CN116235216A - 胸腔手术规划***和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了胸腔手术规划***和方法。生成三维模型以提供肺段之间更大的清晰度以及识别出支持该肺段的气道和脉管***以实现准确的手术规划。

Description

胸腔手术规划***和方法

技术领域

本公开涉及胸腔手术规划***和方法。具体地，本公开涉及一种被配置为由计算机断层摄影和其他图像类型数据集来生成三维模型的软件应用程序。

背景技术

在外科手术期间，临床医生通常使用CT图像来确定用于浏览患者管腔网络的计划或路径。缺少了软件解决方案，临床医生通常难以单独基于CT图像来有效地进行路径规划。在创建通往特定目标的路径方面，这个挑战在支气管树的较小分支中尤其如此，其中CT图像的分辨率通常不足以提供准确导航。

虽然用于规划穿过(例如，肺的)管腔网络的路径的路径软件解决方案非常利于实现他们的预期目的，但是它们对临床医生规划胸腔手术并无助益。胸腔手术通常通过腹腔镜或经由对患者胸部的开放手术来执行。肺叶切除术就是此类胸腔手术并且是一种去除整个肺叶的手术。执行肺叶切除术的一个原因是肺叶易于辨别并且经由裂隙而彼此分离。因此，肺叶的脉管***也相对明显，并且在手术期间，可以按合理的确定性进行规划与处理。然而，在许多情况下，肺叶切除术去除了太多组织，特别是健康的肺部组织。这在确定患者甚至是否适合进行手术方面可能至关重要。

每片肺叶由三个或四个肺段组成。这些节段通常具有独立的血管供应。这意味着，如果能够识别各个节段，并且将与这些节段相关的脉管***与其他肺叶分开，则可以进行肺段切除术。肺段切除手术可能增加作为手术候选人的患者数量，因为它使外科医生能够去除病变组织同时保留所有其他组织。肺段切除手术的问题在于，虽然它们保留了更多健康组织，但即使对于训练有素的专业人员，确定相关血管结构的位置也可能非常具有挑战性。

本公开涉及解决当前成像和规划***的缺点。

发明内容

本公开的一个方面涉及接收计算机断层摄影(CT)图像数据。该接收也包括接收该CT图像数据中的目标的位置的指示。该接收也包括由CT图像数据生成三维模型(3D)。该接收也包括接收对生成级别的选择。该接收也包括从用户界面中的3D模型表示中移除超出所选择的生成级别的生成结果。该接收也包括接收对裁剪工具的选择。该接收也包括呈现目标周围的区域。该接收也包括接收目标周围的区域中的变化。该接收也包括识别进入变化区域中的3D模型的所有气道和血管以及直接连接到3D模型中的气道和血管的所有先前气道和血管，以形成识别的气道和血管。该接收也包括从3D模型中移除所识别的气道和血管之外的所有气道和血管。

本公开的另一方面涉及一种胸腔手术规划方法，包括：接收计算机断层摄影(CT)图像数据；由CT图像数据生成三维模型(3D)；接收对裁剪工具的选择；呈现目标周围的区域；识别进入该区域的3D模型的所有气道和血管以及直接连接到3D模型中的进入该区域的气道和血管的所有先前气道和血管；以及从3D模型中移除所识别的气道和血管之外的所有气道和血管；以及在用户界面中显示3D模型，其中该3D模型仅包括所识别的气道和血管。此方面的其他实施方案包括对应的计算机***、装置和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序，每个计算机存储装置被配置为执行本文描述的方法和***的动作。

本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。该方法还包括接收该CT图像数据中的目标的位置的指示。该方法还包括接收对生成级别的选择；以及从3D模型中移除超出所选择的生成级别的生成结果。该方法还包括通过识别气道或血管的分叉以及确定通向分叉的气道或血管的直径以及延伸超过分叉的气道或血管的直径来确定生成结果，其中当所确定的直径的尺寸类似时，则认为从分叉开始延伸的气道或血管中的一者与通向分叉的气道或血管属于相同的生成结果。该方法还包括当从分叉开始延伸的气道或血管的直径比通向分叉的气道或血管的直径小50％时，确定从分叉开始延伸的气道或血管属于下一生成结果。该方法还包括接收目标周围的区域的形状变化。该方法还包括捕捉截屏。该方法还包括至少一个CT图像，其中该CT图像被绑定到3D模型，使得对3D模型的操纵导致CT图像的对应显示变化。所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在***上的软件、固件、硬件、或它们的组合，所述软件、固件、硬件或它们的组合在运行时使得***执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备执行所述动作。

本公开的再一方面涉及一种胸腔手术规划***，包括：处理器；与处理器通信的显示器。该胸腔手术规划***也包括：与处理器通信的存储器，其中存储器在其中存储可执行代码，该可执行代码当由处理器执行时生成用于在显示器上显示的用户界面(UI)，该用户界面包括患者肺部气道和脉管***的三维(3D)模型；至少一个生成工具，该至少一个生成工具被配置为限制所显示的3D模型的生成结果的数目；边缘工具，该边缘工具被配置为调整围绕目标的显示边缘；和多个取向操纵工具，该多个取向操纵工具被配置为改变在UI中所呈现的3D模型视图。此方面的其他实施方案包括对应的计算机***、装置和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序，每个计算机存储装置被配置为执行本文描述的方法和***的动作。

