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1、(10)授权公告号 CN 102949240 B (45)授权公告日 2014.11.26 CN 102949240 B (21)申请号 201110246692.4 (22)申请日 2011.08.26 A61B 19/00(2006.01) (73)专利权人 高欣 地址 215000 江苏省苏州市高新区科技城青 山绿庭 16-101 专利权人 刘海红 (72)发明人 高欣 刘海红 CN 101474075 A,2009.07.08,参见说明书第 3 页倒数第 1 段至第 6 页第 2 段以及附图 1. CN 101862205 A,2010.10.20, CN 101799935 A,20。
2、10.08.11, 全文 . CN 1907233 A,2007.02.07, 全文 . EP 2346398 A1,2011.07.27, 全文 . US 2010210938 A1,2010.08.19, 全文 . 周付根等 .Demons 算法在四维 CT 图像配准 中的应用 .CT 理论与应用研究 .2009, 第 18 卷 ( 第 1 期 ), 第 69-75 页 . (54) 发明名称 一种影像导航肺部介入手术系统 (57) 摘要 本发明公开了一种影像导航肺部介入手术系 统， 包括 ： 第一影像获取模块、 肺区域重建模块和 肺呼吸运动模型构建模块、 手术器械和手术区域 影像空间映射。
3、模块、 动态病灶空间定位导航模块 和第二影像获取模块 ； 第一影像获取模块连接肺 区域重建模块， 肺区域重建模块连接肺呼吸运动 模型构建模块， 肺呼吸运动模型构建模块连接动 态病灶空间定位导航模块， 第二影像获取模块连 接手术器械和手术区域影像空间映射模块， 手术 器械和手术区域影像空间映射模块连接动态病灶 空间定位导航模块。本发明实现对动态病灶进行 实时空间定位的目标， 并可以对肺部小结节的癌 变进行早期诊断， 空间定位精度误差在 2mm 以内。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 吴培 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (。
4、12)发明专利 权利要求书2页 说明书8页 附图1页 (10)授权公告号 CN 102949240 B CN 102949240 B 1/2 页 2 1. 一种影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于， 包括 ： 术前准备模块 (1) 和术中实施 模块(2)， 所述术前准备模块(1)包括 ： 第一影像获取模块(101)、 肺区域重建模块(102)和 肺呼吸运动模型构建模块 (103)， 所述术中实施模块 (2) 包括 ： 手术器械和手术区域影像空 间映射模块 (201)、 动态病灶空间定位导航模块 (202) 和第二影像获取模块 (205) ； 所述第 一影像获取模块 (101) 连接所述肺区域。
5、重建模块 (102)， 输出获取的 4D 序列影像信息 ； 所 述肺区域重建模块 (102) 连接所述肺呼吸运动模型构建模块 (103)， 输出肺表、 气管和肺血 管的 4D 结构信息 ； 所述肺呼吸运动模型构建模块 (103) 连接所述动态病灶空间定位导航 模块 (202)， 输出兼顾气管、 血管运动的肺部呼吸运动模型 ； 所述第二影像获取模块 (205) 连接所述手术器械和手术区域影像空间映射模块 (201)， 输出带有标记点的低分辨率 3D 影 像信息 ； 所述手术器械和手术区域影像空间映射模块 (201) 连接所述动态病灶空间定位导 航模块 (202)， 输出映射到手术区域影像空间坐标。
6、的手术器械物理空间坐标 ； 所述动态病 灶空间定位导航模块 (202) 构建动态影像， 计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置， 通过可视化平台， 获得实时术中导航信息 ； 所述肺呼吸运动模型构建模块 (103) 包括 ： 可变 形配准单元和变形域描述单元， 其中， 所述可变形配准单元对肺区域结构进行 4D 可变形配 准， 输出运动矢量集至所述变形域描述单元， 所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域 的方式表达， 结果传输至所述动态病灶空间定位导航模块 (202)。 2. 根据权利要求 1 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于 ： 所述术前准备模 块 (1) 还包括一针对 4D 序列影。
