专利名称：一种计算机辅助肝脏移植手术规划系统的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机辅助肝脏移植手术规划系统的实现方法，属于医学图像处理技术领域。
背景技术：
在肝脏移植手术中，准确地知道病人特定的肝脏解剖结构对于手术策略的制定具有决定性的作用。被移植的肝脏的体积应该足以维持受体的生命需要，同时剩余的肝脏体积应该尽可能地保留最大，以降低对肝脏供体的损伤。同时，由于肝脏内部血管和肿瘤的解剖结构在不同的病人之间变化很大，手术医生需要掌握要被切除的肝脏部分的位置和肝脏内血管和肿瘤的分布情况，以制定最佳的手术切割方案。因此，基于医学图像的术前手术规划具有十分重要的意义，它可以提高手术的精度和成功率，得到对供体和受体都最佳的手术方案。
不同于其他的手术规划系统，肝脏移植手术规划系统需要为供体和受体都提供手术计划方案。在该系统提出的手术策略的基础上，医生可以分析供体候选者的肝脏体积和功能，从而评价手术对供体的风险，以选择最佳的供体。另一方面，受体的血管分布和其他解剖结构的可视化也帮助了医生制定最优的手术方案。
然而，要得到一个临床上可用的肝脏移植手术规划系统，有一系列重要的问题需要解决。首先，不同个体的肝脏形状和解剖结构变化很大，很难用一个常规的参数分布模型来描述，而肝移植手术规划系统必须提供具有病人特异性的手术策略，这就需要该系统具有处理复杂分布的肝脏形状的能力。其次，手术的规划要基于肝脏及其内部血管和肿瘤的分割结果，然而，精确的分割出来这些组织是一个十分具有挑战性的问题。
现有的一些肝脏手术规划系统通常采用了一些比较传统的图像处理技术，比如基于边缘的分割算法，区域增长算法，交互的蛇形算法，直方图处理技术，边缘检测和参数曲线的结合等。德国癌症研究中心提出了一个肝脏手术规划系统的框架，他们的工作主要集中在肝段的划分，肝脏组织的分割没有深究。德国医学诊断系统和可视化中心也开发了一个术前规划系统，但只实现了初步的设计，精度和效率都有待于提高。格拉茨工业大学提出了一个基于虚拟现实技术的术前规划系统，但是未将肝静脉考虑进去。现有的系统大多数都需要用户交互，而且几乎都无法始终有效地解决复杂的肝脏形状变化所带来的错误分割的问题。过去几十年出现了大量的算法用于肝脏图像处理，Heimann T.和Van Ginneken等人研究发现利用先验形状的分割方法相比于仅使用表观信息(如灰度和边缘)的分割方法具有更好的性能。然而，到目前为止，几乎没有其他的肝脏手术规划系统使用了基于形状先验的分割方法。基于形状先验的肝脏分割的主要问题是如何对复杂的肝脏形状变化进行有效地建模。医学图像分割领域中常规的方法是活动形状模型和统计形状模型，但是，在对肝癌病人的肝脏形状进行建模比其他器官诸如前列腺，肾脏和骨头等的形状建模更具有挑战性。不同病人的肝脏形状千变万化，无法用一个参数概率分布来准确地描述。此外，先验形状应该具有病人适应性，对特定的病人，克服奇异点和噪声的干扰，并且保留局部细节具有十分重要的意义。发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高精度和高鲁棒性，且实现方便、能处理复杂的肝脏形状的病例的计算机辅助肝脏移植手术规划系统的实现方法。
本发明的计算机辅助肝脏手术规划系统的实现方法包括以下步骤
第一步，将大量人群的三维腹部CT图像中的肝脏分割出来，提取表面网格，得到一系列标记点和三角形面片组成的网格表面，建立肝脏形状库；
第二步，对待手术的肝脏，使用区域增长算法得到初始分割结果，将该分割结果表示成形状库中的形状的稀疏线性组合表达；该稀疏线性组合表达的结果作为该肝脏的先验形状；
第三步，利用所述先验形状定义速度函数，计算种子点行进到未分类的点的到达时间，根据到达时间对肝脏及其内部组织进行分割，同时分割出肝实质，门静脉，肝静脉和肿瘤；
第四步，利用肝静脉的分割结果，将肝脏分成功能上独立的八个肝段，并计算各个肝段和肿瘤的体积；
