一種面向微創(chuàng)心血管介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括：醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其用于存儲(chǔ)人體原始醫(yī)學(xué)影像信息和操作記錄信息；醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)，其用于讀取某個(gè)選定病例的影像序列，對(duì)讀入影像序列進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割和特征提取，將處理后的影像序列輸出給醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)；醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)，其用于在醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)所處理的影像信息的基礎(chǔ)上，利用體繪制算法，對(duì)這些信息進(jìn)行三維重建，從而得到病例術(shù)區(qū)的血管立體模型，為模擬手術(shù)訓(xùn)練提供操作對(duì)象，使操作者能夠獲得手術(shù)器械的實(shí)時(shí)位置信息以及手術(shù)器械與血管之間的相對(duì)位置。
【專利說(shuō)明】一種面向微創(chuàng)心血管介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于微創(chuàng)心血管介入手 術(shù)的模擬訓(xùn)練場(chǎng)景的構(gòu)建方法及系統(tǒng)，為微創(chuàng)心血管介入手術(shù)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供其中的 可視化部分。訓(xùn)練對(duì)象是將要使用機(jī)器人或者按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行微創(chuàng)心血管介入手術(shù)的醫(yī) 師。本發(fā)明屬醫(yī)療設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)【技術(shù)領(lǐng)域】、醫(yī)學(xué)影像處理、介 入放射學(xué)和外科學(xué)等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 微創(chuàng)介入手術(shù)（Minimally Invasive Surgery, MIS)是當(dāng)代醫(yī)學(xué)的重要領(lǐng)域。它 以其切口小、創(chuàng)傷輕、痛苦少和恢復(fù)快的特點(diǎn)，為患者提供了一種安全、可靠、有效的醫(yī)療解 決方案。微創(chuàng)介入手術(shù)除了以醫(yī)學(xué)和人體解剖學(xué)為理論和方法學(xué)基礎(chǔ)外，還需要現(xiàn)代科學(xué) 技術(shù)和工程學(xué)的支持，后者是微創(chuàng)介入手術(shù)安全性和可靠性的保障。隨著微創(chuàng)外科手術(shù)的 普遍被接受，希望通過(guò)這種手術(shù)治療疾病的病患的數(shù)量正在不斷增長(zhǎng)，面對(duì)這個(gè)日益龐大 的醫(yī)療服務(wù)需求，外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在醫(yī)學(xué)界和工程界的長(zhǎng)期通力合作下 取得不斷的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。將特殊設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)用于傳統(tǒng)外科領(lǐng)域，不僅可以顯著 提高手術(shù)的效率和安全性，而且可以最大限度地降低醫(yī)師個(gè)人技能對(duì)手術(shù)效果的影響[1]， 從而提高手術(shù)成功率。目前我國(guó)在醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人，尤其是微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人方面的研 究和開發(fā)還比較落后，而美國(guó)、日本、意大利等國(guó)家，由于其起步早、投入大，研究與應(yīng)用水 平處于國(guó)際前列。
[0003] 血管介入治療手術(shù)是當(dāng)前治療血管疾病的重要手段。衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[2]，2008 年，我國(guó)城市人口的心血管疾病死亡率高居我國(guó)城鎮(zhèn)人口主要疾病死亡率第二位，農(nóng)村人 口的心血管疾病死亡率居我國(guó)農(nóng)村人口主要疾病死亡率第四位。在社會(huì)生活的巨大壓力的 影響下，罹患心血管疾病的人口數(shù)量不斷增多，患者通過(guò)類似手術(shù)治療的需求隨之上升。設(shè) 計(jì)精良的微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用不僅能降低進(jìn)行此類手術(shù)對(duì)醫(yī)生的傳統(tǒng)手 工手術(shù)技能和個(gè)人手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的依賴，并提1?手術(shù)的效率和治愈率。
