CN110853762B - 一种平行布针系统及布针仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平行布针系统，该系统包括：数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块、交互模块、可视化模块、计算模块及安全性检测模块；所述数据管理模块与器官与靶区管理模块数据交互，所述交互模块、可视化模块和计算模块分别与数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块进行交互，所述交互模块和可视化模块数据交互，所述计算模块分别与交互模块、针道管理模块数据交互；所述安全性检测模块分别与针道管理模块、可视化模块数据交互。本发明还提供了一种基于上述系统的布针仿真方法。本发明可以直观显示三维空间的布针实现，操作简便且保证了安全性。

Description

一种平行布针系统及布针仿真方法

技术领域

本发明涉及一种穿刺计划系统及其仿真方法，尤其涉及一种平行布针系统及布针仿真方法。

背景技术

微波消融手术中的穿刺路径规划是保证治疗计划高效、安全的关键步骤。临床中，针对大肿瘤常采用双针或以上数量的消融针同时或先后消融，出于控制消融范围、估计消融效果的目的，临床医生常对这些消融针的空间相互空间位置有所要求，具体而言，要求它们互相平行。

现有的平行布针模式主要采用两点布针法，即通过确定针尖与入针点位置完成布针。平行关系的保证主要依靠人眼观察或者参数化的表达。为达到消融适形的需求，对消融针的平行性有一定要求，但是对于特殊形状与空间取向的肿瘤在三维空间内进行平行布针是相对困难的。

目前，医生在手术时一般通过二维CT影像在横断面上进行布针，即针道均处于同一或不同的横断面内，通过肉眼观察或者全凭经验难以完成任意方向的平行布针。其主要原因在于：一方面，当前的两点布针法在三维空间中并不能直观显示，另一方面，就三维空间中的交互本身而言，布针技术也有难度。

发明内容

发明目的：本发明提出一种适于任意倾斜角度的平行布针系统以获取肿瘤消融的高适形度。本发明的另一目的在于提供依据上述布针系统的平行布针仿真方法。

技术方案：本发明所述的一种平行布针系统，该系统包括：

数据管理模块，用于获取、存储、管理病例影像数据，输出至可视化模块；

器官与靶区管理模块，用于从数据管理模块获取的病例影像数据中识别出器官及靶区，并在病例影像数据中添加、修改、删除器官及靶区的三维轮廓数据，所述三维轮廓数据包括：应规避器官、肿瘤靶区轮廓数据；

针道管理模块，用于管理消融针属性信息及其空间参数，对针道进行增删改查操作，所述消融针包括基础针和平行针，所述消融针属性信息包括：消融针型号、针杆直径、有效长度、微波发射窗口位置，所述消融针空间参数包括：针尖点位置坐标、入针点位置坐标、针道俯仰角、偏向角、入针深度；

交互模块，用于获取并解析可视化模块中GUI上的消融参数指令；对数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块进行控制，并依据数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块的数据判断是否允许交互模块进行下一步操作；

可视化模块，用于依据病例影像数据以及交互模块提供的指令及具体参数生成病例的二维视图，对影像数据重建得到三维模型，由GUI进行显示；获取针道管理模块的消融针属性信息及其空间参数，生成针道垂直视图、针道平行视图；获取器官与靶区管理模块的三维轮廓数据，生成所选取器官、靶区的二维视图及三维模型，由GUI进行显示；所述GUI为图形用户界面；GUI根据交互模块操作指令进行视图的实时更新；

计算模块，用于获取交互模块的指令及具体参数，根据可视化模块重建的三维模型，计算消融针属性信息及其空间参数；

安全性检测模块，用于判断消融针是否于应规避器官相交，若相交，通过GUI给予提示。

进一步地，所述病例影像数据包括CT、MRI数据。

进一步地，所述病例影像数据包括：依照相同病理名称以数据库形式存储在终端上的病例的基础信息、以二进制存储的图像数据，其中所述病例的基础信息包括病例姓名、性别、ID、图像尺寸、格式、二进制文件路径。

