CN116269751A - 肾结石术前计算机模拟穿刺和导航*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学图像三维技术领域，尤其涉及一种肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***，包括：模型建立模块，用于建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；第一规划设计模块，用于根据所述三维模型，利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；和/或第二规划设计模块，用于根据所述三维模型，利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；虚拟内镜导航模块，用于根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。借此，本发明提供了同时支持PCNL和RIRS微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***，该***提高肾结石手术的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及医学图像三维技术领域，尤其涉及一种肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***。
背景技术
随着泌尿外科微创技术的发展，PCNL(经皮肾镜碎石取石术)和RIRS(输尿管软镜碎石取石术)是两种较为常见的种微创式手术治疗方法。这两种方法虽然相比传统开放式手术或者ESWL(体外冲击波碎石术)创伤较小，但也存在各自的优缺点和适应症，所以对于一些复杂性结石，例如多发性结石，或者鹿角形肾结石等，临床常采用PCNL和RIRS多镜联合治疗的方法，能够减少多通道建立的可能性及潜在的出血风险和并发症，创伤相对更小，既能缩短手术时间，又能提高结石的清除率。
但对于上述多镜联合治疗方法，手术方案往往更为复杂，因此术前对于手术方案的设计显得尤为重要。对于上述PCNL和RIRS的微创治疗方法，如果因为手术穿刺路径设计不合理，会增加手术意外的风险，特别是当一些结石处于取石通道之外或者术中视角盲区时，往往会造成结石不能完全清除的情况。因此在术前进行模拟穿刺和导航，对于减少术中出血、提高结石清除率、缩短手术时间、降低术后并发症的发生率等方面具有非常重要的作用。但是目前还没有较好的同时支持PCNL和RIRS等微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***。
综上所述，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种肾结石术前模拟穿刺和导航的***，以实现同时支持PCNL和RIRS微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***，提高肾结石手术的成功率。
为了实现上述目的，本发明提供一种肾结石术前模拟穿刺和导航的***，包括：
模型建立模块，用于建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；
第一规划设计模块，用于根据所述三维模型，利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；和/或
第二规划设计模块，用于根据所述三维模型，利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；
虚拟内镜导航模块，用于根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。
根据所述的***，所述模型建立模块包括：
增强造影子模块，用于通过泌尿CT增强造影，获取满足预设条件的所述患者的泌尿***的CT图像；
图像分割子模块，用于采用预设的图像分割方式对所述CT图像进行分割，获得所述患者的泌尿***的器官和病灶的三维分割结果；
三维重建子模块，用于根据所述三维分割结果，重建所述患者的泌尿***的三维模型；
面模型配准子模块，用于将所述泌尿***的三维模型中分别在延迟期与动脉期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的器官进行三维模型配准。
根据所述的***，所述预设的图像分割方式包括：基于图像灰度的图像分割方式和基于深度学习的图像分割方式。
根据所述的***，所述面模型配准子模块将所述泌尿***的三维模型中在所述延迟期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的左/右肾盂肾盏、输尿管和膀胱，通过面模型移动和旋转配准到所述动脉期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的左/右肾盂肾盏以及输尿管，进行所述三维模型配准。
