專利名稱：一種基于ct膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法及其平臺的制作方法
一種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法及其平臺技術領域
本發(fā)明屬于醫(yī)學圖像處理及應用領域，具體涉及一種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法及其平臺。本發(fā)明能充分利用含CT膠片掃描在內的多種來源CT圖像數據， 有效地實現腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構的醫(yī)學圖像分割和三維建模，直觀、立體顯示虛擬環(huán)境，并集合了腎腫瘤多種模擬手術方案設計、手術模擬、手術風險分析及應對、預后分析。
背景技術：
腎腫瘤的發(fā)病率和死亡率在全身腫瘤中占2%左右，在我國泌尿外科惡性腫瘤中腎癌占第二位。腎癌的基本治療是根治性腎切除術，根治性腎切除術后對側腎臟慢性腎病的發(fā)生率增加,其與心血管疾病發(fā)病率、死亡率呈正相關的關系,而且隨著體檢的普及和影像學技術的發(fā)展，無癥狀腎癌病例的檢出率明顯增加，治療腎癌的方式不再局限于根治性腎切除術，呈多樣化的趨勢如保留腎單位的腎部分切除術、治療腎癌的射頻消融術、冷凍消融術等和腹腔鏡腎腫瘤治療技術的廣泛應用和發(fā)展?！熬珳释饪啤钡睦砟钔苿又F代外科技術的發(fā)展，三維可視化技術和虛擬現實技術在醫(yī)學中的應用范圍也日益廣闊。利用CT 圖像數據進行三維重建，構建出人體器官的解剖結構三維模型，可以讓腫瘤、重要血管等感興趣部位以三維形式“真實”地顯示出來，立體地從各個角度觀察和測量各解剖結構，準確地確定腫瘤的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍組織結構的空間關系，并可在三維模型上，利用虛擬現實技術進行個性化的術前規(guī)劃和模擬手術，使手術可行性的術前評估更加準確，術前準備更加充分，手術方案的制定具有個性化，更加客觀、合理。
在腎臟外科領域，國內黎程等在臨床活體腎移植中基于16排螺旋CT掃描數據利用醫(yī)學圖像三維可視化系統(tǒng)重建出供、受體的三維模型(黎程，方馳華，李曉鋒，等.活體腎移植數字化可視化仿真研究.南方醫(yī)科大學學報，2011，31 :983-986)，將重建后的活體腎移植供受體三維模型導入到FreeForm Modeling System,根據各病例特點，制定出最合理的個體化手術方案，重建的腎臟及其血管模型清晰、立體感強，可三維地辨認腎血管及血管變異情況，依據這些病例特點，合理制定了個體化手術方案，優(yōu)化了活體腎移植的手術方式，提高了手術成功率，降低了手術風險。
國外多位學者利用CT掃描數據重建出腎臟血管、腎臟及腫瘤的三維模型，利用可視化的血管模型進行術前評估、制定方案、改進手術方式(參見一 =Wunderlich H, Reichelt 0， Schubert Rj Zermann DHj Schubert J. Preoperative simulation of partial nephrectomy with three-dimensional computed tomography. BJU Int. 2000 Nov;86(7) :777-81.參見二 Knudsen BE，Campbell G，Kennedy A，et al. Design of functional simulation of renal cancer in virtual reality environments. Urology. 2005 Oct;66 (4):732-5.參見三Marukawa K，Horiguchi J，Shigeta Mj et al. Laparoscopic nephron-sparing surgery: preoperative assessment with three-dimensional computed tomography. Eur Urol. 2005 Jan;47 (I):92-7.4. Ukimura 0， Nakamoto Mj Gill IS. Three-dimensional reconstruction of renovascular-tumor anatomy to facilitate zero-ischemia partial nephrectomy. Eur Urol. 2012 Jan;61(l) :211-7.)。
2012年美國艾伯特愛因斯坦醫(yī)學院的Lasser MS等應用可視化外科手術規(guī)劃系統(tǒng)(Virtual Surgical Planning)進行腎臟、腎臟血管、腎盂腎盞及腫瘤的三維重建、手術規(guī)劃和模擬手術(Lasser MS, Doscher M, Keehn A, et al. Virtual surgical planning: a novel aid to robot-assisted laparoscopic partial nephrectomy. J EndouroI. 2012 Oct ;26(10) :1372-9.)，并應用于虛擬機器人輔助腹腔鏡腎部分切除術，能準確測量腫瘤的大小、血管分支的解剖結構、腫瘤與血管、集合引流結構的關系，腫瘤在腎臟實質的侵潤深度、評估腫瘤切除的復雜程度，并利用交互式方式進行模擬腫瘤切除，規(guī)劃出合適的手術干預方案。
