CN101477706A - 基于医用图像的模拟手术规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像处理和模式识别领域，涉及一种基于医用图像的模拟手术规划方法，该方法首先在三维空间内生成一条可以变化的曲线，曲线上有几个操作点，然后通过操作点来控制调整曲线，并且可以在曲线上增加和减少操作点，最后根据规划好的曲线计算手术刀的切割角度，合理布置手术刀，方便以后的手术切割过程。本发明与现有的医学图像处理系统相比，创造性的添加了模拟手术规划系统，在三维CT成像基础上，对病变部位进行虚拟的手术路径规划，对于熟练手术操作步骤、减少手术风险具有十分重要的意义和使用价值。

Description

基于医用图像的模拟手术规划方法

技术领域

本发明属于图像处理和模式识别技术领域，具体涉及一种基于医用图像的模拟手术规划方法。

背景技术

模拟手术是利用计算机生成虚拟手术场景，医务人员通过仿真手术器械进行术前模拟，制订手术计划的过程。随着计算机技术、图像处理技术与虚拟现实技术的发展，近年来，模拟手术已成为研究的热点，它可以提高手术的安全性与准确性，引起了人们的广泛关注。模拟手术要实现刺针穿刺或手术刀切入，传统的穿刺和切入单靠的是医生的手感和经验，而在计算机上实现穿刺和手术路径的规划，刺入点、刺入深度和手术刀切入位置的精确选择可以大大的降低手术的风险。

国内关于虚拟手术方面的研究始于20世纪90年代，尚处于探索研究阶段，主要集中于三维重建、手术过程的仿真碰撞检测与软组织形变仿真等问题。如中科院自动化研究所、中科院计算机所、清华大学、浙江大学及南方医科大学等单位对虚拟手术系统进行了初步研究。本发明的模拟手术规划系统是建立在医学图像三维可视化的基础上，是对医学图像的更深一步分析、理解和分割。图像三维可视化是由二维断层图像序列转变成为具有直观立体效果的图像，展现人体器官的三维结构与形态，能够弥补医学成像设备在成像上的不足，能够为用户提供具有真实感的三维医学图像。医学图像三维可视化将辅助医生对病变体和周围组织进行分析和显示，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性。图像三维可视化是目前的一个研究热点问题，是一个多学科交叉的研究领域，是计算机图形学和图像处理技术在生物医学工程中的重要应用。它涉及数字图像处理、计算机图形学以及医学领域的相关知识。医学图像三维可视化在诊断医学、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有着重要的应用。

解放军第一○一医院骨科在2000年的时候，利用Borland C语言编制三维重建和模拟手术程序，建立上肢三维解剖数据模型，将临床实际手术操作过程转化为计算机可接受的指令，实现模拟手术操作。但是该系统只能接受计算机指令，无法实现完全交互的三维虚拟手术环境，且不能灵活的进行手术的规划，也无法实现虚拟切割等操作；清华大学计算机科学与技术系于2003年提出了面向术式的模拟手术交互，但是只能实现按特定路线的模拟手术，如髋关节的模拟手术，交互操作只能按照规定的顺序进行，而本发明的模拟手术系统，可以适用于任何器官的模拟手术，且可以按照任意顺序进行切割和手术，更加方便灵活；安徽医科大学在2005年提出了利用快速原型技术建立骨骼模型模拟手术的应用研究，该技术是将三维螺旋CT数据输入快速原型机，使用分层实体制造的方法，制造出病变部位骨骼的实体模型，然后在实体模型上进行模拟手术。该技术无法实现真正的计算机空间的虚拟手术，且需要通过快速成型加工骨骼的样本，该样本只能让医生进行一次模拟手术，如果模拟手术不成功，还需要再进行快速成型加工，实际上该模拟手术系统只是制造出人体器官的副本，操作不够灵活，且容易造成材料的浪费；大连医科大学于2007年进行了腺样体肥大患儿模拟手术模型的建立和气流流场的数值模拟与分析研究，该技术无法进行手术的规划和切除，也不能显示虚拟切除后的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟手术规划方法。该方法是通过对重建后的三维体进行交互模拟切割和手术规划，使医生能够获取更多更准确的诊疗信息。

本发明的基于医学图像的模拟手术规划方法，包括下列步骤：

步骤1：生成包含患者手术部位的三维医学图像；

步骤2：在三维空间内生成一条曲线，在曲线上选取多个操作点；

步骤3：通过改变操作点的位置来控制调整曲线，若调整后的曲线不符合手术规划，则继续改变操作点的位置，并允许增加和减少操作点，重新执行本步骤，直至调整后的曲线符合手术规划，得到规划好的曲线；

