[发明专利]一种CT图像引导下的手术导航系统及导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种手术导航系统及导航方法，特别是关于一种CT图像引导下的手术导航系统及导航方法。

背景技术

介入治疗是指在不开刀暴露病灶的情况下，经由血管、皮肤上的微小创伤口，在影像设备(血管造影机、透视机、CT、MR、B超)的引导下，将特制的导管、导丝等精密手术器械引入人体，采用冷冻、微波、药物注射等方法对病灶局部进行治疗。相对于内科治疗，大大提高了药物的吸收效率，减少药物用量和副作用。相对于外科治疗，病人创伤小恢复快，只需要局部麻醉，对正常器官的影响小。

但是传统的非血管介入手术，医生仅使用能够在CT下清晰成像的金属导丝结合图像确定皮肤穿刺点，凭借经验调整手术针行进路径抵达目标点，最后用影像设备扫描手术区域，确认手术器械的位置是否准确以及穿刺过程中是否引起无关组织创伤。这种方法使得手术器械与病灶目标点之间存在误差，影响手术质量；若操作者经验不足，或因病灶位置的特殊性反复调整手术器械的位置，增加患者负担，亦可能引起并发症。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够确保导航精度，进而能够引导手术精确操作的CT图像引导下的手术导航系统及导航方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种CT图像引导下的手术导航系统，其特征在于，该手术导航系统包括跟踪系统、标定示踪器、手术器械、手术器械示踪器、CT设备和导航计算机，所述CT设备连接所述导航计算机；所述标定示踪器固定设置在相对CT病床不发生移动的地方或患者体表，用于测量病床坐标系的位姿；所述手术器械示踪器固定设置在手术器械上，用于测量手术器械坐标系的位姿；所述跟踪系统用于测量所述病床坐标系和手术器械坐标系相对于跟踪坐标系的位姿；所述标定示踪器上设置有导航标识和一组特征点集II，所述导航标识包括一组不对称分布且不共直线并能够被所述CT设备成像的特征点集I，特征点集II能够被跟踪系统1识别，所述导航计算机通过坐标系之间的相互变换关系，将病床坐标系和手术器械坐标系变换到某一坐标系中。

进一步地，所述跟踪系统采用光学跟踪系统或电磁跟踪系统，所述跟踪系统通过自身的位置传感器对所述标定示踪器和手术器械示踪器进行探测，获得所述病床坐标系和手术器械坐标系各自的原点在所述跟踪系统坐标系中的位置，以及所述病床坐标系和手术器械坐标系的三个坐标轴相对所述跟踪系统坐标系的旋转角度。

进一步地，所述标定示踪器与CT设备的电动床板连接在一起，或经消毒后贴于病灶附近的皮肤上，所述标定示踪器采用工程塑料制作而成的L型立方体，所述L型立方体的竖直面和水平面相互垂直，所述竖直面外表面设置有可被所述跟踪系统测量的特征点集II，所述水平面设置有可被所述CT设备测量的由金属导丝组成的三角形或是不在同一直线上的三个圆球，所述特征点集I是上述三角形的三个顶点或三个球的球心。

进一步地，采用所述标定示踪器对各坐标系进行标定的具体过程为：所述标定示踪器伴随患者扫描时，所述导航标识被CT序列层切，在单幅图像上表现为采样点，并得到采样点在图像坐标系中的坐标；将多个采样点分组拟合成三条直线，然后将三条直线拟合成一个三角形，求取三角形三个顶点的坐标，即为特征点集I在CT图像坐标系中的坐标，由于CT图像坐标与CT设备坐标具有一一对应的关系，得到特征点集I在CT设备坐标系里的坐标，所述跟踪系统测量特征点集II的位置，得到病床坐标系的位姿，由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系。

进一步地，采用所述标定示踪器对各坐标系进行标定的具体过程为：

(a)利用所述CT设备扫描导航标识各点在CT设备坐标系里的坐标由拟合出特征点集I各点在CT设备坐标系里的坐标

(b)利用所述跟踪系统测量特征点集II各点在所述跟踪系统坐标系里的坐标，由于特征点集I到特征点集II的关系已知，得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标进而得到CT设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿

(c)选取所代表的特征点之一为标识坐标系原点O_marker，连接各点生成L个列向量，从中选取线性无关的两个向量其中,作为标识坐标系x轴的方向向量，作为标识坐标系Y轴的方向向量，最后确定Z轴的方向向量根据右手螺旋定则生成一个空间直角坐标系，将三坐标轴归一化，得到旋转矩阵

(d)平移向量为标识坐标系原点在跟踪系统中的坐标：

得到变换关系

(e)由于特征点集I和特征点集II的关系已知，得到CT设备坐标系到病床坐标系的变换关系