阅读说明：本技术 一种基于vr场景的激光消融导航系统及其方法 (Laser ablation navigation system based on VR scene and method thereof ) 是由 张潇 翟文国 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于VR场景的激光消融导航系统及其方法,该消融导航系统包括导航工作站、激光能量输出设备、CT扫描装置、VR设备、消融针,所述导航工作站分别与CT扫描装置、激光能量输出设备以及VR设备电性连接,所述消融针与激光能量输出设备电性连接,所述激光能量输出设备向导航工作站传输消融针空间坐标,所述CT扫描装置对病人进行扫描并向导航工作站中传输病变位置的空间坐标,所述导航工作站对消融针空间坐标以及病变位置的空间坐标进行整合并向VR设备中传输坐标数据,本发明科学合理,使用安全方便,VR设备通过工作站获取数据,VR设备对消融针在人体中的位置进行三维显示,方便医务人员掌握真实数据。(The invention discloses a laser ablation navigation system based on VR scene and a method thereof, the ablation navigation system comprises a navigation workstation, a laser energy output device, a CT scanning device, VR equipment and an ablation needle, the navigation workstation is respectively electrically connected with the CT scanning device, the laser energy output device and the VR equipment, the ablation needle is electrically connected with the laser energy output device, the laser energy output device transmits the spatial coordinates of the ablation needle to the navigation workstation, the CT scanning device scans a patient and transmits the spatial coordinates of a lesion position to the navigation workstation, the navigation workstation integrates the spatial coordinates of the ablation needle and the spatial coordinates of the lesion position and transmits coordinate data to the VR equipment, the invention is scientific and reasonable, the use is safe and convenient, the VR equipment acquires data through the workstation, and the VR equipment three-dimensionally displays the position of the ablation needle in a human body, the medical staff can conveniently master the real data.)

一种基于VR场景的激光消融导航系统及其方法

技术领域

本发明涉及激光消融导航技术领域，具体是一种基于VR场景的激光消融导航系统及其方法。

背景技术

消融手术作为一种微创手术，消融针植入人体内部，医生无法观察到人体内部消融针的行进情况，目前普遍的方法是通过B超影像实时跟踪消融针的行进路径，但是，B超图像一般分辨率较低，并且是平面图像，难以在三维场景下观察消融针的行进情况，以及消融针与病灶、周围组织的相对位置关系，是一个半盲状态的操作。

现有的消融手术计划制作和导航系统都是基于平面图形显示或三维重建后的平面显示；这种显示技术的缺点是只能显示病灶及周围组织的二维位置关系，没有三维的深度等相对位置关系；在做消融计划和导航时，无法精确定位三维位置关系，在实操过程中有极大难度。

所以，人们需要一种基于VR场景的激光消融导航系统及其方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于VR场景的激光消融导航系统及其方法，以解决现有技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于VR场景的激光消融导航系统，该消融导航系统包括导航工作站、激光能量输出设备、CT扫描装置、VR设备、消融针，所述导航工作站分别与CT扫描装置、激光能量输出设备以及VR设备电性连接，所述激光能量输出设备与消融针电性连接，所述CT扫描装置对病患进行扫描并向导航工作站中传输多组医疗图像数据，所述激光能量输出设备向导航工作站传输消融针的空间坐标，所述激光能量输出设备向消融针中输入不同功率的激光能量，所述导航工作站对多组医疗图像进行处理并建立三维影像，导航工作站对消融针的空间坐标以及三维影像进行整合并传输到VR设备中，所述VR设备根据空间坐标以及三维影像显示出消融针在病患身体中的三维位置影像。CT扫描装置对病人的人体进行三维扫描并生成三维空间坐标系，CT扫描装置对病变肿瘤的三维空间坐标进行标定，激光能量输出设备通过电磁场获取激光消融装置在人体中的三维空间坐标以及人体在电磁场下形成的三维空间坐标系，导航工作站对CT扫描装置扫描后的医疗图像进行三维重建，并将两组三维空间坐标系整合到三维影像中，导航工作站将整合后的三维影像数据传输到VR设备中，VR设备通过工作站获取三维影像数据，VR设备对激光消融装置即消融针在人体中的位置进行三维显示，通过实时了解消融针在人体中的位置，方便医务人员掌握真实数据并对病变肿瘤进行激光消融。

该消融导航系统还包括电磁场发生器；所述激光能量输出设备包括若干组激光发生器、控制器以及电磁定位系统，所述电磁场发生器与控制器电性连接，所述电磁场发生器为电磁定位系统定位消融针的位置释放电磁场，所述控制器与若干组所述激光发生器电性连接，控制器与导航工作站电性连接，所述电磁定位系统与控制器电性连接，所述激光发生器与消融针电性连接，激光发生器向消融针中发送不同功率的激光能量。

