一种支气管镜电磁导航系统的制作方法

本申请实施例涉及电磁导航领域，尤其涉及一种支气管镜电磁导航系统。

背景技术：

目前，支气管镜检查是呼吸系统疾病重要的诊疗手段之一，它可对气管、支气管管腔直接肉眼观察,同时做活组织检查,正确诊断疾病；支气管镜可以对肺部疾病作治疗,如吸引痰液、局部止血、新生物的摘除等；还可以局部给药以达到更好的治疗效果。当病变位置需要经过多重支气管树分支的时候，仅有当前支气管镜图像已经不足以辅助医生判断到达病变处的路径，使得手术操作难度增加。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种支气管镜电磁导航系统，在计算机显示的虚拟三维支气管树和当前跟踪定位导管位置的指导下，判断到达病变处的路径。

第一方面，本申请实施例提供一种支气管镜电磁导航系统，包括：注册模块、导航模块和显示模块，其中，

所述注册模块，用于匹配术前患者肺部区域计算机断层扫描CT图像和术中所述患者肺部区域的支气管图像，以构建所述患者支气管在所述CT图像中的位置图像；

所述导航模块包括：导航单元与控制单元，其中，

所述导航单元，耦接于所述控制单元，可以跟随气管镜在所述患者肺部区域的支气管树内移动，所述导航单元内设置定位传感器，所述定位传感器用于获取所述气管镜的实时位置坐标；

所述控制单元，用于根据所述实时位置坐标以及中心线，在所述位置图像中确定出所述实时位置坐标对应的正确坐标，所述中心线为经过所述支气管树中任意一个分叉点的直线，所述中心线至少为一条；

所述显示模块，耦接于所述注册模块和所述导航模块，用于显示所述CT图像、所述位置图像、所述实时位置坐标以及所述正确坐标。

在一种可能的实现方式中，上述的支气管镜电磁导航系统，还包括：

呼吸传感器，设置在所述气管镜内并耦接于所述注册模块，用于获取第一数据，所述第一数据包括所述患者至少两个呼吸时刻下支气管的数据；

所述定位传感器，还耦接于所述注册模块，用于获取第二数据，所述第二数据为所述患者呼吸时刻下支气管的数据；

所述注册模块，具体用于根据所述第二数据，将所述第一数据分为至少两类，从所述至少两类数据中确定出所述CT图像的原始图像数据对应的误差最小数据，根据所述误差最小数据和术中所述患者肺部区域的支气管图像，所述患者支气管在所述CT图像中的位置图像。

在一种可能的实现方式中，所述控制单元，具体用于采用中心线矫正算法将所述实时位置坐标到所述中线线的距离，矫正投影到所述中心线上，以确定出所述正确坐标。

在一种可能的实现方式中，上述的支气管镜电磁导航系统还包括：心肺呼吸检测仪，耦接于所述控制单元，用于检测所述患者的呼吸、心跳周期。

在一种可能的实现方式中，所述心肺呼吸检测仪，还包括复苏装置，用于在所述患者心跳骤停时，准确找到所述患者的心脏，对所述患者施救。

在一种可能的实现方式中，上述的支气管镜电磁导航系统还包括：

电磁场发射模块，用于发生电磁场，耦接于所述控制单元；

所述控制单元，还用于控制所述电磁场发射模块发生所述电磁场。

在一种可能的实现方式中，所述导航模块还用于接收所述电磁场发射模块发出的电磁波，所述控制单元将所述导航单元在所述患者气管中的位置准确的显示在所述显示模块上。

在一种可能的实现方式中，所述定位传感器为光学传感器、6自由度电磁定位传感器或超声波传感器。

在一种可能的实现方式中，所述定位传感器的输出信号为视频信号、图像信号或坐标信号。

在一种可能的实现方式中，所述显示模块显示视频图像、静态图像或坐标。

本申请实施例提供的支气管镜电磁导航系统，包括注册模块、导航模块和显示模块，通过注册模块匹配出的支气管在CT图像中的位置图像，导航模块中的定位传感器获取到支气管镜的实时位置坐标，导航模块中的控制单元根据实时位置坐标以及中心线，在位置图像中确定出实时位置坐标对应的正确坐标，显示模块，对CT图像、位置图像、实时位置坐标以及正确坐标进行显示，该过程中，通过注册模块的正确注册和导航模块的精准导航，实现支气管树中的精确电磁导航。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的支气管镜电磁导航系统的结构示意图；

图2为本申请支气管镜电磁导航系统所使用的注册导航示意图；

图3为本申请支气管镜电磁导航系统的注册流程图；

图4为本申请支气管镜电磁导航系统导航过程中的中心线矫正示意图；

图5为本申请另一实施例提供的支气管镜电磁导航系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。以下内容为结合附图及较佳实施例，对依据本申请的具体实施方式、结构、特征及其功效的详细说明。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等(如果存在)是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任意变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显示地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

