一种基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化方法
【专利摘要】本发明属医疗器械领域，涉及一种基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化的方法。本发明方法中采用的导航系统主要由平板电脑、导航仪及附属红外定位仪、参考架和适配器等组成；平板电脑与导航仪之间通过无线通信技术实现点对点的实时通信，将导航信息传输并显示在平板电脑上。本发明主要实现的导航模式为，在平板电脑上实时显示导航探针针尖所对应的横断面、矢状面和冠状面的图像信息；和实时显示平板电脑延伸面与病人头颅相交所获得的截面图像。本发明可显示标准的断面图像，还可通过平板电脑的方位显示任意截面图像，能辅助医生定位肿瘤及病变，为手术操作带来便利和帮助。
【专利说明】一种基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化方法
【技术领域】
[0001]本 发明属医疗器械领域，涉及一种基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化方法。
【背景技术】
[0002]现有技术公开了有关神经导航系统可以辅助医生计划手术入路、确定病灶位置和边界，以及避免对周围正常组织器官的损失。所述神经导航系统已成为在神经外科领域一种不可或缺的手术设备；其工作原理是术前以病人自身的CT、MRI等影像学数据为基础，建立图像引导空间，并将它与真实患者所在空间进行配准；术中使用空间定位仪实时跟踪手术器械的位置，并将其转换到图像空间中，生成虚拟手术器械叠加显示在患者的图像上，从而通过图像空间中虚拟手术器械相对于图像的位置，用于定位真实手术器械相对于显示患者解剖结构的位置辅助医生定位手术靶点和引导手术操作。
[0003]传统的手术导航系统是利用虚拟现实技术，将虚拟手术器械叠加到患者的图像空间，医生通过观察导航屏幕进行手术操作；该种虚拟现实技术使医生从感官效果上沉浸于由计算机创造的虚拟环境中，常缺乏“眼见为实”的感觉，同时，手术过程中，医生为了观察手术器械相对于患者的位置，不得不在患者手术部位和导航屏幕之间来回切换视野，由于导航屏幕与手术台存有一定的距离，该种导航模式不利于医生集中于手术部位进行操作，同时给手术定位带来了误差。
[0004]此外，传统手术导航系统的另一个不足之处在于，其只能显示导航探针针尖所对应的横断面、矢状面和冠状面的患者图像，不能获得患者体数据场的任意截面图像，当患者侧躺无法获得正体位时，会给医生的判断带来一定的影响。
[0005]临床实践中，需要一种不但可以解决视野来回切换问题，还可以减小定位误差、减少手术时间、降低手术风险，且不会给医生带来不便的新的神经导航系统。本发明拟提供一种采用移动无线通信技术，能将导航屏幕移植到位于医生身旁的平板电脑上，并利用空间定位仪跟踪平板电脑，获得平板电脑所在平面的截面图像，同时显示在其屏幕上的体数据可视化方法。
[0006]目前与本发明相关的基于移动显示的医疗导航设备有:德国BrainLab公司研制的DASH导航系统，该系统经过CE和FDA认证，已用于初步的临床试验；但上述设备价格昂贵且操作复杂。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化方法，尤其涉及基于平板电脑的头颅部位任意截面可视化的手术导航用的方法。
[0008]本发明中，所用的导航系统主要由平板电脑，导航仪及附属红外定位仪、参考架和适配器等组成；所述的手术导航系统主要由平板电脑和excelim-04或更高版本的导航仪组成，所述的平板电脑装有用于红外跟踪的参考架，屏幕分辨率不低于800X600，支持多点触控及手写输入，支持W1-Fi无线连接方式，不低于8小时的电力续航时间，所述的导航仪包括主机、显示器、红外定位仪及其他相关周边设备；平板电脑与导航仪之间通过无线通信技术实现点对点的实时通信，将导航信息传输并显示在平板电脑上。
[0009]本发明所述的方法主要实现两种导航模式:一种是在平板电脑上实时显示导航探针针尖所对应的横断面、矢状面和冠状面的图像信息；另一种是实时显示平板电脑延伸面与患者头颅相交所获得的截面图像。
[0010]本发明方法通过:图像扫描、手术计划、空间配准和术中导航(如图1所示)个步骤完成。
[0011]本发明方法中，采用的导航系统包括两种术中导航模式:
[0012](I)平板电脑显示传统的导航信息
[0013]在该模式下，平板电脑用于实时接收和显示传统导航信息，平板电脑显示的图像信息和远端的显示屏幕一样，并随着导航屏幕上信息的更新而实时刷新显示(如图2所示)；
[0014](2)平板电脑显不任意截面彳目息
[0015]由于手术时患者一般侧躺，不易获取病人的正体位图像，因此，在平板电脑上安装可用于红外跟踪的适配器，将其置于病人头颅附近，通过空间定位仪跟踪平板电脑所在平面的位置信息，利用该位置信息生成患者头颅截面图像，传输并显示在平板电脑上；当改变平板电脑的位置，则可获取所述患者头颅的任一截面图像，从而便于医生获取脑部肿瘤的位置及深度信息(如图3和图4所示)。
