手术辅助定位方法和装置与流程

本发明涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种手术辅助定位方法和装置。

背景技术

在临床上，特别是肿瘤治疗的临床上，越来越广泛的使用医学图像做引导，然后使用机械臂辅助进行手术工具的定位，从而进行微创手术，以便减少病人创面，加速病人康复速度。

根据医学图像，勾画出治疗对应的目标点和入针方向是手术得以顺利进行的关键所在。由于病人处于持续呼吸的状态，且消融主要的部位为肺部和肝部等受呼吸影响最大的部位，实际由于病人呼吸的纵隔运动，对应的器官内病灶点的位移可以达到5cm。

目前的常见做法是在病人身体中装配呼吸监控绑带，并对呼吸运动进行分相和指示灯显示，并训练病人在对应的呼吸灯亮起的时候憋住呼吸，并在此刻进行手术。

相关研究结果表明，在没有训练的情况下，一次穿刺成功率仅为40％，而在进行训练之后，一次穿刺成功率也仅为70％。

基于此，现有方法具有以下缺点：

1.需要额外的绑带进行呼吸监控，造成病人不舒适和成本上升。

2.需要额外对病人进行培训，耗时且效果不好，经常造成反复重新插针。

3.病人的屏气在扫描和穿刺两次进行，两次屏气无可避免的会存在偏差。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供一种手术辅助定位方法和装置。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种手术辅助定位方法，所述方法，包括：

s101，获取病人当前呼吸相位；

s102，将所述当前呼吸相位与预先获得的标准呼吸相位进行比较；

s103，当比较结果满足预设条件时，发出触发信号；

所述触发信号，用于触发进行手术。

可选地，所述s101之前还包括：

s201，在第一时间段内，采集所述病人的第一呼吸信号；

s202，对所述第一呼吸信号进行滤波处理，得到标准呼吸波形；

s203，基于所述标准呼吸波形，提取第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期、采集停止的第一时刻以及所述第一时刻对应的第一幅度；

s204，根据第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期、第一时刻以及第一幅度确定标准呼吸相位。

可选地，所述s203包括：

s301，在所述标准呼吸波形中，随机获取一周期内的波形；

s302，将s301中获取的周期确定为第一呼吸周期；

s303，将s301中获取的波形的峰值和波谷确定为第一最大收缩点和第一最大扩张点。

可选地，所述s203包括：

s401，从所述标准呼吸波形开始，依次获取预设数量个周期内的波形；

s402，将s401中获取的所有周期的均值确定为第一呼吸周期；

s401，将s401中获取的所有波形的峰值均值和波谷均值确定为第一最大收缩点和第一最大扩张点。

可选地，所述预设数量为6。

可选地，所述s204包括：

s204-1，将第一最大扩张点与第一最大收缩点之间的幅度差确定为第一比对幅度；

s204-2，计算a1＝(第一幅度-所述第一时刻所在周期的波谷幅度)/第一比对幅度；

s204-3，计算第一时刻与所述第一时刻所在周期的起始时刻的差；

s204-4，计算b1＝s204-3得到的差值/第一呼吸周期；

s204-5，根据a1和b1确定标准呼吸相位。

可选地，所述s101包括：

s101-1，在第二时间段内，采集所述病人的第二呼吸信号，所述第二时间段与所述第一时间段不同，且所述第二时间段晚于所述第一时间段；

s101-2，对所述第二呼吸信号进行滤波处理，得到当前呼吸波形；

s101-3，基于所述当前的呼吸波形，提取采集停止的第二时刻以及采所述第二时刻对应的第二幅度；

s101-4，根据第二时刻以及第二幅度确定当前呼吸相位。

可选地，所述s101-4包括：

s501，计算a2＝(第二幅度-所述第二时刻所在周期的波谷幅度)/第一比对幅度；

s502，计算第二时刻与所述第二时刻所在周期的起始时刻的差；

s503，计算b2＝s502得到的差值/第一呼吸周期；

s504，根据a2和b2确定当前呼吸相位。

可选地，所述触发信号为：使能信号；或者，

所述触发信号为：指示信号和使能信号；

所述使能信号，用于触发进行手术；

所述指示信号，用于触发病人憋气。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案还包括：

一种手术辅助定位装置，所述装置，包括：成像系统、支撑系统、机械臂以及中控计算机；

所述成像系统，用于将生理信号转变为呼吸信号或者心电信号；

所述支撑系统，用于承载病人；

所述机械臂，用于装载手术工具；

中控计算机，用于执行如上述方法任意一项的步骤。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：将病人当前呼吸相位与预先获得的标准呼吸相位进行比较；当比较结果满足预设条件时，发出用于触发进行手术的触发信号，本方法可以实现手术开始时间的精确定位，提升了手术成功率。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种呼气阶段示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种吸气阶段示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种手术辅助定位方法流程示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种呼吸波形示意图；

