CN101393654A - 一种计算机辅助脏器手术仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种计算机辅助脏器手术仿真系统，包括有存储人体原始医学影像数据的医疗数据库模块(1)；将医疗数据库模块(1)中的人体原始医学影像数据生成三维器官模型的医学图像处理模块(2)；对医学图像处理模块(2)生成的三维器官模型执行仿真手术的仿真手术平台(3)；所述医疗数据库模块(1)通过医学图像处理模块(2)与仿真手术平台(3)连接。本发明设计了一种能依据真实病人的医学影像图片进行三维模型重建，并能在此三维模型上反复进行手术模拟的计算机辅助脏器手术仿真系统。

Description

一种计算机辅助脏器手术仿真系统

技术领域

本发明涉及一种计算机仿真系统，特别涉及一种计算机辅助脏器手术仿真系统。

技术背景

美国国立医学图书馆(National Library of Medicine，NLM)于1989年发起了一个建立人体横断面的CT、MRI和组织学切片数据集的项目。其目的是为了建立一个完全的、代表正常男女性人体解剖结构的数字化体数据集，项目名称为Vj sible Human Project(VHP)，即可视化人体。2001年11月以“中国数字化虚拟人体的科技问题”为主题的香山科学会议第174次学术讨论会召开，现已建立了具有中国特色的三维虚拟人。目前，临床医学正在酝酿一次全新的革命，即把计算机软、硬件技术、三维图形图像技术、自动控制与导航技术、机器人技术、生物技术和核技术等同传统临床医学有机结合起来，催生了先进的医疗理念、医疗方法和医疗设备。计算机辅助手术系统是这次医学技术革命的重要角色，近些年来越来越得到生物医学工程界的重视。CAS系统把医学影像和患者实体以及临床手术有机结合起来，利用术前医学影像，对病灶进行精确定位和导航，突破了传统外科手术的界限，延伸了外科手术医生有限的视觉范围，更好地发挥了外科医生的主动性和灵巧性。

腹部疾病，尤其是腹部肿瘤的早期发现和早期诊断仍是医学界研究的重点之一，术前的诊断，手术的实施直接决定患者的预后和转归。肿瘤手术要求外科医生在最大限度的切除肿瘤的同时，也要最大限度的保留脏器以及脏器的功能，减少手术的创伤，提高患者术后的生活质量。为此，研究并开发出一套计算机辅助腹部外科虚拟手术系统对外科手术有深远的意义。

在现有技术中，清华大学计算机科学与技术系与北京航天航空大学机器人研究所联合开发了基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统。相关对比文件(基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统，王子罡，唐泽圣，王田苗，刘达，吕洪波，申皓，计算机学报，2000，23：9)公开了一种基于实时可视化绘制、机器人和虚拟现实技术，辅助医生完成立体定向神经外科手术的系统。该系统首先利用患者脑部的扫描数据重构并绘制出患者脑部的三维组织结构，为医生调整和确定手术规划提供参照.系统采用了标记点的校准方法，在手术前和手术中分别进行脑部模型和患者的坐标校准.通过机械臂的导航，使机械臂达到手术规划规定的位置和姿态，医生利用安装在机械臂上的手术器械完成立体定向神经外科手术.通过虚拟现实设备，系统可以创造一个虚拟手术环境和虚拟病人.在这个虚拟环境中，医生可以进行虚拟手术，对医生以后的诊断和手术起到培训和教学的作用。

但是，该系统只能应用在神经外科手术，而不能应用在腹部外科手术。针对腹部手术CT图片的特殊性，该系统远远不能满足脏器手术的要求。另外，该系统所要建模的组织是通过人工手工勾画出来的，这样效率就很低，因为腹部组织很多，如果用手工则系统不能适合临床应用。而我们的系统是用程序自动提取感兴趣区域，也就是用图像分割技术把目标和背景分离。并且，该系统仿真方面比较欠缺，不具有力反馈，仿真手术的时候不能明显感觉到力的存在。

发明内容

本发明的目的就是针对上述不足，设计一种能依据真实病人的医学影像图片进行三维模型重建，并能在此三维模型上反复进行手术模拟的计算机辅助脏器手术仿真系统。

为了解决上述技术问题，本发明包括如下技术方案：一种计算机辅助脏器手术仿真系统，包括有存储人体原始医学影像数据的医疗数据库模块；将医疗数据库模块中的人体原始医学影像数据生成三维器官模型的医学图像处理模块；对医学图像处理模块生成的三维器官模型执行仿真手术的仿真手术平台；所述医疗数据库模块通过医学图像处理模块与仿真手术平台连接。

