CN112807083A - 用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法和系统，该颅脑穿刺路径建立方法包括：基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型；在颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改特征点在颅脑模型中的几何特征；根据经确认或经手动修改的特征点的几何特征构建颅脑模型的三维坐标系；在颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；基于危险区域和可穿刺区域建立穿刺路径。根据本发明的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法和系统，能够有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于神经外科导航的颅脑穿刺路径，尤其有助于提高颅脑穿刺引流手术的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及神经外科导航技术及颅脑影像数据的处理，尤其涉及一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法和系统。
背景技术
高血压脑出血是神经外科的常见疾病，常用的手术方法有开颅血肿清除及立体定向软通道微创穿刺血肿引流术(方体定位软通道穿刺技术)等，其中立体定向软通道微创穿刺引流术随着神经导航技术和手术器械的应用发展，手术方法上也正在进行更新升级，逐渐向更高精度、低风险、更加简便的方向发展。
近十年临床中对于穿刺点和手术中的靶向问题有不少研究工作，并且，神经导航下的穿刺引流术在临床中也在逐步探索中，其在导航软件上的操作相对便捷，但针对颅脑的穿刺的神经导航技术仍然存在一些尚待解决的问题。
神经外科导航技术其原理是主要是利用CT/MRI等医学影像(数据)，对患者的颅脑进行重建，并通过光/磁等导航技术和计算机技术帮助医生在显示屏幕上虚拟重建手术图像，并提供可靠的路径。神经外科导航技术运用于穿刺引流术中，能够在患者颅骨表面找到入路点，手术过程中医生把持手术工具，观察计算机屏幕获得手术器械到达的实时位置，按照导航指引的定位方向到达手术靶点(血肿位置)，比之开颅手术可以更加迅速的到达需要清除的血肿位置，能够有效解除血肿占位效应，缓解由于血肿增大导致的脑压升高和其他不良反应，从手术过程上来说简化了手术中繁琐的层层深入的探索过程，争取到更多的黄金时间，抢救、救治病人。
目前，主流的神经外科导航手术设备按照计划阶段不同，又可以分成以下两种类型。
第一种以BRAINLAB的CRANUAL手术导航为代表，手术医生在软件上根据已知的临床经验判断合适的如入点，再根据手术需要确认合适的靶点，从而获得一个穿刺路径，如果获得足够影像学数据(CT和MRI)，其优势就是结合多模态将不同医学影像合并，清晰显示出颅骨结构和血肿位置，缺点在于不是针对脑出血一种病例单独开发的软件，在最终确认穿刺入路点和手术终点时，更多的还是需要医生根据临床经验来判定。
第二种的例子诸如Medtronic的Stealth Station手术导航系统和复旦数字医疗excelim神经外科导航系统，医生可以直接在导航根据手术需要自由选定的可穿刺靶点，软件上操作相对也十分便捷，但穿刺点以及通道依然是医生为主导手动设定。在手术计划过程中，如果医生没有注意到需要合理规划手术，避开如血管、神经以及功能区，手术过程中的风险依然很大。
综上所述，目前的神经外科手术导航技术只是解决了传统穿刺手术中的导向精度问题，但并未针对神经外科手术中的穿刺路径问题提出解决方案，以避免过于依赖于医生的临床经验而造成的上述缺陷。
换言之，亟需一种能够有效辅助医生快速、准确、安全地建立用于神经外科导航的颅脑穿刺路径的新的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的神经外科导航技术无法有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于神经外科导航的颅脑穿刺路径，进而导致在颅脑手术中过于依赖于医生的临床经验，因而医生的工作难度、压力均较大，且手术风险相对较高的缺陷，提出一种新的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法和系统。
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法，其特点在于，所述颅脑穿刺路径建立方法包括以下步骤：
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型，其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征，所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置；
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系；
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
S5、基于所述危险区域和所述可穿刺区域在所述颅脑模型中建立穿刺路径，所述穿刺路径始于位于所述颅骨皮肤表面的外部穿刺点，并且所述穿刺路径完全位于所述可穿刺区域并避开所述危险区域。
根据本发明的一些实施方式，所述特征点包括以下部分或全部：
外眦点、外耳道中心、鼻骨跟、各块颅骨、各个颅骨关节、各个骨性标志、腔、窝。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S3中，以构建的所述颅脑模型的三维坐标系代替所述医学影像数据中的颅脑的横截面、矢状面和冠状面。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S4包括：
基于颅脑的参考解剖模型与所述颅脑模型的比对，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域，其中所述参考解剖模型包含所述参考解剖信息。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S4中生成的所述危险区域包括神经核团区域、神经区域和血管区域。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S4还包括：
在所述颅脑模型中包含的出血区域中找出或者生成血肿靶点位置；
所述步骤S5包括：
基于所述危险区域、所述可穿刺区域和所述血肿靶点位置，在所述颅脑模型中建立所述穿刺路径，所述穿刺路径始于所述外部穿刺点并且可达所述血肿靶点位置。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S5中生成多条所述穿刺路径以供选取及手动修改；
所述颅脑穿刺路径建立方法还包括：
S6、检查被选取或手动修改的所述穿刺路径是否安全，并输出反馈信息。
本发明还提供了一种计算机程序，其包括用于在计算机上运行所述程序时执行如上所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤的程序代码装置。
本发明还提供了一种计算机程序产品，其包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，所述程序代码装置用于在计算机上运行所述程序产品时执行如上所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤。
本发明还提供了一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立系统，其特点在于，所述颅脑穿刺路径建立系统包括：
颅脑模型生成模块，用于基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型，其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
三维坐标系重构模块，用于在所述颅脑模型生成模块生成的所述颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征，其中所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置，以及根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系；
穿刺参考区域模块，用于基于经所述三维坐标系重构模块构建形成的所述颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
穿刺路径生成模块，用于基于所述危险区域和所述可穿刺区域在所述颅脑模型中建立穿刺路径，其中所述穿刺路径始于位于所述颅骨皮肤表面的外部穿刺点，并且所述穿刺路径完全位于所述可穿刺区域并避开所述危险区域。
本发明还提供了一种颅脑影像数据的数据处理方法，其特点在于，所述数据处理方法包括：
S1、基于颅脑影像数据生成三维的颅脑模型，其中所述颅脑影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征，所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置；
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系；
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
S5、基于所述危险区域和所述可穿刺区域在所述颅脑模型中建立穿刺路径，所述穿刺路径始于位于所述颅骨皮肤表面的外部穿刺点。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法和系统，能够有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于神经外科导航的颅脑穿刺路径，使得医生能够更为快速地制定精准、完善、安全的手术计划，减轻医生的工作量和工作压力，尤其有助于提高颅脑穿刺引流手术的安全性。
附图说明
图1为根据本发明优选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法的流程图。
图2为根据本发明另一优选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法的流程图。
图3示出了根据本发明优选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法中基于鼻骨跟、左右外耳道中心确定方体定位坐标系及其坐标系原点所依据的颅骨解剖图的示例。
图4示出了为根据本发明优选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法中依据图3确定的方体定位坐标系及其坐标系原点的示例。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
参考图1所示，根据本发明优选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法，包括以下步骤：
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型，其中医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
S2、在颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改特征点在颅脑模型中的几何特征，几何特征包括特征点在颅脑模型中的位置；
S3、根据经确认或经手动修改的特征点的几何特征构建颅脑模型的三维坐标系；
S4、基于颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
S5、基于危险区域和可穿刺区域在颅脑模型中建立穿刺路径，穿刺路径始于位于颅骨皮肤表面的外部穿刺点，并且穿刺路径完全位于可穿刺区域并避开危险区域。
其中，医学影像数据例如可以是涉及的病例正常拍摄的dicom影像数据，诸如CT影像、MRI影像，等等。并且可选地，针对该颅脑模型，可手动调整显示参数，以便于更准确地识别颅脑中的单个或者多个血肿(即出血区域)
根据本发明的一些优选实施方式，特征点包括以下部分或全部：外眦点、外耳道中心、鼻骨跟、各块颅骨、各个颅骨关节、各个骨性标志、腔、窝。在此所称的特征点，可以指的是这些特征点相关的几何中心点。并且优选地，该步骤S3中，以构建的颅脑模型的三维坐标系代替医学影像数据中的颅脑的横截面、矢状面和冠状面。
步骤S2和S3中，举例来说，可具体依据颅脑模型涉及的图像信息识别外眦点。在如图3、4所示的示例中，可依据图像信息建立外耳道连线，建立虚拟的“OM”连线与双侧外耳道(左外耳道中心EL与右外耳道中心ER)连线，并依次设定为三维直角坐标系(也可理解为方体定位参照系)的XY平面，并以外耳道连线中点垂直于该平面建立Z轴，并由此建立颅脑模型的三维坐标系，以代替原始的影像中的横截面(即OM连线与外耳道连线形成的平面)、矢状面和冠状面。其中，应理解的是“OM”连线也可称为听眦线，为眼外眦与外耳道口的连线。还应理解的是，特征点的选择不限于以上示例。
根据本发明的一些优选实施方式，该步骤S4包括：
基于颅脑的参考解剖模型与颅脑模型的比对，在颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域，其中参考解剖模型包含参考解剖信息。
并且，可选地，该步骤S4中生成的危险区域包括神经核团区域、神经区域和血管区域。
进一步优选地，参考图2所示，该步骤S4还可包括：
在颅脑模型中包含的出血区域中找出或者生成血肿靶点位置；
该步骤S5可包括：
基于危险区域、可穿刺区域和血肿靶点位置，在颅脑模型中建立穿刺路径，穿刺路径始于外部穿刺点并且可达血肿靶点位置。
对于上述本发明的优选实施方式，参考解剖信息或者参考解剖模型与前述步骤中重构的颅脑模型的三维坐标系具有一致的参考坐标系基准，以便于比对生成危险区域和可穿刺区域。换言之，尽管不同个体的颅脑有一定的差异，但在经由关键解剖点/解剖学特征(可由前述选取的特征点表征)进行匹配或者说校准后，仍可对不同个体的颅脑基于颅脑的参考解剖模型进行分析，以确定危险区域和可穿刺区域。进一步地，可按照不同形态、大小和位置的血肿，于颅骨皮肤表面突出显示出合适的可穿刺区域和可穿刺点位。
穿刺位置经过程序演算，其基本原则为优先选择靠近血肿病变位置，不对脑功能区域和血管产生(即危险区域)损伤，针对不同颅内空间位置的血肿生成与之对应的可穿刺区域。举例来说，在穿刺位置确定后进一步形成的穿刺路径可包括：脑室、经额部、经颞部、经枕部、经顶部、小脑或脑干的路径。对于单个或者多个血肿生成一个或者多个对应的几何中心点，并可选地提供给医生，以便以手动选择或者在自动选择的基础上予以确认的方式，确定选取的穿刺路径。
换言之，根据本发明的一些优选实施方式，参考图2所示，该步骤S5中可生成多条穿刺路径以供选取及手动修改；
颅脑穿刺路径建立方法还包括：
S6、检查被选取或手动修改的穿刺路径是否安全，并输出反馈信息。
应理解的是，在基于上述方法最终完成穿刺通道的建立和/或确定后，可执行导航程序，以在手术实施过程中应用前述穿刺路径为医生导航。
并且，应理解的是，在本申请中所称的“用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法”，旨在为了使得阅读本申请的本领域普通技术人员或者其他公众便于理解，本申请所要求保护及描述的方法，在实际应用中可帮助改进现有的神经外科导航技术的诸多应用，但本申请所要求保护的技术方案的实质，在于颅脑影像数据的数据处理技术，因而本申请的实质及其创新均不涉及疾病的治疗方法或者诊断，而仅仅是可以被应用于相关领域中。
换言之，在本申请中所称的“用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法”及出于说明而非限制性目的描述的颅脑影像数据的数据处理方法的前述诸实施方式及示例，均可被理解为是“颅脑影像数据的数据处理方法”。
还应当理解的是，根据本发明的上述可选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法，可形成计算机程序，该计算机程序包括用于在计算机上运行程序时执行上述颅脑穿刺路径建立方法中的部分或所有步骤的程序代码装置。
亦或者，根据本发明的上述可选实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法，可形成计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，该程序代码装置用于在计算机上运行该计算机程序产品时执行上述颅脑穿刺路径建立方法中的部分或所有步骤。
此外，根据本发明的一些优选实施方式，还可提供一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立系统，该系统包括：
颅脑模型生成模块，基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型，其中医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
三维坐标系重构模块，用于在颅脑模型生成模块生成的颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改特征点在颅脑模型中的几何特征，其中几何特征包括特征点在颅脑模型中的位置，以及根据经确认或经手动修改的特征点的几何特征构建颅脑模型的三维坐标系；
穿刺参考区域模块，用于基于经三维坐标系重构模块构建形成的颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
穿刺路径生成模块，用于基于危险区域和可穿刺区域在颅脑模型中建立穿刺路径，其中穿刺路径始于位于颅骨皮肤表面的外部穿刺点，并且穿刺路径完全位于可穿刺区域并避开危险区域。
根据本发明的上述各实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法、系统及相关计算机程序或程序产品，可以有效地辅助医生快速、准确、安全地建立用于神经外科导航的颅脑穿刺路径，以便医生能够更为快速地制定精准、完善、安全的手术计划，减轻医生的工作量和工作压力，尤其有助于提高颅脑穿刺引流手术的安全性。
更具体地，根据本发明的上述各实施方式的用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法、系统及相关计算机程序或程序产品，相比于现有技术可实现以下诸多技术优势中的至少一部分：
只需病例拍摄的dicom数据，医生无需借助多种影像融合技术才能够准确辨别可穿刺路径，也无需多次进行影像数据采集等特殊处理，就能够提供可靠的穿刺路径；
在一些关键步骤上引入人机交互，使医生可以按照个体差异排除一些影响因素，同时将复杂的定位过程大部分通过可预先编制的程序实现；
手术计划更加精准、安全，能够针对不同位置的血肿给出合理、安全的穿刺通道，这些可穿刺通道可避免对脑功能区和血肿大面积损伤；
手术计划更加简单、完善，降低手术中寻找穿刺路径难度，简化医生实施手术前的工作量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述颅脑穿刺路径建立方法包括以下步骤：
S1、基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型，其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征，所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置；
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系；
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
S5、基于所述危险区域和所述可穿刺区域在所述颅脑模型中建立穿刺路径，所述穿刺路径始于位于所述颅骨皮肤表面的外部穿刺点，并且所述穿刺路径完全位于所述可穿刺区域并避开所述危险区域。
2.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述特征点包括以下部分或全部：
外眦点、外耳道中心、鼻骨跟、各块颅骨、各个颅骨关节、各个骨性标志、腔、窝。
3.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述步骤S3中，以构建的所述颅脑模型的三维坐标系代替所述医学影像数据中的颅脑的横截面、矢状面和冠状面。
4.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
基于颅脑的参考解剖模型与所述颅脑模型的比对，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域，其中所述参考解剖模型包含所述参考解剖信息。
5.如权利要求4所述的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述步骤S4中生成的所述危险区域包括神经核团区域、神经区域和血管区域。
6.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：
在所述颅脑模型中包含的出血区域中找出或者生成血肿靶点位置；
所述步骤S5包括：
基于所述危险区域、所述可穿刺区域和所述血肿靶点位置，在所述颅脑模型中建立所述穿刺路径，所述穿刺路径始于所述外部穿刺点并且可达所述血肿靶点位置。
7.如权利要求1所述的颅脑穿刺路径建立方法，其特征在于，所述步骤S5中生成多条所述穿刺路径以供选取及手动修改；
所述颅脑穿刺路径建立方法还包括：
S6、检查被选取或手动修改的所述穿刺路径是否安全，并输出反馈信息。
8.一种计算机程序，其包括用于在计算机上运行所述程序时执行如权利要求1-7所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤的程序代码装置。
9.一种计算机程序产品，其包括存储在计算机可读介质上的程序代码装置，所述程序代码装置用于在计算机上运行所述程序产品时执行如权利要求1-7所述的颅脑穿刺路径建立方法中的所有步骤。
10.一种用于神经外科导航的颅脑穿刺路径建立系统，其特征在于，所述颅脑穿刺路径建立系统包括：
颅脑模型生成模块，用于基于颅脑的医学影像数据生成三维的颅脑模型，其中所述医学影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
三维坐标系重构模块，用于在所述颅脑模型生成模块生成的所述颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征，其中所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置，以及根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系；
穿刺参考区域模块，用于基于经所述三维坐标系重构模块构建形成的所述颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
穿刺路径生成模块，用于基于所述危险区域和所述可穿刺区域在所述颅脑模型中建立穿刺路径，其中所述穿刺路径始于位于所述颅骨皮肤表面的外部穿刺点，并且所述穿刺路径完全位于所述可穿刺区域并避开所述危险区域。
11.一种颅脑影像数据的数据处理方法，其特征在于，所述数据处理方法包括：
S1、基于颅脑影像数据生成三维的颅脑模型，其中所述颅脑影像数据涉及颅骨、颅骨皮肤表面和颅脑的出血区域；
S2、在所述颅脑模型中识别若干特征点，并请求确认或手动修改所述特征点在所述颅脑模型中的几何特征，所述几何特征包括所述特征点在所述颅脑模型中的位置；
S3、根据经确认或经手动修改的所述特征点的所述几何特征构建所述颅脑模型的三维坐标系；
S4、基于所述颅脑模型及其三维坐标系，结合颅脑的参考解剖信息，在所述颅脑模型中生成危险区域和可穿刺区域；
S5、基于所述危险区域和所述可穿刺区域在所述颅脑模型中建立穿刺路径，所述穿刺路径始于位于所述颅骨皮肤表面的外部穿刺点。
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