一种基于三维多模影像的肝肿瘤综合手术规划模拟方法及其系统

摘要

本发明公开了一种基于三维多模影像的肝肿瘤综合手术规划模拟方法及其系统。该方法首先建立包含对象资料的数据库；再对对象的不同模式、单一模式不同期相的医学图像进行三维配准和融合；然后，对特定组织采用自动和半自动方法进行分割，并利用三维重建技术实现肝脏内及肝脏周围重要组织的三维建模，重建出具有沉浸和交互特性的腹部三维模型；之后，基于建模结果，参考诊疗指南，并结合对象资料，进行模拟前综合风险分析；最后，根据综合风险分析的结果，设计各种模拟手术方案，进行真实感强的手术模拟，规划手术路径，并对规划模拟结果进行风险和预后分析，通过反复手术模拟，可提高用户的手术技能和熟练度，并且还能进行医学教学。

主权项

一种基于三维多模影像的肝肿瘤综合手术规划模拟方法，其步骤包括：(1)建立数据库：数据库用于存储对象的基本信息，包括姓名、性别、年龄、病史、生化检查信息、医学图像和影像检查结果，提供肝肿瘤手术方案规划模拟所需要的特征和信息，用于模拟手术前的风险分析和模拟结果的分析；(2)三维配准和融合：从数据库中提取对象的医学图像，进行不同模式图像、单一模式不同期相图像之间的三维配准和融合，得到配准和融合后的医学图像；(3)三维建模：利用配准和融合后的医学图像，建立对象的腹部三维模型，其过程为：(3.1)分割腹部相关组织：根据对象的医学图像特点，分割出用于模拟手术前综合风险分析以及模拟手术规划、模拟和模拟结果分析时所涉及的组织，包括肝脏、肝肿瘤、肝部各套血管结构；(3.2)建立血管结构模型：利用三维拓扑细化的方法提取分割得到的血管结构数据的中心线，并建立中心线模型，显示血管各分支结构并提供中心线上每点的管径，所述血管结构包括肝动脉、肝静脉、肝门静脉，通过该中心线模型获取血管结构各点的管径、各分支的方向及各分支间的夹角；(3.3)建立肝脏的分段模型：采用基于肝门静脉分支走向的肝脏分段方法得到肝脏的分段模型；(3.4)建立腹部三维模型：采用三维重建技术，重建出步骤(3.1)、(3.2)和(3.3)处理得到的数据，直观显示肝脏、各肝段、肝部各套血管、肝肿瘤的大小、位置以及与其它相关组织的关系，建立腹部三维模型；(4)分析模拟手术前综合风险：利用数据库中的资料和步骤(3)中所得到的建模结果，通过计算机计算肝脏、肝肿瘤和血管结构的各种相关参数，包括肝脏体积、各肝段占总肝体积比例和肝肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管和组织的距离；(5)利用模拟手术前综合风险分析的结果，基于对象的腹部三维模型，进行模拟手术方案设计、手术模拟及模拟结果分析，模拟规划手术路径，并对模拟设计的结果进行风险和预后分析，通过反复的手术模拟，提高用户的手术技能和熟练度，并且还能进行医学教学，其过程为：(5.1)模拟手术方案设计及其分析：当进行肝肿瘤切除术、肝移植术或射频消融术模拟时，分别按下述过程进行：(a)肝肿瘤切除术：根据对象腹部三维模型所显示的肝内重要血管和肝肿瘤关系、肝脏的受累范围、肝肿瘤的位置、大小和所涉及的肝段信息，对肝肿瘤进行可切除性分析；通过将肝肿瘤模型边缘向外膨胀的方式确定肝肿瘤切除的安全区域，并在三维模型上标记出被该区域影响的血管分支及其所分布的肝脏组织，将这部分作为风险区域并计算体积大小，根据此区域规划拟切除的范围和模拟手术的入路；同时进行基于肝叶、肝段的规则肝切除或者边界肝肿瘤挖除的不规则肝切除的虚拟手术方案规划模拟，划定模拟手术切割边界，从不同方位观察切割截面情况，并计算出模拟手术中在对象的腹部三维模型上切除的肝脏和残肝的体积大小及占总肝体积比例，分析模拟手术后的残肝功能；(b)肝移植术：根据数据库中对象的资料和重建得到的腹部三维模型，分析作为受体和供体的对象的肝脏状况、重要血管情况，评价移植的可行性、可能的移植部位和结合部位，根据邻近重要结构的状况，确定模拟手术的切割路线和移植方式，并计算出功能性供肝、残肝的体积，分析模拟移植后供体和受体对象的肝脏状况；(c)射频消融术：根据肝肿瘤位置、大小、血供情况分析射频消融的可行性，并规划微波头的大小和形状，在对象的腹部三维模型上通过模拟的方式界定微波的手术入路，计算出消融范围，并分析模拟消融后对象肝脏残余病变的可能性；(5.2)手术模拟：采用第一视角技术，利用虚拟手术刀工具进行手术模拟，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体数据高效实时渲染；通过在计算机上操纵虚拟手术刀工具对所接触的肝脏模型模拟肝肿瘤切除术、肝移植术、射频消融术各种手术过程，采用的方式有基于一个或多个平面的肝切除、边界肝肿瘤挖除和基于形变曲面的灵活不规则肝切除，并显示切口大小，可视化切口内部的解剖结构，警示所遇到的重要组织结构，通过设置肝脏、肝肿瘤和血管结构三维模型的颜色、透明度或者旋转、平移、缩放方式从不同的角度和方位观察切面情况，分析切面所影响的血管结构是否会引起其所分布的肝脏组织发生缺血或者淤血情况，并计算出模拟过程中发生缺血或者淤血的肝脏体积及占总肝体积比例；在模拟过程中，构建出有限元物理模型逼真模拟软组织在手术中的形变过程，并使用力反馈硬件设备进行手术模拟过程的触觉建模，使得用户在对腹部三维模型进行切割、触摸、抓取操作时产生连续触觉感受，为用户提供逼真的沉浸感。