一种手术导航方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种手术导航方法及系统，所述方法是通过根据手术工具定位信息、手术工具采集的图像信息及术前影像信息，确定手术工具的实际位置，以引导手术工具到达目标区域。采用本发明专利技术所述方法及系统，可以实现手术精确可视化三维导航。

【技术实现步骤摘要】
一种手术导航方法及系统
本专利技术属于医疗
，特别涉及一种手术导航方法及系统。
技术介绍
现有的微创介入技术广泛用于各种外科手术过程，微创手术器械如医学电子内镜等成像工具通过人体自然孔径(例如口腔和鼻腔等)或某部位小切口进入人体内部器官某特定区域，进行诊断或治疗。目前，这种微创介入手术过程，主要使用单模态术中影像(例如介入CT、核磁共振(MRI)图像、PET-CT、超声)引导技术，同时加上外科医生的经验，实施手术器械与病人靶区定位。这种引导技术的主要缺点有：(1)手术器械操作困难，难以精确控制与定位；(2)肿瘤区域盲穿及其定位不够精确；(3)术中单模态成像提供人体解剖学结构信息较为有限，图像质量较为低下，也会产生伪影，增加手术器械定位难度；(4)无法自动融合术前医学影像与术中多模态信息；(5)无法提供立体虚拟现实可视化导航。这些缺点会导致无法精准微创介入手术过程，尤其是对于患者人体中微小或细小的肿瘤(5-10毫米左右)无法精确到达与定位。这些缺点会增加微创介入手术风险，降低手术成功率。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术了一种多模态的三维可视化导航方法及系统。一种手术导航方法，根据手术工具定位信息、手术工具采集的图像信息及术前影像信息，确定手术工具的实际位置，以引导手术工具到达目标区域。进一步地，所述手术导航方法包括：获取第一位置转换关系，所述第一位置转换关系为所述定位信息与所述图像信息的采集装置之间的空间位置转换参数；获取第二位置转换关系，所述第二位置转换关系为所述手术工具定位信息转换到所述术前影像坐标系的转换参数；根据所述第二位置转换关系将所述手术工具定位信息转换到所述术前影像的空间坐标系中，获得转换位姿信息；基于所述采集的图像信息、所述第一位置转换关系、所述术前影像信息对所述转换位姿信息进行优化。进一步地，所述手术导航方法包括：采用粒子滤波随机优化算法对转换位姿信息进行优化。进一步地，所述采用粒子滤波随机优化算法对转换位姿信息进行优化具体为：使用所述转换位姿信息初始化粒子群；对所述粒子群中的粒子进行拆分进化；根据所述转换位姿信息以及其前一个采集的转换位姿信息对所述粒子进行状态转移更新；计算粒子观测概率，选择最优粒子。进一步地，所述计算粒子观测概率，选择最优粒子，包括：根据所述粒子对应的所述转换位姿信息和所述术前影像，生成虚拟图像；计算所述虚拟图像与所述手术工具采集的图像的相似度；根据所述粒子群中多个粒子的所述相似度值选择最优粒子。进一步地，所述手术导航方法还包括：在进行所述采用粒子滤波随机优化算法对转换位姿信息进行优化之前，对所述转换位姿信息进行优化变换，并使用优化变换后的转换位姿信息进行所述粒子滤波随机优化算法优化。进一步地，对所述转换位姿信息进行优化变换具体为：提取所述术前影像中管腔结构中心线；计算所述距离所述转换位姿的位置点最近的中心线；将所述转换位姿信息替换为中心线位姿信息，所述中心线位姿的位置点在所述最近的中心线上且距离所述转换位姿的位置点最近。进一步地，所述转换位姿信息为包括位置和方向的三维信息。进一步地，所述获取第一位置转换关系具体为：基于深度学习的手眼标定方法，求解所述手术工具中图像采集装置与所述手术工具中定位装置之间的空间变换关系。进一步地，所述获取第二位置转换关系具体为：基于无标记点的配准方法，求解了所述手术工具中定位设备位置信息与所述术前影像的空间变换关系。进一步地，所述手术导航方法还包括：利用介入影像确认所述手术工具和所述目标区域的相对位置关系。进一步地，所述利用介入影像确认所述手术工具和所述目标区域的相对位置关系具体为：使用介入影像采集装置采集多帧断面图像；获取第三位置转换关系，所述第三位置转换关系为所述定位信息与所述介入影像之间的空间转换参数；根据所述第三位置转换关系将所述多帧断面图像中选定的像素点转化到同一坐标系下，形成介入影像三维模型。进一步地，所述手术导航方法还包括：根据所述第三位置转换关系和所述第二位置转换关系，将所述接入影像三维模型拟合到所述术前影像中。进一步地，所述手术导航方法还包括：采集多张光学活检图像；对所述光学活检图像进行拼接。进一步地，对所述光学活检图像进行拼接包括：提取所述多张光学活检图像特征点；配准所述特征点，获得图像之间的匹配对应点，计算所述图像之间的拼接变换关系；根据所述拼接变换关系，将所述多张光学活检图像投影到同一平面，形成初步拼接图像。进一步地，所述手术导航方法还包括：采用图像金字塔融合策略，对所述初步拼接图像进行消除伪影边缘。一种手术导航系统，其特征在于，包括：定位装置、手术视频图像采集装置、承载装置、和多模态导航装置，所述定位装置用于获取定位信息；所述手术视频图像采集装置用于采集实时视频图像信息，所述视频图像信息用于优化所述定位信息；所述承载装置与所述视频图像采集装置连接；所述承载装置用于承载所述定位装置；所述多模态导航装置，用于将所述定位信息拟合到术前影像中。进一步地，所述承载装置为手术导管，所述手术导管置于所述视频图像采集装置内或与所述视频图像采集装置平行绑定。进一步地，所述手术导航系统还包括光学活检图像采集装置，用于采集光学活检图像。进一步地，所述手术导航系统包括光学活检图像拼接装置，所述光学活检图像拼接装置用于将多张所述光学活检图像进行拼接，所述拼接包括：提取所述多张光学活检图像特征点；配准所述特征点，获得图像之间的匹配对应点，计算所述图像之间的拼接变换关系；根据所述拼接变换关系，将所述多张光学活检图像投影到同一平面，形成初步拼接图像；采用图像金字塔融合策略，对所述初步拼接图像进行消除伪影边缘。进一步地，所述手术导航系统还包括介入影像装置，所述介入影像装置包括介入影像采集单元、介入影像处理单元和介入影像拟合单元，所述介入影像采集单元用于通过介入影像采集设备采集多帧断面图像；所述介入影像处理单元用于基于所述多帧断面图像构建三维介入影像模型；所述介入影像拟合单元用于将所述三维介入影像模型拟合到所述术前影像中。进一步地，所述承载装置还用于承载消融针。本专利技术利用内镜视频图像信息和定位信息，能够对手术进行三维可视化的多模态导航。导航过程引入了人体管腔结构中心线约束和差分进化粒子滤波随机优化算法，补偿了患者人体运动形变所带来的导航误差，提高了导航的准确性。本专利技术提出了一种基于稳健特征点的全景拼接算法，对光学活检局部图像进行拼接，实现了大范围宽视角的病理诊断。本专利技术还通过介入影像手段确认共聚焦激光显微内镜探头或者肿瘤消融针与肿瘤病灶之间的相对位置关系，同时利用介入影像实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手术导航方法，其特征在于，根据手术工具定位信息、手术工具采集的图像信息及术前影像信息，确定手术工具的实际位置，以引导手术工具到达目标区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种手术导航方法，其特征在于，根据手术工具定位信息、手术工具采集的图像信息及术前影像信息，确定手术工具的实际位置，以引导手术工具到达目标区域。


