一种穿刺手术导板设计方法、系统以及穿刺手术导板与流程

1.本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及穿刺手术导板设计方法、系统以及穿刺手术导板。


背景技术：

2.在穿刺手术中，为了缩短手术时间，提高手术精度，减少患者创伤面及手术风险，医生在术前规划好穿刺路径，制作出进针导向板来限定穿刺位置和方向，手术时将该模型附于患者体表，并按导向孔对患者进行穿刺手术。
3.现有的穿刺手术导板通常由操作者在ct或mri影像上手动规划穿刺路径，并在此基础上手动设计穿刺导板，其存在的问题有：手动规划穿刺路径，主要依赖于操作者的主观经验，难以客观评价量化穿刺风险；穿刺导板设计由设计人员手动完成，医学影像上的标记点、穿刺规划等信息难以在设计过程中导入设计系统，导致设计周期加长、导板模型难以质控。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种根据影像数据自动建模并生成穿刺路径的穿刺手术导板设计方法。
5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种根据影像数据自动建模并生成穿刺路径的穿刺手术导板设计系统。
6.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之三在于提供一种根据影像数据自动建模并生成穿刺路径的穿刺手术导板设计方法生产的穿刺手术导板。
7.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
8.一种穿刺手术导板设计方法，包括以下步骤：
9.影像预处理：对影像进行预处理使图像增强；
10.分割建模：对预处理后的图像进行分割形成二值图像并根据二值图像构建三维模型；
11.规划穿刺路径：在三维模型上选择穿刺靶点，指定不可穿刺区域，计算穿刺可行域，其中计算穿刺可行域包括以下步骤：
12.对于候选的穿刺可行域中的组织ti，按照穿刺风险程度给予风险系数γi；
13.以穿刺靶点为起点，对于所有位于穿刺可行域中的射线进行离散化，对于离散化后的任一射线p计算其距离风险系数：其中，α1为根据穿刺部位赋予的常数；di为射线p穿过组织ti的欧几里得距离；
14.计算穿刺可行区域中的组织与离散化后的任一射线p的交点sk，计算sk对应的组织三维模型的法向量vk，计算其角度风险系数其中，l
p
为射线p的单位向量，α2为根据穿刺部位赋予的常数；
15.综合风险系数为r＝r1 r2，搜索综合风险系数最小的射线，即为优化后的最优穿刺路径；
16.确定体表进针点：最优穿刺路径与体表曲面的交点，即为体表进针点。
17.进一步的，所述计算穿刺可行域步骤还包括：穿刺可行域的边界距离不可穿刺区域不小于欧几里得距离d，d为指定参数。
18.进一步的，d≥5毫米。
19.进一步的，所述穿刺手术导板设计方法还包括影像配准步骤，所述影像配准步骤位于所述影像预处理步骤之前，所述影像配准步骤用于影像数量为多个时，将浮动影像对应到固定影像空间。
20.进一步的，所述影像配准为内标记点配准，具体为：在固定影像和浮动影像中选择不少于3对具有相同解剖位置的内标记点，计算内标记点之间的空间变换矩阵，该矩阵即为固定图像与浮动图像的空间变换矩阵，对浮动影像使用所述空间变换矩阵进行空间变换。
21.进一步的，所述影像配准为像素配准，具体为：选择并确定像素配准的相似性测度、空间变换初始值和中止条件，使用刚性配准算法计算浮动图像的刚性变换矩阵，该矩阵即为固定图像与浮动图像的空间变换矩阵，对浮动影像使用所述空间变换矩阵进行空间变换。
22.进一步的，所述穿刺手术导板设计方法还包括曲面处理步骤，所述曲面处理步骤位于所述确定体表进针点步骤之后，所述曲面处理步骤包括曲面平滑、游离面去除、曲面空洞填充、曲面加厚、曲面裁切以及曲面打孔步骤。
23.进一步的，所述穿刺手术导板设计方法还包括可视化步骤，所述可视化步骤位于所述曲面处理步骤之后，所述可视化步骤具体为：构建穿刺手术导板、人体表面、病灶以及穿刺路径的可视化模型。