在泌尿外科領域虛擬手術模擬系統(tǒng)或仿真系統(tǒng)國外才剛剛起步，國內尚未見有報道。再者，鑒于我國的實際狀況，外院病人來診時往往只攜帶有在外院所做的CT膠片，而無法或不易獲取數字格式的影像學數據，此外受限于已有CT片中三維信息直觀呈現的不足或缺失、影像醫(yī)師與臨床醫(yī)師關注點的差異性等因素的制約，通常為解決這個問題而不得不進行增強CT的的重新檢查，帶來了醫(yī)療資源的浪費，增加了患者過敏反應的幾率、X線的輻射量和經濟的負擔，如何能充分利用這部分病人的現有資源，避免重復檢查，正是符合我國醫(yī)改的大政方針。
目前僅有的研究只針對某些方面，主要是腎腫瘤切除術，進行術前分析、手術規(guī)劃模擬，對于常見的多種腎腫瘤治療手段，如根治性腎切除術、腹腔鏡手術、射頻消融術、冷凍消融術的手術規(guī)劃和模擬研究較少涉及，缺乏有效的方法和平臺對綜合模擬手術方案和風險、預后進行綜合分析。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法及其平臺，本發(fā)明能有效利用含CT膠片掃描在內的多種CT圖像資源，有效地實現腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構的醫(yī)學圖像分割和三維建模，并綜合了腎腫瘤多種模擬手術方案設計、手術模擬、手術風險分析及應對、預后分析。
本發(fā)明提供的一種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法，其步驟包括(O建立數據庫數據庫包括存貯對象的基本信息，包括姓名、性別、年齡、病史、合并癥、生化檢查信息，CT圖像庫，提供腎腫瘤手術方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于手術方案設計和風險分析；所述的CT圖像中的CT斷層圖像輸入方式包括CT膠片掃描、網卡、光盤等，其中膠片掃描圖像需通過正平行投射校對掃描引起的偏移，再進行圖像的切割；所述的圖像切割是以單幅斷層CT圖像中四周文字信息的最外邊緣為基準劃定矩形框，將其裁分為呈序列的、含單幅斷層CT內容的圖像；以首幅圖像中標尺的實際代表長度除以標尺兩端點像素坐標的差值，得到單位像素大小，再將其余圖像與該幅圖像的像素大小相除得到縮放比例，從而以首幅圖像為基準，對序列圖像進行裁分后進一步矯正；(2)圖像配準從數據庫中提取對象的CT圖像，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準；(3)三維建模利用配準后的CT圖像，建立腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型，其過程為(3. I)分割腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構采用動態(tài)自適應區(qū)域生長的分割計算方法，設置目標器官的灰度閾值，根據目標器官灰度值的均一性程度來調整，然后在感興趣區(qū)域選擇一種子點作為初始點，分割出目標區(qū)域圖像，即分割出用于模擬手術方案設計、模擬手術和風險分析所涉及的組織，包括腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構；(3. 2)建立腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型采用三維重建技術重建動脈期、靜脈期、延遲期相分割的組織，并在同一坐標空間內有效融合；(4)手術方案設計、模擬手術、手術風險分析及應對、預后分析根據腎腫瘤的影像分期的標準及診療指南，綜合數據庫中的資料和步驟(3)所得到的建模結果，通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等，基于對象的腎臟三維模型進行手術方案設計、模擬手術，模擬規(guī)劃手術路徑，并對模擬設計的結果進行手術風險分析及應對和預后分析，可為對象提供個性化的、受益最大化的治療方案；通過反復手術模擬，可提高用戶的手術技能和熟練度，并且還能用于醫(yī)學教學。其過程如下(4. I)手術方案設計當進行根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術方案設計時，分別按下述過程進行A根治性腎切除術根據重建的腎臟模型，分析腫瘤的位置、腫瘤有無侵潤周圍組織， 有無副腎動脈的存在，腎動脈分支、深靜脈屬支的解剖變異或因為腫瘤的擠壓發(fā)生位移，腎靜脈內有無癌栓，異常的腫瘤血管等，分析根治性腎切除術的可行性和安全性，并可根據資料庫中的資料判斷對側腎臟術后功能代償情況；B腎部分切除術根據重建的腎臟模型所顯示的腎內血管和腎腫瘤關系、腎臟的受累情況、腎腫瘤的位置、大小和所涉及的腎段信息，對腎腫瘤進行可切除性分析，通過將腎腫瘤模型邊緣向外膨脹的方式確定腎腫瘤切除的安全區(qū)域，并可在三維模型上標記出被該區(qū)域影響的血管分支和集合引流結構，將這部分作為風險區(qū)域并模擬縫合。