CN112163987B - 穿刺路径规划系统 - Google Patents

穿刺路径规划系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112163987B
CN112163987B CN202010640114.8A CN202010640114A CN112163987B CN 112163987 B CN112163987 B CN 112163987B CN 202010640114 A CN202010640114 A CN 202010640114A CN 112163987 B CN112163987 B CN 112163987B
Authority
CN
China
Prior art keywords
puncture
dimensional image
path
display module
image display
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010640114.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112163987A (zh
Inventor
戴亚康
周志勇
王磊
胡冀苏
钱旭升
耿辰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Suzhou Science and Technology Town Hospital
Original Assignee
Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Suzhou Science and Technology Town Hospital
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS, Suzhou Science and Technology Town Hospital filed Critical Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority to CN202010640114.8A priority Critical patent/CN112163987B/zh
Publication of CN112163987A publication Critical patent/CN112163987A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112163987B publication Critical patent/CN112163987B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/10—Segmentation; Edge detection
    • G06T7/11—Region-based segmentation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0635—Risk analysis of enterprise or organisation activities
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00—Geometric image transformations in the plane of the image
    • G06T3/06—Topological mapping of higher dimensional structures onto lower dimensional surfaces
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/30—Determination of transform parameters for the alignment of images, i.e. image registration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/107—Visualisation of planned trajectories or target regions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2065—Tracking using image or pattern recognition
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
    • G06T2207/30096—Tumor; Lesion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Economics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • Entrepreneurship & Innovation (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Development Economics (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Game Theory and Decision Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Processing Or Creating Images (AREA)

Abstract

本发明公开了一种穿刺路径规划系统，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块。本发明通过三维影像配准模块可将多模态影像配准到同一个坐标系中，将术前和术中的不同模态影像对齐，从而可以使模态影像得到充分利用；本发明中，穿刺路径在人为设定基础上，通过穿刺自动规划和风险评估模块可进行穿刺风险评估及进一步优化，从而能降低风险；本发明中穿刺路径不仅在三维影像显示模块中显示，还映射到二维影像显示模块中，通过二维影像显示模块中与三维影像显示模块相互补充，能提高穿刺路径评估的精确性。

Description

穿刺路径规划系统
技术领域
本发明涉及医学成像领域，特别涉及一种穿刺路径规划系统。
背景技术