图5为本发明一个实施例提供的一种手术辅助定位方法装置结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

根据医学图像，勾画出治疗对应的目标点和入针方向是手术得以顺利进行的关键所在。由于病人处于持续呼吸的状态，且消融主要的部位为肺部和肝部等受呼吸影响最大的部位，实际由于病人呼吸的纵隔运动(如图1所示的呼气阶段示意图和图2所示的吸气阶段示意图)，对应的器官内病灶点的位移可以达到5cm。

基于此，本申请提供一种方法，该方法通过手术辅助定位装置实现。

该手术辅助定位装置包括成像系统、支撑系统、机械臂以及中控计算机。

其中，

成像系统，用于将呼吸信号(如肌电信号或者心电信号)以图形的方式进行展现，或者，还可以实现其他功能。本实施例不对成像系统可以实现的具体功能进行限定。在具体实现时，成像系统的具体实现方式可以有多种，如将单独的设备作为成像系统，或者，将一个模块(如生理信号处理模块)作为成像系统，此时，可以将该模块嵌入其他设备中，实现功能集成。

其中，呼吸信号的采集方式有多种，例如：通过胸部绑带加压力传感器的方式采集胸锁乳突肌的肌电信号。或者，通过胸部绑带加压力传感器的方式采集肋间肌的心电信号。或者，通过其他呼吸信号提取方式采集病人的呼吸信号。

支撑系统，用于承载病人；

机械臂，用于装载手术工具；

中控计算机，用于执行本申请提供一种方法。

本申请的手术辅助定位装置的具体实现示意图如图3所示，其中，成像系统82通过至少一个模块实现至少一个功能，图3中将生理信号处理模块作为成像系统。支撑系统81除图示之外，还以有其他实现方式。机械臂除装载手术工具之外，还可以基于使能信号(图3中为手术工具使能信号)控制手术工具进行手术。中控计算机并未在图3中示出。

上述装置中控计算机中执行的手术辅助定位方法具体实现流程如图4所示。

s101，获取病人当前呼吸相位；

s102，将当前呼吸相位与预先获得的标准呼吸相位进行比较；

s103，当比较结果满足预设条件时，发出触发信号；

触发信号，用于触发进行手术。

可选地，s101之前还包括：

s201，在第一时间段内，采集病人的第一呼吸信号；

s202，对第一呼吸信号进行滤波处理，得到标准呼吸波形；

s203，基于标准呼吸波形，提取第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期、采集停止的第一时刻以及第一时刻对应的第一幅度；

s204，根据第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期、第一时刻以及第一幅度确定标准呼吸相位。

可选地，s203包括：

s301，在标准呼吸波形中，随机获取一周期内的波形；

s302，将s301中获取的周期确定为第一呼吸周期；

s303，将s301中获取的波形的峰值和波谷确定为第一最大收缩点和第一最大扩张点。

可选地，s203包括：

s401，从标准呼吸波形开始，依次获取预设数量个周期内的波形；

s402，将s401中获取的所有周期的均值确定为第一呼吸周期；

s401，将s401中获取的所有波形的峰值均值和波谷均值确定为第一最大收缩点和第一最大扩张点。

可选地，预设数量为6。

可选地，s204包括：

s204-1，将第一最大扩张点与第一最大收缩点之间的幅度差确定为第一比对幅度；

s204-2，计算a1＝(第一幅度-第一时刻所在周期的波谷幅度)/第一比对幅度；

s204-3，计算第一时刻与第一时刻所在周期的起始时刻的差；

s204-4，计算b1＝s204-3得到的差值/第一呼吸周期；

s204-5，根据a1和b1确定标准呼吸相位。

可选地，s101包括：

s101-1，在第二时间段内，采集病人的第二呼吸信号，第二时间段与第一时间段不同，且第二时间段晚于第一时间段；

s101-2，对第二呼吸信号进行滤波处理，得到当前呼吸波形；

s101-3，基于当前的呼吸波形，提取采集停止的第二时刻以及采第二时刻对应的第二幅度；

s101-4，根据第二时刻以及第二幅度确定当前呼吸相位。

可选地，s101-4包括：

s501，计算a2＝(第二幅度-第二时刻所在周期的波谷幅度)/第一比对幅度；

s502，计算第二时刻与第二时刻所在周期的起始时刻的差；

s503，计算b2＝s502得到的差值/第一呼吸周期；

s504，根据a2和b2确定当前呼吸相位。

可选地，触发信号为：使能信号；或者，

触发信号为：指示信号和使能信号；

使能信号，用于触发进行手术；

指示信号，用于触发病人憋气。

为了更加清楚的描述本提案提供的手术辅助定位方法的实现过程，本提案以病人a为例，按时间顺序描述病人a通过本方法进行手术的实现过程。

s201，在第一时间段内，采集病人的第一呼吸信号。

此处的第一呼吸信号为肌电信号或者心电信号，其采集方式可以有多种，本实施例不进行限定。例如：通过胸部绑带加压力传感器的方式采集病人胸锁乳突肌的肌电信号并将其作为第一呼吸信号。又例如，通过胸部绑带加压力传感器的方式采集病人肋间肌的心电信号并将其作为第一呼吸信号。还例如，通过其他呼吸信号提取方式采集病人的第一呼吸信号。

