本技術(shù)涉及能夠高效準(zhǔn)確判斷水刀偏轉(zhuǎn)程度的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在水刀工作過(guò)程中，需要確保水刀在腔道內(nèi)的準(zhǔn)確位姿，具體地說(shuō)，在準(zhǔn)確的位姿下，也就是水刀未發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情形，水刀及水刀所噴射的水射流圖像才可完整地顯示在超聲圖像上，這對(duì)于水刀手術(shù)是必要的，準(zhǔn)確位姿可以保證工作過(guò)程中給手術(shù)操作者提供完整準(zhǔn)確的信息并精準(zhǔn)實(shí)施手術(shù)。但是，如果通常在布置水刀的過(guò)程中存在不可避免的偏轉(zhuǎn)，如果水刀實(shí)際所在的面相對(duì)于超聲圖像、例如矢狀面超聲圖像的成像平面存在偏轉(zhuǎn)，則水刀無(wú)法完整地顯示在該矢狀面超聲圖像上，進(jìn)而水刀所噴射的水射流也偏離了該矢狀面超聲圖像，導(dǎo)致操作者無(wú)法在超聲圖像上獲得水刀及水射流的水柱的清晰、準(zhǔn)確的信息，從而妨礙手術(shù)的進(jìn)行。

2、因此，在水刀實(shí)際所在的面相對(duì)于超聲圖像、例如矢狀面超聲圖像的成像平面存在偏轉(zhuǎn)的情況下，需要獲取偏轉(zhuǎn)信息，例如偏轉(zhuǎn)的方向或角度、偏轉(zhuǎn)的距離等與偏轉(zhuǎn)程度有關(guān)的信息，并提示給操作者或提供給手術(shù)系統(tǒng)的控制單元，以使手術(shù)前能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行水刀位姿的調(diào)整。

3、傳統(tǒng)的方法通過(guò)控制水刀噴水等方式，反復(fù)多次調(diào)整水刀的位姿包括水刀刀頭的方向，這個(gè)過(guò)程需要人工借助超聲圖像觀察偏轉(zhuǎn)程度并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷應(yīng)如何調(diào)整水刀位姿使其能夠消除偏轉(zhuǎn)，直到水刀刀頭達(dá)到需要的初始位姿，過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)且反復(fù)多次的操作易對(duì)周圍組織造成傷害，這是不希望的；此外，也存在自動(dòng)化程度低且完全依賴于操作者經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題。

4、水刀的偏轉(zhuǎn)程度也可以通過(guò)光學(xué)或磁導(dǎo)航等外加裝置或識(shí)別標(biāo)識(shí)的方式，但外加標(biāo)識(shí)點(diǎn)或識(shí)別傳感器都需增加額外的裝置，如光學(xué)導(dǎo)航要在水刀外部空間安裝，且相機(jī)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)光路之間不能有遮擋，磁導(dǎo)航須在進(jìn)入人體腔道內(nèi)的水刀上增加額外的傳感器且易受外部磁場(chǎng)干擾，人體外如病床上需增加磁場(chǎng)接收傳感器，以上會(huì)對(duì)操作者的操作空間等有影響，特別如體外操作空間較小的手術(shù)場(chǎng)景。

5、水刀的偏轉(zhuǎn)程度還可以在實(shí)時(shí)超聲圖像中獲得，但實(shí)時(shí)三維超聲設(shè)備昂貴，實(shí)時(shí)二維超聲圖像需要操作者在矢狀面及橫斷面兩組圖像中進(jìn)行反復(fù)切換觀察，通過(guò)肉眼識(shí)別、空間想象和經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)設(shè)最終的軌跡，仍然存在過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)、準(zhǔn)確度相對(duì)較低，且頻繁移動(dòng)超聲探頭會(huì)對(duì)腔道組織帶來(lái)?yè)p傷等技術(shù)問(wèn)題。

6、因此，現(xiàn)有技術(shù)中，存在如何無(wú)需額外裝置即可高效、準(zhǔn)確地對(duì)水刀偏轉(zhuǎn)程度進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)的一個(gè)方案為，一種水刀的偏轉(zhuǎn)程度識(shí)別方法，所述水刀具備能夠噴射射流的刀孔，包含如下步驟：s1：圖像模板預(yù)設(shè)步驟，將所述水刀在超聲圖像中對(duì)應(yīng)的矢狀面與其實(shí)際所在的面所成的角度作為偏轉(zhuǎn)角度，將所述水刀實(shí)際所在的面相對(duì)于其在超聲圖像中對(duì)應(yīng)的矢狀面的偏轉(zhuǎn)角度所導(dǎo)致的、所述射流相對(duì)于所述矢狀面的距離作為偏移距離；預(yù)先獲取多個(gè)偏轉(zhuǎn)角度下所述水刀在所述矢狀面上對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)水刀圖像，形成預(yù)設(shè)水刀圖像模板集合；及/或，預(yù)先獲取多個(gè)偏移距離下所述射流在所述矢狀面上對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)射流圖像，形成預(yù)設(shè)射流圖像模板集合，其中以所述射流的中心線到所述矢狀面的垂直距離為所述偏移距離；

