本發(fā)明涉及醫(yī)療器械，具體而言，涉及一種基于可穿戴vr眼鏡的椎管內(nèi)穿刺實時導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、椎管內(nèi)穿刺是臨床醫(yī)生常用臨床操作技術(shù)，其中，蛛網(wǎng)膜下腔穿刺可用于腦脊液采集，腰麻，硬膜外穿刺可用于硬膜外麻醉。由于脊柱骨關(guān)節(jié)構(gòu)造復(fù)雜，加之一些患者存在解剖變異，鈣化等情況，導(dǎo)致臨床實踐中椎管內(nèi)穿刺存在失敗可能，根據(jù)pancaroc等(2021)的研究表明，硬膜外穿刺置管首次失敗率可達15％(參考文獻見pancaro?c,purtell?j,labuda?d,saager?l,klumpner?tt,dubovoy?t,rajala?b,singh?s,cassidy?r,vahabzadehc,maxwell?s,manica?v,eckmann?dm,mhyre?jm,engoren?mc.difficulty?in?advancingflexible?epidural?catheters?when?establishing?labor?analgesia:anobservational?open-label?randomized?trial.anesth?analg.2021jul?1；133(1):151-159.doi:10.1213/ane.0000000000005526.pmid:33835077.)。目前的臨床實踐操作主要依靠臨床醫(yī)生經(jīng)驗性觸診盲穿，缺少可視化輔助技術(shù)。
2、x光透視引導(dǎo)穿刺雖然可以實現(xiàn)可視化，但需要大型儀器，在專用檢查室進行，缺乏泛用性，且會導(dǎo)致患者和醫(yī)生暴露與大劑量輻射環(huán)境。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了克服上述問題或者至少部分地解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于可穿戴vr眼鏡的椎管內(nèi)穿刺實時導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，輔助臨床醫(yī)生在椎管內(nèi)穿刺操作中實現(xiàn)脊柱結(jié)構(gòu)可視化導(dǎo)航，精準(zhǔn)定位穿刺目標(biāo)腔隙，減少輻射依賴并提高穿刺精度。
2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于可穿戴vr眼鏡的椎管內(nèi)穿刺實時導(dǎo)航系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、虛擬模型生成模塊、動態(tài)配準(zhǔn)與校準(zhǔn)模塊以及穿刺器械追蹤與導(dǎo)航模塊，其中：
4、數(shù)據(jù)采集模塊，用于獲取患者脊柱ct和mri影像數(shù)據(jù)，并基于可穿戴vr眼鏡采集體表標(biāo)志物定位信息；
5、虛擬模型生成模塊，用于基于患者脊柱ct和mri影像數(shù)據(jù)生成3d虛擬脊柱和硬脊膜模型；
6、動態(tài)配準(zhǔn)與校準(zhǔn)模塊，用于基于體表標(biāo)志物定位信息，通過點云匹配算法將3d虛擬脊柱和硬脊膜模型與患者實際體位對齊，并進行實時校準(zhǔn)；
7、穿刺器械追蹤與導(dǎo)航模塊，用于實時獲取器械空間位姿并與3d虛擬脊柱和硬脊膜模型同步校準(zhǔn)，并基于可穿戴vr眼鏡進行實時導(dǎo)航顯示。
8、本發(fā)明基于數(shù)據(jù)采集模塊、虛擬模型生成模塊、動態(tài)配準(zhǔn)與校準(zhǔn)模塊以及穿刺器械追蹤與導(dǎo)航模塊等多個模塊，結(jié)合可穿戴vr眼鏡，利用ai算法結(jié)合體表標(biāo)志物，實時校正因患者呼吸或體位變動導(dǎo)致的虛擬模型偏移。vr眼鏡重量≤150g，支持術(shù)者術(shù)中自由移動，并通過手勢或語音指令切換顯示模式。同時，本系統(tǒng)進行了多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，結(jié)合術(shù)前ct影像、術(shù)中體表標(biāo)志物坐標(biāo)及穿刺器械空間位姿，生成實時導(dǎo)航路徑。本系統(tǒng)可有效輔助臨床醫(yī)生在椎管內(nèi)穿刺操作中實現(xiàn)脊柱結(jié)構(gòu)可視化導(dǎo)航，精準(zhǔn)定位穿刺目標(biāo)腔隙，減少輻射依賴并提高穿刺精度。
9、基于第一方面，進一步地，上述虛擬模型生成模塊包括特征分析單元和模型構(gòu)建單元，其中：
10、特征分析單元，用于提取并根據(jù)患者脊柱ct和mri影像數(shù)據(jù)特征，基于改進型u-net++網(wǎng)絡(luò)，進行脊柱骨結(jié)構(gòu)分割，生成分割結(jié)果；所述改進型u-net++網(wǎng)絡(luò)包括resnet-34編碼器、嵌套跳躍連接解碼器及二值化掩膜輸出層；
