一种置针系统及置针实时显示方法、计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种置针系统及置针实时显示方法、计算机可读存储介质。


背景技术：

2.目前临床上采用的穿刺方式仍然采用盲探徒手操作，医生依靠主观感知来识别穿刺位置，无法直观的获取穿刺位置的，使穿刺针与导管的定位存在不确定性，导致穿刺难度大。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种置针系统及置针实时显示方法、计算机可读存储介质。
4.为实现上述发明目的，本发明提供一种置针系统，包括：置针单元，导引运动单元，信号采集单元、图像获取单元，显示单元和分别与所述图像获取单元，所述导引运动单元，所述置针单元，所述信号采集单元、所述显示单元相连接的控制单元；
5.所述置针单元安装在所述导引运动单元上，所述信号采集单元与所述置针单元相连接；
6.所述图像获取单元，用于接收置针对象的医学图像并进行处理，获得具有组织结构和组织结构边界标识的侧位图像；
7.所述显示单元，用于接收所述侧位图像并显示；
8.所述导引运动单元，用于驱动所述置针单元在所述置针对象的目标点位进行置针；
9.所述信号采集单元，用于获取所述置针单元反馈的电信号，并根据所述电信号计算出所述置针单元中针尖所在的位置；
10.所述控制单元，用于获取所述电信号对所述导引运动单元进行控制，以及将所述置针单元中针尖所在的位置发送至所述显示单元并在所述侧位图像上叠加显示。
11.根据本发明的一个方面，所述置针单元包括：用于与所述导引运动单元相互连接的第一支承，与所述第一支承滑动连接的第二支承，与所述第二支承滑动连接的置针组件，以及设置于所述第一支承上用于驱动所述第二支承移动的第一驱动。
12.根据本发明的一个方面，所述置针组件设置有压力传感器；
13.沿所述置针组件的移动方向，在所述第二支承上相对的设置有可与所述压力传感器相抵靠的第一限位和用于限制所述置针组件移动位置的第二限位。
14.根据本发明的一个方面，所述置针组件还包括：用于与所述第二支承滑动连接的第三支承，用于与所述第三支承可拆卸连接的第四支承，以及安装在所述第四支承上的穿刺针。
15.根据本发明的一个方面，所述穿刺针包括穿刺部分和针芯部分；
16.所述穿刺部分为中空的筒状体，所述针芯部分可拆卸的与所述穿刺部分同轴设置在所述穿刺部分的中空部；
17.所述第四支承上设置有用于所述信号采集单元与所述穿刺部分相互电连接的电导体；
18.所述穿刺部分的外表面上设置有绝缘层。
19.根据本发明的一个方面，所述侧位图像为组织在深度方向的医学图像并叠加有组织边界线的组合图像，或所述侧位图像为基于组织在深度方向的医学图像并对不同组织结构采用不同颜色区域划分的彩色图像。
20.根据本发明的一个方面，所述图像获取单元中设置有用于对所述医学图像进行处理的深度神经网络模型。
21.根据本发明的一个方面，所述信号采集单元实时采集的电信号包括进针位移数据，阻力监测数据、电生理监测数据、穿刺组织差异化的数字特征识别数据中的至少一种；其中，
22.所述进针位移数据,用于反应所述置针单元中针尖移动的理论距离；
23.所述阻力监测数据，用于反应置针过程中阻力的实时变化情况；
24.电生理监测数据，用于反应针尖的电生理数据变化；
25.穿刺组织差异化的数字特征识别数据，用于反应针尖位置的电导率。
26.为实现上述发明目的，本发明提供一种置针实时显示方法，包括：
27.s1.获取置针对象的医学影像，基于所述图像获取单元对所述医学影像进行处理获得具有组织结构和组织结构边界标识的侧位图像；
28.s2.获取置针对象的目标点位，导引运动单元引导置针单元至目标点位；
29.s3.驱动置针单元沿穿刺方向推进，信号采集单元实时采集电信号,并根据采集的电信号计算出所述置针单元针尖所在的位置；
30.s4.在侧位图像中实时显示穿刺针的位置。
31.根据本发明的一个方面，还包括：
32.s5.所述控制单元获取所述电信号和标准数据库中标准数据之间的偏差值，若所述偏差值超出预设阈值，则在所述侧位图像中提示。
