CN103971574B - 超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，包括弹性假体；仿真超声探针；仿真穿刺针；电磁追踪设备，其获取仿真超声探针和仿真穿刺针的位置和方向信息，将该信息传送至影像引导模块；术前CT图像模块；以及影像引导模块，包括处理模块、配准模块、实时CT切面图像模块、仿真超声图像模块、显示模块和融合模块，其中，在所述配准之后，仿真穿刺针插入假体执行仿真穿刺手术。本发明由于采用了仿真超声探针和仿真穿刺针，大大降低了仿真系统的成本，能够以低成本方式满足复杂技能训练的需要。
Description
技术领域
本发明涉及医学技术领域，具体涉及超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统。
背景技术
超声(US)引导肿瘤穿刺技术已经广泛应用于肿瘤治疗领域。穿刺手术需要医生具有熟练的技能，尤其是对手眼协调操作要求比较高。因此，需要发展各种训练方法来强化医生的手眼协调能力。目前，有一些仿真系统用来执行术前规划和术中模拟。但是，这些系统都需要用到超声机器，且在手术室内执行模拟，一方面超声机器是非常昂贵的，另一方面，在手术室内进行模拟会受到许多非技术因素的影响，使得模拟效果不理想。而且，当前的仿真系统仅能用来训练布针技能，不能满足更复杂的技能训练的要求，诸如选择优化穿刺路径、进针角度和进针深度等。因此，迫切需要一种在手术室外的低成本的可满足复杂技能训练的仿真系统。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，使得以低成本方式满足复杂技能训练的需要。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，包括：弹性假体，其模拟患者结构；仿真超声探针，其能够在假体上移动以实时仿真扫描；仿真穿刺针，其能够插入假体执行仿真穿刺手术；电磁追踪设备，其获取仿真超声探针和仿真穿刺针的位置和方向信息，将该信息传送至影像引导模块；术前CT图像模块，其读取及显示患者术前CT图像；以及影像引导模块。影像引导模块包括：处理模块，将由术前CT图像重构出3D影像模型；配准模块，其将术前CT图像和弹性假体配准；实时CT切面图像模块，其在所述配准之后，随着仿真超声探针在假体上移动，由术前CT图像根据仿真超声探针的位置和方向生成实时CT切面图像；仿真超声图像模块，其由实时CT切面图像生成对应的仿真超声图像；显示模块，其显示实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型，以及融合模块，其根据仿真穿刺针的位置和方向将仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上，穿刺路径示出仿真穿刺针的插入点、插入角度、插入深度以及消融场。在所述配准之后，仿真穿刺针插入假体执行仿真穿刺手术。
作为优选，所述电磁追踪设备包括电磁场发生器、传感器、传感器接口单元和控制单元，控制单元控制电磁场发生器和传感器，传感器获取仿真超声探针和仿真穿刺针的位置和方位信息。
作为进一步的优选，所述传感器为6自由度传感器。
作为优选，所述仿真超声探针选择假体中的至少三个标记点，利用影像引导模块选择患者术前CT图像中对应的至少三个标记点，所述配准模块使用算法将这些标记点统一在同一坐标系统中以使得术前CT图像和弹性假体配准。
作为进一步的优选，所述算法包括迭代就近点算法。
作为优选，所述影像引导模块还包括术前规划模块，其保存在术前CT图像和/或3D影像模型上规划出的仿真穿刺针插入弹性假体的预穿刺路径。
作为优选，所述影像引导模块还包括术中观察模块，其在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上同时显示仿真穿刺针的预穿刺路径和实时穿刺路径。
作为优选，所述影像引导模块还包括术后评估模块，其基于肿瘤数据和消融场数据分析肿瘤是否完全消融。
作为优选，所述仿真超声探针和仿真穿刺针由体感游戏机的手控柄构成。
本发明由于采用了仿真超声探针和仿真穿刺针，大大降低了仿真系统的成本，能够以低成本方式满足复杂技能训练的需要。
附图说明
图1为本发明实施例的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统的结构示意图。
