采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)及面配準信號采集方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)及信號采集方法，包括計算機、顯示器、導航攝像探頭、轉換器、以及無線面配準工具；計算機電連接顯示器，導航攝像探頭電連接轉換器，轉換器與計算機電連接；無線面配準工具上設有紅外傳感器和紅外線發(fā)射端，該紅外傳感器接收到導航攝像探頭發(fā)射的紅外信號后觸發(fā)該紅外線發(fā)射端發(fā)射紅外線到需進行面配準部位表面；導航攝像探頭收集需配準部位表面的紅外信號，并將該信號通過轉換器傳遞至計算機，計算機對信號進行處理并將處理結果與原始模型進行配準，通過顯示器顯示配準情況。本發(fā)明能簡化實施導航手術前的配準工作，減少手術工具與病人的接觸，降低病人感染風險，減少病人實際創(chuàng)口打開時間。
【專利說明】采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)及面配準信號采集方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械，具體涉及一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還涉及一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的面配準信號采集方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的外科手術計算機輔助導航系統(tǒng)是一種三維定位的手術支持系統(tǒng)。在手術過程中，利用計算機技術將術前或術中病人的影像數(shù)據(jù)(來自CT計算機斷層掃描、MRI磁共振成像等)、實際手術過程中患者的病變體位，以及手術工具所在的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一起來。通常這種計算機中的影像數(shù)據(jù)與實際病人的人體組織坐標實現(xiàn)統(tǒng)一，都是通過接觸人體組織、解剖標志點或預埋的鈦釘?shù)确绞綄崿F(xiàn)配準，傳統(tǒng)的點配準方式即是通過人體組織或外界引入的在影像數(shù)據(jù)中能夠被清洗識別的多個固定特殊點，將這些點與影像數(shù)據(jù)中對應點進行配準的方式。通常的點配準方式必然會使手術工具接觸人體組織或血液等，可能引起感染，如只在人體表面配準，又通常會由于體位或手術工具壓迫皮膚，導致配準誤差變大。此外，傳統(tǒng)的點配準方式一般都在為病人打開創(chuàng)口之后進行，實際手術創(chuàng)口打開時間較長，增加了配準準備工作的復雜度及配準難度。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)，它可以使醫(yī)生在導航手術過程中，減少病人創(chuàng)口打開時間；同時減少病人感染細菌的幾率；同時也簡化了醫(yī)生實施導航手術時的配準工作。為此，本發(fā)明還提供該采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的面配準信號采集方法。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的技術方案為:
[0005]包括計算機、顯示器、導航攝像探頭、轉換器、以及無線面配準工具；所述計算機電連接所述顯示器，所述導航攝像探頭電連接所述轉換器，所述轉換器與所述計算機電連接；所述無線面配準工具上設有紅外傳感器和紅外線發(fā)射端，該紅外傳感器接收到導航攝像探頭發(fā)射的紅外信號后觸發(fā)該紅外線發(fā)射端發(fā)射紅外線到需進行面配準部位的表面；此時導航攝像探頭收集需配準部位表面的紅外信號，并將該信號通過轉換器傳遞至計算機，計算機對信號進行處理，并將處理結果與原始模型進行配準，通過顯示器顯示配準情況。
[0006]進一步地，所述無線面配準工具的紅外線發(fā)射端上固定有紅外發(fā)光二極管。
[0007]進一步地，所述無線面配準工具通過接收到導航攝像探頭發(fā)射的紅外信號后才開始發(fā)射紅外線，導航攝像探頭再根據(jù)無線面配準工具射到人體組織上的紅外光斑進行采點。
[0008]進一步地，所述無線面配準工具接收紅外信號時需將紅外傳感器面對導航攝像探頭的紅外發(fā)射端，無線面配準工具的紅外發(fā)射端對準需要進行面配準的人體組織，且無線面配準工具射出的紅外線要在導航攝像探頭視野范圍內，并能被導航攝像探頭接收到。
