辅助肾脏手术入路的模拟方法及系统与流程

本发明涉及计算机医学辅助诊疗技术领域，尤其涉及一种辅助肾脏手术入路的模拟方法及系统。

背景技术：

肾脏肿瘤是泌尿系统的常见肿瘤之一，发病率较高。肾脏肿瘤由于位置深，腹腔内解剖复杂，手术时常存在困难，尤其是分离血管，处理肿瘤切面，以及避开肠道器官的问题，增大了并发症的发生率。

现有技术中没有针对于肾脏肿瘤手术有效的辅助技术，从而仅能依靠医生经验来做手术，手术难度大，风险较高。

综上可知，现有的方法在实际使用上，存在着较多的问题，所以有必要加以改进。

技术实现要素：

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种辅助肾脏手术入路的模拟方法及系统，能够在肾脏肿瘤切除手术中，自动模拟出缝合面，最佳手术入路点；手术中避开骨骼，其它腹部器官的影响；提高手术质量。

为了实现上述目的，本发明提供一种辅助肾脏手术入路的模拟方法，包括：

模型获取步骤，分别获取患者对应肾脏、肿瘤和皮肤的三维模型；

计算步骤，根据肾脏模型和肿瘤模型的相交曲线，计算所述相交曲线的最长径以及垂直于所述最长径的短轴；

切面与缝合面步骤，通过所述最长径和所述短轴建立起一切面，并获取垂直于所述切面且经过所述最长径的缝合面；

入路生成步骤，在以所述短轴为中心轴的一对参考锥体的锥面上，选取一对手术入路与皮肤模型相交生成两个入路参考点。

所述模型获取步骤进一步包括：

获取所述患者的肾脏、所述肾脏对应部位的皮肤以及经过膨胀处理的肿瘤的三维模型。

所述计算步骤进一步包括：

计算所述相交曲线上任意两点之间的距离，并以最远距离的路径作为所述最长径，以所述相交曲线内所述最长径的垂直中分线段为所述短轴。

所述切面与缝合面步骤进一步包括：

将所述最长径和所述短轴作为中心对称轴以生成矩形状的所述切面，并将垂直于所述切面且经过所述最长径的平面作为所述缝合面。

可选的，所述入路生成步骤包括：

参考锥体步骤，以所述短轴为中心轴生成一对参考锥体，所述一对参考锥体对称分布在所述缝合面两侧；

参考路径步骤，在一对所述参考锥体上分别选取一手术入路的参考路径，所述参考路径为所述参考锥体的锥面上任一点到顶点的路径；

入路参考点步骤，根据选取的两条所述参考路径与皮肤模型的交点，生成两个入路参考点。

还提供了一种辅助肾脏手术入路的模拟系统，包括有：

模型获取单元，用于分别获取患者对应肾脏、肿瘤和皮肤的三维模型；

计算单元，用于根据肾脏模型和肿瘤模型的相交曲线，计算所述相交曲线的最长径以及垂直于所述最长径的短轴；

切面与缝合面单元，用于通过所述最长径和所述短轴建立起一切面，并获取垂直于所述切面且经过所述最长径的缝合面；

入路生成单元，用于在以所述短轴为中心轴的一对参考锥体的锥面上，选取一对手术入路与皮肤模型相交生成两个入路参考点。

所述模型获取单元进一步用于：

获取所述患者的肾脏、所述肾脏对应部位的皮肤以及经过膨胀处理的肿瘤的三维模型。

所述计算单元进一步用于：

计算所述相交曲线上任意两点之间的距离，并以最远距离的路径作为所述最长径，以所述相交曲线内所述最长径的垂直中分线段为所述短轴。

所述切面与缝合面单元进一步用于：

将所述最长径和所述短轴作为中心对称轴以生成矩形状的所述切面，并将垂直于所述切面且经过所述最长径的平面作为所述缝合面。

可选的，所述入路生成单元包括有：

参考锥体子单元，用于以所述短轴为中心轴生成一对参考锥体，所述一对参考锥体对称分布在所述缝合面两侧；

参考路径子单元，用于在一对所述参考锥体上分别选取一手术入路的参考路径，所述参考路径为所述参考锥体的锥面上任一点到顶点的路径；

入路参考点子单元，用于根据选取的两条所述参考路径与皮肤模型的交点，生成两个入路参考点。

本发明所述的辅助肾脏手术入路的模拟方法及其系统，通过获取患者对应肾脏、肿瘤和皮肤的三维模型，根据肾脏模型和肿瘤模型之间的相交曲线计算相交曲线的最长径和短轴，从而建立切面和缝合面；在以所述短轴为中心轴的一对参考锥体的锥面上，选取一对手术入路与皮肤模型相交生成两个入路参考点。本发明在三维重建模拟的基础上，能够自动确定肿瘤的最大切面，显示其最长径，显示缝合面，自动手术在皮肤上的入路点，显示手术入路的参考锥体，计算肾脏与肿瘤相交线的投影面积；能够在肾脏肿瘤切除手术中，自动模拟出缝合面，最佳手术入路点；手术中避开骨骼，其它腹部器官的影响；提高手术质量。

