医疗导航系统及方法
【专利摘要】本申请公开了一种医疗导航系统和方法，适于在肺部区域的CT图像和支气管树三维影像的基础上配合支气管镜进行支气管路径的导航操作。医疗导航系统包括实时导航定位模块、定位配准模块以及显示模块，其中实时导航定位模块包括电磁场发射单元、示踪定位探头以及系统控制单元。通过电磁定位传感器对示踪定位探头的当前位置进行定位以及超声探头获取当前位置的周围环境的实时影像，并且显示于显示模块上，从而确认示踪定位探头的真实位置以及在CT图像的导航路径上的相对位置。并且，通过定位配准模块对示踪定位探头的真实位置与导航路径上的预测位置进行配准与修正，从而提升导航路径的精确性。
【专利说明】医疗导航系统及方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及医疗器械【技术领域】，具体涉及一种医疗导航系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前基于电磁导航技术的经肺部自然气道的介入式医疗技术，首先导入病人的肺部计算机断层摄影(computed tomography, CT)影像数据,接着划定病变区域,并重建出主气管和支气管的三维模型。之后，根据主气管和支气管的三维模型，从主气管朝向支气管的方向计算经各级支气管到达病变位置的路径。在术中阶段，首先将带有电磁传感器的指引导管插入支气管镜中，使用支气管镜到达导航软件要求的几个关键部位并标记；根据这些标记位置计算出重建的主气管和支气管树三维模型与肺部在实际电磁导航空间中的位置的对应关系，即规划路径与实际位置的配准；最后，再根据之前从主气管朝支气管方向建立的导航路径引导电磁传感器经各级支气管接近和到达病变位置。
[0003]然而，现有技术中存在以下缺陷:首先，由CT影像数据重建的主气管和支气管的三维模型不够精确，其中若为了保证准确，则无法重建出下级支气管树结构，反之，若提高下级支气管树结构的级数，则无法保证重建出的三维模型的准确性。其次，通过上述从主气管朝向支气管方式所获得的路径规划结果，如果病变位置在较深位置，则缺乏下级支气管信息，无法准确建立经自然气道的导航路径，只能通过定位信息不断尝试接近病变位置。再者，配准算法可能有误差，越进入肺部深处误差越明显，可能导致导航路径偏移至自然气道外的肺部组织里，并且在导航软件中显示到达病变位置后仍无法保证电磁传感器在肺部内确实到达病变位置，必需藉助其他手段来进行确认，例如通过X光影像或CT等显像技术来达成，徒增操作上的不便和增加X射线对医生和患者身体的辐射损害。
【发明内容】
[0004]本申请所要解决的技术问题在于提供一种医疗导航系统及方法，从而解决了术前导航路径规划时无法自动识别下级支气管并建立导航路径、导航路径和实际路径存在空间上的误差无法完全匹配和/或无法确认支气管镜的电磁传感器是否确实到达病变位置的问题等。
[0005]为了解决上述问题，本申请揭示了一种医疗导航系统，适于在肺部区域的CT图像和/或支气管树三维影像的基础上配合支气管镜进行支气管路径的导航操作。此医疗导航系统包括实时导航定位模块、定位配准模块以及显示模块，其中实时导航定位模块包括电磁场发射接收单元、示踪定位探头以及系统控制单元。电磁场发射接收单元用以发生电磁场；示踪定位探头耦接于系统控制单元，并且可以跟随支气管镜或独立的在肺部区域的支气管树内自由位移。示踪定位单元包括探头本体、电磁定位传感器和超声探头，电磁定位传感器和超声探头设置于探头本体的同一端。电磁定位传感器用以发送示踪定位探头在电磁场内的当前位置的位置坐标信息到系统控制单元；超声探头用以发送当前位置的超声影像信息到显示模块。系统控制单元耦接于电磁场发射接收单元，用以控制电磁场发射接收单元发生电磁场，并且接收位置坐标信息以及根据位置坐标信息在电磁场上建立相应的位置坐标图像。定位配准模块耦接于系统控制单元，用以接收支气管树三维影像的图像坐标信息，以及从系统控制单元接收位置坐标信息，并且比对图像坐标信息与位置坐标信息，以及根据比对结果校正CT图像上的导航路径与位置坐标图像的配准关系。显示模块分别耦接于实时导航定位模块、支气管镜和定位配准模块，用以接收并显示CT图像、导航路径、支气管树三维影像、图像坐标信息、位置坐标信息、超声影像信息以及位置坐标图像。
[0006]进一步地，在上述的医疗导航系统中，示踪定位探头还包括导管鞘。示踪定位探头的探头本体穿设于导管鞘内，且探头本体设置有电磁定位传感器和超声探头的一端可以伸出至导管鞘外或缩回导管鞘内，其中导管鞘预先设置弯曲角度，以通过导管鞘的旋转来引导探头本体进入支气管树内不同的支气管分叉。
[0007]进一步地，在上述的医疗导航系统中，电磁定位传感器为6自由度电磁定位传感器。
