[發明專利]一種CT圖像引導下的手術導航系統及導航方法

在審

• 申請號: 201710049838.3
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN107028659A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 鄭加生;趙磊;唐瑭;楊瑞;袁春旺;邊慶偉
• 申請（專利權）人: 新博醫療技術有限公司
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,劉美麗

技術領域

本發明涉及一種手術導航系統及導航方法，特別是關于一種CT圖像引導下的手術導航系統及導航方法。

背景技術

介入治療是指在不開刀暴露病灶的情況下，經由血管、皮膚上的微小創傷口，在影像設備(血管造影機、透視機、CT、MR、B超)的引導下，將特制的導管、導絲等精密手術器械引入人體，采用冷凍、微波、藥物注射等方法對病灶局部進行治療。相對于內科治療，大大提高了藥物的吸收效率，減少藥物用量和副作用。相對于外科治療，病人創傷小恢復快，只需要局部麻醉，對正常器官的影響小。

但是傳統的非血管介入手術，醫生僅使用能夠在CT下清晰成像的金屬導絲結合圖像確定皮膚穿刺點，憑借經驗調整手術針行進路徑抵達目標點，最后用影像設備掃描手術區域，確認手術器械的位置是否準確以及穿刺過程中是否引起無關組織創傷。這種方法使得手術器械與病灶目標點之間存在誤差，影響手術質量；若操作者經驗不足，或因病灶位置的特殊性反復調整手術器械的位置，增加患者負擔，亦可能引起并發癥。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠確保導航精度，進而能夠引導手術精確操作的CT圖像引導下的手術導航系統及導航方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種CT圖像引導下的手術導航系統，其特征在于，該手術導航系統包括跟蹤系統、標定示蹤器、手術器械、手術器械示蹤器、CT設備和導航計算機，所述CT設備連接所述導航計算機；所述標定示蹤器固定設置在相對CT病床不發生移動的地方或患者體表，用于測量病床坐標系的位姿；所述手術器械示蹤器固定設置在手術器械上，用于測量手術器械坐標系的位姿；所述跟蹤系統用于測量所述病床坐標系和手術器械坐標系相對于跟蹤坐標系的位姿；所述標定示蹤器上設置有導航標識和一組特征點集II，所述導航標識包括一組不對稱分布且不共直線并能夠被所述CT設備成像的特征點集I，特征點集II能夠被跟蹤系統1識別，所述導航計算機通過坐標系之間的相互變換關系，將病床坐標系和手術器械坐標系變換到某一坐標系中。

進一步地，所述跟蹤系統采用光學跟蹤系統或電磁跟蹤系統，所述跟蹤系統通過自身的位置傳感器對所述標定示蹤器和手術器械示蹤器進行探測，獲得所述病床坐標系和手術器械坐標系各自的原點在所述跟蹤系統坐標系中的位置，以及所述病床坐標系和手術器械坐標系的三個坐標軸相對所述跟蹤系統坐標系的旋轉角度。

進一步地，所述標定示蹤器與CT設備的電動床板連接在一起，或經消毒后貼于病灶附近的皮膚上，所述標定示蹤器采用工程塑料制作而成的L型立方體，所述L型立方體的豎直面和水平面相互垂直，所述豎直面外表面設置有可被所述跟蹤系統測量的特征點集II，所述水平面設置有可被所述CT設備測量的由金屬導絲組成的三角形或是不在同一直線上的三個圓球，所述特征點集I是上述三角形的三個頂點或三個球的球心。

進一步地，采用所述標定示蹤器對各坐標系進行標定的具體過程為：所述標定示蹤器伴隨患者掃描時，所述導航標識被CT序列層切，在單幅圖像上表現為采樣點，并得到采樣點在圖像坐標系中的坐標；將多個采樣點分組擬合成三條直線，然后將三條直線擬合成一個三角形，求取三角形三個頂點的坐標，即為特征點集I在CT圖像坐標系中的坐標，由于CT圖像坐標與CT設備坐標具有一一對應的關系，得到特征點集I在CT設備坐標系里的坐標，所述跟蹤系統測量特征點集II的位置，得到病床坐標系的位姿，由于特征點集I和特征點集II的關系已知，得到CT設備坐標系到病床坐標系的變換關系。

進一步地，采用所述標定示蹤器對各坐標系進行標定的具體過程為：

(a)利用所述CT設備掃描導航標識各點在CT設備坐標系里的坐標由擬合出特征點集I各點在CT設備坐標系里的坐標

(b)利用所述跟蹤系統測量特征點集II各點在所述跟蹤系統坐標系里的坐標，由于特征點集I到特征點集II的關系已知，得到特征點集I各點在跟蹤系統坐標系里的坐標進而得到CT設備坐標系在跟蹤系統坐標系里的位姿

(c)選取所代表的特征點之一為標識坐標系原點O_marker，連接各點生成L個列向量，從中選取線性無關的兩個向量其中,作為標識坐標系x軸的方向向量，作為標識坐標系Y軸的方向向量，最后確定Z軸的方向向量根據右手螺旋定則生成一個空間直角坐標系，將三坐標軸歸一化，得到旋轉矩陣

(d)平移向量為標識坐標系原點在跟蹤系統中的坐標：

得到變換關系

(e)由于特征點集I和特征點集II的關系已知，得到CT設備坐標系到病床坐標系的變換關系