CN110310726A - 基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，包括主机(1)、图像显示设备(2)和AR设备(3),主机(1)内设置有影像数据管理模块(11)、三维影像分割模块(12)、肝段划分模块(13)、术前手术规划模块(14)；图像显示设备(2)内设置有可视化模块(21)；AR设备(3)内设置有术中辅助模块(31)，用于对主机(1)内对应模块工作过程进行全息显示，实现医护人员与AR设备的人机交互，并将全息显示信息传输到主机(1)内对应的模块，通过图像显示设备(2)最终显示出来。本发明可实现对肝癌、肝肿瘤手术的有效治疗，提升此类疑难杂症疾病治疗的可行性以及治疗后的存活率。
Description
技术领域
本发明涉及医疗系统领域，具体涉及一种基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统。
背景技术
原发性肝癌在世界上特别是亚洲地区具有相当高的发病率和死亡率。肝肿瘤的数目、大小和位置直接影响肝肿瘤治疗方案的选择以及手术的难度和风险。如果肝肿瘤集中于左肝或者右肝，则可以采取切除左肝或者右肝的治疗方案，手术难度和风险相对较低。如果肝肿瘤同时分布在左肝和右肝，则通常采用射频消融或微波消融治疗或者全肝切除接受肝移植手术的治疗。但射频或微波消融术难以彻底消除肝肿瘤，而肝移植术既昂贵又复杂，且需要较长的培训周期。近年来，专家学者们提出了肝段切除术，即只切除肝肿瘤所在的肝段。这样即便肝肿瘤分布在左肝和右肝不同的部位，如果仅切除肝肿瘤所在的肝段，就可以保留足够多的健康的肝段，由于肝脏的再生性，极大地提高了患者术后的存活率。但是由于肝段切除术的高难度和高风险，仅少数大专家可以凭借经验实施。
目前，肝段切除术的术中辅助系统大多使用普通的显示设备用于术中的辅助。普通的显示设备只能提供二维信息，不能提供立体空间信息，不支持人机交互，且不能放到患者手术部位附近，医生往往需要不断抬头甚至扭头去看显示设备，这些因素在一定程度上限制了其辅助能力，影响手术的精确度。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，旨在通过肝段划分结合AR全息投影技术实现对肝癌、肝肿瘤的有效治疗。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：提供一种基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，包括主机、图像显示设备和AR设备,
所述主机内设置有影像数据管理模块、三维影像分割模块、肝段划分模块、术前手术规划模块；
所述影像数据管理模块：用于获取并存储患者CT/MRI扫描序列图像，并对多组患者CT/MRI扫描序列图像进行配准，同时对三维影像分割模块、肝段划分模块、术前手术规划模块产生的数据进行存储管理；
所述三维影像分割模块：用于对患者肝内器官组织及肝部病灶区进行三维分割；
所述肝段划分模块：根据三维影像分割模块进行的三维分割结果对肝段进行划分；
所述术前手术规划模块：根据三维分割结果和肝段划分结果，对患者肝部病灶区进行虚拟切除，并推荐肝段切除最佳参数；
所述图像显示设备内设置有可视化模块，所述可视化模块用于对主机内的各模块工作内容进行图像显示；
所述AR设备内设置有术中辅助模块，所述术中辅助模块用于对主机内的三维影像分割模块、肝段划分模块与所述术前手术规划模块工作过程进行全息显示，实现医护人员与AR设备的人机交互，并将全息显示信息传输到主机内对应的模块，通过图像显示设备最终显示出来。
所述基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统主要由上述主机、图像显示设备和AR设备三个硬件装置和设置在各硬件设备内的各软件模块共同构成，由硬件和软件共同协作完成肝段切除术医学工作。
