专利名称：手术导航方法
技术领域：
本发明涉及一种导航方法，尤其是涉及手术过程中的导航方法。
背景技术：
目前，外科手术通常的情况是病人的术前影像以固定胶片的形式在远离术者的灯箱表面显示，此时，手术工具与组织解剖结构的关系需要医生通过想象实现，客观性差。
较为先进的一种方式是术中进行X射线透视扫描辅助定位，可明确手术器械与病人解剖结构的相对位置，提高手术精确度，减小手术的暴露范围。X射线扫描系统虽然有着广泛的用途，然而其本身所固有的缺点却不容忽视。最显著的是职业性的辐射，特别是外科医生双手的X射线曝晒量。最近的资料指出，脊柱外科医生暴露在X射线扫描系统之下是有显著危险的。此外，术中应用X射线透视系统辅助定位还存在其它限制。比如同时只能观察到单平面视图，当需要在多平面视图上观察手术器械的位置时，手术过程中需不断重复调节C型臂的位置进行扫描定位，造成手术中断，费时费力，且破坏了无菌环境。
导航手术也可使用术前的CT或MRI影像进行导航，出于注册配准(将术前影像资料和手术床上病人解剖结构相对应的过程)的需要，需建立病人解剖结构的三维模型，过程繁琐，术前准备时间长。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种准确定位，安全可靠的手术导航方法。
本发明的上述目的是通过下述技术方案实现的首先，在待手术区域周围贴上手术区域基准定位标志；接着，通过医学影像断层扫描设备获取病变体区域断层扫描图像和所述手术区域基准定位标志断层扫描图像；然后，根据获取的病变体区域断层扫描图像进行数字建模，形成三维人体数字模型，根据手术区域基准定位标志断层扫描图像进行数字建模，形成三维标志数字模型；最后，根据手术器械的定位标志相对于手术区域基准定位标志的位置变化，将手术器械的位置变化映射在所述三维人体数字模型和所述三维标志数字模型中。
所述根据获取的病变体区域断层扫描图像进行数字建模，形成三维人体数字模型采用如下过程进行首先，在所述病变体区域断层扫描图像上提取靶区和敏感组织的边界，勾画出组织轮廓线；其次，根据相邻的组织轮廓线分别生成层间轮廓线；最后，根据病变体所在的组织及其相邻组织类型对获得的层间轮廓线围成的区域进行填充，完成三维人体数字模型的数字建模；所述根据手术区域基准定位标志断层扫描图像进行数字建模，形成三维标志数字模型采用如下步骤进行首先，根据手术区域基准定位标志的CT值与皮肤的CT值的区别来提取手术区域基准定位标志边界；接着，将所述断层扫描图像的手术区域基准定位标志边界的点的坐标转换到三维空间；然后，设定所述手术区域基准定位标志的半径为阈值，把所述手术区域基准定位标志边界的点的空间距离小于所述阈值的点放到一类中去，大于阈值的分到另外一类，根据得到的所有类别，按照类别中点的个数的多少进行排序，得到所述手术区域基准定位标志边界点的集合；最后，经过层间轮廓线的生成、组织填充、三维表面重建，得到手术区域基准定位标志的三维数字模型；所述的通过医学影像断层扫描设备获取病变体区域断层扫描图像，使得上下两层距离在1-5mm之间；所述手术区域基准定位标志至少为5个，且为能够主动发射光能量的有源光学标志物或者能够被动反射光能量的无源光学标志物；所述手术区域基准定位标志在MR或者CT扫描中都可以成像，并且在图像中易于识别。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果术前，根据得到的三维人体数字模型，可以根据手术区域的解剖结构，设计理想的手术入路；术中，根据手术器械的定位标志相对于手术区域基准定位标志的位置变化，将手术器械的位置变化映射在三维人体数字模型的坐标系中，就可藉显示设备观察手术器械相对手术区域人体组织和器官的运动，从而更精确的控制手术器械的介入动作，具体表现为(1)准确地定出手术所处的三维空间位置；(2)显示术野邻近的结构；(3)指出靶灶方位及其与目的手术部位的空间关系；(4)帮助设计理想的手术入路；(5)显示手术入路可能遇到的结构；(6)显示重要结构的位置；(7)显示靶灶空间大小和范围。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