[0009]此外，本發(fā)明還提供一種所述的采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的面配準信號采集方法，包括以下步驟:
[0010](I)將可能導致反射紅外光或主動發(fā)射紅外光的器械或設備移出導航攝像探頭視野范圍，并確定需要面配準的人體組織在導航攝像探頭視野范圍內；
[0011](2)將計算機與導入的影像數(shù)據(jù)通過導航攝像探頭進入無線面配準準備狀態(tài)；
[0012](3)將無線面配準工具接收紅外信號的紅外傳感器面對導航攝像探頭紅外發(fā)射端，同時將無線面配準工具的紅外發(fā)射端，對準需要進行面配準的人體組織；
[0013](4)使用無線面配準工具，進行人體組織表面的面配準掃描；
[0014](5)計算機自動實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與實際人體組織間的配準，并將其配準結果顯示在顯示器上。
[0015]進一步地，步驟(4)中，所述人體組織表面的面配準掃描過程，其實是紅外光點云采集過程，要求無線面配準工具發(fā)射的紅外線盡量打到人體組織比較平坦處，整個點云區(qū)域盡量涵蓋手術區(qū)域，且點云區(qū)域本身盡量有較大的不平整度。
[0016]進一步地，在步驟(5)中，計算機在數(shù)據(jù)處理的過程中，將收集到的點云數(shù)據(jù)與原始影像數(shù)據(jù)進行匹配，最終完成點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的配準工作，同時可以通過計算機的鼠標和鍵盤對這種配準在不同的位置進行精度測量，計算機能以顏色或數(shù)值的方式提示無線面配準精度，提示不同區(qū)域或不同點的配準精度。
[0017]本發(fā)明所述的“無線面配準”，即通過無線(不接觸人體)方式進行人體組織表面配準點云的數(shù)據(jù)采集。它的應用可以減少傳統(tǒng)配準方式的實際手術創(chuàng)口打開時間；無線面配準的配準過程是在實際手術開創(chuàng)之前進行，而傳統(tǒng)的配準方式一般都在為病人打開創(chuàng)口之后進行。無線面配準方式使配準工具不接觸人體組織，減少接觸感染機會，傳統(tǒng)常規(guī)的配準方式都是通過接觸式的配準，手術工具需要接觸人體組織及血液等。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可以達到的技術效果是:
[0019]本發(fā)明能夠簡化醫(yī)師在實施導航手術前的配準工作。在病人麻醉后移至手術室手術臺，可在鋪單之后，醫(yī)生打開手術創(chuàng)口之前，就施行無線面配準工作，醫(yī)生在完成導航系統(tǒng)無線面配準準備工作后，即可通過無線面配準工具紅外發(fā)射口對準病人手術區(qū)域的組織表面，通常為額頭、眼眶、鼻等部位的皮膚表面，開啟無線面配準掃描即可，該配準掃描正常時間不超過I分鐘，大大簡化了配準準備工作。
[0020]與傳統(tǒng)的點配準方式相比，減少了手術工具與病人的接觸，降低了病人感染風險。上述的無線面配準掃描時間內，無線面配準工具與病人無直接接觸，僅通過紅外線發(fā)射到病人皮膚表面，既無接觸，亦無傷害。
[0021]無線面配準方式可以在手術實施前完成配準過程，減少了病人實際創(chuàng)口打開時間。以上無線面配準掃描實施是在病人鋪單之后，實施手術開創(chuàng)之前，即在手術開創(chuàng)之前就完成了配準工作，與常規(guī)配準在手術開創(chuàng)之后進行，減少了實際的病人創(chuàng)口開放時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明:
[0023]圖1是本發(fā)明一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的結構示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的原理框圖；
[0025]圖3是利用本發(fā)明所觀察到的實際效果圖。
[0026]圖中附圖標記說明:
[0027]I為計算機，11為鍵盤，
[0028]12為鼠標，2為顯示器，
[0029]3為導航攝像探頭，4為無線面配準工具，
[0030]41為紅外傳感器，42為紅外線發(fā)射端，
[0031]5為轉換器，6為電源管理組件。
【具體實施方式】
:
[0032]如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)，包括:計算機1、顯示器2、導航攝像探頭3，計算機I通過電源管理組件6連接交流電電源，顯示器2連接計算機1，計算機I通過鍵盤11和鼠標12進行操作；導航攝像探頭3電連接轉換器5，轉換器5與計算機I電連接；轉換器5將導航攝像探頭3傳遞的信號轉換成計算機I能識別的數(shù)據(jù)，交由計算機I內安裝的本領域常規(guī)導航軟件進行識別。
[0033]導航攝像探頭3發(fā)射紅外信號，無線面配準工具4接收到該信號后，無線面配準工具4的紅外線發(fā)射端發(fā)射紅外線，照射到需進行面配準部位的表面；
[0034]導航攝像探頭3收集面配準部位表面紅外信號，并將信號通過轉換器5傳遞至計算機1，計算機I對信號進行處理，并將處理結果通過顯示器2進行顯示；
[0035]計算機I在數(shù)據(jù)處理的過程中，將收集到的點云信號(點云信號又稱為點云數(shù)據(jù)(point cloud)，是指透過3D掃描儀所取得的資料型式，掃描資料以點的型式記錄，每一個點包含有三維坐標，有些可能含有色彩資訊(R，G, B)或物體反射面強度)與原始影像數(shù)據(jù)進行匹配，最終完成點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)(組織表面)的配準工作，同時可以通過鼠標12和鍵盤11對這種配準在不同的位置進行精度測量，如圖3所示。
[0036]本發(fā)明的工作原理是:
[0037]導航攝像探頭3發(fā)射紅外線信號，無線面配準工具4上的紅外傳感器41面對導航攝像探頭3的紅外發(fā)射端，紅外傳感器41接收到紅外信號后，控制無線面配準工具4發(fā)射紅外線，該紅外線打到病人的面配準區(qū)域，該區(qū)域通常涵蓋整個手術區(qū)域，且整個區(qū)域范圍內，表面有明顯的曲面，比如前額、眼眶等。同時紅外線所在的表面平整度較好。導航攝像探頭3接收面配準區(qū)域的紅外點云信號，通過轉換器5發(fā)送給計算機I。
[0038]計算機1，根據(jù)病人影像數(shù)據(jù)與轉換器5發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行配準，將點云數(shù)據(jù)與病人皮膚表面的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)配準，最終實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與實際病人手術區(qū)域的配準工作，并將其結果顯示在顯示器2上，如圖3所示。
[0039]如圖1和圖2所示，無線面配準工具4上設有紅外傳感器41，該紅外傳感器41用于接收導航攝像探頭3發(fā)射的紅外信號，無線面配準工具4上還設有紅外線發(fā)射端42，該紅外線發(fā)射端42上固定有紅外發(fā)光二極管；本發(fā)明將無線面配準工具4設計成只有接受到紅外信號后方可發(fā)射紅外信號，當該紅外傳感器41接收到導航攝像探頭3發(fā)射的紅外信號后立即觸發(fā)打開紅外線發(fā)射端42上固定的紅外發(fā)光二極管，該紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線通過紅外線發(fā)射端42發(fā)射到需進行面配準部位的表面。本發(fā)明既節(jié)能又保證發(fā)射紅外信號時導航攝像探頭3處于接收紅外信號狀態(tài)。使用無線面配準工具4時需要將其身上的紅外傳感器41面對導航攝像探頭3，且其紅外線發(fā)射端42射出的紅外線要在導航攝像探頭3視野范圍內，并能被導航攝像探頭3接收到，這種調整可以通過導航攝像探頭3的常規(guī)功能實現(xiàn)。
[0040]如圖2所示，本發(fā)明采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的面配準信號采集方法，包括以下步驟:
[0041](I)將可能導致反射紅外光或主動發(fā)射紅外光的器械或設備移出導航攝像探頭視野范圍，并確定需要面配準的人體組織在導航攝像探頭視野范圍內；
[0042](2)將計算機I與導入的影像數(shù)據(jù)通過導航攝像探頭3進入無線面配準準備狀態(tài)；
[0043](3)將無線面配準工具4接收紅外信號的紅外傳感器41面對導航攝像探頭3紅外發(fā)射端，同時將無線面配準工具4的紅外發(fā)射端42，對準需要進行面配準的人體組織；
[0044](4)使用無線面配準工具4，進行人體組織表面的面配準掃描；所述人體組織表面的面配準掃描過程，其實是紅外光點云采集過程，要求無線面配準工具4發(fā)射的紅外線盡量打到人體組織比較平坦處，整個點云區(qū)域盡量涵蓋手術區(qū)域，且點云區(qū)域本身盡量有較大的不平整度；
