專利名稱：一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波探測技術(shù)，具體涉及一種基于超聲波的無線實時手術(shù)導(dǎo)航裝置。
背景技術(shù)：
隨著醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展，外科手術(shù)朝著越來越精細、越來越復(fù)雜的方向發(fā)展。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)知識由于技術(shù)上存在的種種不足，而難以滿足手術(shù)需求。近年來，高速發(fā)展的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)已逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并形成了一個新的研究及臨床應(yīng)用熱點計算機輔助手術(shù)。而導(dǎo)航系統(tǒng)是其中不可或缺的組成部分，在20世紀(jì)80年代末首先應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)，隨后逐漸推廣用于其它手術(shù)領(lǐng)域，包括整形外科、骨科、以及耳鼻喉科等。它延伸了外科醫(yī)生有限的視覺范圍，突破了傳統(tǒng)外科手術(shù)的界限，拓展了外科手術(shù)和外科手術(shù)器械的概念。對于提高手術(shù)定位精度、減少手術(shù)損傷、優(yōu)化手術(shù)路徑及提高手術(shù)成功率等具有十分重要的意義。目前使用的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)普遍具有如下工作原理醫(yī)生手持裝有標(biāo)記點的手術(shù)工具對患者的手術(shù)目標(biāo)實施操作，手術(shù)工具的空間立體定位及瞄準(zhǔn)過程均在跟蹤器的實時控制之下，最常用的跟蹤器是基于發(fā)射紅外線的二極管或者反射紅外線的球體，跟蹤器能夠精確地給出術(shù)中解剖部位與術(shù)前或術(shù)中X射線、CT (計算機斷層掃描成像)、MRI (磁共振成像)等多模圖像之間的位置關(guān)系，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，控制手術(shù)工具達到要求的部位，從而實施相應(yīng)的手術(shù)操作。其典型的產(chǎn)品有美國的美敦力公司開發(fā)的S-Navi2. 3手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時跟蹤手術(shù)器械位置，實時反饋手術(shù)器械在三維影像上的運動軌跡，并利用呼吸門控的方法，按照術(shù)中患者的呼吸狀態(tài)與術(shù)前拍CT或MRI圖像時的呼吸狀態(tài)吻合的原則，確定患者手術(shù)空間和三維虛擬影像空間的吻合的時間階段；瑞典的Elekta公司制造的Surgiscope機器人導(dǎo)航系統(tǒng)，該手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)影像的三維重建和測量分析，在手術(shù)中能與顯微鏡、腦室內(nèi)窺鏡、立體定向框架等配合，自動指引顯微手術(shù)系統(tǒng)搜尋病灶位置，同時動態(tài)反饋手術(shù)進程；德國的貝朗公司開發(fā)的Orthopilot導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要適用于骨科手術(shù)的導(dǎo)航和定位；瑞士的Praxim Medivision公司開發(fā)的Praxiteles系統(tǒng)，主要用于前交叉韌帶功能修復(fù)和全膝置換的骨骼磨削手術(shù)?？偨Y(jié)現(xiàn)有通過X射線、CT及MRI進行手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備及方法，主要存在以下問題 (I)現(xiàn)有的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)本質(zhì)上屬于影像診斷系統(tǒng)，外科醫(yī)生在實施手術(shù)時只能觀察
顯示器而無法直接觀察病灶區(qū)，極大地限制了醫(yī)生經(jīng)驗的運用。(2)現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)只是實時跟蹤手術(shù)器械，將手術(shù)器械的位置與術(shù)前建立的三維虛擬影像模型匹配，而對肌體組織和病灶的成像并不是實時的，手術(shù)過程中脫水劑的使用、組織積液引流、軟組織切除等都會導(dǎo)致術(shù)中機體組織位移，從而與術(shù)前建立的模型不一致，進而導(dǎo)致嚴(yán)重的手術(shù)損傷等一系列問題。(3) X射線、CT均存在放射性，多次掃描對患者及醫(yī)護人員的影響不容忽視。(4) MRI在工作過程中產(chǎn)生會產(chǎn)生很強的磁場，當(dāng)患者體內(nèi)裝有心臟起搏器、金屬夾、金屬內(nèi)固定物、人工關(guān)節(jié)、金屬假牙、支架、銀夾、彈片等均無法采用該方法，極大地限制了 MRI手術(shù)導(dǎo)航的運用。
