一种微创手术导航系统和导航方法技术方案

本发明专利技术公开一种微创手术导航系统和导航方法。导航系统包括复合内窥镜镜体、空间定位装置和手术导航服务器。导航前，对术前诊断影像进行三维模型重构、术前规划；导航时，同时获取术中器官组织的三维光学图像信号和二维超声图像信号并进行三维重构，对带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型进行器官组织形变校正，将三维光学模型与动态术前配准模型进行配准融合，可同时实现光学导航和超声导航的功能，能实时连续地从术中光学导航切换到术中超声导航，由器官组织表面到器官组织的内部结构中全方位连续地获取术中器官组织的关键部位位点、最佳手术切入点和内部行径路径。本发明专利技术克服现有技术存在的功能相对单一、不连续的缺陷，有效降低手术风险。

Minimally invasive surgical navigation system and navigation method

The invention discloses a minimally invasive surgical navigation system and a navigation method. The navigation system consists of a composite endoscope, a mirror body, a space positioning device and an operation navigation server. Before the navigation, the preoperative diagnosis image planning for 3D model reconstruction, preoperative; navigation, while obtaining the organs of intraoperative 3D optical image signal and image signal of two-dimensional ultrasound and three-dimensional reconstruction, the organ deformation correction diagnosis of 3D model image with preoperative planning information before operation, the 3D optical model with the dynamic preoperative registration model for registration and fusion, can realize optical navigation and ultrasonic navigation function at the same time, in real time from operation in optical navigation switch to ultrasonic navigation operation, from the internal structure of organs and tissues of organs and tissues in the surface to the full range of continuous access to key parts of site, the best surgical organs in operation the starting point and the internal path. The invention overcomes the defects of the prior art that the function is relatively single and discontinuous, and effectively reduces the operation risk.

