一种磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法技术方案

本发明专利技术涉及一种磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法，它包括磁共振成像设备，跟踪系统，手术器械，设置在所述磁共振成像设备上的病床，控制和显示设备，以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分；其特征在于：还设置有标定针和标定模；在所述磁共振成像设备上、所述手术器械上和病床上分别设置有构成世界坐标系、手术器械坐标系和病床坐标系的示踪器，所述各坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述标定针与标定模型共同用于将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中，实现标定。本发明专利技术能够实现手术器械相对于磁共振图像精确定位，及对介入手术进行术前规划和术中精确导航的磁共振图像引导下的介入手术系统及术中导航方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种手术系统及控制方法，特别是关于。
技术介绍
介入手术是现代外科手术的一大发展方向，介入手术或介入治疗与传统外科手术的区别是它不需要开刀，只需要一个很小的创口即可将特制的导管、冷冻针、射频消融针、导丝等手术器械刺入到人体内的病灶部位或者手术靶点位置上，然后通过各种物理/化学作用达到治疗的目的，从而解决过去需要开放式手术才能解决的肿瘤切除、组织活检、人工器材放置等问题。介入手术具有不开刀、精确毁损、创伤小、恢复快等特点，被认为是未来很多传统开放式手术的理想替代方案。在介入手术过程中，医生无法直接观察到病人体内的治疗部位或者病灶。为了保证手术过程的安全性和有效性，一种有效的方法是应用医学成像手段来进行介入手术规划、导航、治疗过程观察和治疗效果评估，实现手术全过程的图像引导和监控。根据不同疾病、不同部位、不同类型的介入治疗的特点，有不同的图像监控需求。其中磁共振成像因其图像分辨率高、软组织成像能力强、图像扫描方位可自由选择、可以检测组织温度、能清楚显示骨骼遮挡的病灶等多个优势，成为较为理想的介入治疗的图像引导和监控手段。磁共振引导介入手术治疗也是目前国际上科研和临床中的热点研发方向。而在现有技术中存在以下问题1、在进行磁共振成像过程中，梯度场的非线性会引起图像的几何变形，在不同的磁共振成像设备上以及同样的磁共振成像设备而不同的视野内图像的几何变形是不同的，因此需要对磁共振图像梯度变形进行校正，现有位置偏移量的校正方法可以分为两种一种是根据三维立体标定模的磁共振成像，通过图像分析的方法直接计算校正参数；另一种是应用磁场的描述函数-球谐函数计算成像空间内有限个控制点的偏移量。前一种方法计算过程复杂标定模制作成本高，而且需要对三维标定模摆放在不同位置反复成像和分析才能获得控制点的位置偏移量，实际操作困难。后一种方法中梯度线圈的设计参数只是图像变形的一个主要因素，并没有考虑磁共振系统的其他硬件和软件模块对图像变形所产生的影响，所以图像校正的结果往往达不到要求。2、医生在进行磁共振介入治疗时，一般是凭借肉眼观察病灶的磁共振图像，凭经验将手术器械放置到目标位置，这种方式无法实时地观察到手术过程中介入手术器械和病灶部位或靶点之间的实际误差，会影响手术的质量，造成手术效果难以保证，甚至一旦误差较大，还要重复进行介入操作，使病人遭受较大的痛苦。因此，如何在磁共振图像引导的介入治疗中，引入空间定位精度很高的手术器械跟踪系统进行手术器械的三维空间定位，并将定位信息与磁共振图像进行准确的融合，是必须要解决的问题。3、由于医生是手持手术器械，在将手术器械与病灶转换到同一个坐标系的导航模式中，手的抖动会带来误差，因此需要一台可以灵活调整手术器械夹持位置和方向的设备，而现有技术中没有现成的设备可以使用。4、在将手术器械和病灶变化到同一系统中观察时，需要对系统中的各坐标系之间的关系进行变换，因此需要提供一个用于标定的立体标定模。5、由于标定模中的特征点是一个球体，而磁共振成像设备所成的图像由于是积分得到的，同时由于有空间分辨率造成的成像体素大小的限制，另外部分容积效应等原因，造成得到特征点的图像产生失真，因此如何确定特征点的中心，也是需要解决的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种在介入手术中能够实现磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种磁共振图像引导下的手术系统，硬件部分包括磁共振成像设备，跟踪系统，手术器械，设置在所述磁共振成像设备上的病床，控制和显示设备，以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分；其特征在于还设置有标定针和标定模，所述磁共振成像设备坐标系的位姿可被跟踪系统测量；与所述磁共振成像设备位置对应设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，所述世界坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，所述手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；所述病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，所述病床坐标系可被所述跟踪系统测量；所述标定针由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，其经过标定后的针尖接触某点，即可测量此点的位置；所述标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集I和特征点集II，所述特征点集I的特征点可被所述磁共振成像设备成像，所述特征点集II的特征点可被所述跟踪系统测量；特征点集I和特征点集II的相对位置关系已知；经标定后，可通过各坐标系之间的相互变换关系，将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中。一种采用上述磁共振图像引导下手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在由磁共振成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，磁共振成像设备自身具有磁共振成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)用磁共振成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据和磁共振成像设备坐标系的位姿，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(4)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(5)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。另一种采用上述磁共振图像引导下手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在由磁共振成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，磁共振成像设备自身具有磁共振成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系，在所述病床上或者与病灶相对位置不变处设置病床示踪器构成病床坐标系；(2)用磁共振成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据，由跟踪系统提供病床坐标系的位姿信息；(4)将病床拖出磁共振成像设备的成像区域，移动至手术区域，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、病床坐标系和手术器械坐标系的位姿，由磁共振成像设备提供磁共振成像设备坐标系，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。上述各步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法，其步骤如下(a)利用磁共振成像设备1测量特征点集I各点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Xiscan(i＝1，2，...，nph)，由坐标Xiscan生成L个向量Discan，这L个向量Discan分布在不同的方向；(b)利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标Xitrack(i＝1，2，.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁共振图像引导下的手术系统，硬件部分包括磁共振成像设备，跟踪系统，手术器械，设置在所述磁共振成像设备上的病床，控制和显示设备，以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分；其特征在于：还设置有标定针和标定模，所述磁共振成像设备坐标系的位姿可被跟踪系统测量；与所述磁共振成像设备位置对应设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，所述世界坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，所述手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；所述病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，所述病床坐标系可被所述跟踪系统测量；所述标定针由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，其经过标定后的针尖接触某点，即可测量此点的位置；所述标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集Ⅰ和特征点集Ⅱ，所述特征点集Ⅰ的特征点可被所述磁共振成像设备成像，所述特征点集Ⅱ的特征点可被所述跟踪系统测量；特征点集Ⅰ和特征点集Ⅱ的相对位置关系已知；经标定后，可通过各坐标系之间的相互变换关系，将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，韦巍，刘华根，徐进，汤青，魏晓健，吴水华，甘中学，
申请(专利权)人：新奥博为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]