器官三维图像重建方法、手术导航方法及手术辅助系统与流程

技术领域：

本发明涉及一种器官三维图像重建方法、手术导航方法及手术辅助系统。

背景技术：
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通常医学成像设备获得的只是人体的二维断层图像，不利于人们获取各组织间的相对空间位置关系，满足不了要对数据进行精确分析的要求。三维重建能从图像文件中提取信息以创建3d模型，能将人体的器官组织和病变部位以三维形式显示出来，为医生的临床诊断和治疗提供有用的可视化信息。三维重建技术就是根据由ct、mri等获得的二维图像切片运用计算机图形学、图像处理、以及医学领域的相关知识重新建立人体内的组织或器官的三维图像的过程。三维重建可以清晰真实地反映器官内管道系统及其与肿瘤的相对位置关系，明确肿瘤的侵犯范围，并根据重建结果制定治疗方案。三维重建技术在外科术前诊断、术前评估、外科治疗、预后评估等方面具有很高的实用价值。

但目前发现的器官三维虚拟图像重建方法，比较复杂，重建的影像不太准确。

另外，器官三维虚拟图像重建后，如果没有3d浏览器软件和3d眼镜，用户只能观看三维建模的二维图像，无法呈现立体的三维图像和手续导航等操作，发挥的作用有限。

技术实现要素：
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本发明的一个目的是提供一种器官三维图像重建方法，解决现有技术中器官三维虚拟图像重建方法，比较复杂，重建的影像不太准确的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种手术导航方法，解决现有技术中器官三维虚拟图像重建后，只能观看三维建模的二维图像，无法呈现立体的三维图像和手术导航等操作，发挥的作用有限的技术问题。

本发明的再一个目的是提供一种手术辅助系统，解决现有技术中手术辅助系统无法呈现立体的三维图像的问题。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种器官三维图像重建方法，包括如下步骤：步骤1、针对目标重建器官，利用现有医疗设备对目标重建器官进行处理，获取ct或者mri二维影像数据；步骤2、将步骤1的二维影像数据导入3d-doctor软件，利用3d-doctor软件重建目标重建器官的三维模型并形成三维图像数据文件。

上述所述步骤2中，在将步骤1的二维影像数据导入3d-doctor软件后，设置目标重建器官名称，画出目标重建器官的兴趣区，设置好二维影像数据的数据格式，交互式提取目标重建器官边界，然后表面渲染形成目标重建器官三维模型。

上述所述器官为血管、内脏、骨骼或肌肉。

一种手术导航方法，它包括如下步骤：步骤a：利用上述所述的一种器官三维虚拟图像重建方法得到目标重建器官的三维模型并形成三维图像数据文件；步骤b：用3d浏览器软件打开三维图像数据文件，并进行相应的操作；步骤c：在手术过程中佩戴3d/ar眼镜，观看患者术前目标重建器官的三维图像，与手术中患者解剖结构清晰地对比。

上述所述步骤b中利用3d浏览器软件打开三维图像数据文件，并进行2d/3d模式切换、或批注、或尺寸测量、或颜色设置、或自动播放的操作。

上述所述3d浏览器软件带有7个模块，7个模块包括：模块1：导入模型模块，用于导入三维图像数据文件；模块2：列表模块，用于隐藏及显示三维模型、手动移动三维模型、使三维模型回到初始位置；模块3：2d/3d切换模块，用于选择以3d模式或2d模式显示三维模型；模块4：批注模块，用于在三维模型上的任意点上留下注释/画线、删除注释/画线；模块5：上色模块，用于给模型上色或调整模型的透明度；模块6：自动播放模块，用于自动旋转模型；模块7：测量模块，用于测量模型上任意两点之间的距离。