另外，如在说明书及权利要求书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称来称呼同一个组件。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。若在通篇说明书以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，或通过其他装置或耦接手段间接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。

本公开的支气管镜电磁导航系统适用于在肺部区域的CT图像的基础上，配合支气管镜进行支气管路径的导航操作。

图1为本申请一实施例提供的支气管镜电磁导航系统的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供的支气管镜电磁导航系统1包括注册模块10、导航模块20以及显示模块30，其中，注册模块10，用于匹配术前患者肺部区域计算机断层扫描CT图像和术中所述患者肺部区域的支气管图像，以构建所述患者支气管在所述CT图像中的位置图像；导航模块20包括导航单元210和控制单元220，其中，导航单元210，耦接于控制单元220，可以根据气管镜在患者肺部区域的支气管树内移动，导航单元210内设置有定位传感器2110，定位传感器2110用于获取气管镜的实时位置坐标，该实时位置坐标可根据定位传感器2110获取到的气管镜插入气管的深度和角度计算出，控制单元220用于根据定位传感器2110获取到的实时位置坐标以及中心线，在注册模块10匹配出的支气管在CT图像中的位置图像中，确定实时位置对应的正确坐标，其中，中心线为经过支气管树中任意一个分叉点的直线，通常情况系，中心线至少为一条，显示模块30，耦接于注册模块10和导航模块20，用于显示导入注册模块10的CT图像、注册模块10匹配出的位置图像、导航模块20中的定位传感器获取到的实时位置坐标以及控制单元220最终确定出的正确坐标。

通常情况下，由于患者的呼吸运动原因和其他原因，根据术前CT进行注册导航，会导致导航偏差，比如在4、5级支气管中，通过术中支气管镜中的定位导管上的定位传感器采集的实时位置坐标，转换到术前CT图像与支气管图像匹配出的位置图像中，发现该实时位置坐标不在CT图像与支气管图像匹配出的位置图像中，即不在支气管的管腔内。此时，电磁导航提示已经到达病灶，而结果离病灶还有一定距离甚至由于偏差，依靠导航的路径跟实际的路径不一致使得导航失败，从而使得医生发生误判。导航偏差或失败的原因一般有如下三个原因：原因一、注册矩阵开始(1-2级支气管)不精确，后期(4-5级支气管)也没有进行更新；原因二、气管由于气管镜的进入导致形变；原因三、患者呼吸运动导致偏差。这三个原因是相互影响的，也是目前现有的方法无法解决的技术问题。

本公开实施例提供的支气管镜电磁导航系统，使用优化后的注册方法，加上中心线匹配的导航方式结合安装在支气管镜上的定位传感器，如光学传感器、6自由度电磁定位传感器等，获取到的支气管镜插入气管的实时位置坐标实现支气管树中的精确电磁导航。进一步的，所述定位传感器2110的输出信号为视频信号、图像信号或坐标信号；相应的，所述显示模块30显示视频图像、静态图像或坐标。

本公开实施例提供的支气管镜电磁导航系统，包括注册模块、导航模块和显示模块，通过注册模块匹配出的支气管在CT图像中的位置图像，导航模块中的定位传感器获取到支气管镜的实时位置坐标，导航模块中的控制单元根据实时位置坐标以及中心线，在位置图像中确定出实时位置坐标对应的正确坐标，显示模块，对CT图像、位置图像、实时位置坐标以及正确坐标进行显示，该过程中，通过注册模块的正确注册和导航模块的精准导航，实现支气管树中的精确电磁导航。

电磁导航最重要的两大技术模块为：注册(将术前CT和术中支气管树匹配)，导航(将术中实时获取的支气管树的位置返回到术前CT中的坐标系中，用来提示当前传感器所在术前CT的哪个位置)。注册和导航的误差将同时决定电磁导航的精度。下面，对本申请实施例提供的支气管镜电磁导航系统的注册过程和导航过程分别进行详细说明。

首先，注册过程。

图2为本申请支气管镜电磁导航系统所使用的注册导航示意图，图3为本申请支气管镜电磁导航系统的注册流程图。

请参照图2，本申请实施例中，注册模块10实时更新匹配CT图像和术中所述患者肺部区域的支气管图像构建出的、患者支气管在CT图像中的位置图像，支气管镜参数也是实时更新的，定位传感器实时获取支气管镜的实时位置坐标，导航模块20进行精准导航。

再请参照图1，本申请实施例中，支气管镜电磁导航系统还包括呼吸传感器40设置在所述气管镜内并耦接于所述注册模块，用于获取第一数据，所述第一数据包括所述患者至少两个呼吸时刻下支气管的数据；所述定位传感器2110，还耦接于所述注册模块，用于获取第二数据，所述第二数据为所述患者呼吸时刻下支气管的数据；所述注册模块10，具体用于根据所述第二数据，将所述第一数据分为至少两类，从所述至少两类数据中确定出所述CT图像的原始图像数据对应的误差最小数据，根据所述误差最小数据和术中所述患者肺部区域的支气管图像，所述患者支气管在所述CT图像中的位置图像。

