CN102422335B - 用于交互式术前评估的系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于术前评估由医学影像产生并且在所显示的3D空间中提供的一个或多个解剖结构的方法，以及根据所述方法操作的成像系统、装置和计算机程序。所述方法包括在显示的3D空间中，提供一个或多个安全边界指示标记，所述一个或多个安全边界指示标记有类似所包含的解剖结构的形状和一个相对于该解剖结构外围的预定尺寸。所述方法还包括在显示的3D空间中操纵至少一个安全边界指示标记的安全边界的形状和预定尺寸的至少一个，并且实时在3D空间中显示所述至少一个已改变的安全边界指示标记。另外提供一种利用医学成像系统的方法来定义至少一个切面来分割一个或多个解剖结构。

Description

用于交互式术前评估的系统、方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2009年5月12日的美国临时专利申请No.61/177,461的优先权，该专利文献的内容如同在本文全文陈述的那样以其全文形式被结合入本文作为引用。

技术领域

本文所述的示例方面涉及医学影像处理，并且具体地说涉及利用解剖结构的可操作、视觉可辨认模型便于交互式术前评估的方法、装置、系统和计算机程序。

背景技术

肝脏肿瘤切除可能是用于治疗肝癌的有效治疗方法。例如，在实施外科手术前，医师需要仔细评估待切除的肝脏病灶或肿瘤，预期保留的肝段体，提议的切除如何会对周围血管结构和对应的血液供给/引流区域造成影响，以及切除手术如何会对胆管系统造成影响。所述综合评估可有助于确定最佳手术方案。

切除是否适用于具体的患者可取决于多个因素，例如肿瘤的位置、肿瘤的大小、和预期术后肝功能的质量。因此，术前规划是重要的。在规划阶段，外科医生必须理解肿瘤和周围血管结构之间的空间关系。为了使外科医生能够做到这点，需要能够辅助和使外科医生能够限定将肿瘤和对应的病变组织与剩余的健康肝脏组织分开的表面的工具和系统，以及用于测量受影响区域的大小和/或体积和/或受影响区域和周围结构之间的距离的工具。在过去提供具有所述能力并且可以直观和以用户工作流程友好的方式进行操作的工具是有挑战性的。如同通常所知的，就医师是否能够有效地评价不同的方案以便根据来自不同源的各种信息确定最好的切除方法而言，易于使用是一个重要的因素。

传统上，在本领域大多数在市场上可获得的产品主要是基于向用户提供具有轴向切片的视图的2D显示技术。用户可以操作用户界面以便在显示器中向上和向下滚动沿着轴向方向来观察切片结构中的不同结构。所述传统的产品还提供绘图工具，所述绘图工具使用户能够在不同的切片中绘制分离曲线。随后可以根据在不同切片中绘制的多条曲线以计算方式插值对应的3D分离表面，但所述3D分离表面是不可见的。通过所述生成的分离表面，可以计算在分离表面的范围内的当前目标对象或虚拟切除的体积。因为所述分离表面是不可见的，用户需要在他/或她的头脑中进行想象，同时进行2D绘图，绘出在3D空间中的可能结果。因此，传统的2D方法不直观并且难于应用。

BernardRetinger等人在“LiverSurgeryPlanningusingVirtualReality”(IEEEComputerGraphicsandApplication,Nov./Dec.2006)中提到了一种虚拟现实环境，据称所述虚拟现实环境能够使用户直接在3D虚拟现实空间中进行一些3D操作。不过，所述环境要求用户佩戴立体眼镜并且使用一般市场上买不到的特殊3D跟踪设备。

发明内容

通过用于术前评估由医学影像产生并显示在3D空间的一个或多个解剖结构的方法以及根据所述方法工作的成像系统、装置和计算机程序可以克服前述的现有局限和其它局限，其中所述方法、成像系统、装置和计算机程序的每一个均具有不受上述局限限制的3D能力。在一个示例性实施例中，所述方法包括在显示的3D空间中提供一个或多个安全边界指示标记，每一个所述安全边界指示标记具有对应于器官内相应一个解剖结构的形状并具有距离相应一个解剖结构的预定尺寸的安全边界。所述方法还包括在显示的3D空间中操纵至少一个安全边界指示标记的安全边界的形状和预定尺寸中的至少一个，并且立即在3D空间中显示所述至少一个已改变的安全边界指示标记。

所述安全边界指示标记可以设置在医学影像的2D视图中，以其原有或处理后的形式显示，以及3D视图中；并且所述操纵可包括调节所述至少一个安全边界指示标记的形状和位置中的至少一个。

根据一个示例性实施例，所述方法还包括提供至少一个所述安全边界指示标记的数值尺寸，并且还包括改变至少一个所述解剖结构的3D显示的颜色和外观中的至少一个，和/或遮盖一个或多个结构。

根据本文另一示例性实施例的方法利用成像系统定义至少一个切割表面以切除一个或多个医学解剖结构。所述方法包括在成像系统中显示的3D空间的2D和3D视图的一个中形成至少一个切割表面，分别自动提供所述至少一个切割表面的3D显示或2D显示，利用图形操作器交互式操纵所述至少一个切割表面以调节其定向、形状和位置中的至少一个，和立即在3D空间中显示所述至少一个已改变的切割表面。

所述方法还可包括识别在2D和3D视图之间的解剖结构的对应部分，并且利用定义所述切割表面的平面和模板中的至少一个可进行所述形成步骤。

所述形成步骤在至少一个解剖结构中形成至少一个切割表面，并且所述方法还可以改变所述至少一个解剖结构的定向，其中所述形成步骤针对每个定向在所述解剖结构中形成至少一个切割表面。

作为另一个示例，所述方法可包括沿着所述至少一个切割表面将所述至少一个解剖结构分成至少两个部分，和/或重新连接所述解剖结构的所述至少两个部分。还可以改变至少一个所述部分中的颜色和外观中的至少一个。

