基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法

專利名稱：基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法
技術領域：
本發明涉及一種醫學圖像的顯示處理方法，具體地說，是指一種服務于腦外科機器人手術系統中對手術進刀點路徑的確認的一種基于DOCOM醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法。
背景技術：
數字化體數據圖像技術的成熟，推動了計算機圖像導航技術的發展和成熟，經過長期經驗積累和實踐的工業機器人也得以進入醫療領域。自1985年機器人輔助外科第一次進入實踐以來，已經出現了很多實驗和商品化的機器人輔助手術系統。機器人輔助系統在腹腔外科、神經外科和創傷骨科等領域方面具有出色的定位精度、無顫抖不疲勞等特點，已廣泛被應用到臨床中。
當前在機器人輔助腦外科手術系統中，醫生依然是整個手術過程中的主體。因此，友好的人機交互系統是利用機器人輔助系統成功實現無框架腦外科手術的重要基礎。在手術路徑的規劃和調整過程中，手術路徑的確定至為關鍵，手術路徑的確定的精度直接影響手術的精度，同時路徑的操作的簡單化對醫生臨床帶來極大的便利。醫生通過在醫學圖像上對手術路徑的規劃和調整，有效地提高了手術質量，從而使醫生準確地、快速地定位病灶點和進刀點路徑，使手術更加安全，為醫生的手術提供了全面的、準確的信息，進一步提高臨床治療水平。

發明內容
本發明的目的是提出一種基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法，該方法是在基于DICOM格式的醫學圖像，并采用歐拉角變換完成手術路徑規劃的同時將穿刺手術中的進刀點的運行軌跡在計算機系統中預先顯示給醫生做好手術前的準備，從而有效地解決了在復雜腦部組織中選擇最佳手術規劃路徑的問題，進一步提高了臨床治療水平。
本發明是一種基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法，是由一個對穿刺軌跡手術進行三維規劃處理的穿刺軌跡顯示裝置來完成的，所述穿刺軌跡顯示裝置由顯示單元、手術規劃單元和三維圖像重構單元組成。
所述顯示單元接收由醫療設備采集的多幅DICOM格式的醫學圖像，并將DICOM格式的醫學圖像轉換為數據流信息傳輸給手術規劃單元和三維圖像重構單元；所述手術規劃單元對接收的所述數據流信息進行DICOM圖像數據處理和手術空間坐標數據處理，并將兩者處理后獲得的歐拉角模式參數信息進行進刀點P與病灶點T的最佳穿刺手術路徑調整，并將調整后的進刀點P初始位置的坐標輸出給三維圖像重構單元；其中，歐拉角模式參數信息從第m張斷層圖片中的點Pm到點Qm的規劃路徑變化滿足關系式100Tx010Ty001Tz0001×tanγtanγ00000tanγtanγ00000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>則構成一個圓錐結構模型的手術空間環境；所述三維圖像重構單元對接收的所述數據流信息與所述初始位置點的坐標進行參數組合后輸出控制信息給手術機器人設備進行穿刺手術。
所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其從點Pm到點Qm規劃運行形成的歐拉角γ為0°～90°。
所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其采集DICOM格式的醫學圖像的醫療設備是CT機或者MRI掃描機。
所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其顯示單元輸出的DICOM醫學圖像轉換的數據流信息格式為帶有DICOM斷層數據空間信息的位圖格式。
所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其圓錐結構模型的手術空間環境的坐標投影分量以圓心Om為手術規劃中心點調整點Pm到點Rm投影變化滿足關系式100Tx010Ty001Tz0001×cos(δ-δ0)-sin(δ-δ0)00sin(δ-δ0)cos(δ-δ0)0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001.]]>所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其三維圖像重構單元的對顯示單元輸入的DICOM體數據信息實現三維圖像顯示。
