一种用于肿瘤精准穿刺的导航装置及CT视觉导航系统的制作方法

本发明属于医疗设备技术领域，尤其涉及一种用于肿瘤精准穿刺的导航装置及ct视觉导航系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

穿刺术是现代外科手术较为普遍的技术。据发明人所知，目前公知的肿瘤穿刺操作主要依赖医师徒手式操作，在操作过程中，医师需要反复进入ct房扫描确认并调整穿刺针角度与人体断层平面夹角，导致操作时间延长，医师和患者在辐射环境下暴露时间久，增加了医疗辐射量。医师需要凭借手感的逐步培养、个人经验的不断积累来完成该项医疗操作，穿刺的准确性和成功率完全依赖经验，难以克服抖动带来的误差，无法保证穿刺角度和深度，最终结果还是和理想计划路线有一定偏移，影响治疗效果。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于肿瘤精准穿刺的导航装置及ct视觉导航系统。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种用于肿瘤精准穿刺的导航装置，包括：底座，底座上设有机械臂，机械臂自由端设有穿刺针夹持装置；所述穿刺针夹持装置中设有下方开口的凹槽，所述凹槽中容纳移动采集和控制装置，所述移动采集和控制装置下方用于连接穿刺针的无刺针端，且移动采集和控制装置和穿刺针中轴线重合。

进一步地，所述穿刺针夹持装置外表面还连接图像采集装置。

进一步地，所述移动采集和控制装置包括控制单元，以及与控制单元连接的无线数据发送接收模块、角度传感器和位移传感器。

进一步地，所述系统还包括滑动轨道，底座能够沿滑动轨道相对运动。

进一步地，所述机械臂为六自由度机械臂。

一个或多个实施例还提供了一种用于肿瘤精准穿刺的ct视觉导航系统，包括所述的导航装置和上位机。

进一步地，所述上位机被配置为：

获取待手术病人的螺旋ct扫描图像，接收经医生确认的目标穿刺点位置，以目标穿刺点为原点，以水平面为x0y平面，以垂直方向为z轴，进行三维重建并显示；

在该三维坐标系下，计算引导穿刺针进入的穿刺角度和深度；

基于移动采集和控制装置校正穿刺针的角度和位置；

穿刺过程中，实时监测移动采集和控制装置采集的角度和位移信息，并换算为所述三维坐标系下的穿刺角度和深度并显示。

进一步地，校正穿刺针的角度包括：

采集角度传感器测得的穿刺针角度值，判断穿刺针是否垂直于水平面，若否，向移动采集和控制装置的控制单元发送角度调整控制指令，使得穿刺针与水平面垂直。

进一步地，校正穿刺针的位置包括：

采集位移传感器测得的穿刺针位移，判断位移是否为0，若否，向移动采集和控制装置的控制单元发送位置调整控制指令，使得穿刺针的位移为0。

进一步地，穿刺过程中，还实时采集图像采集装置获取的图像，通过图像分析判断穿刺针是否对准待手术病人的体外标记点。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

导航装置通过在穿刺针正上方设置移动采集和控制装置，保证了穿刺过程中能够准确获取穿刺针的移动信息，提高了穿刺的准确度，减轻病人痛苦。

ct视觉导航系统通过基于螺旋ct图像建立三维坐标系，实现了穿刺针在ct图像坐标系中的实时显示，可以在手术过程中直观检测到穿刺针的方位，便于医护人员随时调整穿刺针角度和穿刺深度，提高穿刺的准确性和成功率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中三维平面坐标系具体建立示意图；

图2为本发明实施例中机械臂本体及装置说明简图；

图3为本发明实施例中机械臂立体图。

其中，1、穿刺针夹持位置；2为穿刺针；3、移动采集和控制装置；4、穿刺针；5、为摄像机；6、穿刺针夹持装置；7、机械臂本体；8、可滑动底座；9、机械臂连接轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种用于肿瘤精准穿刺的ct视觉导航系统，与螺旋ct扫描系统连接，包括：底座8、机械臂7、穿刺针夹持装置6和图像采集装置5。其中，所述底座8上表面与机械臂7固定连接，机械臂7自由端末端连接穿刺针夹持装置6，所述穿刺针夹持装置6外表面连接图像采集装置5。所述穿刺针夹持位置下方设有凹槽，用于容纳移动采集和控制装置，所述移动采集和控制装置下方连接穿刺针的无刺针端，且二者中轴线重合。

