一种应用在医疗操作中的导航设备及方法与流程

本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种用于医疗操作中的导航设备及方法。

背景技术：

骨科主刀医师在医疗操作中，尤其在例如置钉的过程中，通常需要在体表定位一个体表进针点，并且根据进针点与体内靶点之间的路径来评估手术操作的安全性，如避开神经，血管等重要组织部位。

目前，可用于置钉路径评估及置钉引导的设备有手术导航设备，或者具备3d(三维)扫描及重建功能的c形臂系统。

但是，这些设备及相关的功能非常昂贵，导致采购设备的成本高。而且，要获得较好的置钉导航效果，也需要非常繁琐的操作步骤，例如，导航设备注册、多角度采集图像或者ct(computedtomography，电子计算机断层扫描)图像导入及配准、导航路径规划等，导致降低工作效率，用户体验不佳。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中置钉导航设备使用成本高，操作繁琐的缺陷，提供一种导航设备及方法。

本发明是通过下述技术方案来解决所述技术问题：

一种导航设备，其包括：激光装置，所述激光装置的方位可调，用于发出激光线到操作对象上以指示操作路径；x光图像获取装置，获取操作对象的图像；以及图像显示装置，用于显示获取的所述操作对象的图像，所述图像上实时地显示有所述激光装置当前发射的激光线的光路轨迹；其中，响应于所述激光装置的方位的变化，所述图像显示装置实时地在所述图像上显示变化的光路轨迹。

进一步地，所述导航设备还包括空间位置传感器及图像处理装置；所述空间位置传感器用于实时采集所述激光装置的方位信息；所述图像处理装置用于通过所述激光装置的方位信息来确定所述激光装置当前发射的激光线的光路轨迹的方位信息，并且将确定出的所述光路轨迹的方位信息映射至所述图像，以在所述图像上显示所述激光线的光路轨迹。

在一种例子中，所述导航设备还包括用于套装在针钉上的激光定位套；所述激光定位套呈筒状结构，所述激光定位套的轴线与所述针钉的轴线重合。

在一种实施例中，所述x光图像获取装置为c形臂装置。

进一步地，所述c形臂装置还包括c形臂机架；所述激光装置可移动地设置于所述c形臂机架上。

更进一步地，所述导航设备还包括激光导航支架；所述激光导航支架设置到所述c形臂机架上。

在在一种实施例中，所述导航设备还包括激光导航机械手；所述激光导航机械手设置于所述c形臂装置或者设置于独立的机架上；所述激光装置设置于所述激光导航机械手上。

在一种实施例中，所述c形臂装置包括用于发射x射线的x射线源、用于接收所述x射线的x射线探测器。

进一步地，所述x线投影图像包括正位及侧位的x线投影图像中的至少一种。

在一种实施例中，所述激光装置包括十字激光灯。

根据本发明的一种实施方式，还公开了一种导航设备，其包括：激光装置，所述激光装置的方位可调，用于发出激光线到操作对象上以指示操作路径；x光图像获取装置，获取操作对象的图像，所述图像用于在其上规划目标操作路径；图像处理装置，用于识别在所述操作对象的图像上规划的所述目标操作路径以获得指示所述目标操作路径的激光线的光路轨迹的方位信息；调整装置，用于基于所述光路轨迹的方位信息调整所述激光装置的方位，以使所述激光装置发出的激光线的光路轨迹与所述目标操作路径重合。

根据本发明的一种实施方式，还公开了一种导航方法，利用前述导航设备，所述导航方法包括：通过x光图像获取装置，获取操作对象的图像；通过激光装置，发出激光线指向操作对象以指示操作路径；通过图像显示装置，显示获取的所述操作对象的图像，所述图像上实时地显示所述激光装置当前发射的激光线的光路轨迹；调整所述激光装置的方位，实时地在所述图像上显示变化的光路轨迹。

