CN103228210B - 基于解剖图的用于软器官的交互式三维手术引导系统的系统和方法 - Google Patents

基于解剖图的用于软器官的交互式三维手术引导系统的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于在涉及软器官的医疗手术期间向用户提供视觉三维辅助的系统。该系统和方法在涉及软器官的医疗手术期间向用户提供视觉辅助。该系统和方法使用用于产生软器官的图像的处理器、用于在医疗手术期间跟踪手术仪器的手术仪器跟踪器、以及用于以三维的方式可视地显示软器官的图像和与软器官有关的手术仪器的与处理器和手术仪器跟踪器通讯的显示器。

Description

基于解剖图的用于软器官的交互式三维手术引导系统的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求来自于2010年11月24日递交的第61/417,001号美国临时申请的优先权，该美国临时申请的公开内容以引入的方式完整地并入本文。
发明背景
发明领域
本发明涉及在3D空间中的交互式三维(3D)解剖映射，其在计算机屏幕上显示并且更特别地具有在软器官手术应用期间提供额外的引导的目的。
相关技术的描述
软器官手术可能是困难的，因为经常几乎没有界定软器官解剖的外部标志。另外，许多软器官包含重要的血管分布。例如，肝脏几乎没有界定肝解剖且具有重要的血管分布的外部标志。交互式图像引导手术涉及术中仪器位置在术前图像(计算机体层扫描(CT)或磁共振成像(MRI))上的同时实时显示。当前仪器位置系统中的大部分落入以下两个类别中：1)光学跟踪系统以及2)电磁跟踪系统。两种类型的系统都可以提供定位和定向信息并且其都有一些局限：光学跟踪系统需要用跟踪传感器来保持视线，而电磁跟踪系统易于屈服于电磁干扰或铁磁材料的存在。
在大学和一些商业系统中存在提出或提供实时图像引导手术系统的许多研究项目。在图像引导手术期间，手术室中的仪器的当前手术位置被记录到术前获得的患者的医学图像上。这些图像被外科医生作为用于肿瘤和其它周围解剖结构的更准确定位的引导件来使用。
图像引导手术系统通常包括下面的组成部分：用于显示图像和相关信息的计算机系统；以及附接到手术工具的物理定位设备；与该计算机系统通讯的物理定位设备，其中计算机系统输出图像内的手术对象和手术工具的2D图像，以待在计算机监控器上被观察到。
以前系统中的大部分是基于2D成像的。只是直到最近，少数系统才提供3D监控空间。每个系统可使用不同种类的跟踪设备和工具，并使用登记真实环境和虚拟环境的不同方法。系统之间的主要差异是信息的呈现。许多系统未能以全面且有效的方式呈现信息，使得这些系统在手术期间的使用是利用率低下的。呈现的信息需要是综合的并且以用户可以建设性且有效地使用信息的方式来呈现，以在进行手术中给予帮助。
发明概述
在实施方案中，公开了用于在涉及软器官的医疗手术期间向用户提供视觉辅助的系统。该系统包括用于产生软器官的图像的处理器、用于在医疗手术期间跟踪手术仪器的手术仪器跟踪器，以及与处理器和手术仪器跟踪器通讯以用于以三维的方式可视地显示与软器官有关的手术仪器和软器官的图像的显示器。
在另一个实施方案中，显示器还在医疗手术期间提供定量信息。在另一个实施方案中，定量信息是风险分析信息或软器官体积信息。在另外的实施方案中，定量信息是下列信息中的至少一种：参考信息、引导信息或报警信息。
在另一个实施方案中，软器官的图像包括软器官和其它结构。在另外的实施方案中，其它结构包括相对于软器官的内部结构或外部结构。在另一个实施方案中，图像是可旋转且可缩放的。在另外的实施方案中，显示器至少包含第一图像和第二图像。
在另一个实施方案中，第一图像是全局透视图像并且第二图像是局部透视图像。在另一个实施方案中，局部透视图像是与软器官有关的手术仪器尖端的特写图。在另一个实施方案中，第一图像和第二图像可被同步地操纵。
