CN109965991B - 基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，包括：乳腺夹持装置，与人体的乳腺软组织尺寸大小相匹配，具有完全的核磁兼容性，用于对人体乳腺软组织的夹紧与固定，以减少在粒子植入手术或者活检手术过程中软组织的移动和变形；该该乳腺夹持装置具有一圆环状部，该圆环状部连接有由中空板体按经纬线布置相互连接且贯通所形成的半球状的栅格体，所述中空的板体中装有硫酸铜水溶液。利用该乳腺夹持装置，根据核磁图像中肿瘤与乳腺夹持装置的经纬线的相对位置关系能确定最佳穿刺路径，提供准确进针深度。

Description

基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统
技术领域
本发明涉及核磁图像处理技术领域，属于计算机与医学介入领域交叉的前沿学科，涉及一种基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，尤其涉及一种基于核磁图像的术前路径规划系统与针刺轨迹计算方法。
背景技术
乳腺癌是女性中最为常见的恶性肿瘤之一，目前比较成熟的医学成像技术有超声成像(US)、X射线成像(X-ray)、计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRI)。相比较其他成像技术，核磁共振成像可以提供高质量的软组织对比度和清晰的解剖结构细节，并且没有电离辐射，因此核磁成像在乳腺癌的检测治疗中的地位越来越重要。
女性在30岁以后就到乳腺癌的多发期，45岁后达到发病高峰，进入高危期，并持续到80岁后才开始下降。早期诊断的五年存活率高达95％。目前乳腺穿刺活检手术是检测乳腺癌的主要手段之一，它在治疗过程中患者无需开刀,术前通过医学影像设备对患者带有病灶的乳房进行扫描摄影，确定可疑病变位置、进针路径以及进针深度，在术中局部麻醉患者之后，在皮肤上切一个小口，选择合适的活检针具，将活检针具刺入欲取材部位。之后通过医学影像设备再次摄影，用来确定针尖位置有没有达到预期目标位置，如果针尖没有达到预期目标位置，则需要通过调整进针路径以及进针深度，重复进针并摄影，直到针尖达到正确位置。之后通过活检针具抽取细胞组织，送病理学检查。当前结合医学影像设备的活检方法需要对患者进行反复的穿刺，不仅耗时、成本昂贵，并且会对病患造成二次伤害，使病人承受更大的痛苦。
放射治疗是目前治疗肿瘤的主要方法之一，放射治疗包括外放疗和近距离放疗两种方法。近年来，图像引导下的近距离粒子局部微创放疗在恶性肿瘤综合治疗中的地位越来越重要，已经用于乳腺的肿瘤治疗研究中。该方法的优势在于：1.靶区内剂量很高，周围正常组织受辐射低；2.由于射线的持续照射而使肿瘤的再增殖减少；3.靶区生物效应剂量高；4.照射野不随照射靶区的移动而变化。在临床治疗中，粒子的精确植入非常关键，其关系到肿瘤靶区的剂量分布，从而直接关系到疗效效果。
现有的术前计划系统大多是通过医生手动设定穿刺路径和进针深度，根据核磁图像反馈的靶区位置和针尖位置之间的误差，不断地调整进针路径和穿刺深度，直到针尖达到靶区位置。
因此，如何实现精确植入成为要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，该系统可辅助医生制定合理的乳腺活检或者内放疗粒子植入的穿刺轨迹路径和穿刺深度，使得针尖点可以准确到达病灶位置，为医生提供可靠的手术指导，从而降低手术的执行难度，减少对病人多余的损伤，提高穿刺手术的精度和成功率，有效解决现有技术中外科手术中软组织病变部分的判断不准确、并发症较多的问题。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，包括：
乳腺夹持装置，与人体的乳腺软组织尺寸大小相匹配，具有完全的核磁兼容性，用于对人体乳腺软组织的夹紧与固定，以减少在粒子植入手术或者活检手术过程中软组织的移动和变形；该该乳腺夹持装置具有一圆环状部，该圆环状部连接有由中空板体按经纬线布置相互连接且贯通所形成的半球状的栅格体，所述中空的板体中装有硫酸铜水溶液。
进一步的，所述圆环状部的外圆面侧形成四个均匀布置的外凸部构成定位装置，所述定位装置上表面形成用于定位的标定线，可通过调整以使标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，建立定位装置坐标系与核磁图像坐标系之间的关系，完成定位过程。
其中，所述乳腺夹持装置使用时装在支撑床上的乳腺夹持装置孔位中，该乳腺夹持装置孔位形成在支撑床的顶板上，所述顶板与支撑床的底板之间通过支撑柱相支撑隔开。
