应用光扫描部件来实现导航的方法及系统技术方案

应用光扫描部件来实现导航的方法及系统，包括：器件具有柔性主体和沿所述柔性主体的长度上设置至少一包含发射照明组件和光接收组件的光扫描部件，光扫描部件包括结构光/ToF激光扫描部件；利用发射照明组件主动对解剖结构投射结构光/ToF激光，通过解读处理返回的结构光/ToF激光以此建立所述解剖结构的计算机模型。规划在解剖结构内通向目标组织位置的路径，确定包括分岔路口和目标组织位置在内的匹配位置信息或路口处的三维信息；当器械需要导航至目标组织位置时，通过器械的柔性主体伸入所述通道的长度信息来初步确定所述器械到达每一关键节点相关的关键位置信息，匹配出器械在当前所述分岔路口需被路由的通道信息引导所述器械走通道。本发明专利技术进行若干次关键节点相关的图像比对，更直接更有效地完成导航。

【技术实现步骤摘要】
应用光扫描部件来实现导航的方法及系统
本专利技术涉及实现将器件导航至目标组织位置的虚拟导航方法及系统，尤其涉及肺病患者的治疗过程中利用工具进行导航的
，特别涉及用于在患者肺内部的工具导航。
技术介绍
图像引导的外科手术有助于外科医生将医疗器械操纵到患者内的目标组织位置，以便可以对目标执行治疗和/或诊断医疗程序。为了引导，医疗器械的工作端的姿势(即，位置和方向)可以被跟踪，并且连同解剖结构的模型一起显示的或叠加在解剖结构的模型上的图像与目标关联。为了叙述方便，解剖结构以肺为例，说明现有技术中如何实现以器械通过肺部毛细管路导航至目标组织位置(比如，活检或者治疗部位)。肺癌具有极高的死亡率，尤其是在其早期阶段没有被诊断出的情况中。国家肺癌筛检试验表明，如果对有身患这种疾病风险的人群使用诸如计算机断层扫描(CT)的诊断扫描进行早期检测，则可以降低死亡率。尽管CT扫描增大了能够检测肺中的小病变和结节的能力，但是在能够给出诊断结论和进行治疗之前仍然需要对这些病变和结节进行活检和细胞学检查。为了实施活检并给予多种治疗，需要在肺内将工具导航至活检或者治疗部位。因此，不断寻求针对导航系统和导航方法的改进。医师或医生等医务人员可以利用导航系统实施任务，比如：规划通向目标组织位置的路径、将医疗器械导航至目标组织位置以及将多种工具，诸如可定位引导件(LG)和/或活检工具导航至目标组织位置。ENB(电磁导航)手术通常涉及至少两个阶段：(1)规划通向位于患者肺内或者毗邻患者肺的目标的路径；和(2)沿着规划路径将探头导航至目标。这些阶段通常称作(1)“规划”和(2)“导航”。在规划阶段之前，通过例如计算机断层(CT)扫描为患者肺成像，不过本领域技人员了解其它可应用的成像方法。在CT扫描期间汇集的图像数据随后可以存储为例如医学数字影像和通讯(DICOM)格式，不过本领域技术人员了解其它可应用的格式。CT扫描图像数据然后可以装载到规划软件应用程序中(“应用程序”)，以在ENB手术的规划阶段中使用。应用程序可以使用CT扫描图像数据产生患者肺的三维(3D)模型。其中该3D模型可以包括模型气道树，所述模型气道树对应于患者肺的真实气道并且示出患者真实气道树的不同通道、分支以及分岔。另外，3D模型可以包括病变、标记物、血管和/或胸膜的3D渲染。尽管CT扫描图像数据可具有包括在图像数据中的间隙、遗漏和/或其它缺陷，但是3D模型是患者气道的平滑表示，其中，CT扫描图像数据中的这些间隙、遗漏和/或缺陷被填充或者被校正。在开始ENB手术的导航阶段之前，将3D模型与患者的真实肺配准。一个可能的配对方法涉及将可定位引导件导航到患者肺的每一个肺叶中，以抵达该肺叶的气道的至少第二分岔。专利号为201280034693.5中公开了一种用于配准解剖结构的计算机模型与医疗器械的方法，即如何将3D模型与患者的真实肺配准以引导到肺活检或者治疗部位。该方法包括：通过在医疗器械被布置在解剖结构(如肺部)的通道(如气道)中时确定医疗器械的姿势和形状并且通过匹配至少医疗器械的确定的形状与解剖结构的计算机模型中的一个或多个潜在通道的形状的最适合的一个，随后通过比较由图像捕获装置捕获的图像与解剖结构的计算机模型的多个虚拟视图执行计算机模型与医疗器械的局部配准，周期性地执行计算机模型与医疗器械的整体配准，其中多个虚拟视图由虚拟照相机的透视生成，该虚拟照相机的姿势被最初设置在医疗器械的远端的姿势，并且然后围绕该最初姿势扰动。现有基于时间编码的结构光(time-codedstructuredlight)而言，其可提供相当精细的立体扫描结果。此种扫描方式是利用不同相位移以及空间频率的结构光投射到物体表面，再利用图像获取装置获取因物体表面轮廓而造成变形的结构光的多张图像，以通过图像分析得到物体的完整表面信息。