经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统

1.本技术涉及医疗器械技术领域，具体是一种经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统。


背景技术：

2.目前，采用术中x线前后位及侧位透视指引经皮椎弓根穿刺仍然在大部分医疗机构中开展，但术中存在穿刺针初始锚定位置发生改变，以及预定穿刺方向发生偏差的问题，术者因此需多次进行调整，这延长了操作时间、增加了x线辐射剂量、并提升了手术风险(如损伤神经、损伤血管、椎弓根螺钉位置不理想)。术者常常采用徒手固定经皮椎弓根穿刺针以指引进针，但往往效果欠佳，特别是对于已经过多次穿刺的椎弓根，其结构已遭破坏，难以很好地锚定穿刺初始位置。因此，亟需一种能够明确初始锚定位置及穿刺方向的方法来提高经皮椎弓根穿刺的效率和准确性。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统，以提高经皮椎弓根穿刺的效率和准确性。
4.为实现上述目的，本技术公开了以下技术方案：一种经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统，包括机械操作部，所述机械操作部包括手术床、安装座、蛇形自由臂、固定器、穿刺针，所述安装座安装于所述手术床的侧部，所述蛇形自由臂的第一端安装于所述安装座上，所述蛇形自由臂的第二端安装所述固定器，所述穿刺针安装于所述固定器上；所述蛇形自由臂的第一端能够沿着所述安装座向上或向下移动进行高度调整，在所述蛇形自由臂的高度调整完成后，所述蛇形自由臂的第一端与所述安装座相固定；所述蛇形自由臂的第二端能够朝向三维空间内的任意方向移动，在所述蛇形自由臂的第二端移动到位后，所述固定器固定所述穿刺针。
5.作为优选，还包括可视导航部，所述可视导航部包括x射线取像模块、建模模块、模拟穿刺模块；其中，所述x射线取像模块配置为基于c形臂x线机透视照射获取病人待穿刺处的透视影像，所述建模模块配置为基于所述x射线取像模块获取的透视影像对病人待穿刺处进行三维建模获取立体模型图像，所述模拟穿刺模块配置为基于所述建模模块建立的立体模型图像进行穿刺点定位和穿刺模拟。
6.作为优选，该种经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统的工作方法包括以下步骤：
7.x射线取像模块取像，c形臂x线机对以固定手术姿势在所述手术床上的病人的待穿刺处进行照射，获取待穿刺处的透视影像；
8.建模模块建模，所述建模模块基于c形臂x线机透视照射获取的透视影像对待穿刺处进行三维建模，获取待穿刺处的立体模型图像；
9.模拟穿刺模块模拟，所述模拟穿刺模块基于所述建模模块建立的立体模型图像进
行模拟，模拟的内容包括穿刺点定位和穿刺模拟；
10.将所述机械操作部的影像与立体模型图像进行合成，获取实时动态图像；
11.穿刺姿态调整，所述蛇形自由臂的第一端向上或向下移动至所述模拟穿刺模块模拟的穿刺点对应的高度处，所述蛇形自由臂的第二端在三维空间内移动进行姿态调整，直至所述蛇形自由臂的第二端处的穿刺针的穿刺方向和对应的穿刺点在所述实时动态图像中与所述穿刺点定位和所述穿刺模拟的结果相重合。
12.作为优选，所述安装座上安装有高度调整驱动单元，所述蛇形自由臂的第一端与所述高度调整驱动单元的输出端相连，所述高度调整驱动单元驱动所述蛇形自由臂的第一端上移或下移；所述可视导航部还包括控制模块，所述控制模块与所述高度调整驱动单元控制连接，配置为控制所述高度调整驱动单元的输出量，用于对所述蛇形自由臂的第一端上移或下移的位移量进行控制；所述控制模块与所述蛇形自由臂控制连接，配置为控制所述蛇形自由臂在三维空间内朝向的任意方向移动进行姿态调整。
13.作为优选，所述高度调整驱动单元为无杆气缸。
14.作为优选，所述蛇形自由臂的第二端安装有微调关节单元，所述固定器安装于所述微调关节单元上，所述微调关节单元驱动所述固定器在x轴方向和z轴方向上做角度旋转；所述可视导航部还包括控制模块，所述控制模块与所述微调关节单元控制连接，配置为控制所述微调关节单元的输出量，用于对所述蛇形自由臂的第二端在x轴方向和z轴方向上的转动量进行控制；所述控制模块与所述蛇形自由臂控制连接，配置为控制所述蛇形自由臂在三维空间内朝向的任意方向移动进行姿态调整。