步骤4：将规划好的曲线投影在需要做手术的部位，根据投影线，确定每一个切割点M(x₀，y₀，z₀)；

步骤5：设手术刀平面的法向量为N(n_x，n_y，n_z)，则过切割点M(x₀，y₀，z₀)的平面方程为：n_x(x-x₀)+n_y(y-y₀)+n_z(z-z₀)＝0，将手术刀置于手术刀平面之后，计算手术刀平面绕X、Y、Z轴的角度，并按照下列方法对其绕X、Y、Z轴旋转来调整手术刀的正确切割位置：

设绕X轴的旋转为α度，那么变化矩阵T_x如下式所示：

$T_x=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

绕Y轴旋转为β度，则变换矩阵T_y如下式所示：

$T_y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

绕Z轴旋转为γ度，则变化矩阵T_z如下式所示：

根据公式N₂＝T_x·T_y·T_z，计算得到手术刀旋转后平面的法向量矩阵N₂＝(n_x，n_y，n_z，1)^T，从而根据方程n_x(x-x₀)+n_y(y-y₀)+n_z(z-z₀)＝0确定旋转后的平面，得到本切割点的切割平面；

步骤6：对于投影线上的每个切割点，重复执行步骤5，确定切割时的切割平面；

步骤7：使用平面切割方法进行手术切割。

本发明与现有的医学图像处理系统相比，创造性的添加了模拟手术规划系统，在三维CT成像基础上，对病变部位进行虚拟的手术路径规划，对于熟练手术操作步骤、减少手术风险具有十分重要的意义和使用价值。本发明采用的模拟手术规划方法是建立在已有的医用图像基础上，三维成像和操作格式与已有的医用图像格式标准是一致的，因此建立的手术规划系统可以在现有的医用图像成像仪器设备上应用。根据本发明的模拟手术规划方法建立的模拟手术虚拟平台，能够使手术或治疗对于位置的选择更为精确，也可以使得医生更加熟练手术操作过程，从而提高治疗效果，大大减少病人的痛苦。

附图说明

图1(a)心脏图像序列中的一张；图1(b)进行区域增长算法分割后的图像；

图1(c)心脏图像序列三维重构；图1(d)心血管分割后三维重构；

图2光线投射算法流程图；

图3：模拟切割流程图。

具体实施方式

模拟手术系统存在三个关键技术问题，即图像处理、可视化技术与模拟切割技术。下面分别对这三个关键技术进行介绍。

1.图像处理技术

图像处理技术包括图像分割与分析、测量、图像配准与融合等技术，图像处理是可视化技术和模拟切割技术的前提和基础。全局阈值分割，自动阈值分割，腐蚀，膨胀，区域增长算法等已经被广泛使用的图像处理方法，为医学图像中皮肤，骨骼，器官等的直观显示提供了必要的技术支持。

图1是区域生长算法中的连续阈值法的具体实例。图1(a)是心脏序列CT图像中的第一张；图1(b)是对其中的心血管进行区域增长算法提取的结果，选取的种子点坐标为(136，315)，选取的阈值范围为269-427；图1(c)是心脏序列的三维重建结果；图1(d)对读入的序列心脏图像中的心血管进行区域生长算法提取的结果，选取的种子点坐标为(136，315，0)，选取的阈值范围为269-427，分割重建后的效果较好，能够完成某些组织器官的提取。

2.可视化技术

可视化技术包括具有真实感的快速三维重建、实时三维交互显示等技术。可视化技术建立在图像处理基础上，利用图像处理后的序列图像，通过体绘制或者面绘制的三维成像方法，获得人体或者部分器官的逼真的三维图像。可视化技术是模拟切割的基础，为模拟切割提供了操作平台和虚拟空间。可视化技术一般是基于高性能图形算法行业标准—OpenGL(Open Graphics Library)中提供的接口、函数和模块进行开发的。OpenGL是个专业的图形程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层图形库。并且OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS/2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用，该技术可以保证后续的模拟手术系统可以在不同的平台上进行移植，具有更广泛的适用性。在可视化技术中，光线投射算法(Ray Casting)是最为常用的算法，是三维序体绘制方法的代表。该方法从每个象素发出(至少)一条光线，穿过体数据空间，在光线与体空间的交点之间等距的进行采样，对每个采样点通过三线性或更高次插值计算求出其数据，再计算在给定的光学模型中的光强，并与前面的采样点结果合成。对每一个象素进行如上计算，最终得到整幅图像。光线投射算法的流程图如图2所示。

