CN109700529A - 一种用于可弯曲刚性组织的导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，包括术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统；术前规划子系统包含DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块，术中智能弯曲配准子系统包括术中定位功能模块、术中配准功能模块。本发明用于可弯曲刚性组织的导航系统，针对可弯曲的刚性组织，通过智能化调整，实现了手术导航与术前规划的一致性，从而提高了手术的成功率与治疗效。
Description
技术领域
本发明涉及医疗诊断技术领域，具体涉及一种用于可弯曲刚性组织的导航系统。
背景技术
医生对于复杂手术都会在术前进行手术前规划，如图1所示，采用规划软件，通过计算机技术辅助手段设计出最优的手术方案，提高此次手术的成功率。规划软件通过对术前病人的CT/MRI(计算机断层扫描/核磁共振)影像进行三维模型重建，还原手术区域的真实立体解剖构象，给予医生更直观的感受。
由于上述规划信息只是病人术前的信息，在真实的手术当中往往与规划时有所差别，影响了手术的质量，甚至导致手术的不成功，尤其是对于人体可弯曲刚性组织，例如脊柱，颈椎，肘关节与膝关节等。导致这些差别主要原因有：(1)术前扫描时病人体位与术中体位不同，结合图2，例如术前扫描时病人为偏斜躺，而术中为笔直平躺，那么这个时候病人如果是做脊住手术，那么术前的建模很难应用到术中的实际情况中；(2)关节在术中发生弯曲，结合图3，例如全膝关节置换手术，术中关节需要大角度弯曲后才可进行手术。
现有的手术导航方案主要针对整体刚性不变组织，例如头部手术，而对于可弯曲的刚性组织则没有一个好的导航方法。目前针对以上提到的大幅度弯曲场景，只能做到术前规划模拟，术中依赖医生经验与感觉在术中进行方案即时处理，也就是说术前规划的效果会大打折扣。甚至对于偏离过大的时候只能取消本次手术，给病人造成二次伤害。
(一)解决的技术问题
本发明为了克服上述现有技术的缺陷问题，提供一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，解决了目前可弯曲刚性组织术前规划与术中的不一致的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，包括术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统；术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统依次连接；
术前规划子系统采用阈值分割、区域增长、逐层编辑方式将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行独立建模提取，并记录其各个组织块在DICOM影像中的位置与区域，完成三维模型与所添加的标记、测量和钉道设置；
术中智能弯曲配准子系统针对术前规划得到的三维模型与所添加的标记、测量和钉道设置，基于术中获得的X光透视影像通过对比术前扫描的DICOM影像，完成空间配准，并调整对应的各个三维模型与其对应的标记、测量和钉道设置，使得术前规划的方案与术中的真是情况一致化；
术中增强现实导航子系统将术中智能配准后的三维模型及标记、测量和钉道设置以头戴式增强现实AR设备进行展示，给予手术实施者精准的手术导航指导。
进一步地，所述术前规划子系统包含DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块，DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块依次连接。
进一步地，DICOM影像导入功能模块：负责将各种设备厂商的DICOM影像数据导入子系统中；
DICOM影像三视图显示功能模块：负责将导入的DICOM影像数据，以三视图的方式进行展现，并提供基本的翻页，与窗宽窗位的调整；
影像组织区域分割功能模块：对于人体硬组织、组织或功能区域，采用阈值分割、区域增长等自动分割方式将所需要的区域进行初步分割，得到大体分割结果；
分割手工编辑功能模块：采用手工逐层编辑的方式或采用画刷、直线勾勒，曲线勾勒和套索等工具，对初步分割的结果进行细节改进；
模型重建功能模块：对分割的各个区域进行三维模型重建；
模型显示观测功能模块：负责将重建的三维模型进行渲染显示，同时提供针对模型的360°视角观测；
测量标记功能模块：提供了对所重建三维模型的距离，角度测量与点标记；
钉道规划功能模块：提供对所重建三维模型的钉道位置与角度和深度的规划，用于手术中指导方位和角度与深度。
进一步地，所述术中智能弯曲配准子系统包括术中定位功能模块、术中配准功能模块，术中定位功能模块与术中配准功能模块依次连接。
进一步地，所述术中定位功能模块负责针对术中获得的两张正交定位片，采用框选分割将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行区域框选；术中配准功能模块将术中定位片的框选区域分别与术前CT进行空间配准，从而得到各个刚性组织块的空间位移与旋转变化，最终实现智化调整。
