图像。通过靶罩铅点识别软件，完成X光图像中的靶罩铅点图像位置识别。通过这些铅点位置，完成图像的畸变校正和校准。通过安装在靶罩上的标志点信息，完成空间三维坐标和定位系统坐标系统之间的坐标变换。通过定位系统跟踪固定在穿刺针上的跟踪器完成对穿刺针的跟踪定位，并将穿刺针的位置投影在X光图像上，再通过安装在图像工作站上的可视化软件，完成穿刺针和X光图像相对位置的显示。
图3中给出了跟踪器4固定在穿刺针5上的示意图，跟踪器4上固定四个标志点41，定位系统3按顺序测量，分别测量得到这些标志点41的空间坐标，并通过注册过程，得到穿刺针5针尖的空间三维坐标。通过专门设计的固定装置42将跟踪器4固定在穿刺针5的尾部。
参照图4，穿刺针5针尖三维坐标确定的注册方式为将固定有跟踪器4的穿刺针5的针尖点到底座50的已知空间三维坐标的点50’上，根据此时跟踪器上4个标志点41的空间三维坐标和已知点50’的空间三维坐标的关系，得到跟踪器4上四个标志点41和穿刺针5针尖的几何关系，从而得到用四个标志点41的空间坐标确定穿刺针5针尖三维坐标的表达式，因此，只要得到跟踪器4上标志点的空间三维坐标，就能得到穿刺针5针尖的空间三维坐标。
本导航系统可以工作在两种模式，第一种是采用一幅X光片完成穿刺针入针位置选择，第二种是采用两幅X光片完成穿刺针入针位置选择。下面分别说明第一种工作模式如图6所示是在手术过程中采用一幅C形臂X光片确定经皮肾穿刺取石术中的穿刺针入针位置的方法。它的工作流程如下[1]采集病人的正位C形臂的图片；[2]通过靶罩铅点识别软件对C形臂的图片进行畸变校正；[3]通过点击鼠标，勾勒出肾脏的轮廓图，以及结石的边缘，并分别标上不同的颜色，经过处理的图像用于医生选择穿刺针入位结果显示的对象；[4]利用靶罩上的铅点的空间三维坐标及其在X光图像中对应的坐标，计算C形臂的中心投影矩阵，确定空间点三维坐标和图像坐标的投影关系； 测量靶罩边缘上标志点的空间三维坐标，以及通过定位系统测量这些标志点的三维坐标，建立大地坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵；[6]将跟踪器确定的穿刺针的定位系统坐标转换为大地坐标系中的坐标，并将这个三维坐标通过[4]中确定的投影关系投影在C形臂的图片上；[7]检测穿刺针的入针位置是否合适，如果不合适，移动穿刺针，再转[6]，如果合适，则进针。
第二种工作模式附图7给出的是在手术中拍摄两幅X光片完成穿刺针入针位置选择的工作流程图。它的工作流程描述如下[1]采集病人的正、侧位C形臂的图片；[2]通过靶罩铅点识别软件对C形臂的图片进行畸变校正；[3]利用靶罩上的铅点的空间三维坐标及其在图像中对应的坐标，计算C形臂的中心投影矩阵，确定空间点三维坐标和图像坐标的投影关系，并通过两幅X光片重建出肾脏轮廓中的关键部位的三维坐标，从而可以得到能反映真实肾脏轮廓的三维图像；[4]测量靶罩边缘上标志点的空间三维坐标，以及通过定位系统测量这些标志点的三维坐标，建立大地坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵；[5]将跟踪器确定的穿刺针的定位系统坐标转换为大地坐标系中的坐标；[6]将[5]中得到的空间三维坐标，结合到重建出的肾脏三维图像中，给医生提供更明了的位置关系；[7]检测穿刺针的入针位置是否合适，如果不合适，移动穿刺针，再转[5]，如果合适，则进针。
本发明专利应用高精度定位系统、计算机医学图像处理等多门学科技术，解决了利用单幅图像或者两幅图像实现计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航的方法和系统的关键技术。利用定位系统和图像显示的功能，能够帮助医生在手术过程中的频繁拍摄X光片，医生只需要在一次或者两次的拍摄X光片的情况下，通过不断地变换穿刺针的位置实现选择最佳的肾脏穿刺路线。系统可靠、先进，又能提供高精度的定位和方向，能满足医疗上的要求。其配套图像导航处理软件还具有病历档案管理功能。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航系统，其特征在于包括一C形臂及其配套图像采集装置，用于在手术之前拍摄肾脏病灶的X光图像；一定位系统及其配套跟踪器，用于跟踪并确定穿刺针针尖的位置和穿刺针的方向；一靶罩，安装于C形臂的图像采集装置一端，其上包含至少3个标志点和若干铅点，若干铅点用于对C形臂所拍的X光图像畸变校正、并获取大地坐标系和X光图像坐标系之间的投影变换矩阵，标志点作为建立定位系统坐标系和大地坐标系之间的变换关系的配准点；一图像工作站，与C形臂的图像采集装置和定位系统连接，用于完成图像采集、存储、处理等应用软件的运行；一配套图像导航处理软件，安装于所述图像工作站中，用于完成显示C形臂所拍的X光图像，图像校正，完成X光图像坐标系和大地坐标系之间的变换矩阵计算，建立定位系统坐标系和大地坐标系之间的变换关系，以及完成穿刺针和X光图像融合显示等功能。
