專利名稱：基于磁導(dǎo)航融合實(shí)時(shí)超聲信息的大血管內(nèi)介入物植入系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于磁導(dǎo)航融合實(shí)時(shí)超聲信息的大血管內(nèi)介入物植入系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
介入治療是心血管病重要的治療方式之一，適應(yīng)癥已從單純?cè)\斷，血管成形，發(fā)展到目前人工瓣膜的植入等。由于其手術(shù)創(chuàng)傷小，并發(fā)癥少，越來越被人們接受。對(duì)于介入治療，植入物的精確定位是手術(shù)的關(guān)鍵，現(xiàn)有技術(shù)多借助于X線的幫助，然而長時(shí)間暴露于X 線對(duì)患者和操作者都帶來傷害，且二維圖象不能提供精確定位。鑒于上述問題，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)重建患者三維解剖結(jié)構(gòu)，借助超聲引導(dǎo)和磁導(dǎo)航的幫助，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下實(shí)施介入操作，確保植入物精確定位的同時(shí)，減少對(duì)于人員的損害。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn),“Translrminal placement of endovasavlar stent-grafts for the treatment of descending thoracic aortic aneurysms. N Engl Med, 1994 ；331 (26) :1729-1734"(降主動(dòng)脈腔內(nèi)支架隔絕術(shù)治療降主動(dòng)脈瘤，新英格蘭雜志，1994年331卷沈期17四-1734頁)中Dake等專家最早提出將支架型人工血管用于胸主動(dòng)脈瘤治療。其基本方法目前仍在沿用，即在X射線的環(huán)境下，通過造影劑幫助增強(qiáng)顯影， 通過專業(yè)傳輸裝置，經(jīng)皮將主動(dòng)脈支架型人工血管送入主動(dòng)脈內(nèi)膜破裂處，隔絕裂口，達(dá)到治療的效果。“An evidence-based approach to minimize contrast-induced nephropathy. N Z Med J, 2009 ；122 (1299) :39-41 ”(使用一種循證方法以減少造影劑腎病發(fā)生，新西蘭醫(yī)學(xué)雜志，2009年122卷1299期39-41頁)中Darwish提出，隨著血管介入治療的廣泛應(yīng)用，對(duì)比劑誘發(fā)的急性腎功能損傷總發(fā)病率達(dá)2% _6%，僅次于腎灌注不足和腎毒性藥物， 位居醫(yī)院內(nèi)發(fā)生的急性腎損傷的第三位。中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN904770A，
公開日2010_12_8，記載了一種“一種基于光學(xué)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)及方法”，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)生成光點(diǎn)陣顯示在光學(xué)式頭盔顯示器顯示屏上，照相機(jī)透過顯示屏拍攝標(biāo)定板和光點(diǎn)陣；計(jì)算機(jī)識(shí)別所攝數(shù)字圖像中的光點(diǎn)陣和彩色標(biāo)定點(diǎn)并獲取其二維坐標(biāo)；計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)三維空間到光學(xué)式頭盔顯示器成像面二維空間的映射，完成標(biāo)定；根據(jù)所需映射繪制相應(yīng)虛擬信息，顯示在光學(xué)式頭盔顯示器顯示屏上，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)場景的增強(qiáng)。此系統(tǒng)不足之處在于，光學(xué)導(dǎo)航容易受場地影響，遮擋物將導(dǎo)致導(dǎo)航無法順利完成，而且該技術(shù)不適合于介入手術(shù)。本系統(tǒng)使用的是磁導(dǎo)航技術(shù)，摒棄光學(xué)導(dǎo)航的上訴不足，同時(shí)具有設(shè)備輕便，方便攜帶，定位更加精確，可以指定一些疑難操作等優(yōu)勢。