33.根据本发明的一个方面，所述侧位图像为组织在深度方向的医学图像并叠加有组织边界线的组合图像，或所述侧位图像为基于组织在深度方向的医学图像并对不同组织结构采用不同颜色区域划分的彩色图像。
34.根据本发明的一个方面，所述深度神经网络模型基于以下步骤生成：
35.s11.获取多个置针对象的医学影像，并对组织结构进行标记，作为训练样本；
36.s12.将的所述训练样本输入深度神经网络进行训练获取所述深度神经网络模型。
37.根据本发明的一个方面，还包括：
38.s13.获取多个新的置针对象的医学影像作为测试样本；
39.s14.将所述测试样本输入所述深度神经网络模型，并输出且具有组织结构边界线的侧位图像；
40.s15.判断所述组织结构边界线在所述侧位图像的位置准确率，若所述位置准确率高于阈值，则输出所述深度神经网络模型。
41.根据本发明的一个方面，步骤s1中，获取置针对象的医学影像的步骤中，采用磁共振图像，ct图像，dr图像，超声图像，x光图像中的至少一种方式获取。
42.为实现上述发明目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现前述置针实时显示方法的步骤。
43.根据本发明的一种方案，实现了穿刺过程的可视化，通过电信号在仿真图形上的实时显示，保证了操作人员对整个穿刺过程的准确判断和把握，提高了穿刺过程的安全性。
44.根据本发明的一种方案，本发明通过多样化的监测手段并结合侧位图像的实时显示，对穿刺过程的判定更加可靠准确。
45.根据本发明的一种方案，能够通过可视化的图像精准控制穿刺深度，不依赖于麻醉师的临床经验。
46.根据本发明的一种方案，可以在侧位图像中清晰的表达出相邻组织结构之间的边界，这样就可以将置针单元穿刺过程中穿刺针针头所处的位置准确的显示在侧位图像上。而且通过边界清晰的侧位图像更易于操作人员直观准确的获取穿刺针的置针深度。尤其是在不同组织的交界位置，在置针单元1反馈的电信号容易出现跳变或反应不灵敏的情况时，从边界清晰的侧位图像上能够直观获取相应位置信息，可使得操作人员更为容易且精确的进行判断和操作，使得整个置针过程更为流畅、安全。
47.根据本发明的一种方案，可以实现侧位图像上的不同组织结构能够与实际的医学影像进行一一对应，而且各组织结构的分界线在显示单元上可以以同一水平方向上显示。这样在侧位图像上实时显示穿刺针位置的同时，可以使得操作人员与真实的医学影像进行对比判断，在置针单元反馈的电信号容易出现跳变或反应不灵敏的情况时，可以使得操作人员对穿刺针位置的把握更为精确，进而对保证整个穿刺过程的安全有利。
附图说明
48.图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的置针系统的结构图；
49.图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的置针单元的结构图；
50.图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的的置针单元的分解图；
51.图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的穿刺过程的穿刺针的结构图。
具体实施方式
52.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
54.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘
述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
55.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种置针系统，包括：置针单元1，导引运动单元2，信号采集单元、图像获取单元，显示单元4和分别与图像获取单元，导引运动单元，置针单元，信号采集单元、显示单元相连接的控制单元3。在本实施方式中，置针单元1安装在导引运动单元2上，信号采集单元与置针单元1相连接.