优选的，所述CT/MRI扫描的序列图像为DICOM(英文全称：Digital Imaging andCommunications in Medicine，中文：医学数字成像和通信)数据；所述对多组患者CT/MRI扫描序列图像进行配准是采用GPU加速技术的多模态非刚性算法获得。
所述GPU加速技术的多模态非刚性算法利用GPU平行运算、互信息测度、仿射变换和B样条变换实现多组患者CT/MRI扫描序列图像的快速精准配准。
优选的，所述三维影像分割模块对肝内器官组织及肝部病灶区进行三维分割方式包括全自动或者半自动。
在进行三维分割时，可采用直方图分析、几何学分析、形态学操作、快速行进水平集算法、基于阈值的水平集算法及区域增长算法对肝内器官组织进行分割。
所述直方图分析、几何学分析通过分析CT/MRI图像的灰度分布、根据肝脏是腹部最大的器官及其大部分位于人体的右侧的事实将肝脏区域和其周围的器官组织初步分离出来。
所述形态学操作通过对初步分离出来的肝脏区域进行侵蚀操作，进一步将不属于肝脏区域的器官组织去除掉，所保留的肝脏区域用来获取肝内器官组织的种子点。
所述快速行进水平集算法、基于阈值的水平集算法及区域增长算法从所获取的肝内器官组织种子点出发，将属于肝脏区域的体素识别分离出来以分割肝内器官组织。
优选的，所述肝内器官组织包括：肝脏、肝动脉、肝静脉、门静脉、胆管；所述肝部病灶区包括肝肿瘤。
优选的，所述肝段划分模块是根据肝内器官组织门静脉的支流结构进行肝段划分。
优选的，根据门静脉的支流结构可将肝段划分为八段，其划分步骤包括：
S01:使用三维骨架化方法将门静脉骨架化；
S02：根据骨架化的门静脉的支流结构选取所属肝段的门静脉支流基点；
S03：从所选取的门静脉支流基点开始将骨架化的门静脉划分为八个支流；
S04：根据所划分的门静脉的八个支流使用最近邻近似法将肝脏划分为八段。
当然根据手术需求，肝段也可以被划分为小于或者大于8的自然数段数。
优选的，所述术前手术规划模块推荐肝段切除的最佳参数包括：肝段最佳切除路径、肝段最佳切除体积、余肝所占全肝体积的百分比。
优选的，所述AR设备为AR眼镜。
优选的，所述术中辅助模块实现医护人员与AR设备的人机交互方式包括：语音或者手势命令。
优选的，所述术中辅助模块实现的全息显示信息可进行放大、缩小、旋转或者位移，并将该全息显示信息投射在患者手术部位进行精准比对。
本发明带来的有益效果为：采用本发明所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，通过术前手术规划、术中AR辅助，可实现对肝内器官组织和肝部病灶区三维影像分割，并进一步结合肝内门静脉的支流结构进行肝段划分、肝段虚拟切除最佳方案推荐，整个过程可利用AR设备进行全息可视化，实现术中人机交互，提高手术精准度，进而实现对肝癌、肝肿瘤手术的有效治疗，提升此类疑难杂症疾病治疗的可行性以及治疗后的存活率，对人类在肝癌、肝肿瘤医学治疗方向提供可行方案，具有良好的社会效益。
附图说明
图1是本发明基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统结构原理图；
图2是经过本发明三维影像分割模块分割后的实施例所述患者肝内器官组织及肝部病灶区分割图；
图3是实施例所述患者门静脉骨架化结构示意图；
图4是实施例所述患者门静脉支流基点选取结构示意图；
图5是实施例所述患者门静脉支流划分结构示意图；
图6是实施例所述患者肝脏被划分为八段肝段主视结构示意图；
图7是实施例所述患者肝脏被换分为八段肝段后视结构示意图；
图8是对实施例所述患者肝段三进行虚拟切除结构示意图；
图9是对实施例所述患者肝段七进行虚拟切除结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体附图对本发明作进一步的说明。
为了清楚的说明本发明的工作原理，以下实施例以一位具体的肝肿瘤患者的肝内器官组织及肝部病灶区进行详细说明。
如图1所示，提供一种基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其包括硬件组成部分和设置在各硬件组成部分内的软件部分，该硬件组成部分包括主机1、图像显示设备2和AR设备3；