同時基于腫瘤、腎段、集合引流結構的形變曲面進行不規(guī)則腎部分切除術的手術方案規(guī)劃。此外對術中腎動脈阻斷方式進行可行性分析，如腎動脈主干阻斷、腎動脈分支阻斷、腎段動脈阻斷、腎動脈三級分支阻斷、腫瘤動脈阻斷等，在三維模型上標記出動脈供應區(qū)域，計算熱缺血體積占總腎體積的比例；C射頻消融術根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析射頻消融的可能性，并規(guī)劃射頻消融電極的大小和形狀，在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界電極的手術入路，計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性；D冷凍消融術根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析冷凍消融的可能性，并規(guī)劃冷凍探針的大小和形狀，在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界定冷凍探針的手術入路， 計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性；E腹腔鏡手術通過腎臟三維模型的旋轉、平移、放大觀察從不同角度和方位觀察腫瘤與血管、腎盞腎盂的關系，模擬腹腔鏡手術的分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路、深度、消融范圍，分析以上A、B、C、D手術采用腹腔鏡手術的可行性和安全性；(4.2)模擬手術采用第一視角技術，利用虛擬手術工具進行手術模擬，并通過加入力反饋硬件設備，模擬手術過程中的觸覺感受，增加模擬仿真的真實性；以用戶作為第一視角開發(fā)手術入路，真實反映手術狀況，利用圖形處理器進行數據高效實時渲染；通過在計算機上操作本平臺提供的虛擬手術工具所接觸的腎臟模型模擬進行根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術模擬過程，采用的方式有模擬手術的入路、分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路和深度，警示所遇到的重要組織結構和規(guī)劃合理的處理方法，顯示切口的大小，可視化切口內部的顏色、透明度或者旋轉、平移、縮放方式從不同角度和方位觀察切面情況或者消融的范圍；在模擬過程中，構建逼真模擬軟組織在手術過程中的形變過程，并使用力反饋硬件設備進行手術模擬過程的觸覺建模，使用戶在對腎臟三維模型進行分離、切割、觸摸、抓取、縫合操作時產生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。通過各種手術技術的反復模擬，還能提高用戶的手術技能和熟練程度，并且還能用于醫(yī)學教學；(4. 3)手術風險分析及應對和預后分析綜合數據庫中的資料和手術方案設計、模擬手術的結果進行手術風險分析及應對和預后分析。
本發(fā)明還提供一種實現上述基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法的平臺，該平臺包括數據庫建立模塊、數據庫模塊、圖像配準模塊、三維建模模塊、手術方案設計模塊、 模擬手術模塊、手術風險分析及應對模塊、預后分析模塊和力反饋裝置；數據庫建立模塊用于通過載入對象基本信息，生化檢查資料，CT圖像庫，建立相應對象資料，得到數據庫模塊；該數據庫提供腎腫瘤手術方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于手術方案設計、手術風險分析及應對、預后分析，完成上述步驟(I)的功能；圖像配準模塊從數據庫模塊中提取對象的CT圖像，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準，完成上述步驟(2)的功能；三維建模模塊實現腎臟、腎腫瘤、血管結構、集合引流結構的三維建模，為后續(xù)的手術方案設計模塊提供對象的三維模型，完成上述步驟(3)的功能；手術方案設計模塊對三維建模模塊建立的三維模型通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等，進行手術方案設計；模擬手術模塊根據手術方案設計模塊的手術設計方案進行各種手術方案的模擬，在模擬過程中加入力反饋裝置，增加手術模擬的真實性；手術風險分析及應對模塊對模擬手術模塊的各種模擬手術方案結合數據庫模塊中的資料綜合分析手術風險，采取應對措施；預后分析模塊對模擬手術模塊中的不同模擬手術方案的療效進行預測，分析可能的預后，完成上述步驟(4)的功能。
本發(fā)明中的圖像配準模塊包括配準的數據導入模塊，與配準的數據導入模塊連接的配準模塊；配準的數據導入模塊從數據庫模塊中提取對象的CT圖像，傳輸給配準模塊， 對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準。
本發(fā)明中的三維建模模塊包括配準圖像導入模塊、分割模塊、三維重建模塊、融合模塊；配準圖像導入模塊將配準模塊配準后的圖像傳輸到分割模塊，進行圖像分割后傳輸到三維重建模塊，進一步對動脈期、靜脈期、延遲期相重建的組織在融合模塊內進行在同一坐標空間內有效融合，建立腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構的三維模型。
