手术导航装置及系统的制作方法

1.本技术涉及医疗设备技术，尤其涉及手术导航装置及系统。


背景技术：

2.现代医学的外科手术中，在人体注射荧光标记物后，荧光标记物能够聚集在病灶器官的肿瘤附近，使荧光分子影像手术导航系统可通过荧光显影技术实现肿瘤定位形态获取、以及病灶器官图像获取，并通过将肿瘤荧光图像与病灶器官图像进行融合，通过显示器显示出来，帮助医生进行肿瘤切除的操作。
3.然而，使用现有的手术导航系统时，医生须通过显示器观察病灶组织或器官，进而与患者的真实组织或器官进行比对，完成手术。此方法需要医生的视野在显示器和真实病灶器官之间切换，从而增加医生的疲劳度，导致了手术时间的延长。


技术实现要素：

4.本技术提供一种手术导航装置及系统，以更好地辅助医生进行手术，缓解医生疲劳，并减少手术时间。
5.第一方面，本技术提供一种手术导航装置，包括：
6.工控机，用于对肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合，获得位置图像，位置图像用于表示肿瘤在病灶器官上的位置；
7.与工控机连接的成像单元，成像单元包括投影光源，投影光源用于将位置图像投影在病灶器官上。
8.可选的，成像单元还包括：近红外相机，用于获取肿瘤荧光图像，并将肿瘤荧光图像传输至工控机。
9.可选的，成像单元还包括：分光器，用于将肿瘤发出的荧光透射至近红外相机；以及，将投影光源发射的投影光投射在病灶器官上；其中，荧光的光路为荧光光路，投影光的光路为投影光路，分光器和病灶器官之间的投影光路和荧光光路为共用光路。
10.可选的，成像单元还包括：测距模块，用于确定成像单元与病灶器官之间的距离，并将距离传输至近红外相机；近红外相机，还用于根据距离对近红外相机的近红外镜头进行调焦。
11.可选的，成像单元还还包括近红外滤光元件，近红外滤光元件用于滤除预设波长范围以外的光。
12.可选的，成像单元还包括：可见光相机，用于获取病灶器官图像，并将病灶器官图像传输至工控机。
13.可选的，成像单元还包括：补偿光源，用于向病灶器官上投射可见光，在环境光线低于阈值时，为可见光相机提供环境光。
14.可选的，成像单元还包括激发光源，激发光源用于向病灶器官上投射激发光。
15.可选的，成像单元还包括指示光源，指示光源用于发射指示光，指示光用于指示激
发光源发射的激发光投射在病灶器官上的位置。
16.可选的，指示光源包括衍射元件，衍射元件用于将指示光源发出的光整形为轮廓形式的指示光，轮廓形式的指示光投射在病灶器官上的范围与激发光源投射在病灶器官上的范围相同。
17.可选的，激发光源包括匀光模块，匀光模块用于对激发光源发射的激发光进行均匀处理。
18.第二方面，本技术提供一种手术导航系统，包括如本技术第一方面所述的手术导航装置。
19.可选的，该手术导航系统还包括移动平台，手术导航装置设置在移动平台上。
20.可选的，该手术导航系统还包括机械臂，机械臂的一端安设有成像单元，机械臂的另一端设置在移动平台上。
21.可选的，该手术导航系统还包括显示器，显示器设置在移动平台上，显示器用于显示位置图像。
22.本技术提供的手术导航装置及系统，通过工控机对肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合，获得位置图像，与工控机连接的成像单元包含的投影光源将该位置图像投影在病灶器官上。与现有技术相比，本技术将肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合后获得的位置图像直接投影在病灶器官上，医生不需要通过显示器观察病灶器官，因此，直观性更强，能够减少医生手术时间，提高手术效率，且，由于共用光路的引入，使得在工作距离中移动成像单元不会导致投影光源重新调节投影区域。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术一实施例提供的手术导航装置的示意图；
25.图2为本技术一实施例提供的成像单元130的示意图；
26.图3为本技术一实施例提供的手术导航系统的示意图；
27.图4为本技术一实施例提供的手术导航方法的流程图。
具体实施方式
28.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