[0004] 微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人的一般手術(shù)過(guò)程是：術(shù)前，醫(yī)生通過(guò)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備記錄 患者的手術(shù)區(qū)域的生理情況，并與正常的人體生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)照，同時(shí)對(duì)影像進(jìn)行三維重 建以獲得具有仿真物理特性病區(qū)血管的可視化模型，醫(yī)生以此為基礎(chǔ)確定病理和手術(shù)方 案；術(shù)中，醫(yī)生對(duì)病區(qū)血管施用顯影劑后，進(jìn)行數(shù)字減影血管造影（Digital Subtraction Angiography, DSA)，造影結(jié)果用于引導(dǎo)醫(yī)生通過(guò)機(jī)器人控制導(dǎo)管的進(jìn)給；術(shù)后，醫(yī)生對(duì)患者 病區(qū)進(jìn)行復(fù)查，評(píng)估手術(shù)效果和患者恢復(fù)情況。
[0005] 然而，手術(shù)機(jī)器人的順利工作需要受過(guò)良好訓(xùn)練的醫(yī)生來(lái)操作，以確保手術(shù)的安 全性和可靠性。對(duì)利用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行微創(chuàng)介入手術(shù)的醫(yī)生進(jìn)行全面的培訓(xùn)，僅依靠傳統(tǒng) 的講座和資料學(xué)習(xí)是不能滿足需要的，而傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法是在活體動(dòng)物或者人類尸體上進(jìn) 行：活體動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)與人類的生理結(jié)構(gòu)存在較大差異，且因其價(jià)格和動(dòng)物的死亡率而 受到限制，再者，一只活體動(dòng)物通常僅能供一名受訓(xùn)者練習(xí)一次；人類尸體不僅成本高而且 其生理結(jié)構(gòu)仍與活體存在一定差別。因此，進(jìn)行機(jī)器人手術(shù)技術(shù)培訓(xùn)需要給受訓(xùn)者提供一 種"浸入的（I_ersive)"、"可發(fā)揮想象的（Imaginative) "、"可交互的（Interactive)"感 官環(huán)境，讓受訓(xùn)者在培訓(xùn)室就能獲得與在真實(shí)手術(shù)場(chǎng)景中進(jìn)行手術(shù)相似的感受。這樣可以 使受訓(xùn)者更好地掌握相關(guān)的操作技能、適應(yīng)手術(shù)過(guò)程中的各種條件。借助現(xiàn)代傳感器技術(shù)、 控制理論、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以對(duì)醫(yī)學(xué)院學(xué)員和初級(jí)外 科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作技能培訓(xùn)，它可以降低活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人類遺體實(shí)驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)； 再者，能更容易地把技能嫻熟的醫(yī)師的操作經(jīng)驗(yàn)傳授給新學(xué)員；另外，還可用于臨床手術(shù)的 術(shù)前規(guī)劃和一些高難度手術(shù)的術(shù)前方案演練，從而提高機(jī)器人微創(chuàng)介入手術(shù)的成功率。
[0006] 在目前的已有技術(shù)中，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系與北京航空航天大學(xué)機(jī)器人 研究所聯(lián)合開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)輔助立體定向神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)[3]針對(duì)的是 神經(jīng)外科手術(shù)，尤其是對(duì)人腦的組織結(jié)構(gòu)的三維重建以及在此基礎(chǔ)上的腦部虛擬手術(shù)。華 南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院和南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)了用于腹腔外科手術(shù)的仿真系 統(tǒng)[4] [5]針對(duì)的則是腹腔外科手術(shù)，它是一種針對(duì)腹腔手術(shù)醫(yī)學(xué)影像的特殊性而建立的 手術(shù)仿真系統(tǒng)。
[0007] 但是，上述系統(tǒng)只能應(yīng)用在其相應(yīng)的領(lǐng)域，而不能簡(jiǎn)單地移植到心血管系統(tǒng)的手 術(shù)仿真領(lǐng)域。由于人血管系統(tǒng)的高度復(fù)雜性和血管本身復(fù)雜的物理特性和動(dòng)力學(xué)，針對(duì) 心血管系統(tǒng)的手術(shù)仿真系統(tǒng)就必須要考慮到這些高復(fù)雜性的問(wèn)題，并在虛擬模型中得到具 體、仿真、實(shí)時(shí)的體現(xiàn)。
[0008] 與本發(fā)明專利有關(guān)的已有技術(shù)或參考文獻(xiàn)主要有：
[0009] [l]ff. A. See, Cooper, C. S. Fischer, R. J. , ^Predictors of Laparoscopic Complications After Formal Training in Laparoscopic Surgery"，JAMA,270 (22)： 2689-2692,1993
[0010] [2] 2009 年中國(guó)衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)年鑒：http ://www. moh. gov. cn/publicfiles/business/ htmlfiles/zwgkzt/pt jnj/200908/42635. htm.