穿刺手术在临床上可用于疾病的诊疗，通常，手术前需要预先进行穿刺路径的规划。穿刺路径规划可通过多种手段实现，例如专利CN103970988B公开了一种消融针穿刺路径规划方法及系统，其能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径，为消融手术提供良好的术前规划指导。又如专利 CN106021935B公开了一种柔性针穿刺路径评估方法及系统。现在的穿刺路径规划方案中普遍存在以下缺陷中的一种或多种：1、无多模态影像配准，导致术前和术中的不同模态影像无法对齐，术前影像无法用于术中靶区定位；2、无穿刺风险评估；3、穿刺路径依赖人为设定，无法优化；4、穿刺路径和三维模型一同显示，由于三维建模存在误差，导致穿刺路径和组织的空间关系测量存在误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种穿刺路径规划系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种穿刺路径规划系统，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块；
所述三维影像分割模块用于对输入的穿刺对象的原始三维图像进行分割，得到分割后的三维图像模型；
所述三维影像配准模块用于将分割后的三维图像模型进行配准，得到配准后的三维图像模型；
所述三维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型；
所述二维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
通过所述穿刺规划路径交互选择模块可在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，并计算得出初始穿刺规划路径；同时通过所述穿刺规划路径交互选择模块还可在所述二维影像显示模块和/ 或三维影像显示模块中对所述初始穿刺规划路径进行调整，得到调整后的穿刺规划路径；
所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径。
优选的是，所述二维影像显示模块可显示横断面、矢状面和冠状面的二维灰度影像；
所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像；
所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像的边界曲线。
优选的是，所述二维影像显示模块可显示穿刺规划路径所在直线在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线，称为穿刺引导线；所有投影直线的两端均设置有交互控制端点，通过所述穿刺规划路径交互选择模块在当前横断面、矢状面或冠状面的平面范围内拖动所述控制端点以调整当前的投影直线，拖动后的投影直线反投影到三维影像空间中形成新的穿刺规划路径，所述二维影像显示模块实时计算更新调整后的穿刺规划路径在另外两个平面上的投影直线，并在其对应的视图中刷新显示。
优选的是，所述二维影像显示模块可显示拟穿刺的穿刺针在当前所显示的横断面、矢状面和冠状面上的截面；随着当前横断面、矢状面或冠状面位置改变，所述二维影像显示模块同步计算所述拟穿刺的穿刺针在位置改变后的横断面、矢状面或冠状面上的截面，并显示所述拟穿刺的穿刺针在当前横断面、矢状面或冠状面的真实位置和截面形状，并通过所述二维影像显示模块刷新显示所述拟穿刺的穿刺针在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线。
优选的是，所述三维影像显示模块可显示穿刺规划路径；
所述三维影像显示模块中的穿刺规划路径的两端设置有交互控制端点，通过穿刺规划路径交互选择模块拖动所述交互控制端点可对穿刺规划路径进行调整，以形成调整后的穿刺规划路径；穿刺规划路径交互选择模块实时计算调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影，在对应的二维影像显示模块中显示调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影直线；
所述三维影像显示模块可显示至少一个三维图像模型。
优选的是，该系统的工作步骤包括：
1)输入穿刺对象的原始三维图像，通过所述三维影像分割模块进行分割，得到分割后的三维图像模型；
2)所述三维影像配准模块对分割后的三维图像模型进行配准，得到的配准后的三维图像模型分别在所述二维影像显示模块和三维影像显示模块中显示；其中，所述三维影像显示模块参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型，所述二维影像显示模块显示参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型分别在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
3)通过所述穿刺路径交互选择模块在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，所述穿刺路径交互选择模块计算得出初始穿刺规划路径；
4)通过所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述初始穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径。
优选的是，所述步骤2)中，所述三维影像配准模块的配准方法具体为：
2-1)分别在分割后的三维图像模型和参考三维图像模型上选择具有一一对应关系的标记点；每一个图像模型上的标记点数量不少于3个；分割后的三维图像模型中的点集记作Pf，参考三维图像模型中的点集记作Pr；
2-2)使用点集配准方法对标记点进行配准，得到点集Pf到Pr的空间变换矩阵Tf；
2-3)使用空间变换矩阵Tf对分割后的三维图像模型进行空间变换，得到经三维标记点配准方法配准后的三维图像模型，记作Ifr。
优选的是，所述三维影像配准模块的配准方法还包括：采用三维体素配准方法对三维图像模型Ifr进行体素配准，最终得到三维体素配准后的三维图像模型，记作Ifr'。
优选的是，所述步骤3)具体包括：
3-1)通过所述穿刺路径交互选择模块在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中依次选择穿刺起点和穿刺终点；
3-2)穿刺起点和穿刺终点在二维影像显示模块和三维影像显示模块进行同步更新显示；
3-3)所述穿刺路径交互选择模块计算初始穿刺规划路径，三维影像显示模块中显示三维初始穿刺规划路径、穿刺起点和穿刺终点；二维影像显示模块显示三维初始穿刺规划路径与本模块中当前显示的断层所在平面相交形成的圆或椭圆、穿刺起点/穿刺终点在本模块中当前显示的断层所在平面的投影点；
3-4)在所述三维影像显示模块中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的调节穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点与本模块中当前显示的断层所在平面的投影点，同时还在所述二维影像显示模块中更新显示新的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