根据所述的***，所述第一规划设计模块包括：
面模型数据获取子模块，用于根据所述图像分割子模块的三维分割结果，获得所述患者的泌尿***的肾脏、结石、动脉血管、皮肤和骨骼的面模型数据；
模拟子模块，用于根据所述三维模型，以所述结石为起点，向体外沿最短路径方向画一条穿刺针，所述穿刺针避开肋骨和动脉血管；所述穿刺针的路线为所述第一路径；
调整子模块，用于通过对所述穿刺针的平移和旋转操作，调节所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度，优化所述第一路径；
记录子模块，用于记录所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据和标记穿刺针在皮肤上的入针点。
根据所述的***，所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据包括穿刺深度、所述穿刺针刺入皮肤的深度、所述穿刺针与骨骼的最短距离、所述穿刺针距上肋骨投影距离、所述穿刺针距下肋骨投影距离。
根据所述的***，所述第二规划设计模块包括：
提取子模块，用于对所述患者的泌尿***的三维模型使用形态学腐蚀操作去除其边界，直到只剩所述三维模型中的骨架；
树构建子模块，用于以所述骨架作为中心线，构建管状结构的中心树结构；
初步计算子模块，用于在所述中心线上选取导航的起点和终点，计算获取所述第二路径的初步路径；
路径规划子模块，用于根据所述初步路径，在所述在中心线上每间隔多个点采样，将所述采样取得点的集合通过三次参数样条插值，设置插值密度，获得所述第二路径。
根据所述的***，所述中心线上的点包括端点、连接点以及分叉点；两个非连接点之间只存在连接点，则这两个非连接点加上之间所有的连接点称作一个段；
所述树构建子模块包括：
构建单元，为每个所述段赋予一个ID，通过每个所述段的ID确定该段在预定的数据结构中的位置，并判断不同段之间的层级关系；以及将所述中心线上的每个点用以填满所述数据结构，构建出所述管状结构的中心树结构；
检测单元，通过在所述中心线上选定一个端点做为所述中心树结构的起点，然后从所述起点开始依次对邻域点进行检测，确定该点的属性，直到所有所述中心线点均被检测完成；
所述点的属性包括点的类型、点所在的段ID、点的父节点、点的子节点。
根据所述的***，所述虚拟内镜导航模块包括：
自动导航子模块，用于通过预设的函数在所述第一路径和/或第二路径设置所述虚拟内镜的摄像机原点、焦点、视角范围以及视向的垂直方向，对所述第一路径和/或第二路径进行自动导航；
交互导航子模块，用于根据预设的控件控制所述虚拟内镜的摄像机的前进、后退、左转、右转、镜头推近和镜头拉远，对所述第一路径和/或第二路径进行交互导航。
根据所述的***，所述自动导航子模块通过函数SetPosition()和SetFocalPoint()把vtkCamera摄像机原点设置在所述第一路径和/或第二路径的中心路径的一个点上，焦点放在所述第一路径和/或第二路径的中心路径的下一个点上，再通过SetViewAngle()设置摄像机的视角范围，通过SetViewUp()设置摄像机视向的垂直方向。
本发明通过将肾结石术前模拟穿刺和导航的***设置为包括：模型建立模块、第一规划设计模块、第二规划设计模块以及虚拟内镜导航模块，模型建立模块建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；第一规划设计模块根据所述三维模型，利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；第二规划设计模块根据所述三维模型，利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；虚拟内镜导航模块根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。借此，本发明提供了同时支持PCNL和RIRS微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***，该***提高肾结石手术的成功率。因此，解决了现有技术中手术穿刺路径设计不合理，会增加手术意外的风险，特别是当一些结石处于取石通道之外或者术中视角盲区时，往往会造成结石不能完全清除的情况的发生。利用本发明提供的***在术前进行模拟穿刺和导航，对于减少术中出血、提高结石清除率、缩短手术时间、降低术后并发症的发生率。因此，本发明提供的***是能够较好的同时支持PCNL和RIRS等微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***。
附图说明
