[发明专利]一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法，属于脑立体定位技术领域。

背景技术

颅脑内部疾病，如帕金森病、癫痫、肿瘤或血肿等通常要经过外科定向手术才能清除或根治。首要的问题是确定病灶的具体位置，以实现微创电极或穿刺针等手术工具的精确定位，此过程需要颅内脑组织坐标系与医疗设备坐标系的精确耦合。颅内脑组织坐标系是通过电子计算机X线体层扫描技术(CT)或磁共振技术(MRI)等医学影像扫描技术的断层图像重建病人颅内空间并构建坐标系以联系颅内脑组织的位置关系，此过程可同时确定病灶或颅骨表面标记点的具体方位，并取得其颅内坐标值。医疗设备坐标系是指医疗机器人或其它医疗设备操作时所使用的坐标系。

目前颅内外坐标系的耦合方法主要分为有框式和无框式两种。其中有框式方法需要将脑立体定位框架固定在病人的头部。首先通过四根角柱将基环固定在病人的颅骨上，如图2所示；然后将脑立体定位框架安装在基环上，该基环为病灶提供统一的基准，如图3所示；将病人头部连同基环和脑立体定位框架一起进行医学影像扫描，如图4所示。由于颅内组织和框架在图像上可见，因此颅内各点的坐标可以被限定在框架的坐标系中，目标靶点可以通过脑立体定位框架所确定笛卡尔坐标系的三个坐标值唯一确定；最后将医疗设备安装在脑立体定位框架上进行手术治疗。

基于无框架的立体定位方法是发展趋势，无框架式方法通过贴在病人脑部或人体自身颅骨表面的标记点建立医学图像空间和手术设备空间的对应关系，分为有机械臂式和无机械臂式两种定位方法。有机械臂式定位方法是指医生通过操纵医疗机器人的机械臂，接触病人头部的标记来确定标记的位置，然后推算出标记中心在手术设备空间下的坐标，通过颅骨表面所贴的标记点建立颅内外坐标系的耦合关系，如图5所示；无机械臂式定位方法是指利用超声、红外、磁场或可见光等方法定位标记中心在手术设备空间下的坐标，然后建立颅内外坐标系的耦合关系，如图6所示。

有框架和无框架立体定位方法都存在一定的问题，有框架方法的缺点：四根角柱通过螺钉将基环紧固在病人头部会给头部带来创伤，若病人之前头部受伤则可能无法安装；安装在基环上的框架使患者在整个成像和手术过程中存在压迫感和疼痛；因疼痛患者的不自主移动可能引起框架不明显的位移，导致手术操作精度的严重损失；因年龄、性别及种族等因素，不同病人的脑部尺寸差异较大，框架存在一定的兼容性问题；框架会影响MRI线圈的安装；框架会引起MRI扫描仪磁场的失真，在成像中产生潜在伪影，导致靶点精度的损失；框架会对手术部位特别是多病变部位产生一定的遮挡；手术过程外流的血液或脑脊液等可能通过脑立体定位框架引起病人之间的感染。

无框架立体定位方法相对方便，但也存在一些问题：此方法需要特定的能在医学影像扫描技术下显示的标记物，增加了定位成本，并且在标记物缺乏的条件下不适用；标记物移动会引起定位精度误差甚至定位失败；难以满足急诊条件下的脑血管意外受损紧急微创手术的快速精确定位的要求；基于人体自身颅骨表面标记点的方式进行定位，如鼻尖、耳垂、眼角等特征位置，也存在一些问题，当选择的特征标记点较多时，这些特征点之间没有任何直接联系，医生在三维图像数据中手动定位这些特征点比较麻烦，且容易出错；超声、红外、磁场或可见光等标记识别方法定位精度相对较低，且需要复杂的程序，存在一定的程序风险，可靠性差。

以上几种方法虽然都能实现颅内脑组织坐标系与医疗设备坐标系的耦合，但都存在较多问题，因此对神经外科脑立体定位术中颅内外坐标系的便捷精确耦合提出了现实且迫切的需求，急需寻求一种便捷高效的耦合方法。

发明内容

术语解释:

AC-PC线：联合间线，为前联合后缘中点至后联合前缘中点的连线，又称AC-PC线，脑立体定位断层解剖研究多以此为基线。

MRI：磁共振成像，是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术，是一项新的医学影像诊断技术。

基于颅骨表面标记点与颅内脑组织结构具有一定立体对应关系的原理，本发明提出一种神经外科脑立体定位术中基于力传感器的颅内外坐标系的耦合方法。

本发明的技术方案如下：

本发明使用的手术设备可以自动实现X、Y、Z轴的高精度移动和底座角度的微细调节，X、Y、Z轴的直线性为10μm/100mm，重复定位精度为5μm，Z轴的分辨率可达2μm；底座的角度可通过手动调节角度调整装置简单实现，手术前将微细探针安装在高精度力传感器上，力传感器安装在手术设备的Z轴上。