CN109908494B - 近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统，包括信息处理模块、模板处理模块、添加信息模块、模板生成模块和模型布尔运算模块。本发明具有使用的简便性，基于已有的剂量规划，能够快速的生成三维模板，配合3D打印系统，使得粒子植入手术的体外引导装置能够迅速生成，减少病人等待手术的时间，达到高精度引导穿刺手术的目的。

Description

近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，属于机械、计算机与医学放疗领域交叉的前沿学科，更具体的说，是涉及一种近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统。

背景技术

随着现代人癌症发病率越来越高，现阶段肿瘤的治疗中，放射治疗普及程度越来越高。放疗过程是通过各种高能射线，对肿瘤病变组织进行照射，以达到抑制癌细胞的目的。放射治疗肿瘤可以被划分为远距离放疗和近距离放疗。远距离放疗是通过X射线治疗机等将射线聚焦在人体外对体表或体内肿瘤部位进行短时间照射，以起到杀死肿瘤细胞的作用。近距离放疗则是通过放置放射性粒子，使其靠近肿瘤部位来杀伤肿瘤细胞，代表的治疗方式主要有¹²⁵I粒子植入式治疗与¹⁹²Ir后装治疗。近年来，近距离粒子局部微创消融放疗在恶性肿瘤综合治疗中的地位愈发显得重要。近年来，近距离放射治疗异军突起，在放射治疗领域成为引人注目的治疗方法，取得较好的临床疗效。

作为一种近距离放疗治疗手段，放射性¹²⁵I粒子植入被越来越多应用到临床治疗并取得非常好的疗效。相较于传统的远距离照射治疗，粒子植入式的放射治疗具有许多优点：1.粒子被精确植入肿瘤内部，能够精确的杀灭癌细胞的同时，也减少了对周围正常组织的放射性损伤，不会造成永久性伤害。2.由于粒子被永久性植入肿瘤组织，因此其照射剂量相对固定，患者移动时并不会影响其他器官，对肿瘤组织可造成持续性伤害，疗效也更加明显，不会对患者的日常生活产生影响，使患者生活质量有极大的提高。

通过研究表明的情况，粒子的精确到达植入靶区位置至关重要，其关系到肿瘤靶区的剂量分布，直接关系到放疗疗效，而粒子植入的位置往往难以判定，需要在手术时对其进行额外引导。通常的体外引导方式包括定位仪追踪引导和三维成型模板引导。本发明的特点在于提出了一套适用于近距离粒子植入的三维模板成型系统，能够快速的设计、制造出用于近距离粒子植入的三维辅助模板，达到引导手术，提高近距离粒子植入精度的目的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统实现快速、高效的生成用于粒子植入手术的三维模板。该系统具有使用的简便性，基于已有的剂量规划，能够快速的生成三维模板，配合3D打印系统，使得粒子植入手术的体外引导装置能够迅速生成，减少病人等待手术的时间，达到高精度引导穿刺手术的目的。该结构简洁，高效，易于维护，可作为放疗粒子植入设备的辅助系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统，包括信息处理模块、模板处理模块、添加信息模块、模板生成模块和模型布尔运算模块；

所述信息处理模块实现对病人图像和信息的读取及显示，配合近距离粒子植入规划计量软件，加载规划数据并显示针及粒子的信息；显示三维立体和对应的矢状面、冠状面、横断面，对单张图像进行放大、缩小、平移、翻转、还原操作；三维重建部分对图像进行处理，重建出三维立体模型，且显示皮肤、骨骼、重要器官和靶区，使用户直观地观察器官形状以及器官间的相对位置关系，方便规划导向通道时避开重要组织；通过对三维重建出来的组织进行处理，实现皮肤裁剪、删除区域、抹去突起标记物的功能；通过对三维重建部分的拓展实现拉伸皮肤，将单层皮肤模型生成可3D打印的模板雏形；

所述模板处理模块对体表数据进一步修型，将修型的病人体表信息进行厚度调整，通过使用者手动添加导向通道，生成具有特定高度和特定内外径的导向通道；匹配通道编号，用以标记导向通道的编号；通过对预先的标记物进行定位，进行水平线、竖直线和Z线的绘制，生成3D打印实体；通过绘制主针道，起到对穿刺针进行引导的作用，通过绘制辅助定位线，配合激光定位装置使导板更加精确的贴合在对应位置；

所述添加信息模块基于CT图读取患者的信息并将其添加模板上；通过中文说明文字，完成文字模型与皮肤的完美贴合，并且在各自的范围内进行旋转；通过设计适当形状孔方便手术操作，通过依次拾取曲线点来对模型二次修型操作，生成模型并存到指定目录；进行孔的绘制，在三维实体中减去孔的部分以减少材料消耗；进行针道标号的绘制来区分进针先后次序；通过绘制患者信息和机构信息能够生成具有患者唯一标识的编码；

所述模板生成模块包括序列号绘制和旋转、B样条曲线修型、模板保存和病例存档部分；其中，序列号绘制和旋转根据医生的需要在任意部分生成序列号；B样条曲线修型部分能够对模板雏形进行二次裁剪，减少尖角以减少潜在的伤害；通过对病例存档能够临时保存该病例，方便后续进行操作；

