一种穿刺针定位系统及方法与流程
本发明涉及手术定位技术领域，特别是涉及一种穿刺针定位系统及方法。
背景技术：
随着医疗科技的高度发展，介入技术已经成为继药物治疗和外科手术之后的第三种有效临床治疗手段。介入路径是成功实施治疗的关键。理想的介入路径应该距离病变近，便于操控器械，同时创伤小。为了便于控制出血，经股静脉和股动脉是结构性心脏病的主要介入路径。但这种介入路径远离心脏，而且行程曲折，因此不利于心内介入的精确操作，同时也限制了介入治疗的适应症。近十年来，经心表路径心内介入技术已广泛应用于临床。由于介入距离心脏更近和超声引导下精准的可视化操作，此项技术不仅拓宽了手术的适应症，而且在某些疾病例如室间隔缺损治疗上取得了比传统介入方法更好的效果。因此，经心表路径应该是结构性心脏病最理想的介入通道。经心表路径实施介入治疗的方法有切开胸壁和经胸壁穿刺两种。无疑，经胸壁穿刺更具优势，不仅创伤更小，而且没有手术切口疤痕。但此项技术关键之处在于选择精准的穿刺位点和路径，确保一次性成功。若反复多次穿刺心脏，会导致因穿刺点出血而产生的心包填塞等严重并发症。为此，术前需要采用经胸超声规划穿刺路径。但在临床实际操作过程中，术者只能凭借个人经验在脑海里重构穿刺针的空间位置，在穿刺点及角度上，存在很大的错选率。因此，此项技术难以在临床上推广应用。如果想要实现经胸壁穿刺介入治疗，一种高度精确的导航系统成为了迫切的需求。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种穿刺针定位系统及方法，用于提供精准的穿刺位点和路径，确保一次性穿刺成功。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种穿刺针定位系统，所述系统包括：
超声单元，包括用于提供病灶处的超声切面的第一探头，所述第一探头上设有用于提供第一探头的坐标信息的多个第一定位装置；
穿刺针单元，包括穿刺针，所述穿刺针上设有用于提供穿刺针的坐标信息的多个第二定位装置；
处理及显示单元，分别与超声单元、各所述第一定位装置及各所述第二定位装置通信连接，用于：获取病灶处的超声切面并在虚拟的坐标系统中显示；获取第一探头在获取病灶处的超声切面时的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示；在虚拟坐标系统中确定规划路径；获取各第二定位装置提供的穿刺针的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示虚拟穿刺针中轴线和虚拟穿刺针顶点；在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针中轴线与规划路径是否重合；
本发明另一方面提供一种穿刺针定位方法，包括如下步骤：
s100获取病灶处的超声切面并在虚拟的坐标系统中显示；获取第一探头在获取病灶处的超声切面时的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示；
s200在虚拟的坐标系统中确定规划路径；
s300获取穿刺针上的第二定位装置在虚拟坐标系统中的坐标信息并显示虚拟穿刺针中轴线和虚拟穿刺针顶点；
s400在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针中轴线和所规划路径是否重合。
本发明另一方面提供一种设备，所述设备包括：存储器及处理器；所述存储器，其上存储有计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，该程序被执行时实现本发明所述的穿刺针定位方法。
本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明所述的穿刺针定位方法。
本发明达到了以下有益效果：
