一种用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法

1.本发明涉及医疗器械、医学领域，具体涉及到一种用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法。


背景技术：

2.腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation,ldh)是最常见的脊柱退行性疾病之一，常引起腰痛、下肢放射性疼痛等不适症状，其高发病率、高失能率、高致残率给国家带来沉重的社会和经济负担。ldh治疗方式主要包括外科开放手术、腰椎微创手术及保守治疗三种方式。近年来随着脊柱微创外科技术的快速发展,“经皮椎间孔镜腰椎间盘切除术(percutaneous endoscopic lumbar discectomy,peld)”因其创伤小、并发症少、恢复快等特征已经成为大多数ldh首选的手术治疗方式。
3.peld手术中腰椎间孔穿刺是建立工作通道的关键，然而穿刺难度大，即使是经验丰富的医生，也需要术前进行精确的规划，积累足够的训练经验，才能保证穿刺的精准性和安全性。x线是目前腰椎间孔穿刺手术规划临床首选的影像学定位训练方法，可准确定位穿刺的部位。应用x线进行术前规划训练的方式如下：将克氏针放置于体表，调整克氏针位置，使其在x线正位的投影通过穿刺部位(图1a)，在体表画出克氏针所在的直线，根据身高、体重、穿刺的腰椎节段，凭术者的经验选择直线上距脊柱中线的距离，作为进针点(图1b)。上述穿刺训练方法的缺点如下：(1)x线的辐射造成潜在健康危害；(2)腰椎间孔穿刺的规划只能确定一个二维的穿刺平面，不能在三维空间确定穿刺的路径；(3)体表进针点的确定由训练者的经验粗略确定，并不精准。
4.此外，上述穿刺训练过程需要熟练掌握椎间孔及周围人体组织的解剖结构，并在三维空间内具有立体定位靶点和穿刺路径的能力，需要长期训练和大量病例数的积累才能完成，具有较长的学习曲线。缺乏贴近手术实际操作的训练方法，使医师成长缓慢。