中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN201775683U，公告日2011-3-30，記載了一種“用于電磁定位手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的配準(zhǔn)組件”，該技術(shù)用于安裝定位傳感器，使得定位傳感器與用于CT掃描的標(biāo)記物有相對(duì)固定的位置，有助于獲取同一點(diǎn)分別在電磁定位系統(tǒng)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以幫助計(jì)算從電磁定位系統(tǒng)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。此技術(shù)介紹的是整個(gè)電磁導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個(gè)小部分，即配準(zhǔn)組件。應(yīng)用此配準(zhǔn)組件主要有以下不足1.組件需要在CT掃描前即放置在被掃描者身上，配準(zhǔn)組件成本較高，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)成本升高；2.由于傳感器末端有導(dǎo)線相連，要將傳感器依次放置在被掃描者身上，導(dǎo)致CT掃描前準(zhǔn)備工作時(shí)間延長；3.此技術(shù)中提到由于工藝的原因，配準(zhǔn)組件存在自身誤差，每次使用時(shí)均需要特別調(diào)整和測定，除了增大測量誤差，也導(dǎo)致工作時(shí)間進(jìn)一步增加。而本系統(tǒng)由于使用的是被掃描者身體上貼附普通心電圖電極作為標(biāo)記物，配合一根配準(zhǔn)針頭使用，即可完成整個(gè)配準(zhǔn)過程，術(shù)前CT掃描時(shí)間和普通CT掃描幾乎無時(shí)間差別，而且降低了系統(tǒng)成本，減小了配準(zhǔn)組件導(dǎo)致的配準(zhǔn)誤差。中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN019765，公告日2007_8_22，記載了一種“磁共振圖像引導(dǎo)下的手術(shù)系統(tǒng)及手術(shù)導(dǎo)航方法”，該技術(shù)包括磁共振成像設(shè)備，跟蹤系統(tǒng)，手術(shù)器械，設(shè)置在所述磁共振成像設(shè)備上的病床，控制和顯示設(shè)備，以及與各系統(tǒng)相連接的計(jì)算機(jī)及控制軟件部分；其特征在于還設(shè)置有標(biāo)定針和標(biāo)定模；在所述磁共振成像設(shè)備上、所述手術(shù)器械上和病床上分別設(shè)置有構(gòu)成世界坐標(biāo)系、手術(shù)器械坐標(biāo)系和病床坐標(biāo)系的示蹤器，所述各坐標(biāo)系的位姿可以被所述跟蹤系統(tǒng)測量；所述標(biāo)定針與標(biāo)定模型共同用于將所述病灶坐標(biāo)和手術(shù)器械坐標(biāo)變換到同一個(gè)坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。此發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)手術(shù)器械相對(duì)于磁共振圖像精確定位，及對(duì)介入手術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中精確導(dǎo)航的磁共振圖像引導(dǎo)下的介入手術(shù)系統(tǒng)及術(shù)中導(dǎo)航方法。此實(shí)驗(yàn)不足之處在于對(duì)設(shè)備要求過高，過于復(fù)雜不方便臨床開展。同時(shí)此實(shí)驗(yàn)適用范圍為提及對(duì)心血管系統(tǒng)介入手術(shù)的指導(dǎo)，心血管介入手術(shù)因其特殊性，在實(shí)施中難度更大。目前傳統(tǒng)介入手術(shù)主要存在兩點(diǎn)不足1.整個(gè)介入手術(shù)過程在X射線輻射下進(jìn)行，患者和術(shù)者身體可能會(huì)受到輻射損害，特別是對(duì)術(shù)者而言，常年處于此工作環(huán)境對(duì)身體造成的傷害更加難以估量。2.在介入手術(shù)過程中，使用大量造影劑，此造影劑可能導(dǎo)致急性腎功能損害，有文獻(xiàn)顯示對(duì)比劑誘發(fā)的急性腎功能損傷總發(fā)病率達(dá)2% _6%，僅次于腎灌注不足和腎毒性藥物，位居醫(yī)院內(nèi)發(fā)生的急性腎損傷的第三位，特別對(duì)于即為有腎功能不全者，要更加慎用造影劑。此前有一些導(dǎo)航儀器指導(dǎo)操作的實(shí)例，多數(shù)使用光學(xué)導(dǎo)航，光學(xué)導(dǎo)航容易受場地影響，遮擋物將導(dǎo)致導(dǎo)航無法順利完成，而且該技術(shù)不適合于介入手術(shù)。