本发明提供的穿刺针定位系统可大大提高了经胸壁穿刺的精准度，不仅能有效避免反复穿刺带来的并发症，也大大缩短了手术时穿刺的时间。引入第一定位装置和第二定位装置，将以往单一的超声定位导航予以了极大的丰富，并将所有位置信息予以数字化解析，所有磁场中的位置信息通过第一定位装置和第二定位装置均可转化为三维坐标系。穿刺定位系统依据每个人不同的病情提供了精确的穿刺路径规划，真正实现了对病人的个体化精准医疗，将使手术相关并发症大幅度减少，使经胸穿刺介入治疗变成常规治疗手段成为可能。
附图说明
图1为本发明的穿刺针定位系统应用场景；
图2为本发明第一探头的结构示意图。
图3为本发明超声探头卡扣结构示意图。
图4为本发明穿刺针及穿刺针卡扣件结构示意图。
图5为本发明穿刺针定位方法的流程示意图。
图6为本发明第一探头中轴线投射至超声切面上的坐标转换方法的流程示意图。
图7为本发明穿刺针定位系统可视化界面示意图。
图8为本发明虚拟穿刺针和规划路径重合判定流程示意图。
图中元件标号
1超声单元
11第一探头
12第二探头
2穿刺针单元
3处理及显示单元
4第一定位装置
5第二定位装置
6探头卡扣件
7穿刺针卡扣件
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明实施例提供一种穿刺针定位系统。如图1所示场景中，所述系统包括：超声单元1、穿刺针单元2、处理及显示单元3。所述超声单元1包括用于提供病灶处超声切面的第一探头11，所述第一探头11上如图2所示，设有用于提供第一探头11的坐标信息的多个第一定位装置4；所述穿刺针单元2包括穿刺针，所述穿刺针上如图4所示，设有用于提供穿刺针的坐标信息的多个第二定位装置5；所述处理及显示单元3分别与超声单元1、各所述第一定位装置4及各所述第二定位装置5通信连接，用于：获取病灶处的超声切面并在虚拟的坐标系统中显示；获取第一探头11在获取病灶处的超声切面时的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示，进一步在虚拟坐标系统中确定规划路径l1；获取穿刺针上的第二定位装置5在虚拟坐标系统中的坐标信息并显示虚拟穿刺针中轴线l2和虚拟穿刺针顶点c2；在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1是否重合。当所述虚拟穿刺针和中轴线l2与规划路径l1重合时采用穿刺针进行穿刺。
在所述超声单元1中，超声单元1可以是带多个探头的超声机。如图2所示，超声单元1包括用于提供病灶处的超声切面的第一探头11，所述第一探头11为经胸心脏超声探头。所述第一探头可采用现有常规的超声探头，例如飞利浦的epiq7c。使用时，将第一探头11在人体的肋间隙扫查病灶处，例如室间隔缺损，进而获得病灶处的超声切面，通常情况下，当病灶处出现在超声切面上时则为病灶处的超声切面。
所述第一探头11上设有用于提供第一探头11坐标信息的多个第一定位装置4。所述第一探头11的坐标信息包括第一探头11上位若干位置点的坐标信息。所述位置点应选择便于确定第一探头11中轴线的位置点。在一具体实施例中，如图2所示，所述第一探头11上设有3个第一定位装置4，3个所述第一定位装置4位于同一水平面且与所述第一探头11的中轴面重合，其中两个第一定位装置4位于第一探头11的同一横截面上，所述横截面是垂直中轴面的截面，且3个所述第一定位装置4呈直角三角形分布。该设置是为了通过各第一定位装置4进一步确定第一探头11的中轴线。所述第一定位装置4选自传感器。通常情况下，传感器与磁源和磁定位仪配套使用，传感器与磁定位仪通信连接，磁源与磁定位仪通信连接。使用时，磁源设于手术台附近。在一具体实施例中，可以采用加拿大ndi公司的3dguidancetrakstar仪器，所述3dguidancetrakstar仪器包括本申请使用的传感器、磁源和磁定位仪。进一步地，为了第一探头11和第一定位装置4的安装稳定性，在所述第一探头11上设有与第一探头11相配合的探头卡扣件6，所述探头卡扣件6如图3所示，其上设有用于安装第一定位装置4的3个第一插孔，3个第一插孔位置与传感器q1、q2和q3匹配。由3个传感器q1、q2和q3，可以获取并记录下此时传感器q1、q2和q3的坐标信息，作为第一探头11的坐标信息。由于三个传感器是设在第一探头11的多个位置点上，即可以知道第一探头11的坐标信息。