图1是本发明实施例提供的肾结石术前模拟穿刺和导航的***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的肾结石术前模拟穿刺和导航的***的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的PCNL经皮肾镜碎石取石术模拟穿刺第一路径的示意图；
图4是本发明实施例提供的PCNL经皮肾镜碎石取石术、沿穿刺针进行虚拟内窥镜导航的示意图；
图5是本发明实施例提供的RIRS即输尿管软镜碎石取石术，导航路线的规划、选取和调整的示意图；
图6是本发明实施例提供的RIRS即输尿管软镜碎石取石术，导航路线的规划、选取和调整的示意图；
图7是本发明实施例提供的RIRS即输尿管软镜碎石取石术，沿输尿管至肾盂肾盏进行虚拟内窥镜导航的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1～图7，在本发明的一个实施例中，提供了一种肾结石术前模拟穿刺和导航的***100，包括：
模型建立模块10，用于建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；
第一规划设计模块20，用于根据所述三维模型，利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；和/或
第二规划设计模块30，用于根据所述三维模型，利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；
虚拟内镜导航模块40，用于根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。
在该实施例中，通过将肾结石术前模拟穿刺和导航的***100设置模型建立模块10建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；再分别通过第一规划设计模块20利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；第二规划设计模块30利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；最后，利用虚拟内镜导航模块40根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。由此，提供了较好的同时支持PCNL和RIRS等微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***。避免了因为手术穿刺路径设计不合理，增加手术意外的风险，以及避免当一些结石处于取石通道之外或者术中视角盲区时，往往会造成结石不能完全清除的情况。因此通过该***100在术前进行模拟穿刺和导航，对于减少术中出血、提高结石清除率、缩短手术时间、降低术后并发症的发生率等方面具有非常重要的作用。
参见图1～图7，在本发明的一个实施例中，模型建立模块10包括：
增强造影子模块11，用于通过泌尿CT增强造影，获取满足预设条件的所述患者的泌尿***的CT图像；
图像分割子模块12，用于采用预设的图像分割方式对所述CT图像进行分割，获得所述患者的泌尿***的器官和病灶的三维分割结果；
三维重建子模块13，用于根据所述三维分割结果，重建所述患者的泌尿***的三维模型；
面模型配准子模块14，用于将所述泌尿***的三维模型中分别在延迟期与动脉期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的器官进行三维模型配准。
在该实施例中，增强造影子模块11通过泌尿CT增强造影，获取满足预设条件的所述患者的泌尿***的CT图像。对于泌尿CT增强造影通过注射造影剂，进行CT增强扫描，推荐采用如下表1的扫描通用规格：
表1分期扫描时，对于各个期项的控制，建议采用如下表2的分期规格：
精确的扫描间隔控制，有利于获取高质量的CT图像，提高后续图像分割和三维重建的质量。
在完成CT图像扫描以后，图像分割子模块12则采用预设的图像分割方式对所述CT图像进行分割，获得所述患者的泌尿***的器官和病灶的三维分割结果。图像分割是指从数字图像中识别出目标区域的过程。预设的图像分割方式可以采用目前比较常用的图像分割方法，主要分成两大类，即传统的基于图像灰度的方法和新的基于深度学***扫期图像分割左/右肾结石等。
在图像分割子模块12完成图像分割后，三维重建子模块13根据所述三维分割结果，重建所述患者的泌尿***的三维模型。三维重建是基于上述图像分割子模块12的三维分割结果，通过相应的重建算法来生成器官和病灶的三维面模型的过程。重建算法主要采用开源C++库VTK(Visualization Tool Kit)中的移动立方体(MarchingCubes)重建算法，该算法由W.Lorensen等人于1987年提出。其基本原理是先将整个三维图像切分成一个个同样大小的小立方体，然后在每个小立方体中以三角面片来逼近其内部的等值面，最终由所有小立方体中的等值面拼接成整个面模型，故其也被称为等值面提取(IsosurfaceExtraction)算法。
