专利名称：一种利用消融治疗影像引导设备处理影像的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用消融治疗影像引导设备处理影像的方法。
背景技术：
近年来，影像引导下的经皮热消融治疗方法凭借其在肿瘤治疗上的微创、安全、肿瘤完全坏死率高、疗效好而无化疗、放疗的毒副作用，对正常组织损伤小，并且能激活增强机体的抗肿瘤免疫等显著优点，成为现代肿瘤治疗方法的重要组成部分。影像引导下的经皮肿瘤热消融是对穿刺精确度要求很高的技术。其治疗的实施需要在术前根据影像学检查进行手术规划，选择合适的穿刺入路，同时确定需要形成多少个消融区才能完全覆盖整个肿瘤。在术中则需要依靠影像学的引导将消融针按照术前的规划植入肿瘤内部。术后需要判断肿瘤消融是否完全、有无肿瘤残留或边缘复发。无论术前的手术规划、术中的穿刺定位还是术后的效果评估均高度依赖术者的经验，受到各种人为因素的干扰，直接影响热消融的疗效。因而有必要采用新的技术和方法克服各种人为因素的干扰，解决术前科学规划、术中精确定位，术后效果评估的难题，将影像引导的肿瘤热消融建立在更加客观、精确的基础上。
发明内容
在此基础上，我们研发了一种消融治疗影像引导设备。这种设备通过三维影像处理和分析技术来直观、清晰、任意角度地显示空间毗邻关系，并通过计算进行定量评估进行术前的手术规划，以及结合介入手术导航系统进行穿刺术中的精确定位，还能通过判断肿瘤消融是否完全、有无肿瘤残留或边缘复发进行有效的手术评估。这种设备的提出有效的解决了术前、术中、术后遇到的各种难题，将影像引导的肿瘤热消融建立在了更加客观、精确的基础上。本发明所述的一种利用消融治疗影像引导设备处理影像的方法，所述消融治疗影像引导设备包括处理器、显示屏、键盘和鼠标；处理器是消融治疗影像引导设备的核心部件；所述处理器内部包括影像采集器、影像处理器和影像管理器；其中，所述影像处理器包括影像二维处理装置、影像三维处理装置、影像测量装置、影像配准装置、影像分割装置；所述方法包括以下步骤(I)对影像进行二维处理；二维处理包括对影像进行基本处理及对影像进行裁剪；(2)对影像进行三维处理；三维处理包括对影像进行体绘制及对影像进行视频制作；(3)对影像进行测量，使使用者能够与二维影像或含有堆栈及平面图形数据类型的三维单张影像面片进行交互操作；(4)进行影像配准；(5)进行影像分割；所述影像分割包括交互式分割及血管分割，通过血管分割在影像中完成血管重建，影像处理完成。本发明解决了术前科学规划、术中精确定位，术后效果评估的难题，通过以上影像处理方法，克服了各种人为因素的干扰，直接提高了热消融的疗效，将影像引导的肿瘤热消融建立在更加客观、精确的基础上。
图I为本发明的结构示意图；图2为本发明的处理器的结构示意图；图3为影像裁剪图；图4为三维体绘制图；图5为影像测量图；图6为点配准图；图7为交互式分割图；图8为血管分割图；图9为肝段分割图；图10为肝内血管图；图11为肿瘤形状大小以及到各管道系统最短距离图；图12为安全边界图；图13为三维PDF报告图；图14为手术导航示意图；图15为消融区域的颜色编码分析图；图16为肿瘤消融手术效果评估图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明所述的消融治疗影像引导设备作进一步的说明，但不能以此作为限制本发明的保护范围。参见图1、2，本发明所述的消融治疗影像引导设备包括处理器I、显示屏2、键盘3 和鼠标4。其中，处理器I是本发明的核心部件，其内部包括影像采集器5、影像处理器6和影像管理器7，影像采集器5用于采集影像信息，并将采集到的影像信息传输给影像处理器 6 ;影像处理器6将由影像采集器5采集来的影像信息进行加工、处理，以得到使用者需要的影像；经过加工、处理的影像直接由显示屏显示2，同时传输至影像管理器7进行存储，以备使用者随时调用。显示屏2、键盘3和鼠标4都与处理器I连接，显示屏2作为处理器I 的输出设备，可以直观地显示影像，以利于使用者浏览、判断、分析；键盘3和鼠标4作为处理器的输入设备，可以操纵处理器1，使使用者根据自己的需求和判断，对影像进行加工、处理。影像处理器6包括影像二维处理装置8、影像三维处理装置9、影像测量装置10、影像配准装置11、影像分割装置12。显示屏2由三个二维视图窗口和一个三维视图窗口组成，三个二维视图窗口分别为横断位窗口、矢状位窗口、冠状位窗口。