[0008]进一步地，上述的医疗导航系统还包括耦接于定位配准模块的导航路径规划装置。导航路径规划装置包括影像导入模块、三维影像重建模块以及路径规划模块。影像导入模块用以接收CT图像的原始图像数据，并且根据原始图像数据产生三维CT图像信息。三维影像重建模块耦接于影像导入模块。三维影像重建模块包括三维重建单元以及支气管识别分割单元，其中三维重建单元用以接收三维CT图像信息，并且根据三维CT图像信息重建出肺部区域的三维结构数据；支气管识别分割单元用以接收肺部区域的三维CT图像信息以及识别肺部区域的三维结构数据中的支气管树结构，并且进行分割处理，而获得支气管树三维影像的结构数据，且支气管树三维影像的结构数据包括图像坐标信息。路径规划模块分别耦接于影像导入模块和三维影像重建模块。路径规划模块用以接收三维CT图像信息以及支气管树三维影像，并且根据三维CT图像信息和支气管树三维影像的结构数据分别在CT图像和/或支气管树三维影像上绘制导航路径。
[0009]进一步地，在上述的医疗导航系统中，支气管树包括主气管和多级支气管，导航路径沿着主气管和多级支气管绘制，并且在CT图像上标记有标定位置、目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记，其中标定位置位于多级支气管中的其中一个支气管上；目标位置与标定位置相互重叠；第一上级隆突标记位于此支气管的上级分叉处；第一下级隆突标记位于以第一上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；第二上级隆突标记位于以第一上级隆突标记为下级分叉点的上一级支气管的上级分叉处；第二下级隆突标记位于以第二上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；主隆突标记位于主气管和多级支气管的分叉处。并且，目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记相互连接，而构成导航路径。
[0010]进一步地，在上述的医疗导航系统中，支气管树包括主气管和多级支气管，导航路径沿着主气管和多级支气管绘制，并且在CT图像上标记有标定位置、目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记，其中标定位置位于多级支气管中相邻的两个支气管之间；目标位置位于相邻的两个支气管中距离标定位置最近的支气管的下级分叉处；第一上级隆突标记位于以目标位置为下级分叉点的支气管的上级分叉处；第一下级隆突标记位于以第一上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；第二上级隆突标记位于以第一上级隆突标记为下级分叉点的上一级支气管的上级分叉处；第二下级隆突标记位于以第二上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；主隆突标记位于主气管和多级支气管的分叉处。并且，目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记相互连接，而构成导航路径。
[0011]本申请并揭示了一种医疗导航方法，适于在肺部区域的CT图像和/或支气管树三维影像的基础上配合支气管镜进行支气管路径的导航操作。此医疗导航方法包括:在CT图像和/或所述支气管树三维影像上绘制肺部区域的主气管至多级支气管的导航路径，其中所述导航路径上具有多个隆突标记；根据导航路径，在支气管镜的引导下通过示踪定位探头碰触主气管和多级支气管的隆突位置，并且通过示踪定位探头内的电磁定位传感器将各个隆突位置在电磁场的位置坐标图像上标示对应的定位标记；根据多个隆突标记与定位标记进行位置坐标图像与导航路径的初步配准及修正；通过初步配准及修正的导航路径引导示踪定位探头通过相应的支气管；根据初步配准及修正的导航路径中标示的各个隆突标记和其上级、下级隆突标记的相对位置，通过电磁定位传感器在位置坐标图像上将每个支气管的隆突位置的下级支气管识别为支气管路径的分叉位置和方向；根据各个隆突标记的相对位置和支气管路径的分叉位置和方向，进行CT图像和导航路径的再次配准及修正；通过再次配准及修正的导航路径引导示踪定位探头通过相应的支气管，直至目标位置；以及通过示踪定位探头内的超声探头获得目标位置的超声影像。
[0012]进一步地，在上述的医疗导航方法中，在根据各个隆突标记进行CT图像和导航路径的初步配准及修正的操作以及通过初步配准及修正的导航路径引导示踪定位探头通过相应的支气管的操作之间，还包括:通过支气管镜获得各个隆突位置的真实影像，并且根据各个隆突位置的真实影像调整各个隆突位置在支气管树三维影像中的相应位置，使各个隆突位置在真实影像和支气管树三维影像中的位置一致。
[0013]进一步地，上述的医疗导航方法还包括:通过示踪定位探头在各级支气管的分叉处，分别进入不同分叉的相邻的两个支气管内一段预定距离，然后再退回分叉处；通过电磁定位传感器获得各级支气管的分叉点信息、位置信息以及走向信息；以及根据分叉点信息、位置信息以及走向信息对导航路径进行配准及修正。