所述消融针的顶端设置有电磁定位传感器，消融针内部设置有若干组光纤，若干组所述光纤的一端贯穿消融针壳体，若干组所述光纤的另一端与激光发生器连接，所述电磁定位传感器与电磁定位系统电性连接，电磁定位传感器将消融针在病患体中的实时位置传输到电磁定位系统中。光纤与激光发生器连接，激光发生器将激光能量传输到光纤中，光纤对激光能量进行传输并在光纤的末端产生能量域，电磁定位传感器与电磁定位系统连接，电磁定位传感器在电磁场发生器释放的电磁场中进行运动，电磁定位传感器将消融针在人体中的位置进行实时上传，消融针通过光纤末端形成的能量域对肿瘤进行激光消融。

一种基于VR场景的激光消融导航方法，该激光消融方法包括以下步骤：

Step1、CT扫描装置对病患进行扫描，生成多组医疗图像，并在医疗图像中对肿瘤位置进行标定，CT扫描装置将医疗图像传输到导航工作站中；

Step2、电磁发生器向病患释放电磁场，激光能量输出设备对病患在电磁场下形成的三维空间坐标系进行数据收集，激光能量输出设备将数据传输到导航工作站中；

Step3、将消融针注射到病患体中，激光能量输出设备将消融针在病患体中的实时位置传输到到导航工作站中；

Step4、导航工作站对医疗图像进行数据处理并建立三维影像，导航工作站将三维影像与三维空间坐标系进行数据整合，导航工作站将整合后的三维影像以及消融针的实时坐标数据传输到VR设备中；

Step5、VR设备对消融针在三维影像中的实时位置进行显示。

所述Step1的具体步骤如下：所述CT扫描装置对病患进行全面的扫描，在扫描过程中生成多组二维医疗图像，并在多组医疗图像中对病患病变的位置进行定位，CT扫描装置将多组医疗图像数据传输到导航工作站中；

所述Step2的具体步骤如下：电磁场发生器向病患释放电磁场，使处于电磁场中的病患体内形成三维空间坐标系，电磁场发生器将三维空间坐标系的数据进行收集并传输到控制器中，激光能量输出设备通过控制器将三维空间坐标系的数据传输到导航工作站中；

所述Step3的具体步骤如下：消融针通过注射装置注射到病患体内，电磁定位传感器将消融针在病患体内的实时位置传输到电磁定位系统中，所述电磁定位系统通过电磁定位传感器对消融针在病患体中的实时位置进行三维定位，并将位置数据传输到控制器中，所述控制器将三维空间坐标系数据以及三维定位的位置数据传输到导航工作站中。

所述Step4的具体步骤如下：所述导航工作站根据CT扫描装置传输的多组医疗图像数据建立病变位置的空间坐标集合T＝{X，Y，Z|(X₁，Y₁，Z₁)，(X₂，Y₂，Z₂)，…，(X_n，Y_n，Z_n)}，其中X代表肿瘤在人体中左右方向上的位置、Y代表肿瘤在人体中上下方向上的位置、Z代表肿瘤在人体中前后方向上的位置，(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)以及到(X_n，Y_n，Z_n)均代表细胞病变后肿瘤在人体中的位置，同时导航工作站对CT扫描装置传输的多组医疗图像数据进行分割并进行三维重建，导航工作站将三维重建后形成的三维空间医疗影像传输到VR设备中。

所述导航工作站对CT扫描装置传输的多组医疗图像数据进行识别、分割、重建，导航工作站在对医疗图像进行处理时计算出肿瘤的形状以及肿瘤各个位置的厚度，导航工作站并再次根据肿瘤的形状以及厚度计算出各个激光发生器的输出功率，导航工作站通过控制器使激光发生器向消融针中传输不同功率的激光能量。

所述Step4还包括如下步骤：所述导航工作站根据控制器传输的三维位置定位建立消融针在人体中的空间坐标集合J＝{x，y，z|(x₁，y₁，z₁)，(x₁，y₁，z₁)，···，(x_n，y_n，z_n)}，其中x代表消融针在人体中左右方向上的位置、y代表消融针在人体中上下方向上的位置、z代表消融针在人体中前后方向上的位置，(x₁，y₁，z₁)、(x₁，y₁，z₁)以及到(x_n，y_n，z_n)均代表消融针在人体中的实时位置，导航工作站将集合T以及集合J进行对比，实现对消融针在人体中位置的导航。

