专利名称：基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法
技术领域：
本发明涉及一种医学图像的显示处理方法，具体地说，是指一种服务于脑外科机器人手术系统中对手术进刀点路径的确认的一种基于DOCOM医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法。
背景技术：
数字化体数据图像技术的成熟，推动了计算机图像导航技术的发展和成熟，经过长期经验积累和实践的工业机器人也得以进入医疗领域。自1985年机器人辅助外科第一次进入实践以来，已经出现了很多实验和商品化的机器人辅助手术系统。机器人辅助系统在腹腔外科、神经外科和创伤骨科等领域方面具有出色的定位精度、无颤抖不疲劳等特点，已广泛被应用到临床中。
当前在机器人辅助脑外科手术系统中，医生依然是整个手术过程中的主体。因此，友好的人机交互系统是利用机器人辅助系统成功实现无框架脑外科手术的重要基础。在手术路径的规划和调整过程中，手术路径的确定至为关键，手术路径的确定的精度直接影响手术的精度，同时路径的操作的简单化对医生临床带来极大的便利。医生通过在医学图像上对手术路径的规划和调整，有效地提高了手术质量，从而使医生准确地、快速地定位病灶点和进刀点路径，使手术更加安全，为医生的手术提供了全面的、准确的信息，进一步提高临床治疗水平。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法，该方法是在基于DICOM格式的医学图像，并采用欧拉角变换完成手术路径规划的同时将穿刺手术中的进刀点的运行轨迹在计算机系统中预先显示给医生做好手术前的准备，从而有效地解决了在复杂脑部组织中选择最佳手术规划路径的问题，进一步提高了临床治疗水平。
本发明是一种基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法，是由一个对穿刺轨迹手术进行三维规划处理的穿刺轨迹显示装置来完成的，所述穿刺轨迹显示装置由显示单元、手术规划单元和三维图像重构单元组成。
所述显示单元接收由医疗设备采集的多幅DICOM格式的医学图像，并将DICOM格式的医学图像转换为数据流信息传输给手术规划单元和三维图像重构单元；所述手术规划单元对接收的所述数据流信息进行DICOM图像数据处理和手术空间坐标数据处理，并将两者处理后获得的欧拉角模式参数信息进行进刀点P与病灶点T的最佳穿刺手术路径调整，并将调整后的进刀点P初始位置的坐标输出给三维图像重构单元；其中，欧拉角模式参数信息从第m张断层图片中的点Pm到点Qm的规划路径变化满足关系式100Tx010Ty001Tz0001×tanγtanγ00000tanγtanγ00000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>则构成一个圆锥结构模型的手术空间环境；所述三维图像重构单元对接收的所述数据流信息与所述初始位置点的坐标进行参数组合后输出控制信息给手术机器人设备进行穿刺手术。
所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其从点Pm到点Qm规划运行形成的欧拉角γ为0°～90°。
所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其采集DICOM格式的医学图像的医疗设备是CT机或者MRI扫描机。
所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其显示单元输出的DICOM医学图像转换的数据流信息格式为带有DICOM断层数据空间信息的位图格式。
所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其圆锥结构模型的手术空间环境的坐标投影分量以圆心Om为手术规划中心点调整点Pm到点Rm投影变化满足关系式100Tx010Ty001Tz0001×cos(δ-δ0)-sin(δ-δ0)00sin(δ-δ0)cos(δ-δ0)0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001.]]>所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其三维图像重构单元的对显示单元输入的DICOM体数据信息实现三维图像显示。