(5) X射線、CT、MRI等成像設(shè)備笨重、體積大、價格極其昂貴，需要專門的工作場地和環(huán)境，大大限制了其在中小型醫(yī)院及野外手術(shù)車船等移動手術(shù)平臺中的運用和推廣。
(6)現(xiàn)有手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)功能單一，如某一套系統(tǒng)只能進行腦神經(jīng)手術(shù)、而另外一套系統(tǒng)只能進行脊椎手術(shù)等，通用性不強。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的諸多不足，提出一種基于超聲波的無線實時手術(shù)導(dǎo)航裝置，具體技術(shù)方案如下。
一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其包括無線超聲波陣列探頭、計算機系統(tǒng)和一副以上的可透明顯示的眼鏡；所述無線超聲波陣列探頭包括超聲波換能器陣列、 UWB信號發(fā)射單元及電源，超聲波換能器陣列用于對病灶、肌體及手術(shù)器械的探測定位，UWB 信號發(fā)射單元將超聲波換能器陣列接收的信號通過無線的方式傳輸給計算機系統(tǒng)，電源負責(zé)向超聲波換能器陣列和UWB信號發(fā)射單元供電；所述計算機系統(tǒng)包括主機、顯示器和UWB 信號收發(fā)單元，其中的UWB信號收發(fā)單元負責(zé)接收超聲波換能器陣列傳來的信息供主機處理后得到圖像信息，UWB信號收發(fā)單元還將圖像信息無線發(fā)送給可透明顯示眼鏡進行顯示。
進一步優(yōu)選的，所述可透明顯示的眼鏡包括透明顯示鏡片、UWB信號接收單元以及電源，UWB信號接收單元接收來自計算機系統(tǒng)的信號，并將信息透明顯示在透明顯示鏡片上，電源負責(zé)給UWB信號接收單元供電。
進一步優(yōu)選的，所述可透明顯示眼鏡的透明顯示鏡片采用有機電致發(fā)光材料，能夠透明顯示計算機系統(tǒng)傳輸過來的圖像信息。
進一步優(yōu)選的，所述超聲波換能器陣列采用柔性環(huán)帶結(jié)構(gòu)，環(huán)帶結(jié)構(gòu)的中空部分為手術(shù)實施提供窗口。
進一步優(yōu)選的，所述超聲波換能器陣列由兩種以上型號的超聲波換能器構(gòu)成，不同型號的超聲波換能器發(fā)射不同頻率的超聲波，分別用于病灶、肌體組織及手術(shù)器械的探測與定位。
進一步，所述計算機系統(tǒng)中的顯示器主要是提供一個人機交互界面，不顯示超聲波圖像而是用來顯示計算機系統(tǒng)本身的參數(shù)和設(shè)置。
與現(xiàn)有通過X射線、CT及MRI進行手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(I )0LED鏡片將圖像直接顯示在視線前方，醫(yī)生只需要在直視的情況下，很方便地同時觀看超聲波圖像和手術(shù)區(qū)域，無需抬頭觀看顯示器，可以充分發(fā)揮手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗，減少手術(shù)損傷。
(2)對病灶、肌體及手術(shù)器械全部進行實時成像，克服了傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)難以應(yīng)對的肌體組織位移問題。
(2)消除了放射性對患者及醫(yī)護人員的影響，安全性更高。
(3)超聲波陣列探頭與計算機系統(tǒng)之間通過UWB實現(xiàn)無線傳輸，使得超聲波陣列探頭的布置、更換和清洗消毒都非常方便，使得手術(shù)效率得以提高。
(4)對手術(shù)工作環(huán)境和場地要求不高，可方便地布置在汽車、輪船等移動載體上， 便于在野外及特殊環(huán)境手術(shù)實施。
(5)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單輕便，價格相對現(xiàn)有設(shè)備便宜，便于向中小型醫(yī)院推廣。
(6)不局限與某一類特定的手術(shù)，適用范圍廣。


圖I是本發(fā)明所述無線實時手術(shù)導(dǎo)航裝置系統(tǒng)框圖。
圖2是本發(fā)明所述超聲波換能器陣列的平面示意圖。
圖3是本發(fā)明所述無線實時手術(shù)導(dǎo)航裝置的工作流程圖。