苏州大学在201910384397.1中公开了一种专利技术一种基于结构光扫描的肝脏手术导航方法及系统，该方法包括：根据CT图像在术前重建病人肝脏表面的三维图像，找出病灶点，并规划手术路径；在术中向病人肝脏表面投射编码结构光，对病人肝脏表面进行实时扫描，同时，实时采集扫描信息，对病人肝脏表面进行实时重建，并将重建的三维图像显示在3D显示器上；将术前CT重建的三维图像和术中实时重建的三维图像进行配准，找出病灶点的精确位置；通过术中实时配准输出配准参数，对术前的手术路径规划进行实时修正，在3D显示器上显示实时修正的手术路径；在术中实时获取手术器械和病人肝脏位置信息，以实时纠正手术器械的位置。该专利技术具有稳定性强，精确性高，实时性的优点。上述方法是对病人肝脏表面投射编码结构光，在整个过程中结构光立体扫描装置是原则上不会发生移动，而且整个过程是没有尺寸的要求。但是，若将该结构光扫描装置应用于肺部等需要深入气道等人体需要采用结构光扫描装置的结构尺寸是非常有限的，而且整个导航过程中，整个结构光扫描装置是需要在气道中移动的。如果能准确导航就成为关键。因此，现有上述系统和方法存在以下问题：首先，基于结构光扫描的肝脏手术导航方法直接应用于包括肺部在内需要深入人体体内且动态运动的，存在不适用性。其次，该专利提供一种用于配准解剖结构的计算机模型与医疗器械的系统，需要额外增设图像捕获装置等硬件及为了配准而开发的软件部分，开发的成本高、周期长，对于医院等医疗机械来说增设更高的成本。最重要的是，在整个的配准过程中，不断地进行图像获取，后再进行软件地配准，计算量大且导航的速度比较慢，容易影响术中进程。接着，通道上的分支越来越细，而利用图像捕获装置捕获的图像存在局限性。图像捕获装置可以是被布置在远端处的立体或单视场(monoscopic)照相机，现今最小的微型相机可以做到3厘米大小，而左、右支气管在肺门分成第二级支气管，第二级支气管及其分支所辖的范围构成一个肺叶，每支第二级支气管又分出第三级支气管，每支第三级支气管及其分支所辖的范围构成一个肺段，支气管在肺内反复分支可达23-25级，最后形成肺泡，支气管最小直径达到毫米级别。也就是单纯利用图像捕获装置可能存在无法精准导航至目标组织位置确定位置，存在导航与目标组织位置确定位置之间存在距离，即导航不精准的问题。还有，该专利仅提供一种解剖结构的计算机模型与医疗器械的配准，通过实时获知医疗器械当前的姿态来对计算机模型进行对比后导航，精准度不够，而且还有大量的校正调节的校准计算，计算量大无效性高且占用大量的导航时间，在医疗器械上还设置柔性主体，柔性主体上设置远端传感器，而很多医疗器械本身都带有采集装置，而进入通道越来越窄，存在进行通道窄度受限的问题。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种实现将器件导航至目标组织位置的快速导航方法，以解决现有技术中成本高、计算量大且导航的速度比较慢，容易影响术中进程的技术问题。本专利技术的第二目的在于提供一种实现将器件导航至目标组织位置的快速导航系统，以解决现有技术中成本高、计算量大且导航的速度比较慢，容易影响术中进程的技术问题。一种应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用光扫描部件来实现导航的方法，用以实现利用结构光/ToF激光扫描部件将器件导航至目标组织位置的快速导航，其特征在于，包括：/nS10：器件具有柔性主体和沿所述柔性主体的长度上设置至少一包含发射照明组件和光接收组件的光扫描部件，光扫描部件包括结构光/ToF激光扫描部件；/nS20：利用发射照明组件主动对解剖结构投射结构光/ToF激光，结构光在解剖结构空间表面发生反射后被所述感光接收组件接收计算出所述结构光的变形来确定所述解剖结构深度或者ToF激光计算从发射到反射回来时间差或相位差来形成距离深度数据，以此建立所述解剖结构的计算机模型；/nS30：规划在解剖结构内通向目标组织位置的路径，确定包括分岔路口和目标组织位置在内的关键节点及对应三维信息；/nS40：当器械需要导航至目标组织位置时，将所述器械被设置在所述解剖结构的通道中；/nS50：通过器械的柔性主体伸入所述通道的长度信息来初步确定所述器械到达每一关键节点相关的关键位置，实时获得所述柔性主体端部采集当前所述关键位置的三维信息，提取关键位置所在三维信息，匹配出所述器械在当前所述分岔路口需被路由的通道信息以引导所述器械走所述通道。/n...

