CN1801214A - 基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法 - Google Patents

Abstract

基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法，涉及一种基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法，提供一种基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法。设有人体成像设备、图像序列处理设备、人体器官组织形态图像数据库、健康人与病人特征提取三维重建多模图像数据融合设备、人体器官组织生理病理数据库和栓塞化疗相关手术模拟软件。处理时包括获得具有器官内部管道信息的图像序列、对获得的图像序列进行图像处理并构建具有组织结构信息虚拟器官、将人体器官组织形态图像数据库与获取的临床病人器官图像数据进行特征提取三维重建多模图像数据融合和将进行特征提取三维重建多模图像数据融合构建的虚拟器官等步骤。

Description

基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法

技术领域

本发明涉及一种图像信息处理技术，尤其是涉及一种基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法，包括有关信息科学人体数字化技术、计算机虚拟技术和医学临床外科学等领域。

背景技术

癌症是常见的原发性恶性肿瘤，以动脉化疗栓塞术(TACE)为主体的介入治疗被应用于非手术疗法中。由于人体某些器官(例如肝脏)的解剖结构特殊，血窦丰富，血管分布密集，给传统的外科治疗手术带来了很大的困难。临床统计表明，仅有部分病例在实施TACE后肿瘤完全坏死。有学者认为，肿瘤的不完全坏死与侧支循环、多只动脉供血及双重供血有关。而且反复进行TACE后，进入肿瘤的药物相对减少，进入正常肝组织的药物相对增加，加重了正常器官组织损害。此外，药物还会进入血液循环，增加全身副作用。因此，医生在手术之前需要了解器官内管道系统的分布状况和相互之间的连接关系。器官动脉经栓塞后，原有的动脉供血系统受到影响，侧支循环必然会建立。侧支供血的出现影响了肿瘤介入治疗的效果，如何正确对待侧支循环已显得非常重要。栓塞的位置对疗效至关重要，位置越接近肿瘤，产生侧支供血的机会就越小。利用虚拟现实技术对器官内管道精细结构进行三维重建，可以让器官内部的管道结构更加直观，帮助医生更好地解决这些问题。这需要有科学的手术计划系统，设计合理的手术方案，从而确保手术的安全可靠有效。

数字化虚拟器官是集医学(包括解剖学、生理学、组胚学、眼科学和外科学等)、计算机技术(包括医学成像技术、图像处理技术和软件技术等)、物理学(流体力学、弹性力学、光学……)、生物学、电子学以及信息科学为一体的跨诸多学科的综合技术领域。应用数字人技术一方面将人体器官数字化，获取精细图像数据，通过计算机图像处理技术，构建精细的人体器官三维的逼真形态，在器官组织形态结构的基础上，进一步赋以器官的物理特性和生理特性，并在计算机上构建出形态逼真的虚拟器官；另一方面，应用临床现有的CT、MRI等图像获取设备，获取临床实际个体病人的相应病变器官信息(具有形态及病理信息)，特别是肿瘤病变器官中的血管信息，通过特定设计的软件系统，实现图像分割、配准、融合和重建，建立具有临床病人器官的组织形态和生理、病理特点的虚拟器官，临床医生可以在这样的]平台上制定手术计划和设计手术方案。

发明内容

本发明的目的在于针对现有在制定肿瘤手术计划中对人体器官内部管道结构不够直观，手术难度与风险较大和安全可靠性不够等问题，提供一种基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法。

本发明所说的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置设有：

1)人体成像设备，人体成像设备是指应用数字人技术，从数字化人体切削装置获得切片图像序列，或从离体器官经过血管灌注，而后进行CT薄层扫描、或核磁共振成像和临床医疗成像设备获得的具有器官内部的管道信息的图像序列的设备；

2)图像序列处理设备，图像序列处理设备是指应用计算机技术上对获得的图像序列进行分割、配准和三维重建等图像处理并构建具有精细组织结构信息的“虚拟器官”的设备；

3)人体器官组织形态图像数据库；

4)健康人与病人特征提取三维重建多模图像数据融合设备；

5)人体器官组织生理病理数据库；

6)栓塞化疗的相关手术模拟软件。

在图像序列处理设备中，对临床个体病人，或拟行器官移植、器官切除、癌症病人，术前进行薄层螺旋CT扫描获取病人的器官图像数据，进行基于CT图像的图像分割、特征提取，采用三维重建技术生成三维立体图，在计算机上构成具有临床患者器官内管道系统及器官血供等“个体病人的生理、病理特点的器官”。