[0011] [3]王子罡，唐澤圣，王田苗，劉達(dá)，呂洪波，申皓.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)輔助立 體定向神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng).計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2000, 23 (9) :931-937.
[0012] [4]陳潔敏，鮑蘇蘇.基于VTK的腹部醫(yī)學(xué)圖像體繪制應(yīng)用研究.計(jì)算機(jī)工程與科 學(xué)，2010, 32 (2) :82-84.
[0013] [5]鮑蘇蘇，方馳華，彭豐平，魯朝敏，潘家輝.一種計(jì)算機(jī)輔助臟器手術(shù)仿真系 統(tǒng)·中國(guó)專利 CN 101393654A，3 月 25 日，2009.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)目前已有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種專門面向心血管微創(chuàng)介入 手術(shù)的模擬訓(xùn)練場(chǎng)景的構(gòu)建方法，它能夠依據(jù)真實(shí)的心血管病患者的手術(shù)區(qū)域的醫(yī)學(xué)影像 資料構(gòu)建出該區(qū)域的主干血管系統(tǒng)的三維模型，為一系列心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的高仿真、 可重復(fù)性操作提供環(huán)境。
[0015] 為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本發(fā)明提供了一種面向心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬 系統(tǒng)，其包括：
[0016] 醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其用于存儲(chǔ)人體原始醫(yī)學(xué)影像信息和操作記錄信息；
[0017] 醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)，其用于讀取某個(gè)選定病例的影像序列，對(duì)讀入影 像序列進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割和特征提取，將處理后的影像序列輸出給醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系 統(tǒng)；
[0018] 醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)，其用于在醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)所處理的影像信息 的基礎(chǔ)上，利用體繪制算法，對(duì)這些信息進(jìn)行三維重建，從而得到病例術(shù)區(qū)的血管立體模 型，為模擬手術(shù)訓(xùn)練提供操作對(duì)象，使操作者能夠獲得手術(shù)器械的實(shí)時(shí)位置信息以及手術(shù) 器械與血管之間的相對(duì)位置。
[0019] 本發(fā)明還提供了一種面向心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬方法，其包括：
[0020] 步驟1、存儲(chǔ)人體原始醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)和操作記錄信息；
[0021] 步驟2、讀取某個(gè)選定病例的影像序列，對(duì)讀入影像序列進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割和 特征提取，并將處理后的影像序列輸出；
[0022] 步驟3、利用體繪制算法，對(duì)所述處理后的影像序列進(jìn)行三維重建，從而得到病例 術(shù)區(qū)的血管立體模型，為模擬手術(shù)訓(xùn)練提供操作對(duì)象。使操作者能夠獲得手術(shù)器械的實(shí)時(shí) 位置信息以及手術(shù)器械與血管之間的相對(duì)位置。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：
[0024] 實(shí)現(xiàn)一種面向心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的模擬訓(xùn)練場(chǎng)景系統(tǒng)，為這種高難度手術(shù)提供 專業(yè)的模擬訓(xùn)練平臺(tái)，有助于實(shí)現(xiàn)心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的模擬訓(xùn)練的專業(yè)化和專用化；
[0025] 本模擬訓(xùn)練場(chǎng)景系統(tǒng)的所有醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)均來(lái)源于臨床實(shí)踐中的真實(shí)病例，保證 模擬手術(shù)訓(xùn)練場(chǎng)景的真實(shí)性；術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像的三維重建，實(shí)現(xiàn)心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的醫(yī)學(xué) 可視化，便于醫(yī)生從多角度、多層次對(duì)病變血管進(jìn)行觀察和分析；
