一种支气管电磁导航系统的制作方法

1.本发明涉及医疗中的磁场中目标物定位技术领域，特别是涉及一种支气管电磁导航系统。


背景技术：

2.肺癌是全球发病率和死亡率增长最快，对人类健康和生命威胁最大的恶性肿瘤之一。在x射线长时间照射下经皮肺穿刺活检是肺癌的传统诊断手段，在对肺部进行活检工具的定位导航时，由于呼吸影响，肺部随着呼吸各组织的相对位置会发生变化，预先建立的导航模型并不能根据实际情况在实时定位导航中进行自适应调整，对活检工具定位不准确，无法进行精确的导航，具有局限性，导致肺部病理取样存在“死角”，难以实现早期诊疗的精确化，术后并发症多。


技术实现要素：

3.本发明为了克服上述由肺部随呼吸变化，无法进行准确定位和导航的问题，提出了一种支气管电磁导航系统，用于实现目标物在肺部的精准定位。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
5.一种支气管电磁导航系统，包括影像数据处理模块、磁场目标定位模块和导航路径规划模块，
6.所述影像数据处理模块用于导入ct影像数据，并根据所述ct影像数据生成若干呼吸深度下的三维支气管模型；
7.所述磁场目标定位模块用于根据实时获取的磁场下的呼吸深度，从所述三维支气管模型中选取相应的适配三维支气管模型，并根据所述适配三维支气管模型对支气管内的目标物进行定位；
8.所述导航路径规划模块基于所述适配三维支气管模型，根据目标物的定位信息和目标位置，规划出目标物的行进路径。
9.作为本发明的优选方案，所述呼吸深度由呼吸向量矩阵表示，所述呼吸向量矩阵由呼吸向量在冠面的投影向量构成，所述呼吸向量根据体表磁传感器的三维坐标得到。
10.作为本发明的优选方案，获取所述呼吸向量的方法具体包括以下步骤：
11.s1，在身体表面贴放若干体表磁传感器；
12.s2，以其中一个体表磁传感器的三维坐标为基准，根据其余体表磁传感器的三维坐标，得到所述其余体表磁传感器的向量。
13.作为本发明的优选方案，所述体表磁传感器为6个，取其中一个体表磁传感器的三维坐标为向量起点，其余5个体表磁传感器的三维坐标为向量终点，向量起点与各向量终点的连线组成5个呼吸向量。
14.作为本发明的优选方案，所述磁场目标定位模块用于根据实时获取的磁场下的呼吸深度，从所述三维支气管模型中选取相应的适配三维支气管模型，并根据所述适配三维
支气管模型，对支气管内的目标物进行定位，具体包括以下步骤：
15.a1，输入当前呼吸周期时长、当前呼吸单周期的波形和代表磁场下呼吸深度的磁场呼吸向量矩阵；
16.a2，将所述当前呼吸周期时长与历史平均呼吸周期时长相比较，判别呼吸周期是否稳定，当呼吸周期稳定时，执行步骤a3，否则，返回步骤a1；
17.a3，计算所述当前呼吸单周期的波形与历史平均呼吸波形之间的匹配度，当所述匹配度大于预设的匹配度阈值时，执行步骤a4，否则，返回步骤a1；
18.a4，根据所述磁场呼吸向量矩阵计算呼吸相似系数，判别呼吸相似系数是否大于呼吸相似系数预设值，若大于，则获取所述磁场呼吸向量矩阵对应的适配三维支气管模型，并根据所述适配三维支气管模型获取支气管内的目标物的三维坐标；否则返回步骤a1。
19.作为本发明的优选方案，步骤a3中的匹配度通过相关系数表达，相关系数计算公式为：
[0020][0021]
其中，
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]
公式中，γ
xy
为匹配度，xi是当前单周期呼吸波形的周期时长，yi是历史平均单周期呼吸波形的周期时长，m是用于计算平均周期时长所用到的周期的个数。
[0028]
作为本发明的优选方案，步骤a4中的呼吸相似系数计算公式为：
[0029][0030]
其中，
[0031]
[0032]
