专利名称：一种基于ct胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法及其平台的制作方法
一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法及其平台技术领域
本发明属于医学图像处理及应用领域，具体涉及一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法及其平台。本发明能充分利用含CT胶片扫描在内的多种来源CT图像数据， 有效地实现肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构的医学图像分割和三维建模，直观、立体显示虚拟环境，并集合了肾肿瘤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。
背景技术：
肾肿瘤的发病率和死亡率在全身肿瘤中占2%左右，在我国泌尿外科恶性肿瘤中肾癌占第二位。肾癌的基本治疗是根治性肾切除术，根治性肾切除术后对侧肾脏慢性肾病的发生率增加,其与心血管疾病发病率、死亡率呈正相关的关系,而且随着体检的普及和影像学技术的发展，无症状肾癌病例的检出率明显增加，治疗肾癌的方式不再局限于根治性肾切除术，呈多样化的趋势如保留肾单位的肾部分切除术、治疗肾癌的射频消融术、冷冻消融术等和腹腔镜肾肿瘤治疗技术的广泛应用和发展。“精准外科”的理念推动着现代外科技术的发展，三维可视化技术和虚拟现实技术在医学中的应用范围也日益广阔。利用CT 图像数据进行三维重建，构建出人体器官的解剖结构三维模型，可以让肿瘤、重要血管等感兴趣部位以三维形式“真实”地显示出来，立体地从各个角度观察和测量各解剖结构，准确地确定肿瘤的空间位置、大小、几何形状以及与周围组织结构的空间关系，并可在三维模型上，利用虚拟现实技术进行个性化的术前规划和模拟手术，使手术可行性的术前评估更加准确，术前准备更加充分，手术方案的制定具有个性化，更加客观、合理。
在肾脏外科领域，国内黎程等在临床活体肾移植中基于16排螺旋CT扫描数据利用医学图像三维可视化系统重建出供、受体的三维模型(黎程，方驰华，李晓锋，等.活体肾移植数字化可视化仿真研究.南方医科大学学报，2011，31 :983-986)，将重建后的活体肾移植供受体三维模型导入到FreeForm Modeling System,根据各病例特点，制定出最合理的个体化手术方案，重建的肾脏及其血管模型清晰、立体感强，可三维地辨认肾血管及血管变异情况，依据这些病例特点，合理制定了个体化手术方案，优化了活体肾移植的手术方式，提高了手术成功率，降低了手术风险。
国外多位学者利用CT扫描数据重建出肾脏血管、肾脏及肿瘤的三维模型，利用可视化的血管模型进行术前评估、制定方案、改进手术方式(参见一 =Wunderlich H, Reichelt 0， Schubert Rj Zermann DHj Schubert J. Preoperative simulation of partial nephrectomy with three-dimensional computed tomography. BJU Int. 2000 Nov;86(7) :777-81.参见二 Knudsen BE，Campbell G，Kennedy A，et al. Design of functional simulation of renal cancer in virtual reality environments. Urology. 2005 Oct;66 (4):732-5.参见三Marukawa K，Horiguchi J，Shigeta Mj et al. Laparoscopic nephron-sparing surgery: preoperative assessment with three-dimensional computed tomography. Eur Urol. 2005 Jan;47 (I):92-7.4. Ukimura 0， Nakamoto Mj Gill IS. Three-dimensional reconstruction of renovascular-tumor anatomy to facilitate zero-ischemia partial nephrectomy. Eur Urol. 2012 Jan;61(l) :211-7.)。
2012年美国艾伯特爱因斯坦医学院的Lasser MS等应用可视化外科手术规划系统(Virtual Surgical Planning)进行肾脏、肾脏血管、肾盂肾盏及肿瘤的三维重建、手术规划和模拟手术(Lasser MS, Doscher M, Keehn A, et al. Virtual surgical planning: a novel aid to robot-assisted laparoscopic partial nephrectomy. J EndouroI. 2012 Oct ;26(10) :1372-9.)，并应用于虚拟机器人辅助腹腔镜肾部分切除术，能准确测量肿瘤的大小、血管分支的解剖结构、肿瘤与血管、集合引流结构的关系，肿瘤在肾脏实质的侵润深度、评估肿瘤切除的复杂程度，并利用交互式方式进行模拟肿瘤切除，规划出合适的手术干预方案。