所述超声单元1还包括用于监测整个穿刺过程的第二探头12。第二探头12与处理及显示单元3通信连接，可将第二探头扫描到的图像信息在处理及显示单元3中显示。所述第二探头12为经食道超声，所述第二探头12可采用现有常规的超声探头，例如，所述超声探头可以是飞利浦的x7-2t。第二探头12可以为穿刺过程提供实时监测和评估，进一步确保了心内介入操作的安全性。
在所述穿刺针单元2中包括穿刺针，所述穿刺针上设有用于提供穿刺针的坐标信息的多个第二定位装置5。所述穿刺针的坐标信息包括穿刺针上若干个位置点的坐标信息。所述位置点应选择便于确定穿刺针中轴线的位置点。在一具体实施例中，所述穿刺针上设有2个第二定位装置5，所述第二定位装置5分别设于穿刺针的中轴线上，2个第二定位装置5设于穿刺针中轴线的不同位置，该设置是为了通过第二定位装置5进一步确定穿刺针的中轴线。所述第二定位装置5选自传感器。通常情况下，传感器与磁源和磁定位仪配套使用，磁源和传感器分别与磁定位仪通信连接，使用时，磁源设于手术台附近。在一具体实施例中，可以采用加拿大ndi公司的3dguidancetrakstar仪器，所述3dguidancetrakstar仪器包括本申请使用的传感器、磁源和磁定位仪。进一步地，为了穿刺针和第二定位装置5的安装稳定性，所述穿刺针上设有与穿刺针配合的穿刺针卡扣件7，所述穿刺针卡扣件7如图4所示，其上设有用于安装第二定位装置5的2个第二插孔，2个第二插孔位置与传感器b1和b2匹配。上述可知，由2个传感器b1和b2，可以获取并记录下此时b1和b2的坐标信息，作为穿刺针的坐标信息。由于2个传感器b1和b2是设在穿刺针的多个位置点上，即可以知道穿刺针的坐标信息。
所述处理及显示单元3包括处理器及显示器，所述处理器可以是服务器，还可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。所述处理器与显示器通信连接。所述处理器分别与超声单元1、各所述第一定位装置4及各所述第二定位装置5通信连接。所述处理器与显示器通信连接，用于显示。更具体的，所述处理器与第一探头和第二探头通信连接。
进一步的，处理及显示单元3包括下列模块：
第一数据获取模块：用于获取病灶处的超声切面并在虚拟的坐标系统中显示；获取第一探头11在获取病灶处的超声切面时的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示；
规划路径确定模块：用于在虚拟的坐标系统中确定规划路径l1；
第二数据获取模块：用于获取穿刺针上的第二定位装置5在虚拟坐标系统中的坐标信息并显示虚拟穿刺针中轴线l2和虚拟穿刺针顶点c2；
比较模块：用于在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1是否重合。
具体的，第一数据获取模块中，病灶处的超声切面通过第一探头11扫查病灶处获得，一般认为，当病灶处出现在超声切面上时则为病灶处的超声切面。
病灶处的超声切面在虚拟坐标系统中的显示位置并无特殊要求。虚拟的坐标系统的原点并无特殊要求，为了便于数据处理，在一较佳的实施方式中，以病灶处超声切面的扇形切面顶点c1作为虚拟坐标系统的原点。
第一探头11可通过第一定位装置4提供其坐标信息。各第一定位装置4的坐标信息即为匹配虚拟坐标系统的坐标信息。可以用各第一定位装置4在虚拟的坐标系统的位置表示第一探头11。为了更方便获得规划路径，需要确定第一探头11中轴线的位置。在一优选的实施方式中，将第一探头11的第一定位装置4均设于第一探头11中轴面上以便于确定第一探头11中轴线的位置。在如图2所示的第一探头11中，可以将3个传感器q1、q2和q3在虚拟的坐标系统的位置表示第一探头11，q1、q2和q3所在的中轴面中，q1和q2的垂直平分线即为第一探头11的中轴线。
