专利名称：一种基于超声波的实时无线手术导航装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及超声波探测技术，具体涉及一种基于超声波的无线实时手术导航
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背景技术：
随着医学不断发展，外科手术朝着越来越精细、越来越复杂的方向发展。传统医学知识由于技术上存在的种种不足，而难以满足手术需求。近年来，高速发展的医学成像技术、图像处理技术已逐渐应用于医学领域，并形成了一个新的研究及临床应用热点计算机辅助手术。而导航系统是其中不可或缺的组成部分，在20世纪80年代末首先应用于神经外科手术，随后逐渐推广用于其它手术领域，包括整形外科、骨科、以及耳鼻喉科等。它延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，拓展了外科手术和外科手术器械的概念。对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义。目前使用的手术导航系统普遍具有如下工作原理医生手持装有标记点的手术工具对患者的手术目标实施操作，手术工具的空间立体定位及瞄准过程均在跟踪器的实时控制之下，最常用的跟踪器是基于发射红外线的二极管或者反射红外线的球体，跟踪器能够精确地给出术中解剖部位与术前或术中X射线、CT (计算机断层扫描成像)、MRI (磁共振成像)等多模图像之间的位置关系，经过相应的坐标转换，控制手术工具达到要求的部位，从而实施相应的手术操作。其典型的产品有美国的美敦力公司开发的S- Navi2. 3手术导航系统，该系统可以实时跟踪手术器械位置，实时反馈手术器械在三维影像上的运动轨迹，并利用呼吸门控的方法，按照术中患者的呼吸状态与术前拍CT或MRI图像时的呼吸状态吻合的原则，确定患者手术空间和三维虚拟影像空间的吻合的时间阶段；瑞典的Elekta公司制造的Surgiscope机器人导航系统，该手术导航系统可以实现神经系统影像的三维重建和测量分析，在手术中能与显微镜、脑室内窥镜、立体定向框架等配合，自动指引显微手术系统搜寻病灶位置，同时动态反馈手术进程；德国的贝朗公司开发的Orthopilot导航定位系统，主要适用于骨科手术的导航和定位；瑞士的Praxim Medivision公司开发的Praxiteles系统，主要用于前交叉韧带功能修复和全膝置换的骨骼磨削手术。总结现有通过X射线、CT及MRI进行手术导航的设备及方法，主要存在以下问题(I)现有的手术导航系统本质上属于影像诊断系统，外科医生在实施手术时只能观察显示器而无法直接观察病灶区，极大地限制了医生经验的运用。(2)现有导航系统只是实时跟踪手术器械，将手术器械的位置与术前建立的三维虚拟影像模型匹配，而对肌体组织和病灶的成像并不是实时的，手术过程中脱水剂的使用、组织积液引流、软组织切除等都会导致术中机体组织位移，从而与术前建立的模型不一致，进而导致严重的手术损伤等一系列问题。(3) X射线、CT均存在放射性，多次扫描对患者及医护人员的影响不容忽视。(4) MRI在工作过程中产生会产生很强的磁场，当患者体内装有心脏起搏器、金属夹、金属内固定物、人工关节、金属假牙、支架、银夹、弹片等均无法采用该方法，极大地限制了 MRI手术导航的运用。[0009](5) X射线、CT、MRI等成像设备笨重、体积大、价格极其昂贵，需要专门的工作场地和环境，大大限制了其在中小型医院及野外手术车船等移动手术平台中的运用和推广。[0010](6)现有手术导航系统功能单一，如某一套系统只能进行脑神经手术、而另外一套系统只能进行脊椎手术等，通用性不强。实用新型内容[0011]本实用新型目的在于克服现有手术导航系统的诸多不足，提出一种基于超声波的无线实时手术导航装置，具体技术方案如下。[0012]一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其包括无线超声波阵列探头、计算机系统和一副以上的可透明显示的眼镜；所述无线超声波阵列探头包括超声波换能器阵列、 UffB信号发射单元及电源，UffB信号发射单元与超声波换能器阵列连接，电源与超声波换能器阵列、UffB信号发射单元连接，超声波换能器阵列用于对病灶、肌体及手术器械的探测与定位，UffB信号发射单元将超声波换能器阵列接收的信号通过无线的方式传输给计算机系统，电源负责向超声波换能器阵列和UWB信号发射单元供电；所述计算机系统包括主机、显示器和UWB信号收发单元，其中的UWB信号收发单元与主机连接，负责接收超声波换能器阵列传来的信息供主机处理后得到图像信息，UffB信号收发单元还将图像信息无线发送给可透明显示眼镜进行显示。