健康人与病人特征提取三维重建多模图像数据融合设备是指将数字人技术重建的具有精细组织、管道结构的健康数字化虚拟器官，与临床获得的“个体病人的生理、病理特点的器官”进行结构特征提取，实现多模图像融合，构建为既具有器官内动脉、静脉以及其他管道的精细的组织形态结构，又具有“临床病人的器官组织形态及病理特点的三维虚拟器官”。

人体器官组织生理病理数据库进一步运用计算机技术把器官功能信息数字化，定量分析精确模拟器官的生理病理状况，以便在癌症术前准确反应器官功能，进行器官切除等虚拟手术方案设计，划定手术边界，自动计算生成需手术切除器官的体积。从而达到有效指导癌症的外科手术治疗的目的。

该软件根据器官肿瘤是以器官内的动脉供血的机理，借助上述构建的“三维虚拟器官”，设计介入栓塞化疗治疗方案，并在术前预制器官栓塞化疗的治疗方案。医生可以借助该仿真系统进行手术预演，合理制定手术方案，对于提高肿瘤定位精度、选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。可以达到降低手术风险，减少病人的痛苦，提高病人术后生活质量的效果。

本发明所说的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置与处理方法其步骤为：

1、一个应用数字人技术，从数字化人体切削装置获得切片图像序列，或从离体器官经过血管灌注，而后进行CT薄层扫描、或核磁共振成像和临床医疗成像设备获得的具有器官内部的管道信息的图像序列的步骤；

2、一个应用计算机技术对获得的图像序列进行图像预处理(例如由计算机对图像进行图像增强与去噪等预处理)、分割(例如从获取的图像中分割出器官图像，以减少图像处理信息量)、配准和三维重建等图像处理并构建具有精细组织结构信息的“虚拟器官”的步骤；

3、一个将人体器官组织形态图像数据库与获取的临床病人器官图像数据进行特征提取三维重建多模图像数据融合的步骤；

4、一个将进行特征提取三维重建多模图像数据融合所构建的既具有器官内动脉、静脉以及其他管道的精细的组织形态结构，又具有临床病毒人的器官组织形态及病理特点的三维虚拟器官与器官组织生理病理数据库进行信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官的步骤。

附图说明

图1为本发明实施例的装置组成框图。

图2为本发明实施例的人体器官组织形态图像数据库的组成框图。

图3为本发明实施例的CT或MRI获取临床病人器官图像数据组成框图。

图4为本发明实施例的图像预处理组成框图。

图5为本发明实施例的图像分割组成框图。

图6为本发明实施例的图像特征提取组成框图。

图7为本发明实施例的配准组成框图。

图8为本发明实施例的三维重建组成框图。

具体实施方式

以下以虚拟肝脏为本发明的实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明所说的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置设有人体成像设备1(例如CT或/和MRI获取临床病人器官图像数据的设备)、图像序列处理设备2、人体器官组织形态图像数据库3、健康人与病人特征提取三维重建多模图像数据融合设备4、人体器官组织生理病理数据库5和栓塞化疗的相关手术模拟软件6。

人体成像设备是指应用数字人技术，从数字化人体切削装置获得切片图像序列，或从离体器官经过血管灌注，而后进行CT薄层扫描、或核磁共振成像和临床医疗成像设备获得的具有器官内部的管道信息的图像序列的设备。