在主机1内设置有影像数据管理模块11、三维影像分割模块12、肝段划分模块13、术前手术规划模块14；所述影像数据管理模块11用于获取并存储患者腹部CT/MRI扫描序列图像，该CT/MRI扫描的序列图像为DICOM数据，该DICOM数据可通过USB、移动硬盘或者网络传输方式进行导入或者导出；并对多组患者CT/MRI扫描序列图像采用GPU加速技术的多模态非刚性算法进行配准，同时对三维影像分割模块12、肝段划分模块13、术前手术规划模块14产生的数据进行存储管理；
所述三维影像分割模块12用于对患者肝内器官组织及肝部病灶区采用直方图分析、几何学分析、形态学操作、快速行进水平集算法、基于阈值的水平集算法及区域增长算法对肝内器官组织进行全自动或者半自动三维分割，以获得肿瘤的数目、大小、形状和空间分布；
如图2所示，通过三维影像分割模块12用于对该患者肝内器官组织及肝部病灶区进行全自动或者半自动三维分割后，分割后的肝内器官组织及肝部病灶区组成包括：肝脏4，肝静脉41、门静脉42和肝病灶区43(图未示)，其中肝病灶区43(图未示)包括左肝肿瘤431和右肝肿瘤432，其中左肝肿瘤431大小为10毫升，右肝肿瘤432大小为7毫升，分别分布于左肝和左肝对应的位置；
所述肝段划分模块13根据肝内器官组织门静脉的支流结构将肝段划为八段，其具体划分步骤包括：
如图3所示，S01:使用三维骨架化方法将该患者的门静脉42骨架化；
如图4所示，S02：根据该患者骨架化的门静脉42的支流结构选取所属肝段的门静脉支流基点421；
如图5所示，S03：从所选取的门静脉支流基点421开始将骨架化的门静脉划分为八个支流；该八支支流可采用不同的颜色进行显示，分别为门静脉第一支流4221、门静脉第二支流4222、门静脉第三支流4223、门静脉第四支流4224、门静脉第五支流4225、门静脉第六支流4226、门静脉第七支流4227和门静脉第八支流4228；
如图6-7所示，S04：根据所划分的门静脉42的八个支流使用最近邻近似法将肝脏划分为八段，分别为肝段一401(见图7)、肝段二402、肝段三403、肝段四404、肝段五405、肝段六406、肝段七407和肝段八408。其中左肝肿瘤431位于肝段三403上，右肝肿瘤432位于肝段七407上。
采用面绘制的方法得到每个肝段的三维模型，用八种不同的颜色在图像显示设备上显示出来，提供一定的透明度，帮助医疗人员判断每个肝肿瘤属于哪个或哪几个肝段。
所述术前手术规划模块14根据三维分割结果和肝段划分结果，对患者单个或者多个肝段病灶区进行虚拟切除，并推荐肝段切除最佳参数，该参数包括肝段最佳切除路径、肝段最佳切除体积、余肝所占全肝体积的百分比，在保证彻底切除肝肿瘤的前提下，尽可能多地保留健康肝段，确保患者术后的存活。
如图8所示，为对左肝肿瘤431所在肝段三403沿其轮廓路径进行了虚拟切除，其中肝段三403的容积为159毫升；
如图9所示，为对右肝肿瘤432所在的肝段七407沿其轮廓路径进行了虚拟切除，其中肝段七407的容积为305毫升，其最佳切除容积为肝段三403容积与肝段七407容积和为464毫升，经过计算可得：切除肝段三403和肝段七407后剩余健康肝脏容积占全肝容积为51.3％。
在图像显示设备2内设置有可视化模块21，该可视化模块21用于对主机1内的各模块工作内容进行图像显示；
该AR设备3为AR眼镜，在AR眼镜内设置有术中辅助模块31，术中辅助模块31用于对主机1内的三维影像分割模块12、肝段划分模块13与术前手术规划模块14工作过程进行全息显示，可对显示信息进行放大、缩小、旋转或者位移投射在患者手术部位进行精准比对，医疗人员不需要抬头或者扭头即可在手术进行部位全面清晰的看到显示的肝段切除方案，通过语音或者手势命令可实现医护人员与AR眼镜的人机交互，并将AR眼镜全息显示信息传输到主机1内对应的模块，通过图像显示设备2最终显示出来，以方便其他医护人员对手术进行观摩和学习。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，包括主机(1)、图像显示设备(2)和AR设备(3),其特征在于：
