专利名称：组织器官三维可视化手术导航方法和系统的制作方法
组织器官三维可视化手术导航方法和系统
技术领域：
本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种组织器官三维可视化手术导航方法和系统。
背景技术：
医学影像手术导航指利用计算机对病人的医学影像信息进行处理，进而为医生提供一个包括手术区域在内的可视化图形界面，有时还会提供如空间位置、距离和方位等辅助信息，以引导医生进行更为精确的手术。传统的手术导航系统需要在手术前拍摄病人的CT或磁共振影像，然后将这些术前影像和术中病人进行配准。配准之后，医生在医学影像的引导下实施手术。由于CT和磁共振属于三维断层扫描成像技术，通过对手术目标组织器官进行三维重建，可以为医生提供三维可视化的手术导航。然而，受术前术中配准精度的影响，传统的三维可视化手术的导航精度也会受到限制。
发明内容基于此，有必要提供一种导航精度较高的组织器官三维可视化手术导航方法和系统。一种组织器官三维可视化手术导航方法，包括如下步骤获取组织器官的三维超声图像；获取手术器具相对于目标组织器官的位置；在所述三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，并采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面；将所述三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置进行融合，生成手术导航数据，并可视化所述手术导航数据，从而进行导航。优选的，所述获取目标组织的三维超声图像的步骤为通过超声探头采集病人手术区域包含目标组织器官在内的三维超声图像。优选的，所述在所述三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面的步骤为将所述三维超声图像分解为多帧二维超声图像并逐帧显示，在所述逐帧显示的二维超声图像上，选取位于目标组织器官的轮廓线上的离散点并将所述离散点形成离散点集，利用目标组织器官的统计形状模型提供的目标组织器官的三维形状先验知识，结合所述离散点集重建出目标组织器官的三维表面。优选的，所述将所述三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合并可视化的步骤为采用坐标转换，将所述三维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置，转换到同一坐标系；
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将三维超声图像以任意角度切片得到二维超声图像；将三维超声图像切片后得到的二维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合在一起，生成手术导航数据。优选的，还包括在手术之前，建立所述统计形状模型的步骤。一种组织器官三维可视化手术导航系统，包括采集装置，用于获取组织器官的三维超声图像；空间定位装置，用于获取手术器具相对于目标组织器官的位置；影像处理装置，用于接收所述采集装置获取的组织器官的三维超声图像以及空间定位装置获取的手术器具相对于目标组织器官的位置，在所述三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，并采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面，最后将所述三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合，生成手术导航数据；显示装置，用于可视化所述手术导航数据，从而进行导航。优选的，所述采集装置用于通过超声探头采集病人手术区域包含目标组织器官在内的三维超声图像。优选的，所述影像处理装置包括超声体数据选点模块和三维重建模块；所述超声体数据选点模块用于将所述三维超声图像分解为多帧二维超声图像并逐帧显示，在所述逐帧显示的二维超声图像上，选取位于目标组织器官的轮廓线上的离散点并将所述离散点形成离散点集；所述三维重建模块用于利用目标组织器官的统计形状模型提供的目标组织器官的三维形状先验知识，结合所述离散点集重建目标组织器官的三维表面。优选的，所述影像处理装置还包括坐标转换模块和可视化模块；所述坐标转换模块用于采用坐标转换，将所述三维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置，都转换到同一坐标系中；所述可视化模块用于将三维超声图像以任意角度切片后得到的二维超声图像、接着将所述二维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合在一起， 生成手术导航数据。