在另一个实施方案中，软器官的图像基于计算机体层扫描(CT)图像或磁共振成像(MRI)图像而产生。在还有的另外的实施方案中，处理器将术前信息叠加在三维图像上。在另一个实施方案中，图像与从分开的图像源获得的第二图像结合。在另一个实施方案中，第二图像是超声图像。
在另一个实施方案中，处理器把用户在医疗手术期间的互动与三维图像进行比较并且响应于比较而产生信号。在另一个实施方案中，用户的互动包括手术仪器在软器官中的放置。在另一个实施方案中，该信号是声音警报或视觉警报。
在实施方案中，公开了一种机器可读的有形且非暂时性的介质，该机器可读的有形且非暂时性的介质具有在其上记录的用于在医疗手术期间向用户提供视觉辅助的信息。其中当所记录的信息被机器读取时，该信息引起机器产生软器官的图像；在医疗手术期间跟踪手术仪器；并且通过显示设备以三维的方式显示与软器官有关的手术仪器和软器官的图像。
在另一个实施方案中，公开了在具有至少一个处理器、存储器和连接到网络的通讯平台的机器上实施的方法，该方法用于在涉及软器官的医疗手术期间向用户提供视觉辅助。该方法包括，在与处理器进行通讯的显示器上产生软器官的三维图像。在医疗手术期间通过手术仪器跟踪器跟踪手术仪器。通过处理器结合被跟踪的手术仪器和软器官的三维图像，并且以三维的方式在显示器上显示软器官和与软器官有关的手术仪器的结合图像。
在实施方案中，术前手术计划可被叠加在电子肝脏(e-liver)或其它电子器官(e-organ)的3D显示上。例如，对于肝脏移植，系统可以在显示的电子肝脏上放置预先计划的分开左肝脏和右肝脏的切割表面。在手术期间，外科医生可以检查当前的切割位置已经偏离预先计划表面多远并适当地做出调整或替换。例如，在介入消融或穿刺活检中，预先计划的针进入点和接近路线可被显示在电子肝脏内部。电子肝脏上的进入点给予医生决定真实肝脏中的实际进入点的快捷方法。插入路径可被监控，并且依据某些预定用户偏好，可以在仪器离开路线或离开目标时发布警报或者警告。
在实施方案中，3D环境可以显示手术仪器及其轨迹或路径在电子肝脏中的存在，以用于手术过程的参考和监控。本系统和方法可以提供多个视图或特殊视图，比如工具尖端视图、楔形物视图、枪点视图、俯视图，以便同时观察具有不同特征例如外形、子结构的可见性、视角和假定效果图的目标。系统也可以在3D环境中将记录的图像从不同的形式叠加到一个单一的3D空间，使得相对的3D空间信息是清晰的。
在实施方案中，电子肝脏引导手术系统可用于肝脏移植、肝脏切除、介入消融、活组织检查或栓塞或其它用途。
附图简述
图1描绘了本系统的描绘不同视图和设置的图形用户界面。
图2描绘了显示依据本公开的分割的肝脏和内部血管系统的电子肝脏。
图3描绘了依据本公开的存在于3D环境中的图像和MPR。
图4描绘了依据本公开的电子肝脏的多个对象和视图。
图5描绘了具有各种术前手术切除表面的电子肝脏和依据本公开的手术仪器。
图6描绘了依据本公开的电子肝脏上的术前进入点、插入路线和介入性肝脏治疗的目标。
图7描绘了依据本公开的电子肝脏上的示例性工作地带区域。
图8描绘了依据本公开的具有在局部视图中的工具尖端的电子肝脏的全局视图。
图9描绘了依据本公开的具有倾斜的工具尖端的局部视图的电子肝脏的全局视图。
图10描绘了依据本公开的具有放大的局部视图的电子肝脏的全局视图。
图11a-b描绘了依据本公开的叠加在3D场景中的超声图像。
图12描绘了依据本公开的具有各种肝叶的电子肝脏。
图13描绘了依据本公开的适时功能影响区域。
图14描绘了依据本公开的具有体积测量值的电子肝脏显示。
图15描绘了依据本公开的具有电子肝脏中的点之间的距离测量值的电子肝脏显示。
图16描绘了依据本公开的用于实施本公开的系统和方法的计算机系统。
详细描述
本公开针对在手术进程期间基于3D解剖映射的用于软器官手术的定量交互式3D引导系统。本公开将肝脏作为软器官来参考，不意在作为任何种类的限制。然而，应理解，在任何器官诸如心脏、肺、肾脏、胃、肠、大脑或其它软器官上的手术和程序可使用本公开并受益于本公开。相应地，肝脏被用来描述本公开的系统和方法。