为了便于后续步骤确定规划路径，在优选的实施方式中，可将预进行穿刺取样的病灶点置于病灶处超声切面的中轴线上。
规划路径确定模块中，可根据虚拟的坐标系统中，第一探头11的空间坐标信息，经平面矩阵转换，得出第一探头11中轴线在病灶处的超声切面上的位置，从而确定规划路径l1。
病灶处超声切面为扇形切面。一般情况下，可将过病灶处超声切面的扇形切面顶点及一病灶穿刺取样点的直线作为实际规划路径。当预进行穿刺取样的病灶点置于病灶处超声切面的中轴线上时，病灶处超声切面的中轴线即可作为实际规划路径。在真实情况下，第一探头11的中轴线应位于病灶处的超声切面上，第一探头11的顶点与病灶处的超声切面顶点重合，第一探头11中轴线与病灶处超声切面的中轴线重合。因此，确定了第一探头11中轴线的位置即可确定规划路径。
但在虚拟坐标系统中，病灶处的超声切面与第一探头11中轴线的相对位置与两者的实际相对位置并不匹配，因此需要进行转换，将第一探头11的中轴线投影至病灶处的超声切面上。
具体的，可采用下列转换公式ι进行平面矩阵转换，获得第一探头11的中轴线投影至病灶处的超声切面上的转换坐标信息。
(x′，y′，z′，1)＝t(x，y，z，1)t(转换公式ι)，其中(x′，y′，z′)t转换后的坐标信息，(x，y，z)t为转换前的坐标信息。
其中，t＝t4t3t2t1，t为虚拟第一探头中轴面到其在虚拟超声切面的投影平面的变换矩阵。
q′1＝t3t2t1q1；
其中，p1、p2、p3为病灶处的虚拟超声切面f1上的三个不共线取样点，q1、q2、q3为虚拟第一探头中轴面f2上的三个不共线的点，
将上述第一探头11中轴线投射至超声切面上的平面矩阵转换装置包括：
取样模块，用于获取虚拟坐标系统oxyz中虚拟超声切面f1上三个不共线取样点坐标
第一平移模块，用于获得平面f2'与虚拟第一探头中轴面f2之间的变换矩阵t1，具体地，平面f2'为平移所述虚拟第一探头中轴面f2直至所述虚拟第一探头中轴面f2上任一取样点与坐标系原点重合获得；
旋转模块，用于获得平面f2”与平面f2'之间的变换矩阵t2，具体地，平面f2”为将所述平面f2'绕坐标原点旋转至其单位法向量与所述虚拟超声切面f1的单位法向量
第二平移模块，用于获得平面f2”'与所述平面f2”之间的变换矩阵t3，其中平面f2”'为平移所述平面f2”直至第一平移模块中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得。
第三平移模块，用于获得平面f2””与所述平面f2”'之间的变换矩阵t4，其中平面f2””为获取所述平面f2”'与所述虚拟超声切面f1之间的距离，将所述平面f2”'沿其单位法向量(此处所述单位法向量等于f1的单位法向量
具体的：
在取样模块中，虚拟超声切面f1是通过第一探头11扫查病灶处获得的病灶处超声切面在虚拟的坐标系统中显示的虚拟切面。虚拟第一探头中轴面f2是第一探头11扫查病灶获得病灶处超声切面时，在虚拟坐标系统中显示的虚拟第一探头中轴面。虚拟第一探头中轴面可依据第一探头11上的传感器获得。
在一优选的实施方式中，虚拟坐标系统还显示病灶处超声切面的扇形切面顶点c1，以便于辅助确定穿刺点。具体的，虚拟超声切面f1为扇形切面，此时真实情况下的第一探头11顶点与胸壁接触的位置在虚拟坐标系统中显示即为病灶处超声切面的扇形切面顶点c1。
在一种实施方式中，可根据第一定位装置4在第一探头11上所设的位置，确定第一探头11的中轴面及中轴线。在一较佳实施方式中，为了便于确定第一探头11的中轴线，第一定位装置4均位于第一探头11的中轴面上。
第一定位装置4可以是传感器，在第一探头11的中轴面上设有如图2所示的三个不共线的传感器q1、q2和q3，用于确定第一探头11的中轴面及中轴线。
为了便于获得中轴线的坐标位置，q1q2q3呈直角三角形，且超声探头的中轴线为线段q1q2的中垂线。
在一优选的实施例中，虚拟三维坐标系oxyz以虚拟超声切面f1的扇形切面顶点c1作为坐标系的原点。
在另一优选的实施例中，第一平移模块中，将虚拟第一探头中轴面f2平移至点q1与原点重合。