此外，可以将位于解剖结构模型内部的子结构(例如，血管分支等)分成部分，并且可以指示至少一个子结构的至少一维特征。在一个示例中，所述至少一维特征包括所述至少一个子结构的截面的直径，可以沿所述至少一个子结构在一位置处交互式选择所述截面，并且在一个示例性实施例中，所述至少一个子结构可以自动旋转来响应所述选择。

附图说明

本文所要求保护和/或所披露的技术要点将结合示例性实施例进一步进行描述。这些示例性实施例将结合附图进行详细描述。这些实施例是非限制性的示例性实施例，其中相同的附图标记在附图的几个视图中表示相似的结构。

图1示出了根据本文示例性实施例的屏幕布局的一个示例。

图2a-2c示出了根据本文示例性实施例与解剖结构相关的安全边界指示标记。

图2d示出了根据本文示例性实施例的流程图，用于操纵安全边界指示标记。

图3示出了根据本文示例性实施例基于2D的分离表面定义及其3D插值的示例表述。

图4示出了根据本文示例性实施例基于3D的可调节平面分离表面定义的示例表述。

图5示出了根据本文示例性实施例基于3D的轮廓分离表面定义的示例表述。

图6表示根据本文示例性实施例如何在3D空间中从一结构中取下一部分和将一部分放入一结构中。

图7(a)示出了根据本文示例性实施例的解剖结构的分离部分，以及在其切割表面区域中嵌入结构的截面面积测量的示例。

图7(b)-1到7(b)-4表示根据本文示例性实施例的工作流程图，用于测量结构例如管状结构的直径。

图7(c)示出了用于测量直径的流程图。

图8示出了根据本文示例性实施例的系统。

图9示出了根据本文示例性实施例用于切除手术规划和/或切除手术的流程图。

具体实施方式

本文所述的示例性方面涉及以直观、交互式和实时方式便于术前评估的方法、系统、装置和计算机程序。这些示例性方面可用于根据量化评估和评价解剖结构和其它组织，例如但不限于肝脏、肝段、血管结构、血管分布区、胆管结构和肝病灶以及它们之间的空间关系便于肝病灶/肿瘤切除规划。这些方面还可提供直观的3D工作环境并且可用于融合2D和3D信息以进行有效的切除评价和分析。

图8示出了根据本文示例性实施例的示例性医学成像系统800的构造，并且除其它功能之外所述医学成像系统800可用于进行术前评估。系统800包括一个或多个用户界面例如显示设备801，并且还包括图形用户界面(GUI)控制器805，3D场景操纵机构807，2D/3D转换机构809，3D场景显示机构803，安全边界指示标记操纵机构813，分离表面定义机构815，切割展开机构817，体/已分割对象输入模块811，和截面切割机构819。用户821可以通过至少一个用户界面与系统800进行交互，所述至少一个用户界面包括输入用户界面和输出用户界面。在一个示例实施例中，输入用户界面可包括用户可操作滑动控件、跟踪球、键盘、操纵杆、通过显示设备801的方式提供的输入用户界面、和/或任何其它合适类型的用户输入机构中的至少一个，而输出用户界面可通过设备801的方式提供和/或可以是能够提供用户可感知输出的任何其它合适类型的界面。为了方便起见，在图8中通过键盘804来标识输入用户界面，但是应当指出用户输入界面可包括前述类型的输入用户界面中的任何一种或多种，而不限于键盘。

当用户821操作输入用户界面(在下文中也被称作“用户界面”)804以操作场景例如3D场景时，控制器805(它可控制系统800和用户821之间的交互)启动3D场景操纵机构807，所述3D场景操纵机构807转而调用3D场景显示机构803。系统800可以从体/已分割对象输入模块811加载体数据和已分割的3D对象，并且通过3D场景显示机构803显示所述对象。机构803根据构成部分807和811的输出进行工作以操纵显示在显示设备801上的3D场景。可以动态进行数据显示并且要显示的数据还可以变化。例如，当用户821旋转在显示设备801上显示的3D体时，可能需要更新(并且可更新)原来的显示以反映由于旋转而导致的数据在表现形式上的变化。因此，由于旋转，要显示的2D截面也可能变化。

用户821还可以指定各种其它功能的表现，包括定义分离表面、安全边界等等的功能，这会在下文中更详细进行描述。当用户821例如在显示设备801上所显示的2D显示中选择任何所述功能时，系统800根据用户8221所指定的特定功能利用2D/3D转换机构809转换用户的输入信号并且将转换后的信号发送至安全边界指示标记操纵机构813、分离表面定义机构815、切割展开机构817和截面切割机构819中的一个或多个相应机构。例如，如果用户821指定切除功能，用户821可要求系统800从体/已分割对象输入模块811加载体数据和已分割的3D对象，并且根据来自模块811的信息和应用模块813，815，817，819的一个或多个的输出通过3D场景显示机构803显示所述对象。机构803根据构成部分811和构成部分813，815，817和819中的一个或多个的输出进行工作，以执行用户821所指定的功能。

在所示的实施例中，显示设备801是数据处理系统的一部分，所述数据处理系统包括设备801，用户界面804和至少一个存储设备(存储器)808，上述构成部分的每一个双向连接至数据处理系统的处理器818。处理器818还可连接至外部输入/输出(I/O)设备(未示出)和通信接口设备(未示出)，所述设备中的至少一个使数据处理系统能够与其外部其它元件例如网络进行通信。

存储设备808具有计算机可读介质，并且由处理器818使用以便存储和读/写数据，以及用于执行本文所述和附图中所示程序的计算机可读程序指令。在工作中，处理器818执行程序指令以便执行本文所述的任何示例程序，以便使整个系统800工作。

图8中的模块803和805-819各自可包括软件、硬件或其组合，并且这些元件803和805-819中的至少一些(尽管为了示例起见在设备801外表示)可被结合入数据处理系统。作为一个示例，这些模块可以至少部分以存储在存储设备808中的计算机程序指令体现，或可以是位于处理器818中或与处理器818相连的硬件构成部分。