[0014]进一步地，在上述的医疗导航方法中，在CT图像和/或支气管树三维影像上绘制肺部区域的主气管至多级支气管的导航路径的操作包括:获得CT图像；在CT图像上将病变位置标记为标定位置；在(^图像上寻找多级支气管中最靠近标定位置的支气管，并且将支气管上对应标定位置的位置处标记为目标位置；将支气管位于目标位置的上级分叉处标记为第一上级隆突标记；在以第一上级隆突标记作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第一下级隆突标记；在(^图像上寻找多级支气管中以第一上级隆突标记作为下级分叉点的上一级支气管，将其上级分叉处标记为第二上级隆突标记；在以第二上级隆突标记作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第二下级隆突标记；重复标记上级隆突标记与下级隆突标记的步骤，直至上级隆突标记位于主气管与多级支气管分叉处的隆突位置，并且以位于此隆突位置的上级隆突标记作为主隆突标记；以及在目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记之间依相对位置绘制连接线，而构成导航路径。
[0015]进一步地，在上述的医疗导航方法中，在CT图像上寻找多级支气管中最靠近标定位置的支气管，并且将支气管上对应标定位置的位置处标记为目标位置的操作中:若标定位置位于支气管上，目标位置与标定位置相互重叠；以及若标定位置位于多级支气管中相邻的两个支气管之间，目标位置位于相邻的两个支气管中距离目标位置最近的支气管的下级分叉处。
[0016]与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果:
[0017]本申请的医疗导航系统和方法，通过实时导航定位模块与定位配准模块实时的交互信息，从而在导航过程中实时的获取真实路径在电磁场中的位置坐标，并且通过预先规划的导航路径与真实路径的比对，对预先规划的导航路径可以不断的进行配准和修正，从而提高导航路径的精确性，而解决了导航路径和实际路径存在空间上的误差无法完全匹配的问题。同时，通过在示踪定位探头上配置超声探头的方式，让示踪定位探头在导航的过程中，可以通过超声影像来确定电磁定位传感器是否已确实到达产生病变的目标位置，从而解决了无法确认电磁定位传感器是否确实到达病变位置的问题。此外，本申请还可以通过导航路径从病变位置开始，朝向主气管的方向依序进行标记的方式，保证了导航路径的唯一性，并且提高导航路径的识别性，从而解决了术前导航路径规划时无法识别下级支气管并建立导航路径的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0019]图1是本申请第一实施例的医疗导航系统的方块示意图；
[0020]图2是本申请第一实施例的医疗导航系统的示踪定位探头的平面示意图；
[0021]图3是本申请第一方法实施例的医疗导航方法流程图；
[0022]图4是本申请第二实施例的医疗导航系统的方块示意图；
[0023]图5是本申请第二方法实施例的导航路径规划方法流程图；
[0024]图6和图7分别是对应本申请第二方法实施例的支气管树三维影像示意图；
[0025]图8和图9分别是对应本申请第二方法实施例的CT图像示意图。
【具体实施方式】
[0026]以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
[0027]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”或“电性连接” 一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其它装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0028]还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0029]实施例描沭
[0030]本申请的医疗导航系统适于在肺部区域的CT图像和/或支气管树三维影像的基础上，配合支气管镜进行支气管路径的导航操作。
[0031]如图1所示，本申请第一实施例所揭露的医疗导航系统I包括实时导航定位模块10、定位配准模块20以及显示模块30，其中实时导航定位模块10包括电磁场发射单元
110、示踪定位探头120以及系统控制单元130。
[0032]请参照图1和图2，电磁场发射单元110用以发生电磁场。示踪定位探头120耦接于系统控制单元130，且示踪定位探头120包括探头本体121、电磁定位传感器122和超声探头123。示踪定位探头120可以在肺部区域的支气管树内跟随支气管镜自由位移或者是独立的在肺部区域的支气管树内自由位移。电磁定位传感器122和超声探头123分别设置于探头本体121的同一端，例如探头本体121相对端点中的前端，其中电磁定位传感器122可以是但并不局限于6自由度电磁定位传感器，用以在电磁场发射单元110发生电磁场的情况下，发送示踪定位探头121在电磁场的作用范围内位于支气管树中的当前位置的位置坐标信息，例如在支形管树中的主气管或各级支气管中的位置坐标信息，而超声探头123用以发送示踪定位探头121当前位置的超声影像信息到显示模块，也就是将电磁定位传感器122在当前位置下，所处位置及其周围环境的超声影像发送到显示模块130。此外，示踪定位探头120还可以选择性的包括导管鞘124，探头本体121连同电磁定位传感器122和超声探头123穿设于定位导管124内，并且，探头本体121设置有电磁定位传感器122和超声探头123的一端可以伸出至导管鞘124外或缩回导管鞘124内，其中导管鞘124可以预先设置弯曲角度，使探头本体121可以随着导管鞘124的旋转来变换前进方向，而被导引进入支气管树内不同的支气管分叉，从而在肺部区域的支气管树内探索位移，同时通过探头本体121伸出至导管鞘124外，让电磁定位传感器122和超声探头123实时侦测导管鞘124外的周围环境信息，也就是支气管树内相应位置的位置坐标信息和超声影像信息。