(三)有益效果
本发明的有益效果：一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，包括术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统；术前规划子系统采用阈值分割，区域增长，逐层编辑等方式将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行独立建模提取，并记录其各个组织块在DICOM影像中的位置与区域；术中智能弯曲配准子系统针对术中获得的两张正交定位片(矢状面与冠状面)，采用框选分割将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行区域框选，将术中定位片的框选区域分别与术前CT进行空间配准，从而得到各个刚性组织块的空间位移与旋转变化，最终实现智化调整；术中增强现实导航子系统将术中智能配准后的三维模型及标记、测量和钉道设置以头戴式增强现实AR设备进行展示，给予手术实施者精准的手术导航指导；本发明针对可弯曲的刚性组织，通过智能化调整，实现了手术导航与术前规划的一致性，从而提高了手术的成功率与治疗效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术手术规划应用示意图；
图2为术前与术中脊柱差别示意图；
图3为术前与术中腿部关节差别示意图；
图4为本发明导航系统组成框图；
图5为脊柱椎体分割结构示意图；
图6为测量标记功能结构示意图；
图7为钉道规划功能结构示意图；
图8为矢状面与冠状面示例示意图；
图9为术中冠状定位片框选示意图；
图10为术中矢状定位片框选示意图；
图11为术前CT重建椎体模型示意图；
图12为术中匹配后椎体模型智能调整示意图；
图13为术中增强现实导航示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图4，一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，包括术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统；术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统依次连接。术前规划子系统采用阈值分割、区域增长、逐层编辑等方式将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行独立建模提取，并记录其各个组织块在DICOM影像中的位置与区域，完成三维模型与所添加的标记、测量和钉道设置；术中智能弯曲配准子系统针对术前规划得到的三维模型与所添加的标记、测量和钉道设置，基于术中获得的X光透视影像通过对比术前扫描的DICOM影像，完成空间配准，并调整对应的各个三维模型与其对应的标记、测量和钉道设置，使得术前规划的方案与术中的真是情况一致化。(例如原本术前所做的针对脊柱的规划，在术中由于病人和手术的体位发生了弯曲)；术中增强现实导航子系统将术中智能配准后的三维模型及标记、测量和钉道设置以头戴式增强现实AR设备(HoloLens)进行展示，给予手术实施者精准的手术导航指导。
术前规划子系统包含以下几个模块：DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块，DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块自上而下依次连接。
DICOM影像导入功能模块：负责将各种设备厂商的DICOM影像数据导入子系统中；
DICOM影像三视图显示功能模块(矢状面、冠状面与横断面)：负责将导入的DICOM影像数据，以三视图的方式进行展现，并提供基本的翻页，与窗宽窗位(影像对比度)的调整；
影像组织区域分割功能模块：对于人体硬组织、组织或功能区域，例如肺叶、脑、脊柱等，采用阈值分割、区域增长等自动分割方式将所需要的区域进行初步分割，得到大体分割结果，可同时进行多区域分割(如图5中对脊柱的六个椎体进行分割)，结果可以用不同的颜色表示；
分割手工编辑功能模块：采用手工逐层编辑的方式或采用画刷、直线勾勒，曲线勾勒和套索等工具，对初步分割的结果进行细节改进；
模型重建功能模块：对分割的各个区域进行三维模型重建；
模型显示观测功能模块：负责将重建的三维模型进行渲染显示，同时提供针对模型的360°视角观测；
测量标记功能模块：提供了对所重建三维模型的距离，角度测量与点标记(如图6所示“进入点”)；
钉道规划功能模块：提供了对所重建三维模型的钉道位置与角度和深度的规划(如图7所示)，用于手术中指导方位和角度与深度。
术中智能弯曲配准子系统包括术中定位功能模块、术中配准功能模块，术中定位功能模块与术中配准功能模块依次连接。
术中定位功能模块负责针对术中获得的两张正交定位片(矢状面与冠状面)，采用框选分割将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行区域框选；如图8所示矢状面与冠状面示例示意图，图9为术中冠状定位片框选示意图，图10为术中矢状定位片框选示意图；
