專利名稱：計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療設(shè)備，特別是涉及一種借助于計(jì)算機(jī)及其控制操作軟件來輔助醫(yī)生對(duì)人體軟組織進(jìn)行針刀治療的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
使用針刀進(jìn)入人體皮膚，以治療軟組織損傷，相對(duì)于其他療法具有治愈率高、創(chuàng)傷 小的明顯優(yōu)勢(shì)。然而由于針刀治療采用的閉合性手術(shù)入路，難度相對(duì)來說比較大，它是建立 在對(duì)治療部位的精確定位的基礎(chǔ)上的，這種定位不僅平面要定位，而且要立體定位。但目前 醫(yī)生的進(jìn)針過程局限于平面定位，在“盲視”下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)體會(huì)針刀進(jìn)入體內(nèi)的位移等各種 變化，針具及周圍組織情況均不可見，具有危險(xiǎn)性因素，阻礙針刀療法的普及?；诖?，在對(duì) 人體組織實(shí)施針刀治療時(shí)，對(duì)針刀的位置作準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的定位顯得更加重要?，F(xiàn)有技術(shù)中，例如授權(quán)公告號(hào)為CN1203435C的中國(guó)專利申請(qǐng)，其所涉及的是一個(gè) 計(jì)算機(jī)輔助髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定系統(tǒng)，是應(yīng)用于骨科手術(shù)中髓內(nèi)釘?shù)墓潭ǖ?。然而作為本領(lǐng)域 公知的，由于軟組織和骨部組織的不同，軟組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其相對(duì)于骨部組織實(shí)現(xiàn)準(zhǔn) 確定位變得更加困難?，F(xiàn)有技術(shù)中還存在有基于CT、MRI成像的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助定 位，然而由于CT、MRI設(shè)備的昂貴，使得這種手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)難以在基層推廣。與前述的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)針刀的操作過程可視化的方式具有成本低、 利于推廣等優(yōu)點(diǎn)。且本發(fā)明可以解決正確實(shí)施針刀治療軟組織損傷進(jìn)針入路等技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集為圖像數(shù)據(jù)源，利用組織分割與模型融合技術(shù)，基于 視頻相機(jī)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)，記錄各個(gè)目標(biāo)的空間姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)在三維環(huán)境下實(shí)時(shí) 跟蹤針刀的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。本發(fā)明提供了一種對(duì)人體肌肉組織進(jìn)行針刀治療的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，包 括一針刀，用于切入手術(shù)對(duì)象的肌肉組織，以實(shí)施針刀治療，所述針刀具有一用于跟蹤的 標(biāo)記；X光成像裝置，用于獲取所述手術(shù)對(duì)象的待治療部位的X光圖像；視頻照相跟蹤裝置， 其用于在進(jìn)行針刀切入待治療部位的皮膚表面后，根據(jù)所述針刀的標(biāo)記，實(shí)時(shí)跟蹤針刀的 位置信息和運(yùn)動(dòng)情況；萬向支架，用于承載所述視頻照相跟蹤裝置；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)圖 像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)包括中國(guó)數(shù)字人圖像數(shù)據(jù)集；計(jì)算單元，其包括三維重構(gòu)模塊，三維 