一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括計(jì)算機(jī)，圖形工作站，立體定位系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括通信接口，核心算法，用戶界面，其中核心算法包括空間配準(zhǔn)算法，空間變換算法和其他算法。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的應(yīng)用,不僅可以滿足于傳統(tǒng)手術(shù)治愈病變不復(fù)發(fā)等手術(shù)基本要求，還可以在進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)時(shí)幫助醫(yī)生將手術(shù)器械經(jīng)過小切口進(jìn)入人體進(jìn)行治療或診斷，使手術(shù)切口明顯減小，使手術(shù)更加快捷，微創(chuàng)，安全可靠，進(jìn)而縮短手術(shù)進(jìn)行時(shí)間，減小病人手術(shù)痛苦，同時(shí)降低醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的難度。
【專利說明】一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說涉及到一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，已經(jīng)開始應(yīng)用于現(xiàn)代外科 手術(shù)中，通過圖形工作站顯示出手術(shù)工具的位置以及病灶部位，醫(yī)生通過觀察圖形工作站 上的圖像可以看見被其它細(xì)胞組織遮擋住的病灶，從而不需要在病人腦部做大切口，實(shí)現(xiàn) 手術(shù)的微創(chuàng)，減小病人痛苦〃手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)旨在幫助醫(yī)生合理地，定量地利用計(jì)算機(jī)斷層 掃描，核磁共振成像（MRI)，數(shù)字血管減影造影（DSA)，正電子發(fā)射斷層掃描（PET)等多模醫(yī) 學(xué)圖像數(shù)據(jù)重建出病人三維模型影像，再利用立體定位系統(tǒng)！空間配準(zhǔn)技術(shù)和空間變換 技術(shù)進(jìn)行病人實(shí)體和三維圖像的配準(zhǔn)和定位，并在計(jì)算機(jī)幫助下，制定合理的手術(shù)計(jì)劃， 應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)模擬，在圖形工作站和立體定位系統(tǒng)的幫助下術(shù) 中動(dòng)態(tài)觀察當(dāng)前手術(shù)路徑以及角度，深度等參數(shù)，最大限度地避開危險(xiǎn)區(qū)，最短時(shí)間到達(dá) 靶點(diǎn)病灶，減少病人失血量及手術(shù)創(chuàng)傷從而進(jìn)行外科手術(shù)的引導(dǎo)和干預(yù)，完成真正意義上 的微創(chuàng)手術(shù)，病人病理特征通過CT/MRI掃描形成DIC0M圖像數(shù)據(jù)，由PACS系統(tǒng)或者 以其他存儲(chǔ)媒介的形式傳輸給手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行手術(shù)過程的記錄形成手術(shù) 案例，DIC0M數(shù)據(jù)通過圖像重建和可視化即可在圖形工作站上顯示，以此醫(yī)生可以進(jìn)行術(shù) 前手術(shù)計(jì)劃的制定和術(shù)中手術(shù)方案的調(diào)整，當(dāng)術(shù)前工作完成后即可實(shí)現(xiàn)術(shù)中導(dǎo)航，完成手 術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了實(shí)現(xiàn)手術(shù)的微創(chuàng)，減小病人痛苦，本發(fā)明提出了一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明提出了一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分，硬件系 統(tǒng)設(shè)計(jì)包括計(jì)算機(jī)，圖形工作站，立體定位系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括通信接口，核心算法，用 戶界面，其中核心算法包括空間配準(zhǔn)算法，空間變換算法和其他算法。通信接口采用了傳統(tǒng) 的RS-232方式。選取由加拿大NDI公司提供的被動(dòng)紅外光學(xué)定位器Passive Polaris 作為本手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的立體定位系。
[0005] 本發(fā)明的功能在于：不僅可以滿足于傳統(tǒng)手術(shù)治愈病變不復(fù)發(fā)等手術(shù)基本要求， 還可以在進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)時(shí)幫助醫(yī)生將手術(shù)器械經(jīng)過小切口進(jìn)入人體進(jìn)行治療或診斷。
[0006] 本發(fā)明與以往技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)在于：使手術(shù)切口明顯減小，使手術(shù)更加快捷，微創(chuàng)， 安全可靠，進(jìn)而縮短手術(shù)進(jìn)行時(shí)間，減小病人手術(shù)痛苦，同時(shí)降低醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1為手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理。