技术实现要素：

5.超声是一种无辐射、可实时动态监测的影像学检查方法。传统二维超声已应用于部分腰椎疾病的微创治疗，例如：超声引导小关节注射，选择性神经根阻滞等。然而，二维超声图像缺乏直观性，需要操作者熟悉腰椎超声图像，学习周期较长，不易推广。三维超声成像是现代医学影像中极具潜力的一项新兴技术，它具有图像直观、立体感强等优势，可提供病变整体的形态、结构的空间信息。三维超声成像分为实时三维超声和三维超声重建两大类。前者成像范围有限，而且对仪器设备的要求较高，依赖矩阵探头成像。后者成像范围广，适用于固定不动的骨科手术成像，其图像重建需要空间定位技术，包括机械定位、声学定位、光学定位和磁定位等。磁定位三维超声重建系统是将电磁传感器嵌入传统超声探头，追踪探头的位置，再结合探头的二维图像信息和位置信息，重建出被扫描区域的三维图像。磁定位三维超声重建系统可用于腰椎骨性结构。因此，本发明就是基于上述三维超声重建系统建立腰椎间孔穿刺的操作训练方法，提高穿刺训练的准确性、安全性、有效性。
6.本发明的实施例提出一种磁定位三维超声成像系统进行腰椎间孔穿刺的操作训练方法，包括：
7.1.应用磁定位三维超声成像系统重建腰椎图像，并确定穿刺训练靶点。
8.磁定位三维超声成像系统包括：一个基于蓝牙和wifi的便携式二维超声扫描仪以及一个无线电磁式定位装置，分别用来采集二维超声横断面图像以及对应的空间位置信息。获取二维成像序列及对应空间信息后，通过坐标变换、投影计算、插值成像等步骤的重建算法进行三位图像重建。
9.操作过程中，首先对模型的腰椎主体进行快速的预扫描，确定腰椎手术所在磁场的精确空间位置；然后应用带有电磁定位传感器的便携式超声仪以1cm/s扫描腰椎获得三维图像；最后根据图像信息进行靶点标定。
10.靶点标定方法如下：进入训练交互界面，可以显示腰椎在水平面、冠状面、矢状面三个维度的切面图像(如图3中左一至左三)，以及矢状面与冠状面的二维投影图(如图3中右一及右二)。由于二维投影图是图片像素值最大的点，先在两张投影图上点击目标点，即可获取像素值最大像素点所在的两个切面视图的帧数和靶点的二维位置信息。再对第三个切面视图进行调整即可得到靶点的三维位置信息。在确定靶点的过程中，可以通过放缩，调整对比度与亮度等图像调节模式，结合病变部位，确定精确的靶点目标，即图4中的红色十字交叉点。确定训练靶点后，可以点击锁定靶点，保证后续靶点的一致性。
11.2.根据训练靶点和体表最佳进针角度范围实现穿刺的术前规划
12.确定椎间孔穿刺训练靶点后，随即程序可给出空间最优穿刺范围在模型皮肤表面的投影，可据此在模型皮肤表面画线，实现穿刺的术前规划。整个实现过程可以分为以下两个步骤：(1)获取穿刺角度边界值；(2)获取最优穿刺范围并对模型皮肤表面投影。
13.(1)获取穿刺角度边界值
14.为方便描述，首先确定人体模型的空间直角坐标系oxyz。以靶点为坐标原点o，以头的方向为+z方向，以左手方向为+x方向，以背部方向为+y方向。
15.默认情况下，导航程序使用默认角度大小，即在xy面偏离x轴方向为5
°
～10
°
，zx平面上偏离x轴方向为10
°
～30
°
。该方向是一般情况下腰椎微创手术常使用的穿刺范围，针对于可能存在的特殊情况，该导航程序还支持手动输入所需要的角度大小进行调节。
16.(2)获取最优穿刺范围并对模型皮肤表面投影
17.根据步骤(1)获取的角度边界值，生成以靶点为顶点，无限延伸的椭圆锥，该椭圆锥即为最优穿刺范围。在上述获取三维超声矢状面投影图像时，模型皮肤表面相对于空气的灰度值较大，借此获取模型皮肤表面的曲线。
18.在进行对模型皮肤表面的投影时，程序会根据默认的角度极值或者操作者手动输入的角度生成以靶点为起始点的四个向量(如图3所示),然后计算出模型皮肤表面与四个向量的交点a、b、c、d。比较线段ab和cd的长度，按照默认值认为cd较长，则确定cd为椭圆长轴、ab为椭圆短轴，然后计算出直线ab与cd的交点坐标将其作为椭圆的中心点，由此即得到椭圆的坐标方程。进而程序画出椭圆的位置并将其在模型皮肤表面的二维投影图显示给操作者，操作者由此模型皮肤表面的椭圆投影可以画出椭圆曲线从而帮助操作者确定最优的穿刺进针点，图5中的椭圆acbd即为模型皮肤表面的椭圆投影。除此之外，程序还会提供靶点在模型皮肤表面的垂直投影点，当操作者确定了穿刺进针点就可
以在模型皮肤表面画一条直线连接穿刺进针点和靶点投影点，该直线即为穿刺针的规划路径，由此实现穿刺路径的术前规划，辅助操作者进行手术训练。
19.本发明的优异技术效果包括：
20.(1)提高穿刺训练路径的空间位置显示和规划。
