穿刺路径规划系统

摘要

本发明公开了一种穿刺路径规划系统，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块。本发明通过三维影像配准模块可将多模态影像配准到同一个坐标系中，将术前和术中的不同模态影像对齐，从而可以使模态影像得到充分利用；本发明中，穿刺路径在人为设定基础上，通过穿刺自动规划和风险评估模块可进行穿刺风险评估及进一步优化，从而能降低风险；本发明中穿刺路径不仅在三维影像显示模块中显示，还映射到二维影像显示模块中，通过二维影像显示模块中与三维影像显示模块相互补充，能提高穿刺路径评估的精确性。

说明书

技术领域

本发明涉及医学成像领域，特别涉及一种穿刺路径规划系统。

背景技术

穿刺手术在临床上可用于疾病的诊疗，通常，手术前需要预先进行穿刺路径的规划。穿刺路径规划可通过多种手段实现，例如专利CN103970988B公开了一种消融针穿刺路径规划方法及系统，其能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径，为消融手术提供良好的术前规划指导。又如专利 CN106021935B公开了一种柔性针穿刺路径评估方法及系统。现在的穿刺路径规划方案中普遍存在以下缺陷中的一种或多种：1、无多模态影像配准，导致术前和术中的不同模态影像无法对齐，术前影像无法用于术中靶区定位；2、无穿刺风险评估；3、穿刺路径依赖人为设定，无法优化；4、穿刺路径和三维模型一同显示，由于三维建模存在误差，导致穿刺路径和组织的空间关系测量存在误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种穿刺路径规划系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种穿刺路径规划系统，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块；

所述三维影像分割模块用于对输入的穿刺对象的原始三维图像进行分割，得到分割后的三维图像模型；

所述三维影像配准模块用于将分割后的三维图像模型进行配准，得到配准后的三维图像模型；

所述三维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型；

所述二维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；

通过所述穿刺规划路径交互选择模块可在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，并计算得出初始穿刺规划路径；同时通过所述穿刺规划路径交互选择模块还可在所述二维影像显示模块和/ 或三维影像显示模块中对所述初始穿刺规划路径进行调整，得到调整后的穿刺规划路径；

所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径。

优选的是，所述二维影像显示模块可显示横断面、矢状面和冠状面的二维灰度影像；

所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像；

所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像的边界曲线。

优选的是，所述二维影像显示模块可显示穿刺规划路径所在直线在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线，称为穿刺引导线；所有投影直线的两端均设置有交互控制端点，通过所述穿刺规划路径交互选择模块在当前横断面、矢状面或冠状面的平面范围内拖动所述控制端点以调整当前的投影直线，拖动后的投影直线反投影到三维影像空间中形成新的穿刺规划路径，所述二维影像显示模块实时计算更新调整后的穿刺规划路径在另外两个平面上的投影直线，并在其对应的视图中刷新显示。

优选的是，所述二维影像显示模块可显示拟穿刺的穿刺针在当前所显示的横断面、矢状面和冠状面上的截面；随着当前横断面、矢状面或冠状面位置改变，所述二维影像显示模块同步计算所述拟穿刺的穿刺针在位置改变后的横断面、矢状面或冠状面上的截面，并显示所述拟穿刺的穿刺针在当前横断面、矢状面或冠状面的真实位置和截面形状，并通过所述二维影像显示模块刷新显示所述拟穿刺的穿刺针在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线。

优选的是，所述三维影像显示模块可显示穿刺规划路径；

所述三维影像显示模块中的穿刺规划路径的两端设置有交互控制端点，通过穿刺规划路径交互选择模块拖动所述交互控制端点可对穿刺规划路径进行调整，以形成调整后的穿刺规划路径；穿刺规划路径交互选择模块实时计算调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影，在对应的二维影像显示模块中显示调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影直线；

