CN101404046A - 虚拟手术图像处理系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种虚拟手术图像处理系统及其处理方法。包括有图象输入设备(1)、图象处理器(2)、图象存储器(3)、图象通讯接口(4)，其中图象输入设备(1)与图象处理器(2)的输入端连接，图象处理器(2)的输出端分别与图象存储器(3)、图象通讯接口(4)连接。本发明的虚拟手术图像处理系统能满足虚拟手术的需求，实现了医学图像在医院的不同部门之间的传输，给医生的诊断带来了方便。本发明的虚拟手术图像处理系统的处理方法方便实用。

Description

虚拟手术图像处理系统及其处理方法

技术领域

本发明是一种虚拟手术图像处理系统及其处理方法，属于虚拟手术图像处理系统及其处理方法的创新技术。

背景技术

虚拟手术在医学领域中正发展成为一个新的研究方向。虚拟手术利用各种医学影像数据，采用虚拟现实技术，在计算机中建立一个虚拟3D环境，建立可交互操作的平台，通过虚拟手术器械，仿真模拟手术过程。与传统手术规划相比，虚拟手术具有交互性、无损伤性、可重复性和可定制性等优点。目前，国外已经有许多研究机构对虚拟现实尤其是在虚拟医学手术仿真方面进行了大量的研究和实践。法国INRIA研究项目组在2000年开发出一个肝脏切割模拟器，并在此基础上进行一系列的发展。西班牙Meier等在2001年研制开发了带有力反馈功能的三维微创手术培训系统。美国斯坦福大学计算机科学学院在2003年研究开发了软组织缝合的实时仿真系统。我国近年的研究大多集中在对医学图像的三维重建及其可视化等方面，而对于带有力反馈的虚拟手术系统，特别是肝脏及其脏器等软组织的手术仿真研究的投入比较少。

现有虚拟手术的图像处理系统主要负责医学图像及相关信息的存储，而且存储的图像多为单幅图像。虚拟仿真手术是建立在大量医学图像的基础上的一种计算机虚拟仿真医疗方式。它的原始数据来源于医院各种数字扫描仪器，并且将产生大量的医学数字图像，要求计算机能够存储和处理这些数据量庞大的系列医学图像，大容量的序列图像的存储和处理将是整个系统能否实现的关键。图像的传输速度和存储能力都依赖于对图像数据的压缩，因为图像数据的压缩可以显著减少存储容量，提高网络传输速度。

DICOM图像是指将数字医疗设备的原始图像按DICOM标准组织后得到的文件。DICOM格式的CT图像就是指将CT原始图像按DICOM标准组织后得到的文件，简称CT图像。DICOM图像包含一个DICOM文件头和至少一个图像数据的集合。包含一个DICOM文件头和多个图像数据集合的DICOM文件称为复合帧DICOM图像。包含一个DICOM文件头和一个图像数据集合的DICOM文件称为单一帧DICOM图像。一幅单一帧DICOM图像包括一个DICOM文件头和一幅图像的数据两个部分，其中DICOM文件头包含病人的有关信息、检查的相关信息、文件大小等数据。DICOM文件头的大小与其包含的信息直接相关。图像数据部分存储数字医疗设备的原始图像数据，大小因不同设备而异。如无特别说明，我们所说的DICOM图像都是指单一帧DICOM图像，CT图像都是指单一帧DICOM格式的CT图像。

现有虚拟手术的图像处理系统大多采用PACS的处理系统，PACS是Picture Archive and Communication system的简称，就是影像存档与通讯系统。一个典型的PACS包含3个主要部分：图像采集、图像存储与管理、图像显示与处理，如图1所示。PACS是旨在全面解决医学影像的获取、传输、存储、显示和管理的医院信息系统。它随着数字成像技术、计算机技术及网络技术的进步而迅速发展起来的。它以计算机设备为基础，以高速网络连接各种成像设备及相关信息，具有图像质量好，存储、传输不失真，传输便捷，图像及信息资料可共享等众多优点，是对医学影像进行科学管理的最佳方案。但传统PACS的处理系统都是基于文件系统，某个病人的某次检查的所有DICOM图像都是以文件形式存放在文件服务器上为该次检查建立的某一个文件夹下面，而CT图像的有关信息包括CT图像的物理存储路径以记录的形式存储在数据库服务器中，这些记录起着索引的作用。客户端查询某个病人的CT图像时，首先从数据库服务器上查询相关CT图像的物理存储的绝对路径，然后登录文件服务器，从相关路径下取回CT图像。这样会导致以下一些问题：

1)不能满足虚拟手术的需求。PACS的主要目的是数据的共享，它实现了医学图像在医院的不同部门之间的传输，给医生的诊断带来了方便。但是虚拟手术是一个独立的研究部门，不属于医院，PACS无法实现与研究部门之间的数据共享，并且PACS中记录的信息是病人的基本信息，没有包括病人器官的诊断结果，无法为虚拟手术提供参考信息。

