一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统及其模拟方法与流程

本发明涉及医学图像处理及应用领域，具体来说是一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统及其模拟方法。

背景技术：

寰枢椎疾患在临床上较为常见，由于该区延脊髓内含有生命中枢，疾患的危害性或潜在危害性较大，而寰枢椎位置深在和解剖结构复杂，治疗较为困难，如果直接进行临床治疗，不仅存在治疗困难，而且存在很大的风险，随着科技的快速发展，现代医学治疗手段和计算机技术相应的也得到了快速的发展，如何实现在手术前进行测量、模拟和风险分析已成为当前重要的研究方向之一。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的存在危害性大、治疗困难的缺陷，提供一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统及其模拟方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：本发明公开了一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统，包括：数据库交互模块、数据库模块、三维重建模块、手术方案设计模块、模拟手术模块、手术风险分析及应对模块、预后分析模块，所述的数据库交互模块用于载入资料信息、图像数据，并将载入的资料信息、图像数据发送至数据库模块，所述的数据库模块提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，用于手术方案设计、手术风险分析及应对、预后分析，所述的三维重建模块用于接收数据库模块发送的寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，并实现寰枢椎部位的骨骼、血管结构的三维重建，并将三维重建形成的三维图像模型发送至手术方案设计模块，所述的手术方案设计模块对三维重建模块建立的三维图像模型进行分析处理，进行手术方案设计，所述的模拟手术模块根据手术方案设计模块的手术方案进行模拟，模拟手术中放置假体、螺钉，生成导板，并导出导板模型，所述的手术风险分析及应对模块对模拟手术模块的各种模拟手术方案结合数据库模块中的数据综合分析手术风险，采取应对措施。

作为优选，本发明的基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统，还包括预后分析模块，所述的预后分析模块对模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后。

本发明还提供了上述基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统的模拟方法，其步骤如下：

步骤一：建立数据库

采用数据库交互模块载入资料信息、图像数据，提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，并将载入的资料信息、图像数据发送至数据库模块，所述的数据库模块提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，以此建立数据库，用于手术方案设计、手术风险分析及应对、预后分析；

步骤二：三维重建：

利用CT、MR图像，根据寰枢椎骨骼和血管的医学图像特点，采用三维重建模块建立寰枢椎的三维模型；

步骤三：手术方案设计及模拟手术

根据寰枢椎的三维视图，手术方案设计模块进行分析处理，进行手术方案设计，模拟手术模块利用预设导板类型，模拟手术中螺钉位置，放置钉道模型，再使用导板工具，生成导板模型；

步骤四：风险分析

螺钉钉入前与钉入后，寰枢椎内孔面积进行对比，根据三维视图中血管位置，评估手术方案，根据手术方案设计、模拟手术的结果，结合数据库中资料信息，采用手术风险分析及应对模块和预后分析模块进行手术风险的应对分析和预后分析。

作为优选，所述的步骤一中资料信息包括姓名、性别、年龄、病史、病症信息，所述的图像数据包括寰枢椎部位的扫描CT、MR、STL数据。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明的基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统能够有效利用图像资源，有效地实现寰枢椎的医学图像分割和三维建模，并综合了寰枢椎多种模拟手术方案设计、手术模拟、手术风险分析及应对、预后分析，避免了直接采用临床手术而出现的治疗难度大，存在安全隐患和治疗风险的缺陷。

