一种软组织穿刺导航定位方法和系统技术方案

一种软组织穿刺导航定位方法，包括：在目标对象上安装多个标记球；对目标对象和标记球扫描三维图像；识别图像中的标记球在图像坐标系中的坐标，并排序；识别标记球在导航坐标系中的坐标，并排序；求解两个坐标系间的刚体变换矩阵；在三维图像中规划穿刺路径；获取当前机械臂姿态数据和示踪器位姿数据，并根据标记球在导航坐标系中的坐标、示踪器与机械臂末端的关系矩阵、穿刺针与示踪器的关系矩阵和穿刺路径，计算机械臂的目标定位姿态；机械臂运动至目标定位姿态后，穿刺针推进目标对象；穿刺过程中实时记录标记球的坐标，根据坐标的变化结合插值函数计算变形场；利用变形场对三维图像进行插值变形，变形图像中叠加穿刺针的位置并实时显示。并实时显示。并实时显示。

【技术实现步骤摘要】
一种软组织穿刺导航定位方法和系统


[0001]本专利技术涉及导航定位
，特别是涉及一种软组织穿刺导航定位方法和系统。

技术介绍

[0002]随着医疗技术的不断进步，微创治疗技术取得了快速地发展，出现了许多微创诊断和治疗技术。软组织穿刺技术就是其中一个典型的应用技术，通过毫米级的穿刺针经皮直达患者的病灶部位，可以进行活检、消融治疗等不同医疗措施。目前软组织穿刺均需要在患者的医学图像的引导下进行，根据不同的医学图像可以分为B超引导下的穿刺、CT引导下的穿刺、MR引导下的穿刺等。
[0003]B超引导是借助二维实时B超图像，医生徒手将穿刺针插入病灶部位，虽然满足了实时引导的需求，但B超图像较难看懂，学习曲线长，并且穿刺针在B超图像中很不清晰，容易影响医生操作。CT引导属于非实时引导，穿刺过程中需要反复扫描三维CT图像，辐射剂量大，穿刺效果极其依赖医生的经验和手感。MR引导也属于非实时引导，成像速度慢，并且需要所有手术工具均为非磁性材料制成，价格昂贵。
[0004]因此，为了解决上述缺点，需要一种软组织穿刺导航定位方案，能够辅助医生完成快速精准的穿刺任务。