圖4是醫(yī)生佩戴可透明顯示眼鏡對病灶區(qū)進行觀察的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說， 本發(fā)明的實施和保護不限于此，另，除有詳細說明外，其他均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所掌握的現(xiàn)有技術(shù)。
如圖I所示，是本實施方式中手術(shù)導(dǎo)航裝置的系統(tǒng)框圖。該裝置主要由三大部分構(gòu)成，分別是無線超聲波陣列探頭101、計算機系統(tǒng)102和可透明顯示眼鏡103。無線超聲波陣列探頭的功能是收發(fā)超聲波信號，相當(dāng)于整個裝置的傳感器，主要由超聲波換能器陣列、UWB信號發(fā)射單元及電源構(gòu)成。超聲波換能器陣列用于對病灶、肌體及手術(shù)器械的探測定位；UWB信號發(fā)射單元將超聲波換能器陣列接收的信號通過無線的方式傳輸給計算機系統(tǒng)；電源負責(zé)向超聲波換能器陣列和UWB信號發(fā)射單元提供電源。計算機系統(tǒng)的主要功能是對無線超聲波陣列探頭傳來的信號進行處理和成像，并將圖像信號通過無線的方式傳輸至透明顯示眼鏡，由主機、顯示器、UWB信號收發(fā)單元構(gòu)成。主機主要進行圖像處理和計算； UWB信號收發(fā)單元負責(zé)接收無線超聲波陣列探頭傳來信息并向可透明顯示眼鏡傳輸主機處理后得到的圖像信息；顯示器主要是提供一個人機交互界面，本身不顯示超聲波圖像而是用來顯示計算機系統(tǒng)本身的參數(shù)和設(shè)置?？赏该黠@示眼鏡的功能是顯示計算機系統(tǒng)傳來的超聲波圖像，相當(dāng)于整個裝置的顯示器，由OLED鏡片制作的眼鏡(采用透明顯示技術(shù))、UffB 信號接收單元以及電源組成。其中采用OLED鏡片制作的眼鏡能夠透明顯示計算機系統(tǒng)傳輸過來的圖像信息，UWB信號接收單元接收來自計算機系統(tǒng)的圖像信號，并將信息顯示在 OLED鏡片上，電源負責(zé)給UWB信號接收單元供電，一套系統(tǒng)可配備多個可透明顯示眼鏡，供多所以需要實時觀察的人員使用。
如圖2所示，是本發(fā)明所述超聲波換能器陣列的平面示意圖。超聲波換能器總體上呈環(huán)帶結(jié)構(gòu)，用于固定超聲波換能器201的片基是采用有機材料制作的柔性片基202， 保證能和患者體表保持緊密的貼合；環(huán)帶結(jié)構(gòu)的中部留有手術(shù)實施窗口 203，醫(yī)生通過該窗口操作手術(shù)器械對患者實施手術(shù)，手術(shù)窗口的形狀和大小可以依據(jù)具體的病灶和手術(shù)需要進行設(shè)置，而在本實施例中只給出了圓形的手術(shù)窗口 ；超聲波換能器圍繞在手術(shù)窗口的周圍呈陣列布置，以保證對病灶以及病灶周圍的肌體組織進行足夠詳細和清晰的探測成像，幫助醫(yī)生避開手術(shù)危險區(qū)，方便地實施手術(shù)。
如圖3所示，是所述手術(shù)導(dǎo)航裝置的工作流程圖。下面，結(jié)果流程圖對所述手術(shù)導(dǎo)航裝置的工作流程進行詳細說明。
(I)術(shù)前，將無線超聲波陣列探頭覆蓋在患者的體表，將中空部分對正實施手術(shù)的病灶區(qū)，整個手術(shù)導(dǎo)航裝置開機，醫(yī)生佩戴OLED鏡片制作的透明顯示眼鏡，進行術(shù)前準(zhǔn)備。
(2)主機對無線超聲波陣列探頭傳來的超聲波信號進行處理和成像，得到病灶及肌體的三維圖像。
(3)計算機系統(tǒng)內(nèi)的UWB信號收發(fā)單元再將病灶及 肌體的三維圖像通過可透明顯示眼鏡內(nèi)的UWB信號接收單元傳輸?shù)絆LED鏡片進行顯示，醫(yī)生佩戴所述OLED鏡片制作的透明顯示眼鏡，即可觀察到病灶的超聲波圖像，同時又不影響醫(yī)生對患者的直接觀察。
(4)醫(yī)生在三維圖像的導(dǎo)航下對患者實施手術(shù)。
(5)當(dāng)手術(shù)器械進入病灶附近的超聲波成像區(qū)域后，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)又立即對手術(shù)器械進行跟蹤、定位和成像，這時OLED鏡片上顯示的圖像能夠?qū)崟r地反應(yīng)病灶、肌體以及手術(shù)器械三者之間的空間位置關(guān)系，醫(yī)生在圖像的引導(dǎo)下，方便地實施手術(shù)，直至手術(shù)結(jié)束。
如圖4所示，是在本發(fā)明所述手術(shù)導(dǎo)航裝置工作情況下，醫(yī)生佩戴可透明顯示眼鏡對病灶區(qū)進行觀察的示意圖。首先，醫(yī)生將環(huán)帶形的無線超聲波陣列探頭101放置在患者401的體表，并將中部的手術(shù)窗口對準(zhǔn)手術(shù)區(qū)域；接著當(dāng)整個手術(shù)導(dǎo)航裝置工作時，醫(yī)生佩戴可透明顯示眼鏡103觀察手術(shù)區(qū)域，手術(shù)區(qū)域的超聲波圖像就會顯示在可透明顯示眼鏡上，醫(yī)生通過視線的簡單對準(zhǔn)，就可以觀察到病灶402在患者401體內(nèi)的確切位置，以及病灶周圍肌體組織的圖像，在圖像的引導(dǎo)下，醫(yī)生就可以對患者實施手術(shù)。
