[发明专利]手术穿刺路径智能自动化规划方法及系统和医疗系统

说明书

本发明提供能够快速确定手术穿刺路径及入针点位置、可供脑立体定位仪或医疗机械臂实现自动穿刺手术操作的基于机器学习的手术穿刺路径智能自动化规划方法及系统和医疗系统。本发明的规划方法包括：步骤(1)，获取现有病例的样本图像数据，制作训练数据及测试数据；步骤(2)，设计三维分割深度神经网络模型，并对其进行训练；步骤(3)，利用训练完成的三维分割深度神经网络模型对患者的样本图像数据进行分割、识别；步骤(4)，基于分割识别结果和样本图像数据，构建三维模型；步骤(5)，基于靶点位置及医学先验信息，确定安全进针约束区域；和步骤(6)，在安全进针约束区域内，利用三维空间轨迹规划算法，完成手术穿刺路径规划。

技术领域

本发明属于人工智能与医疗自动化技术领域，涉及基于机器学习的手术穿刺路径智能自动化规划方法及手术穿刺路径智能自动化规划系统、和包括该手术穿刺路径智能自动化规划系统的医疗系统，本发明能够用于医疗手术穿刺机器人或无创式手术3D自动定位导航平台。

背景技术

在外科穿刺手术(穿刺活检、定向血肿抽吸、定向植入等)中，医生进行穿刺路径规划时需要在手术导航软件上反复查看计算机断层扫描(CT)图像或核磁共振成像(MRI)图像，通过在患者头部或腹胸腔部等的横断面、矢状面、冠状面视图中不断调整穿刺针轨迹来完成手术规划。在这个过程中，医生需要花费大量时间来确保靶点准确和调整合适的穿刺路径以避开重要组织，这不仅要求医生临床经验丰富，熟练手术导航软件，而且增加了手术时间和医生工作量，长时间的人工操作还容易造成医生的视觉与体力疲劳，不利于手术的顺利进行，同时造成了潜在的医疗安全隐患。

随着机器学习在各个领域的应用发展，将机器学习运用于医疗领域具有很大的发展潜力，过往有研究通过机器学习的方法对组织图像进行分割、识别，判断病变部位和种类来辅助医生完成医疗诊断等，但借助机器学习的方法获取脑部或腹胸腔部图像以及靶区组织(病灶、血肿、特定组织等)的相应特征，从而自动规划穿刺路径、用于穿刺手术的研究未有报道。

《中国微侵袭神经外科杂志》2017年2月20日第22卷第2期p.49-50报道了一种“功能神经外科精准时代的助推器——ROSA手术机器人”，采用一种无标记点的激光自动注册和配准方式来实现术中激光定向与定位功能，同时带有强大的影像处理功能，可将病人多种影像资料(如CTA、MRA等)进行高质量融合，形成三维图像，进而根据靶点核团或血肿形态、颅内血管走行等设计个性化手术路径；医生提前设定好手术靶点和手术路径后，机械臂可自行定位和穿刺。该机器人系统可适用于神经内镜手术并可术中实时导航，极大地增加神经外科手术精准度和安全性，且操作简易，应用范围广，减少围手术期并发症。但该机器人系统庞大复杂，造价昂贵，一套机器人系统需要耗资上千万，并且应用范围不够广泛，由于需要脑深部电刺激(DBS)植入，故只能用于神经外科领域，无法推广至胸、腹部外科手术等其他应用场合。

CN107669342A(申请号：CN201711068286.7)公开了“一种具有精确定位效果的手术机器人”，主要用于心脏外科和前列腺切除术，通过红外感应器和深度感应器的配合使用，可以检测到人体的红外线从而通过控制器控制驱动器的运转，通过控制器控制驱动器能够带动手术刀进行手术工作，具有精确定位效果，能大大提高对患者的手术效果。然而机器人缺乏一套完善可靠的术前手术计划系统，智能化程度不够高。