7、像中基准 3D 图像操作的手术路径规划模块 (12)， 所述第一 影像获取模块 (101) 输出端还连接所述手术路径规划模块 (12) 并输出获取的 4D 序列影像 信息， 所述手术路径规划模块(12)连接所述动态病灶空间定位导航模块(202)并输出病灶 位置和大小、 创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度信息以及参考影像空间坐标 系。 3. 根据权利要求 1 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于 ： 所述术中实施模 块 (2) 还包括一针对低分辨率 3D 影像操作的手术路径规划模块 (12)， 所述第二影像获取 模块(205)输出端连接所述手术路径规划模块(12)， 输出获取的带。
8、有标记点的低分辨率3D 影像信息， 所述手术路径规划模块 (12) 连接所述动态病灶空间定位导航模块 (202)， 输出 病灶位置和大小、 创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度信息以及参考影像空间 坐标系。 4. 根据权利要求 2 或 3 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于 ： 所述术中实 施模块(2)还包括一透视引导模块(204)， 所述透视引导模块(204)连接所述动态病灶空间 定位导航模块 (202) 并输出 2D 透视影像信息。 5. 根据权利要求 4 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于， 所述术中实施模 块(2)还包括一病灶获取模块(203)， 所述动态病灶。
9、空间定位导航模块(202)连接所述病灶 获取模块 (203)。 6. 根据权利要求 1 或 2 或 3 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于 ： 所述肺 区域重建模块(102)包括 ： 图像分割单元和重建单元， 其中， 所述图像分割单元先将4D序列 图像中胸腔区域提取出来， 在提取的区域内再将肺表、 气管和血管分割出来， 并将结果输出 至所述重建单元， 所述重建单元将序列分割结果进行 3D 体积重建， 结果输出至所述肺呼吸 运动模型构建模块 (103)。 权 利 要 求 书 CN 102949240 B 2 2/2 页 3 7.根据权利要求2或3所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征。
10、在于， 所述手术路径 规划模块 (12) 包括 ： 人机交互病灶区标记单元和人机交互创口规划单元， 其中， 所述人机 交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶位置及大小， 所述人机交互创口 规划单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置， 规划手术器械通过创口进入人体的角 度和深度信息， 这两个单元输出信息和参考影像空间坐标系传输给所述动态病灶空间定位 导航模块 (202)。 8. 根据权利要求 1 或 2 或 3 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于， 所述手 术器械和手术区域影像空间映射模块 (201) 包括 ： 标记点选取单元和配准单元， 其中， 所 述标记点选取单元需要。
11、介入医生在手术区域物理空间和带有标记点的低分辨率 3D 影像信 息空间一一对应选取标记点， 输出两个空间坐标的标记点至所述配准单元， 配准单元将这 些一一对应的标记点进行空间映射， 获得手术区域物理空间与影像空间的映射关系， 将在 低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至所述动态病灶空间定位导航模块 (202)。 9. 根据权利要求 2 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于， 所述动态病灶空 间定位导航模块 (202) 包括 ： 配准单元， 动态影像构建单元， 三维定位单元和影像可视化单 元， 所述配准单元将低分辨率 3D 影像空间坐标系统映射到参考影像空间坐标中， 同时。