[0045](5)計算機I自動實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與實際人體組織間的配準，并將其配準結果顯示在顯示器2上。計算機I在數(shù)據(jù)處理的過程中，將收集到的點云數(shù)據(jù)與原始影像數(shù)據(jù)進行匹配，最終完成點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的配準工作，同時可以通過計算機I的鼠標12和鍵盤11對這種配準在不同的位置進行精度測量，計算機能以顏色或數(shù)值的方式提示無線面配準精度，提示不同區(qū)域或不同點的配準精度。
【權利要求】
1.一種采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)，其特征在于，包括計算機、顯示器、導航攝像探頭、轉換器、以及無線面配準工具；所述計算機電連接所述顯示器，所述導航攝像探頭電連接所述轉換器，所述轉換器與所述計算機電連接；所述無線面配準工具上設有紅外傳感器和紅外線發(fā)射端，該紅外傳感器接收到導航攝像探頭發(fā)射的紅外信號后觸發(fā)該紅外線發(fā)射端發(fā)射紅外線到需進行面配準部位的表面；此時導航攝像探頭收集需配準部位表面的紅外信號，并將該信號通過轉換器傳遞至計算機，計算機對信號進行處理，并將處理結果與原始模型進行配準，通過顯示器顯示配準情況。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述無線面配準工具的紅外線發(fā)射端上固定有紅外發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權利要求1所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于:所述無線面配準工具通過接收到導航攝像探頭發(fā)射的紅外信號后才開始發(fā)射紅外線，導航攝像探頭再根據(jù)無線面配準工具射到人體組織上的紅外光斑進行采點。
4.根據(jù)權利要求1所述的手術導航系統(tǒng)，其特征在于:所述無線面配準工具接收紅外信號時需將紅外傳感器面對導航攝像探頭的紅外發(fā)射端，無線面配準工具的紅外發(fā)射端對準需要進行面配準的人體組織，且無線面配準工具射出的紅外線要在導航攝像探頭視野范圍內，并能被導航攝像探頭接收到。
5.采用權利要求1所述的采用無線面配準的手術導航系統(tǒng)的面配準信號采集方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將可能導致反射紅外光或主動發(fā)射紅外光的器械或設備移出導航攝像探頭視野范圍，并確定需要面配準的人體組織在導航攝像探頭視野范圍內； (2)將計算機與導入的影像數(shù)據(jù)通過導航攝像探頭進入無線面配準準備狀態(tài)； (3)將無線面配準工具接收紅外信號的紅外傳感器面對導航攝像探頭紅外發(fā)射端，同時將無線面配準工具的紅外發(fā)射端，對準需要進行面配準的人體組織； (4)使用無線面配準工具，進行人體組織表面的面配準掃描； (5)計算機自動實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與實際人體組織間的配準，并將其配準結果顯示在顯示器上。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(4)中，所述人體組織表面的面配準掃描過程，其實是紅外光點云采集過程，要求無線面配準工具發(fā)射的紅外線盡量打到人體組織比較平坦處，整個點云區(qū)域盡量涵蓋手術區(qū)域，且點云區(qū)域本身盡量有較大的不平整度。
7.根據(jù)權利要求5所述的手術導航系統(tǒng)的面配準信號采集方法，其特征在于，在步驟(5)中，計算機在數(shù)據(jù)處理的過程中，將收集到的點云數(shù)據(jù)與原始影像數(shù)據(jù)進行匹配，最終完成點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的配準工作，同時可以通過計算機的鼠標和鍵盤對這種配準在不同的位置進行精度測量，計算機能以顏色或數(shù)值的方式提示無線面配準精度，提示不同區(qū)域或不同點的配準精度。
【文檔編號】A61B19/00GK104224321SQ201310244731
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權日:2013年6月19日
【發(fā)明者】王春慧, 葉銘, 林大明 申請人:上海優(yōu)益基醫(yī)療器械有限公司