该核磁图像导航计划系统通过核磁仪对图像信息进行采集，获取病人术前乳腺软组织以及乳腺夹持装置的医学影像；对获取的医学影像预处理，并进行三维建模，在三维建模的基础上，根据目标点位置以及乳腺夹持装置中的经纬线位置信息，基于乳腺夹持装置的最优路径规划算法来确定进针路径以及穿刺深度。
本发明在获取所述医学影像前，还包括如下操作步骤：
手术前，将病患支撑床放置在核磁床上，将乳腺夹持装置安放在病患支撑床的预定位置处，使乳腺夹持装置的标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，完成定位过程；
病患将带有病灶的乳房放置在乳腺夹持装置中进行核磁扫描，并获取扫描后的核磁图像，从而获取病人术前乳腺软组织以及乳腺夹持装置的医学影像。
本发明中，所述乳腺夹持装置的最优路径规划算法的步骤如下：
S101,确定目标点P的坐标及乳腺夹持装置外表面截切圆的圆心M的坐标；
S102,计算向量
Figure BDA0002038787440000031
与上述的截切圆的交点H的坐标，判断H点位置；
S103,若H点位于栅格上，判断此时向量
Figure BDA0002038787440000032
穿刺路径上是否有包括血管、神经在内的器官阻碍，若无阻碍，则穿刺路径确定为向量
Figure BDA0002038787440000041
结束；若有阻碍，则进入步骤S104；若H点不在栅格上，直接进入步骤S104：
S104,以与H点的距离为参照，按预定方法找到四个栅格，确定该四个栅格中心位置坐标，计算四个栅格与目标点P的距离；
S105,对上述的四个栅格与目标点P距离由小到大顺序排序,依次判断对应穿刺路径上是否有阻碍，没有阻碍时选择距离最小的为最佳穿刺路径；
S106,若仍有阻挡，重复步骤S104-S106，直到找到能避开阻碍的最佳穿刺路径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的乳腺夹持装置，能实现根据在核磁图像中的肿瘤与乳腺夹持装置的经纬线的相对位置关系确定最佳穿刺路径，提供准确的进针深度，
本发明提供的基于核磁共振环境下专用乳腺夹持装置的图像导航计划系统，利用该乳腺夹持装置，结合相应的算法系统，能够克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端,能够在很大程度上减轻病患的痛苦，有效减小手术时间，使手术过程变得简单易操作，降低手术难度，提高手术精度，增加手术成功率，从而大大提高病人治愈率和生存质量，进而能够广泛应用在临床手术中。
附图说明
图1所示为乳腺夹持装置在病患支撑床上的轴测图；
图2所示为乳腺夹持装置的轴测示意图；
图3所示为基于乳腺夹持装置的进针示意图；
图4所示为截切圆、目标点显示在乳腺夹持装置的俯视图；
图5所示为截切圆显示在乳腺夹持装置上的正视图；
图6所示为基于乳腺夹持装置的栅格确定穿刺路径的示意图；
图7所示为基于乳腺夹持装置的最优穿刺路径算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，本发明基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，包括：乳腺夹持装置4，大体呈半球状结构，其与人体的乳腺软组织尺寸大小相匹配，具有完全的核磁兼容性，用于对人体乳腺软组织的夹紧与固定，以减少在粒子植入手术或者活检手术过程中软组织的移动和变形；该该乳腺夹持装置具有一圆环状部，该圆环状部连接由中空板体4-5按经纬线布置相互连接且贯通所形成的半球状的栅格体，所述中空的板体中装有硫酸铜水溶液
本发明的该乳腺夹持装置通过3D打印制作完成，具有完全的核磁兼容性。根据每个人乳腺软组织尺寸大小不同，设计一系列不同规格的乳腺夹持装置，实现对乳腺软组织的夹紧、固定，减少在粒子植入手术或者活检手术过程中软组织的移动和变形。根据核磁共振成像原理可知，核磁共振成像(MRI)是利用射频脉冲对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。
由于普通3D打印材料无法在核磁图像上显像，本发明的乳腺组织夹持装置，的一侧设计有中空板状体4-5按经线4-1、纬线4-2布置连接并贯通所形成的管路系统，管路之间相互连接并贯通，中空的板状体连接所形成的管路中装有硫酸铜水溶液，溶液浓度为1g/L，构成了整个夹持装置，是一款可以在核磁图像中显像的乳腺组织夹持装置。