21.(2)确定进针点和穿点模型皮肤投影，提高穿刺训练的效率和准确性。
22.(3)没有x线辐射相关损伤。
附图说明
23.图1为x线正位的投影通过穿刺部位(图1a)，进针点(图1b)。
24.图2为三维超声数据扫描过程示意图。
25.图3为腰椎三维数据的切片图(左一至左三)及投影图(右一及右二)。
26.图4为靶点标定示意图。
27.图5为模型皮肤表面投影生成示意图。
28.图6为实施例提供的一种用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法流程示意图。
29.图7为硬件设备系统示意图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
31.本发明的实施例提供一种用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，包括以下五个步骤：1、硬件准备。2、预扫描确定区域。3、扫描与三维重建。4、靶点标定。5、术前规划。流程如图6所示。
32.1、硬件准备：整个硬件设备系统可以分为两部分：定位系统和手持超声扫描仪(如图7所示)。定位系统使用的是g4跟踪系统(polhemus,g4 tracking system,u.s.a)获取位置信息，频率为120hz，g4跟踪系统包括电磁信号发射源(图中source)、集线器(图中hub)、rf/usb模块(图中rf/usb)和传感器(图中sensor)。其中电磁信号发射器能够在周围发射电磁场，集线器有线连接传感器实时获取并且计算出传感器在电磁场下的空间位置信息和角度信息，并且通过rf/usb模块无线传输给电脑使得电脑获取传感器的跟踪信息。手持式超声扫描仪(clarius,c3hd，canada)获取二维超声图像，其频率为20hz。为将实时的位置和角度信息与超声图像进行匹配，使用3d打印技术打印支架将传感器和手持超声扫描仪二者固定，同时为了防止手持超声扫描仪干扰到传感器的定位精度，适当将两个保持一定的安全距离，并且借助空间坐标变换将超声图像匹配到传感器的跟踪信息上。
33.由于电磁定位系统较容易收到电磁信号的干扰，所以需要一个不存在强磁干扰的手术空间，并使电磁发射源距离手术台保持在50cm到150cm左右。训练过程要保持训练模型不存在移动，用来保证三维重建的信息仍然与训练模型的脊柱信息在空间位置中保持一致。因此整个硬件包含基于无线传输的二维超声扫描仪和无线电磁定位系统，其中二维超声扫描仪是无辐射的，电磁定位系统并不像光定位系统那般影响操作者的操作，整体设备占用空间小，便于携带与移动。
34.2、预扫描确定重建空间：完成上述准备后，首先对需要进行手术的训练模型脊柱进行快速的预扫描，该预扫描过程不限速度，仅用于获取起始和结束的空间位置，两者相减得到深度大小；同时根据每一帧超声图像的大小得到长度和宽度大小，进而计算出长方体形状的手术训练区域和起始点的电磁传感源坐标系下的空间坐标，由此可以得到操作区域中每一个点的电磁传感源坐标系的空间位置。
35.3、扫描与三维重建：预扫描完成后，以不超过1cm/s的移动速度缓慢移动绑有电磁定位设备的超声探头完成数据采集。采集完成后保存数据信息并进行三维重建。此步骤的数据采集包括超声信息和位置信息，后续将使用此次扫描获取的电磁传感源坐标系下的长方体空间位置。每个二维图像信息可以视为其三维真实物体的切片，通过高扫描帧数获取足够的切片数量，根据快速点投影(fast dot-projection，fdp)算法重建获得一个数字化的精确三维超声图像。在扫描结束后可通过计算每一帧图像相对于电磁发射源坐标系的变换关系，通过坐标变化得到三维图像中每个像素点基于该坐标系的空间坐标，方便后续导航使用。软件程序并将重建后的三维数据以横断面切面、矢状面切面、冠状面切面、冠状面投影与矢状面投影图这五个部分展示出来，帮助操作者进一步认识和理解腰椎的三维空间显示。
36.4、靶点标定：三维重建结束后会自动弹出训练模型脊柱的三切面视图与冠状面和矢状面的投影图。操作者根据自身经验从投影图开始依靠放缩，对比度，亮度等图像处理工具确定靶点位置，靶点的位置将使用红色十字在所有视图中标识。
37.5、术前规划：确定靶点位置后，点击“术前路径规划”程序按钮，程序将会使用默认或操作者输入的角度来计算出椭圆锥并进行模型皮肤表面的投影，操作者在投影视图中即可观察到最优穿刺范围在模型皮肤上的投影，并据此在模型皮肤上画线来确定最优穿刺位置，实现术前规划；同时确定穿刺针下刀位置后即显示出下刀点和靶点的直线路径，也即最短路径，由此可帮助操作者快速且准确地确定穿刺针的下刀位置并找到病变靶点。

