本发明涉及一种颅内穿刺定位导航方法。
背景技术：
脑出血属于常见的危重病症，发生脑出血后，穿刺引流，清除血肿是国内应用最为广泛的治疗方法，手术是否及时、精确，成为决定患者病死率和致残率的关键。手术的精度取决于两点：①入路定位：穿刺终点为血肿几何中心，在避开重要解剖功能结构的基础上，选择最短的穿刺路径，确定穿刺入口点，入口点和终点的连线也就确定了穿刺的方向。②穿刺导向：能够沿预定入路和深度，准确插入穿刺针(管)，不偏离预定方向与目标。
传统徒手穿刺手术，医生主要在ct片上进行观察测量来进行血肿定位和穿刺入路选择，通过头部标记、曲尺等简单辅助工具进行定位与导向。徒手技术定位与导向精度都不高，据文献“自制颅脑ct定位装置在颅内病灶体表定位中的应用”统计，在无辅助定位手段时，手术误差在1～2厘米范围，这对疗效显然有很大负面影响。
虽然现有同类专利对手术效果有所提升，但仍然存在以下问题：
时效性差：专利文献cn105380712a(基于3d打印的脑出血微创手术用引导支架及其制备方法)和cn107468305a(脑出血个性化引流装置)均使用3d打印方法制作穿刺导向模具，整个制作过程需要经过断层扫描图像三维重建，模具实体模型设计，3d打印，模型后处理，消毒等步骤才能用于手术，整个流程至少以小时计。更何况由于人为失误或设备故障等原因，还存在加工失败的可能，使得此类方法不适合危重患者的抢救。
使用繁琐：使用3d打印制作导向模具的方法，需要专人设计模具，操作3d打印设备，无法依托医院现有条件应用，需要对医生进行培训和技术支持，推广具有较大难度。专利文献cn1557260a(脑出血穿刺定位仪)、cn101455589b(脑出血血肿微创穿刺立体定向仪)、cn106388901a(用于脑出血穿刺的定位装置)、cn107582178a(一种弧形脑出血微创穿刺快速精确定向仪)均通过固定在患者头部的导向架实现导向。这些装置都需要装卡固定，再进行两个自由度的调整。导向架体积大，容易与手术台干涉，手术时需要专门调整患者姿态，与医生习惯不符，而且由于导向装置干涉、遮挡，传统的消毒、铺单操作都要为此进行调整，降低了手术效率。此外，在cn1557260a和cn101455589b未说明具体固定方法，cn106388901a和cn107582178a使用顶丝压迫皮肤，通过摩擦固定，但实际固定效果不可靠(市场上实用产品需通过固定针刺入颅骨实现固定)，这显然进一步增加了使用的复杂程度。脑出血作为高发危重疾病，要求手术快速高效，现有技术使用繁琐的缺陷，增加了手术准备和手术时间，增加了医生的工作量，增加了手术风险，延误了救治。
定位与导向精度差：专利文献cn108309408a(脑出血穿刺引流定位装置及其定位方法)无法实现导向作用，难以保证精度。该文献和前述中列出的文献，其定位基准依然需要医生手工测量、计算和标记，对导向装置的调整通过医生目测控制，定位精度与徒手手术相比并无显著提高，依然不足以满足对脑出血救治的要求。
技术实现要素：
本发明是为了缩短术前准备时间，降低手术成本，减小导向误差，提高了手术的流畅度，提高了手术效率，降低了手术风险，而提供的一种非接触式颅内穿刺定位导航方法。
非接触式颅内穿刺定位导航，其特征在于该颅内穿刺定位导航方法按以下步骤进行：
一、患者头部断层扫描成像、建模，确定血肿中心，设定穿刺入口点、穿刺路径和穿刺深度，形成头部三维治疗模型；
二、患者头部三维扫描，生成头部体表三维模型；
三、调节头部三维治疗模型与头部体表三维模型配准吻合并同步；
四、将头部体表三维模型与患者头部配准吻合，通过对患者头部的实时三维扫描，同步调整头部体表三维模型和头部三维治疗模型姿态，再根据头部三维治疗模型标记出设定的穿刺入口点并在手术空间提供穿刺路径所在直线。
患者头部断层扫描后可在计算机上可浏览患者断层扫描图像，并可以在图像上对血肿中心点和穿刺入口点进行标记；再根据预设阈值或操作者指定的阈值进行图像分割，生成头部和血肿的三维模型，设定穿刺入口点、穿刺路径和穿刺深度，形成头部三维治疗模型。
穿刺引流手术中穿刺针由标记的穿刺入口点进入，沿穿刺路径(穿刺针与穿刺路径处于同一直线)伸入，伸入到达穿刺深度，即完成穿刺。