12、将在 低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像空间坐标中， 输出 参考影像空间坐标中的低分辨率 3D 影像和手术区域坐标到动态影像构建单元， 所有空间 坐标统一到参考影像空间坐标 ； 所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率 3D 影像为基础， 结合肺域形变域， 构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集， 并将动态影像 输出到三维定位单元 ； 所述三维定位单元利用手术区域坐标， 结合动态影像， 计算出手术区 域器官及手术器械的空间位置， 获得实时术中导航信息， 并将这些信息传递给所述影像可 视化单元 ； 所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能， 以2D和3D。
13、方式显示手术区 域器官， 手术器械在手术区域中的相对位置， 规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通 过创口进入人体的角度和深度信息。 10. 根据权利要求 3 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于， 所述动态病灶空 间定位导航模块 (202) 包括 ： 动态影像构建单元， 三维定位单元和影像可视化单元， 所述动 态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率 3D 影像为基础， 结合肺域形变域， 构建模 拟自主呼吸运动的动态影像数据集， 并将动态影像输出到三维定位单元 ； 所述三维定位单 元利用手术区域坐标， 结合动态影像， 计算出手术区域器官及手术器械的空间位置， 获得实 时术中导航信息。
14、， 并将这些信息传递给所述影像可视化单元 ； 所述影像可视化单元具有多 平面重建和体绘制功能， 以2D和3D方式显示手术区域器官， 手术器械在手术区域中的相对 位置， 规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。 11. 根据权利要求 10 所述的影像导航肺部介入手术系统， 其特征在于， 所述动态病灶 空间定位导航模块 (202) 还包括 ： 2D-3D 配准单元， 将 2D 透视影像信息映射到动态影像上， 并将映射后的结果传递给三维定位单元， 所述三维定位单元利用手术区域坐标， 结合动态 影像， 以及动态影像上表现的透视影像信息， 计算出手术区域器官及手术器械的空间。
15、位置， 获得实时术中导航信息， 并将这些信息传递给所述影像可视化单元。 权 利 要 求 书 CN 102949240 B 3 1/8 页 4 一种影像导航肺部介入手术系统 技术领域 0001 本发明涉及的是一种医疗设备技术领域的系统， 具体是一种影像导航肺部介入手 术系统。 背景技术 0002 经皮肺穿刺活检法是周围型肺癌小结节诊断的首选方法， 借助影像信息进行介入 导航， 将会极大地提高准确率和安全性。现有的基于影像导航技术的经皮肺穿刺术大体有 两种 ： 常规 CT 引导和 CT 透视引导。 0003 这两种方法一定程度上均达到了三维显示的目的， 介入医生参照显示在计算机监 视器上的三维影像。
16、观察到手术器械的实际位置， 引导微创介入过程。然而这两种技术本身 有很大局限性， 无论是常规CT引导还是CT透视引导， 均没有考虑呼吸运动对于影像导航介 入手术的影响， 小病灶容易受膈肌呼吸运动的影响， 发生偏移， 导致影像中的病灶区与实际 病灶区空间位置不一致， 影响穿刺的一次性命中率。 0004 常规 CT 引导穿刺过程比较繁琐， 需要介入医生来回往返于扫描间与扫描控制室， 当探针插入患者胸腔后， 需再次进行 CT 扫描确认探针是否达到病灶区， 这一过程容易导致 探针的移位， 影响病灶组织的提取。 0005 CT 透视引导法做到了三维实时显示的目的， 缩短了穿刺置针时间， 与常规 CT 引。
