血肿抽取系统、导航系统及血肿边界判断方法与流程

1.本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种血肿抽取系统、导航系统及血肿边界判断方法。


背景技术：

2.脑出血是全球范围内威胁人类生命的最主要疾病之一，同时又具有高致残率、高死亡率和高经济负担的特点。目前临床上多采用开颅的方式清除血肿，其不足之处在于手术创伤大，特别是在深部血肿治疗时，容易造成脑内重要神经结构的损伤，死亡率及致残率高，开颅清除血肿手术对医疗设备的条件要求较高，导致费用高、病人痛苦大，同时对病人的身体条件也有严格要求。
3.为此，中国专利公开了一种内镜血肿清除手术系列套件，授权公告号为cn209253063u，包括撑开架和置撤筒，撑开架包括空心的管体和设置于管体端部的爪部，爪部存在合拢和展开状态，爪部位于通腔内时处于合拢状态，爪部位于置撤筒的通腔外时处于展开状态以形成包裹血肿块的工作空间，工作空间和管体连通，以使手术器械通过管体进入工作空间内处理血肿块。
4.但上述结构存在以下问题：内镜操作空间小，视野有限，套件不能精准在血肿块内部展开，无法完全抓获血肿，爪部在撑开时还会损伤血肿块周边的脑组织，造成再次出血。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种血肿抽取系统、导航系统及血肿边界判断方法，实现血肿清除，同时保证不损伤血肿周边脑组织。
6.为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种血肿抽取系统，包括导航单元，抽取单元和控制单元；
7.所述导航单元获取真实病患图像以及术前影像三维重建的虚拟图像，将两个图像进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为可视化三维图形，所述导航单元识别并跟踪抽取单元的轨迹并在可视化三维图形进行显示；
8.所述抽取单元具有抓取爪部，在所述爪部边界位置设置有用于区分脑部血肿与脑组织的感应部件，所述感应部件的输出端与导航单元连接，所述脑部血肿与脑组织的边界信息被输入导航单元并融合修正所述三维重建的虚拟图像；
9.所述控制单元的输出端与抽取单元的控制端连接，所述控制单元接收感应部件及导航单元输出的信息并根据接收的信息自主或者人工控制爪部的张开范围和大小。
10.本基础方案的工作原理和有益效果在于：将实际观测的真实病患图像与术前影像三维重建的虚拟组织进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，实现术中实时三维可视化定位，有利于确定血肿位置，利于后续手术操作。通过抽取单元的感应部件，获取脑部血肿与脑组织的区分信息，优化虚拟图像，使脑部血肿与脑组织在图上的特征区分更为明显。这样控制单元获取信息后控制爪部抽取血肿时，可更精确定位血肿，有利于血肿抽
取，避免误伤血肿周边的脑组织。
11.进一步，所述抽取单元包括外管、插入管和导丝，所述插入管套接在外管内，插入管内设有若干轴向延伸的通道，所述导丝插接在对应通道内，导丝前端设置有爪部，所述爪部位于通道内时呈直线，伸出通道时呈爪状，所述外管连通有负压抽取机构。
12.工作时将外管和插入管一同插入血肿块内，随后使导丝逐一伸出并使爪部插入血肿块，当所有导丝向前伸出到位后，向后拉动插入管，通过插入管带动导丝同步移动，带动由爪部抓取的血肿块进入外管，以此破坏血肿块。然后启动负压抽取机构，将外管连通负压，在负压作用下将剩余血肿块吸出。
13.进一步，所述导丝的爪部采用记忆材料。
14.这样导丝的爪部可在通道内受通道限制而保持直线状态，伸出通道后因记忆材料的特性而恢复为爪状。
15.进一步，所述导丝的爪部上设有毛刺或挂钩。
16.这样导丝通过其上的毛刺或挂钩，更利于抓取血肿。
17.进一步，所述感应部件采用颜色传感器或密度传感器。
18.颜色传感器与密度传感器结构简单，利于安装、使用。
19.进一步，所述颜色传感器用于采集行进过程中前方组织的颜色信息，并将对应颜色信息转换为适于显示的数据，输入导航单元；
20.通过图像识别技术获取可视化三维图像上血肿图像和脑组织图像的表面特征点，导航单元将可视化三维图形进行切片，并将每个切片的表面特征点投影在成像平面上，将抓取爪部的初始位置设置为成像平面坐标系的中心点，在血肿颜色信息变为脑组织颜色信息时，查看抓取爪部移动的距离信息和角度信息，从而换算血肿与脑组织的边界位置坐标，以边界位置坐标信息修正可视化三维图形投影的图像边界坐标。
21.利用颜色传感器，换算得到脑组织与血肿的图像边界信息，利于后续血肿清除，提高操作精确度。
22.进一步，所述密度传感器用于采集行进过程中前方组织的密度信息，并将对应密度信息转换为适于显示的数据，输入导航单元；