具体地，所述移动采集和控制装置内设有控制单元、以及与控制单元连接的无线数据发送接收模块、角度传感器和位移传感器，用于监测穿刺针的角度和位移。所述控制单元通过无线数据发送接收模块，接收角度传感器和位移传感器传输的数据，以及与上位机进行信息交互。

通过在穿刺针正上方设置角度传感器和位移传感器，保证了穿刺过程中能够准确获取穿刺针的移动信息，提高了穿刺的准确度，减轻病人痛苦。图像采集装置能够记录穿刺手术过程，同时监测穿刺针是否始终与体外标记点对准，及时发现人体发生移动等情况。

为了使得机械臂移动和穿刺更加便捷灵敏，方便操作，所述系统还包括滑动轨道，底座8能够沿滑动轨道相对运动。机械臂是占用一定空间的，当不使用机械臂时可以滑到非工作区域。

所述机械臂为六自由度机械臂。六轴关节型机械臂设计，既保证刚性和防抖动性，又保证机械臂进行精确穿刺时的灵敏，同时关节型机械臂方便封装，在移动机械臂体时不会夹到衣物和头发，保证安全性。

所述ct视觉导航系统的工作过程如下：

步骤1：上位机从螺旋ct扫描系统获取螺旋ct扫描图像，以目标穿刺点为原点，以水平面为x0y平面，以垂直方向为z轴，进行三维重建并显示；该三维平面如图1所示，在此平面可以人机交互得到任意两点的位移距离和角度；

在螺旋ct扫描后医生可以直接在三维的图像上分析进行路径规划，确定好穿刺点做好标记，并且计算设计穿刺角度和深度，在手术中通过螺旋ct扫描成像引导进针的角度和深度，这个角度和深度可以在成像上交互得到，同时实时的位移和角度传感器传过来的数据进行一个反馈，成像中是能扫描到针尖的，所以可以随时调整。记录穿刺点位置、穿刺角度和深度。

同时，待手术的病人体外会有目标穿刺点的位置标记。

步骤2：在摄像头的实时监测下，医护人员移动机械臂滑动底座，并旋转机械臂连接轴至合适位置，调整穿刺针，使其垂直于穿刺人体平面并保持一定距离；

步骤3：上位机发送角度采集请求，所述请求通过无线发送接收装置发送至控制单元，控制单元采集角度传感器所测得的当前角度，再通过发送接收装置发送至上位机并实时显示；

步骤4：移动采集和控制装置与针尖有一定位置和角度偏差，校准二者三维坐标系；

所述校准方法包括：首先校准移动采集和控制装置中的角度传感器使得显示屏x轴显示90°、y轴显示90°、z轴显示0°，正确显示为(90i，90j，0k)，如果显示正确进行下一步，如果不正确，则进入校准：

若角度有偏差，则输入三个轴的显示角度，进行角度处理，公式如下：

当输入角度为(ai0，bj0，ck0)

ai1＝ai0-(90-ai0)

bj1＝bj0-(90-bj0)

ck1＝ck0-(0-ck0)

步骤5：上位机发送位移采集请求，所述请求通过无线发送接收装置发送至控制单元，控制单元采集位移传感器所测得的穿刺针当前位移，再通过发送接收装置发送至上位机并实时显示；

步骤6：校准移动采集和控制装置中的直线位移传感器，使得此时位移为0，应当注意，此处的位移指的是在进入穿刺点后针尖的位移，即医生推动穿刺针进行的位移，而非移动机械臂的位移，因此，在进入穿刺点前，位移传感器显示应当一直为0；

步骤7：将二者的三维坐标系融合；

步骤8：穿刺过程中，可以实时与计算机交互，显示屏实时显示针尖角度以及穿刺针深度，医生通过观察三维坐标、角度、位移来调整穿刺角度和深度。

穿刺过程中，还实时采集图像采集装置获取的图像，通过图像分析判断穿刺针是否对准待手术病人的体外标记点。

针尖与ct图像的坐标系融合和实时显示，可以直观检测到穿刺针的方位，包括角度和深度，便于医护人员随时调整穿刺针角度和穿刺深度，提高穿刺的准确性和成功率，减轻患者痛苦。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。