17、导 法相比活检的敏感性和阴性无明显差异， 不仅使医生和受检者暴露射线的剂量增加， 而且 容易损坏 CT 设备。 0006 此外， 没有一套独立的软件平台， 只能选用 CT 生产商所附带的软件， 很少提供一 些必要的影像处理功能。而且， 对于直径 1cm 的小结节， 病灶的诊断正确率为 66.7， 与 直径 1-3cm 的病灶诊断准确率 82.8相比， 精度还有待于进一步提高。 发明内容 0007 本发明针对现有技术存在的上述不足， 提供一种影像导航肺部介入系统， 本系统 将兼顾气管和血管运动的肺部呼吸运动模型整合到三维立体定位技术中， 对动态病灶及手 术器械进行实时空间定位和导航， 克服现有 。
18、CT 引导的经皮肺穿刺活检术中静态 CT 信息与 动态内部脏器位置， 特别是小病灶位置， 不匹配的缺陷。 0008 为实现上述技术目的， 达到上述技术效果， 本发明通过以下技术方案实现 ： 0009 一种影像导航肺部介入手术系统， 其包括 ： 术前准备模块和术中实施模块， 所述术 前准备模块包括 ： 第一影像获取模块、 肺区域重建模块和肺呼吸运动模型构建模块， 所述术 中实施模块包括 ： 手术器械和手术区域影像空间映射模块、 动态病灶空间定位导航模块和 第二影像获取模块 ； 所述第一影像获取模块连接所述肺区域重建模块， 输出获取的 4D 序列 影像信息 ； 所述肺区域重建模块连接所述肺呼吸运动。
19、模型构建模块， 输出肺表、 气管和肺血 管等的 4D 结构信息 ； 所述肺呼吸运动模型构建模块连接所述动态病灶空间定位导航模块， 输出兼顾气管、 血管运动的肺部呼吸运动模型 ； 所述第二影像获取模块连接所述手术器械 说 明 书 CN 102949240 B 4 2/8 页 5 和手术区域影像空间映射模块， 输出带有标记点的低分辨率 3D 影像信息 ； 所述手术器械和 手术区域影像空间映射模块连接所述动态病灶空间定位导航模块， 输出映射到手术区域影 像空间坐标的手术器械物理空间坐标 ； 所述动态病灶空间定位导航模块构建动态影像， 计 算出手术区域病灶及手术器械的空间位置， 通过可视化平台， 获得。
20、实时术中导航信息。 0010 优选的， 所述术前准备模块还包括一针对 4D 序列影像中基准 3D 图像操作的手术 路径规划模块， 所述第一影像获取模块输出端还连接所述手术路径规划模块并输出获取的 4D 序列影像信息， 所述手术路径规划模块连接所述动态病灶空间定位导航模块并输出病灶 位置和大小、 创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐 标系。 0011 优选的， 所述术中实施模块还包括一针对低分辨率 3D 影像操作的手术路径规划 模块， 所述第二影像获取模块输出端连接所述手术路径规划模块， 输出获取的带有标记点 的低分辨率 3D 影像信息， 所述手术路径规划模块连接所。
21、述动态病灶空间定位导航模块， 输 出病灶位置和大小、 创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像 空间坐标系。 0012 进一步的， 所述术中实施模块还包括一透视引导模块， 所述透视引导模块连接所 述动态病灶空间定位导航模块并输出 2D 透视影像信息。 0013 进一步的， 所述术中实施模块还包括一病灶获取模块， 所述动态病灶空间定位导 航模块连接所述病灶获取模块。 0014 进一步的， 所述肺区域重建模块包括 ： 图像分割单元和重建单元， 其中， 所述图像 分割单元先将 4D 序列图像中胸腔区域提取出来， 在提取的区域内再将肺表、 气管和血管分 割出来， 并将结果输出至所述。
22、重建单元， 所述重建单元将序列分割结果进行 3D 体积重建， 结果输出至所述肺呼吸运动模型构建模块。 0015 进一步的， 所述肺呼吸运动模型构建模块包括 ： 可变形配准单元和变形域描述单 元， 其中， 所述可变形配准单元对肺区域结构进行 4D 可变形配准， 输出运动矢量集至所述 变形域描述单元， 所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域的方式表达， 结果传输至所 述动态病灶空间定位导航模块。 0016 进一步的， 所述手术路径规划模块包括 ： 人机交互病灶区标记单元和人机交互创 口规划单元， 其中， 所述人机交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶位 置及大小， 所述人机交互创口规划。