而參閱一些磁導(dǎo)航相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其不是缺乏術(shù)中實(shí)時(shí)影像輔助支持就是適合的操作過于簡單，不能完成較復(fù)雜的介入操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于磁導(dǎo)航融合實(shí)時(shí)超聲信息的大血管內(nèi)介入物植入系統(tǒng)，產(chǎn)生的磁場范圍為邊長50cm的立方體，可以同時(shí)接收8個(gè)電磁傳感器反饋的信息，綜合利用患者術(shù)前CT影像信息，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維解剖結(jié)構(gòu)重建， 利用術(shù)前配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)真實(shí)病人空間和病人圖像空間的匹配，并通過融入實(shí)時(shí)超聲圖像形成虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過電磁導(dǎo)航儀對(duì)手術(shù)器械的實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)心血管介入植入物和手術(shù)器械的精確三維定位和示蹤作用，最終將植入物釋放入目標(biāo)位置，順利完成手術(shù)可準(zhǔn)確導(dǎo)航將大血管介入物植入特定目標(biāo)位置。
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本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括術(shù)前影像導(dǎo)入模塊、術(shù)前影像三維重建模塊、術(shù)前配準(zhǔn)模塊、導(dǎo)航儀追蹤模塊、心臟超聲圖像融合模塊、介入器械加工模塊以及示蹤定位模塊，其中術(shù)前影像導(dǎo)入模塊與術(shù)前影像三維重建模塊相連接并傳輸符合 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)等格式的圖像信息；術(shù)前影像三維重建模塊與術(shù)前配準(zhǔn)模塊相連接并傳輸圖像中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)信息；術(shù)前配準(zhǔn)模塊與示蹤定位模塊相連接并傳輸配準(zhǔn)所得從世界坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；心臟超聲圖像融合模塊與示蹤定位模塊相連接并傳輸實(shí)時(shí)超聲圖像信息；介入器械加工模塊與導(dǎo)航儀追蹤模塊相連接并傳輸坐標(biāo)位置信息；導(dǎo)航儀追蹤模塊和術(shù)前配準(zhǔn)模塊、心臟超聲圖像融合模塊以及示蹤定位模塊相連接并傳輸坐標(biāo)位置信息。所述的術(shù)前影像三維重建模塊包括術(shù)前影像三維重建單元和術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元，其中術(shù)前影像三維重建單元接收術(shù)前影像導(dǎo)入模塊傳入的病人術(shù)前圖像信息后通過 GPU(圖像處理單元)加速體繪制方法重建出患者主動(dòng)脈區(qū)域以及病人體表和骨骼的三維影像，術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元與術(shù)前影像三維重建單元相連并在術(shù)前影像三維重建單元中繪制出的病人體表模型上獲取配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。所述的術(shù)前配準(zhǔn)模塊包括帶有5自由度電磁傳感器的針頭標(biāo)定單元和手術(shù)配準(zhǔn)單元，其中手術(shù)配準(zhǔn)單元與針頭標(biāo)定單元相連并接收針頭配準(zhǔn)信息，手術(shù)配準(zhǔn)單元同時(shí)接受術(shù)前影像三維重建模塊中術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元傳入的標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及導(dǎo)航儀追蹤模塊傳入的當(dāng)配準(zhǔn)針頭針尖在真實(shí)空間中位于標(biāo)記點(diǎn)上時(shí)傳入的位于配準(zhǔn)針頭上的傳感器在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。所述的導(dǎo)航儀追蹤模塊包括磁場發(fā)射接收單元、若干個(gè)傳感器線圈單元、傳感器接口單元和系統(tǒng)控制單元，其中傳感器線圈單元分別鑲嵌于介入器械加工模塊、術(shù)前配準(zhǔn)模塊中的針頭標(biāo)定單元以及心臟超聲圖像融合模塊中的超聲探頭上并與傳感器接口單元相連，系統(tǒng)控制單元分別與傳感器接口單元和磁場發(fā)射接收單元相連并當(dāng)傳感器線圈單元進(jìn)入磁場發(fā)生器單元發(fā)射的磁場范圍時(shí)，實(shí)時(shí)接收傳感器線圈單元輸出的對(duì)應(yīng)其本身在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置信息，完成示蹤和定位的需要。