公式中，为体表磁传感器的呼吸向量对应的投影向量，mg
breath
为磁场呼吸向量矩阵，为所述影像数据处理模块通过图像处理获得的呼吸向量矩阵的均值；为磁场下获得呼吸向量矩阵的均值，是磁场下获得的呼吸向量，m是指呼吸向量的个数，m＝1,2,3,4或5；n是投影向量维度，n＝1或2。
[0033]
作为本发明的优选方案，所述导航路径规划模块根据所述适配三维支气管模型确定目标物需要到达的位置，并规划出目标物的行进路径，具体包括以下步骤：
[0034]
501，选定取样目标位置；
[0035]
502，将适配三维支气管模型转换为树图表达；
[0036]
503，在所述树图表达中，将节点之间以及节点与末梢之间进行路径表达；
[0037]
504，搜寻与所述选定取样目标位置最近的树节点或末梢；
[0038]
505，根据所述选定取样目标位置和所述最近的树节点或末梢，求解穿刺点位置；
[0039]
506，从穿刺点位置向所述最近的树节点或末梢延伸，得到初始段规划路径，从所述初始段规划路径依次向上一级父节点延伸拼接，形成目标物的行进路径。
[0040]
作为本发明的优选方案，所述影像数据处理模块用于导入ct影像数据，并根据所述ct影像数据生成若干呼吸深度下的三维支气管模型，具体实现方法包括以下步骤：
[0041]
b1，建立ct影像数据与代表呼吸深度的呼吸向量矩阵之间的对应关系；
[0042]
b2，根据相似性，对呼吸向量矩阵按照呼吸深度进行分类，相应的，所述ct影像数据按照呼吸深度进行分类；所述对呼吸向量矩阵进行分类采用聚类的方法；
[0043]
b3，根据所述ct影像数据，建立各呼吸深度下对应的三维支气管模型。
[0044]
作为本发明的优选方案，步骤b3中，根据所述ct影像数据，建立各呼吸深度下对应的三维支气管模型，具体包括以下步骤：
[0045]
b31，以一定的间距，获取人体肺部多帧ct图像，所述多帧ct图像为平行于人体横截面的切片图像，并且所述切片图像具有一定的厚度；
[0046]
b32，将获取的人体肺部多帧ct图像按照原有的空间位置关系以及预设的参考点进行配准校对；
[0047]
b33，从每张ct图像中识别出支气管的截面图，并且将配准后的人体肺部多帧ct图像按照原有的空间位置关系进行拼接，根据每张支气管的截面坐标，以及相邻ct图像拼接的相对位置关系，得到三维的支气管模型。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0049]
基于本发明的系统，即使肺部的各部分随着呼吸实时进行变化，采用本发明的导航定位系统，仍能实现肺部各支气管三维模型的实时匹配和更新，并且根据实时匹配的支气管三维模型，实现目标物的精准定位，导航精度高，定位准确。
附图说明：
[0050]
图1为本发明实施例1中肺支气管电磁导航系统示意图；
[0051]
图2为本发明实施例1中体表磁传感器呼吸监控贴敷示意图；
[0052]
图3为本发明实施例1中对支气管内的目标物进行定位流程图；
[0053]
图4为本发明实施例1中导航取样示意图；
[0054]
图5为本发明实施例1中通过适配三维支气管模型和目标位置实现导航路径规划的流程图；
[0055]
图6为本发明实施例1中支气管模型转换为树图表达后，位置信息存储为树图形式的示意图；
[0056]
图7为本发明实施例1管腔路径信息以及穿刺点求解示意图。
具体实施方式
[0057]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0058]
实施例1
[0059]
一种支气管电磁导航系统，至少包括影像数据处理模块、磁场目标定位模块和导航路径规划模块。
[0060]
影像数据处理模块用于导入ct影像数据，并根据ct影像数据生成若干呼吸深度下相应的三维支气管模型，呼吸深度由呼吸向量矩阵表示。