所述导航工作站对三维医疗影像以及三维空间坐标系进行数据整合，并将整合后的三维医疗影像以及消融针的实时位置数据传输到VR设备中。

所述Step5的具体步骤如下：所述VR设备对导工作站传输的三维医疗影像进行显示，同时VR设备根据消融针的实时位置数据在三维医疗影像中进行实时的变化及显示，VR设备将消融针与肿瘤之间的相对位置在三维影像中进行清晰的显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在实施肝癌的激光消融手术过程中，导航工作站首先对患者的CT、MR等图像进行处理校准，进而进行器官和病灶的识别与分割和三维重建；工作站连接电磁定位传感器，实施将消融针的空间坐标信息传输到工作站，工作站对坐标进行转换转换为VR场景下的空间坐标，此时工作站将影像信息和消融针空间信息同时传输到VR设备，消融针在人体中的行进运动转化为在VR虚拟场景下的运动，医生便能清晰的在VR场景下清晰的看到消融针在人体的运动行进情况。

2、本激光消融导航系统使医务人员在实际操作中能够更加准确的判断消融针与病灶的相对位置关系，手术过程中能够更准确的植入消融针，减少消融手术过程中医疗事故的发生；通过VR设备实现了整个过程的三维场景下面的还原，具有实时、立体、准确的特点，非常方便手术过程中的导航操作。

附图说明

图1为本发明一种基于VR场景的激光消融导航方法的流程图；

图2为本发明一种基于VR场景的激光消融导航系统的整体结构示意图；

图3为本发明一种基于VR场景的激光消融导航系统的激光能量输出设备结构示意图；

图4为本发明一种基于VR场景的激光消融导航系统的消融针结构示意图。

附图标号如下：1、消融针；2、光纤；3、电磁定位传感器。

具体实施方式

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。

实施例：如图1-4所示，本实施例以人体为例，病人即为上述的病患，导航工作站为安装有导航软件的电脑，激光消融导航系统计算出肿瘤的形状以及各个角度所对应的肿瘤厚度后，医疗人员对消融针在人体中行进的轨迹以及消融针与肿瘤之间的距离和消融针对肿瘤进行消融的角度进行消融计划。

一种基于VR场景的激光消融导航系统，该消融导航系统包括导航工作站、激光能量输出设备、CT扫描装置、VR设备、消融针，导航工作站通过通信电缆分别与CT扫描装置、激光能量输出设备以及VR设备进行电性连接，激光能量输出设备通过通信电缆分别与电磁场发生器、消融针进行电性连接；

CT扫描装置对病人进行多组平面扫描并生成多组医疗图像，CT扫描装置在医疗图像中对病变肿瘤的位置进行标定，CT扫描装置将生成的多组医疗图像数据传输到导航工作站中；

在CT扫描装置对病人进行扫描后，电磁场发生器向人体释放电磁场，使电磁场在人体中形成三维空间坐标系，将消融针注入人体后，激光能量输出设备对消融针在人体中的位置进行实时监测，并将电磁场形成的三维空间坐标以及消融针的实时位置传输到导航工作站中；

导航工作站对CT扫描装置传输的多组医疗图像进行分割、三维重建，使医疗图像重建为三维影像，导航工作站将电磁场形成的三维空间坐标系与三维医疗影像进行整合，导航工作站根据医疗图像中病变位置的定位将病变肿瘤的位置在三维影像中进行显示，导航工作站将重建的三维影像数据以及消融针的实时空间坐标传输到VR设备中；

VR设备根据数据显示出人体的三维坐标影像，同时将消融针在人体中的实时位置以及与肿瘤之间的相对位置进行三维显示。

激光能量输出设备包括若干组激光发生器、控制器以及电磁定位系统，电磁定位系统由II号控制器以及安装在消融针前端的电磁定位传感器组成，电磁场发生器与控制器电性连接，控制器通过导线与若干组激光发生器电性连接，控制器通过通信电缆与导航工作站进行电性连接，II号控制器通过导线与控制器进行电性连接；

电磁场发生器为电磁定位系统定位消融针的位置释放电磁场，电磁场发生器通过电磁场的释放使人体变为三维的空间坐标系，电磁场发生器将三维空间坐标系的数据进行收集并传输到控制器中，电磁定位系统通过电磁定位传感器对消融针在人体中的实时位置进行三维定位，并将位置数据传输到控制器中，控制器将三维空间坐标系数据以及三维定位的位置数据传输到导航工作站中，当消融针到达指定位置后，导航工作站根据肿瘤的不同厚度向控制器中传输数据，控制器根据导航工作站传输的数据控制若干组激光发生器向消融针中传输不同功率的能量。

消融针内部设置有若干组光纤，若干组光纤与若干组激光发生器一一对应，消融针的前端加工有若干组圆孔，若干组光纤的一端通过圆孔贯穿消融针的壳体，若干组光纤的末端位于圆孔中，若干组光纤的另一端与激光发生器连接，电磁定位传感器安装在消融针的顶端，电磁定位传感器与电磁定位系统通过信号线进行电性连接，电磁定位传感器在电磁场发生器释放的电磁场中进行运动，电磁定位传感器将消融针在人体中的位置进行实时上传；