2、s2：圖像匹配步驟，獲取所述水刀在所述矢狀面上對(duì)應(yīng)的實(shí)際水刀圖像，將所述實(shí)際水刀圖像與所述預(yù)設(shè)水刀圖像模板集合中的圖像模板進(jìn)行匹配，及/或，獲取所述射流在所述矢狀面上對(duì)應(yīng)的實(shí)際射流圖像，將所述實(shí)際射流圖像與所述預(yù)設(shè)射流圖像模板集合中的圖像模板進(jìn)行匹配；

3、當(dāng)匹配結(jié)果滿足預(yù)設(shè)的第一條件時(shí)，判定為所述水刀的偏轉(zhuǎn)程度可接受而無(wú)需對(duì)水刀的位姿進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)匹配結(jié)果不滿足預(yù)設(shè)的第一條件時(shí)，判定為所述水刀的偏轉(zhuǎn)程度不可接受而需要對(duì)水刀的位姿進(jìn)行調(diào)整。

4、根據(jù)前述的技術(shù)方案，通過(guò)圖像匹配來(lái)初步判斷水刀是否存在偏轉(zhuǎn)，以及偏轉(zhuǎn)程度是否可接受，以提高判斷的準(zhǔn)確度和調(diào)整效率。

5、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，基于所述實(shí)際水刀圖像與所述預(yù)設(shè)水刀圖像模板集合的匹配結(jié)果獲取所述水刀的粗略偏轉(zhuǎn)角度，及/或，基于所述實(shí)際射流圖像與所述預(yù)設(shè)射流圖像模板集合的匹配結(jié)果，獲取所述射流的粗略偏移距離；

6、所述第一條件為，所述粗略偏轉(zhuǎn)角度小于預(yù)設(shè)的第一偏轉(zhuǎn)角度閾值，及/或，所述粗略偏移距離小于預(yù)設(shè)的第一偏移距離閾值。

7、根據(jù)本發(fā)明，在粗略偏轉(zhuǎn)角度和粗略偏移距離同時(shí)滿足條件的情況下判定為水刀位姿不需要調(diào)整，能夠有效地避免誤操作。

8、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，當(dāng)匹配結(jié)果不滿足所述第一條件時(shí)，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算步驟：

9、在匹配結(jié)果滿足預(yù)設(shè)的第二條件的情況下，基于所述粗略偏轉(zhuǎn)角度及/或所述粗略偏移距離，獲取所述水刀的偏轉(zhuǎn)角度。

10、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，在匹配結(jié)果不滿足所述第二條件的情況下，獲取與所述矢狀面垂直的至少一個(gè)橫斷面的超聲圖像，至少基于該至少一個(gè)橫斷面的超聲圖像中所述水刀的成像點(diǎn)的位置，確定所述水刀的偏轉(zhuǎn)角度。

11、根據(jù)前述的技術(shù)方案，通過(guò)水刀的粗略偏轉(zhuǎn)角度及射流的粗略偏移距離就足以精確地判定水刀的偏轉(zhuǎn)角度的情況下，僅通過(guò)矢狀面圖像就能夠計(jì)算水刀的偏轉(zhuǎn)角度。通過(guò)水刀的粗略偏轉(zhuǎn)角度及射流的粗略偏移距離不足以精確地判定水刀的偏轉(zhuǎn)角度的情況下，引入橫斷面圖像來(lái)計(jì)算水刀的偏轉(zhuǎn)角度。

12、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，所述第二條件為，所述粗略偏轉(zhuǎn)角度小于預(yù)設(shè)的第二偏轉(zhuǎn)角度閾值，及/或所述粗略偏移距離小于預(yù)設(shè)的第二偏移距離閾值；或者，所述第二條件為，將所述粗略偏轉(zhuǎn)角度和所述粗略偏移距離進(jìn)行加權(quán)而得到的所述水刀的偏轉(zhuǎn)程度小于預(yù)設(shè)的偏轉(zhuǎn)程度閾值。

13、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，在所述偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算步驟中，預(yù)先建立所述預(yù)設(shè)水刀圖像模板集合、所述預(yù)設(shè)射流圖像模板集合之間的映射關(guān)系；

14、在匹配結(jié)果滿足預(yù)設(shè)的第二條件的情況下時(shí)，判斷所述實(shí)際水刀圖像、所述實(shí)際射流圖像是否符合所述映射關(guān)系；如符合則判定為所述粗略偏轉(zhuǎn)角度為高可信度，否則判定為所述粗略偏轉(zhuǎn)角度為低可信度。