以虚拟三维坐标系oxyz以虚拟超声切面f1的扇形切面顶点c1作为坐标系的原点，第一平移模块中，将虚拟第一探头中轴面f2平移至点q1与坐标系原点重合，
其中：
旋转模块：用于将平面f2'的单位法向量绕坐标系原点旋转至其单位法向量与虚拟超声切面f1的单位法向量
其中，
上述公式解释为：
通过旋转模块可将平面f2'旋转变换后得到平面f2”。
第二平移模块中，用于平移平面f2”直至第一平移模块中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得平面f2”'。以取样点为q1为例，对应变换矩阵t3为：
其中变换矩阵t3:
第三平移模块中，用于获取平面f2”'与虚拟超声切面f1之间的距离，设平面f2”'需要平移的向量为
平面f2”'平移向量
综上，得到总变换矩阵为：t＝t4t3t2t1，得到如下结论：对于虚拟第一探头中轴面f2上任一点(x，y，z)t其对应齐次坐标满足：
(x′，y′，z′，1)＝t(x，y，z，1)t，其中(x′，y′，z′)t转换后的坐标信息，(x，y，z)t为转换前的坐标信息。因此可以知道虚拟第一探头中轴面f2与虚拟超声切面f1变换重合后的对应点。
根据上述公式，可知虚拟第一探头中轴面f2上q1、q2、q3与虚拟超声切面f1变换重合后的对应点，进一步可将虚拟第一探头中轴面f2中q1和q2的底边垂线，虚拟第一探头中轴面f2上与q1和q2的底边中垂线重合的路径即为虚拟超声切面f1中的规划路径l1。
所述第二数据获取模块中，根据虚拟的坐标系统中，第二定位装置5的坐标信息，经平面矩阵转换，获得穿刺针中轴线及穿刺针顶点投射至病灶处的超声切面上的虚拟穿刺针中轴线l2及虚拟穿刺针顶点c2的转换坐标信息，并根据转换坐标信息，在虚拟坐标系统中显示虚拟穿刺针中轴线及其顶点。
具体的，所述虚拟的坐标系统中，以病灶处超声切面的扇形切面顶点c1作为原点时，采用穿刺针定位系统中的转换公式i进行平面矩阵转换，获得对应的虚拟穿刺针中轴线l2及虚拟穿刺针顶点c2的转换坐标信息。
比较模块中，用于在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针顶点与超声切面顶点是否重合，以及虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1的走向是否重合，当两者均重合时判断为重合。
更具体的，虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1的重合判断流程如图8所示，在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针顶点c2与病灶处超声切面的扇形切面顶点c1是否重合，若不重合，则判断为与规划路径l1不重合，若重合，则进一步判断虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1是否重合，若不重合，则判断为与规划路径l1不重合，若重合，则判断为与规划路径l1重合。一般情况下，重合时给出重合提示信号，不重合时给出不重合提示信号。在一具体实施例中，以虚拟穿刺针顶点c2为轴心变换穿刺针的空间位姿，如图7所示，初始状态下，系统指示灯首先显示为红色，当虚拟穿刺针顶点c2和病灶处超声切面的扇形切面顶点c1位置信息重合时系统指示灯为蓝色，当穿刺针的中轴线l2和规划路径l1重合时，系统指示灯显示为绿色，并实时监测显示穿刺针的中轴线l2和规划路径l1的重合信息，在穿刺针行进中根据虚拟界面的标示颜色调整穿刺针，以辅助穿刺顺利进行。以系统指示灯为绿色时的穿刺路径进行穿刺。
基于转换公式，一坐标信息仅能对应唯一的转换坐标信息。
同理，空间中只存在唯一的直线，其坐标经转换后能对应超声切面的中轴线，只有当穿刺针的中轴线与该直线在空间上重合时，其对应的虚拟穿刺针中轴线才能与超声切面的中轴线(即规划路径l1)重合，当穿刺针的中轴线与该直线在空间上不重合时，其对应的虚拟穿刺针中轴线不会与规划路径l1重合。