23.通过图像识别技术获取可视化三维图像上血肿图像和脑组织图像的表面特征点，将导航单元的可视化三维图形进行切片，并将每个切片的表面特征点投影在成像平面上，将抓取爪部的初始位置设置为成像平面坐标系的中心点，在密度传感器不再与血肿接触时，查看抓取爪部移动的距离信息和角度信息，从而换算血肿与脑组织的边界位置坐标，以边界位置坐标信息修正可视化三维图形投影的图像边界坐标。
24.利用密度传感器，换算得到脑组织与血肿的图像边界信息，利于后续血肿清除，提高操作精确度。
25.进一步，测出多个边界坐标后，如果测出的多个边界坐标与原来三维图形的最近点的距离没有超出阈值，优选将边界坐标平滑处理，如果拟合得到的平滑界面没有超出原三维图形界面，则利用平滑界面替换相应位置的三维图形界面；如果拟合得到的平滑界面有的区域超出原三维图形界面，则超出的地方仍然显示原来获得的三维图形界面；
26.如果有的边界坐标与原来三维图形的最近点的距离超出了阈值，则通过控制单元发出提醒信号并控制导丝爪部部分回缩。
27.这样修正三维图形，运算简单，利于操作。
28.本发明还提供一种导航系统，包括虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器、用户位置跟踪器和显示器，所述虚拟场景生成器通过本发明所述的导航单元构建病患的脑部三维图形，用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器用于确定用户整体位置，虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器的输出端均与显示器连接。
29.利用导航系统将实际观测的真实病患图像与术前影像三维重建的虚拟组织进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，实现术中实时三维可视化定位，从而实现精准的外科手术导航。
30.本发明还提供一种血肿边界判断方法，通过本发明所述的导航单元实时图像采集，选取部分图像信息作为锚点，对锚点进行跟踪定位；
31.通过图像识别技术匹配真实病患图像特征点和术前影像三维重建的虚拟图像表面特征点，以匹配点之间映射关系为基础，通过对虚拟图像做拓扑变换进而实现虚拟图像与真实病患图像配准；
32.获取本发明所述感应部件获取的脑部血肿与脑组织的区分信息，确定真实特征部位，并计算出该部位在已建立的世界坐标系的参数信息，在手术过程中，在本发明所述导航系统引导下，虚拟图像特征部位修改其坐标参数信息，使其和真实特征部位坐标参数信息一致，即可实现虚实融合，将血肿边界进行显示。
33.利用该方法，实现感应部件获取的脑部血肿与脑组织的区分信息与三维图形的融合，从而实现血肿边界的精确显示，有利于血肿抽取手术的实施，避免损伤脑组织。
附图说明
34.图1是本发明血肿抽取系统的流程示意图；
35.图2是本发明血肿抽取系统的抽取单元的结构示意图。
36.说明书附图中的附图标记包括：外管1、插入管2、导丝3、爪部4。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
40.如图1所示，本发明公开了一种血肿抽取系统，包括导航单元，抽取单元和控制单
元，抽取单元用于网住血肿将其拉出，或破坏血肿结构将大块血肿破碎，更方便抽吸血肿。
41.基于混合现实技术，导航单元获取真实病患图像以及术前影像三维重建的虚拟图像，将两个图像进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为可视化三维图形，导航单元识别并跟踪抽取单元的轨迹并在可视化三维图形进行显示。
42.抽取单元具有抓取爪部，在所述爪部边界位置设置有用于区分脑部血肿与脑组织的感应部件，感应部件的输出端与导航单元电性连接，脑部血肿与脑组织的边界信息被输入导航单元并融合修正所述三维重建的虚拟图像。
43.控制单元的输出端与抽取单元的控制端连电性接，控制单元接收感应部件及导航单元输出的信息并根据接收的信息自主或者人工控制爪部的张开范围和大小。
44.本方案的一种优选方式中，如图2所示，抽取单元包括外管、插入管、导丝，所述插入管套接在外管内，插入管内设有若干轴向延伸的通道，导丝插接在对应通道内，导丝前端设置有爪部，爪部位于通道内时呈直线，伸出通道时呈爪状，外管连通有负压抽取机构。
45.优选，导丝的爪部采用记忆材料，这样导丝的爪部可在通道内受通道限制而保持直线状态，伸出通道后因记忆材料的特性而恢复为爪状。更优选地，导丝的爪部上固定设有毛刺或挂钩，利用毛刺或挂钩抓取血肿块，使爪部带动血肿块移动更稳定。负压抽取机构的控制端可与控制单元的控制信号输出端电性连接，利用软件编程控制爪部抓取血肿后启动负压抽取机构，进行血肿吸取；或者电性连接控制按钮进行人工控制。