在泌尿外科领域虚拟手术模拟系统或仿真系统国外才刚刚起步，国内尚未见有报道。再者，鉴于我国的实际状况，外院病人来诊时往往只携带有在外院所做的CT胶片，而无法或不易获取数字格式的影像学数据，此外受限于已有CT片中三维信息直观呈现的不足或缺失、影像医师与临床医师关注点的差异性等因素的制约，通常为解决这个问题而不得不进行增强CT的的重新检查，带来了医疗资源的浪费，增加了患者过敏反应的几率、X线的辐射量和经济的负担，如何能充分利用这部分病人的现有资源，避免重复检查，正是符合我国医改的大政方针。
目前仅有的研究只针对某些方面，主要是肾肿瘤切除术，进行术前分析、手术规划模拟，对于常见的多种肾肿瘤治疗手段，如根治性肾切除术、腹腔镜手术、射频消融术、冷冻消融术的手术规划和模拟研究较少涉及，缺乏有效的方法和平台对综合模拟手术方案和风险、预后进行综合分析。发明内容
本发明的目的是提供一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法及其平台，本发明能有效利用含CT胶片扫描在内的多种CT图像资源，有效地实现肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构的医学图像分割和三维建模，并综合了肾肿瘤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。
本发明提供的一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法，其步骤包括(O建立数据库数据库包括存贮对象的基本信息，包括姓名、性别、年龄、病史、合并症、生化检查信息，CT图像库，提供肾肿瘤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CT图像中的CT断层图像输入方式包括CT胶片扫描、网卡、光盘等，其中胶片扫描图像需通过正平行投射校对扫描引起的偏移，再进行图像的切割；所述的图像切割是以单幅断层CT图像中四周文字信息的最外边缘为基准划定矩形框，将其裁分为呈序列的、含单幅断层CT内容的图像；以首幅图像中标尺的实际代表长度除以标尺两端点像素坐标的差值，得到单位像素大小，再将其余图像与该幅图像的像素大小相除得到缩放比例，从而以首幅图像为基准，对序列图像进行裁分后进一步矫正；(2)图像配准从数据库中提取对象的CT图像，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准；(3)三维建模利用配准后的CT图像，建立肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型，其过程为(3. I)分割肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构采用动态自适应区域生长的分割计算方法，设置目标器官的灰度阈值，根据目标器官灰度值的均一性程度来调整，然后在感兴趣区域选择一种子点作为初始点，分割出目标区域图像，即分割出用于模拟手术方案设计、模拟手术和风险分析所涉及的组织，包括肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构；(3. 2)建立肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型采用三维重建技术重建动脉期、静脉期、延迟期相分割的组织，并在同一坐标空间内有效融合；(4)手术方案设计、模拟手术、手术风险分析及应对、预后分析根据肾肿瘤的影像分期的标准及诊疗指南，综合数据库中的资料和步骤(3)所得到的建模结果，通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关参数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等，基于对象的肾脏三维模型进行手术方案设计、模拟手术，模拟规划手术路径，并对模拟设计的结果进行手术风险分析及应对和预后分析，可为对象提供个性化的、受益最大化的治疗方案；通过反复手术模拟，可提高用户的手术技能和熟练度，并且还能用于医学教学。其过程如下(4. I)手术方案设计当进行根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术方案设计时，分别按下述过程进行A根治性肾切除术根据重建的肾脏模型，分析肿瘤的位置、肿瘤有无侵润周围组织， 有无副肾动脉的存在，肾动脉分支、深静脉属支的解剖变异或因为肿瘤的挤压发生位移，肾静脉内有无癌栓，异常的肿瘤血管等，分析根治性肾切除术的可行性和安全性，并可根据资料库中的资料判断对侧肾脏术后功能代偿情况；B肾部分切除术根据重建的肾脏模型所显示的肾内血管和肾肿瘤关系、肾脏的受累情况、肾肿瘤的位置、大小和所涉及的肾段信息，对肾肿瘤进行可切除性分析，通过将肾肿瘤模型边缘向外膨胀的方式确定肾肿瘤切除的安全区域，并可在三维模型上标记出被该区域影响的血管分支和集合引流结构，将这部分作为风险区域并模拟缝合。同时基于肿瘤、肾段、集合引流结构的形变曲面进行不规则肾部分切除术的手术方案规划。