本发明的穿刺针定位系统的工作过程：
将设有第一定位装置4的第一探头11在患者病灶处扫查，获得包括病灶处的超声切面，并在处理及显示单元3的虚拟坐标系统中显示病灶处的超声切面及第一探头11。病灶处的超声切面为第一探头11扫查到的扇形区域，病灶处超声切面的扇形切面顶点c1对应超声探头与肌肤的接触点，将该接触点作为胸壁穿刺点位置。通过坐标转换公式将第一探头11的中轴面转换成与病灶处的超声切面重合，获得规划路径l1。将穿刺针顶点置于胸壁穿刺点位置，记录各第二定位装置5提供的穿刺针的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示穿刺针的中轴线l2，以胸壁穿刺点位置为轴心来变换穿刺针的空间位姿直至系统提示虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1位置信息重合，保持穿刺针此时的位姿进行穿刺。在优选的实施方式中，在穿刺针穿刺行进过程中，系统可实时提示穿刺针的位姿是否与规划路径l1重合，并在第二探头12的监测下辅助穿刺顺利进行。
本发明实施例还提供一种穿刺针的定位方法，包括：
s100获取病灶处的超声切面并在虚拟的坐标系统中显示；获取第一探头11在获取病灶处的超声切面时的坐标信息并在虚拟的坐标系统中显示；
s200在虚拟的坐标系统中确定规划路径l1；
s300获取穿刺针上的第二定位装置5在虚拟坐标系统中的坐标信息并显示虚拟穿刺针中轴线l2和虚拟穿刺针顶点c2；
s400在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针中轴线l2和所规划路径l1是否重合。
具体的，步骤s100中，病灶处的超声切面通过第一探头11扫查病灶处获得，一般认为，当病灶处出现在超声切面上时则为病灶处的超声切面。
病灶处的超声切面在虚拟坐标系统中的显示位置并无特殊要求。虚拟的坐标系统的原点并无特殊要求，为了便于数据处理，在一较佳的实施方式中，以病灶处超声切面的扇形切面顶点c1作为虚拟坐标系统的原点。
第一探头11可通过第一定位装置4提供其坐标信息。各第一定位装置4的坐标信息即为匹配虚拟坐标系统的坐标信息。可以用各第一定位装置4在虚拟的坐标系统的位置表示第一探头11。为了更方便获得规划路径，需要确定第一探头11中轴线的位置。在一优选的实施方式中，将第一探头11的第一定位装置4均设于第一探头11中轴面上以便于确定第一探头11中轴线的位置。在如图2所示的第一探头11中，可以将3个传感器q1、q2和q3在虚拟的坐标系统的位置表示第一探头11，q1、q2和q3所在的中轴面中，q1和q2的垂直平分线即为第一探头11的中轴线。
为了便于后续步骤确定规划路径，在优选的实施方式中，可将预进行穿刺取样的病灶点置于病灶处超声切面的中轴线上。
步骤s200中，可根据虚拟的坐标系统中，第一探头11的空间坐标信息，经平面矩阵转换，得出第一探头11中轴线在病灶处的超声切面上的位置，从而确定规划路径l1。
病灶处超声切面为扇形切面。一般情况下，可将过病灶处超声切面的扇形切面顶点及一病灶穿刺取样点的直线作为实际规划路径。当预进行穿刺取样的病灶点置于病灶处超声切面的中轴线上时，病灶处超声切面的中轴线即可作为实际规划路径。在真实情况下，第一探头11的中轴线应位于病灶处的超声切面上，第一探头11的顶点与病灶处的超声切面顶点重合，第一探头11中轴线与病灶处超声切面的中轴线重合。因此，确定了第一探头11中轴线的位置即可确定规划路径。
但在虚拟坐标系统中，病灶处的超声切面与第一探头11中轴线的相对位置与两者的实际相对位置并不匹配，因此需要进行转换，将第一探头11的中轴线投影至病灶处的超声切面上。
具体的，可采用下列转换公式ι进行平面矩阵转换，获得第一探头11的中轴线投影至病灶处的超声切面上的转换坐标信息。
(x′，y′，z′，1)＝t(x，y，z，1)t(转换公式ι)，其中(x′，y′，z′)t转换后的坐标信息，(x，y，z)t为转换前的坐标信息。
其中，t＝t4t3t2t1，t为虚拟第一探头中轴面到其在虚拟超声切面的投影平面的变换矩阵。