29.现代医学的外科手术中，可通过对人体注射吲哚菁绿使其聚集在病灶器官肿瘤处，利用吲哚菁绿荧光显影技术(吲哚菁绿在785nm-808nm波长的激光辐射下，可最大程度地激发出近红外波段的荧光)实现肿瘤定位与形态获取、以及病灶器官的图像获取，并通过将肿瘤图像与病灶器官图像进行融合，通过显示器显示出来，帮助外科医生进行肿瘤切除。
但是，目前医生须通过屏幕观察病灶组织或器官，进而与患者真实组织、器官进行比对，完成外科手术。此方法直观性不强，需要医生在不同视野中转换，这直接导致了手术时间的延长，并增加医生的疲劳度。在其他现有技术中，有的通过将肿瘤在病灶器官中的位置通过显示屏显示出来，需要医生结合显示屏图像进行手术，直观性不强；有的通过在图像投影前对器官或器官图像进行手动标记，会延长术前准备时间，从而延长手术时间，不利于快速完成手术。
30.且，上述方式都无法对淋巴、血管以及相关组织的灌注情况进行显影、监测。
31.基于上述问题，本技术提供一种手术导航装置及系统，能够实时获得肿瘤在病灶器官中的分布图像，并准确投影在病灶器官表面，使得医生可以在病灶器官表面看到肿瘤在病灶器官中的分布图像，直观性更强，从而减少医生手术时间，提高手术效率。
32.图1为本技术一实施例提供的手术导航装置的示意图。如图1所示，本技术实施例的手术导航装置100包括：工控机110，与工控机连接的成像单元130，成像单元130包括投影光源120。其中：
33.工控机110，用于对肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合，获得位置图像，位置图像用于表示肿瘤在病灶器官上的位置。
34.投影光源120，用于将位置图像投影在病灶器官上。
35.本技术实施例中，肿瘤荧光图像可以通荧光标记物的显影技术获得，示例性地，荧光标记物为吲哚菁绿，本技术不以此为限制，在人体注射吲哚菁绿后，吲哚菁绿富集在病灶器官的肿瘤处，在特定波长光的激发下，吲哚菁绿能够发出近红外波段的荧光，经过感光设备的接收处理后可以获得肿瘤荧光图像。示例性的，工控机110是由大规模集成电路组成的微型计算机，工控机110包括图像处理模块与系统控制模块，图像处理模块用于接收肿瘤荧光图像和病灶器官图像，并将肿瘤荧光图像和病灶器官图像进行叠加融合。示例性地，将肿瘤荧光图像和病灶器官图像进行叠加融合的具体方式，可以为直接将肿瘤荧光图像处理后以特定的颜色叠加到病灶器官图像之上，获得位置图像，位置图像显示了肿瘤在病灶器官上的位置，也就是肿瘤在病灶组织中的分布图像。工控机110的系统控制模块将位置图像反馈至连接的投影光源120，投影光源120接收工控机110传来的位置图像，通过投影镜头将位置图像投影至所观察的病灶器官表面。示例性地，投影光源120可以是投影仪，或者，空间光调制器，本技术不以此为限制。
36.本技术实施例提供的手术导航装置，通过工控机对肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合，获得位置图像，与工控机连接的成像单元包含的投影光源将该位置图像投影在病灶器官上。与现有技术相比，本技术实施例将肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合后获得的位置图像直接投影在病灶器官上，医生不需要通过显示器观察病灶器官，因此，直观性更强，能够减少医生手术时间，提高手术效率。
37.图2为本技术一实施例提供的成像单元130的示意图。在上述实施例的基础上，本技术实施例对手术导航装置100的成像单元130进行进一步说明。如图2所示，本技术实施例的成像单元130在包括投影光源120的基础上，还包括：近红外相机201。近红外相机201用于获取肿瘤荧光图像，并将肿瘤荧光图像传输至工控机。
38.近红外相机201是对波长在780-3000nm范围的电磁波感应敏感的数字成像设备。示例性地，已对人体注射了吲哚菁绿使其聚集在病灶器官1的肿瘤处，近红外相机201通过
近红外镜头202获得荧光探针(例如，吲哚菁绿)发出的近红外荧光图像，从而获得肿瘤荧光图像，并将肿瘤荧光图像传输至工控机110。相应地，工控机110接收肿瘤荧光图像。
39.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括近红外滤光元件203，近红外滤光元件203用于滤除预设波长范围以外的光。