根据本发明的一种实施方式，还公开一种导航方法，利用前述的导航设备，所述导航方法包括：通过x光图像获取装置获取操作对象的图像；基于所述操作对象的图像，规划针对所述操作对象的目标操作路径；基于所述目标操作路径，调节所述激光装置的方位以使其发出与所述目标操作路径一致的激光线指向所述操作对象。

在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：

根据本发明的一个例子，基于2d(二维)的x线投影图像和激光线，能够有效地指示体表点到体内靶点的操作路径的角度和方向，同时在图像上叠加一条与激光线的方位相对应的虚拟的操作路径，用于辅助用户评估操作计划，并且可以引导用户根据2d的x线投影图像上进行操作，其中该操作例如可以是置钉。根据本发明的另一个例子，可以基于规划的目标操作路径以获得指示目标操作路径的激光线的光路轨迹的方位信息，以指导用户进行诸如置钉等的医疗操作。

本发明设备使用成本低，操作简单，从而提升了用户的工作效率，进而提升了用户体验度。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的所述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为本发明较佳实施例的导航设备的结构示意图。

图2为图1中a部分的局部放大示意图。

图3为本发明较佳实施例的导航方法的流程图。

附图标记说明：

101步骤；

102步骤；

103步骤；

104步骤；

1激光装置；

11光斑；

21c形臂；

22横臂；

3激光导航支架；

4激光定位套；

51x射线源；

52x射线探测器；

6图像显示装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

如图1及图2所示，本实施例提供一种导航设备，所述导航设备包括激光装置1、激光导航支架3、激光定位套4、x光图像获取装置及图像显示装置6。

在本实施例中，所述导航设备用于辅助骨科主刀医师的置钉手术，但并不具体限定所述导航设备的具体用途，可根据实际情况来进行选择。

具体地，激光装置1的方位是可调的，即在本实施例中所述方位表示激光装置1的位置和发射角度，激光装置1可滑动地设置于激光导航支架3的一端上，并且用于发出激光线指向置钉对象，定位体表进针点，以指示置钉路径。

在本实施例中，优选地，激光装置1为十字激光灯，所述十字激光灯的激光线的光斑呈十字型，但并不具体限定激光装置1的类型，可根据实际情况进行相应的选择。

在本实施例中，所述x光图像获取装置为c形臂装置，所述c形臂装置包括c形臂机架。在其他实施例中，该x光图像获取装置还可以为cbct装置。

所述c形臂机架用于多角度摆位，所述c形臂机架包括能够绕自身中心转动的c形臂21及能够沿着自身轴向可移动的横臂22，c形臂21与横臂22连接。

激光导航支架3的另一端设置于c形臂21的一端上，并且可以绕c形臂21的一端自由旋转，但并不具体限定激光导航支架3的设置位置，可根据实际情况进行调整。

在本实施例中，激光导航支架3采用1/4圆弧形支架，但并不具体限定激光导航支架3的形状特征，可根据实际情况进行相应的选择。

作为另一实施例，激光导航支架3的另一端设置于横臂22上，可以绕横臂22的轴线自由旋转。

作为另一实施例，所述导航设备还包括激光导航机械手(图中未示出)，所述激光导航机械手设置于c形臂21或横臂22或者与c形臂装置相互独立的独立机架上，激光装置1设置于所述激光导航机械手上，采用所述激光导航机械手时，激光装置1的位置调整较自由。

激光定位套4用于套装在针钉的头端或者针钉抓取装置上，激光定位套4上可以设有与激光装置1的激光线的光斑形状吻合的定位部，激光定位套4是可被调节的以使所述定位部与激光装置1发出的光斑重合。