23、单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置， 规划手 术器械通过创口进入人体的角度和深度信息， 这两个单元输出信息和参考影像空间坐标系 传输给所述动态病灶空间定位导航模块。 0017 进一步的， 所述手术器械和手术区域影像空间映射模块包括 ： 标记点选取单元和 配准单元， 其中， 所述标记点选取单元需要介入医生在手术区域物理空间和带有标记点的 低分辨率 3D 影像信息空间一一对应选取标记点， 输出两个空间坐标的标记点至所述配准 单元， 配准单元将这些一一对应的标记点进行空间映射， 获得手术区域物理空间与影像空 间的映射关系， 将在低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至所述动态病 。
24、灶空间定位导航模块。 0018 优选的， 所述动态病灶空间定位导航模块包括 ： 配准单元， 动态影像构建单元， 三 维定位单元和影像可视化单元， 所述配准单元将低分辨率 3D 影像空间坐标系统映射到参 说 明 书 CN 102949240 B 5 3/8 页 6 考影像空间坐标中， 同时将在低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射 到参考影像空间坐标中， 输出参考影像空间坐标中的低分辨率 3D 影像和手术区域坐标到 动态影像构建单元， 所有空间坐标统一到参考影像空间坐标 ； 所述动态影像构建单元以参 考影像空间坐标中低分辨率 3D 影像为基础， 结合肺域形变域， 构建模拟自主呼。
25、吸运动的动 态影像数据集， 并将动态影像输出到三维定位单元 ； 所述三维定位单元利用手术区域坐标， 结合动态影像， 计算出手术区域器官及手术器械的空间位置， 获得实时术中导航信息， 并将 这些信息传递给所述影像可视化单元 ； 所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功 能， 以 2D 和 3D 方式显示手术区域器官， 手术器械在手术区域中的相对位置， 规划的病灶位 置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。 0019 优选的， 所述动态病灶空间定位导航模块包括 ： 动态影像构建单元， 三维定位单元 和影像可视化单元， 所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率 3D 影像。
26、为基 础， 结合肺域形变域， 构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集， 并将动态影像输出到三维 定位单元 ； 所述三维定位单元利用手术区域坐标， 结合动态影像， 计算出手术区域器官及手 术器械的空间位置， 获得实时术中导航信息， 并将这些信息传递给所述影像可视化单元 ； 所 述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能， 以2D和3D方式显示手术区域器官， 手术 器械在手术区域中的相对位置， 规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人 体的角度和深度信息。还包括 ： 2D-3D 配准单元， 将 2D 透视影像信息映射到动态影像上， 并 将映射后的结果传递给三维定位单元， 所述三维定位单元利。
27、用手术区域坐标， 结合动态影 像， 以及动态影像上表现的透视影像信息， 计算出手术区域器官及手术器械的空间位置， 获 得实时术中导航信息， 并将这些信息传递给所述影像可视化单元。 0020 与现有技术相比， 本发明针对影像导航介入手术， 引入呼吸运动模型， 解决了受自 主呼吸运动影像， 手术区域与其静态导航影像空间坐标不一致的难题， 从而实现对动态病 灶进行实时空间定位的目标。本发明可以对肺部小结节的癌变进行早期诊断， 空间定位精 度误差在 2mm 以内。 0021 上述说明仅是本发明技术方案的概述， 为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施， 以下以本发明的较佳实施。