本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。胸腔手术规划***，其中存储器被配置为接收CT图像扫描数据，并且处理器被配置为执行存储在存储器中的代码，以由CT图像扫描生成3D模型。胸腔手术规划***，其中UI包括识别3D模型的轴向平面、冠状平面和矢状平面的取向罗盘。胸腔手术规划***还包括锚定工具，其中该锚定工具实现将取向罗盘安置在3D模型上或附近，以定义3D模型的旋转点。胸腔手术规划***还包括单轴旋转工具，其中当在单轴选择中选择了轴中的一个轴时，用以旋转该3D模型的所有其他输入实现仅围绕所选择的轴的旋转。胸腔手术规划***还包括缩放工具，其中该缩放工具描绘UI中所呈现的模型与全尺寸相比的相对尺寸。胸腔手术规划***，其中缩放工具也实现3D模型在UI中的平移。胸腔手术规划***还包括裁剪工具，其中当被选择时，在目标周围描绘区域。胸腔手术规划***，其中该区域是能够调整的，使得气道或血管的节段被包括在该区域中或从该区域中排除。胸腔手术规划***，其中当执行裁剪时，处理器执行代码以确定处于该区域内的气道或血管以及它们的先前气道或血管中的任一者，并且3D模型被更新以消除除了所识别的气道或血管之外的所有气道或血管。所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在***上的软件、固件、硬件、或它们的组合，所述软件、固件、硬件或它们的组合在运行时使得***执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备执行所述动作。

本公开的又一方面涉及一种胸腔手术规划方法，包括：接收计算机断层摄影(CT)图像数据；由CT图像数据生成三维模型(3D)；接收对生成级别的选择，以及从3D模型中移除超出所选择的生成级别的气道和血管的生成结果；以及在用户界面中显示3D模型，其中该3D模型仅包括气道和血管的所选择的生成结果。此方面的其他实施方案包括对应的计算机***、装置和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序，每个计算机存储装置被配置为执行本文描述的方法和***的动作。

本公开的此方面的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个特征。该方法还包括通过识别气道或血管的分叉以及确定通向分叉的气道或血管的直径以及延伸超过分叉的气道或血管的直径来确定生成结果，其中当所确定的直径的尺寸类似时，则认为从分叉开始延伸的气道或血管中的一者与通向分叉的气道或血管属于相同的生成结果。该方法还包括当从分叉开始延伸的气道或血管的直径比通向分叉的气道或血管的直径小50％时，确定从分叉开始延伸的气道或血管属于下一生成结果。该方法还包括接收该CT图像数据中的目标的位置的指示。该方法还包括接收对裁剪工具的选择；以及呈现目标周围的区域。该方法还包括识别进入该区域的3D模型的所有气道和血管以及直接连接到3D模型中的进入该区域的气道和血管的所有先前气道和血管。该方法还包括从3D模型中移除所识别的气道和血管之外的所有气道和血管。该方法也可包括在用户界面中显示3D模型，其中该3D模型仅包括所识别的气道和血管。该方法还包括接收目标周围的区域的形状变化。该方法还包括：捕捉截屏。该方法还包括显示至少一个CT图像，其中该CT图像被绑定到3D模型，使得对3D模型的操纵导致CT图像的对应显示变化。该方法还包括分割CT图像数据中的气道和血管以生成3D模型。该方法还包括分割CT图像数据中的气道和血管以生成3D模型。所描述的技术的实施方案可以包括硬件、方法或过程、或计算机可访问介质上的计算机软件，包括安装在***上的软件、固件、硬件、或它们的组合，所述软件、固件、硬件或它们的组合在运行时使得***执行动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令来执行特定的操作或动作，当数据处理设备执行所述指令时，使得所述设备执行所述动作。

在不脱离本公开的范围的情况下，可以将本公开的任何上述方面和实施方案相组合。

附图说明

在参照附图阅读其各种实施方案的描述时，本发明所公开的***和方法的目的和特征对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见，其中：

图1A是由肺叶和节段隔开的人类肺部的示意图；

图1B是分成节段的人类肺部的示意图；

图2是根据本公开的胸腔手术规划平台的用户界面；

图3是根据本公开的胸腔手术规划平台的用户界面；

图4是根据本公开的胸腔手术规划平台的用户界面；

图5是根据本公开的胸腔手术规划平台的用户界面；

图6是根据本公开的胸腔手术规划平台的用户界面；

图7是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图8是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图9是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图10是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图11是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图12是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图13是根据本公开的出现在胸腔手术规划平台的用户界面中的图标；