所述三维影像显示模块可显示至少一个三维图像模型。

优选的是，该系统的工作步骤包括：

1)输入穿刺对象的原始三维图像，通过所述三维影像分割模块进行分割，得到分割后的三维图像模型；

2)所述三维影像配准模块对分割后的三维图像模型进行配准，得到的配准后的三维图像模型分别在所述二维影像显示模块和三维影像显示模块中显示；其中，所述三维影像显示模块参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型，所述二维影像显示模块显示参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型分别在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；

3)通过所述穿刺路径交互选择模块在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，所述穿刺路径交互选择模块计算得出初始穿刺规划路径；

4)通过所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述初始穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径。

优选的是，所述步骤2)中，所述三维影像配准模块的配准方法具体为：

2-1)分别在分割后的三维图像模型和参考三维图像模型上选择具有一一对应关系的标记点；每一个图像模型上的标记点数量不少于3个；分割后的三维图像模型中的点集记作P

2-2)使用点集配准方法对标记点进行配准，得到点集P

2-3)使用空间变换矩阵T

优选的是，所述三维影像配准模块的配准方法还包括：采用三维体素配准方法对三维图像模型I

优选的是，所述步骤3)具体包括：

3-1)通过所述穿刺路径交互选择模块在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中依次选择穿刺起点和穿刺终点；

3-2)穿刺起点和穿刺终点在二维影像显示模块和三维影像显示模块进行同步更新显示；

3-3)所述穿刺路径交互选择模块计算初始穿刺规划路径，三维影像显示模块中显示三维初始穿刺规划路径、穿刺起点和穿刺终点；二维影像显示模块显示三维初始穿刺规划路径与本模块中当前显示的断层所在平面相交形成的圆或椭圆、穿刺起点/穿刺终点在本模块中当前显示的断层所在平面的投影点；

3-4)在所述三维影像显示模块中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的调节穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点与本模块中当前显示的断层所在平面的投影点，同时还在所述二维影像显示模块中更新显示新的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；

或者，

3-5)在所述二维影像显示模块中的横断面、矢状面或冠状面中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并在所述三维影像显示模块中显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点。

优选的是，所述步骤4)中所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化的步骤包括：计算穿刺可行域、计算穿刺深度和组织路径长度、计算穿刺路径到需要避开脏器的距离、计算其他约束项；具体为：

4-1)计算穿刺可行域：

4-1-1)以调整后的穿刺规划路径为中心，以圆锥角θ为搜索范围，构建穿刺路径优化搜索的三维空间R；

4-1-2)将穿刺路径上需要避开的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作M

4-1-3)计算穿刺可行域R’，R’＝R-ΣS

4-2)计算穿刺深度和组织路径长度：

4-2-1)计算调整后的穿刺规划路径与穿刺对象的配准后的三维图像模型的交点p；

4-2-2)计算穿刺终点与p之间的欧几里得距离，即为穿刺物理深度，记作 l

4-2-3)将调整后的穿刺规划路径上需要经过的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作m

4-2-4)计算调整后的穿刺规划路径穿越三维封闭模型m

4-2-5)计算调整后的穿刺规划路径经过人体组织的穿刺风险距离L

4-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的风险距离：

4-3-1)计算调整后的穿刺规划路径到M

4-3-2)按照组织的重要性为每一个三维封闭模型M

4-3-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的等效风险距离L

4-4)计算其他风险约束项：

4-4-1)构建风险因素模型，其风险因素记作R

4-4-2)其等效风险因素记作L

4-5)计算穿刺路径综合风险F，F＝L

本发明的有益效果是：本发明的穿刺路径规划系统，通过三维影像配准模块可将多模态影像配准到同一个坐标系中，将术前和术中的不同模态影像对齐，进而使术前影像中的穿刺靶区和边界映射到术中影像中，实现精准定位，从而可以使模态影像得到充分利用；