3D解剖几何结构显示了肝脏、其内部血管结构和外部的血管结构以及周围对象，比如腹部区域中的重要器官或骨骼结构。对于本公开，示例性肝脏的3D图像将被称为电子化肝脏(electronic-liver)或电子肝脏，因为其本质上是实际肝脏以电子形式的复制品，然而可代表任何电子化器官(电子器官)。电子肝脏提供了用于在手术过程期间使用的清晰的3D线路图。基于3D的环境提供了对全局透视图和局部透视图二者的统一扫视，使得外科医生或介入放射科医生或介入心脏病科医生在手术期间精确地知道手术仪器关于电子肝脏的位置。在手术期间，当医生使用各种手术仪器工作时，该系统仔细地监控该医生的进程。除了使用和参考手术仪器本身来决定是否已经对足够的组织进行手术外，电子肝脏及其对手术仪器位置的指示将提供给外科医生以3D直觉信息和定量信息以及引导，例如关于其在手术期间距离必须躲避的关键解剖结构有多近的引导，或者关于内科医生为了遵循其术前计划医生而必须做出什么调整的引导。由于实际的器官是不透明的并且通过观察正在进行手术的实际肝脏或其它器官几乎不能提供空间信息和定量信息，因此能够看见与电子肝脏有关的手术仪器对医生来说是重要的。
除了监控手术仪器的位置外，本公开的系统还提供了丰富的定量信息，比如风险分析和定量测量/容量测定，用于在手术期间参考、引导或报警。电子肝脏可提供虚拟的框架结构(infra-structure)，比如肝叶或解剖/基准标记(fudicial mark)，以用于手术期间的参考。其可在关键接合点提供效果觉察。另外，因为电子肝脏内部的所有几何对象都被清楚地界定，所以很容易获得几何对象相关的数字体积测量值。另外，在任何清楚定义的手术或手术变化期间，诸如把器官切隔成分开的片，每个单独片的数字体积值也是立即可得到的。也可以计算电子肝脏或其它的电子器官中的两个不同点之间的距离测量值。基于定量分析，本方法和系统可以提供对肝脏区域的实时功能影响。例如，当用户“捏”电子肝脏中的血管分支时，系统可以以互动且实时的方式计算受影响的向下流动区域，并可向用户显示几何区域和相关的定量容量测定以及相关的风险。以那种方式，用户可决定如果在程序期间改变手术计划是否存在任何风险。
用于电子器官的3D环境
如图1所描绘的，电子肝脏存在于计算机屏幕100内的3D环境中。虽然其被显示在2D屏幕上，但是其在知觉上是3D场景101。在这个3D场景内，如图2所描绘的，可在屏幕100上看到电子肝脏的分割对象。肝脏表面200、血管系统201和许多分支202和其它的物质或对象204在3D中显示。组成电子肝脏的相应部件的单独的3D平面图103-105可在屏幕或窗口103a-105a上以3D的方式单独地显示。整个电子肝脏场景(通过对象101描绘)可通过计算机鼠标控制或放大和旋转计算机屏幕上的图像的其它装置，比如跟踪球、触摸屏或控制杆来旋转和放大。当窗口102中的场景被旋转和放大时，场景内的分别的3D对象103a-105a被相应地旋转和放大。
在3D场景中，来自于原始扫描图像或合成的多平面重投(MPR)图像的2D图像可以被叠加在场景内和分割对象中，如在图3中看到的。2D图像和3D对象的整合可以在分割的对象和数据量中提供用户直觉3D空间感。场景内的图像可以被交互地移动至不同位置以揭示特定区域中的空间关系。
2D图像和单个的分割对象的可见性也可以被互动地修改，以揭示一些焦点对象或区域并隐藏其它较不相关的对象。每个分割对象可以被交互地改变以显示为不透明的(如4a中)、透明的或不可见的(如4c-d中)。
除了用来形成数据量的分割对象外，其它的支撑对象或人造对象可以被放置在3D场景内部。例如，人造的基准标记可以被交互地放置在有关电子肝脏的3D场景内部。比如将标记放置在电子肝脏内的血管结构的分支点处，或使用跟踪设备以在真实的肝脏表面上标记点且相应的点可以在电子肝脏表面上显示。图5a-b描绘了术前手术计划，比如用于肝脏切除或肝脏移植的切除表面，或进入点、插入路线。手术计划可从另一个手术计划平台输入或者在附接的计划模块中完成。互动工具在计划模块中提供以允许用户输入计划并收到对计划的实时分析，因此用户可以相应地修改该计划。图6描绘了用于像消融和穿刺活检的介入治疗的电子肝脏和目标点601，其可与分割对象一起显示在3D场景内。
