基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统的制作方法

1.本发明涉及医疗临床手术技术领域，具体为基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统。


背景技术：

2.肿瘤是指机体在各种致瘤因子作用下，局部组织细胞增生所形成的新生物，因为这种新生物多呈占位性块状突起，也称赘生物，根据新生物的细胞特性及对机体的危害性程度，又将肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。恶性肿瘤可分为癌和肉瘤，癌是指来源于上皮组织的恶性肿瘤，肉瘤是指间叶组织，包括纤维结缔组织、脂肪、肌肉、脉管、骨和软骨组织等，发生的恶性肿瘤。
3.现有肿瘤手术完全由医生凭经验穿刺后进行治疗：首先医生根据病人肿瘤在医学影像上的位置、大小、形态和深度，规划合适的穿刺路径，然后医生凭借经验进行徒手穿刺，整个过程完全人工操作，穿刺的精准度完全依赖于医生的经验。
4.主要问题是，医生徒手穿刺手术风险较高，穿刺精准度较低导致治疗效果较差，有可能穿刺到血管、神经、重要脏器而引发医疗事故，存在发生危及患者生命安全的情况。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统，解决了现有医生徒手穿刺手术风险较高，穿刺精准度较低导致治疗效果较差，有可能穿刺到血管、神经、重要脏器而引发医疗事故，存在发生危及患者生命安全的情况的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统，包括手术计划软件系统、全息投影系统、红外光学导航系统和远程通信模块，所述手术计划软件系统的输出端与全息投影系统的输入端连接，且手术计划软件系统与红外光学导航系统实现双向连接。
9.所述手术计划软件系统包括设计穿刺路径模块、三维重建模块和协同控制模块，所述设计穿刺路径模块的处理方法具体为：患者影像数据导入手术计划软件后进行数据解析，医生根据临床治疗需求在手术计划软件系统上勾勒出患者肿瘤靶区，并合理设计穿刺路径，同时把医学影像上的穿刺路径坐标信息转换为世界地理坐标系的坐标信息。
10.所述外光学导航系统是由红外相机、信号接收器和远端定位球组成，远端定位球置于穿刺针末端，红外相机实时扫描患者和远端定位球，并发射其捕捉到的位置信息，信号接收器把信息发送给与其连接的手术计划软件系统。
11.所述全息投影系统在特定角度下呈现裸眼三维视觉效果，全息投影系统由至少2台投影仪、1：1配比的全息玻璃以及视觉合成软件组成。
12.优选的，所述三维重建模块的处理方法具体为：手术计划软件系统把患者的影像数据进行三维重建，并把设计好的穿刺路径显示在三维重建的影像上，用于真实穿刺时的导引。
13.优选的，所述协同控制模块是控制中心，其用于各子系统数据交互和指令也由手术计划软件系统实时处理协同。
14.优选的，所述外光学导航系统用于捕捉的现实世界患者图像、位置信息和软件生成的三维重建影像进行融合，融合影像实时跟随并贴合患者体态，导引路径标示出医生在患者体表需要穿刺的方向和角度。
15.优选的，2台所述投影仪的投影轴线相互垂直，在相交点远离投影仪50-100cm的位置上放置与投影仪镜头平行的全息玻璃。
16.优选的，所述视觉合成软件接收手术计划软件系统发送的三维重建影像，经过算法转换处理后，分解并控制每台投影仪的投影内容，使它们在特定角度下，为医生呈现裸眼三维视图的效果。
17.优选的，手术时医生通过全息投影系统看到融合影像及导引路径，进行穿刺时，手术计划软件系统计算出实际坐标和预计坐标的偏差，并给出修正建议，当虚拟针与导引路径完全重合时，即穿刺针调整完毕，医生进行实际穿刺操作，红外光学系统实时告知手术计划软件系统穿刺针的进针深度，并通过全息投影系统告知医生并在融合影像上显示出来。
18.(三)有益效果
19.本发明提供了基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统。与现有技术相比具备以下有益效果：该基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统，包括手术计划软件系统、全息投影系统、红外光学导航系统和远程通信模块，手术计划软件系统的输出端与全息投影系统的输入端连接，且手术计划软件系统与红外光学导航系统实现双向连接，手术计划软件系统包括设计穿刺路径模块、三维重建模块和协同控制模块，设计穿刺路径模块的处理方法具体为：患者影像数据导入手术计划软件后进行数据解析，医生根据临床治疗需求在手术计划软件系统上勾勒出患者肿瘤靶区，并合理设计穿刺路径，同时把医学影像上的穿刺路径坐标信息转换为世界地理坐标系的坐标信息，可完全还原临床医生的手术意图，保证医生对肿瘤进行微创手术时的穿刺针的位置、角度、深度等符合术前治疗计划的要求，从而保障手术的安全性及治疗效果，工作效率大幅度提升，手术时间缩短，降低病人痛苦，大幅度降低影像扫描次数，操作简单，维护方便，可在ct、核磁、超声等多种医学影像设备引导下使用本方法进行精准微创手术操作。
