一种医用骶神经穿刺定位导引系统的制作方法

本发明涉及一种医用骶神经穿刺定位导引系统，具体为一种借助3D术前规划与体表交叉投影定位技术的医用骶神经穿刺定位导引系统。

背景技术：

当神经系统发生病变或损伤后，会出现多种下尿路症状（如尿急、尿频、尿失禁、排尿困难）和/或肠道功能障碍（如大便失禁、便秘），严重影响患者的生命质量和身体健康。骶神经调节（sacral neuromodulation，SNM）作为各种难治性下尿路功能障碍及肠道功能障碍保守治疗失败后的一种行之有效的治疗手段，近年来越来越多地得到临床应用。

骶神经调节的手术方法首要步骤即安装测试电极，其中的第3骶神经孔穿刺是关键环节，由于该孔体表特征不明显，使得盲穿定位困难，完全依据术者个人临床经验，存在反复试穿甚至最终失败的可能；另外，虽然部分辅以术中X线或B超引导，但前者虽骨性解剖标志较为清楚，但尚不能直接、准确地标定皮肤穿刺点和穿刺路径，且有放射性，后者虽无放射性，但骨性解剖标志不易辨识，直接、准确地标定皮肤穿刺点和穿刺路径的技术难点高，因此，这两类技术仍然不能避免反复多次试穿刺的情况，甚至当患者肥胖等致穿刺区域体表解剖特征不明显，或因外伤等致穿刺孔位置变异过大时，穿刺难度则更是大大增加，甚至穿刺失败。以上所述的种种困难，使得骶神经调节的应用与推广受到了一定的限制，使得广大相关患者仍然苦受疾病困扰，不能享受该技术所带来的疗效。因此，有效解决该技术难题，实现安全、高效地精准穿刺迫切需要解决。

技术实现要素：

本发明为解决目前骶神经调节手术过程中，骶神经穿刺时或主要依靠术者主观经验，或依赖X线、B超，一至多次试穿以完成穿刺，甚至因患者肥胖等致穿刺区域体表解剖特征不明显，或因外伤等致穿刺孔位置变异过大而难以顺利穿刺的技术问题，提供一种能够用于辅助穿刺的医用骶神经穿刺定位导引系统。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种医用骶神经穿刺定位导引系统，包括一个开放式主机架，开放式主机架上设有计算机主机以及与计算机主机相连接的第一显示屏和键鼠；开放式主机架的一侧连接有一个弧形架，所述弧形架的弧面内圈朝下且该弧面内圈带有滑道；所述滑道上滑动设有第一投影与采集盒和第二投影与采集盒；两个投影与采集盒均内置有微型投影仪、图像采集器和集束光源；两个投影与采集盒的集束光源均指向弧面所在圆的圆心，互不平行；两个投影与采集盒均通过由计算机主机控制的步进电机驱动在弧形架上滑动，开放式主机架在设有弧形架的一侧还配有与计算机主机相连接的第二显示屏；

计算机主机采集术前获得的患者俯卧位CT扫描图像及穿刺针长度参数并在相应软件的支持下，对所述CT扫描图像进行髋骨、骶骨、尾骨、皮下脂肪、皮肤等关键解剖结构的三维重建，获得相应的人体结构3D重建图形；

计算机主机在相应软件的支持下结合人体结构3D重建图形以及输入的穿刺针长度参数合成带有虚拟穿刺针的3D重建合成图形，并依据两个投影与采集盒的实际空间位置，生成相对应视觉角度下的两幅平面待投影图像；其中第一投影与采集盒对应的平面待投影图像模拟第一投影与采集盒视角下人体结构3D重建图形的皮肤投影，以及第一投影与采集盒上所设的集束光源照射到穿刺针之后在皮肤上所形成的阴影Sa；阴影Sa的前端为Pa点，末端为Pa1点，中部有Pa2点；第二投影与采集盒对应的平面待投影图像模拟第二投影与采集盒视角下人体结构3D重建图形的皮肤投影，以及第二投影与采集盒上所设的集束光源照射到穿刺针之后在皮肤上所形成的阴影Sb；阴影Sb的前端为Pb点，末端为Pb1点，中部有Pb2点；Pa、Pb分别作为两个穿刺针阴影的针尖端点且重合，Pa1和Pb1分别为穿刺前两个穿刺针阴影的针尾端点，Pa2和Pb2分别为穿刺后两个穿刺针阴影的针尾端点；呈一定角度的第一、二投影与采集盒用于将所述的两幅平面待投影图像投影至待投影区域，并采集真实投影图像后输入计算机主机3中，以3D重建图形的皮肤投影，以及Pa1和Pb1的重叠为标准进行第一、二投影与采集盒位置的实时同步调整。

进一步的，在计算机主机获得相应的人体结构3D重建图形之后，需要先进行校准，校准步骤如下：

向计算机主机输入两个投影与采集盒在实际空间中的相对位置、待投影的位置高度后，计算机主机使用第一投影与采集盒将第一投影与采集盒视角下的人体结构3D重建图形向手术床上真实俯卧的人体皮肤投影，并采集实际图像，以投影影像与真实人体皮肤的轮廓相吻合为校准标准，完成第一投影与采集盒校准；之后计算机主机使用第二投影与采集盒，将第二投影与采集盒视角下的人体结构3D重建图形向手术床上真实俯卧的人体皮肤投影，并采集实际图像，以投影影像与真实人体皮肤的轮廓相吻合为校准标准，完成第二投影与采集盒校准。

