手术导引系统及其器械导引方法与流程

本发明有关一种手术导引系统及其器械导引方法，特别涉及一种可提供光学导引以增加手术操作便利性的手术导引系统及其器械导引方法。

背景技术：

在现今许多微创外科手术中，医生往往只能依据术前影像或实时影像的数据来进行手术，而此类辅助医生进行手术的系统，可称为手术导引系统。目前常见的手术导引系统例如有超声波成像(ultrasound imaging)或红外线成像(Infrared imaging)搭配术前影像(如磁共振成像影像、计算机断层影像、X射线影像)的应用等。

然而，目前现有的手术导引系统在使用上，不论是术前影像或实时影像(例如：超声波能提供实时影像)，医生都必须同时专注于观看手术导引系统所提供的影像画面以及患者实体的手术空间位置，容易造成医生手术上的不便，更甚者会增加手术操作上的误差。

是以，如何提供一种可改善上述问题的手术导引系统及其器械导引方法，为目前亟待解决的课题之一。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的一目的在于提供一种手术导引系统及其器械导引方法，可增加手术操作便利性。

本发明的手术导引系统，包括：导航单元，用以取得一器械的预定器械路径的三维空间信息；处理单元，接收该三维空间信息，以利用一投影模型演算法将该三维空间信息转换为二维空间信息；以及至少二影像式投影单元，用以分别接收该二维空间信息，以于一实体空间中分别投射至少二图样，其中，该二图样相交形成一交集区。

本发明的另一目的在于提供一种手术导引系统的器械导引方法，包括：令导航单元取得一器械的预定器械路径的三维空间信息；将该三维空间信息传送至处理单元，以令该处理单元利用一投影模型演算法将该三维空间信息转换为二维空间信息；以及令至少二影像式投影单元分别接收该二维空间信息，以于一实体空间中分别投射至少二图样，其中，该二图样相交形成一交集区。

通过本发明的手术导引系统及其器械导引方法，通过至少二影像式投影单元将一器械的预定器械路径的三维空间信息所转换的二维空间信息，而可分别于一实体空间中投射至少二图样，该二图样的交集区即为手术器械的导引路径，医生不需同时专注于观看手术导引系统所提供的影像画面以及患者实体的手术空间位置，只需依据该手术器械的导引路径即可便于施展手术，可增加手术操作便利性。

附图说明

图1为本发明的手术导引系统的第一实施例的组成示意图；

图2为本发明的手术导引系统的第二实施例的组成示意图；

图3为本发明的手术导引系统的第三实施例的组成示意图；

图4为本发明的手术导引系统的运用示意图；

图5A为本发明的手术导引系统的第四实施例的运用示意图；

图5B为本发明的手术导引系统的第五实施例的运用示意图；

图6为本发明的手术导引系统的第六实施例的运用示意图；以及

图7为本发明的手术导引系统的器械导引方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例加以说明本发明的实施方式，而熟悉此技术的人士可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点和技术效果，亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用。

请参阅图1，本发明的第一实施例的手术导引系统1包括有导航单元10、处理单元16及至少二影像式投影单元，本发明并不限制影像式投影单元的数量。以下以第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12为例进行说明。其中，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12可分别将小的矩阵影像投影至空间中，其可为数字光处理投影(Digital Light Processing，DLP)装置、激光光束扫描投影(Laser Beam Scanning，LBS)装置或硅基液晶投影(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)装置等微型投影单元(pico projector)，但本发明并不以此为限。

更详细地说，本发明的影像式投影单元为接收视频、影像数据的影像式投影装置，并根据所接收的视频、影像数据而将图样呈现并投射至实体空间中。因此，于一实施例中，影像式投影装置可具有高画质多媒体接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)、影像图形阵列(Video Graphics Array，VGA)、DisplayPort等视频传输接口。