此外对术中肾动脉阻断方式进行可行性分析，如肾动脉主干阻断、肾动脉分支阻断、肾段动脉阻断、肾动脉三级分支阻断、肿瘤动脉阻断等，在三维模型上标记出动脉供应区域，计算热缺血体积占总肾体积的比例；C射频消融术根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析射频消融的可能性，并规划射频消融电极的大小和形状，在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界电极的手术入路，计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性；D冷冻消融术根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析冷冻消融的可能性，并规划冷冻探针的大小和形状，在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界定冷冻探针的手术入路， 计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性；E腹腔镜手术通过肾脏三维模型的旋转、平移、放大观察从不同角度和方位观察肿瘤与血管、肾盏肾盂的关系，模拟腹腔镜手术的分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路、深度、消融范围，分析以上A、B、C、D手术采用腹腔镜手术的可行性和安全性；(4.2)模拟手术采用第一视角技术，利用虚拟手术工具进行手术模拟，并通过加入力反馈硬件设备，模拟手术过程中的触觉感受，增加模拟仿真的真实性；以用户作为第一视角开发手术入路，真实反映手术状况，利用图形处理器进行数据高效实时渲染；通过在计算机上操作本平台提供的虚拟手术工具所接触的肾脏模型模拟进行根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术模拟过程，采用的方式有模拟手术的入路、分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路和深度，警示所遇到的重要组织结构和规划合理的处理方法，显示切口的大小，可视化切口内部的颜色、透明度或者旋转、平移、缩放方式从不同角度和方位观察切面情况或者消融的范围；在模拟过程中，构建逼真模拟软组织在手术过程中的形变过程，并使用力反馈硬件设备进行手术模拟过程的触觉建模，使用户在对肾脏三维模型进行分离、切割、触摸、抓取、缝合操作时产生连续触觉感受，为用户提供逼真的沉浸感。通过各种手术技术的反复模拟，还能提高用户的手术技能和熟练程度，并且还能用于医学教学；(4. 3)手术风险分析及应对和预后分析综合数据库中的资料和手术方案设计、模拟手术的结果进行手术风险分析及应对和预后分析。
本发明还提供一种实现上述基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法的平台，该平台包括数据库建立模块、数据库模块、图像配准模块、三维建模模块、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、预后分析模块和力反馈装置；数据库建立模块用于通过载入对象基本信息，生化检查资料，CT图像库，建立相应对象资料，得到数据库模块；该数据库提供肾肿瘤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，完成上述步骤(I)的功能；图像配准模块从数据库模块中提取对象的CT图像，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准，完成上述步骤(2)的功能；三维建模模块实现肾脏、肾肿瘤、血管结构、集合引流结构的三维建模，为后续的手术方案设计模块提供对象的三维模型，完成上述步骤(3)的功能；手术方案设计模块对三维建模模块建立的三维模型通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关参数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等，进行手术方案设计；模拟手术模块根据手术方案设计模块的手术设计方案进行各种手术方案的模拟，在模拟过程中加入力反馈装置，增加手术模拟的真实性；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资料综合分析手术风险，采取应对措施；预后分析模块对模拟手术模块中的不同模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后，完成上述步骤(4)的功能。
本发明中的图像配准模块包括配准的数据导入模块，与配准的数据导入模块连接的配准模块；配准的数据导入模块从数据库模块中提取对象的CT图像，传输给配准模块， 对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准。
本发明中的三维建模模块包括配准图像导入模块、分割模块、三维重建模块、融合模块；配准图像导入模块将配准模块配准后的图像传输到分割模块，进行图像分割后传输到三维重建模块，进一步对动脉期、静脉期、延迟期相重建的组织在融合模块内进行在同一坐标空间内有效融合，建立肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构的三维模型。