进一步地，所述可视化模块中GUI上的消融参数指令包括：键盘按键、鼠标拖拽、滚轮滚动；交互模块将所述消融参数指令解析为：按键内容、鼠标指针在GUI上的位置、鼠标滚轮的位置。

进一步地，所述鼠标指针在GUI上的位置以及鼠标滚轮的位置为：光标经交互模块解析后由屏幕坐标转换为的实际病例影像数据的三维坐标。

进一步地，可视化模块的所述病例的二维视图包括：从病例影像数据中剖切得到的人体横断面、矢状面、冠状面切片。

进一步地，可视化模块中的所述针道垂直视图为：与消融针所在直线垂直的病例影像数据的剖切面。

进一步地，可视化模块的所述针道平行视图为：以消融针为轴的共线平面束。

本发明所述的基于上述平行布针系统的布针仿真方法，其特征在于，该方法包括：

(1)数据管理模块获取病例影像数据；

(2)交互模块获取可视化模块中GUI上的消融参数指令，由器官与靶区管理模块识别出器官及靶区，并在病例影像数据中添加、修改、删除器官及靶区的三维轮廓数据；

(3)交互模块控制针道管理模块，设置基础针道参数；

(4)由可视化模块显示病例的二维视图、对影像数据重建得到三维模型和器官、靶区的二维视图及三维模型；

(5)安全性检测模块评估可视化模块上显示的当前基础针道的安全性，将消融针从入针点至针尖点分为若干段，检测每段的中间点是否处于任何应规避器官内部，若不合适或不安全则提示调整；

(6)向针道管理模块获取调整后的基础针道参数，由可视化模块建立针道垂直视图与针道平行视图；

(7)交互模块根据可视化模块中GUI上的消融参数指令，解析并将指令数据发送给可视化模块，可视化模块实时更新视图数据；

(8)计算模块根据当前交互模块的指令及具体参数得到平行针及其针道参数；

(9)可视化模块给出当前针道与肿瘤、器官的相对位置关系，若不合适则调整；

(10)安全性检测模块实时判断消融针所处针道的安全性，在不安全时给出提示；在安全时得到的平行针及其针道参数。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

1、通过可视化模块生成针道垂直视图与针道平行视图，辅助用户在GUI上设置消融参数指令，可以布置任意方向的平行针；

2、结合可视化模块生成的二维视图与三维视图，易于评估针道位置；

3、安全性检测模块在针道与应规避器官相交时给出警告，保证了系统功能实施的安全性。

附图说明

图1是本发明的平行布针系统示意图；

图2是基础针道示意图；

图3是针道垂直视图示意图；

图4是针道平行视图示意图；

图5是安全性检测效果图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

请参见图1，其示出了一种平行布针系统，该系统包括：

数据管理模块，用于获取、存储、管理病例影像数据，输出至可视化模块；

在本实施例中，所述病例影像数据来源于CT、MRI数据；

在本实施例中，所述病例影像数据包括：依照相同病理名称以数据库形式存储在终端上的病例的基础信息、以二进制存储的图像数据，其中所述病例的基础信息包括病例姓名、性别、ID、图像尺寸、格式、二进制文件路径。

器官与靶区管理模块，用于从数据管理模块获取的病例影像数据中识别出器官及靶区，并在病例影像数据中添加、修改、删除器官及靶区的三维轮廓数据，所述三维轮廓数据包括：应规避器官、肿瘤靶区轮廓数据；

针道管理模块，用于管理消融针属性信息及其空间参数，对针道进行增删改查操作，所述消融针包括基础针和平行针，所述消融针属性信息包括：消融针型号、针杆直径、有效长度、微波发射窗口位置，所述消融针空间参数包括：针尖点位置坐标、入针点位置坐标、针道俯仰角、偏向角、入针深度；

交互模块，用于获取并解析可视化模块中GUI上的消融参数指令，保存指令及具体参数；对数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块进行控制，并依据数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块的数据判断是否允许交互模块进行下一步操作；

在本实施例中，所述可视化模块中GUI上的消融参数指令包括：键盘按键、鼠标拖拽、滚轮滚动；交互模块保存的所述指令及具体参数包括：具体按键内容、鼠标指针在GUI上的位置以及鼠标滚轮的位置；

