一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法
【專利摘要】本發明涉及一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法，本方法將微細探針安裝在高精度力傳感器上，力傳感器安裝在手術設備所在顱外坐標系的Z軸上。首先通過利用顱骨表面的標記點，使得顱外設備坐標系的某一軸向面與顱內坐標系的相應的軸向面相平行，然后再利用通過顱內坐標原點與正中矢狀面相垂直的垂線與顱骨表面的交點，利用交點這一標記點移動顱外坐標系原點與顱內原點相重合，達到顱內外坐標系耦合的目的。此方法設計構思巧妙，精確度高，解決了一系列現有技術中存在的問題，操作方便，效果顯著。
【專利說明】一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標 系的耦合方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合 方法，屬于腦立體定位【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 顱腦內部疾病，如帕金森病、癲癇、腫瘤或血腫等通常要經過外科定向手術才能清 除或根治。首要的問題是確定病灶的具體位置，以實現微創電極或穿刺針等手術工具的精 確定位，此過程需要顱內腦組織坐標系與醫療設備坐標系的精確耦合。顱內腦組織坐標系 是通過電子計算機X線體層掃描技術（CT)或磁共振技術（MRI)等醫學影像掃描技術的斷 層圖像重建病人顱內空間并構建坐標系以聯系顱內腦組織的位置關系，此過程可同時確定 病灶或顱骨表面標記點的具體方位，并取得其顱內坐標值。醫療設備坐標系是指醫療機器 人或其它醫療設備操作時所使用的坐標系。
[0003] 目前顱內外坐標系的耦合方法主要分為有框式和無框式兩種。其中有框式方法需 要將腦立體定位框架固定在病人的頭部。首先通過四根角柱將基環固定在病人的顱骨上， 如圖2所示；然后將腦立體定位框架安裝在基環上，該基環為病灶提供統一的基準，如圖3 所示；將病人頭部連同基環和腦立體定位框架一起進行醫學影像掃描，如圖4所示。由于顱 內組織和框架在圖像上可見，因此顱內各點的坐標可以被限定在框架的坐標系中，目標靶 點可以通過腦立體定位框架所確定笛卡爾坐標系的三個坐標值唯一確定；最后將醫療設備 安裝在腦立體定位框架上進行手術治療。
[0004] 基于無框架的立體定位方法是發展趨勢，無框架式方法通過貼在病人腦部或人體 自身顱骨表面的標記點建立醫學圖像空間和手術設備空間的對應關系，分為有機械臂式和 無機械臂式兩種定位方法。有機械臂式定位方法是指醫生通過操縱醫療機器人的機械臂， 接觸病人頭部的標記來確定標記的位置，然后推算出標記中心在手術設備空間下的坐標， 通過顱骨表面所貼的標記點建立顱內外坐標系的耦合關系，如圖5所示；無機械臂式定位 方法是指利用超聲、紅外、磁場或可見光等方法定位標記中心在手術設備空間下的坐標，然 后建立顱內外坐標系的耦合關系，如圖6所示。
[0005] 有框架和無框架立體定位方法都存在一定的問題，有框架方法的缺點：四根角柱 通過螺釘將基環緊固在病人頭部會給頭部帶來創傷，若病人之前頭部受傷則可能無法安 裝；安裝在基環上的框架使患者在整個成像和手術過程中存在壓迫感和疼痛；因疼痛患者 的不自主移動可能引起框架不明顯的位移，導致手術操作精度的嚴重損失；因年齡、性別及 種族等因素，不同病人的腦部尺寸差異較大，框架存在一定的兼容性問題；框架會影響MRI 線圈的安裝；框架會引起MRI掃描儀磁場的失真，在成像中產生潛在偽影，導致靶點精度的 損失；框架會對手術部位特別是多病變部位產生一定的遮擋；手術過程外流的血液或腦脊 液等可能通過腦立體定位框架引起病人之間的感染。