所述模型布尔运算模块将上述的信息处理模块、模板处理模块、添加信息模块、模板生成模块进行布尔运算，布尔运算包括：孔与皮肤的运算、辅助针道与皮肤的运算、主针道与皮肤的运算、水平线与竖直线与针道的运算，以上部分通过裁切相应对象，能够生成最终3D打印的模板。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明流程图新颖、便捷，技术上易于实现，方便使用者进行使用、操作。本发明设计生产的导板能够对放射治疗起到较好的辅助作用，能够定位导向通道、进行精准穿刺的功能。本软件系统能够拓宽近距离治疗应用范围，提高近距离治疗的治疗效果。软件可以对图像进行精准的三维重建，使用者能够通过多视角地对三维立体进行仔细观察，能够更加直观地观察病变组织及其周围器官分布；能够进行必要的修型并生成厚度可定义的模板；可以自动生成一定半径的辅助孔或区域；能够手动添加导向通道并修改其高度、内外径及数字导向通道编号并与皮肤贴合；可以辅助手术标识线以精准定位。相较于传统生成三维模板的繁琐步骤和大量手动调整导向通道、辅助孔、标识线的操作，本软件系统最重要的特性在于迅速的生成可以应用临床的三维模板，以减少病人等待手术的时间，降低病人的痛苦，防止病情恶化。具有一定的社会意义。

附图说明

图1是本发明近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统的原理框图；

图2是本发明的程序界面示意图。

附图标记:1二维显示窗口，2主功能区，3三维显示窗口

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统，如图1所示，包括信息处理模块、模板处理模块、添加信息模块、模板生成模块和模型布尔运算模块。主窗口界面包含：主功能区、二维显示窗口、三维显示窗口，如图2所示。

信息处理模块可以实现对病人图像和信息的读取及显示，能够读取CT、核磁、超声等DICOM格式的图像，并能自动获取图像中包含的信息，将信息显示出来。配合近距离粒子植入规划剂量软件，能加载规划数据并显示针及粒子的信息；可以显示三维立体和对应的矢状面、冠状面、横断面。并可以对单张DICOM图像进行放大、缩小、平移、翻转、还原等操作。数据信息管理模块类似于一个图像浏览器，使用者通过浏览图像会对病人病情有直观的了解，为生成模板做准备。本模块还包括三维重建部分，三维重建部分可以对图像进行处理，重建出三维立体模型，且显示皮肤、骨骼、重要器官和靶区，使用户能直观地观察器官形状以及器官间的相对位置关系，方便规划导向通道时避开重要组织。通过对三维重建出来的组织进行处理，能够实现皮肤裁剪、删除区域、抹去突起标记物的作用。拉伸皮肤是对三维重建部分的拓展，能够将单层皮肤模型生成可以3D打印的模板雏形。

模板处理模块可以对体表数据进行进一步的修型，并将修型的病人体表信息进行厚度调整并进行一系列处理操作，通过使用者手动添加导向通道，能够生成具有特定高度和特定内外径的导向通道，能够在手术时引导针的位置姿态；能够匹配通道编号，用以标记导向通道的编号，方便主治医生进行按次序进针，并且能设置相对大小；通过对预先的标记物进行定位，可以进行水平线、竖直线和Z线的绘制，生成3D打印实体。通过绘制主针道，能够起到对穿刺针进行引导的作用，在3D打印的时候方便对穿刺针进行定位，通过绘制辅助定位线，配合激光定位装置可以使导板更加精确的贴合在对应位置。

添加信息模块基于CT图可以读取患者的信息并将其添加模板上。通过中文说明文字，可以完成文字模型与皮肤的完美贴合，并且能在各自的范围内进行小规模的旋转。之后可以通过设计适当形状孔方便手术时必要的注射、麻醉、标记等操作，最终通过依次拾取曲线点来对模型二次修型操作，生成模型并存到指定目录。本模块可以进行孔的绘制，在三维实体中减去孔的部分以减少材料消耗；能进行针道标号的绘制来区分进针先后次序。通过绘制患者信息和机构信息能够生成具有患者唯一标识的编码，有助于个性化定制手术方案。

所述模板生成模块包括序列号绘制和旋转、B样条曲线修型、模板保存和病例存档部分。其中，序列号绘制和旋转能够根据医生的需要在任意部分生成序列号；B样条曲线修型部分能够对模板雏形进行二次裁剪，减少尖角以减少潜在的伤害。通过对病例存档能够临时保存该病例，方便后续进行操作。

所述模型布尔运算模块将上述的所有模块进行布尔运算，布尔运算包括：孔与皮肤的运算、辅助针道与皮肤的运算、主针道与皮肤的运算、水平线与竖直线与针道的运算，以上部分通过裁切相应对象，能够生成最终3D打印的模板。防止出现模板贴合皮肤不严的问题，使其能够精准的放置在预定位置。辅助标记线和导向通道的整合，能够防止标识线对导向通道的影响，使进针更为顺利，减少针孔的阻塞，从而生成最终用于打印的三维模板。3D打印部分可以快速的连接至打印机，将形成的模板进行三维成型，以便于较快的应用于手术中。