所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，是基于外科定向手术机器人系统中对手术刀进刀路径的一个手术规化方法。
本发明的一种基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法的优点在于(1)让医生准确、快速地定位出病灶点及手术路径；(2)帮助医生建立局部的三维组织空间关系，重建医生交互定义的冠状和矢状面，帮助确认和检查规划路径；(3)提高了医疗机器人辅助手术的安全性。
图1是本发明穿刺轨迹显示装置的结构框图。
图2A是DICOM图像坐标系结构示意图。
图23是手术空间坐标系结构示意图。
图3是病灶点T、进刀点P在欧拉角模型中的规划路径调整结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
医疗机器人手术系统中所需的设备(硬件和软件)至少有一台计算机，用于将CT/MRI拍摄的图像输出给计算机的显示屏进行直观显示；CT/MRI，用于拍摄病人的病灶点的图像；机器人，是一个机械结构设备，在本发明中至少具备完成根据手术规划路径进行穿刺手术；存储于计算机内的软件控制系统，是用于将图像信息进行完成手术路径的规划，以及机器人的控制的处理软件平台。
在脑外科定向手术机器人系统临床应用中，手术进刀路径的确定应该满足1)避开重要组织；2)确定合理的手术位置，以方便手术；3)最短的进针路径；4)进针方向尽量垂直于进针点处的颅骨切面等。
在确定手术进刀路径条件的“图像信息的完全显示手段”中(显示于计算机的显示屏上的图像)，进刀路径穿过每个层面点的都可以在显示屏看到，可以观察到想要观察到的生理组织，从而判断该穿刺点是否可以避开重要组织。因此，在确定手术路径初步确定后，最关键的就是借助图像图形处理技术，规划最终的进刀路径，使得进针点避开每层面上显示的重要组织。
在本发明中，所基于的图像是DICOM数据(Digital Imaging andCommunications in Medicine医疗数字影像和通讯协议)，DICOM就相当于一种公用语言，将不同格式的图像转化成一种统一的标准格式，内部包含很多图像信息，包括在同一图像上x方向和y方向上相邻两个像素(pixel)之间所代表的实际物理距离(Pixel Spacing)，以及z方向上相邻两个层之间的距离(Slice Thickness)。通过这些图像信息，就可以获得图像数据和现实物理空间数据的联系。当在某个图片层面上选择病灶点T(target)的中心，在另外一个图片层面上确定进刀点P(piecing)的初步位置。这样，在三维重建好的图像上就能看见相应两个点所确定的进刀路线及其进刀点(如图2所示)。并且该进刀路线在所穿越的片子(指CT机或者MRI扫描机拍摄的图像)中都会留下投影和穿刺点。
本发明是一种基于DICOM医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法，仅仅是一个基于外科定向手术机器人系统中对手术刀进刀路径的一个手术规划方法，是由一个对穿刺轨迹手术进行三维规化处理的穿刺轨迹显示装置来完成的，所述穿刺轨迹显示装置由显示单元、手术规化单元和三维图像重构单元组成。所述显示单元接收由医疗设备采集的多幅DICOM格式的医学图像，并将DICOM格式的医学图像转换为数据流信息传输给手术规划单元和三维图像重构单元；所述手术规划单元对接收的所述数据流信息进行DICOM图像数据处理和手术空间坐标数据处理，并将两者处理后获得的欧拉角模式参数信息进行进刀点P与病灶点T的最佳穿刺手术路径调整，并将调整后的进刀点P初始位置的坐标输出给三维图像重构单元；所述三维图像重构单元对接收的所述数据流信息与所述初始位置点的坐标进行参数组合后输出控制信息给手术机器人设备进行穿刺手术。
在本发明中，采集DICOM格式的医学图像的医疗设备是CT机或者MRI扫描机。经CT机或者MRI扫描机采集的图像信息包含有通用的DICOM格式的图像数据，将该图像输入至本发明提出的规划方法中便可实现欧拉角模型的相关数据调整，从而获得最佳手术路径的规划。
在本发明中，欧拉角模式参数信息从第m张断层图片中的点Pm到点Qm的规划路径变化满足关系式100Tx010Ty001Tz0001×tanγtanγ00000tanγtanγ00000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>则构成一个圆锥结构模型的手术空间环境，式中，1、O表示常数，Tx表示病灶点T在DICOM坐标系中的X坐标，Ty表示病灶点T在DICOM坐标系中的Y坐标，Tz表示病灶点T在DICOM坐标系中的Z坐标，tanγ表示调整后的圆锥角，tanγ0表示调整前的圆锥角，-Tx表示病灶点T在DICOM坐标系中X坐标的相反值，-Ty表示病灶点T在DICOM坐标系中Y坐标的相反值，-Tz表示病灶点T在DICOM坐标系中Z坐标的相反值。
