[发明专利]一种基于CT胶片的三维肾肿瘤手术模拟方法及其平台

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。

主权项

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：（1）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：（3.1）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：（4.1）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。