專利名稱：一種基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)圖像處理及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維多模影像的肝腫瘤 綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明能有效地對對象腹部相關(guān)組織建模，直觀顯示對 象腹部虛擬環(huán)境，進(jìn)行模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險分析和綜合手術(shù)方案規(guī)劃、模擬，并對模擬結(jié)果 進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分析。
背景技術(shù)：
肝癌是目前嚴(yán)重威脅世界和我國人民生命健康的全球性疾病，其診斷和治療是當(dāng) 今我國醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診療手段和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，能對肝腫瘤 準(zhǔn)確分析，可以在術(shù)前進(jìn)行各種手術(shù)模擬和風(fēng)險分析，規(guī)劃合理的個性化的手術(shù)方案。德國Bremen大學(xué)開發(fā)的用于肝臟移植和肝切除的桌面虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng) (H. Bourquain, A. Schenk, F. Link，et al.，HepaVision2_A softwareassistant for preoperative planning in living-related liver transplantation andoncologic liver surgery, Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS)，2002 :341-346)，可 標(biāo)記出被肝腫瘤安全區(qū)域所影響的血管結(jié)構(gòu)及其所分布的肝臟組織，將這部分作為風(fēng)險區(qū) 域并計算體積大小，進(jìn)行肝切除手術(shù)的風(fēng)險分析和手術(shù)規(guī)劃，還可利用交互方式進(jìn)行肝切 除手術(shù)的模擬，并能預(yù)測術(shù)后肝功能損害程度；奧地利Gut大學(xué)開發(fā)出一套基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 的虛擬肝臟手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)，配有虛擬頭盔和相應(yīng)的跟蹤設(shè)備，用戶可完全沉浸在虛擬空間 進(jìn)行交互操作，利用該系統(tǒng)不僅可以模擬基于肝葉、肝段的規(guī)則肝切除，還可以模擬采用 基于一個或多個平面、邊界肝腫瘤挖除和基于形變曲面等方式的不規(guī)則肝切除(Bernhard Reitinger, Alexander Bornik， Reinhard Beichel， et al. ， Liver surgery planning using virtual reality, ComputerGraphics and Applications，IEEE. 2006,26 (6) 36-47)。Fujimoto J等開發(fā)出一套基于CT圖像的三維肝切除仿真系統(tǒng)，可對肝移植術(shù)進(jìn) 行術(shù)前分析禾口模擬(Fujimoto J，Yamanaka J，Liver resection and transplantation using a novel 3Dhepatectomy simulation system, Advances in Medical Sciences， 2006,51 :7-14)。Mimdeleer等開發(fā)應(yīng)用基于CT成像的三維重建技術(shù)引導(dǎo)射頻消融技術(shù)治 療月干臟月中瘤(Laurent Mundeleer, David Wikler, Thierry Leloup, et al. , Development of a computer assisted system aimed at RFA liver surgery, Computerized Medical Imaging and Graphics. 2008,32(7) :611-621) 南方醫(yī)科大學(xué)根據(jù)CT數(shù)據(jù)對腹腔血管 系統(tǒng)和肝臟進(jìn)行三維重建，并利用力反饋器械進(jìn)行肝臟虛擬切割(朱新勇，方馳華，鮑蘇 蘇，等?；?4排螺旋CT掃描數(shù)據(jù)三維肝臟手術(shù)仿真的研究。中華外科雜志，2008，46: 27-29)。由廈門大學(xué)、福建醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院等聯(lián)合研制的數(shù)字化虛擬肝臟以及手術(shù) 計劃系統(tǒng)可基于CT圖像數(shù)據(jù)精確定位肝占位、模擬虛擬肝臟手術(shù)仿真并預(yù)測術(shù)后肝功能 損害程度(專利文獻(xiàn)“基于數(shù)字化虛擬器官的腫瘤圖像信息處理裝置與處理方法”，公開號 為CN1801214)。華中科技大學(xué)在“基于三維影像的肝癌計算機(jī)輔助診斷與手術(shù)規(guī)劃技術(shù)”中利用腹部CT數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了肝腫瘤的分割、肝臟的分割和分段、血管的增強(qiáng)與分割、細(xì)化和 三維建模，并通過分析和計算肝臟體積、血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息輔助肝癌的手術(shù)規(guī)劃。專利文 獻(xiàn)“一種肝門靜脈血管樹建模方法及其系統(tǒng)”(公開號為CN101393644)公開了一種利用血 管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立血管中心線模型的方法；專利文獻(xiàn)“一種基于CT圖像的肝臟分段方法及其 系統(tǒng)”(公開號為CN101425186A)公開了一種基于肝門靜脈分支走向的肝臟分段方法。上述研究只考慮了單一的成像模式(CT成像)，難以準(zhǔn)確反映肝腫瘤的實(shí)際狀況， 并且，只針對某些方面進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃模擬(主要是肝腫瘤切除術(shù))，而且在虛擬切割的實(shí)現(xiàn) 上也主要是采用基于肝葉、肝段的規(guī)則肝切除技術(shù)，對于常見的綜合治療手段的術(shù)前綜合 分析及手術(shù)規(guī)劃和模擬研究較少涉及，缺乏有效的技術(shù)對模擬前綜合手術(shù)方案進(jìn)行風(fēng)險和 預(yù)后的綜合分析。肝腫瘤模擬手術(shù)前的風(fēng)險分析需要計算的參數(shù)主要包括肝臟體積、各肝段占 總肝體積比例和肝腫瘤直徑、體積、數(shù)目、與周圍重要血管和組織的距離(參見《臨床
診療指南-消化系統(tǒng)疾病分冊》及BernhardReitinger，Virtual Liver Surgery
