[發明專利]一種基于光學定位配準的超聲與CT/MR圖像融合手術導航系統及其方法

在審

• 申請號: 201711151383.2
• 申請日: 2017-11-18
• 公開（公告）號: CN107854177A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 張詩雷;楊成帥;宋志堅;吳錦陽;張勇;唐智賢;張楚茜
• 申請（專利權）人: 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 上海精晟知識產權代理有限公司31253
• 代理人: 馮子玲

技術領域

本發明屬于超聲成像技術領域，具體涉及一種基于光學定位配準的超聲與CT/MR圖像融合手術導航系統及其方法。

背景技術

在計算機輔助手術導航系統中，包括路徑規劃、物理坐標系配準、術中導航等都是建立在對術前影像數據重建的基礎之上的。在手術過程中，由于呼吸、手術器械的接觸等原因可能引起臟器及軟組織的形變，使得所觀察的影像資料無法反映出病人體內解剖結構的真實位置，從而導致軟組織導航手術的定位精度下降。然而，超聲以其廉價、實時、無損傷、無射線輻射以及可重復性和敏感度高等優勢，已經作為一種術中實時的可視化技術而引入。超聲成像在定量分析、實時監控軟組織形變和治療規劃等方面都具有很大的潛力。因此，近年來基于術中實時超聲成像輔助手術導航系統的研究成為了新的熱點。

目前該系統主要應用在神經外科及普外科領域，挪威科技大學Gronningsaeter等嘗試利用三維超聲成像的外科導航技術獲取術中實時更新的病灶區域的超聲圖像，通過將其與術前的MR圖形融合，能夠很好的解決術中腦組織移位的問題，并且可以明確定位腫瘤的位置、大小及與周圍重要血管的關系，指導外科醫生更加精確地切除腫瘤。在國內，中國人民解放據海軍總醫院神經外科田增民等應用該導航技術實施了20例神經外科手術，取得了良好的效果，并得出以下結論：基于實時超聲圖像引導的導航系統能精確定位病灶。日本京都府立醫科大學Ukimura等對10例腎癌患者進行實時超聲引導輔助的射頻消融治療。將患者CT圖像導入系統的圖形工作站進行三維重建，重建完腎臟腫瘤的三維結構信息，在上述系統的輔助下完成治療，并且手術過程順利。在以后的隨訪過程中，所有患者的腫瘤治療區域均無復發。

現有的商業化術中超聲成像輔助手術導航系統雖能夠提供術中實時的人體二維圖像顯示，但尚未做到在同一界面同時顯示各型影像的立體模型，缺乏直觀性，需要醫生根據自己的解剖知識和臨床經驗重構出圖像所包含的三維結構，降低了診斷和治療的精確性；此外，現有的超聲與CT/MR等可變形配準方法還不成熟，從精度和時間上都無法滿足臨床的需求。而且，通過回顧文獻和科技查新也發現，目前在國內外尚未見該技術在顱頜面軟組織手術的研究和應用報道。在顱頜面外科領域，因骨骼具有剛性解剖結構不發生形變的特征，使得數字化光學導航系統得到了廣泛應用，極大提高了顱頜面骨相關手術精度。但由于軟組織易發生形變的特性從而造成術中影像漂移，同時又缺乏實時監測其形變的手段，手術導航時易產生較大的定位

誤差。因此，如何提出一種創新的顱頜面軟組織術中形變的定性定量監控方式，從而解決其手術導航誤差，成為亟需解決的問題。

發明內容

針對以上現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于光學定位配準的超聲與CT/MR圖像融合手術導航系統及其方法，其是通過結合光學定位系統，實現超聲與CT/MR圖像的融合，成為一種新穎且實際可行的手術導航系統及操作方法。

為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案：

一種基于光學定位的超聲與CT/MR圖像的融合系統，用于在顱頜面外科手術中實時監測軟組織形變，所述融合系統包括超聲成像系統、跟蹤定位系統及計算機工作站，所述超聲成像系統包括超聲探頭和影像工作站，所述跟蹤定位系統包括固定在超聲探頭上的適配器及根據所述標記物獲取超聲探頭坐標的定位儀，所述計算機工作站是根據所述超聲探頭獲取的實時超聲圖像記錄其空間位置進行三維重建，并顯示所融合圖像。

進一步的，所述超聲探頭為二維超聲探頭。

進一步的，所述影像工作站為便攜式彩色多普勒超聲診斷系統。

進一步的，所述定位儀為光學定位儀，所述適配器為光學適配器。

進一步的，所述超聲探頭的坐標為超聲探頭相對于所述定位儀的坐標。

通過在超聲探頭上固定定位適配器，光學定位儀獲得超聲探頭的坐標，從而在超聲成像時根據所述二維超聲探頭在不同位置的坐標映射關系對超聲探頭獲取的一系列扇形超聲圖像，并在計算機工作站中與CT/MR融合進行立體圖像顯示。一種應用本發明所述的圖像融合手術導航系統進行實時超聲與CT/MR圖像融合的方法，包括如下步驟：

將所述超聲成像系統、跟蹤定位系統及計算機工作站進行通訊連接；

選取一坐標原點，獲取所述超聲探頭的位置坐標；

對超聲掃描部位進行超聲掃描成像；

根據獲得的超聲探頭的位置坐標記錄二維扇形超聲圖像的空間位置信息；

將二維超聲圖像在所述的計算機工作站中進行三維重建；