40.本技术实施例中，近红外滤光元件203能够阻挡红外光之外的光线比如可见光，而只让红外光顺利通过。示例性地，近红外滤光元件203允许波长范围为700-1700nm的红外线通过，从而可以滤除病灶器官1反射的激发肿瘤荧光的激发光及可见光。近红外相机201通过近红外镜头202、近红外滤光元件203获得吲哚菁绿荧光显影技术的肿瘤荧光图像。由于近红外滤光元件203允许的光的波长范围为700-1700nm，穿透深度大，因此，能够获得高信噪比的肿瘤荧光图像。在实际应用中，可以用于对人体淋巴、血管等的显影以及相关组织灌注情况的监测。
41.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括分光器206。分光器206用于将肿瘤发出的荧光透射至近红外相机；以及，将投影光源发射的投影光投射在病灶器官1上；其中，荧光的光路为荧光光路，投影光的光路为投影光路，分光器和病灶器官1之间的投影光路和荧光光路为共用光路。
42.本技术实施例中，分光器206是一种无源器件，不需要外部能量，只要有输入光即可。示例性地，分光器206为二向色镜，能够把光源分离出特定的光谱并改变部分光谱光路方向，能够对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。示例性地，如图2所示，分光器206能够将肿瘤发出的荧光透射至近红外相机201，该光路为荧光光路；分光器206还能将投影光源120发射的投影光投射在病灶器官1上，该光路为投影光路。投影光路和荧光光路通过分光器206实现了共光路，将肿瘤荧光图像准确地投影在病灶器官1表面。投影光路和荧光光路的共用光路方式，能够实现肿瘤荧光图像在病灶器官1表面的准确投影，因此，可以解决现有技术中需要手动对病灶器官1进行标记的问题。另外，现有技术中，因为没有考虑到共用光路的使用方式，使得即使加入了投影光源120，也无法实现很好的投影效果，原因在于，若不是共用光路的使用方式，投影光源120和近红外相机201之间是存在夹角的，那么当医生在手术中调节成像单元130距离手术台的距离时，近红外相机201的成像区域和投影光源120的投影区域就会各自不相关的变化，使得原本一致的成像区域和投影区域变得不一致。
43.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括测距模块208。测距模块208用于确定成像单元130与病灶器官1之间的距离，并将距离传输至近红外相机201；近红外相机201，还用于根据距离对近红外相机201的近红外镜头202进行调焦。
44.示例性地，测距模块208以激光器作为光源，利用激光对目标的距离进行准确测距。示例性地，如图2所示，测距模块208可以测量成像单元130与病灶器官1之间的距离，并将距离传输至近红外镜头202。近红外相机201接收测距模块208发送的成像单元130与病灶器官1之间的距离，根据该距离对近红外相机201的近红外镜头202进行调焦，使近红外相机201的近红外镜头202根据该距离调焦至最清晰位置，以获得最清晰肿瘤荧光图像。示例性地，成像单元130工作距离调节范围为100mm-1000mm，本技术不以此为限制。
45.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括可见光相机210。可见光相机210用于获取病灶器官1图像，并将病灶器官1图像传输至工控机。
46.示例性地，可见光相机210为可成像的相机即可。如图2所示，可见光相机210通过可见光镜头211获取病灶器官1的彩色图像，并将病灶器官1的彩色图像传输至工控机110。相应地，工控机110接收病灶器官1的彩色图像。
47.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括补偿光源212。补偿光源212用于向病灶器官1上投射可见光，在环境光线低于阈值时，为可见光相机提供环境光。
48.本技术实施例中，补偿光源212用于在环境光照不足时，对可见光相机210进行补充环境光，使可见光相机210可以在环境光照不足时也可获得病灶器官1的彩色图像。示例性地，补偿光源212为发光二极管(light emitting diode，led)，led发出的光可以对可见光相机210进行补充环境光。示例性地，肿瘤切除手术中，需要将成像单元130移动至肿瘤部位上方以观察肿瘤图像。然而此时成像单元130可能会挡住手术室中的光线，使可见光相机210无法清晰获取病灶器官1的图像，此时开启补偿光源212，可使可见光相机210清晰获得病灶器官1的彩色图像，并与近红外相机201通过近红外镜头202、近红外滤光元件203获得吲哚菁绿荧光显影技术的肿瘤荧光图像在工控机110中进行叠加融合，获得位置图像。通过投影光源120、投影镜头205、分光器206将该位置图像投影至观察的病灶器官1的表面，为医生直观引导肿瘤切除手术。
