一种用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及计算机辅助手术路径规划技术领域，特别是涉及用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法、装置及存储介质。
2.

背景技术：

3.颅脑穿刺手术前，需要对穿刺路径进行规划。穿刺路径由位于皮肤表面的起点和病灶处的靶点位置形成。
4.目前，穿刺路径的规划是一个难点。这是由于，大脑功能结构复杂，其包含了动脉血管、神经纤维、髓鞘、大脑皮质（灰质）等重要的功能结构对象。在二维断层图像上很难反映出这种立体空间关系，所以传统的仅依赖二维断层影像信息来辅助术前穿刺路径的规划不够严谨，很难选取出符合临床要求的穿刺起始点位置。规划出的路线容易误判断对动脉血管、神经纤维等造成伤害。而且，穿刺路径的选择一般依赖医生的临床经验，这会有以下不足：医生可能对病灶区域的几何形态缺乏定量的认识，从而有所忽略病灶的几何形态对颅脑穿刺手术效果的影响，进而会影响活检穿刺的成功率或者血肿引流的效率。
5.

技术实现要素：

6.基于以上背景，提供一种用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法。该方法有利于快速确定穿刺路径，使穿刺路径符合临床要求，且可以尽可能提高手术作用覆盖效果。
7.一种用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法，包括：获得病人术前的三维颅脑模型以及病灶的三维模型点云数据，根据病灶的三维模型点云数据获取病灶的主轴，主轴的两端分别与三维颅脑模型的皮肤表面相交于p
a
点和p
b
点，获取一条参考穿刺路径，根据参考穿刺路径，获取该参考穿刺路径与皮肤表面的穿刺起始点p
s
，以及穿刺器械针尖计划到达的靶点位置p
t
，获取靶点位置p
t
落在主轴上的投影点p
t*
，确定p
s
点、投影点p
t*
以及p
a
点形成的第一夹角大小，确定p
s
点、投影点p
t*
以及p
b
点形成的第二夹角大小，如果第一夹角为锐角，则以p
s
点、投影点p
t*
以及p
a
点形成的扇形区域为备选穿刺路径区，p
a
点为参考点，如果第二夹角为锐角，则以p
s
点、投影点p
t*
以及p
b
点形成的扇形区域为备选穿刺路径区，p
b
点为参考点，在备选穿刺路径区寻找并获得最终穿刺路径，以投影点p
t*
作为最终穿刺路径的靶
点位置，最终穿刺路径的起点p0在备选穿刺路径区对应的三维颅脑模型的皮肤表面，最终穿刺路径不会触发术前预警，所述术前预警是指：根据三维颅脑模型确定术前避让条件，当穿刺路径不满足术前避让条件时，进行预警。
8.本技术的方法有利于快速确定穿刺路径，使穿刺路径符合临床要求，且可以尽可能提高手术作用覆盖效果，使得如活检取样的成功率更高，或血肿引流的效率更高。可应用于出血性脑卒中血肿引流手术、脑外科病灶穿刺活检手术、脑部穿刺射频电极消融手术等。
9.在其中一个实施例中，所述主轴是通过主成分分析的方法计算获得。
10.在其中一个实施例中，还包括术中预警，所述术中预警包括：获得穿刺针的针尖位置，当穿刺针的针尖位置不满足术中避让条件时，进行预警。
11.在其中一个实施例中，所述获得穿刺针的针尖位置，当穿刺针的针尖位置不满足术中避让条件时，进行预警，具体包括：基于距离映射图判断穿刺针的针尖位置是否超出了阈值，如果超出了阈值，则给出警报信息。
12.在其中一个实施例中，所述根据三维颅脑模型确定术前避让条件，当穿刺路径不满足术前避让条件时，进行预警，具体包括：获取以穿刺路径为中心线的一圆柱体模型的表面点集，基于由三维颅脑模型的二值掩模数据计算得到的距离映射图判断所述表面点集中的点是否超出了阈值，如果超出了阈值，则给出警报信息。
13.在其中一个实施例中，所述起点p0为距离所述参考点最近的一点。
14.一种计算机装置，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、存储器和通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信，所述存储器用于存放至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行所述的用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法对应的操作。