所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，是基于外科定向手術機器人系統中對手術刀進刀路徑的一個手術規化方法。
本發明的一種基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法的優點在于(1)讓醫生準確、快速地定位出病灶點及手術路徑；(2)幫助醫生建立局部的三維組織空間關系，重建醫生交互定義的冠狀和矢狀面，幫助確認和檢查規劃路徑；(3)提高了醫療機器人輔助手術的安全性。


圖1是本發明穿刺軌跡顯示裝置的結構框圖。
圖2A是DICOM圖像坐標系結構示意圖。
圖23是手術空間坐標系結構示意圖。
圖3是病灶點T、進刀點P在歐拉角模型中的規劃路徑調整結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
醫療機器人手術系統中所需的設備(硬件和軟件)至少有一臺計算機，用于將CT/MRI拍攝的圖像輸出給計算機的顯示屏進行直觀顯示；CT/MRI，用于拍攝病人的病灶點的圖像；機器人，是一個機械結構設備，在本發明中至少具備完成根據手術規劃路徑進行穿刺手術；存儲于計算機內的軟件控制系統，是用于將圖像信息進行完成手術路徑的規劃，以及機器人的控制的處理軟件平臺。
在腦外科定向手術機器人系統臨床應用中，手術進刀路徑的確定應該滿足1)避開重要組織；2)確定合理的手術位置，以方便手術；3)最短的進針路徑；4)進針方向盡量垂直于進針點處的顱骨切面等。
在確定手術進刀路徑條件的“圖像信息的完全顯示手段”中(顯示于計算機的顯示屏上的圖像)，進刀路徑穿過每個層面點的都可以在顯示屏看到，可以觀察到想要觀察到的生理組織，從而判斷該穿刺點是否可以避開重要組織。因此，在確定手術路徑初步確定后，最關鍵的就是借助圖像圖形處理技術，規劃最終的進刀路徑，使得進針點避開每層面上顯示的重要組織。
在本發明中，所基于的圖像是DICOM數據(Digital Imaging andCommunications in Medicine醫療數字影像和通訊協議)，DICOM就相當于一種公用語言，將不同格式的圖像轉化成一種統一的標準格式，內部包含很多圖像信息，包括在同一圖像上x方向和y方向上相鄰兩個像素(pixel)之間所代表的實際物理距離(Pixel Spacing)，以及z方向上相鄰兩個層之間的距離(Slice Thickness)。通過這些圖像信息，就可以獲得圖像數據和現實物理空間數據的聯系。當在某個圖片層面上選擇病灶點T(target)的中心，在另外一個圖片層面上確定進刀點P(piecing)的初步位置。這樣，在三維重建好的圖像上就能看見相應兩個點所確定的進刀路線及其進刀點(如圖2所示)。并且該進刀路線在所穿越的片子(指CT機或者MRI掃描機拍攝的圖像)中都會留下投影和穿刺點。
本發明是一種基于DICOM醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法，僅僅是一個基于外科定向手術機器人系統中對手術刀進刀路徑的一個手術規劃方法，是由一個對穿刺軌跡手術進行三維規化處理的穿刺軌跡顯示裝置來完成的，所述穿刺軌跡顯示裝置由顯示單元、手術規化單元和三維圖像重構單元組成。所述顯示單元接收由醫療設備采集的多幅DICOM格式的醫學圖像，并將DICOM格式的醫學圖像轉換為數據流信息傳輸給手術規劃單元和三維圖像重構單元；所述手術規劃單元對接收的所述數據流信息進行DICOM圖像數據處理和手術空間坐標數據處理，并將兩者處理后獲得的歐拉角模式參數信息進行進刀點P與病灶點T的最佳穿刺手術路徑調整，并將調整后的進刀點P初始位置的坐標輸出給三維圖像重構單元；所述三維圖像重構單元對接收的所述數據流信息與所述初始位置點的坐標進行參數組合后輸出控制信息給手術機器人設備進行穿刺手術。
在本發明中，采集DICOM格式的醫學圖像的醫療設備是CT機或者MRI掃描機。經CT機或者MRI掃描機采集的圖像信息包含有通用的DICOM格式的圖像數據，將該圖像輸入至本發明提出的規劃方法中便可實現歐拉角模型的相關數據調整，從而獲得最佳手術路徑的規劃。