在手术期间，虚拟的手术仪器，包括其定位/位置和定向，可以显示在3D场景内(见图8a)，以揭示实际仪器相对于手术对象和其它参考对象的相对空间关系。对于电磁跟踪来说，没有电磁干涉发射的非铁磁体仪器可以通过将传感器附接到仪器的任何部分(如果仪器是刚性的话)或者附接到尖端(如果仪器是刚性的话)而被跟踪。应注意，在现有的光学跟踪系统中只有刚性的仪器可以被跟踪。当跟踪传感器被附接到除了仪器尖端以外的部分时，需要执行附加的校准程序以确定传感器和仪器尖端之间的相对定位。可以被跟踪的仪器的实例包括活检针、消融涂敷器、导管、手术刀、CUSA(超声刀)以及超声换能器。仪器的移动轨迹可以被记录和显示在3D环境内部，以显示手术的进程和相对于术前计划的相对定位以及实际切割表面和预先计划的表面之间的差异。
对于肝脏切除和移植，如在图7a中所看到的工作地带701被界定在术前的切除表面的边缘内。这个工作地带指明了手术的关键区域。这是医生大部分时间将进行手术的区域。对关键的脉管分支的所有切割将发生在这个地带中。边缘可被用户预先设置或者可以由术前计划自动地计算。如在图7b中所看到的，工作地带701内的关键脉管分支702以不同于工作地带之外的其余分支的外表而突出。
使用另外的聚焦3D视图的3D环境增强
图8a描绘了3D环境和工具的全局视图。可以使用另外的更多聚焦透视图来增强对特殊区域的空间关系的理解。
图8b描绘了本公开的工具尖端视图。这个视图提供给用户来自于手术仪器的尖端且直接向前看的视图。其提供了透视图使得用户可以看见环绕仪器尖端的结构。用户可将其用作参考以躲避重要的解剖结构或具有对空间关系和几何关系的更清晰理解以便继续进行。该视图的圆形形状800给用户放大镜感的感觉。十字线801给出了直接向前移动的目标中心。圆形视图802的边界提供了用于场景内控制的空间并且颜色被用作报警通知。在实施方案中，当移动在目标上时，颜色是绿的。当移动离开目标时，颜色依据离开目标多远而从绿色变为橙色到红色。
图9使用工具尖端近视图描绘了另一个实施方案。在图9中描绘的视图中，呈现给用户来自于从工具尖端向后小的距离并且具有从工具的直线倾斜的小的倾斜角度的视图。在实施方案中，从工具尖端向后的距离可以进一步与手术仪器的模型相关。例如，在射频消融(RF消融)手术期间，消融治疗区域的中心经常从工具尖端向后一定距离。因此，系统可要求用户输入要使用的消融工具的模型并基于制造指令或说明书自动地设置距离。在另一个实施方案中，系统可要求用户手动地设置距离。这个视图让用户看到工具的在视图中心前方的一部分。该视图给予用户工具相对于其周围结构的更多感觉。
在另一个实施方案中，该视图是具有垂直于工具尖端视图或靠近工具尖端视图的预设视图角并具有在平面中的整个工具的视图。该视图提供了对仪器的位置和定位的概观并给予用户关于仪器是否将碰到目标或其它解剖结构以及碰到目标/解剖结构的距离的直觉信息。
在图10中描绘的另一个实施方案中，另一个聚焦视图是放大以靠近工具尖端但具有更对准全局视图的视角的视图。这个视图让用户更近地看到手术仪器附近的环境。局部视图可以被独自地旋转，但其也可以是与全局视图同步的，使得在旋转时两种视图有相同的视角。
在另一个实施方案中，聚焦或局部视图是仅仅显示在工具尖端具有楔形视图的解剖结构的视图。在这个实施方案中，系统可基于工具的位置和定向、已经进行手术的区域的信息以及术前计划来确定楔形物的定位。例如，在肿瘤切除或移植例子中，系统记录工具尖端位置的所有轨迹。轨迹中位置的顺序指明用户是如何沿着切割表面切割的，例如，朝特定方向切割。在实施方案中，系统可以从一定时期内记录的工具尖端位置立即估计当前用户切割方向。通过将切割方向估计信息与当前工具尖端位置结合，系统可以确定楔形物的位置和定向，并且进一步显示楔形物中的解剖结构。楔形物视图也可以延伸至沿着整个切割表面，而不是局部视图。