[0061]
磁场目标定位模块用于根据实时获取的磁场下的呼吸向量矩阵，从预先建立的三维支气管模型中选取相应的适配三维支气管模型，并根据适配三维支气管模型对支气管内的目标物进行定位。
[0062]
所述导航路径规划模块基于所述适配三维支气管模型，根据目标物的定位信息和目标位置，规划出目标物的行进路径。
[0063]
作为一种具体的实施例，图1给出了基于本发明构思而设计的一种肺支气管电磁导航系统的示意图。100为肺支气管电磁导航系统示意图，101为患者。102为病人信息管理模块，负责管理病人数据，包括病人基本信息、影像数据及其处理结果、术前导航路径规划方案、术中实际路径记录和诊治记录、术后跟踪评估记录等。
[0064]
103为磁场目标定位模块，负责跟踪支气管内目标物111的位置、体表磁参考110贴于人体体表肺部的位置，基于体表磁参考110的位置数据变化情况，可以得到体表磁参考110的呼吸向量，各体表磁参考110的呼吸向量组成矩阵，构成呼吸向量矩阵，用呼吸向量矩阵反映出患者的呼吸深度，不同的患者有不同的呼吸深度，针对不同的呼吸深度可以对导航数据进行处理分析，尤其是针对呼吸引起的导航模型的自适应处理，即是找到不同呼吸深度对应的适配导航模型，从而实现支气管中目标物的精确定位和导航。
[0065]
104为影像数据处理模块，用于导入ct影像数据、以及ct影像数据的三维可视化处理、从图中识别出支气管路径。105为导航路径规划模块，医师根据ct影像数据重建三维模型确定肺部需要目标物到达的位置，导航路径规划模块根据医师选择，识别出一条目标物在支气管内的行进路径。106为体表集线器，尾端为体表磁传感器110，贴敷于患者体表。体表磁传感器110为多个，贴敷方式要适合采集患者多个轴向呼吸状态信息。107为体表磁参考连线。108a为体表参考集线器连接线，108b为磁场发生器109的线缆，108c为支气管内目标物线缆。109为磁场发生器，用于产生磁场。作为一种具体的实施例，111为多种介入目标物中典型的一种活检取样工具112，活检取样工具112包括前端取样钳113和安放其中的磁传感器114，磁传感器114根据磁场发生器109输出的信号，反馈定位信息，磁场目标定位模
块103根据反馈定位信息实现活检取样工具112的定位。115为患者，116为患者肺部。
[0066]
图2为体表磁传感器呼吸监控贴敷示意图。体表磁参考(也即是体表磁传感器110)可选择多组，图2以6个体表磁参考为例，200为体表磁传感器呼吸监控贴敷示意图，201为患者，202、203、204、205、206、207为贴敷于患者体表的磁参考，其中，磁参考202、203、204、205贴在人体腹部体表，磁参考206、207贴在人体的左肩膀和右肩膀处，各体表磁参考在x光下有明显留影，可作为配准参照物。体表磁参考个数和贴敷方式不局限于此。图2(a)为呼气状态，图2(b)为吸气状态，图2(c)为磁参考202、203、204和205对应的呼吸向量，图2(d)为磁参考202、203、204和205的呼吸向量在冠面(xoy平面)的投影向量，投影向量获取的步骤包括：以人体的横截面为三维xyz坐标的xoy平面建立xyz坐标系；以左肩膀处的磁参考207的三维坐标为向量起点，分别获取磁参考202、203、204、205和206在xyz坐标系中的三维坐标值，这5个坐标点分别与向量起点连线，组成5个向量，这5个向量就为磁参考202、203、204、205和206对应的5个呼吸向量；令呼吸向量z方向值为0，就得到了磁参考202、203、204、205和206的呼吸向量在冠面(xoy平面)的投影向量。
[0067]
