[發(fā)明專利]基于電磁定位技術(shù)和術(shù)中圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航仿真方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810254533.0
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號: CN108420529A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧力栩;劉星鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/20;A61B34/30
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 應(yīng)小波

本發(fā)明涉及一種基于電磁定位技術(shù)和術(shù)中圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航仿真方法，包括：1)獲得患者術(shù)前拍攝的CT影像；2)將患者術(shù)前的CT影像重建為三維CT模型；3)實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械的注冊與可視化；4)利用電磁定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械在圖像坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)跟蹤；5)進(jìn)行超聲探頭的標(biāo)定，在術(shù)中實(shí)時(shí)獲取超聲圖像，實(shí)現(xiàn)三維CT模型與超聲圖像的初步融合；6)利用超聲圖像的灰度信息和特征信息，采用互信息方法和自動化的SIFT特征提取方法，進(jìn)行術(shù)前三維CT模型和術(shù)中超聲圖像在手術(shù)過程中的實(shí)時(shí)配準(zhǔn)；7)實(shí)現(xiàn)對手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動的仿真控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有導(dǎo)航精度高、計(jì)算復(fù)雜度低、穩(wěn)定可靠、實(shí)現(xiàn)方便、成本低、臨床適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及虛擬手術(shù)的模擬技術(shù)，尤其是涉及一種基于電磁定位技術(shù)和術(shù)中 圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航仿真方法。

背景技術(shù)

開胸開腹手術(shù)進(jìn)行瘤體切除是治療主動脈瘤的傳統(tǒng)手段，但由于手術(shù)創(chuàng)口大， 內(nèi)臟動脈重建復(fù)雜，常常導(dǎo)致病人在手術(shù)過程中發(fā)生失血過多、休克、內(nèi)臟損傷、 心臟驟停的現(xiàn)象，大大提高了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性，同時(shí)也不利于病人的術(shù)后康復(fù)，甚至 還會因?yàn)槭中g(shù)過程中脊髓動脈供血中斷而導(dǎo)致截癱。因此，以經(jīng)導(dǎo)管的心血管覆膜 支架介入手術(shù)為代表的微創(chuàng)手術(shù)漸漸成為主動脈瘤治療的主流手段。由于在微創(chuàng)手 術(shù)過程中，病人手術(shù)目標(biāo)區(qū)域的情況和植入物等手術(shù)器械的位置信息不能直接可見， 因此如何利用術(shù)中引導(dǎo)給醫(yī)生提供足夠的信息，提高手術(shù)的成功率，成為了微創(chuàng)手 術(shù)的一大難題。目前，臨床上主要通過給患者血管內(nèi)注射造影劑，并在術(shù)中對患者 拍攝X光，利用血管增強(qiáng)顯示后的X光圖像來進(jìn)行手術(shù)引導(dǎo)。這一方法雖然能獲 取實(shí)時(shí)的較為清晰的圖像信息，但是患者和醫(yī)生需要長期暴露在X射線的輻射下， 患者需要被注射大量的對腎臟有所損害的造影劑，可能會對患者和醫(yī)生的健康產(chǎn)生 巨大的危害，同時(shí)，由于X光成像只能提供二維圖像信息，不能對手術(shù)目標(biāo)區(qū)域 的三維信息進(jìn)行可視化展示，直接影響了術(shù)中引導(dǎo)的可靠性。

因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)的術(shù)中引導(dǎo)方法，既能保留術(shù)中引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又 能消除傳統(tǒng)X光引導(dǎo)信息量不足、附加傷害大的缺點(diǎn)，提高心血管介入手術(shù)的成 功率，具有重大的研究意義，同時(shí)虛擬手術(shù)的應(yīng)用為醫(yī)療的現(xiàn)代化提供了越來越多 的幫助。虛擬的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠幫助實(shí)習(xí)醫(yī)生快速提高手術(shù)技能，讓更多的心腦 血管疾病患者能夠進(jìn)行微創(chuàng)介入治療。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于電磁定 位技術(shù)和術(shù)中圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航仿真方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于電磁定位技術(shù)和術(shù)中圖像引導(dǎo)的手術(shù)導(dǎo)航仿真方法，包括以下步驟：

1)獲得患者術(shù)前拍攝的CT影像；

2)將患者術(shù)前的CT影像重建為三維CT模型，采用光線追蹤算法進(jìn)行繪制， 采用CUDA的GPU加速技術(shù)、光線提前終止的優(yōu)化策略降低體繪制的計(jì)算時(shí)間；

3)在三維CT模型中選取若干個(gè)配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)行基于標(biāo)記點(diǎn)的配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) 手術(shù)器械的注冊與可視化；

4)利用電磁定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械在圖像坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)跟蹤；

5)采用Freehand方法，進(jìn)行超聲探頭的標(biāo)定，在術(shù)中實(shí)時(shí)獲取超聲圖像，實(shí) 現(xiàn)三維CT模型與超聲圖像的初步融合；

6)利用超聲圖像的灰度信息和特征信息，采用互信息方法和自動化的SIFT 特征提取方法，進(jìn)行術(shù)前三維CT模型和術(shù)中超聲圖像在手術(shù)過程中的實(shí)時(shí)配準(zhǔn)；

7)實(shí)現(xiàn)對手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動的仿真控制。

優(yōu)選地，在圖像配準(zhǔn)過程中，針對心臟在手術(shù)過程中不斷收縮舒張的特點(diǎn)，采 用非線性變換模型進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。