激光定位套4同时可以用于确定置钉的针钉的方位。

在本实施例中，激光定位套4呈筒状结构，激光定位套4的轴线可以与针钉的轴线重合。

所述x光图像获取装置包括于发射x射线光束的x射线源51以及用于接收所述x射线光束的x射线探测器52。

x射线源51及x射线探测器52分别设置于c形臂21的两端。

所述x光图像获取装置用于通过x射线源51及x射线探测器52的配合获取置钉对象的基于2d的x线投影图像，此时，可通过调整c形臂21来获取不同角度的x线投影图像。

在本实施例中，所述x线投影图像包括正位及侧位的x线投影图像中的至少一种，优选地，包括正位及侧位的x线投影图像。

正位及侧位的x线投影图像对于本领域普通技术人员而言是熟知的。如果病人平躺在床上不动，从c形臂的角度上看，正位的x线投影图像可以在x射线源51和x射线探测器52处于z轴方向时获得，侧位的x线投影图像可以在获得正位的x线投影图像的c形臂位置在周向上相差90度从而使得拍摄角度与正位拍摄角度相差90度的拍摄位置，例如，当x射线源51和x射线探测器52处于x轴方向时获得的投影图像。在其他例子中，如果病人既能平躺或者侧卧，即使在c形臂处于同一摆位，也可以分别得到正位和侧位图。

图像显示装置6用于显示所述x光图像获取装置获取的所述x线投影图像，所述x线投影图像上可以实时地显示有激光装置1当前发射的激光线的光路轨迹。

其中，响应于激光装置1的位置和发射角度的变化，图像显示装置6实时地在所述x线投影图像上显示变化的光路轨迹。

具体地，所述导航设备还包括空间位置传感器(图中未示出)及图像处理装置(图中未示出)。

在本实施例中，所述空间位置传感器可以设置于激光导航支架3上，并且位于激光装置1的位置处。

所述空间位置传感器用于实时采集激光装置1的方位信息，诸如空间位置信息及发射角度信息。

所述图像处理装置用于通过所述空间位置传感器获取的激光装置1的方位信息来计算出激光装置1当前发出的激光线的光路轨迹的方位信息，并且将计算出的所述光路轨迹的方位信息映射至所述投影图像中，以在所述投影图像上显示所述激光线的光路轨迹。

下面具体说明所述导航设备的使用方式。

用户操作c形臂21，摆至正位，所述x光图像获取装置获取正位的x线投影图像，并设置为正位参考图。

用户操作c形臂21，摆至侧位，所述x光图像获取装置获取侧位的x线投影图像，并设置为侧位参考图。

当然，并不具体限定一定要同时获取正位及侧位的图像，经验丰富的医生有可能只需要正位的图像即可，因此，可根据实际情况来进行相应的选择。

用户打开激光装置1，正位参考图及侧位参考图上分别显示激光装置1发出的激光线的方位，其中，该激光线的方位与虚拟置钉路径相对应。

具体地，假设以对象中心作为世界坐标系的中心，同时也作为图像坐标系的中心，那么，世界坐标系和图像坐标系就是重合的，即坐标中心都是(x0，y0，z0)。

置钉对象在扫描床上不动(假设人体躺着的方向是y方向，射束方向是z向，x向与z向和y向垂直)，所述x光图像获取装置在正位，拍摄任意一张图片，获取x线投影图像，所述投影图像是2d的。

因此，在x线投影图像中的每个点，实际上都与世界坐标系中的坐标关联的，例如，在2d图像(比如xz图像)的坐标是(x0，z0)，那么在世界坐标系中对应的是(x0，y0，z0)。

在这张图像中，医生指定一条线从(x1，z1)到(x2，z2)，那么实际上对应世界坐标系的(x1，y0，z1)到(x2，y0，z2)，该坐标传送到所述图像处理装置，所述图像处理装置就能够根据获取到的激光线当前处于的方位与目标方位进行比较进而进行调整，激光线和透视时的x光射束在同一y0值的平面内，因此，该激光线只需要一直对中地并绕着激光导航支架去转动即能找到该目标方位。当然，激光灯不一定是指向(x0，y0，z0)，可以是任意的。