46.工作时将外管和插入管(此时导丝呈拉直状态，且均缩回在通道中)一同插入血肿块内，随后使导丝逐一伸出并使爪部插入血肿块，且对导丝进行独立控制，使不同导丝具有相同或不同的伸出量，控制更为灵活。爪部能够抓取部分血肿，同时将较大体积的血肿进行分割。在爪部前端设有感应部件和导航单元的导航作用下，避免爪部穿出血肿块边界。当所有导丝向前伸出到位后，将导丝与插入管相对固定，向后拉动插入管，通过插入管带动导丝爪部同步移动，从而带动由爪部抓取的血肿块进入外管。再启动负压抽取机构，将外管连通负压，在负压作用下将剩余血肿块吸出。
47.本方案的一种优选方式中，感应部件采用颜色传感器或密度传感器，根据使用需求可进行灵活选择。
48.使用颜色传感器时，颜色传感器用于采集行进过程中前方组织的颜色信息，并将对应颜色信息转换为适于显示的数据，输入导航单元。通过图像识别技术获取可视化三维图像上血肿图像和脑组织图像的表面特征点，导航单元将可视化三维图形进行切片(每个切片上携带有与投影面的距离信息)，并将每个切片的表面特征点投影在成像平面坐标系中，例如采用现有的三维立体图形切片投影技术。三维图形世界坐标系中的点，投影到成像平面上，需要先将其转换到摄像机坐标系中，
49.p
c
＝r*p
w
+t
50.其中，p
w
是世界坐标系(世界坐标系也称真实或现实世界坐标系，它是客观世界的绝对坐标，一般的三维场景都用这个坐标系来表示)中的点，p
c
是摄像机坐标系(以相机的光心作为原点，z
c
轴与光轴重合，并垂直于成像平面，且取摄影方向为正方向，x
c
、y
c
轴与图像物理坐标系的x,y轴平行)中的点，t＝(t
x
，t
y
，t
z
)是一个平移向量，即将世界坐标系的原点平移到摄像机坐标系的原点，r＝r(α,β,γ)是一个旋转矩阵。
51.再将三维空间点从摄像机坐标系中投影到成像平面坐标系中。
52.将抓取爪部的初始位置设置为成像平面坐标系的中心点，表面特征点换算为对应在成像平面上的坐标点。投影到成像平面之后，投影图像可能会产生畸变，需要进行校正，在血肿颜色信息变为脑组织颜色信息时，查看抓取爪部移动的距离信息和角度信息，从而换算血肿与脑组织的边界位置坐标，以边界位置坐标信息修正可视化三维图形投影的图像边界坐标。
53.使用密度传感器时，密度传感器用于采集行进过程中前方组织的密度信息，并将对应密度信息转换为适于显示的数据，输入导航单元。通过图像识别技术获取可视化三维图像上血肿图像和脑组织图像的表面特征点，将导航单元的可视化三维图形的表面特征点投影在成像平面坐标系中，将抓取爪部的初始位置设置为成像平面坐标系的中心点，与上述使用颜色传感器的操作同理，表面特征点换算为对应在成像平面上的坐标点。投影到成像平面之后，投影图像可能会产生畸变，需要进行校正，在密度传感器不再与血肿接触时，查看抓取爪部移动的距离信息，从而换算血肿与脑组织的边界位置坐标，以边界位置坐标信息修正可视化三维图形投影的图像边界坐标。
54.在利用边界位置坐标信息修正可视化三维图形的图像边界坐标的过程中，测出多个边界坐标后，如果测出的多个边界坐标与原来三维图形的最近点的距离没有超出阈值，优选将边界坐标平滑处理(即以得到的多个边界坐标拟合获取拟合曲面)，如果拟合得到的平滑界面没有超出原三维图形界面，则利用平滑界面替换相应位置的三维图形界面；如果拟合得到的平滑界面有的区域超出原三维图形界面，则超出的地方仍然显示原来获得的三维图形界面。
55.如果有的边界坐标与原来三维图形的最近点的距离超出了阈值，则通过控制单元发出提醒信号并控制导丝爪部部分回缩，也可以提醒医生重新进行可视化三维图形重建。
56.在本发明的一种优选方案中，通道自插入管一端的边缘向插入管另一端的中心轴倾斜设置。插入管位于外管的中心位置，外管内壁与插入管外壁间具有空隙，插入管的任一端设为伸入端。这样控制导丝伸出通道时，自然形成爪状结构，利于使用。
57.本发明还提供一种导航系统，包括虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器、用户位置跟踪器和显示器，虚拟场景生成器通过本发明所述的导航单元构建病患的脑部三维图形，用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器用于确定用户整体位置，虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器的输出端均与显示器电性连接。
58.本发明还提供一种血肿边界判断方法，通过本发明所述的导航单元实时图像采集，选取部分图像信息作为锚点，对锚点进行跟踪定位。通过图像识别技术匹配真实病患图像特征点和术前影像三维重建的虚拟图像表面特征点，以匹配点之间映射关系为基础，通过对虚拟图像做拓扑变换进而实现虚拟图像与真实病患图像配准。
59.获取本发明所述感应部件获取的脑部血肿与脑组织的区分信息，确定真实特征部位，并计算出该部位在已建立的世界坐标系的参数信息，在手术过程中，在本发明所述导航系统引导下，虚拟图像特征部位修改其坐标参数信息，使其和真实特征部位坐标参数信息一致，即可实现虚实融合，将血肿边界进行显示。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。