15.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一个可执行指令，所述可执行指令使处理器执行所述的用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法对应的操作。
附图说明
16.图1为本技术的实施例的用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法的流程图。
17.图2为本技术的实施例的用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法的几何原理图。
18.图3为在从三维诊断影像数据重建的术前颅脑模型场景中实施本技术的穿刺路径规划方法的具体示例。
19.图4为本技术的术前规划和术中导航进行穿刺预警方案流程图。
20.图5为二值分割掩模图（左）以及计算得到的有符号距离映射图（右）的示意图。
21.图6为本技术的基于空间变换关系链的术中导航穿刺针的针尖位置实时跟踪示意图。
22.具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
24.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
26.如图1至图3所示，本技术的实施例提供了一种用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法，该方法包括：获得病人术前的三维颅脑模型以及病灶的三维模型点云数据。病人术前的三维颅脑模型以及病灶的三维模型点云数据的获取方法可应用现有的方法获得。例如，可通过病人术前的ct扫描数据、mr扫描数据、cta扫描数据、mra扫描数据等数据来获得病人术前的三维颅脑模型。
27.其中，上述三维颅脑模型包括但不限于以下模型：皮肤模型、颅骨模型、脑动脉血管模型、脑神经纤维束模型、髓鞘模型、大脑皮质模型等。
28.接着，根据病灶的三维模型点云数据获取病灶的主轴。主轴的获取方法有多种。例如可通过主成分分析的方法计算获得所述主轴。
29.具体的，从目标对象（血肿或其它脑部病灶）的三维表面点云数据计算主轴l。假设p
a
、p
b
为主轴l上两个远端端点。三维表面点云数据的主轴计算可基于主成分分析（pca）来完成：计算所有点的均值（质心），利用pca寻找一个通过的单位向量e从而构成一条直线，即所要求的主轴l。
30.具体的，中每个点落在主轴上的投影点为，计算与之间的距离平方和，具体用到以下公式：,。
31.这里，为与的距离（含正负号），通过求最小可推导出协方差矩阵c：。
32.上述协方差矩阵c的最大的特征值对应的特征向量即为，由此计算得到主轴。
33.需要说明的是，实际计算主轴l的方法包括但不限于pca，其它如二阶几何矩（即惯性矩）等方法也可以实现相同的目的。
34.本技术中，设置主轴l的意义在于：沿着主轴l方向做投影，落在垂直于主轴的平面
上的投影点最为集中。因此，在相同的作用范围下，沿主轴l穿刺有效覆盖区域最大，从而使得活检取样的成功率更高、血肿引流和电极热消融的效率更高。
35.主轴l确定后，主轴l的两端分别与三维颅脑模型的皮肤表面相交的点定义为p
a
点和p
b
点。
36.接着，获取一条参考穿刺路径，根据参考穿刺路径，获取该参考穿刺路径与皮肤表面的穿刺起始点p
s
，以及穿刺器械针尖计划到达的靶点位置p
t
。
37.上述参考穿刺路径可由医生根据自身临床手术经验选定，也就是由医生来确定一条参考穿刺路径。
38.可以理解，也可以按照临床手术关于穿刺路线的相关规定来生成一条参考穿刺路径。也可以将医生以往的穿刺路径作为训练集，结合相关人工智能学习算法来获得一个模型，该模型可以输出参考穿刺路径。
39.然后，计算靶点位置p
t
落在主轴l上的投影点p
t*
。也就是过靶点位置p
t
作一条垂直于主轴l的线，该线与主轴l的交点为上述投影点p
t*
。