描述了图8中的系统800，现在将结合图1和8描述关于系统800的显示功能的方面。在实际人体或动物患者上进行的切除医疗手术当然在物理3D空间中进行。本文所述的示例性方面可以在计算设备的显示器(例如图8所示系统800的显示设备801)上模拟在3D模拟工作环境中的所述活动。图1示出了计算设备显示器101，在一个示例中所述显示器101是图8所示显示设备801的另一表示形式。图1的设备101包括在其中可显示3D体的3D显示区域102(也被称作“工作环境”)，和包括其中可显示相应2D截面视图的多个子区域103的单独显示区域，每个对应于从特定视角(即，以不同角度)观察的在区域102中所显示的3D体。在一个示例性实施例中，在子区域103中所示的视图是从垂直于(并且看上去大体朝向)区域102中所示三个轴的相应轴的视角获取，并且彼此正交，尽管在其它实施例中可提供其它非正交的视图。

可在区域102中显示的3D体可以是任何观察到的可应用对象，并且在本示例性说明的上下文中可包括一个或多个解剖结构或器官，例如(仅作为示例)肝脏、肝脏切除后已分割的肝脏、一个或多个相关的解剖结构例如病灶(例如在器官内)、一个或多个肝静脉、门静脉、肝动脉、胆管、肝叶、血管分布区、胆管分布区等等中的至少一个或多个。所述结构间显示的内部空间关系对于观察者来说是清晰可见的。可以根据扫描的体数据自动或通过交互式手动方法预先分割视图中的解剖结构。

用户例如用户821(图8)可操作系统800以旋转和/或缩放(显示设备101上的)3D场景，以便从不同视角显示已分割的对象来获得对不同已分割结构之间的空间关系的更多理解。用户821也可以利用例如相关的对象控件将已分割对象的外观调节成不透明、透明、不可见等等。在一些实施例中，用户可以显示或隐藏某些对象以露出被遮挡的区域或看到透明对象内的对象。这些方面的示例将在下文中进一步进行描述。

现在将结合图2a描述使用户能够定义安全边界的示例性实施例，图2a示出了在3D空间(即，图1的区域102)中所示的围绕解剖结构205(例如，肝脏)的病灶或肿瘤204的安全边界指示标记201的表示。安全边界可用于定义用于切除的区域，例如包括病灶或肿瘤204和为了额外的预防原因围绕它的另外缓冲区域。在图2a的示例中示出的安全边界指示标记201是圆形或卵形的；不过，安全边界指示标记201具有任何其它合适的形状在本发明的保护范围内。作为非限制性和非排它性示例，图2c示出了安全边界指示标记201跟随病灶或肿瘤204的整体形状具有扩大的形状。还应当理解，在一个示例中，除了3D视图外，安全边界指示标记还可以被设置在医学影像的图1的2D视图中，以其原有或处理后的形式显示。

在本文的一个示例实施例中，用户821可通过用户界面(例如，804)(利用例如图8的模块813)的方式指定和调节安全边界指示标记201的尺寸和形状，并且还可通过例如用户选择和拖曳指示标记201的边界以增大(或缩小)其尺寸(如图2b中的附图标记203所示)来调节/移动所述尺寸和形状。安全边界指示标记201的中心也可以通过用户操作用户界面804以在3D(或2D)空间中拖曳/移动对象的指示标记201进行调节。安全边界指示标记201可在区域102和103分别以3D和2D进行显示，并且由用户(通过例如用户界面804)调节的指示标记201的尺寸、形状和/或位置由系统800在显示区域中基本即时进行更新。当例如在一次手术设置中要切除需要不同尺寸和/或形状的安全边界指示标记的多个病灶/肿瘤时，前述用于调节安全边界指示标记201的能力是有利的。当用户如上所述交互式调节安全边界指示标记201的尺寸等时，由系统800提供的实时可视反馈尤其有用。在一个示例实施例中，这通过在3D计算机图形库(例如OpenGL)的显示转换中设定对应于安全边界指示标记201的希望的、调节的尺寸或形状等的缩放因子来实现。通过这种方式，不必要使用在交互式会话过程中直接调节安全边界指示标记的尺寸和形状的更费时计算。在一个示例中，只有当用户从实时可视反馈指定合适的尺寸或其它类型的调节时，系统800才使调节生效。

根据一个示例性实施例，在显示设备101的一个或多个部分(区域102，103)中示出了安全边界指示标记201的数值尺寸(例如，直径、周长、长度、宽度、位置等)。存储在系统800的存储设备808中的计算机程序用于连续监控这些尺寸(例如，这可以利用已知的尺寸测量技术实现)，并且使它们显示在显示设备101上。在其它实施例中，定期或根据用户要求确定和显示这些尺寸。

在本文的另一示例性实施例中，用户821可操作系统800来更改在显示设备101上所示的一个或多个解剖结构202，204的表现形式，包括在安全边界指示标记201内(或在其它实施例中在安全边界指示标记外)的解剖结构。例如，用户821可操作用户界面804以便根据用户821所规定的标准来指定用与一个或多个其它显示的结构(例如，可由器官202遮盖病灶204和/或其它器官内解剖结构，反之亦然)不同的颜色或表现形式遮盖和/或显示一个或多个选定的解剖结构(例如202，204)，并且系统800通过以特定的颜色或表现形式显示选定的结构来响应。依靠这种能力，用户可通过直观的方式易于分辨哪些结构包括在安全边界指示标记201内或者受安全边界指示标记201影响。在一个示例中，在用户(例如通过用户界面804的方式)移动安全边界指示标记201的情况下，随着指示标记201的移动，被指示标记201接触或重叠的解剖结构部分的颜色和/或表现形式发生变化，和/或当所述结构位于安全边界指示标记201的边界内时其颜色和/或表现形式发生变化。