[0026] 本模擬訓(xùn)練場(chǎng)景系統(tǒng)的應(yīng)用，有助于改善手術(shù)培訓(xùn)的操作模式，不需要活體動(dòng)物 或是人類遺體作為操作對(duì)象，這樣可降低與此相關(guān)的成本和風(fēng)險(xiǎn)；
[0027] 由于不需要活體動(dòng)物和人類遺體，所以手術(shù)訓(xùn)練可在模擬訓(xùn)練場(chǎng)景平臺(tái)上，在無(wú) 需特別消毒的環(huán)境下、在任何時(shí)間、由任何級(jí)別的醫(yī)師或者學(xué)員反復(fù)進(jìn)行，這樣可以方便相 關(guān)人員進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)、提高訓(xùn)練設(shè)施的利用率；
[0028] 本模擬訓(xùn)練場(chǎng)景系統(tǒng)還可以用于醫(yī)師術(shù)前規(guī)劃，對(duì)于一些高難度的心血管微創(chuàng)手 術(shù)，醫(yī)師們通過(guò)反復(fù)的術(shù)前推演和論證，可以使手術(shù)方案更加穩(wěn)妥、手術(shù)的成功率更高；
[0029] 本模擬訓(xùn)練場(chǎng)景系統(tǒng)可為受訓(xùn)者提供標(biāo)準(zhǔn)化的手術(shù)訓(xùn)練方案，從而最大限度地降 低從事微創(chuàng)介入手術(shù)對(duì)傳統(tǒng)手術(shù)技能的依賴，這樣有利于微創(chuàng)介入手術(shù)的推廣、以惠及更 多的心血管疾病患者，對(duì)提高我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的水平和質(zhì)量都具有積極作用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明提供的面向心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu) 示意圖。
[0031] 附圖各標(biāo)號(hào)示意如下：
[0032] 1醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)
[0033] 2術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息數(shù)據(jù)庫(kù)
[0034] 3操作記錄信息數(shù)據(jù)庫(kù)
[0035] 4基于ITK的醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用程序
[0036] 5 DICOM格式影像序列讀取模塊
[0037] 6圖像處理模塊
[0038] 7圖像傳輸模塊
[0039] 8基于VTK的醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用程序
[0040] 9圖像接收與場(chǎng)景布置模塊
[0041] 10體繪制處理模塊
[0042] 11前端顯示與對(duì)象刪除模塊

【具體實(shí)施方式】
[0043] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0044] 本發(fā)明提出了一種面向心血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其包括：
[0045] 醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)1，其用于存儲(chǔ)人體原始醫(yī)學(xué)影像信息和操作記錄信息；
[0046] 醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)4,其用于讀取某個(gè)選定病例的影像序列，對(duì)讀入影 像序列進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割和特征提取，將處理后的影像序列輸出給醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系 統(tǒng)8 ;
[0047] 醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)8,其用于在醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)4所處理的影像 信息的基礎(chǔ)上，利用體繪制算法，對(duì)這些信息進(jìn)行三維重建，從而得到病例術(shù)區(qū)的血管立體 模型，為模擬手術(shù)訓(xùn)練提供操作對(duì)象。使操作者能夠獲得"手術(shù)器械"的實(shí)時(shí)位置信息以及 "器械"與"血管"之間的相對(duì)位置。
[0048] 進(jìn)一步地，所述醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)1包括：術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊2 和操作記錄信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3。術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊2和操作記錄信息數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)模塊3可采用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0049] 所述術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊2中存有取自臨床病例的術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信 息（DIC0M格式），包括患者的代號(hào)（為保護(hù)患者隱私，不提供其真實(shí)姓名）、性別、年齡和病 理特征的簡(jiǎn)要描述，所有影像信息可以依據(jù)患者的上述特征，即：代號(hào)、性別或病理特征分 類，方便使用人員的選擇。