本发明中的手术方案设计模块包括方案设计数据导入模块和方案设计模块；方案设计数据导入模块和三维建模模块相连接，导入肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、 输尿管的三维模型以及通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关参数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等；方案设计模块根据方案设计数据导入模块的结果进行手术方案设计；本发明中的模拟手术模块与手术方案设计模块相连接，根据手术设计方案进行各种手术方案的模拟；本发明中的手术风险分析及应对模块与模拟手术模块相连接，对各种模拟手术方案结合数据库模块中的资料综合分析手术风险和应对措施；本发明中的预后分析模块与模拟手术模块相连接，对不同模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后；本发明中的力反馈装置与模拟手术模块相连接，在模拟过程中加入力反馈，增加手术模拟的真实性。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果1.本发明充分利用了病人手中现有的CT胶片资源，有效避免了重复检查，减少了医疗资源的浪费，降低了患者过敏反应的几率、X线的辐射量和经济的负担，符合我国现有国情，符合我国医改的大政方针，解决看病难、看病贵的问题；2.本发明有效地实现了肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构的医学图像分割和三维建模，直观、立体显示虚拟环境，并集合了肾肿瘤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；可为对象提供个性化的、受益最大化的治疗方案；采用第一视角技术，利用虚拟手术工具进行手术模拟，并通过加入力反馈硬件设备，模拟手术过程中的触觉感受，增加模拟仿真的真实性，通过反复手术模拟，可提高用户的手术技能和熟练度，并且还能用于医学教学。
图I为本发明基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法的流程示意图；图2为本发明基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟平台的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的详细说明如图I所示，本发明包括以下步骤(O建立数据库数据库包括存贮对象的基本信息，包括姓名、性别、年龄、病史、合并症、生化检查信息，CT图像库，提供肾肿瘤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CT图像中的CT断层图像输入方式包括CT胶片扫描、网卡、光盘等，其中胶片扫描图像需通过正平行投射校对扫描引起的偏移，再进行图像的切割。
所述的图像切割是以单幅断层CT图像中四周文字信息的最外边缘为基准划定矩形框，将其裁分为呈序列的、含单幅断层CT内容的图像；以首幅图像中标尺的实际代表长度除以标尺两端点像素坐标的差值，得到单位像素大小，再将其余图像与该幅图像的像素大小相除得到缩放比例，从而以首幅图像为基准，对序列图像进行裁分后进一步矫正。
所述的数据库可以采用Oracle、MySQL、SQL Server2000/2005等平台建立。
(2)图像配准从数据库中提取对象的CT图像，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准。
(3)三维建模利用配准后的CT图像，建立肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型，其过程为(3. I)分割肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构采用动态自适应区域生长的分割计算方法，设置目标器官的灰度阈值，根据目标器官灰度值的均一性程度来调整，然后在感兴趣区域选择一种子点作为初始点，分割出目标区域图像，即分割出用于模拟手术方案设计、模拟手术和风险分析所涉及的组织，包括肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构。
(3. 2)建立肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型采用三维重建技术，利用 VTK (Visualization Toolkit)或 OSG (Open Scene Graph)等重建出(3· I) 处理得到的数据，直观显示动脉期、静脉期、延迟期相分割的组织，并在同一坐标空间内有效融合。