49.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括激发光源209。激发光源209用于向病灶器官1上投射激发光。
50.本技术实施例中，激发光源209投射均匀的激发光的光斑至病灶器官1表面，实现肿瘤荧光显影。示例性地，激发光源209是中心波长为785nm
±
5nm的激光光源，但本技术不以此为限制。示例性地，激发光源209的功率调节范围为10mw-3000mw，激光光源的发光功率较高能够帮助系统实现对微小肿瘤的检测，但本技术不限于该调节范围。
51.在上述实施例的基础上，激发光源209包括匀光模块214，匀光模块214用于对激发光源发射的激发光进行均匀处理。
52.本技术实施例中，激发光源209的匀光模块214，通过对激发光源209发射的激发光进行均匀处理，使照射在病灶器官1表面的光斑的强度均匀分布。示例性地，激发光源209由功率可调半导体激光器与匀光模块214构成，实现光功率可调的均匀激发光的光斑出射，高发光功率下可帮助系统实现对微小肿瘤的检测。
53.在上述实施例的基础上，参照图2，本技术实施例的成像单元130还包括指示光源207。指示光源207用于发射指示光，指示光用于指示激发光源209发射的激发光投射在病灶器官1上的位置。
54.示例性地，指示光源207是中心波长为520nm的激光光源，但本技术不以此为限制。指示光源207通过发射指示光，指示激发光源209发射的激发光投射在病灶器官1上的位置，从而为医生提供激发光源209投射光斑区域的指示，便于手术操作。
55.在上述实施例的基础上，指示光源207包括衍射元件215，衍射元件215用于将指示光源207发出的光整形为轮廓形式的指示光，轮廓形式的指示光投射在病灶器官1上的范围与激发光源209投射在病灶器官1上的范围相同。
56.本技术实施例中，该衍射元件215对指示光源207发射的指示光进行整形，整形后发射的光为轮廓形式的指示光，也称为轮廓光。该轮廓光的轮廓与激发光源209照射在病灶
器官1表面的光斑的轮廓一致，从而为激发光源209照射区域提供照射范围指示。
57.本技术实施例中，激发光源209投射均匀光斑至病灶器官1表面，实现肿瘤荧光显影，近红外相机201通过近红外镜头202、近红外滤光元件203获得吲哚菁绿荧光显影技术的肿瘤荧光图像，可见光相机210通过可见光镜头211获取病灶器官1的彩色图像，肿瘤荧光图像与病灶器官1的彩色图像均传输至工控机110进行叠加融合，得到同时包含病灶器官1与肿瘤的图像，通过投影光源120、投影光源120的投影镜头205、分光器206投影至观察的病灶器官1表面，能够为医生直观引导肿瘤切除手术，克服了现有医学投影技术中需要手动对病灶器官1进行标记的缺陷，减少了医生手术时间，提高了手术效率。
58.图3为本技术一实施例提供的手术导航系统的示意图。在上述实施例的基础上，如图3所示，本技术实施例的手术导航系统300包括上述实施例中的手术导航装置100。本技术实施例中，手术导航装置100的具体实现过程可以参见图2所示实施例的相关描述，此处不再赘述。
59.在上述实施例的基础上，参照图3，本技术实施例的手术导航系统300还包括移动平台310，手术导航装置100设置在移动平台310上。
60.示例性地，移动平台310安转有轮子，可以按需移动或固定。示例性地，如图3所示，可在移动平台310上设置手术导航装置100中的工控机110以及与工控机110连接的成像单元130。
61.在上述实施例的基础上，参照图3，本技术实施例的手术导航系统300还包括机械臂320，机械臂320的一端安设有成像单元130，机械臂的另一端设置在移动平台310上。
62.示例性地，如图3所示，机械臂320分别连接着成像单元130与移动平台310。机械臂320为六自由度机械臂，可调节成像单元130的工作距离与工作角度，使整个手术导航系统便于移动、利于医生操作。
63.在上述实施例的基础上，参照图3，本技术实施例的手术导航系统300还包括显示器330，显示器330设置在移动平台310上，显示器330用于显示位置图像。