[0033]系统控制单元130耦接于电磁场发射单元110，用以控制电磁场发射单元110发生电磁场，以及分別從电磁定位传感器122和超声探头123接收位置坐标信息和超声影像信息。同时，系统控制单元130还可以根据位置坐标信息在电磁场上建立相应的位置坐标图像。
[0034]定位配准模块20耦接于实时导航定位模块10的系统控制单元130，用以接收支气管树三维影像的图像坐标信息，以及从系统控制单元130接收位置坐标信息和位置坐标图像，并且比对图像坐标信息与位置坐标信息，以及根据比对结果校正CT图像上的导航路径与位置坐标图像之间的配准关系。
[0035]显示模块30分别耦接于实时导航定位模块10、定位配准模块20和支气管镜，用以接收并显示CT图像、导航路径、支气管树三维影像、图像坐标信息位置坐标信息、超声影像信息以及位置坐标图像等。同时，显示模块30还用以接收通过支气管镜观察的真实影像。
[0036]以下通过一方法实施例对本申请第一实施例所揭露的医疗导航系统对医疗器械进行导航的方式做进一步说明。
[0037]如图3所示，本申请第一方法实施例所揭露的医疗导航方法适于在肺部区域的CT图像和/或支气管树三维影像的基础上，配合支气管镜进行支气管路径的导航操作，此医疗导航方法包括以下步骤:
[0038]步骤S101，在CT图像和/或支气管树三维影像上绘制肺部区域的主气管至多级支气管的导航路径，其中导航路径上具有多个隆突标记；
[0039]步骤S102，根据导航路径，通过示踪定位探头碰触主气管和多级支气管的隆突位置，并且通过示踪定位探头内的电磁定位传感器将各个隆突位置在电磁场的位置坐标图像上标示对应的定位标记；
[0040]步骤S103，根据各个隆突标记与定位标记进行位置坐标图像与导航路径的初步配准及修正；
[0041]步骤S104，通过初步配准及修正的导航路径引导示踪定位探头通过相应的支气管；
[0042]步骤S105，根据初步配准及修正的导航路径中标示的各个隆突标记和其上级、下级隆突标记的相对位置，通过电磁定位传感器在位置坐标图像上将每个支气管的隆突位置的下级支气管识别为支气管路径的分叉位置和方向；
[0043]步骤S106，根据各个隆突标记的相对位置和支气管路径的分叉位置和方向，进行导航路径的再次配准及修正；
[0044]步骤S107，通过再次配准及修正的导航路径引导示踪定位探头通过相应的支气管，直至目标位置；以及
[0045]步骤S108，通过示踪定位探头内的超声探头获得目标位置的超声影像信息。
[0046]请参照图1至图3，在本申请第一方法实施例所揭露的医疗导航方法中，首先，在CT图像和/或支气管树三维影像上绘制导航路径(SlOl)，此导航路径可以是但并不局限于在此步骤之前或者是在此步骤之中，根据支气管树中的主气管和多级支气管的各别走向以及与病变位置在空间位置上的相对关系，通过相应的自动或手动方式在CT图像和/或支气管树三维影像上绘制而成的。在本实施例中，对于导航路径的形成方式不加以限制。此外，在此步骤中，还可以在CT图像和/或支气管树三维影像上进行关键点标记，例如在主气管与各级支气管的隆突位置或者是在病变位置处进行预测标记。因此，在导航路径上具有标示隆突的预测位置的多个隆突标记。
[0047]接着，通过实时导航定位模块10的系统控制单元130控制电磁场发射接收单元110产生电磁场，以便于让设置在示踪定位探头120内的电磁定位传感器122在电磁场的作用范围内的位移轨迹与所在位置显示在电磁场的位置坐标图像上，并且在显示模块30上显示示踪定位探头120与导航路径之间的相对位置。然后，根据导航路径，通过示踪定位探头120在主气管与各级支气管的自然气道内跟随支气管镜或具有弯曲角度的导管鞘124的导引或者是独立的朝向病变位置前进(也就是朝向导航路径终点的目标位置前进)，并且在通过主气管与各级支气管的分叉处时，一并碰触主气管和各级支气管的隆突位置，并且通过设置于示踪定位探头内120的电磁定位传感器122将各个隆突位置在空间上的实际位置在电磁场的位置坐标图像上标示对应的定位标记(S102)。
[0048]之后，根据多个隆突标记与定位标记之间的相对位置，进行位置坐标图像与导航路径的初步配准及修正，其中，通过定位配准模块20将代表各个隆突实际位置的定位标记与导航路径上用来预测隆突位置的隆突标记进行比对，也就是将电磁定位传感器122在电磁场内的当前位置的位置坐标信息与支气管树三维影像的图像坐标信息进行比对。并且，根据比对结果对导航路径与位置坐标图像之间的配准关系进行初步配准及修正，使各个定位标记落入导航路径上，并且与相应位置的隆突标记相互重叠，以便于校正导航路径上的预测标记与实际位置的偏差度(S103)。