图14是根据本公开的胸腔手术规划平台的工作流的流程图；

图15是根据本公开的工作站的示意图；

图16描绘了选择了轴向工具的矢状点的用户界面；

图17描绘了选择了轴向工具的冠状点的用户界面；

图18描绘了选择了轴向工具的轴向点的用户界面；

图19描绘了具有示出了缩放级别的缩放指示符的用户界面；并且

图20描绘了具有指示了3D模型的平移程度的缩放指示符的用户界面。

具体实施方式

本公开涉及接收图像数据并由图像数据生成3D模型的***和方法。在一个示例中，图像数据是CT图像数据，但在不脱离本公开的情况下，可采用其他形式的图像数据，诸如磁共振成像(MRI)、荧光透视图、超声图等。

图1A描绘了肺部100的气道的示意图。如图可见，右肺102由三段组成，即上肺叶104、中肺叶106和下肺叶108。左肺由上肺叶110和下肺叶112构成。每片肺叶104-112由三个或四个节段114组成，每个节段114包括各种不同的气道116。图1B描绘了右肺和左肺，并且每个节段114正如它们通常出现在人体中那样。

如本领域技术人员已知，肺部脉管***通常循着气道直至到达肺部外周，在此，作为正常呼吸的一部分，发生气体交换的血液-空气屏障(肺泡-毛细血管屏障)允许消除血流中的二氧化碳以及氧气进入血流。然而，虽然脉管***通常循着气道，但是存在相同血管的各部分为两个或更多节段供血的情况。具体地，可预期更中心的脉管***为多个节段供血。

此外，在肺段切除术是由于肿瘤的情况下，作为富含非常多血液的组织的肿瘤由多个血管供血。这些血管实际上可以从肺部的不同节段向肿瘤提供血液。因此，至关重要的是，胸腔外科医生能够识别进入肿瘤内的所有血管，并且确保它们或者在切除之前缝合，或者采用外科缝合器来确保限制外科医生在手术期间经历血管意外出血的可能性。

图2描绘了胸腔手术规划***的用户界面200。手术规划***包括存储在存储器中的软件应用程序，该软件应用程序当由处理器执行时执行如下所述的各个步骤，以生成在用户界面200中显示的输出。如用户界面200的中心所描绘的，软件的第一步骤中的一者是生成3D模型202。3D模型202是气道和气道周围的脉管***的模型，并且由患者肺部获取的CT图像数据集生成。使用分割技术，由CT图像数据集来定义3D模型202，并且用一种颜色来描绘气道204，用第二种颜色来描绘静脉206，以及用第三种颜色来描绘动脉208，以辅助外科医生基于颜色来区分解剖结构的各部分。

生成3D模型202的应用程序可包括CT图像查看器(未示出)，该CT图像查看器使用户能够在生成3D模型202之前，查看CT图像(例如，来自CT图像数据中的2D切片图像)。通过查看CT图像，临床医生或其他用户可以利用他们对人类解剖结构的知识来识别患者体内的一个或多个肿瘤。临床医生可以在CT图像中标记肿瘤或疑似肿瘤的位置。如果在例如轴向切片CT图像中识别到肿瘤，则该位置也可以在例如矢状和冠状视图中显示。然后，用户可以在所有三个视图中调整对肿瘤边缘的识别，以确保识别整个肿瘤。如将理解的，在不脱离本公开的范围的情况下，可以查看其他视图以辅助此过程。应用程序利用临床医生提供的这种位置的指示来生成并显示肿瘤210在3D模型202中的位置的指示符。除了手动标记肿瘤的位置之外，还有多种已知的自动肿瘤识别工具，这些工具被配置为自动处理CT图像扫描并识别疑似肿瘤。

用户界面200包括各种特征，使临床医生能够更好地了解患者的生理状况，并增强或减少呈现的信息量，以便临床医生能够更好地了解情况。第一工具是肿瘤工具212，其提供了关于上述在2D CT图像切片中所识别出的肿瘤或病变的信息。肿瘤工具212提供关于肿瘤的信息，诸如其尺寸。此外，肿瘤工具212允许在肿瘤210周围距肿瘤210的边缘期望距离处创建边缘214。边缘214识别出应当去除以确保去除所有癌变或其他病变组织以防止未来肿瘤生长的这部分健康组织。另外，通过提供边缘214的指示符，用户可以操纵3D模型202以了解与肿瘤210相交的脉管***。由于肿瘤是富含血液的组织，因此通常存在多个通向肿瘤的血管。在肺段切除手术期间，需要对这些血管中的每个血管进行识别与处理，以确保供养肿瘤的血管完全闭合。另外，可以调整或更改边缘，以限制手术对可能由共同血管所供血的邻近组织的影响。例如，减少了边缘以确保只切断和密封血管的一个分支，而主血管保持完整，以便它可以继续供养其他非肿瘤组织。对这些血管的识别是本公开的一个重要特征。

图2所描绘的下一工具是气道生成工具216。气道生成工具216允许用户确定3D模型202中描绘了多少代气道。如将理解的，图像处理技术已经发展到能够识别整个肺组织中的气道。从气管到肺泡囊，人的肺部至多约有23代气道。然而，虽然可以生成非常详细的3D模型，但这种细节只会增加3D模型的混乱程度，并使模型对用户的用处降低，因为这些多代的结构会模糊结构。因此，气道生成工具216允许用户将所描绘代的气道限制到期望的水平，该期望的水平提供了用于规划给定手术的足够细节。在图2中，气道生成工具216设置为第三生成结果，并且滑块218允许用户根据需要改变选择。