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括減少了患者和術(shù)者暴露于X射線下的時(shí)間，特別是大大減少了術(shù)者日常工作中暴露于X射線下的機(jī)會(huì)，減少對(duì)身體的損害；綜合利用各種醫(yī)學(xué)影像資料，建立心臟介入手術(shù)的三維增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境；運(yùn)用超聲引導(dǎo)和電磁波導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)性心臟介入手術(shù)器械和植入物的示蹤和定位；為心臟介入手術(shù)提供三維的工作環(huán)境和定位標(biāo)準(zhǔn)；通過常規(guī)影像學(xué)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的解剖分析，評(píng)價(jià)增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)心臟介入植入物的示蹤和定位作用；發(fā)明為介入治療心血管疾病，提供了新的開拓性的方法。


圖1為實(shí)施例引用示意圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)流程示意圖。圖3為實(shí)施例針頭標(biāo)定單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實(shí)施例心臟超聲圖像融合模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為實(shí)施例超聲圖像配準(zhǔn)單元示意圖。圖6為實(shí)施例介入器械加工模塊示意圖。
圖7為實(shí)施例導(dǎo)航儀追蹤模塊示意圖。圖8為實(shí)施例人體用于配準(zhǔn)的標(biāo)記點(diǎn)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖1所示，本系統(tǒng)手術(shù)室內(nèi)環(huán)境示意圖，包括超聲、生命檢測設(shè)備、磁場發(fā)射及導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備、電腦、工程師操作臺(tái)、手術(shù)器械臺(tái)等。如圖2所示，本實(shí)施例包括術(shù)前影像導(dǎo)入模塊1、術(shù)前影像三維重建模塊2、術(shù)前配準(zhǔn)模塊3、導(dǎo)航儀追蹤模塊4、心臟超聲圖像融合模塊5、介入器械加工模塊6以及示蹤定位模塊7，其中術(shù)前影像導(dǎo)入模塊1與術(shù)前影像三維重建模塊2相連接并傳輸符合 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)等格式的圖像信息；術(shù)前影像三維重建模塊2與術(shù)前配準(zhǔn)模塊3相連接并傳輸圖像中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)信息；術(shù)前配準(zhǔn)模塊3與示蹤定位模塊7相連接并傳輸配準(zhǔn)所得從世界坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣； 心臟超聲圖像融合模塊5與示蹤定位模塊7相連接并傳輸實(shí)時(shí)超聲圖像信息；介入器械加工模塊6與導(dǎo)航儀追蹤模塊4相連接并傳輸坐標(biāo)位置信息；導(dǎo)航儀追蹤模塊4和術(shù)前配準(zhǔn)模塊3、心臟超聲圖像融合模塊5以及示蹤定位模塊7相連接并傳輸坐標(biāo)位置信息。所述的術(shù)前影像導(dǎo)入模塊1導(dǎo)入并顯示術(shù)前采集的病人影像(CT)。所述的術(shù)前影像三維重建模塊2包括術(shù)前影像三維重建單元和術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元，其中術(shù)前影像三維重建單元接收術(shù)前影像導(dǎo)入模塊1傳入的病人術(shù)前圖像信息后通過GPU(圖像處理單元)加速體繪制方法重建出患者主動(dòng)脈區(qū)域以及病人體表和骨骼的三維影像，術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元與術(shù)前影像三維重建單元相連并在術(shù)前影像三維重建單元中繪制出的病人體表模型上獲取配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。