本發(fā)明中的手術方案設計模塊包括方案設計數據導入模塊和方案設計模塊；方案設計數據導入模塊和三維建模模塊相連接，導入腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、 輸尿管的三維模型以及通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等；方案設計模塊根據方案設計數據導入模塊的結果進行手術方案設計；本發(fā)明中的模擬手術模塊與手術方案設計模塊相連接，根據手術設計方案進行各種手術方案的模擬；本發(fā)明中的手術風險分析及應對模塊與模擬手術模塊相連接，對各種模擬手術方案結合數據庫模塊中的資料綜合分析手術風險和應對措施；本發(fā)明中的預后分析模塊與模擬手術模塊相連接，對不同模擬手術方案的療效進行預測，分析可能的預后；本發(fā)明中的力反饋裝置與模擬手術模塊相連接，在模擬過程中加入力反饋，增加手術模擬的真實性。
本發(fā)明與現有技術相比具有以下有益效果1.本發(fā)明充分利用了病人手中現有的CT膠片資源，有效避免了重復檢查，減少了醫(yī)療資源的浪費，降低了患者過敏反應的幾率、X線的輻射量和經濟的負擔，符合我國現有國情，符合我國醫(yī)改的大政方針，解決看病難、看病貴的問題；2.本發(fā)明有效地實現了腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構的醫(yī)學圖像分割和三維建模，直觀、立體顯示虛擬環(huán)境，并集合了腎腫瘤多種模擬手術方案設計、手術模擬、手術風險分析及應對、預后分析；可為對象提供個性化的、受益最大化的治療方案；采用第一視角技術，利用虛擬手術工具進行手術模擬，并通過加入力反饋硬件設備，模擬手術過程中的觸覺感受，增加模擬仿真的真實性，通過反復手術模擬，可提高用戶的手術技能和熟練度，并且還能用于醫(yī)學教學。


圖I為本發(fā)明基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬平臺的結構示意圖。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的技術方案作進一步的詳細說明如圖I所示，本發(fā)明包括以下步驟(O建立數據庫數據庫包括存貯對象的基本信息，包括姓名、性別、年齡、病史、合并癥、生化檢查信息，CT圖像庫，提供腎腫瘤手術方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于手術方案設計和風險分析。
所述的CT圖像中的CT斷層圖像輸入方式包括CT膠片掃描、網卡、光盤等，其中膠片掃描圖像需通過正平行投射校對掃描引起的偏移，再進行圖像的切割。
所述的圖像切割是以單幅斷層CT圖像中四周文字信息的最外邊緣為基準劃定矩形框，將其裁分為呈序列的、含單幅斷層CT內容的圖像；以首幅圖像中標尺的實際代表長度除以標尺兩端點像素坐標的差值，得到單位像素大小，再將其余圖像與該幅圖像的像素大小相除得到縮放比例，從而以首幅圖像為基準，對序列圖像進行裁分后進一步矯正。
所述的數據庫可以采用Oracle、MySQL、SQL Server2000/2005等平臺建立。
(2)圖像配準從數據庫中提取對象的CT圖像，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準。
(3)三維建模利用配準后的CT圖像，建立腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型，其過程為(3. I)分割腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構采用動態(tài)自適應區(qū)域生長的分割計算方法，設置目標器官的灰度閾值，根據目標器官灰度值的均一性程度來調整，然后在感興趣區(qū)域選擇一種子點作為初始點，分割出目標區(qū)域圖像，即分割出用于模擬手術方案設計、模擬手術和風險分析所涉及的組織，包括腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構。
(3. 2)建立腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型采用三維重建技術，利用 VTK (Visualization Toolkit)或 OSG (Open Scene Graph)等重建出(3· I) 處理得到的數據，直觀顯示動脈期、靜脈期、延遲期相分割的組織，并在同一坐標空間內有效融合。
