CN1907233B - 自动规划经由皮肤的最小侵入手术进入路径的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置和方法，用于自动规划身体部位、特别是肺经由皮肤的最小侵入手术的进入路径。在此，提供身体部位的3D图像数据(1)，从中自动分割骨以及受手术侵害的单元。在3D图像数据和/或从中导出的图像数据的显示中，由使用者在3D图像数据中对目标位置做出标记(5)。在一个或者多个预先规定的路径几何形状、目标位置和被分割数据的基础上，通过规划模块(17)自动确定一个或者多个至目标位置的进入路径，这些路径不经过骨并不穿过或者仅最小部分穿过受手术侵害的单元。在监视器(13)上的3D图像数据(1)或者从中导出的图像数据的显示中向使用者显示该一个或者多个进入路径，以便提供信息和/或交互式选择和/或修正。

Description

自动规划经由皮肤的最小侵入手术进入路径的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种装置以及一种方法，用于自动规划在身体部位、特别是肺上经由皮肤的最小侵入手术的进入路径。

背景技术

经由皮肤的最小侵入手术是一种特别保护患者的介入技术。例如，在肺上活体组织检查时或者在其它最小侵入手术时，将针刺入胸腔并直达目标位置。在那里提取组织或者进行计划的介入。随后再次将针拔出，从而只留下很小的穿刺部位。但在肺上的这种手术经常伤及血管，从而会造成随后必须止住的内部出血。如果在至目标位置的进入路径上伤及更大的支气管，那么空气会进入肺组织并引起需要随后治疗的所谓气胸。

目前借助于成像方法进行穿刺部位的规划，一般情况下借助于计算机断层造影进行。在此，在计算机断层造影的3D图像数据中，从目标位置出发经过肋骨在皮肤上寻找适当的穿刺部位。穿刺部位与目标位置之间进入路径上的血管和支气管规划时迄今为止大多不予考虑。特别是直接处于肋骨后的损伤部位或者更深的目标位置情况下，证明这种方法会造成失误并在失误情况下导致耗费时间和增加患者痛苦的步骤重复。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种装置以及一种方法，可以自动规划在身体部位、特别是肺上经由皮肤的最小侵入手术的进入路径。

上述技术问题是通过本发明的装置和方法得以解决的。该装置以及该方法具有优点的构成可以参阅后面的说明书以及实施例。

用于自动规划在身体部位、特别是肺上经由皮肤的最小侵入手术进入路径的装置除了用于储存3D图像数据的存储单元外，还包括至少一个分割模块、规划模块、显示模块以及交互作用模块。

分割模块在所储存的3D图像数据内自动分割骨或骨骼部分例如像肋骨、肩或者脊柱，血管和需要时其它受手术侵害的单元例如像支气管。在此，3D图像数据可以来自适当的3D成像模态，特别是计算机断层造影或者核磁共振断层造影。不言而喻，也可以是其它成像模态的图像数据，只要这些模态可以分割图像数据中的骨、血管和其它受手术侵害的单元。分割本身以公知的方式利用在最简单的构成中以阈值为基础的适当分割技术进行。专业人员从医学成像的图像处理中已知大量用于此目的的分割技术。

规划模块在一个或者多个预先规定的路径几何形状、目标位置和被分割的骨和单元基础上自动确定一个或者多个至目标位置的进入路径，这些路径不经过骨并不穿过或者仅最小部分穿过血管和其它受手术侵害的单元。例如直线路径或者具有确定半径的弯曲路径的路径几何形状，可以或者通过使用者预先规定或者由用于选择的装置提供给使用者。在此，一般情况下在采用直线刚性器械例如刚性针或者刚性套针手术时选择直线路径。在弯曲的器械例如弯针情况下可以对应地预先规定适当弯曲的路径几何形状。相同情况也适用于因其缺少强度而在介入时弯曲的薄针。在这些预先规定的路径几何形状的基础上，规划模块计算至目标位置的一个或者多个适合的进入路径。这种计算可以通过掌握骨、血管和其它单元的位置，从例如肋骨(可能还有脊柱和肩)、在肺的情况下从血管和支气管的分割步骤中进行，从3D图像数据中皮肤表面的位置和可以事先通过使用者在三维图像数据组的显示中做出标记的穿刺部位的三维位置进行。在此，确定适当的三维进入路径仅是一个可以通过适当算法解决的几何形状问题。在一个实施例中，为此可以在皮肤表面上预先规定大量相同分布的起始位置，将它们分别以预先规定的路径几何形状与目标位置连接。在另一个实施例中采取相反的步骤。从受侵害器官的该位置出发，一族不同的路径以各自预先规定的路径几何形状处于皮肤表面的方向上。然后，从可供使用的进入路径的集合中，然后以两种实施例分别选出不经过骨或骨骼部分并不穿过被分割的单元、特别是血管或者支气管的进入路径。在此，这样确定一个或者多个进入路径，使其尽可能、也就是对于尽可能大部分的血管保持与血管取决于血管直径的预先规定的安全距离。此外，可以在两种实施例中预先规定，在多个合适的进入路径情况下仅选择提供最短进入路程和/或最小伤害危险的进入路径。