所述医学图像处理模块包括依次连接的数据导入单元、图像预处理单元、目标区域划分单元和三维重建单元。

所述医疗数据库模块存储DICOM文件读取格式的人体原始医学影像数据。

所述仿真手术平台包括虚拟手术器械设计单元。

所述数据导入单元包括ITK开发包调用器，所述ITK开发包调用器通过调用ITK开发包，将医疗数据库模块存储的原始医学影像数据导入系统。

所述图像预处理单元包括背景直方图统计器、目标区域直方图统计器，分别与背景直方图统计器和目标区域直方图统计器连接的背景灰度窗调节器。

所述目标区域划分单元包括依次连接的三维动态自适应区域生长器和数字形态学算子器。

所述三维动态自适应区域生长器包括依次连接的初始域灰度均值计算部件、归并阈值计算部件和生长区域归并部件。

所述数字形态学算子器包括膨胀、腐蚀、开启、闭合形态。

所述三维重建单元包括可视化工具包函数调用器。

与现有技术相比，本发明具有如下显著特征：

1.系统数据来源于真实人体的医学影像图片，改变了传统碳素笔手描线解剖图，使得腹腔实质脏器解剖数字化；

2.利用现代影像和计算机图像处理等技术进行脏器的三维重建可以明确肿瘤大小、部位以及与周围脏器的关系，进行手术的设计和手术并发症的防治措施，同时预测手术的风险性和效果，达到外科手术可视化；

3.以具体真实病人为模拟手术对象，通过术前可视化模拟手术还可以为课堂的教学以及研究生、实习医生、进修生的手术教学提供真实直观的手术过程，改变传统的医学教学模式；

4.在三维模型上反复进行手术模拟，确定手术入口和最优的手术路径，保证切除病灶的同时，对正常组织特别是重要器官的伤害最小化。手术模拟后，制订最优的手术计划，在手术计划中详细规定了实际手术的每一步操作，使医生对实际手术过程了如指掌，做到胸有成竹。

附图说明

图1为本发明系统结构原理示意图；

具体实施方式

以往虚拟手术系统主要是利用“虚拟人”数字化数据集进行三维重建，因此也就很难应用医学临床。本系统数据直接来源于患者医学影像数据，从而可以对活体腹部器官和组织进行快速三维重建，然后把重建好的三维模型导入到计算机辅助仿真手术平台，在Phantom力反馈设备的作用下进行计算机辅助仿真手术。如说明书附图1所示，系统主要包括以下三个部分：

1.医疗数据库模块1

该医疗数据库模块1不仅存储病人的各种原始医学影像数据，而且由DICOM(Digital Imagingand Communications in Medicine)文件的读取格式，可以从这些数据中获取病人的一些基本信息如：姓名、性别、年龄等；同时根据外科医生的诊断结果，对病人数据进行快速分类(如：肝脏疾病、胆道疾病、胰腺疾病等)和特征提取，以判断数据库中是否有相似的病例，如果存在则调出相应的手术方案，否则由计算机辅助仿真手术平台得到该病人手术预案；最后，对患者术后相关信息进行跟踪记录。

2.医学图像处理模块2

该医学图像处理模块2可以快速对患者的图像进行目标区域提取以及三维几何建模，为后续的仿真手术提供准确的数据。具体包括：与医疗数据库模块1连接的数据导入单元4；与数据导入单元4连接的图像预处理单元5；与图像预处理单元5连接的目标区域划分单元6；与目标区域划分单元6连接的三维重建单元7。

(1)数据导入单元4

数据导入单元4与医疗数据库模块1连接，系统数据来源于患者的医学影像数据，比如：CT、MRI等。这些数据的格式通常为DICOM格式，全称“DigitalImaging and Communications in Medicine”。

所述数据导入单元4包括ITK开发包调用器9，所述ITK开发包调用器9通过调用ITK(Insight Toolkit)开发包，将医疗数据库模块1存储的DICOM序列医学图像导入系统，形成一个立体三维的DICOM体数据，具体流程为：

步骤一：利用ITK中GDCM库中的GDCM Help类分析系列文件的头信息，并根据UID进行排序。

步骤二：分析过程若发现数据量过大，自动寻找图像缩小的大小以满足图像处理时间和空间的平衡。缩小采用itk::ShrinkImageFilter进行，并人为修改相应的头文件空间信息，以保存图像缩小的过程不会丢失DICOM的空间信息。