Planning !Simulation of Resections using VirtualReality Techniques, doctoral dissertation, Institution, for Computer Graphics andVision, Graz University, of Technology,2005)。在醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)和融合方面，已有研究者提出各種三維配準(zhǔn)和融合的方法， 如，F(xiàn)rederik Maes等采用基于最大互信息的多分辨率方法對腹部醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維配 準(zhǔn)(參見 Frederik Maes, Dirk Vandermeulen, PaulSuetens, Comparative evaluaion of multiresolution optimization strategies formultimodality image registration by maximization of mutual information. Medical Image Analysis,1999，3(4) 373-386)，S. G. Nikolov等利用三維小波變換的方法進(jìn)行三維融合(參見S. G. Nikolov, D. R. Bull, C. N. Cangarajah, et al.，Image fusion using a 3-d wavelet transform， Seventh International Conferenceon Image Processing and Its Applications， 1999，1:235-239)。在醫(yī)學(xué)圖像的分割方面，許多研究者提出了自動或半自動的分割方 法，如，kong-Jae Lim等基于CT圖像提出一種自動分割算法(參見kong-Jae Lim, Yong-YeonJeong, Chil—Woo Lee, et al. , Automatic Segmentation of the Liver in CT Imagesusing the Watershed Algorithm based on Morphological Filtering, MedicalImaging 2004 Image Processing,2004,5370(1) : 1658-1666), Andrea Schenk 等提出一種半自動分割算法(參見 Andrea Schenk, Guido Prause, Heinz-OttoPeitgen, Efficient Semiautomatic Segmentation of 3D Objects in Medicallmages, In Proceediong of the 3th International Conference on Medical ImageComputing and Computer-Assisted Intervention, 2000 :186-195)。在醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)渲染方面，Kruqer，J.等 采用了利用圖形處理器進(jìn)行體數(shù)據(jù)高效實(shí)時渲染的方法(參見Acceleration techniques for GPU-based volume rendering, IEEEVisualization Proceedings of the 14th IEEE Visualization 2003 (VIS' 03)，2003 :287-293)。“虛擬手術(shù)中具備觸覺功能的軟組織交 互技術(shù)”(系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20 (8) =2076-2080")在虛擬手術(shù)觸覺建模方面介紹了構(gòu)建 出有限元物理模型逼真模擬軟組織在手術(shù)中的形變過程，并使用力反饋硬件設(shè)備進(jìn)行手術(shù) 模擬過程的觸覺建模，使得用戶在對虛擬腹部三維模型進(jìn)行切割、觸摸、抓取等操作時產(chǎn)生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法 及其系統(tǒng)，本發(fā)明能有效地實(shí)現(xiàn)腹部相關(guān)組織的醫(yī)學(xué)圖像分割和建模，并集合了肝腫瘤模 擬手術(shù)前的綜合風(fēng)險分析、各種模擬手術(shù)方案設(shè)計、手術(shù)模擬及模擬結(jié)果分析。本發(fā)明提供的一種基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法，其步驟包 括(1)建立數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫用于存儲對象的基本信息，包括姓名、性別、年齡、病史、生化檢查信息、醫(yī) 學(xué)圖像和影像檢查結(jié)果，提供肝腫瘤手術(shù)方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于模擬手 術(shù)前的風(fēng)險分析和模擬結(jié)果的分析；(2)三維配準(zhǔn)和融合從數(shù)據(jù)庫中提取對象的醫(yī)學(xué)圖像，進(jìn)行不同模式、單一模式不同期相圖像之間的 三維配準(zhǔn)和融合，得到配準(zhǔn)和融合后的醫(yī)學(xué)圖像；(3)三維建模利用配準(zhǔn)和融合后的醫(yī)學(xué)圖像，建立對象的腹部三維模型，其過程為(3. 1)分割腹部相關(guān)組織根據(jù)對象的醫(yī)學(xué)圖像特點(diǎn)，分割出用于模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險分析以及模擬手術(shù)規(guī) 劃、模擬和模擬結(jié)果分析時所涉及的組織，包括肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)；(3. 2)建立血管結(jié)構(gòu)模型利用三維拓?fù)浼?xì)化的方法提取分割得到的血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的中心線，并建立中心線 模型，顯示血管各分支結(jié)構(gòu)并提供中心線上每點(diǎn)的管徑，所述血管結(jié)構(gòu)包括肝動脈、肝靜 脈、肝門靜脈，通過該中心線模型獲取血管結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的管徑、各分支的方向及各分支間的夾 角；(3. 3)建立肝臟的分段模型采用基于肝門靜脈分支走向的肝臟分段方法得到肝臟的分段模型；(3. 4)建立腹部三維模型采用三維重建技術(shù)，重建出步驟(3. 1)、(3. 2)和(3. 3)處理得到的數(shù)據(jù)，直觀顯示 肝臟、各肝段、肝部各套血管、肝腫瘤的大小、位置以及與其它相關(guān)組織的關(guān)系，建立腹部三 維模型；(4)分析模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險根據(jù)肝腫瘤臨床分期分級的標(biāo)準(zhǔn)以及診療指南，綜合數(shù)據(jù)庫中的資料和步驟(3) 中所得到的建模結(jié)果，通過計算機(jī)計算肝臟、肝腫瘤和血管結(jié)構(gòu)的各種相關(guān)參數(shù)，包括肝臟 體積、各肝段占總肝體積比例和肝腫瘤直徑、體積、數(shù)目、與周圍重要血管和組織的距離；(5)利用模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險分析的結(jié)果，基于對象的腹部三維模型，進(jìn)行模擬 手術(shù)方案設(shè)計、手術(shù)模擬及模擬結(jié)果分析，模擬規(guī)劃手術(shù)路徑，并對模擬設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行風(fēng) 險和預(yù)后分析，通過反復(fù)的手術(shù)模擬，提高用戶的手術(shù)技能和熟練度，并且還能用于醫(yī)學(xué)教 學(xué)，其過程為