[0016]具体而言，本发明的基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化方法，其特征在于，根据平板电脑的位置信息，获取患者头颅的任意截面图像并显示在平板电脑屏幕上，辅助手术操作；其包括:
[0017](I)将平板电脑的屏幕按其边界进行延伸；
[0018](2)将延伸面的方位信息变换到图像空间；
[0019](3)根据该延伸面在图像空间的位置通过重采样获得相应的截面图像；
[0020](4)将截面图像传输并显示在平板电脑屏幕上。
[0021]更具体的，本发明的基于平板电脑的任意截面可视化的手术导航用的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0022](I)在平板电脑上安装可用于红外跟踪的适配器，利用光学定位仪跟踪适配器上三个反光球，根据所述的三个反光球的位置坐标建立一个三维适配器坐标系，并自动获得光学定位仪所在的世界坐标系和适配器坐标系之间的变换Taw(如图4所示)，具体表示为4X4的齐次矩阵M1 ；
[0023](2)利用导航探针和空间定位仪获得探针针尖在平板电脑屏幕上4个角点(图3中的点A，B, C，D)的坐标，即为四个角点在适配器坐标系中的坐标:A(Xl，y1； Zl),B(x2, y2,z2), C(x3, y3, z3), D(x4, y4, z4),然后计算出平板电脑的水平宽度I,以平板电脑右边界为轴(如图3长虚线所示)，将A，B，C，D 4个角点按平移I个单位，得到4个相应的角点A’，B’，C’，D’，并按以下公式计算出4个新的角点在适配器坐标系下的坐标:
[0024]A'=A+l X e,B'=B+l X e,C=C+l X e ,D5=D+/ X e,(I)
[0025]其中S为XS方向上的单位向量，计算公式如下:
【权利要求】
1.一种基于平板电脑的手术导航用的体数据可视化方法，其特征在于，根据平板电脑的位置信息，获取患者头颅的任意截面图像并显示在平板电脑屏幕上，其包括步骤: (1)将平板电脑的屏幕按其边界进行延伸； (2)将延伸面的方位信息变换到图像空间； (3)根据该延伸面在图像空间的位置通过重采样获得相应的截面图像； (4)将截面图像传输并显示在平板电脑屏幕上。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中: 在平板电脑上安装用于红外跟踪的适配器，利用光学定位仪跟踪适配器上三个反光球，建立一个三维适配器坐标系，并获得光学定位仪所在的世界坐标系和适配器坐标系之间的变换Taw，具体表示为4X4的齐次矩阵M1 ； 利用导航探针和空间定位仪获得探针针尖在平板电脑屏幕上4个角点A、B、C、D的坐标，即为四个角点在适配器坐标系中的坐标-Mxl, Y1, Z1)，B(x2, y2, z2), C(x3, y3, z3), D(x4,y4，z4)，然后计算平板电脑的水平宽度1，以平板电脑右边界为轴，将A，B, C，D 4个角点按SS平移I个单位，得屏幕延伸面及4个相应的角点A’，B’，C’，D’，按以下公式计算所述延伸面四个角点在适配器空间中的坐标:
3.按按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中: 在患者身旁固定一个参考架，利用光学定位仪跟踪参考架上四个反光球，根据上述四个反光球的位置坐标建立一个三维坐标系，定为患者坐标系，并利用空间定位仪，获得定位仪坐标系和患者坐标系之间的坐标变换Tpw，具体表示为4 X 4的齐次矩阵M2，适配器坐标系到患者坐标系之间的变换表示为MfM2 ； 图像扫描前，在患者头部确定用于扫描的标记点，扫描后对获得的患者数据建立三维图像坐标系，并采用空间配准方法，获得患者坐标系到图像坐标系的变换关系Tpi，具体表示为4X4的齐次矩阵M3，最终获得适配器坐标系到图像坐标系的变换M = MfM2^My
4.按按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中: 将获得的A’，B’，C’，D’ 4个新角点在适配器坐标系下的坐标按变换关系M变换到图像坐标系，并以该四个点为顶点建立一个矩形框，根据矩形框在图像空间的位置，在框内重采样得到一个二维图像，即为相应的截面图像。
5.按按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中: 通过无线通讯技术将获得的截面图像传输并显示在平板电脑的屏幕上。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的移动平板电脑其延伸面的位置信息随之变化，平板电脑屏幕上显示的截面图像随着平板电脑方位的改变实时更新。
【文档编号】A61B19/00GK103908345SQ201210595043
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】宋志坚, 邓薇薇, 李舫, 王满宁, 姚德民 申请人:复旦大学