[发明专利]人体器官运动监测方法和人体导航系统

说明书

技术领域

本发明总体地涉及手术导航系统和方法，更具体地涉及医学过程中实时监测人体器官的运动的人体器官运动监测方法、人体导航系统、计算机可读介质。

背景技术

介入手术是现代外科手术的发展方法，介入手术与传统外科手术的区别是不需要开刀，只需要一个很小的创口即可将特制的手术器械例如导管、冷冻针、射频消融振、导丝等刺入到人体内的病灶部位或者手术靶点位置上，然后通过各种物理/化学作用达到治疗的目的，从而解决过去需要开放式手术才能解决的肿瘤切除、组织活检、人工器材放置等问题。

在介入手术过程中，医生无法直接观察到病人体内的治疗部位或者病灶，需要借助于医学影像引导下的计算机辅助手术导航技术。计算机辅助手术导航技术是集计算机科学、人工智能、自动控制、影像处理、三维图形学、虚拟现实和临床治疗等多方面技术为一体的交叉研究课题。手术导航技术使用多种模态的医学影像协助医生将手术器械直接穿刺到病灶进行局部治疗，进而提高手术质量、减少手术创伤、降低患者痛苦。

手术导航应用患者的医学影像及由其重构生成的三维模型来实时引导临床手术的实施。患者的医学影像数据集例如通过CT(computerized tomography，计算机断层摄影)或MRI(Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)扫描手段来获得。手术导航系统把患者术前医学影像数据和术中手术部位通过定位设备联系起来，并能够在软件界面里准确地显示患者的解剖结构及病灶附近三维空间位置的细节。当手术器械指向患者身体内部的任意部位时，它的坐标信息都会被导航系统实时获取，并显示在患者的三维模型上。这样即使不用给患者开刀，医生也能够实时了解手术器械和肿瘤病灶之间的相对位置关系。

相对于传统手术手段而言，手术导航具有下述优点：

1.可通过三维可视化技术实时重构病灶，并显示手术视野周围的结构特征；

2.可通过术前手术方案设计选择最合适的手术路径；

3.可显示手术路径上可能遇到的组织结构；

4.可显示重要的应回避的组织结构，比如血管、神经和骨骼等；

5.可显示病灶的需要治疗的范围；

6.可实时精确计算出手术器械的位置姿态并加以显示；

7.可显示手术器械与病灶的空间位置关系，并指示手术器械前进的方向；

8.可术中实时调整手术入路，从而更加精确地达到病灶部位。

为了描述方便，下文以CT图像作为医学影像的例子，不过显然医学影像也可以例如MRI影像的其它影像。

实时手术导航涉及采用定位设备或者跟踪系统，例如，采用电磁(EM,electromagnetic)跟踪器，来跟踪手术工具例如穿刺针的末端，从而将手术工具的位置与手术前医学影像例如CT图像相关，并将融合图像显示给临床医生。为了实现CT空间和跟踪器空间之间的数据整合，通常在导航之前执行基于参考标记的配准过程。从CT图像中识别这些参考标记(外部参考标记或者内部解剖参考标记)，并由经校准的跟踪探头触碰这些参考标记，从而得到这些参考标记在跟踪器空间，下文称之为定位坐标系中的坐标。之后，执行基于点的配准，以找到CT空间和跟踪器空间之间的坐标变换矩阵。由坐标变换矩阵得到配准矩阵，该配准矩阵使得手术工具与手术前CT图像对准，从而能够基于手术工具在定位系统中的位置信息，实现手术工具的图像与CT图像在CT坐标系中的准确融合，并可视地显示给临床医生。

发明内容

目前手术导航技术已经广泛地应用于神经外科手术导航和骨科手术导航中。然而这些手术都假设人体是一个完全静止的刚体，并且这种静止状态会从CT扫描初期保持到整个手术过程的结束。虽然这种假设在大多数神经外科手术和骨科手术里可以近似假定成立，但是它在胸腹腔介入手术领域却难以获得成立。由例如呼吸而导致的胸腹腔组织运动(包括肿瘤组织和正常组织)往往可以达到2-4厘米的范围，而临床手术的精度要求往往是在毫米级别的，这样的误差会导致目前主流的手术导航系统难以安全稳定地应用于胸腹腔介入手术的临床实践中。

鉴于上述情况，做出了本发明。