影像二维处理装置8由影像基本处理装置及影像裁剪装置两部分构成。影像基本处理装置包括针对单幅影像的滤波处理及针对两幅影像的算术运算处理。单幅影像的滤波处理包括噪声抑制、形态运算、边缘检测以及其它处理方式。其中，噪声抑制包括高斯滤波、中值滤波、总变差滤波；形态运算包括膨胀、腐蚀、开运算、闭运算；边缘检测包括灰度梯度运算、拉普拉斯二阶微分运算、索贝尔算子；其它处理方式包括阈值分割、影像反转、下采样。两幅影像的算术运算包括算术运算和布尔运算。算术运算包括影像2和影像I相加、相减、相乘、相除。布尔运算包括影像2和影像I的“与”、“或”、“异或”。影像裁剪装置一般会分析所有影像数据，为获得更好的对比度及更加灵活的操作方式，用户可执行裁剪操作来选择部分区域数据执行影像处理操作。参见图3，裁剪操作步骤如下(I)在影像管理器内选中需要执行裁剪操作的影像结点。(2)裁剪后，原影像与选择影像之间的像素称为边界体素。边界体素的灰度值的大小可通过点击“设置选择区域外体素的灰度值”复选框后，调节滑块或设置数值设定框来设定。(3)点击“创建裁剪边框”按钮，弹出选择裁剪边界类型对话框。选项包括立方体、 椭球体、圆柱体及圆锥体。点击“确定”按钮后视图中便显示出黄色边框及其框定范围。(4)选择“使用方法”的复选框，将显示用户操作信息。影像三维处理装置由“体绘制”及“视频制作”两部分组成。体数据当中的每一个点都可以分配一个光线的发射与吸收参数。这样，通过模拟光线在体内部的传播，就能够实现体数据在任意视角条件下的显示。体绘制操作步骤如下(I)在数据管理器中选中需要执行操作的影像结点后，点击“体绘制”左边的复选框。执行体绘制操作时会占用处理器的大量资源，因此需耐心等待片刻才能够看到体绘制的执行效果。该设备提供了 5种体绘制算法可供用户选择其中的一种进行体绘制GPU光线投射算法
GPU最大密度投影算法
GPU切面算法
GPU光线投射算法
GPU最大密度投影算法
(2)选择“预设”标签页。
①点击“选择预设体绘制转换函数”按钮，便可以选择使用内部定义或常用的预设值。
“CT Generic”为转换函数默认的首选项。
"CT Black&White"，不使用任何色彩，由于有些影像着色后会掩盖有用信息。
"CT Cardiac"，能够增强心脏CT影像的细节。
"CT Bone"，突出显示骨骼，并使其它部位更加透明。
"CT Bone(Gradient)"，突出显示骨骼，但运用阶梯的方式显示其它器官表面。
" MR Generic"为读取核磁影像时采用的默认的转换函数(核磁影像不像CT影像那样规则)。②保存与加载常用预设值创建或编辑转换函数后，自定义转换函数能够被存储，并再次应用于文件系统。点击“保存“加载”)按钮，能够将阈值、色彩及梯度函数结合后保存(加载)在*.xml格式文件中。③灰度值区间调整通过调整滑块来调整所有函数发生器对应的灰度值范围，或放大“灰度值范围”窗口的范围值。④不透明度映射函数发生器该点的灰度值将被映射到设定的透明度值。透明度值为O时显示为全透明，值为 I时显示为全不透明。⑤颜色映射函数发生器该点的灰度值将被映射到设定的颜色。⑥梯度变换函数发生器设置灰度值变换的大小与不透明度之间的映射，用于控制某些特定的灰度值。定制以上三种函数发生器时均可包含下列操作点击鼠标左键增加调节点。 点击鼠标右键删除调节点。点击并按住鼠标左键可用于拖动调节已存在的调节点。(3)除直接编辑转换函数外，影像三维处理装置还提供了两种能够自动产生转换函数的常用图形，即阈值图和钟形图。这两种方式均包含两个参数，在点击十字图形后上/ 下且左/右移动鼠标，可用于修改参数值。第一个参数为“中心”(通过平行移动鼠标来控制其大小)，用于指定将被加载的图形中心的灰度值。第二个参数是“宽度”(通过垂直移动鼠标来控制其大小)，用于指定图形的宽度 (或梯度倾斜度)。