一种手术辅助系统，其特征在于：包括计算机主机和3d/ar眼镜，所述计算机主机设置有器官三维图像重建模块和3d显示模块，器官三维图像重建模块用于将从ct或mri获得的包括目标提取物的二维影像数据进行三维重建形成三维模型及三维图像数据文件、并将三维图像数据文件发送给3d显示模块，3d显示模块显示三维图像数据文件并将三维图像数据文件发送给3d/ar眼镜；所述3d/ar眼镜用于接收并显示三维图像数据文件。

上述所述3d显示模块包括：导入子模型，用于导入三维图像数据文件；列表子模块，用于隐藏及显示三维模型、手动移动三维模型、使三维模型回到初始位置；批注子模块，用于在三维模型上的任意点上留下注释/画线、删除注释/画线；上色子模块，用于给模型上色或调整模型的透明度；测量子模块，测量子模块用于测量模型上任意两点之间的距离。

上述所述3d显示模块还包括自动播放子模块，自动播放子模块用于自动以一定速度旋转显示三维模型。

上述所述3d显示模块还包括2d/3d切换子模块，2d/3d切换子模块用于选择以3d模式或2d模式显示三维模型。

上述所述3d/ar眼镜包括高清微显示屏。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

1)本发明的器官三维图像重建方法，利用现有医疗设备对目标重建器官进行处理，获取ct或者mri的二维影像数据，然后将二维影像数据导入3d-doctor软件，利用3d-doctor软件重建目标重建器官的三维图像并形成三维图像数据文件，方法简单，数据准确。

2)本发明的手术导航方法，利用器官三维虚拟图像重建方法得到目标重建器官的三维图像数据；然后用3d浏览器软件打开三维图像数据，并进行相应的操作；在手术过程中佩戴3d/ar眼镜，观看患者术前目标重建器官的三维图像，与手术中患者解剖结构清晰地对比，基于这种三维模型信息的呈现与观测，使医生对手术操作路径一目了然，可以减小手术创面，极大的提高外科医生的手术精确度，从而为患者提供更好的医疗服务。

3)本发明的手术辅助系统，将二维影像数据转换为三维图像，医护人员使用3d/ar眼镜即可观看立体的三维图像，三维图像可以清晰真实地反映器官内管道系统及其与肿瘤的相对位置关系，明确肿瘤的侵犯范围，医护人员可根据三维图像制定术前治疗方案并在手术中进行辅助导航，降低手术的难度和风险。

4)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。

附图说明：

图1是实施例一公开的器官三维图像重建方法的流程图；

图2是实施例一公开的血管三维图像重建方法的流程图；

图3为实施例二公开的内脏三维图像重建方法的流程图；

图4为使用内脏三维图像重建方法重建的肝脏三维图像的效果图；

图5为实施例三公开的骨骼三维图像重建方法的流程图；

图6为骨骼三维图像重建方法中使用的膝关节mri二维影像的示意图；

图7为使用骨骼三维图像重建方法重建的膝关节的效果示意图；

图8为膝关节三维图像中骨骼结构的示意图；

图9是实施例四公开的手术导航方法的流程图；

图10是手术导航方法中3d浏览器软件的方框图；

图11是手术导航方法中3d浏览器软件的操作介面示意图；

图12是实施例五公开的手术辅助系统的方框图；

图13是手术辅助系统中3d显示模块以2d模式显示三维模型的示意图；

图14是手术辅助系统中3d显示模块以3d模式显示三维模型的示意图；

图15是手术辅助系统中应用测量子模块的示意图；

图16是手术辅助系统中3d/ar眼镜的原理示意图；

图17是手术辅助系统中3d/ar眼镜的结构示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的是一种器官三维图像重建方法，包括如下步骤：

步骤1、针对目标重建器官，利用现有医疗设备对目标重建器官进行处理，获取ct或者mri二维影像数据；

步骤2、将步骤1的二维影像数据导入3d-doctor软件，利用3d-doctor软件重建目标重建器官的三维模型并形成三维图像数据文件。

上述步所述步骤2中，在将步骤1的二维影像数据导入3d-doctor软件后，设置目标重建器官名称，画出目标重建器官的兴趣区，设置好二维影像数据的数据格式，交互式提取目标重建器官边界，然后表面渲染形成目标重建器官三维模型。

