一种脑肿瘤手术切口及入路规划方法

摘要

本发明属于计算机辅助外科领域，具体涉及一种针对脑肿瘤切除手术，利用医学图像在术前进行切口定位及手术入路规划的脑肿瘤手术切口及入路规划方法。本发明包括：获取肿瘤中心点；定位头皮上距离最短点；定位区域内距离最短点：获取肿瘤边缘点；确定手术切口位置；设计手术入路。与其他脑肿瘤在头皮上的定位方法相比较，本发明在有效避开颅内重要组织的情况下，设计的手术入路路径最短，实现最小额外创伤下精确定位切口的要求。

主权项

一种脑肿瘤手术切口及入路规划方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取肿瘤中心点：分别计算出肿瘤模型表面所有点的X坐标、Y坐标、Z坐标的平均值，$\overline{x^T}=\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{x}_i^T\right)/n$$\overline{y^T}=\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{y}_i^T\right)/n$$\overline{z^T}=\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{z}_i^T\right)/n$其中，表示肿瘤中心点，表示肿瘤模型表面第i个点，n表示肿瘤表面点的总数；(2)定位头皮上距离最短点：遍历头皮表面模型上所有点，计算头皮表面点到肿瘤中心点间距离，其中，D表示空间距离，表示头皮表面第i个点，表示肿瘤中心的坐标，最后定位D最小的头皮点坐标$D=\sqrt{{(x_i^S-\overline{x^T})}^2+{(y_i^S-\overline{y^T})}^2+{(z_i^S-\overline{z^T})}^2}$将点与肿瘤中心点连线并显示，判断血管模型是否在该连线上；如果血管不在该连线上，则将到的向量作为投影基准向量，并执行步骤(4)；如果有血管在该连线上，执行步骤(3)；(3)定位区域内距离最短点在头皮上选取三个点构成一个三角形区域，该区域表示肿瘤中心点在头皮上的投影范围；然后在该三角形区域内找出距离脑肿瘤中心点距离最短的点，并将肿瘤中心点到该距离最短点形成的向量作为投影基准向量：(3.1)确定三角形区域内点集在头皮上避开血管的位置选择三点，分别设为A、B和C，采用同向法将头皮表面位于三角形内部点提取出来：(3.1.1)以三角形一边AB为分界线，将头皮点分为AB左侧和右侧两个部分，P_i为头皮上一点，计算向量与向量的叉积Q₁，再计算向量与向量的叉积Q₂；将Q₁和Q₂点乘，如果点积大于等于0，则Q₁和Q₂的夹角为锐角，即点P_i与C在AB同侧；如果点积小于0，则为钝角，即点P_i与C在AB异侧；找出以AB为分界线与C同侧的头皮点为第一阴影部分；(3.1.2)以AC为分界线，将(3.1.1)中结果分为AC上侧和下侧两个部分；P_i为第一阴影部分任意一点，计算向量与向量的叉积E₁，再计算出向量与向量的叉积E₂，接着计算E₁和E₂的点积，若点积大于等于0，则E₁和E₂的夹角为锐角，点P_i与B在AC同侧；若点积小于0，则为钝角，点P_i与B在AC异侧；找出以AC为分界线与B同侧的头皮点为第二阴影部分；(3.1.3)以CB为界线，第二阴影部分分为CB左侧和右侧两个部分；P_i为第二阴影部分任意一点，先计算向量与向量的叉积U₁，再计算出向量与向量的叉积U₂，接着计算U₁和U₂的点积，若点积大于等于0，则U₁和U₂的夹角为锐角，P_i与A在CB同侧；若点积小于0，则为钝角，则P_i与A在CB异侧；找出以AC为界线跟B同侧的头皮点为第三阴影部分；(3.2)在三角形区域内点集中找出一点使得该点到肿瘤中心点的距离最短；从肿瘤中心点到该点形成的向量作为投影基准向量；(4)获取肿瘤边缘点从脑肿瘤模型表面点中选取8个边缘点，要求其沿着投影基准向量方向向头皮投影形成的通路能完全涵盖肿瘤：(4.1)设投影基准向量G_T位于肿瘤中心，G_S位于头皮上；将点G_T、点G_S以及肿瘤模型表面点一起按照平移矩阵T从位置I平移到位置II，使G_T位于坐标原点；用椭圆形表示脑肿瘤，带箭头线段表示投影基准向量，三角形表示点G_T，圆形表示点G_S；(4.2)肿瘤不动，将点G_S从位置I先绕Z轴进行旋转，使得点G_S旋转后位于YOZ面内，其旋转矩阵为R₁；然后再绕X轴旋转到位置II，使得旋转后的点G_S位于Z轴上，其旋转矩阵为R₂；最终结果投影基准向量与Z轴重合；(4.3)将肿瘤表面点右乘旋转矩阵R进行变换，得到肿瘤表面点目标位置；由于变换后的投影基准向量与Z轴重合，肿瘤表面点沿投影基准向量投影即是向XOY平面投影R＝R₁*R₂；(4.4)将肿瘤表面所有点向XOY平面投影，获得投影点集S_p；从S_p中提取8个边缘点S_p1...S_p8，找到S_p1…S_p8在肿瘤表面的对应点S_s1…S_s8作为肿瘤最大轮廓；S_p1…S_p8中4个点分别是X坐标的最小值点和最大值点、Y坐标的最小值点和最大值点；另外4个点分别位于是X轴正向与Y轴正向夹角平分线上的最小值点和最大值点，X轴负向与Y轴正向夹角平分线上的最小值点和最大值点；位于XOY平面内的空心方块表示S_p1…S_p8，位于肿瘤表面的实心方块表示S_s1…S_s8；(4.5)将点G_T、点G_S和包含8个边缘点S_s1…S_s8的肿瘤表面所有点从位置I先按照旋转矩阵R的逆矩阵旋转，再按照平移矩阵‑T平移到位置II，最后得到原始肿瘤位置的8个边缘点S′_s1…S′_s8；(5)确定手术切口位置；设计手术入路将步骤(4)的8个肿瘤边缘点沿着投影基准向量方向向头皮投影，在头皮上得到手术切口位置：(5.1)设S′_si为8个边缘点S′_s1…S′_s8中的第i个，计算S′_si到任意头皮上点的向量，求出该向量与向量夹角的余旋值：其中为两个向量，Cosθ为和夹角的余旋值；(5.2)找出夹角余旋值接近1的向量集合，并求出这些向量对应的头皮上的点；(5.3)计算各个点与边缘点S′_si的距离；(5.4)在计算出的所有距离里面找出最短的距离和其对应在头皮上的点S″_si，则S″_si就是边缘点S′_si沿着方向在头皮上的投影点；(5.5)按照步骤(5.1)到步骤(5.4)计算8个边缘点对应的投影点；(5.6)求出的8个投影点围成的区域就是脑肿瘤在头皮上的切口位置，肿瘤上的8个边缘点S′_s1…S′_s8和头皮上的8个投影点S″_s1…S″_s8对应连线形成的通路就是手术入路。