用户可以旋转激光导航支架3和/或调整激光装置1的方位(如，角度)，正位参考图及侧位参考图上的虚拟置钉路径会实时地调整角度，直至系统自动地判定或者医生人为地判定该虚拟置钉路径符合最佳置钉路径。

用户可以通过所述x光图像获取装置的x线透视，实时地确定置钉的进深位置及方向。

完成置钉操作，通过正位及侧位的x线透视，可以检查置钉结果。

作为另一实施例，还提供一种导航设备，所述导航设备包括如上述的导航设备的所有装置及部件，还包括调整装置。

在本实施例中，激光装置1的方位可调，用于发出激光线指向置钉对象上以指示置钉路径。

所述x光图像获取装置用于获取置钉对象的图像，所述图像用于在其上规划目标操作路径。

所述图像处理装置还用于识别在所述操作对象的图像上规划的所述目标操作路径以获得指示所述目标操作路径的激光线的光路轨迹的方位信息。

所述调整装置用于基于所述光路轨迹的方位信息调整所述激光装置的方位，以使所述激光装置发出的激光线的光路轨迹与所述目标操作路径重合。

具体地，下面说明上述导航设备的使用方式。

用户操作c形臂21，摆至正位，所述x光图像获取装置获取正位的x线投影图像，并设置为正位参考图。

用户操作c形臂21，摆至侧位，所述x光图像获取装置获取侧位的x线投影图像，并设置为侧位参考图。

根据所获取的正位参考图及侧位参考图来直接规划出最佳置钉路径。

根据规划出的最佳置钉路径，将激光装置1移动到最佳置钉路径上(可以在前述参考图中实时地显示激光装置1的方位，也可以不用显示，可根据实际情况来设定)，即，将激光装置1的激光线的出束方位与该最佳置钉路径重合。

移动过程中，当前述参考图中可以实时显示激光装置1的方位时，激光装置1可采用人工移动的方式。

可以理解，移动过程中，根据该最佳置钉路径的方位信息，所述调整装置也可通过现有智能传动装置(比如机械手)来自动控制其移动过程，进而达到精确控制的效果，此时可以不必显示激光装置1的方位。也可以理解，此时，仍然可以在前述参考图中显示激光装置1的方位，以使医生确信智能传动装置(比如机械手)的操作是正确的。

激光装置1在移动时，所述空间位置传感器可随时获取激光装置1的方位，进而可以确定激光装置1发出的激光束的方位，这个方位就会与之前得到的规划最佳置钉路径的方位(根据最佳置钉路径，就知道最佳置钉路径在世界坐标系中的具体方位信息)去比较，只要一致，激光装置1停在那个位置。

因此，在移动激光装置1的过程中，参考图中可以显示或不显示激光装置1，当然显示的话效果更佳，能够让医生直观地看到是否重合。

当确定了激光装置1的激光束的方位后，将被固定在某夹持装置上的激光定位套4定位到该激光束的光路上以使该激光束可以从激光定位套4穿过，即，此时，激光定位套4与激光束的方位是完全一致的。在一种例子中，激光装置包括十字激光灯，即，发出的激光束是十字形的，该激光定位套具有十字标记的，这样，只要激光定位套的十字标记与激光束的十字形是一致的即可

可以理解，前述夹持装置可以是机械臂的末端装置。

也可以理解，该夹持装置可以是其他非自动式的夹持装置，只要能够在手动地将该激光定位套4定位到与前述激光束的方位上即可。

当确定了激光定位套4的方位之后，可以将钉沿着激光定位套4向目标执行置钉操作。其中，目标一般为躺在床上的患者。本实施例提供的导航设备，基于2d的x线投影图像和激光线，能够有效地指示体表点到体内靶点的置钉路径的角度和方向，同时在图像上叠加一条与激光线匹配的虚拟的置钉路径，用于辅助用户评估置钉计划，并且可以引导用户在2d的x线投影图像上进行置钉操作。置钉的深度可以采用与激光线相垂直的x射线投影，可实时监控置钉的深度。