56.在本实施方式中，图像获取单元用于接收置针对象的医学图像并进行处理，获得具有组织结构和组织结构边界标识的侧位图像；在本实施方式中，置针对象的医学影像采用磁共振图像，ct图像，dr图像，超声图像，x光图像中的至少一种方式获取。在本实施方式中，侧位图像为组织在深度方向的医学图像并叠加有组织边界线的组合图像，或侧位图像为基于组织在深度方向的医学图像并对不同组织结构采用不同颜色区域划分的彩色图像。在本实施方式中，图像获取单元中设置有用于对医学图像进行处理的深度神经网络模型，通过该深度神经网络模型自动将输入的医学图像转换为了用于显示侧位图像。
57.在本实施方式中，显示单元用于接收侧位图像并显示。
58.在本实施方式中，导引运动单元2用于驱动置针单元1在置针对象的目标点位进行置针；
59.在本实施方式中，信号采集单元用于获取置针单元反馈的电信号，并根据电信号计算出置针单元1中针尖所在的位置；
60.在本实施方式中，控制单元3用于获取电信号对导引运动单元2进行控制，以及将置针单元1中针尖所在的位置发送至显示单元4并在侧位图像上叠加显示。
61.结合图1、图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，置针单元1包括：用于与导引运动单元2相互连接的第一支承11，与第一支承11滑动连接的第二支承12，与第二支承12滑动连接的置针组件13，以及设置于第一支承11上用于驱动第二支承12移动的第一驱动14。在本实施方式中，通过控制单元3可以控制导引运动单元2驱动置针单元1执行穿刺作业，实现穿刺过程的自动化，
62.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，置针组件13在第二支承12上的移动方向与第二支承12在第一支承11上的移动方向相平行。
63.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，第一驱动14驱动第二支承12在第一支承11上线性往复移动。置针组件13在第二支承12上线性往复移动，且置针组件13与第二支承12无动力元件驱动。在本实施方式中，第一驱动14包括：动力源141和丝杠螺母副142。第一驱动14可采用步进电机连接丝杆螺母副构成线性驱动装置，在步进电机主轴与丝杆螺母副之间设置为一体的。当然，第一驱动14还可直接采用电缸等整体驱动装置实现。通过上述设置使得步进电机的主轴即是滚珠丝杠，这样电机在驱动丝杆转动的过程中，中间减少了联轴器等传统部件，有效减少了电第一驱动的体积及转动惯量，提高了第一驱动14的响应速度。
64.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，置针组件13设置有压力传感器131。在本实施方式中，沿置针组件13的移动方向，在第二支承12上相对的设置有可与压力传感器131相抵靠的第一限位121和用于限制置针组件13移动位置的第二限位122。在本实施方式中，当第一驱动14驱动第二支承12向前移动时，若置针组件13受到前方的阻力，进而在阻力作用下置针组件13向后移动直至压力传感器131与第一限位121相抵靠，此时，第一
驱动14继续驱动第二支承12向前移动，则压力传感器131将收到的阻力转换成电信号输出至控制单元3，进而可以通过控制单元3的转换获知穿刺过程中置针组件13受到的阻力变化情况。当第一驱动14驱动第二支承12向后移动时，若置针组件13受到与运动方向相反的摩擦阻力时，置针组件13沿靠近第二限位122的方向运动，进而直至与第二限位122相抵靠，第一驱动14继续驱动第二支承12向后移动，在第二限位122的抵靠作用下，可方便克服置针组件13所受到的阻力使其随第一驱动14继续向后移动。
65.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，置针组件13还包括：用于与第二支承12滑动连接的第三支承132，用于与第三支承132可拆卸连接的第四支承133，以及安装在第四支承133上的穿刺针134。在本实施方式中，第三支承132与第四支承133卡扣连接；穿刺针134与第四支承133卡扣连接。通过上述设置，可方便的实现第三支承132、第四支承133和穿刺针134的快速拆装和更换，提高了拆装和更换效率。同时，通采用卡扣连接的方式其定位精度较高，进而对保证本发明的穿刺准确性有利。
66.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，第三支承132通过滑动导轨与第二支承12相互滑动连接。第四支承133包括相互垂直设置的连接板1331和支承板1332。在本实施方式中，连接板1331与第三支承132卡扣连接，穿刺针134与支承板1332卡扣连接。在本实施方式中，支承板1332位于连接板1331的一侧，进而穿刺针134与支承板1332位于连接板1331的同一侧。
