CN113907879A - 一种个性化颈椎内镜定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种个性化颈椎内镜定位方法及系统，属于脊柱微创手术定位技术领域。所述方法包括：提取患者DICOM数据；基于患者原始的人体颈椎模型，从中提取出病灶所在的节段部位，调整三维模型；模拟出不同角度的医学成像数据；选择并分割骨组织的阈值；模拟穿刺针的入针位置、角度和深度数据，得出体表皮肤标注点；计算实际体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据；模拟建立穿刺手术工作通道。运用人体DICOM数据对标准人体颈椎三维模型调整重塑，个体化地还原出患者颈椎的真实情况从而可实现全方位查看局部解剖结构，通过对工作通道的控制，反复模拟穿刺针的穿刺过程，生成最适的路径规划数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种个性化颈椎内镜定位方法及系统，属于脊柱微创手术定位技术领域。
背景技术
颈椎病是一种常见的颈椎退行性疾病，不同的颈椎病患者存在不同的病程进展、病灶位置、疾病性质。近年来随着脊柱微创器械和技术的发展，使得微创手术的优势：不亚于开放手术的临床效果、创伤小、恢复快、术后并发症低等逐渐体现出来。个体化治疗一直是临床提倡的理念，然而传统的颈椎间孔内镜技术在实现个体化治疗的过程中通过反复对照患者的颈椎MRI、CT及CR片确定穿刺位置。一方面，传统微创手术中对C型臂的多次调整使其精准度较差且辐射暴露时间过长，另一方面传统微创手术体表定位的旁开距离难以依患者的身体大小和肥胖程度等作出合适调整，再加上由于二维视图的局限性对于上关节突、椎弓根磨除范围无指导作用，所以工作管道建立的位置、角度与深度对于临床医生经验技能要求较高，影响颈椎内镜技术的学习与应用。
因此，亟需一种精确性个性化颈椎内镜定位系统，打破传统局限性的二维成像技术与克服辐射射线高量照射的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种个性化颈椎内镜定位方法及系统，它解决了现有技术中椎间孔镜手术定位的准确性低、手术时间长，医护人员和患者在辐射中暴露时间长的问题。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
本申请第一个方面提供一种个性化颈椎内镜定位方法，包括：
步骤S1，利用患者原始MRI、CT及CR片，提取患者DICOM数据；
步骤S2，基于患者原始的人体颈椎模型，从中提取出病灶所在的节段部位，结合患者DICOM数据进行三维模型调整；
步骤S3，利用患者DICOM数据模拟出不同角度的医学成像数据，使之与患者原始MRI、CT及CR片对比；
步骤S4，选择并分割骨组织的阈值，从中划分出人体颈椎模型中各解剖结构及内置物区域；
步骤S5，模拟穿刺针的入针位置、角度和深度数据，得出体表皮肤标注点；
步骤S6，计算实际体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据；
步骤S7，模拟建立穿刺手术工作通道。
优选地，步骤S2中，三维模型调整是基于标准人体颈椎虚拟现实三维模型，结合光线投射算法及三维重建技术，调整并展示实际人体颈椎情况。
优选地，步骤S3中，利用数据模拟方法使模拟出的不同角度的医学成像数据与实际图像的相一致。
更优选地，所述数据模拟方法为3D建模模拟方法。
优选地，步骤S4中，通过多态医学划分技术，将患者MRI、CT及CR片进行人工识别，采用颜色标注法，对不同于标准模型区域进行划分重建，输出实际三维医学网络模型。
优选地，步骤S4中，选择并分割骨组织的阈值采用大津阈值分割算法，将图像直方图的灰度像素分为骨组织图像与背景两类，骨组织图像即为所需分割部分；通过对图像灰度值的数据统计，计算两类的类间方差，通过不断迭代，使得类间方差达到极小值，从而得到阈值，完成骨组织图像分割。
优选地，步骤S5中，模拟穿刺针放置情况的方法是通过复位、移动、缩放、旋转中的一种或更多种结合的方式实现个性化放置穿刺针的目的。
优选地，在所述模拟的过程中，针对在手术中使用的工具参数，模拟的数据与实际的数据相一致，以实际化为标准清晰展示出手术通道与人体各部位之间关系。
本申请第二个方面提供一种个性化颈椎内镜定位系统，包括：
标准人体颈椎结构数据模块，用于标准人体颈椎解剖结构的数据呈现；
虚拟现实医学图像模块，用于医学数据呈现在虚拟现实设备及裸眼三维显示信息系统上；
数据提取模块，用于读取DICOM数据，提取所需部位图像数据信息；
调整重建模块，用于实际图像信息对标准图像信息的调整重建；
模拟光片生成模块，用于对调整后图像信息运用蒙特卡罗模拟方法计算出不同角度的仿真光片；
图像比较模块，用于实际光片与仿真光片的差值比较；
标注识别分割模块，用于椎间盘、神经根、皮肤及骨组织阈值的标注识别分割；