在本發明中，歐拉角模式參數信息從第m張斷層圖片中的點Pm到點Qm的規劃路徑變化滿足關系式100Tx010Ty001Tz0001×tanγtanγ00000tanγtanγ00000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>則構成一個圓錐結構模型的手術空間環境，式中，1、O表示常數，Tx表示病灶點T在DICOM坐標系中的X坐標，Ty表示病灶點T在DICOM坐標系中的Y坐標，Tz表示病灶點T在DICOM坐標系中的Z坐標，tanγ表示調整后的圓錐角，tanγ0表示調整前的圓錐角，-Tx表示病灶點T在DICOM坐標系中X坐標的相反值，-Ty表示病灶點T在DICOM坐標系中Y坐標的相反值，-Tz表示病灶點T在DICOM坐標系中Z坐標的相反值。
歐拉角方式的手術路徑調整是通過調整以病灶點T(target)為中心、從病灶點T向進刀點P(piercing)方向的射線TP與三條坐標軸(三維坐標XYZ)所形成的歐拉角來調整進刀路徑(如圖2所示)。圖中病灶點T到進刀點P這條射線TP與手術空間坐標XYZ三條軸所形成的歐拉角分別是α、β、γ，則有如下關系cos2α+cos2β+cos2γ＝1(1)在未限定射線TP長度的條件下，任意確定兩個歐拉角(如β角和γ角)，由式(1)計算得到歐拉角α的角度數，這樣整體的角度空間位置就可以通過射線TP來確定。
在本發明中，為了選擇最佳進刀點P避開人體重要組織所選擇的最佳路徑，對所得到的歐拉角α、β、γ，針對圓錐形式的變化得到歐拉角γ角的變化來高速前后兩張圖像中的進刀點和病灶點的關系(參見圖3所示，前一張斷層圖片定義為第m張，后一張斷層圖片定義為第n張)。
(1)調整歐拉角γ角，確定圓錐形狀如果任意給定一個歐拉角γ的角度，即可確定一個由進刀路線圍繞著以病灶點T頂點，以z軸方向為法矢的一個空間圓錐曲面。該曲面即為機器人可能進刀路線掃過的范圍。并且該圓錐與中間穿過的每個層面相交出來一條圓錐曲線。調整以病灶點T為中心，從病灶點向進刀點P方向的射線OP與z軸所成歐拉角γ的大小，在本發明中，從點Pm到點Qm規劃運行形成的歐拉角γ為0°～90°，就可以實現對該圓錐形狀的調整，如圖3所示，在三維重建的圖像上就能看到該圓錐形狀。并且剛才由于歐拉角γ的調整，進刀點P也會在剛才選定的一張斷層圖片面上沿著直線QmPm移動，相應的該進刀路線在中間穿過層面的穿刺點也在不斷變化。隨著歐拉角γ的角度變化，圓錐形狀發生變化，進刀點P從點PM變化到點Qm，其坐標變換矩陣為100Tx010Ty001Tz0001×tanχ′tanχ0000tanχ′tanχ0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001---(2)]]>這個矩陣表示了從第m張斷層圖片中的點Pm到點Qm的一個規劃路徑從平移、旋轉、再平移的數學運算獲取構成一個圓錐結構模型的手術空間環境過程。
如圖3所示，當調整后的歐拉角γ角度確定后，圓錐結構模型也就確定了，進刀點P繞z軸形成一個圓弧，采取逆時針調整該圓弧上的進刀點P到z軸上的點Rm之間該圓弧半徑OmRm與Ym軸形成的角度大小即可構成三維空間狀態下整手術進刀路徑。
在本發明中，圓錐結構模型的手術空間環境的坐標投影分量以圓心Om為手術規劃中心點調整點Pm到點Rm投影變化滿足關系式100Tx010Ty001Tz0001×cos(δ-δ0)-sin(δ-δ0)00sin(δ-δ0)cos(δ-δ0)0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001---(3)]]>式中，cos(δ-δ0)表示在差值在X坐標的投影分量，sin(δ-δ0)表示在Y坐標的投影分量。由現有的進刀點P和病灶點T，可以由XmOmYm坐標系中的正弦和余弦值及其值的正負號來確定投影分量δ的初始值δ0。同時，根據多幅斷層圖片的疊加構成的三維圖像空間手術路徑是條空間直線，這條空間直線，必定穿過病灶點和進刀點之間的層面，并和這些層面有相應的交點，此時上面所介紹的圓錐則在某一層面的二維圖像切片上的投影、以及預想的進刀點穿過該層的點都在平面圖像上顯示出來。此時調整歐拉角γ即可調整投影圓環的大小，而調整進刀點P到z軸之間該圓弧半徑的角度即可讓穿刺點沿著投影圓環移動。
在本發明中，三維重構是將對顯示單元輸入的DICOM體數據信息進行三維顯示。是為了進一步的將圖像信息更好的顯示給醫生進行手術路徑規劃。
在本發明中，一張DICOM斷層圖片稱為一個二維圖像空間，兩張以上的DICOM斷層圖片疊加后稱為一個三維圖像空間，在三維圖像空間中每一張斷層圖片之間的距離便代表了一個Z軸上的坐標。
本發明分析腦外科定向手術機器人系統對手術刀進刀路徑要求的基礎上，研究了二維和三維手術規劃，提出了基于歐拉角變換的腦外科機器人定向手術的規劃辦法。在詳細分析手術進刀路徑的基礎上，給出了基于DICOM醫療圖像的腦外科機器人系統手術規劃的具體實現過程。
權利要求