所述的術(shù)前配準(zhǔn)模塊3包括帶有5個(gè)自由度電磁傳感器的針頭標(biāo)定單元8和手術(shù)配準(zhǔn)單元，其中手術(shù)配準(zhǔn)單元與針頭標(biāo)定單元8相連并接收針頭配準(zhǔn)信息，手術(shù)配準(zhǔn)單元同時(shí)接受術(shù)前影像三維重建模塊2中術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元傳入的標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及導(dǎo)航儀追蹤模塊4傳入的當(dāng)配準(zhǔn)針頭針尖在真實(shí)空間中位于標(biāo)記點(diǎn)上時(shí)傳入的位于配準(zhǔn)針頭上的傳感器在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。如圖3所示，所述的針頭標(biāo)定單元8包括錐形針頭9、電磁傳感器10和中空塑料管11，其中錐形針頭9套接于中空塑料管11內(nèi)部，電磁傳感器10設(shè)置于錐形針頭9中且軸線與錐形針頭9的軸線重合，電磁傳感器10將所得的錐形針頭9的三維坐標(biāo)偏移量輸出至手術(shù)配準(zhǔn)單元。如圖4所示，所述的心臟超聲圖像融合模塊5包括具有6個(gè)自由度傳感器線圈 12 (較普通電磁傳感器線圈敏感度更高)的超聲設(shè)備單元(超聲探頭)13和超聲圖像配準(zhǔn)單元14，其中超聲設(shè)備單元13中的超聲探頭上鑲嵌傳感器線圈12并與超聲圖像配準(zhǔn)單元14相連以接收坐標(biāo)軸校準(zhǔn)信息。如圖5所示，所述的超聲圖像配準(zhǔn)單元14包括有機(jī)玻璃標(biāo)定板15和針頭標(biāo)定單元8，其中有機(jī)玻璃標(biāo)定板15上鑲嵌有可在超聲波下顯像的聚氯乙烯材料制成的圓柱體點(diǎn)陣，針頭標(biāo)定單元8中的錐形針頭9在圓柱體中心標(biāo)定，傳輸實(shí)時(shí)坐標(biāo)系位置關(guān)系信息， 被導(dǎo)航儀追蹤模塊4追蹤到，達(dá)到超聲圖像融合的目的。如圖6所示，所述的介入器械加工模塊6為經(jīng)過改造的大血管支架植入設(shè)備，包括前端設(shè)有電磁傳感器10的豬尾巴導(dǎo)管16以及兩端設(shè)有電磁傳感器10的輸送鞘管單元 17，其中輸送鞘管單元17與豬尾巴導(dǎo)管16相連分別與電磁發(fā)射器相連，即其內(nèi)部鑲嵌的所述的電磁傳感器10的輸出端與電磁發(fā)射器相連并通過無線方式與導(dǎo)航儀追蹤模塊4相連并輸出坐標(biāo)位置信息。如圖7所示，所述的導(dǎo)航儀追蹤模塊4包括磁場發(fā)射接收單元18、傳感器接口單元19和系統(tǒng)控制單元20，其中若干個(gè)電磁傳感器10或6個(gè)自由度的電磁線圈12分別鑲嵌于介入器械加工模塊6、術(shù)前配準(zhǔn)模塊3中的針頭標(biāo)定單元8以及心臟超聲圖像融合模塊5中的超聲探頭上并與傳感器接口單元19相連，系統(tǒng)控制單元20分別與傳感器接口單元19和磁場發(fā)射接收單元18相連并當(dāng)傳感器線圈10或12進(jìn)入磁場發(fā)生器單元發(fā)射的磁場范圍時(shí)，實(shí)時(shí)接收傳感器線圈10或12輸出的對(duì)應(yīng)其本身在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置信息，完成示蹤和定位的需要。所述的示蹤定位模塊7包括顯示單元和介入手術(shù)單元，其中顯示單元分別與導(dǎo)航儀追蹤模塊4、術(shù)前配準(zhǔn)模塊3和心臟超聲圖像融合模塊5相連并顯示配準(zhǔn)后的實(shí)際空間坐標(biāo)系與術(shù)前三維重建圖像中的位置，介入手術(shù)單元與顯示單元相連并接收影像數(shù)據(jù)，使用經(jīng)過加工的介入器械，當(dāng)進(jìn)入磁場范圍內(nèi)時(shí)，即進(jìn)入示蹤和定位實(shí)現(xiàn)模板，通過術(shù)前影像資料得到當(dāng)前介入物位置情況并融入的實(shí)時(shí)超聲信息以提高手術(shù)精確性。所述的磁場發(fā)射接收單元18產(chǎn)生的磁場范圍為50cm 50cm，可以同時(shí)接收8個(gè)電磁傳感器13反饋的信息，但本發(fā)明不僅局限于這個(gè)規(guī)格的磁導(dǎo)航設(shè)備，其他相似原理的磁導(dǎo)航設(shè)備同樣適用。手術(shù)前首先在透過表皮在患者胸骨肋骨上找5-8個(gè)骨性標(biāo)記點(diǎn)，垂直在表面皮膚上使用小金屬標(biāo)記物做標(biāo)記(如圖8)，使用電子X線斷層掃描儀(CT)對(duì)患者進(jìn)行斷層掃描，層寬設(shè)定為0. 625mm(l. 25mm也可以達(dá)到要求)，掃描范圍為患者胸部上起主動(dòng)脈弓以上水平(要求可看到主動(dòng)脈弓上三大分支)，下至股動(dòng)脈(充分觀察夾層情況)，得到 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)格式圖像文件。