[0008] 圖2為手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)做進(jìn)一步闡述。
[0010] 應(yīng)用于臨床的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)需考慮性能！外觀和大小等，其基本設(shè)計(jì)要求有： (1) 較高的安全性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不允許對(duì)病人！醫(yī)生造成傷害或?qū)ζ渌?醫(yī)療設(shè)備造成損壞〃 (2) 良好的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使無工程經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生能方便的學(xué)會(huì) 使用和進(jìn)行操作〃 (3) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔安全，不會(huì)對(duì)手術(shù)過程造成嚴(yán)重的阻礙，系統(tǒng)穩(wěn)定〃 (4) 充分和手術(shù)環(huán)境融為一體，手術(shù)空間狹小，手術(shù)空間同樣存在著大量不同 用途的手術(shù)設(shè)備，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣也影響到手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的使用根 據(jù)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及參考了諸如上述的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的功能，可以設(shè) 計(jì)本文的伽利略手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分"手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)硬件由計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)！圖形工作站和立體定位系統(tǒng)組成〃手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)要求醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的高速處 理，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供高運(yùn)算速度的顯卡和處理器以及高分辨率的顯示屏〃 圖形工作站提供圖像的顯示及各種圖像處理操作，立體定位系統(tǒng)提供了手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)軟 件所必需的原始數(shù)據(jù)，它們是手術(shù)導(dǎo)航硬件系統(tǒng)的重點(diǎn)部件" 圖形工作站提供各種圖像處理操作及圖像的顯示，例如病人術(shù)前的CT和MRI圖像數(shù) 據(jù)通過局域網(wǎng)或者掃描記錄媒介傳送到圖形工作站處理，用來顯示病灶位置信息，幫助醫(yī) 生制定手術(shù)計(jì)劃〃在手術(shù)過程中，圖形工作站顯示虛擬三維圖像，原始的軸狀圖，重建的矢 狀圖和冠狀圖以及手術(shù)工具的位置和方向，醫(yī)生通過圖形工作站就可以清晰地看到系統(tǒng) 進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航的過程。
[0011] 立體定位系統(tǒng)是病人實(shí)體和圖形工作站聯(lián)系的關(guān)鍵，它提供了病人實(shí)體空間信 息，是手術(shù)引導(dǎo)的數(shù)據(jù)來源，它是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要技術(shù)，常用的立體定位方法有： (1)光學(xué)定位法光學(xué)定位法是目前最普遍和精確度最高的定位方法〃它用至少兩個(gè)攝像 機(jī)觀察目標(biāo)的自然表面或特征點(diǎn)，并對(duì)至少兩幅圖像上相同的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，然后重建 這些點(diǎn)的三維形狀，從而獲得被測(cè)物的三維位置〃光學(xué)定位法按光源類型可以分為被動(dòng) 光學(xué)定位法和主動(dòng)光學(xué)定位法"被動(dòng)光學(xué)定位系統(tǒng)也叫無源光學(xué)定位系統(tǒng)，它使用反射 標(biāo)志物作為目標(biāo)點(diǎn)〃目標(biāo)點(diǎn)反射光線并成像到傳感器〃將幾個(gè)此類標(biāo)志物安裝在手術(shù)器械 上，便可推算出手術(shù)器械的位置和方向"主動(dòng)光學(xué)定位系統(tǒng)也稱為有源光學(xué)定位系統(tǒng)， 它的目標(biāo)物附著有發(fā)光二極管，二極管的發(fā)光由像機(jī)控制，二極管只在像機(jī)指定的某一 幀內(nèi)發(fā)光，二極管發(fā)射的一組光點(diǎn)在圖像上的相對(duì)關(guān)系和相對(duì)位置決定被測(cè)物體的空間 位置"光學(xué)定位系統(tǒng)定位精度約0. 