本申请提供一种基于超声图像的手术器械位移监测装置，包括：手术器械、包含超声探头的超声子系统、包含处理器的控制子系统，控制子系统分别与手术器械、超声子系统连接，超声子系统持续获取目标组织区域的超声图像并将所获取的系列超声图像帧传输至控制子系统的处理器，手术器械在目标组织区域按照处理器设置的手术规划路径移动，手术器械的末端设有弧形顶端部，处理器包含的图像处理程序基于系列超声图像帧进行运算，以确定当前帧图像中追踪子区域的位置与上一帧图像中追踪子区域的位置偏差，追踪子区域为超声图像中包含弧形顶端部的区域。本申请能够基于超声图像对手术器械的位移进行准确、实时、有效的监测，保障了手术的安全性。安全性。安全性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于超声图像的手术器械位移监测装置
[0001]本申请涉及医疗器械领域，尤其涉及一种基于超声图像的手术器械位移监测装置，进一步地，尤其涉及一种适用于水刀微创手术机器人手术过程中针对水刀的位移监测。
技术介绍
[0002]目前医疗器械领域，手术规划、手术导航等自动化手术方案的技术发展迅速，通常手术规划方案制定后，手术器械在手术机器人的驱动下，按照规划方案运动，在规划路径下完成手术方案。此类手术，手术器械的位移监测尤为重要，因为一旦执行手术的手术器械发生了不必要的位置偏移，则意味着其难以按照规划路径完成手术，或者即使完成手术也与预设方案相差甚远。差之毫厘，谬以千里，哪怕是细微的位置偏差，也会导致手术精准度大幅度降低。
[0003]以基于手术规划工作的水刀微创手术系统为例，水刀微创手术系统由水刀子系统，超声设备和相应的控制系统组成，在执行例如前列腺组织区域水刀手术时，基于直肠超声探头的引导，利用机械臂将水刀插入目标组织区域，水刀到位后，上位机软件系统规划水刀的扫描路径和水射流强度，机械臂引导水刀利用规划参数进行手术作业。在规划到手术结束的整个过程中，水刀、超声探头和患者的位置必须保持不变，否则手术规划参数失效，手术可能发生事故。
[0004]然而此类位置偏差在手术过程中不可避免的会发生，例如，由于来自患者或操作者或周围其他环境的不必要的移动，均可能带来手术器械的位移，使得规划方案难以为继。因此，为了保障手术的精准进行和安全性，手术器械的位移监测是重要的，也是决定手术质量的关键因素。
[0005]现有技术中，常见的位移监测思路是采用光和/或磁学导航来标定和记录水刀和超声探头的空间位置，此类方法需借助安装额外的传感器或标记点及预先标定过程来实现对水刀和超声探头的空间位置移动的监测，成本高昂，且额外的标记物还需考虑消毒等其他过程，存在诸多不便。
[0006]也有研究者提出利用图像监测位移的思路，但是该思路下的解决方案困难重重：一方面，能够获得清晰度较高图像的X光、CT、MRI等成像手段，由于其设备的放射性、以及装置庞大、成像过程慢等原因，在手术过程中难以直接应用采集实时图像，用来监测实时位移更不可能。另一方面，手术过程中常用的成像手段是超声图像，但是囿于超声图像本身成像质量的原因，在超声图像中对手术器械进行实时识别非常困难，以水刀微创手术系统为例，其中作为手术器械的水刀在超声图像中呈现为长直线，与通常作为插入辅助器械的鞘套或辅助诊断用内窥镜均为距离接近的长直线（如图3所示），导致超声成像时易形成大量伪影，进行位移监测几无可能。
技术实现思路
[0007]本申请提出一种基于超声图像的手术器械位移监测装置，包括：手术器械、包含超
声探头的超声子系统、包含处理器的控制子系统，所述控制子系统分别与所述手术器械、所述超声子系统连接，所述超声子系统持续获取目标组织区域的超声图像并将所获取的系列超声图像帧传输至所述控制子系统的处理器，所述手术器械在目标组织区域按照处理器设置的手术规划路径移动，其特征在于：所述手术器械的末端设有弧形顶端部，所述处理器包含图像处理程序，所述图像处理程序基于所述系列超声图像帧进行运算，以确定当前帧图像中追踪子区域与上一帧图像中追踪子区域的位置偏差，所述追踪子区域为所述超声图像中包含所述弧形顶端部的局部区域。
[0008]作为优选，所述手术器械包含水刀和鞘套，所述鞘套用于插入目标组织区域，包含细长支撑件主体，在所述细长支撑件主体的末端延伸设置所述弧形顶端部；所述水刀沿鞘套限定的通道，按照处理器设置的手术规划路径移动。
[0009]以及作为优选，所述手术器械包含水刀，所述水刀包含细长的刀管以及位于刀管末端的刀头，所述刀头具有弧形形状，形成所述弧形顶端部。
[0010]作为优选，所述图像处理程序还执行以下步骤：在初始帧图像上识别并标记出追踪子区域，继而在之后的每一帧图像中更新追踪子区域，计算当前帧图像中的追踪子区域与预计追踪子区域的位置偏差。
[0011]作为优选，所述图像处理程序还执行以下步骤：在初始帧图像上将追踪子区域的中心位置坐标设为追踪用原始坐标原点，继而在之后每一帧图像中更新追踪子区域并计算更新后的追踪子区域的中心位置坐标，计算当前帧图像的中心位置坐标与预计追踪子区域的中心位置坐标之间的偏差。