在本实施例中，用户无需采购昂贵的导航设备及cbct(conebeamcomputedtomography，x线断层摄影术)功能的c形臂系统，在降低设备使用成本的同时，减少了c形臂正侧位角度的来回切换次数，减少了正侧位角度的重复x线投影次数，降低了医护人员及患者的x线暴露，缩短了手术时间，同时可以使c形臂系统让开手术空间，减少了c形臂系统对置钉操作的空间干扰。

而且，本实施例提供的导航设备操作简单，提升了用户的工作效率，进而提升了用户体验度。

本实施例还提供一种导航方法，所述导航方法利用如上述的导航设备。

在本实施例中，所述导航方法应用于辅助骨科主刀医师的置钉手术，但并不具体限定所述导航方法的具体应用场景，可根据实际情况来进行选择。

如图3所示，所述导航方法包括以下步骤：

步骤101、获取置钉对象的图像。

在本步骤中，操作c形臂21，摆至正位，所述x光图像获取装置获取正位的x线投影图像，并设置为正位参考图。

操作c形臂21，摆至侧位，所述x光图像获取装置获取侧位的x线投影图像，并设置为侧位参考图。

步骤102、激光装置发出激光线。

在本步骤中，打开激光装置1，发出激光线指向置钉对象以指示置钉路径。

步骤103、显示获取的图像，图像上实时显示当前发射的激光线的光路轨迹。

在本步骤中，图像显示装置6显示正位及侧位的参考图，参考图上实时地显示有激光装置1当前发射的激光线的光路轨迹。

在本步骤中，所述参考图上实时地显示激光装置1当前发射的激光线的光路轨迹的步骤包括：

所述空间位置传感器实时采集激光装置1的空间位置信息及发射角度信息；

通过所述空间位置信息及所述发射角度信息来计算出激光装置1当前发射的激光线的光路轨迹位置信息，并且将确定出的所述光路轨迹的方位信息映射至正位及侧位的参考图，以在参考图上显示所述激光线的光路轨迹。

步骤104、调整激光装置的位置，实时在图像上显示变化的光路轨迹。

在本步骤中，旋转激光导航支架3和调整激光装置1的发射角度，正位参考图及侧位参考图上的虚拟置钉路径实时调整角度。

根据符合最佳置钉路径的激光装置1的激光束方位，将激光定位套定位到该方位上。在一种例子中，该激光装置包括十字激光灯，即，发出的激光束是十字形的，该激光定位套具有十字标记的，这样，只要激光定位套的十字标记与激光束的十字形是一致的即可。

沿着该方位，将钉沿着激光定位套置入目标中。其中目标为躺在床上的患者。

通过所述x光图像获取装置的x线透视，实时地确定置钉的进深位置及方向。

完成置钉操作，通过正位及侧位的x线透视，检查置钉结果。

本实施例提供的导航方法，基于2d的x线投影图像和激光线，能够有效地指示体表点到体内靶点的置钉路径的角度和方向，同时在图像上叠加一条与激光线匹配的虚拟的置钉路径，用于辅助用户评估置钉计划，并且可以引导用户在2d的x线投影图像上进行置钉操作。

以上实施例均以对操作对象进行置钉操作作为一种典型的应用进行说明，然而，本领域普通技术人员可以理解，其他操作也是可行的。比如，穿刺等对方位精确度要求较高的操作。因此，本发明的权利要求中的操作并不局限在前述实施例中的置钉中，本领域普通技术人员当下以及未来对方位精确度要求较高的操作均包括在该操作的范围内。

本实施例提供的导航方法操作简单，提升了用户的工作效率，进而提升了用户体验度。

尽管为使解释简单化将所述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。