[发明专利]一种基于增强现实的触觉可视化穿刺手术导航系统

说明书

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于增强现实技术的触觉可视化手术穿刺导航系统。本发明中，六自由度力学传感器与穿刺针相连，获得穿刺针穿刺软组织时的穿刺力学数据，多维测力数据分析仪对穿刺力学数据进行分析和处理后，通过无线驱动实时传送给电脑客户端的Unity3D游戏引擎中进行数据可视化显示，与多次同种穿刺实验数据仿真后获得的软组织力‑时间数学模型进行可视化显示比较，医生能够更加直观的观察两者的差异，当两个穿刺力的差值大于设定阈值时，则可判断穿刺到血管或坏死组织，参考视觉可视化导航及时更改穿刺路径或停止穿刺进行取样，提高穿刺精度和降低穿刺失误率。

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种基于增强现实的触觉可视化穿刺手术导航系统。

背景技术

恶性肿瘤严重危害人类健康及生命，近年来发病率和死亡率逐渐递增，正确的诊断需要结合临床、影像学及病理学检查三者相结合，才能更加准确地进行诊断。其中，病理学检查对治疗方案的选择起着关键作用。穿刺活检手术是获取肿瘤组织病理诊断的主要方法。穿刺活检手术的主要方法有：传统穿刺、超声引导穿刺、MRI引导穿刺和CT引导穿刺等。视觉和触觉是医生手术中不可缺少的重要参考依据，尤其是3D视觉和触觉可视化。1976年，Haaga首次采用CT引导下经皮肺穿刺活检，使得穿刺精度和活检准确度得到了保证。Grimson第一次描述了一个基于增强现实(AR)导航技术的图像导向神经外科系统，进一步提高了手术的准确度，降低了手术的风险。但是这些穿刺方法中都不含有触觉可视化的部分，不能够实时地呈现出穿刺时触觉的变化情况。本发明中将触觉和视觉相结合应用于穿刺手术系统中进行穿刺导航，很大程度上提高了手术的精度和降低手术风险。

发明内容

本发明的目的在于改善图像引导手术(Image-guide Surgery)方法上的不足，运用增强现实技术，实现被穿刺软组织触觉特性的实时可视化，目的是提供一种机器人视-触可视化穿刺手术导航系统，实现术中实时判断穿刺进程，提高穿刺精度以及活检成功率。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于增强现实的触觉可视化穿刺手术导航系统，所述系统组成包括：图像引导手术穿刺手术器械、直线滚珠丝杆导轨滑台，六自由度力学传感器，多维力学数据分析仪，增强现实显示系统、空间匹配标定设备及计算机；

所述的图像引导手术穿刺手术器械为穿刺针；

所述的多维力学数据分析仪与六自由度力学传感器和计算机均有连接；

所述的六自由度力学传感器，用于获取穿刺手术过程中的力学数据；

所述的多维力学数据分析仪用于对穿刺力学数据进行分析和处理；

所述的计算机用于将接收处理后的穿刺力学数据进行可视化，并创建虚拟的穿刺场景；

所述的增强现实显示系统及匹配标定设备用于将虚拟穿刺场景和真实穿刺环境相融合，并在术中实时呈现给操作者，医生对3D GUI的穿刺力学数据进行分析比较，判断是否继续穿刺或停止穿刺。

一种基于增强现实的触觉可视化穿刺手术导航系统工作流程，主要包括术前和术中两个过程：

术前采集软组织的多层穿刺力学数据，进行拟合，获得人体各层组织的力学特性(穿刺力的时间-力函数模型)；将穿刺针和人体穿刺组织进行配准；

术中获得实时传送力学数据，通过算法(神经网络/深度学习/其他算法等)进行匹配后，在3DGUI上实时可视化出穿刺力学数据，参考基于增强现实的视觉导航，实现实时穿刺导航。

优选地，图像引导手术穿刺手术器械为穿刺针，用于对软组织进行穿刺。

优选地，直线滚珠丝杆导轨用于控制穿刺活检针的纵向运动。

优选地，六自由度力学传感器用于获取穿刺针上的穿刺力学数据。