一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，属于神经影像导航领域。该方法首先采集带有标记物的患者CT扫描数据，然后根据CT数据建立患者头部以及颅内病灶的三维模型；在三维模型的基础上确定穿刺靶点、穿刺方向和穿刺深度，建立颅内穿刺路径；最后通过刚性配准，将头部三维模型和穿刺路径，通过混合现实技术叠加到患者手术部位，手术医生在虚拟三维模型的指导下实施穿刺手术，根据穿刺路径实时矫正穿刺操作。由于虚拟三维模型与实际场景完全吻合，虚拟的穿刺路径与实际情况高度匹配，因此沿虚拟穿刺路径实施的穿刺操作有效避免了传统经验性操作中存在偏差或失误，可以达到提高颅内穿刺精度和穿刺效率的目的。

An intracerebral puncture localization method based on mixed reality

The invention relates to an intracranial puncture positioning method based on mixed reality, belonging to the field of neuroimaging navigation. This method first collects the CT scan data with markers, and then establishes a three-dimensional model of the patient's head and intracranial focus according to the CT data. On the basis of the three-dimensional model, the puncture target, the puncture direction and the puncture depth are determined, and the puncture path is established. Finally, the three-dimensional model and puncture of the head are made by rigid registration. The path, superimposed on the patient's surgical site by mixed reality technology, the surgeon implements the puncture operation under the guidance of the virtual three-dimensional model, and the puncturing operation is corrected in real time according to the puncture path. As the virtual three-dimensional model is in perfect agreement with the actual scene, the virtual puncture path is highly matched with the actual situation, so the puncture operation along the virtual puncture path can effectively avoid the errors or errors in the traditional experiential operation, and can improve the accuracy and efficiency of the puncture.

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法
本专利技术涉及一种颅内穿刺定位方法，特别涉及一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，属于外科手术中的神经影像导航领域。
技术介绍
颅内穿刺是神经外科领域常见的手术之一。对于颅内血肿、急性脑积水和脑脓肿等患者，颅内穿刺能够迅速降低颅内高压，对于动脉瘤性蛛网膜下腔出血患者还可以起到引流血性脑脊液的目的，是挽救患者生命并改善临床症状的有效方法。但是该方法常常面临靶点位置深、需要凭术者经验进行定位的问题。一旦穿刺位置不准，特别是深远部位的病灶，反复穿刺将会增加脑损伤的可能性(李炜,江荣才,佟建洲等.利用头颅CT重建穿刺平面在脑室穿刺中的指导作用.中华神经外科杂志,2017,(12):1278-1279.)。因此，手术医生在术前选择穿刺入口以及穿刺的深度和角度，并精确到达计划中的颅内靶点，对患者的有效治疗至关重要。然而，由于头部缺乏表面解剖标志；手术时铺无菌巾后，头部仅有的解剖标志更是全部被遮挡，因此依据传统的二维影像进行精确定位是比较困难的。