28、例并配合附图详细说明如后。 本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。 附图说明 0022 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本申请的一部分， 本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。在附图中 ： 0023 图 1 给出了本发明的影像导航肺部介入手术系统的一实施例的结构示意图。 0024 图 2 给出了本发明的影像导航肺部介入手术系统的另一实施例的结构示意图。 0025 图中标号说明 ： 1、 术前准备模块， 101、 第一影像获取模块， 102、 肺区域重建模块， 103、 肺呼吸运动模型构建模块， 12、 手术路径规划模块， 2。
29、、 术中实施模块， 201、 手术器械和 手术区域影像空间映射模块， 202、 动态病灶空间定位导航模块， 203、 病灶获取模块， 204、 透 视引导模块， 205、 第二影像获取模块。 具体实施方式 说 明 书 CN 102949240 B 6 4/8 页 7 0026 下面将参考附图并结合实施例， 来详细说明本发明。 0027 实施例 1 ： 0028 如图 1 所示， 本实施例的影像导航肺部介入手术系统， 包括 ： 术前准备模块 1 和术 中实施模块 2， 所述术前准备模块 1 包括 ： 第一影像获取模块 101、 肺区域重建模块 102 和 肺呼吸运动模型构建模块 103， 所述术。
30、中实施模块 2 包括 ： 手术器械和手术区域影像空间映 射模块 201、 动态病灶空间定位导航模块 202 和第二影像获取模块 205 ； 所述第一影像获取 模块 101 连接所述肺区域重建模块 102， 输出获取的 4D 序列影像信息 ； 所述肺区域重建模 块 102 连接所述肺呼吸运动模型构建模块 103， 输出肺表、 气管和肺血管等的 4D 结构信息 ； 所述肺呼吸运动模型构建模块 103 连接所述动态病灶空间定位导航模块 202， 输出兼顾气 管、 血管运动的肺部呼吸运动模型 ； 所述第二影像获取模块 205 连接所述手术器械和手术 区域影像空间映射模块 201， 输出带有标记点的低分。
31、辨率 3D 影像信息 ； 所述手术器械和手 术区域影像空间映射模块 201 连接所述动态病灶空间定位导航模块 202， 输出映射到手术 区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标 ； 所述动态病灶空间定位导航模块 202 构建动 态影像， 计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置， 通过可视化平台， 获得实时术中导航 信息。 0029 进一步的， 所述术前准备模块 1 还包括一针对 4D 序列影像中基准 3D 图像操作的 手术路径规划模块12， 所述第一影像获取模块101输出端还连接所述手术路径规划模块12 并输出获取的 4D 序列影像信息， 所述手术路径规划模块 12 连接所述动态病灶空间定位导 。
32、航模块 202 并输出病灶位置和大小， 创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信 息以及参考影像空间坐标系。 0030 进一步的， 所述术中实施模块 2 还包括一透视引导模块 204， 所述透视引导模块 204 连接所述动态病灶空间定位导航模块 202 并输出 2D 透视影像信息。 0031 进一步的， 所述术中实施模块 2 还包括一病灶获取模块 203， 所述动态病灶空间定 位导航模块 202 连接所述病灶获取模块 203。 0032 进一步的， 所述的肺区域重建模块 102 包括 ： 图像分割单元和重建单元， 其中， 所 述图像分割单元将 4D 序列图像中胸腔区域提取出来， 在提取的。
33、区域内再将肺表、 气管和血 管分割出来， 并将结果输出至所述重建单元， 所述重建单元将序列分割结果进行 3D 体积重 建， 结果输出至肺呼吸运动模型构建模块 103。 0033 通过对采用日本东芝Aquilion One， 320排、 640层CT机对患者包括病灶区的胸部 ( 肺部 ) 进行 4D 计算机断层扫描 (CT)， 扫描范围自胸廓入口至膈肌水平， 嘱病人平静呼吸。 扫描参数如下 ： 120kv 管电压， 25 有效毫安秒， 0.5s 转速， 0.5-1mm 重建层厚， 0.5-1mm 重建 间隔， 扫描总时长10.5s， 共采集3-5个呼吸周期。 在三维工作站上行MPR、 MIP和V。
