光磁一体穿刺手术导航平台的制作方法

本发明涉及外科医学领域，特别是涉及一种光磁一体穿刺手术导航平台。

背景技术：

穿刺是将穿刺针刺入体，以为后续的手术建立手术通道。穿刺的关键是快和准，只有快速、准确地将穿刺针穿入目标部位，才能缩短手术时间，尽可能地减少出血。但是，传统的穿刺过程中，为了掌握穿刺针尖端的位置，需要对患者进行多次的ct或mri扫描，以便医生获取穿刺针在患者体内的位置，并且需要医生具有丰富的外科手术经验，才能较为准确地判定穿刺针的位置，手术时间长，定位精度低。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种光磁一体穿刺手术导航平台，在手术过程中，采用电磁手术导航技术和光学手术导航技术，同步对穿刺针尖端的位置进行追踪，并将穿刺针以虚拟的方式在目标部位的三维图像中显示，以便医生实时监控穿刺针的穿刺位置，将穿刺针准确送入目标部位。

技术方案如下：

一种光磁一体穿刺手术导航平台，设置有：

标记参考系统，用于在电磁空间坐标系、光学空间坐标系中标定参考点和标记多个标记点；

注册探针，用于分别在电磁空间坐标系、光学空间坐标系中标定标记点；

穿刺针，用于对目标部位进行穿刺，该穿刺针上设置有标定系统，该标定系统用于分别在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中标定所述穿刺针尖端；

导航终端，用于建立电磁空间坐标系、光学空间坐标系以及虚拟空间坐标系；

用于通过注册探针、标记参考系统和标定系统分别定位标记点、参考点、穿刺针尖端在电磁空间坐标系的电磁空间坐标，以及在光学空间坐标系中的光学空间坐标；

所述导航终端根据标记点、参考点、穿刺针尖端的电磁空间坐标、光学空间坐标，确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标，并根据虚拟空间坐标在所述三维图像中显示穿刺针。

更进一步的，所述穿刺针设置有手柄、定位针筒和定位针芯，所述手柄上还开有安装孔，安装孔处设置有复位卡扣，所述定位针筒沿安装孔插装在手柄上，并通过复位卡扣与手柄卡接，所述定位针芯套装在定位针筒内，所述定位针筒尾部设置有环形定位槽，所述定位针芯尾部设置有与环形定位槽相配合的定位部，所述定位针芯通过定位部与定位针筒固定。

更进一步的，所述标定系统设置有电磁传感器和光学标记，该光学标记和电磁传感器分别设置在所述定位针芯的手柄和尖端处，该电磁传感器和光学标记分别用于在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中标定所述定位针芯的尖端。

更进一步的，所述标记参考系统设置有参考架、标记板，所述标记板上设置有至少3个标记点，所述参考架上设置有电磁传感器和光学标记，该电磁传感器和光学标记分别用于在电磁空间坐标系、光学空间坐标系中标定参考点。

更进一步的，所述注册探针设置有电磁传感器和光学标记，该电磁传感器和光学标记用于分别在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中标定标记点。

更进一步的，导航终端设置有：

光学定位系统，用于通过标记参考系统、注册探针、标定系统，定位参考点、标记点、穿刺针尖端在光学空间坐标系中的光学空间坐标；

电磁定位系统，用于通过标记参考系统、注册探针、标定系统，定位参考点、标记点、穿刺针尖端在电磁空间坐标系中的电磁空间坐标；

导航系统，用于获取包括标记点和目标部位的扫描图像进行三维重建，并根据重建后的三维图像，以及参考点、标记点、穿刺针尖端的光学空间坐标和电磁空间坐标，确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标，导航系统根据电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标，所述导航系统根据虚拟空间坐标在三维图像中显示穿刺针。