此外，在一个示例性实施例中，每当用户将指示标记201置于结构上时，计算并在显示设备101上显示一个或多个量化测量结果，例如在安全边界指示标记201内的结构(例如202，204)的部分的体积或其它物理特征。换言之，系统800(例如利用已知的体积测量技术)计算包括在边界指示标记201内的结构(例如202，204)的任何部分的体积，或者在另一示例中被指示标记201接触或重叠的任何部分的体积。在另一实施例中，系统800执行所述功能来响应用户简单地操作用户界面804以选择结构(例如202，204)，无论所述结构的任何部分是否位于安全边界指示标记201内，或者定期或自动执行所述功能。在一个示例实施例中，系统800显示或输出被遮住的解剖结构、器官和/或其保留部分的量化测量结果。

在另一示例性实施例中，系统800可计算至少一个感兴趣的对象(例如202，204)到至少一个相邻或由用户821指定的其它结构(例如图2c的207)之间的距离d1，并且该距离显示在显示设备101上。例如，用户821可以通过用户界面804的方式选择该对象(例如202，204)和结构(例如207)，并且指定计算它们之间的距离，在这种情况系统800通过计算该距离(例如利用已知的距离计算技术)并将它显示在显示设备101上来响应。在另一示例中，系统800响应用户821指定通过计算感兴趣对象和最近结构之间的距离并随后在显示设备101上显示该计算的距离使系统800显示感兴趣对象(例如202，204)和相邻结构(例如207)的最近部分之间的距离。此外，在一个示例中，该计算确定对象(例如202，204)和结构(例如207)的最接近部分之间的距离。此外，在一个示例实施例中，系统800计算并指示两个或更多个安全边界之间的距离，和/或至少一个安全边界指示标记和例如器官内至少一个解剖结构、器官本身、和/或其它解剖结构之间的距离。这些功能可自动或响应用户指令来执行。

此外，在一个示例实施例中，可以由用户(例如通过用户界面)指定安全边界指示标记201和它所围绕的结构例如结构204之间的距离，并且安全边界指示标记自动调节以使它位于距所述结构的该距离的位置(即，调节安全边界的尺寸)。作为一个示例，在图2c中，示出了安全边界指示标记被调节以使它反映结构204的形状，但指示标记的每一部分与结构204的相邻表面间隔预定的距离(例如由用户指定的距离)。安全边界指示标记的形状可由系统自动调节或由用户调节。所述调节可根据例如用户选择多次进行。此外，在一个示例实施例中，可以在每个视图中显示多于一个的安全边界指示标记，并且系统不限于仅示出单个安全边界指示标记。在例如利用指示标记来分析/切除多个病灶等时，一次示出多个安全边界指示标记是有用的。

图2d是用于操纵安全边界指示标记例如指示标记201的示例性流程图。在步骤220，用户821操作用户界面804(图8)以输入指定用户希望操纵安全边界指示标记201的方式的信息。例如，这可包括用户指定信息，例如指示标记201的希望尺寸、维数、位置和/或形状。在步骤221，系统800通过(在需要时)利用转换机构将输入信息转换成可用于操纵或适合安全边界指示标记201的数据结构类型的参数进行响应。随后，在步骤222，根据步骤220所指定的信息，更改定义安全边界指示标记201的数据结构，并且也更改了在显示设备101上显示的指示标记201的表述。在显示设备101上显示所得到的更改的安全边界指示标记201(步骤223)。此外，在一个示例中，当用户在步骤220指定改变接触、重叠指示标记201或在指示标记201的边界内所显示结构的表现形式和/或颜色(例如，如上文所述的遮盖、透明度等)时，随后在步骤224在设备101上(例如3D显示中)相应改变任何所述结构的颜色和/或表现形式。这例如对于遮盖或标记受影响的显示血管系统可能有用。在一个示例实施例中，可以在二元体空间中利用标准布尔逻辑和(AND)运算进行遮盖，尽管在其它实施例中可利用其它适用的技术进行遮盖。

已描述了可以形成和操纵安全边界指示标记的方式，现在将描述本文的另一示例性方面。根据该示例性方面，系统800使用户能够定义一个或多个分离或切除表面(在本文中两者也被称为“切割表面”)，不管是通过将安全边界指示标记201用作分离(或切除)表面，和/或还是利用另一用户定义的分离或切除表面，如下文所述。依靠该示例性方面，用户可操作用户界面804使系统800自动产生最佳切割表面，所述最佳切割表面使得切除能够以有效和最佳的方式进行。例如，由用户定义的最佳切割表面可以是用户认为会保留最大体积的剩余结构，同时仍能除去病灶或肿瘤的足够或安全量的表面。作为另一示例，最佳切割表面可认为是对当前的血管系统造成最小可能侵犯的表面，并且可通过评价用户确认的安全边界指示标记和肝实质或血管系统之间的空间关系进行评估。当然，这些示例不是排他性的，并且不旨在限制本发明的保护范围。

现在参见图3，描述根据本文的一个示例性实施例可以定义分离或切除表面的方式。在本示例中，用户可操作用户界面804来绘制曲线以在2D视图306中(在一个示例中也表示图1的区域103)形成一个或多个切片(在本文中也被称为“切割表面”)301，302，303。作为响应，系统800(例如利用模块815)根据所绘制的2D曲线在3D视图305(在一个示例中也表示图1的区域102)中插值分离表面304。根据本文的一个示例方面，所得到的3D视图305随着2D曲线的绘制实时显示，以便对于感兴趣的对象和要切除的对象基本同时显示插值的3D表面。通过这种方式，在用户绘制2D曲线时用户可以看到即时的3D可视反馈，因此用户不需要在他/她自己的头脑中想象3D分离表面。在一个示例实施例中，可通过参数化法进行曲线插值。例如，假设在切片1中有一条曲线A而在切片2中有一条曲线B。曲线A可从0到1用参数表示，使得曲线上的每个点具有在0和1之间的相应参数值。同样的，可对曲线B进行相同的参数化。通过利用具有自曲线A和曲线B的相同参数值的对应点可获得切片3中的插值曲线C。可以根据切片1和切片2的切片位置连同切片3到切片1和切片2的距离线性插值曲线C的切片。这些曲线随后可通过联接或连接每对相邻曲线之间的对应参数点用于构造3D表面。在一个示例中，可以将被称为三角测量法的标准计算机图形技术用于将这些曲线联接成网以便形成表面。