小立方体的划分通常是像素级别，这样使得重建出来的面模型通常具有较高的细节，不过同时也带来了面模型数据量过大、表面不够光滑等问题，所以通常还需要对移动立方体重建出来的面模型进行一定的后处理，主要包括网格简化和表面光滑。网格简化采用VTK中的vtkDecimatePro算法进行，通过塌陷过于尖锐的边，来达到删除点、重构三角面片的目的。表面光滑则采用VTK中的vtkSmoothPolyDataFilter算法进行处理，其本质是一种拉普拉斯平滑算法，将面模型上的每个顶点，用其邻域点的中心来代替，通过不断地迭代，即可以得到较为光滑的面模型。
面模型配准子模块14则将所述泌尿***的三维模型中在所述延迟期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的左/右肾盂肾盏、输尿管和膀胱，通过面模型移动和旋转配准到所述动脉期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的左/右肾盂肾盏以及输尿管，进行所述三维模型配准。
由于CT扫描采用多期扫描，特别是对于肾积水病人，因临床扫描延迟期需要病人等待20分钟左右再重新更换***进行延迟期检查，加上憋尿、扫描时间间隔等原因，导致动脉期和延迟期输尿管不能完全配准，这时往往需要进行手动/半自动的面模型配准。面模型配准子模块14采取的具体操作方式是在动脉期加做左/右肾盂肾盏及输尿管，然后通过面模型移动和旋转的方法，将延迟期的左/右肾盂肾盏及输尿管和膀胱配准到动脉期。
面数据配准是指将两个或两个以上的三维空间数据的点集或模型转换到一个统一的坐标系中的数学计算过程，其目的就是要找出两个数据集所在坐标系之间的变换关系，从而推导出对应的三维空间变换矩阵。开源C++库VTK(Visualization Tool Kit)中常用的面数据配准算法主要包括迭代最近点算法(ICP)和标记点算法(Landmark)。ICP(Iterative Closest Point迭代最近点)算法是一种点集对点集的配准方法,其原理是算法在运算过程中不断寻找两个点集中欧氏距离最近的点，然后不断迭代并对点集进行平移和旋转操作，最终在变换完成后将两者尽量重叠以获取最佳配准效果。标记点算法(Landmark)则是由人工在两个点集上采集互有映射关系的多对点，通过计算获取的标记点之间的矩阵变换关系来获取点集之间的矩阵变换关系。
当在面数据数据配准的界面上选取配准方式时，在不使用标记点的情况下直接进行配准可能会由于两个点集之间的欧式距离过远导致配准失真。选取标记点后可以有效提高ICP算法的准确性。此外也可以选用仅使用标记点配准，此时将会使用标记点算法来进行配准，相比ICP算法更加快速，但由于该方法仅考虑了选取的标记点之间的变换关系可能会导致最终效果略低于ICP算法。
参见图3～图7，在本发明的一个实施例中，第一规划设计模块20包括：
面模型数据获取子模块21，用于根据所述图像分割子模块12的三维分割结果，获得所述患者的泌尿***的肾脏、结石、动脉血管、皮肤和骨骼的面模型数据；
模拟子模块22，用于根据所述三维模型，以所述结石为起点，向体外沿最短路径方向画一条穿刺针，所述穿刺针避开肋骨和动脉血管；所述穿刺针的路线为所述第一路径；
调整子模块23，用于通过对所述穿刺针的平移和旋转操作，调节所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度，优化所述第一路径；
记录子模块24，用于记录所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据和标记穿刺针在皮肤上的入针点。
在该实施例中，通过第一规划设计模块20经皮肾镜取石术(PCNL)需要建立一条皮肤到肾脏的通道，通过该通道把肾镜***肾脏，利用激光、超声等碎石工具，把肾结石击碎取出。术前采用3D技术进行模拟穿刺，可全方位观察和寻找一条最合适的皮肤到肾脏的通道，可以减少术中出血、提高结石的清除率、缩短手术时间等。具体的，面模型数据获取子模块21根据所述图像分割子模块12的三维分割结果，获得所述患者的泌尿***的肾脏、结石、动脉血管、皮肤和骨骼的面模型数据；即面模型数据获取子模块21采用上述分割重建算法，获得肾脏，结石，动脉血管，皮肤和骨骼的面模型数据。其次，模拟子模块22参考三维面模型，以结石为起点，向体外沿最短路径方向画一条穿刺针，该穿刺针需要避开肋骨和血管。穿刺针即为3D模拟中皮肤到肾脏的通道。再次，调整子模块23旋转三维面模型，全面观察穿刺针的穿刺路径是否最优。如果需要调节，可以通过穿刺针的平移和旋转操作调节穿刺角度和位置，以及穿刺深度，使其路径最优。