一種基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化方法
【專利摘要】本發(fā)明屬醫(yī)療器械領(lǐng)域，涉及一種基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化的方法。本發(fā)明方法中采用的導(dǎo)航系統(tǒng)主要由平板電腦、導(dǎo)航儀及附屬紅外定位儀、參考架和適配器等組成；平板電腦與導(dǎo)航儀之間通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信，將導(dǎo)航信息傳輸并顯示在平板電腦上。本發(fā)明主要實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航模式為，在平板電腦上實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)航探針針尖所對應(yīng)的橫斷面、矢狀面和冠狀面的圖像信息；和實(shí)時(shí)顯示平板電腦延伸面與病人頭顱相交所獲得的截面圖像。本發(fā)明可顯示標(biāo)準(zhǔn)的斷面圖像，還可通過平板電腦的方位顯示任意截面圖像，能輔助醫(yī)生定位腫瘤及病變，為手術(shù)操作帶來便利和幫助。
【專利說明】一種基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本 發(fā)明屬醫(yī)療器械領(lǐng)域，涉及一種基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)公開了有關(guān)神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)可以輔助醫(yī)生計(jì)劃手術(shù)入路、確定病灶位置和邊界，以及避免對周圍正常組織器官的損失。所述神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)已成為在神經(jīng)外科領(lǐng)域一種不可或缺的手術(shù)設(shè)備；其工作原理是術(shù)前以病人自身的CT、MRI等影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立圖像引導(dǎo)空間，并將它與真實(shí)患者所在空間進(jìn)行配準(zhǔn)；術(shù)中使用空間定位儀實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械的位置，并將其轉(zhuǎn)換到圖像空間中，生成虛擬手術(shù)器械疊加顯示在患者的圖像上，從而通過圖像空間中虛擬手術(shù)器械相對于圖像的位置，用于定位真實(shí)手術(shù)器械相對于顯示患者解剖結(jié)構(gòu)的位置輔助醫(yī)生定位手術(shù)靶點(diǎn)和引導(dǎo)手術(shù)操作。
[0003]傳統(tǒng)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將虛擬手術(shù)器械疊加到患者的圖像空間，醫(yī)生通過觀察導(dǎo)航屏幕進(jìn)行手術(shù)操作；該種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使醫(yī)生從感官效果上沉浸于由計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中，常缺乏“眼見為實(shí)”的感覺，同時(shí)，手術(shù)過程中，醫(yī)生為了觀察手術(shù)器械相對于患者的位置，不得不在患者手術(shù)部位和導(dǎo)航屏幕之間來回切換視野，由于導(dǎo)航屏幕與手術(shù)臺(tái)存有一定的距離，該種導(dǎo)航模式不利于醫(yī)生集中于手術(shù)部位進(jìn)行操作，同時(shí)給手術(shù)定位帶來了誤差。
[0004]此外，傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的另一個(gè)不足之處在于，其只能顯示導(dǎo)航探針針尖所對應(yīng)的橫斷面、矢狀面和冠狀面的患者圖像，不能獲得患者體數(shù)據(jù)場的任意截面圖像，當(dāng)患者側(cè)躺無法獲得正體位時(shí)，會(huì)給醫(yī)生的判斷帶來一定的影響。
[0005]臨床實(shí)踐中，需要一種不但可以解決視野來回切換問題，還可以減小定位誤差、減少手術(shù)時(shí)間、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，且不會(huì)給醫(yī)生帶來不便的新的神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明擬提供一種采用移動(dòng)無線通信技術(shù)，能將導(dǎo)航屏幕移植到位于醫(yī)生身旁的平板電腦上，并利用空間定位儀跟蹤平板電腦，獲得平板電腦所在平面的截面圖像，同時(shí)顯示在其屏幕上的體數(shù)據(jù)可視化方法。