將文件傳輸入電腦內(nèi)自主開發(fā)的磁導(dǎo)航軟件中，三維重建出模型圖像?；颊咂教捎谑中g(shù)室內(nèi)磁導(dǎo)航儀前手術(shù)臺(tái)上，要求患者體位與術(shù)前CT掃描時(shí)保持一致(并且整個(gè)手術(shù)過程不要移動(dòng)身體)，調(diào)整電磁場發(fā)生器，使患者上身暴露于磁場范圍內(nèi)。所述的術(shù)前配準(zhǔn)模塊，包括針頭標(biāo)定單元10和手術(shù)配準(zhǔn)單元。使用針頭標(biāo)定單元10對(duì)患者進(jìn)行配準(zhǔn)。標(biāo)定針頭10由中空塑料管11和前端金屬中空錐形針頭9組成，5 個(gè)自由度的電磁傳感器10在錐形針頭9中，標(biāo)記物的幾何中心位于所述圓柱形腔道的軸線上，電磁傳感器10在軸線上。具體方法為先將標(biāo)定針頭單元8在磁場范圍內(nèi)進(jìn)行配準(zhǔn)。然后在三維圖像中選取體表上預(yù)先貼附的幾個(gè)金屬物點(diǎn)位置，分別選取并命名。把標(biāo)定針頭的針尖分別放置在患者體表上對(duì)應(yīng)的位置，使之與三維圖像一一對(duì)應(yīng)，軟件中點(diǎn)擊確定，完成患者配準(zhǔn)過程。所述的心臟超聲圖像融合模塊5，包括超聲探頭配準(zhǔn)單元、超聲圖像配準(zhǔn)融合單元。將一枚6D型敏感線圈固定在食道超聲探頭的頭端，本實(shí)例食道超聲探頭選用的是美國 GE公司經(jīng)胸超聲探頭(食道超聲探頭也可)。由于超聲探頭為不規(guī)則近立方體，為方便配準(zhǔn)，這里自制一個(gè)立方體小盒以套在探頭上，在立方體上選擇4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行超聲探頭配準(zhǔn)(原理同上面給以上配準(zhǔn))。將藍(lán)色有機(jī)玻璃板放入水中，有機(jī)玻璃配準(zhǔn)板上專業(yè)精密鑲嵌入可在超聲波下顯像的圓柱體材料。用超聲探頭在玻璃板平面掃描，找到圖像中最清晰顯示原件的面，通過標(biāo)定針頭對(duì)原件進(jìn)行標(biāo)定，從而達(dá)到超聲圖像與人體配準(zhǔn)的目的。這樣做的目的是當(dāng)術(shù)中超聲通過改變方向?qū)ρ苓M(jìn)行掃描時(shí)，其超聲圖像與患者三維圖像即完成了融合，從而指導(dǎo)術(shù)者更精確判斷支架實(shí)際位置，彌補(bǔ)單用磁導(dǎo)航進(jìn)行支架植入可能造成的偏差，使手術(shù)精確度進(jìn)一步增加。此時(shí)配準(zhǔn)工作已經(jīng)完成。以下操作步驟，操作者借助電腦屏幕上患者三維重建和食道超聲實(shí)時(shí)融合圖像完成操作。所述的示蹤和定位實(shí)現(xiàn)模塊和磁導(dǎo)航下介入手術(shù)模塊，具體操作腹股溝附近消毒鋪巾，手術(shù)切口區(qū)域局部麻醉，股動(dòng)脈搏動(dòng)最強(qiáng)處做一個(gè)2cm小切口，分離組織暴露股動(dòng)脈，先穿刺股動(dòng)脈，放入導(dǎo)引鋼絲，然后沿導(dǎo)引鋼絲穿入經(jīng)過改造的豬尾巴導(dǎo)管16，豬尾巴導(dǎo)管20前端綁定5D電磁傳感器10，所有電磁傳感器10尾端均有絕緣導(dǎo)線連接電磁發(fā)射器上，導(dǎo)線在豬尾巴導(dǎo)管16外塑料薄膜覆蓋下。此時(shí)由于在磁場范圍內(nèi)，磁導(dǎo)航設(shè)備追蹤到豬尾巴導(dǎo)管16上預(yù)先鑲嵌好的傳感器，并將其實(shí)時(shí)讀入軟件顯示在電腦屏幕上。導(dǎo)管向降主動(dòng)脈主動(dòng)脈夾層開口處接近，并穿過之，到達(dá)遠(yuǎn)端，確定導(dǎo)引鋼絲在大血管內(nèi)，位置無誤后，保持導(dǎo)絲位置在血管內(nèi)不變，退出外面的豬尾巴導(dǎo)管16。將輸送鞘管單元17經(jīng)導(dǎo)引鋼絲尾部穿入，在傳輸鞘管頭端，靠近支架前端位置鑲嵌一枚5D電磁傳感器10 ；在傳輸裝置內(nèi)部推送裝置頭端，靠近支架尾端位置鑲嵌一枚5D 電磁傳感器10。此時(shí)傳輸鞘管同樣在屏幕上顯示出來。我們所要關(guān)心的是鞘管上支架頂端位置(即屏幕上傳輸鞘管頂端顯示出來的點(diǎn))，因?yàn)樗笇?dǎo)我們釋放支架的位置。頂端點(diǎn)到達(dá)將主動(dòng)脈夾層開口位置后，再先前傳輸l-2cm左右，停止傳輸鞘管向前推送。保持內(nèi)芯即推送器位置不變，緩緩釋放小部分支架。此時(shí)調(diào)整食道超聲探頭，直到較清楚觀察到支架圖像。判斷支架位置是否恰當(dāng)，如支架位置不當(dāng)，可以通過微調(diào)推送器調(diào)整。調(diào)整結(jié)束，接著將支架繼續(xù)緩慢釋放，待完全釋放后，超聲觀察動(dòng)脈夾層封堵情況，同時(shí)觀察其他重要分支有無被誤遮擋。