本发明中，穿刺路径在人为设定基础上，通过穿刺自动规划和风险评估模块可进行穿刺风险评估及进一步优化，从而能降低风险；

本发明中穿刺路径不仅在三维影像显示模块中显示，还映射到二维影像显示模块中，可显示横断面、矢状面和冠状面的二维影像，通过二维影像显示模块中与三维影像显示模块相互补充，能提高穿刺路径评估的精确性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实施例的一种穿刺路径规划系统，包括：三维影像分割模块、三维影像配准模块、二维影像显示模块、三维影像显示模块、穿刺规划路径交互选择模块以及穿刺自动规划和风险评估模块。

其中，所述三维影像分割模块用于对输入的穿刺对象的原始三维图像进行分割，得到分割后的三维图像模型。原始三维图像可包括多模态影像，如 CT、超声、MRI影像中的一种或多种。

其中，所述三维影像配准模块用于将分割后的三维图像模型进行配准，得到配准后的三维图像模型。部分穿刺目标(比如肿瘤)，在术中影像(通常是CT或超声)中无法清晰显示，但是在术前的MRI影像中可以清晰的显示肿瘤及其边界。但是术前影像和术中影像的空间位置不存在对应关系，通过配准可以将不同图像统一到同一个坐标系中，实现影像对齐。

其中，所述三维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型。

所述三维影像显示模块可显示穿刺规划路径；

所述三维影像显示模块中的穿刺规划路径的两端设置有交互控制端点，通过穿刺规划路径交互选择模块拖动所述交互控制端点可对穿刺规划路径进行调整，以形成调整后的穿刺规划路径；穿刺规划路径交互选择模块实时计算调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影，在对应的二维影像显示模块中显示调整后的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面的投影直线；在三维显示模块中交互选取体表穿刺点时，穿刺规划路径交互选择模块会自动计算显示窗口坐标系中的交互位置，并投影到三维图像模型坐标系，计算出投影点在三维图像模型中的位置，该位置为体表穿刺点。

所述三维影像显示模块可显示至少一个三维图像模型。

其中，所述二维影像显示模块可显示配准后的三维图像模型在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像。

所述二维影像显示模块可显示横断面、矢状面和冠状面的二维灰度影像；

所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像；

所述二维影像显示模块还可显示横断面、矢状面和冠状面的二维二值影像的边界曲线。

所述二维影像显示模块可显示穿刺规划路径所在直线在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线，称为穿刺引导线；所有投影直线的两端均设置有交互控制端点，通过所述穿刺规划路径交互选择模块在当前横断面、矢状面或冠状面的平面范围内拖动所述控制端点以调整当前的投影直线，拖动后的投影直线反投影到三维影像空间中形成新的穿刺规划路径，所述二维影像显示模块实时计算更新调整后的穿刺规划路径在另外两个平面上的投影直线，并在其对应的视图中刷新显示。

所述二维影像显示模块可显示拟穿刺的穿刺针在当前所显示的横断面、矢状面和冠状面上的截面；随着当前横断面、矢状面或冠状面位置改变，所述二维影像显示模块同步计算所述拟穿刺的穿刺针在位置改变后的横断面、矢状面或冠状面上的截面，并显示所述拟穿刺的穿刺针在当前横断面、矢状面或冠状面的真实位置和截面形状，并通过所述二维影像显示模块刷新显示所述拟穿刺的穿刺针在横断面、矢状面和冠状面上的投影直线。

其中，二维影像显示模块和三维影像显示模块即可独立工作，又能相互配合，一个用于显示二维信息，一个用于显示三维信息；两者之间互为补充，可为用户提供更加丰富的信息展示手段。由于三维建模存在误差，通过二维影像显示模块可进行辅助修正，提高准确率。

其中，通过所述穿刺规划路径交互选择模块可在二维影像显示模块和/ 或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，并计算得出初始穿刺规划路径；同时通过所述穿刺规划路径交互选择模块还可在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中对所述初始穿刺规划路径进行调整，得到调整后的穿刺规划路径。

其中，所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述调整后的穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径。