图2为术前CT图像以及由术前CT图像重构的3D影像模型示意图，其中左上图为术前CT图像，其他图为各种3D影像模型，其中右上图示意地示出肿瘤、肝、重要血管结构的表面绘制，左下图示意地示出肿瘤、重要血管结构的表面绘制，右下图示意地示出骨骼、肿瘤、重要血管结构的表面绘制。
图3为利用3D影像模型进行术前规划的示意图，图示了插入两个穿刺针来完全消融肿瘤。
图4为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上的示意图，其中上方图为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在3D影像模型上，左下图为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像上，右下图为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在仿真超声图像上。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为本发明实施例的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统的结构示意图。如图1所示，本发明的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统包括：弹性假体1，其模拟患者结构；仿真超声探针2，其能够在假体1上移动以实时仿真扫描；仿真穿刺针3，其能够插入假体1执行仿真穿刺手术；电磁追踪设备，其获取仿真超声探针2和仿真穿刺针3的位置和方向信息，将该信息传送至影像引导模块；术前CT图像模块，其读取及显示患者术前CT图像；以及影像引导模块。
影像引导模块包括：
处理模块，将由术前CT图像重构出3D影像模型，如图2中所示，示意性地示出了由术前CT图像重构的各种3D影像模型，其中右上图示意地示出肿瘤、肝、重要血管结构的表面绘制，左下图示意地示出肿瘤、重要血管结构的表面绘制，右下图示意地示出骨骼、肿瘤、重要血管结构的表面绘制；
配准模块，其将术前CT图像和弹性假体1配准；实时CT切面图像模块，其在所述配准之后，随着仿真超声探针2在假体1上移动，由术前CT图像根据仿真超声探针2的位置和方向生成实时CT切面图像；
仿真超声图像模块，其由实时CT切面图像生成对应的仿真超声图像；
显示模块，其显示实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型；以及
融合模块，其根据仿真穿刺针3的位置和方向将仿真穿刺针3的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上，穿刺路径示出仿真穿刺3的插入点、插入角度、插入深度以及消融场。图4为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上的示意图，其中上方图为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在3D影像模型上，左下图为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像上，右下图为仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在仿真超声图像上；
在所述配准之后，仿真穿刺针3插入假体1执行仿真穿刺手术。
本发明由于采用了仿真超声探针2和仿真穿刺针3，大大降低了仿真系统的成本，能够以低成本方式满足复杂技能训练的需要。具体来说，本发明不需要像现有技术那样采用真实的超声设备，而是采用了仿真超声探针2和仿真穿刺针3。仿真超声探针2的作用仅仅是模拟超声探针的移动方式而已，无需其他功能。仿真穿刺针3的作用仅仅是模拟穿刺针的插入方式而已，无需其他功能。电磁追踪设备仅需获得仿真超声探针2和仿真穿刺针3的位置和方向信息，无需其他信息。在整个过程中，无需获得真实的超声图像，仅需由实时CT切面图像生成对应的仿真超声图像，这大大降低了系统的成本。
电磁追踪设备可以包括电磁场发生器、传感器、传感器接口单元和控制单元，控制单元控制电磁场发生器和传感器，传感器获取仿真超声探针2和仿真穿刺针3的位置和方位信息。传感器可以为各种传感器，例如6自由度传感器。
影像引导模块允许医生对3D影像模型执行各种操作，诸如隐藏、可视化、选择、测量、移动等，从而更直观地观察解剖结构之间的复杂关系。例如，通过影像引导模块，可以计算和观察肿瘤的体积、最大直径、肿瘤与周边血管的最小距离等。