如图2所示，下面以门静脉为例将门静脉进行三维重建，其具体工作过程如下：

步骤a1：利用医院的ct设备对病人的门静脉及肝静脉进行扫描，形成ct血管造影(cta)，获取包括门静脉在内的ct数据，储存为dicom格式，层厚2.0mm，图像分辨率512×512像素；

步骤b1：将门静脉的ct数据导入3d-doctor软件，软件自动设置图片实物比例(calibration)；

步骤c1：目标提取物设置为门静脉(defineobject)；

步骤d1：画出门静脉兴趣区(roi)；

步骤e1：设置门静脉ct，交互式提取门静脉边界；

步骤f1：微调处理门静脉边界(bounderies)；

步骤g1：门静脉表面渲染(surfacerendering)形成门静脉三维结构。

实施例二：

如图3、图4所示，本实施例提供的是一种内脏三维图像重建方法，内脏三维图像重建方法与血管三维图像重建方法类似，下面以肝脏为例将肝脏进行三维重建，具体包括如下步骤：

步骤a2：利用医院的ct设备对病人的肝脏进行扫描，形成肝脏ct二维影像数据，储存为dicom格式，二维影像数据储存为dicom格式，层厚2.5mm，图像分辨率512×512像素；

步骤b2：将肝脏ct二维影像数据导入3d-doctor软件，软件自动设置图片实物比例；

步骤c2：目标提取物设置为肝脏；

步骤d2：根据ct值自动识别和手工修正的方法，重建包括肝脏及肝脏内部血管的3d模型。

肝脏三维图像重建后的3d模型如图3所示。

实施例三：

如图5至图8所示，本实施例提供的是一种骨骼三维图像重建方法，骨骼三维图像重建方法与血管三维图像重建方法类似，下面以膝关节为例将膝关节进行三维重建，具体包括如下步骤：

步骤a3：利用医院的核磁共振(mri)设备对病人的膝关节进行扫描，形成膝关节mri二维影像数据，二维影像数据储存为dicom格式，层厚2.5mm，图像分辨率512×512像素；