然后小心退出傳輸鞘管。傷口封閉，止血。所述的術(shù)前影像學(xué)驗(yàn)證，是將患者送入CT室，再次進(jìn)行掃描，觀察患者支架釋放位置是否準(zhǔn)確，并做記錄。本裝置支架距目標(biāo)釋放點(diǎn)的距離，精度可控制在5mm之內(nèi)，這個(gè)數(shù)值同傳統(tǒng)導(dǎo)管室內(nèi)X射線下的手術(shù)的精確度相當(dāng)，是可以接受的范圍。本系統(tǒng)通過對(duì)超聲探頭進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)將超聲掃描的圖像融合入三維重建的圖像中，完成了實(shí)時(shí)影像和虛擬術(shù)前虛擬三維圖像融合，這是本發(fā)明的一個(gè)突出之處。而使用在傳統(tǒng)介入器械支架儲(chǔ)存槽的前部和后部埋入傳感器的方法，使磁導(dǎo)航引導(dǎo)下完成大血管支架植入這種要求精度和復(fù)雜度都較高的手術(shù)，這是本發(fā)明的另一個(gè)突出之處。其所能獲得的有益效果包括1.避免了術(shù)中X射線的使用，減少了對(duì)患者和術(shù)者身體的損害。2.術(shù)中不使用造影劑，避免造影劑造成急性腎功能損害的可能性，即本系統(tǒng)降低了行介入手術(shù)患者腎功能情況的要求。3.結(jié)合術(shù)前三維重建的圖像，明確血管解剖特點(diǎn)，對(duì)難度較大的介入手術(shù)提供指導(dǎo)，使得可以完成更復(fù)雜的介入手術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于磁導(dǎo)航融合實(shí)時(shí)超聲信息的大血管內(nèi)介入物植入系統(tǒng)，其特征在于，包括 術(shù)前影像導(dǎo)入模塊、術(shù)前影像三維重建模塊、術(shù)前配準(zhǔn)模塊、導(dǎo)航儀追蹤模塊、心臟超聲圖像融合模塊、介入器械加工模塊以及示蹤定位模塊，其中術(shù)前影像導(dǎo)入模塊與術(shù)前影像三維重建模塊相連接并傳輸圖像信息，術(shù)前影像三維重建模塊與術(shù)前配準(zhǔn)模塊相連接并傳輸圖像中配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)信息，術(shù)前配準(zhǔn)模塊與示蹤定位模塊相連接并傳輸配準(zhǔn)所得從世界坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，心臟超聲圖像融合模塊與示蹤定位模塊相連接并傳輸實(shí)時(shí)超聲圖像信息，介入器械加工模塊與導(dǎo)航儀追蹤模塊相連接并傳輸坐標(biāo)位置信息，導(dǎo)航儀追蹤模塊和術(shù)前配準(zhǔn)模塊、心臟超聲圖像融合模塊以及示蹤定位模塊相連接并傳輸坐標(biāo)位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的術(shù)前影像三維重建模塊包括術(shù)前影像三維重建單元和術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元，其中術(shù)前影像三維重建單元接收術(shù)前影像導(dǎo)入模塊傳入的病人術(shù)前圖像信息后通過圖像處理單元加速體繪制方法重建出患者主動(dòng)脈區(qū)域以及病人體表和骨骼的三維影像，術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元與術(shù)前影像三維重建單元相連并在術(shù)前影像三維重建單元中繪制出的病人體表模型上獲取配準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的術(shù)前配準(zhǔn)模塊包括帶有5自由度電磁傳感器的針頭標(biāo)定單元和手術(shù)配準(zhǔn)單元，其中手術(shù)配準(zhǔn)單元與針頭標(biāo)定單元相連并接收針頭配準(zhǔn)信息，手術(shù)配準(zhǔn)單元同時(shí)接受術(shù)前影像三維重建模塊中術(shù)前特征點(diǎn)標(biāo)記單元傳入的標(biāo)記點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及導(dǎo)航儀追蹤模塊傳入的當(dāng)配準(zhǔn)針頭針尖在真實(shí)空間中位于標(biāo)記點(diǎn)上時(shí)傳入的位于配準(zhǔn)針頭上的傳感器在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的針頭標(biāo)定單元包括錐形針頭、電磁傳感器和中空塑料管，其中錐形針頭套接于中空塑料管內(nèi)部，電磁傳感器設(shè)置于錐形針頭中且軸線與錐形針頭的軸線重合，電磁傳感器將所得的錐形針頭的三維坐標(biāo)偏移量輸出至手術(shù)配準(zhǔn)單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