(5. 1)模擬手術(shù)方案設(shè)計及其分析當(dāng)進(jìn)行肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)或射頻消融術(shù)模擬時，分別按下述過程進(jìn)行；(a)肝腫瘤切除術(shù)根據(jù)對象腹部三維模型所顯示的肝內(nèi)重要血管和肝腫瘤關(guān) 系、肝臟的受累范圍、肝腫瘤的位置、大小和所涉及的肝段信息，對肝腫瘤進(jìn)行可切除性分 析。通過將肝腫瘤模型邊緣向外膨脹的方式確定肝腫瘤切除的安全區(qū)域，并在三維模型上 標(biāo)記出被該區(qū)域影響的血管分支及其所分布的肝臟組織，將這部分作為風(fēng)險區(qū)域并計算體 積大小，根據(jù)此區(qū)域規(guī)劃擬切除的范圍和模擬手術(shù)的入路；同時進(jìn)行基于肝葉、肝段的規(guī)則 肝切除或者邊界肝腫瘤挖除的不規(guī)則肝切除的虛擬手術(shù)方案規(guī)劃模擬，劃定模擬手術(shù)切割 邊界，從不同方位觀察切割截面情況，并計算出模擬手術(shù)中在對象的腹部三維模型上切除 的肝臟和殘肝的體積大小及占總肝體積比例，分析模擬手術(shù)后的殘肝功能；(b)肝移植術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中對象的資料和重建得到的腹部三維模型，分析作為 受體和供體的對象的肝臟狀況、重要血管情況，評價移植的可行性、可能的移植部位和結(jié)合 部位，根據(jù)鄰近重要結(jié)構(gòu)的狀況，確定模擬手術(shù)的切割路線和移植方式，并計算出功能性供 肝、殘肝的體積，分析模擬移植后供體和受體對象的肝臟狀況；(c)射頻消融術(shù)根據(jù)肝腫瘤位置、大小、血供情況分析射頻消融的可行性，并規(guī) 劃微波頭的大小和形狀，在對象的腹部三維模型上通過模擬的方式界定微波的手術(shù)入路， 計算出消融范圍，并分析模擬消融后對象肝臟殘余病變的可能性；(5. 2)手術(shù)模擬采用第一視角技術(shù)，利用虛擬手術(shù)刀工具進(jìn)行手術(shù)模擬，并通過加入力反饋硬件 設(shè)備，模擬手術(shù)過程中的觸覺感受，增加模擬仿真的真實(shí)性；以用戶作為第一視角開發(fā)手術(shù)入路，真實(shí)反映手術(shù)狀況，利用圖形處理器進(jìn)行體 數(shù)據(jù)高效實(shí)時渲染；通過在計算機(jī)上操縱本系統(tǒng)提供的虛擬手術(shù)刀工具對所接觸的肝臟模型模擬肝 腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù)各種手術(shù)過程，采用的方式有基于一個或多個平面的肝 切除、邊界肝腫瘤挖除和基于形變曲面的靈活不規(guī)則肝切除，并顯示切口大小，可視化切口 內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)，警示所遇到的重要組織結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置肝臟、肝腫瘤和血管結(jié)構(gòu)三維模型 的顏色、透明度或者旋轉(zhuǎn)、平移、縮放方式從不同的角度和方位觀察切面情況，分析切面所 影響的血管結(jié)構(gòu)是否會引起其所分布的肝臟組織發(fā)生缺血或者淤血情況，并計算出該模擬 過程中發(fā)生缺血或者淤血的肝臟體積及占總肝體積比例；在模擬過程中，構(gòu)建出有限元物理模型逼真模擬軟組織在手術(shù)中的形變過程，并 使用力反饋硬件設(shè)備進(jìn)行手術(shù)模擬過程的觸覺建模，使得用戶在對腹部三維模型進(jìn)行切 割、觸摸、抓取操作時產(chǎn)生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。實(shí)現(xiàn)上述基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法的系統(tǒng)，其特征在 于該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫建立模塊，數(shù)據(jù)庫，三維配準(zhǔn)和融合模塊，三維建模模塊，模擬前綜合 風(fēng)險分析模塊，方案設(shè)計模擬及分析模塊；數(shù)據(jù)庫建立模塊用于通過載入對象基本信息、生化檢查資料、醫(yī)學(xué)圖像和影像檢 查結(jié)果，建立相應(yīng)對象資料，得到數(shù)據(jù)庫；該數(shù)據(jù)庫提供肝腫瘤手術(shù)方案設(shè)計模擬所需要的 特征和信息，用于模擬手術(shù)前的風(fēng)險分析和模擬結(jié)果的分析，完成上述步驟(1)的功能；三維配準(zhǔn)和融合模塊從數(shù)據(jù)庫中提取對象的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行不同模式、單一模式不同期相圖像之間的三維配準(zhǔn)和融合，完成上述步驟O)的功能；三維建模模塊實(shí)現(xiàn)肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)以及肝臟周圍重要組織的三 維建模，為后續(xù)的模擬前綜合風(fēng)險分析模塊以及方案設(shè)計模擬及分析模塊提供對象的腹部 三維模型，完成上述步驟(3)的功能；模擬前綜合風(fēng)險分析模塊根據(jù)三維建模模塊所得的對象的腹部三維模型和診療 指南，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫中對象的資料，計算和分析各種相關(guān)參數(shù)，包括肝臟體積、各肝段占總 肝體積比例和肝腫瘤直徑、數(shù)目、與周圍重要血管和組織的距離，進(jìn)行綜合風(fēng)險分析，完成 上述步驟⑷的功能；方案設(shè)計模擬及分析模塊根據(jù)模擬前綜合風(fēng)險分析模塊的分析結(jié)果以及三維建 模模塊所得的對象腹部三維模型，進(jìn)行包括肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù)等在內(nèi)的 各種手術(shù)方案的模擬設(shè)計和手術(shù)模擬，并對模擬的手術(shù)方案進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分析，通過反 復(fù)的手術(shù)模擬，規(guī)劃手術(shù)路徑，提高用戶的手術(shù)技能和熟練度，完成上述步驟(5)的功能。本發(fā)明處理時首先建立數(shù)據(jù)庫，包括對象基本信息、生化檢查資料、醫(yī)學(xué)圖像和影 像檢查結(jié)果；其次，從得到的數(shù)據(jù)庫中提取對象的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行不同模式、單一模式不同 期相的三維配準(zhǔn)和融合；然后，對特定組織如肝臟、肝腫瘤、血管等采用自動和半自動方法 進(jìn)行分割，并利用三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)肝臟內(nèi)及肝臟周圍重要組織的三維建模，重建出具有 解剖結(jié)構(gòu)信息和沉浸交互特性的腹部三維模型；之后，基于建模結(jié)果，參考診療指南，并結(jié) 合對象的資料，進(jìn)行模擬前綜合風(fēng)險分析；最后，根據(jù)綜合風(fēng)險分析的結(jié)果，設(shè)計各種模擬 手術(shù)方案，進(jìn)行真實(shí)感強(qiáng)的手術(shù)模擬，規(guī)劃手術(shù)路徑，并對手術(shù)模擬結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分 析，通過反復(fù)的手術(shù)模擬，可提高用戶的手術(shù)技能和熟練度，并且還能用于醫(yī)學(xué)教學(xué)。具體 而言，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)采用不同模式、單一模式不同期相的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維配準(zhǔn)和融合，相比單一 的成像模式，能更加準(zhǔn)確地反映肝腫瘤實(shí)際狀況，較好地顯示出血管結(jié)構(gòu)的侵犯及肝臟邊 界等細(xì)節(jié)方面，能為綜合手術(shù)規(guī)劃模擬提供更充足的信息；( 在肝腫瘤手術(shù)規(guī)劃模擬上，本發(fā)明采用綜合規(guī)劃和全面分析的方法。基于以對 象的腹部三維模型，通過導(dǎo)入診療指南和數(shù)據(jù)庫中的對象資料，對包括肝腫瘤切除術(shù)、肝移 植術(shù)、射頻消融術(shù)等在內(nèi)的各種模擬手術(shù)方案進(jìn)行綜合風(fēng)險分析、規(guī)劃和模擬；(3)在肝腫瘤手術(shù)過程模擬的實(shí)現(xiàn)上，本發(fā)明提出利用用戶的第一視角開發(fā)手術(shù) 入路，引入力反饋硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)觸覺建模，提供手術(shù)模擬過程的觸覺感受，同時模擬基于肝 葉和肝段的規(guī)則肝切除、不規(guī)則肝切除(邊界肝腫瘤挖除技術(shù)等)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù) 等各種手術(shù)技術(shù)，通過反復(fù)手術(shù)模擬，提高用戶的手術(shù)技能和熟練度。通過基于重建的腹部 三維模型模擬手術(shù)過程還可以進(jìn)行醫(yī)學(xué)教學(xué)。