①选择“阈值”标签页可激活创建阈值图形的阈值函数发生器。阈值图形起始于零点并提升至“中心”参数值。宽度值越小，阈值函数的图形越陡峭。②点击“钟形”标签页可激活创建钟形图形的阈值函数发生器。阈值图形起始于零点，提升至“中心”参数值后再降到零点。“宽度”参数值对应于钟形图形的宽度。影像处理结果可以通过制作视频录制将视频或视图截屏保存下来。影像测量装置能够使用户与二维影像或含有堆栈及平面图形数据类型的三维单张影像面片进行交互操作。它可以测量距离、角度、路径及一些几何图形。执行测量操作后， 可将与所选影像相关的相同或不同的测量图形一起进行保存，以备将来所用。当在影像上画了多个图形时，当前应用图形显示为红色，其余应用图形则显示为白色，影像上的显示值为当前应用图形的返回值。所有的测量图形都会各自生成一个影像树的结点在数据管理器中显示出来。不再需要的单一的测量图形或影像能够在数据管理器中逐个进行删除或作为一组整体删除。
影像测量包括画线、画路径、画角、画四分制角、画圆、画矩形、画多边形。若在数据管理器中选择了遮罩影像，则影像的名称将显示在信息栏的“遮罩”后面。向下依次显示所选影像的统计信息及灰度直方图。影像配准装置由“点配准”、“刚体配准”及“非刚体配准”三部分组成。医学影像配准是指将一组医学影像经空间变换后，使它与另一组保持不动的医学影像上的对应点达到空间上的一致。保持不动的叫做参考影像，做变换的称作浮动影像。配准的结果应用于浮动影像。影像配准操作都应先进行以下四步操作(I)加载需要配准的两组影像。(2)在数据管理器中选中两组影像。选择其中的一组为参考影像，另一组为浮动影像。可通过点击“参考影像与浮动影像互换”按钮来确定哪一组为参考影像，哪一组为浮动影像。(3)交互区上方显示出参考影像与浮动影像的结点名称。可通过点击“参考影像与浮动影像互换”按钮来确定哪一组为参考影像，哪一组为浮动影像。(4)通过调节滑块来设置浮动影像的透明度，滑块在最左边时，浮动图像显示为全透明状态，在最右边时则显示为完全不透明状态。选中显示选项的复选框，可使两组影像由灰度影像切换为红/绿色影像。采用两种颜色进行对比，可使影像间的区别更加明显。影像分割装置能够在人体的医学影像上为解剖结构及病理结构创建分割。包括交互式分割及血管分割两部分。以下以肝脏为例，说明影像分割装置的工作原理。血管分割包括基于阈值的血管分割和基于模型的血管重建两步。影像基本要求为血管强化过CT数据，层厚< 2mm，且血管CT体素平均值大于周围器官30个灰度值，基本能看到血管就可用于分割(核磁也可以，不过对操作人员要求较高不建议采用核磁影像)。基于阈值的血管分割操作步骤如下(I)选取种子点(2)确定阈值即确定血管的上下阈值，把鼠标移动到血管内，确定阈值范围，点击预览观查分割效果，调整阈值，直到取得较理想的血管分割数据。(3)血管分割确定完阈值后点击分割按钮，等待分割完成的血管数据。(4)基于模型的血管重建完成分割后的血管比较粗糙，无法完成后续的各种分析，因此需要对血管进行重建，首先在三维窗口选取血管的起点(一般为一个点)，然后按照你所需要的血管分支选取血管的终止点，未选取的分支则不重建，选择好种子点之后点击重建按钮，此步骤耗时较长，等待计算完成就可以看到重建后的血管结果。(5)中心线提取用于形态分析及血管重建。(6)肝段分割能够将肝脏按照医学要求，将肝脏分为八段用不同的颜色显示出来，并将每个肝段内部相应的血管也用不同的颜色显示出来。应用本设备可实现如下几个功能I、术前规划(I)对肿瘤大小、最大径以及肿瘤表面到各管道系统距离的计算及可视化。参见图11，肿瘤大小，形状，最大径及表面各点到肝静脉，肝动脉，门脉，胆囊各管道系统的最短距离可通过本设备精准的反映与测量出来。(2)对肿瘤消融所划定的安全边界的风险分析。参见图12，通过重建后的三维渲染图，可以清晰看到预先划定的消融安全边界是否存在风险，可根据实际情况，重新划定安全边界。(3)将肝脏三维重建模型生成三维PDF报告。参见图13，规划完成后，可实现将肝脏三维重建模型及各项信息导出到PDF软件，并生成三维PDF报告。