在本实施例中，所述鼠标指针在GUI上的位置以及鼠标滚轮的位置为：光标经交互模块解析后由屏幕坐标转换为的实际病例影像数据的三维坐标。

可视化模块，用于依据病例影像数据以及交互模块提供的指令及具体参数生成病例的二维视图，对影像数据重建得到三维模型，由GUI进行显示；获取针道管理模块的消融针属性信息及其空间参数，生成针道垂直视图、针道平行视图；获取器官与靶区管理模块的三维轮廓数据，生成所选取器官、靶区的二维视图及三维模型，由GUI进行显示；所述GUI为图形用户界面；GUI根据交互模块操作指令进行视图的实时更新；

在本实施例中，可视化模块的所述病例的二维视图包括：从病例影像数据中剖切得到的人体横断面、矢状面、冠状面切片。

在本实施例中，可视化模块的所述针道垂直视图为：垂直视图为：与消融针所在直线垂直的病例影像数据的剖切面。所述剖切面初始时与基础针道针尖共面，根据交互模块解析的鼠标滚轮操作，将剖切面沿基础针道前后移动而得到得不同位置的垂直视图。

在本实施例中，可视化模块的所述针道平行视图为：以消融针为轴的共线平面束以病例影像数据的某剖切面法向量为基础针道方向。所述剖切面初始时接近人体横断面，使两个面夹角的阈值在(0,90°]，根据交互模块解析的鼠标滚轮操作，将剖切面绕基础针道旋转而得到得不同位置的平行视图。

计算模块，用于获取交互模块的指令及具体参数，根据可视化模块重建的三维模型，计算消融针属性信息及其空间参数；

安全性检测模块，用于判断消融针是否于应规避器官相交，若相交，通过GUI给予提示。

一种基于上述平行布针系统的布针仿真方法，该方法包括：

(1)数据管理模块获取病例影像数据；

(2)器官与靶区管理模块获取病例影像数据，勾画器官、靶区3和皮肤2的轮廓线，形成三维轮廓数据；

(3)针道管理模块获取靶区3，新建基础针1(如图2)，安全性检测模块检测针道安全性，若不安全，给出安全性提示，如图5；

图2是基础针道示意图，针道管理模块新建基础针道，经交互模块调整后，以基础针为参考，计算模块生成的针道与基础针道平行。

图5是安全性检测效果图，自动检测消融针所处针道通过的组织器官，并给出安全性提示。

(4)计算模块获取基础针1，按照针道方向，重建针道垂直视图和针道平行视图，同时生成与基础针1平行针4，计算平行针属性信息及其空间参数，可视化模块显示二维、三维针道视图；

图3是针道垂直视图，该视图始终与平行针垂直，在该视图下交互模块调整消融针，只能改变平行针的相对距离，无法改变消融针方向。

图4是针道平行视图，该视图始终与平行针平行，在该视图下，可以看到消融针的整个针道及与周围组织的相对位置。

(5)交互模块在针道垂直视图(如图3)上调整平行针4相对距离，安全性检测模块实时检测针道安全性如图5。

(6)针道管理模块获取消融针属性信息及其空间参数；

(7)可视化模块显示针道垂直视图如图3，交互模块调整平行针的相对距离位置，更新空间信息；

(8)可视化模块显示针道平行视图如图4，可观察到整个进针路径及其安全性情况，若安全性检测模块报警，交互模块调整针道，避开碰触到的组织器官。

Claims (9)

1.一种平行布针系统，其特征在于，该系统包括：

数据管理模块，用于获取、存储、管理病例影像数据，输出至可视化模块；

器官与靶区管理模块，用于从数据管理模块获取的病例影像数据中识别出器官及靶区，并在病例影像数据中添加、修改、删除器官及靶区的三维轮廓数据，所述三维轮廓数据包括：应规避器官、肿瘤靶区轮廓数据；