圖1為本發(fā)明基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)的一種具體實(shí) 施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的用戶可以是醫(yī)院、醫(yī)護(hù)工作人員，以及醫(yī)學(xué)院及其學(xué)生或者其他經(jīng)過訓(xùn) 練的非醫(yī)護(hù)工作者等，所指的對象可以是已有的醫(yī)學(xué)圖像等資料，也可以是用戶自己虛擬 的模型。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明具體包括以下步驟(1)建立數(shù)據(jù)庫；該數(shù)據(jù)庫存儲對象的基本信息，如姓名、性別、年齡、病史、生化檢查資料、醫(yī)學(xué)圖 像和影像檢查結(jié)果，提供肝腫瘤手術(shù)方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于模擬手術(shù)前 的風(fēng)險分析和模擬結(jié)果分析。該醫(yī)學(xué)圖像是指腹部的多模醫(yī)學(xué)圖像，包括不同模式或者單 一模式不同期相的醫(yī)學(xué)圖像，模式可以是CT、MRI等，數(shù)據(jù)庫可以采用Oracle、MySQL、SQL Server2000/2005 等平臺建立。(2)三維配準(zhǔn)和融合；從數(shù)據(jù)庫中提取出對象的醫(yī)學(xué)圖像，進(jìn)行不同模式、單一模式不同期相圖像之間 的三維配準(zhǔn)和融合?？梢圆捎没谧畲蠡バ畔⒌亩喾直媛史椒▽Ω共繄D像進(jìn)行三維配準(zhǔn)， 并結(jié)合基于三維小波變換的方法進(jìn)行三維融合。(3)三維建模；(3. 1)分割腹部相關(guān)組織。根據(jù)對象的醫(yī)學(xué)圖像特點(diǎn)，通過自動或半自動分割算法 分割出用于模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險分析以及模擬手術(shù)方案設(shè)計、手術(shù)模擬和模擬結(jié)果分析所 涉及的組織，包括肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)等。(3. 2)建立血管中心線模型。利用血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立血管中心線模型，即利用三維 拓?fù)浼?xì)化的方法提出分割得到的血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(肝動脈、肝靜脈、肝門靜脈)的中心線，并 建立中心線模型，顯示血管各分支結(jié)構(gòu)并提供中心線上每點(diǎn)的管徑，所述血管結(jié)構(gòu)包括肝 動脈、肝靜脈、肝門靜脈，通過該中心線模型可獲取血管結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的管徑、各分支的方向及 各分支間的夾角等信息。(3. 3)建立肝臟的分段模型。解剖學(xué)研究表明肝臟是一分段性器官，每一段都有獨(dú) 立的管道系統(tǒng)，可以作為一個外科切除單位。采用目前在臨床和研究中被普遍認(rèn)可的基于 肝門靜脈分支走向的肝臟分段方法。(3. 4)建立腹部三維模型。采用三維重建技術(shù)，利用VTK(VisuaIizati0nT00Ikit) ^ OSG(Open Scene Graph)等重建出步驟(3. 1)、(3.2)、(3. 3)處理得到的數(shù)據(jù)，直觀顯示 肝臟、各肝段、肝部各套血管、肝腫瘤的大小、位置以及與其它相關(guān)組織的關(guān)系，建立腹部三 維模型。(4)分析模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險；根據(jù)肝腫瘤臨床分期分級的標(biāo)準(zhǔn)以及診療指南，綜合數(shù)據(jù)庫中的資料和步驟(3) 中所得到的建模結(jié)果，通過計算機(jī)計算肝臟、肝腫瘤和血管結(jié)構(gòu)的各種相關(guān)參數(shù)。(a)肝腫瘤。計算參數(shù)包括肝腫瘤直徑、數(shù)目、體積、形態(tài)、所在肝段、與周圍重要血 管和組織結(jié)構(gòu)的距離等。(b)肝臟。計算參數(shù)包括肝臟體積、肝段的劃分、各肝段占總肝體積比例等。(C)血管結(jié)構(gòu)。計算參數(shù)包括血管結(jié)構(gòu)各點(diǎn)管徑和各分支走向、是否存在栓塞、血管各段支配的肝臟范圍和體積大小等。(5)模擬手術(shù)方案設(shè)計、手術(shù)模擬及模擬結(jié)果分析；根據(jù)模擬前綜合風(fēng)險分析結(jié)果，基于對象的腹部三維模型，提供包括肝腫瘤切除 術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù)等各種手術(shù)方案的模擬設(shè)計及手術(shù)模擬，規(guī)劃手術(shù)路徑，并對手 術(shù)規(guī)劃模擬結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分析，通過反復(fù)的手術(shù)模擬，可提高用戶的手術(shù)技能和熟 練度，并且還能用于醫(yī)學(xué)教學(xué)。(5. 1)模擬手術(shù)方案設(shè)計及其分析；以下以肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)和射頻消融術(shù)三項(xiàng)手術(shù)為例，介紹各手術(shù)方案設(shè) 計模擬的過程及其在模擬過程中可能遇到的風(fēng)險和預(yù)后分析。(a)肝腫瘤切除術(shù)。根據(jù)對象腹部三維模型所顯示的肝內(nèi)重要血管和肝腫瘤關(guān) 系、肝臟的受累范圍、肝腫瘤的位置、大小和所涉及的肝段等信息，對肝腫瘤進(jìn)行可切除性 分析?？赏ㄟ^將肝腫瘤模型邊緣向外膨脹一定距離的方式確定肝腫瘤切除的安全區(qū)域，并 在三維模型上標(biāo)記出被該區(qū)域影響的血管分支及其所分布的肝臟組織，將這部分作為風(fēng)險 區(qū)域并計算體積大小，根據(jù)此區(qū)域規(guī)劃擬切除的范圍和模擬手術(shù)的入路。同時可進(jìn)行基于 肝葉、肝段的規(guī)則肝切除或者邊界肝腫瘤挖除等不規(guī)則肝切除的虛擬手術(shù)方案規(guī)劃模擬， 劃定模擬手術(shù)切割邊界，從不同方位觀察切割截面情況，并計算出模擬手術(shù)中在對象的腹 部三維模型上切除的肝臟和殘肝的體積大小及占總肝體積比例，分析模擬手術(shù)后的殘肝功 能。(b)肝移植術(shù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中對象的資料和重建得到的腹部三維模型，分析作為受 體和供體的對象的肝臟狀況、重要血管情況等，評價移植的可行性、可能的移植部位和結(jié)合 部位，根據(jù)鄰近重要結(jié)構(gòu)的狀況，確定模擬手術(shù)的切割路線和移植方式，并計算出功能性供 肝、殘肝的體積，分析模擬移植后供體和受體對象的肝臟狀況。