2.根据权利要求1所述的手术导航方法，其特征在于，包括：
获取第一位置转换关系，所述第一位置转换关系为所述定位信息与所述图像信息的采集装置之间的空间位置转换参数；
获取第二位置转换关系，所述第二位置转换关系为所述手术工具定位信息转换到所述术前影像坐标系的转换参数；
根据所述第二位置转换关系将所述手术工具定位信息转换到所述术前影像的空间坐标系中，获得转换位姿信息；
基于所述采集的图像信息、所述第一位置转换关系、所述术前影像信息对所述转换位姿信息进行优化。


3.根据权利要求2所述的手术导航方法，其特征在于，还包括：采用粒子滤波随机优化算法对转换位姿信息进行优化。


4.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于，所述采用粒子滤波随机优化算法对转换位姿信息进行优化具体为：
使用所述转换位姿信息初始化粒子群；
对所述粒子群中的粒子进行拆分进化；
根据所述转换位姿信息以及其前一个采集的转换位姿信息对所述粒子进行状态转移更新；
计算粒子观测概率，选择最优粒子。


5.根据权利要求4所述的手术导航方法，其特征在于，所述计算粒子观测概率，选择最优粒子，包括：
根据所述粒子对应的所述转换位姿信息和所述术前影像，生成虚拟图像；
计算所述虚拟图像与所述手术工具采集的图像的相似度；
根据所述粒子群中多个粒子的所述相似度值选择最优粒子。


6.根据权利要求3-5中任一项所述的手术导航方法，其特征在于，还包括：
在进行所述采用粒子滤波随机优化算法对转换位姿信息进行优化之前，对所述转换位姿信息进行优化变换，并使用优化变换后的转换位姿信息进行所述粒子滤波随机优化算法优化。


7.根据权利要求6所述的手术导航方法，其特征在于，对所述转换位姿信息进行优化变换具体为：
提取所述术前影像中管腔结构中心线；
计算所述距离所述转换位姿的位置点最近的中心线；
将所述转换位姿信息替换为中心线位姿信息，所述中心线位姿的位置点在所述最近的中心线上且距离所述转换位姿的位置点最近。


8.根据权利要求2所述的手术导航方法，其特征在于，所述获取第二位置转换关系具体为：
基于无标记点的配准方法，求解所述手术工具中定位设备位置信息与所述术前影像的空间变换关系。


9.根据权利要求1或2所述的手术导航方法，其特征在于，还包括：
利用介入影像确认所述手术工具和所述目标区域的相对位置关系。


10.根据权利要求9所述的手术导航方法，其特征在于，所述利用介入影像确认所述手术工具和所述目标区域的相对位置关系具体为：
使用介入影像采集装置采集多帧断面图像；
获取第三位置转换关系，所述第三位置转换关系为所述定位信息与所述介...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗雄彪，万英，曾志明，曾惠清，
申请(专利权)人：忞惪医疗机器人苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32