图2中描绘了静脉血管生成工具220和动脉血管生成工具222两者。与气道生成工具216一样，静脉血管生成工具220和动脉血管生成工具222允许用户选择待绘于3D模型中的静脉和动脉的生成级别。同样，通过选择合适的生成水平，3D模型202可以被适当地整理，以向用户提供可用信息。

虽然这些血管生成工具220和222以及气道生成工具216在此被描述为3D模型202中显示的血管和气道的总代数，但是它们也可用于描绘在3D模型202的给定位置的远侧或所识别片段中的代数。以这种方式，临床医生可以识别气道或血管的特定分支，并且使3D模型202更新以示出超出该气道或血管中的识别点的特定数量的代。

根据本公开，已经开发了生成算法，以进一步辅助于当查看气道和血管都显示在UI 200中的3D模型时，向临床医生提供有用且清楚的信息。传统上，在管腔网络标测中，每个分叉被视为产生了新的管腔网络生成结果。结果是，3D模型202可具有多达23项生成结果，例如通往肺泡囊的气道的生成结果。然而，根据本公开的一个方面，由生成了3D模型的软件应用程序对生成结果作出不同定义。该应用程序采用两步模型。第一步识别出管腔网络中的分叉。在第二步骤中，在分叉处测量随后两个分支管腔，并且如果这两个分支管腔中的一个分支管腔的直径尺寸类似于通向分叉的管腔，则认为，该分支管腔节段属于与先前节段相同的生成结果。作为一个示例，“尺寸相似”的分支管腔是其尺寸至少为通向分叉的管腔50％的管腔。结果是，在生成级别较低的3D模型中，描绘了来自根腔中的管腔网络的更清楚的指示。同样，这消除了3D模型中的许多混乱，为临床医生提供了更好的可操作数据。

用户界面200的附加特征包括CT切片查看器226。当被选择时，如图2所示，在用户界面200的侧边栏中描绘了三个CT切片图像228、230和232。这些CT切片图像中的每一者包括其自身的滑块，使用户能够移动改变沿患者三个轴(例如轴向、冠状和矢状)中的一者显示的图像，以查看患者的解剖结构的部分。在3D模型202中标识的特征，包括气道、静脉血管和动脉血管，也在CT切片图像中进行了描绘，以便在查看图像时提供更大的上下文。CT切片图像也可以与3D模型202同步，从而允许用户点击3D模型202中的任何点，查看该点在CT视图上的位置。该点实际上位于CT切片图像228、230和232中的每一者的中心。此外，此同步允许用户点击3D模型202中的任何分支，并查看该分支在CT切片图像228、230、232中的位置。每个CT切片图像228、230、232左下角的扩张图标233允许CT切片图像替换用户界面200的主显示区中的3D模型202。

隐藏组织特征234允许在3D模型202的当前视图中对观察者隐藏的组织以幻影或描边形式显示。此外，切换236和238允许3D模型202翻转或旋转。

如本文所述，存在经由UI 200而启用的各种工具。这些工具可以呈出现在UI 200上的单个按钮的形式、与UI 200相关联的横幅的形式，或者作为当右键或左键单击UI 200或3D模型202时可能会出现在UI 200中的菜单的一部分。这些工具或与之相关联的按钮中的每一者都能够由使用指向装置的用户选择，以启动本文所述应用的特征。

用户界面200的附加特征包括取向罗盘240。取向罗盘提供了三个主轴(轴向、矢状和冠状)相对于3D模型的取向的指示。如图所示，这些轴被定义为绿色的轴向、红色的矢状和蓝色的冠状。锚定工具241在被用户选择时将指向工具(例如，触摸屏上的鼠标或手指)绑定到取向罗盘240。然后，用户可以使用鼠标或其他指向工具将取向罗盘240移动到3D模型中的新位置，并且将3D模型202锚定在该位置。在释放指向工具后，将建立新的锚定点，并且所有未来用于操纵3D模型202的命令将以该新的锚定点为中心。然后，用户可以拖动取向罗盘240的轴中的一者，以根据所选择的轴的取向变化改变3D模型202的显示。

相关的轴向工具242也可以用于改变3D模型的所描绘的取向。如图所示，轴向工具242包括3个轴：轴向(A)、矢状(S)、冠状(C)。尽管示出了仅延伸到公共中心点的轴，但这些轴延伸到与带有字母246的点相对的相关点244。通过选择任何带字母或不带字母的点，3D模型将自动旋转到从点244或246的取向沿该轴的视图。另选地，可以选择并拖动点244、246中的任一点，并且3D模型200将改变其相对于所选择的点的对应视角的取向。以此方式，轴向工具242可以在自由旋转和固定模式两者中使用。图16-图18描绘了由用户所选择的S点、C点、A点246中的每个点的位置变化以及相关点244。