在实施方案中，通过点击按钮，全局视图和局部视图之间或所有视图模式中的视角可以被同步，即不管用户如何在一个3D显示器中旋转，其它的视图都相应地旋转。可选择地，用户可以使视图不同步，在每个单独的显示窗口上做出调整，并且使视图再次同步。可以对其它的显示参数比如放大因数，做出这样的同步或非同步调整。
在实施方案中，显示在局部视图中的其它解剖结构的定向可自动地对准实际的患者位置。这可以通过将位置传感器附接到患者来完成，因此患者位置可以通过将电磁场发生器或光学跟踪相机固定到已知定向来计算。例如，在实施方案中，如果患者处于仰卧位置，那么局部视图应被计划为使得向上方向对应于患者的前面。如果适用的话，则头、足、左、右、前和后的方向也可以在局部视图中指明。在实施方案中，定向可以被用户调整成适合其特殊的优势点。例如，当患者处于仰卧位置并且医生正站在患者的右侧时，患者头部方向大致在局部视图的左边。但假如医生正站在患者的左侧，则患者头部方向在局部视图的右边。通过这样做，用户可以直观地确定其应该朝哪个方向调整工具位置或定向，使得其可以碰到目标或更好地遵循以前确定的计划。
具有其它图像模态的3D整合
图11a描绘了其中其它模态图像比如超声图像(图11b)的应用并且与原始体积和分割对象一起显现在3D环境内的实施方案。实时超声波图像可从超声图像源流到本系统。在完成登记过程后，随后的超声图像可以以适当的定向和定位叠加在3D环境内部，因此图像看起来扇出超声换能器，超声换能器也被显示为3D环境中的3D模型。另一个选择是以并排视图模式或者以叠加模式显示超声图像及其登记的MPR CT图像，因此用户可以具有这两种模态之间的较好比较。图像和分割对象的空间关系可以以3D的方式来感知。这比基于需要在图像平面上设计分割对象或手术仪器且失去3D几何和空间关系的直接视觉感的系统的2D图像中的大部分更直观。除了超声图像外，也可以结合功能性图像，比如PET和SPET图像，以获得更好的引导。
实时定量引导
图12描绘了虚拟的基础结构，比如肝叶，可以与电子肝脏叠加作为手术的参考的实施方案。肝叶可在术前手术计划期间被建立和分割。肝叶可根据用户的经验用平面或曲面或者通过脉管流域分析而被分割。
电子肝脏提供了实时功能影响区域信息。兴趣点(POI)可以是用户想要在手术期间躲避或通过的关键解剖结构，或者可以是如果受到影响就可能产生临床意义的结构。例如，在肝脏手术中，POI可以是关键脉管分支(包括肝静脉、门静脉、肝动脉、胆管)或其它器官或解剖结构。在一个实施方案中，在术前检查期间或在手术过程期间，用户可以通过点击3D电子肝脏或2D原始图像上的相应位置来定义各个POI。在另一个实施方案中，POI也可被系统自动地定义。例如，在消融的例子中，假如治疗区域影响附近的脉管分支，则脉管分支可被自动地添加到POI目录中。
当用户接近预先定义的POI操纵时，系统将自动地计算流域，包括其形状和从这个POI开始往下至所有连接的子分支的脉管的体积。该流域是通过该脉管及其子分支排泄或供应的肝脏区域。为了计算基于作为血管结构的表面上的点的POI的流域，系统可计算在该血管结构内从起始点到另一侧的直径。因为存在穿过脉管的变化，所以系统可在POI的小邻区中采取中间长度作为直径。一旦确定了直径，系统就将寻找包围直径线的多个横截面并且计算具有血管结构的平面的横截面区域。具有最圆区域的面积被选择作为最佳横截面。该横截面然后将血管结构切割成两个分开的段。
不包含血管结构的根部的段用于计算向下流动区域。如在图13中所看到的，向下流动区域基于最小距离原则来计算。为了肝脏内部的每个体素，计算离向下流动的血管结构的部分和其它部分的最小距离。体素被称为属于距离较小的部分。通过这种方式，向下流动区域可从较接近于血管结构的向下流动部分的所有体素界定。
