專利名稱：組織器官三維可視化手術導航方法和系統的制作方法
組織器官三維可視化手術導航方法和系統
技術領域：
本發明涉及生物醫學工程領域，尤其涉及一種組織器官三維可視化手術導航方法和系統。
背景技術：
醫學影像手術導航指利用計算機對病人的醫學影像信息進行處理，進而為醫生提供一個包括手術區域在內的可視化圖形界面，有時還會提供如空間位置、距離和方位等輔助信息，以引導醫生進行更為精確的手術。傳統的手術導航系統需要在手術前拍攝病人的CT或磁共振影像，然后將這些術前影像和術中病人進行配準。配準之后，醫生在醫學影像的引導下實施手術。由于CT和磁共振屬于三維斷層掃描成像技術，通過對手術目標組織器官進行三維重建，可以為醫生提供三維可視化的手術導航。然而，受術前術中配準精度的影響，傳統的三維可視化手術的導航精度也會受到限制。
發明內容基于此，有必要提供一種導航精度較高的組織器官三維可視化手術導航方法和系統。一種組織器官三維可視化手術導航方法，包括如下步驟獲取組織器官的三維超聲圖像；獲取手術器具相對于目標組織器官的位置；在所述三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，并采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面；將所述三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置進行融合，生成手術導航數據，并可視化所述手術導航數據，從而進行導航。優選的，所述獲取目標組織的三維超聲圖像的步驟為通過超聲探頭采集病人手術區域包含目標組織器官在內的三維超聲圖像。優選的，所述在所述三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面的步驟為將所述三維超聲圖像分解為多幀二維超聲圖像并逐幀顯示，在所述逐幀顯示的二維超聲圖像上，選取位于目標組織器官的輪廓線上的離散點并將所述離散點形成離散點集，利用目標組織器官的統計形狀模型提供的目標組織器官的三維形狀先驗知識，結合所述離散點集重建出目標組織器官的三維表面。優選的，所述將所述三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合并可視化的步驟為采用坐標轉換，將所述三維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置，轉換到同一坐標系；
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將三維超聲圖像以任意角度切片得到二維超聲圖像；將三維超聲圖像切片后得到的二維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合在一起，生成手術導航數據。優選的，還包括在手術之前，建立所述統計形狀模型的步驟。一種組織器官三維可視化手術導航系統，包括采集裝置，用于獲取組織器官的三維超聲圖像；空間定位裝置，用于獲取手術器具相對于目標組織器官的位置；影像處理裝置，用于接收所述采集裝置獲取的組織器官的三維超聲圖像以及空間定位裝置獲取的手術器具相對于目標組織器官的位置，在所述三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，并采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面，最后將所述三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合，生成手術導航數據；顯示裝置，用于可視化所述手術導航數據，從而進行導航。優選的，所述采集裝置用于通過超聲探頭采集病人手術區域包含目標組織器官在內的三維超聲圖像。優選的，所述影像處理裝置包括超聲體數據選點模塊和三維重建模塊；所述超聲體數據選點模塊用于將所述三維超聲圖像分解為多幀二維超聲圖像并逐幀顯示，在所述逐幀顯示的二維超聲圖像上，選取位于目標組織器官的輪廓線上的離散點并將所述離散點形成離散點集；所述三維重建模塊用于利用目標組織器官的統計形狀模型提供的目標組織器官的三維形狀先驗知識，結合所述離散點集重建目標組織器官的三維表面。優選的，所述影像處理裝置還包括坐標轉換模塊和可視化模塊；所述坐標轉換模塊用于采用坐標轉換，將所述三維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置，都轉換到同一坐標系中；所述可視化模塊用于將三維超聲圖像以任意角度切片后得到的二維超聲圖像、接著將所述二維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合在一起， 生成手術導航數據。