在这种情况下，临床医生主要依靠经验完成定位穿刺。但是临床研究证实，临床医生通过经验性定位完成穿刺后经常会高估自己穿刺的准确性(TomaAK,CampS,WatkinsLD,etal.Externalventriculardraininsertionaccuracy:isthereaneedforchangeinpractice.Neurosurgery,2009,65(6):1197-1200.WilsonTJ,JrSW,Al-HolouWN,etal.Comparisonoftheaccuracyofventricularcatheterplacementusingfreehandplacement,ultrasonicguidance,andstereotacticneuronavigation.JournalofNeurosurgery,2013,119(1):66-70.)。如果手术时操作难以到达理想位置，则需要多次调整穿刺导管或者多次手术以达到满意的效果。这不仅会对已经损伤的脑组织造成新的伤害，还可能增加出血或感染的风险。针对上述问题，目前的解决方案主要有两种。一是依据影像学测量脑组织沟回的投影以及颅骨的骨性标志，依据这些信息进行定位。这种定位方法依然存在精度不高的问题，不太适合微创和精准医学的要求。二是借助有框架的立体定向或无框架的导航技术进行定位。这种定位方法精度高，特别适合脑深部的微小病灶；但是相关设备和系统非常昂贵，对大脑凸面或体积较大的病灶，还存在术前影像准备比较费时、操作比较复杂的问题，不太适合某些需要在床旁进行紧急治疗的情况。混合现实技术(MixedReality，MR)是一种新型的虚拟现实技术。该技术通过全息投影，将三维虚拟场景信息与现实场景混合在一起，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的回路，让用户同时保持与真实世界和虚拟世界的联系，并根据自身的需要及所处情境进行交互操作。在这种环境下，用户拥有很强的真实感体验。基于混合现实技术的上述特点，本专利技术提供了一种新的利用混合现实技术辅助颅内穿刺定位的方法。该方法首先根据CT扫描数据建立患者头部以及颅内病灶的三维模型；在三维模型的基础上确定穿刺靶点、穿刺方向和穿刺深度，建立颅内穿刺路径；然后将颅部三维模型和穿刺路径，通过混合现实技术叠加到患者手术部位，手术医生在虚拟三维模型的指导下实施穿刺手术，根据虚拟穿刺路径实时矫正穿刺操作。由于虚拟三维模型与实际场景完全吻合，虚拟的穿刺路径与实际情况高度匹配，因此沿虚拟穿刺路径实施的穿刺操作准确可靠，避免了传统经验性操作中存在偏差或失误，可以明显提高颅内穿刺手术的精度和效率。
技术实现思路
为了解决神经外科领域颅内穿刺定位困难、操作不够准确的问题，本专利技术提出了一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法。该方法利用混合现实技术协助手术医生从空间任意角度观察、定位穿刺靶点和穿刺路径，协调穿刺操作，达到提高颅内穿刺精度和穿刺效率的目的。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，包括以下步骤：步骤1：采集带有标记物的患者头部CT数据，具体方法是：在CT扫描前，先在患者头部手术区域附近贴上3个或3个以上的标记物，其中一个标记物粘贴在计划中的穿刺入点处；然后再对患者头部进行CT扫描，得到包含标记物在内的头部CT扫描数据；标记物包括但不限于心电图电极片，具体数量视实际需要而定，一般以3到6个为宜。步骤2：根据CT扫描数据，建立包含病灶和标记物在内的头部三维模型，并设计穿刺靶点和穿刺路径，建立穿刺路径模型，具体方法是：将步骤1得到的CT扫描数据导入医学影像处理软件3DSlice，利用该软件的Editor和ModelMaker模块分别对患者的皮肤、病灶和标记物进行分割和建模，得到皮肤、病灶和标记物的三维模型；然后在三维模型的基础上利用3DSlicer的PathExplorer模块,设计穿刺靶点，并穿刺靶点和计划的穿刺入点，建立从入点到靶点的穿刺路径，并将穿刺路径模型化，得到三维穿刺路径模型；最后将包含皮肤、病灶、标记物、穿刺靶点和穿刺路径在内的所有三维模型保存为模型数据文件。步骤3：将模型数据文件导入混合现实设备Hololens，利用运行在Hololens上的全息外科手术计划查看软件HSPViewer，分别对三维模型赋予不同的颜色和透明度，然后利用Hololens的显示设备进行可视化渲染，得到包含所有模型的三维全息投影结果。步骤4：将Hololens全息投影的三维模型与患者的头部进行刚性配准，具体方法是：手术医生或助手戴上Hololens，通过手势操控Holelens上的HSPViewer软件，对Hololens全息投影的三维模型进行视点跟随、旋转和平移等操作，使三维模型中的各个标记物与患者头部对应的标记物重合，由此实现全息投影的三维模型和患者头部的刚性配准，并锁定配准结果。