模拟规划模块，用于穿刺针入针位置、角度和深度的模拟，当有符合手术路径的情况出现时，发出声音提示；
数据测量模块，用于测量穿刺针在体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据以及入针角度和深度的数据。
本发明的有益效果是：
本申请打破传统局限性的二维成像技术与辐射射线高量照射的缺点，运用人体DICOM数据对标准人体颈椎三维模型调整重塑，个体化地还原出患者颈椎的真实情况从而可实现全方位查看局部解剖结构，通过对工作通道的控制，反复模拟穿刺针的穿刺过程，生成最适的路径规划数据。
附图说明
图1为本发明的个性化颈椎内镜定位方法流程图。
图2为本发明的计算机量化过程中确定所需角度的原理图。
图3为本发明模拟建立的穿刺手术工作通道示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
请参阅图1-3，本申请的一种个性化颈椎内镜定位方法，提高椎间孔镜手术定位的准确性，缩短手术时间，减少医护人员和患者的辐射暴露，实现了椎间孔镜手术术前目标点、术中穿刺点及穿刺深度的快速精准定位和引导。实施例步骤如下：
步骤S1，利用患者原始MRI、CT及CR片，提取患者DICOM数据。
步骤S2，基于患者原始的人体颈椎模型，从中提取出病灶所在的节段部位，结合患者DICOM数据进行三维模型调整。三维模型调整是基于标准人体颈椎虚拟现实三维模型，结合光线投射算法及三维重建技术，调整并展示实际人体颈椎情况。
步骤S3，利用患者DICOM数据模拟出不同角度的医学成像数据，使之与患者原始MRI、CT及CR片对比。利用数据模拟方法使模拟出的不同角度的医学成像数据与实际图像的相一致。所述数据模拟方法为3D建模模拟方法。
步骤S4，选择并分割骨组织的阈值，从中划分出人体颈椎模型中各解剖结构及内置物区域。其中，各解剖结构包括椎间盘、神经根、皮肤，内置物是指有些患者在做穿刺手术之前，做过其他在颈椎中放入内置物的手术，因此本申请中在步骤S4中划分区域时，除划分出解剖结构，也需考虑划分出内置物的区域。通过多态医学划分技术，将患者MRI、CT及CR片进行人工识别，采用颜色标注法，对不同于标准模型区域进行划分重建，输出实际三维医学网络模型。
选择并分割骨组织的阈值采用大津阈值分割算法，将图像直方图的灰度像素分为骨组织图像与背景两类，骨组织图像即为所需分割部分；通过对图像灰度值的数据统计，计算两类的类间方差，通过不断迭代，使得类间方差达到极小值，从而得到阈值，完成骨组织图像分割。
步骤S5，模拟穿刺针的入针位置、角度和深度数据，得出体表皮肤标注点。模拟穿刺针放置情况的方法是通过复位、移动、缩放、旋转中的一种或更多种结合的方式实现个性化放置穿刺针的目的。
步骤S6，计算实际体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据。
步骤S7，模拟建立穿刺手术工作通道。参阅图3，图3中箭头所指的黑色柱状结构为模拟建立的穿刺手术工作通道。
在一种优选实施例中，在所述模拟的过程中，针对在手术中使用的工具参数，如工具的大小，模拟的数据与实际的数据相一致，以实际化为标准清晰展示出手术通道与人体各部位之间关系。
利用人工智能识别系统依托计算机卷积神经网络以及递归神经网络搭建的人工智能平台，基于互联网医学影像资料的训练学习，通过读取不同患者的脊柱CT影像数据，提取手术部位节段信息；调整标准3D人体模型数据，达到重建效果，同时模拟出医学呈像光片，进行对比分析；
在微创手术规划方面，基于人工智能识别系统的识别标注展示出患者椎体的解剖结构及内置物之间的关系；通过对该患者重建出的椎体结构空间的评估，运用互联网大数据及智能路径规划，实现计算机推荐方案，通过分析出手术通道管与硬性骨骼结构的适应程度，将预分离组织骨骼的步骤数据化。
通过计算机量化穿刺针的入针位置、角度和深度数据；以及对皮肤距人体中线的数据以及皮肤距病灶位置的数据分析，规划出实际手术中穿刺针的入针位置、角度和深度，为穿刺手术提供精准化实施方案。
计算机量化原理如下：根据正侧位X线光透视的医学图像识别并3D重建后以规划合适的手术路径，同时计算机将该三维路径可以模拟转化为二维平面的角度。一般而言，正位规划路径的投影线取决于上关节突的尖端与穿刺目标这两点，其与人体中线形成角度α。侧位规划路径的投影线亦是由上关节突的尖端与穿刺目标的连线决定，其与人体中线形成角度β。这样，计算机可以计算所需的角度θ和ξ，参阅图2，计算公式为：θ＝arctan(tanβcosα)，ξ＝90°-α。
本申请还提供一种个性化颈椎内镜定位系统，包括：
标准人体颈椎结构数据模块，用于标准人体颈椎解剖结构的数据呈现；
虚拟现实医学图像模块，用于医学数据呈现在虚拟现实设备及裸眼三维显示信息系统上；
数据提取模块，用于读取DICOM数据，提取所需部位图像数据信息；
调整重建模块，用于实际图像信息对标准图像信息的调整重建；
模拟光片生成模块，用于对调整后图像信息运用蒙特卡罗模拟方法计算出不同角度的仿真光片；