附图说明

图1为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的步骤流程图；

图2为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述入路生成步骤可选的步骤流程图；

图3为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟系统的结构框图；

图4为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟系统的所述入路生成单元可选的结构框图；

图5为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述相交曲线、所述最长径和所述短轴的结构示意图；

图6为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述相交曲线、所述最长径与预设的临时轴的结构示意图；

图7为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述切面的结构示意图；

图8为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述切面与所述缝合面的结构示意图；

图9为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述参考锥体的结构示意图；

图10为本发明优选实施例所述辅助肾脏手术入路的模拟方法的所述相交曲线投影的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的，本说明书中针对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用，指的是描述的该实施例可包括特定的特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包含这些特定特征、结构或特性。此外，这样的表述并非指的是同一个实施例。进一步，在结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，不管有没有明确的描述，已经表明将这样的特征、结构或特性结合到其它实施例中是在本领域技术人员的知识范围内的。

此外，在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件或部件，所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可以用不同的名词或术语来称呼同一个组件或部件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件或部件的方式，而是以组件或部件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求书中所提及的“包括”和“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“连接”一词在此系包含任何直接及间接的电性连接手段。间接的电性连接手段包括通过其它装置进行连接。

图1示出本发明优选实施例所述的辅助肾脏手术入路的模拟方法，包括步骤：

s101：分别获取患者对应肾脏、肿瘤和皮肤的三维模型；即分别获得患者对应的肾脏模型、肿瘤模型以及皮肤模型，当然还可以进一步获取其中的骨骼模型和其他需要的器官模型等，其用于方便医生查看手术入路路径，手术时避开骨骼或者其他器官。

步骤s101进一步包括：获取所述患者的肾脏、所述肾脏对应部位的皮肤以及经过膨胀处理的肿瘤的三维模型；具体通过在基于医学图像建立的三维模型中选定肾脏，经过膨胀的肿瘤，骨骼以及皮肤等三维模型。

s102：根据肾脏模型和肿瘤模型的相交曲线，计算所述相交曲线的最长径以及垂直于所述最长径的短轴；其中，相交曲线为肾脏模型和肿瘤模型重合部分的曲线，且所述相交曲线具体为非规则的椭圆形；根据获取到的相交曲线进一步计算其相交曲线的最长径和短轴。

步骤s102进一步包括：计算所述相交曲线上任意两点之间的距离，并以最远距离的路径作为最长径，以相交曲线内最长径的垂直中分线段为所述短轴。

s103：通过所述最长径和所述短轴建立起一切面，并获取垂直于所述切面且经过所述最长径的缝合面。

步骤s103进一步包括：将所述最长径和短轴作为中心对称轴以生成矩形状的所述切面，并将垂直于所述切面且经过最长径的平面作为所述缝合面；具体根据相交曲线内的最长径和短轴来建立起切面，参见图5～图8，相交曲线是由若干个坐标点p1、p2、…(点与点之间的距离不相等)，相互连接起来的曲线。假设最长径两端的坐标分别为pi和pj；之后取pi和pj的之间的两个坐标pm，pn，设线段pmn为临时轴，将最长径pij与临时轴pmn做叉乘，得到两轴的法向量n。以最长径的中心点以及法向量n，得到切面plane的函数，此切面为矩形且为肿瘤模型的最大切面，最长径为矩形的一条对称轴，其短轴为另一对称轴，即短轴的两个点分别为pi和pk。当肾脏切除肿瘤后，需要将手术创口缝合起来，所述缝合面即用来模拟此处的缝合，缝合面的法向量方向与短轴平行。

s104：在以所述短轴为中心轴的一对参考锥体的锥面上，选取一对手术入路与皮肤模型相交生成两个入路参考点。所述参考锥体为模拟图形，且两个参考锥体的顶点与短轴的中心点重合，通过在其锥面上选取一对模拟的手术入路，与皮肤模型相交生成两个入路参考点，所述入路参考点即为所述手术入路与皮肤模型之间的交点；因此，根据获取到的切面、缝合面、手术入路以及入路参考点，即可辅助医生在肾脏肿瘤切除手术中，避开骨骼，其它腹部器官的影响；提高手术质量。