随着呼气和吸气的交替进行，体表磁参考的相对位置关系在图2(a)和图2(b)两种状态下切换，从而得到呼吸向量的变化，进而得到呼吸向量在冠面(xoy平面)的投影向量的实时变化情况。
[0068]
虽然术前通过影像数据获得的三维支气管模型可以得到用于导航的支气管路径，但是在术中，随着呼吸的进行，该三维支气管模型无法进行自适应调整，会导致导航定位的偏差，而支气管本来就是很细微的人体组织，导航的偏差会给活检工具的使用带来安全隐患，因此，本专利的重点是解决术前通过影像数据获得的三维支气管模型如何与术中磁场定位目标物建立的磁场模型精确地匹配问题。此处公开一种将术前建立影像三维重建模型与术中磁场模型匹配的方法：术前，以贴敷于体表的磁参考为参照物，通过ct影像数据建立三维支气管模型，并同时建立不同呼吸状态(用体表磁参考相对位置表示呼吸状态)与三维支气管模型之间的关系，具体步骤包括：通过ct获取冠面图像，并从冠面图像中获取磁参考位置坐标；对于同一组冠面图像(例如呼气状态下的冠面图像和吸气状态下的冠面图像)，一方面通过磁参考位置坐标得到呼吸向量矩阵；另一方面，根据冠面图像获取得三维支气管模型，其中，呼吸向量矩阵和三维支气管模型呈一一对应关系。
[0069]
术中，同样以贴敷于体表的磁参考为参照物，根据医师设置的呼吸预设参数(对应某一呼吸深度，也即是对应于某一呼吸向量矩阵)，建立指定呼吸深度下(同样用体表磁参考相对位置表示)的磁场模型，并将医师在基于影像数据获得的三维重建支气管模型上设定的导航路径匹配到磁场模型上。医师在设置的呼吸预设参数时，系统将自动选定术前相似呼吸向量矩阵下建立的三维支气管模型，并应用导航规划路径。
[0070]
1.术前建立不同呼吸状态下肺支气管三维重建模型
[0071]
影响系统导航精度其中一个关键的点是如何将不同呼吸深度影像数据处理后得到的肺支气管模型与术中磁目标建立的磁模型匹配起来。此处一并公开一种影像肺支气管随呼吸深度的三维建模方法。即在术前建立不同呼吸深度下，肺支气管的三维重建模型，术中根据医师选择的呼吸相似预设，匹配三维重建模型，并应用导航路径。
[0072]
冠面(即xoy)图像处理后获得参考坐标，并根据体表参考冠面位置确定ct系统下的呼吸向量矩阵ct
breath
，表达式如下：
[0073][0074]
其中，为图像处理获得的体表磁参考投影向量。
[0075]
不同呼吸深度下，通过图像处理获得呼吸向量矩阵及其对应的支气管三维重建模型。记呼吸深度为h时的呼吸向量矩阵为对应的重建模型为通过ct图像数据三维重建模型可选用minip(最小密度投影)：最小密度投影是采用的投影运算，投影运算中投影线上包含ct值的全部像素点取最小值。最小密度投影常用于观察ct值较低的组织，如含气的肺气管，ct值为-1000，则可通过最小密度投影的方式来观察气管和低密度的肺组织。
[0076]
作为优选方案，通过ct图像数据重建支气管三维模型的方法具体包括以下步骤：
[0077]
第一步，以一定的间距，获取人体肺部多帧ct图像，所述ct图像为平行于人体横截面的切片图像，并且该切片图像具有一定的厚度；
[0078]
第二步，将获取的人体肺部多帧ct图像按照原有的空间位置关系以及预设的参考点进行配准校对；
[0079]
第三步，从每张ct图像中识别出支气管的截面图，并且将配准后的人体肺部多帧ct图像按照原有的空间位置关系进行拼接，根据每张支气管的截面坐标，以及相邻ct图像拼接的相对位置关系，得到三维的支气管模型。
[0080]
2.术中磁场建模过程中消除呼吸运动影响对定位和导航的影响，根据呼吸预设参数，选定术前相似呼吸参数下建立的三维重建模型，并将选中的三维重建模型应用于导航规划路径。
[0081]
影响系统导航精度其中另一个关键的点是术中如何排除患者呼吸运动对导航的影响。术中磁场建模过程中实现模型匹配，并对支气管内的目标物进行定位，具体包括以下步骤：