单轴旋转工具248仅允许选择取向罗盘240中示出的三个轴中的一个轴，通过在单轴旋转工具248中拖动该轴，实现了3D模型202仅围绕该单轴旋转。这不同于上述自由旋转，其中一个轴的旋转会影响其他两个轴，具体取决于指向装置移动。

3D模型取向工具250描绘了患者身体的取向相对于3D模型202的取向的指示。重置按钮252使用户能够在患者仰卧的情况下，自动将3D模型202的取向返回到预期的手术位置。

缩放指示符254指示屏幕的焦点。默认情况下，内部白色矩形与外部灰色矩形的大小相同。当用户放大3D模型202时，白色与灰色矩形的相对大小表示缩放级别。另外，一经放大，用户就可以选择白色矩形并且向左或向右拖动，以平移在用户界面200中显示的3D模型视图。也可以操纵内部白色矩形以调整缩放级别。加和减标签也可用于增加或降低缩放级别。图19描绘了指示符254在放大视图后的变化。图20描绘了缩放指示符254的变化，该缩放指示符描绘了3D模型向右平移，其中内部白色矩形在灰色矩形中向右偏移。

图3描绘了对用户界面200以及特别是对其中所显示的模型202的控制的再一方面。如图3所示，在特定轴上旋转3D模型202的另一方式是将点击装置移到屏幕边缘。当这完成时，描绘了示出四个旋转提示304的覆盖图302。选择这些旋转提示304中的一个提示，这将使3D模型202旋转。另外，移动模型(即，平移)也可在此覆盖图中实现。此外，点击装置可用于识别3D模型202上或附近的新点，3D模型202围绕该新点旋转。

图4描绘了胸腔手术规划工具的另外特征。当用户选择肿瘤210时，显示菜单402。作为初始事项，菜单402显示与肿瘤工具212相同的信息。特别地，菜单402可以显示肿瘤的尺寸和体积。菜单402也允许调整围绕肿瘤210的边缘的尺寸并彻底消除该边缘。

在菜单402中，也提供了裁剪工具404。当选择时，裁剪工具定义了围绕肿瘤210的区域406，如图5所示。该区域406由一系列线段408来定义。用户能够选择这些线段408以调整肿瘤210周围的区域406。一旦对用以定义区域406的线段408的安置感到满意，用户就可选择“裁剪”按钮。该按钮从3D模型中移除了在区域406内未发现的或者并非穿过了区域406的气道或血管的一部分的所有组织。与上述生成选择工具一样，该裁剪的效果是不仅显示了区域406内的血管和气道，使得用户能够观察它们以及它们与肿瘤210的关系，而且也显示了通向区域406内的气道和血管的气道和血管。

该工具的益处之一是能够识别通向肿瘤210的气道和血管的根分支。这通过移除由3D模型的与裁剪区域不相关的其他对象(例如，气道和血管)引起的所有混乱而成为可能。这允许用户考虑通向肿瘤210的气道和血管并且确定肿瘤210牵涉哪些节段以及哪些气道和血管可能需要切除以便实现成功的肺段切除术。以这种方式，临床医生可以调整边缘的尺寸，以识别相关的血管和气道，从而使切除面积最小化。

区域406可描绘于CT图像切片228、230、232中。类似地，也可以在CT图像切片中，对已经从3D模型中裁剪掉的组织进行裁剪。此外，通过裁剪选择而隐藏的组织可能无法被完全隐藏，而是可以进行重影以限制视觉干扰，但是使临床医生能够确定该结构处于3D模型202之中何处。

图4描绘了菜单402中的两个附加特征。一个特征是隐藏组织按钮408，选择后，该按钮隐藏肿瘤210和边缘内的任何组织。此外，锚定工具241也显示在菜单中，从而允许选择和安置取向罗盘240的锚定点，如上所述。

第二菜单410可由用户使用点击工具来显示，以选择3D模型202内的任何位置。菜单410包括深度滑块412，其通过选择形状类似于棕榈树的按钮414而被启用，从而允许用户更改与选定点处的组织相关的生成结果的数目。这实现了所选择的点周围的局部整理。菜单410中的附加特征包括修剪按钮416，其提供了在外科手术期间待切除的组织的指示。通过选择修剪按钮416，然后用户可使用点击装置来选择3D模型202上的位置。于该点处，在模型上绘制切除线418，并且用不同颜色来呈现待切除的3D模型的各部分。隐藏组织按钮420实现了使用点击装置来选择组织并将所选择的组织从视图中隐藏以再次辅助整理3D模型。标记按钮422实现了利用点击装置将标记安置在3D模型中的某一位置处，并且实现了***与该标记相关的注释。