[0006] 無框架立體定位方法相對方便，但也存在一些問題：此方法需要特定的能在醫學 影像掃描技術下顯示的標記物，增加了定位成本，并且在標記物缺乏的條件下不適用；標記 物移動會引起定位精度誤差甚至定位失敗；難以滿足急診條件下的腦血管意外受損緊急微 創手術的快速精確定位的要求；基于人體自身顱骨表面標記點的方式進行定位，如鼻尖、耳 垂、眼角等特征位置，也存在一些問題，當選擇的特征標記點較多時，這些特征點之間沒有 任何直接聯系，醫生在三維圖像數據中手動定位這些特征點比較麻煩，且容易出錯；超聲、 紅外、磁場或可見光等標記識別方法定位精度相對較低，且需要復雜的程序，存在一定的程 序風險，可靠性差。
[0007] 以上幾種方法雖然都能實現顱內腦組織坐標系與醫療設備坐標系的耦合，但都存 在較多問題，因此對神經外科腦立體定位術中顱內外坐標系的便捷精確耦合提出了現實且 迫切的需求，急需尋求一種便捷高效的耦合方法。
【發明內容】
[0008] 術語解釋：
[0009] AC-PC線：聯合間線，為前聯合后緣中點至后聯合前緣中點的連線，又稱AC-PC線， 腦立體定位斷層解剖研究多以此為基線。
[0010] MRI :磁共振成像，是利用原子核在磁場內共振所產生信號經重建成像的一種成像 技術，是一項新的醫學影像診斷技術。
[0011] 基于顱骨表面標記點與顱內腦組織結構具有一定立體對應關系的原理，本發明提 出一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法。
[0012] 本發明的技術方案如下：
[0013] 本發明使用的手術設備可以自動實現X、Y、Z軸的高精度移動和底座角度的微細 調節，X、Y、Z軸的直線性為lOym/lOOmm，重復定位精度為5μπι，Z軸的分辨率可達2μπι ; 底座的角度可通過手動調節角度調整裝置簡單實現，手術前將微細探針安裝在高精度力傳 感器上，力傳感器安裝在手術設備的Ζ軸上。
[0014] 一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法，包括如 下步驟，
[0015] (1)首先，對病人頭部進行CT或MRI三維掃描，根據掃描結果，依據現有技術通過 計算機重建得到顱內三維圖像數據；
[0016] (2)以顱內AC-PC線為Υ軸正向，以AC-PC線的中點為原點建立顱內笛卡爾坐標 系，即Od-xjdZt!坐標系，其中，ΧΛ面為軸向面，υ〇ζ〇面為正中矢狀面，面為冠狀面；
[0017] (3)通過計算病變靶點在顱內笛卡爾坐標系的坐標值，以確定病變靶點在顱內的 位置；
[0018] (4)創設標記點，將步驟（2)中顱內笛卡爾坐標系的軸向面平行移動與人腦顱骨 表面形成交界線，在交界線上選取至少三個標記點，記錄各標記點的坐標值，同時記錄Χ〇軸 與盧頁骨表面的交點在頡內笛卡爾坐標系的坐標值；
[0019] (5)根據病變靶點在顱內的位置調整病人頭部姿態至最有利于手術操作的部位， 通過固定病人頭部下半部位的方式將其固定在手術臺上，露出步驟（4)中的標記點及頭的 上半部位；
[0020] (6)將裝有微細探針的力傳感器安裝在顱外醫療設備笛卡爾坐標系即0-ΧΥΖ坐標 系的Z軸上，粗調醫療設備的位置及設備的Z軸位置，至微細探針的探頭容易探測顱骨表面 標記點的位置，然后將探頭的Z軸坐標置零；
[0021] (7)調整探頭的位置使探頭分別與顱骨表面交界線上的標記點相接觸，當力傳感 器檢測到接觸時，會瞬間停止Z軸運動，并記錄相應標記點Z軸坐標，觀察各標記點Z軸坐 標是否相同；
[0022] (8)通過醫療設備底座的角度調節裝置精調設備的位置，再次移動探頭的位置，檢 測并記錄交界線上各標記點的Z軸坐標，直到交界線上各標記點的Z軸坐標相同，此時，探 針所在的顱外醫療設備笛卡爾坐標系與顱內笛卡爾坐標系相平行；
[0023] (9)繼續移動探頭，使探頭檢測\軸與顱骨表面的交點，記錄該交點在顱外醫療設 備笛卡爾坐標系的坐標值，通過調整顱外醫療設備笛卡爾坐標系使該交點坐標值的Y軸值 和Z軸值置零；
[0024] (10)接著將探頭移動至顱內正中矢狀面上，探頭所移動的距離為交點在顱內坐標 系中X軸的值，通過將X軸值置零，至此實現顱內外坐標系的耦合。