图像比较模块，用于实际光片与仿真光片的差值比较；
标注识别分割模块，用于椎间盘、神经根、皮肤及骨组织阈值的标注识别分割；
模拟规划模块，用于穿刺针入针位置、角度和深度的模拟，当有符合手术路径的情况出现时，发出声音提示；
数据测量模块，用于测量穿刺针在体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据以及入针角度和深度的数据。
综上所述，本申请利用人工智能规划，人工智能系统在作出智能识别的同时可以搭建虚拟操作平台模拟手术操作；在微创手术规划方面，基于人工智能的识别标注展示出不同患者椎体不同的解剖结构及内置物之间的关系；通过对于患者实际椎体结构空间的评估，运用智能路径预测导出计算机推荐方案，一方面对于推荐方案无或较少的病例可及时调整为开放手术，另一方面通过分析出手术通道管与硬性骨骼结构的适应程度，将预分离组织结构数据化，减少组织损伤。
本申请的将定位简单化、具体化、数据化达到精准定位的标准，与传统的解剖标志定位法、克氏针定位等方法相比，极大缩短了定位时间，减少了透视次数，使得医护人员及患者受X线辐射量大大降低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，包括：
步骤S1，利用患者原始MRI、CT及CR片，提取患者DICOM数据；
步骤S2，基于患者原始的人体颈椎模型，从中提取出病灶所在的节段部位，结合患者DICOM数据进行三维模型调整；
步骤S3，利用患者DICOM数据模拟出不同角度的医学成像数据，使之与患者原始MRI、CT及CR片对比；
步骤S4，选择并分割骨组织的阈值，从中划分出人体颈椎模型中各解剖结构及内置物区域；
步骤S5，模拟穿刺针的入针位置、角度和深度数据，得出体表皮肤标注点；
步骤S6，计算实际体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据；
步骤S7，模拟建立穿刺手术工作通道。
2.根据权利要求1所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，步骤S2中，三维模型调整是基于标准人体颈椎虚拟现实三维模型，结合光线投射算法及三维重建技术，调整并展示实际人体颈椎情况。
3.根据权利要求1所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，步骤S3中，利用数据模拟方法使模拟出的不同角度的医学成像数据与实际图像的相一致。
4.根据权利要求3所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，所述数据模拟方法为3D建模模拟方法。
5.根据权利要求1所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，步骤S4中，通过多态医学划分技术，将患者MRI、CT及CR片进行人工识别，采用颜色标注法，对不同于标准模型区域进行划分重建，输出实际三维医学网络模型。
6.根据权利要求1所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，步骤S4中，选择并分割骨组织的阈值采用大津阈值分割算法，将图像直方图的灰度像素分为骨组织图像与背景两类，骨组织图像即为所需分割部分；通过对图像灰度值的数据统计，计算两类的类间方差，通过不断迭代，使得类间方差达到极小值，从而得到阈值，完成骨组织图像分割。
7.根据权利要求1所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，步骤S5中，模拟穿刺针放置情况的方法是通过复位、移动、缩放、旋转中的一种或更多种结合的方式实现个性化放置穿刺针的目的。
8.根据权利要求1所述的一种个性化颈椎内镜定位方法，其特征在于，在所述模拟的过程中，针对在手术中使用的工具参数，模拟的数据与实际的数据相一致，以实际化为标准清晰展示出手术通道与人体各部位之间关系。
9.一种个性化颈椎内镜定位系统，其特征在于，包括：
标准人体颈椎结构数据模块，用于标准人体颈椎解剖结构的数据呈现；
虚拟现实医学图像模块，用于医学数据呈现在虚拟现实设备及裸眼三维显示信息系统上；
数据提取模块，用于读取DICOM数据，提取所需部位图像数据信息；
调整重建模块，用于实际图像信息对标准图像信息的调整重建；
模拟光片生成模块，用于对调整后图像信息运用蒙特卡罗模拟方法计算出不同角度的仿真光片；
图像比较模块，用于实际光片与仿真光片的差值比较；
标注识别分割模块，用于椎间盘、神经根、皮肤及骨组织阈值的标注识别分割；
模拟规划模块，用于穿刺针入针位置、角度和深度的模拟，当有符合手术路径的情况出现时，发出声音提示；
数据测量模块，用于测量穿刺针在体表皮肤标注点距人体中线的数据以及距病灶位置的数据以及入针角度和深度的数据。
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