11、模型構(gòu)建單元，用于基于分割結(jié)果進行3d重建，構(gòu)建3d虛擬脊柱和硬脊膜模型。
12、基于第一方面，進一步地，上述可穿戴vr眼鏡，集成微型顯示屏、紅外攝像頭及慣性測量單元，實現(xiàn)虛實場景疊加顯示。
13、基于第一方面，進一步地，上述動態(tài)配準(zhǔn)與校準(zhǔn)模塊包括體位對準(zhǔn)單元和動態(tài)補償單元，其中：
14、體位對準(zhǔn)單元，用于提取并根據(jù)體表標(biāo)志物定位信息中的體表標(biāo)記點坐標(biāo)，利用點云匹配算法將3d虛擬脊柱和硬脊膜模型與患者實際體位對齊；
15、動態(tài)補償單元，用于利用慣性測量單元實時采集患者體位信息，根據(jù)患者體位信息，利用卡爾曼濾波算法，對3d虛擬脊柱和硬脊膜模型偏移量進行實時補償。
16、基于第一方面，進一步地，該基于可穿戴vr眼鏡的椎管內(nèi)穿刺實時導(dǎo)航系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對患者脊柱ct和mri影像數(shù)據(jù)進行去噪、標(biāo)準(zhǔn)化和重采樣處理。
17、基于第一方面，進一步地，上述穿刺器械追蹤與導(dǎo)航模塊包括器械位姿計算單元和導(dǎo)航顯示單元，其中：
18、器械位姿計算單元，用于實時采集器械空間位姿，并進行器械坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與3d虛擬脊柱和硬脊膜模型同步校準(zhǔn)；
19、導(dǎo)航顯示單元，用于基于可穿戴vr眼鏡，結(jié)合3d虛擬脊柱和硬脊膜模型對器械位姿軌跡進行實時導(dǎo)航顯示。
20、基于第一方面，進一步地，該基于可穿戴vr眼鏡的椎管內(nèi)穿刺實時導(dǎo)航系統(tǒng)，還包括偏離示警模塊，用于根據(jù)器械空間位姿和預(yù)設(shè)的器械路徑生成并將偏離示警信息發(fā)送給可穿戴vr眼鏡，進行示警。
21、基于第一方面，進一步地，上述可穿戴vr眼鏡支持手勢交互，可切換多種顯示模式。
22、基于第一方面，進一步地，上述顯示模式包括虛擬脊柱骨結(jié)構(gòu)透明化視圖模式和穿刺針軌跡與椎管內(nèi)腔目標(biāo)位置的實時距離提示模式。
23、第二方面，本發(fā)明提供一種基于可穿戴vr眼鏡的椎管內(nèi)穿刺實時導(dǎo)航方法，包括以下步驟：
24、獲取患者脊柱ct和mri影像數(shù)據(jù)，并基于可穿戴vr眼鏡采集體表標(biāo)志物定位信息；
25、基于患者脊柱ct和mri影像數(shù)據(jù)生成3d虛擬脊柱和硬脊膜模型；
26、基于體表標(biāo)志物定位信息，通過點云匹配算法將3d虛擬脊柱和硬脊膜模型與患者實際體位對齊，并進行實時校準(zhǔn)；
27、實時獲取器械空間位姿并與3d虛擬脊柱和硬脊膜模型同步校準(zhǔn)，并基于可穿戴vr眼鏡進行實時導(dǎo)航顯示。
28、本方法結(jié)合上述系統(tǒng)實現(xiàn)，結(jié)合可穿戴vr眼鏡，利用ai算法結(jié)合體表標(biāo)志物，實時校正因患者呼吸或體位變動導(dǎo)致的虛擬模型偏移。vr眼鏡重量≤150g，支持術(shù)者術(shù)中自由移動，并通過手勢或語音指令切換顯示模式。同時，本方法進行了多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，結(jié)合術(shù)前ct影像、術(shù)中體表標(biāo)志物坐標(biāo)及穿刺器械空間位姿，生成實時導(dǎo)航路徑。本發(fā)明可有效輔助臨床醫(yī)生在椎管內(nèi)穿刺操作中實現(xiàn)脊柱結(jié)構(gòu)可視化導(dǎo)航，精準(zhǔn)定位穿刺目標(biāo)腔隙，減少輻射依賴并提高穿刺精度。
29、本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點或有益效果：
30、1、結(jié)合可穿戴vr眼鏡，利用ai算法結(jié)合體表標(biāo)志物，實時校正因患者呼吸或體位變動導(dǎo)致的虛擬模型偏移，大大提高了模型精度。
31、2、vr眼鏡重量≤150g，支持術(shù)者術(shù)中自由移動，并通過手勢或語音指令切換顯示模式，大大提高了術(shù)者佩戴舒適性與便捷性；大大縮小占用空間。
32、3、本發(fā)明進行了多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，結(jié)合術(shù)前ct影像、術(shù)中體表標(biāo)志物坐標(biāo)及穿刺器械空間位姿，生成實時導(dǎo)航路徑，大大提高了導(dǎo)航精準(zhǔn)性。
33、4、無需術(shù)中x光/ct反復(fù)確認(rèn)，大大減少輻射依賴。