第五步，分割和分段结果的三维可视化。
在上述技术方案下，本发明可以这样实现
所述第二步中稀疏线性组合表达如下
( I)对于肝脏形状库中第i个形状，将所有顶点的坐标按顺序排列一个η维列向量 Cli e Rn，其中n是顶点数量与坐标维数的乘积；
(2) —个包含L个肝脏的形状库表示成一个含有L个η维列向量的矩阵的形式 D= [(I1, d2，. ·.，dj，该形状库中的平均形状为:
权利要求
1.一种计算机辅助肝脏手术规划系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，将大量人群的三维腹部CT图像中的肝脏分割出来，提取表面网格，得到一系列标记点和三角形面片组成的网格表面，建立肝脏形状库；第二步，对待手术的肝脏，使用区域增长算法得到初始分割结果，将该分割结果表示成形状库中的形状的稀疏线性组合表达；该稀疏线性组合表达的结果作为该肝脏的先验形状；第三步，利用所述先验形状定义速度函数，计算种子点行进到未分类的点的到达时间， 根据到达时间对肝脏及其内部组织进行分割，同时分割出肝实质，门静脉，肝静脉和肿瘤； 第四步，利用肝静脉的分割结果，将肝脏分成功能上独立的八个肝段，并计算各个肝段和肿瘤的体积；第五步，分割和分段结果的三维可视化。
2.根据权利要求I所述的计算机辅助肝脏手术规划系统的实现方法，其特征在于，所述第二步中稀疏线性组合表达如下(1)对于肝脏形状库中第i个形状，将所有顶点的坐标按顺序排列一个η维列向量 Cli e Rn，其中n是顶点数量与坐标维数的乘积；(2)—个包含L个肝脏的形状库表示成一个含有L个η维列向量的矩阵的形式D =— I L[Cl1, d2,. .，dj，该形状库中的平均形状为:
3.根据权利要求I所述的计算机辅助肝脏手术规划系统的实现方法，其特征在于，所述的第三步中对肝脏及其内部组织进行分割的过程如下(I)计算结合先验形状的速度函数在选取肝实质，门静脉，肝静脉和肿瘤的种子点以后，通过快速行进算法计算种子点到未分类的点的到达时间，在每一个未分类点处，某一类组织的种子点在该点的行进速度的定义基于该点的灰度和该点与先验形状的空间位置关系；行进速度定义如下V (X，C) = λ Jintensity(x, c) + λ 2Vshape (X)其中X表示未分类的点，C代表某一个组织分类，是肝实质，肝静脉，门静脉和肿瘤其中的一种；λ i和λ 2分别是速度函数中灰度项Vintmsity (X，C)和形状项Vshape(X)的权重系数；灰度项 Viiiteiisity(x, c)定义如下
4.根据权利要求I所述的计算机辅助肝脏手术规划系统的实现方法，其特征在于，所述的第四步中肝脏分段的方法如下根据肝脏门静脉的分割结果，提取门静脉的骨架，将分割结果从二值图像转化成树的结构。用户通过交互的方式选择每个肝段所属血管的根节点，然后自动由根节点出发，找到各血管分支的子分支，从而完成肝脏门静脉的分段；得到门静脉的划分结果之后，采用K邻近点算法对肝脏进行分段，即将肝实质归为离它最近的门静脉所在的段，利用门静脉的标记，完成肝脏的分段。
全文摘要
本发明涉及一种计算机辅助肝脏手术规划系统的实现方法，包括以下几个步骤第一步，建立正常人肝脏形状库；第二步，对待手术肝脏，将肝脏区域的初始分割结果使用一种基于稀疏表达的方法进行建模，消除奇异点和噪声数据的干扰，得到具有病人适应性的肝脏区域的先验形状；第三步，利用先验形状对肝脏进行精确分割，同时分割出肝实质，门静脉，肝静脉和肿瘤；第四步，利用肝静脉的分割结果，将肝脏分成功能上独立的八个肝段，并计算各个肝段和肿瘤的体积；第五步，分割和分段结果的三维可视化。与现有技术相比，本发明具有高精度和高鲁棒性，实现方便并且能处理复杂的肝脏形状等优点。
文档编号G06F19/00GK102938027SQ201210505148
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者董斌, 王国泰, 王洪瑞, 顾力栩 申请人:河北大学