1.一種基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法，其特征在于是由一個對穿刺軌跡手術進行三維規劃處理的穿刺軌跡顯示裝置來完成的，所述穿刺軌跡顯示裝置由顯示單元、手術規劃單元和三維圖像重構單元組成；所述顯示單元接收由醫療設備采集的多幅DICOM格式的醫學圖像，并將DICOM格式的醫學圖像轉換為數據流信息傳輸給手術規劃單元和三維圖像重構單元；所述手術規劃單元對接收的所述數據流信息進行DICOM圖像數據處理和手術空間坐標數據處理，并將兩者處理后獲得的歐拉角模式參數信息進行進刀點P與病灶點T的最佳穿刺手術路徑調整，并將調整后的進刀點P初始位置的坐標輸出給三維圖像重構單元；其中，歐拉角模式參數信息從第m張斷層圖片中的點Pm到點Qm的規劃路徑變化滿足關系式100Tx010Ty001Tz0001×tanγtanγ00000tanγtanγ00000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>則構成一個圓錐結構模型的手術空間環境，式中，1、O表示常數，Tx表示病灶點T在DICOM坐標系中的X坐標，Ty表示病灶點T在DICOM坐標系中的Y坐標，Tz表示病灶點T在DICOM坐標系中的Z坐標，tanγ表示調整后的圓錐角，tanγ0表示調整前的圓錐角，-Tx表示病灶點T在DICOM坐標系中X坐標的相反值，-Ty表示病灶點T在DICOM坐標系中Y坐標的相反值，-Tz表示病灶點T在DICOM坐標系中Z坐標的相反值；所述三維圖像重構單元對接收的所述數據流信息與所述初始位置點的坐標進行參數組合后輸出控制信息給手術機器人設備進行穿刺手術。
2.如權利要求1所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其特征在于從點Pm到點Qm規劃運行形成的歐拉角γ為0°～90°。
3.如權利要求1所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其特征在于采集DICOM格式的醫學圖像的醫療設備是CT機或者MRI掃描機。
4.如權利要求1所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其特征在于所述顯示單元輸出的DICOM醫學圖像轉換的數據流信息格式為帶有DICOM斷層數據空間信息的位圖格式。
5.如權利要求1所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其特征在于圓錐結構模型的手術空間環境的坐標投影分量以圓心Om為手術規劃中心點調整點Pm到點Rm投影變化滿足關系式100Tx010Ty001Tz0001×cos(δ-δ0)-sin(δ-δ0)00sin(δ-δ0)cos(δ-δ0)0000100001×100-Tx010-Ty001-Tz0001,]]>式中，cos(δ-δ0)表示在差值在X坐標的投影分量，sin(δ-δ0)表示在Y坐標的投影分量。
6.如權利要求1所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其特征在于所述三維圖像重構單元的對顯示單元輸入的DICOM體數據信息實現三維圖像顯示。
7.如權利要求1所述的基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規化方法，其特征在于是基于外科定向手術機器人系統中對手術刀進刀路徑的一個手術規化方法。
全文摘要
本發明公開了一種基于醫學圖像的預顯示穿刺軌跡的受限手術規劃方法，該手術規劃是基于腦外科手術機器人系統中對手術刀進刀路徑的一個手術規劃方法，是由一個對穿刺軌跡手術進行三維規化處理的穿刺軌跡顯示裝置來完成的。穿刺軌跡顯示裝置由顯示單元、手術規劃單元和三維圖像重構單元組成，顯示單元用于接收醫療設備采集的多幅DICOM格式的醫學圖像，手術規劃單元用于接收上述數據流信息進行DICOM圖像數據和手術空間數據的聯立獲取進刀點P的初始位置點，三維圖像重構單元用于對上述數據流信息與上述初始位置點的坐標進行歐拉角方式調整獲得進刀點P與病灶點T的三維圖像穿刺手術路徑，從而輔助腦外科手術機器人完成穿刺工作。
文檔編號G06T1/00GK1803102SQ20051012587
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月2日 優先權日2005年12月2日
發明者王田苗, 田增民, 魏軍, 劉達, 胡磊, 王利峰 申請人:北京航空航天大學