或者，
3-5)在所述二维影像显示模块中的横断面、矢状面或冠状面中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并在所述三维影像显示模块中显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点。
优选的是，所述步骤4)中所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化的步骤包括：计算穿刺可行域、计算穿刺深度和组织路径长度、计算穿刺路径到需要避开脏器的距离、计算其他约束项；具体为：
4-1)计算穿刺可行域：
4-1-1)以调整后的穿刺规划路径为中心，以圆锥角θ为搜索范围，构建穿刺路径优化搜索的三维空间R；
4-1-2)将穿刺路径上需要避开的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作Mi，其内部空间记作Si；
4-1-3)计算穿刺可行域R’，R’＝R-ΣSi；
4-2)计算穿刺深度和组织路径长度：
4-2-1)计算调整后的穿刺规划路径与穿刺对象的配准后的三维图像模型的交点p；
4-2-2)计算穿刺终点与p之间的欧几里得距离，即为穿刺物理深度，记作 l0；
4-2-3)将调整后的穿刺规划路径上需要经过的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作mi，其内部空间记作si，按照组织的重要性为每一个三维封闭模型mi赋予权重αi，αi＞1；
4-2-4)计算调整后的穿刺规划路径穿越三维封闭模型mi的欧几里得距离，记作lαi；
4-2-5)计算调整后的穿刺规划路径经过人体组织的穿刺风险距离L1，L1＝ l0+Σ(αi-1)lαi；
4-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的风险距离：
4-3-1)计算调整后的穿刺规划路径到Mi的欧几里得距离lβi；
4-3-2)按照组织的重要性为每一个三维封闭模型Mi赋予权重βi，βi＞1；
4-3-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的等效风险距离L2＝βilβi；
4-4)计算其他风险约束项：
4-4-1)构建风险因素模型，其风险因素记作Ri，其权重为因素为γi，
4-4-2)其等效风险因素记作L3＝ΣγiRi
4-5)计算穿刺路径综合风险F，F＝L1+L3-L2，并通过优化算法最小化F，进而得到最优穿刺规划路径Popt；显示最优穿刺规划路径Popt到Mi的三维欧几里得距离，并在所述三维影像显示模块中使用伪彩色的方式显示该距离。
本发明的有益效果是：本发明的穿刺路径规划系统，通过三维影像配准模块可将多模态影像配准到同一个坐标系中，将术前和术中的不同模态影像对齐，进而使术前影像中的穿刺靶区和边界映射到术中影像中，实现精准定位，从而可以使模态影像得到充分利用；
本发明中，穿刺路径在人为设定基础上，通过穿刺自动规划和风险评估模块可进行穿刺风险评估及进一步优化，从而能降低风险；
本发明中穿刺路径不仅在三维影像显示模块中显示，还映射到二维影像显示模块中，可显示横断面、矢状面和冠状面的二维影像，通过二维影像显示模块中与三维影像显示模块相互补充，能提高穿刺路径评估的精确性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本实施例的一种穿刺路径规划系统，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块。
其中，所述三维影像分割模块用于对输入的穿刺对象的原始三维图像进行分割，得到分割后的三维图像模型。原始三维图像可包括多模态影像，如 CT、超声、MRI影像中的一种或多种。
其中，所述三维影像配准模块用于将分割后的三维图像模型进行配准，得到配准后的三维图像模型。部分穿刺目标(比如肿瘤)，在术中影像(通常是CT或超声)中无法清晰显示，但是在术前的MRI影像中可以清晰的显示肿瘤及其边界。但是术前影像和术中影像的空间位置不存在对应关系，通过配准可以将不同图像统一到同一个坐标系中，实现影像对齐。
其中，所述三维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型。
所述三维影像显示模块可显示穿刺规划路径；
所述三维影像显示模块中的穿刺规划路径的两端设置有交互控制端点，通过穿刺规划路径交互选择模块拖动所述交互控制端点可对穿刺规划路径进行调整，以形成调整后的穿刺规划路径；穿刺规划路径交互选择模块实时计算调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影，在对应的二维影像显示模块中显示调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影直线；在三维显示模块中交互选取体表穿刺点时，穿刺规划路径交互选择模块会自动计算显示窗口坐标系中的交互位置，并投影到三维图像模型坐标系，计算出投影点在三维图像模型中的位置，该位置为体表穿刺点。
所述三维影像显示模块可显示至少一个三维图像模型。
其中，所述二维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像。
所述二维影像显示模块可显示横断面、矢状面和冠状面的二维灰度影像；
所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像；
所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像的边界曲线。
所述二维影像显示模块可显示穿刺规划路径所在直线在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线，称为穿刺引导线；所有投影直线的两端均设置有交互控制端点，通过所述穿刺规划路径交互选择模块在当前横断面、矢状面或冠状面的平面范围内拖动所述控制端点以调整当前的投影直线，拖动后的投影直线反投影到三维影像空间中形成新的穿刺规划路径，所述二维影像显示模块实时计算更新调整后的穿刺规划路径在另外两个平面上的投影直线，并在其对应的视图中刷新显示。
所述二维影像显示模块可显示拟穿刺的穿刺针在当前所显示的横断面、矢状面和冠状面上的截面；随着当前横断面、矢状面或冠状面位置改变，所述二维影像显示模块同步计算所述拟穿刺的穿刺针在位置改变后的横断面、矢状面或冠状面上的截面，并显示所述拟穿刺的穿刺针在当前横断面、矢状面或冠状面的真实位置和截面形状，并通过所述二维影像显示模块刷新显示所述拟穿刺的穿刺针在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线。