15、根據(jù)本發(fā)明，在偏轉(zhuǎn)角度的判斷為高可信度的情況下，能夠減少水刀的調(diào)整次數(shù)，減輕患者的負(fù)擔(dān)。在偏轉(zhuǎn)角度的判斷為低可信度的情況下，能夠分步逼近正確的水刀位姿，確保調(diào)整的準(zhǔn)確度。

16、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，在所述偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算步驟中，在匹配結(jié)果不滿足所述第二條件的情況下，

17、若匹配結(jié)果滿足預(yù)設(shè)的第三條件，則獲取間隔設(shè)置的第一橫斷面、第二橫斷面的超聲圖像，所述水刀在所述第一橫斷面、所述第二橫斷面對(duì)應(yīng)的超聲圖像中分別呈現(xiàn)為第一成像點(diǎn)、第二成像點(diǎn)；基于所述第一成像點(diǎn)、所述第二成像點(diǎn)的位置，確定所述水刀在物理空間坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的直線方程；

18、若匹配結(jié)果不滿足所述第三條件，則僅獲取一個(gè)橫斷面的超聲圖像，基于所述水刀在該橫斷面對(duì)應(yīng)的超聲圖像中的成像點(diǎn)的位置和所述刀孔在所述矢狀面圖像中的成像點(diǎn)的位置，確定所述水刀在物理空間坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的直線方程；

19、所述第三條件為：所述粗略偏轉(zhuǎn)角度大于預(yù)設(shè)的第三偏轉(zhuǎn)角度閾值，及/或，所述粗略偏移距離大于預(yù)設(shè)的第三偏移距離閾值。

20、根據(jù)前述的技術(shù)方案，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度比較大時(shí)，引入兩個(gè)橫斷面能夠使角度判斷更加準(zhǔn)確。

21、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，在所述偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算步驟中，在匹配結(jié)果不滿足所述第二條件且滿足所述第三條件時(shí)，選擇所述矢狀面圖像中所述刀孔對(duì)應(yīng)的位置獲取橫斷面圖像，作為所述第一橫斷面的圖像。

22、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，基于超聲圖像坐標(biāo)系與物理空間坐標(biāo)系的標(biāo)定關(guān)系，分別獲取所述第一成像點(diǎn)、所述第二成像點(diǎn)在超聲圖像坐標(biāo)系中的第一像素坐標(biāo)、第二像素坐標(biāo)，再將所述第一像素坐標(biāo)、所述第二像素坐標(biāo)像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為物理空間坐標(biāo)系中的第一空間坐標(biāo)、第二空間坐標(biāo)。

23、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，在所述偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算步驟中，當(dāng)所述粗略偏轉(zhuǎn)角度大于/等于預(yù)設(shè)的偏轉(zhuǎn)角度閾值，且所述粗略偏移距離小于/等于預(yù)設(shè)的偏移距離閾值時(shí)：僅在超聲圖像中設(shè)置一個(gè)橫斷面，基于所述水刀在該橫斷面上的成像點(diǎn)的位置和所述刀孔在所述矢狀面上的成像點(diǎn)的位置，確定所述水刀在物理空間坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的直線方程。

24、根據(jù)前述的技術(shù)方案，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度相對(duì)沒(méi)那么大時(shí)，引入一個(gè)橫斷面能夠在準(zhǔn)確判斷偏轉(zhuǎn)角度的同時(shí)，減少超聲探頭的移動(dòng)次數(shù)和距離，減輕對(duì)腔道組織的損傷。

25、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，設(shè)安全精度為m，所述預(yù)設(shè)水刀圖像模板集合中對(duì)應(yīng)的最大偏轉(zhuǎn)角度為θ0，則在超聲圖像坐標(biāo)系中，所述第二橫斷面與所述第一橫斷面之間的間距為m*tanθ0。

26、在一個(gè)優(yōu)選的方式中，至少基于超聲圖像采集和圖像識(shí)別過(guò)程中的誤差，設(shè)計(jì)算精度為n，安全系數(shù)為p，所述安全精度m=n*p。

27、此外，本技術(shù)的另一方面是，一種水刀的偏轉(zhuǎn)程度識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于：包含圖像采集模塊、圖像模板匹配模塊和水刀偏轉(zhuǎn)程度計(jì)算模塊；所述圖像采集模塊用于采集所述水刀及其射流的超聲圖像；所述圖像模板匹配模塊將所述圖像采集模塊采集的所述水刀及其射流的超聲圖像，與預(yù)設(shè)水刀圖像模板集合、預(yù)設(shè)射流圖像模板集合進(jìn)行匹配；所述水刀偏轉(zhuǎn)程度計(jì)算模塊按照前述的水刀的偏轉(zhuǎn)程度識(shí)別方法，確定所述水刀的實(shí)際偏轉(zhuǎn)程度。