專利名稱：手術導航系統(tǒng)及方法
手術導航系統(tǒng)及方法技術領域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械領域，特別是涉及一種手術導航系統(tǒng)及方法。背景技術：
目前國內(nèi)很多手術，諸如腎結石手術等，都是在手術前，拍攝X光片或核磁圖片， 醫(yī)生根據(jù)醫(yī)學這些影像尋找并記錄結石或病變的具體位置，然后規(guī)劃手術方案，最后在沒有圖像導引的情況下，由醫(yī)生手持手術設備憑經(jīng)驗確定病變位置進行手術，即“盲操作”。 “盲操作”存在風險極大，手術成功率低，手術創(chuàng)口多，手術時間長等諸多問題，亟待解決。
就腎結石消石手術為例，目前國內(nèi)醫(yī)院的通用做法是先進行核磁掃描，醫(yī)生通過核磁圖像計算出出結石位置，由此確定穿刺的方向，穿刺的深度等信息。然而在手術過程中，由于病人的呼吸，人體的移動，結石位置會發(fā)生較大變化，醫(yī)生只有憑經(jīng)驗估計結石位置，或者擴大穿刺孔通過肉眼觀察結石，前者很容易造成穿刺過深，刺破血管，后者則會擴大創(chuàng)面，給病人造成更大的痛苦。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述狀況，有必要提供一種較為精確地引導手術的手術導航系統(tǒng)及方法。
一種手術導航系統(tǒng)，包括
三維圖像成像裝置，用于獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像；
超聲波掃描裝置，用于實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像；及
處理裝置，與所述核磁共振成像裝置及超聲波掃描裝置通訊連接，用于將所述三維立體圖像與所述超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。
進一步地，還包括顯示裝置，用于將所述配準后的融合圖像顯示出來而用以引導手術。
進一步地，所述三維圖像成像裝置為電子計算機X射線斷層掃描裝置或核磁共振成像掃描裝置。
進一步地，所述三維圖像成像裝置為電子計算機X射線斷層掃描裝置，所述處理裝置獲取病人手術前的病變區(qū)的核磁圖像，并重建所述核磁圖像而形成所述三維立體圖像。
進一步地，還包括
手術器械，用于對病人進行手術；
機械手，用于控制所述手術器械；及
機械手控制箱，與所述機械手通訊連接，所述處理裝置通過所述機械手控制箱來控制所述機械手。
進一步地，還包括與所述處理裝置通訊連接的遠程控制手柄，通過所述遠程控制手柄可控制所述機械手。
進一步地，還包括光學定位裝置，用于獲取所述機械手的位置信息。
一種手術導航方法，包括如下步驟
獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像；
實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像；及
將所述三維立體圖像與所述超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。
進一步地，還包括根據(jù)所述配準后的融合圖像控制所述機械手進行手術的步驟。
進一步地，所述根據(jù)所述配準后的融合圖像控制所述機械手進行手術的步驟進一步包括
根據(jù)所述配準后的融合圖像確定所需手術的位置信息；
獲取所述機械手當前的位置信息；及
根據(jù)所述手術的位置信息確定所述機械手所需移動的方向及距離。
上述手術導航系統(tǒng)將手術中的實時圖像與手術前的三維立體圖像相融合，使病變區(qū)域和手術器械的位置均可清晰的顯現(xiàn)，并以融合后的圖像作為手術指引，從而較為精確地引導手術。

圖1為一實施方式的手術導航系統(tǒng)的模塊圖2為另一實施方式的手術導航系統(tǒng)的模塊圖3為圖2所示手術導航系統(tǒng)的示意圖4為一實施方式的手術導航方法的流程圖5為圖4所示的手術導航方法中的步驟三的流程圖。
具體實施方式
為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
需要說明的是，當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右” 以及類似的表述只是為了說明的目的。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