其中，二维影像显示模块和三维影像显示模块即可独立工作，又能相互配合，一个用于显示二维信息，一个用于显示三维信息；两者之间互为补充，可为用户提供更加丰富的信息展示手段。由于三维建模存在误差，通过二维影像显示模块可进行辅助修正，提高准确率。
其中，通过所述穿刺规划路径交互选择模块可在二维影像显示模块和/ 或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，并计算得出初始穿刺规划路径；同时通过所述穿刺规划路径交互选择模块还可在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中对所述初始穿刺规划路径进行调整，得到调整后的穿刺规划路径。
其中，所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径。
在一种实施例中，该穿刺路径规划系统的工作步骤包括：
1)输入穿刺对象的原始三维图像，通过所述三维影像分割模块进行分割，得到分割后的三维图像模型。
2)所述三维影像配准模块对分割后的三维图像模型进行配准，得到的配准后的三维图像模型分别在所述二维影像显示模块和三维影像显示模块中显示；其中，所述三维影像显示模块参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型，所述二维影像显示模块显示参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型分别在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
其中，所述三维影像配准模块的配准方法具体为：
2-1)分别在分割后的三维图像模型和参考三维图像模型上选择具有一一对应关系的标记点；每一个图像模型上的标记点数量不少于3个；分割后的三维图像模型中的点集记作Pf，参考三维图像模型中的点集记作Pr；
2-2)使用点集配准方法对标记点进行配准，得到点集Pf到Pr的空间变换矩阵Tf；
2-3)使用空间变换矩阵Tf对分割后的三维图像模型进行空间变换，得到经三维标记点配准方法配准后的三维图像模型，记作Ifr。
在一种进一步优选的实施例中，所述三维影像配准模块的配准方法还包括：采用三维体素配准方法对三维图像模型Ifr进行体素配准(二次配准)，最终得到三维体素配准后的三维图像模型，记作Ifr'。
3)通过所述穿刺路径交互选择模块在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，所述穿刺路径交互选择模块计算得出初始穿刺规划路径；
步骤3)具体包括：
3-1)通过所述穿刺路径交互选择模块在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中依次选择穿刺起点和穿刺终点；
3-2)穿刺起点和穿刺终点在二维影像显示模块和三维影像显示模块进行同步更新显示；
3-3)所述穿刺路径交互选择模块计算初始穿刺规划路径，三维影像显示模块中显示三维初始穿刺规划路径、穿刺起点和穿刺终点；二维影像显示模块显示三维初始穿刺规划路径与本模块中当前显示的断层所在平面相交形成的圆或椭圆、穿刺起点/穿刺终点在本模块中当前显示的断层所在平面的投影点；
3-4)在所述三维影像显示模块中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的调节穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点与本模块中当前显示的断层所在平面的投影点，同时还在所述二维影像显示模块中更新显示新的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
或者，
3-5)在所述二维影像显示模块中的横断面、矢状面或冠状面中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并在所述三维影像显示模块中显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点。
4)通过所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述初始穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径，包括：计算穿刺可行域、计算穿刺深度和组织路径长度、计算穿刺路径到需要避开脏器的距离、计算其他约束项，具体为：
4-1)计算穿刺可行域：
4-1-1)以调整后的穿刺规划路径为中心，以圆锥角θ为搜索范围，构建穿刺路径优化搜索的三维空间R；
4-1-2)将穿刺路径上需要避开的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作Mi，其内部空间记作Si；
4-1-3)计算穿刺可行域R’，R’＝R-ΣSi；(其中，可行域R’限定了一个空间范围，即后面所有的穿刺针调节范围，都需要在R’内)；
4-2)计算穿刺深度和组织路径长度：
4-2-1)计算调整后的穿刺规划路径与穿刺对象的配准后的三维图像模型的交点p；
4-2-2)计算穿刺终点与p之间的欧几里得距离，即为穿刺物理深度，记作 l0；
4-2-3)将调整后的穿刺规划路径上需要经过的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作mi，其内部空间记作si，按照组织的重要性为每一个三维封闭模型mi赋予权重αi，αi＞1；
4-2-4)计算调整后的穿刺规划路径穿越三维封闭模型mi的欧几里得距离，记作lαi；
4-2-5)计算调整后的穿刺规划路径经过人体组织的穿刺风险距离L1，L1＝ l0+Σ(αi-1)lαi；
4-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的风险距离：
4-3-1)计算调整后的穿刺规划路径到Mi的欧几里得距离lβi；
4-3-2)按照组织的重要性为每一个三维封闭模型Mi赋予权重βi，βi＞1；
4-3-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的等效风险距离L2＝βilβi；
4-4)计算其他风险约束项：
4-4-1)构建风险因素模型，其风险因素记作Ri，其权重为因素为γi，
4-4-2)其等效风险因素记作L3＝ΣγiRi
4-5)计算穿刺路径综合风险F，F＝L1+L3-L2，并通过优化算法最小化F，进而得到最优穿刺规划路径Popt；显示最优穿刺规划路径Popt到Mi的三维欧几里得距离，并在所述三维影像显示模块中使用伪彩色的方式显示该距离。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (8)