的心臟超聲圖像融合模塊包括具有六個(gè)自由度傳感器線圈的超聲設(shè)備單元和超聲圖像配準(zhǔn)單元，其中超聲設(shè)備單元中的超聲探頭上鑲嵌傳感器線圈并與超聲圖像配準(zhǔn)單元相連以接收坐標(biāo)軸校準(zhǔn)信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的超聲圖像配準(zhǔn)單元包括有機(jī)玻璃標(biāo)定板和配準(zhǔn)針頭，其中有機(jī)玻璃標(biāo)定板上鑲嵌有可在超聲波下顯像的聚氯乙烯材料制成的圓柱體點(diǎn)陣，配準(zhǔn)針頭在圓柱體中心標(biāo)定，傳輸實(shí)時(shí)坐標(biāo)系位置關(guān)系信息，被導(dǎo)航儀追蹤模塊追蹤到，達(dá)到超聲圖像融合的目的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的介入器械加工模塊為經(jīng)過改造的大血管支架植入設(shè)備，包括前端設(shè)有電磁傳感器的豬尾巴導(dǎo)管以及兩端設(shè)有電磁傳感器的輸送鞘管單元，其中輸送鞘管單元與豬尾巴導(dǎo)管相連，所述的電磁傳感器的輸出端與電磁發(fā)射器相連并通過無線方式與導(dǎo)航儀追蹤模塊相連并輸出坐標(biāo)位置信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的導(dǎo)航儀追蹤模塊包括磁場發(fā)射接收單元、若干個(gè)傳感器線圈單元、傳感器接口單元和系統(tǒng)控制單元，其中傳感器線圈單元分別鑲嵌于介入器械加工模塊、術(shù)前配準(zhǔn)模塊中的針頭標(biāo)定單元以及心臟超聲圖像融合模塊中的超聲探頭上并與傳感器接口單元相連，系統(tǒng)控制單元分別與傳感器接口單元和磁場發(fā)生器單元相連并當(dāng)傳感器線圈單元進(jìn)入磁場發(fā)生器單元發(fā)射的磁場范圍時(shí)，實(shí)時(shí)接收傳感器線圈單元輸出的對(duì)應(yīng)其本身在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置信息，完成示蹤和定位的需要。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的示蹤定位模塊包括顯示單元和介入手術(shù)單元，其中顯示單元分別與導(dǎo)航儀追蹤模塊、術(shù)前配準(zhǔn)模塊和心臟超聲圖像融合模塊相連并顯示配準(zhǔn)后的實(shí)際空間坐標(biāo)系與術(shù)前三維重建圖像中的位置，介入手術(shù)單元與顯示單元相連并接收影像數(shù)據(jù)，使用經(jīng)過加工的介入器械，當(dāng)進(jìn)入磁場范圍內(nèi)時(shí)，即進(jìn)入示蹤和定位實(shí)現(xiàn)模板，通過術(shù)前影像資料得到當(dāng)前介入物位置情況并融入的實(shí)時(shí)超聲信息以提高手術(shù)精確性。
全文摘要
一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的基于磁導(dǎo)航融合實(shí)時(shí)超聲信息的大血管內(nèi)介入物植入系統(tǒng)，包括術(shù)前影像導(dǎo)入模塊、術(shù)前影像三維重建模塊、術(shù)前配準(zhǔn)模塊、導(dǎo)航儀追蹤模塊、心臟超聲圖像融合模塊、介入器械加工模塊以及示蹤定位模塊，本發(fā)明產(chǎn)生的磁場范圍為邊長50cm的立方體，可同時(shí)接收8個(gè)電磁傳感器反饋的信息，綜合利用患者術(shù)前CT影像信息，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維解剖結(jié)構(gòu)重建，利用術(shù)前配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)真實(shí)病人空間和病人圖像空間的匹配，并通過融入實(shí)時(shí)超聲圖像形成虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過電磁導(dǎo)航儀對(duì)手術(shù)器械的實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)心血管介入植入物和手術(shù)器械的精確三維定位和示蹤作用，可準(zhǔn)確導(dǎo)航將大血管介入物植入特定目標(biāo)位置。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102319117SQ20111016281
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者王肅, 羅哲, 蔡俊鋒, 趙強(qiáng), 顧力栩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院