更进一步的，所述导航系统设置有：

信息获取单元，用于获取扫描图像，以及获取参考点、标记点、穿刺针尖端的光学空间坐标和电磁空间坐标；

信息处理单元，用于根据扫描图像进行三维重建，并根据重建后的三维图像，以及标记点、参考点、穿刺针尖端的光学空间坐标，确定穿刺针尖端的光学虚拟空间坐标；还根据三维图像，以及标记点、参考点、穿刺针尖端的电磁空间坐标，确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标；所述信息处理单元结合光学虚拟空间坐标、电磁虚拟空间坐标确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标；

导航显示单元，用于根据虚拟空间坐标在三维图像中显示穿刺针。

更进一步的，所述信息处理单元设置有：

三维重建模块，用于根据扫描图像进行三维重建，建立包括标记点和目标部位的三维图像；

手术注册模块，用于根据三维图像，以及标记点的光学空间坐标确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的光学转换矩阵；还用于根据三维图像，以及标记点的电磁空间坐标确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的电磁转换矩阵；

导航追踪模块，用于根据光学转换矩阵将参考点的光学空间坐标转换为光学虚拟参考坐标，并根据电磁转换矩阵将参考点的电磁空间坐标转换为电磁虚拟参考坐标；

还用于根据参考点和穿刺针尖端的光学空间坐标，以及光学虚拟参考坐标确定穿刺针尖端的光学虚拟空间坐标，并根据参考点和穿刺针尖端的电磁空间坐标，以及电磁虚拟参考坐标确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标，所述导航追踪模块根据电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标确定虚拟空间坐标。

更进一步的，所述信息获取单元设置有rs232接口和rj45网口，所述信息获取单元分别通过rs232接口和rj45网口与电磁定位系统、光学定位系统连接。

有益效果：

1、能精确定位手术器械的位置，准确将手术器械送入到手术部位，不对人体其他的部位造成损伤。

2、方便医生观察手术器械与手术部位的相对位置，使手术更快速。

3、减少病人进行x射线的拍摄次数，降低对病人的辐射和时间。

附图说明

图1为本发明的平台系统连接示意图；

图2为图1中穿刺针300的结构示意图；

图3为图2中a处的局部放大图；

图4为为图2的标定系统的结构示意图；

图5为图1中标定参考系统100的结构示意图；

图6为图5中光学标记112和电磁传感器111的安装结构示意图；

图7为图1中注册探针200的结构示意图；

图8为本发明的系统原理框图；

图9为图8中导航终端400的系统连接框图；

图10为图9中导航系统的原理框图；

图11为图10中信息处理单元的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例一、如图1、图8所示，光磁一体穿刺手术导航平台设置有：

标记参考系统100，用于在电磁空间坐标系、光学空间坐标系中标记参考点和多个标记点121；

注册探针200，用于分别在电磁空间坐标系、光学空间坐标系中定位标记点121；

穿刺针300，用于对目标部位进行穿刺，该穿刺针上设置有标定系统，该标定系统用于分别在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中标定所述穿刺针300的尖端；

导航终端400，建立电磁空间坐标系、光学空间坐标系以及虚拟空间坐标系；

用于通过注册探针200、标记参考系统100和标定系统分别定位标记点121、参考点、穿刺针尖端在电磁空间坐标系的电磁空间坐标，以及在光学空间坐标系中的光学空间坐标；

所述导航终端标记点121、参考点、穿刺针尖端的电磁空间坐标、光学空间坐标确定所述穿刺针尖端的虚拟空间坐标，并根据虚拟空间坐标在所述三维图像中显示穿刺针300。

具体而言，标记参考系统100安装在人体上靠近目标部位的位置处，标记参考系统100可以为手术导航标记一个相对于目标部位的固定参考点，以及多个标记点121。如此可以避免在人体上切开较大的手术切口，定位标记位置，以完成手术注册，减少对人体的伤害。另外标记点121在体表外，便于选取，而且标记点121在扫描图像中特征清晰，能准确定位标记点121的位置，提高手术导航精度。