1.一种穿刺路径规划系统，其特征在于，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块；
所述三维影像分割模块用于对输入的穿刺对象的原始三维图像进行分割，得到分割后的三维图像模型；
所述三维影像配准模块用于将分割后的三维图像模型进行配准，得到配准后的三维图像模型；
所述三维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型；
所述二维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
通过所述穿刺规划路径交互选择模块可在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，并计算得出初始穿刺规划路径；同时通过所述穿刺规划路径交互选择模块还可在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中对所述初始穿刺规划路径进行调整，得到调整后的穿刺规划路径；
所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径；
该系统的工作步骤包括：
1)输入穿刺对象的原始三维图像，通过所述三维影像分割模块进行分割，得到分割后的三维图像模型；
2)所述三维影像配准模块对分割后的三维图像模型进行配准，得到的配准后的三维图像模型分别在所述二维影像显示模块和三维影像显示模块中显示；其中，所述三维影像显示模块参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型，所述二维影像显示模块显示参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型分别在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
3)通过所述穿刺路径交互选择模块在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，所述穿刺路径交互选择模块计算得出初始穿刺规划路径；
4)通过所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述初始穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径；
所述步骤4)中所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化的步骤包括：计算穿刺可行域、计算穿刺深度和组织路径长度、计算穿刺路径到需要避开脏器的距离、计算其他约束项；具体为：
4-1)计算穿刺可行域：
4-1-1)以调整后的穿刺规划路径为中心，以圆锥角θ为搜索范围，构建穿刺路径优化搜索的三维空间R；
4-1-2)将穿刺路径上需要避开的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作Mi，其内部空间记作Si；
4-1-3)计算穿刺可行域R’，R’＝R-ΣSi；
4-2)计算穿刺深度和组织路径长度：
4-2-1)计算调整后的穿刺规划路径与穿刺对象的配准后的三维图像模型的交点p；
4-2-2)计算穿刺终点与p之间的欧几里得距离，即为穿刺物理深度，记作l0；
4-2-3)将调整后的穿刺规划路径上需要经过的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作mi，其内部空间记作si，按照组织的重要性为每一个三维封闭模型mi赋予权重αi，αi＞1；
4-2-4)计算调整后的穿刺规划路径穿越三维封闭模型mi的欧几里得距离，记作lαi；
4-2-5)计算调整后的穿刺规划路径经过人体组织的穿刺风险距离L1，L1＝l0+Σ(αi-1)lαi；
4-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的风险距离：
4-3-1)计算调整后的穿刺规划路径到Mi的欧几里得距离lβi；
4-3-2)按照组织的重要性为每一个三维封闭模型Mi赋予权重βi，βi＞1；
4-3-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的等效风险距离L2＝βilβi；
4-4)计算风险约束项作L3：
4-4-1)构建风险因素模型，其风险因素记作Ri，其权重因素为γi；
4-4-2)等效风险因素记作L3＝ΣγiRi；
4-5)计算穿刺路径综合风险F，F＝L1+L3-L2，并通过优化算法最小化F，进而得到最优穿刺规划路径Popt；显示最优穿刺规划路径Popt到Mi的三维欧几里得距离，并在所述三维影像显示模块中使用伪彩色的方式显示该距离。
2.根据权利要求1所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述二维影像显示模块可显示横断面、矢状面和冠状面的二维灰度影像；
所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像；
所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像的边界曲线。
3.根据权利要求2所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述二维影像显示模块可显示穿刺规划路径所在直线在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线，称为穿刺引导线；所有投影直线的两端均设置有交互控制端点，通过所述穿刺规划路径交互选择模块在当前横断面、矢状面或冠状面的平面范围内拖动所述控制端点以调整当前的投影直线，拖动后的投影直线反投影到三维影像空间中形成新的穿刺规划路径，所述二维影像显示模块实时计算更新调整后的穿刺规划路径在另外两个平面上的投影直线，并在其对应的视图中刷新显示。
4.根据权利要求3所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述二维影像显示模块可显示拟穿刺的穿刺针在当前所显示的横断面、矢状面和冠状面上的截面；随着当前横断面、矢状面或冠状面位置改变，所述二维影像显示模块同步计算所述拟穿刺的穿刺针在位置改变后的横断面、矢状面或冠状面上的截面，并显示所述拟穿刺的穿刺针在当前横断面、矢状面或冠状面的真实位置和截面形状，并通过所述二维影像显示模块刷新显示所述拟穿刺的穿刺针在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线。
5.根据权利要求4所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述三维影像显示模块可显示穿刺规划路径；