[0006]目前與本發(fā)明相關(guān)的基于移動(dòng)顯示的醫(yī)療導(dǎo)航設(shè)備有:德國BrainLab公司研制的DASH導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過CE和FDA認(rèn)證，已用于初步的臨床試驗(yàn)；但上述設(shè)備價(jià)格昂貴且操作復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化方法，尤其涉及基于平板電腦的頭顱部位任意截面可視化的手術(shù)導(dǎo)航用的方法。
[0008]本發(fā)明中，所用的導(dǎo)航系統(tǒng)主要由平板電腦，導(dǎo)航儀及附屬紅外定位儀、參考架和適配器等組成；所述的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)主要由平板電腦和excelim-04或更高版本的導(dǎo)航儀組成，所述的平板電腦裝有用于紅外跟蹤的參考架，屏幕分辨率不低于800X600，支持多點(diǎn)觸控及手寫輸入，支持W1-Fi無線連接方式，不低于8小時(shí)的電力續(xù)航時(shí)間，所述的導(dǎo)航儀包括主機(jī)、顯示器、紅外定位儀及其他相關(guān)周邊設(shè)備；平板電腦與導(dǎo)航儀之間通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信，將導(dǎo)航信息傳輸并顯示在平板電腦上。
[0009]本發(fā)明所述的方法主要實(shí)現(xiàn)兩種導(dǎo)航模式:一種是在平板電腦上實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)航探針針尖所對應(yīng)的橫斷面、矢狀面和冠狀面的圖像信息；另一種是實(shí)時(shí)顯示平板電腦延伸面與患者頭顱相交所獲得的截面圖像。
[0010]本發(fā)明方法通過:圖像掃描、手術(shù)計(jì)劃、空間配準(zhǔn)和術(shù)中導(dǎo)航(如圖1所示)個(gè)步驟完成。
[0011]本發(fā)明方法中，采用的導(dǎo)航系統(tǒng)包括兩種術(shù)中導(dǎo)航模式:
[0012](I)平板電腦顯示傳統(tǒng)的導(dǎo)航信息
[0013]在該模式下，平板電腦用于實(shí)時(shí)接收和顯示傳統(tǒng)導(dǎo)航信息，平板電腦顯示的圖像信息和遠(yuǎn)端的顯示屏幕一樣，并隨著導(dǎo)航屏幕上信息的更新而實(shí)時(shí)刷新顯示(如圖2所示)；
[0014](2)平板電腦顯不任意截面彳目息
[0015]由于手術(shù)時(shí)患者一般側(cè)躺，不易獲取病人的正體位圖像，因此，在平板電腦上安裝可用于紅外跟蹤的適配器，將其置于病人頭顱附近，通過空間定位儀跟蹤平板電腦所在平面的位置信息，利用該位置信息生成患者頭顱截面圖像，傳輸并顯示在平板電腦上；當(dāng)改變平板電腦的位置，則可獲取所述患者頭顱的任一截面圖像，從而便于醫(yī)生獲取腦部腫瘤的位置及深度信息(如圖3和圖4所示)。
[0016]具體而言，本發(fā)明的基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化方法，其特征在于，根據(jù)平板電腦的位置信息，獲取患者頭顱的任意截面圖像并顯示在平板電腦屏幕上，輔助手術(shù)操作；其包括:
[0017](I)將平板電腦的屏幕按其邊界進(jìn)行延伸；
[0018](2)將延伸面的方位信息變換到圖像空間；
[0019](3)根據(jù)該延伸面在圖像空間的位置通過重采樣獲得相應(yīng)的截面圖像；
[0020](4)將截面圖像傳輸并顯示在平板電腦屏幕上。
[0021]更具體的，本發(fā)明的基于平板電腦的任意截面可視化的手術(shù)導(dǎo)航用的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0022](I)在平板電腦上安裝可用于紅外跟蹤的適配器，利用光學(xué)定位儀跟蹤適配器上三個(gè)反光球，根據(jù)所述的三個(gè)反光球的位置坐標(biāo)建立一個(gè)三維適配器坐標(biāo)系，并自動(dòng)獲得光學(xué)定位儀所在的世界坐標(biāo)系和適配器坐標(biāo)系之間的變換Taw(如圖4所示)，具體表示為4X4的齊次矩陣M1 ；
[0023](2)利用導(dǎo)航探針和空間定位儀獲得探針針尖在平板電腦屏幕上4個(gè)角點(diǎn)(圖3中的點(diǎn)A，B, C，D)的坐標(biāo)，即為四個(gè)角點(diǎn)在適配器坐標(biāo)系中的坐標(biāo):A(Xl，y1； Zl),B(x2, y2,z2), C(x3, y3, z3), D(x4, y4, z4),然后計(jì)算出平板電腦的水平寬度I,以平板電腦右邊界為軸(如圖3長虛線所示)，將A，B，C，D 4個(gè)角點(diǎn)按平移I個(gè)單位，得到4個(gè)相應(yīng)的角點(diǎn)A’，B’，C’，D’，并按以下公式計(jì)算出4個(gè)新的角點(diǎn)在適配器坐標(biāo)系下的坐標(biāo):