技术特征：
1.一种用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，其特征在于，所述用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法包括以下五个步骤：(1)、硬件准备；(2)、预扫描确定区域；(3)、扫描与三维重建；(4)、靶点标定；(5)、术前规划。2.根据权利要求1所述的用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，其特征在于，1、硬件准备，包括：整个硬件设备系统包括两部分：定位系统和手持超声扫描仪；定位系统使用的是g4跟踪系统获取位置信息，频率为120hz，g4跟踪系统包括电磁信号发射源source、集线器hub、rf/usb模块和传感器sensor；其中电磁信号发射器能够在周围发射电磁场，集线器有线连接传感器实时获取并且计算出传感器在电磁场下的空间位置信息和角度信息，并且通过rf/usb模块无线传输给电脑，使得电脑获取传感器的跟踪信息；手持式超声扫描仪获取二维超声图像，其频率为20hz；为将实时的位置和角度信息与超声图像进行匹配，使用3d打印技术打印支架将传感器和手持超声扫描仪二者固定，同时为了防止手持超声扫描仪干扰到传感器的定位精度，适当将两个保持一定的安全距离，并且借助空间坐标变换将超声图像匹配到传感器的跟踪信息上；由于电磁定位系统较容易收到电磁信号的干扰，所以需要一个不存在强磁干扰的手术空间，并使电磁发射源距离手术台保持在50cm到150cm；训练过程保持训练模型不存在移动，用来保证三维重建的信息仍然与训练模型的脊柱信息在空间位置中保持一致。3.根据权利要求2所述的用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，其特征在于，2、预扫描确定重建空间包括：完成上述步骤1的准备后，首先对需要进行手术的训练模型脊柱进行快速的预扫描，该预扫描过程不限速度，仅用于获取起始和结束的空间位置，两者相减得到深度大小；同时根据每一帧超声图像的大小得到长度和宽度大小，进而计算出长方体形状的手术训练区域和起始点的电磁传感源坐标系下的空间坐标，由此可以得到操作区域中每一个点的电磁传感源坐标系的空间位置。4.根据权利要求3所述的用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，其特征在于，3、扫描与三维重建包括：步骤2的预扫描完成后，以不超过1cm/s的移动速度缓慢移动绑有电磁定位设备的超声探头完成数据采集；采集完成后保存数据信息并进行三维重建；此步骤的数据采集包括超声信息和位置信息，后续将使用此次扫描获取的电磁传感源坐标系下的长方体空间位置；每个二维图像信息可以视为其三维真实物体的切片，通过高扫描帧数获取足够的切片数量，根据快速点投影算法重建获得一个数字化的精确三维超声图像；在扫描结束后通过计算每一帧图像相对于电磁发射源坐标系的变换关系，通过坐标变化得到三维图像中每个像素点基于该坐标系的空间坐标，方便后续导航使用；软件程序并将重建后的三维数据以横断面切面、矢状面切面、冠状面切面、冠状面投影与矢状面投影图这五个部分展示出来，帮助操作者进一步认识和理解腰椎的三维空间显示。5.根据权利要求4所述的用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，其特征在于，4、靶点标定包括：三维重建结束后自动弹出训练模型脊柱的三切面视图与冠状面和矢状面的投影图；操作者根据自身经验从投影图开始依靠放缩，对比度，亮度等图像处理工具确定靶点位置，靶点的位置将使用红色十字在所有视图中标识。6.根据权利要求5所述的用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，其特征在于，5、术前规划包括：确定靶点位置后，使用默认或操作者输入的角度来计算出椭圆锥并进行模型皮肤表面的投影，操作者在投影视图中观察到最优穿刺范围在模型皮肤上的投影，并据此在模型
皮肤上画线来确定最优穿刺位置，实现术前规划；同时确定穿刺位置后即显示出穿刺点和靶点的直线路径，也即最短路径，由此帮助操作者快速且准确地确定穿刺针的位置并找到病变靶点。

技术总结
一种用于腰椎间孔穿刺的操作训练方法，包括以下五个步骤：1、硬件准备；2、预扫描确定区域；3、扫描与三维重建；4、靶点标定；5、术前规划。优异技术效果包括：(1)提高穿刺训练路径的空间位置显示和规划；(2)确定进针点和穿点模型皮肤投影，提高穿刺训练的效率和准确性；(3)没有X线辐射相关损伤。没有X线辐射相关损伤。没有X线辐射相关损伤。


技术研发人员：张明博 郑锐 黄鹏 赵蓝希 张春雷
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/9