[0013]进一步优选的，所述可透明显示的眼镜包括透明显示镜片、UWB信号接收单元以及电源，透明显示镜片与UWB信号接收单元连接，电源与透明显示镜片、UffB信号接收单元连接，UWB信号接收单元接收来自计算机系统的信号，并将信息透明显示在透明显示镜片上， 电源负责给UWB信号接收单元供电。[0014]进一步优选的，所述可透明显示眼镜的透明显示镜片采用有机电致发光材料，能够透明显示计算机系统传输过来的图像信息。[0015]进一步优选的，所述超声波换能器阵列采用柔性环带结构，环带结构的中空部分为手术实施提供窗口。[0016]进一步优选的，所述超声波换能器阵列由两种以上型号的超声波换能器构成，不同型号的超声波换能器发射不同频率的超声波，分别用于病灶、肌体组织及手术器械的探测与定位。[0017]进一步，所述计算机系统中的显示器主要是提供一个人机交互界面，不显示超声波图像而是用来显示计算机系统本身的参数和设置。[0018]与现有通过X射线、CT及MRI进行手术导航的设备，本实用新型具有以下优点[0019](I)OLED镜片将图像直接显示在视线前方，医生只需要在直视的情况下，很方便地同时观看超声波图像和手术区域，无需抬头观看显示器，可以充分发挥手术医生的经验，减少手术损伤。[0020](2)对病灶、肌体及手术器械全部进行实时成像，克服了传统手术导航系统难以应对的肌体组织位移问题。[0021](2)消除了放射性对患者及医护人员的影响，安全性更高。[0022](3)超声波阵列探头与计算机系统之间通过UWB实现无线传输，使得超声波阵列探头的布置、更换和清洗消毒都非常方便，使得手术效率得以提高。(4)对手术工作环境和场地要求不高，可方便地布置在汽车、轮船等移动载体上，便于在野外及特殊环境手术实施。(5)设备结构简单轻便，价格相对现有设备便宜，便于向中小型医院推广。(6)不局限与某一类特定的手术， 适用范围广。
图1是本实用新型所述无线实时手术导航装置系统框图。图2是本实用新型所述超声波换能器阵列的平面示意图。图3是本实用新型所述无线实时手术导航装置的工作流程图。图4是医生佩戴可透明显示眼镜对病灶区进行观察的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步说明，对本领域技术人员来说，本实用新型的实施和保护不限于此，另，除有详细说明外，其他均为本领域技术人员所掌握的现有技术。如图1所示，是本实施方式中手术导航装置的系统框图。该装置主要由三大部分构成，分别是无线超声波阵列探头101、计算机系统102和可透明显示眼镜103。无线超声波阵列探头的功能是收发超声波信号，相当于整个装置的传感器，主要由超声波换能器阵列、UWB信号发射单元及电源构成。超声波换能器阵列用于对病灶、肌体及手术器械的探测定位；UWB信号发射单元将超声波换能器阵列接收的信号通过无线的方式传输给计算机系统；电源负责向超声波换能器阵列和UWB信号发射单元提供电源。计算机系统的主要功能是对无线超声波阵列探头传来的信号进行处理和成像，并将图像信号通过无线的方式传输至透明显示眼镜，由主机、显示器、UWB信号收发单元构成。主机主要进行图像处理和计算；UWB信号收发单元负责接收无线超声波阵列探头传来信息并向可透明显示眼镜传输主机处理后得到的图像信息；显示器主要是提供一个人机交互界面，本身不显示超声波图像而是用来显示计算机系统本身的参数和设置。可透明显示眼镜的功能是显示计算机系统传来的超声波图像，相当于整个装置的显示器，由OLED镜片制作的眼镜(采用透明OLED显示技术)、UffB信号接收单元以及电源组成。其中采用OLED镜片制作的眼镜能够透明显示计算机系统传输过来的图像信息，UWB信号接收单元接收来自计算机系统的图像信号，并将信息显示在OLED镜片上，电源负责给UWB信号接收单元供电，一套系统可配备多个可透明显示眼镜，供多所以需要实时观察的人员使用。如图2所示，是本实用新型所述超声波换能器阵列的平面示意图。超声波换能器总体上呈环带结构，用于固定超声波换能器201的片基是采用有机材料制作的柔性片基202，保证能和患者体表保持紧密的贴合；环带结构的中部留有手术实施窗口 203，医生通过该窗口操作手术器械对患者实施手术，手术窗口的形状和大小可以依据具体的病灶和手术需要进行设置，而在本实施例中只给出了圆形的手术窗口 ；超声波换能器围绕在手术窗口的周围呈阵列布置，以保证对病灶以及病灶周围的肌体组织进行足够详细和清晰的探测成像，帮助医生避开手术危险区，方便地实施手术。[0034]如图3所示，是所述手术导航装置的工作流程图。下面，结果流程图对所述手术导航装置的工作流程进行详细说明。[0035](I)术前，将无线超声波阵列探头覆盖在患者的体表，将中空部分对正实施手术的病灶区，整个手术导航装置开机，医生佩戴OLED镜片制作的透明显示眼镜，进行术前准备。[0036](2)主机对无线超声波阵列探头传来的超声波信号进行处理和成像，得到病灶及肌体的三维图像。