进一步的，本发明的乳腺组织夹持装置有定位装置，在定位装置的上表面设计有用于定位的标定线4-3，通过调整定位装置的位置，使标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，建立定位装置坐标系与核磁图像坐标系之间的关系，完成定位过程。
本发明的夹持装置中，通过中空的板状体的设置形成有一定数量的经纬线，通过核磁图像中能实时显示的夹持装置的经纬线信息，可以精确定位到夹持装置与软组织肿瘤的相对位置，能使医生能够准确定位肿瘤210的位置，以避开周围的重要血管200，从而可以实现准确定位病灶位置，提高诊断和治疗的准确率，并实现精准粒子植入或活检手术过程。
本发明，具体在工作时，是通过核磁仪对图像信息进行采集，获取病人术前乳腺软组织以及乳腺夹持装置的医学影像；对图像预处理，并进行三维建模，根据目标点位置以及乳腺夹持装置中的经纬线位置信息来确定进针路径以及穿刺深度。
基于该乳腺夹持装置，本发明提出一种核磁共振环境下专用乳腺夹持装置的图像导航计划系统，其操作步骤流程为：
步骤S101：图1是病患支撑床，手术前，病患支撑床放置在核磁床上，乳腺夹持装置安放在支撑床的中心位置处，并使乳腺夹持装置的标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，完成定位过程。之后病患将带有病灶的乳房放置在乳腺夹持装置中进行核磁扫描，并获取扫描后的核磁图像，并进行三维重建。
本发明中的病患支撑床，包括一个顶板3，顶板上一侧有头枕垫2，并在乳腺夹持装置4一侧有胸垫8，顶板3通过支撑柱组件1支撑在一个底板7，底板7上一侧有扶手9，在所述底板7上另一侧有支撑板6，支撑板上有脚垫5，所述支撑板与顶板的向下弧形弯曲的弯曲部的上表面相面接触连接，所述顶板的向下弧形弯曲的弯曲部的端部与底板相连接。
步骤S102：根据三维可视化结果，结合基于乳腺夹持装置的最优路径规划算法，确定穿刺路径和进针深度。图3是本发明基于乳腺夹持装置的进针示意图，穿刺针100的最佳进针路径110的选取原则是穿刺路径最短，能有效避开神经、血管等重要器官，并且对病人造成最小的伤害。
由于在穿刺过程中，存在软组织变形和其它随机误差存在，所以皮上穿刺点和目标靶点之间的最短距离被视为最短穿刺距离。同时进针路径需要避开大血管、神经和重要器官。
因此，最佳进针路径可根据系统的三维重建结果不断调整。
本发明中，所述的基于乳腺夹持装置的最优穿刺路径算法，其流程图如图7所示，并结合图2-6进行说明，具体算法步骤如下：
建立如图2所示的坐标系，以定标线上各点之间AB、CD连线的交点作为坐标系的原点，X轴沿着AB方向，Y轴沿着CD方向，Z轴垂直于A、B、C、D构成的平面向上。三维重建以后，得到目标点坐标P(Px，Py，Pz),该目标点P为穿刺针尖进入点，夹持装置球心坐标O(Px0，Py0，Pz0)，从而得到夹持装置球面的坐标方程为(x-Px0)2+(y-Py0)2+(z-Pz0)2＝R2,其中R为夹持装置球面半径，(x,y,z)表示空间坐标系中任一点的位置坐标。
其次确定目标点所在的XY平面与夹持装置外表面截切圆N的方程：
(x-Px0)2+(y-Py0)2+(Pz-Pz0)2＝R2，其中夹持装置外表面截切圆N的圆心坐标M(0，0，Pz)，
确定MP向量方程为：
Figure BDA0002038787440000071
计算向量
Figure BDA0002038787440000072
与截切圆N的交点坐标H(Hx，Hy，Hz)，如图4、5所示，设置m、n为中间替换变量：
Figure BDA0002038787440000081
Figure BDA0002038787440000082
Hz＝Pz
m＝R2-(Pz-Pz0)2
Figure BDA0002038787440000083
若H点(外部穿刺点)位于栅格位置处，此时的穿刺路径为向量
Figure BDA0002038787440000084
判断此时的穿刺路径上是否有血管、神经等其器官的阻碍，若没有阻碍，最终的穿刺路径确定为向量
Figure BDA0002038787440000085
若此穿刺路径上有血管、神经等器官的阻碍，则要找到距离H点最近的四个栅格的位置，如图6所示，并确定栅格的中心位置坐标T1(T1x，T1y，T1z)、T2(T2x，T2y，T2z)、T3(T3x，T3y，T3z)、T4(T4x，T4y，T4z)，计算PT1，PT2，PT3，PT4的距离。
Figure BDA0002038787440000086
对上述计算距离按由小到大顺序排序为PQ1，PQ2，PQ3，PQ4,依次判断以PQ1，PQ2，PQ3，PQ4为穿刺路径上是否有血管、神经等器官的阻碍，选择其中最小的距离为最佳穿刺路径；