图像序列处理设备是指应用计算机技术上对获得的图像序列进行分割、配准和三维重建等图像处理并构建具有精细组织结构信息的“虚拟器官”的设备。

参见图2，人体器官组织形态图像数据库器官组织形态图像数据库存储由数字人技术获取的肝脏数据集，切片数据的采集与形态物理特性数据的采集。从数字化人体切削等方法获得的含有肝脏部分的切片图像序列，从离体肝脏经过血管灌注，而后进行CT、MRI薄层扫描图像序列。对离体的肝脏标进行包埋、冷冻、削切，建立数字化虚拟肝脏的数据集，从中获取肝脏的形态结构的数据。也可以选择不同的灌注材料和相应的灌注方法灌注肝脏不同的管道来得到肝脏的铸型，从而得到其形态数据。临床医疗成像设备CT或MRI从健康志愿者获得的具有肝脏内部的管道信息的图像序列，利用临床医疗成像设备CT或MRI获得病变的活体肝脏的图像数据。这些数据都存放在部件器官组织形态图像数据库内，数据库所存储的数据集提供给特征提取三维重建多模图像数据融合设备使用。

参见图3，对临床个体肝病病人，或拟进行肝移植、肝切除的肝硬化、肝癌病人，术前进行薄层螺旋CT或MRI扫描获取病人的肝脏图像数据，具有临床患者肝内管道系统及肝门胆道血供等“个体病人的生理、病理特点的器官”。该部件存储的数据集提供给特征提取三维重建多模图像数据融合设备使用。

特征提取三维重建多模图像数据融合装置对图1和图2基于CT图像的图像分割、特征提取，采用三维重建，生成三维立体图，在计算机上构建为具有肝内肝动脉、肝静脉、门静脉、胆管以及肝实质等精细的组织形态结构。将数字人技术重建的具有精细组织、管道结构的数字化虚拟肝脏(健康)，与临床获得的“个体病人的生理、病理特点的肝脏器官”进行结构特征提取，实现多模图像融合，构建为既具有肝内肝动脉、肝静脉、门静脉、胆管等精细的组织形态结构，又具有“临床病人的肝脏组织形态及病理特点的三维虚拟肝脏”。特征提取三维重建多模图像数据融合装置的数据来自器官组织形态图像数据库和CT或MRI获取临床病人器官图像数据库，经过该部件处理之后的数据提供给器官组织生理病理数据库使用。特征提取三维重建多模图像数据融合装置中的数据流程如下：

(1)获取图像

序列图像来自数字人切削肝脏切片数码拍摄，或离体经管道灌注的肝脏切削拍摄或CT、MRI断层扫描获取；临床病人数据通过网络接口，将图像从医学影像工作站获取到高性能计算机中。根据实际情况的需要，也可以借助于移动存储部件来转载得到数据实际病人的肝脏图像数据。

(2)图像预处理

参见图4，由计算机对图像进行预处理，进行图像增强，以进一步改善图像的质量，获得更多有用的信息。该过程对图像进行去噪以及灰度补偿等预处理，例如采用灰度修正、图像平滑、锐化、滤波等图像处理方法来进行图像预处理。根据图像的不同特点，可以采用空域增强和频域增强等方法。

(3)图像分割

参见图5，由程序识别自动分割，或解剖专家参与手工勾画，分割出感兴趣目标位置图像；对于临床病人获取的肝脏CT图像，根据图像的特点，可以采用边界跟踪或区域分割方法等图像分割算法进行处理。同时针对每种方法，也可以采用并行或串行分割技术来分别处理。例如，采用区域增长法，选取种子点之后，由程序自动通过区域增长等算法，自动对序列图像完成分割；也可采用阈值分割算法来分割出目标图像。

(4)图像特征提取

参见图6，提取目标的各个特征值，所说的特征值至少包括目标的结构特征和统计特征中的一种。对提取特征之后的图像，还要进行设计分类器，并进行分类决策，根据分类决策得到图像特征。

(5)图像配准

参见图7，将不同图源的图像，通过设计的软件算法，寻找某种空间变换，使两幅图像的对应点达到空间位置和解剖结构上的完全一致，使所有具有诊断意义及手术区域的点都达到匹配。为了减少计算过程，先要对图像进行粗配准，使得图像在空间上大致一致。根据图像的不同特点，可采用刚体配准方法或者弹性配准方法，并采用优化算法来加快图像配准的过程，从而实现图像的配准过程。