優選的，所述影像處理裝置還包括統計形狀模塊，所述統計形狀模塊用于內置有在手術之前建立的目標組織器官的統計形狀模型。這種組織器官三維可視化手術導航方法和系統，利用手術中獲取的三維超聲圖像，就可精確重建出目標組織器官的三維表面，重建出的三維表面與超聲圖像融合在一起， 結合空間定位裝置，為醫生提供目標組織器官的三維形狀和手術器具空間位置，從而為醫生提供更為精確的術中導航。與傳統的三維可視化手術相比，這種組織器官三維可視化手術導航方法和系統，無需術前CT或磁共振影像，也就無需將術前影像和術中病人進行配準，解決了傳統手術導航方法中的術前術中配準精度難以保證從而導致手術導航精度下降的問題，導航精度較高。
圖1為一實施方式的組織器官三維可視化手術導航方法的流程圖2為一實施方式中實時獲取手術器具相對于超聲圖像的位置的示意圖；圖3為一實施方式中將三維超聲體數據切分為二維圖像后沿目標組織器官輪廓線選點的示意圖；圖4為一實施方式中基于統計形狀模型的三維表面重建方法流程圖；圖5為一實施方式中根據位于目標組織輪廓線上的離散點組成的點集以及根據點集重建出的目標組織器官三維表面的對比圖；其中，左圖為離散點組成的點集，右圖為根據點集重建出的目標組織器官三維表面；圖6為一實施方式中的超聲圖像、目標組織器官三維表面和手術器具融合顯示的手術導航示意圖；圖7為一實施方式的組織器官三維可視化手術導航系統的組成示意圖；圖8為圖7中的影像處理裝置的內部結構框圖。
具體實施方式為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。傳統的手術導航系統需要在手術前拍攝病人的CT或磁共振影像，然后將這些術前影像和術中病人進行配準。受術前術中配準精度的影響，傳統的三維可視化手術的導航精度也會受到限制。基于此，有必要提供一種導航精度較高的組織器官三維可視化手術導航方法和系統。為了準確重建目標組織器官三維表面，本發明需要預先學習目標組織器官三維形狀的先驗知識，即濾除附加在三維形狀上的尺寸、位移、旋轉等效應后的純形狀信息。而先驗知識可從大量目標形狀組成的樣本集中進行統計學習來得到。這一統計學習可通過建立目標組織器官的統計形狀模型來實現。統計形狀模型可以在手術之前預先建立好，內置在影像處理裝置中。在進行手術導航時，直接使用即可，而無需額外操作。建立目標組織器官統計形狀模型的步驟，如下A)采集N個包含目標對象在內的三維圖像體數據。具體實施方法是對N個志愿者采集包含目標組織器官在內的CT或磁共振等三維圖像體數據。采用某種自動或手動方法分割出目標組織器官的三維表面形狀，每個形狀Xi' ,1 = 1,…，N由三維點集組成，每個點由(X，y，ζ)三個空間坐標描述。B)以上述形狀集作為訓練集，采用三維點集對應性算法，建立點一一對應的訓練形狀集Ixi, i = 1，…，N}，每個形狀由η個點的三維坐標描述Xi — Lxil‘ Yii‘ Zil，xi2 Yi2' zi2，· · ·，xin yin，zin]·；
其中所有形狀中序號相同的點為一一對應的三維形狀對應點(3DC0rreSp0nding points) 0三維點集對應性算法已經有一些公開發表的方法，如最小描述長度(MDL)算法、 SPHARM算法等。本發明對此不作限制。本實施方法采用了 MDL算法。C)對上述樣本訓練集，進行主成分分析(PCA)如下計算訓練形狀集的平均值^
和協方差矩陣M，其中“(Ι/ΛΟΣ；!+ ,M = GAOZ二。.計算M的非零單
位特征根{ λ k，k = 1，. . .，m}和對應特征向量{pk，k = 1，. . .，m}，其中 M · pk = λ k · pk， m彡η-l，且Uk}按照降序排列，S卩X1SX2S^1SXmtj計算完畢i和{pk}，則統計形狀模型建立完畢。此處主成分分析的主要目的是將形狀投影到由標準正交基{pk}作為空間基底的形狀空間Ω，以進行降維分析。形狀空間Ω內的任意一個形狀χ都可以表示為
權利要求
1.一種組織器官三維可視化手術導航方法，包括如下步驟獲取組織器官的三維超聲圖像；獲取手術器具相對于目標組織器官的位置；在所述三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，并采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面；將所述三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置進行融合，生成手術導航數據，并可視化所述手術導航數據，從而進行導航。
2.如權利要求1所述的組織器官三維可視化手術導航方法，其特征在于，所述獲取目標組織的三維超聲圖像的步驟為通過超聲探頭采集病人手術區域包含目標組織器官在內的三維超聲圖像。