40.接着，确定p
s
点、投影点p
t*
以及p
a
点形成的第一夹角大小，确定p
s
点、投影点p
t*
以及p
b
点形成的第二夹角大小。
41.p
s
点与投影点p
t*
形成的线段与投影点p
t*
和p
a
点形成的线段之间的夹角为第一夹角。
42.p
s
点与投影点p
t*
形成的线段与投影点p
t*
和p
b
点形成的线段之间的夹角为第二夹角。
43.如果第一夹角为锐角，则以p
s
点、投影点p
t*
以及p
a
点形成的扇形区域为备选穿刺路径区，p
a
点为参考点。这里，p
s
点和投影点p
t*
形成一条直线，投影点p
t*
以及p
a
点形成一条直线。p
a
点和p
s
点之间为一段弧形线。上述各线条共同围成了一个扇形区域。
44.同理，如果第二夹角为锐角，则以p
s
点、投影点p
t*
以及p
b
点形成的扇形区域为备选穿刺路径区，p
b
点为参考点。
45.在备选穿刺路径区寻找并获得最终穿刺路径，以投影点p
t*
作为最终穿刺路径的靶点位置，最终穿刺路径的起点p0在备选穿刺路径区对应的三维颅脑模型的皮肤表面，最终穿刺路径不会触发术前预警。
46.所述术前预警是指：根据三维颅脑模型确定术前避让条件，当穿刺路径不满足术前避让条件时，进行预警。
47.上述最终穿刺路径可按照上述标准由软件自动生成。也可以由医生手动来调整穿刺路径的起点位置，进而在上述备选穿刺路径区内对穿刺路劲方向进行选择，使得生成的穿刺路径符合上述最终穿刺路径的标准。
48.需要说明的是，在实时调节穿刺路径的方向的过程中，可由obbtree算法快速计算以投影点p
t*
为终点的穿刺路径与皮肤表面三维网格模型的相交点，并最终确认入针点位置p0、穿刺器械预期到达的靶点位置p
t*
以及由这两点确定的最终穿刺路径。
49.本实施例中，所述起点p0为距离所述参考点最近的一点。这样确定的最终穿刺路径最靠近主轴l。相应的，活检取样的成功率最高，血肿引流和电极热消融的效率也最高。
50.本实施例中，所述根据三维颅脑模型确定术前避让条件，当穿刺路径不满足术前避让条件时，进行预警，具体包括：获取以穿刺路径为中心线的一圆柱体模型的表面点集，
基于由三维颅脑模型的二值掩模数据计算得到的距离映射图判断所述表面点集中的点是否超出了阈值，如果超出了阈值，则给出警报信息。
51.本实施例中，还包括术中预警，所述术中预警包括：获得穿刺针的针尖位置，当穿刺针的针尖位置不满足术中避让条件时，进行预警。
52.本实施例中，所述获得穿刺针的针尖位置，当穿刺针的针尖位置不满足术中避让条件时，进行预警具体包括：基于距离映射图判断穿刺针的针尖位置是否超出了阈值，如果超出了阈值，则给出警报信息。
53.以下详细介绍本技术的上述术前预警和术中预警的实施方式。
54.本技术的预警方法需要从病人术前获取的各种脑部影像数据中分割得到各个脑解剖结构的二值掩模数据。上述影像数据包括：ct扫描数据、mr扫描数据、cta扫描数据、mra扫描数据等数据。
55.本技术对除病灶区域外的单个解剖结构对象的二值掩模数据（如脑动脉血管的二值掩模数据），或多个解剖结构对象的合成二值掩模数据求三维距离映射图（distance map），以此作为输入，进而建立一种可支持术前规划和术中导航的实时预警方法。上述三维距离映射图可采用itk的signedmaurerdistancemapimagefilter算法来计算获得。
56.本技术的预警方法的整体流程如图4所示，包含以下几个步骤。
57.首先从单个解剖结构对象分割得到的二值掩模数据（如果是多个解剖结构对象，则合并多个二值掩模数据为一个）计算有符号的三维距离映射图。
58.具体的，在二值掩模图像中对每个前景体素都计算该体素与最近的背景体素的距离，以负值表示；同时对每个背景体素都计算该体素与最近的前景体素的距离，以正值表示。
59.这样构成的映射图中，前景体素都为负值或0，而背景体素随着距离前景体素越远，体素值越大（类似于扩散的三维等值轮廓线，如图5所示）。
60.预先定义出术前规划阶段的报警距离的阈值。对于三维距离映射图数据中的体素，当体素值小于该阈值时，则设为0，这样得到一个阈值分割后的距离映射图数据。