显示模块用于显示3D图像数据和/或从中导出的图像数据，以及用于显示在3D图像数据和/或从中导出的图像数据中通过规划模块确定的进入路径。导出的影响数据例如可以是MPR显示(MPR：Multi Planar Reformatting，多平面重整)。与显示模块紧密相关的是具有用户接口的交互作用模块，它用于交互式选择和/或修正通过规划模块确定的进入路径，以及用于在3D图像数据或者从中导出的图像数据的显示中对目标位置做出标记。因此，使用者可以通过交互作用模块在所显示的3D图像数据中对最小侵入手术所要求的目标位置做出标记。然后，将这种目标位置传输到规划模块内，以确定适合的进入路径。此外，交互作用模块可以用于在多个适合进入路径的情况下在显示中选出这些进入路径中的一个或者也可以事后在分布中进行修正。不言而喻，3D图像数据的显示在此由使用者以适当的方式进行调整，特别是放大、缩小、移动或者旋转。为此可以实现用于显示三维图像数据的所有技术。规划模块优选地也具有接口，通过该接口可以从其它应用程序(例如像计算机辅助检测工具)中传输器官伤害坐标。

下面主要借助肺上手术时的优选用途介绍该方法和该装置，其中，例如肋骨作为骨而血管以及支气管作为受手术侵害的单元被分割并且在规划中予以考虑。不过，下面的说明毫无问题地也可以转移到例如颈/项部位手术情况下的其它身体部位上。

在该装置的优选实施方式中，这样构成规划模块，使其在确定或者计算进入路径时考虑该路径与肋骨预先规定的安全距离。这种安全距离在该装置上可以固定预先确定或者也可以事先由使用者通过交互作用模块输入。相同情况也适用于与血管和/或支气管的安全距离。相应的血管和/或支气管直径越大，这种安全距离也就必须越大。因此，在这种情况下该装置上储存的或者通过使用者输入的安全距离作为相关支气管和/或血管直径的函数被规定或选择。进入路径要经过的支气管和/或血管的直径也可以从分割的数据中自动确定。

在规划进入路径时，会出现规划模块找不到不穿过血管和/或支气管或者提供与血管和/或支气管足够安全距离的适合进入路径。在这种情况下，向使用者显示最小部分穿过血管和/或支气管的进入路径。与各自所规划的进入路径垂直的多平面重建使得潜在的伤害危险可视化。进入路径的显示最好这样在视觉上凸显出来，使得使用者可以在显示中识别出由进入路径穿过的相关支气管和/或血管的位置和/或其尺寸或直径。视觉上凸显例如可以通过彩色标记进行。这样可以让使用者在选择该进入路径时快速浏览和风险评估。

因此，在任何情况下使用者均可以从该显示中识别他必须在该穿刺部位上开始其手术并必须在该方向上进行穿刺的一个或者多个适合的进入路径。在使用器械，例如上面装有位置传感器的活体组织检查针，可以在手术期间通过导航系统采集和显示器械尖端的位置情况下，也可以附加监测手术。为此，器械尖端的利用导航系统所采集的三维位置优选地各自带有所选择的进入路径而淡入到三维图像数据组或者从中导出的图像数据的显示中。这使得使用者可以与所选择的进入路径相应地精确定位和引导器械。不言而喻，导航系统在这种情况下必须相应地利用3D图像数据在该装置上记录。这种记录，也就是导航系统三维坐标系和3D图像数据的对应，对于成像医学技术领域的专业人员来说是足够公知的。

因此，本发明的装置和该装置工作所依据的所属方法可供肺上经由皮肤的最小侵害手术保护患者的自动路径规划使用。为此，仅需要肺的三维图像数据组，例如像它可以利用计算机断层造影所记录的那样。此外，使用者在这种最简单的实施方式中仅需在三维图像数据的显示中对目标位置做出标记，然后由规划模块接收。然后，通过显示模块通常在监视器上向使用者显示一个或者多个适合的进入路径。通过这种自动规划可以尽可能地避免因规划失误而造成对血管或者支气管的伤害，从而消除复杂的再处理。

附图说明

下面借助于一种不是用来限制由权利要求书预先规定的保护范围的实施例、结合附图再次简要介绍本装置和所属的方法。其中：

图1示意地示出了本装置各模块的视图；以及

图2示出本方法中方法过程的例子。

具体实施方式

下面举例描述的方法的目的是对于肺上经由皮肤的活体组织检查保护患者的自动路径规划。在此，从肺的三维数据组1出发，该数据组在确定的呼吸阶段上借助于计算机断层造影拍摄。该三维数据组1(参照图2)储存在图1所示装置的存储单元10内。在此，该装置还包括带有显示屏13的显示模块12、交互作用模块14(在本实施例中具有鼠标15和键盘16)、分割模块11以及规划模块17。

