一种便携式胸腔穿刺定位辅助设备及定位方法与流程

本发明属于医疗急救穿刺辅助设备，具体涉及一种便携式胸腔穿刺定位辅助设备及定位方法。

背景技术：

1、胸腔穿刺是临床处理气胸、胸腔积液、脓胸等胸外科急重症的核心微创救治操作，穿刺点位的精准、安全定位直接决定手术成功率与患者预后安全。临床规范要求穿刺针精准进入肋间隙中心区域，严格避让肋骨、胸壁动静脉、肋间神经等高危组织，定位偏移极易引发肋骨骨折、皮下大出血、神经损伤、肺部穿孔、血气胸等严重医疗并发症。

2、现有辅助定位设备多采用单一视觉成像定位方式，仅通过体表图像识别肋间隙位置，存在显著技术缺陷：1）纯视觉检测仅能获取胸壁表层形态信息，无法识别皮下组织硬度与深层骨骼位置，抗干扰能力极差；2）传统视觉定位设备结构笨重、集成度低，多为固定式设备，无法适配野外、移动急救场景。

3、虽然出现了部分视觉类穿刺定位设备，但该类设备多为整体硬质结构，无法贴合人体胸壁曲面，仅能依靠远距离拍摄识别，受体表异常组织干扰大；同时设备分体式设计居多，零部件分散、携带不便，也无法同时结合体表压力反馈判断骨骼位置，定位可靠性不足，难以满足复杂急救场景的使用需求。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一方面是提供一种便携式胸腔穿刺定位辅助设备，融合光电定位技术与压力传感感应技术，实现复杂胸壁工况下的高精度快速穿刺定位。第二方面，基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于前述便携式胸腔穿刺定位辅助设备的定位方法。

2、本发明实施例中，一种便携式胸腔穿刺定位辅助设备，包括柔性贴片、光电定位模块、压力感应模块、主控模块和定位输出模块；柔性贴片为能够贴合人体胸壁曲面的柔性贴片结构；所述柔性贴片在光电定位模块对应位置开设有透光窗口，光电定位模块的红外光经由透光窗口向人体胸壁发射与回收反射信号，采集时序红外图像数据，构建胸壁三维时序点云集合，完成胸壁三维形貌重建与体表特征分割，输出体表三维网格空间坐标及初步肋间隙候选区域；压力感应模块集成于柔性贴片内侧，用于全域采集胸壁接触压力分布数据，依托胸壁软硬组织力学差异识别肋骨与肋间隙解剖区域，输出骨骼边缘坐标信息；主控模块分别与光电定位模块、压力感应模块信号连接，主控模块内设置有同步采样触发单元与时序运算单元，用于同步触发光电定位模块与压力感应模块同时采集数据，并基于多帧时序点云拟合求解呼吸形变偏移量以完成点位动态修正；用于以光电定位模块输出的体表三维网格空间坐标为空间基准，将压力感应模块识别的骨骼边缘坐标映射至三维网格空间坐标系中，对光电定位模块初步识别的肋间隙区域进行校准修正，形成连续有效安全穿刺区域，并在安全穿刺区间内确定最优安全穿刺点位；定位输出模块与主控模块电性连接，用于接收主控模块输出的安全穿刺点位数据，在胸壁原位可视化输出安全穿刺点位及有效安全穿刺区域。

3、本发明实施例的定位方法，基于上述一种便携式胸腔穿刺定位辅助设备来实现，包括以下步骤：

4、s1、将柔性贴片贴合固定于患者胸壁穿刺目标区域，保证柔性贴片与皮肤完全贴合、无空鼓褶皱；

5、s2、通过光电定位模块投射均匀红外结构光光场，按照固定时序连续采集多帧体表反射光图像，结合光强衰减规律采集三维空间信息，构建呼吸动态时序三维点云集合，得到原始时序红外图像数据、原始三维点云数据；同时通过压力感应模块全域采集胸壁接触压力数据，获取原始压力分布数据；

6、s3、对s2采集的原始时序红外图像数据、原始三维点云数据进行红外光强衰减校正，消除红外光传输损耗、体表反射差异带来的原始数据失真，完成光电数据校正，得到标准化三维点云数据与时序三维点云数据；对s2采集的原始压力分布数据进行柔性形变校正，消除贴片拉伸弯曲形变带来的采样偏差，输出真实体表压力分布数据；

7、s4、对s3校正后的红外标准化三维点云数据进行邻域均值网格平滑去噪，采用delaunay三角剖分算法将离散点云转换为连续光滑的胸壁三维体表网格，生成体表三维网格空间坐标，建立网格顶点与s3校正后的真实体表压力分布数据的一一映射关联关系，实现双模态数据精准绑定，依据所述三维网格，由光电定位模块输出初步识别的肋间隙候选区域；

8、s5、基于s3校正后的真实体表压力分布数据，采用局部自适应阈值分割方式，结合胸壁解剖先验约束，分割出硬质肋骨区域与软质肋间隙区域；剔除孤立噪点，并优化肋骨脊线与边缘轮廓，精准提取骨骼边缘坐标；