步骤三：采用itk::ImageSeriesReader读入系列DICOM文件并通过itk::ImageFileWriter写成一个DICOM体数据。

(2)图像预处理单元5

由于计算机本身显示原理的限制，对于灰度图像，只可以做到256灰度级的精确显示，而医学图像一般灰度级要高于256，如CT图像灰度级可以达到4096。这就出现了如何用有限的显示资源来更好地显示图像中感兴趣的区域，去除一些背景区域，有利于下一步的图像分割。为此，系统中利用一种基于直方图统计分析的CT图像预处理。

所述图像预处理单元5包括背景直方图统计器10、目标区域直方图统计器11、分别与背景直方图统计器10和目标区域直方图统计器11连接，通过比较目标区域和背景区域灰度值来调节背景灰度的背景灰度窗调节器12。

背景直方图统计器10通过对大量CT图片统计分析，可以知道背景部分的CT值一般都集中在小于0的部分，而目标区域的CT值都大于0，形成了明显的双峰。

目标区域直方图统计器11对目标区域进行直方图统计，可以发现目标区域(比如说肝区)的CT值大概集中在(0～200)这个范围内，有了这个比较准确的数据分析，就有利于下一步的图像分割工作了。

由统计分析的结构可以知道，目标区域的灰度大致都集中在255灰度级内，为了更好的保留原来CT图片的数据细节，因此对于目标区域的原始图片不进行灰度窗调节，直接显示。对于背景区域则通过背景灰度窗调节器12进行灰度调节。

其变换的公式为：

式中InGray为图像的CT值，OutGray为图像显示的灰度值。当图像的CT值大于等于0，小于等于255的时候，其图像显示灰度值保持不变，也就是说此时不进行灰度调节；当图像的CT值为其他值时，背景灰度窗调节器12将图像显示灰度值调节为0。

(3)目标区域划分单元6

目标区域划分单元6的作用是在三维重建前对图像进行分割处理，提取出感兴趣的器官、组织或病变体。针对腹部脏器组织多，图像纹理结构复杂、灰度差别小、边缘不明显等特点，本系统主要采用一种基于三维动态自适应区域生长器13，把腹部重要器官及组织从序列图像中提取出来，然后用数字形态学算子器14对提取结果进行后续处理，得到最后分割结果。

所述目标区域划分单元6包括三维动态自适应区域生长器13和与其连接的数字形态学算子器14。

首先，三维动态自适应区域生长器13先将具有相似性质的像素集合起来构成区域。三维动态自适应区域生长器13包括初始域灰度均值计算部件、归并阈值计算部件和生长区域归并部件。原理是首先在待分割的目标区域中选择一个种子点作为生长的起始点，然后在种子点的领域中搜索那些与种子点的相似特征度满足指定生长准则的像素，并与种子点所在区域合并。此时将新合并的像素作为新的种子点，继续以上搜索和合并过程，直到没有可以合并的像素为止。

其具体步骤如下：

步骤一：初始域灰度均值计算部件在目标区域选择一种子点作为初始点，然后根据下述公式计算该种子点3×3邻域的灰度均值作为种子区域的初始值，这样可以适当避免种子点的误选和噪声的影响。

$\mathrm{mean}(x,y)=\frac{1}{9}\underset{r=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}g(x+r,y+c)$

式中g(x，y)表示待归并的像素点(x，y)的灰度值；

步骤二：归并阈值计算部件依据下面的公式计算其5×5邻域的方差，作为生长准则的归并阈值。

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\underset{r=-2}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=-2}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(g(x+r,y+c)-\mathrm{mean}(x,y))}^2}$

式中(x，y)表示种子区域中心点坐标；

步骤三：生长区域归并部件根据下面的公式为生长准则；

|g(x，y)-AveGray|<δ

式中AveGray为当前区域中的平均灰度均值，其初始值为mean(x，y)。

其次，图片还要经过数字形态学算子器14的处理。

数字形态学算子器14分为膨胀、腐蚀、开启和闭合四个形态。它们在二值图像中和灰度图像中各有特点。

在形态学中，结构元素是最重要最基本的概念。结构元素在形态变换中的作用相当于信号处理中的“滤波窗口”。用B(x)代表结构元素，对工作空间E中的每一点x，腐蚀和膨胀的定义为：

腐蚀： $X=\mathrm{E\&Theta;B}=\{x:B\left(x\right)\&Subset;E\}$

膨胀：

用B(x)对E进行腐蚀的结果就是把结构元素B平移后使B包含于E的所有点构成的集合。用B(x)对E进行膨胀的结果就是把结构元素B平移后使B与E的交集非空的点构成的集合。先腐蚀后膨胀的过程称为开运算。它具有消除细小物体，在纤细处分离物体和平滑较大物体边界的作用。先膨胀后腐蚀的过程称为闭运算。它具有填充物体内细小空洞，连接邻近物体和平滑边界的作用。