[0025] 根據本發明，優選的，所述步驟（4)中標記點選為交界線的最前點、極左點和極右 點。此設計的好處在于，軸向面平行移動與顱骨表面形成的交界線為不規則的交界線，手術 時，人躺在手術床上，醫生在人腦上方進行手術，此時從上方看到該交界線在顱骨表面上的 三個點最為特殊和明顯，即交界線在顱骨最上方的點一最前點，還有交界線在顱骨兩側的 兩個邊界點一極左點和極右點，這三個點的明顯性和特殊性最有利于醫生尋找和設定標記 點，便于手術。
[0026] 根據本發明，優選的，所述力傳感器為美國ATI公司所生產的NAN017三軸力三軸 力矩傳感器。
[0027] 本發明的有益效果在于：
[0028] 1.本發明方法避免了目前腦立體定位術中需要在人腦上固定定位框架給病人帶 來疼痛的問題，采用在顱骨表面標記標記點方法進行顱內外坐標系耦合的媒介，不會給病 人帶來額外的痛苦。
[0029] 2.本發明方法解決了目前腦立體定位術中定位精度損失、醫學影像失真的問題， 采用高精度的力傳感器，采集的數據信息準確無誤，為后續顱內外坐標系的耦合提供了基 礎。
[0030] 3.本發明方法還解決了現有無框架方法實施復雜、可靠性差的問題，該方法通過 調節顱外醫療設備底座平臺進行顱外坐標系的調整，操作方便，可靠性高。
[0031] 4.本發明方法設計構思巧妙，簡單易行，效果良好，具有廣泛的市場前景和經濟價 值，值得推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032] 圖1為顱內外坐標系耦合方法原理示意圖；
[0033] 圖2為有框式方法中所用基環在顱骨上固定的結構示意圖；
[0034] 圖3為有框式方法中所用腦定位框架在基環上安裝的結構示意圖；
[0035] 圖4為有框架式病人頭部的影像掃描示意圖；
[0036] 圖5為有機械臂式檢測顱骨表面所貼標記點的耦合方法原理示意圖；
[0037] 圖6為無機械臂式檢測顱骨表面所貼標記點的耦合方法；
[0038] 圖7為無框架式病人頭部的影像掃描示意圖；
[0039] 圖8為AC - PC線及顱內坐標系的建立示意圖；
[0040] 圖9為顱內坐標系及常用基準面的示意圖；
[0041] 圖10為在顏骨表面建立標記點的位置關系不意圖；
[0042] 圖11為醫療設備底座的角度調節平臺結構不意圖；
[0043] 圖12為顱內外坐標系耦合方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面通過實施例并結合附圖對本發明做進一步說明，但不限于此。
[0045] 實施例1 :
[0046] -種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法，包括如 下步驟，
[0047] (1)首先，對帕金森病患者頭部直接進行1. 5T Siemens MRI三維掃描，如圖7所 示，根據掃描結果，依據現有技術通過計算機重建得到顱內三維圖像數據；
[0048] (2)以顱內AC-PC線為Y軸正向，以AC-PC線的中點為原點建立顱內笛卡爾坐標 系，即OcrXJdZc!坐標系，其中，ΧΛ面為軸向面，Υ〇Ζ〇面為正中矢狀面，XciZci面為冠狀面，如圖 8和圖9所示；
[0049] (3)通過計算病變靶點即丘腦底核在顱內笛卡爾坐標系的坐標值，以確定丘腦底 核在顱內的位置；
[0050] (4)創設標記點，將步驟⑵中顱內笛卡爾坐標系中的ΧΛ軸向面平行移動至與 人腦顱骨表面形成交界線，在交界線上選取三個標記點，即交界線上最前點、極左點和極右 點，采用圖像直接定位和坐標值定位相結合的方法計算顱骨表面標記點的顱內坐標值，同 時還記錄X〇軸與顱骨表面的交點在顱內笛卡爾坐標系的坐標值，如圖9和圖10所示；
[0051] (5)根據丘腦底核在顱內的位置調整病人頭部姿態至最有利于手術操作的部位， 通過固定病人頭部下半部位的方式將其固定在手術臺上，露出步驟（4)中上述標記點及頭 的上半部位，如圖1所示；
[0052] (6)將裝有微細探針的力傳感器安裝在顱外醫療設備笛卡爾坐標系即0-ΧΥΖ坐標 系的Z軸上，粗調醫療設備的位置及設備的Z軸，至微細探針的探頭容易探測顱骨表面標記 點的位置，然后將探頭的Z軸坐標置零；
