[發明專利]人體器官運動監測方法和人體導航系統

有效

• 申請號: 201410259145.3
• 申請日: 2014-06-11
• 公開（公告）號: CN104055520A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 翟偉明;宋亦旭
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: A61B5/113
• 分類號: A61B5/113;A61B5/11;A61B19/00
• 代理公司: 北京華睿卓成知識產權代理事務所(普通合伙) 11436
• 代理人: 張麗新;彭武

技術領域

本發明總體地涉及手術導航系統和方法，更具體地涉及醫學過程中實時監測人體器官的運動的人體器官運動監測方法、人體導航系統、計算機可讀介質。

背景技術

介入手術是現代外科手術的發展方法，介入手術與傳統外科手術的區別是不需要開刀，只需要一個很小的創口即可將特制的手術器械例如導管、冷凍針、射頻消融振、導絲等刺入到人體內的病灶部位或者手術靶點位置上，然后通過各種物理/化學作用達到治療的目的，從而解決過去需要開放式手術才能解決的腫瘤切除、組織活檢、人工器材放置等問題。

在介入手術過程中，醫生無法直接觀察到病人體內的治療部位或者病灶，需要借助于醫學影像引導下的計算機輔助手術導航技術。計算機輔助手術導航技術是集計算機科學、人工智能、自動控制、影像處理、三維圖形學、虛擬現實和臨床治療等多方面技術為一體的交叉研究課題。手術導航技術使用多種模態的醫學影像協助醫生將手術器械直接穿刺到病灶進行局部治療，進而提高手術質量、減少手術創傷、降低患者痛苦。

手術導航應用患者的醫學影像及由其重構生成的三維模型來實時引導臨床手術的實施。患者的醫學影像數據集例如通過CT(computerized tomography，計算機斷層攝影)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)掃描手段來獲得。手術導航系統把患者術前醫學影像數據和術中手術部位通過定位設備聯系起來，并能夠在軟件界面里準確地顯示患者的解剖結構及病灶附近三維空間位置的細節。當手術器械指向患者身體內部的任意部位時，它的坐標信息都會被導航系統實時獲取，并顯示在患者的三維模型上。這樣即使不用給患者開刀，醫生也能夠實時了解手術器械和腫瘤病灶之間的相對位置關系。

相對于傳統手術手段而言，手術導航具有下述優點：

1.可通過三維可視化技術實時重構病灶，并顯示手術視野周圍的結構特征；

2.可通過術前手術方案設計選擇最合適的手術路徑；

3.可顯示手術路徑上可能遇到的組織結構；

4.可顯示重要的應回避的組織結構，比如血管、神經和骨骼等；

5.可顯示病灶的需要治療的范圍；

6.可實時精確計算出手術器械的位置姿態并加以顯示；

7.可顯示手術器械與病灶的空間位置關系，并指示手術器械前進的方向；

8.可術中實時調整手術入路，從而更加精確地達到病灶部位。

為了描述方便，下文以CT圖像作為醫學影像的例子，不過顯然醫學影像也可以例如MRI影像的其它影像。

實時手術導航涉及采用定位設備或者跟蹤系統，例如，采用電磁(EM,electromagnetic)跟蹤器，來跟蹤手術工具例如穿刺針的末端，從而將手術工具的位置與手術前醫學影像例如CT圖像相關，并將融合圖像顯示給臨床醫生。為了實現CT空間和跟蹤器空間之間的數據整合，通常在導航之前執行基于參考標記的配準過程。從CT圖像中識別這些參考標記(外部參考標記或者內部解剖參考標記)，并由經校準的跟蹤探頭觸碰這些參考標記，從而得到這些參考標記在跟蹤器空間，下文稱之為定位坐標系中的坐標。之后，執行基于點的配準，以找到CT空間和跟蹤器空間之間的坐標變換矩陣。由坐標變換矩陣得到配準矩陣，該配準矩陣使得手術工具與手術前CT圖像對準，從而能夠基于手術工具在定位系統中的位置信息，實現手術工具的圖像與CT圖像在CT坐標系中的準確融合，并可視地顯示給臨床醫生。

發明內容

目前手術導航技術已經廣泛地應用于神經外科手術導航和骨科手術導航中。然而這些手術都假設人體是一個完全靜止的剛體，并且這種靜止狀態會從CT掃描初期保持到整個手術過程的結束。雖然這種假設在大多數神經外科手術和骨科手術里可以近似假定成立，但是它在胸腹腔介入手術領域卻難以獲得成立。由例如呼吸而導致的胸腹腔組織運動(包括腫瘤組織和正常組織)往往可以達到2-4厘米的范圍，而臨床手術的精度要求往往是在毫米級別的，這樣的誤差會導致目前主流的手術導航系統難以安全穩定地應用于胸腹腔介入手術的臨床實踐中。

鑒于上述情況，做出了本發明。