(4)手術方案設計、模擬手術、手術風險分析及應對、預后分析根據腎腫瘤的影像分期的標準及診療指南，綜合數據庫中的資料和步驟(3)所得到的建模結果，通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等，基于對象的腎臟三維模型進行手術方案設計、模擬手術，模擬規(guī)劃手術路徑，并對模擬設計的結果進行手術風險分析及應對和預后分析，可為對象提供個性化的、受益最大化的治療方案；通過反復手術模擬，可提高用戶的手術技能和熟練度， 并且還能用于醫(yī)學教學。其過程如下(4. I)手術方案設計當進行根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術方案設計時，分別按下述過程進行A根治性腎切除術根據重建的腎臟模型，分析腫瘤的位置、腫瘤有無侵潤周圍組織， 有無副腎動脈的存在，腎動脈分支、深靜脈屬支的解剖變異或因為腫瘤的擠壓發(fā)生位移，腎靜脈內有無癌栓，異常的腫瘤血管等，分析根治性腎切除術的可行性和安全性，并可根據資料庫中的資料判斷對側腎臟術后功能代償情況；B腎部分切除術根據重建的腎臟模型所顯示的腎內血管和腎腫瘤關系、腎臟的受累情況、腎腫瘤的位置、大小和所涉及的腎段信息，對腎腫瘤進行可切除性分析，通過將腎腫瘤模型邊緣向外膨脹的方式確定腎腫瘤切除的安全區(qū)域，并可在三維模型上標記出被該區(qū)域影響的血管分支和集合引流結構，將這部分作為風險區(qū)域并模擬縫合。同時基于腫瘤、腎段、集合引流結構的形變曲面進行不規(guī)則腎部分切除術的手術方案規(guī)劃。此外對術中腎動脈阻斷方式進行可行性分析，如腎動脈主干阻斷、腎動脈分支阻斷、腎段動脈阻斷、腎動脈三級分支阻斷、腫瘤動脈阻斷等，在三維模型上標記出動脈供應區(qū)域，計算熱缺血體積占總腎體積的比例；C射頻消融術根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析射頻消融的可能性，并規(guī)劃射頻消融電極的大小和形狀計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性；D冷凍消融術根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析冷凍消融的可能性，并規(guī)劃冷凍探針的大小和形狀，在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界定冷凍探針的手術入路， 計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性；E腹腔鏡手術通過腎臟三維模型的旋轉、平移、放大觀察從不同角度和方位觀察腫瘤與血管、腎盞腎盂的關系，模擬腹腔鏡手術的分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路、深度、消融范圍，分析以上A、B、C、D手術采用腹腔鏡手術的可行性和安全性；(4.2)模擬手術采用第一視角技術，利用虛擬手術工具進行手術模擬，并通過加入力反饋硬件設備，模擬手術過程中的觸覺感受，增加模擬仿真的真實性；以用戶作為第一視角開發(fā)手術入路，真實反映手術狀況，利用圖形處理器進行數據高效實時渲染；通過在計算機上操作本平臺提供的虛擬手術工具所接觸的腎臟模型模擬進行根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術模擬過程，采用的方式有模擬手術的入路、分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路和深度，警示所遇到的重要組織結構和規(guī)劃合理的處理方法，顯示切口的大小，可視化切口內部的顏色、透明度或者旋轉、平移、縮放方式從不同角度和方位觀察切面情況或者消融的范圍；在模擬過程中，構建逼真模擬軟組織在手術過程中的形變過程，并使用力反饋硬件設備進行手術模擬過程的觸覺建模，使用戶在對腎臟三維模型進行分離、切割、觸摸、抓取、縫合操作時產生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。通過各種手術技術的反復模擬，還能提高用戶的手術技能和熟練程度，并且還能用于醫(yī)學教學；(4. 3)手術風險分析及應對和預后分析綜合數據庫中的資料和手術方案設計、模擬手術的結果進行手術風險分析及應對和預后分析。
本發(fā)明還提供一種實現上述基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法的平臺，如圖2所示，該平臺包括數據庫建立模塊I、數據庫模塊2、圖像配準模塊3、三維建模模塊4、 手術方案設計模塊5、模擬手術模塊6、手術風險分析及應對模塊7、預后分析模塊8和力反饋裝置9 ;數據庫建立模塊I用于通過載入對象基本信息，生化檢查資料，CT圖像庫，建立相應對象資料，得到數據庫模塊2 ;該數據庫提供腎腫瘤手術方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于手術方案設計、手術風險分析及應對、預后分析，數據庫可以采用Oracle、MySQL、SQL Server2000/2005等平臺建立，完成上述步驟(I)的功能；圖像配準模塊3從數據庫模塊2中提取對象的CT圖像，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準，該圖像配準模塊3包括配準的數據導入模塊31，與配準的數據導入模塊 31連接的配準模塊32 ;配準的數據導入模塊31從數據庫模塊2中提取對象的CT圖像，傳輸給配準模塊32，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準，完成上述步驟(2)的功三維建模模塊4實現腎臟、腎腫瘤、血管結構、集合引流結構的三維建模，為后續(xù)的手術方案設計模塊5提供對象的三維模型。