导航终端400通过注册探针200，采用电磁定位和光学定位确定标记点121分别在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中的坐标，并根据包括解剖位置和标记点121的扫描图像，采用现有手术注册方法确定虚拟空间坐标系分别与电磁空间坐标系和光学空间坐标系的转换矩阵，所以只需要在人体上安装标记参考系统后，对人体进行一次图像扫描即可，减少了人体遭受辐射的量。

所述导航终端400通过标记参考系统100定位参考点分别在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中的坐标位置，并根据对应的转换矩阵，分别确定通过电磁定位的参考点在虚拟空间坐标系中的电磁虚拟空间坐标，以及确定通过光学定位的参考点在虚拟空间坐标系中的光学虚拟空间坐标。

所述导航终端400通过标记参考系统100和标定系统追踪参考点、穿刺针尖端的电磁空间坐标、光学空间坐标，并分别根据参考点、穿刺针尖端的电磁空间坐标、光学空间坐标，确定穿刺针尖端相对于参考点的电磁空间相对位置和光学空间相对位置。

所述导航终端400根据穿刺针尖端相对于参考点的电磁空间相对位置和光学空间相对位置，以及参考点相对应的电磁虚拟空间坐标、光学虚拟空间坐标确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标、光学虚拟空间坐标，所述导航终端400根据穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标、光学虚拟空间坐标确定虚拟空间坐标，并根据虚拟空间坐标在所述三维图像中直观地显示穿刺针300，以便医生直接观察穿刺针尖端的位置。

由于导航终端400融合了光学手术导航技术和电磁手术导航技术，结合两种导航方法的定位结果，提高了导航精度。并且当存在其他手术器械产生的电磁场干扰时，导航终端400可以通过光学定位能准确定位穿刺针300的位置，当导航终端400不能通过光学定位进行定位时，如标记系统、标记参考系统100被遮挡，导航终端400通过电磁定位能准确定位穿刺针300的位置。减少外界对手术导航造成的干扰，提高定位精度。

在本实施例中，优选的，如图2、图3、图4所示的穿刺针300结构示意图，所述穿刺针300设置有手柄301、定位针筒302和定位针芯303，所述手柄301上还开有安装孔，安装孔处设置有复位卡扣304，所述手柄301沿安装孔插装在定位针筒302的尾部，并通过复位卡扣304与定位针筒302卡接，所述定位针芯303套装在定位针筒302内，所述定位针筒302尾部设置有环形定位槽305，所述定位针芯303尾部设置有与环形定位槽相配合的定位部306，所述定位针芯303通过定位部306与定位针筒302固定。

具体而言，按动手柄301上的复位卡扣304，导通安装孔。将手柄301沿安装孔套装在定位针筒302的尾部，然后松开复位卡扣304，扣紧定位针筒302。将定位针芯303沿定位针筒302尾端的凹槽插入定位针筒302内，并旋转定位针芯303，使定位针芯303的定位部306卡入环形定位槽305内，实现定位针芯303与定位针筒302固定。

在将穿刺针300刺入目标部位后，可以将定位针筒302留在患者身体内，将定位针芯303抽出，留下定位针筒302为其他手术器械提供手术通道，方便医生进行其他操作，缩短手术时间。

在本实施例，优选的，如图2所示，所述标定系统设置有电磁传感器111和光学标记112，该光学标记112和电磁传感器111分别设置在所述定位针芯303的尖端和手柄301处，该电磁传感器111和光学标记112分别用于在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中标定所述穿刺针300的尖端。

具体而言，电磁传感器111能将穿刺针尖端所在位置的磁场强度转换为电信号，从而在电磁空间坐标系中标定穿刺针尖端，所述导航终端根据该电信号，能准确定位穿刺针尖端的位置。