2、手术导航影像引导下的介入手术导航系统采用多种模态的医学影像协助医生将手术器械直接穿刺到肿瘤内部进行局部治疗，进而提高手术质量、减少手术创伤、降低患者痛苦。本系统的功能包括(I)本系统执行了手术器械顶点与跟踪工具之间的标定。参见图14，磁定位仪将获取的跟踪工具的坐标信息与术中的超声图像统一在同一坐标系内后，系统将统一的信息映射到影像坐标系内，实现获得任意时刻手术器械顶点在影像坐标系内的坐标信息，并进行三维显示。最终实现了定位仪器、病人/术中超声影像、跟踪工具、手术器械及术前CT影像之间的配准。实现了坐标系的转换和注册。(2)本系统能够将术前的CT图像与术中的超声图像进行配准，并通过立体定位仪器实现术中的医学图像、患者、手术器械之间的精确配准。(3)术前进针路径规划根据处理后的医学图像信息设计进针点距离、进针角度和进针深度。(4)术中进针引导通过映射将由定位装置获取的手术器械的实时坐标信息映射至影像坐标系内，同时计算手术器械与规划路径之间的偏差，精确引导手术按照术前规划进行穿刺。(5)融合导航的三维仿真装置在手术进行中实现了术中超声影像和术前CT影像的实时融合，并与三维影像重合显示。计算出术中超声影像在三维影像上相应的空间切面位置，通过在CT体数据上进行实时的三维重采样来显示与之对应的多平面重建，便于医生从多角度、多层次进行观察和分析。3、术后评估该设备可以判断肿瘤消融是否完全、有无肿瘤残留或边缘复发。(I)清楚显示消融后的管道系统是否有损伤。(2)应用红黄绿颜色编码方案表示三维肿瘤模型。应用红黄绿颜色编码方案来表示评估结果。即红色表示不能进行消融手术的区域，黄色表示未完全消融的区域，绿色表示已成功消融的区域。(3)将三维肿瘤模型展开成二维平面图直观显示。参见图15，将重建后的肿瘤模型展开成二维平面图，并应用颜色编码方案来清晰、直观的展示未消融、未完全消融与已完全消融的区域。(4)对肿瘤消融手术效果的评估。参见图16，对肿瘤消融手术效果评估，即分析是否完全消融并且达到了消融的安全边界。通过该方案，未消融，未完全消融，完全消融区域占得百分比可以计算出来，平面图上每点对应的肿瘤三维坐标以及距消融区表面的距离都可以计算并显示出来。
权利要求
1.一种利用消融治疗影像引导设备处理影像的方法，所述消融治疗影像引导设备包括处理器、显示屏、键盘和鼠标；处理器是消融治疗影像引导系统的核心部件；所述处理器内部包括影像采集器、影像处理器和影像管理器，其中，所述影像处理器包括影像二维处理装置、影像三维处理装置、影像测量装置、影像配准装置、影像分割装置。其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)对影像进行二维处理；二维处理包括对影像进行基本处理及对影像进行裁剪；(2)对影像进行三维处理；三维处理包括对影像进行体绘制及对影像进行视频制作；(3)对影像进行测量，使使用者能够与二维影像或含有堆栈及平面图形数据类型的三维单张影像面片进行交互操作；(4)进行影像配准；(5)进行影像分割；所述影像分割包括交互式分割及血管分割，通过血管分割在影像中完成血管重建，影像处理完成。
全文摘要
一种利用消融治疗影像引导设备处理影像的方法，所述方法包括以下步骤对影像进行二维处理；二维处理包括对影像进行基本处理及对影像进行裁剪；对影像进行三维处理；三维处理包括对影像进行体绘制及对影像进行视频制作；对影像进行测量，使使用者能够与二维影像或含有堆栈及平面图形数据类型的三维单张影像面片进行交互操作；进行影像配准；进行影像分割；所述影像分割包括交互式分割及血管分割，通过血管分割在影像中完成血管重建，影像处理完成。
文档编号G06F19/00GK102592060SQ20121003090
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月10日 优先权日2012年2月10日
发明者于晓玲, 于杰, 刘方义, 吴文波, 孙云娜, 李寅岩, 梁萍, 程志刚, 穆梦娟, 类成龙, 薛劲, 韩治宇, 鲁通 申请人:中国人民解放军总医院