2.如权利要求1所述的穿刺导航系统，其特征在于所述靶罩包含平板，平板的上、下面均设置若干铅点，平板的一侧面设置标志点，该平板与C形臂的成像平面基本平行。
3.如权利要求2所述的穿刺导航系统，其特征在于所述靶罩上、下面的铅点的大小和分布间隔不同，保证上、下面的铅点在垂直方向不重叠，铅点的数量应足够对C形臂所拍的X光图像畸变校正、并足够获取大地坐标系和X光图像坐标系之间的投影变换矩阵。
4.如权利要求1-3任一权项所述的穿刺导航系统，其特征在于所述与定位系统配套的跟踪器固定在穿刺针上，跟踪器上设置若干标志点；定位系统能够实时地提供穿刺针的空间三维坐标，定位系统的三维坐标计算精度能够满足临床所需要的范围。
5.如权利要求4所述的穿刺导航系统，其特征在于所述定位系统是机械、或光学、或电磁定位系统。
6.一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航方法，其特征在于包括以下步骤a、图像工作站通过C形臂拍摄病人肾脏部位的X光图像，在X光图像上勾勒出肾脏的轮廓图；b、确定空间点在所述X光图像中的投影关系；c、建立空间坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵；d、定位系统对穿刺针跟踪定位，并将结果实时地传输到图像工作站中；图像工作站根据步骤c所建立的变换矩阵将穿刺针的定位系统坐标转换为大地坐标系中的三维坐标，并将该三维坐标通过步骤b所确定的投影关系投影在所述X光图像上；e、检测穿刺针的入针位置是否合适，如果合适，则进针，如果不合适，移动穿刺针，转步骤d。
7.如权利要求6所述的穿刺导航方法，其特征在于步骤a中，在X光图像上勾勒肾脏的轮廓图前，先通过靶罩铅点识别软件对拍摄到的X光图像进行畸变校正。
8.如权利要求6或7所述的穿刺导航方法，其特征在于步骤b中，根据靶罩上的铅点的空间三维坐标及该铅点在所述X光图像中对应的坐标，计算C形臂的中心投影矩阵，从而确定空间点在所述X光图像中的投影关系；步骤c中，根据靶罩边缘上标志点的空间三维坐标，以及通过定位系统测量到的该标志点的定位三维坐标，建立大地坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵。
9.一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航方法，其特征在于包括以下步骤1)、图像工作站通过C形臂拍摄病人肾脏正位和侧位的X光图像，根据两幅X光图像重建肾脏的三维轮廓图，显示在显示屏上；2)、建立大地坐标系和定位系统坐标系之间的变换矩阵；3)、定位系统对穿刺针跟踪定位，并将结果实时地传输到图像工作站中；图像工作站根据步骤2)所建立的变换矩阵将穿刺针的定位系统坐标转换为大地坐标系中的三维坐标，结合到重建出的肾脏三维图像中；4)、检测穿刺针的入针位置是否合适，如果合适，则进针，如果不合适，移动穿刺针，转步骤3)。
10.如权利要求9所述的穿刺导航方法，其特征在于步骤1)中，重建肾脏的三维轮廓图前，先通过靶罩铅点识别软件对拍摄到的两幅X光图像进行畸变校正。
全文摘要
一种计算机辅助经皮肾穿刺取石术中的穿刺导航系统，包括一C形臂及其配套图像采集装置，一定位系统及其配套跟踪器，一靶罩，一图像工作站，一配套图像导航处理软件。本发明利用空间目标跟踪技术和计算机图像处理技术，对穿刺针的位置和方向进行实时跟踪，帮助医生选择比较合适的穿刺针插入位置，并能做详细的手术计划。只需要拍摄一幅或两幅图像，即可完成穿刺针的入针位置的选择，能减少医生和病人的X光曝光次数，而且空间定位准确。
文档编号A61B19/00GK1806771SQ20061003346
公开日2006年7月26日 申请日期2006年1月26日 优先权日2006年1月26日
发明者汪超军, 吴剑, 鞠艳波, 叶大田 申请人:清华大学深圳研究生院