步骤5：手术医生沿着Hololens全息投影的穿刺路径实施穿刺手术，具体过程是：手术医生戴上Hololens，在经过刚性配准的全息投影模型中，找到穿刺路径模型，沿着穿刺路径所指示的方位和角度，定向钻孔并植入穿刺管。有益效果本专利技术所述的一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，实际上是一种利用三维建模技术和混合现实技术实施的颅内穿刺手术规划与导航方法。与现有的人工经验性颅内穿刺方法相比，本专利技术的方法具有以下几个方面的优点：(1)本专利技术方法利用CT扫描数据对患者头部及病灶进行三维模型，在三维空间设计穿刺靶点和穿刺路径，可以从空间任意角度和方位查看患者颅内部病灶和穿刺路径的关系。这不仅有效解决了临床上颅内病灶定位困难且不够精确的问题，而且还使穿刺路径的设计更为方便，可以使穿刺路径设计结果更为合理。(2)本专利技术方法在采集CT扫描数据时，在患者头部手术区域粘贴类似于心电图电极片的标记物，然后通过虚拟的标记物与实际标记物的匹配，有效解决了患者头部三维模型和患者实际头部的刚性配准问题；由此进而解决了现实手术过程中患者病灶和穿刺路径的定位问题。其中心电图电极片之类的标记物简单、易用，且容易获取。通过粘贴简单的标记物，避免了以往在患者头部进行复杂描记的问题。(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采集带有标记物的患者头部CT数据，具体方法是：在CT扫描前，先在患者头部手术区域附近贴上3个或3个以上的标记物，其中一个标记物粘贴在计划中的穿刺入点处；然后再对患者头部进行CT扫描，得到包含标记物在内的头部CT扫描数据；标记物包括但不限于心电图电极片，具体数量视实际需要而定，一般以3到6个为宜；步骤二：根据CT扫描数据，建立包含病灶和标记物在内的头部三维模型，并设计穿刺靶点和穿刺路径，建立穿刺路径模型，具体方法是：将步骤一得到的CT扫描数据导入医学影像处理软件3D Slice，利用该软件的Editor和ModelMaker模块分别对患者的皮肤、病灶和标记物进行分割和建模，得到皮肤、病灶和标记物的三维模型；然后在三维模型的基础上利用3D Slicer的Path Explorer模块,设计穿刺靶点，并穿刺靶点和计划的穿刺入点，建立从入点到靶点的穿刺路径，并将穿刺路径模型化，得到三维穿刺路径模型；最后将包含皮肤、病灶、标记物、穿刺靶点和穿刺路径在内的所有三维模型保存为模型数据文件；步骤三：将模型数据文件导入混合现实设备Hololens，利用运行在Hololens上的全息外科手术计划查看软件HSP Viewer，分别对三维模型赋予不同的颜色和透明度，然后利用Hololens的显示设备进行可视化渲染，得到包含所有模型的三维全息投影结果；步骤四：将Hololens全息投影的三维模型与患者的头部进行刚性配准，具体方法是：手术医生或助手戴上Hololens，通过手势操控Holelens上的HSPViewer软件，对Hololens全息投影的三维模型进行视点跟随、旋转和平移等操作，使三维模型中的各个标记物与患者头部对应的标记物重合，由此实现全息投影的三维模型和患者头部的刚性配准，并锁定配准结果；步骤五：手术医生沿着Hololens全息投影的穿刺路径实施穿刺手术，具体过程是：手术医生戴上Hololens，在经过刚性配准的全息投影模型中，找到穿刺路径模型，沿着穿刺路径所指示的方位和角度，定向钻孔并植入穿刺管。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混合现实的颅内穿刺定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采集带有标记物的患者头部CT数据，具体方法是：在CT扫描前，先在患者头部手术区域附近贴上3个或3个以上的标记物，其中一个标记物粘贴在计划中的穿刺入点处；然后再对患者头部进行CT扫描，得到包含标记物在内的头部CT扫描数据；标记物包括但不限于心电图电极片，具体数量视实际需要而定，一般以3到6个为宜；步骤二：根据CT扫描数据，建立包含病灶和标记物在内的头部三维模型，并设计穿刺靶点和穿刺路径，建立穿刺路径模型，具体方法是：将步骤一得到的CT扫描数据导入医学影像处理软件3DSlice，利用该软件的Editor和ModelMaker模块分别对患者的皮肤、病灶和标记物进行分割和建模，得到皮肤、病灶和标记物的三维模型；然后在三维模型的基础上利用3DSlicer的PathExplorer模块,设计穿刺靶点，并穿刺靶点和计划的穿刺入点，建立从入点到靶点的穿刺路径，并将穿刺路径模型化，得到三维穿刺路径模型；最后将包含皮肤、病灶...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晔，张文耀，王宁，李大伟，
申请(专利权)人：首都医科大学宣武医院，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11