[发明专利]基于机器人超声扫描的手术导航系统及方法

说明书

本发明公开一种基于机器人超声扫描的手术导航系统及方法，所述系统用于控制所述机械臂带动所述超声探头沿一个或多个预设轨迹在患者表面扫描，以及根据患者姿态和所述超声探头的相对位置，将所述二维超声图像在预建设的基于患者患处的三维模型内实时匹配，以实现三维导航，所述三维模型包括体表信息、血管、骨骼中的一种或多种；三维导航画面在显示站中实现。本发明通过应用超声扫描技术，将3D/2D数字图像技术和机器人技术相结合，以提高介入科医生在操作仪器时的感知能力。利用本公开的系统后，传统介入手术中令人头疼的放射性辐射可被完全消除，同时，介入科医生在介入手术过程中对器械的感知力将借助3D导航系统得到显著提高。

技术领域

本发明涉及超声扫描技术领域，尤其涉及一种基于机器人超声扫描的手术导航系统及方法。

背景技术

外周血管介入(PVI)手术是一种将细而灵活的管状血管介入器械插入人体血管内，向目标位置移动并治疗疾病的手术。自从X射线图像和数字图像技术共同使用以来，外周血管介入(PVI)手术在提高外科医生的器械操纵感知方面取得了重大进展。现阶段，外周血管介入(PVI)治疗依赖于数字减影图像(DSA)系统作为导航系统，在使用该设备时，外科医生可通过DSA设备中的图像(二维X射线图像)观察人体血管与导丝等柔性器械之间的接触与交互。然而，该设备的使用存在以下几个先天缺点：

DSA设备所输出的图像信息是二维平面的，医生无法利用该设备观察人体内3D结构间的接触；

DSA设备输出的图像对比问题，从原理上限制了对血管壁和介入器械和血管的实时检测——由于对比剂(造影剂)的存在，拥有不同对比系数的介入器械与血管壁不能同时被DSA设备捕捉采集到；

DSA设备所使用的X光放射线对介入科医生和病人皆有危害。特别是长期身处介入手术室中的介入科医生，更有可能出现有关X射线的严重副作用。同时，X射线暴露时间与医生的熟练程度及手术复杂程度高度相关。

DSA设备在应用过程中需要在血液中注射对比剂(造影剂)，而该类造影剂对病人的肾脏有损害。特别对于老年人或肾脏已有问题的患者来说，在DSA下进行手术是非常危险的，严重情况下将导致手术不能进行。

DSA设备应用成本过高：首先，DSA设备本体价格不菲，特别是成像效果好，射线量低的高端DSA设备，其价格往往超出了基层医院的接受范围；同时，为了使用DSA设备，基层医院往往需要针对性修建带屏蔽的DSA手术室，而该手术室也只能应用于介入手术，这是对本就紧张的医院空间的一种浪费。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种基于机器人超声扫描的手术导航系统及方法，以解决传统介入手术中存在放射性辐射问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本发明的一方面，公开一种基于机器人超声扫描的手术导航系统，所述系统包括：

扫描设备，其具有一个或多个分别连接于一个或多个单轴或多轴机械臂末端的同时具有多个自由度运动的超声探头，以及具有一个或多个用于采集患者姿态和所述超声探头的相对位置的三维视觉传感器，一个或多个所述超声探头被配置成对患者的患处及患处内的手术器械进行连续超声扫描而形成多个二维超声图像；控制站，用于控制所述机械臂带动所述超声探头沿一个或多个预设轨迹在患者表面扫描，以及根据患者姿态和所述超声探头的相对位置，将所述二维超声图像在预建设的基于患者患处的三维模型内实时匹配，以实现三维导航，所述三维模型包括体表信息、血管、骨骼中的一种或多种；显示站，用于实时显示三维导航画面。

进一步的，所述超声探头在超声扫描时，所述机械臂的工作模式具有以下情况之一：基于所述控制站控制的自动模式；被手动拖拽的引导模式。