系统800还使用户能够在2D和3D视图之间浏览，并且通过交叉参照3D和2D视图浏览特定的位置。例如，如果用户认为切除表面的某个部分在一张视图(例如3D视图305)中是不令人满意的，随后通过在3D视图中选择该部分，系统800可将他/她引导至对应的2D轴向、矢状和/或冠状视图306，并且如果认为有必要可调节表面。用户还可以通过操作系统800在2D和3D视图306，305之间来回切换。例如，如果用户选择视图306中的2D影像切片，则在视图305中也可以看到3D空间中的对应位置。可以在3D视图305和2D视图306中显示安全边界指示标记(例如，图2a-2c中的201)和血管/胆管分布区，以供用户在定义切除表面时用作参照。

在另一个示例性实施例中，可以利用平面例如图4所示的平面401形成分离或切除表面。在图4的示例中，平面401是穿过要切除的对象403的3D平面，并且这形成切割平面(例如，切除或分离平面)。例如，通过操作用户界面804(图8)，用户821可以调节平面在3D视图(例如，图1的视图102)中的位置、定向、尺寸、厚度和/或形状。在一个示例中，用户还可以操作用户界面804以便利用图形操作器(例如参见图4中所示的箭头)或一些其它机构从其边界(或从平面401的另一部分)使平面401弯曲或使平面401的形状变形(参见例如弯曲的平面402)。通过这种方式，用户821可以直接操纵分离平面401(或表面)以便将它放在希望的位置和定向，并且还可以改变它的尺寸、形状、厚度和维数。平面401可结合2D和3D视图(参见例如图1和3)一起使用，并且因此用户821可以对2D或3D视图中的分离平面401进行交互式局部调节，以便例如通过对周围重要解剖结构造成最小可能伤害的方式实现分离等。

在另一个示例性实施例中，用户可从不同的视角绘制若干3D轮廓以定义分离区域。例如，当在3D视图中针对要切除的对象观察感兴趣的对象时，用户可以沿一个视角绘制轮廓，通过所绘制轮廓的延伸突出部分沿着视角方向可将感兴趣的对象与其余部分分离。用户随后可以按另一角度旋转3D视图并且绘制另一轮廓以排除另一部分。通过重复这个过程，最终分离的部分是根据沿不同视角所绘制的轮廓的交集(在下文的示例中是若干圆柱体的交集)。

该示例可参见图5进一步得以理解。在该图中并且仅为了便于理解，示出圆柱体503与解剖结构504、病灶或肿瘤506和安全边界指示标记508中的每个示出实例相关。示出圆柱体503仅用于帮助读者理解图5所示三个视图(标记为501，511，和521)的3D相互关系，表示所提及的构成部分从相应的不同角度所观察到的，而在实际使用中不需要示出圆柱体503。如图中的上图501所示，(例如通过用户操作用户界面804)沿一个视角501提供轮廓502。视图511示出了视图501由用户(垂直)旋转约90度后的构成部分。在所示的示例中，提供了(例如在所述旋转后)由用户绘制的第二轮廓512。视图521表示由例如用户(水平)旋转约90度的构成部分。结构504现在由两个圆柱体503限定。通过能够直接以这种方式在相应的3D视图中操纵和旋转构成部分，可以在定义分离表面的形状上提供更大的灵活性，并且用户可以更确信分离表面贯穿被分离结构体是正确定义的，因为他/她可移动/操纵/旋转所述结构体并且从不同的视角进行观察。结合这种方法，在一个示例性实施例中，由与视图501，511和521垂直(或按某个其它角度)偏置的视角获得的2D多平面切除(MPR)影像也可以显示在例如图1的区域103中，以便用户也可以使用所述视图以供在定义切割轮廓时作为参照。

通过上文所述可以理解，本文的系统800针对如何定义分离和切除表面提供给用户很大的灵活性。实际上，在另一示例性实施例中，可以操作系统800以从多个现有的存储的模板中选用一个或多个预定的模板，用于切除规划。选择模板的方式可通过用户选择或根据预定的匹配标准自动进行。模板可形成彼此不同的形状和与上文所述的任何形状均不同的形状，并且可包括，仅作为示例(而不具有限制性)，一个或多个球状模板，楔形模板，椭圆体模板，碗状模板等，或其任何组合。

通过操作用户界面804，用户821按如前所述与用于图4中的平面401相似的方式可以调节3D视图(例如图1的102)中模板的定位、定向、尺寸、厚度和/或形状。在一个示例中，用户821还可以按照与前述用于平面401相似的方式操作用户界面804以便从其边界(或从模板的另一部分)弯曲模板或使模板的原来形状变形，并且所述模板可定义切割表面/区域。通过这种方式(并且与上述用于平面401相似的方式)，用户821可直接操纵将分离模板放置在希望的位置和定向，并且还可以改变其尺寸、形状、厚度和维数。用户可交互式对2D或3D视图(例如图1中的103，102)中的分离模板进行局部调节，以便例如通过对周围重要的解剖结构造成最小可能伤害的方式实现分离等。作为一个示例，用户可以操作用户界面804，以便拖曳和/或推动模板的一个或多个表面使模板变形成希望的形状，和/或拖曳或推动显示在2D截面显示(例如图1中的103)上的轮廓以实现模板形状调节。系统800的这种功能在例如需要非典型的分离或切除表面以便避免伤害血管分支等时可能有用。