[0024]A'=A+l X e,B'=B+l X e,C=C+l X e ,D5=D+/ X e,(I)
[0025]其中S為XS方向上的單位向量，計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于平板電腦的手術(shù)導(dǎo)航用的體數(shù)據(jù)可視化方法，其特征在于，根據(jù)平板電腦的位置信息，獲取患者頭顱的任意截面圖像并顯示在平板電腦屏幕上，其包括步驟: (1)將平板電腦的屏幕按其邊界進(jìn)行延伸； (2)將延伸面的方位信息變換到圖像空間； (3)根據(jù)該延伸面在圖像空間的位置通過重采樣獲得相應(yīng)的截面圖像； (4)將截面圖像傳輸并顯示在平板電腦屏幕上。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中: 在平板電腦上安裝用于紅外跟蹤的適配器，利用光學(xué)定位儀跟蹤適配器上三個(gè)反光球，建立一個(gè)三維適配器坐標(biāo)系，并獲得光學(xué)定位儀所在的世界坐標(biāo)系和適配器坐標(biāo)系之間的變換Taw，具體表示為4X4的齊次矩陣M1 ； 利用導(dǎo)航探針和空間定位儀獲得探針針尖在平板電腦屏幕上4個(gè)角點(diǎn)A、B、C、D的坐標(biāo)，即為四個(gè)角點(diǎn)在適配器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)-Mxl, Y1, Z1)，B(x2, y2, z2), C(x3, y3, z3), D(x4,y4，z4)，然后計(jì)算平板電腦的水平寬度1，以平板電腦右邊界為軸，將A，B, C，D 4個(gè)角點(diǎn)按SS平移I個(gè)單位，得屏幕延伸面及4個(gè)相應(yīng)的角點(diǎn)A’，B’，C’，D’，按以下公式計(jì)算所述延伸面四個(gè)角點(diǎn)在適配器空間中的坐標(biāo):
3.按按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中: 在患者身旁固定一個(gè)參考架，利用光學(xué)定位儀跟蹤參考架上四個(gè)反光球，根據(jù)上述四個(gè)反光球的位置坐標(biāo)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，定為患者坐標(biāo)系，并利用空間定位儀，獲得定位儀坐標(biāo)系和患者坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換Tpw，具體表示為4 X 4的齊次矩陣M2，適配器坐標(biāo)系到患者坐標(biāo)系之間的變換表示為MfM2 ； 圖像掃描前，在患者頭部確定用于掃描的標(biāo)記點(diǎn)，掃描后對獲得的患者數(shù)據(jù)建立三維圖像坐標(biāo)系，并采用空間配準(zhǔn)方法，獲得患者坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的變換關(guān)系Tpi，具體表示為4X4的齊次矩陣M3，最終獲得適配器坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的變換M = MfM2^My
4.按按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中: 將獲得的A’，B’，C’，D’ 4個(gè)新角點(diǎn)在適配器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)按變換關(guān)系M變換到圖像坐標(biāo)系，并以該四個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)建立一個(gè)矩形框，根據(jù)矩形框在圖像空間的位置，在框內(nèi)重采樣得到一個(gè)二維圖像，即為相應(yīng)的截面圖像。
5.按按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)中: 通過無線通訊技術(shù)將獲得的截面圖像傳輸并顯示在平板電腦的屏幕上。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的移動(dòng)平板電腦其延伸面的位置信息隨之變化，平板電腦屏幕上顯示的截面圖像隨著平板電腦方位的改變實(shí)時(shí)更新。
【文檔編號】A61B19/00GK103908345SQ201210595043
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月31日
【發(fā)明者】宋志堅(jiān), 鄧薇薇, 李舫, 王滿寧, 姚德民 申請人:復(fù)旦大學(xué)