附图说明
20.图1为本发明系统的结构原理框图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：基于全息影像虚拟模板引导粒子植入肿瘤手术机器人系统，包括手术计划软件系统、全息投影系统、红外光学导航系统和远程通信模块，手术计划软件系统的输出端与全息投影系统的输入端连接，且手术计划软件系统与红外光学导航系统实现双向连接。
23.手术计划软件系统包括设计穿刺路径模块、三维重建模块和协同控制模块，设计穿刺路径模块的处理方法具体为：患者影像数据导入手术计划软件后进行数据解析，医生根据临床治疗需求在手术计划软件系统上勾勒出患者肿瘤靶区，并合理设计穿刺路径，同时把医学影像上的穿刺路径坐标信息(以下简称“影像坐标”)转换为世界地理坐标系的坐标信息(以下简称“预计坐标”)。
24.外光学导航系统是由红外相机、信号接收器和远端定位球组成，远端定位球置于穿刺针末端，红外相机实时扫描患者和远端定位球，并发射其捕捉到的位置信息，信号接收器把信息发送给与其连接的手术计划软件系统。
25.全息投影系统在特定角度下呈现裸眼三维视觉效果，从而避免佩戴vr眼镜造成的视野狭窄、眩晕情况，全息投影系统由至少2台投影仪、1：1配比的全息玻璃以及视觉合成软件组成。
26.本发明实施例中，三维重建模块的处理方法具体为：手术计划软件系统把患者的影像数据进行三维重建，并把设计好的穿刺路径显示在三维重建的影像上，用于真实穿刺时的导引(以下简称“导引路径”)。
27.本发明实施例中，协同控制模块是控制中心，其用于各子系统数据交互和指令也由手术计划软件系统实时处理协同。
28.本发明实施例中，外光学导航系统用于捕捉的现实世界患者图像、位置信息和软件生成的三维重建影像进行融合(以下简称“融合影像”)，融合影像实时跟随并贴合患者体态，导引路径标示出医生在患者体表需要穿刺的方向和角度。
29.本发明实施例中，2台投影仪的投影轴线相互垂直，在相交点远离投影仪50-100cm的位置上放置与投影仪镜头平行的全息玻璃，视觉合成软件接收手术计划软件系统发送的三维重建影像，经过算法转换处理后，分解并控制每台投影仪的投影内容，使它们在特定角度下，为医生呈现裸眼三维视图的效果。
30.本发明实施例中，手术时医生通过全息投影系统看到融合影像及导引路径，进行穿刺时，手术计划软件系统计算出实际坐标和预计坐标的偏差，并给出修正建议，当虚拟针与导引路径完全重合时，即穿刺针调整完毕，医生进行实际穿刺操作，红外光学系统实时告知手术计划软件系统穿刺针的进针深度，并通过全息投影系统告知医生并在融合影像上显示出来。
31.使用时，医生把患者ct、核磁等设备扫描的医学影像导入手术计划软件中，并根据治疗要求规划穿刺路径，把由软件生成的影像坐标和预计坐标，以及三维重建后得到的穿刺路径，连同红外光学系统捕捉的患者图像进行融合，融合后的影像通过全息投影系统推送给医生，当医生进行穿刺手术时，红外光学系统实时计算出带有远端红外球的穿刺针的实际坐标，并传送给软件进行数据整合，整合后的穿刺针数据实时显示在融合影像中指导医生调整穿刺针位置、角度和方向，当与导引路径完全重合后进行实际的穿刺操作，并告知医生穿刺针的进针深度，以此往复，直至手术结束。
32.综上，本发明可完全还原临床医生的手术意图，保证医生对肿瘤进行微创手术时的穿刺针的位置、角度、深度等符合术前治疗计划的要求，从而保障手术的安全性及治疗效果，工作效率大幅度提升，手术时间缩短，降低病人痛苦，大幅度降低影像扫描次数，操作简单，维护方便，可在ct、核磁、超声等多种医学影像设备引导下使用本方法进行精准微创手术操作。
33.同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
34.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
35.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。