[发明专利]一种3D虚拟超声引导穿刺导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种3D虚拟超声引导穿刺导航系统及方法。

背景技术

目前临床上，普通B超显示的是二维剖面图，二维图在手术中具有诸多局限，尤其是在穿刺过程中，仅凭二维图像会丢失穿刺针头的位置信息，穿刺针针尖只有位于超声图像平面上才是可见的。这意味着，在大多数情况下，医生在超声平面上看不到穿刺针的针尖，将其准确移动到靶区位置难度很大。

现在已经有一些研究改进的手术导航系统，如论文《Spinal Needle Navigation by Tracked Ultrasound Snapshots》提到的TUSS(Queen’s University,Canada)，但都是使用电脑屏幕来显示导航信息，如手术路径、手术器械的三维模型以及各种模态信息的超声二维图像、CT/MRI三维图像，但是手术时医生不得不在病人和屏幕之间来回切换视野，很不方便，并且影响手术的连续性。

发明内容

本发明要克服手术时医生在病人和屏幕之间来回切换视野的技术问题，实现医生在手术过程中的实时精确导航并增强手术操作过程中的立体感。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种3D虚拟超声引导穿刺导航系统和方法，用于对手术进行实时的准确的导航。系统实现的硬件设备包括：三维视觉显示设备、超声成像设备、超声探头、图像采集设备、图像工作站、穿刺针、空间定位设备及对应的位置跟踪器等硬件设备。通过空间定位设备，实现三维视觉显示设备，穿刺针，超声探头的实时位置信息的获取。在硬件平台的基础上，基于3D slicer和PLUS等开源软件，设计并编写了数据读取、设备标定、虚拟现实及辅助穿刺的超声导航功能模块软件，其中虚拟现实的软件功能模块，实现了实时绘制双目视角图像的功能。虚拟现实显示部分利用LCD屏幕作为显示设备，通过三维视觉显示设备自带的无线网络(Wireless Fidelity,WIFI)或者有线方式，将图像工作站渲染好的三维场景图像实时传输到LCD屏幕上。

本发明的有益效果是：本发明实时绘制佩戴者双目视角图像，方便佩戴者通过改变头部位置，调整视角，完成视野缩放，以达到方便手术的目的，系统对呼吸运动带来的精度问题进行了处理，提高了精度，而且提供了新的超声探头标定方法，可实现自动超声探头标定。

附图说明

图1是本发明一种3D虚拟超声引导穿刺导航系统的硬件平台示意图。

图2是本发明一种3D虚拟超声引导穿刺导航系统操作方法流程图。

图3是超声探头标示意图。

图4是虚拟显示技术示意图。

图5超声图像中肝脏肿瘤的实时位置示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

图1是本发明的硬件设备连接图。超声探头101连接超声成像设备102，再通过图像采集卡103连接到图像工作站107，采集超声图像。超声探头101、穿刺针104和头戴式虚拟现实设备105均已加装光学定位设备的反光球，它们的位置信息通过位置跟踪设备106传输到图像工作站107，图像工作站107会对搜集的位置信息和实时超声图像信息进行处理，实现图像配准，融合，对手术过程进行实时三维显示和导航，导航过程图像通过wifi传输到头戴式虚拟现实显示设备105，医生可以灵活移动，不受图像工作站107屏幕的限制。

图2是手术导航系统的配套软件模块工作流程图。按手术流程，主操作顺序为设备连接201→穿刺针标定202→超声探头标定203→手术路径规划204→穿刺视角调整206→虚拟现实显示导航207，辅助操作模块有手术路径绘制模块205和超声探头精度分析208。

根据3D虚拟超声引导穿刺导航系统进行穿刺导航的方法，按照如下步骤进行(以肝脏为例)：

a.设备连接完成后，使用设计好的标定模型，分别对超声探头和穿刺针进行标定，获取标定矩阵，此时图形工作站会在三维场景的相应位置绘制出虚拟超声图像和穿刺针的三维模型，并以适当的视角显示在屏幕上。

b.使用超声探头扫描肝脏，在软件三维视图里标记肿瘤中心的位置。

c.导航软件绘制穿刺路径，三维导航显示图像中会显示穿刺针针尖到靶点之间的距离，观察图形工作站的屏幕，并辅以软件视角调整功能，将三维场景中的穿刺针沿穿刺路径移动到标记点的位置，穿刺完成。