q′1＝t3t2t1q1
其中，
其中，p1、p2、p3为病灶处的虚拟超声切面f1上的三个不共线取样点，q1、q2、q3为虚拟第一探头中轴面f2上的三个不共线的点，
如图6所示，将上述第一探头11中轴线投射至超声切面上的坐标转换公式获得过程如下：
s201获取虚拟坐标系统oxyz中虚拟超声切面f1上三个不共线取样点坐标
s202获得平面f2'与虚拟第一探头中轴面f2之间的变换矩阵t1，具体地，平面f2'为平移所述虚拟第一探头中轴面f2直至所述虚拟第一探头中轴面f2上任一取样点与坐标系原点重合获得；
s203获得平面f2”与平面f2'之间的变换矩阵t2，具体地，平面f2”为将所述平面f2'的绕坐标系原点旋转至其单位法向量与所述虚拟超声切面f1的单位法向量
s204获得平面f2”'与所述平面f2”之间的变换矩阵t3，具体地，平面f2”'为平移所述平面f2”直至步骤s202中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得；
s205获得平面f2””与所述平面f2”'之间的变换矩阵t4，其中平面f2””为获取所述平面f2”'与所述虚拟超声切面f1之间的距离，将所述平面f2”'沿其单位法向量(此处所述平面f2”'单位法向量等于f1的单位法向量
具体的，步骤s201中，虚拟超声切面f1是通过第一探头11扫查病灶处获得的病灶处超声切面在虚拟的坐标系统中显示的虚拟切面。虚拟第一探头中轴面f2是第一探头11扫查病灶获得病灶处超声切面时，在虚拟坐标系统中显示的虚拟第一探头中轴面。虚拟第一探头中轴面可依据第一探头11上的传感器获得。
在一优选的实施方式中，虚拟坐标系统还显示病灶处超声切面的扇形切面顶点c1，以便于辅助确定穿刺点。具体的，虚拟超声切面f1为扇形切面，此时真实情况下的第一探头11顶点与胸壁接触的位置在虚拟坐标系统中显示即为病灶处超声切面的扇形切面顶点c1。
在一种实施方式中，可根据第一定位装置4在第一探头11上所设的位置，确定第一探头11的中轴面及中轴线l。在一较佳实施方式中，为了便于确定第一探头11的中轴线，第一定位装置4均位于第一探头11的中轴面上。
第一定位装置4可以是传感器，在第一探头11的中轴面上设有如图2所示的三个不共线的传感器q1、q2和q3，用于确定第一探头11的中轴面及中轴线。
为了便于获得中轴线的坐标位置，q1q2q3呈直角三角形，且第一探头的中轴线为线段q1q2的中垂线。
在一优选的实施例中，虚拟三维坐标系oxyz以虚拟超声切面f1的扇形切面顶点c1作为坐标系的原点。
在另一优选的实施例中，步骤s202中，将虚拟第一探头中轴面f2平移至点q1与原点重合。
在一具体的实施方式中，以虚拟三维坐标系oxyz以虚拟超声切面f1的扇形切面顶点c1作为坐标系的原点，步骤s202中，将虚拟第一探头中轴面f2平移至点q1与坐标系原点重合。
对应坐标变换为：
其中变换矩阵t1:
步骤s203中，将平面f2'的单位法向量绕坐标系原点旋转至其单位法向量与虚拟超声切面f1的单位法向量
其中，
上述公式解释为：
通过上述步骤可将平面f2'旋转变换后得到平面f2”。
步骤s204中，平移平面f2”直至步骤s202中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得平面f2”'。以取样点为q1为例，对应变换为：
其中变换矩阵t3：
步骤s205中，获取平面f2”'与虚拟超声切面f1之间的距离，设平面f2”'需要平移的向量为
平面f2”'平移向量
综上，得到总变换矩阵为：t＝t4t3t2t1，得到如下结论：对于虚拟第一探头中轴面f2上任一点(x，y，z)t其对应齐次坐标满足：
(x′，y′，z′，1)＝t(x，y，z，1)t，其中(x′，y′，z′)t转换后的坐标信息，(x，y，z)t为转换前的坐标信息。因此可以知道虚拟第一探头中轴面f2与虚拟超声切面f1变换重合后的对应点。