15.作为优选，所述微调关节单元包括第一步进电机、第二步进电机，所述第一步进电机输出轴的转动方向水平设置，所述第二步进电机安装于所述第一步进电机的输出轴上，所述第二步进电机的输出轴的转动方向竖直设置。
16.作为优选，所述建模模块建模具体包括：
17.基于c形臂x线机透视照射获取的透视影像获取皮肤数据和骨骼数据范围；
18.基于获取骨骼数据范围在ct数据库中匹配对应的椎体模型；
19.将皮肤数据获取的椎体模型进行融合建模，获取待穿刺处的立体模型图像。
20.作为优选，将皮肤数据获取的椎体模型进行融合建模后获取虚拟模型，将该虚拟模型与c形臂x线机透视照射获取的透视影像进行比对，基于图像重合度计算方法计算模型拟合度，在模型拟合度达到要求阈值t1时，将虚拟模型作为待穿刺处的立体模型图像；在模型拟合度大于或等于要求阈值t2且小于要求阈值t1时，微调所述椎体模型中的椎体参数，并重新计算模型拟合度；当模型拟合度小于要求阈值t2时，重新进行c形臂x线机透视照射获取透视影像，基于新的透视影像获取椎体模型并获取虚拟模型，以及进行模型拟合度计算比对，直至模型拟合度达到要求阈值t1。
21.作为优选，所述模拟穿刺模块模拟具体包括：
22.术者通过所述模拟穿刺模块在立体模型图像中进行穿刺点选取，所述穿刺点包括皮肤外表定位点和椎体定位点；
23.术者通过所述模拟穿刺模块中虚拟的穿刺针对选取的穿刺点进行模拟穿刺，确定穿刺方向和穿刺点定位。
24.有益效果：本技术的经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统，椎弓根穿
刺针在术前确认其初始锚定位置及进针方向后，控制机械操作部使穿刺针移动到对应穿刺位置并使机械操作部的姿态固定，防止固定器在逐步进针过程中发生锚定位置及穿刺方向改变，从而很好地固定经皮椎弓根穿刺针的初始锚定位置及穿刺方向，防止其发生变化，在降低术中x线透视剂量的基础上提高经皮椎弓根穿刺的效率及准确性。同时，在术中需调整经皮椎弓根穿刺针的初始锚定位置及进针方向时，松开固定器即可调整穿刺针的姿态，徒手将穿刺针调整至合适位置后重新固定即可继续进针。另一方面，基于可视导航部的设置，通过x射线取像模块在术前进行待穿刺位置的透视影像获取，建模模块基于x射线取像模块获取的透视影像对病人待穿刺处进行三维建模获取立体模型图像，模拟穿刺模块基于所述建模模块建立的立体模型图像进行穿刺点定位和穿刺模拟，从而便于对穿刺针的初始锚定位置及进针方向的确定，降低穿刺过程中对于术者经验的依赖，提高经皮椎弓根穿刺的效率及准确性。
附图说明
25.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
26.图1为本技术实施例中经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统的机械操作部的结构示意图；
27.图2为本技术实施例中经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统的可视导航部的结构框图；
28.图3为本技术实施例中经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统的工作方法流程框图；
29.图4为本技术实施例中建模模块建模的具体方法示意框图。
30.附图标记：1、手术床；2、安装座；3、蛇形自由臂；4、固定器；5、穿刺针。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
32.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，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，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.还需要说明的是，本技术文件中使用到的标准零件均可以从市场上购买，而且根据说明书和附图的记载均可以进行订制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义，并且，未做明确限定的情况下，机械、零件和设备均可以采用现有技术中常规的型号。