在上述图1的基础上，再请参照图3，控制单元220根据呼吸传感器40采集到的第一数据，将定位传感器2110采集到的数据划分为11个类，如图中的第0类数据～第10类数据，然后注册模块10从该11类数据中，找到CT图像的原始图像数据对应的误差最小数据，CT图像的原始图像数据与第0类数据～第10类数据中，每类数据的误差分别记为误差(0)～误差(10)。假设11数据中，CT图像的原始图像数据对应的误差最小的数据为第K类数据，其中，0≤K≤10，K为整数，根据所述误差最小数据和术中所述患者肺部区域的支气管图像，所述患者支气管在所述CT图像中的位置图像。

上述注册过程中，考虑到了术前CT的呼吸时刻，术中对所有呼吸时刻的点集进行分类，找到注册误差最小的一类点集作为注册点集进行注册。

其次，导航过程。

本申请实施例中，所述控制单元220，具体用于采用中心线矫正算法将所述实时位置坐标到所述中线线的距离，矫正投影到所述中心线上，以确定出所述正确坐标。具体的，请参照图4。

图4为本申请支气管镜电磁导航系统导航过程中的中心线矫正示意图，请参照图4：从“根”开始，每条实线代表一条中心线，P_BK表示支气管树中第K个分叉点坐标，例如P_B1表示支气管树中第1个分叉点坐标，P_B2表示支气管树中第2个分叉点坐标，P_B3表示支气管树中第3个分叉点坐标。

P_C：是由定位传感器坐标通过上述的注册流程后转换到CT图像与支气管树图像匹配出的位置图像坐标系下的坐标。本申请实施例中，中心线矫正是将P_C拉倒正确的分支上，同时正确计算出在中心线上的位移，中心线即图中的实线。中心线矫正算法流程如下：

步骤1、设定P_C到中心线的最大垂直距离：MD，获得P_C的方向D_PC。其中，MD的值等于P_C到中心线垂直点的距离，可以有多个，在图4中例如为P_C和P_1、P_2、P_3或P_4两点之间的距离，D_PC包括了三维坐标和三维方向。

步骤2、计算P_C到P_N的距离小于等于MD的点集(P_1，P_2，……，P_N)作为备选点集，同时计算距离(P_C-P_1，P_C-P_2，……，P_C-P_N)。

步骤3、计算点集(P_1，P_2，……P_N)的方向，记为(D1，D2，……，DN)。其中，P_1的方向为经过P_1的切线方向，P_2的方向为经过P_2的切线方向……

步骤4、计算点集P_C的方向和点集(P_1，P_2，……，P_N)方向的夹角，记为(D_1，D_2，……，D_N)。

步骤5、计算点集(P_1，P_2，……，P_N)到P_K的中心线路径距离，记为(M1，M2，……，MN)。

步骤6、构造成本函数：COST(P_H)＝1/3×(P_C_P_K/(P_C-P_1+P_C-P_2+…+P_C-P_N))+1/3×(D_K/(D_1+D_2+…+D_N)+1/3×(M1/(M1+M2+…+MN))。

步骤7、MIN(COST(P_H))，找到最小的成本，记录该点为P_H。

在上述示例中可以看出，P_1是成本函数最小的点集中的点。现在我们需要考虑P_1和P_K的位移是否正确。这时候，我们需要通过光学传感器(例如：附着在气管镜上的光学鼠标传感器等)得到的气管镜插入的位移距离D进行验证，即：如果D(P_1,P_K)大于D，则P_1+(D(P_1,P_K)-D),否则P_1-(D(P_1,P_K)-D)。

上述导航过程中，加入中心线矫正算法减少导航误差，同时，使用定位传感器，如光学传感器等将获得的实时位置坐标进行矫正投影，从而投影到中线上的正确位置。

图5为本申请另一实施例提供的支气管镜电磁导航系统的结构示意图。请参照图5，本实施例提供的支气管镜电磁导航系统，在上述图1的基础上还包括：心肺呼吸检测仪50，耦接于所述控制单元，用于检测所述患者的呼吸、心跳周期。

进一步的，所述心肺呼吸检测仪50，还包括复苏装置，用于在所述患者心跳骤停时，准确找到所述患者的心脏，对所述患者施救。

再请参照图5，本申请实施例提供的支气管镜电磁导航系统，还包括：电磁场发射模块60，用于发生电磁场，耦接于所述控制单元，所述控制单元220，还用于控制所述电磁场发射模块60发生所述电磁场。

进一步的，所述导航模块20还用于接收所述电磁场发射模块60发出的电磁波，所述控制单元220将所述导航单元210在所述患者气管中的位置准确的显示在所述显示模块30上。

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程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。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。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。