[0082]
磁参考呼吸向量一般选取贴敷于腹部最易采集患者呼吸的几组体表磁参考作为基础，也可选择体表所有磁参考作为基础。本示例选择腹部4个磁参考以及肩部2个作为基础构建的磁参考呼吸向量，图3为对支气管内的目标物进行定位流程图。300为对支气管内的目标物进行定位流程图。301输入体表磁参考坐标数据。302是指根据上述5个呼吸向量的获取方法得到磁场下的呼吸向量。
[0083]
另外，可以通过磁参考变化向量反映出磁参考呼吸状态的变化情况，并显示在显示器上，给操作人员以提示。磁参考变化向量可通过一个呼吸周期内磁参考三维坐标相距最远的两点间的相对位置关系求得。
[0084]
磁参考变化向量表示如下：
[0085]
[0086]
其中，(p
a,x
、p
a,y
、p
a,z
)表示体表磁参考a的三维坐标，(p
b,x
、p
b,y
、p
b,z
)表示体表磁参考b的三维坐标，(p
c,x
、p
c,y
、p
c,z
)表示体表磁参考c的三维坐标，(p
d,x
、p
d,y
、p
d,z
)表示体表磁参考d的三维坐标，max(p
a,x
、p
a,y
、p
a,z
)表示体表磁参考a的三维坐标最大值，min(p
a,x
、p
a,y
、p
a,z
)表示体表磁参考a的三维坐标最小值，max(p
b,x
、p
b,y
、p
b,z
)表示体表磁参考b的三维坐标最大值，min(p
b,x
、p
b,y
、p
b,z
)表示体表磁参考b的三维坐标最小值，max(p
c,x
、p
c,y
、p
c,z
)表示体表磁参考c的三维坐标最大值，min(p
c,x
、p
c,y
、p
c,z
)表示体表磁参考c的三维坐标最小值，max(p
d,x
、p
d,y
、p
d,z
)表示体表磁参考d的三维坐标最大值，min(p
d,x
、p
d,y
、p
d,z
)表示体表磁参考d的三维坐标最小值。
[0087]
303为统计一定时间(如3分钟)内的呼吸周期信息，表达如下：
[0088][0089]
n是一定时间内呼吸周期的个数，ti是一个呼吸周期的时长，t
mean
是历史平均呼吸周期。
[0090]
304判别呼吸周期是否稳定，可通过比较当前呼吸周期与历史平均呼吸周期获得，可通过以下系数表达差异大小：
[0091][0092]
其中，coef
diff
是用于判别呼吸周期是否稳定的系数，t
current
为当前呼吸周期，t
mean
是历史平均呼吸周期。
[0093]
305判别单周期是否稳定，方法是比较当前呼吸波形与历史平均呼吸波形的匹配度，可通过相关系数表达，表达式如下：
[0094][0095][0096][0097][0098][0099][0100]
公式中，γ
xy
为匹配度，xi是当前单周期呼吸波形的周期时长，yi历史平均单周期呼吸波形的周期时长，m是用于计算平均周期时长所用到的周期的个数。
[0101]
若γ
xy
大于预设匹配度(如95％)，则认为单周期呼吸稳定，否则不稳定。
[0102]
306为判别呼吸相似系数是否满足预设值。预设模式一：若呼吸相似系数大于预设值，表示术前术中呼吸深度相似，此时取点建模是合适的，则表示为允许取点建模。一般情况下，我们选择大于预设值(此处预设值为90％，术中可根据患者呼吸状况调整)，即患者吸气肺部比较充盈的情况下307允许进行模型匹配并获取目标物的坐标(即取点)，否则输出禁止取点(即禁止进行模型匹配并获取目标物的坐标)，这样建出来的模型，更加饱满，有利于医师寻找支气管路径。预设模式二：选择某个预设范围作为允许取点建模的条件，在一段时间内，呼吸相似系数始终在预设的范围内，307允许进行模型匹配并获取目标物的坐标(即取点)，若在一段时间内，呼吸相似系数取值有在预设的范围外的情况，则输出禁止取点(即禁止进行模型匹配并获取目标物的坐标)，这样可以保证模型匹配和取点时，被测对象呼吸均匀，避免呼吸不均匀对建模造成影响，建模更精细。预设范围，可在手术过程中，医师根据患者情况调整。