(c)射頻消融術(shù)。根據(jù)肝腫瘤位置、大小、血供情況等分析射頻消融的可行性，并規(guī) 劃微波頭的大小和形狀，在對象的腹部三維模型上通過模擬的方式界定微波的手術(shù)入路， 計算出消融范圍，并分析模擬消融后對象肝臟殘余病變的可能性等。(5. 2)手術(shù)模擬；采用第一視角技術(shù)，利用虛擬手術(shù)刀工具進(jìn)行手術(shù)模擬，并可通過加入力反饋硬 件設(shè)備，模擬手術(shù)過程中的觸覺感受，增加模擬仿真的真實(shí)性。(a)第一視角技術(shù)。以用戶作為第一視角開發(fā)手術(shù)入路，真實(shí)反映手術(shù)狀況，利用 圖形處理器進(jìn)行體數(shù)據(jù)高效實(shí)時渲染。(b)采用虛擬手術(shù)刀工具進(jìn)行手術(shù)模擬。通過在計算機(jī)上操縱本系統(tǒng)提供的虛擬 手術(shù)刀工具可對所接觸的肝臟模型模擬肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù)等各種手術(shù) 過程，采用的方式有基于一個或多個平面的肝切除、邊界肝腫瘤挖除和基于形變曲面的靈 活不規(guī)則肝切除等，并顯示切口大小，可視化切口內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)，警示所遇到的重要組織 結(jié)構(gòu)，可以通過設(shè)置肝臟、肝腫瘤和血管結(jié)構(gòu)等三維模型的顏色、透明度或者旋轉(zhuǎn)、平移、縮 放等方式從不同的角度和方位觀察切面情況，分析切面所影響的血管結(jié)構(gòu)是否會引起其所 分布的肝臟組織發(fā)生缺血或者淤血情況，并可計算出該模擬過程中可能發(fā)生缺血或者淤血 的肝臟體積及占總肝體積比例。在模擬過程中，構(gòu)建出有限元物理模型逼真模擬軟組織在手術(shù)中的形變過程，并使用力反饋硬件設(shè)備進(jìn)行手術(shù)模擬過程的觸覺建模，使得用戶在對虛擬腹部三維模型進(jìn)行 切割、觸摸、抓取等操作時產(chǎn)生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。本發(fā)明提供的基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖2所示，詳細(xì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫建立模塊100，數(shù)據(jù)庫 200，三維配準(zhǔn)和融合模塊300，三維建模模塊400，模擬前綜合風(fēng)險分析模塊500，方案設(shè)計 模擬及分析模塊600。數(shù)據(jù)庫建立模塊100用于通過載入對象基本信息、生化檢查資料、醫(yī)學(xué)圖像和影 像檢查結(jié)果，建立相應(yīng)對象資料，得到數(shù)據(jù)庫200 ；該數(shù)據(jù)庫提供肝腫瘤手術(shù)方案設(shè)計模擬 所需要的特征和信息，用于模擬手術(shù)前的風(fēng)險分析和模擬結(jié)果的分析，可以采用Oracle、 MySQL、SQL Server 2000/2005 等平臺建立。三維配準(zhǔn)和融合模塊300從數(shù)據(jù)庫200中提取對象的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行不同模式、單 一模式不同期相圖像之間的三維配準(zhǔn)和融合。該模塊分為三個子模塊，分別為與數(shù)據(jù)庫 200連接的配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊310，與配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊310連接的三維配準(zhǔn)模塊320和與 三維配準(zhǔn)模塊320連接的三維融合模塊330，即完成上述步驟O)的功能。配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊310與數(shù)據(jù)庫200連接，導(dǎo)入對象的醫(yī)學(xué)圖像，并傳輸給三維配 準(zhǔn)模塊320和三維融合模塊330 ；三維配準(zhǔn)模塊320利用配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊310所得的圖 像數(shù)據(jù)進(jìn)行不同模式、單一模式不同期相圖像之間的三維配準(zhǔn)，所用到的方法有基于最大 互信息的多分辨率方法等，并將配準(zhǔn)結(jié)果傳送給三維融合模塊330 ；三維融合模塊330對配 準(zhǔn)后的圖像進(jìn)行三維融合，所用的方法有基于三維小波變換的三維融合等。三維建模模塊400實(shí)現(xiàn)肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)以及肝臟周圍重要組織 的三維建模，為后續(xù)的模擬前綜合風(fēng)險分析模塊500以及方案設(shè)計模擬及分析模塊600提 供對象的腹部三維模型。該模塊分為五個子模塊與三維配準(zhǔn)和融合模塊300連接的三維 建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊410，腹部相關(guān)組織分割模塊420，血管結(jié)構(gòu)建模模塊430，肝臟分段模塊 440以及腹部三維模型建立模塊450，即完成上述步驟(3)的功能。三維建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊410導(dǎo)入經(jīng)三維配準(zhǔn)和融合模塊300處理后的醫(yī)學(xué)圖像， 并提供給腹部相關(guān)組織分割模塊420 ；腹部相關(guān)組織分割模塊420利用導(dǎo)入的醫(yī)學(xué)圖像， 分割出肝腫瘤手術(shù)規(guī)劃模擬需要的相關(guān)組織，包括肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)等，所 用的方法有自動或者半自動分割方法，如Live Wire, Graph Cuts等，并提供給腹部三維模 型建立模塊450，將血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提供給血管結(jié)構(gòu)建模模塊430 ；血管結(jié)構(gòu)建模模塊430利 用分割得到的血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維拓?fù)浼?xì)化提取出中心線并建立中心線模型，該模塊可 體現(xiàn)出血管結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系并提供各點(diǎn)的管徑、各分支走向、是否存在血管畸形等信息，并 提供給腹部三維模型建立模塊450，將肝門靜脈模型的分支走向信息提供給肝臟分段模塊 440 ；肝臟分段模塊440根據(jù)所得到的肝門靜脈模型的分支走向信息，進(jìn)行肝臟分段，所用 的方法是目前在臨床和研究中被普遍認(rèn)可的基于肝門靜脈分支走向的肝臟分段方法；最后 腹部三維模型建立模塊450利用接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到對象的腹部三維模型。模擬前綜合風(fēng)險分析模塊500根據(jù)三維建模模塊400所得的對象的腹部三維模型 和診療指南，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫200中對象的資料，計算和分析各種相關(guān)參數(shù)，包括肝臟體積、 各肝段占總肝體積比例和肝腫瘤直徑、數(shù)目、與周圍重要血管和組織的距離等，進(jìn)行綜合風(fēng) 險分析。該模塊包括兩個子模塊模擬前綜合風(fēng)險分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊510和模擬前綜合風(fēng)險分析模塊520，即完成上述步驟的功能。