技术实现思路

[0005]本专利技术要克服现有技术的上述缺点，提供一种软组织穿刺导航定位方法，辅助医生术中精准地完成穿刺操作。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种软组织穿刺导航定位方法，包括以下步骤：
[0007]S1在目标对象上安装多个标记球；
[0008]S2对目标对象和标记球扫描三维图像；
[0009]S3识别图像中的标记球在图像坐标系中的坐标，并排序；
[0010]S4用三维导航追踪系统识别标记球在导航坐标系中的坐标，并排序；
[0011]S5根据上述两组坐标求解两个坐标系间的刚体变换矩阵；
[0012]S6在三维图像中规划穿刺路径，用直线表示；
[0013]S7获取当前机械臂姿态数据和示踪器位姿数据，并根据标记球在导航坐标系中的坐标、示踪器与机械臂末端的关系矩阵、穿刺针与示踪器的关系矩阵和穿刺路径，计算机械臂的目标定位姿态；
[0014]S8机械臂运动至目标定位姿态后，穿刺针推进目标对象；
[0015]S9穿刺过程中实时记录标记球的坐标，根据坐标的变化结合插值函数计算变形场，利用变形场对三维图像进行插值变形，变形图像中叠加穿刺针的位置并实时显示；
[0016]S10穿刺针到达目标位置后停止运动。
[0017]优选地，步骤S2中所述对目标对象和标记球扫描三维图像，优选三维计算断层扫
描(CT)图像；作为替代可以是三维核磁共振(MR)图像、三维B超图像等三维医学图像。
[0018]优选地，步骤S4中所述三维导航追踪系统优选红外光学导航系统，能够实时捕获视场内的标记球、示踪器，获得其三维空间坐标和空间姿态；作为替代可以是可见光光学导航系统，激光导航系统，磁导航系统，电导航系统等任何基于物理原理的三维导航系统。
[0019]优选地，所述标记球优选结构包括内部为实心金属球，金属球的外表面有一层反光材料，即可在CT图像中显影，识别出球心在图像坐标系中的三维坐标，又可被红外光学导航系统识别，计算出所述标记球在导航坐标系中的三维坐标；所述标记球还有底座，用于安装在目标对象上。
[0020]优选地，步骤S7中所述示踪器与机械臂末端的关系矩阵，是指在机械臂末端的法兰处建立法兰坐标系，在示踪器上建立示踪器坐标系，这两个坐标系间的转换矩阵；所述转换矩阵通过三维坐标仪标定获得；
[0021]所述穿刺针与示踪器的关系矩阵，是指在所述穿刺针的针尖建立穿刺针坐标系，与所述示踪器坐标系间的转换矩阵；所述转换矩阵通过三维坐标仪标定获得。
[0022]优选地，步骤S7中所述计算机械臂的目标定位姿态包括：
[0023]根据所述刚体变换矩阵将图像坐标系中的所述穿刺路径转换到所述导航坐标系中，再利用所述穿刺路径的两个端点坐标和所述导航坐标系的原点建立目标坐标系；将所述穿刺针坐标系与所述目标坐标系对齐，计算所述机械臂的目标定位姿态。
[0024]优选地，步骤S9中所述计算变形场包括：
[0025]穿刺前记录所有标记球在所述导航坐标系中的三维坐标；穿刺中实时记录所有标记球在所述导航坐标系中的三维坐标；实时计算两组坐标间的变化，结合插值函数计算变形场；
[0026]所述插值函数优选B样条差值函数，作为替代可以是薄板样条插值函数、多项式插值函数等。
[0027]第二方面，本专利技术还提供了实施本专利技术的一种软组织穿刺导航定位方法的系统，所述系统包括三维导航追踪设备、机械臂、多个标记球、示踪器、推进机构、穿刺针、图像采集设备以及上位机；
[0028]所述示踪器和所述穿刺针安装于所述推进机构上，所述推进机构安装于所述机械臂的末端；
[0029]所述推进机构由滑轨、步进电机、丝杆、穿刺针安装座组成；步进电机旋转带动丝杆转动，丝杆将转动变为在滑轨上的直线运动，滑轨的移动部件与穿刺针安装座相连，穿刺针安装在穿刺针安装座上，可快速安装和拆卸；
[0030]所述图像采集设备，用于采集三维图像，并向所述上位机发送所述三维图像，其中，所述图像采集设备的视野范围内包括：所述目标对象以及安装在目标对象上的标记球；
[0031]所述三维导航追踪设备，用于获得所标记球的在导航坐标系中的坐标和示踪器在导航坐标系中的位姿数据，并向所述上位机发送坐标数据和位姿数据；
[0032]所述上位机，实现第一方面所述的一种软组织穿刺导航定位方法，并接收数据，控制所述机械臂进行定位，穿刺针的穿刺操作，以及图像的实时显示和导航。
[0033]由以上可见，应用本专利技术的方案进行软组织穿刺导航定位时，只需要扫描一次三维图像，减少了术中的操作步骤和可能的辐射剂量。三维导航追踪系统和目标对象上安装
的标记球可实时捕捉目标对象的体位变化和软组织变形，将变形量通过插值函数映射到三维图像中并实时显示，达到了实时导航的目的。机械臂的使用，使得穿刺过程完全自动化，减轻医生的工作量和降低操作难度，并能显著提升穿刺定位的精度。
[0034]本专利技术的优点可以归纳为：减少了术中的操作步骤和可能的辐射剂量，实时导航，穿刺过程完全自动化，减轻医生的工作量和降低操作难度，并能显著提升穿刺定位的精度。
[0035]当然，实施本专利技术的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0036]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
[0037]图1为本专利技术实施例提供的一种软组织穿刺导航定位方法的流程示意图；
[0038]图2为本专利技术实施例提供的一种软组织穿刺导航定位系统的结构示意图；
具体实施方式
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软组织穿刺导航定位方法，其特征在于，包括如下步骤：S1在目标对象上安装多个标记球；S2对目标对象和标记球扫描三维图像；S3识别图像中的标记球在图像坐标系中的坐标，并排序；S4用三维导航追踪系统识别标记球在导航坐标系中的坐标，并排序；S5根据上述两组坐标求解两个坐标系间的刚体变换矩阵；S6在三维图像中规划穿刺路径，用直线表示；S7获取当前机械臂姿态数据和示踪器位姿数据，并根据标记球在导航坐标系中的坐标、示踪器与机械臂末端的关系矩阵、穿刺针与示踪器的关系矩阵和穿刺路径，计算机械臂的目标定位姿态；S8机械臂运动至目标定位姿态后，穿刺针推进目标对象；S9穿刺过程中实时记录标记球的坐标，根据坐标的变化结合插值函数计算变形场，利用变形场对三维图像进行插值变形，变形图像中叠加穿刺针的位置并实时显示；S10穿刺针到达目标位置后停止运动。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述对目标对象和标记球扫描三维图像，优选三维计算断层扫描(CT)图像；作为替代可以是三维核磁共振(MR)图像、三维B超图像等三维医学图像。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中所述三维导航追踪系统优选红外光学导航系统，能够实时捕获视场内的标记球、示踪器，获得其三维空间坐标和空间姿态；作为替代可以是可见光光学导航系统，激光导航系统，磁导航系统，电导航系统等任何基于物理原理的三维导航系统。4.根据权利要求1
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3所述的方法，其特征在于，所述标记球优选结构包括内部为实心金属球，金属球的外表面有一层反光材料，即可在CT图像中显影，识别出球心在图像坐标系中的三维坐标，又可被红外光学导航系统识别，计算出所述标记球在导航坐标系中的三维坐标；所述标记球还有底座，用于安装在目标对象上。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中所述示踪器与机械臂末端的关系矩阵，是指在机械臂末端的法兰处建立法兰坐标系，在示踪器上建立示踪器坐标系，这两...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜佳俊，徐琦，张微，顾静军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：