2)查询一幅特定DICOM图像的信息比较困难。一般情况下，病灶都是分布在一张或少数几张CT图像上。如果医生需要查看某个病灶，传统的PACS需要从文件服务器上获取该病人该次检查的所有CT图像并全部显示出来，不但造成了不必要的网络负担，降低了网络传输效率，也不便于医生快速准确地找到病灶。

3)文件与数据库中的信息的一致性很难维护。CT图像与作为索引的记录是以不同的形式独立存储的，以文件形式存在的CT图像与以数据库中的记录形式存在的索引信息的一致性很难维护。例如，文件服务器上的CT图像已删除或存储路径已改变，而数据库服务器上的索引记录没有删除或相应改变；数据库服务器上的索引记录已删除或改变，而文件服务器上的CT图像仍然存在或存储路径并没有相应改变。

4)需要先进的硬件设备支持。PACS的工作是建立在大量先进医学设备的基础上，对于一般的研究机构这点是难以满足的。一方面是设备的价格，另一面是设备的维护，这两方面都会带来巨大的经费开销，以及人员管理的费用。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种满足虚拟手术的需求，实现了医学图像在医院的不同部门之间的传输，给医生的诊断带来了方便的虚拟手术图像处理系统。

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种方便实用的虚拟手术图像处理系统的处理方法。

本发明的技术方案是：

本发明的虚拟手术图像处理系统，其包括有图象输入设备、图象处理器、图象存储器、图象通讯接口，其中图象输入设备与图象处理器的输入端连接，图象处理器的输出端分别与图象存储器、图象通讯接口连接。

上述图象处理器的输出端还连接有图象输出设备。

本发明虚拟手术图像处理系统的处理方法，其包括有如下步骤：

1)医院的放射科客户端通过图象输入设备向图象处理器中导入病人的原始CT图像数据；

2)实验室的第一客户端从图象处理器中读取需要的图像数据，然后对原始CT图像数据进行图像预处理，再把得到的三维图像模型数据存储在图象存储器；

3)实验室的第二客户端从图象存储器中读取三维图像模型数据进行虚拟手术，并且把手术的结果存储在图象存储器；

4)医院的外科客户端通过图象通讯接口从图象存储器中读取病人的信息，参考虚拟手术的手术方案，最后对病人进行真正的手术。

上述实验室的第一客户端对原始CT图像数据进行图像预处理包括图像分割、重建。

上述实验室的第二客户端进行虚拟手术的手术结果包括手术视频、音频，手术方案，各种器官、组织的测量值。

上述步骤1)之前还包括有如下步骤：

11)根据医生的意见，登记病人需要统计的信息，并确定存储的类型；

12)分析虚拟手术的对图象存储器所存储数据的实际需求，确定表格之间的联系方式，建立数据库；

13)建立图象存储器的服务器端，并为客户端登陆分配权限；

14)基于WEB SERVECE的模式，配置TOMCAT以及编写程序实现图象存储器的客户端与服务器端之间的连接。

本发明提供了一种满足虚拟手术的需求，实现了医学图像在医院的不同部门之间的传输，给医生的诊断带来了方便的虚拟手术图像处理系统。本发明还提供一种方便实用的虚拟手术图像处理系统的处理方法。

附图说明

图1为现有技术的原理图；

图2为本发明虚拟手术图像处理系统的原理图；

图3为本发明三层虚拟手术图像处理系统的原理图；

图4为本发明虚拟手术图像处理系统底层的原理图；

图5为本发明图象存储器与客户之间的联系图。

具体实施方式

实施例：

本发明的虚拟手术图像处理系统的原理图如图1所示，包括有图象输入设备1、图象处理器2、图象存储器3、图象通讯接口4，其中图象输入设备1与图象处理器2的输入端连接，图象处理器2的输出端分别与图象存储器3、图象通讯接口4连接。

本实施例中，上述图象处理器2的输出端还连接有图象输出设备5。

本发明虚拟手术图像处理系统的处理方法，其包括有如下步骤：

1)医院的放射科客户端通过图象输入设备1向图象处理器2中导入病人的原始CT图像数据；

2)实验室的第一客户端从图象处理器2中读取需要的图像数据，然后对原始CT图像数据进行图像预处理，再把得到的三维图像模型数据存储在图象存储器3；

3)实验室的第二客户端从图象存储器3中读取三维图像模型数据进行虚拟手术，并且把手术的结果存储在图象存储器3；

4)医院的外科客户端通过图象通讯接口4从图象存储器3中读取病人的信息，参考虚拟手术的手术方案，最后对病人进行真正的手术。

本实施例中，上述实验室的第一客户端对原始CT图像数据进行图像预处理包括图像分割、重建等。上述实验室的第二客户端进行虚拟手术的手术结果包括手术视频、音频，手术方案，各种器官、组织的测量值等。