該三維建模模塊4包括配準圖像導入模塊41、分割模塊42、三維重建模塊43、融合模塊44 ;配準圖像導入模塊41將配準模塊32配準后的圖像傳輸到分割模塊42，進行圖像分割后傳輸到三維重建模塊43，進一步對動脈期、靜脈期、延遲期相重建的組織在融合模塊44內進行在同一坐標空間內有效融合，建立腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構的三維模型，完成上述步驟(3)的功能；手術方案設計模塊5包括方案設計數據導入模塊51和方案設計模塊52 ;方案設計數據導入模塊51和三維建模模塊4相連接，導入腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型以及通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數， 包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等，可為對象提供個性化的、受益最大化的治療方案，選擇根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術模擬，分別按下述模塊進行A根治性腎切除術模塊根據重建的腎臟模型，分析腫瘤的位置、腫瘤有無侵潤周圍組織，有無副腎動脈的存在，腎動脈分支、深靜脈屬支的解剖變異或因為腫瘤的擠壓發(fā)生位移，腎靜脈內有無癌栓，異常的腫瘤血管等，并可根據資料庫中的資料判斷對側腎臟術后功能代償情況。B腎部分切除術模塊根據重建的腎臟模型所顯示的腎內血管和腎腫瘤關系、腎臟的受累情況、腎腫瘤的位置、大小和所涉及的腎段信息，對腎腫瘤進行可切除性分析，通過將腎腫瘤模型邊緣向外膨脹的方式確定腎腫瘤切除的安全區(qū)域，并可在三維模型上標記出被該區(qū)域影響的血管分支和集合引流結構，將這部分作為風險區(qū)域并模擬縫合。同時基于腫瘤、腎段、集合引流結構的形變曲面進行不規(guī)則腎部分切除術的手術方案規(guī)劃。此外對術中腎動脈阻斷方式進行可行性分析，如腎動脈主干阻斷、腎動脈分支阻斷、腎段動脈阻斷、腎動脈三級分支阻斷、腫瘤動脈阻斷等，在三維模型上標記出動脈供應區(qū)域，計算熱缺血體積占總腎體積的比例。C射頻消融術模塊根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析射頻消融的可能性，并規(guī)劃射頻消融電極的大小和形狀， 在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界定電極的手術入路，計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性。D冷凍消融術模塊根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析冷凍消融的可能性，并規(guī)劃冷凍探針的大小和形狀，在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界定冷凍探針的手術入路，計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性。E腹腔鏡手術模塊以上A、B、C、D手術均可應用腹腔鏡技術，更能體現微創(chuàng)外科的特性。腹腔鏡的術野只能顯示二維圖像，缺乏距離感和深度感，止血、縫合較為困難，通過三維模型的旋轉、平移、放大觀察從不同角度和方位觀察腫瘤與血管、集合引流結構的關系，確定模擬手術的分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路和深度。方案設計模塊52 根據方案設計數據導入模塊51的結果進行手術方案設計。
模擬手術模塊6與手術方案設計模塊5相連接，模擬手術模塊6根據手術方案設計模塊5的手術設計方案進行各種手術方案的模擬，在模擬過程中加入力反饋裝置9，增加手術模擬的真實性；手術風險分析及應對模塊7與模擬手術模塊6相連接，手術風險分析及應對模塊7對模擬手術模塊6的各種模擬手術方案結合數據庫模塊2中的資料綜合分析手術風險，采取應對措施；預后分析模塊8與模擬手術模塊6相連接，預后分析模塊8對模擬手術模塊6中的不同模擬手術方案的療效進行預測，分析可能的預后，完成上述步驟(4)的功能。
力反饋裝置9與模擬手術模塊6相連接，在模擬過程中加入力反饋，增加手術模擬的真實性。力反饋裝置9可以采用SensabIe— PHANTOM系列力反饋設備等市售產品。
權利要求
1.一種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法，其特征在于它包括以下步驟 (O建立數據庫數據庫包括存貯對象的基本信息，包括姓名、性別、年齡、病史、合并癥、生化檢查信息，CT圖像庫，提供腎腫瘤手術方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于手術方案設計和風險分析； 所述的CT圖像中的CT斷層圖像輸入方式包括CT膠片掃描、網卡、光盤等，其中膠片掃描圖像需通過正平行投射校對掃描引起的偏移，再進行圖像的切割； 