所述主机(1)内设置有影像数据管理模块(11)、三维影像分割模块(12)、肝段划分模块(13)、术前手术规划模块(14)；
所述影像数据管理模块(11)：用于获取并存储患者CT/MRI扫描序列图像，并对多组患者CT/MRI扫描序列图像进行配准，同时对三维影像分割模块(12)、肝段划分模块(13)、术前手术规划模块(14)产生的数据进行存储管理；
所述三维影像分割模块(12)：用于对患者肝内器官组织及肝部病灶区进行三维分割；
所述肝段划分模块(13)：根据三维影像分割模块(12)进行的三维分割结果对肝段进行划分；
所述术前手术规划模块(14)：根据三维分割结果和肝段划分结果，对患者肝部病灶区进行虚拟切除，并推荐肝段切除最佳参数；
所述图像显示设备(2)内设置有可视化模块(21)，所述可视化模块(21)用于对主机(1)内的各模块工作内容进行图像显示；
所述AR设备(3)内设置有术中辅助模块(31)，所述术中辅助模块(31)用于对主机(1)内的三维影像分割模块(12)、肝段划分模块(13)与所述术前手术规划模块(14)工作过程进行全息显示，实现医护人员与AR设备的人机交互，并将全息显示信息传输到主机(1)内对应的模块，通过图像显示设备(2)最终显示出来。
2.根据权利要求1所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述CT/MRI扫描的序列图像为DICOM数据；所述对多组患者CT/MRI扫描序列图像进行配准是采用GPU加速技术的多模态非刚性算法获得。
3.根据权利要求1所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述三维影像分割模块(12)对肝内器官组织及肝部病灶区进行三维分割方式包括全自动或者半自动。
4.根据权利要求3所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述肝内器官组织包括：肝脏、肝动脉、肝静脉、门静脉、胆管；所述肝部病灶区包括肝肿瘤。
5.根据权利要求4所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述肝段划分模块(13)是根据肝内器官组织门静脉的支流结构进行肝段划分。
6.根据权利要求5所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：根据门静脉的支流结构可将肝段划分为八段，其划分步骤包括：
S01:使用三维骨架化方法将门静脉骨架化；
S02：根据骨架化的门静脉的支流结构选取所属肝段的门静脉支流基点；
S03：从所选取的门静脉支流基点开始将骨架化的门静脉划分为八个支流；
S04：根据所划分的门静脉的八个支流使用最近邻近似法将肝脏划分为八段。
7.根据权利要求1所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述术前手术规划模块(14)推荐肝段切除的最佳参数包括：肝段最佳切除路径、肝段最佳切除体积、余肝所占全肝体积的百分比。
8.根据权利要求1所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述AR设备为AR眼镜。
9.根据权利要求1所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述术中辅助模块(31)实现医护人员与AR设备的人机交互方式包括：语音或者手势命令。
10.根据权利要求1所述的基于医学影像三维重建及全息显示的肝段切除术辅助系统，其特征在于：所述术中辅助模块(31)实现的全息显示信息可进行放大、缩小、旋转或者位移，并将该全息显示信息投射在患者手术部位进行精准比对。
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