在待手术区域周围贴上至少5个定位标志，然后进行CT断层扫描。
手术导航系统通过DICOM协议直接从CT中读取肿瘤患者的断层扫描图像，经三维人体数字模型的数字建模模块处理后生成三维人体数据模型。
针对患者的人体断层扫描图像，进行三维人体数字模型的数字建模，包括下列步骤1、三维体积重建断层扫描得到的断层图像层间距离比图像的像素的尺寸大得多，要得到相同分辨率的三维体积图像数据，需要在两原始断层之间插入足够多的断层图像。插值图像的像素值通过高次多项式插值法对同一位置处上层原始图像的像素值和下层原始图像的像素值计算确定。
2、三维组织重建将从原始断层数据中提取的人体分类特征数据，如体表、靶区、敏感组织、密度校正组织等，以数据块的形式进行重组，达到将三维人体的数据模块化并简化后续处理的目的，经由组织轮廓线提取、层间轮廓线生成、组织填充步骤完成1)组织轮廓线提取通过勾画方式在系统显示的病人的断层图像上提取靶区和敏感组织的边界，勾画使用windows API画线函数。
勾画的组织轮廓线是由直线段连成的多边形，有三个特点第一，任何非相连线段不相交；第二，边界在体表边界以内；第三，有些组织边界不会与其它边界有公共部分，如心脏不可能在肺中一样。
为避免错误，对系统有如下要求1)当用户勾画的组织边界出现在体表边界以外时，系统自动更正和报警；2)不同边界相交时系统自动提示；3)当边界和自身相交时，系统自动终止和提示。
实现上述功能的具体办法是第一，在用画笔画出当前像素前，判断当前像素的颜色，如当前像素颜色与正在使用的画笔颜色相同，则该边界已与自身相交，边界已经闭合，给出错误或结束提示，否则画出当前点；第二，判断当前像素是否在体表边界所包含的区域内，如果不在，给出错误提示并结束当前的画线，否则画出当前点；第三，判断当前像素是否为其它非体表边界的颜色，如果是，给出提示并等待用户选择以决定后续操作，否则画出当前像素。
2)层间轮廓线生成由于原始轮廓线是逐点连接而成的，有大量的冗余数据，使后续处理变得复杂，计算量大。为此，我们首先采用多边形近似法来逼近原始轮廓线。取轮廓线相距最远的两点连成弦，由此把轮廓线分成两部分，再从两部分的轮廓线上找出距弦最远的两点，将此两点与原来弦的两端点连成新弦，去掉旧弦，依次类推，直至找出的点距弦的距离小于给定误差。所有点的连线即是原轮廓线的近似多边形轮廓线。
然后建立最佳匹配点对。将已知的相邻两断层轮廓线称为起始轮廓线，计算起始轮廓线的围定面积，对其中之一进行面积缩放，使二者面积相等，然后进行平移使二者质心重合；两轮廓线的交点必定存在，至少两个，求出所有的交点，根据交点把起始轮廓线分成相应的对应段；在相应的对应段之内建立匹配点对，匹配点对数目较少时用插值法增加；检验匹配点对连线相交情况，如存在，则将之去掉；把求得的匹配点对坐标经反平移和缩放复原到原位置。
接下来求层间轮廓线。层间轮廓线所在平面均匀分布于起始轮廓线平面间且平行于起始轮廓线平面，层间轮廓线平面截取两起始轮廓线的匹配点对的连线，交点即为层间轮廓线的顶点，各顶点连接构成层间轮廓线。
3)组织填充根据组织类型对获得的层间组织边界围成的区域进行填充，填充采用基于windows API图形函数的组织填充方法。
将各个边界数据转化为用windows点结构表示的数组，用各自的设定的颜色用交替模式填充。被多个边界使用的区域用一种新的数值填充。
3、三维表面重建人体的外部轮廓、内部组织和器官的表面是光滑的曲面，形状复杂，三维表面重建的目的是形成其三维表面并且使这种表面的显示更有立体感。本发明的三维表面重建采用三角形贴面技术，即将相邻两层轮廓线上的顶点连接成一个个用三角形表示的小表面，整个物体的表面就用这些小表面来近似。
利用层间轮廓线生成时求得的最佳匹配点，直线连接匹配点，形成四边形贴面，将四边形的短对角线连接起来，即形成三角形贴面，且符合最短边长准则(所有三角形的边长和最小)和最小面积准则(所有三角形的面积和最小)。
按照上面方法将所有层间轮廓线的节点连接起来，形成原三维物体表面的网格状形式，最大程度地逼近物体的实际表面。