模型個(gè)體化模塊，配準(zhǔn)模塊；其中，所述三維重構(gòu)模塊，對(duì)所述中國(guó)數(shù)字人圖像數(shù)據(jù)集中的 斷層圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到標(biāo)準(zhǔn)三維模型；所述三維模型個(gè)體化模塊，基于手術(shù)對(duì)象的待 治療部位的X光圖像數(shù)據(jù)與數(shù)字人標(biāo)準(zhǔn)三維模型中的相應(yīng)部位，生成手術(shù)對(duì)象的個(gè)體化三 維模型；所述配準(zhǔn)模塊，根據(jù)所述視頻照相跟蹤裝置跟蹤的所述位置信息和所述運(yùn)動(dòng)狀況， 以及根據(jù)所述個(gè)體化三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)，以確立所述針刀在個(gè)體化三維模型中的位置；顯 示裝置，用于實(shí)時(shí)顯示經(jīng)配準(zhǔn)后的所述針刀的位置，以反映所述針刀在所述人體肌肉組織中的運(yùn)動(dòng)情況。其中，所述的視頻照相跟蹤裝置，是Micron Tracker2視頻跟蹤設(shè)備，該設(shè)備在連接之后可以實(shí)時(shí)跟蹤黑白相間的標(biāo)記。為了配合視頻照相跟蹤裝置，將所述用于切入人體組織的針刀的尾部設(shè)置黑白相 間的標(biāo)記，以利于跟蹤定位。所述視頻照相跟蹤裝置，被置于萬向支架上，是定位儀的主體，在使用時(shí)其定位、 轉(zhuǎn)向、移動(dòng)更加方便。其中，計(jì)算單元還包括圖像預(yù)處理模塊采用形態(tài)學(xué)方法從中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集圖像上分割出肩部不同組 織的輪廓特征；位置跟蹤模塊采用雙目視頻跟蹤相機(jī)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)的位置信息；人機(jī)交互模塊利用組織的三維模型和獲得的軌跡信息，得出針刀治療過程的相 關(guān)參數(shù)及基于模型的針具三維空間定位，開發(fā)人機(jī)界面友好的操作接口。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中的系統(tǒng)在進(jìn)行針刀治療時(shí)的示意圖。圖3是本發(fā)明中系統(tǒng)的工作流程圖。圖4是本發(fā)明主要部件單元構(gòu)成圖。圖5是計(jì)算單元的模塊構(gòu)成圖。圖6是數(shù)字人數(shù)據(jù)集中肩部的原始斷層圖像。圖7是手術(shù)三維導(dǎo)航的圖像配準(zhǔn)流程圖。圖8是本發(fā)明的系統(tǒng)中所使用的針刀圖片。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。參見圖1，本發(fā)明的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)包括定位座椅1，X光機(jī)2，X光機(jī)后 臺(tái)設(shè)備3，計(jì)算機(jī)4，視頻跟蹤定位儀5。在使用時(shí)，首先按規(guī)定姿態(tài)由X光機(jī)2對(duì)手術(shù)對(duì)象 進(jìn)行X光成像，X光機(jī)后臺(tái)設(shè)備3獲得手術(shù)對(duì)象的X光圖像并通過網(wǎng)絡(luò)傳送給計(jì)算機(jī)4，由 計(jì)算機(jī)4調(diào)用其中的功能模塊，實(shí)現(xiàn)手術(shù)對(duì)象三維模型生成。通過視頻跟蹤定位儀5獲得 手術(shù)對(duì)象皮膚上的marker點(diǎn)坐標(biāo)和針刀坐標(biāo)，并送入計(jì)算機(jī)4，調(diào)用其中的功能模進(jìn)行空 間配準(zhǔn)，讓針刀與手術(shù)對(duì)象三維模型能合理的同時(shí)顯示出來，并進(jìn)行針刀運(yùn)動(dòng)跟蹤等功能。 為使用方便，可將所述視頻跟蹤定位儀5置于萬向支架上。圖2中示出了使用本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)行針刀治療的場(chǎng)景，其中通過本發(fā)明特制的針 刀，對(duì)手術(shù)對(duì)象的肩部施針。所使用的針刀尾部具有黑白相間的標(biāo)記，可被視頻跟蹤定位儀 5監(jiān)測(cè)到位置信號(hào)，所述位置信號(hào)經(jīng)處理，與手術(shù)對(duì)象的肩部三維模型配準(zhǔn)，并將配準(zhǔn)后的 圖像實(shí)時(shí)顯示在顯示裝置上，以供進(jìn)行手術(shù)的醫(yī)生參考。圖4中顯示了整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)主要部件。其中計(jì)算單元作為核心部件，分別與存 儲(chǔ)裝置、視頻跟蹤相機(jī)、用戶交互接口以及顯示裝置相連。