(4)手术方案设计、模拟手术、手术风险分析及应对、预后分析根据肾肿瘤的影像分期的标准及诊疗指南，综合数据库中的资料和步骤(3)所得到的建模结果，通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关参数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等，基于对象的肾脏三维模型进行手术方案设计、模拟手术，模拟规划手术路径，并对模拟设计的结果进行手术风险分析及应对和预后分析，可为对象提供个性化的、受益最大化的治疗方案；通过反复手术模拟，可提高用户的手术技能和熟练度， 并且还能用于医学教学。其过程如下(4. I)手术方案设计当进行根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术方案设计时，分别按下述过程进行A根治性肾切除术根据重建的肾脏模型，分析肿瘤的位置、肿瘤有无侵润周围组织， 有无副肾动脉的存在，肾动脉分支、深静脉属支的解剖变异或因为肿瘤的挤压发生位移，肾静脉内有无癌栓，异常的肿瘤血管等，分析根治性肾切除术的可行性和安全性，并可根据资料库中的资料判断对侧肾脏术后功能代偿情况；B肾部分切除术根据重建的肾脏模型所显示的肾内血管和肾肿瘤关系、肾脏的受累情况、肾肿瘤的位置、大小和所涉及的肾段信息，对肾肿瘤进行可切除性分析，通过将肾肿瘤模型边缘向外膨胀的方式确定肾肿瘤切除的安全区域，并可在三维模型上标记出被该区域影响的血管分支和集合引流结构，将这部分作为风险区域并模拟缝合。同时基于肿瘤、肾段、集合引流结构的形变曲面进行不规则肾部分切除术的手术方案规划。此外对术中肾动脉阻断方式进行可行性分析，如肾动脉主干阻断、肾动脉分支阻断、肾段动脉阻断、肾动脉三级分支阻断、肿瘤动脉阻断等，在三维模型上标记出动脉供应区域，计算热缺血体积占总肾体积的比例；C射频消融术根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析射频消融的可能性，并规划射频消融电极的大小和形状计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性；D冷冻消融术根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析冷冻消融的可能性，并规划冷冻探针的大小和形状，在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界定冷冻探针的手术入路， 计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性；E腹腔镜手术通过肾脏三维模型的旋转、平移、放大观察从不同角度和方位观察肿瘤与血管、肾盏肾盂的关系，模拟腹腔镜手术的分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路、深度、消融范围，分析以上A、B、C、D手术采用腹腔镜手术的可行性和安全性；(4.2)模拟手术采用第一视角技术，利用虚拟手术工具进行手术模拟，并通过加入力反馈硬件设备，模拟手术过程中的触觉感受，增加模拟仿真的真实性；以用户作为第一视角开发手术入路，真实反映手术状况，利用图形处理器进行数据高效实时渲染；通过在计算机上操作本平台提供的虚拟手术工具所接触的肾脏模型模拟进行根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术模拟过程，采用的方式有模拟手术的入路、分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路和深度，警示所遇到的重要组织结构和规划合理的处理方法，显示切口的大小，可视化切口内部的颜色、透明度或者旋转、平移、缩放方式从不同角度和方位观察切面情况或者消融的范围；在模拟过程中，构建逼真模拟软组织在手术过程中的形变过程，并使用力反馈硬件设备进行手术模拟过程的触觉建模，使用户在对肾脏三维模型进行分离、切割、触摸、抓取、缝合操作时产生连续触觉感受，为用户提供逼真的沉浸感。通过各种手术技术的反复模拟，还能提高用户的手术技能和熟练程度，并且还能用于医学教学；(4. 3)手术风险分析及应对和预后分析综合数据库中的资料和手术方案设计、模拟手术的结果进行手术风险分析及应对和预后分析。
本发明还提供一种实现上述基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法的平台，如图2所示，该平台包括数据库建立模块I、数据库模块2、图像配准模块3、三维建模模块4、 手术方案设计模块5、模拟手术模块6、手术风险分析及应对模块7、预后分析模块8和力反馈装置9 ;数据库建立模块I用于通过载入对象基本信息，生化检查资料，CT图像库，建立相应对象资料，得到数据库模块2 ;该数据库提供肾肿瘤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，数据库可以采用Oracle、MySQL、SQL Server2000/2005等平台建立，完成上述步骤(I)的功能；图像配准模块3从数据库模块2中提取对象的CT图像，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准，该图像配准模块3包括配准的数据导入模块31，与配准的数据导入模块 31连接的配准模块32 ;配准的数据导入模块31从数据库模块2中提取对象的CT图像，传输给配准模块32，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准，完成上述步骤(2)的功三维建模模块4实现肾脏、肾肿瘤、血管结构、集合引流结构的三维建模，为后续的手术方案设计模块5提供对象的三维模型。