模擬前綜合風(fēng)險分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊510與數(shù)據(jù)庫200和三維建模模塊400相連 接，導(dǎo)入對象的資料和腹部三維模型，并傳送至模擬前綜合風(fēng)險分析模塊520 ；模擬前綜合 風(fēng)險分析模塊520根據(jù)對象的資料和腹部三維模型，依據(jù)相關(guān)診療標(biāo)準(zhǔn)，計算肝臟、肝腫瘤 和血管結(jié)構(gòu)的各種相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行各模擬手術(shù)方案的風(fēng)險分析，對于肝腫瘤，其計算參數(shù)包 括直徑、數(shù)目、體積、所在肝段、與周圍重要血管和組織結(jié)構(gòu)的距離等，對于肝臟，其計算參 數(shù)包括體積、肝段的劃分、各肝段占總肝體積比例等，對于血管結(jié)構(gòu)，其計算參數(shù)包括各點(diǎn) 處的管徑、各分支走向、是否存在畸形、是否存在栓塞、血管各段支配的肝臟范圍和體積大 小等。方案設(shè)計模擬及分析模塊600根據(jù)模擬前綜合風(fēng)險分析模塊500的分析結(jié)果以及 三維建模模塊400所得的對象腹部三維模型，進(jìn)行包括肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融 術(shù)等在內(nèi)的各種手術(shù)方案的模擬設(shè)計和手術(shù)模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分析，通 過反復(fù)的手術(shù)模擬，規(guī)劃手術(shù)路徑，提高用戶的手術(shù)技能和熟練度。該模塊主要分為四個子 模塊，分別是方案設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊610，方案設(shè)計模塊620，手術(shù)模擬模塊630，模擬結(jié)果 分析模塊640以及力反饋裝置650，即完成上述步驟(5)的功能。方案設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊610與三維建模模塊400和模擬前綜合風(fēng)險分析模塊500 相連接，導(dǎo)入對象的腹部三維模型和模擬前綜合風(fēng)險分析結(jié)果并提供給方案設(shè)計模塊620。方案設(shè)計模塊620基于對象的腹部三維模型和模擬前綜合分析結(jié)果，進(jìn)行各種手 術(shù)方案的模擬設(shè)計。對于肝腫瘤切除術(shù)，根據(jù)對象腹部三維模型所顯示的肝內(nèi)重要血管和 肝腫瘤關(guān)系、肝臟的受累范圍、肝腫瘤的位置、大小和所涉及的肝段等信息，對肝腫瘤進(jìn)行 可切除性分析。通過將肝腫瘤模型邊緣向外膨脹一定距離的方式確定其切除的安全區(qū)域， 并在三維模型上標(biāo)記出被該區(qū)域影響的血管分支及其所分布的肝臟組織，將這部分作為風(fēng) 險區(qū)域并計算體積大小，根據(jù)此區(qū)域規(guī)劃擬切除的范圍和手術(shù)入路，同時可進(jìn)行基于肝葉、 肝段的規(guī)則肝切除或者邊界肝腫瘤挖除等不規(guī)則肝切除的虛擬手術(shù)方案規(guī)劃。對于肝移植 術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中對象的資料和重建得到的腹部三維模型，分析作為受體和供體的對象的 肝臟狀況、重要血管情況等，評價移植的可行性、可能的移植部位和結(jié)合部位，根據(jù)鄰近重 要結(jié)構(gòu)的狀況，確定模擬手術(shù)切割路線和移植方式。對于射頻消融術(shù)，根據(jù)肝腫瘤位置、大 小、血供情況等分析射頻消融的可行性，并規(guī)劃微波頭的大小和形狀。手術(shù)模擬模塊630對手術(shù)過程進(jìn)行仿真模擬，以用戶作為第一視角開發(fā)手術(shù)入 路，真實(shí)再現(xiàn)手術(shù)中所見狀況，通過在計算機(jī)上操縱本系統(tǒng)提供的虛擬手術(shù)刀工具模擬肝 腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù)等各種手術(shù)過程，采用的方式有基于一個或多個平面的 肝切除、邊界肝腫瘤挖除和基于形變曲面的靈活不規(guī)則肝切除等，并顯示切口大小，可視化 切口內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)，警示所遇到的重要組織結(jié)構(gòu)，可以通過設(shè)置肝臟、肝腫瘤和血管結(jié)構(gòu) 等三維模型的顏色、透明度或者旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等方式從不同的角度和方位觀察切面情 況，分析切面所影響的血管結(jié)構(gòu)是否會引起其所分布的肝臟組織發(fā)生缺血或者淤血情況， 規(guī)劃手術(shù)路徑，對于肝腫瘤切除術(shù)，計算出模擬手術(shù)中在對象腹部三維模型上切除的肝臟 和殘肝的體積大小及占總肝體積比例，分析模擬手術(shù)后的殘肝功能，對于肝移植術(shù)，計算出 模擬移植后功能性供肝、殘肝的體積，分析模擬移植后供體和受體對象的肝臟狀況，對于射 頻消融術(shù)，在對象的腹部三維模型上界定微波頭的模擬手術(shù)入路，計算出模擬過程中射頻頭的角度和消融范圍，分析模擬消融后可能的療效和對象肝臟殘余病變的可能性。模擬結(jié)果分析模塊640對不同模擬手術(shù)方案的療效進(jìn)行預(yù)測，分析可能的預(yù)后和 代價。力反饋裝置650與手術(shù)模擬模塊630連接，可在模擬過程中加入反饋力，使 用戶在交互中有連續(xù)的觸覺感受，增加手術(shù)模擬的真實(shí)性。力反饋裝置650可以采用 knsabIe-PHANTOM系列力反饋設(shè)備等市售產(chǎn)品。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法，其步驟包括(1)建立數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫用于存儲對象的基本信息，包括姓名、性別、年齡、病史、生化檢查信息、醫(yī)學(xué)圖 像和影像檢查結(jié)果，提供肝腫瘤手術(shù)方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于模擬手術(shù)前 的風(fēng)險分析和模擬結(jié)果的分析；(2)三維配準(zhǔn)和融合從數(shù)據(jù)庫中提取對象的醫(yī)學(xué)圖像，進(jìn)行不同模式、單一模式不同期相圖像之間的三維 配準(zhǔn)和融合，得到配準(zhǔn)和融合后的醫(yī)學(xué)圖像；(3)三維建模利用配準(zhǔn)和融合后的醫(yī)學(xué)圖像，建立對象的腹部三維模型，其過程為(3. 1)分割腹部相關(guān)組織根據(jù)對象的醫(yī)學(xué)圖像特點(diǎn)，分割出用于模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險分析以及模擬手術(shù)規(guī)劃、 模擬和模擬結(jié)果分析時所涉及的組織，包括肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)；(3. 2)建立血管結(jié)構(gòu)模型利用三維拓?fù)浼?xì)化的方法提取分割得到的血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的中心線，并建立中心線模 型，顯示血管各分支結(jié)構(gòu)并提供中心線上每點(diǎn)的管徑，所述血管結(jié)構(gòu)包括肝動脈、肝靜脈、 肝門靜脈，通過該中心線模型獲取血管結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的管徑、各分支的方向及各分支間的夾 角；(3. 3)建立肝臟的分段模型采用基于肝門靜脈分支走向的肝臟分段方法得到肝臟的分段模型；(3. 4)建立腹部三維模型采用三維重建技術(shù)，重建出步驟(3. 1)、(3. 