【技术实现步骤摘要】
一种微创手术导航系统和导航方法
本专利技术涉及一种以复合内窥镜镜体为核心器件的导航系统和方法，属于医疗超声电子内窥镜及手术导航

技术介绍
微创手术是外科未来重要的发展方向之一。其具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优越性。但在某些手术（如肝切除）中医生不能实时、精准地观察器官组织复杂的内部生理结构，为了能在手术过程中也能了解器官组织的内部生理结构，人们将术前具有器官组织三维结构的影像数据（如MRI/CT）与术中影像相结合形成基于图像引导的手术导航方法。当前外科手术有以下几种典型的微创手术导航技术：术中3D超声融合术前CT/MRI导航技术、术中3D光学融合术前CT/MRI导航技术和术中3D光学融合术中2D超声技术。其中，术中3D超声融合术前CT/MRI导航技术能提供医生术中器官组织的解剖结构、组织弹性和血流等信息，但缺乏器官组织的光学表面信息。光学融合术前CT/MRI导航技术能够提供医生术中器官组织的表面信息，但缺乏超声成像而不能对术中器官组织的变形和器官组织内部进行实时成像，增加了手术的风险。术中3D光学融合术中2D超声技术能提供术中器官组织的内部结构信息和光学表面信息，引导医生避开重要组织和血管，但该导航系统缺乏术前诊断信息和术前规划，对关键部位的快速识别和定位具有很大难度，并且该导航系统的超声探头与腹腔镜是分离独立设计和操控的，不方便于医生手术的操作。综上所述，虽然当前现有的微创手术导航技术得到了一定程度的应用，但这些手术导航技术存在着功能相对单一，不连续的缺陷，即在光学导航下只能看到器官组织表面，在超声导航下只能看到器官组织内部或是超声和光学成像设备是分离的，光学导航和超声导航不能连续地实时同步切换。这都使得医生在临床手术时，不能精准、连续、实时地观察到复杂器官组织的生理全貌。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微创手术导航系统及方法，从而克服现有技术存在的术中导航的功能相对单一、不连续的缺陷。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术微创手术导航系统包括复合内窥镜镜体、空间定位装置和手术导航服务器；所述复合内窥镜镜体能够用于获取器官组织的二维超声回波信号和三维光学图像；所述空间定位装置，能够用于定位追踪搭载有空间定位标记物的目标物，实时获取各目标物在同一空间坐标系下的坐标信息，所述目标物为所述复合内窥镜镜体和手术器械；所述手术导航服务器，能够将所述二维超声回波信号进行处理得到二维超声图像信号、对所述三维光学图像进行优化处理得到具有视差的三维光学图像信号、提取所述复合内窥镜镜体的姿态角度的数据信号并进行降噪和解算处理；能够对术前诊断影像进行三维模型重构，得到术前诊断影像三维模型；能够构建术前规划的实施环境；能够对所述术前诊断影像三维模型进行术前规划并获得带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型，所述术前规划信息包括器官组织的关键部位的标记信息、手术器械对器官组织切入点的规划信息和手术器械在器官组织内部行径路线的规划信息；能够对所述二维超声图像信号和三维光学图像信号分别进行实时三维模型重构，分别得到术中三维超声模型、术中三维光学模型；能够对带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型进行器官组织形变校正，形成动态术前配准三维模型，并将术中三维光学模型、术中三维超声模型分别与动态术前配准三维模型进行配准融合而形成术中光学融合模型和术中超声融合模型；能够从术中光学融合模型和术中超声融合模型中提取出术前规划信息中的器官组织的关键部位的标记信息，用以对手术中的器官组织的关键部位给出提示；能够对各目标物、术中光学融合模型和术中超声融合模型进行空间坐标重映射处理，获取各目标物、术中光学融合模型和术中超声融合模型在同一坐标系的坐标信息。进一步地，本专利技术所述复合内窥镜镜体的先端部固定安装有二维超声成像装置和双通道光学成像装置，所述复合内窥镜镜体固定安装有对复合内窥镜镜体的位姿进行跟踪的装置和测量复合内窥镜镜体的先端部相对于手柄的角度的装置，复合内窥镜镜体的外表面固定安装有空间定位标记物。本专利技术微创手术导航方法包括如下步骤：（1）对术前诊断影像进行三维模型重构，获得术前诊断影像三维模型；基于术前诊断影像三维模型，构建术前规划的实施环境，并对术前诊断影像三维模型进行术前规划，获得带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型，所述术前规划信息包括器官组织的关键部位的标记信息、手术器械对器官组织切入点的规划信息和手术器械在器官组织内部行径路线的规划信息；（2）获取术中器官组织的三维光学图像和二维超声回波信号，分别处理后得到具有视差的三维光学图像信号和二维超声图像信号；对三维光学图像信号和二维超声图像信号分别进行实时三维模型重构，获得术中三维光学模型和术中三维超声模型；提取术中三维超声模型中的器官组织的结构深度信息和术中三维光学模型中的器官组织的表面深度信息，对带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型进行器官组织形变校正，重绘术前诊断影像三维模型后形成动态术前配准三维模型；（3）将术中三维光学模型、术中三维超声模型分别与动态术前配准三维模型进行配准融合形成术中光学融合模型和术中超声融合模型；（4）从术中光学融合模型和术中超声融合模型中提取出术前规划信息中的器官组织的关键部位标记信息，对手术中的器官组织的关键部位给出提示，复合内窥镜镜体的先端部根据该提示移至包含关键部位的组织器官的表面；（5）对手术器械和复合内窥镜镜体上的空间定位标记物进行实时定位跟踪，获取手术器械和复合内窥镜镜体在同一坐标系下的坐标信息；提取复合内窥镜镜体的姿态角度的数据信号并进行降噪和解算处理，得到复合内窥镜镜体的空间位置和姿态信息、以及复合内窥镜镜体的先端部相对于手柄的角度信息；对手术器械、复合内窥镜镜体、术中光学融合模型和术中超声融合模型进行空间坐标重映射处理，获取手术器械、复合内窥镜镜体、术中光学融合模型和术中超声融合模型在同一坐标系的坐标信息；从术中光学融合模型和术中超声融合模型中提取术前规划信息中的手术器械对器官组织切入点的规划信息和手术器械在器官组织内部行径路线的规划信息，手术器械按照术前规划信息中的手术器械对器官组织切入点和手术器械在器官组织内部行径路线进行操作。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术微创手术导航系统和方法能同时获取术中器官组织的实时三维光学图像和二维超声图像，既能提供器官组织的表面纹理信息又能提供器官组织的内部生理结构信息，并将术中光学导航和超声导航结合起来，相互配合和相互补充。在术中，可同时实现光学导航和超声导航并可实时连续地从术中光学导航切换到术中超声导航，实时获取器官组织表面信息和器官组织的内部结构信息，从而全方位连续地获取术中器官组织的关键部位位点、最佳手术切入点和内部行径路径。本专利技术微创手术导航系统和方法克服了现有导航技术中存在的功能相对单一的、不连续的缺陷，有效降低了现有手术导航系统带来的手术风险。附图说明图1是本专利技术的微创手术导航系统在使用时的连接示意图；图2是本专利技术的复合内窥镜镜体的结构示意图；图3是本专利技术的复合内窥镜镜体的先端部的一种结构示意图；图4是本专利技术的复合内窥镜镜体的手柄的一种结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图以具体的实施例对本专利技术的技术方案进行详本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微创手术导航系统，其特征在于：包括复合内窥镜镜体、空间定位装置和手术导航服务器；所述复合内窥镜镜体能够用于获取器官组织的二维超声回波信号和三维光学图像；所述空间定位装置，能够用于定位追踪搭载有空间定位标记物的目标物，实时获取各目标物在同一空间坐标系下的坐标信息，所述目标物为所述复合内窥镜镜体和手术器械；所述手术导航服务器，能够将所述二维超声回波信号进行处理得到二维超声图像信号、对所述三维光学图像进行优化处理得到具有视差的三维光学图像信号、提取所述复合内窥镜镜体的姿态角度的数据信号并进行降噪和解算处理；能够对术前诊断影像进行三维模型重构，得到术前诊断影像三维模型；能够构建术前规划的实施环境；能够对所述术前诊断影像三维模型进行术前规划并获得带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型，所述术前规划信息包括器官组织的关键部位的标记信息、手术器械对器官组织切入点的规划信息和手术器械在器官组织内部行径路线的规划信息；能够对所述二维超声图像信号和三维光学图像信号分别进行实时三维模型重构，分别得到术中三维超声模型、术中三维光学模型；能够对带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型进行器官组织形变校正，形成动态术前配准三维模型，并将术中三维光学模型、术中三维超声模型分别与动态术前配准三维模型进行配准融合而形成术中光学融合模型和术中超声融合模型；能够从术中光学融合模型和术中超声融合模型中提取出术前规划信息中的器官组织的关键部位的标记信息，用以对手术中的器官组织的关键部位给出提示；能够对各目标物、术中光学融合模型和术中超声融合模型进行空间坐标重映射处理，获取各目标物、术中光学融合模型和术中超声融合模型在同一坐标系的坐标信息。...