本发明的一优选实施例为使用激光光束扫描投影装置，其优点为不受焦距限制(focus free)，能在实体空间形成较为清晰的交集图像，且其单点像素扫描技术(raster-scanned single-pixel beam)提供较高亮度的影像，使得人眼因视觉暂留而感受亮度较明亮。

于本实施例中，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12装设于导航单元10上，因此，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12与导航单元10之间的坐标是的转换关系已固定且可于设计时得知。

该导航单元10用以取得一器械的预定器械路径的三维空间信息。于本实施例中，该器械的预定器械路径的三维空间信息可利用光学追踪器(例如：红外线追踪器)来取得，也就是，导航单元10可设有红外线追踪器，当该器械上装有反光球标记时，能使导航单元10通过该红外线追踪器实时地检测该器械的所在位置。于其他实施例中，该器械的预定器械路径的三维空间信息可利用其他追踪器(例如：电磁式追踪器、机械式追踪器)、超声波、计算机断层、磁共振成像或光学同调断层扫描术(Optical Coherence Tomography，OCT)的方式来实时地取得。

更详细地说，该器械的预定器械路径的三维空间信息可在术前事先取得或术中实时取得。也就是，导航单元10可分为术前影像(pre-operative imaging)系统、术中影像(intra-operative imaging)系统及术中实时影像(intra-operative real-time imaging)系统。在术前影像系统中，以红外线追踪器搭配术前影像(计算机断层影像或磁共振成像影像)为例子，则必须利用红外线追踪器将患者现在实际位置与计算机断层或磁共振成像所取得的影像位置进行对位，以进行注册程序。在术中影像系统中，例如利用计算机断层或磁共振成像所取得的影像，则不需经由注册程序，因病人是在计算机断层设备或磁共振成像设备中进行拍摄影像与手术，病人拍摄影像后仍固定不动，使得病人实际位置与影像位置已定位，故无须注册。在术中实时影像系统中，例如利用超声波所取得的影像，并不需经由注册程序。由于本领域技术人员已了解注册程序的各种实施方式，故在此不再赘述。

上述以计算机断层或磁共振成像的方式所取得的影像，可仅提供作为术前影像，此时必须搭配追踪器，以进行注册；亦可提供作为术中影像，此时无须注册。

在本实施例中，手术导引系统1由导航单元10(如利用红外线追踪器)搭配术前影像(通过显示单元15呈现)以提供手术导引方法。术前影像可由病人于手术前通过计算机断层扫瞄、磁共振成像扫瞄或其他医学影像设备扫描而得到的影像。至于器械的预定器械路径的三维空间信息的取得，则有两种不同的实施情境。于一实施情境中，手术导引系统1提供软件界面以让医师能于手术前进行规划，例如：通过术前影像的各个影像切面决定入刀点位置及角度。在手术时，则需利用红外线追踪器(即导航单元10)先将病人目前实际位置与术前影像位置进行注册，并且取得术前规划的入刀点位置及角度(即通过软件界面得到预定器械路径的三维空间信息)，接着处理单元16利用投影模型演算法将三维空间信息转为二维空间信息，使第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12能根据收到的二维空间信息于实体空间投射图样，以指示手术入刀处及角度。

于另一实施情境中，手术入刀点位置及角度是在术中决定并取得。例如使用追踪器的情况，于注册程序完成后，医生可手持装设有如追踪球的手术器械，使得导航单元10可通过该追踪球追踪并定位该手术器械，并于显示单元15呈现术前影像以及目前手术器械的实时位置(即，目前手术器械的实时位置叠合于术前影像)，而医生则可边观看术前影像与目前手术器械的实时位置来模拟该手术器械要在患者身上进行手术的角度与位置。经医生确认角度与位置后，可在导航单元10上输入指令(例如按下手术器械上的确认按钮、操作导航单元10的输入装置等)，而此一角度与位置即是手术器械的预定器械路径，该导航单元10可将该预定器械路径转换成三维空间信息。