在实施方案中，产生了从POI流出至影响区域的边界的动画以提供视觉的即时印象。该动画通过一系列形态学扩张和布尔和操作来生成。系统使用来自于POI切割点的血管树的3D二进制掩码(V)、计算的向下流动区域掩码(T)和切割点(P)。动画序列如下产生：
令A0＝P
当(体积(Ai+1)＜体积(V))时
执行Ai+1＝扩张(Ai)&V；记录Ai+1
B0＝Ai+1
当(体积(Ai+1)＜体积(V))时
执行Bi+1＝扩张(Bi)&T；记录Bi+1
最后的动画序列是A0、A1、...、B0、B1、...、T。
动画的间隔或帧可通过扩张内核的尺寸来控制。较小的内核产生更平滑但更长的序列，而较大的内核产生稀疏但更短的序列。
在另一个实施方案中，在系统记录了工具尖端位置的所有轨迹后，轨迹中的位置被映射到电子肝脏上。这些位置也可以显示在3D电子肝脏显示器中以向用户指明已经进行手术的路径。在肿瘤切除或肝脏移植的例子中，轨迹代表来自于手术的实际切割表面。系统也可以通过将已经进行手术的区域中的实际切割表面同将要进行手术的区域中的预先计划的表面的部分结合来建立临时的切割表面。剩余肝脏和切除肝脏或左肝脏和右肝脏的体积可作为到临时切割表面一侧的肝脏部分来计算。
在一个实施方案中，系统在手术过程期间实时地进行定量风险分析。该分析基于已被切穿的区域的记录和仪器相对于关键结构(例如，大的脉管、病变安全边缘等)的当前位置。基于这些信息，结合流域分析和肝脏功能分析的能力，系统可以提供从简单的接近脉管或离开安全边缘警告到复杂的保持功能性肝脏的体积的信息的警告范围。在另一个实施方案中，系统为了用户特别注意而突出关键的解剖结构。例如，当用户接近于预先定义的POI操纵时，通过将POI的颜色变为更可见的颜色或者扩大其尺寸，在3D电子肝脏显示器上突出该POI。在另一个实施方案中，当用户在真实患者上进行手术时，系统在3D电子肝脏显示器上和/或在2D原始图像显示器上自动地突出离工具尖端一定距离内的所有解剖结构。可通过改变解剖结构的3D显色来做出突出以警示用户。在消融的例子中，消融治疗有效区域的尺寸范围可以被呈现以突出解剖结构。相同的技术可以被应用于在2D显示器上的突出。
在一个示例性实施方案中，系统预测用户在当前操作下是否可以错过或碰到目标并给予警告或确认。例如，在消融的例子中，当用户开始针定位时，系统可以计算当前针的位置是否足够接近于预先定义的进入点。假如不是，则系统可以给予声音或视觉警告、信号/标志。在实施方案中，基于尖端位置和针的定向，系统可以通过将针沿着其当前定向向前延伸来预测针路径。系统然后可以估计被预测的针路径是否将碰到或错过预设目标并且在错过或预期的情况下给予警告标志/信号。当针穿透器官时，如果被预测的针路径指示用户可能碰到关键解剖结构，则系统也可以突出所述解剖结构并给予声音或视觉警告。如果针尖碰到预先定义的目标，则系统可给予确认。然而，如果碰到后针经过目标，则系统可以再次给予警告。
在肿瘤切除或肝脏移植的例子中，系统可实时地确定工具尖端是否在工作地带内。工作地带被界定为具有从预先计划的切割平面有限制的偏移的安全手术区域。当工具尖端离开工作地带时，系统也可以给予警告。在另一个实施方案中，不管何时系统确定脉管受到不同于预先计划的影响，系统都可以自动地进行流域分析、计算相关体积，并更新肝脏的每部分的体积。如果肝脏的一个部分具有比安全水平小的体积，则系统可以给予警告。
体积测量和距离测量
每片分割对象由被划归为特殊种类的对象的体素组成。每个分割对象的体积的数值是被划归的体素乘以该体素的物理尺寸的总和。在实施方案中，体素的物理尺寸可以从随同扫描图像的信息而获得或计算。体积信息可与每个分割对象一起存储在电子肝脏中的电子化数据结构中。如在图14中所看到的，不管何时用户需要看对象的数字体积值，用户都可以选择对象或相关的对象控制器并且系统将把体积值显示在可视化显示器中，例如弹出消息、子窗口、桌面或消息、系统显示器中的某个地方。
相似地，在图15中描绘的实施方案中，3D场景中的任何两个点之间的距离对用户来说是可得到的，因为每个点代表一体素并且其在3D空间中的坐标被界定。用户可选择两个点，并且两个点之间的距离然后被基于两个坐标的3D几何公式而计算并显示给用户。