以下对本发明近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统的工作方式进行说明。

选择要打开的剂量规划系统导出文件夹，软件会读取一系列图像并显示在浏览区域。此时可以在界面下方手动调节窗宽窗位、手动进行图像序列的调整。

病人解剖结构信息提取时系统会进行皮肤、骨骼、病灶等的提取，提取完毕系统会自动显示在三维图窗口中。拖动滑块会显示不同的阈值，可以调整各部分阈值，设定好阈值后，即可以设定更改阈值。在选取要进行手术的体表信息部分时，必须进行提取点的拾取，此时，在三维显示窗口，使用者在想放置拾取点的体表位置拾取点后，单击修型结果按钮，系统会按照默认厚度生成与体表信息一致的初始模板，在修型之前可以设定手术导板厚度。

在模板处理时候，可自动或手动添加导向通道，进入添加导向通道功能模块，此时，使用者需要在三维视图中找到要添加的导向通道，定位到其尾部，即可绘制一个导向通道。使用者可以预先设置导向通道所有参数，当已经生成导向通道时，若此时要更改参数，需在三维视图中单击需要修改参数的导向通道，在属性面板中对其进行修改。在绘制编号状态，进入绘制导向通道编号模式，此时，在想要添加编号的针的附近即可添加当前的编号。导向通道编号无需手动调整，即可完美贴合皮肤。

在添加信息模块，进入模板打孔阶段，即可以在生成的模板上打孔方便手术时必要的注射、麻醉、标记等操作，并对孔进行修型和编辑。绘制辅助标识线状态：进入绘制标识线模式后，在皮肤模板上想要生成线的地方，即可生成标识线。在添加文字模块，系统可以自动获取病人信息，也可以手动输入病人信息，可以调节相对大小。进入添加患者信息模块，在模板上想要添加名称的地方即可生成名字，名字无需手动调整，模型会自动贴合皮肤。

在生成模板模块，使用者可在模板上添加标识编号，大小和位置均可以调整。此时，模板生成的大部分工作已经完成，进入二次修型阶段。在三维视图中，并按照相对顺序，拾取曲线点，进入二次修型阶段，系统会自动修型并显示原有体表信息以对照。如果使用者对二次修型的结果不满意，可以重新修型。保存模板阶段，在此阶段可以将已经生成的导板进行保存，支持所有3D打印的格式。同时系统会自动检测有无3D打印机连接，如果连接成功会将模型发送给打印机进行打印和预览。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种近距离粒子微创放疗三维手术导板设计系统，其特征在于，包括信息处理模块、模板处理模块、添加信息模块、模板生成模块和模型布尔运算模块；

所述信息处理模块实现对病人图像和信息的读取及显示，配合近距离粒子植入规划计量软件，加载规划数据并显示针及粒子的信息；显示三维立体和对应的矢状面、冠状面、横断面，对单张图像进行放大、缩小、平移、翻转、还原操作；三维重建部分对图像进行处理，重建出三维立体模型，且显示皮肤、骨骼、重要器官和靶区，使用户直观地观察器官形状以及器官间的相对位置关系，方便规划导向通道时避开重要组织；通过对三维重建出来的组织进行处理，实现皮肤裁剪、删除区域、抹去突起标记物的功能；通过对三维重建部分的拓展实现拉伸皮肤，将单层皮肤模型生成可3D打印的模板雏形；

所述模板处理模块对体表数据进一步修型，将修型的病人体表信息进行厚度调整，通过使用者手动添加导向通道，生成具有特定高度和特定内外径的导向通道；匹配通道编号，用以标记导向通道的编号；通过对预先的标记物进行定位，进行水平线、竖直线和Z线的绘制，生成3D打印实体；通过绘制主针道，起到对穿刺针进行引导的作用，通过绘制辅助定位线，配合激光定位装置使导板更加精确的贴合在对应位置；

所述添加信息模块基于CT图读取患者的信息并将其添加模板上；通过中文说明文字，完成文字模型与皮肤的完美贴合，并且在各自的范围内进行旋转；通过设计适当形状孔方便手术操作，通过依次拾取曲线点来对模型二次修型操作，生成模型并存到指定目录；进行孔的绘制，在三维实体中减去孔的部分以减少材料消耗；进行针道标号的绘制来区分进针先后次序；通过绘制患者信息和机构信息能够生成具有患者唯一标识的编码；

所述模板生成模块包括序列号绘制和旋转、B样条曲线修型、模板保存和病例存档部分；其中，序列号绘制和旋转根据医生的需要在任意部分生成序列号；B样条曲线修型部分能够对模板雏形进行二次裁剪，减少尖角以减少潜在的伤害；通过对病例存档能够临时保存该病例，方便后续进行操作；

所述模型布尔运算模块将上述的信息处理模块、模板处理模块、添加信息模块、模板生成模块进行布尔运算，布尔运算包括：孔与皮肤的运算、辅助针道与皮肤的运算、主针道与皮肤的运算、水平线与竖直线与针道的运算，以上部分通过裁切相应对象，能够生成最终3D打印的模板。

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