欧拉角方式的手术路径调整是通过调整以病灶点T(target)为中心、从病灶点T向进刀点P(piercing)方向的射线TP与三条坐标轴(三维坐标XYZ)所形成的欧拉角来调整进刀路径(如图2所示)。图中病灶点T到进刀点P这条射线TP与手术空间坐标XYZ三条轴所形成的欧拉角分别是α、β、γ，则有如下关系cos2α+cos2β+cos2γ＝1(1)在未限定射线TP长度的条件下，任意确定两个欧拉角(如β角和γ角)，由式(1)计算得到欧拉角α的角度数，这样整体的角度空间位置就可以通过射线TP来确定。
在本发明中，为了选择最佳进刀点P避开人体重要组织所选择的最佳路径，对所得到的欧拉角α、β、γ，针对圆锥形式的变化得到欧拉角γ角的变化来高速前后两张图像中的进刀点和病灶点的关系(参见图3所示，前一张断层图片定义为第m张，后一张断层图片定义为第n张)。
(1)调整欧拉角γ角，确定圆锥形状如果任意给定一个欧拉角γ的角度，即可确定一个由进刀路线围绕着以病灶点T顶点，以z轴方向为法矢的一个空间圆锥曲面。该曲面即为机器人可能进刀路线扫过的范围。并且该圆锥与中间穿过的每个层面相交出来一条圆锥曲线。调整以病灶点T为中心，从病灶点向进刀点P方向的射线OP与z轴所成欧拉角γ的大小，在本发明中，从点Pm到点Qm规划运行形成的欧拉角γ为0°～90°，就可以实现对该圆锥形状的调整，如图3所示，在三维重建的图像上就能看到该圆锥形状。并且刚才由于欧拉角γ的调整，进刀点P也会在刚才选定的一张断层图片面上沿着直线QmPm移动，相应的该进刀路线在中间穿过层面的穿刺点也在不断变化。随着欧拉角γ的角度变化，圆锥形状发生变化，进刀点P从点PM变化到点Qm，其坐标变换矩阵为100Tx010Ty001Tz0001×tanχ′tanχ0000tanχ′tanχ0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001---(2)]]>这个矩阵表示了从第m张断层图片中的点Pm到点Qm的一个规划路径从平移、旋转、再平移的数学运算获取构成一个圆锥结构模型的手术空间环境过程。
如图3所示，当调整后的欧拉角γ角度确定后，圆锥结构模型也就确定了，进刀点P绕z轴形成一个圆弧，采取逆时针调整该圆弧上的进刀点P到z轴上的点Rm之间该圆弧半径OmRm与Ym轴形成的角度大小即可构成三维空间状态下整手术进刀路径。
在本发明中，圆锥结构模型的手术空间环境的坐标投影分量以圆心Om为手术规划中心点调整点Pm到点Rm投影变化满足关系式100Tx010Ty001Tz0001×cos(δ-δ0)-sin(δ-δ0)00sin(δ-δ0)cos(δ-δ0)0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001---(3)]]>式中，cos(δ-δ0)表示在差值在X坐标的投影分量，sin(δ-δ0)表示在Y坐标的投影分量。由现有的进刀点P和病灶点T，可以由XmOmYm坐标系中的正弦和余弦值及其值的正负号来确定投影分量δ的初始值δ0。同时，根据多幅断层图片的叠加构成的三维图像空间手术路径是条空间直线，这条空间直线，必定穿过病灶点和进刀点之间的层面，并和这些层面有相应的交点，此时上面所介绍的圆锥则在某一层面的二维图像切片上的投影、以及预想的进刀点穿过该层的点都在平面图像上显示出来。此时调整欧拉角γ即可调整投影圆环的大小，而调整进刀点P到z轴之间该圆弧半径的角度即可让穿刺点沿着投影圆环移动。
在本发明中，三维重构是将对显示单元输入的DICOM体数据信息进行三维显示。是为了进一步的将图像信息更好的显示给医生进行手术路径规划。
在本发明中，一张DICOM断层图片称为一个二维图像空间，两张以上的DICOM断层图片叠加后称为一个三维图像空间，在三维图像空间中每一张断层图片之间的距离便代表了一个Z轴上的坐标。
本发明分析脑外科定向手术机器人系统对手术刀进刀路径要求的基础上，研究了二维和三维手术规划，提出了基于欧拉角变换的脑外科机器人定向手术的规划办法。在详细分析手术进刀路径的基础上，给出了基于DICOM医疗图像的脑外科机器人系统手术规划的具体实现过程。
权利要求