操作記錄信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3存儲(chǔ)使用人員在整個(gè)操作過(guò)程中 的記錄，包括：使用人員的個(gè)人信息；操作步驟的順序、執(zhí)行時(shí)間；整個(gè)操作過(guò)程的術(shù)野錄 像，這種功能方便使用人員對(duì)自己的操作過(guò)程回顧和溫習(xí)，而且方便培訓(xùn)導(dǎo)師對(duì)使用人員 的操作進(jìn)行評(píng)估和指導(dǎo)。
[0050] 所述醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)4包括：影像序列讀取模塊5、圖像處理模塊6 和圖像傳輸模塊7。
[0051] 所述影像序列讀取模塊5用于從醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)1讀取某一選定病例的CT 或MRI影像序列，文件格式可以為DICOM格式。
[0052] 可選地，所述影像序列讀取模塊5通過(guò)調(diào)用ITK中的⑶CM庫(kù)，將醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)系統(tǒng)1中的DICOM影像序列導(dǎo)入，此時(shí)，系統(tǒng)即獲得了關(guān)于此病例術(shù)區(qū)的體數(shù)據(jù)。
[0053] 以ITK為例，說(shuō)明所述影像序列讀取模塊5的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：
[0054] 通過(guò)調(diào)用函數(shù) SetUseSeriesDetails ()來(lái)告知 GDCM類中的 GDCMSeriesFileNames 對(duì)象DICOM影像序列的細(xì)部信息，并利用這些DICOM文件中的附加信息來(lái)區(qū)分該路徑下的 體數(shù)據(jù)。
[0055] 調(diào)用函數(shù)SetDirectoryO來(lái)設(shè)置目標(biāo)DICOM影像序列的文件路徑，然后，對(duì)象 ⑶CMSeriesFiIeNames會(huì)為該路徑下的DICOM文件進(jìn)行序列式命名。
[0056] 利用函數(shù)Update ()觸發(fā)讀取過(guò)程，此時(shí)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中已經(jīng)形成了這組DICOM 信息的體數(shù)據(jù)。這種形式的數(shù)據(jù)即可被圖像處理模塊6進(jìn)行相關(guān)信息處理。
[0057] 所述圖像處理模塊6用于在三維重建前對(duì)所述影像序列讀取模塊5讀取并組織后 的影像信息進(jìn)行預(yù)處理和圖像分割。主要過(guò)程是：對(duì)影像信息的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用分 水嶺算法（Watershed Algorithm)進(jìn)行圖像分割，以此對(duì)術(shù)區(qū)中的關(guān)鍵信息（如：心血管微 創(chuàng)介入手術(shù)需要經(jīng)過(guò)的血管系統(tǒng)的輪廓及其中心線）進(jìn)行提取。
[0058] 分水嶺分割方法是一種基于拓?fù)淅碚摰臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分割方法，其基本思想是把 圖像看作是測(cè)地學(xué)上的拓?fù)涞孛玻瑘D像中每一點(diǎn)像素的灰度值表示該點(diǎn)的海拔高度，每一 個(gè)局部極小值及其影響區(qū)域稱為"集水盆"（Catchment Basin)，而集水盆的邊界則形成分 水嶺。分水嶺的概念和形成可以通過(guò)模擬浸入過(guò)程來(lái)說(shuō)明：在每一個(gè)局部極小值表面，刺穿 一個(gè)小孔，然后把整個(gè)模型慢慢浸入水中，隨著浸入的加深，每一個(gè)局部極小值的影響域慢 慢向外擴(kuò)展，在兩個(gè)集水盆匯合處構(gòu)筑大壩，即形成分水嶺。
[0059] 分水嶺的計(jì)算過(guò)程是一個(gè)迭代標(biāo)注過(guò)程。分水嶺比較經(jīng)典的計(jì)算方法是由法國(guó)學(xué) 者L Vincent與1991年提出的。在該算法中，分水嶺計(jì)算分兩個(gè)步驟：一個(gè)是排序過(guò)程，一 個(gè)是淹沒(méi)過(guò)程。首先對(duì)每個(gè)像素的灰度級(jí)進(jìn)行從低到高排序，然后在從低到高實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)過(guò) 程中，對(duì)每一個(gè)局部極小值在h階高度的影響域采用先進(jìn)先出（First In First Out，F(xiàn)IFO) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷及標(biāo)注。
[0060] 分水嶺變換得到的是輸入圖像的集水盆圖像，集水盆之間的邊界點(diǎn)，即為分水嶺。 顯然，分水嶺表示的是輸入圖像的局部極大值點(diǎn)。因此，為得到圖像的邊緣信息，通常把梯 度圖像作為輸入圖像，即
[0061] 5(.?;，2；) = ▽(./.(：).，")）= {[/(，."）-- /(.r i.//)]2[/(.A ?/) - f{-v, V - I)]2 }0·5