最后，记录子模块24记录所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据和标记穿刺针在皮肤上的入针点。为了进行精准的路径规划设计，找到皮肤到肾脏的最优通道后，可以记录测量结果和标记穿刺针在皮肤上的入针点。所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据包括穿刺深度、所述穿刺针刺入皮肤的深度、所述穿刺针与骨骼的最短距离、所述穿刺针距上肋骨投影距离、所述穿刺针距下肋骨投影距离。这些参数的具体意义为：穿刺深度：测量穿刺针在结石内的长度。到皮肤的距离：测量穿刺针刺入皮肤的深度，即穿刺针与皮肤的交点到针头的距离。骨骼最短距离：测量穿刺针与骨骼的最短距离。距上肋骨投影距离：穿刺针通常从两根肋骨的中间穿过，在穿刺针上侧的肋骨称为上肋骨，该参数用于计算上肋骨与穿刺针的最短距离点在皮肤表面的投影点，和穿刺针与皮肤交点的距离。距下肋骨投影距离：穿刺针通常从两根肋骨的中间穿过，在穿刺针下侧的肋骨称为下肋骨，该参数用于计算下肋骨与穿刺针的最短距离点在皮肤表面的投影点，和穿刺针与皮肤交点的距离。
参见图3～图7，在本发明的一个实施例中，第二规划设计模块30包括：
提取子模块31，用于对所述患者的泌尿***的三维模型使用形态学腐蚀操作去除其边界，直到只剩所述三维模型中的骨架；
树构建子模块32，用于以所述骨架作为中心线，构建管状结构的中心树结构；
初步计算子模块33，用于在所述中心线上选取导航的起点和终点，计算获取所述第二路径的初步路径；
路径规划子模块34，用于根据所述初步路径，在所述在中心线上每间隔多个点采样，将所述采样取得点的集合通过三次参数样条插值，设置插值密度，获得所述第二路径。
在该实施例中，对所述患者的泌尿***的三维模型进行管状结构的中心线树结构提取和路径规划。提取子模块31对分割数据使用形态学腐蚀操作不断去除其边界，直到仅剩其骨架，骨架即为中心线，此中心线仍为分割数据形式。接下来进行树结构的构建。树构建子模块32以所述骨架作为中心线，构建管状结构的中心树结构；初步计算子模块33在所述中心线上选取导航的起点和终点，计算获取所述第二路径的初步路径；路径规划子模块34根据所述初步路径，在所述在中心线上每间隔多个点采样，将所述采样取得点的集合通过三次参数样条插值，设置插值密度，获得所述第二路径。用户在中心线上选取需要导航的起点、终点。计算出连通路径得到初步路径。由于图像采样间隙的存在，中心线上点间隔大，使得虚拟相机在漫游过程中不能平稳运动，抖动、旋转幅度过大，导致用户对病灶检查的不全面。为了解决这个问题，本***100的路径规划子模块34根据计算得到的初步路径，在中心线上每间隔5个点采样，然后将采样取得点的集合通过三次参数样条插值，设置插值密度，由此便可以得到光滑的路径，保证了中心路径的质量。
所述中心线上的点包括端点、连接点以及分叉点；两个非连接点之间只存在连接点，则这两个非连接点加上之间所有的连接点称作一个段；具体的，对于中心线的点可以分为以下几类：
端点：只有1个邻域点的点；
连接点：有2个邻域点的点；
分叉点：有3个及以上邻域点的点。
定义：若两个非连接点之间只存在连接点，则这两个非连接点加上之间所有的连接点称作一个段。
所述树构建子模块32包括：
构建单元321，为每个所述段赋予一个ID，通过每个所述段的ID确定该段在预定的数据结构中的位置，并判断不同段之间的层级关系；以及将所述中心线上的每个点用以填满所述数据结构，构建出所述管状结构的中心树结构；
检测单元322，通过在所述中心线上选定一个端点做为所述中心树结构的起点，然后从所述起点开始依次对邻域点进行检测，确定该点的属性，直到所有所述中心线点均被检测完成；
所述点的属性包括点的类型、点所在的段ID、点的父节点、点的子节点。
构建单元321为段赋予一个id，通过特定的数据结构设计，可以通过该id确定该段的位置，判断不同段之间的层级关系等。接下来只需要将中心线上的每个点用以填满设计好的数据结构，即可以构建出整个树结构图。优选的，在中心线上选定一个端点做为树结构的起点，通常是管状结构主干上的点，然后检测单元322从起点开始，依次对邻域点进行检测，确定该点的属性，如确定该点的类型，点所在的段id，点的父节点，点的子节点，直到所有中心线点均被检测完成即可。
参见图3～图7，在本发明的一个实施例中，虚拟内镜导航模块40包括：
自动导航子模块41，用于通过预设的函数在所述第一路径和/或第二路径设置所述虚拟内镜的摄像机原点、焦点、视角范围以及视向的垂直方向，对所述第一路径和/或第二路径进行自动导航；
其中，自动导航子模块41通过函数SetPosition()和SetFocalPoint()把vtkCamera摄像机原点设置在所述第一路径和/或第二路径的中心路径的一个点上，焦点放在所述第一路径和/或第二路径的中心路径的下一个点上，再通过SetViewAngle()设置摄像机的视角范围，通过SetViewUp()设置摄像机视向的垂直方向。