光学标记112能在光学空间坐标系中标定穿刺针尖端，导航终端能根据采集到的光学标记的图像信息，准确定位穿刺针尖端的位置。

在本实施例中，优选的，如图5、图6所示，该标记参考系统100设置有参考架110、标记板120，所述标记板120上设置有至少3个标记点121，所述参考架110上设置有电磁传感器111和光学标记112，该电磁传感器111和光学标记112用于分别在电磁空间坐标系、光学空间坐标系中定位参考点。光学标记112设置有至少4个光学标记球1121。

应理解，参考架110、标记板120通过与现有的手术导航相同的安装机构安装在人体上，如捆绑带等，导航终端通过参考架110上的电磁传感器111和光学标记分别定位参考点在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中的坐标位置。

如图7所示的注册探针200的结构示意图，所述注册探针200设置有电磁传感器111和光学标记112，该电磁传感器111和光学标记112用于分别在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中定位标记点121。其中，电磁传感器111设置在注册探针200的尖端，光学标记设置在注册探针200的手柄位置处。

具体而言，所述导航终端通过注册探针200尖端的电磁传感器111采集注册探针200在点击标记点121时的电磁强度信号和光学标记112的定位图像，并根据电磁强度信号和定位图像，分别在在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中定位注册探针200尖端的位置，从而确定标记点121在在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中的坐标。

如图9所示，导航终端400设置有：

光学定位系统410，用于通过标记参考系统100、注册探针200、标定系统上的光学标记112，定位参考点、标记点121、穿刺针尖端在光学空间坐标系中的光学空间坐标；

电磁定位系统420，用于通过标记参考系统100、注册探针200、标定系统上的电磁传感器111，定位参考点、标记点121、穿刺针尖端在电磁空间坐标系中的电磁空间坐标；

导航系统430，用于获取包括标记点121和目标部位的扫描图像进行三维重建，并根据重建后的三维图像，以及参考点、标记点121、穿刺针尖端的光学空间坐标和电磁空间坐标，确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标，导航系统430根据电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标，所述导航系统430根据虚拟空间坐标在三维图像中显示穿刺针300。

应理解，光学定位系统410可以采用光学定位技术，确定参考点、标记点121、穿刺针尖端在光学空间坐标系中的光学空间坐标，如ndi公司的polaris光学定位跟踪系统。

具体而言，如图1、图9所示，所述光学定位系统410可以通过自身的定位摄像机411采集参考架110、注册探针200和穿刺针300上的光学标记112的定位图像，光学定位系统根据定位图像建立光学空间坐标系，并采用现有的图像定位技术实现参考点、标记点和穿刺针尖端的光学定位。

电磁定位系统420通过参考架110、注册探针200和穿刺针300上的电磁传感器111，确定参考点、标记点和穿刺针尖端处的磁场强度信号，并采用电磁定位技术确定参考点、标记点121、穿刺针尖端在电磁空间坐标系中的电磁空间坐标，如ndi公司的aurora定位跟踪系统。

具体而言，所述电磁定位系统420可以通过自身的电磁发生器421产生一个磁场强度分别已知的电磁场，从而建立电磁空间坐标系。电磁定位系统通过电磁传感器111能检测电磁传感器111所在位置的磁场强度，并根据磁场强度确定电磁传感器111在电磁空间坐标系中的位置，从而实现参考点、标记点和穿刺针尖端的电磁定位。

导航系统430可以根据获取的包括标记点121和目标部位的扫描图像、以及光学定位系统410和电磁定位系统420发送的参考点、标记点121、穿刺针尖端的光学空间坐标和电磁空间坐标。导航终端400根据扫描图像进行三维重建，并根据重建后的三维图像建立虚拟空间坐标系，所述导航系统根据标记点121在光学空间坐标系、电磁空间坐标系，以及虚拟空间坐标系中的坐标进行手术注册，确定转换矩阵。

导航系统430根据参考点的光学空间坐标和电磁空间坐标，确定参考点的电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标，并根据穿刺针尖端和参考点的光学空间坐标和电磁空间坐标确定所述相对位置关系，最后根据相对位置关系和参考点的电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标，确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标，所述导航系统430根据虚拟空间坐标在三维图像中显示穿刺针300。