3.模拟切割技术

模拟切割主要是模拟手术器械的切割过程与结果，它需要考虑了手术器械与手术部位之间的相互作用。

本发明的重点是模拟切割部分，下面对模拟切割做进一步详述。

步骤1：首先需要生成包括患者手术部位的三维医学图像，该三维医学图像是基于二维序列医学图像获得的。该二维医学图像的格式可以是多种通过透视获得的断层扫描数据，如电子计算机体层成像(CT)，磁共振成像(MRI)，正电子发射断层扫描机PET(PositronEmission Tomography)等；

步骤2：然后在三维空间内生成一条曲线，在曲线上选取多个操作点；

步骤3：通过改变操作点的位置来控制调整曲线，若调整后的曲线不符合手术规划，则继续改变操作点的位置，并允许增加和减少操作点，重新执行本步骤，直至调整后的曲线符合手术规划，得到规划好的曲线即手术规划路线。

步骤4：由于人体器官是三维的，手术刀沿着规化好的曲线切割下去后，应该获得一个切面，该切面方程与手术刀的平面方程是一致的。根据点法式平面方程公式，需要确定平面的法向量N和过平面的一点坐标M。假设平面的法向量N为N(n_x，n_y，n_z)，设过平面的一点的坐标M为(x₀，y₀，z₀)，则平面方程为：

n_x(x-x₀)+n_y(y-y₀)+n_z(z-z₀)＝0

平面方程中的过平面一点M通过下面的步骤5获得。法向量N按照下面的步骤6方法确定。

步骤5：根据规划好的曲线，确定手术规划路线与人体器官所产生的每一个切割点M。在三维软件成像系统中，可以通过OpenGL三维开发包中所提供的投影关系和投影函数获得三维物体在平面上的投影点或者投影线。在手术规划界面中，手术规划路线在物体上的投影点坐标就是要找的切割点M.

步骤6：将手术刀置于手术刀平面之后，计算手术刀平面绕X、Y、Z轴的角度，并按照下列方法对其绕X、Y、Z轴旋转来调整手术刀的正确切割位置：

设绕X轴的旋转为α度，那么变化矩阵T_x如下式所示：

$T_x=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

绕Y轴旋转为β度，则变换矩阵T_y如下式所示：

$T_y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

绕Z轴旋转为γ度，则变化矩阵T_z如下式所示：

$T_z=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

设初始法向量矩阵为N₁＝(x₀，y₀，z₀，1)^T，根据公式N₂＝T_x·T_y·T_z计算得到手术刀旋转后平面的法向量矩阵N₂＝(n_x，n_y，n_z，1)^T，根据步骤3提供的公式，可以确定旋转后的平面，得到本切割点的切割平面；

步骤7：重复执行步骤4至6，对投影线上的每个切割点，确定切割时的切割平面；步骤8：使用平面切割方法进行手术切割。模拟切割流程图如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于医学图像的模拟手术规划方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：生成包含患者手术部位的三维医学图像；

步骤2：在三维空间内生成一条曲线，在曲线上选取多个操作点；

步骤3：通过改变操作点的位置来控制调整曲线，若调整后的曲线不符合手术规划，则继续改变操作点的位置，并允许增加和减少操作点，重新执行本步骤，直至调整后的曲线符合手术规划，得到规划好的曲线；

步骤4：将规划好的曲线投影在需要做手术的部位，根据投影线，确定每一个切割点M(x₀，y₀，z₀)；

步骤5：设手术刀平面的法向量为N(n_x，n_y，n_z)，则过切割点M(x₀，y₀，z₀)的平面方程为：n_x(x-x₀)+n_y(y-y₀)+n_z(z-z₀)＝0，将手术刀置于手术刀平面之后，计算手术刀平面绕X、Y、Z轴的角度，并按照下列方法对其绕X、Y、Z轴旋转来调整手术刀的正确切割位置：

设绕X轴的旋转为α度，那么变化矩阵T_x如下式所示：

$T_x=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

绕Y轴旋转为β度，则变换矩阵T_y如下式所示：

$T_y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

绕Z轴旋转为γ度，则变化矩阵T_z如下式所示：

$T_z=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

根据公式N₂＝T_x·T_y·T_z，计算得到手术刀旋转后平面的法向量矩阵N₂＝(n_x，n_y，n_z，1)^T，从而根据方程n_x(x-x₀)+n_y(y-y₀)+n_z(z-z₀)＝0确定旋转后的平面，得到本切割点的切割平面；

步骤6：对于投影线上的每个切割点，重复执行步骤5，确定切割时的切割平面；步骤7：使用平面切割方法进行手术切割。

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