针道管理模块，用于管理消融针属性信息及其空间参数，对针道进行增删改查操作，所述消融针包括基础针和平行针，所述消融针属性信息包括：消融针型号、针杆直径、有效长度、微波发射窗口位置，所述消融针空间参数包括：针尖点位置坐标、入针点位置坐标、针道俯仰角、偏向角、入针深度；

交互模块，用于获取并解析可视化模块中GUI上的消融参数指令；对数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块进行控制，并依据数据管理模块、器官与靶区管理模块、针道管理模块的数据判断是否允许交互模块进行下一步操作；

可视化模块，用于依据病例影像数据以及交互模块提供的指令及具体参数生成病例的二维视图，对影像数据重建得到三维模型，由GUI进行显示；获取针道管理模块的消融针属性信息及其空间参数，生成针道垂直视图、针道平行视图；获取器官与靶区管理模块的三维轮廓数据，生成所选取器官、靶区的二维视图及三维模型，由GUI进行显示；所述GUI为图形用户界面；GUI根据交互模块操作指令进行视图的实时更新；

计算模块，用于获取交互模块的指令及具体参数，根据可视化模块重建的三维模型，计算消融针属性信息及其空间参数；

安全性检测模块，用于判断消融针是否于应规避器官相交，若相交，通过GUI给予提示。

2.根据权利要求1所述的平行布针系统，其特征在于：所述病例影像数据包括CT、MRI数据。

3.根据权利要求1所述的平行布针系统，其特征在于，所述病例影像数据包括：依照相同病理名称以数据库形式存储在终端上的病例的基础信息、以二进制存储的图像数据，其中所述病例的基础信息包括病例姓名、性别、ID、图像尺寸、格式、二进制文件路径。

4.根据权利要求1所述的平行布针系统，其特征在于，所述可视化模块中GUI上的消融参数指令包括：键盘按键、鼠标拖拽、滚轮滚动；交互模块将所述消融参数指令解析为：按键内容、鼠标指针在GUI上的位置、鼠标滚轮的位置。

5.根据权利要求4所述的平行布针系统，其特征在于，所述鼠标指针在GUI上的位置以及鼠标滚轮的位置为：光标经交互模块解析后由屏幕坐标转换为的实际病例影像数据的三维坐标。

6.根据权利要求1所述的平行布针系统，其特征在于，可视化模块的所述病例的二维视图包括：从病例影像数据中剖切得到的人体横断面、矢状面、冠状面切片。

7.根据权利要求1所述的平行布针系统，其特征在于，可视化模块中的所述针道垂直视图为：与消融针所在直线垂直的病例影像数据的剖切面。

8.根据权利要求1所述的平行布针系统，其特征在于，可视化模块的所述针道平行视图为：以消融针为轴的共线平面束。

9.一种基于权利要求1所述的平行布针系统的布针仿真方法，其特征在于，该方法包括：

(1)数据管理模块获取病例影像数据；

(2)交互模块获取可视化模块中GUI上的消融参数指令，由器官与靶区管理模块识别出器官及靶区，并在病例影像数据中添加、修改、删除器官及靶区的三维轮廓数据；

(3)交互模块控制针道管理模块，设置基础针道参数；

(4)由可视化模块显示病例的二维视图、对影像数据重建得到三维模型和器官、靶区的二维视图及三维模型；

(5)安全性检测模块评估可视化模块上显示的当前基础针道的安全性，将消融针从入针点至针尖点分为若干段，检测每段的中间点是否处于任何应规避器官内部，若不合适或不安全则提示调整；

(6)向针道管理模块获取调整后的基础针道参数，由可视化模块建立针道垂直视图与针道平行视图；

(7)交互模块根据可视化模块中GUI上的消融参数指令，解析并将指令数据发送给可视化模块，可视化模块实时更新视图数据；

(8)计算模块根据当前交互模块的指令及具体参数得到平行针及其针道参数；

(9)可视化模块给出当前针道与肿瘤、器官的相对位置关系，若不合适则调整；

(10)安全性检测模块实时判断消融针所处针道的安全性，在不安全时给出提示；在安全时得到的平行针及其针道参数。