处理单元16用以接收三维空间信息，以利用一投影模型演算法将该三维空间信息转换为二维空间信息。此二维空间信息即为视频、影像数据，影像式投影单元可通过视频传输接口接收此二维空间信息。于一实施例中，该投影模型演算法为透视投影模型(perspective projection model)，其公式为：P＝K[R|t]，其中，M为器械路径于导航单元10坐标系统下的三维空间信息，m为器械路径于投影坐标系统下的二维空间信息，s为缩放参数，P为投影矩阵，其包括，K为投影校准矩阵，R为旋转矩阵，t为平移向量。因此，可通过该演算法经由M来求出m，即将三维空间信息回推至影像式投影单元的二维空间信息。又于一实施例中，缩放参数通常可设为1，但本发明并不以此为限，且本发明亦不限制投影模型的演算法。

在本实施例中，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12与导航单元10之间的坐标是的转换关系已固定且可事前得知，是指R与t是固定且已知。

在处理单元16转换出二维空间信息后，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12可分别接收该二维空间信息，以在一实体空间中投射分别投射至少二图样，例如第一影像式投影单元11投射第一图样111及第二影像式投影单元12投射第二图样121，该第一图样111与该第二图样121相交形成一交集区14，而此交集区14即为手术器械要在患者身上进行手术的角度与位置的指引。此部分于后将有详细说明。

如图4所示，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12分别投射第一图样111及第二图样121，而第一图样111及第二图样121在患者19上方欲进行手术的空间将相交形成一交集区14，其中，该交集区14为直线或曲线。以交集区14为直线为例，医生可将器械17的第一端171抵接交集区14投射在患者19身上的点，接着可以第一端171为支点旋转器械17的第二端172，以使得器械17的第二端172与交集区14重叠，一旦重叠完成，即为器械17可进行手术的角度与位置。

于另一实施例中，本发明的手术导引系统1还包括介质散布单元，介质散布单元可被设置为一独立装置，且其具有无线信号接收接口，可自手术导引系统1接收指令，用以根据该指令而散布一介质于该实体空间中，以显示该交集区14，辅助医生辨识手术导引系统1所产生的交集区14，其中，该介质为具散射特性的物质(例如高浓度的二氧化硅、二氧化钛、干冰或其他具高散射系数特性且具灭菌考量的物质)，该介质散布单元可例如为喷雾装置(sprayer)或其他具喷雾性质的装置，但本发明并不以此为限。

又，本发明的手术导引系统1可包括连接该导航单元10的显示单元15及处理单元16，该显示单元15可用以显示经处理单元16处理过后的患者的术前影像或术中实时影像。

请参阅图2，本发明的第二实施例的手术导引系统1亦包括有导航单元10、第一影像式投影单元11、第二影像式投影单元12以及处理单元16。以下仅叙述与第一实施例不同之处，相同的技术内容于此不再赘述。

第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12并非设于导航单元10，而是设于另一支撑件上。因此，第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12之间的坐标系统的关为固定，且第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12与该导航单元10之间的坐标系统的关为不固定，也就是，影像式投影单元与导航单元10之间的坐标是的转换关系非固定且未知，必须定位影像式投影单元的位置后才能进行坐标转换(例如通过追踪球20定位)。换言之，R与t是非固定，必须实时检测影像式投影单元的位置来决定。而此实施例中，医生可随意移动支撑件，来调整第一影像式投影单元11及第二影像式投影单元12的进行投影的位置。

须说明者，可使用光学追踪器、电磁追踪器或机械式追踪器(如陀螺仪与加速规)来定位各个影像式投影单元，以建立各个影像式投影单元与导航单元10之间的坐标是转换。举例而言，在本实施例中，可在影像式投影单元上设置追踪球20，以让红外线追踪器(即导航单元10)能追踪影像式投影单元，进而能建立导航单元10与影像式投影单元间的坐标转换关系。上述红外线追踪器与追踪球仅为本发明的一实施例，本发明并不限制定位及被定位装置的种类与设置方式。