【技术特征摘要】
1.一种微创手术导航系统，其特征在于：包括复合内窥镜镜体、空间定位装置和手术导航服务器；所述复合内窥镜镜体能够用于获取器官组织的二维超声回波信号和三维光学图像；所述空间定位装置，能够用于定位追踪搭载有空间定位标记物的目标物，实时获取各目标物在同一空间坐标系下的坐标信息，所述目标物为所述复合内窥镜镜体和手术器械；所述手术导航服务器，能够将所述二维超声回波信号进行处理得到二维超声图像信号、对所述三维光学图像进行优化处理得到具有视差的三维光学图像信号、提取所述复合内窥镜镜体的姿态角度的数据信号并进行降噪和解算处理；能够对术前诊断影像进行三维模型重构，得到术前诊断影像三维模型；能够构建术前规划的实施环境；能够对所述术前诊断影像三维模型进行术前规划并获得带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型，所述术前规划信息包括器官组织的关键部位的标记信息、手术器械对器官组织切入点的规划信息和手术器械在器官组织内部行径路线的规划信息；能够对所述二维超声图像信号和三维光学图像信号分别进行实时三维模型重构，分别得到术中三维超声模型、术中三维光学模型；能够对带有术前规划信息的术前诊断影像三维模型进行器官组织形变校正，形成动态术前配准三维模型，并将术中三维光学模型、术中三维超声模型分别与动态术前配准三维模型进行配准融合而形成术中光学融合模型和术中超声融合模型；能够从术中光学融合模型和术中超声融合模型中提取出术前规划信息中的器官组织的关键部位的标记信息，用以对手术中的器官组织的关键部位给出提示；能够对各目标物、术中光学融合模型和术中超声融合模型进行空间坐标重映射处理，获取各目标物、术中光学融合模型和术中超声融合模型在同一坐标系的坐标信息。2.根据权利要求1所述的微创手术导航系统，其特征在于：所述复合内窥镜镜体的先端部固定安装有二维超声成像装置和双通道光学成像装置，所述复合内窥镜镜体固定安装有对复合内窥镜镜体的位姿进行跟踪的装置和测量复合内窥镜镜体的先端部相对于手柄的角度的装置，复合内窥镜镜体的外表面固定安装有空间定位标记物。3.一种微创手术导航方法，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶学松，傅佐名，章重安，张宏，王鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33