24.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
25.一种穿刺手术导板设计系统，用于实施上述任意一项所述的穿刺手术导板设计方法。
26.本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
27.一种穿刺手术导板，所述穿刺手术导板根据上述任意一项所述的穿刺手术导板设计方法设计，所述穿刺手术导板设有穿刺针道，所述穿刺针道与所述穿刺路径位于同一直线上，所述穿刺针道的端部为所述体表进针点。
28.相比现有技术，本发明穿刺手术导板设计方法根据医学影像数据自动构建三维模型，规划并生成穿刺路径，并根据标记点、穿刺规划路径等信息自动生成穿刺手术导板的三维模型，整个过程自动化并且穿刺手术导板质量可控、设计周期短。
附图说明
29.图1为本发明穿刺手术导板设计方法的流程图；
30.图2为根据穿刺手术导板设计方法设计的穿刺手术导板的使用示意图。
31.图中：100、穿刺手术导板；10、轻量化区域；20、穿刺针道。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
34.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。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.图1为本发明穿刺手术导板设计方法的流程图，穿刺手术导板设计方法包括以下步骤：
36.当医学影像为多模态影像时，首先进行多模态影像配准，将浮动影像对应到固定影像空间。当医学影像为单模态影像时，无需此步骤。
37.多模态影像配准步骤有三种实施方式，具体为：
38.采用内标记点配准：在固定影像和浮动影像中选择不少于3对具有相同解剖位置的内标记点，计算内标记点之间的空间变换矩阵，该矩阵即为固定图像与浮动图像的空间变换矩阵，对浮动影像使用所述空间变换矩阵进行空间变换。
39.采用像素配准：选择并确定像素配准的相似性测度、空间变换初始值和中止条件，使用刚性配准算法计算浮动图像的刚性变换矩阵，该矩阵即为固定图像与浮动图像的空间变换矩阵，对浮动影像使用所述空间变换矩阵进行空间变换。其中，对于ct-mri图像，相似性测度为基于互信息、归一化互信息或其优化算法；上述优化算法，具体为在互信息或归一化互信息中加入图像空间信息或邻域信息或图像上下文的改进算法。其中，中止条件为相似性测度在前后两次迭代过程中的变化值、迭代次数中的一种或两者的组合。
40.采用联合方法：进行内标记点配准，得到配准后的浮动影像。以配准后的浮动影像作为初始配准影像，进行像素配准，得到其配准影像，以此作为最终的配准影像。
41.影像预处理：采用窗宽窗位调节、直方图均衡化、高斯滤波、log滤波及基于log滤波的改进算法对影像进行预处理，其中窗宽窗位调节以及直方图均衡化处理能够使图像整体增强，高斯滤波能够使图像减噪。log滤波及基于log滤波的改进算法对图像组织器官边缘增强。
42.分割建模：对预处理后的图像进行分割形成二值图像并根据二值图像构建三维模型。具体的，对预处理后的图像进行分割采用半自动分割或全自动分割，半自动分割采用阈值分割、连通域分析、空洞填充、形态学操作中的一种或多种方式。具体的：空洞填充，包括：三维空洞填充和二维空洞填充。二维空洞填充可单独从横断面、冠状面或矢状面对空洞进
行填充，或者使用级联的方式对空洞进行填充(即采用上述多种填充方式依次填充)。使用marching cube计算二值图像的三维表面模型并建模。
43.规划穿刺路径：输入上述三维表面模型，在三维模型上选择穿刺靶点，指定不可穿刺区域，计算穿刺可行域。
44.计算穿刺可行域时，对穿刺可行域进行限定，限定条件为：穿刺可行域中不包括任何不可穿刺区域。不可穿刺区域由病变部位决定。穿刺可行域的边界距离不可穿刺区域不小于欧几里得距离d，d为指定参数；优选的，d≥5毫米。
45.计算穿刺可行域具体包括以下步骤：
46.对于候选的穿刺可行域中的组织ti，按照穿刺风险程度给予风险系数γi(0＜γi＜1)；