在本实施例中，优选的，如图10所示，导航系统430设置有：

信息获取单元431，用于获取扫描图像，以及获取参考点、标记点121、穿刺针尖端的光学空间坐标和电磁空间坐标；

信息处理单元432，用于根据扫描图像进行三维重建，并根据重建后的三维图像，以及标记点121、参考点、穿刺针尖端的光学空间坐标，确定穿刺针尖端的光学虚拟空间坐标；还根据三维图像，以及标记点121、参考点、穿刺针尖端的电磁空间坐标，确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标；所述信息处理单元432结合光学虚拟空间坐标、电磁虚拟空间坐标确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标；

导航显示单元433，用于根据虚拟空间坐标在三维图像中显示穿刺针300。

应理解，信息获取单元431设置有多个通信接口，rs232接口、rj45网口、usb接口，所述信息获取单元431分别通过rs232接口和rj45网口与电磁定位系统420、光学定位系统410连接。通过rs232接口和rj45网口获取光学定位系统410、电磁定位系统420发送的定位信息，通过usb接口获取扫描图像，并将扫描图像和定位信息发送给信息处理单元432。

信息处理单元432可以是存储有现有的电磁手术导航软件和光学手术导航软件的处理主机，分别通过电磁手术导航软件和光学手术导航软件对扫描图像和定位信息进行处理，确定穿刺针尖端的光学虚拟空间坐标、电磁虚拟空间坐标，并结合光学虚拟空间坐标、电磁虚拟空间坐标确定虚拟空间坐标。

导航显示单元433根据虚拟空间坐标生成包括穿刺针300的三维图像信息，并将三维图像信息发送给显示器进行显示。

在本实施例中，优选的，如图11所示，信息处理单元432设置有：

三维重建模块4321，用于根据扫描图像进行三维重建，建立包括标记点121和目标部位的三维图像；

手术注册模块4322，用于根据三维图像，以及标记点121的光学空间坐标确定光学空间坐标系与计算机空间坐标系之间的光学转换矩阵；还用于根据三维图像，以及标记点121的电磁空间坐标确定电磁空间坐标系与计算机空间坐标系之间的电磁转换矩阵；

导航追踪模块4323，用于根据光学转换矩阵将参考点的光学空间坐标转换为光学虚拟参考坐标，并根据电磁转换矩阵将参考点的电磁空间坐标转换为电磁虚拟参考坐标；

还用于根据参考点和穿刺针尖端的光学空间坐标，以及光学虚拟参考坐标确定穿刺针尖端的光学虚拟空间坐标，并根据参考点和穿刺针尖端的电磁空间坐标，以及电磁虚拟参考坐标确定穿刺针尖端的电磁虚拟空间坐标，所述导航追踪模块4323根据电磁虚拟空间坐标和光学虚拟空间坐标确定虚拟空间坐标。

具体而言，三维重建模块4321可以根据扫描图像，通过信息处理单元的存储器中存储的现有的三维重建软件进行三维图像重建，得到包括标记点和目标部位的三维图像，并将得到的三维图像发送给导航追踪模块4323.

所述导航追踪模块4323将三维图像发送给手术注册模块4322。手术注册模块4322根据三维图像确定标记点的虚拟坐标，并根据信息获取单元431发送的标记点在电磁空间坐标系和光学空间坐标系中的坐标，采用现有的手术注册方法，确定所述电磁转换矩阵和光学转换矩阵，所述手术注册模块4322将电磁转换矩阵和光学转换矩阵发送给导航追踪模块432。

所述导航追踪模块4323根据电磁转换矩阵和光学转换矩阵、以及信息获取单元431发送的参考点的坐标和穿刺针尖端的坐标，确定穿刺针尖端的虚拟空间坐标，并将虚拟空间坐标发送给导航显示单元433进行显示。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。