图5和图6描绘了UI 200中的胸腔手术规划工具的再一方面。通过组织被隐藏或裁剪或者3D模型202被旋转的上述操纵中的任何操纵，可以通过将点击装置置于截屏图标424上来得到截屏。这可以在胸腔手术规划期间进行多次，如图6所示，其中沿着UI 200的左手边缘，描绘了截屏426。这些截屏均示出了对3D模型202的一些先前操纵。例如，截屏1仅示出了气道和肿瘤310。相反，截屏3示出了肿瘤210和相关脉管***的放大图像。选择这些截屏中的一个截屏，这将3D模型202恢复为其在截屏426中出现的模型。以这种方式，在手术期间，临床医生可以请求显示具体的截屏426，以刷新他们对给定区域中的预期组织的记忆，或者辅助他们识别体内组织，使得他们可以在确信他们正在正确位置进行切割或缝合的情况下，进行给定切除。或者，在作出任何切割或缝合之前，他们已经考虑了与具体切除相关的所有脉管***。临床医生可以对这些截屏进行布置，使得它们符合预期手术以及临床医生在各手术部分期间所寻求的可用信息。这也允许临床医生规划多次切除并且存储针对一组肺部中的多个肿瘤的那些计划中的每个计划。此外，当选择查看一个截屏时，可对其进行进一步编辑，并且该进一步编辑的截屏可单独保存或者用于更新截屏。

尽管本文通常描述为胸腔手术规划，但是本文所述的软件应用程序不限于此。作为一个示例，本文中，在手术室内，UI 200可在一个或多个显示屏上示出。然后，临床医生可以指导手术人员选择截屏426，使得临床医生可以再次观察3D模型202并且使他们熟悉截屏426中显示的结构以针对他们进行手术的其他步骤给出建议。

根据本公开的另一方面，UI 202可被显示为增强现实的一部分。此外，它们可以在增强现实(AR)或虚拟现实(VR)***中显示。例如，UI 200，特别是3D模型202可以显示在由临床医生佩戴的头戴式耳机或护目镜上。3D模型202的显示器可以与患者对准。对准过程实现了3D模型202的显示器与患者的生理结构对齐。再次，这为临床医生在执行手术时提供了更丰富的背景信息，并且实现了将计划纳入外科手术中。另选地，UI 200和3D模型202可以被投影，使得其出现在患者身体上，使得3D模型202覆盖患者的实际组织。这既可在开放手术也可在腹腔镜手术中实现，使得3D模型在手术期间为临床医生提供指导。如将理解的，这种投影过程需要在手术室中或与腹腔镜工具相关联的图像投影仪。

本公开的又一方面是结合安置在手术工具上的电磁传感器。位于患者下方或近处的电磁场发生器生成电磁场。电磁场可以由位于外科手术期间所用工具之中的传感器来检测。再次，3D模型202必须与患者对准，使得3D模型的取向对应于患者体内相关组织(例如，肺部)的取向。在对准完成的情况下，在3D模型202上，可以检测并显示具有EM场传感器的手术工具的移动。以这种方式，当手术工具靠近患者体内的组织安置时，它们的位置也可以相对于3D模型202示出。以这种方式，当外科医生正在观察实际组织并经由手术工具与其交互时，UI 200显示正与3D模型202交互的工具的模型。这允许外科医生观察手术工具和组织(诸如血管和气道)的相对安置情况，这是外科医生使用腹腔镜或在开放手术期间所无法观察到的。

图7-图13是上文结合UI 200所论述的图标的单独放大视图。图7描绘了缩放指示符254。图8描绘了轴向工具242。图9描绘了单轴旋转工具248。图10描绘了锚定工具241。图11描绘了菜单410。图12描绘了菜单402。图13描绘了3D模型取向工具250。

图14描绘了使用本公开的胸腔手术规划应用程序的方法1400。该方法始于在步骤1402处采集CT扫描数据的步骤1402。可选步骤1404是接收CT扫描数据中的目标(例如，肿瘤)的位置的指示。在步骤1406处，由CT扫描数据生成3D模型，并且在步骤1408处，将其呈现在用户界面中。在步骤1410处，应用程序可以可选地接收对生成级别的选择。这是气道或血管的生成级别。生成级别是指被显示成3D模型202的管腔网络的级别。例如，在气道中，气管定义了生成结果0，并且循着主隆凸或第一分叉的主支气管定义了生成结果1。然后，每个相继的分叉可以定义新的生成结果。尽管如上文详细所述，但本公开设想了用于确定是否为气道的替代算法。无论采用哪种生成结果定义算法，降低生成级别都会降低3D模型中的混乱程度，并且在规划肺段切除术时，为临床医生提供对相关气道和血管的更好洞察。在步骤1412处，可接收对裁剪工具的选择。这导致在步骤1414处显示目标周围的区域。可以可选地调整该区域，并且可以在步骤1416处接收对该形状的更改。在步骤1418处，与该区域相交的3D模型的所有气道和血管可以连同那些通向与该区域相交的那些气道和血管的气道和血管各部分一起被识别出来。在步骤1420处，可以从3D模型中移除在步骤1418中未识别出的所有气道和血管。这提供了对以下两项的清楚的指示：通向目标的血管和气道；以及该区域内的血管和气道。利用该信息，可以对节段切除和缝合作出更精确的确定，以去除病变组织，而不影响对其他节段的血液供应。另外，这些步骤可以通知手术方法以及对临床医生有益的其他方面。在步骤1422处，可捕捉截屏426。然后，用户可以回到原始3D模型202和步骤1408。这使临床医生能够执行对3D模型202的附加操纵，以开发出手术的其他方面。