交互导航子模块42，用于根据预设的控件控制所述虚拟内镜的摄像机的前进、后退、左转、右转、镜头推近和镜头拉远，对所述第一路径和/或第二路径进行交互导航。
在该实施例中虚拟内镜导航模块40导航路径包括PCNL和RIRS两种情况，对应于沿直线路径的导航和沿曲线路径的导航。虚拟导航是使用者实现虚拟内窥镜检查的必要途径，是虚拟内窥镜的目的。导航让使用者交互、自由地操纵虚拟摄像机，在空腔器官内部有目的地移动及转动，以实现高效率的观察和疾病诊断。一般有2种导航方式，即交互导航子模块42实现的交互导航和自动导航子模块41实现的自动导航。在规划好的第一路径上，让***100的自动导航子模块41自动控制摄像机的行为，用动画的方式把场景展现给使用者，实现自动导航。交互导航子模块42实现的交互导航是指使用者在一定约束条件下，通过输入设备控制虚拟摄像机的位置和方向等参数来实现导航。本***100在路径规划的基础上实现了自动导航和基于中心路径的交互导航。
自动导航子模块41自动导航时，通过函数SetPosition()和SetFocalPoint()把vtkCamera摄像机原点设置在中心路径的一个点上，焦点放在中心路径的下一个点上，焦点和原点之间的连线方向即为摄像机的视向方向。通过SetViewAngle()设置摄像机的视角范围，通过SetViewUp()设置摄像机视向的垂直方向，默认情况下为世界坐标系向上的方向。然后，当虚拟摄像机改变位置时，重新进行场景的绘制，达到对空腔器官实时观察的目的。交互导航通过预设的控件控制虚拟摄像机的前进、后退、左转、右转、镜头推近和镜头拉远。
由此可见，本发明提供的肾结石术前模拟穿刺和导航的***100是基于术前医学影像和三维可视化技术，设计了一套针对肾结石微创手术中多镜联合手术治疗方法的术前计算机模拟穿刺和导航***，能够辅助医生设计合理的手术方案，大幅度地提高肾结石手术的成功率。
综上所述，本发明通过将肾结石术前模拟穿刺和导航的***设置为包括：模型建立模块、第一规划设计模块、第二规划设计模块以及虚拟内镜导航模块，模型建立模块建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；第一规划设计模块根据所述三维模型，利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；第二规划设计模块根据所述三维模型，利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；虚拟内镜导航模块根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。借此，本发明提供了同时支持PCNL和RIRS微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***，该***提高肾结石手术的成功率。因此，解决了现有技术中手术穿刺路径设计不合理，会增加手术意外的风险，特别是当一些结石处于取石通道之外或者术中视角盲区时，往往会造成结石不能完全清除的情况的发生。利用本发明提供的***在术前进行模拟穿刺和导航，对于减少术中出血、提高结石清除率、缩短手术时间、降低术后并发症的发生率。因此，本发明提供的***是能够较好的同时支持PCNL和RIRS等微创治疗方法的肾结石术前计算机模拟穿刺和导航***。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种肾结石术前模拟穿刺和导航的***，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立欲进行肾结石手术的患者的泌尿***的三维模型；
第一规划设计模块，用于根据所述三维模型，利用经皮肾镜取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第一路径；和/或
第二规划设计模块，用于根据所述三维模型，利用输尿管软镜碎石取石术的操作方式建立在所述三维模型中从皮肤到肾脏的第二路径；
虚拟内镜导航模块，用于根据所述第一路径和/或第二路径，虚拟内镜导航所述第一路径和/或第二路径。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述模型建立模块包括：
增强造影子模块，用于通过泌尿CT增强造影，获取满足预设条件的所述患者的泌尿***的CT图像；
图像分割子模块，用于采用预设的图像分割方式对所述CT图像进行分割，获得所述患者的泌尿***的器官和病灶的三维分割结果；
三维重建子模块，用于根据所述三维分割结果，重建所述患者的泌尿***的三维模型；