(4)三维重建单元7

三维重建单元7采用现有技术的各种三维重建技术对各组织的图像进行三维重建。在本系统中主要采用Marching Cubes(MC)方法对各组织进行三维重建为例。

本发明中的三维重建单元7包括可视化工具包函数调用器。对已经分割好的各组织的图像，可以利用可视化工具包(Visualization Toolkit，简称VTK)函数库，根据MC算法抽取等值面，具体步骤如下：

步骤一：利用VTK中的vtkBMPReader类读取分割好的图片，并将其信息保存在vtkStructuredPoints类中；

步骤二：利用vtkContourFilter类设定等值面的值，提取出感兴趣的轮廓；

步骤三：调用vtkPolyDataMapper函数，将经过各种vtkContourFilter处理后的应用数据映射为几何数据，根据这些几何数据构造得到三维的肝的区域的图像：肝的内部包括血管、肿瘤分割得到的各组织。

步骤四：为了得到更好的显示效果，还可以定义vtkActor，指定场景光照，视角，焦点等信息，并用vtkRender类将绘制场景中的实体渲染出来，得到更加立体的可视化三维图像。

3.仿真手术平台3

该仿真手术平台3是基于美国SensAble Technologies公司的力反馈系统硬件设备Phantom而设计的，系统开发过程中充分利用了Phantom力反馈设备自带的软件开发包GHOST SDK(General Haptic Open Software Toolkit SDK)，它是一个面向对象的C++工具包，把触觉环境表示为几何物体和特殊效果的层次集合，它对Phantom设备基本功能提供了高层抽象，使应用开发者无需过多地考虑底层接口函数(API)，而把主要精力放在触觉场景的产生、场景中物体的属性处理、触觉交互设备的反馈效果控制等方面。

仿真手术平台3包括虚拟手术器械设计单元(8)，其工作原理为：首先测量手术中常用器械的实际外形尺寸；然后利用三维图形软件3D Studio MAX建立手术器械的几何模型；利用3D Studio MAX的导出功能把模型存储为3DS格式；最后结合OpenGL图形开发包，编写程序读取3DS格式模型。虚拟手术器械需要对软组织模型进行手术需要的各种动作(如：切、割、钳等)。系统采用质点模型来描述手术器械，允许用户在一定空间内平移和旋转器械，具有六维空间自由度。为了满足虚拟手术的真实性，碰撞检测是虚拟手术的关键和基础问题之一。只有判定手术器械与人体组织发生了碰撞，才有必要实施切割、缝合等操作。本系统采用Phantom的力反馈器械的质点-弹簧-阻尼器力反馈模型来进行腹部脏器的物理仿真。

Claims (10)

1.一种计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：包括有

存储人体原始医学影像数据的医疗数据库模块(1)；将医疗数据库模块(1)中的人体原始医学影像数据生成三维器官模型的医学图像处理模块(2)；对医学图像处理模块(2)生成的三维器官模型执行仿真手术的仿真手术平台(3)；

所述医疗数据库模块(1)通过医学图像处理模块(2)与仿真手术平台(3)连接。

2.根据权利要求1所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述医学图像处理模块(2)包括依次连接的数据导入单元(4)、图像预处理单元(5)、目标区域划分单元(6)和三维重建单元(7)。

3.根据权利要求2所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述医疗数据库模块(1)存储DICOM文件读取格式的人体原始医学影像数据。

4.根据权利要求3所述的计算机辅助脏器仿真手术装置，其特征在于：所述仿真手术平台(3)包括虚拟手术器械设计单元(8)。

5.根据权利要求4所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述数据导入单元(4)包括ITK开发包调用器(9)，所述ITK开发包调用器(9)通过调用ITK开发包，将医疗数据库模块(1)存储的原始医学影像数据导入系统。

6.根据权利要求5所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述图像预处理单元(5)包括背景直方图统计器(10)、目标区域直方图统计器(11)、分别与背景直方图统计器(10)和目标区域直方图统计器(11)连接的背景灰度窗调节器(12)。

7.根据权利要求6所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述目标区域划分单元(6)包括依次连接的三维动态自适应区域生长器(13)和数字形态学算子器(14)。

8.根据权利要求7所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述三维动态自适应区域生长器(13)包括依次连接的初始域灰度均值计算部件、归并阈值计算部件和生长区域归并部件。

9.根据权利要求8所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述数字形态学算子器(14)包括膨胀、腐蚀、开启、闭合形态。

10.根据权利要求9所述的计算机辅助脏器手术仿真系统，其特征在于：所述三维重建单元(7)包括可视化工具包函数调用器。

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