根据上述公式，可知虚拟第一探头中轴面f2上q1、q2、q3与虚拟超声切面f1变换重合后的对应点，进一步可将虚拟第一探头中轴面f2中q1和q2的底边垂线，虚拟第一探头中轴面f2上与q1和q2的底边中垂线重合的路径即为虚拟超声切面f1中的规划路径l1。
步骤s300中，根据根据虚拟的坐标系统中，第二定位装置5的坐标信息，经平面矩阵转换，获得穿刺针中轴线及穿刺针顶点投射至病灶处的超声切面上的虚拟穿刺针中轴线l2及虚拟穿刺针顶点c2的转换坐标信息，并根据转换坐标信息，在虚拟坐标系统中显示虚拟穿刺针中轴线及其顶点。
具体的，所述虚拟的坐标系统中，以病灶处超声切面的扇形切面顶点c1作为原点时，采用本发明穿刺针定位方法中的转换公式i进行平面矩阵转换。获得对应的虚拟穿刺针中轴线l2及虚拟穿刺针顶点c2的转换坐标信息。
步骤s400中，在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针顶点与超声切面顶点是否重合，以及虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1的走向是否重合，当两者均重合时判断为重合。
更具体的，虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1的重合判断流程如图8所示，在虚拟的坐标系统中，比较虚拟穿刺针顶点c2与病灶处超声切面的扇形切面顶点c1是否重合，若不重合，则判断为与规划路径l1不重合，若重合，则进一步判断虚拟穿刺针中轴线l2与规划路径l1是否重合，若不重合，则判断为与规划路径l1不重合，若重合，则判断为与规划路径l1重合。一般情况下，重合时给出重合提示信号，不重合时给出不重合提示信号。在一具体实施例中，以虚拟穿刺针顶点c2为轴心变换穿刺针的空间位姿，如图7所示，初始状态下，系统指示灯首先显示为红色，当虚拟穿刺针顶点c2和病灶处超声切面的扇形切面顶点c1位置信息重合时系统指示灯为蓝色，当穿刺针的中轴线l2和规划路径l1重合时，系统指示灯显示为绿色，并实时监测显示穿刺针的中轴线l2和规划路径l1的重合信息，在穿刺针行进中根据虚拟界面的标示颜色调整穿刺针，以辅助穿刺顺利进行。以系统指示灯为绿色时的穿刺路径进行穿刺。
基于转换公式，一坐标信息仅能对应唯一的转换坐标信息。
同理，空间中只存在唯一的直线，其坐标经转换后能对应超声切面的中轴线，只有当穿刺针的中轴线与该直线在空间上重合时，其对应的虚拟穿刺针中轴线才能与超声切面的中轴线(即规划路径l1)重合，当穿刺针的中轴线与该直线在空间上不重合时，其对应的虚拟穿刺针中轴线不会与规划路径l1重合。
本发明实施例还提供一种设备，所述设备包括：存储器、处理器；所述存储器，其上存储有计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，该程序被执行时实现本发明所述的穿刺针定位方法。
所述存储器可能包含随机存取存储器(randomaccessmemory，简称ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明所述的穿刺针定位方法。
所述计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，本发明提供的穿刺针定位系统及方法可大大提高了经胸壁穿刺的精准度，不仅能有效避免反复穿刺带来的并发症，也大大缩短了手术时穿刺的时间。引入第一定位装置和第二定位装置，将以往单一的超声定位导航予以了极大的丰富，并将所有位置信息予以数字化解析，所有磁场中的位置信息通过第一定位装置和第二定位装置均可转化为三维坐标系。穿刺定位系统依据每个人不同的病情提供了精确的穿刺路径规划，真正实现了对病人的个体化精准医疗，将使手术相关并发症大幅度减少，使经胸穿刺介入治疗变成常规治疗手段成为可能。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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