[0062] 其中，f (X，y)表示原始圖像，▽{·}表示梯度運(yùn)算，g(x，y)表示原始圖線的梯度圖 像，X，y分別表示圖像內(nèi)像素的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。
[0063] 分水嶺算法對(duì)微弱邊緣具有良好的響應(yīng)，圖像中的噪聲、物體表面細(xì)微的灰度變 化，都會(huì)產(chǎn)生過(guò)度分割的現(xiàn)象。但同時(shí)應(yīng)當(dāng)看出，分水嶺算法對(duì)微弱邊緣具有良好的響應(yīng)， 是得到封閉連續(xù)邊緣的保證的。另外，分水嶺算法所得到的封閉的集水盆，為分析圖像的區(qū) 域特征提供了可能。
[0064] 通過(guò)上述算法對(duì)影像信息進(jìn)行分割，可以得到術(shù)區(qū)主要血管系統(tǒng)的輪廓，為術(shù)區(qū) 血管系統(tǒng)的三維重建提供了充足的信息。
[0065] 所述圖像傳輸模塊7用于將圖像處理模塊6處理后的影像信息進(jìn)行處理，并將這 些信息傳輸至醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)8。所述處理主要包括數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，并將模塊6處理后 的信息更新、傳輸至醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)8。
[0066] 所述醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)8,該系統(tǒng)可利用VTK來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括：圖像接收與場(chǎng)景 布置模塊9、體繪制處理模塊10和前端顯示與對(duì)象刪除模塊11。
[0067] 所述圖像接收與場(chǎng)景布置模塊9,其用于接收來(lái)自醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng) 4傳來(lái)的處理后信息，為圖形學(xué)對(duì)象布置"場(chǎng)景"。以VTK實(shí)現(xiàn)為例說(shuō)明，所述圖像接收與場(chǎng) 景布置模塊首先通過(guò)調(diào)用GetOutput O獲得來(lái)自圖像傳輸模塊7中的處理后的影像數(shù)據(jù)， 然后創(chuàng)建圖形學(xué)對(duì)象，最后設(shè)置場(chǎng)景的各種屬性，如：環(huán)境光照、擴(kuò)散效果、視角、背景色彩、 線條寬度以及透明度。接著，對(duì)圖像信息進(jìn)行重采樣（Image Resample),從而使圖像放大或 者縮小至與所創(chuàng)建的"場(chǎng)景"相協(xié)調(diào)的尺度。
[0068] 所述體繪制處理模塊10,其用于處理圖像接收與場(chǎng)景布置模塊9接收并處理后 的數(shù)據(jù)，進(jìn)行體繪制，為血管三維模型的前端顯示提供數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可采用傳統(tǒng)的Ray Casting體繪制算法來(lái)進(jìn)行血管立體模型的重建。體繪制算法不僅可以顯示體數(shù)據(jù)的 表面信息，還可以顯示其內(nèi)部信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)三維醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的真實(shí)感顯示。Ray Casting算法的基本原理是：從投影平面的每一個(gè)像素點(diǎn)s發(fā)射出一條光線，穿過(guò)三維體 數(shù)據(jù)場(chǎng)，并按照Front-to-Back的順序進(jìn)行采樣點(diǎn)光屬性的混合，最終得到二維投影圖像。 Front-to-Back順序的近似遞歸公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種面向也血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其包括： 醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其用于存儲(chǔ)人體原始醫(yī)學(xué)影像信息和操作記錄信息； 醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)，其用于讀取某個(gè)選定病例的影像序列，對(duì)讀入影像序 列進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割和特征提取，將處理后的影像序列輸出給醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)； 醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)，其用于在醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)所處理的影像信息的基 礎(chǔ)上，利用體繪制算法，對(duì)該些信息進(jìn)行H維重建，從而得到病例術(shù)區(qū)的血管立體模型，為 模擬手術(shù)訓(xùn)練提供操作對(duì)象，使操作者能夠獲得手術(shù)器械的實(shí)時(shí)位置信息W及手術(shù)器械與 血管之間的相對(duì)位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng) 為基于ITK的系統(tǒng)，其中影像信息采用DICOM格式。