2)和(3.3)處理得到的數(shù)據(jù)，直觀顯示肝 臟、各肝段、肝部各套血管、肝腫瘤的大小、位置以及與其它相關(guān)組織的關(guān)系，建立腹部三維 模型；(4)分析模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險利用數(shù)據(jù)庫中的資料和步驟(3)中所得到的建模結(jié)果，通過計算機(jī)計算肝臟、肝腫瘤 和血管結(jié)構(gòu)的各種相關(guān)參數(shù)，包括肝臟體積、各肝段占總肝體積比例和肝腫瘤直徑、體積、 數(shù)目、與周圍重要血管和組織的距離；(5)利用模擬手術(shù)前綜合風(fēng)險分析的結(jié)果，基于對象的腹部三維模型，進(jìn)行模擬手術(shù)方 案設(shè)計、手術(shù)模擬及模擬結(jié)果分析，模擬規(guī)劃手術(shù)路徑，并對模擬設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險和預(yù) 后分析，通過反復(fù)的手術(shù)模擬，提高用戶的手術(shù)技能和熟練度，并且還能進(jìn)行醫(yī)學(xué)教學(xué)，其 過程為(5. 1)模擬手術(shù)方案設(shè)計及其分析當(dāng)進(jìn)行肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)或射頻消融術(shù)模擬時，分別按下述過程進(jìn)行(a)肝腫瘤切除術(shù)根據(jù)對象腹部三維模型所顯示的肝內(nèi)重要血管和肝腫瘤關(guān)系、肝 臟的受累范圍、肝腫瘤的位置、大小和所涉及的肝段信息，對肝腫瘤進(jìn)行可切除性分析；通 過將肝腫瘤模型邊緣向外膨脹的方式確定肝腫瘤切除的安全區(qū)域，并在三維模型上標(biāo)記出 被該區(qū)域影響的血管分支及其所分布的肝臟組織，將這部分作為風(fēng)險區(qū)域并計算體積大 小，根據(jù)此區(qū)域規(guī)劃擬切除的范圍和模擬手術(shù)的入路；同時進(jìn)行基于肝葉、肝段的規(guī)則肝切除或者邊界肝腫瘤挖除的不規(guī)則肝切除的虛擬手術(shù)方案規(guī)劃模擬，劃定模擬手術(shù)切割邊 界，從不同方位觀察切割截面情況，并計算出模擬手術(shù)中在對象的腹部三維模型上切除的 肝臟和殘肝的體積大小及占總肝體積比例，分析模擬手術(shù)后的殘肝功能；(b)肝移植術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中對象的資料和重建得到的腹部三維模型，分析作為受體 和供體的對象的肝臟狀況、重要血管情況，評價移植的可行性、可能的移植部位和結(jié)合部 位，根據(jù)鄰近重要結(jié)構(gòu)的狀況，確定模擬手術(shù)的切割路線和移植方式，并計算出功能性供 肝、殘肝的體積，分析模擬移植后供體和受體對象的肝臟狀況；(C)射頻消融術(shù)根據(jù)肝腫瘤位置、大小、血供情況分析射頻消融的可行性，并規(guī)劃微 波頭的大小和形狀，在對象的腹部三維模型上通過模擬的方式界定微波的手術(shù)入路，計算 出消融范圍，并分析模擬消融后對象肝臟殘余病變的可能性； (5. 2)手術(shù)模擬采用第一視角技術(shù)，利用虛擬手術(shù)刀工具進(jìn)行手術(shù)模擬，并通過加入力反饋硬件設(shè)備， 模擬手術(shù)過程中的觸覺感受，增加模擬仿真的真實(shí)性；以用戶作為第一視角開發(fā)手術(shù)入路，真實(shí)反映手術(shù)狀況，利用圖形處理器進(jìn)行體數(shù)據(jù) 高效實(shí)時渲染；通過在計算機(jī)上操縱本系統(tǒng)提供的虛擬手術(shù)刀工具對所接觸的肝臟模型模擬肝腫瘤 切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消融術(shù)各種手術(shù)過程，采用的方式有基于一個或多個平面的肝切 除、邊界肝腫瘤挖除和基于形變曲面的靈活不規(guī)則肝切除，并顯示切口大小，可視化切口內(nèi) 部的解剖結(jié)構(gòu)，警示所遇到的重要組織結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置肝臟、肝腫瘤和血管結(jié)構(gòu)三維模型的 顏色、透明度或者旋轉(zhuǎn)、平移、縮放方式從不同的角度和方位觀察切面情況，分析切面所影 響的血管結(jié)構(gòu)是否會引起其所分布的肝臟組織發(fā)生缺血或者淤血情況，并計算出該模擬過 程中發(fā)生缺血或者淤血的肝臟體積及占總肝體積比例；在模擬過程中，構(gòu)建出有限元物理模型逼真模擬軟組織在手術(shù)中的形變過程，并使用 力反饋硬件設(shè)備進(jìn)行手術(shù)模擬過程的觸覺建模，使得用戶在對腹部三維模型進(jìn)行切割、觸 摸、抓取操作時產(chǎn)生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。
2. 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法的系 統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫建立模塊(100)，數(shù)據(jù)庫000)，三維配準(zhǔn)和融合模塊 (300)，三維建模模塊000)，模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(500)，方案設(shè)計模擬及分析模塊 (600)；數(shù)據(jù)庫建立模塊(100)用于通過載入對象基本信息、生化檢查資料、醫(yī)學(xué)圖像和影像 檢查結(jié)果，建立相應(yīng)對象資料，得到數(shù)據(jù)庫O00)；該數(shù)據(jù)庫(200)提供肝腫瘤手術(shù)方案設(shè) 計模擬所需要的特征和信息，用于模擬手術(shù)前的風(fēng)險分析和模擬結(jié)果的分析，完成上述步 驟(1)的功能；三維配準(zhǔn)和融合模塊(300)從數(shù)據(jù)庫Q00)中提取對象的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行不同模式、單 一模式不同期相圖像之間的三維配準(zhǔn)和融合，完成上述步驟O)的功能；三維建模模塊000)實(shí)現(xiàn)肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)以及肝臟周圍重要組織的 三維建模，為后續(xù)的模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(500)以及方案設(shè)計模擬及分析模塊(600) 提供對象的腹部三維模型，完成上述步驟(3)的功能；模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(500)根據(jù)三維建模模塊(400)所得的對象的腹部三維模型和診療指南，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫O00)中對象的資料，計算和分析各種相關(guān)參數(shù)，包括肝臟體 積、各肝段占總肝體積比例和肝腫瘤直徑、數(shù)目、與周圍重要血管和組織的距離，進(jìn)行綜合 風(fēng)險分析，完成上述步驟的功能；方案設(shè)計模擬及分析模塊(600)根據(jù)模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(500)的分析結(jié)果以及 三維建模模塊(400)所得的對象腹部三維模型，進(jìn)行包括肝腫瘤切除術(shù)、肝移植術(shù)、射頻消 融術(shù)在內(nèi)的各種手術(shù)方案的模擬設(shè)計和手術(shù)模擬，并對模擬的手術(shù)方案進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分 析，通過反復(fù)的手術(shù)模擬，規(guī)劃手術(shù)路徑，提高用戶的手術(shù)技能和熟練度，完成上述步驟(5) 的功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)，其特征 