本发明适用于脑出血穿刺引流手术，便于确定穿刺位置，引导穿刺角度，保证穿刺到血肿中心位置，达到治疗效果。本发明方法可三维定位，增加了手术灵活性，而且定位精度高，可实现穿刺路径的定位导向，同时定位基线长，导向误差由徒手操作的厘米级降低到毫米级。采用本发明方法手术操作简便直观，没有学习负担，不延误手术准备，不增加手术操作时间，大大提高了抢救效率；兼容软管、硬管两种不同术式，适应医生不同操作习惯，保证了实用性。
本发明方法穿刺导向信息的计算和定位导向过程均可由计算机系统自动完成，不需人工测量、计算、标记。与传统手术相比，省去了医生人工测算、手工画线的时间，术前准备工作和用时大大缩短。与使用模具导向的方案相比，省去了术前设计、制作模具环节，有利于争取时间抢救危重急症患者，同时降低了医生工作强度，提高了医院运行效率。
本发明方法无需佩戴虚拟现实设备，成本低且精度高，而且不用适应虚拟现实环境下的立体视觉观察与操作，不存在佩戴立体眼镜造成不适感的情况，不干扰手术操作。
在手术过程中可跟随患者姿态变化，导向设备不用调整位置，可实现实时导向引导，提高了手术的流畅度，提高了手术效率，降低了手术风险。
采用本发明方法术前只需正常的头部断层扫描，术前准备用时少，而且不用制作实体模型，几乎不产生额外成本；对于手术医生要求低，也大大降低了手术风险。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式非接触式颅内穿刺定位导航，其特征在于该颅内穿刺定位导航方法按以下步骤进行：
一、患者头部断层扫描成像、建模，确定血肿中心，设定穿刺入口点、穿刺路径和穿刺深度，形成头部三维治疗模型；
二、患者头部三维扫描，生成头部体表三维模型；
三、调节头部三维治疗模型与头部体表三维模型配准吻合并同步；
四、将头部体表三维模型与患者头部配准吻合，通过对患者头部的实时三维扫描，同步调整头部体表三维模型和头部三维治疗模型姿态，再根据头部三维治疗模型标记出设定的穿刺入口点并在手术空间提供穿刺路径所在直线。
患者头部断层扫描可通过矢状面、冠状面、横断面及其组合形式浏览断层扫描图像。经阈值分割产生的头部体表三维模型以半透明形式展现或以剖视形式展现。浏览患者头部断层扫描三维成像模型时，可同时叠加显示各断面的扫描图像。
通过断层扫描三维成像观察头部和血肿，计算出血肿几何中心；并根据患者颅内情况设定穿刺入口点，以及两者之间的连线(穿刺路径)，并计算出穿刺深度，将穿刺入口点和穿刺路径均加入头部三维治疗模型。
采用三维配准算法，如icp(iterativeclosestpoint)算法等，调节调节头部三维治疗模型与头部体表三维模型配准吻合并同步。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：穿刺深度标记于引流管上。其它步骤及参数与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤二患者头部绘制网格或粘贴标记物。其它步骤及参数与实施方式一或二之一相同。
在患者头部粘绘制网格或绘制标记物之后进行头部三维扫描是为了调整头部体表三维模型与患者头部完全重叠吻合，以及患者头部位置实时校对提供坐标参考。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：步骤二患者头部粘贴体表标记物，体表标记物x射线吸收率不小于200hu。其它步骤及参数与实施方式三相同。
本实施方式中体表标记物为薄膜状。在患者头部粘贴体表标记物之后进行头部三维扫描是为了调整头部体表三维模型与患者头部完全重叠吻合，以及患者头部位置实时校对提供坐标参考。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四的不同点是：体表标记物为呈条形、正多边形、圆形、同心多边形环或圆环形。其它步骤及参数与实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一的不同点是：体表标记物可印刷或镶嵌有图案，图案的x射线吸收率不小于200hu。其它步骤及参数与实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：步骤四中所述的穿刺路径所在直线由投影光标记出来。其它步骤及参数与实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：所述的投影光由不少于两个的扫描面相交而成。其它步骤及参数与实施方式七相同。