3. 如權(quán)利要求1所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)為基于VTK 的系統(tǒng)。
4. 如權(quán)利要求1所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)包括：術(shù) 區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和操作記錄信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；所述術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)模塊中存有取自臨床病例的術(shù)區(qū)醫(yī)學(xué)影像信息，包括患者的代號(hào)、性別、年齡和病理特 征的簡(jiǎn)要描述；所述操作記錄信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)使用人員在整個(gè)操作過(guò)程中的記錄， 包括：使用人員的個(gè)人信息；操作步驟的順序、執(zhí)行時(shí)間；整個(gè)操作過(guò)程的術(shù)野錄像。
5. 如權(quán)利要求1所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng) 包括：影像序列讀取模塊、圖像處理模塊和圖像傳輸模塊；所述影像序列讀取模塊用于從 醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)讀取選定病例的CT或MRI影像序列；所述圖像處理模塊用于在H 維重建前對(duì)所述影像序列讀取模塊讀取并組織后的影像信息進(jìn)行預(yù)處理和圖像分割；所述 圖像傳輸模塊用于將圖像處理模塊處理后的影像信息進(jìn)行包括數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、信息更新處 理，并將該些信息傳輸至醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)。
6. 如權(quán)利要求5所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述圖像處理模塊對(duì)所述影像信息 進(jìn)行的預(yù)處理包括數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，并采用分水嶺分割方法對(duì)圖像進(jìn)行分割。
7. 如權(quán)利要求1所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)學(xué)可視化應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像 接收與場(chǎng)景布置模塊、體繪制處理模塊和前端顯示與對(duì)象刪除模塊；所述圖像接收與場(chǎng)景 布置模塊用于接收來(lái)自醫(yī)學(xué)影像處理與分析應(yīng)用系統(tǒng)傳來(lái)的處理后圖像信息，創(chuàng)建圖形學(xué) 對(duì)象，最后設(shè)置場(chǎng)景的各種屬性，對(duì)圖像信息進(jìn)行重采樣，從而使圖像放大或者縮小至與所 創(chuàng)建的場(chǎng)景相協(xié)調(diào)的尺度；所述體繪制處理模塊用于處理圖像接收與場(chǎng)景布置模塊接收并 處理后的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行體繪制；所述前端顯示與對(duì)象刪除模塊用于將體繪制處理模塊 的體繪制處理結(jié)果進(jìn)行前端顯示，并在顯示結(jié)束時(shí)清空內(nèi)存。
8. 如權(quán)利要求7所述的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬系統(tǒng)，其中，所述前端顯示與對(duì)象刪除模塊首先 設(shè)置顯示窗口的尺寸，檢查顯卡是否支持GPU運(yùn)算，在支持的情況下顯示所述顯示窗口；然 后將體繪制處理模塊中配置好的幾何體放入所述顯示窗口中，并設(shè)置攝像機(jī)的屬性，之后 開始撞染顯示窗口，顯示整個(gè)重建后的血管H維模型；當(dāng)關(guān)閉所述顯示窗口時(shí)，將內(nèi)存清 空。
9. 一種面向也血管微創(chuàng)介入手術(shù)的訓(xùn)練場(chǎng)景模擬方法，其包括： 步驟1、存儲(chǔ)人體原始醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)和操作記錄信息； 步驟2、讀取某個(gè)選定病例的影像序列，對(duì)讀入影像序列進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割和特征 提取，并將處理后的影像序列輸出； 步驟3、利用體繪制算法，對(duì)所述處理后的影像序列進(jìn)行H維重建，從而得到病例術(shù)區(qū) 的血管立體模型，為模擬手術(shù)訓(xùn)練提供操作對(duì)象。使操作者能夠獲得手術(shù)器械的實(shí)時(shí)位置 信息W及手術(shù)器械與血管之間的相對(duì)位置。
【文檔編號(hào)】G06T15/08GK104463965SQ201410785434
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】侯增廣, 楊帆, 程龍, 邊桂彬, 謝曉亮, 王衛(wèi)群, 譚民, 米韶華, 奉振球 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所