面模型配准子模块，用于将所述泌尿***的三维模型中分别在延迟期与动脉期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的器官进行三维模型配准。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述预设的图像分割方式包括：基于图像灰度的图像分割方式和基于深度学习的图像分割方式。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述面模型配准子模块将所述泌尿***的三维模型中在所述延迟期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的左/右肾盂肾盏、输尿管和膀胱，通过面模型移动和旋转配准到所述动脉期扫描所述患者的泌尿***的CT图像获得的左/右肾盂肾盏以及输尿管，进行所述三维模型配准。
5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述第一规划设计模块包括：
面模型数据获取子模块，用于根据所述图像分割子模块的三维分割结果，获得所述患者的泌尿***的肾脏、结石、动脉血管、皮肤和骨骼的面模型数据；
模拟子模块，用于根据所述三维模型，以所述结石为起点，向体外沿最短路径方向画一条穿刺针，所述穿刺针避开肋骨和动脉血管；所述穿刺针的路线为所述第一路径；
调整子模块，用于通过对所述穿刺针的平移和旋转操作，调节所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度，优化所述第一路径；
记录子模块，用于记录所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据和标记穿刺针在皮肤上的入针点。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述穿刺针的穿刺角度、位置以及穿刺深度的数据包括穿刺深度、所述穿刺针刺入皮肤的深度、所述穿刺针与骨骼的最短距离、所述穿刺针距上肋骨投影距离、所述穿刺针距下肋骨投影距离。
7.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述第二规划设计模块包括：
提取子模块，用于对所述患者的泌尿***的三维模型使用形态学腐蚀操作去除其边界，直到只剩所述三维模型中的骨架；
树构建子模块，用于以所述骨架作为中心线，构建管状结构的中心树结构；
初步计算子模块，用于在所述中心线上选取导航的起点和终点，计算获取所述第二路径的初步路径；
路径规划子模块，用于根据所述初步路径，在所述在中心线上每间隔多个点采样，将所述采样取得点的集合通过三次参数样条插值，设置插值密度，获得所述第二路径。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述中心线上的点包括端点、连接点以及分叉点；两个非连接点之间只存在连接点，则这两个非连接点加上之间所有的连接点称作一个段；
所述树构建子模块包括：
构建单元，为每个所述段赋予一个ID，通过每个所述段的ID确定该段在预定的数据结构中的位置，并判断不同段之间的层级关系；以及将所述中心线上的每个点用以填满所述数据结构，构建出所述管状结构的中心树结构；
检测单元，通过在所述中心线上选定一个端点做为所述中心树结构的起点，然后从所述起点开始依次对邻域点进行检测，确定该点的属性，直到所有所述中心线点均被检测完成；
所述点的属性包括点的类型、点所在的段ID、点的父节点、点的子节点。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述虚拟内镜导航模块包括：
自动导航子模块，用于通过预设的函数在所述第一路径和/或第二路径设置所述虚拟内镜的摄像机原点、焦点、视角范围以及视向的垂直方向，对所述第一路径和/或第二路径进行自动导航；
交互导航子模块，用于根据预设的控件控制所述虚拟内镜的摄像机的前进、后退、左转、右转、镜头推近和镜头拉远，对所述第一路径和/或第二路径进行交互导航。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述自动导航子模块通过函数SetPosition()和SetFocalPoint()把vtkCamera摄像机原点设置在所述第一路径和/或第二路径的中心路径的一个点上，焦点放在所述第一路径和/或第二路径的中心路径的下一个点上，再通过SetViewAngle()设置摄像机的视角范围，通过SetViewUp()设置摄像机视向的垂直方向。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117649394A (zh) * | 2023-12-14 | 2024-03-05 | 广州欣贝医疗科技有限公司 | 掺铥光纤激光治疗机精准度调整方法和*** |
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