一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明公开一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航系统及方法，本系统在穿刺过程中能够实时定位穿刺针与穿刺中心，并在计算机中监控进程，从而能够立刻得到穿刺针与预定义的穿刺路径之间的偏差。
【背景技术】
[0002]在现代外科手术中，针穿刺是一种比较普遍的技术。操作者用穿刺针刺入人体的组织或器官，完成活检、局麻等操作。该技术广泛应用于对人体肺、肾、脊柱等器官和组织的诊疗。
[0003]在穿刺手术中，穿刺精度是手术成败的关键，但是目前穿刺的准确性主要依赖于操作者的经验和技术。操作者只能在手术前通过CT等医用扫描设备在图像上大概确定穿刺中心和穿刺路径后，凭经验下针。而由病人的自主呼吸或心跳等引起的穿刺中心位置变化和人为操作失误都会直接影响穿刺位置的准确性。而且由于目前技术的局限性，操作者定义的穿刺路径基本上都是竖直的，这就使得在某些案例中，穿刺针无法避开敏感器官或组织，这给穿刺带来了极大的不便和危险。
[0004]鉴于上述问题，有必要找到一种能够实时监控穿刺针与穿刺中心及穿刺路径的系统或方法来解决问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是能够实时监控穿刺针与穿刺中心及预定义的穿刺路径的位置关系，在计算机中可直观观察并指导手术进程。系统可以根据数据自动规划出多条备选穿刺路径，操作者根据经验从中选择合适的路径，也可自行手动规划。同时，本发明打破了穿刺路径角度单一的局限，可以实现从任意角度进行穿刺。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]—种红外引导下的计算机辅助穿刺导航系统，包括穿刺针模块、人体定位装置模块和监控显示模块。穿刺针模块包括穿刺针和穿刺针定位装置，穿刺针定位装置固定于穿刺针尾部，可以利用定位装置的位置配准计算得到穿刺针针尖与针尾的三维位置，进一步得到穿刺针的角度；人体定位装置模块包括固定于人体体表的定位装置，人体体表的定位装置用于间接反映人体内部各个组织和器官、穿刺中心以及穿刺路径的实时三维位置；监控显示模块包括高精度红外监控设备和计算机软件，高精度红外监控设备能拍摄获取上述定位装置的位置信息，计算机软件可进行显示、配准、计算的操作。
[0008]本发明揭示了一种红外引导下的计算机辅助穿刺导航的方法，包括如下步骤:
[0009]S1:根据实际需要，在人体体表上的穿刺区域附近固定三个以上定位装置；
[0010]在本发明的至少一个实施例中，所述人体体表上的定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
[0011]安装在人体体表的定位装置的数量优选是三个及以上，以保证检测到的定位装置的运动能够充分表现出三维空间中六个自由度(三维坐标系中三个方向上的平移和旋转)的变化。如果采用不足三个定位装置，会影响定位精度，甚至定位错误。一般会选择三个以上的定位装置，以免出现因为遮挡导致的定位失误。
[0012]S2:通过医用扫描系统，获得穿刺目标区域的图像，重建三维影像模型。在第一类坐标系下定义定位装置、人体内部敏感组织器官及穿刺目标，并通过计算机配准得到这些部分之间的三维相对位置关系的信息；
[0013]在计算机中定义穿刺路径，即穿刺中心到体表入针点的路径，配准计算得到体表定位装置与穿刺中心及穿刺路径之间的三维相对位置关系的信息；
[0014]S3:根据实际情况选择穿刺针型号，系统内部预定义了多种穿刺针型号信息，型号信息主要是指固定于穿刺针尾部的定位装置与穿刺针针尖、针尾的三维位置关系的信息；
[0015]利用红外定位系统，实时追踪固定在穿刺针尾部的定位装置，在第二类坐标系下确定其三维位置坐标，根据所选穿刺针型号和定位装置的实时三维位置配准计算得到针尖和针尾的实时三维位置坐标，并在计算机上虚拟显示穿刺针；
[0016]在本发明的至少一个实施例中，所述固定在穿刺针尾部的定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，但是所述领域的技术人员无需创造性劳动，就应该想到采用其他具有明显红外特征的材质制成的其他形状标记物体代替所述的定位小球。因此类似的技术方案也没有超过本发明所公开并要求保护的范围。
[0017]固定于穿刺针尾部的定位装置的数量是三个，以保证检测到的定位装置的运动能够充分表现出三维空间中六个自由度(三维坐标系中三个方向上的平移旋转)的变化。如果采用不足三个定位装置，会影响定位精度，甚至定位错误。
[0018]S4:穿刺过程中，根据高精度红外监控设备实时追踪的定位装置的位置信息，在重建的三维模型中以虚拟现实的方式显示出穿刺中心、穿刺路径和穿刺针的三维位置坐标，由此，操作者能够直观地看到穿刺的整个过程；
[0019]S5:穿刺针到达穿刺中心，穿刺完成。
[0020]本发明的有益效果在于:可以实现从任意角度进行穿刺，打破了穿刺路径只能垂直人体表面的局限。可以合理规划穿刺路径，有效避开敏感器官和组织。能够对穿刺过程进行实时监控，操作者可以实时得知穿刺针与穿刺路径之间的角度偏差，及穿刺针针尖与穿刺中心之间的距离偏差等，并及时修正，从而大大提高了穿刺的准确性与安全性。
【附图说明】
[0021]图1是本发明在穿刺过程中应用的流程示意图。
[0022]图2中的左图是穿刺针及其定位装置的立体图，右图是穿刺针及其定位装置的俯视图。
[0023]图3是计算机三维重建的模型示意图。
[0024]图4是人体定位示意图。
[0025]图5是穿刺过程的示意图。
[0026]图6是穿刺系统总示意图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0028]参考图2?6，固定于穿刺针上的定位装置和人体体表上的