圖5中示出了核心部件計(jì)算單元的多個(gè)功能模塊。其中，圖像預(yù)處理模塊，該模塊對(duì)中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集的斷層圖像進(jìn)行預(yù)處理，本發(fā)明采 用的數(shù)字人數(shù)據(jù)集是關(guān)于肩部切片的斷層圖像，其原始圖像如圖6所示，從圖中可以看出， 這種彩色斷層圖像骨骼和肌肉色彩相近，邊緣不連續(xù)，同一張圖像上，骨膜、韌帶、肌肉及血 管彼此交錯(cuò)比鄰，色彩連通，缺少達(dá)到計(jì)算機(jī)自動(dòng)分割的理想邊緣。針對(duì)上述特點(diǎn)，本發(fā)明 的圖像處理模塊采用了半自動(dòng)分割人機(jī)交互方式，利用photoshop工具以及系統(tǒng)內(nèi)置分割 模塊進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)勾畫，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行輪廓提取及相關(guān)信息處理。三維重建模塊，該模塊對(duì)經(jīng)圖像處理模塊處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)，形成基 于數(shù)字人數(shù)據(jù)集的肩部骨骼肌肉的三維模型。其重建算法是輪廓拼接三維重建算法。該 方法中采用輪廓線提取的方法來獲得肢體各層的輪廓線，在 三維重建時(shí)，通過定義“復(fù)雜網(wǎng) 格”類C3DComplexGrid，來表示每個(gè)肢體部件，例如肩胛骨、肱骨以及斜方肌都是一個(gè)“復(fù)雜 網(wǎng)格”對(duì)象，每個(gè)C3DCompleXGrid包含著若干個(gè)子網(wǎng)格C3Dobject，例如肱骨只包含一塊子 網(wǎng)格，而肩胛骨則包含11塊子網(wǎng)格，“復(fù)雜網(wǎng)格”由子網(wǎng)格分裂拼接而成。三維重建時(shí)，需要 找出上下兩輪廓線內(nèi)各點(diǎn)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)關(guān)系來組建面片完成表面重建。個(gè)體化三維模型(STL模型)生成模塊。為了降低成本，推廣針刀手術(shù)定位的應(yīng)用， 本發(fā)明基于手術(shù)對(duì)象的肩部X光圖像數(shù)據(jù)與數(shù)字人三維重建肩部模型，生成STL模型，作為 手術(shù)對(duì)象的個(gè)性化模型，用于針刀治療過程定位。本發(fā)明的STL模型生成模塊是采用特征 點(diǎn)的模型形變方法生成的，該生成過程是首先獲取三維重建模塊生成的初始化標(biāo)準(zhǔn)模型， 對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行特征點(diǎn)定制，最后根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行morph變形。所述的特征點(diǎn)包括具有 醫(yī)學(xué)意義的醫(yī)學(xué)特征點(diǎn)，例如肩鎖關(guān)節(jié)點(diǎn)SJP，肱頸上點(diǎn)GNUP，肱縱下點(diǎn)GZDP，肩外點(diǎn)JOP 等；也包括利于計(jì)算的輔助特征點(diǎn)，所述輔助特征點(diǎn)是為了方便morph變形而人為標(biāo)出的。配準(zhǔn)模塊。通過該模塊將虛擬空間和實(shí)際手術(shù)對(duì)象聯(lián)系起來，這樣才能將實(shí)際空 間的操作影射到虛擬空間中去，從而引導(dǎo)醫(yī)生完成手術(shù)。本發(fā)明的配準(zhǔn)模塊是采用基于X 光片的4點(diǎn)2D/3D空間配準(zhǔn)算法。通過三維重建后的三維模型是一種表面模型，利用X光 片上的標(biāo)記點(diǎn)并通過射線求交原理求得三維模型目標(biāo)區(qū)域表面的4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo) 集合P。