2_，在神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中廣泛采用，它操作方 便，性價(jià)比高，但容易受遮擋"。（2)機(jī)械定位法機(jī)械定位方法是最早應(yīng)用到手術(shù)導(dǎo)航系 統(tǒng)中的定位方法"從1986年到現(xiàn)今，盡管有些過時(shí)，但多軸測(cè)量臂系統(tǒng)仍因它們的穩(wěn)定 性而得到廣泛應(yīng)用"這類系統(tǒng)配備有至少6個(gè)電位測(cè)量計(jì)或光編碼軸來表示空間位置的六 個(gè)自由度，與機(jī)械手相連的手術(shù)器械的位置和旋轉(zhuǎn)能夠通過機(jī)械手的幾何模型和編碼器 的瞬時(shí)值實(shí)時(shí)計(jì)算出來"機(jī)械定位法是一種成熟！應(yīng)用廣泛的無源定位技術(shù)，系統(tǒng)定位 精度為0. 2~0. 3mm"其較高的定位精度使其在早期的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中備受青睞，但其體積 龐大，操作不便"隨著光學(xué)！電磁！超聲等定位系統(tǒng)的定位精度不斷提高，機(jī)械定位系統(tǒng) 開始逐漸退出手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域，其主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本發(fā)明通過比較精確性， 輕便性以及定位系統(tǒng)價(jià)格，選取由加拿大NDI公司提供的被動(dòng)紅外光學(xué)定位器Passive Polaris作為本手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的立體定位系。
[0012] 通信接口與界面。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中涉及的通信接口主要有立體定位系統(tǒng)和用戶 操作界面之間以及數(shù)據(jù)處理核心算法和圖形工作站之間的通信接口兩方面〃立體定位系 統(tǒng)和用戶操作界面為硬通信方式〃現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通信手段大致可以分為有線通信和無線通 信兩種，其中有線通信大都采取RS-232串口傳輸方式，無線通信則以藍(lán)牙技術(shù)為代表 〃手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的通信接口方式取決于立體定位系統(tǒng)提供的通信功能〃在這里，Passive Polaris立體定位系統(tǒng)是NDI公司于2001年開發(fā)的立體定位系統(tǒng)，其通信接口采用了 傳統(tǒng)的RS-232方式。
[0013] 數(shù)據(jù)處理核心算法。數(shù)據(jù)處理核心是整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的心臟，它完成了所有手術(shù)導(dǎo) 航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，其中包括本論文研究的重點(diǎn)也是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)））空 間配準(zhǔn)和空間變換技術(shù)，此外還有測(cè)量場(chǎng)計(jì)算！術(shù)中校準(zhǔn)等功能"雖然測(cè)量場(chǎng)計(jì)算，術(shù)中 校準(zhǔn)等并不是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)所必需，但要作為醫(yī)療產(chǎn)品來開發(fā)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，這些能極大 方便醫(yī)生操作，也可以提高系統(tǒng)精度〃測(cè)量場(chǎng)計(jì)算給醫(yī)生提供手術(shù)工具在立體定位系統(tǒng)的 測(cè)量范圍內(nèi)的判斷依據(jù)，而術(shù)中校準(zhǔn)則可以滿足在手術(shù)過程中當(dāng)要更換手術(shù)工具時(shí)，不需 要進(jìn)行配準(zhǔn)和空間變換的。
【權(quán)利要求】
1. 一種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分，其特征在于，硬件系統(tǒng)設(shè) 計(jì)包括計(jì)算機(jī)，圖形工作站，立體定位系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括通信接口，核心算法，用戶界 面，其中核心算法包括空間配準(zhǔn)算法，空間變換算法和其他算法。
2. 據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，通信接口采用了傳統(tǒng)的RS-232 方式。
3. 據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，選取由加拿大NDI公司提供的被 動(dòng)紅外光學(xué)定位器Passive Polaris作為本手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的立體定位系。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK104138296SQ201310165142
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】李稱鑫, 劉雁飛, 嚴(yán)小天 申請(qǐng)人:天津市天堰醫(yī)教科技開發(fā)有限公司