在一种实施例中，该穿刺路径规划系统的工作步骤包括：

1)输入穿刺对象的原始三维图像，通过所述三维影像分割模块进行分割，得到分割后的三维图像模型。

2)所述三维影像配准模块对分割后的三维图像模型进行配准，得到的配准后的三维图像模型分别在所述二维影像显示模块和三维影像显示模块中显示；其中，所述三维影像显示模块参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型，所述二维影像显示模块显示参考三维图像模型以及配准后的三维图像模型分别在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；

其中，所述三维影像配准模块的配准方法具体为：

2-1)分别在分割后的三维图像模型和参考三维图像模型上选择具有一一对应关系的标记点；每一个图像模型上的标记点数量不少于3个；分割后的三维图像模型中的点集记作P

2-2)使用点集配准方法对标记点进行配准，得到点集P

2-3)使用空间变换矩阵T

在一种进一步优选的实施例中，所述三维影像配准模块的配准方法还包括：采用三维体素配准方法对三维图像模型I

3)通过所述穿刺路径交互选择模块在所述二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中选择穿刺起点和穿刺终点，所述穿刺路径交互选择模块计算得出初始穿刺规划路径；

步骤3)具体包括：

3-1)通过所述穿刺路径交互选择模块在二维影像显示模块和/或三维影像显示模块中依次选择穿刺起点和穿刺终点；

3-2)穿刺起点和穿刺终点在二维影像显示模块和三维影像显示模块进行同步更新显示；

3-3)所述穿刺路径交互选择模块计算初始穿刺规划路径，三维影像显示模块中显示三维初始穿刺规划路径、穿刺起点和穿刺终点；二维影像显示模块显示三维初始穿刺规划路径与本模块中当前显示的断层所在平面相交形成的圆或椭圆、穿刺起点/穿刺终点在本模块中当前显示的断层所在平面的投影点；

3-4)在所述三维影像显示模块中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的调节穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点与本模块中当前显示的断层所在平面的投影点，同时还在所述二维影像显示模块中更新显示新的穿刺规划路径在横断面、矢状面和冠状面上投影形成的二维图像；

或者，

3-5)在所述二维影像显示模块中的横断面、矢状面或冠状面中调节穿刺终点或穿刺起点，所述穿刺路径交互选择模块根据调节后的穿刺终点或穿刺起点重新计算穿刺路径得到新的穿刺规划路径，即调整后的穿刺规划路径，并在所述三维影像显示模块中显示新的穿刺规划路径和新的穿刺终点/穿刺起点。

4)通过所述穿刺自动规划和风险评估模块对所述初始穿刺规划路径进行风险评估以及路径优化，最终得到最优穿刺规划路径，包括：计算穿刺可行域、计算穿刺深度和组织路径长度、计算穿刺路径到需要避开脏器的距离、计算其他约束项，具体为：

4-1)计算穿刺可行域：

4-1-1)以调整后的穿刺规划路径为中心，以圆锥角θ为搜索范围，构建穿刺路径优化搜索的三维空间R；

4-1-2)将穿刺路径上需要避开的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作M

4-1-3)计算穿刺可行域R’，R’＝R-ΣS

4-2)计算穿刺深度和组织路径长度：

4-2-1)计算调整后的穿刺规划路径与穿刺对象的配准后的三维图像模型的交点p；

4-2-2)计算穿刺终点与p之间的欧几里得距离，即为穿刺物理深度，记作 l

4-2-3)将调整后的穿刺规划路径上需要经过的器官进行分割建模，得到的三维封闭模型记作m

4-2-4)计算调整后的穿刺规划路径穿越三维封闭模型m

4-2-5)计算调整后的穿刺规划路径经过人体组织的穿刺风险距离L

4-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的风险距离：

4-3-1)计算调整后的穿刺规划路径到M

4-3-2)按照组织的重要性为每一个三维封闭模型M

4-3-3)计算穿刺路径到需要避开脏器的等效风险距离L

4-4)计算其他风险约束项：

4-4-1)构建风险因素模型，其风险因素记作R

4-4-2)其等效风险因素记作L

4-5)计算穿刺路径综合风险F，F＝L

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。