67.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，第四支承133上设置有声音检测模块1231。在本实施方式中，声音检测模块1231、穿刺针134和支承板1332处于连接板1331的同一侧。其中，声音检测模块1231直接安装在连接板1331的表面上，且沿连接板1331的厚度方向声音检测模块1231和穿刺针134相互间隔设置。
68.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，穿刺针134包括穿刺部分1341和针芯部分1342。在本实施方式中，穿刺部分1341为中空的筒状体，针芯部分1342可拆卸的与穿刺部分1341同轴设置在穿刺部分1341的中空部。针芯部分1342为实心的柱状体，通过针芯部分1342插入穿刺部分1341中，可以将穿刺部分1341的中空部分堵塞，从而保证穿刺针134在穿刺过程中穿刺部分1341不与外界环境相连通。当需要将针芯部分1342拆下时，只需要夹持住针芯部分1342的一端将其从穿刺部分1341中拔出即可。
69.结合图2、图3所示，在本实施方式中，针芯部分1342的一端设置有第一结构件1342a，穿刺部分1341与第一结构件1342a相邻的一端与声音检测模块1231相邻。在本实施方式中，通过在针芯部分1342上设置第一结构件1342a可以方便将插入穿刺部分1341中的针芯部分1342拔出，此外，通过第一结构件1342a与穿刺部分1341的抵靠，还可有效提高针芯部分1342对穿刺部分1341中空部分的密封效果，保证了本发明的使用性能。
70.结合图2、图3所示，根据本发明的一种实施方式，第四支承133上设置有用于控制单元3与穿刺部分1341相互电连接的电导体；穿刺部分1341的外表面上设置有绝缘层。在本实施方式中，绝缘层为特氟龙涂层。在本实施方式中，穿刺部分1341采用金属材料制成，进而在其外表上设置绝缘层可以有效实现穿刺部分1341针端导电，其它部位绝缘的效果。同时，采用特氟龙涂层其具有润滑等的效果，使得本发明的穿刺效果更好。在本实施方式中，通过第四支承133上设置用于控制单元3与穿刺部分1341相互电连接的电导体，从而实现了对穿刺位置的电生理监测，具体的当穿刺部分1341触碰到神经根时，在针端的电信号会刺
激到神经，这样控制单元3即可获得相应的电生理监测信号。
71.根据本发明的一种实施方式，信号采集单元实时采集的电信号包括进针位移数据，阻力监测数据、电生理监测数据、穿刺组织差异化的数字特征识别数据中的至少一种；其中，进针位移数据用于反应置针单元1中针尖移动的理论距离；阻力监测数据用于反应置针过程中阻力的实时变化情况；电生理监测数据用于反应针尖的电生理数据变化；穿刺组织差异化的数字特征识别数据，用于反应针尖位置的电导率。
72.根据本发明的一种实施方式，本发明的一种置针实时显示方法包括：
73.s1.获取置针对象的医学影像，基于深度神经网络模型对医学影像进行处理获得具有与医学影像相同组织结构和具有组织结构边界标识的的侧位图像；
74.s2.获取置针对象的目标点位，导引运动单元引导置针单元至目标点位；
75.s3.驱动置针单元1沿穿刺方向推进，信号采集单元实时采集电信号,并根据采集的电信号计算出置针单元针尖所在的位置；
76.s4.在侧位图像中实时显示穿刺针的位置。
77.根据本发明的一种实施方式中，步骤s1中，通过对置针对象的位置进行确定，进而基于确定的位置对置针对象进行医学造影获取相应的医学影像。在本实施方式中，将获取的医学影像输入到已经训练好的深度神经网络模型，并基于深度神经网络模型对该医学影像进行处理获得具有组织结构和组织结构边界标识的侧位图像。在本实施方式中，侧位图像为组织在深度方向的医学图像并叠加有组织边界线的组合图像，或侧位图像为基于组织在深度方向的医学图像并对不同组织结构采用不同颜色区域划分的彩色图像。
78.通过上述设置，可以在侧位图像中清晰的表达出相邻组织结构之间的边界，这样就可以将置针单元穿刺过程中穿刺针针头所处的位置准确的显示在侧位图像上。而且通过边界清晰的侧位图像更易于操作人员直观准确的获取穿刺针的置针深度。尤其是在置针单元1反馈的电信号容易出现跳变或反应不灵敏的情况时，从边界清晰的侧位图像上能够直观获取相应位置信息，可使得操作人员更为容易且精确的进行判断和操作，使得整个置针过程更为流畅、安全。