现在参考图15，该图是***700的示意图，该***被配置为与包括图14的方法在内的本公开的方法一起使用。***700可包括工作站701，并且可选地包括成像装置715(例如，CT或MRI成像装置)。在一些实施方案中，工作站701可以直接或间接地与成像装置715联接，例如通过无线通信。工作站701可包括存储器702、处理器704、显示器706和输入装置710。处理器或硬件处理器704可包括一个或多个硬件处理器。工作站701可任选地包括输出模块712和网络接口708。存储器702可存储应用程序718和图像数据77。应用程序718可包括可由处理器704执行的指令，用于执行本公开的方法，包括图14的方法。

应用程序718还可包括用户界面716，诸如上文详述的UI 200。图像数据714可包括CT图像扫描或MRI图像数据。处理器704可以与存储器702、显示器706、输入装置710、输出模块712、网络接口708和成像装置715联接。工作站701可以是固定计算装置诸如个人计算机，或便携式计算装置诸如平板计算机。工作站701可嵌入多个计算机装置。

存储器702可包括用于存储数据和/或软件的任何非暂态计算机可读存储介质，数据和/或软件包括可由处理器704执行并且控制着工作站701的操作的指令，并且在一些实施方案中，也可控制成像装置715的操作。在一个实施方案中，存储器702可包括一个或多个存储装置，诸如固态存储装置，例如闪存芯片。另选地，或者除了该一个或多个固态存储装置之外，存储器702可包括通过大容量存储控制器(未示出)和通信总线(未示出)而连接到处理器704的一个或多个大容量存储装置。

尽管本文所含的对计算机可读介质的描述是指固态存储设备，但是本领域技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是处理器704可以访问的任何可用介质。即，计算机可读存储介质可包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的非暂态、易失性和非易失性、可移动和不可移动的介质。例如，计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器或其他固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其他光学存储设备、磁带盒、磁带、磁盘存储设备或其他磁存储装置、或可用于存储期望信息并且可由工作站701访问的任何其他介质。

应用程序718当由处理器704执行时可以使显示器706呈现用户界面716。用户界面716的一个示例是例如图2-图7所示的US 200。

网络接口708可被配置为连接到网络，诸如由有线网络和/或无线网络组成的局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络和/或互联网。网络接口708可用于连接工作站701和成像装置715。网络接口708也可用于接收图像数据714。输入装置710可以是用户可用来与工作站701交互的任何装置，诸如例如鼠标、键盘、脚踏板、触摸屏和/或语音接口。输出模块712可包括任何连接端口或总线，诸如例如并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域技术人员已知的任何其他类似连接端口。根据上文并且参考各个附图，本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，还可以对本公开进行某些修改。

在不脱离本公开的范围的情况下，可以将本公开的任何上述方面和实施方案相组合。

尽管本文公开了详述的实施方案，但是所公开的实施方案仅仅是可以以各种形式并且在方面体现的本公开的示例。例如，本文公开了结合目标覆盖***和方法的电磁导航***的实施方案；然而，目标覆盖***和方法还可应用于本领域技术人员已知的其他导航或跟踪***或方法。因此，本文所公开的特定的结构和功能细节不应理解为限制性的，而仅仅是权利要求书的基础，并作为具有代表性的基础用于教导本领域的技术人员以几乎任何合适的具体结构不同地采用本公开。

Claims (31)

1.一种胸腔手术规划方法，包括：

接收计算机断层摄影(CT)图像数据；

接收所述CT图像数据中的目标的位置的指示；

由所述CT图像数据生成三维模型(3D)；

接收对生成级别的选择；

从用户界面中的所述3D模型的表示中移除超出所选择的生成级别的生成结果；

接收对裁剪工具的选择；

呈现目标周围的区域；

接收所述目标周围的所述区域中的变化；

识别进入所述变化区域的所述3D模型的所有气道和血管以及直接连接到所述3D模型中的所述气道和血管的所有先前气道和血管，以形成识别的气道和血管；以及

从所述3D模型中移除所识别的气道和血管之外的所有气道和血管。

2.一种胸腔手术规划方法，包括：

接收计算机断层摄影(CT)图像数据；

由所述CT图像数据生成三维模型(3D)；

接收对裁剪工具的选择；

呈现目标周围的区域；

识别进入所述区域的所述3D模型的所有气道和血管以及直接连接到所述3D模型中的进入所述区域的所述气道和血管的所有先前气道和血管；

从所述3D模型中移除所识别的气道和血管之外的所有气道和血管；以及

在用户界面中显示所述3D模型，其中所述3D模型仅包括所识别的气道和血管。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括接收所述CT图像数据中的目标的位置的指示。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括接收对生成级别的选择；以及从所述3D模型中移除超出所选择的生成级别的生成结果。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括通过识别气道或血管的分叉以及确定通向所述分叉的气道或血管的直径以及延伸超过所述分叉的气道或血管的直径来确定生成结果，其中当所确定的直径的尺寸类似时，则认为从所述分叉开始延伸的气道或血管中的一者与通向所述分叉的气道或血管属于相同的生成结果。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括当从分叉开始延伸的气道或血管的直径比通向所述分叉的所述气道或血管的所述直径小50％时，确定所述从分叉开始延伸的气道或血管属于下一生成结果。