参见图2和图9，可选的，步骤s104包括有：

s1041：以所述短轴为中心轴生成一对参考锥体，所述一对参考锥体对称分布在所述缝合面两侧；生成两个参考锥体，用于模拟手术入路的路径；短轴为锥体的中心轴，中心点为锥体的顶点，锥体内表面与短轴之间的夹角为75度；以缝合面为对称面生成另一锥体。

s1042：在一对所述参考锥体上分别选取一手术入路的参考路径，所述参考路径为所述参考锥体的锥面上任一点到顶点的路径；锥体上的任意点到顶点的路径，都可以是参考路径，通过调整位置，确定其最佳路径；两条路径与缝合面对称。

s1043：根据选取的两条所述参考路径与皮肤模型的交点，生成两个入路参考点。此路径用于模拟手术下刀的方向及路径；路径线会标示出与骨骼或者其它器官的是否相交，有助于医生选择手术的下刀点。

参见图10，本方法还可用于计算肾脏与肿瘤相交线在切面上投影曲线的面积，入路路径与切面的夹角计算；肾脏与肿瘤相交曲线在三维空间中，并不是在同一平面内，也不是规则的图形，所以需要先把相交曲线的各个点都投影到切面上，之后将所有的点连接成一个有向曲线，之后计算面积；此面积可以用来评估手术创口的大小。

图3示出本发明优选实施例所述的辅助肾脏手术入路的模拟系统100，包括有模型获取单元10、计算单元20、切面与缝合面单元30以及入路生成单元40，其中：

模型获取单元10用于分别获取患者对应肾脏、肿瘤和皮肤的三维模型；计算单元20用于根据肾脏模型和肿瘤模型的相交曲线，计算所述相交曲线的最长径以及垂直于最长径的短轴；切面与缝合面单元30用于通过所述最长径和短轴建立起一切面，并获取垂直于切面且经过所述最长径的缝合面；入路生成单元40用于在以所述短轴为中心轴的一对参考锥体的锥面上，选取一对手术入路与皮肤模型相交生成两个入路参考点。

模型获取单元10进一步用于：获取所述患者的肾脏、所述肾脏对应部位的皮肤以及经过膨胀处理的肿瘤的三维模型。

计算单元20进一步用于：计算所述相交曲线上任意两点之间的距离，并以最远距离的路径作为所述最长径，以所述相交曲线内所述最长径的垂直中分线段为所述短轴。

切面与缝合面单元30进一步用于：将所述最长径和短轴作为中心对称轴以生成矩形状的所述切面，并将垂直于所述切面且经过所述最长径的平面作为所述缝合面。

参见图4，可选的，入路生成单元40包括有参考锥体子单元401、参考路径子单元402以及入路参考点子单元403，其中：

参考锥体子单元401用于以所述短轴为中心轴生成一对参考锥体，所述一对参考锥体对称分布在所述缝合面两侧；参考路径子单元402用于在一对所述参考锥体上分别选取一手术入路的参考路径，所述参考路径为所述参考锥体的锥面上任一点到顶点的路径；入路参考点子单元403用于根据选取的两条所述参考路径与皮肤模型的交点，生成两个入路参考点。

本系统100还可用于计算肾脏与肿瘤相交线在切面上投影曲线的面积，入路路径与切面的夹角计算；肾脏与肿瘤相交曲线在三维空间中，并不是在同一平面内，也不是规则的图形，所以需要先把相交曲线的各个点都投影到切面上，之后将所有的点连接成一个有向曲线，之后计算面积；此面积可以用来评估手术创口的大小。

需要注意的是，本申请可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(asic)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本申请的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本申请的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，ram存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本申请的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

根据本发明的方法可以作为计算机实现方法在计算机上实现、或者在专用硬件中实现、或以两者的组合的方式实现。用于根据本发明的方法的可执行代码或其部分可以存储在计算机程序产品上。计算机程序产品的示例包括存储器设备、光学存储设备、集成电路、服务器、在线软件等。优选地，计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上以便当所述程序产品在计算机上执行时执行根据本发明的方法的非临时程序代码部件。

在优选实施例中，计算机程序包括适合于当计算机程序在计算机上运行时执行根据本发明的方法的所有步骤的计算机程序代码部件。优选地，在计算机可读介质上体现计算机程序。

综上所述，本发明所述的辅助肾脏手术入路的模拟方法及其系统，通过获取患者对应肾脏、肿瘤和皮肤的三维模型，根据肾脏模型和肿瘤模型之间的相交曲线计算相交曲线的最长径和短轴，从而建立切面和缝合面；在以所述短轴为中心轴的一对参考锥体的锥面上，选取一对手术入路与皮肤模型相交生成两个入路参考点。本发明在三维重建模拟的基础上，能够自动确定肿瘤的最大切面，显示其最长径，显示缝合面，自动手术在皮肤上的入路点，显示手术入路的参考锥体，计算肾脏与肿瘤相交线的投影面积；能够在肾脏肿瘤切除手术中，自动模拟出缝合面，最佳手术入路点；手术中避开骨骼，其它腹部器官的影响；提高手术质量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。