79.根据本发明的一种实施方式中，将侧位图像与医学影像以相等比例的并列显示在显示单元4上。
80.通过上述设置，可以实现侧位图像上的不同组织结构能够与实际的医学影像进行一一对应，而且各组织结构的分界线在显示单元上可以以同一水平方向上显示。这样在侧位图像上实时显示穿刺针位置的同时，可以使得操作人员与真实的医学影像进行对比判断，在置针单元1反馈的电信号容易出现跳变或反应不灵敏的情况时，可以使得操作人员对穿刺针位置的把握更为精确，进而对保证整个穿刺过程的安全有利。
81.根据本发明的一种实施方式中，步骤s2中，获取置针对象的目标点位，控制单元3控制导引运动单元2引导置针单元1至目标点位的步骤中，待系统校准完成后，通过c臂x光机获取置针对象的目标位置的x光片，并进行术中影像定位获取目标区域，进一步的选取目标区域中的目标点位。完成目标点位的选取后，控制单元3根据选取的目标点位驱动导引运动单元2运动，进而实现导引运动单元2将其连接的置针单元的姿态对准该目标点位，进而待后续执行穿刺操作。
82.根据本发明的一种实施方式，步骤s3中，当置针单元1运动至目标位姿后，导引运
动单元2驱动置针单元1上的穿刺针134沿穿刺方向推进，将获得的电信号反馈至控制单元3，控制单元3对电信号进行处理传输至显示单元4上并叠加在侧位图像上。在本实施方式中，电信号包括进针位移信号，阻力变化信号、电生理监测信号、穿刺组织差异化信号中的至少一种，也就意味着，控制单元3获取的电信号中至少包含有两种信号(进针位移信号和其他信号)。在本实施方式中，控制单元3可将穿刺针的端部以圆点的形式(当然还可以为其他形状或形式，只要易于识别即可)在侧位图像上进行显示，控制单元基于进针位移信号可在图像上实时改变该圆点的位置以实现穿刺针进针位移的实时变化。此外，控制单元还将这些电信号以数据的形式在该圆点位置进行引线标注，随着圆点位置的改变，这些电信号的数据也随着置针单元的反馈进行实时更新。
83.在本实施方式中，阻力变化信号由压力传感器131采集获得，进针位移信号由第一驱动14采集获得，电生理监测信号和穿刺组织差异化信号由穿刺针采集获得。
84.在本实施方式中，当穿刺针进入皮肤后，通过装置中设置的计数器记录步进电机的脉冲数，进而实时获取穿刺针刺入皮肤后的进针位移信号。
85.参见图4所示，在本实施方式中，本发明的穿刺针端部导电，将穿刺针的另一端连接至传感器的接口，这样穿刺针即实现了电生理监测信号的实时获取并可显示在侧位图像上。
86.在本实施方式中，结合前述的电生理监测信号获取过程中肌肉电刺激所反馈的电信号，可采集出不同组织下的电导率。进而可以将其叠加到侧位图像上进行实时显示。
87.如图1所示，根据本发明的一种实施方式中，本发明的置针实时显示方法，还包括：
88.s5.控制单元获取电信号和标准数据库中标准数据之间的偏差值，若偏差值超出预设阈值，则在侧位图像中提示。
89.根据本发明的一种实施方式中，步骤s5中，发出告警提示的过程中，基于穿刺针位置将侧位图像与医学影像的相应位置进行同步放大显示。
90.根据本发明的一种实施方式中，步骤s4中，在侧位图像中实时显示穿刺针的位置的步骤中，基于电信号拟合出置针单元1的穿刺路径，并将穿刺路径叠加至侧位图像上并显示。
91.通过上述设置，可以使得图像上显示的实时数据更为直观准确。
92.根据本发明的一种实施方式中，步骤s1中的深度神经网络模型基于以下步骤生成：
93.s11.获取多个置针对象的医学影像，并对组织结构进行标记，作为训练样本；
94.s12.将的训练样本输入深度神经网络进行训练获取深度神经网络模型；
95.s13.获取多个新的置针对象的医学影像作为测试样本；
96.s14.将测试样本输入深度神经网络模型，并输出且具有组织结构边界线的侧位图像；
97.s15.判断组织结构边界线在侧位图像的位置准确率，若位置准确率高于阈值，则输出深度神经网络模型。
98.通过采用深度神经网络模型对医学影像进行处理判断，使得各组织结构的分布更加清晰，进而可以使得操作人员重点关注穿刺针穿过不同组织结构时的信号变化，降低了操作人员的劳动强度。
99.根据本发明，实现了穿刺过程的可视化，通过电信号在仿真图形上的实时显示，保证了操作人员对整个穿刺过程的准确判断和把握，提高了穿刺过程的安全性。
100.根据本发明的一种实施方式，本发明的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现前述置针实时显示方法的步骤。
101.上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
102.以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。