所述的圖像切割是以單幅斷層CT圖像中四周文字信息的最外邊緣為基準劃定矩形框，將其裁分為呈序列的、含單幅斷層CT內容的圖像；以首幅圖像中標尺的實際代表長度除以標尺兩端點像素坐標的差值，得到単位像素大小，再將其余圖像與該幅圖像的像素大小相除得到縮放比例，從而以首幅圖像為基準，對序列圖像進行裁分后進ー步矯正； (2)圖像配準從數據庫中提取對象的CT圖像，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準； (3)三維建模利用配準后的CT圖像，建立腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型，其過程為 (3. I)分割腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構采用動態(tài)自適應區(qū)域生長的分割計算方法，設置目標器官的灰度閾值，根據目標器官灰度值的均一性程度來調整，然后在感興趣區(qū)域選擇ー種子點作為初始點，分割出目標區(qū)域圖像，即分割出用于模擬手術方案設計、模擬手術和風險分析所涉及的組織，包括腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構； (3. 2)建立腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型采用三維重建技術重建動脈期、靜脈期、延遲期相分割的組織，并在同一坐標空間內有效融合； (4)手術方案設計、模擬手術、手術風險分析及應對、預后分析根據腎腫瘤的影像分期的標準及診療指南，綜合數據庫中的資料和步驟(3)所得到的建模結果，通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等，基于對象的腎臟三維模型進行手術方案設計、模擬手術，模擬規(guī)劃手術路徑，并對模擬設計的結果進行手術風險分析及應對和預后分析，可為對象提供個性化的、受益最大化的治療方案；通過反復手術模擬，可提高用戶的手術技能和熟練度，并且還能用于醫(yī)學教學，其過程如下 (4. I)手術方案設計 當進行根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術方案設計時，分別按下述過程進行 A根治性腎切除木根據重建的腎臟模型，分析腫瘤的位置、腫瘤有無侵潤周圍組織，有無副腎動脈的存在，腎動脈分支、深靜脈屬支的解剖變異或因為腫瘤的擠壓發(fā)生位移，腎靜脈內有無癌栓，異常的腫瘤血管等，分析根治性腎切除術的可行性和安全性，并可根據資料庫中的資料判斷對側腎臟術后功能代償情況； B腎部分切除術根據重建的腎臟模型所顯示的腎內血管和腎腫瘤關系、腎臟的受累情況、腎腫瘤的位置、大小和所涉及的腎段信息，對腎腫瘤進行可切除性分析，通過將腎腫瘤模型邊緣向外膨脹的方式確定腎腫瘤切除的安全區(qū)域，并可在三維模型上標記出被該區(qū)域影響的血管分支和集合引流結構，將這部分作為風險區(qū)域并模擬縫合，同時基于腫瘤、腎段、集合引流結構的形變曲面進行不規(guī)則腎部分切除術的手術方案規(guī)劃，此外對術中腎動脈阻斷方式進行可行性分析，如腎動脈主干阻斷、腎動脈分支阻斷、腎段動脈阻斷、腎動脈三級分支阻斷、腫瘤動脈阻斷等，在三維模型上標記出動脈供應區(qū)域，計算熱缺血體積占總腎體積的比例； C射頻消融術根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析射頻消融的可能性，并規(guī)劃射頻消融電極的大小和形狀，在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界定電極的手術入路，計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性； D冷凍消融術根據腎腫瘤位置、大小、血供情況分析冷凍消融的可能性，并規(guī)劃冷凍探針的大小和形狀，在對象的腎臟三維模型上通過模擬的方式界定冷凍探針的手術入路，計算消融范圍，并分析消融后腎臟局部出血、尿瘺的可能性； E腹腔鏡手術通過腎臟三維模型的旋轉、平移、放大觀察從不同角度和方位觀察腫瘤與血管、腎盞腎盂的關系，模擬腹腔鏡手術的分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路、深度、消融范圍，分析以上A、B、C、D手術采用腹腔鏡手術的可行性和安全性； (4.2)模擬手術 采用第一視角技術，利用虛擬手木工具進行手術模擬，并通過加入力反饋硬件設備，模擬手術過程中的觸覺感受，増加模擬仿真的真實性； 以用戶作為第一視角開發(fā)手術入路，真實反映手術狀況，利用圖形處理器進行數據高效實時渲染； 通過在計算機上操作本平臺提供的虛擬手木工具所接觸的腎臟模型模擬進行根治性腎切除術、腎部分切除術、射頻消融術、冷凍消融術以及腹腔鏡手術模擬過程，采用的方式有模擬手術的入路、分離、切割路線以及射頻消融、冷凍消融的穿刺入路和深度，警示所遇到的重要組織結構和規(guī)劃合理的處理方法，顯示切ロ的大小，可視化切ロ內部的顔色、透明度或者旋轉、平移、縮放方式從不同角度和方位觀察切面情況或者消融的范圍； 在模擬過程中，構建逼真模擬軟組織在手術過程中的形變過程，并使用力反饋硬件設備進行手術模擬過程的觸覺建模，使用戶在對腎臟三維模型進行分離、切割、觸摸、抓取、縫合操作時產生連續(xù)觸覺感受，為用戶提供逼真的沉浸感。通過各種手術技術的反復模擬，還能提高用戶的手術技能和熟練程度，并且還能用于醫(yī)學教學； (4. 3)手術風險分析及應對和預后分析 綜合數據庫中的資料和手術方案設計、模擬手術的結果進行手術風險分析及應對和預后分析。