附图说明

图1为本发明一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统的系统框图；

图2为实施例1中本发明一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统及其模拟方法的流程图。

其中：数据库交互模块1、数据库模块2、三维重建模块3、手术方案设计模块4、模拟手术模块5、手术风险分析及应对模块6、预后分析模块7。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1-2所示，本发明公开了一种基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统，包括：数据库交互模块1、数据库模块2、三维重建模块3、手术方案设计模块4、模拟手术模块5、手术风险分析及应对模块6，所述的数据库交互模块1用于载入资料信息、图像数据，并将载入的资料信息、图像数据发送至数据库模块2，所述的数据库模块2提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，用于手术方案设计、手术风险分析及应对、预后分析，所述的三维重建模块3用于接收数据库模块2发送的寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，并实现寰枢椎部位的骨骼、血管结构的三维重建，并将三维重建形成的三维图像模型发送至手术方案设计模块4，所述的手术方案设计模块4对三维重建模块3建立的三维图像模型进行分析处理，进行手术方案设计，所述的模拟手术模块5根据手术方案设计模块的手术方案进行模拟，模拟手术中放置假体、螺钉，生成导板，并导出导板模型，所述的手术风险分析及应对模块6对模拟手术模块5的各种模拟手术方案结合数据库模块2中的数据综合分析手术风险，采取应对措施。

作为优选，本发明的基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统，还包括预后分析模块7，所述的预后分析模块7对模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后。

本发明还提供了上述基于三维可视化的寰椎枢手术模拟系统的模拟方法，其步骤如下：

步骤一：建立数据库

采用数据库交互模块1载入资料信息、图像数据，提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，并将载入的资料信息、图像数据发送至数据库模块2，所述的数据库模块2提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，以此建立数据库，用于手术方案设计、手术风险分析及应对、预后分析；

步骤二：三维重建：

利用CT、MR图像，根据寰枢椎骨骼和血管的医学图像特点，采用三维重建模块3建立寰枢椎的三维模型；

步骤三：手术方案设计及模拟手术

根据寰枢椎的三维视图，手术方案设计模块4进行分析处理，进行手术方案设计，模拟手术模块5利用预设导板类型，模拟手术中螺钉位置，放置钉道模型，再使用导板工具，生成导板模型；

步骤四：风险分析

螺钉钉入前与钉入后，寰枢椎内孔面积进行对比，根据三维视图中血管位置，评估手术方案，根据手术方案设计、模拟手术的结果，结合数据库中资料信息，采用手术风险分析及应对模块6和预后分析模块7进行手术风险的应对分析和预后分析。

作为优选，所述的步骤一中资料信息包括姓名、性别、年龄、病史、病症信息，所述的图像数据包括寰枢椎部位的扫描CT、MR、STL数据。

实施例1

参照图2，本发明包括以下步骤：

步骤一：数据库交互模块1和数据库模块2：数据库交互模块1处理人机交互，导入数据到数据库中，数据库包括基本信息，包括姓名、性别、年龄、病史、病症，图像数据，提供寰枢椎手术方案规划模拟所需要的特征和信息，用于手术方案设计和风险分析；

所述的图像数据包括CT数据、MR数据，提供给三维重建模块使用；

所述的数据库可以使用Oracle、MySQL、SQL Server等平台搭建；

步骤二：三维重建：读取数据库中的图像数据，采用三维重建模块3建立寰枢椎部位的骨骼、血管的三维模型，使用ITK读取图像数据，采用动态自适应区域生长的分割计算方法，设置灰度阈值，在骨骼、血管区域选择一个种子点作为初始点，调用ITK算法库，重建出骨骼、血管模型；

步骤三：手术方案设计及模拟手术：手术方案设计模块4根据重建的骨骼、血管模型，综合数据库中的资料，通过测量模型中长度、体积、表面积等相关参数，分析病情及需要采取的手术方案；

模拟手术模块5根据手术方案选择导板、假体类型，自动在三维图中生成螺钉，手动调整螺钉位置、角度，设置粗细、长度，模拟过程中，构建逼真模拟骨骼在手术过程中的变形过程，及时提示螺钉距离骨骼表面、血管的安全距离，螺钉放置完成后，生成导板、假体，并导出STL文件格式，用于3D打印。

步骤四：手术风险分析及应对和预后分析：手术风险分析及应对模块6及预后分析模块7综合数据库中的信息和手术方案设计、模拟手术的结果进行风险分析及应对和预后分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。