[發(fā)明專利]一種3D虛擬超聲引導(dǎo)穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710083134.8
• 申請日: 2017-02-16
• 公開（公告）號(hào): CN106821499A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳劍;呂留帥;盧慧君;黃毅斌
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號(hào): A61B34/20
• 分類號(hào): A61B34/20;A61B17/34
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務(wù)所11430
• 代理人: 范盈

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，尤其涉及一種3D虛擬超聲引導(dǎo)穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

目前臨床上，普通B超顯示的是二維剖面圖，二維圖在手術(shù)中具有諸多局限，尤其是在穿刺過程中，僅憑二維圖像會(huì)丟失穿刺針頭的位置信息，穿刺針針尖只有位于超聲圖像平面上才是可見的。這意味著，在大多數(shù)情況下，醫(yī)生在超聲平面上看不到穿刺針的針尖，將其準(zhǔn)確移動(dòng)到靶區(qū)位置難度很大。

現(xiàn)在已經(jīng)有一些研究改進(jìn)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，如論文《Spinal Needle Navigation by Tracked Ultrasound Snapshots》提到的TUSS(Queen’s University,Canada)，但都是使用電腦屏幕來顯示導(dǎo)航信息，如手術(shù)路徑、手術(shù)器械的三維模型以及各種模態(tài)信息的超聲二維圖像、CT/MRI三維圖像，但是手術(shù)時(shí)醫(yī)生不得不在病人和屏幕之間來回切換視野，很不方便，并且影響手術(shù)的連續(xù)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要克服手術(shù)時(shí)醫(yī)生在病人和屏幕之間來回切換視野的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生在手術(shù)過程中的實(shí)時(shí)精確導(dǎo)航并增強(qiáng)手術(shù)操作過程中的立體感。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種3D虛擬超聲引導(dǎo)穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)和方法，用于對手術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確的導(dǎo)航。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)備包括：三維視覺顯示設(shè)備、超聲成像設(shè)備、超聲探頭、圖像采集設(shè)備、圖像工作站、穿刺針、空間定位設(shè)備及對應(yīng)的位置跟蹤器等硬件設(shè)備。通過空間定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)三維視覺顯示設(shè)備，穿刺針，超聲探頭的實(shí)時(shí)位置信息的獲取。在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，基于3D slicer和PLUS等開源軟件，設(shè)計(jì)并編寫了數(shù)據(jù)讀取、設(shè)備標(biāo)定、虛擬現(xiàn)實(shí)及輔助穿刺的超聲導(dǎo)航功能模塊軟件，其中虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件功能模塊，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)繪制雙目視角圖像的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)顯示部分利用LCD屏幕作為顯示設(shè)備，通過三維視覺顯示設(shè)備自帶的無線網(wǎng)絡(luò)(Wireless Fidelity,WIFI)或者有線方式，將圖像工作站渲染好的三維場景圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)絃CD屏幕上。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明實(shí)時(shí)繪制佩戴者雙目視角圖像，方便佩戴者通過改變頭部位置，調(diào)整視角，完成視野縮放，以達(dá)到方便手術(shù)的目的，系統(tǒng)對呼吸運(yùn)動(dòng)帶來的精度問題進(jìn)行了處理，提高了精度，而且提供了新的超聲探頭標(biāo)定方法，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)超聲探頭標(biāo)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種3D虛擬超聲引導(dǎo)穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件平臺(tái)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種3D虛擬超聲引導(dǎo)穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)操作方法流程圖。

圖3是超聲探頭標(biāo)示意圖。

圖4是虛擬顯示技術(shù)示意圖。

圖5超聲圖像中肝臟腫瘤的實(shí)時(shí)位置示例圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

圖1是本發(fā)明的硬件設(shè)備連接圖。超聲探頭101連接超聲成像設(shè)備102，再通過圖像采集卡103連接到圖像工作站107，采集超聲圖像。超聲探頭101、穿刺針104和頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備105均已加裝光學(xué)定位設(shè)備的反光球，它們的位置信息通過位置跟蹤設(shè)備106傳輸?shù)綀D像工作站107，圖像工作站107會(huì)對搜集的位置信息和實(shí)時(shí)超聲圖像信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)，融合，對手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)三維顯示和導(dǎo)航，導(dǎo)航過程圖像通過wifi傳輸?shù)筋^戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備105，醫(yī)生可以靈活移動(dòng)，不受圖像工作站107屏幕的限制。

圖2是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的配套軟件模塊工作流程圖。按手術(shù)流程，主操作順序?yàn)樵O(shè)備連接201→穿刺針標(biāo)定202→超聲探頭標(biāo)定203→手術(shù)路徑規(guī)劃204→穿刺視角調(diào)整206→虛擬現(xiàn)實(shí)顯示導(dǎo)航207，輔助操作模塊有手術(shù)路徑繪制模塊205和超聲探頭精度分析208。

根據(jù)3D虛擬超聲引導(dǎo)穿刺導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行穿刺導(dǎo)航的方法，按照如下步驟進(jìn)行(以肝臟為例)：

a.設(shè)備連接完成后，使用設(shè)計(jì)好的標(biāo)定模型，分別對超聲探頭和穿刺針進(jìn)行標(biāo)定，獲取標(biāo)定矩陣，此時(shí)圖形工作站會(huì)在三維場景的相應(yīng)位置繪制出虛擬超聲圖像和穿刺針的三維模型，并以適當(dāng)?shù)囊暯秋@示在屏幕上。

b.使用超聲探頭掃描肝臟，在軟件三維視圖里標(biāo)記腫瘤中心的位置。

c.導(dǎo)航軟件繪制穿刺路徑，三維導(dǎo)航顯示圖像中會(huì)顯示穿刺針針尖到靶點(diǎn)之間的距離，觀察圖形工作站的屏幕，并輔以軟件視角調(diào)整功能，將三維場景中的穿刺針沿穿刺路徑移動(dòng)到標(biāo)記點(diǎn)的位置，穿刺完成。