本实施例中，上述步骤1)之前还包括有如下步骤：

11)根据医生的意见，登记病人需要统计的信息，并确定存储的类型；

12)分析虚拟手术的对图象存储器3所存储数据的实际需求，确定表格之间的联系方式，建立数据库；

13)建立图象存储器3的服务器端，并为客户端登陆分配权限；

14)基于WEB SERVECE的模式，配置TOMCAT以及编写程序实现图象存储器3的客户端与服务器端之间的连接。

本发明除了为虚拟手术提供图像信息外，还可具有如下作用：

1、根据真实手术的需要，登记虚拟手术中的各种器官以及组织的测量值，为手术提供依据。

2、记录病人的随访结果，通过多钟治疗方案的比对，有利于医生得出好的治疗方案，为以后的治疗提供参考依据。

3、检测已有的病人信息，进行病征的相关性比较，如果找到相近的病例，则无须进行虚拟手术，手术方案直接参考已有的手术视频，提高了虚拟手术的速度，减少了网络传输量。

4、图象存储器3的数据库还可存储针对各种疾病的手术方案，并且这些方案大多是由全国知名医生或领域权威医生所做出的手术方案，可以为小型医院提供手术方案的参考，提高小型医院的决策水平。

5、图象存储器3的数据库还可收集很多病人的疾病信息，可以为医学院的教学提供更逼真的材料，让学生有一个更真实的学习环境。

6、图象存储器3的数据库还可提供分类的功能，可以按照病人的病变器官、疾病类型进行分类，有利于找出同类病人的特性，对医生的诊断提供参考信息。

7、根据虚拟手术的特点，有时需要查找一个具体的病人信息进行追踪，有时需要查询一类病人的信息作为参考，图象存储器(3)的数据库还可提供两种查询功能：

精确查询：有时需要具体的查询到某一个病人的信息，可以按照病人的姓名、身份证号码等具体信息精确查询到那个病人的记录。

模糊查询：有时不是很明确要查询的是那个病人，或者是要查询一类具有相同特征的病人，可以根据身高范围、年龄范围、疾病类型、性别、疾病器官等模糊消息进行模糊查询，系统会列出同类病人的记录供医生选择，只要医生选中其中的任何一例病人记录，系统就会将所选病人的全部信息以列表的形式显示出来。

8、图象存储器3的数据库还可提供CT数据的浏览功能：人体三期的CT数据(动脉期、静脉期和门静脉期)中，每期有几百张(400张左右)，而有病灶的CT片往往只有几张到几十张，为了方便的存取这些有病灶的CT数据，图象存储器3的数据库中还可提供CT数据的预览功能，医生和研究员可以读取整期的数据进行处理，也可以取出感兴趣的几张到几十张CT片进行处理，为数据的传输、处理带来方便。

9、图象存储器3的数据库还可基于项目的需求，把扫描到的CT数据分成动脉期，静脉期和门静脉期。分期的原因是扫描CT数据的病人是有打造影剂的，根据血液的流动顺序，在三个不同的时间端进行扫描，可以得到不同的血管信息，为将来重建血管提供好的原图像，提高重建的效果。

10、我国目前还没有一个全国性的中国人体信息数据库，本发明图象存储器3的数据库还可收集大量中国人的腹部脏器测量信息，包括腹部全部器官的测量值，将来可以进一步扩展为全身脏器的记录，为建立中国人体数据库奠定了基础。

Claims (6)

1、一种虚拟手术图像处理系统，其特征在于包括有图象输入设备(1)、图象处理器(2)、图象存储器(3)、图象通讯接口(4)，其中图象输入设备(1)与图象处理器(2)的输入端连接，图象处理器(2)的输出端分别与图象存储器(3)、图象通讯接口(4)连接。

2、根据权利要求1所述的虚拟手术图像处理系统，其特征在于图象处理器(2)的输出端还连接有图象输出设备(5)。

3、一种根据权利要求1所述虚拟手术图像处理系统的处理方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)医院的放射科客户端通过图象输入设备(1)向图象处理器(2)中导入病人的原始CT图像数据；

2)实验室的第一客户端从图象处理器(2)中读取需要的图像数据，然后对原始CT图像数据进行图像预处理，再把得到的三维图像模型数据存储在图象存储器(3)；

3)实验室的第二客户端从图象存储器(3)中读取三维图像模型数据进行虚拟手术，并且把手术的结果存储在图象存储器(3)；

4)医院的外科客户端通过图象通讯接口(4)从图象存储器(3)中读取病人的信息，参考虚拟手术的手术方案，最后对病人进行真正的手术。

4、根据权利要求3所述的虚拟手术图像处理系统的处理方法，其特征在于上述实验室的第一客户端对原始CT图像数据进行图像预处理包括图像分割、重建。

5、根据权利要求3所述的虚拟手术图像处理系统的处理方法，其特征在于上述实验室的第二客户端进行虚拟手术的手术结果包括手术视频、音频，手术方案，各种器官、组织的测量值。

6、根据权利要求3所述的虚拟手术图像处理系统的处理方法，其特征在于上述步骤1)之前还包括有如下步骤：

11)根据医生的意见，登记病人需要统计的信息，并确定存储的类型；

12)分析虚拟手术的对图象存储器(3)所存储数据的实际需求，确定表格之间的联系方式，建立数据库；

13)建立图象存储器(3)的服务器端，并为客户端登陆分配权限；

14)基于WEB SERVECE的模式，配置TOMCAT以及编写程序实现图象存储器(3)的客户端与服务器端之间的连接。

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