2.ー種實現權利要求I所述的ー種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法的平臺，其特征在于該平臺包括數據庫建立模塊(I)、數據庫模塊(2)、圖像配準模塊(3)、三維建模模塊(4)、手術方案設計模塊(5)、模擬手術模塊(6)、手術風險分析及應對模塊(7)、預后分析模塊(8)和カ反饋裝置(9); 數據庫建立模塊(I)用于通過載入對象基本信息，生化檢查資料，CT圖像庫，建立相應對象資料，得到數據庫模塊(2);該數據庫提供腎腫瘤手術方案規(guī)劃模擬所需要的特征和信息，用于手術方案設計、手術風險分析及應對、預后分析，完成上述步驟(I)的功能； 圖像配準模塊(3)從數據庫模塊(2)中提取對象的CT圖像，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準，完成上述步驟(2)的功能；三維建模模塊(4)實現腎臟、腎腫瘤、血管結構、集合引流結構的三維建模，為后續(xù)的手術方案設計模塊(5)提供對象的三維模型，完成上述步驟(3)的功能； 手術方案設計模塊(5)對三維建模模塊(4)建立的三維模型通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等，進行手術方案設計；模擬手術模塊(6)根據手術方案設計模塊(5)的手術設計方案進行各種手術方案的模擬，在模擬過程中加入カ反饋裝置(9)，増加手術模擬的真實性；手術風險分析及應對模塊(7)對模擬手術模塊(6)的各種模擬手術方案結合數據庫模塊(2)中的資料綜合分析手術風險，采取應對措施；預后分析模塊(8)對模擬手術模塊(6)中的不同模擬手術方案的療效進行預測，分析可能的預后，完成上述步驟(4)的功能。
3.根據權利要求2所述的ー種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬平臺，其特征在于 圖像配準模塊(3)包括配準的數據導入模塊(31)，與配準的數據導入模塊(31)連接的配準模塊(32);配準的數據導入模塊(31)從數據庫模塊(2)中提取對象的CT圖像，傳輸給配準模塊(32 )，對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準。
4.根據權利要求2所述的ー種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬平臺，其特征在于 三維建模模塊(4)包括配準圖像導入模塊(41)、分割模塊(42)、三維重建模塊(43)、融合模塊(44);配準圖像導入模塊(41)將配準模塊(32)配準后的圖像傳輸到分割模塊(42)，進行圖像分割后傳輸到三維重建模塊(43)，進ー步對動脈期、靜脈期、延遲期相重建的組織在融合模塊(44)內進行在同一坐標空間內有效融合，建立腎臟、腎腫瘤、腎臟的動脈、靜脈結構和集合引流結構的三維模型。
5.根據權利要求2所述的ー種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬平臺，其特征在于 手術方案設計模塊(5)包括方案設計數據導入模塊(51)和方案設計模塊(52) '方案設計數據導入模塊(51)和三維建模模塊(4)相連接，導入腎臟、腎腫瘤、腎動脈、腎靜脈、腎盞腎盂、輸尿管的三維模型以及通過計算機計算腎臟、腎腫瘤、血管和集合引流結構的各種相關參數，包括腎腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管和組織的距離等；方案設計模塊(52)根據方案設計數據導入模塊(51)的結果進行手術方案設計； 模擬手術模塊(6)與手術方案設計模塊(5)相連接，根據手術設計方案進行各種手術方案的模擬； 手術風險分析及應對模塊(7)與模擬手術模塊(6)相連接，對各種模擬手術方案結合數據庫模塊(2)中的資料綜合分析手術風險和應對措施； 預后分析模塊(8)與模擬手術模塊(6)相連接，對不同模擬手術方案的療效進行預測，分析可能的預后； 力反饋裝置(9)與模擬手術模塊(6)相連接，在模擬過程中加入力反饋，増加手術模擬的真實性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CT膠片的三維腎腫瘤手術模擬方法及其平臺，該方法首先建立包含對象資料的數據庫，以包含CT膠片掃描在內的多種方式輸入CT斷層圖像；對序列圖像進行基于輪廓漸變原則的按序配準；利用配準后的CT圖像采用三維重建技術重建動脈期、靜脈期、延遲期相分割的組織，并在同一坐標空間內有效融合。基于建模結果根據腎腫瘤的影像分期的標準及診療指南進行各種手術方案設計、模擬手術、手術風險分析及應對、預后分析，可為對象提供個性化的、受益最大化的治療方案；通過反復手術模擬，可提高用戶的手術技能和熟練度，并且還能用于醫(yī)學教學。
文檔編號G06F19/00GK102982238SQ20121045252
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權日2012年11月13日
發(fā)明者王東文, 孫利民, 李茹, 張彬, 張旭輝 申請人:深圳市環(huán)球博洋機電科技有限公司