[0053] (7)調整探頭的位置使探頭分別與顱骨表面交界線上的標記點即最前點、極左點 和極右點相接觸，當力傳感器檢測到接觸時，會瞬間停止Z軸運動，并記錄相應標記點的Z 軸坐標Zp Z2、Z3的數值，觀察各標記點Zp z2、z3的數值是否相同；
[0054] (8)通過醫療設備底座的角度調節裝置精調設備的位置，如圖11所示，再次移動 探頭的位置，檢測并記錄交界線上三個標記點的Z軸坐標，直到交界線上三個標記點的Z軸 坐標ZpZ 2、Z3的數值相同，此時，探針所在的顱外醫療設備笛卡爾坐標系與顱內笛卡爾坐標 系相平行；
[0055] (9)繼續移動探頭，使探頭檢測\軸與顱骨表面的交點，記錄該交點在顱外坐標系 的坐標值（X 4, Y4, Z4)，通過調整顱外醫療設備笛卡爾坐標系使該交點坐標值的Y軸值Y4和 Z軸值Z4置零；
[0056] (10)接著將探頭移動至顱內正中矢狀面上，探頭所移動的距離為交點在顱內坐標 系中X軸的值，通過將X軸置零，至此實現了顱內腦組織坐標系OcrXJoZo與醫療設備坐標系 0-ΧΥΖ的耦合。
[0057] 實施例2 :
[0058] -種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法，步驟如 實施例1所述，其不同之處在于，步驟（6)中的力傳感器為美國ATI公司所生產的NAN017 三軸力三軸力矩傳感器。
【權利要求】
1. 一種神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦合方法，包括如下 步驟， (1) 首先，對病人頭部進行CT或MRI三維掃描，根據掃描結果，依據現有技術通過計算 機重建得到顱內三維圖像數據； (2) 以顱內AC-PC線為Y軸正向，以AC-PC線的中點為原點建立顱內笛卡爾坐標系，即 坐標系，其中，面為軸向面，1?面為正中矢狀面，面為冠狀面； (3) 通過計算病變靶點在顱內笛卡爾坐標系的坐標值，以確定病變靶點在顱內的位 置； (4) 創設標記點，將步驟（2)中顱內笛卡爾坐標系的軸向面平行移動與人腦顱骨表面 形成交界線，在交界線上選取至少三個標記點，記錄各標記點的坐標值，同時記錄X〇軸與顱 骨表面的交點在頡內笛卡爾坐標系的坐標值； (5) 根據病變靶點在顱內的位置調整病人頭部姿態至最有利于手術操作的部位，通過 固定病人頭部下半部位的方式將其固定在手術臺上，露出步驟（4)中的標記點及頭的上半 部位； (6) 將裝有微細探針的力傳感器安裝在顱外醫療設備笛卡爾坐標系即0-ΧΥΖ坐標系的 Z軸上，粗調醫療設備的位置及設備的Z軸位置，至微細探針的探頭容易探測顱骨表面標記 點的位置，然后將探頭的Z軸坐標置零； (7) 調整探頭的位置使探頭分別與顱骨表面交界線上的標記點相接觸，當力傳感器檢 測到接觸時，會瞬間停止Z軸運動，并記錄相應標記點Z軸坐標,觀察各標記點Z軸坐標是 否相同； (8) 通過醫療設備底座的角度調節裝置精調設備的位置，再次移動探頭的位置，檢測并 記錄交界線上各標記點的Z軸坐標，直到交界線上各標記點的Z軸坐標相同，此時,探針所 在的顱外醫療設備笛卡爾坐標系與顱內笛卡爾坐標系相平行； (9) 繼續移動探頭，使探頭檢測\軸與顱骨表面的交點，記錄該交點在顱外醫療設備笛 卡爾坐標系的坐標值，通過調整顱外醫療設備笛卡爾坐標系使該交點坐標值的Y軸值和Z 軸值置零； (10) 接著將探頭移動至顱內正中矢狀面上，探頭所移動的距離為交點在顱內坐標系中 X軸的值，通過將X軸值置零，至此實現顱內外坐標系的耦合。
2. 如權利要求1所述的神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦 合方法，其特征在于，所述步驟（4)中標記點選為交界線的最前點、極左點和極右點。
3. 如權利要求1所述的神經外科腦立體定位術中基于力傳感器的顱內外坐標系的耦 合方法，其特征在于，所述力傳感器為美國ATI公司所生產的NAN017三軸力三軸力矩傳感 器。
【文檔編號】A61B19/00GK104083219SQ201410331637
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】周軍, 李巖, 鄧建新, 岳鴻志, 李麗紅 申請人:山東大學