断层图像中定位标志的数字建模采用如下步骤根据定位标志的CT值与皮肤的CT值的区别来提取定位标志边界；将所述断层扫描图像的手术区域基准定位标志边界的点的坐标转换到三维空间；通过设定阈值，把空间距离小于指定阈值(定位标志的半径)的点放到一类中去，大于阈值的分到另外一类，最后根据得到所有的类别，然后按照类别中点的个数的多少进行排序，得到我们需要的标志点的集合，这样我们还可以去除掉一些干扰点；然后经过层间轮廓线生成、组织填充、三维表面重建，得到手术区域基准定位标志的三维数字模型。
按本发明的方法实施手术，在手术前，根据得到的三维人体数字模型，医生可以根据手术区域的解剖结构，设计理想的手术入路；在手术中，根据手术器械的定位标志相对于手术区域基准定位标志的位置变化，将手术器械的位置变化映射在三维人体数字模型的坐标系中，医生藉显示设备可以观察手术器械相对手术区域人体组织和器官的运动，从而更精确的控制手术器械的介入动作。
权利要求
1.一种手术导航方法，其特征在于首先，在待手术区域周围贴上手术区域基准定位标志；接着，通过医学影像断层扫描设备获取病变体区域断层扫描图像和所述手术区域基准定位标志断层扫描图像；然后，根据获取的病变体区域断层扫描图像进行数字建模，形成三维人体数字模型，根据手术区域基准定位标志断层扫描图像进行数字建模，形成三维标志数字模型；最后，根据手术器械的定位标志相对于手术区域基准定位标志的位置变化，将手术器械的位置变化映射在所述三维人体数字模型和所述三维标志数字模型中。
2.根据权利要求1所述的手术导航方法，其特征在于所述根据获取的病变体区域断层扫描图像进行数字建模，形成三维人体数字模型采用如下过程进行首先，在所述病变体区域断层扫描图像上提取靶区和敏感组织的边界，勾画出组织轮廓线；其次，根据相邻的组织轮廓线分别生成层间轮廓线；最后，根据病变体所在的组织及其相邻组织类型对获得的层间轮廓线围成的区域进行填充，完成三维人体数字模型的数字建模。
3.根据权利要求1所述的手术导航方法，其特征在于所述根据手术区域基准定位标志断层扫描图像进行数字建模，形成三维标志数字模型采用如下步骤进行首先，根据手术区域基准定位标志的CT值与皮肤的CT值的区别来提取手术区域基准定位标志边界；接着，将所述断层扫描图像的手术区域基准定位标志边界的点的坐标转换到三维空间；然后，设定所述手术区域基准定位标志的半径为阈值，把所述手术区域基准定位标志边界的点的空间距离小于所述阈值的点放到一类中去，大于阈值的分到另外一类，根据得到的所有类别，按照类别中点的个数的多少进行排序，得到所述手术区域基准定位标志边界点的集合；最后，经过层间轮廓线的生成、组织填充、三维表面重建，得到手术区域基准定位标志的三维数字模型。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的手术导航方法，其特征在于所述的通过医学影像断层扫描设备获取病变体区域断层扫描图像，使得上下两层距离在1-5mm之间。
5.根据权利要求1至3中任何一项所述的手术导航方法，其特征在于所述手术区域基准定位标志至少为5个，且为能够主动发射光能量的有源光学标志物或者能够被动反射光能量的无源光学标志物。
6.根据权利要求5所述的手术导航方法，其特征在于所述手术区域基准定位标志在MR或者CT扫描中都可以成像，并且在图像中易于识别。
全文摘要
本发明公开了一种手术导航方法，旨在提供一种准确定位，安全可靠的手术导航方法。其技术方案的要点为首先，在待手术区域周围贴上手术区域基准定位标志；接着，通过医学影像断层扫描设备获取病变体区域断层扫描图像和所述手术区域基准定位标志断层扫描图像；然后，根据获取的病变体区域断层扫描图像进行数字建模，形成三维人体数字模型，根据手术区域基准定位标志断层扫描图像进行数字建模，形成三维标志数字模型；最后，根据手术器械的定位标志相对于手术区域基准定位标志的位置变化，将手术器械的位置变化映射在所述三维人体数字模型和所述三维标志数字模型中。
文档编号A61B19/00GK1723859SQ20041005305
公开日2006年1月25日 申请日期2004年7月22日 优先权日2004年7月22日
发明者王国岭 申请人:上海英迈吉东影图像设备有限公司