此处的第一时间段可以是手术之前的任何时间段，在该时间段内病人a正常呼吸，不需要对病人a进行相应的训练，也不需要病人a憋气。

s202，对第一呼吸信号进行滤波处理，得到标准呼吸波形。

呼吸波形是反映呼吸情况的上下波动曲线，如图5所示的波形。本步骤中的标准呼吸波形可以反映病人a正常呼吸时的上下波动曲线。

s203，基于标准呼吸波形，提取第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期、采集停止的第一时刻以及第一时刻对应的第一幅度。

需要说明的是，本实施例及后续实施例所提及的幅度是相应点距离标准位置(如横坐标，或者，相应胸腔不起伏的0幅度)的距离。另外，本实施例中所涉及的幅度并非绝对正值，如在标准位置的下方(如波谷)，则幅度值为负值，在标准位置的上方(如波峰)，幅度值为正直。

另外，第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期的提取方式有多种，本实施例仅提供2种作为示例，对其他提取方式不作限定。

第一种实现方式：

s301，在标准呼吸波形中，随机获取一周期内的波形。

s301中会在标准呼吸波形中随机获取一个周期内的波形。

呼吸波形可以是反映呼吸情况的上下波动曲线，本步骤中的一个周期内的波形可以是从波峰到紧邻的下次波峰之间的波形，也可以是从波谷到紧邻的下次波谷之间的波形，还可以是从一幅度到紧邻的下次相同幅度之间的波形等。

s302，将s301中获取的周期确定为第一呼吸周期。

s303，将s301中获取的波形的峰值和波谷确定为第一最大收缩点和第一最大扩张点。

第二种实现方式：

s401，从标准呼吸波形开始，依次获取预设数量个周期内的波形。

如预设数量为6。则取相邻的6个周期内的波形。

s402，将s401中获取的所有周期的均值确定为第一呼吸周期。

s401，将s401中获取的所有波形的峰值均值和波谷均值确定为第一最大收缩点和第一最大扩张点。

s204，根据第一最大扩张点、第一最大收缩点、第一呼吸周期、第一时刻以及第一幅度确定标准呼吸相位。

本步骤的实现方式，包括但不限于：

s204-1，将第一最大扩张点与第一最大收缩点之间的幅度差确定为第一比对幅度。

即第一比对幅度＝|第一最大扩张点的幅度-第一最大收缩点的幅度|。

s204-2，计算a1＝(第一幅度-第一时刻所在周期的波谷幅度)/第一比对幅度。

本步骤可以得到第一时间段的采集停止时刻在标准呼吸波形中对应的幅度与病人a正常呼吸幅度之间的幅度差。

s204-3，计算第一时刻与第一时刻所在周期的起始时刻的差。

本步骤可以得到第一时间段的采集停止时刻距离该时刻所对应的周期开始的时刻的时间长度。

s204-4，计算b1＝s204-3得到的差值/第一呼吸周期。

本步骤可以得到第一时间段的采集停止时刻在标准呼吸波形中对应的时间长度与病人a正常呼吸周期之间的时间差。

s204-5，根据a1和b1确定标准呼吸相位。

本步骤标准呼吸相位包括根据a1反映的采集停止时刻相对于病人a正常呼吸的幅度差，b1反映的采集停止时刻相对于病人a正常呼吸的时间差，本实施例通过幅度差和实际差综合描述采集停止时刻，进而描述采集停止时刻时病人a的生理特征。