若仍有器官的阻挡，重复上述过程直到找到可以避开血管、神经的最佳穿刺路径；若H点不在栅格位置处，找到距离H点最近的四个栅格的位置，如图6所示，并确定栅格的中心位置坐标T1(T1，xT1y，T1z)、T2(T2x，T2y，T2z)、T3(T3x，T3y，T3z)、T4(T4x，T4y，T4z)，计算PT1，PT2，PT3，PT4的距离，并对上述计算距离按由小到大顺序排序为PQ1，PQ2，PQ3，PQ4,依次判断以PQ1，PQ2，PQ3，PQ4为穿刺路径上是否有血管、神经等其器官的阻碍，选择其中最小的距离为最佳穿刺路径，若仍有器官的阻挡，重复上述过程直到找到可以避开血管、神经的最佳穿刺路径。
本发明提供的乳腺夹持装置，能实现根据在核磁图像中的肿瘤与乳腺夹持装置的经纬线的相对位置关系确定最佳穿刺路径，提供准确的进针深度，
本发明提供的基于核磁共振环境下专用乳腺夹持装置的图像导航计划系统，利用该乳腺夹持装置，结合相应的算法系统，能够克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端,能够在很大程度上减轻病患的痛苦，有效减小手术时间，使手术过程变得简单易操作，降低手术难度，提高手术精度，增加手术成功率，从而大大提高病人治愈率和生存质量，进而能够广泛应用在临床手术中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，其特征在于，该核磁图像导航计划系统通过核磁仪对图像信息进行采集，获取病人术前乳腺软组织以及乳腺夹持装置的医学影像；对获取的医学影像预处理，并进行三维建模，在三维建模的基础上，根据目标点位置以及乳腺夹持装置中的经纬线位置信息，基于乳腺夹持装置的最优路径规划算法来确定进针路径以及穿刺深度；所述乳腺夹持装置与人体的乳腺软组织尺寸大小相匹配，具有完全的核磁兼容性，用于对人体乳腺软组织的夹紧与固定，以减少在粒子植入手术或者活检手术过程中软组织的移动和变形；该乳腺夹持装置具有一圆环状部，该圆环状部连接有由中空板体按经纬线布置相互连接且贯通所形成的半球状的栅格体，所述中空的板体中装有硫酸铜水溶液；乳腺夹持装置的最优路径规划算法的步骤如下：
S101,确定目标点P的坐标及乳腺夹持装置外表面截切圆的圆心M的坐标；
S102,计算向量
Figure 633429DEST_PATH_IMAGE002
与上述的截切圆的交点H的坐标，判断H点位置；
S103,若H 点位于栅格上，判断此时向量
Figure 423531DEST_PATH_IMAGE002
穿刺路径上是否有包括血管、神经在内的器官阻碍，若无阻碍，则穿刺路径确定为向量
Figure 243107DEST_PATH_IMAGE002
，结束；若有阻碍，则进入步骤S104；若H点不在栅格上，直接进入步骤S104：
S104,以与H点的距离为参照，按预定方法找到四个栅格，确定该四个栅格中心位置坐标，计算四个栅格与目标点P的距离；
S105,对上述的四个栅格与目标点P距离由小到大顺序排序,依次判断对应穿刺路径上是否有阻碍，没有阻碍时选择距离最小的为最佳穿刺路径；
S106,若仍有阻挡，重复步骤S104- S106，直到找到能避开阻碍的最佳穿刺路径。
2.如权利要求1所述的基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，其特征在于，所述圆环状部的外圆面侧形成四个均匀布置的外凸部构成定位装置，所述定位装置上表面形成用于定位的标定线，通过调整以使标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，建立定位装置坐标系与核磁图像坐标系之间的关系，完成定位过程。
3.如权利要求1所述的基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，其特征在于，所述乳腺夹持装置使用时装在支撑床上的乳腺夹持装置孔位中，该乳腺夹持装置孔位形成在支撑床的顶板上，所述顶板与支撑床的底板之间通过支撑柱相支撑隔开。
4.如权利要求1所述的基于专用乳腺夹持装置的核磁图像导航计划系统，其特征在于，获取所述医学影像前，还包括如下操作步骤：
手术前，将病患支撑床放置在核磁床上，将乳腺夹持装置安放在病患支撑床的预定位置处，使乳腺夹持装置的标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，完成定位过程；
病患将带有病灶的乳房放置在乳腺夹持装置中进行核磁扫描，并获取扫描后的核磁图像，从而获取病人术前乳腺软组织以及乳腺夹持装置的医学影像。
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