一旦通过上述技术中的任意一种分离(或切除)了目标对象，用户(例如821)可以操作用户界面804(图8)以便在2D和/或3D空间(例如通过图1的视图103，102)中根据需要操纵已分离的部分，以便进一步分辨认为对进行可应用的手术程序必要的信息。

已经描述了用于定义切除和分离表面的示例性实施例，现在将描述关于切除和分离的示例性实施例。

图6表示根据本文的一个示例性实施例，如何从3D空间中的结构移去一部分和将一部分放回到3D空间中的结构。用户可操作系统800的用户界面以便通过上述方式中的任意一种形成分离表面606，并随后将部分607从解剖结构608分离(为了方便起见，在本文中该过程被称作“开口”操作604)。如图6所示，附图标记601表示还没有将部分607从结构608移去的原始状态，而附图标记603表示已经将部分607从结构608移去、留下开口609的状态。因此，系统800(利用例如模块817)实现这些操作601和603，并且使用户能够感觉构成部分607和608结合在一起(601)，以及以模拟形式彼此分离(603)。该过程还可以在结构608内分开或重新结合子结构(例如，器官内解剖结构)，并且使用户能够看到被移去或保留的部分连同相应的器官内解剖结构。

在本文的一个示例性实施例中，可由用户821操作系统800来更改部分607，608，609中的一个或多个的表现形式，和/或这些构成部分的一个或多个部分。例如，用户821可以操作用户界面804，根据由用户821规定的具体标准如上所述指定这些构成部分的一个或多个选定的部分以不同于这些构成部分的一个或多个其它部分的颜色或表现形式被遮盖和/或显示，并且系统800作出相应的响应。因此，作为示例，当两个部分607和608彼此分离时，用户821鉴于系统800的所述功能可观察表现形式和/或颜色与构成部分608和609不同的切割部分607的表面606，并且对于切割表面区域可获得更直接的视觉理解和解释。用户还可以操作用户界面804以便将部分607放回开口608(为了方便起见，该过程被称为“闭合”操作605)，通过模拟形式观察两个部分607和608被再次结合在一起。

在一个示例中，可以利用显示参数例如两个部分的位置具有小变化的计算机程序循环(例如通过模块817)进行“开口”和“闭合”程序，尽管在其它实施例中可采用其它技术。

在本文的另一示例性实施例中，嵌入在已分离构成部分内的解剖结构也可被分成两个或更多个部分。例如，参见图7a，用户821(图8)可以操作用户界面804(图8)，指定解剖结构704(例如肝脏)和至少部分置于其内部的一个或多个选定的构成部分705被分成至少两个部分，并且系统800通过在显示设备801上执行所述分离进行响应。同样，由用户指定的这些构成部分的任何一个或多个和/或其一个或多个部分例如但不限于截面701可自动或者以响应用户选择的方式以与这些构成部分的一个或多个其它部分不同的颜色和/或表现形式被遮盖和/或显示。

图7a中所示的解剖结构的每个部分和/或其选定的截面701(例如要受切除影响的区域)也可以按与上文所述相似的方式对其体积、面积、和大小/尺寸等进行测量。换言之，系统800(利用例如已知的计算技术)计算图7a中任何用户指定部分的尺寸特征。作为响应，系统800(利用例如模块819)通过计算可应用的尺寸特征并且将它们显示在显示设备101上进行响应。例如，在用户选择具体的截面区域例如截面区域701中的一个的情况，系统800分析可应用截面区域701的形状并且沿着一个或多个方向例如沿着截面的最长轴方向(即，沿着最宽直径)计算其直径。可通过利用例如两个3D箭头指示标记710在显示设备810上表示所计算直径的方向，并且用户可调动这些指示标记710来指定要计算/显示的具体直径(及其方向)。可以在显示设备801上显示近似直径的测量结果720。此外，用户821可以操作用户界面804以便沿着截面区域710交互式调节直径的方向，通过例如拖曳或移动3D箭头指示标记710和转动所述指示标记等获得更有意义的测量结果，以便得到沿不同的希望方向的直径。

在切除规划过程中，除了确定切除或切割表面截面的直径外，还可能希望获得沿其它截面例如感兴趣的血管分支的其它部分的直径。现在参见图7(b)-1到7(b)-4，示出了根据本文的一个示例性实施例表示如何确定管状结构的直径的示例性工作流程。在一个示例中，这些附图可表示在显示设备101(图1)上显示的相应视图。应当指出，尽管描述了管状结构，但下文的程序不仅限于所述结构，并且确定其它类型的结构的直径同样落在本发明的保护范围内。

在图7(b)-1中，示出了驻留在3D空间731中的细管状结构732(例如血管)。在图7(b)-2中，用户操作用户界面804以便在结构732的表面上选择用户希望确定的结构732的直径的点733。作为响应，系统800(利用例如模块819)计算由用户所选择点733的位置所定义、在结构732的截面处的结构732的直径。图7(b)-3由附图标记736表示直径，并且该直径736的位置由箭头指示标记734,735进一步表示。由系统800计算的直径值(例如2mm)由附图标记737表示，并且通过显示设备101方式显示给用户。

示出图7(b)-3中的结构732(或只是直径本身)相对于图7(b)-2中的结构732旋转偏置。所述偏置可以(或可以不)显示在显示设备101上，并且可通过自动或响应用户指令的方式提供。图7(b)-4表示相对于图7(b)-3中所示的结构进一步旋转偏置，可以通过自动或根据用户指令实现。在(相对于图7(b)-3)的该图中示出为进一步旋转的箭头指示标记由附图标记738，739标识。由于如图7(b)-3和/或7(b)-4所示旋转结构732和/或直径，用户可以立即察觉直径的两端而不受箭头指示标记的妨碍，并且在由系统800进行自动旋转的情况，在一个示例中，除了指定(例如通过“单次点击”)要确定的直径外，用户不需要采取任何行动以引起旋转。即使在一些旋转的直径不完全与初始定向(例如图7(b)-2)中的直径相同的情况，直径值仍可能在值上非常接近，尤其对于例如管状细结构。