优选的，所述影像处理装置还包括统计形状模块，所述统计形状模块用于内置有在手术之前建立的目标组织器官的统计形状模型。这种组织器官三维可视化手术导航方法和系统，利用手术中获取的三维超声图像，就可精确重建出目标组织器官的三维表面，重建出的三维表面与超声图像融合在一起， 结合空间定位装置，为医生提供目标组织器官的三维形状和手术器具空间位置，从而为医生提供更为精确的术中导航。与传统的三维可视化手术相比，这种组织器官三维可视化手术导航方法和系统，无需术前CT或磁共振影像，也就无需将术前影像和术中病人进行配准，解决了传统手术导航方法中的术前术中配准精度难以保证从而导致手术导航精度下降的问题，导航精度较高。
图1为一实施方式的组织器官三维可视化手术导航方法的流程图2为一实施方式中实时获取手术器具相对于超声图像的位置的示意图；图3为一实施方式中将三维超声体数据切分为二维图像后沿目标组织器官轮廓线选点的示意图；图4为一实施方式中基于统计形状模型的三维表面重建方法流程图；图5为一实施方式中根据位于目标组织轮廓线上的离散点组成的点集以及根据点集重建出的目标组织器官三维表面的对比图；其中，左图为离散点组成的点集，右图为根据点集重建出的目标组织器官三维表面；图6为一实施方式中的超声图像、目标组织器官三维表面和手术器具融合显示的手术导航示意图；图7为一实施方式的组织器官三维可视化手术导航系统的组成示意图；图8为图7中的影像处理装置的内部结构框图。
具体实施方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。传统的手术导航系统需要在手术前拍摄病人的CT或磁共振影像，然后将这些术前影像和术中病人进行配准。受术前术中配准精度的影响，传统的三维可视化手术的导航精度也会受到限制。基于此，有必要提供一种导航精度较高的组织器官三维可视化手术导航方法和系统。为了准确重建目标组织器官三维表面，本发明需要预先学习目标组织器官三维形状的先验知识，即滤除附加在三维形状上的尺寸、位移、旋转等效应后的纯形状信息。而先验知识可从大量目标形状组成的样本集中进行统计学习来得到。这一统计学习可通过建立目标组织器官的统计形状模型来实现。统计形状模型可以在手术之前预先建立好，内置在影像处理装置中。在进行手术导航时，直接使用即可，而无需额外操作。建立目标组织器官统计形状模型的步骤，如下A)采集N个包含目标对象在内的三维图像体数据。具体实施方法是对N个志愿者采集包含目标组织器官在内的CT或磁共振等三维图像体数据。采用某种自动或手动方法分割出目标组织器官的三维表面形状，每个形状Xi' ,1 = 1,…，N由三维点集组成，每个点由(X，y，ζ)三个空间坐标描述。B)以上述形状集作为训练集，采用三维点集对应性算法，建立点一一对应的训练形状集Ixi, i = 1，…，N}，每个形状由η个点的三维坐标描述Xi — Lxil‘ Yii‘ Zil，xi2 Yi2' zi2，· · ·，xin yin，zin]·；
其中所有形状中序号相同的点为一一对应的三维形状对应点(3DC0rreSp0nding points) 0三维点集对应性算法已经有一些公开发表的方法，如最小描述长度(MDL)算法、 SPHARM算法等。本发明对此不作限制。本实施方法采用了 MDL算法。C)对上述样本训练集，进行主成分分析(PCA)如下计算训练形状集的平均值^
和协方差矩阵M，其中“(Ι/ΛΟΣ；!+ ,M = GAOZ二。.计算M的非零单
位特征根{ λ k，k = 1，. . .，m}和对应特征向量{pk，k = 1，. . .，m}，其中 M · pk = λ k · pk， m彡η-l，且Uk}按照降序排列，S卩X1SX2S^1SXmtj计算完毕i和{pk}，则统计形状模型建立完毕。此处主成分分析的主要目的是将形状投影到由标准正交基{pk}作为空间基底的形状空间Ω，以进行降维分析。形状空间Ω内的任意一个形状χ都可以表示为
权利要求
1.一种组织器官三维可视化手术导航方法，包括如下步骤获取组织器官的三维超声图像；获取手术器具相对于目标组织器官的位置；在所述三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，并采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面；将所述三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置进行融合，生成手术导航数据，并可视化所述手术导航数据，从而进行导航。
2.如权利要求1所述的组织器官三维可视化手术导航方法，其特征在于，所述获取目标组织的三维超声图像的步骤为通过超声探头采集病人手术区域包含目标组织器官在内的三维超声图像。