该三维建模模块4包括配准图像导入模块41、分割模块42、三维重建模块43、融合模块44 ;配准图像导入模块41将配准模块32配准后的图像传输到分割模块42，进行图像分割后传输到三维重建模块43，进一步对动脉期、静脉期、延迟期相重建的组织在融合模块44内进行在同一坐标空间内有效融合，建立肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构的三维模型，完成上述步骤(3)的功能；手术方案设计模块5包括方案设计数据导入模块51和方案设计模块52 ;方案设计数据导入模块51和三维建模模块4相连接，导入肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型以及通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关参数， 包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等，可为对象提供个性化的、受益最大化的治疗方案，选择根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术模拟，分别按下述模块进行A根治性肾切除术模块根据重建的肾脏模型，分析肿瘤的位置、肿瘤有无侵润周围组织，有无副肾动脉的存在，肾动脉分支、深静脉属支的解剖变异或因为肿瘤的挤压发生位移，肾静脉内有无癌栓，异常的肿瘤血管等，并可根据资料库中的资料判断对侧肾脏术后功能代偿情况。B肾部分切除术模块根据重建的肾脏模型所显示的肾内血管和肾肿瘤关系、肾脏的受累情况、肾肿瘤的位置、大小和所涉及的肾段信息，对肾肿瘤进行可切除性分析，通过将肾肿瘤模型边缘向外膨胀的方式确定肾肿瘤切除的安全区域，并可在三维模型上标记出被该区域影响的血管分支和集合引流结构，将这部分作为风险区域并模拟缝合。同时基于肿瘤、肾段、集合引流结构的形变曲面进行不规则肾部分切除术的手术方案规划。此外对术中肾动脉阻断方式进行可行性分析，如肾动脉主干阻断、肾动脉分支阻断、肾段动脉阻断、肾动脉三级分支阻断、肿瘤动脉阻断等，在三维模型上标记出动脉供应区域，计算热缺血体积占总肾体积的比例。C射频消融术模块根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析射频消融的可能性，并规划射频消融电极的大小和形状， 在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界定电极的手术入路，计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性。D冷冻消融术模块根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析冷冻消融的可能性，并规划冷冻探针的大小和形状，在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界定冷冻探针的手术入路，计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性。E腹腔镜手术模块以上A、B、C、D手术均可应用腹腔镜技术，更能体现微创外科的特性。腹腔镜的术野只能显示二维图像，缺乏距离感和深度感，止血、缝合较为困难，通过三维模型的旋转、平移、放大观察从不同角度和方位观察肿瘤与血管、集合引流结构的关系，确定模拟手术的分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路和深度。方案设计模块52 根据方案设计数据导入模块51的结果进行手术方案设计。
模拟手术模块6与手术方案设计模块5相连接，模拟手术模块6根据手术方案设计模块5的手术设计方案进行各种手术方案的模拟，在模拟过程中加入力反馈装置9，增加手术模拟的真实性；手术风险分析及应对模块7与模拟手术模块6相连接，手术风险分析及应对模块7对模拟手术模块6的各种模拟手术方案结合数据库模块2中的资料综合分析手术风险，采取应对措施；预后分析模块8与模拟手术模块6相连接，预后分析模块8对模拟手术模块6中的不同模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后，完成上述步骤(4)的功能。
力反馈装置9与模拟手术模块6相连接，在模拟过程中加入力反馈，增加手术模拟的真实性。力反馈装置9可以采用SensabIe— PHANTOM系列力反馈设备等市售产品。
权利要求
1.一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法，其特征在于它包括以下步骤 (O建立数据库数据库包括存贮对象的基本信息，包括姓名、性别、年龄、病史、合并症、生化检查信息，CT图像库，提供肾肿瘤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CT图像中的CT断层图像输入方式包括CT胶片扫描、网卡、光盘等，其中胶片扫描图像需通过正平行投射校对扫描引起的偏移，再进行图像的切割； 所述的图像切割是以单幅断层CT图像中四周文字信息的最外边缘为基准划定矩形框，将其裁分为呈序列的、含单幅断层CT内容的图像；以首幅图像中标尺的实际代表长度除以标尺两端点像素坐标的差值，得到単位像素大小，再将其余图像与该幅图像的像素大小相除得到缩放比例，从而以首幅图像为基准，对序列图像进行裁分后进ー步矫正； (2)图像配准从数据库中提取对象的CT图像，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准； (3)三维建模利用配准后的CT图像，建立肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型，其过程为 (3. I)分割肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构采用动态自适应区域生长的分割计算方法，设置目标器官的灰度阈值，根据目标器官灰度值的均一性程度来调整，然后在感兴趣区域选择ー种子点作为初始点，分割出目标区域图像，即分割出用于模拟手术方案设计、模拟手术和风险分析所涉及的组织，包括肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构； (3. 2)建立肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型采用三维重建技术重建动脉期、静脉期、延迟期相分割的组织，并在同一坐标空间内有效融合； (4)手术方案设计、模拟手术、手术风险分析及应对、预后分析根据肾肿瘤的影像分期的标准及诊疗指南，综合数据库中的资料和步骤(3)所得到的建模结果，通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关參数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等，基于对象的肾脏三维模型进行手术方案设计、模拟手术，模拟规划手术路径，并对模拟设计的结果进行手术风险分析及应对和预后分析，可为对象提供个性化的、受益最大化的治疗方案；通过反复手术模拟，可提高用户的手术技能和熟练度，并且还能用于医学教学，其过程如下 (4. I)手术方案设计 当进行根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术方案设计时，分别按下述过程进行 A根治性肾切除木根据重建的肾脏模型，分析肿瘤的位置、肿瘤有无侵润周围组织，有无副肾动脉的存在，肾动脉分支、深静脉属支的解剖变异或因为肿瘤的挤压发生位移，肾静脉内有无癌栓，异常的肿瘤血管等，分析根治性肾切除术的可行性和安全性，并可根据资料库中的资料判断对侧肾脏术后功能代偿情况； B肾部分切除术根据重建的肾脏模型所显示的肾内血管和肾肿瘤关系、肾脏的受累情况、肾肿瘤的位置、大小和所涉及的肾段信息，对肾肿瘤进行可切除性分析，通过将肾肿瘤模型边缘向外膨胀的方式确定肾肿瘤切除的安全区域，并可在三维模型上标记出被该区域影响的血管分支和集合引流结构，将这部分作为风险区域并模拟縫合，同时基于肿瘤、肾段、集合引流结构的形变曲面进行不规则肾部分切除术的手术方案规划，此外对术中肾动脉阻断方式进行可行性分析，如肾动脉主干阻断、肾动脉分支阻断、肾段动脉阻断、肾动脉三级分支阻断、肿瘤动脉阻断等，在三维模型上标记出动脉供应区域，计算热缺血体积占总肾体积的比例； C射频消融术根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析射频消融的可能性，并规划射频消融电极的大小和形状，在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界定电极的手术入路，计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性； D冷冻消融术根据肾肿瘤位置、大小、血供情况分析冷冻消融的可能性，并规划冷冻探针的大小和形状，在对象的肾脏三维模型上通过模拟的方式界定冷冻探针的手术入路，计算消融范围，并分析消融后肾脏局部出血、尿瘘的可能性； E腹腔镜手术通过肾脏三维模型的旋转、平移、放大观察从不同角度和方位观察肿瘤与血管、肾盏肾盂的关系，模拟腹腔镜手术的分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路、深度、消融范围，分析以上A、B、C、D手术采用腹腔镜手术的可行性和安全性； (4.2)模拟手术 采用第一视角技术，利用虚拟手木工具进行手术模拟，并通过加入力反馈硬件设备，模拟手术过程中的触觉感受，増加模拟仿真的真实性； 以用户作为第一视角开发手术入路，真实反映手术状况，利用图形处理器进行数据高效实时渲染； 通过在计算机上操作本平台提供的虚拟手木工具所接触的肾脏模型模拟进行根治性肾切除术、肾部分切除术、射频消融术、冷冻消融术以及腹腔镜手术模拟过程，采用的方式有模拟手术的入路、分离、切割路线以及射频消融、冷冻消融的穿刺入路和深度，警示所遇到的重要组织结构和规划合理的处理方法，显示切ロ的大小，可视化切ロ内部的顔色、透明度或者旋转、平移、缩放方式从不同角度和方位观察切面情况或者消融的范围； 在模拟过程中，构建逼真模拟软组织在手术过程中的形变过程，并使用力反馈硬件设备进行手术模拟过程的触觉建模，使用户在对肾脏三维模型进行分离、切割、触摸、抓取、缝合操作时产生连续触觉感受，为用户提供逼真的沉浸感。通过各种手术技术的反复模拟，还能提高用户的手术技能和熟练程度，并且还能用于医学教学； (4. 3)手术风险分析及应对和预后分析 综合数据库中的资料和手术方案设计、模拟手术的结果进行手术风险分析及应对和预后分析。