在一个示例性实施例中，为了获得单次点击选择点例如点733的直径，在一个示例中，系统800利用点击点相对于(即基本垂直于)观察者的直视线方向找到用于测量的适当方向。不过，对于在由用户选择的点偏离结构732的中心的情况，为了更精确的测量，在另一个示例性实施例中，采用垂直于选定点733的3D表面以确定直径，或者可采用垂直于平滑表面片的3D表面用于测量的额外可靠性(例如在一个示例中，可以根据表面的图形网表示计算法线)。可通过系统800从选定的点开始沿着垂直于所述选定点的表面的相反方向搜索，直到遇到空点(即，直到到达结构732的相反表面外的区域)，获得与用户所作的选择相对的直径端部。在一个示例中，通过系统800自动和实时进行前述的确定，尽管在其它实施例中可能不需要。

如上文所述，可以旋转直径，如图7(b)-3和7-(b)4所示。系统800可利用任何合适的技术例如定义包含由选定点733和表面法向矢量构成的虚构线的截平面旋转直径测量结果。可能存在无限的选择，因为存在无限个穿过该线的平面。系统800可以找到垂直于管状细结构732的中心线方向的平面。为了进一步确保使用管状细结构的可靠中心线，尽管在表面上的可能形状变化或微小嘈杂结构可能影响中心线的提取，但可以采用其它技术例如确定旋转直径测量的强力搜索方案或其它合适的技术。

在一个示例性实施例中，自原直径测量的中心，系统800沿垂直于原直径测量方向的方向进行搜索。所述方向沿半圆展开，间隔几度。在每个方向，系统从中心向至少两个方向进行搜索并且找到空点。对于每个实例计算除空点外的(两)端的长度。在一个示例中，将最小计算长度的方向用作旋转直径测量。该方法的基本原理是垂直于管状细结构732的中心线的平面应当具有最小半径的截面圆盘。通过搜索至少一些所述种类的截面圆盘，最小的一个可用作正确的截面。此外，计算成本是低的，因为系统800只需要采样半圆中有限数量的角度。

图7(c)是上述操作的流程图的示例。该技术利用了系统800中的3D视图102。用户821可以选择位于所显示3D对象上的点(步骤741)。例如，用户821可以在2D视图103上选择一点，所述点位于3D视图102中的3D对象表面上。在步骤743，系统800随后利用2D/3D转换机构809将该2D点转换成实际的3D点。系统800随后确定搜索方向(例如，根据直视线方向或表面法向)，并且沿着搜索方向从3D点开始并进入3D对象的内部检查点(步骤745)。在步骤747，根据3D点和搜索方向(例如，直视角方向或表面法向)，系统800可以通过例如从3D点沿着搜索方向找到第一空点根据存在的3D对象搜索测量的另一端。随后，在步骤749，系统800通过两个端点指示标记和测量值显示测量结果(或直径)。可替换的，为了更为好用，系统800可以找到包含测量结果(例如3D点和第一空点)的合理截平面(步骤751)。随后，系统800将测量结果在截平面内旋转90度(或另一预定的角度)，以便从用户观察位置端点指示标记不挡住对测量段的观察，并且在一个示例中这可以在用户没有选择任何进一步的场景旋转的情况下实现(步骤753)。

图9示出了根据本文的一个示例性实施例用于术前规划的流程图。本示例描述了切除规划，尽管它同样可以结合其它类型的术(前)评估进行应用。在步骤901，数据和分割对象例如一个或多个解剖结构被加载并显示在以示例性屏幕布局的显示设备(例如显示设备101)上。在步骤903，用户(例如，用户821)选择至少一个显示的感兴趣对象并且启动切除分析功能。对于涉及肝脏病灶切除规划的示例情形，感兴趣的对象可以是例如一个或多个要切除的肝脏病灶。在显示设备上示出环绕感兴趣的对象的安全边界指示标记(例如201)。

在步骤905，用户操作用户界面(例如，804)以调节安全边界指示标记的尺寸、位置、形状和/或定向等，如上文所述。安全边界指示标记根据所述调节即时更新并显示在显示器(例如，101)的3D和2D视图中。系统(例如，800)还可以更新在所调节的安全边界内(或接触所调节的安全边界)的重要解剖结构的显示(例如，表现形式和/或颜色)。

在步骤907，用户操作用户界面(例如，804)以便利用例如前述的分离表面定义方法中的一个或多个定义至少一个切除切割表面。在该步骤，系统(例如，800)还可以用3D和2D视图显示用户确认的安全边界(例如，201)，血管系统，胆管系统，和血管/胆管分布区，以及包含在原影像中的强度信息。所述信息可有助于使用户能够最好地确定切除表面。在步骤909，系统(例如，800)响应用户指令，利用用户定义/确认的安全边界和/或分离表面(在显示设备例如图1中的设备101上)分离目标对象。通过上文所述的方式自动计算切除后的目标对象的每一部分的体积。例如，在涉及肝脏病灶切除的情况，分别计算要切除的肝脏子体的体积和保留部分的体积。鉴于显示设备(例如，110)上的表述，用户可以在3D和2D视图中看到这些要素并且评价在所保留肝脏上的血管/胆管分布区。所述信息可有助于切除规划。

在步骤911，分析切除表面的截面(例如，710)以及切除表面上的重要解剖结构的截面。例如，可以自动或手动测量并显示切除表面上的重要解剖结构的截面的尺寸、直径和其它尺寸特征，如上文所述。例如，对于可由切除表面进行切除的每个血管/胆管分支，系统(例如，800)可以自动计算所述分支的直径以供用户参考。在步骤913，如果当前的方案被认为在临床和外科手术上是可接受的，用户可选择确认切除方案并保存该结果。所述结果可被保存在系统(例如，800)的存储设备(例如，808)中并且通过通信接口(未示出)和网络(未示出)报告或发送至另一个外部设备。用户也可以在步骤913拒绝当前的切除方案。