如图2所示，通过分割模块11在所储存的三维数据组1中进行肋骨2的自动分割、支气管3的自动分割以及血管4的自动分割。此外，如果手术需要的话，在分割模块11内也可以确定肺叶和肺段。与分割的同时、分割开始前或者分割之后，由使用者通过交互作用模块14在监视器13上所显示的三维数据组1中对介入的目标做出标记。在分割步骤和目标标记5之后，在规划模块17上这样进行进入路经的自动规划，使得尽可能少的支气管和血管处于进入路径上并使所需的穿刺部位与目标位置之间存在以安全距离经过肋骨的尽可能短的直线连接。适合的安全距离可以根据血管和支气管尺寸预先规定。如果希望，代之以直线进入路径也可以规划弯曲的路径。在此，考虑因其强度不够在介入时弯曲的薄针可能的弯曲半径。不言而喻，也可以考虑预先定义的、也就是所要求的弯曲半径。将所找到的进入路径在监视器13上向使用者显示并可以由他选择和在需要时适当地修改。图2中通过步骤6概括出路径规划和显示以及交互式修改。

如果没有找到适合的路径，那么向使用者显示可选择性，其中，不能排除对血管和/或支气管的伤害。同时在监视器13上颜色突出地显示处于相应进入路径上的血管和支气管以及其直径和其位置用于风险评估。然后，使用者可以决定是否选择和需要时选择哪些所提出的进入路径。

介入期间借助于适合的方法在步骤7中确定患者的呼吸阶段并向使用者显示。他由此可以在也进行三维数据组1测量的同一阶段上进行介入。按照这种方式，保证图像拍摄时和介入时解剖学状况之间最小的失误。如果与介入同时借助于导航工具确定针尖的位置(如通过步骤8所体现的那样)，那么可以将该位置淡入到介入期间在监视器13上显示的3D图像数据组内，并因此使手术变得容易。规划和介入的这种共同显示对应于图2视图中的步骤9。

Claims (9)

1.一种用于自动规划身体部位上经由皮肤的最小侵入手术进入路径的装置，具有至少

-一个用于储存身体部位的3D图像数据(1)的存储单元(10)，

-一个分割模块(11)，它自动分割3D图像数据(1)中的骨、血管和其它受手术侵害的单元，

-一个规划模块(17)，它在一个或者多个预先规定的路径几何形状、目标位置和被分割的骨、血管和其它受手术侵害的单元基础上自动确定一个或者多个至目标位置的进入路径，这些路径不经过骨并不穿过或者仅最小部分穿过血管和其它受手术侵害的单元，其中，这样构成规划模块(17)，使一个或者多个通过规划模块(17)确定的进入路径尽可能保持与血管的取决于血管直径的预先规定的安全距离，

-一个显示模块(12)，它用于显示3D图像数据(1)或者从中导出的图像数据，并且用于显示在3D图像数据(1)和/或者从中导出的图像数据中通过计划模块确定的进入路径，以及

-一个具有用户接口的交互作用模块(14)，它用于交互式选择和/或修正通过规划模块(17)确定的进入路径，以及用于在3D图像数据(1)或者从中导出的图像数据中对目标位置做标记(5)。

2.按权利要求1所述的用于自动规划身体部位上经由皮肤的最小侵入手术进入路径的装置，其中，分割模块(11)在3D图像数据(1)中自动分割骨骼部分、血管和支气管，而规划模块(17)自动确定至目标位置的一个或者多个进入路径，这些进入路径不经过骨骼部分并不穿过或者仅小部分或者仅最小部分穿过血管和支气管。

3.按权利要求1所述的装置，其特征在于，这样构成规划模块(17)，使通过规划模块(17)确定的一个或者多个进入路径保持与骨骼部分预先规定的安全距离。

4.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，这样构成规划模块(17)，使通过规划模块(17)确定的一个或者多个进入路径尽可能保持与支气管的取决于支气管的直径预先规定的安全距离。

5.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，交互作用模块(14)用于输入与血管和/或与骨骼部分的安全距离，规划模块在其基础上确定一个或者多个进入路径。

6.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，这样构成显示模块(12)，使其在通过规划模块(17)确定的进入路径穿过血管和/或支气管或者不保持至少一个安全距离的情况下，在视觉上凸显有关血管和/或支气管的位置和直径。

7.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，这样构成显示模块(12)，使其在经由皮肤的最小侵入手术时使用将手术所使用的器械尖端的瞬时位置提供到该装置的导航系统情况下，将该瞬时位置在3D图像数据(1)或者从中导出的图像数据显示中显示。

8.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，交互作用模块(14)用于输入路径几何形状，在其基础上规划模块确定一个或者多个进入路径。

9.按权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，这样构成规划模块(17)，使其在与目标位置最短或者简单弯曲路程的前提下确定一个或者多个进入路径。

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