本实施方式中扫描面由计算机生成的线状靶标(掩模)图形通过投影镜头在空间中成像形成。
本实施方式不同的扫描面可以选择不同的颜色。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一的不同点是：穿刺装置尾部安装有高精度定位器。其它步骤及参数与实施方式一至七之一相同。
本实施方式中当定位器不在穿刺路径所在直线上，由于穿刺入口点确定，即表明穿刺装置偏离穿刺运动轨迹，则系统发出警报提醒，进而需要手术医生调整穿刺针位置。警报可采用声音、投影或显示图案以及灯光闪烁方式。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一的不同点是：穿刺采用透明无菌单。其它步骤及参数与实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一的不同点是：扫描摄像头数量不少于2个，摄像头光心间距离不小于150mm。其它步骤及参数与实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一的不同点是：系统中投影仪数量不少于2个，最大光轴夹角不小于90°。其它步骤及参数与实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一的不同点是：手术区域位于各投影仪的投影重合范围中。其它步骤及参数与实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一的不同点是：扫描采用结构光扫描，使用可见光或近红外线作为结构光。其它步骤及参数与实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一的不同点是：体表标记物对可见光和400～1100nm近红外线平均反射率小于15％。其它步骤及参数与实施方式一至十四之一相同。
实施例1
非接触式颅内穿刺定位导航：
1.将断层扫描(ct扫描)图像输入计算机，浏览图像，标记穿刺入口点和血肿中心。计算机生成头部三维图像，并通过3dslicer或同类软件计算给出穿刺路径和穿刺深度，将穿刺入口点和穿刺路径加入形成头部三维治疗模型；
2.患者备皮消毒后，头部绘制网格，再由扫描系统使用结构光原理对其头部进行三维扫描，计算机生成头部体表三维模型；
3.调节头部三维治疗模型与头部体表三维模型配准吻合并同步；
4、将头部体表三维模型与患者头部配准吻合(完全重叠吻合)，通过对患者头部的实时三维扫描，同步调整头部体表三维模型和头部三维治疗模型姿态，再根据头部三维治疗模型利用投影设备映射出穿刺入口点(可以用龙胆紫或其他标记物在皮肤上标记穿刺入口点)，并将穿刺路径映射到当前手术空间中(根据头部三维治疗模型实时调节投射的两个扫描面相交而成的直线即穿刺路径)；
4.进行铺单等手术准备，根据穿刺深度在引流管上标记插入颅内深度；
5.按标记的穿刺入口点进行头骨钻孔；
6.开始引导穿刺，带针芯的引流管始终保持与穿刺路径重合；
7.引流管深入至穿刺深度开始引流；
其中，穿刺路径由两个不同颜色的扫描面相交而成。
根据穿刺路径的引导，引流管的穿刺位置、方向角度精准，穿刺深度也精准控制，所以穿刺误差远远小于现有技术。
采用本实施例方法进行颅内穿刺，定位准确率、成功率近100％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作出了描述，若在本发明基础上作出一些修改或改进，而其并不偏离本发明之精神，均属于本发明要求保护的范围。