请参阅图3，本发明的第三实施例的手术导引系统1亦包括有导航单元10、第一影像式投影单元11、第二影像式投影单元12、至少一个第三影像式投影单元13以及处理单元16。以下仅叙述与第一实施例不同之处，相同的技术内容于此不再赘述。

第一影像式投影单元11、第二影像式投影单元12及第三影像式投影单元13并非设于导航单元10，第一、第二及第三影像式投影单元11、12、13为单独的结构，而可方便医生将第一、第二及第三影像式投影单元11、12、13依据现场手术环境任意摆放。在使用上，必须先计算第一、第二及第三影像式投影单元11、12、13与导航单元10的位置的相对关系后，才能令第一、第二及第三影像式投影单元11、12、13进行投影。也就是，该第一影像式投影单元11、该第二影像式投影单元12、该第三影像式投影单元13及该导航单元10各自的坐标系统之间的关系并不固定，必须定位影像式投影单元的位置后才能进行坐标转换(例如通过追踪球20定位)。换言之，R与t是非固定，必须实时检测影像式投影单元的位置来决定。在本实施例中，本发明并不限制影像式投影单元的数量。由于定位各影像式投影单元的方法已于前述实施例提及，故在此不再赘述。

上述内容为说明导航单元10设有红外线追踪器的实施方式，以下将分别进一步说明导航单元10采用超声波、计算机断层、磁共振成像或光学同调断层扫描术的方式的实施例。

请同时参阅图5A、图5B，本发明第四实施例以及第五实施例的手术导引系统1亦包括有导航单元10、第一影像式投影单元11、第二影像式投影单元12以及处理单元(未图示)。本实施例的第一、二影像式投影单元11、12的技术内容已如前详述，于此不再赘述。以下仅说明本实施例的导航单元10与前述实施例的不同之处。

如图5A所示，导航单元10即为超声波探头，其上设有第一、二影像式投影单元11、12，为简化示意，于图5A中并未示出的处理单元、显示单元等相关元件。然，本领域技术人员可根据上述说明了解处理单元如何于本实施例中实施。在本实施例中，是利用超声波的方式来实时取得影像，以使医师在术中扫描到病人体内的一切面30时，实时决定入刀点位置及角度，例如，通过手术导引系统1所提供的软件界面来让医师进行规划，以令第一、二影像投影单元11、12根据所决定的入刀点位置及角度来投射至少二相交形成一交集区14的图样。

如图5B所示，则为另一种实施方式，可在导航单元10(即超声波探头)上装设追踪球20，于第一、二影像式投影单元11、12上装设红外线追踪器，以建立导航单元10与投影单元间的坐标转换关系。此时第一、二影像式投影单元11、12可为单独的结构(如图3所示)，亦可为设于另一支撑件上的实施方式(如图2以及图5B所示)，本发明并不以此为限。同样地，于本图中并未示出的处理单元、显示单元等相关元件。然，本领域技术人员可根据上述说明了解处理单元以及显示单元如何于本实施例中实施。

请同时参阅图6，本发明第六实施例的手术导引系统1亦包括有导航单元10、第一影像式投影单元11、第二影像式投影单元12以及处理单元(未图示)。本实施例的第一、二影像式投影单元11、12的技术内容已如前详述，于此不再赘述。以下仅说明本实施例的导航单元10与前述实施例的不同之处。

如图6所示，导航单元10可为计算机断层(computed tomography；CT)扫描设备，第一、二影像式投影单元11、12则设于计算机断层扫描设备上，病人在计算机断层扫描设备上拍摄完CT影像后，医师可直接在显示影像的屏幕上规划手术入刀路径(即如前面所述利用软件进行规划)，由于病人拍完CT影像后并未移动，故无须注册，而可使第一、二影像式投影单元11、12根据所规划的手术入刀路径投射至少二相交形成一交集区14的图样。