在进行穿刺手术之前，必须进行图像配准。配置模块可以实现该功能。例如，仿真超声探针2选择假体1中的至少三个标记点，利用影像引导模块选择患者术前CT图像中对应的至少三个标记点，所述配准模块使用算法将这些标记点统一在同一坐标系统中以使得术前CT图像和弹性假体1配准。配准后，随着仿真超声探针2在假体1上移动，根据仿真超声探针2的位置和方向显示实时CT切面图像。所述算法可以包括各种适合的算法，优选迭代就近点算法。
影像引导模块还可以包括术前规划模块，其保存在术前CT图像和/或3D影像模型上规划出的仿真穿刺针3插入弹性假体1的预穿刺路径。如图3所示，其示出了利用3D影像模型进行术前规划的示意图，图示了插入两个穿刺针来完全消融肿瘤。
影像引导模块还可以包括术中观察模块，其在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上同时显示仿真穿刺针3的预穿刺路径和实时穿刺路径。这样可以方便的进行术中观察，当实时穿刺路径与预穿刺路径不同时，医生通过操作及时改变仿真穿刺针3的实时穿刺路径。
影像引导模块还可以包括术后评估模块，其基于肿瘤数据和消融场数据分析肿瘤是否完全消融。
仿真超声探针2和仿真穿刺针3可以由能实现本发明目的的各种合适器件构成。发明人发现，由体感游戏机的手控柄构成仿真超声探针2和仿真穿刺针3能够大大降低仿真系统的成本。
当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，其特征在于，包括：
弹性假体，其模拟患者结构；
仿真超声探针，其能够在假体上移动以实时仿真扫描；
仿真穿刺针，其能够插入假体执行仿真穿刺手术；
电磁追踪设备，其获取仿真超声探针和仿真穿刺针的位置和方向信息，将该信息传送至影像引导模块；
术前CT图像模块，其读取及显示患者术前CT图像；以及
影像引导模块，包括：
处理模块，将由术前CT图像重构出3D影像模型；
配准模块，其将术前CT图像和弹性假体配准；
实时CT切面图像模块，其在所述配准之后，随着仿真超声探针在假体上移动，由术前CT图像根据仿真超声探针的位置和方向生成实时CT切面图像；
仿真超声图像模块，其由实时CT切面图像生成对应的仿真超声图像；
显示模块，其显示实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型，以及
融合模块，其根据仿真穿刺针的位置和方向将仿真穿刺针的实时穿刺路径融合显示在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上，穿刺路径示出仿真穿刺针的插入点、插入角度、插入深度以及消融场，
其中，在所述配准之后，仿真穿刺针插入假体执行仿真穿刺手术，所述仿真超声探针选择假体中的至少三个标记点，利用影像引导模块选择患者术前CT图像中对应的至少三个标记点，所述配准模块使用算法将这些标记点统一在同一坐标系统中以使得术前CT图像和弹性假体配准；
所述影像引导模块还包括术前规划模块，其保存在术前CT图像和/或3D影像模型上规划出的仿真穿刺针插入弹性假体的预穿刺路径；
所述影像引导模块还包括术中观察模块，其在实时CT切面图像、仿真超声图像及3D影像模型上同时显示仿真穿刺针的预穿刺路径和实 时穿刺路径。
2.根据权利要求1所述的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，其特征在于，所述电磁追踪设备包括电磁场发生器、传感器、传感器接口单元和控制单元，控制单元控制电磁场发生器和传感器，传感器获取仿真超声探针和仿真穿刺针的位置和方位信息。
3.根据权利要求2所述的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，其特征在于，所述传感器为6自由度传感器。
4.根据权利要求1所述的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，其特征在于，所述算法包括迭代就近点算法。
5.根据权利要求1所述的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，其特征在于，所述影像引导模块还包括术后评估模块，其基于肿瘤数据和消融场数据分析肿瘤是否完全消融。
6.根据权利要求1所述的超声引导肿瘤穿刺训练仿真系统，其特征在于，所述仿真超声探针和仿真穿刺针由体感游戏机的手控柄构成。
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