本发明的工作原理：计算机主机内设三维重建图像处理子系统、术前规划分析子系统、虚拟现实定位投射子系统、数据库子系统；

使用本发明时，在术前获得患者俯卧位CT扫描图像后，将薄层DICOM文件导入本系统，在三维重建图像处理子系统内，进行髋骨、骶骨、尾骨、皮下脂肪、皮肤等关键解剖结构的三维重建；通过第一、二显示屏观察阅览得到的3D重建图形，在术前规划与分析子系统内，以此图像为基础进行穿刺位置、方向、深度的术前规划，存入数据库子系统后输出至定位导引界面；调整系统位置摆放（术者对侧的手术床旁），调整弧形架上第一、第二投影与采集盒至适宜位置，第一投影与采集盒一般位于目标穿刺孔正上方，或据术前规划调整后，向体表投射半透明化髋、骶、尾骨及皮肤轮廓，使用计算机主机调整投影位置及缩放倍数，使之与实际体表标志基本吻合，第二投影与采集盒在第一投影与采集盒与主机架之间，且与第一投影与采集盒呈一定角度，使用计算机主机调整投影位置及缩放倍数，使之与实际体表标志基本吻合，使用计算机主机对第一、二投影与采集盒同时投影图像做自动分析并微调，使之完全重叠；输入穿刺针长度等必要参数后，投影与采集盒采集结合在工作站自动分析已设定好的第一投影与采集盒与体表、第一投影与采集盒与第二投影与采集盒在实际空间中的相对位置，虚拟现实定位投射子系统智能计算第一、第二投影与采集盒视角下穿刺针分别在皮肤上的体表投影（如图3、4、5所示），之后以某一颜色同时向体表投射出穿刺点Pa，Pb以及穿刺针体表投影线段Sa_（Pa-Pa1），Sb_（Pb-Pb1），并行自动校准（Pa与Pb重合视为投影校准无误），校准无误后，以另一颜色投射穿刺完成后的针尾体表投影Pa₂，Pb₂；此时术者手持穿刺针，将针尖置于穿刺点Pa（即Pb），调整穿刺针方向，至其体表阴影与Sa_（Pa-Pa1），Sb_（Pb-Pb1）线段重合后，沿当前方向穿刺，深度以其针尾体表投影与Pa₂，Pb₂重合，此过程中并适当结合术者经验，体会此过程中应有的突破感及穿刺入骶骨裂孔后的落空感，视为成功，从而完成精准定位导引。

上述各硬件部件均为市场上可以购买到的，软件技术亦均为现有技术，是易于实现的。本领域技术人员根据上述工作过程的记载就可以编写出相应的软件，实现以3D重建图形为基础合成一个带有虚拟穿刺针的3D重建合成图形以及两种视觉角度下的平面待投影图像，并将两幅平面待投影图像以不同角度投射。

本发明具有的有益效果：

1、术前依据拟接受穿刺病人的俯卧位CT数据，行三维重建并术前穿刺规划，不仅直观、量化，更具有明显的个体化特征，可以精准地对穿刺方案进行分析判断和虚拟预演；

2、术中体表交叉投影定位技术的应用，使得无论穿刺前还是整个穿刺过程中，穿刺针空间位置均直观、准确，清晰显示，可随时对比，从而提高了穿刺成功率；

3、术中体表交叉投影定位技术的应用，操作简单，容易掌握，不仅易于该技术的普及和推广，更可降低骶骨部位情况复杂的穿刺难度。

附图说明

图1本发明结构简图。

图2本发明功能结构示意图。

图3本发明体表投射示意图（顶视图）。

图4为图3中A的放大结构示意图。

图5本发明体表投射示意图（侧视图）。

图6本发明所述医用骶神经穿刺定位导引系统的左视结构示意图。

图7本发明所述医用骶神经穿刺定位导引系统的顶视结构示意图。

图8本发明所述医用骶神经穿刺定位导引系统的后视结构示意图（工作状态）。

图9本发明所述医用骶神经穿刺定位导引系统的后视结构示意图（展开状态下）。

1-可制动万向轮；2-开放式主机架；3-计算机主机；4-键鼠；5-第一显示屏；6-第一水平轴；7-显示屏连接杆；8-第二水平轴；9-竖直滑道；10-延伸臂；11-第二显示屏；12-反“L”形轴；13-弧形架座；14-弧形架；15-第一投影与采集盒；16-第二投影与采集盒；17-手术床；18-骶骨，19-穿刺针。