(6)三维重建

参见图8，对于经上述处理过的图像数据集，采用面绘制方法或体绘制方法，对处理后的图像三维重建，形成三维模型。

(7)管道三维骨脊线抽取

三维重建的肝内管道，根据其连通关系，提取管道的中心线，提供管道的拓扑关系。

(8)图像融合

在上述处理的多模图像对解剖结构意义上实现配准的基础上，将图像序列进行融合，使融合后的虚拟肝脏具有临床病人的肝脏病理信息。

经上述(1)-(8)各步骤处理的图像，输出到信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官。

器官组织生理病理数据库存储由医学经典知识、临床实际患者采集到的正常、异常的各种肝脏生理、病理信息，数字化的肝脏储备功能信息，以及器官内各组织结构的弹性模量、黏性系数等参数共同构造有限元物理模型。该部件存储的数据集提供给信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官使用。

信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官的数据来自特征提取三维重建多模图像数据融合装置和器官组织生理病理数据库，构建的具有精细的组织形态结构，融合临床病人的肝脏组织形态及病理特点的构成三维虚拟肝脏，融入肝脏的功能信息，构造具有肝功能信息的“虚拟肝脏”。经过信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官处理之后的数据提供给手术和模拟系统平台使用。

本发明的手术计划软件系统构建具有精细管道形态的“临床病人的肝脏组织形态及病理特点的三维虚拟肝脏”，根据肝内肿瘤是以肝动脉供血机理，显示“三维虚拟肝脏”的各级血管树节点，以及血管的骨脊线，提高肿瘤定位精度，提供交互式的手段，由手术操作者设计选择介入栓塞的位置，或化疗治疗选择方案；对于拟行肝切除手术患者，定量分析精确模拟肝脏的生理病理状况，以便在肝癌术前准确反应肝储备功能，自动计算生成需手术切除肝脏的体积，划定手术边界，进行肝叶、肝段切除等肝脏虚拟手术方案设计。达到有效指导肝癌的外科手术治疗的目的。该部件能够给医生提供合理的手术计划方案，供医生参考。该部件存储的数据集提供给手术和模拟系统平台使用。

本发明可通过手术模拟交互外设的配备提供模拟手术操作的交互外部设备，如力反馈设备、3D眼镜、数据手套等，使施行手术的医生不仅具有亲临感，又有施术手感。在这样一个虚拟环境中，可以进行手术的仿真。外科医生也可以利用这样一个环境，使用病人的真实数据在虚拟现实的环境中给病人做出诊断。

该部件作为手术交互外设部件，具有相关接口与手术和模拟系统平台连接。

手术和模拟系统平台模块由图像工作站组成。在手术计划软件系统支持下，控制手术模拟交互外设，提供沉浸式的手术仿真平台，实现肝脏手术计划的设计与制定，手术操作的模拟。

借助部件1-8构建的系统平台，可以施行肝脏的以下各类手术制定计划：

1)定量分析精确模拟肝脏的生理病理状况，以便在肝脏术前准确反应肝储备功能，从而达到有效指导肝癌手术治疗的目的。依据获得的图像和数据，结合计算机三维图像重建和虚拟现实技术，进行肝叶、肝段切除等肝脏虚拟手术设计。划定手术边界，自动计算生成需手术切除肝脏的体积。

2)模拟介入治疗。根据肝内肿瘤为肝动脉供血，术前预制肝肝脏栓塞化疗的治疗方案。

3)模拟肝的射频等局部治疗。

Claims (8)

1、基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置，其特征在于设有：

1)人体成像设备，人体成像设备是指应用数字人技术，从数字化人体切削装置获得切片图像序列，或从离体器官经过血管灌注，而后进行CT薄层扫描、或核磁共振成像和临床医疗成像设备获得的具有器官内部的管道信息的图像序列的设备；

2)图像序列处理设备，图像序列处理设备是指应用计算机技术上对获得的图像序列进行分割、配准和三维重建等图像处理并构建具有精细组织结构信息的“虚拟器官”的设备；

3)人体器官组织形态图像数据库；

4)健康人与病人特征提取三维重建多模图像数据融合设备；

5)人体器官组织生理病理数据库；

6)栓塞化疗的相关手术模拟软件。

2、如权利要求1所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置，其特征在于所说的人体成像设备是指应用数字人技术，从数字化人体切削装置获得切片图像序列，或从离体器官经过血管灌注，而后进行CT薄层扫描、或核磁共振成像和临床医疗成像设备获得的具有器官内部的管道信息的图像序列的设备。