所述三维影像显示模块中的穿刺规划路径的两端设置有交互控制端点，通过穿刺规划路径交互选择模块拖动所述交互控制端点可对穿刺规划路径进行调整，以形成调整后的穿刺规划路径；穿刺规划路径交互选择模块实时计算调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影，在对应的二维影像显示模块中显示调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影直线；
所述三维影像显示模块可显示至少一个三维图像模型。
6.根据权利要求5所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述步骤2)中，所述三维影像配准模块的配准方法具体为：
2-1)分别在分割后的三维图像模型和参考三维图像模型上选择具有一一对应关系的标记点；每一个图像模型上的标记点数量不少于3个；分割后的三维图像模型中的点集记作Pf，参考三维图像模型中的点集记作Pr；
2-2)使用点集配准方法对标记点进行配准，得到点集Pf到Pr的空间变换矩阵Tf；
2-3)使用空间变换矩阵Tf对分割后的三维图像模型进行空间变换，得到经三维标记点配准方法配准后的三维图像模型，记作Ifr。
7.根据权利要求6所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述三维影像配准模块的配准方法还包括：采用三维体素配准方法对三维图像模型Ifr进行体素配准，最终得到三维体素配准后的三维图像模型，记作Ifr'。
8.根据权利要求6或7所述的穿刺路径规划系统，其特征在于，所述步骤3)具体包括：
3-1)通过所述穿刺路径交互选择模块在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中依次选择穿刺起点和穿刺终点；
3-2)穿刺起点和穿刺终点在二维影像显示模块和三维影像显示模块进行同步更新显示；
3-3)所述穿刺路径交互选择模块计算初始穿刺规划路径，三维影像显示模块中显示三维初始穿刺规划路径、穿刺起点和穿刺终点；二维影像显示模块显示三维初始穿刺规划路径与本模块中当前显示的断层所在平面相交形成的圆或椭圆、穿刺起点/穿刺终点在本模块中当前显示的断层所在平面的投影点；
3-4)在所述三维影像显示模块中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的调节穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点与本模块中当前显示的断层所在平面的投影点，同时还在所述二维影像显示模块中更新显示新的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；
或者，
3-5)在所述二维影像显示模块中的横断面、矢状面或冠状面中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并在所述三维影像显示模块中显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点。
CN202010640114.8A 2020-07-06 2020-07-06 穿刺路径规划系统 Active CN112163987B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010640114.8A CN112163987B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 穿刺路径规划系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010640114.8A CN112163987B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 穿刺路径规划系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112163987A CN112163987A (zh) 2021-01-01
CN112163987B true CN112163987B (zh) 2024-01-26

Family

ID=73859472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010640114.8A Active CN112163987B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 穿刺路径规划系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112163987B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113516624A (zh) * 2021-04-28 2021-10-19 武汉联影智融医疗科技有限公司 穿刺禁区的确定、路径规划方法、手术系统和计算机设备
CN113349925A (zh) * 2021-06-01 2021-09-07 浙江工业大学 基于全自动三维成像的听神经瘤手术路径自动规划方法
CN116805308A (zh) * 2021-06-28 2023-09-26 杭州佳量医疗科技有限公司 一种基于磁共振引导的激光消融评估系统
CN113952029A (zh) * 2021-09-14 2022-01-21 杭州微引科技有限公司 一种实时步进式经皮穿刺规划系统
CN113952030B (zh) * 2021-10-28 2023-12-15 北京深睿博联科技有限责任公司 一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法及装置
WO2023216947A1 (zh) * 2022-05-07 2023-11-16 武汉联影智融医疗科技有限公司 一种用于介入手术的医学影像处理系统和方法
CN115715703B (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 佗道医疗科技有限公司 一种通道规划方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103356284A (zh) * 2012-04-01 2013-10-23 中国科学院深圳先进技术研究院 手术导航方法和系统
CN106021935A (zh) * 2016-05-24 2016-10-12 深圳先进技术研究院 一种柔性针穿刺路径评估方法及系统
CN107049475A (zh) * 2017-04-19 2017-08-18 纪建松 肝癌局部消融方法及系统