图16描绘了一般的计算机体系结构，本教义可以在该计算机体系结构上实施并且具有包括用户界面元件的计算机硬件平台的功能框图图示。计算机可以是通用计算机或专用计算机。该计算机1600可以用来实现3D空间中的互动性三维解剖映射的任何组成部分以及如在本文中所描述的手术辅助。例如，三维映射、图像显示、图像存储、仪器跟踪、体积和距离计算都可在诸如计算机1600的计算机上通过其硬件、软件程序、固件或这些的结合来完成。虽然为了方便起见仅仅示出了一台这样的计算机，但是有关在本文中描述的公开内容的计算机功能可在许多相似的平台上以分布式方式来实现，以分布处理负荷。
例如，计算机1600包括连接到网络且从网络连接的COM端口1650，网络被连接到此以有助于数据通信。计算机1600还包括用于执行程序指令的以一个或多个处理器的形式的中心处理单元(CPU)1620。示例性计算机平台包括内部通信总线1610、用于待被计算机处理和/或通信的各种数据文件以及待被CPU执行的可能的程序指令的不同形式的程序存储和数据存储，例如，磁盘1670、只读存储器(ROM)1630、或随机存储器(RAM)1640。计算机1600还包括I/O部件1660，I/O部件1660支持计算机和其中的其它部件比如用户界面元件1680之间的输入/输出流。计算机1600还可通过网络通信来接收编程和数据。
因此，如上所概括的在软器官手术、移植和程序期间的显示和辅助的方面可在编程中体现。技术的程序方面可被认为是通常以机器可读介质的类型执行或实施的可执行代码和/或相关数据的形式的“产品”或“制品”。有形的非暂时性“存储”类型介质包括内存或用于计算机、处理器或类似物的其它存储器中的任何或全部，或者其相关模块，比如可在任何时间提供用于软件编程的存储器的各种半导体内存、磁带驱动器、磁盘驱动器及类似物。
软件的全部或部分有时可通过网络，例如因特网或各种其它的电信网络而被通信。例如，这样的通信可以使软件能够从一个计算机或处理器装载到另一个计算机或处理器。可带有软件元素的另一种类型的介质包括光波、电波和电磁波，比如横穿当地设备之间的物理界面、穿过有线和光学的陆上线路并越过各种空气链路而使用。承载这样的波的物理元件，比如有线链路或无线链路、光学链路或类似物也可被看作是带有软件的介质。如在本文中所使用的，除非被限制于有形的“存储”介质，诸如计算机或机器“可读的介质”的术语指的是参与为用于执行的处理器提供指令的任何介质。
因此，机器可读的介质可采取任何形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括，例如，光盘或磁盘，诸如可被用来实施如在附图中所示出的系统或其部件中的任何的在任何计算机或类似物中的任何存储设备。易失性存储介质包括动态内存，诸如这样的计算机平台的主内存。有形传输介质包括包含形成计算机系统内的总线的线的同轴电缆、铜线和光纤。载波传输介质可采取电信号或电磁信号或者诸如在射频(RF)通信和红外线(TR)数据通信期间产生的声波或光波的形式。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡片纸带、具有孔的模式的任何其它物理存储介质，RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其它内存芯片或盒式磁盘(cartridge)、载波输送数据或指令、输送这样的载波的缆线或链路、或计算机可从其读编程代码和/或数据的任何其它介质。这些形式的计算机可读介质中的许多可涉及承载一种或多种指令的一种或多种序列到用于执行处理器。
本领域的技术人员将意识到，本教义经得住各种修改和/或增强的考验。例如，虽然以上描述的各种部件的实施可在硬件设备中体现，但是其也可作为纯软件解决方案来实施。另外，如在本文中所公开的3D软件和分析及跟踪部件可被作为固件、固件/软件组合、固件/硬件组合或硬件/固件/软件组合来实施。