請參閱圖1，本發(fā)明較佳實施方式一的手術導航系統(tǒng)100包括三維圖像成像裝置 110及超聲波掃面裝置120及處理裝置130。
三維圖像成像裝置110用于獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像。三維圖像成像裝置100可以為電子計算機X射線斷層掃描裝置(CT)或核磁共振成像掃描裝置 (MRI)。在進行手術之前，需要通過三維圖像成像裝置110對病人的病變區(qū)進行拍照，在計算機上重建后獲取病人在手術前的三位立體圖像，以供醫(yī)生確定手術方案。以腎結石消融手術為例，在進行手術之前，需要通過核磁共振成像掃描裝置對病人的腎臟進行拍攝，以獲取腎臟的三維立體圖像。此時通過腎臟的三位立體圖像可以清楚地得知腎結石的具體位置。醫(yī)生根據(jù)腎臟的三維立體圖像規(guī)劃技術路徑，選擇穿刺點，初步確定穿刺深度。
超聲波掃描裝置120用于實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像。目前醫(yī)療影像設備獲取設備有核磁，CT，X光、超聲等幾大類，其中核磁和CT采集和處理圖像速度慢， 不適合手術中實時采集圖像；X光輻射太強，不適宜長時間使用；超聲采集圖像快，實時性強。因此采用超聲波掃描裝置120可快速地獲得病人在手術中的病變區(qū)實時圖像。
處理裝置130與核磁共振成像裝置110及超聲波掃描裝置120通訊連接，用于將三維立體圖像與超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。處理裝置130可以表示為一個或多個通用的處理器(例如，微處理器)、專用處理器例如數(shù)字信號處理器(DSP) 或其他類型的裝置。圖像配準方法可劃分為單峰(或模內(nèi))及多峰(或模間)配準。在單峰配準的應用中，被配準的圖像屬于同一種形式，且相反地，在多峰應用中，被配準的圖像源自不同的形式。由于相同形式的圖像間的高度的類似性，解決單峰配準通常比多峰應用簡單一個數(shù)量級，尤其是在可變性的變換中，
上述手術導航系統(tǒng)100將手術中的實時圖像與手術前的三維立體圖像相融合，使病變區(qū)域和手術器械的位置均可清晰的顯現(xiàn)，并以融合后的圖像作為手術指引，從而較為精確地引導手術。
請參閱圖2及圖3，本發(fā)明較佳實施方式二的手術導航系統(tǒng)200與實施方式一的控制系統(tǒng)100基本相似，其包括三維圖像成像裝置210及超聲波掃面裝置220及處理裝置 230，其不同之處在于手術導航系統(tǒng)200還包括顯示裝置M0、機械手控制箱250、機械手 260及手術器械270。
顯示裝置240用于將配準后的融合圖像顯示出來而用以引導手術。顯示裝置MO 可以為陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器(LCD)等。
機械手控制箱250與機械手260通訊連接，處理裝230置通過機械手控制箱250 來控制機械手沈0。機械手260用于控制手術器械270。手術器械270用于對病人進行手術，其可以為常見的醫(yī)療手術用具，例如，手術刀、電刀等
需要說明的是，在本發(fā)明中“機械手”指常見的醫(yī)療機器人，例如，三軸機器人、五軸機器人、六軸機器人等。
另外，當需要手動操作對病人進行手術時，手術導航系統(tǒng)200還包括遠程控制手柄觀0。遠程控制手柄280與處理裝置230通訊連接，通過遠程控制手柄280可控制機械手。
手術導航系統(tǒng)200還包括光學定位裝置四0，用于獲取機械手260的位置信息。手術導航系統(tǒng)200可實時地獲取機械手沈0的位置信息，并將機械手沈0的位置信息反饋到處理裝置230。
下面以腎結石消融手術為例，來闡述手術導航系統(tǒng)200如何來引導手術。
在手術前通過核磁共振成像掃描裝置(三維圖像成像裝置210)例如先對腎臟進行掃描，經(jīng)處理裝置230處理獲得三維的腎臟立體圖像，結石也清晰的顯示在立體圖像中。 在穿刺手術中，通過超聲波掃面裝置220實時獲得病變區(qū)的超聲波圖像，并與手術前獲得的腎臟立體圖像進行配準，以獲得配準后的融合圖像。借助配準后的融合圖像，確定結石的準確位置，然后通過機械手控制箱250來控制機械手沈0，通過穿刺孔放入電刀。
在上述實際應用中，超聲波圖像實時給出了結石的具體位置，而核磁圖像起到了銳化圖像的功能，使融合后的圖像更加清晰，結石和人體組織更清晰。