9、s6、以s4构建的胸壁三维体表网格对应的体表三维网格空间坐标为统一空间基准，将s5提取的骨骼边缘坐标映射至三维网格空间坐标系中，代入双模态联合配准目标函数，通过最小二乘法求解最优空间变换矩阵，结合肋骨轮廓连续性约束，对光电定位模块初步识别的肋间隙区域进行精准校准修正，得到高精度配准后的骨骼解剖坐标；

10、s7、基于s2采集、s3校正后的时序三维点云数据，拟合胸壁呼吸动态形变规律，实时求解呼吸形变偏移量，对s6配准校准后的肋间隙区域坐标进行动态修正，输出动态校准后最终骨骼与肋间隙坐标，消除活体呼吸起伏导致的穿刺点位漂移；

11、s8、基于肋骨解剖安全距离阈值，结合s7校准修正后的肋间隙坐标区域，划分出最优安全区、警戒区、危险禁忌区三级区域，形成有效安全穿刺区域；

12、s9、在s8得到的有效安全穿刺区域的最优安全区内，综合解剖位置、压力分布、胸壁组织厚度、呼吸形变四项指标，通过综合安全评分函数计算最优安全区各候选点位综合安全分值，筛选最优安全区内综合得分最大值对应的点位作为最优穿刺点位；

13、s10、通过定位输出模块在胸壁原位高亮显示有效安全穿刺三维胸壁网格、肋骨轮廓、s8多级安全区间与s9最优安全穿刺点位，或者通过无线通信模块完成多终端同步引导输出。

14、与现有技术相比，本发明较优技术方案的有益效果包括：

15、1、本发明采用柔性贴片集成光电定位模块与压力感应模块的双模态融合感知架构，替换传统单一光学传感或单一压力传感的采集模式。利用光电定位模块获取胸壁三维空间坐标信息，同时通过压力感应模块采集体表压力分布数据，依托人体胸壁软硬组织的力学差异识别肋骨骨性标志。两类传感数据互为补充、联合校正，能够有效规避患者皮肤肤色、体表毛发、环境光照等因素对光电数据采集的干扰，同时弥补单一压力传感无法实现三维空间定位的技术短板，有效提升肋骨及肋间隙区域的识别精度。柔性贴片可自适应贴合不同患者的胸壁曲面，适配不同胸廓形态，使采集数据能够真实反映人体胸壁实际形貌，显著降低定位基准误差。

16、2、本发明设置适配柔性贴片形变工况的数据校正机制，可对采集得到的光电原始数据、压力原始数据进行精准校正，消除贴片拉伸、弯曲形变产生的采样偏差与定位偏移问题。穿刺操作过程中，柔性贴片会随人体呼吸运动、患者体位变化产生形变，本设备可实时修正光电光强损耗偏差与压力传感输出偏移量，保证完整呼吸周期内的三维坐标数据、压力分布数据持续稳定、真实有效，避免因柔性贴片形变导致穿刺点位计算漂移，确保术中定位基准全程精准可靠。

17、3、本发明基于时序三维点云数据建立胸壁起伏动态坐标补偿机制，实现穿刺基准点位的动态修正。设备可连续采集并分析呼吸周期内胸壁的周期性位移变化，根据实时形变数据动态微调穿刺推荐坐标，有效解决活体呼吸起伏带来的穿刺点位漂移问题，避免因点位偏移造成的肋骨误扎、胸膜及血管组织损伤，显著降低胸腔穿刺手术的并发症发生风险。

18、4、本发明摒弃传统仅依靠几何距离筛选穿刺点的单一判定逻辑，依托解剖位置、压力分布、组织厚度、呼吸动态形变四项评价指标构建综合安全评分函数，完成最优穿刺点位筛选。在划定的最优安全区内，优先筛选组织厚度充足、局部压力分布平稳、呼吸形变偏移量小、远离高危组织区域的穿刺位点，兼顾临床操作可行性与穿刺安全性，既能保证穿刺进针深度符合临床规范，又可从算法层面规避术中组织误损伤问题，有效提升穿刺手术安全性与一次穿刺成功率。

19、5、本发明构建包含胸壁三维形貌重建、骨性结构识别、双模态坐标配准、最优穿刺点解算、原位可视化引导的全自动闭环处理流程。整套定位引导流程无需医护人员手动标记点位、反复超声复核校准，可实现双模态数据采集、校正、融合决策、可视化输出的全流程自动化运行，有效缩短术前定位准备时间，减少术中辅助检查频次，简化手术操作流程、提升手术整体流畅度，同时降低医护人员的穿刺定位操作门槛。

20、6、本发明采用柔性贴片原位贴合固持的布设方式，一次粘贴固定即可覆盖整台手术的操作周期，术中无需反复移位、重装及重复校准定位。设备可全程持续采集胸壁双模态数据，实时监测胸壁形变状态与穿刺点位偏移情况，当患者出现小幅体位变动、胸壁姿态轻微偏移时，可即时修正肋间隙区域坐标与最优穿刺点位，无需重新布设定位，精简术中操作步骤，保证穿刺引导全程有效、定位精准稳定，可广泛适配临床常规穿刺、院前急救等各类应用场景。