步骤b3：将膝关节mri二维影像数据导入3d-doctor软件，软件自动设置图片实物比例；

步骤c3：目标提取物设置为膝关节；

步骤d3：根据mri值自动识别和手工修正的方法，重建包括膝关节及膝关节周边肌肉的3d模型。

膝关节三维图像重建后膝关节及膝关节周边肌肉的3d模型如图7、图8所示。

实施例四：

如图9所示，本实施例提供一种手术导航方法，如下以门静脉及肝静脉为例具体说明，它包括如下步骤：

步骤a4：利用上述所述的一种血管三维虚拟图像重建方法得到目标重建血管的三维模型并形成三维图像数据文件；

步骤b4：用3d浏览器软件打开三维图像数据文件，并进行相应的操作；

步骤c4：在手术过程中佩戴3d/ar眼镜，观看患者术前目标重建血管的三维图像，与手术中患者解剖结构清晰地对比。

上述所述步骤b4中利用3d浏览器软件打开三维图像数据文件，并进行2d/3d模式切换、或批注、或尺寸测量、或颜色设置、或自动播放的操作。

如图10和图11所示，上述所述3d浏览器软件带有7个模块，如图10所示，7个模块包括：

模块1：导入模型模块，用于导入三维图像数据文件；

模块2：列表模块，用于隐藏及显示三维模型、手动移动三维模型、使三维模型回到初始位置；

模块3：2d/3d切换模块，用于选择以3d模式或2d模式显示三维模型；

模块4：批注模块，用于在三维模型上的任意点上留下注释/画线、删除注释/画线；

模块5：上色模块，用于给模型上色或调整模型的透明度；

模块6：自动播放模块，用于自动旋转模型；

模块7：测量模块，用于测量模型上任意两点之间的距离。

实施例五：

如图12所示，本实施例提供一种手术辅助系统，其特征在于：包括计算机主机3和3d/ar眼镜5，所述计算机主机3设置有器官三维图像重建模块11和3d显示模块32，器官三维图像重建模块31用于将从ct或mri获得的包括目标提取物的二维影像数据进行三维重建形成三维模型及三维图像数据文件、并将三维图像数据文件发送给3d显示模块32，3d显示模块32显示三维图像数据文件并将三维图像数据文件发送给3d/ar眼镜5；所述3d/ar眼镜5用于接收并显示三维图像数据文件。医护人员使用3d/ar眼镜5即可观看立体的三维图像，三维图像可以清晰真实地反映器官内管道系统及其与肿瘤的相对位置关系，明确肿瘤的侵犯范围，医护人员可根据三维图像制定术前治疗方案并在手术中进行辅助导航，降低手术的难度和风险。

具体的，所述器官三维图像重建模块31是通过实施例一或实施例二或实施例三所述的器官三维图像重建方法将二维影像数据重建为三维图像数据文件。

本实施例以门静脉为例进行具体描述。所述目标提取物为门静脉及肝静脉、下腔静脉及动脉等人体内部血管。

上述所述3d显示模块32包括：

导入子模型321，用于导入三维图像数据文件；

列表子模块322，用于隐藏及显示三维模型、手动移动三维模型、使三维模型回到初始位置；

批注子模块323，用于在三维模型上的任意点上留下注释/画线、删除注释/画线；具体的，可通过点击模型上的任意点，即可在该点上留下注释，通过长按鼠标左键并拖拽可以在三维模型上的任意点上留下线条，能过点击三维模型上的已画线条一次即删除一组上次画的线。

上色子模块324，用于给模型上色或调整模型的透明度；

测量子模块325，测量子模块用于测量模型上任意两点之间的距离。

医护人员可直接在三维图像中加入批注、画线、上色和测量距离，使医护人员可更详细地进行术前准备。

具体的，导入子模型321中，支持导入obj与stl等多种格式文件。批注子模块323中，可通过点击模型上的任意点，即可在该点上留下注释；通过长按鼠标左键并拖拽可以在三维模型上的任意点上留下线条；通过点击三维模型上的已画线条一次即删除一组上次画的线。上色子模块324中，在选中三维模型的任意部分后，选择色盘内的颜色给选中部分上色；拖动菜单的长条可调整三维模型的透明度。如图15所示，测量子模块325中，在三维模型上点击任意两点即可测量出两点之间的距离。

上述所述3d显示模块32还包括自动播放子模块326，自动播放子模块用于自动以一定速度旋转显示三维模型。

上述所述3d显示模块32还包括2d/3d切换子模块327，如图13和图14所示，2d/3d切换子模块327用于选择以3d模式或2d模式显示三维模型。

如图16和图17所示，3d/ar眼镜5包括微型显示器成像光学系统，微型显示器成像光学系统包括微型显示器10及光学棱镜20，所述的光学棱镜上设置入射面2、全反射面22和出射面23，其中入射面21位于光学棱镜20的顶部，出射面23和全反射面22位于光学棱镜20的左右两侧，出射面23处于靠近人的眼球40的一侧，微型显示器上视频图像产生的光线从入射面21进入光学棱镜20，并被全反射面22反射到出射面23，再从出射面23折射出去到达人的眼球里成像，微型显示器上视频图像经过光学棱镜20的放大处理，在人的眼球40形成放大的虚像。

上述所述3d/ar眼镜中的微型显示器10为高清微显示屏。3d/ar眼镜的光学棱镜20不遮挡使用者的视野，人的眼球可以从光学棱镜20看到三维视频图像(虚像)的同时观看虚像外的实体景像。光学棱镜头戴式显示器具有看得清、重量轻、配戴舒适、低功耗，任意姿态使用的特点。

以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。