控制器控制若干组激光发生器向光纤中传输功率不同的激光能量，激光能量在光纤中传输并在光纤的末端形成能量域，若干组光纤通过若干组激光发生器传输的不同功率的激光能量在消融针的末端形成能量不同的能量域，消融针通过光纤末端形成的能量域对肿瘤进行激光消融，其中，功率越小，光纤末端对应的肿瘤厚度越薄；功率越大，光纤末端对应的肿瘤厚度越厚。

一种基于VR场景的激光消融导航方法，该激光消融方法包括以下步骤：

Step1、CT扫描装置对病患进行扫描，生成多组医疗图像，并在医疗图像中对肿瘤位置进行标定，CT扫描装置将医疗图像传输到导航工作站中；

Step2、电磁发生器向病患释放电磁场，激光能量输出设备对病患在电磁场下形成的三维空间坐标系进行数据收集，激光能量输出设备将数据传输到导航工作站中；

Step3、将消融针注射到病患体中，激光能量输出设备将消融针在病患体中的实时位置传输到到导航工作站中；

Step4、导航工作站对医疗图像进行数据处理并建立三维影像，导航工作站将三维影像与三维空间坐标系进行数据整合，导航工作站将整合后的三维影像以及消融针的实时坐标数据传输到VR设备中；

Step5、VR设备对消融针在三维影像中的实时位置进行显示。

Step1的具体步骤如下：所述CT扫描装置对病患进行全面的扫描，在扫描过程中生成多组二维医疗图像，并在多组医疗图像中对病患病变的位置进行定位，CT扫描装置将多组医疗图像数据传输到导航工作站中。

Step2的具体步骤如下：电磁场发生器向病患释放电磁场，使处于电磁场中的病患体内形成三维空间坐标系，电磁场发生器将三维空间坐标系的数据进行收集并传输到控制器中，激光能量输出设备通过控制器将三维空间坐标系的数据传输到导航工作站中。

Step3的具体步骤如下：消融针通过注射装置注射到病患体内，电磁定位传感器将消融针在病患体内的实时位置传输到电磁定位系统中，所述电磁定位系统通过电磁定位传感器对消融针在病患体中的实时位置进行三维定位，并将位置数据传输到控制器中，所述控制器将三维空间坐标系数据以及三维定位的位置数据传输到导航工作站中。

Step4的具体步骤如下：导航工作站根据CT扫描装置传输的多组医疗图像数据建立病变位置的空间坐标集合T＝{X，Y，Z|(X₁，Y₁，Z₁)，(X₂，Y₂，Z₂)，…，(X_n，Y_n，Z_n)}，其中X代表肿瘤在人体中左右方向上的位置、Y代表肿瘤在人体中上下方向上的位置、Z代表肿瘤在人体中前后方向上的位置，(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)以及到(X_n，Y_n，Z_n)均代表细胞病变后肿瘤在人体中的位置，同时导航工作站对CT扫描装置传输的多组医疗图像数据进行分割并进行三维重建，导航工作站将三维重建后形成的三维空间医疗影像传输到VR设备中。

导航工作站对CT扫描装置传输的多组医疗图像数据进行识别、分割、重建，导航工作站在对医疗图像进行处理时计算出肿瘤的形状以及肿瘤各个位置的厚度，导航工作站并再次根据肿瘤的形状以及厚度计算出各个激光发生器的输出功率，导航工作站通过控制器使激光发生器向消融针中传输不同功率的激光能量。

Step4还包括如下步骤：导航工作站根据控制器传输的三维位置定位建立消融针在人体中的空间坐标集合J＝{x，y，z|(x₁，y₁，z₁)，(x₁，y₁，z₁)，…，(x_n，y_n，z_n)}，其中x代表消融针在人体中左右方向上的位置、y代表消融针在人体中上下方向上的位置、z代表消融针在人体中前后方向上的位置，(x₁，y₁，z₁)、(x₁，y₁，z₁)以及到(x_n，y_n，z_n)均代表消融针在人体中的实时位置，导航工作站将集合T以及集合J进行对比，实现对消融针在人体中位置的导航。

导航工作站对三维医疗影像以及三维空间坐标系进行数据整合，并将整合后的三维医疗影像以及消融针的实时位置数据传输到VR设备中。

Step5的具体步骤如下：VR设备对导工作站传输的三维医疗影像进行显示，同时VR设备根据消融针的实时位置数据在三维医疗影像中进行实时的变化及显示，VR设备将消融针与肿瘤之间的相对位置在三维影像中进行清晰的显示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且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。