3.如权利要求1所述的组织器官三维可视化手术导航方法，其特征在于，所述在所述三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面的步骤为将所述三维超声图像分解为多帧二维超声图像并逐帧显示，在所述逐帧显示的二维超声图像上，选取位于目标组织器官的轮廓线上的离散点并将所述离散点形成离散点集，利用目标组织器官的统计形状模型提供的目标组织器官的三维形状先验知识，结合所述离散点集重建出目标组织器官的三维表面。
4.如权利要求1所述的组织器官三维可视化手术导航方法，其特征在于，所述将所述三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合并可视化的步骤为采用坐标转换，将所述三维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置，转换到同一坐标系；将三维超声图像以任意角度切片得到二维超声图像；将三维超声图像切片后得到的二维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合在一起，生成手术导航数据。
5.如权利要求1 4中任一项所述的组织器官三维可视化手术导航方法，其特征在于， 还包括在手术之前，建立所述统计形状模型的步骤。
6.一种组织器官三维可视化手术导航系统，其特征在于，包括采集装置，用于获取组织器官的三维超声图像；空间定位装置，用于获取手术器具相对于目标组织器官的位置；影像处理装置，用于接收所述采集装置获取的组织器官的三维超声图像以及空间定位装置获取的手术器具相对于目标组织器官的位置，在所述三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，并采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面，最后将所述三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合，生成手术导航数据；显示装置，用于可视化所述手术导航数据，从而进行导航。
7.如权利要求6所述的组织器官三维可视化手术导航系统，其特征在于，所述采集装置用于通过超声探头采集病人手术区域包含目标组织器官在内的三维超声图像。
8.如权利要求6所述的组织器官三维可视化手术导航系统，其特征在于，所述影像处理装置包括超声体数据选点模块和三维重建模块；所述超声体数据选点模块用于将所述三维超声图像分解为多帧二维超声图像并逐帧显示，在所述逐帧显示的二维超声图像上，选取位于目标组织器官的轮廓线上的离散点并将所述离散点形成离散点集；所述三维重建模块用于利用目标组织器官的统计形状模型提供的目标组织器官的三维形状先验知识，结合所述离散点集重建目标组织器官的三维表面。
9.如权利要求8所述的组织器官三维可视化手术导航系统，其特征在于，所述影像处理装置还包括坐标转换模块和可视化模块；所述坐标转换模块用于采用坐标转换，将所述三维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置，都转换到同一坐标系中；所述可视化模块用于将三维超声图像以任意角度切片后得到的二维超声图像、接着将所述二维超声图像、三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置融合在一起，生成手术导航数据。
10.如权利要求6 9中任一项所述的组织器官三维可视化手术导航系统，其特征在于，所述影像处理装置还包括统计形状模块，所述统计形状模块用于内置有在手术之前建立的目标组织器官的统计形状模型。
全文摘要
本发明公开了一种组织器官三维可视化手术导航方法和系统，方法包括如下步骤获取组织器官的三维超声图像；获取手术器具相对于目标组织器官的位置；在三维超声图像中沿着目标组织器官的轮廓线选取离散点，并采用基于目标组织器官的统计形状模型的方法，重建目标组织器官的三维表面；将三维超声图像、目标组织器官的三维表面以及手术器具相对于目标组织器官的位置进行融合，生成手术导航数据，并可视化手术导航数据，从而进行导航。本发明公开的组织器官三维可视化手术导航方法和系统，仅需术中超声图像即可提供组织器官三维可视化的手术导航，解决了传统手术导航方法中的术前术中配准精度难以保证从而导致手术导航精度下降的问题。
文档编号A61B8/13GK102525662SQ20121004786
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者李凌, 李志成, 温铁祥, 辜嘉, 陈恳 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院