术中配准功能模块将术中定位片的框选区域分别与术前CT进行空间配准，从而得到各个刚性组织块的空间位移与旋转变化，最终实现智化调整。通过术前与术中对比，图11为术前CT重建椎体模型示意图；图12为术中匹配后椎体模型智能调整示意图。术中增强现实导航示意图如图13所示。
综上所述，本发明实施例，用于可弯曲刚性组织的导航系统，包括术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统；术前规划子系统采用阈值分割，区域增长，逐层编辑等方式将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行独立建模提取，并记录其各个组织块在DICOM影像中的位置与区域；术中智能弯曲配准子系统针对术中获得的两张正交定位片(矢状面与冠状面)，采用框选分割将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行区域框选，将术中定位片的框选区域分别与术前CT进行空间配准，从而得到各个刚性组织块的空间位移与旋转变化，最终实现智化调整；术中增强现实导航子系统将术中智能配准后的三维模型及标记、测量和钉道设置以头戴式增强现实AR设备进行展示，给予手术实施者精准的手术导航指导；本发明针对可弯曲的刚性组织，通过智能化调整，实现了手术导航与术前规划的一致性，从而提高了手术的成功率与治疗效。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，其特征在于：包括术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统；术前规划子系统、术中智能弯曲配准子系统、术中增强现实导航子系统依次连接；
术前规划子系统采用阈值分割、区域增长、逐层编辑方式将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行独立建模提取，并记录其各个组织块在DICOM影像中的位置与区域，完成三维模型与所添加的标记、测量和钉道设置；
术中智能弯曲配准子系统针对术前规划得到的三维模型与所添加的标记、测量和钉道设置，基于术中获得的X光透视影像通过对比术前扫描的DICOM影像，完成空间配准，并调整对应的各个三维模型与其对应的标记、测量和钉道设置，使得术前规划的方案与术中的真是情况一致化；
术中增强现实导航子系统将术中智能配准后的三维模型及标记、测量和钉道设置以头戴式增强现实AR设备进行展示，给予手术实施者精准的手术导航指导。
2.如权利要求1所述的一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，其特征在于，所述术前规划子系统包含DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块，DICOM影像导入功能模块、DICOM影像三视图显示功能模块、影像组织区域分割功能模块、分割手工编辑功能模块、模型重建功能模块、模型显示观测功能模块、测量标记功能模块、钉道规划功能模块依次连接。
3.如权利要求2所述的一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，其特征在于，DICOM影像导入功能模块：负责将各种设备厂商的DICOM影像数据导入子系统中；
DICOM影像三视图显示功能模块：负责将导入的DICOM影像数据，以三视图的方式进行展现，并提供基本的翻页，与窗宽窗位的调整；
影像组织区域分割功能模块：对于人体硬组织、组织或功能区域，采用阈值分割、区域增长等自动分割方式将所需要的区域进行初步分割，得到大体分割结果；
分割手工编辑功能模块：采用手工逐层编辑的方式或采用画刷、直线勾勒，曲线勾勒和套索等工具，对初步分割的结果进行细节改进；
模型重建功能模块：对分割的各个区域进行三维模型重建；
模型显示观测功能模块：负责将重建的三维模型进行渲染显示，同时提供针对模型的360°视角观测；
测量标记功能模块：提供了对所重建三维模型的距离，角度测量与点标记；
钉道规划功能模块：提供对所重建三维模型的钉道位置与角度和深度的规划，用于手术中指导方位和角度与深度。
4.如权利要求1所述的一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，其特征在于，所述术中智能弯曲配准子系统包括术中定位功能模块、术中配准功能模块，术中定位功能模块与术中配准功能模块依次连接。
5.如权利要求4所述的一种用于可弯曲刚性组织的导航系统，其特征在于，所述术中定位功能模块负责针对术中获得的两张正交定位片，采用框选分割将可弯曲刚性组织中的各个刚性组织块进行区域框选；术中配准功能模块将术中定位片的框选区域分别与术前CT进行空间配准，从而得到各个刚性组织块的空间位移与旋转变化，最终实现智化调整。
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