47.以穿刺靶点为起点，对于所有位于穿刺可行域中的射线进行离散化，对于离散化后的任一射线p计算其距离风险系数：其中，α1为根据穿刺部位赋予的常数；di为射线p穿过组织ti的欧几里得距离；
48.计算穿刺可行区域中的组织与离散化后的任一射线p的交点sk，计算sk对应的组织三维模型的法向量vk，计算其角度风险系数其中，l
p
为射线p的单位向量，α2为根据穿刺部位赋予的常数；
49.综合风险系数为r＝r1 r2，搜索综合风险系数最小的射线，即为优化后的最优穿刺路径；
50.确定体表进针点：最优穿刺路径与体表曲面的交点，即为体表进针点。
51.重复上述计算穿刺可行域以及确定体表进针点步骤，将所有穿刺靶点优化得到其最优穿刺路径及体表进针点。
52.曲面处理，包括曲面平滑、游离面去除、曲面空洞填充、曲面加厚、曲面裁切以及曲面打孔步骤。
53.曲面平滑步骤用于去除曲面中的毛刺。
54.游离面去除用于去除由于分割算法的假阳性目标造成的游离(孤立)的小曲面。
55.曲面空洞填充避免构建的曲面由于算法原因，曲面上可能存在空洞，会导致3d打印后的导板存在表面空洞。
56.穿刺导板需要一定的厚度以保证一定的结构强度和刚度，因此需要对曲面加厚。曲面加厚以体表曲面为内表面，向外径方向各向同性的外扩h；优选的，h≥3毫米。
57.穿刺导板需要一定大小，不能过大过小且要边缘圆滑，通过曲面裁切步骤实现。曲面裁切具体包括以下步骤：
58.在体表曲面上，做体表穿刺点集合的最小外接圆并外扩e毫米，得到位于体表曲面上上的圆b
min
；优选的，e≥5毫米
59.在曲面上勾画导板外形，勾画区域需包含圆b
min
；
60.轻量化设计区域边界与体表进针点距离≥5毫米。
61.曲面打孔步骤实现穿刺针道20的设置。
62.可视化，具体为：构建穿刺手术导板、人体表面、病灶以及穿刺路径的可视化模型。
63.本技术还涉及一种实施穿刺手术导板设计方法的穿刺手术导板设计系统，穿刺手
术导板设计系统包括影像配准模块、影像分割建模模块、曲面处理模块以及可视化模块。影像配准模块用于实施多模态影像配准步骤。影像分割建模模块用于实施影像预处理、分割建模、规划穿刺路径、确定体表进针点等步骤。曲面处理模块用于实施曲面处理步骤。可视化模块用于实施可视化步骤。
64.请继续参阅图2，本技术还涉及一种根据上述穿刺手术导板设计方法设计的穿刺手术导板100，穿刺手术导板100由三维模型通过3d打印生成。穿刺手术导板100上设有轻量化区域10、穿刺针道20以及定位孔。定位孔的数量为三个或三个以上。穿刺针道20与穿刺路径位于同一直线上，穿刺针道20的端部为体表进针点。穿刺针道20的孔隙直径由拟使用的穿刺针直径确定。穿刺针道20孔隙直径大于拟使用的穿刺针直径。考虑到3d打印精度，穿刺针道20孔隙直径大于拟使用的穿刺针直径0.2毫米及以上，同一个穿刺针道20的孔隙直径一致；穿刺针道20凸起于穿刺导板外表面，凸起高度不小于1厘米；穿刺针道20壁厚不小于1毫米。多个穿刺针道20之间的直径可不一致，以适用不同直径的穿刺针。在保证结构强度基础上，穿刺手术导板100能够通过轻量化设计出一个或多个轻量化区域10。轻量化区域10可为非打印区域、规则的多孔结构、不规则的多孔结构或蜂窝结构等。穿刺手术导板100的定位孔位置与对应影像中的标记点位置一致；定位孔孔径直径大于固定于人体表面的标记点直径。具体的，考虑到3d打印精度，定位孔孔隙直径大于标记点直径0.2毫米及以上。穿刺手术导板100贴合于人体的一面为内表面，对称侧为外表面；内表面吻合人体表面的生理曲面；穿刺手术导板100厚度≥2毫米。
65.本技术穿刺手术导板设计方法根据医学影像数据自动构建三维模型，规划并生成穿刺路径，并根据标记点、穿刺规划路径等信息自动生成穿刺手术导板的三维模型，整个过程自动化并且穿刺手术导板100质量可控、设计周期短。根据穿刺手术导板设计方法设计的穿刺手术导板100上有穿刺针道20，穿刺针道20为风险最小的穿刺路径，将对人体的损害和手术风险降至最小。
66.以上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演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。