在于三維配準(zhǔn)和融合模塊(300)包括配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(310)，與配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(310) 連接的三維配準(zhǔn)模塊(320)和與三維配準(zhǔn)模塊(320)連接的三維融合模塊(330)；配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(310)與數(shù)據(jù)庫(200)連接，導(dǎo)入對象的醫(yī)學(xué)圖像，并傳輸給三維配 準(zhǔn)模塊(320)和三維融合模塊(330)；三維配準(zhǔn)模塊(320)利用配準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(310)所 得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行不同模式、單一模式不同期相圖像之間的三維配準(zhǔn)，并將配準(zhǔn)結(jié)果傳送 給三維融合模塊(330)；三維融合模塊(330)對配準(zhǔn)后的圖像進(jìn)行三維融合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)，其特征 在于三維建模模塊(400)包括與三維配準(zhǔn)和融合模塊(300)連接的三維建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊 G10)，腹部相關(guān)組織分割模塊G20)，血管結(jié)構(gòu)建模模塊030)，肝臟分段模塊040)以及 腹部三維模型建立模塊G50)；三維建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(410)導(dǎo)入經(jīng)三維配準(zhǔn)和融合模塊(300)處理后的醫(yī)學(xué)圖像， 并提供給腹部相關(guān)組織分割模塊G20)；腹部相關(guān)組織分割模塊(420)利用導(dǎo)入的醫(yī)學(xué)圖像，分割出肝腫瘤手術(shù)規(guī)劃模擬需 要的相關(guān)組織，包括肝臟、肝腫瘤、肝部各套血管結(jié)構(gòu)，并提供給腹部三維模型建立模塊 050)，將血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提供給血管結(jié)構(gòu)建模模塊030)；血管結(jié)構(gòu)建模模塊(430)利用分割得到的血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維拓?fù)浼?xì)化提取出中 心線并建立中心線模型，該中心線模型體現(xiàn)出血管結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系、各點(diǎn)的管徑、各分支走 向、是否存在血管畸形信息，并提供給腹部三維模型建立模塊G50)，將肝門靜脈模型的分 支走向信息提供給肝臟分段模塊G40)；肝臟分段模塊(440)根據(jù)得到的肝門靜脈模型的分支走向信息進(jìn)行肝臟分段，并將分 段結(jié)果提供給腹部三維模型建立模塊G50)；腹部三維模型建立模塊(450)利用接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，得到對象的腹部三維 模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)，其特征 在于模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(500)包括模擬前綜合風(fēng)險分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(510)和模擬 前綜合風(fēng)險分析模塊(520)；模擬前綜合風(fēng)險分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(510)與數(shù)據(jù)庫(200)和三維建模模塊(400)相連接，導(dǎo)入對象的資料和腹部三維模型，并傳送至模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(520)；模擬前綜合風(fēng)險分析模塊(520)根據(jù)對象的資料和腹部三維模型，計算肝臟、肝腫瘤 和血管結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，包括肝臟體積、各肝段占總肝體積比例和肝腫瘤直徑、體積、數(shù)目、 與周圍重要血管和組織的距離，進(jìn)行各模擬手術(shù)方案的風(fēng)險分析。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)，其特征 在于方案設(shè)計模擬及分析模塊(600)包括方案設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(610)，方案設(shè)計模塊 (620)，手術(shù)模擬模塊(630)，模擬結(jié)果分析模塊(640)和力反饋裝置(650)；方案設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊(610)與三維建模模塊(400)和模擬前綜合風(fēng)險分析模塊 (500)相連接，導(dǎo)入對象的腹部三維模型和模擬前綜合風(fēng)險分析結(jié)果并提供給方案設(shè)計模 塊(620)；方案設(shè)計模塊(620)基于對象的腹部三維模型和模擬前綜合分析結(jié)果進(jìn)行各種手術(shù) 方案的模擬設(shè)計；手術(shù)模擬模塊(630)用于對手術(shù)過程進(jìn)行仿真模擬，以用戶作為第一視角開發(fā)手術(shù)入 路，真實(shí)再現(xiàn)手術(shù)中所見狀況，通過在計算機(jī)上操縱本系統(tǒng)提供的虛擬手術(shù)刀工具模擬手 術(shù)過程；模擬結(jié)果分析模塊(640)對不同模擬手術(shù)方案的療效進(jìn)行預(yù)測，分析可能的預(yù)后和代價；力反饋裝置(650)與手術(shù)模擬模塊(630)連接，在模擬過程中加入反饋力，使用戶在交 互中有連續(xù)的觸覺感受，增加手術(shù)模擬的真實(shí)性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維多模影像的肝腫瘤綜合手術(shù)規(guī)劃模擬方法及其系統(tǒng)。該方法首先建立包含對象資料的數(shù)據(jù)庫；再對對象的不同模式、單一模式不同期相的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行三維配準(zhǔn)和融合；然后，對特定組織采用自動和半自動方法進(jìn)行分割，并利用三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)肝臟內(nèi)及肝臟周圍重要組織的三維建模，重建出具有沉浸和交互特性的腹部三維模型；之后，基于建模結(jié)果，參考診療指南，并結(jié)合對象資料，進(jìn)行模擬前綜合風(fēng)險分析；最后，根據(jù)綜合風(fēng)險分析的結(jié)果，設(shè)計各種模擬手術(shù)方案，進(jìn)行真實(shí)感強(qiáng)的手術(shù)模擬，規(guī)劃手術(shù)路徑，并對規(guī)劃模擬結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險和預(yù)后分析，通過反復(fù)手術(shù)模擬，可提高用戶的手術(shù)技能和熟練度，并且還能進(jìn)行醫(yī)學(xué)教學(xué)。
文檔編號G06T17/00GK102117378SQ20091027351
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者丁亮, 萬少朋, 劉晶晶, 張智, 李震, 王璐瑤, 胡道予, 謝慶國, 郭睿 申請人:華中科技大學(xué), 蘇州瑞派寧科技有限公司