WO2019100212A1 (zh) * 2017-11-21 2019-05-31 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 用于规划消融的超声系统及方法
CN110464459A (zh) * 2019-07-10 2019-11-19 丽水市中心医院 基于ct-mri融合的介入计划导航系统及其导航方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103356284A (zh) * 2012-04-01 2013-10-23 中国科学院深圳先进技术研究院 手术导航方法和系统
CN106021935A (zh) * 2016-05-24 2016-10-12 深圳先进技术研究院 一种柔性针穿刺路径评估方法及系统
CN107049475A (zh) * 2017-04-19 2017-08-18 纪建松 肝癌局部消融方法及系统
WO2019100212A1 (zh) * 2017-11-21 2019-05-31 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 用于规划消融的超声系统及方法
CN110464459A (zh) * 2019-07-10 2019-11-19 丽水市中心医院 基于ct-mri融合的介入计划导航系统及其导航方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112163987A (zh) 2021-01-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112163987B (zh) 穿刺路径规划系统
CN110464459B (zh) 基于ct-mri融合的介入计划导航系统及其导航方法
US9330490B2 (en) Methods and systems for visualization of 3D parametric data during 2D imaging
US11547377B2 (en) System and method for navigating to target and performing procedure on target utilizing fluoroscopic-based local three dimensional volume reconstruction
US9392960B2 (en) Focused prostate cancer treatment system and method
US11896414B2 (en) System and method for pose estimation of an imaging device and for determining the location of a medical device with respect to a target
US7817836B2 (en) Methods for volumetric contouring with expert guidance
Shamir et al. Fiducial optimization for minimal target registration error in image-guided neurosurgery
US11766298B2 (en) Systems, methods, and devices for registering and tracking organs during interventional procedures
JP2016193222A (ja) 画像を分析するための方法および装置
CN112641512B (zh) 一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法
US11191595B2 (en) Method for recovering patient registration
CN101278361A (zh) 在放射疗法期间使用虚拟图像来瞄准肿瘤的方法和设备
CN114948199A (zh) 一种外科手术辅助系统及手术路径规划方法
Wang et al. Improving target registration accuracy in image‐guided neurosurgery by optimizing the distribution of fiducial points
CN112022348A (zh) 一种在ct和ai双引导下的穿刺消融术中导航系统
Yavariabdi et al. Mapping and characterizing endometrial implants by registering 2D transvaginal ultrasound to 3D pelvic magnetic resonance images
CN109498106B (zh) 一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法
Pu et al. A novel ultrasound probe calibration method for multimodal image guidance of needle placement in cervical cancer brachytherapy
He et al. Preoperative path planning algorithm for lung puncture biopsy based on path constraint and multidimensional space distance optimization
EP4329580A1 (en) Method and device for generating an uncertainty map for guided percutaneous procedures
Maier-Hein et al. Soft tissue navigation using needle-shaped markers: Evaluation of navigation aid tracking accuracy and CT registration
CN104732537A (zh) 计算机辅助肺部手术中基于参考点的动态配准方法
Lin et al. Optimization model for the distribution of fiducial markers in liver intervention
CN107280737A (zh) 一种穿刺行进中旋转角度的计算方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant