CN112842531B - 一种神经外科手术计划系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种神经外科手术计划系统，该系统包括：三维模型重建模块、DTI模块、功能磁共振(fMRI)模块、影像配准模块、手术路径规划模块、自动血管规避模块；实现了多维信息融合建模，显示功能区，自动或半自动规避血管的路径规划，能够结合现有的头架工具使用。

Description

一种神经外科手术计划系统

技术领域

本发明涉及医学信息系统领域，具体地涉及一种神经外科手术计划系统。

背景技术

手术导航在神经外科领域中具有广泛的应用，为手术规划提供了模拟工具，作为辅助工具，降低了手术风险，提高了手术精度，然而，现有的神经外科手术导航系统在多个方面仍有缺陷，无法满足实际需求，例如，第一，现有技术中缺乏与现有头架装置配合使用的功能，无法提供基于头架的路径和参数推荐，满足减少医师计算工作量，压缩手术时间的需求；第二，基于一种医学影像数据建模，缺乏融合多种影像数据的综合模型体现更多的信息；第三，缺乏个性化的脑功能分析，具体脑功能区的划分不清楚，对于路径规划和可手术范围造成了严重困扰；第四，深部电极等细长结构植入路径上如何规避血管依赖技术人员根据二位图像进行多个断面的确认，工作量大，消耗时间多，效率低；第五，技术人员期望在模型中看到深部电极各个触点的预期位置是否能够实现其预期意图；第六，缺乏深部电极植入后自动识别实际电极植入结果与设计路径的重合度，无法进行评估和校正等；综合以上本发明提出了一种神经外科手术计划系统，以解决或缓解以上问题和需求中的部分或全部。

发明内容

本发明提供了神经外科手术计划系统，具有融合多种医学影像数据，辅助现有的头架装置，自动规划植入路径，规避血管等多个优点。

第一方面，本发明提供了一种神经外科手术计划系统，包括：

三维模型重建模块，其设置成使用影像信息重建模型并显示颅脑内部结构；

DTI模块，其设置成基于弥散张量成像获取纤维束模型；

功能磁共振(fMRI)模块，其设置成显示fMRI影像并与将fMRI影像其他影像模型融合；

影像配准模块，其设置成使用DTI、fMRI和PET-CT联合配准并且可以在所述联合配准前执行去除三维模型中头架部分的步骤；

手术路径规划模块，其设置成规划细长构件的植入路径，在细长构件是电极的情况下还可以模拟生成电极的触点模型，辅助确定并显示每个电极触点的准确位置；

自动血管规避模块，其设置成能够在三维血管模型上规划路径安全碰撞区域，自动计算安全碰撞区域与血管是否干涉，在干涉的情况下自动调整路径，还设置成可选地生成血管最大密度投影，在最大密度投影影像上进行安全确认和手动调整。

其中，DTI模块设置成使用区域种子点方法确定追踪起始或终止区域，然后使用确定性或概率性追踪算法追踪颅脑白质纤维束走形。

可选的，本发明的神经外科手术计划系统中，DTI模块可以设置成使用非刚性配准算法优化DTI数据的畸变，该畸变由采集数据期间磁场导致的影像畸变。

进一步地，本发明的神经外科手术计划系统中，手术路径规划模块是这样规划路径的：使用者选择靶点脑区和途经脑区，手术路径规划模块自动生成路径以供选择。

可选的，本发明的神经外科手术计划系统还包括评估模块，其设置成根据术后CT影像自动提取和拟合已植入电极的位置方向，并自动与所述手术路径规划模块规划的计划路径进行比对和计算。

可选的，本发明的神经外科手术计划系统还包括头架参数计算模块，其设置成支持市售多种头架的应用，根据所述手术路径规划模块规划的手术路径提供相应的头架参数。进一步地，头架参数计算模块能够通过手动修改头架参数进行逆运算并获取新的路径。进一步地，头架参数计算模块还能够通过逐层影像分析出每一层的误差，辅助医生进行判断，给出医生精度最高的层。

可选的，本发明的神经外科手术计划系统中，三维模型重建模块设置成能够生成皮肤模型并去除内部噪声；进一步地，生成皮肤模型可以使用外接球方法，获取球心与球面的连线与三维模型的距离球心最远交点作为表面点获得。

第二方面，本发明的提供了一种包含一组可执行指令的非瞬时计算机可读取存储介质，当该组可执行指令由一个手术计划系统的一处理器执行时，使该处理器执行一种神经外科手术计划方法，该方法包含以下步骤：根据医学影像数据建立三维模型；手动或自动规划电极植入路径；对所述植入路径进行血管规避纠正，得到经修正的植入路径。

可选的，上述方法还包括使用DTI、fMRI和PET-CT数据进行联合配准的步骤。

可选的，上述所述方法还根据所述经修正的植入路径，推荐头架参数的步骤。

本发明实施例的创新点至少包括以下：

1、基于多种医学影像信息生成融合三维模型，加上DTI模型，能够获得全面、综合、丰富的三维模型；

2、使用磁共振功能成像对脑功能区进行了划分与标识，大大降低手术规划的难度和风险；

3、能够与现有头架装置配合使用，为医师提供基于头架的路径和参数推荐，减少医师计算工作量，压缩手术时间的需求；

4、能够在二维和三维规划并显示深部电极各个触点的预期位置，显示更加直观，方便判定触点是否规划到预期位置；

5、深部电极等细长结构植入路径上如何规避血管依赖技术人员根据二位图像进行多个断面的确认，工作量大，消耗时间多，效率低，本发明的自动规划血管或者对已规划路径进行的调整，使得规划路径避开血管，降低风险，减少了技术人员工作量，效率高；

6、深部电极植入的验证模块能够检验深部电极植入后实际结果与设计路径的重合度，对方案设计和执行是否符合预期，满足标准进行评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的神经外科手术计划系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的根据医学影像数据建立的三维模型；

图3为本发明实施例提供的DTI模块获得的纤维束模型；

图4为本发明实施例提供的三维模型、纤维束模型、功能磁共振影像融合显示的结果；

图5本发明实施例提供的手术路径规划模块规划得到的电极路径A至J；

图6为本发明实施例提供的手术路径规划模块规划得到的一个电极路径的单独三维显示；

图7为图6所示的电极路径的安全碰撞区在血管三维模型中的显示；

图8为图7所示的电极路径在最大密度投影影像上进行安全确认的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，参照图1，本发明的神经外科手术计划系统(100)包括：

三维模型重建模块；

DTI模块；

功能磁共振模块；

影像配准模块；

手术路径规划模块；

自动血管规避模块。

具体地，三维模型重建模块设置成使用面绘制和体绘制重建模型并显示颅脑内部结构；三维模型重建模块使用一种以上的医学影像数据，优选地两种以上的医学影像数据建立模型，医学影像数据包括但不限于MRI、CT、X光、PET-CT等，不同的医学影像数据对不同的组织具有显示优势，使用两种以上的医学影像数据可以结合不同医学影像的优点，获得更优的模型，在一个实例中使用CT和MRI数据生成三维模型，该三维模型能够显示目标范围的组织结构和血管，但不包括纤维束结构。

可选地，三维模型重建模块设置成还能够使用外接球方法生成皮肤模型并去除内部噪声，外接球方法是指在三维模型外设置外接球面，获取球心与球面的连线与三维模型的距离球心最远交点作为表面点获得的点云作为皮肤表面点云。

DTI模块，其设置成基于弥散张量成像获取纤维束模型，进一步地，该模块使用区域种子点方法确定追踪起始或终止区域，然后使用确定性或概率性追踪算法追踪颅脑白质纤维束走形。可选地，DTI模块设置成还可以分析追踪结果，分析参数包括：纤维束长度、区域平均FA值和纤维束密度。可选地，DTI模块设置成还可以使用非刚性配准算法优化DTI数据的畸变。数据的畸变可以包括位置移动导致的位移和系统多次采样导致的系统漂移。

功能磁共振(fMRI)模块，其设置成根据单独采集的功能磁共振数据生成fMRI影像并与其他功能影像融合。

影像配准模块，其设置成可以执行对头架CT的去头架功能，三维模型上去掉头架可以提高配准精度，使用DTI、fMRI和PET-CT联合配准，即与三维模型或核磁影像统一三维坐标系，以及配准查验功能；在没有头架的情况下，该模块可以不进行去除三维模型中头架的步骤，使DTI、fMRI、PET-CT与三维模型或核磁影像统一三维坐标系，生成融合模型。

手术路径规划模块，其设置成规划细长构件的植入路径，在细长构件是电极、特别是深部电极的情况下可选的，还可以生成深部电极的触点模型，支持对多种型号的电极进行触点的二维、三维模型生成，辅助确定每个电极触点的准确位置，使得能够在三维模型中直观的看到触点及其周围的组织；手术路径规划模块是这样规划路径的：使用者选择靶点脑区和途经脑区，手术路径规划模块自动生成路径以供选择。使用本发明的系统自动初步规划电极穿刺路径，以供后续的优化，路径规划可以自动进行也可以手动辅助。

自动血管规避模块，其设置成能够在三维血管模型上规划路径安全碰撞区域，自动计算安全碰撞区域与血管是否干涉，在干涉的情况下自动调整路径，还设置成可选地生成血管最大密度投影，在最大密度投影影像上进行安全确认和手动调整；进一步地，该模块能够在二维和/或三维生成血管模型，能够自动连接断裂的血管，能够去除血管影像噪声；调整是这样实现的，设计路径安全碰撞区域，能够自动提醒用户安全碰撞区域与血管是否干涉并自动调整路径和/或跳转到干涉区域要求医生确认，调整过程中目标靶点位置保持不变，安全碰撞区是以路径中线为轴的圆柱体，圆柱体的直径可以根据实际需要设定不同的阈值，例如1mm，2mm，3mm等。然后以垂直路径的方向生成血管最大密度投影，在最大密度投影影响上检查是否还有安全碰撞区和血管的重叠，从而进行安全确认和手动调整。

可选的，本发明的系统还包括头架参数计算模块，其设置成支持市售多种头架的应用，支持至少六个(例如六个或九个)显影点的追踪，自动识别显影线并自动优化结果，给出参数误差，根据所述手术路径规划模块规划的手术路径提供相应的头架参数；进一步地，该模块还能够通过手动修改头架参数进行逆运算并获取新的路径，即在医师设定或调整头架数据，导致路径发生变化后，将调整后的路径在三维模型中进行准确显示。

可选的，本发明的系统还包括评估模块，其设置成根据术后CT影像自动提取和拟合已植入电极的位置方向，并自动与所述手术路径规划模块规划的计划路径进行比对和计算，现有技术中无法自动识别和提取三维影像中植入电极的实际位置以及和规划路径的比价，依赖医师的经验，评估的工作量大，精确度差。

实施例2

一种包含一组可执行指令的非瞬时计算机可读取存储介质，当该组可执行指令由一个手术计划系统的一处理器执行时，使该处理器执行一种神经外科手术计划方法，该方法包含以下步骤：根据医学影像数据建立三维模型；手动或自动规划电极植入路径；对所述植入路径进行血管规避纠正，得到经修正的植入路径。可选的，上述方法还包括使用DTI、fMRI和PET-CT数据进行联合配准的步骤。可选的，上述所述方法还根据所述经修正的植入路径，推荐头架参数的步骤。

一种神经外科手术计划方法的具体实例中，参见附图进行详细描述：

三维模型重建模块根据医学影像数据建立的三维模型，参见图2，显示了表面皮肤；

DTI模块使用DTI模块获得的纤维束模型，即图3的右侧纤维状结构，参见图3；

影像配准模块根据医学影像数据建立的三维模型、纤维束模型、功能磁共振影像进行融合显示的结果，参见图4；

手术路径规划模块规划得到的电极路径A至J，参见图5；

对图5中的一个电极路径的单独三维显示，参见图6；

对图6所示的电极路径的安全碰撞区在血管三维模型中的显示，参见图7，其中示出了三维血管网络、电极及其安全碰撞区，当现有路径的安全碰撞区与血管网络发生干涉时，自动血管规避模块对电极路径进行调整，直至该电极路径的安全碰撞区与三维血管网不在有干涉，得到调整后的电极路径；

以垂直于图7所示的电极路径方向得到最大密度投影影像，在该图像进行安全确认的示意图，其中圆环示出了安全碰撞区的范围，中心的圆形为电极的横截面。

然后在使用头架进行路径引导的情况下，还包括头架参数计算模块根据经调整的路径提供相应的头架参数的步骤。

上文所举例的实例中的模块使用步骤不是固定的，步骤之间的步骤可以调整，本发明的方法也不必然包括所有步骤，可以只包括其中的一部分。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种神经外科手术计划系统，其特征在于，包括：

三维模型重建模块，其设置成使用MRI、CT、和PET-CT信息重建模型并显示颅脑内部结构；

DTI模块，其设置成基于弥散张量成像获取纤维束模型；

功能磁共振(fMRI)模块，其设置成显示fMRI影像并与将fMRI影像其他影像模型融合；

影像配准模块，其设置成使用DTI、fMRI和PET-CT联合配准并且在所述联合配准前执行去除三维模型中头架部分的步骤；

手术路径规划模块，其设置成规划细长构件的植入路径，在细长构件是电极的情况下还可以模拟生成电极的触点模型，辅助确定并显示每个电极触点的准确位置；

自动血管规避模块，其设置成能够在三维血管模型上规划路径安全碰撞区域，自动计算安全碰撞区域与血管是否干涉，在干涉的情况下自动调整路径，还设置成可选地生成血管最大密度投影，在最大密度投影影像上进行安全确认和手动调整；

头架参数计算模块，其设置成支持市售多种头架的应用，根据所述手术路径规划模块规划的手术路径提供相应的头架参数，该模块还能够通过手动修改头架参数进行逆运算并获取新的路径，即在医师设定或调整头架数据，导致路径发生变化后，将调整后的路径在三维模型中进行准确显示。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括评估模块，其设置成根据术后CT影像自动提取和拟合已植入电极的位置和方向，并自动与所述手术路径规划模块规划的计划路径进行比对和计算。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述头架参数计算模块能够通过逐层影像分析出每一层的误差，辅助医生进行判断，给出医生精度最高的层。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手术路径规划模块是这样规划路径的：使用者选择靶点脑区和途经脑区，手术路径规划模块自动生成路径以供选择。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述DTI模块设置成使用区域种子点方法确定追踪起始或终止区域，然后使用确定性或概率性追踪算法追踪颅脑白质纤维束走形。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述DTI模块设置成使用非刚性配准算法优化DTI数据的畸变。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维模型重建模块设置成能够生成皮肤模型并去除内部噪声。

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