[0012]进一步地，所述图像处理程序还根据位置偏差的大小，将当前帧图像中追踪子区域的边界点或中心位置点显示为不同颜色和/或提示其文字信息。
[0013]进一步地，所述控制子系统根据所确定的位置偏差执行预定的安全策略。
[0014]作为优选，所述图像处理程序还执行如下步骤：基于追踪子区域构建离线特征模板库；确定与初始帧图像匹配最佳的离线特征模板f1（x），以及初始帧图像中的追踪子区域；根据每一个当前帧图像，确定其下一帧图像的最佳特征模板F（x）；基于所确定的最佳特征模板F（x），确定所述下一帧图像中的追踪子区域。
[0015]作为优选，还包含基于所确定的追踪子区域的图像特征构建适用于不同深度和/或不同尺度和/或不同角度的离线特征模板库；其中，所述离线特征模板库包含不同深度参数的离线特征模板，以及根据不同深度参数确定尺度因子所形成的不同尺度的离线特征模板。
[0016]进一步地，基于特征模板f1（x）确定初始帧图像的追踪子区域的位置信息。
[0017]作为优选，至少基于特征模板f1（x）中追踪子区域的图像特征和当前帧图像中追踪子区域的图像特征，确定下一帧图像的最佳特征模板F（x）。以及作为优选，还可基于预训练的深度学习神经网络提取当前帧图像中追踪子区域的深层特征，得到下一帧图像的最佳特征模板F（x）。
[0018]作为优选，所述追踪子区域的窗口大小能够自适应地调整。
[0019]作为优选，所述弧形顶端部包含钨。所述弧形顶端部包含光滑的外表面和粗糙的内表面，所述粗糙的内表面通过内嵌不规则凹凸小坑、凹槽、台阶或磨砂形成。
[0020]本申请所提供的技术方案能够解决前述技术问题并具有至少一种下述技术效果：
能够克服基于超声图像对手术器械进行监测的技术难题，使得基于超声图像对手术器械的位移进行准确、实时、有效的监测成为可能，与传统的位移监测方式相比，显著降低成本，且减少了对额外标记物进行消毒等繁琐操作步骤；借助于手术系统自带的术中超声成像子系统即可实现对手术器械的位移监测，且可对监测结果进行实时反馈与提示，为操作者或医生进行手术提供方便。同时，精确、实时的位移监测有助于严格按照手术规划实施手术方案的安全执行，提高手术质量，减少医疗事故，此外，位移监测信息还可直接用于手术规划方案的调整，有利于自动化手术过程的精准控制。
附图说明
[0021]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为根据本申请实施例所提供的水刀微创手术系统的结构示意图。
[0022]图2为根据本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于超声图像的手术器械位移监测装置，包括：手术器械、包含超声探头的超声子系统、包含处理器的控制子系统，所述控制子系统分别与所述手术器械、所述超声子系统连接，所述超声子系统持续获取目标组织区域的超声图像并将所获取的系列超声图像帧传输至所述控制子系统的处理器，所述手术器械在目标组织区域按照处理器设置的手术规划路径移动，其特征在于：所述手术器械的末端设有弧形顶端部，所述处理器包含图像处理程序，所述图像处理程序基于所述系列超声图像帧进行运算，以确定当前帧图像中追踪子区域与上一帧图像中追踪子区域的位置偏差，所述追踪子区域为所述超声图像中包含所述弧形顶端部的局部区域。2.根据权利要求1所述的手术器械位移监测装置，其特征在于，所述手术器械包含水刀和鞘套，所述鞘套包含细长支撑件主体，在所述细长支撑件主体的末端延伸设置所述弧形顶端部；所述水刀沿鞘套限定的通道，按照处理器设置的手术规划路径移动。3.根据权利要求1所述的手术器械位移监测装置，其特征在于，所述手术器械包含水刀，所述水刀包含细长的刀管以及位于刀管末端的刀头，所述刀头具有弧形形状，形成所述弧形顶端部。4.根据权利要求1
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3任一项所述的手术器械位移监测装置，其特征在于，所述图像处理程序还执行以下步骤：在初始帧图像上识别并标记出追踪子区域，继而在之后的每一帧图像中更新追踪子区域，计算当前帧图像中的追踪子区域与预计追踪子区域的位置偏差。5.根据权利要求1
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3任一项所述的手术器械位移监测装置，其特征在于，所述图像处理程序还执行以下步骤：在初始帧图像上将追踪子区域的中心位置坐标设为追踪用原始坐标原点，继而在之后每一帧图像中...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈文波，史策，马涛，赵静，
申请(专利权)人：北京智愈医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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