鉴于前述的方法，可通过直观、交互式和实时的方式进行术前评估，以根据定量评估和评价解剖结构等便于肝脏病灶/肿瘤切除规划。通过本文所述的系统800、装置、方法和程序，提供了融合3D和2D信息的工作环境以便进行有效的切除评价和分析，而不要求难使用的、侵入的并且通常难以获得的设备，例如立体眼镜和特殊的3D跟踪设备等。这样，系统800是具有本文所述功能和表现能力的更易于使用的独立3D系统。

同样，本文所述的示例方面提供了综合的3D可视环境，工具，和交互式方案，用于评估测量，例如安全边界调节和可视化，血管交替可视化，区域开口和闭合模拟，和直接的血管直径测量。3D工作环境被设置用于这些术前评估，使得它们与传统的实践相比在本质上更易于操作并且用3D更直观以便理解。

在上文描述中，结合特定示例实施例描述了本发明的示例方面。说明书和附图因此被视为是说明性而非限制性的。不过，显而易见，在计算机程序产品或软件、硬件或其任意组合中可对其作出各种改动和变化，而不偏离本发明更宽的精神和保护范围。

本文所述的示例方面的软件实施例可被设置为计算机程序产品或软件，所述计算机程序产品或软件可包括在机器可访问或机器可读介质(存储器)上具有指令的制造品。机器可访问或机器可读介质上的指令可用于为计算机系统或其它电子设备进行编程。机器可读介质可包括但不限于软盘、光盘、CD-ROM、和磁光盘或适用于储存或传送电子指令的其它类型的介质/机器可读介质。本文所述的技术不限于任何具体的软件配置。发现可应用于任何计算或处理环境。本文所用的术语“机器可访问介质”、“机器可读介质”或“存储器”应当包括能够储存、编码或传送由机器执行的一系列指令并且使机器执行本文所述方法中的任意一种的任何介质。此外，在本领域中将一种形式或另一形式(例如，计算机程序、程序、进程、应用程序、模块、单元、逻辑等等)的软件说成采取行动或产生结果是常见的。所述表达仅是表明由处理系统执行软件使得处理器执行动作以产生结果的一种缩写方式。在其它实施例中，软件执行的功能可替换地可由硬编码模块执行，因此本发明不仅限于使用存储的软件程序。

此外，应当理解突出本发明的功能性和优势的所附的附图仅用于示例目的。本发明的示例方面的体系结构是足够灵活和可设置的，以便它可通过附图所示之外的方式进行利用(和操纵)。

尽管在某些特定实施例中已描述了本发明的示例方面，但很多其它的改动和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此应当理解，本发明可通过具体所述之外的方式进行实施。因此，再次重申本发明的示例性实施例在所有方面都应当被视为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种用于操作成像系统以便术前评估由医学影像产生并且在所显示的3D空间中显示的一个或多个解剖结构的方法，包括：

在显示的3D空间中形成一个或多个安全边界指示标记，来响应由用户通过用户输入界面提供的输入信息，每个安全边界指示标记限定3D闭合体形状，所述3D闭合体形状可变形并可调节以便与器官内解剖结构的相应一个的预定形状相符，并且围绕所显示的3D空间中的解剖结构的相应一个与解剖结构的相应一个相距间隔预定的安全边界距离；

通过在用户输入界面上操作图形操作器在显示的3D空间中使3D闭合体形状和至少一个安全边界指示标记的预定安全边界距离变形；和

在成像系统的用户可感知输出界面中，实时在所述3D空间中显示所述至少一个已改变的安全边界指示标记；

其中所述安全边界指示标记被设置在医学影像的2D视图中，以其原有形式或处理后的形式显示，并且在3D视图中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中操作成像系统包括调节所述至少一个安全边界指示标记的形状和位置中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括提供所述安全边界指示标记的至少一个数值尺寸。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括改变至少一个所述解剖结构的3D显示的颜色和表现形式中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的方法，其中操作成像系统通过用户界面进行。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所述安全边界指示标记的相关一个或多个从器官遮盖所述解剖结构和其它器官内解剖结构中的至少一个。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括提供所述器官和保留器官中的至少一个的量化测量的指示。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括提供至少两个所述安全边界指示标记之间的距离和至少一个所述安全边界指示标记与器官内至少一个所述解剖结构之间的距离中的至少一个的指示。

9.一种用于术前评估由医学影像产生并在显示的3D空间中提供的一个或多个解剖结构的成像系统，包括：

输出用户界面，所述输出用户界面被设置成在显示的3D空间中形成一个或多个安全边界指示标记，来响应由用户通过用户输入界面提供的输入信息，每个安全边界指示标记限定3D闭合体形状，所述3D闭合体形状可变形并可调节以便与器官内解剖结构的相应一个的预定形状相符，并且围绕所显示的3D空间中的解剖结构的相应一个与解剖结构的相应一个相距间隔预定的安全边界距离；和

至少一个计算机处理器，所述至少一个计算机处理器可操作以便通过操作用户输入界面上的图形操作器在显示的3D空间中使3D闭合体形状和至少一个所述安全边界指示标记的预定安全边界距离变形，并且在成像系统的用户可感知输出界面中实时在3D空间中显示所述至少一个已改变的安全边界指示标记；

其中所述输出用户界面提供所述安全边界指示标记，所述安全边界指示标记在医学影像的2D视图中，以其原有或处理后的形式显示，和3D视图中。

10.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述至少一个计算机处理器可操作以调节所述至少一个安全边界指示标记的形状和位置中的至少一个。

11.根据权利要求9所述的成像系统，其中所述至少一个计算机处理器还可操作以改变所述至少一个安全边界指示标记的3D显示的颜色和表现形式中的至少一个。

12.根据权利要求9所述的成像系统，还包括输入用户界面，所述输入用户界面可操作以控制所述至少一个计算机处理器以便操纵所述至少一个安全边界指示标记。