[0049]接着，通过初步配准及修正的导航路径引导示踪定位探头120通过相应的支气管(S104)，并且通过示踪定位探头120碰触每个支气管的隆突，以便于获得每个支气管的隆突的实际位置。然后，根据初步配准及修正的导航路径中标示的各个隆突标记和其上级、下级隆突标记的相对位置，通过电磁定位传感器122在位置坐标图像上将每个支气管的隆突位置的下级支气管识别为支气管路径的分叉位置和方向(S105)。之后，定位配准模块20即可以根据这些隆突标记的相对位置和支气管路径的分叉位置和方向进行导航路径的再次配准及修正(S106)。
[0050]接着，通过再次配准及修正的导航路径引导示踪定位探头120通过相应的支气管，直至目标位置(S107)。并且，当示踪定位探头120到达目标位置后，通过示踪定位探头120内的超声探头获得目标位置的超声影像信息(S108)，以及根据此超声影像信息在显示模块30上呈现出目标位置和/或其周围环境的超声影像。如此一来，除了让示踪定位探头120可以顺利的抵达产生病变的目标位置外，还可以同时获得目标位置的超声影像，而确认示踪定位探头120的电磁定位传感器122确实到达产生病变的目标位置，从而提高了医疗器械的导航和定位的精确性。
[0051]值得说明的是，为了提高示踪定位的准确性，在本申请的一些实施例所揭露的医疗导航方法中，在根据各个隆突标记进行导航路径的初步配准及修正的操作以及通过初步配准及修正的导航路径引导示踪定位探头120通过相应的支气管的操作之间，还可以通过支气管镜获得各个隆突位置的真实影像，并且根据各个隆突位置的真实影像调整隆突位置在CT图像和/或支气管树三维影像中的相应位置，使各个隆突位置在真实影像和支气管树三维影像中的位置一致，从而让示踪定位探头120在CT图像、导航路径和/或支气管树三维影像上所显现的映像位置可以极为接近真实位置或恰好对应于真实位置。
[0052]此外，在本申请的另一些实施例所揭露的医疗导航方法中，还可以在示踪定位探头120通过导航路径的过程中，让示踪定位探头120在各级支气管的分叉处分别进入不同分叉的相邻的两个支气管内一段预定距离后，再退回分叉处，通过这种方式，让电磁定位传感器122可以获得各级支气管的分叉点信息、位置信息以及走向信息，并且通过系统控制单元130提供给定位配准模块20，让定位配准模块20可以进一步根据分叉点信息、位置信息以及走向信息对导航路径进行配准及修正。
[0053]如图4所示，为本申请第二实施例的医疗导航系统的方块示意图。本申请第二实施例所露的医疗导航系统与第一实施例的医疗导航系统在组成及作动方式上大致相同，两者间的差异在于，本申请第二实施例所揭露的医疗导航系统除了实时导航定位模块10、定位配准模块20和显示模块30之外，还包括导航路径规划装置40，分别耦接于定位配准模块20和显示模块30。
[0054]导航路径规划装置40包括影像导入模块410、三维影像重建模块420以及路径规划模块430。影像导入模块410用以接收CT图像的原始图像数据，并且根据所接收的CT图像的原始图像数据产生相应的三维CT图像信息。三维影像重建模块420耦接于影像导入模块410，三维影像重建模块420包括三维重建单元421以及支气管识别分割单元422，其中三维重建单元421用以从影像导入模块410接收三维CT图像信息，并且根据三维CT图像信息重建出肺部区域的三维结构数据。支气管识别分割单元422用以从三维重建单元421接收三维CT图像信息和肺部区域的三维结构数据以及根据所述三维CT图像信息识别肺部区域的三维结构数据中的支气管树结构，并且进行分割处理，从而获得支气管树三维影像的结构数据，且支气管树三维影像的结构数据包括图像坐标信息。
[0055]路径规划模块430分别耦接于影像导入模块410和三维影像重建模块420。路径规划模块430用以接收三维CT图像信息以及支气管树三维影像的结构数据，并且根据三维CT图像信息以及支气管树三维影像的结构数据在CT图像/或支气管树三维影像上绘制导航路径，其中导航路径沿着支气管树结构的主气管和各级支气管绘制，并且在导航路径上标示有目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记，导航路径就是由这些位置和标记连接而成。
[0056]以下通过一些方法实施例对本申请第一实施例所揭露的医疗导航系统对医疗器械进行导航的方式做进一步说明。并且，这些医疗导航方法与第一方法实施例的差异主要在于导航路径的规划上，而此一差异是在第一方法实施例的步骤SlOl的操作中进行的。因此，在以下这些方法实施例中，仅着重于导航路径规划装置40如何规划导航路径的方法上做细详说明，其余步骤与第一方法实施例中的步骤S102至S108的内容大致相同，故不再赘述。