【技术特征摘要】
1.一种应用光扫描部件来实现导航的方法，用以实现利用结构光/ToF激光扫描部件将器件导航至目标组织位置的快速导航，其特征在于，包括：
S10：器件具有柔性主体和沿所述柔性主体的长度上设置至少一包含发射照明组件和光接收组件的光扫描部件，光扫描部件包括结构光/ToF激光扫描部件；
S20：利用发射照明组件主动对解剖结构投射结构光/ToF激光，结构光在解剖结构空间表面发生反射后被所述感光接收组件接收计算出所述结构光的变形来确定所述解剖结构深度或者ToF激光计算从发射到反射回来时间差或相位差来形成距离深度数据，以此建立所述解剖结构的计算机模型；
S30：规划在解剖结构内通向目标组织位置的路径，确定包括分岔路口和目标组织位置在内的关键节点及对应三维信息；
S40：当器械需要导航至目标组织位置时，将所述器械被设置在所述解剖结构的通道中；
S50：通过器械的柔性主体伸入所述通道的长度信息来初步确定所述器械到达每一关键节点相关的关键位置，实时获得所述柔性主体端部采集当前所述关键位置的三维信息，提取关键位置所在三维信息，匹配出所述器械在当前所述分岔路口需被路由的通道信息以引导所述器械走所述通道。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S10进一步包括在一个柔性主体沿所述柔性主体的长度上分别设置所述发射照明组件和光接收组件，柔性主体的长度的端部开设一开口作为投射窗口，用于所述发射照明组件通过投射窗口向所述解剖结构空间表面发射ToF激光/激光图案，在离所述投射窗口预先设定距离的位置上设置一接收窗口，并在接收窗口对应位置上设置所述光接收组件。


3.如权利要求1所述的方法，其特在于，S10进一步包括至少两上柔性主体，在每一柔性主体的端部分别设置所述发射照明组件和光接收组件，对应开设投射窗口和接收窗口，所述投射窗口设置的位置与所述发射照明组件对应，所述接收窗口和所述光接收组件对应。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
S60：通过柔性主体端部设置的超声探头超声探测，匹配获得所述器械与所述目标组织位置的位置关系信息或匹配获得需被路由的通道。


5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，确定所述器械到达每一关键节点相关的关键位置进一步还包括：
在解剖结构内通向目标组织位置的规划路径时，预先对所述规划路径的各个分叉口分别按照编号规则进行编号；
每一次确定关键节点相关的关键位置，通过所述编号判断出该关键节点是否是目标组织位置，若是则匹配获得所述器械与所述目标组织位置的位置关系信息，否则当匹配出所述器械在当前所述分岔路口需被路由的通道，按照所述编号规则编号下一个关键节点。


6.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤S30确定关键节点对应的三维信息进一步包括：
预先建立关键节点相关的分叉口虚拟三维信息匹配库，所述分叉口虚拟三维匹配库中预先存储若干包括三维点云信息、三维面片信息至少之一在内的三维信息，所述虚拟三维是通路中分叉口前预先设定长度内，以预先设定的间距或核心位置上采集的三维信息。


7.如权利要求6所述方法，其特征在于，步骤S50中与所述计算机模型对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少白，侯尧，周武建，朱峰，边智琦，张凯，李军军，
申请(专利权)人：上海卓昕医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31