3、如权利要求1或2所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置，其特征在于所说的人体成像设备为CT或/和MRI获取临床病人器官图像数据的设备。

4、如权利要求1所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理装置，其特征在于所说的图像序列处理设备是指应用计算机技术上对获得的图像序列进行分割、配准和三维重建等图像处理并构建具有精细组织结构信息的虚拟器官的设备。

5、如权利要求1所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理方法，其特征在于其步骤为：

1)一个应用数字人技术，从数字化人体切削装置获得切片图像序列，或从离体器官经过血管灌注，而后进行CT薄层扫描、或核磁共振成像和临床医疗成像设备获得的具有器官内部的管道信息的图像序列的步骤；

2)一个应用计算机技术对获得的图像序列进行图像预处理、分割、配准和三维重建等图像处理并构建具有精细组织结构信息的虚拟器官的步骤；

3)一个将人体器官组织形态图像数据库与获取的临床病人器官图像数据进行特征提取三维重建多模图像数据融合的步骤；

4)一个将进行特征提取三维重建多模图像数据融合所构建的既具有器官内动脉、静脉以及其他管道的精细的组织形态结构，又具有临床病毒人的器官组织形态及病理特点的三维虚拟器官与器官组织生理病理数据库进行信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官的步骤。

6、如权利要求5所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理方法，其特征在于在步骤2)中，所说的一个应用计算机技术对获得的图像序列进行图像预处理为由计算机对图像进行图像增强与去噪预处理。

7、如权利要求5所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理方法，其特征在于在步骤2)中，所说的分割为从获取的图像中分割出器官图像。

8、如权利要求5所述的基于数字化虚拟器官的肿瘤图像信息处理方法，其特征在于在步骤4)中，特征提取三维重建多模图像数据融合装置中的数据流程为：

(1)获取图像：序列图像来自数字人切削肝脏切片数码拍摄，或离体经管道灌注的肝脏切削拍摄或CT、MRI断层扫描获取；临床病人数据通过网络接口，将图像从医学影像工作站获取到高性能计算机中，或根据实际情况的需要，借助于移动存储部件来转载得到数据实际病人的肝脏图像数据；

(2)图像预处理：由计算机对图像进行预处理，进行图像增强，改善图像质量，对图像进行去噪以及灰度补偿预处理，包括采用灰度修正、图像平滑、锐化、滤波图像处理方法来进行图像预处理，根据图像的不同特点，采用空域增强和频域增强方法；

(3)图像分割：由程序识别自动分割，或解剖专家参与手工勾画，分割出感兴趣目标位置图像；对于临床病人获取的肝脏CT图像，根据图像的特点，采用边界跟踪或区域分割方法图像分割算法进行处理，或采用并行或串行分割技术来分别处理，包括采用区域增长法，选取种子点之后，由程序自动通过区域增长算法，自动对序列图像完成分割；或采用阈值分割算法来分割出目标图像；

(4)图像特征提取：提取目标的各个特征值，所说的特征值至少包括目标的结构特征和统计特征中的一种，对提取特征之后的图像，还要进行设计分类器，并进行分类决策，根据分类决策得到图像特征；

(5)图像配准：将不同图源的图像，通过设计的软件算法，寻找某种空间变换，使两幅图像的对应点达到空间位置和解剖结构上的完全一致，使所有具有诊断意义及手术区域的点都达到匹配，为了减少计算过程，先要对图像进行粗配准，使得图像在空间上大致一致，根据图像的不同特点，采用刚体配准方法或者弹性配准方法，并采用优化算法来加快图像配准的过程，从而实现图像的配准过程；

(6)三维重建：对于经处理过的图像数据集，采用面绘制方法或体绘制方法，对处理后的图像三维重建，形成三维模型；

(7)管道三维骨脊线抽取：三维重建的肝内管道，根据其连通关系，提取管道的中心线，提供管道的拓扑关系；

(8)图像融合：在处理的多模图像对解剖结构意义上实现配准的基础上，将图像序列进行融合，使融合后的虚拟肝脏具有临床病人的肝脏病理信息；

经(1)-(8)各步骤处理的图像，输出到信息融合具有个体病人组织病理特征虚拟器官。

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