[0057]在本申请第二方法实施例所揭露的医疗导航方法中，在CT图像上绘制肺部区域的主气管至多級支气管的导航路径的操作还包括导航路径规划方法，如图5所示，此方法包括:
[0058]步骤S201，获得CT图像；
[0059]步骤S202,在CT图像上将病变位置标记为标定位置；
[0060]步骤S203，在CT图像上寻找多级支气管中最靠近标定位置的支气管，并且将支气管上对应标定位置的位置处标记为目标位置；
[0061]步骤S204，将支气管位于目标位置的上级分叉处标记为第一上级隆突标记；
[0062]步骤S205，在以第一上级隆突标记作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第一下级隆突标记；
[0063]步骤S206，在CT图像上寻找多级支气管中以第一上级隆突标记作为下级分叉点的上一级支气管，将其上级分叉处标记为第二上级隆突标记；
[0064]步骤S207，在以第二上级隆突标记作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第二下级隆突标记；
[0065]步骤S208，重复标记上级隆突标记与下级隆突标记的步骤，直至上级隆突标记位于主气管与多级支气管分叉处的隆突位置，并且以位于此隆突位置的上级隆突标记作为主隆突标记；以及
[0066]步骤S209，在目标位置、第一上级隆突标记、第一下级隆突标记、第二上级隆突标记、第二下级隆突标记和主隆突标记之间依相对位置绘制连接线，而构成导航路径。
[0067]请参照图4至图9，在本申请所揭露的第二方法实施例中，首先，通过影像导入模块410接收CT图像(S201)，并且从CT图像中获得CT图像的原始图像数据，然后根据CT图像的原始图像数据产生相应的三维CT图像信息。在此步骤中，还可以通过三维影像重建模块420的三维重建单元421接收影像导入模块410传入的三维CT图像信息，并且根据三维CT图像信息重建出肺部区域的三维结构数据。同时，在此步骤中，支气管识别分割单元422接收三维CT图像信息和肺部区域的三维结构数据，并且根据所述三维CT图像信息识别肺部区域的三维结构数据中的支气管树结构，然后进行分割处理，从而得到支气管树三维影像的结构数据，例如支气管树三维影像的图像坐标信息。
[0068]接着，在CT图像上将病变位置标记为标定位置在CT图像上将病变位置标记为标定位置T0(S202)。然后，在CT图像上寻找多级支气管中最靠近标定位置的支气管，并且将此支气管上对应标定位置的位置处标记为目标位置B0(S203)。其中，若标定位置TO位于此支气管上，目标位置BO与标定位置TO相互重叠(如图6和图8所示)；以及若标定位置TO位于多级支气管中相邻的两个支气管之间，则目标位置BO被标示在位于相邻的两个支气管中最靠近标定位置的支气管的下级分叉处(如图7和图9所示)。
[0069]之后，将支气管位于目标位置BO的上级分叉处标记为第一上级隆突标记C1(S204)。接着，在以第一上级隆突标记Cl作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第一下级隆突标记BI (S205)。之后，在CT图像上寻找多级支气管中以第一上级隆突标记Cl作为下级分叉点的上一级支气管，将其上级分叉处标记为第二上级隆突标记C2(S206);以及在以第二上级隆突标记C2作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第二下级隆突标记B2 (S207)。
[0070]然后，以此类推，重复在CT图像上的主气管和多级支气管上对应标记上级隆突标记与下级隆突标记的步骤，直至上级隆突标记位于主气管与多级支气管分叉处的隆突位置，并且以位于此隆突位置的上级隆突标记作为主隆突标记Cn(S208)。最后，在目标位置B0、第一上级隆突标记Cl、第一下级隆突标记B1、第二上级隆突标记C2、第二下级隆突标记B2和主隆突标Cn记之间依相对位置绘制连接线，而构成导航路径(S209)。
[0071]因此，当导航路径绘制完成后，在CT图像上标记有目标位置B0、第一上级隆突标记Cl、第一下级隆突标记B1、第二上级隆突标记C2、第二下级隆突标记B2、…、和主隆突标记Cn。
[0072]其中，标定位置TO位于多个支气管中的其中一个支气管上；目标位置BO依据标定位置TO的不同，而与标定位置TO相互重叠或者是位于相邻的两个支气管中最靠近标定位置TO的支气管的下级分叉处；第一上级隆突标记Cl位于以目标位置BO为下级分叉点的支气管的上级分叉处；第一下级隆突标记BI位于以第一上级隆突标记Cl为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；第二上级隆突标记C2位于以第一上级隆突标记Cl为下级分叉点的上一级支气管的上级分叉处；第二下级隆突标记B2位于以第二上级隆突标记C2为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；主隆突标记Cn位于主气管与多个支气管的分叉处。