34.在本文中，术语“包括”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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
35.实施例
36.参考图1所示的一种经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统，适用于基于x线透视病人待穿刺处影像的椎弓根穿刺手术。包括机械操作部，所述机械操作部包括手术床1、安装座2、蛇形自由臂3、固定器4、穿刺针5。所述安装座2安装于所述手术床1的侧部。蛇形自由臂3可以是现有技术中的任意一种，所述蛇形自由臂3的第二端能够朝向三维空间内的任意方向移动，可以但不限于是oc robotics公司设计的蛇形机器人。所述蛇形自由臂3的第一端安装于所述安装座2上，所述蛇形自由臂3的第二端安装所述固定器4，所述穿刺针5安装于所述固定器4上，固定器4可以是现有技术中的任意一种夹持器结构，例如碳纤维材质制备而成的夹持器，其作用是待经皮椎弓根穿刺针的位置合适时，通过锁紧旋钮即可抱紧针身，防止进针过程中穿刺针锚定位置及穿刺方向发生改变。所述蛇形自由臂3的第一端能够沿着所述安装座2向上或向下移动进行高度调整，在所述蛇形自由臂3的高度调整完成后，所述蛇形自由臂3的第一端与所述安装座2相固定，例如通过锁紧卡环将蛇形自由臂3的第一端与安装座2锁紧，从而防止蛇形自由臂3的第一端在术中出现掉落的情况。在所述蛇形自由臂3的第二端移动到位后，所述固定器4固定所述穿刺针5，在术中遇到需要调整穿刺针5位置的情况时，松开固定器4即可调整穿刺针5的姿态，人工将穿刺针5调整至合适位置后重新固定即可继续进针。
37.在本实施例中，所述安装座2上安装有高度调整驱动单元，所述蛇形自由臂3的第一端与所述高度调整驱动单元的输出端相连，所述高度调整驱动单元驱动所述蛇形自由臂3的第一端上移或下移，具体的，所述高度调整驱动单元为无杆气缸。在进行穿刺初始位置锚定和穿刺方向调整时，通过蛇形自由臂3的第一端上移或下移来提高蛇形自由臂3姿态调整的效率，进而提高手术效率。所述蛇形自由臂3的第二端安装有微调关节单元，所述固定器4安装于所述微调关节单元上，所述微调关节单元驱动所述固定器4在x轴方向和z轴方向上做角度旋转。具体的，所述微调关节单元包括第一步进电机、第二步进电机，所述第一步进电机输出轴的转动方向水平设置，所述第二步进电机安装于所述第一步进电机的输出轴上，所述第二步进电机的输出轴的转动方向竖直设置。在蛇形自由臂3的第一端、蛇形自由臂3整体姿态依次调整完毕后，通过微调关节单元对固定器4的位置进行调整，从而确保固定器4上的穿刺针5的锚定位置和穿刺方向的准确性。
38.作为本实施例的一种优选地实施方式，如图2所示，该种经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统还包括可视导航部，所述可视导航部包括x射线取像模块、建模模块、模拟穿刺模块；其中，所述x射线取像模块配置为基于c形臂x线机透视照射获取病人待
穿刺处的透视影像，所述建模模块配置为基于所述x射线取像模块获取的透视影像对病人待穿刺处进行三维建模获取立体模型图像，所述模拟穿刺模块配置为基于所述建模模块建立的立体模型图像进行穿刺点定位和穿刺模拟。
39.借由上述的机械操作部的结构，如图3所示，本实施例中的经皮椎弓根穿刺针锚定位置及穿刺方向导航系统的工作方法包括以下步骤：
40.s101、x射线取像模块取像，c形臂x线机对以固定手术姿势在所述手术床1上的病人的待穿刺处进行照射，获取待穿刺处的透视影像；
41.s102、建模模块建模，所述建模模块基于c形臂x线机透视照射获取的透视影像对待穿刺处进行三维建模，获取待穿刺处的立体模型图像；
42.s103、模拟穿刺模块模拟，所述模拟穿刺模块基于所述建模模块建立的立体模型图像进行模拟，模拟的内容包括穿刺点定位和穿刺模拟；
43.s104、将所述机械操作部的影像与立体模型图像进行合成，获取实时动态图像；