請參閱圖4，本發(fā)明較佳實施方式的手術導航方法，包括如下步驟S401 S403。
步驟S401，獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像。在本實施方式中，在手術前通過三維圖像成像裝置210對病人進行照射，并將獲取的圖像輸入處理裝置230，經(jīng)過重建后得到病變區(qū)的三維立體圖像。
步驟S402，實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像。在本實施方式中，通過超聲波掃面裝置220實時掃面病人，以獲得病變區(qū)的超聲波圖像。
步驟S403，將三維立體圖像與超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。 在本實施方式中，通過處理裝置230將病變區(qū)的超聲波圖像與三維立體圖像進行配準。
在本實施方式中，采用多模態(tài)圖像配準方法，其包括以下步驟
步驟a，將參考圖像和待配準圖像按照第一采樣比例進行采樣獲取具有第一分辨率的參考圖像和待配準圖像。
在本實施例中，步驟a中對參考圖像和待配準圖像按照采樣比例進行采樣的步驟具體包括
①將所述參考圖像和待配準圖像的像素灰度值進行歸一化。
②以采樣比例對256個灰度級進行采樣。
在本實施例中，采樣的方法采用如下方式之一隨機采樣、等間隔采樣以及金字塔分層采樣。優(yōu)選地，采用金字塔分層采樣。
圖像配準是對取自不同時間、不同傳感器或者不同視角的同一場景的多幅圖像匹配的過程。一般來說，CT圖像和MRI的原始圖像分辨率都可以達到1518*1092的高分辨率。 因此將圖像的像素灰度值進行歸一化，以一定比例對全部256個灰度級的數(shù)據(jù)采樣，并采用采樣子集代替所有像素數(shù)據(jù)計算相似性測度，即每一次的配準采用不同的圖像分辨率。
在本實施例中，在每次采用不同分辨率配準過程中都采用3次B樣條曲面作為空間轉(zhuǎn)換函數(shù)，且根據(jù)不同尺度的配準需要，可以在每層的配準過程中采用大小不同的B樣條曲面作為變形模型。優(yōu)選地，采用5*5和10*10大小的兩種B樣條曲面作為變形模型。
步驟b，采用B樣條曲面作為變形模型對所述具有第一分辨率的參考圖像和待配準圖像進行配準、計算配準測度并獲得第一配準參數(shù)。
在本實施例中，計算配準測度的步驟中采用歸一化的互信息值作為配準測度。
互信息是信息理論中的一個基本概念，用于描述兩個系統(tǒng)間的統(tǒng)計相關性，或者是一個系統(tǒng)中所包含的另一個系統(tǒng)中信息的量。其中，在配準測度中，由于方差和均方差是測度數(shù)據(jù)變異程度的最重要、最常用的指標，因此常采用歸一化的形式。
步驟C，增大采樣比例重復上述步驟直至配準測度達到預設閾值；其中，每次增大采樣比例后進行配準時均以上一次的配準參數(shù)為初始配準參數(shù)。
將上一次的配準參數(shù)作為下一次的初始配準參數(shù)，能夠提高兩次配準的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
在本實施例中，采樣及配準的步驟重復1次，其中，第一采樣比例為0. 3，重復采樣比例為0.6。
配準測度達到預設閾值時，將參考圖像與待配準圖像進行絕對配準，其中在絕對配準中定義B樣條控制網(wǎng)格。當參考圖像與待配準圖像的配準參數(shù)間的差值在士5%之間時，認為配準測度達到預設閾值。具體地，采用B樣條網(wǎng)格控制區(qū)域的方法步驟包括
①選取參考圖像中的感興趣區(qū)域，得到其像素信息，并將像素信息映射到待配準圖像的對應區(qū)域，同時控制B樣條網(wǎng)格變化。
②將變化后的網(wǎng)格控制區(qū)域進行優(yōu)化計算，達到匹配閾值后嵌入到待配準圖像中。
上述多模態(tài)圖像配準方法，采用多層分辨率圖像配準實現(xiàn)方法，同時以B樣條曲面作為變形模型，能夠快速準確的將參考圖像與待配準圖像找到兩者的配準測度閾值，實現(xiàn)準確的圖像配準。
步驟S404，根據(jù)配準后的融合圖像控制機械手進行手術的步驟。請參閱圖5，在本實施方式中，步驟S404進一步包括
步驟S4041，根據(jù)配準后的融合圖像確定所需手術的位置信息；
步驟S4042，獲取機械手當前的位置信息；及
步驟S4043，根據(jù)手術的位置信息確定機械手所需移動的方向及距離。