64.示例性地，显示器330可以直接放置在移动平台310上。显示器330用于显示工控机110中图像处理模块发送的肿瘤在病灶器官1中的分布图像或者人体淋巴、血管以及相关组织灌注情况的近红外荧光图像或者是对肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合后获得的位置图像。
65.本技术实施例提供的手术导航系统，可以实时获得肿瘤在病灶器官中的分布图像，并准确投影在病灶器官表面；还可以对人体淋巴、血管以及相关组织的灌注情况进行实时显影；可以调节成像单元的工作距离与工作角度；根据不同工作距离，快速自动调焦，实现近红外成像与可见光彩色成像自动实时对焦，获得清晰的图像；可以为医生指示激发激光的位置，从而方便医生进行手术；且，采用投影光源与近红外相机共光路技术，克服了现有医学投影技术中需要手动对病灶器官进行标记的缺陷，提供了一种直观的手术导航系统，从而减少医生手术时间，提高手术效率。
66.图4为本技术一实施例提供的手术导航方法的流程图，本技术实施例的方法可以应用于如图1所示的手术导航装置。如图4所示，本技术实施例的手术导航方法包括：
67.s401、对肿瘤荧光图像和病灶器官图像叠加融合，获得位置图像，位置图像用于表示肿瘤在病灶器官上的位置。
68.s402、将位置图像投影在病灶器官上。
69.一种可能的实施方式中，基于图1所示的手术导航装置以及图2所示的成像单元130，本技术实施例的手术导航方法具体包括如下六个步骤：
70.第一步，光源发射步骤：通过打开的激发光源209发出激发光；
71.可选的，光源发射步骤还可以包括匀光步骤：激发光源209发出的激发光经过匀光模块214进行匀光处理，从而获得均匀的激发光；
72.第二步，激发步骤：激发光照射到病灶器官上，从而使得聚集吲哚菁绿等标记物的肿瘤部位被激发出荧光信号，其中荧光信号的波长在700-1700nm范围内；
73.可选的，激发步骤还可以包括指示步骤：指示光源207发出指示光，该指示光指示激发光源209发出的激发光投射在病灶器官1上的位置；其中，该步骤还包括，指示光源207发出的指示光经过衍射元件215整形为轮廓形式的指示光，轮廓形式的指示光投射在病灶器官1上的范围与激发光源209投射在病灶器官1上的范围相同；
74.第三步，信号接收步骤：荧光信号被分光器206分光后，经过近红外滤光元件203滤除了700-1700nm波长范围以外的光从而入射到近红外镜头202，并被近红外相机201接收，近红外相机201获得近红外荧光图像，从而获得肿瘤荧光图像，同时病灶器官1反射的可见光入射到可见光镜头211后被可见光相机210接收，从而获得病灶器官图像；
75.进一步可选的，信号接收步骤还可以包括测距步骤：测距模块208测量成像单元130与病灶器官1之间的距离，并将该距离通过工控机110传输至近红外相机201，从而对近红外相机201前的近红外镜头202进行调焦；通过调焦后的近红外相机获取清晰的肿瘤荧光图像。
76.可选的，第三步还可以包括补偿环境光的步骤：通过打开的补偿光源212向病灶器官1投射补偿光；
77.第四步，图像传输步骤：将肿瘤荧光图像和病灶器官图像传输至工控机110；
78.第五步，图像融合步骤：工控机110接收肿瘤荧光图像和病灶器官图像，并将肿瘤荧光图像和病灶器官图像进行叠加融合，从而获得位置图像；
79.第六步，投影步骤：工控机110控制投影光源120，从而使投影光源120通过投影镜头205将位置图像投影在病灶器官上。
80.可选的，调节荧光信号与投影的位置图像信号的传播方向，使两束光成为平行光(虽然它们的传播方向不同)，使得肿瘤荧光图像能够准确投影在病灶器官表面。
81.本技术实施例的方法，可以用于执行上述任一所示手术导航装置实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
82.可以理解的是，在本技术的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本技术的实施例的范围。在本技术的实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术的实施例的实施过程构成任何限定。
83.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术
方案的范围。