44.s105、穿刺姿态调整，所述蛇形自由臂3的第一端向上或向下移动至所述模拟穿刺模块模拟的穿刺点对应的高度处，所述蛇形自由臂3的第二端在三维空间内移动进行姿态调整，直至所述蛇形自由臂3的第二端处的穿刺针5的穿刺方向和对应的穿刺点在所述实时动态图像中与所述穿刺点定位和所述穿刺模拟的结果相重合。
45.具体来说，如图4所示，所述建模模块建模具体包括以下步骤：
46.s102-1、基于c形臂x线机透视照射获取的透视影像获取皮肤数据和骨骼数据范围；
47.s102-2、基于获取骨骼数据范围在ct数据库中匹配对应的椎体模型，ct数据库可以是采用现有技术中的技术手段建立的椎体ct图像数据库，其用于为后述的椎体建模提供基础建模数据和模型修正数据；
48.s102-3、将皮肤数据获取的椎体模型进行融合建模，获取待穿刺处的立体模型图像。
49.在一种优选地实施方式中，将皮肤数据获取的椎体模型进行融合建模后获取虚拟模型，将该虚拟模型与c形臂x线机透视照射获取的透视影像进行比对，基于图像重合度计算方法计算模型拟合度，在模型拟合度达到要求阈值t1时，将虚拟模型作为待穿刺处的立体模型图像；在模型拟合度大于或等于要求阈值t2且小于要求阈值t1时，微调所述椎体模型中的椎体参数，并重新计算模型拟合度；当模型拟合度小于要求阈值t2时，重新进行c形臂x线机透视照射获取透视影像，基于新的透视影像获取椎体模型并获取虚拟模型，以及进行模型拟合度计算比对，直至模型拟合度达到要求阈值t1。其中，图像重合度计算方法为现有技术中的任意一种，其用于计算两个图像之间的重合度，要求阈值t1、要求阈值t2、要求阈值t3均为基于术者经验预设的数值。当模型拟合度大于或等于要求阈值t1时，说明虚拟模型与c形臂x线机透视照射获取的透视影像高度相似，可以将该虚拟模型作为用于穿刺模拟和穿刺点定位的立体模型图像。当模型拟合度大于或等于要求阈值t2且小于要求阈值t1时，在广义上理解应当是：此时的虚拟模型与c形臂x线机透视照射获取的透视影像之间存在细微的差异，对椎体模型的相关尺寸进行调整即可提高模型拟合度。当模型拟合度小于要求阈值t2时，说明虚拟模型与c形臂x线机透视照射获取的透视影像之间的差异性较大，无法将该虚拟模型作为用于穿刺模拟和穿刺点定位的立体模型图像。
50.在一种优选地实施方式中，所述模拟穿刺模块模拟具体包括以下步骤：
51.术者通过所述模拟穿刺模块在立体模型图像中进行穿刺点选取，所述穿刺点包括皮肤外表定位点和椎体定位点；
52.术者通过所述模拟穿刺模块中虚拟的穿刺针对选取的穿刺点进行模拟穿刺，确定穿刺方向和穿刺点定位。
53.进一步地，回看图2，所述可视导航部包括控制模块，所述控制模块与所述高度调整驱动单元控制连接，配置为控制所述高度调整驱动单元的输出量，用于对所述蛇形自由臂3的第一端上移或下移的位移量进行控制。所述控制模块与所述微调关节单元控制连接，还配置为控制所述微调关节单元的输出量，用于对所述蛇形自由臂3的第二端在x轴方向和z轴方向上的转动量进行控制。所述控制模块与所述蛇形自由臂3控制连接，配置为控制所述蛇形自由臂3在三维空间内朝向的任意方向移动进行姿态调整。控制模块与高度调整驱动单元、微调关节单元、蛇形自由臂3的具体控制方式、数据传输方式、驱动程序均可以是现有技术中的任意一种，该部分不属于本技术的实质技术改进点，在此不做赘述。
54.工作原理：
55.1、基于可视导航部的设置，通过x射线取像模块在术前进行待穿刺位置的透视影像获取，建模模块基于x射线取像模块获取的透视影像对病人待穿刺处进行三维建模获取立体模型图像，模拟穿刺模块基于所述建模模块建立的立体模型图像进行穿刺点定位和穿刺模拟，从而便于对穿刺针的初始锚定位置及进针方向的确定，控制机械操作部使穿刺针移动到对应穿刺位置并使机械操作部的姿态固定，防止固定器在逐步进针过程中发生锚定位置及穿刺方向改变，从而很好地固定经皮椎弓根穿刺针的初始锚定位置及穿刺方向，防止其发生变化。
56.2、在术中需调整经皮椎弓根穿刺针的初始锚定位置及进针方向时，松开固定器即可调整穿刺针的姿态，徒手将穿刺针调整至合适位置后重新固定即可继续进针。
57.最后应说明的是：以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。