同样地，在导航单元10为超声波或计算机断层的例子中，导航单元10与影像式投影单元之间坐标转换关系可为固定或非固定，为方便说明起见，前述仅部分例示(例如：第六实施例仅示意计算机断层设备与影像式投影单元之间坐标转换关为固定的实施方式)。由于本领域技术人员可依据第一实施例至第三实施例的说明而了解各实施情形，故于此不再赘述。应了解者，在导航单元10为超声波或计算机断层的例子中，若导航单元10与影像式投影单元之间坐标转换关为非固定时，可额外加装定位装置(例如：光学追踪器、电磁追踪器等)于超声波/计算机断层设备上，以及装上定位感应装置(例如：追踪球)于影像式投影单元，用以定位影像式投影单元。

请参阅图7，本发明的手术导引系统的器械导引方法的实施例，该方法包含步骤S11～S14。于步骤S11中，先取得一器械的预定器械路径的三维空间信息，其中，该器械的预定器械路径的三维空间信息以一导航单元通过追踪器、超声波、计算机断层或磁共振成像或光学同调断层扫描术的方式所得者，接着进至步骤S12。

于步骤S12中，将该三维空间信息传送至处理单元，于步骤S13中，令处理单元利用一投影模型演算法将该三维空间信息转换为二维空间信息。

于一实施例中，该演算法为透视投影模型，其公式为：P＝K[R|t]，其中，M为器械路径于导航单元的坐标系统下的三维空间信息，m为器械路径于投影坐标系统下的二维空间信息，s为缩放参数，P为投影矩阵，其包括，K为投影校准矩阵，R为旋转矩阵，t为平移向量。接着进至步骤S14。

于步骤S14中，令至少二影像式投影单元接收二维空间信息，以于一实体空间中分别投射至少二图样，其中，该二图样相交形成一交集区，其中，该交集区为直线或曲线。

在本实施例中，各影像式投影单元与导航单元之间的坐标系统的关系不固定，或各影像式投影单元之间的坐标系统的关为固定，但各影像式投影单元与导航单元之间的坐标系统的关系不固定。又，各影像式投影单元与导航系统之间的坐标系统的关为固定。

于本发明的另一实施例中，可通过一介质散布单元散布一介质于该实体空间中以显示该交集区，其中，该介质可为具散射特性的物质(例如二氧化钛、二氧化硅、干冰或其他具高散射系数特性且具灭菌考量的物质)。

通过本发明的手术导引系统及其器械导引方法，通过处理单元将一器械的预定器械路径的三维空间信息转换为二维空间信息，而可令至少二影像式投影单元分别于一实体空间中投射至少二图样，该二图样的交集区即为手术器械的导引路径，医生不需同时专注于观看手术导引系统所提供的影像画面以及患者实体的手术空间位置，只需依据该手术器械的导引路径即可便于施展手术，可增加手术操作便利性。此外，本发明的手术导引系统因采用微型投影元件，故所使用的构件皆可微型化，且本发明的影像式投影单元可形成投射影像平面，解决现有技术中仅能投射出点及线的问题，换言之，本发明的影像式投影单元如采用数字光处理投影(DLP)装置或硅基液晶投影(LCoS)装置，可形成有实体的投影平面，如采用激光光束扫描投影(LBS)装置，可通过光栅扫描(raster scanning)的MEMS快速扫描技术，在人视觉暂留时间内形成2D影像平面。又本发明的手术导引系统及其器械导引方法可避免额外设计手术工具，减少设计时受限灭菌考量的影响。

上述实施例仅为例示性说明本发明的技术原理、特点及其技术效果，并非用以限制本发明的可实施实施方式，任何熟习此技术的人士均可在不违背本发明的构思与实施方式下，对上述实施例进行修饰与改变。然任何运用本发明所教示内容而完成的等效修饰及改变，均仍应为权利要求所涵盖。而本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。