61.在术前规划阶段，以三维线段模型代表穿刺路径，调整三维线段模型的两个端点可以改变穿刺路径，在动态调整穿刺路径的过程中，实时维持一个始终以该三维线段模型为中心线的圆柱体区域，而圆柱体区域的横截面半径根据预先设定保持不变。在该圆柱体区域的表面均匀采样，获得采样点集。通过最近邻或双线性插值从计算每个采样点的距离映射值。如果有任意一个采样点出现，则实时发出预警信息。例如，预警信息可以是提示穿刺路径与血管等结构靠得太近。
62.具体地，采样点集的获取可以由以下方法实现：a.假设三维线段模型的两个端点为点（穿刺起始点位置）和点（靶点位置），计算该线段的方向单位向量：；b.从点开始，按照固定的小间距步长取样：，直到到达点；c.在三维空间中，对由点和法线方向向量构成的每一个空间平面，以点为原点构建平面坐标系，由三维线段模型外任意点及其投影在穿刺路径上的点相减得到归一化向量，为x轴方向，按右手法则，计算y轴方向：；
d.在以点为圆心、为半径构成的圆上，以固定的小角度均匀取点，用极坐标表示为：，这里的取值是从到，则的位置为：。
63.如图6所示，在术中导航阶段，也就是在穿刺手术中进行导航的阶段，采用本技术提出的结合了病灶三维模型的主轴信息的穿刺路径优化方案进行术前穿刺路径制定，确定用于术中导航的最终穿刺路径（该穿刺路径由三维线段模型表述）。
64.然后，确定以该穿刺路径的线段为中心线的圆柱体区域。该圆柱体区域的横截面半径为。计算该圆柱体区域的三维二值掩模，即圆柱体内或圆柱体表面上的体素值为1，圆柱体外的体素值为0。
65.具体的，判断体素在圆柱体内外的方法如下：a.假设三维线段模型的两个端点为（穿刺起始点位置）和（靶点位置），每个体素点在穿刺路径中心线上的投影为，如果，则该体素落在圆柱体之外；b.当，则进一步判断，若，则该体素落在圆柱体外，否则该体素落在圆柱体内。
66.接着，计算圆柱体区域二值掩模的有符号的三维距离映射图。
67.在术中导航过程中，采用包括但不局限于由ndi提供的光学跟踪设备实时定位光学标记球。
68.在穿刺针的末端固定有光学标记球，且在固定人脑与手术床的支架上也固定有光学标记球，以此获得三维刚性空间变换及。通过固定在头皮的标志点与虚拟的三维模型进行空间配准对齐，以获得三维刚性空间变换。
69.由空间变换关系链：，实时计算三维模型场景中穿刺针的针尖的位置（如图6所示）。
70.再从插值计算得到穿刺针的针尖位置的距离映射值，当该值大于0时，说明针尖已经超出了圆柱体区域定义的安全区域，可能刺过脑中的解剖功能结构对象，这时就需要预警。
71.通过以上描述可知，本技术具有以下有益效果：本技术提出了一种支持术前规划和术中导航的三维穿刺预警方案，该方案基于距离映射图判断空间点是否超出了阈值来给出警报信息。只需要插值计算穿刺路径圆柱体模型有限的表面点集，或术中穿刺针模型针尖位置的距离值，就可以实现快速实时判断是否需要预警。
72.本技术提出了一种结合主轴方向来辅助优化穿刺路径的方法，该方法将病灶目标区域的几何形态加入到路径规划要考虑的范畴内，结合临床专家的信息输入做出优化调整，进而提高活检取样的有效性或引流过程的效率等。
73.本技术的实施例还提供了一种计算机装置。该计算机装置包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、存储器和通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信，所述存储器用于存放至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行本技术的上述的用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法对应的操作。
74.本技术的实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至
少一个可执行指令，所述可执行指令使处理器执行本技术的上述的用于颅脑穿刺手术的计算机辅助穿刺路径规划方法对应的操作。
75.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
76.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。