2.ー种实现权利要求I所述的ー种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法的平台，其特征在于该平台包括数据库建立模块(I)、数据库模块(2)、图像配准模块(3)、三维建模模块(4)、手术方案设计模块(5)、模拟手术模块(6)、手术风险分析及应对模块(7)、预后分析模块(8)和カ反馈装置(9); 数据库建立模块(I)用于通过载入对象基本信息，生化检查资料，CT图像库，建立相应对象资料，得到数据库模块(2);该数据库提供肾肿瘤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，完成上述步骤(I)的功能； 图像配准模块(3)从数据库模块(2)中提取对象的CT图像，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准，完成上述步骤(2)的功能；三维建模模块(4)实现肾脏、肾肿瘤、血管结构、集合引流结构的三维建模，为后续的手术方案设计模块(5)提供对象的三维模型，完成上述步骤(3)的功能； 手术方案设计模块(5)对三维建模模块(4)建立的三维模型通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关參数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等，进行手术方案设计；模拟手术模块(6)根据手术方案设计模块(5)的手术设计方案进行各种手术方案的模拟，在模拟过程中加入カ反馈装置(9)，増加手术模拟的真实性；手术风险分析及应对模块(7)对模拟手术模块(6)的各种模拟手术方案结合数据库模块(2)中的资料综合分析手术风险，采取应对措施；预后分析模块(8)对模拟手术模块(6)中的不同模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后，完成上述步骤(4)的功能。
3.根据权利要求2所述的ー种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟平台，其特征在于 图像配准模块(3)包括配准的数据导入模块(31)，与配准的数据导入模块(31)连接的配准模块(32);配准的数据导入模块(31)从数据库模块(2)中提取对象的CT图像，传输给配准模块(32 )，对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准。
4.根据权利要求2所述的ー种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟平台，其特征在于 三维建模模块(4)包括配准图像导入模块(41)、分割模块(42)、三维重建模块(43)、融合模块(44);配准图像导入模块(41)将配准模块(32)配准后的图像传输到分割模块(42)，进行图像分割后传输到三维重建模块(43)，进ー步对动脉期、静脉期、延迟期相重建的组织在融合模块(44)内进行在同一坐标空间内有效融合，建立肾脏、肾肿瘤、肾脏的动脉、静脉结构和集合引流结构的三维模型。
5.根据权利要求2所述的ー种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟平台，其特征在于 手术方案设计模块(5)包括方案设计数据导入模块(51)和方案设计模块(52) '方案设计数据导入模块(51)和三维建模模块(4)相连接，导入肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉、肾盏肾盂、输尿管的三维模型以及通过计算机计算肾脏、肾肿瘤、血管和集合引流结构的各种相关參数，包括肾肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离等；方案设计模块(52)根据方案设计数据导入模块(51)的结果进行手术方案设计； 模拟手术模块(6)与手术方案设计模块(5)相连接，根据手术设计方案进行各种手术方案的模拟； 手术风险分析及应对模块(7)与模拟手术模块(6)相连接，对各种模拟手术方案结合数据库模块(2)中的资料综合分析手术风险和应对措施； 预后分析模块(8)与模拟手术模块(6)相连接，对不同模拟手术方案的疗效进行预测，分析可能的预后； 力反馈装置(9)与模拟手术模块(6)相连接，在模拟过程中加入力反馈，増加手术模拟的真实性。
全文摘要
本发明公开了一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法及其平台，该方法首先建立包含对象资料的数据库，以包含CT胶片扫描在内的多种方式输入CT断层图像；对序列图像进行基于轮廓渐变原则的按序配准；利用配准后的CT图像采用三维重建技术重建动脉期、静脉期、延迟期相分割的组织，并在同一坐标空间内有效融合。基于建模结果根据肾肿瘤的影像分期的标准及诊疗指南进行各种手术方案设计、模拟手术、手术风险分析及应对、预后分析，可为对象提供个性化的、受益最大化的治疗方案；通过反复手术模拟，可提高用户的手术技能和熟练度，并且还能用于医学教学。
文档编号G06F19/00GK102982238SQ20121045252
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者王东文, 孙利民, 李茹, 张彬, 张旭辉 申请人:深圳市环球博洋机电科技有限公司