[0073]通过这种由病变位置开始向主气管的标记顺序，保证了导航路径的唯一性。此过程不仅标记路径，还获得了导航路径上的关键点，这些关键点包含了对各个支气管的分叉点的其他分叉支气管的位置进行标记，从而包含所有分叉处的导航信息，用于路径和前进方向的判断，并且这些数据完全对应于从三维CT图像信息重建得到的支气管树三维影像的结构数据，可以在导航阶段中更好的指引支气管镜的前进方向，而顺利的引导示踪定位探头及电磁定位传感器到达发生病变的目标位置。同时，通过超声探头的配置，还可以在目标位置获取病变区域的实时影像，而更加确认电磁定位传感器已抵达目标位置，从而实现对病灶的精确三维定位和示踪作用。
[0074]上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种医疗导航系统，适于在肺部区域的(:1'图像和/或支气管树三维影像的基础上配合支气管镜进行支气管路径的导航操作，其特征在于，所述医疗导航系统包括:实时导航定位模块、定位配准模块以及显示模块，其中， 所述实时导航定位模块，包括:电磁场发射单元、示踪定位单元以及系统控制单元，其中， 所述电磁场发射单元用以发生电磁场； 所述示踪定位探头，耦接于所述系统控制单元，并且可以跟随所述支气管镜或独立的在所述肺部区域的支气管树内自由位移，所述示踪定位探头包括探头本体、电磁定位传感器和超声探头，所述电磁定位传感器和所述超声探头设置于所述探头本体的同一端，所述电磁定位传感器用以发送所述示踪定位探头在所述电磁场内部的当前位置的位置坐标信息到所述系统控制单元，所述超声探头用以发送所述当前位置的超声影像信息到所述显示模块； 所述系统控制单元耦接于所述电磁场发射单元，用以控制所述电磁场发射单元发生所述电磁场，并且接收所述位置坐标信息以及根据所述位置坐标信息在所述电磁场上建立相应的位置坐标图像； 所述定位配准模块耦接于所述系统控制单元，用以接收所述支气管树三维影像的图像坐标信息，以及从所述系统控制单元接收所述位置坐标信息和所述位置坐标图像，并且比对所述图像坐标信息与所述位置坐标信息，以及根据比对结果校正所述图像上的导航路径与所述位置坐标图像的配准关系； 所述显示模块分别耦接于所述实时导航定位模块、所述支气管镜和所述定位配准模块，用以接收并显示所述图像、所述导航路径、所述支气管树三维影像、所述图像坐标信息、所述位置坐标信息、所述超声影像信息以及所述位置坐标图像。
2.如权利要求1所述的医疗导航系统，其特征在于，所述示踪定位探头还包括导管鞘，所述探头本体穿设于所述导管鞘内，且所述探头本体设置有所述电磁定位传感器和所述超声探头的一端可以伸出至所述导管鞘外或缩回所述导管鞘内，其中所述导管鞘预先设置弯曲角度，以通过所述导管鞘的旋转来引导所述探头本体进入所述支气管树内不同的支气管分叉。
3.如权利要求1所述的医疗导航系统，其特征在于，所述电磁定位传感器为6自由度电磁定位传感器。
4.如权利要求1所述的医疗导航系统，其特征在于，还包括导航路径规划装置，分别耦接于所述定位配准模块和所述显示模块，所述导航路径规划装置包括: 影像导入模块，用以接收所述图像的原始图像数据，并且根据所述原始图像数据产生三维图像信息； 三维影像重建模块，耦接于所述影像导入模块，所述三维影像重建模块包括: 三维重建单元，用以接收所述三维图像信息，并且根据所述三维图像信息重建出所述肺部区域的三维结构数据；以及 支气管识别分割单元，用以接收所述肺部区域的三维图像信息和所述肺部区域的三维结构数据，以及根据所述肺部区域的三维图像信息识别所述肺部区域的三维结构数据中的支气管树结构，并且进行分割处理，而获得所述支气管树三维影像的结构数据，且所述支气管树三维影像的结构数据包括所述图像坐标信息；以及 路径规划模块，分别耦接于所述影像导入模块和所述三维影像重建模块，所述路径规划模块用以接收所述三维图像信息以及所述支气管树三维影像的结构数据，并且根据所述三维图像信息和所述支气管树三维影像的结构数据分别在所述图像和丨或所述支气管树三维影像上绘制所述导航路径。
5.如权利要求4所述的医疗导航系统，其特征在于，所述支气管树包括主气管和多级支气管，所述导航路径沿着所述主气管和所述多级支气管绘制，并且在所述图像上标记有: 标定位置，位于所述多级支气管中的其中一个支气管上； 目标位置，与所述标定位置相互重叠； 第一上级隆突标记，位于所述支气管的上级分叉处； 第一下级隆突标记，位于以所述第一上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处； 第二上级隆突标记，位于以所述第一上级隆突标记为下级分叉点的上一级支气管的上级分叉处； 第二下级隆突标记，位于以所述第二上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；以及 主隆突标记，位于所述主气管和所述多级支气管的分叉处； 其中，所述目标位置、所述第一上级隆突标记、所述第一下级隆突标记、所述第二上级隆突标记、所述第二下级隆突标记和所述主隆突标记相互连接，而构成所述导航路径。