虽然前述说明书已经描述了什么被认为是最佳模式和/或其它例子，但是应理解，可在其中做出各种修改，并且在本文中公开的主题可以以各种形式和例子的方式来实施，并且本教义可被应用在许多应用中，在本文中仅描述了这些应用中的一些。所附权利要求意在要求保护落在本教义的真实范围内的任何和全部的应用、修改和变化。

Claims (16)

1.一种用于在涉及软器官的医疗手术期间向用户提供视觉辅助的系统，所述系统包括：
处理器，其配置成用于
从由患者获得的三维成像数据分割所述软器官和所述软器官的周围解剖结构，以及
基于分割结果产生所述软器官和所述周围解剖结构的三维图像；
手术仪器，其具有尖端；
手术仪器跟踪器，其配置成用于在所述医疗手术期间当所述手术仪器被应用到所述患者的所述软器官时跟踪所述手术仪器；以及
显示器，其与所述处理器和所述手术仪器跟踪器通讯，所述显示器配置成用于通过以下方式在所述医疗手术期间提供视觉辅助：
显示所述软器官和所述周围解剖结构的所述三维图像以及所述手术仪器，以及
显示所述手术仪器的所述尖端的周围结构的特写图的图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述显示器还在所述医疗手术期间提供定量信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述定量信息是风险分析信息。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述定量信息是软器官体积信息。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述定量信息是下列信息中的至少一种：参考信息、引导信息或报警信息。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述周围解剖结构包括相对于所述软器官的内部结构或外部结构。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述三维图像是可旋转且可缩放的。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述软器官和所述周围解剖结构的所述三维图像是全局透视图像并且所述图像是局部透视图像。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述软器官和所述周围解剖结构的所述三维图像和所述特写图的所述图像能够被同步地操纵。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述软器官的所述三维图像基于计算机体层扫描(CT)图像或磁共振成像(MRI)图像而产生。
11.根据权利要求1所述的系统，其中用于产生所述软器官的所述三维图像的所述处理器将术前信息叠加在所述三维图像上。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述软器官的所述三维图像与从分开的图像源获得的另一图像结合。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述另一图像是超声图像。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器还把所述用户在所述医疗手术期间的互动与所述三维图像进行比较并且响应于该比较而产生信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述用户的互动包括所述手术仪器关于所述软器官的放置。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述信号是声音警报或视觉警报。
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