7.根据权利要求2所述的方法，还包括接收所述目标周围的所述区域的形状变化。

8.根据权利要求2所述的方法，还包括捕捉截屏。

9.根据权利要求2所述的方法，还包括至少一个CT图像，其中所述CT图像被绑定到所述3D模型，使得对所述3D模型的操纵导致所述CT图像的对应显示变化。

10.根据权利要求2所述的方法，还包括分割所述CT图像数据中的气道和血管以生成所述3D模型。

11.一种胸腔手术规划***，包括：

处理器；

与所述处理器通信的显示器；和

与所述处理器通信的存储器，其中所述存储器在其中存储可执行代码，所述可执行代码当由所述处理器执行时生成用于在所述显示器上显示的用户界面(UI)，所述用户界面包括，

患者肺部的气道和脉管***的三维(3D)模型；

至少一个生成工具，所述至少一个生成工具被配置为限制所显示的3D模型的生成结果的数目；

边缘工具，所述边缘工具被配置为调整目标周围的显示边缘；和

多个取向操纵工具，所述多个取向操纵工具被配置为改变在所述UI中呈现的所述3D模型的视图。

12.根据权利要求11所述的胸腔手术规划***，其中所述存储器被配置为接收CT图像扫描数据，并且所述处理器被配置为执行存储在所述存储器中的代码，以由所述CT图像扫描生成所述3D模型。

13.根据权利要求11所述的胸腔手术规划***，其中所述UI包括识别3D模型的轴向平面、冠状平面和矢状平面的取向罗盘。

14.根据权利要求13所述的胸腔手术规划***，还包括锚定工具，其中所述锚定工具实现将所述取向罗盘安置在所述3D模型上或附近，以定义所述3D模型的旋转点。

15.根据权利要求11所述的胸腔手术规划***，还包括单轴旋转工具，其中当在单轴选择中选择了轴中的一个轴时，用以旋转所述3D模型的所有其他输入实现仅围绕所选择的轴的旋转。

16.根据权利要求11所述的胸腔手术规划***，还包括缩放工具，其中所述缩放工具描绘所述UI中所呈现的模型与全尺寸相比的相对尺寸。

17.根据权利要求16所述的胸腔手术规划***，其中所述缩放工具也实现所述3D模型在所述UI中的平移。

18.根据权利要求11所述的胸腔手术规划***，还包括裁剪工具，其中当被选择时，在所述目标周围描绘区域。

19.根据权利要求18所述的胸腔手术规划***，其中所述区域是能够调整的，使得气道或血管的各节段被包括在所述区域中或从所述区域中排除。

20.根据权利要求19所述的胸腔手术规划***，其中当执行所述裁剪时，所述处理器执行代码以确定所述区域内的所述气道或血管以及它们的先前气道或血管中的任一者，并且所述3D模型被更新以消除除了所识别的气道或血管之外的所有气道或血管。

21.一种胸腔手术规划方法，包括：

接收计算机断层摄影(CT)图像数据；

由所述CT图像数据生成三维模型(3D)；

接收对生成级别的选择，以及从所述3D模型中移除超出所选生成级别的气道和血管的生成结果；

在用户界面中显示所述3D模型，其中所述3D模型仅包括气道和血管的所选择的生成结果。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括通过识别气道或血管的分叉以及确定通向所述分叉的气道或血管的直径以及延伸超过所述分叉的气道或血管的直径来确定生成结果，其中当所确定的直径的尺寸类似时，则认为从所述分叉开始延伸的气道或血管中的一者与通向所述分叉的气道或血管属于相同的生成结果。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括当从分叉开始延伸的气道或血管的直径比通向所述分叉的所述气道或血管的所述直径小50％时，确定所述从分叉开始延伸的气道或血管属于下一生成结果。

24.根据权利要求21所述的方法，还包括接收所述CT图像数据中的目标的位置的指示。

25.根据权利要求21所述的方法，还包括接收对裁剪工具的选择；以及呈现目标周围的区域。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括识别进入所述区域的所述3D模型的所有气道和血管以及直接连接到所述3D模型中的进入所述区域的气道和血管的所有先前气道和血管。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括从所述3D模型中移除所识别的气道和血管之外的所有气道和血管；以及

在用户界面中显示所述3D模型，其中所述3D模型仅包括所识别的气道和血管。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括接收所述目标周围的所述区域的形状变化。

29.根据权利要求21所述的方法，还包括捕捉截屏。

30.根据权利要求21所述的方法，还包括显示至少一个CT图像，其中所述CT图像被绑定到所述3D模型，使得对所述3D模型的操纵导致所述CT图像的对应显示变化。

31.根据权利要求21所述的方法，还包括分割所述CT图像数据中的气道和血管以生成所述3D模型。

Images