[0037](3)计算机系统内的UWB信号收发单元再将病灶及肌体的三维图像通过可透明显示眼镜内的UWB信号接收单元传输到OLED镜片进行显示，医生佩戴所述OLED镜片制作的透明显示眼镜，即可观察到病灶的超声波图像，同时又不影响医生对患者的直接观察。[0038](4)医生在三维图像的导航下对患者实施手术。[0039](5)当手术器械进入病灶附近的超声波成像区域后，手术导航系统又立即对手术器械进行跟踪、定位和成像，这时OLED镜片上显示的图像能够实时地反应病灶、肌体以及手术器械三者之间的空间位置关系，医生在图像的引导下，方便地实施手术，直至手术结束。[0040]如图4所示，是在本实用新型所述手术导航装置工作情况下，医生佩戴可透明显示眼镜对病灶区进行观察的示意图。首先，医生将环带形的无线超声波阵列探头101放置在患者401的体表，并将中部的手术窗口对准手术区域；接着当整个手术导航装置工作时， 医生佩戴可透明显示眼镜103观察手术区域，手术区域的超声波图像就会显示在可透明显示眼镜上，医生通过视线的简单对准，就可以观察到病灶402在患者401体内的确切位置， 以及病灶周围肌体组织的图像，在图像的引导下，医生就可以对患者实施手术。[0041]采用本实用新型所述的手术导航装置时，手术室的每一名医生和护士只需要佩戴一副可透明显示的眼镜直视手术区域，在无需观看显示器的情况下，既能够观察到患者、超声波图像以及主刀医生的动作。对于主刀医生来说，不需要抬头观看显示器，可以尽量发挥自己的手术经验，能够极大地缓解手术疲劳，提高手术成功率；而对于助理医生、护士来说， 可以同时观看到主刀医生的动作、手术区域以及手术图像，更加便于协助主刀医生，整 个过程非常直观，大大提高了学习效率。
权利要求1.一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其特征在于包括无线超声波阵列探头、 计算机系统和一副以上的可透明显示的眼镜；所述无线超声波阵列探头包括超声波换能器阵列、UffB信号发射单元及电源，UffB信号发射单元与超声波换能器阵列连接，电源与超声波换能器阵列、UffB信号发射单元连接，超声波换能器阵列用于对病灶、肌体及手术器械的探测与定位，UffB信号发射单元将超声波换能器阵列接收的信号通过无线的方式传输给计算机系统，电源负责向超声波换能器阵列和UWB信号发射单元供电；所述计算机系统包括主机、显示器和UWB信号收发单元，其中的UWB信号收发单元与主机连接，负责接收超声波换能器阵列传来的信息供主机处理后得到图像信息，UffB信号收发单元还将图像信息无线发送给可透明显示眼镜进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其特征在于所述可透明显示的眼镜包括透明显示镜片、UWB信号接收单元以及电源，透明显示镜片与UWB信号接收单元连接，电源与透明显示镜片、UWB信号接收单元连接，UWB信号接收单元接收来自计算机系统的信号，并将信息透明显示在透明显示镜片上，电源负责给UWB信号接收单元供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其特征在于所述可透明显示眼镜的透明显示镜片采用有机电致发光材料，能够透明显示计算机系统传输过来的图像信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其特征在于所述超声波换能器阵列采用柔性环带结构，环带结构的中空部分为手术实施窗口。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其特征在于所述超声波换能器阵列由两种以上型号的超声波换能器构成，不同型号的超声波换能器发射不同频率的超声波，分别用于病灶、肌体组织及手术器械的探测与定位。
专利摘要本实用新型提供了一种基于超声波的实时无线手术导航装置，其包括无线超声波阵列探头、计算机系统和一副以上的可透明显示的眼镜；所述无线超声波阵列探头包括超声波换能器阵列、UWB信号发射单元及电源，超声波换能器阵列用于对病灶、肌体及手术器械的探测与定位，UWB信号发射单元将超声波换能器阵列接收的信号通过无线的方式传输给计算机系统，电源负责向超声波换能器阵列和UWB信号发射单元供电；所述计算机系统包括主机、显示器和UWB信号收发单元，其中的UWB信号收发单元负责接收超声波换能器阵列传来的信息供主机处理后得到图像信息，UWB信号收发单元还将图像信息发送给可透明显示眼镜进行显示。本实用新型具有结构简单、操作方便、安全性高、成本低等优点。
文档编号A61B19/00GK202859314SQ20122056063
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者韦岗, 曹燕 申请人:华南理工大学