采用本發(fā)明所述的手術(shù)導(dǎo)航裝置時，手術(shù)室的每一名醫(yī)生和護士只需要佩戴一副可透明顯示的眼鏡直視手術(shù)區(qū)域，在無需觀看顯示器的情況下，既能夠觀察到患者、超聲波圖像以及主刀醫(yī)生的動作。對于主刀醫(yī)生來說，不需要抬頭觀看顯示器，可以盡量發(fā)揮自己的手術(shù)經(jīng)驗，能夠極大地緩解手術(shù)疲勞，提高手術(shù)成功率；而對于助理醫(yī)生、護士來說，可以同時觀看到主刀醫(yī)生的動作、手術(shù)區(qū)域以及手術(shù)圖像，更加便于協(xié)助主刀醫(yī)生，整個過程非常直觀，大大提高了學(xué)習(xí)效率。
權(quán)利要求
1.一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其特征在于包括無線超聲波陣列探頭、計算機系統(tǒng)和一副以上的可透明顯示的眼鏡；所述無線超聲波陣列探頭包括超聲波換能器陣列、UffB信號發(fā)射單元及電源，超聲波換能器陣列用于對病灶、肌體及手術(shù)器械的探測與定位，UffB信號發(fā)射單元將超聲波換能器陣列接收的信號通過無線的方式傳輸給計算機系統(tǒng)，電源負責(zé)向超聲波換能器陣列和UWB信號發(fā)射單元供電；所述計算機系統(tǒng)包括主機、顯示器和UWB信號收發(fā)單元，其中的UWB信號收發(fā)單元負責(zé)接收超聲波換能器陣列傳來的信息供主機處理后得到圖像信息，UffB信號收發(fā)單元還將圖像信息無線發(fā)送給可透明顯示眼鏡進行顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其特征在于所述可透明顯示的眼鏡包括透明顯示鏡片、UWB信號接收單元以及電源，UWB信號接收單元接收來自計算機系統(tǒng)的信號，并將信息透明顯示在透明顯示鏡片上，電源負責(zé)給UWB信號接收單元供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其特征在于所述可透明顯示眼鏡的透明顯示鏡片采用有機電致發(fā)光材料，能夠透明顯示計算機系統(tǒng)傳輸過來的圖像信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其特征在于所述超聲波換能器陣列采用柔性環(huán)帶結(jié)構(gòu)，環(huán)帶結(jié)構(gòu)的中空部分為手術(shù)實施窗口。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其特征在于所述超聲波換能器陣列由兩種以上型號的超聲波換能器構(gòu)成，不同型號的超聲波換能器發(fā)射不同頻率的超聲波，分別用于病灶、肌體組織及手術(shù)器械的探測與定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求f5任一項所述的一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其特征在于所述計算機系統(tǒng)中的顯示器主要是提供一個人機交互界面，不顯示超聲波圖像而用來顯示計算機系統(tǒng)本身的參數(shù)和設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于超聲波的實時無線手術(shù)導(dǎo)航裝置，其包括無線超聲波陣列探頭、計算機系統(tǒng)和一副以上的可透明顯示的眼鏡；所述無線超聲波陣列探頭包括超聲波換能器陣列、UWB信號發(fā)射單元及電源，超聲波換能器陣列用于對病灶、肌體及手術(shù)器械的探測與定位，UWB信號發(fā)射單元將超聲波換能器陣列接收的信號通過無線的方式傳輸給計算機系統(tǒng)，電源負責(zé)向超聲波換能器陣列和UWB信號發(fā)射單元供電；所述計算機系統(tǒng)包括主機、顯示器和UWB信號收發(fā)單元，其中的UWB信號收發(fā)單元負責(zé)接收超聲波換能器陣列傳來的信息供主機處理后得到圖像信息，UWB信號收發(fā)單元還將圖像信息發(fā)送給可透明顯示眼鏡進行顯示。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全性高、成本低等優(yōu)點。
文檔編號A61B8/00GK102920509SQ20121042116
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者韋崗, 曹燕 申請人:華南理工大學(xué)