6.如权利要求4所述的医疗导航系统，其特征在于，所述支气管树包括主气管和多级支气管，所述导航路径沿着所述主气管和所述多级支气管绘制，并且在所述图像上标记有: 标定位置，位于所述多级支气管中相邻的两个支气管之间； 目标位置，位于所述相邻的两个支气管中距离所述标定位置最近的支气管的下级分叉处； 第一上级隆突标记，位于以所述目标位置为下级分叉点的所述支气管的上级分叉处； 第一下级隆突标记，位于以所述第一上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处； 第二上级隆突标记，位于以所述第一上级隆突标记为下级分叉点的上一级支气管的上级分叉处； 第二下级隆突标记，位于以所述第二上级隆突标记为上级分叉点的另一支气管的下级分叉处；以及 主隆突标记，位于所述主气管和所述多级支气管的分叉处； 其中，所述目标位置、所述第一上级隆突标记、所述第一下级隆突标记、所述第二上级隆突标记、所述第二下级隆突标记和所述主隆突标记相互连接，而构成所述导航路径。
7.—种医疗导航方法，适于在肺部区域的图像和支气管树三维影像的基础上配合支气管镜进行支气管路径的导航操作，其特征在于，所述医疗导航方法包括: 在所述图像和/或所述支气管树三维影像上绘制所述肺部区域的主气管至多级支气管的导航路径，其中所述导航路径上具有多个隆突标记； 根据所述导航路径，通过示踪定位探头碰触所述主气管和所述多级支气管的隆突位置，并且通过所述示踪定位探头内的电磁定位传感器将各个所述隆突位置在电磁场的位置坐标图像上标示对应的定位标记； 根据所述多个隆突标记与所述定位标记进行所述位置坐标图像与所述导航路径的初步配准及修正； 通过初步配准及修正的导航路径引导所述示踪定位探头通过相应的支气管； 根据所述初步配准及修正的导航路径中标示的各个所述隆突标记和其上级、下级隆突标记的相对位置，通过所述电磁定位传感器在所述位置坐标图像上将每个支气管的隆突位置的下级支气管识别为支气管路径的分叉位置和方向； 根据各个所述隆突标记的相对位置和所述支气管路径的分叉位置和方向，进行所述导航路径的再次配准及修正； 通过再次配准及修正的导航路径引导所述示踪定位探头通过相应的支气管，直至目标位置；以及 通过所述示踪定位探头内的超声探头获得所述目标位置的超声影像信息。
8.如权利要求7所述的医疗导航方法，其特征在于，在根据各个所述隆突标记进行所述导航路径的初步配准及修正的操作以及通过所述初步配准及修正的导航路径引导所述示踪定位探头通过相应的支气管的操作之间，还包括: 通过所述支气管镜获得各个所述隆突位置的真实影像，并且根据各个所述隆突位置的真实影像调整各个所述隆突位置在所述支气管树三维影像中的相应位置，使各个所述隆突位置在所述真实影像和所述支气管树三维影像中的位置一致。
9.如权利要求7所述的医疗导航方法，其特征在于，还包括: 通过所述示踪定位探头在所述各级支气管的分叉处，分别进入不同分叉的相邻的两个支气管内一段预定距离，然后再退回所述分叉处； 通过所述电磁定位传感器获得所述各级支气管的分叉点信息、位置信息以及走向信息；以及 根据所述分叉点信息、所述位置信息以及所述走向信息对所述导航路径进行配准及修正。
10.如权利要求7所述的医疗导航方法，其特征在于，在所述图像和/或所述支气管树三维影像上绘制所述肺部区域的主气管至多级支气管的导航路径的操作包括: 获得所述图像； 在所述图像上将病变位置标记为标定位置； 在所述图像上寻找所述多级支气管中最靠近所述标定位置的支气管，并且将所述支气管上对应所述标定位置的位置处标记为目标位置； 将所述支气管位于所述目标位置的上级分叉处标记为第一上级隆突标记； 在以所述第一上级隆突标记作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第一下级隆突标记； 在所述图像上寻找所述多级支气管中以所述第一上级隆突标记作为下级分叉点的上一级支气管，将其上级分叉处标记为第二上级隆突标记； 在以所述第二上级隆突标记作为上级分叉点的另一支气管上，将其下级分叉处标记为第二下级隆突标记； 重复标记上级隆突标记与下级隆突标记的步骤，直至所述上级隆突标记位于所述主气管与所述多级支气管分叉处的隆突位置，并且以位于所述隆突位置的上级隆突标记作为主隆突标记；以及 在所述目标位置、所述第一上级隆突标记、所述第一下级隆突标记、所述第二上级隆突标记、所述第二下级隆突标记和所述主隆突标记之间依相对位置绘制连接线，而构成所述导航路径。
11.如权利要求10所述的医疗导航方法，其特征在于，在所述图像上寻找所述多级支气管中最靠近所述标定位置的支气管，并且将所述支气管上对应所述标定位置的位置处标记为目标位置的操作中: 若所述标定位置位于所述支气管上，所述目标位置与所述标定位置相互重叠；以及 若所述标定位置位于所述多级支气管中相邻的两个支气管之间，所述目标位置位于所述相邻的两个支气管中距离所述目标位置最近的支气管的下级分叉处。
【文档编号】A61B19/00GK104306072SQ201410642958
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】刘弘毅 申请人:刘弘毅