具体实施方式

一种医用骶神经穿刺定位导引系统，包括一个开放式主机架2，开放式主机架2上设有计算机主机3以及与计算机主机3相连接的第一显示屏5和键鼠4（可选用无线键鼠）；开放式主机架2的一侧连接有一个弧形架14，所述弧形架14的弧面内圈朝下且该弧面内圈带有滑道；所述滑道上滑动设有第一投影与采集盒15和第二投影与采集盒16；两个投影与采集盒均内置有微型投影仪、图像采集器和集束光源；两个投影与采集盒的集束光源均指向弧面所在圆的圆心，互不平行；两个投影与采集盒均通过由计算机主机3控制的步进电机驱动在弧形架14上滑动，开放式主机架2在设有弧形架14的一侧还配有与计算机主机3相连接的第二显示屏11；

计算机主机3采集术前获得的患者俯卧位CT扫描图像及穿刺针长度参数并在相应软件的支持下，对所述CT扫描图像进行髋骨、骶骨、尾骨、皮下脂肪、皮肤等关键解剖结构的三维重建，获得相应的人体结构3D重建图形；

此时，需要先进行校准，校准步骤如下：向计算机主机3输入两个投影与采集盒在实际空间中的相对位置、待投影的位置高度后，计算机主机3使用第一投影与采集盒15将第一投影与采集盒15视角下的人体结构3D重建图形向手术床17上真实俯卧的人体皮肤投影，并采集实际图像，以投影影像与真实人体皮肤的轮廓相吻合为校准标准，完成第一投影与采集盒15校准；之后计算机主机3使用第二投影与采集盒16，将第二投影与采集盒16视角下的人体结构3D重建图形向手术床17上真实俯卧的人体皮肤投影，并采集实际图像，以投影影像与真实人体皮肤的轮廓相吻合为校准标准，完成第二投影与采集盒16校准。

校准完成后，计算机主机3在相应软件的支持下结合人体结构3D重建图形以及输入的穿刺针长度参数合成带有虚拟穿刺针的3D重建合成图形，并依据两个投影与采集盒15、16的实际空间位置，生成相对应视觉角度下的两幅平面待投影图像；其中第一投影与采集盒15对应的平面待投影图像模拟第一投影与采集盒15视角下人体结构3D重建图形的皮肤投影，以及第一投影与采集盒15上所设的集束光源照射到穿刺针之后在皮肤上所形成的阴影Sa；阴影Sa的前端为Pa点，末端为Pa1点，中部有Pa2点；第二投影与采集盒16对应的平面待投影图像模拟该视角下人体结构3D重建图形的皮肤投影，以及第二投影与采集盒16上所设的集束光源照射到穿刺针之后在皮肤上所形成的阴影Sb；阴影Sb的前端为Pb点，末端为Pb1点，中部有Pb2点；Pa、Pb分别作为两个穿刺针阴影的针尖端点且重合，Pa1和Pb1分别为穿刺前两个穿刺针阴影的针尾端点，Pa2和Pb2分别为穿刺后两个穿刺针阴影的针尾端点；呈一定角度的第一、二投影与采集盒15、16用于将所述的两幅平面待投影图像投影至待投影区域，并采集真实投影图像后输入计算机主机3中，以3D重建图形的皮肤投影，以及Pa1和Pb1的重叠为标准进行第一、二投影与采集盒15、16位置的实时同步调整。

呈一定角度的第一、二投影与采集盒15、16用于将所述的两幅平面待投影图像投影至待投影区域，且可避免投影时操作者手部等的遮挡。

所述阴影Sa和Sb以及Pa、Pa1、Pa2、Pb、Pb1、Pb2均采用不同的颜色予以显示并投影。

所述第一、二显示屏5、11，可全程显示人体结构3D重建图形及两个不同位置的穿刺针3D图形，以及两个投影与采集盒15、16相对应视觉角度下的两幅平面待投影图像。

开放式主机架2包括底座、竖直安装在靠近底座一侧的立板以及安装在立板顶部的顶部平台；计算机主机3设在底座上，第一显示屏5和键盘4设在顶部平台上；立板上开有竖直滑道9，竖直滑道9上滑动设有一个在水平方向延伸的延伸臂10，延伸臂10的一端滑动连接在竖直滑道9上，所述弧形架14安装在延伸臂10的另一端且位于与开放式主机架2相反的一侧；弧形架14所在竖直面与延伸臂10所在竖直面相垂直；所述延伸臂10也通过相应的步进电机驱动实现上下滑动，该步进电机也由计算机主机3进行控制；第二显示屏11安装在延伸臂10的中部与开放式主机架2相反的一侧。

弧形架（一般横位）与延伸臂（一般偏头侧，在头侧与水平面呈80°左右，以避开术中X线与骶骨目标孔的连线，或据术前规划调整。

延伸臂10连接有一个反“L”型轴12，反“L”型轴12连接有一个弧形架座13；所述弧形架14安装在弧形架座13上。弧形架座13可以绕着反“L”型轴12转动，如图8为工作状态下本发明的结构示意图，图9中弧形架座绕着反“L”型轴12转动呈展开状态。

开放式主机架2的底部设有可制动万向轮1。第一显示屏5通过显示屏连接杆7制成在顶部平台上，第一显示屏与显示屏连接杆7之间通过第一水平轴6相连接，显示屏连接杆7通过第二水平轴8与顶部平台相连接。