[0103]
呼吸相似系数通过体表磁参考信息求得。根据医师预设，磁场下，获得体表参考在xoy平面的投影坐标，并依据图2d的示意，求得磁场模型下的磁场呼吸向量矩阵mg
breath
。比较ct
breath
与mg
breath
的相识性，获得呼吸相似系数coef
breath
表达式如下：
[0104][0105][0106]
其中，为磁场下体表参考磁坐标对应的冠面投影向量；为图像处理获得呼吸向量矩阵的均值；为磁场下获得磁场呼吸向量矩阵的均值。5个磁场下体表参考磁坐标对应的冠面投影向量的获取步骤包括：磁场下，腹部体表磁参考为4个，加上肩部2个磁参考，共6个体表磁参考，取肩部中的1个磁参考三维坐标为向量起点，其余5个磁参考三维坐标和它的连线组成5个向量，为5个磁场下的呼吸向量，令磁场下的呼吸向量z方向值为0，就得到了5个磁场下的呼吸向量在冠面(xoy平面)的投影向量。
[0107]
当呼吸相似系数满足预设范围或者呼吸相似系数大于预设值，则允许磁场建模取点，否则禁止建模取点。
[0108]
308若呼吸周期不稳定，或者单周期不稳定，或者呼吸相似向量不满足预设条件，则输出禁止取点，系统将不采点建模。
[0109]
309为输出是否取点建模的标记。系统将根据此标记，决定是否采点建模。
[0110]
图4为导航取样示意图。400为导航取样示意图。401为目标物装置，常见安装有磁传感器的目标物装置包括导管、导丝、导引器(鞘管)、探针、活检工具等。402为肺，403为支气管分支。404为医师术前规划导航目标位置或取样目标位置。图4可理解为在医师预设呼吸参数条件下，依照术前的导航路径规划，磁场定位目标物到达规划目标位置的示意图。
[0111]
通过适配三维支气管模型和目标位置实现导航路径规划的流程图如图5所示，包
括以下步骤：
[0112]
501，选定取样目标位置；
[0113]
502，将支气管模型转换为树图表达。利用肺部ct数据重建得到的三维支气管模型，得到各分支节点和末梢节点的位置的信息。支气管模型转换为树图表达后，位置信息存储为树图形式，如图6所示。
[0114]
503，节点之间以及节点与末梢之间进行路径表达。从步骤502获得支气管的树图表达形式，各分支节点和末梢节点存储除描述节点自身位置的坐标信息外，还存储该节点到其父节点的路径信息。路径信息由节点与其父节点管腔中心位置和腔体旋转半径表示。
[0115]
504，搜寻与步骤501选定的取样目标位置最近的树节点或末梢。已知各节点和末梢空间位置坐标，术者选定目标区域，系统识别目标区域中心坐标，通过比较，获得与目标中心最近的节点。
[0116]
505，穿刺点位置求解。如图7所示，假设504步骤确定离目标区域最近的节点为h
ω
，h
ω
节点的父节点为h
ω
节点中储存有描述h
ω
到之间支气管管腔路径信息，该管腔路径信息如图7描述为702。沿着管腔中心轴方向，求解管腔中心与目标中心连线与管腔中心线方向夹角最小的位置，并将此刻管腔中心与目标中心连线与管腔的焦点作为最佳穿刺点，描述为q点。
[0117]
506，将各段拼合起来，合成规划路径：通过505步骤，可获得如701所示的h
ω
到段路径，将点与的父节点支气管管腔路径中心轴线与701拼接，依次向父级节点延伸拼接，最终到达图6所示的a点，形成如401所示的规划路径。
[0118]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0119]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。