s101，获取病人当前呼吸相位。

本步骤的实现方法与s201至s204相似，不同的是执行时间。

本步骤获取的病人当前呼吸相位处于第二时间段内。此处的第二时间段与第一时间段不同，且第二时间段晚于第一时间段，具体的可以是位于手术中，且未开始正式手术的一段时间。

s101-1，在第二时间段内，采集同一病人的第二呼吸信号。

此处的采集方式与s201相似，不再赘述。

s101-2，对第二呼吸信号进行滤波处理，得到当前呼吸波形。

s101-3，基于当前的呼吸波形，提取采集停止的第二时刻以及采第二时刻对应的第二幅度。

第二幅度为第二时刻与第二时刻所在周期的波谷之间的幅度差。

即第二幅度＝|第二时刻的幅度-第二时刻所在周期的波谷之间的幅度|。

s101-4，根据第二时刻以及第二幅度确定当前呼吸相位。

本步骤的实现包括但不限于：

s501，计算a2＝(第二幅度-第二时刻所在周期的波谷幅度)/第一比对幅度。

本步骤可以得到第二时间段的采集停止时刻在当前呼吸波形中对应的幅度与病人a正常呼吸幅度之间的幅度差。

s502，计算第二时刻与第二时刻所在周期的起始时刻的差。

本步骤可以得到第二时间段的采集停止时刻距离该时刻所对应的周期开始的时刻的时间长度。

s503，计算b2＝s502得到的差值/第一呼吸周期。

本步骤可以得到第二时间段的采集停止时刻在当前呼吸波形中对应的时间长度与病人a正常呼吸周期之间的时间差。

s504，根据a2和b2确定当前呼吸相位。

s102，将当前呼吸相位与预先获得的标准呼吸相位进行比较。

本步骤的比较是a1与a2比，b1与b2比。

s103，当比较结果满足预设条件时，发出触发信号。

本实施例不对预设条件进行限定，例如：a1与a2之间差的绝对值不大于第一阈值，b1与b2之间差的绝对值不大于第二阈值。再例如：仅a1与a2之间差的绝对值不大于第三阈值。还例如：仅b1与b2之间差的绝对值不大于第四阈值。

另外，触发信号，用于触发进行手术。具体的，可以触发医生进行手术，还可以机械臂控制手术工具进行手术。

在具体实现时，触发信号可以就是使能信号。还可以是指示信号和使能信号。还可以是其他信号、指示信号和使能信号。

使能信号，用于触发进行手术。

指示信号，用于触发病人憋气。

至此，病人a开始正式的手术过程。

利用本申请所提供的装置和方法对手术工具进行定位时，可以有效的克服病人因为呼吸导致的定位不准的问题。

本申请的方法，提取呼吸运动过程中的相位信息，以匹配病人自然呼吸状态不同时刻的扩张情况，并在ct扫描时记录下当时对应的相位信息，且在穿刺时选择对应的相位给出提示灯以及穿刺使能信号，提示病人呼吸以及医师穿刺。

提取呼吸相位的方法有若干种，常见的有在直接从胸锁乳突肌采集呼吸信号或肋间肌采集心电信号中，经过对应的滤波获得。在得到呼吸波形之后，提取最大扩张点以及最大收缩点，并根据中间的幅度差以及时间差计算相位。本发明采用的方法是通过生理信号处理模块，采集呼吸信号，提取呼吸的幅度信息来确定相位，同时记录呼吸方向(扩张或者收缩)。

在确定目标呼吸相位后，本方法在后续呼吸过程中继续分析呼吸相位，并在设定的允许范围内给出呼吸匹配的窗口，并给出提示信号和使能信号。分别供病人呼吸控制与手术工具使能控制。

以pet/ct引导下的穿刺消融手术为例，在病人准备手术时，在胸锁乳突肌上安装呼吸传感器，并将信号传递给生理信号处理模块，进行呼吸相位提取。在穿刺之前的位置确认阶段的ct扫描过程中，按照正常的病人呼吸控制(任意时刻)，并记录下对应的憋气的对应呼吸相位。在手术准备完毕后，进行引导针或者消融针插入的时刻，根据系统给出的呼吸匹配信号，要求病人在对应窗口进行憋气，在病人憋气满足呼吸相位匹配时，呼吸匹配窗口将保持有效。医师可以选择在此时进行穿刺手术。在使用自动穿刺的情况下，此信号可以作为使能信号进行自动穿刺，如穿刺时间较短，可以在病人无需憋气的情况下完成穿刺。

基于上述描述，本申请提供的方法具有如下效果：

1.更精确的提取病人呼吸下的实际的解剖结构的变化情况。

2.无须呼吸监控胸带，有助于提升病人舒适度，并降低成本。

3.检查时刻和手术时刻的呼吸相位匹配更精确，并给出了提示，当超出匹配窗口后给出否定的提示，避免匹配超差的手术进行，提高一次穿刺成功率。

4.在非自动穿刺的情况下，只需要对手术时刻进行呼吸训练，缩减病人训练时间，并提高一次穿刺成功率。

本实施例提供的手术辅助定位方法，将病人当前呼吸相位与预先获得的标准呼吸相位进行比较；当比较结果满足预设条件时，发出用于触发进行手术的触发信号，本方法可以实现手术开始时间的精确定位，提升了手术成功率。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

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