同時(shí)我們用雙目視覺定位儀一次性獲得實(shí)際手術(shù)對(duì)象皮膚上所帶marker在實(shí)際工 作空間內(nèi)的三維坐標(biāo)集合Q。然后利用4點(diǎn)2D/3D空間配準(zhǔn)算法可以求出Q到P的配準(zhǔn)矩 陣。圖7中示出了本發(fā)明的配準(zhǔn)模塊進(jìn)行針刀治療三維導(dǎo)航的配準(zhǔn)流程，其中為了有 效提高配準(zhǔn)精度，將配準(zhǔn)分為初配準(zhǔn)、手工精配準(zhǔn)兩步進(jìn)行。位置跟蹤模塊。用于和雙目視頻跟蹤裝置進(jìn)行信息交互，處理針刀尾部的位置數(shù) 據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化成針尖的位置數(shù)據(jù)。人機(jī)交互模塊。用于在計(jì)算機(jī)和操作者/醫(yī)生之間進(jìn)行交互使用，用于X光片特 征點(diǎn)標(biāo)注、手術(shù)路徑規(guī)劃、場(chǎng)景顯示方式切換等需人機(jī)交互的功能。常見的，該模塊可以通 過觸摸屏、鼠標(biāo)、鍵盤以及對(duì)應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)。下面結(jié)合圖3，對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)的工作流程作一個(gè)說明，該流程說明以對(duì)肩部的軟 組織進(jìn)行針刀治療為例首先，使用X光機(jī)2對(duì)手術(shù)對(duì)象拍攝肩部X光片，并從X光機(jī)后臺(tái)設(shè)備3載入手術(shù) 對(duì)象的肩部的X光圖像數(shù)據(jù)(步驟Si)，將所述X光圖像數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)4的屏幕上顯示出來，然后在計(jì)算機(jī)4的屏幕上通過用戶交互接口以及用戶交互模塊來標(biāo)注X光圖像上的特 征點(diǎn)(步驟S2)，從存儲(chǔ)裝置獲取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人模型及其特征點(diǎn)(步驟S3)，通過morph變形算 法計(jì)算對(duì)應(yīng)于手術(shù)對(duì)象的個(gè)性化參數(shù)，獲得手術(shù)對(duì)象的肩部的個(gè)體化三維模型(步驟S4)。接下來，在步驟S5，根據(jù)術(shù)前醫(yī)生的診斷結(jié)果，在X光片上確定病灶的位置和手術(shù) 路徑，手術(shù)路徑應(yīng)該盡量符合使損傷減至最小的原則。然后打開雙目視頻照相跟蹤裝置(步驟S6)。本系統(tǒng)采用的視頻跟蹤設(shè)備是 Micron Tracker2視頻跟蹤設(shè)備，該設(shè)備在連接之后可以實(shí)時(shí)跟蹤黑白相間的標(biāo)記，而相應(yīng) 的，在待跟蹤的針刀的尾部設(shè)置黑白相間的標(biāo)記(如圖8所示)，以利于被視頻跟蹤設(shè)備跟
S示ο 然后，加載步驟S4中生成的STL模型(S7)，對(duì)所加載的STL模型進(jìn)行空間配準(zhǔn)以 準(zhǔn)確定位(S8)，裝載之前設(shè)定的進(jìn)針路徑(S9)，然后開始進(jìn)刀，進(jìn)刀的過程中，針尖的運(yùn)動(dòng) 位置可以經(jīng)由視頻跟蹤裝置監(jiān)測(cè)跟蹤，并實(shí)時(shí)的將針尖的位置經(jīng)過配準(zhǔn)矩陣轉(zhuǎn)換后與STL 模型一起共同顯示在顯示裝置上，從而開始針刀跟蹤導(dǎo)航(SlO)。本發(fā)明的對(duì)人體組織實(shí)施針刀治療的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，綜合利用了三維 重建技術(shù)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)、以及STL模型生成技術(shù)，解決了針刀治療的安全性問題，使治療 過程可視化，且成像過程快速，成本低廉，具有極高的性價(jià)比和推廣應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