1.一种基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法，其特征在于是由一个对穿刺轨迹手术进行三维规划处理的穿刺轨迹显示装置来完成的，所述穿刺轨迹显示装置由显示单元、手术规划单元和三维图像重构单元组成；所述显示单元接收由医疗设备采集的多幅DICOM格式的医学图像，并将DICOM格式的医学图像转换为数据流信息传输给手术规划单元和三维图像重构单元；所述手术规划单元对接收的所述数据流信息进行DICOM图像数据处理和手术空间坐标数据处理，并将两者处理后获得的欧拉角模式参数信息进行进刀点P与病灶点T的最佳穿刺手术路径调整，并将调整后的进刀点P初始位置的坐标输出给三维图像重构单元；其中，欧拉角模式参数信息从第m张断层图片中的点Pm到点Qm的规划路径变化满足关系式100Tx010Ty001Tz0001×tanγtanγ00000tanγtanγ00000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>则构成一个圆锥结构模型的手术空间环境，式中，1、O表示常数，Tx表示病灶点T在DICOM坐标系中的X坐标，Ty表示病灶点T在DICOM坐标系中的Y坐标，Tz表示病灶点T在DICOM坐标系中的Z坐标，tanγ表示调整后的圆锥角，tanγ0表示调整前的圆锥角，-Tx表示病灶点T在DICOM坐标系中X坐标的相反值，-Ty表示病灶点T在DICOM坐标系中Y坐标的相反值，-Tz表示病灶点T在DICOM坐标系中Z坐标的相反值；所述三维图像重构单元对接收的所述数据流信息与所述初始位置点的坐标进行参数组合后输出控制信息给手术机器人设备进行穿刺手术。
2.如权利要求1所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其特征在于从点Pm到点Qm规划运行形成的欧拉角γ为0°～90°。
3.如权利要求1所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其特征在于采集DICOM格式的医学图像的医疗设备是CT机或者MRI扫描机。
4.如权利要求1所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其特征在于所述显示单元输出的DICOM医学图像转换的数据流信息格式为带有DICOM断层数据空间信息的位图格式。
5.如权利要求1所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其特征在于圆锥结构模型的手术空间环境的坐标投影分量以圆心Om为手术规划中心点调整点Pm到点Rm投影变化满足关系式100Tx010Ty001Tz0001×cos(δ-δ0)-sin(δ-δ0)00sin(δ-δ0)cos(δ-δ0)0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>式中，cos(δ-δ0)表示在差值在X坐标的投影分量，sin(δ-δ0)表示在Y坐标的投影分量。
6.如权利要求1所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其特征在于所述三维图像重构单元的对显示单元输入的DICOM体数据信息实现三维图像显示。
7.如权利要求1所述的基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规化方法，其特征在于是基于外科定向手术机器人系统中对手术刀进刀路径的一个手术规化方法。
全文摘要
本发明公开了一种基于医学图像的预显示穿刺轨迹的受限手术规划方法，该手术规划是基于脑外科手术机器人系统中对手术刀进刀路径的一个手术规划方法，是由一个对穿刺轨迹手术进行三维规化处理的穿刺轨迹显示装置来完成的。穿刺轨迹显示装置由显示单元、手术规划单元和三维图像重构单元组成，显示单元用于接收医疗设备采集的多幅DICOM格式的医学图像，手术规划单元用于接收上述数据流信息进行DICOM图像数据和手术空间数据的联立获取进刀点P的初始位置点，三维图像重构单元用于对上述数据流信息与上述初始位置点的坐标进行欧拉角方式调整获得进刀点P与病灶点T的三维图像穿刺手术路径，从而辅助脑外科手术机器人完成穿刺工作。
文档编号G06T1/00GK1803102SQ20051012587
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月2日 优先权日2005年12月2日
发明者王田苗, 田增民, 魏军, 刘达, 胡磊, 王利峰 申请人:北京航空航天大学