3.如權利要求1所述的組織器官三維可視化手術導航方法，其特征在于，所述在所述三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面的步驟為將所述三維超聲圖像分解為多幀二維超聲圖像并逐幀顯示，在所述逐幀顯示的二維超聲圖像上，選取位于目標組織器官的輪廓線上的離散點并將所述離散點形成離散點集，利用目標組織器官的統計形狀模型提供的目標組織器官的三維形狀先驗知識，結合所述離散點集重建出目標組織器官的三維表面。
4.如權利要求1所述的組織器官三維可視化手術導航方法，其特征在于，所述將所述三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合并可視化的步驟為采用坐標轉換，將所述三維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置，轉換到同一坐標系；將三維超聲圖像以任意角度切片得到二維超聲圖像；將三維超聲圖像切片后得到的二維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合在一起，生成手術導航數據。
5.如權利要求1 4中任一項所述的組織器官三維可視化手術導航方法，其特征在于， 還包括在手術之前，建立所述統計形狀模型的步驟。
6.一種組織器官三維可視化手術導航系統，其特征在于，包括采集裝置，用于獲取組織器官的三維超聲圖像；空間定位裝置，用于獲取手術器具相對于目標組織器官的位置；影像處理裝置，用于接收所述采集裝置獲取的組織器官的三維超聲圖像以及空間定位裝置獲取的手術器具相對于目標組織器官的位置，在所述三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，并采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面，最后將所述三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合，生成手術導航數據；顯示裝置，用于可視化所述手術導航數據，從而進行導航。
7.如權利要求6所述的組織器官三維可視化手術導航系統，其特征在于，所述采集裝置用于通過超聲探頭采集病人手術區域包含目標組織器官在內的三維超聲圖像。
8.如權利要求6所述的組織器官三維可視化手術導航系統，其特征在于，所述影像處理裝置包括超聲體數據選點模塊和三維重建模塊；所述超聲體數據選點模塊用于將所述三維超聲圖像分解為多幀二維超聲圖像并逐幀顯示，在所述逐幀顯示的二維超聲圖像上，選取位于目標組織器官的輪廓線上的離散點并將所述離散點形成離散點集；所述三維重建模塊用于利用目標組織器官的統計形狀模型提供的目標組織器官的三維形狀先驗知識，結合所述離散點集重建目標組織器官的三維表面。
9.如權利要求8所述的組織器官三維可視化手術導航系統，其特征在于，所述影像處理裝置還包括坐標轉換模塊和可視化模塊；所述坐標轉換模塊用于采用坐標轉換，將所述三維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置，都轉換到同一坐標系中；所述可視化模塊用于將三維超聲圖像以任意角度切片后得到的二維超聲圖像、接著將所述二維超聲圖像、三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置融合在一起，生成手術導航數據。
10.如權利要求6 9中任一項所述的組織器官三維可視化手術導航系統，其特征在于，所述影像處理裝置還包括統計形狀模塊，所述統計形狀模塊用于內置有在手術之前建立的目標組織器官的統計形狀模型。
全文摘要
本發明公開了一種組織器官三維可視化手術導航方法和系統，方法包括如下步驟獲取組織器官的三維超聲圖像；獲取手術器具相對于目標組織器官的位置；在三維超聲圖像中沿著目標組織器官的輪廓線選取離散點，并采用基于目標組織器官的統計形狀模型的方法，重建目標組織器官的三維表面；將三維超聲圖像、目標組織器官的三維表面以及手術器具相對于目標組織器官的位置進行融合，生成手術導航數據，并可視化手術導航數據，從而進行導航。本發明公開的組織器官三維可視化手術導航方法和系統，僅需術中超聲圖像即可提供組織器官三維可視化的手術導航，解決了傳統手術導航方法中的術前術中配準精度難以保證從而導致手術導航精度下降的問題。
文檔編號A61B8/13GK102525662SQ20121004786
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者李凌, 李志成, 溫鐵祥, 辜嘉, 陳懇 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院