一種用于對(duì)人體肌肉組織進(jìn)行針刀治療的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，包括針刀，用于切入手術(shù)對(duì)象的肌肉組織，以實(shí)施針刀治療，所述針刀具有一用于跟蹤的標(biāo)記；X光成像裝置，用于獲取所述手術(shù)對(duì)象的待治療部位的X光圖像；視頻照相跟蹤裝置，其用于在進(jìn)行針刀切入待治療部位的皮膚表面后，根據(jù)所述針刀的標(biāo)記，實(shí)時(shí)跟蹤針刀的位置信息和運(yùn)動(dòng)情況；萬向支架，用于承載所述視頻照相跟蹤裝置；存儲(chǔ)裝置，用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，所述圖像數(shù)據(jù)包括中國(guó)數(shù)字人圖像數(shù)據(jù)集；計(jì)算單元，其包括三維重構(gòu)模塊，三維模型個(gè)體化模塊，配準(zhǔn)模塊；其中，所述三維重構(gòu)模塊，對(duì)所述中國(guó)數(shù)字人圖像數(shù)據(jù)集中的斷層圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到標(biāo)準(zhǔn)三維模型；所述三維模型個(gè)體化模塊，基于手術(shù)對(duì)象的待治療部位的X光圖像數(shù)據(jù)與數(shù)字人標(biāo)準(zhǔn)三維模型中的相應(yīng)部位，生成手術(shù)對(duì)象的個(gè)體化三維模型；所述配準(zhǔn)模塊，根據(jù)所述視頻照相跟蹤裝置跟蹤的所述位置信息和所述運(yùn)動(dòng)狀況，以及根據(jù)所述個(gè)體化三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)，以確立所述針刀在個(gè)體化三維模型中的位置；顯示裝置，用于實(shí)時(shí)顯示經(jīng)配準(zhǔn)后的所述針刀的位置，以反映所述針刀在所述人體肌肉組織中的運(yùn)動(dòng)情況。
2.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻照相跟蹤裝 置是Micron Tracker2視頻跟蹤設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，其特征在于，所述針刀尾 部的標(biāo)記是黑白相間的標(biāo)記。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算單 元還包括圖像預(yù)處理模塊。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)輔助針刀定位系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算單 元還包括位置跟蹤模塊和人機(jī)交互模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計(jì)算機(jī)輔助針刀治療的針刀定位系統(tǒng)，包括X光機(jī)、視頻跟蹤裝置、計(jì)算機(jī)及存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像控制操作軟件構(gòu)成。X光機(jī)成像裝置采集圖像后，其圖像數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)，經(jīng)圖像控制處理系統(tǒng)處理后，為針刀治療過程的可視化提供了圖形基礎(chǔ)，具有視頻跟蹤裝置的定位儀采集到標(biāo)志點(diǎn)位置和針刀位置，通過配準(zhǔn)可以正確地顯示針刀在個(gè)體化三維模型中的運(yùn)行軌跡，最終實(shí)現(xiàn)針刀治療過程的可視化。本發(fā)明綜合利用了醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理等多門學(xué)科技術(shù)，解決了人體三維成像個(gè)體化和利用單幅圖像實(shí)現(xiàn)針刀治療過程位置跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了針刀治療過程的可視化，在盡量不增加醫(yī)療費(fèi)用的前提下，較為顯著減少了手術(shù)過程中的盲視，提高了針刀治療的手術(shù)安全性。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101869501SQ20101021212
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者井明鑫, 張莉, 徐穎, 李文豐, 李茜, 陳凱, 黃海明 申請(qǐng)人:北京中醫(yī)藥大學(xué)