與現(xiàn)有的最好方法相比，上述手術導航方法至少具有以下優(yōu)點
(1)上述手術導航方法不使用X光，安全，超低輻射。
(2)上述手術導航方法基于良好的圖像配準算法，引導手術的配準圖像兼具清晰度和實時性。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種手術導航系統(tǒng)，其特征在于，包括三維圖像成像裝置，用于獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像；超聲波掃描裝置，用于實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像；及處理裝置，與所述核磁共振成像裝置及超聲波掃描裝置通訊連接，用于將所述三維立體圖像與所述超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。
2.如權利要求1所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，還包括顯示裝置，用于將所述配準后的融合圖像顯示出來而用以引導手術。
3.如權利要求1所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，所述三維圖像成像裝置為電子計算機X射線斷層掃描裝置或核磁共振成像掃描裝置。
4.如權利要求3所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，所述三維圖像成像裝置為電子計算機X射線斷層掃描裝置，所述處理裝置獲取病人手術前的病變區(qū)的核磁圖像，并重建所述核磁圖像而形成所述三維立體圖像。
5.如權利要求1所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，還包括手術器械，用于對病人進行手術；機械手，用于控制所述手術器械；及機械手控制箱，與所述機械手通訊連接，所述處理裝置通過所述機械手控制箱來控制所述機械手。
6.如權利要求5所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述處理裝置通訊連接的遠程控制手柄，通過所述遠程控制手柄可控制所述機械手。
7.如權利要求5所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，還包括光學定位裝置，用于獲取所述機械手的位置信息。
8.一種手術導航方法，包括如下步驟獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像；實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像；及將所述三維立體圖像與所述超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。
9.如權利要求1所述的手術導航方法，其特征在于，還包括根據(jù)所述配準后的融合圖像控制所述機械手進行手術的步驟。
10.如權利要求9所述的手術導航方法，其特征在于，所述根據(jù)所述配準后的融合圖像控制所述機械手進行手術的步驟進一步包括根據(jù)所述配準后的融合圖像確定所需手術的位置信息；獲取所述機械手當前的位置信息；及根據(jù)所述手術的位置信息確定所述機械手所需移動的方向及距離。
全文摘要
一種手術導航系統(tǒng)，包括三維圖像成像裝置、超聲波掃描裝置及處理裝置；三維圖像成像裝置用于獲取病人手術前的病變區(qū)的三維立體圖像；超聲波掃描裝置用于實時獲取病人手術中的病變區(qū)的超聲波圖像；處理裝置與所述核磁共振成像裝置及超聲波掃描裝置通訊連接，用于將所述三維立體圖像與所述超聲波圖像進行配準，并將配準后的融合圖像輸出。上述手術導航系統(tǒng)將手術中的實時圖像與手術前的三維立體圖像相融合，使病變區(qū)域和手術器械的位置均可清晰的顯現(xiàn)，并以融合后的圖像作為手術指引，從而較為精確地引導手術。本發(fā)明還提供一種手術導航方法。
文檔編號A61B19/00GK102512246SQ201110435628
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權日2011年12月22日
發(fā)明者熊駿, 辜嘉 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院