34、R后处理。 将采集的 4D 序列影像数据以 DICOM(Digitalimaging and Communications in Medicine) 格式输入到肺区域重建模块。图像分割单元将 4D 序列胸部扫描图像中胸腔区域提取出来， 在此基础上， 分割肺表、 气管和血管组织， 以不同的数值对分割区域做标记。重建单元对标 记后的序列断层图像进行 3D 体积重建， 最终的肺区域 ( 包括肺表、 气管、 血管 ) 序列解剖结 构传输至肺呼吸运动模型构建模块 103。 0034 进一步的， 所述的肺呼吸运动模型构建模块 103 包括 ： 可变形配准单元和变形域 描述单元， 其中， 所述可变形配准单元。
35、对肺区域结构进行 4D 可变形配准， 输出运动矢量集 说 明 书 CN 102949240 B 7 5/8 页 8 至所述变形域描述单元， 所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域的方式表达， 结果传 输至所述动态病灶空间定位导航模块 202。 0035 可变形配准单元对序列肺表、 气管和血管的三维结构进行可形变配准， 以第一个 屏气时获得影像数据为基准时间点， 其它时间点的肺区域解剖结构与基准时间点的肺区域 解剖结构进行可形变配准， 从而获得肺区域表面、 气管以及血管在不同时间点的运动矢量 集， 再将所有周期对应时间点的运动矢量集取平均， 就得到肺区域表面、 气管和血管解剖结 构每个呼吸周期的。
36、的运动矢量集。变形域描述单元， 对这些结构的运动矢量集进行主成成 分分析， 以形变域的方式表达， 结果传输至动态病灶空间定位导航模块 202。 0036 进一步的， 所述手术路径规划模块 12 包括 ： 人机交互病灶区标记单元和人机交互 创口规划单元， 其中， 所述人机交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶 位置及大小， 所述人机交互创口规划单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置， 规划 手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息， 这两个单元输出信息和参考影像空间坐标 系传输给所述动态病灶空间定位导航模块 202。 0037 所述的手术路径规划模块 12 针对序列体数据图像中的基。
37、准时间点的 3D 体数据 (参考影像)进行操作。 介入医生通过人机交互病灶区标记单元对基准时间点的3D体数据 中的病灶区进行半自动圈定， 介入医生通过浏览 3D 断层数据， 确定病灶区 ( 小结节 ) 的位 置， 用鼠标或者触摸笔标记病灶区域中心点， 边界曲线以中心点向外扩张到小结节边缘停 止， 如果医生认为病灶区边界不准确， 可以通过鼠标或者触摸笔重新圈定病灶区域 ( 位置 和大小)。 之后， 介入医生根据病灶位置， 通过浏览3D断层影像， 避开血管和液化坏死组织， 选择合适的穿刺进针点， 标定体表创口位置， 其与病灶区域的连线， 就确定了器械介入的路 径， 这包括手术器械通过创口进入人体的。
38、角度和深度。 创口位置的选择非常重要， 合适的选 择可以极大地避免气胸的发生。以上信息传输至动态病灶空间定位导航模块 202。 0038 进一步的， 所述手术器械和手术区域影像空间映射模块 201 包括 ： 标记点选取单 元和配准单元， 其中， 所述标记点选取单元需要介入医生在手术区域物理空间和带有标记 点的低分辨率 3D 影像信息空间一一对应选取标记点， 输出两个空间坐标的标记点至所述 配准单元， 配准单元将这些一一对应的标记点进行空间映射， 获得手术区域物理空间与影 像空间的映射关系， 将在低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至所述动 态病灶空间定位导航模块 202。 00。
39、39 手术实施前， 介入医生需要在手术区域表面粘贴若干个医用标记点， 用于后续配 准。尽可能让患者取最舒适体位， 在屏气状态下， 对患者进行低分辨率小剂量 3D 扫描， 这 套 3D 体数据用于影像导航的 “参考地图” 。标记点选取单元要求医生在空间追踪定位器下， 依次选取贴于手术区域的标记点， 然后医生再在低分辨率 3D 断层图像中， 依次一一对应的 选取标记点， 使手术区域物理空间坐标系中的标记点与影像空间坐标系中的标记点建立 一一对应关系。配准单元通过两组不同空间坐标系中的标记点的配准， 将实际物理空间与 用于导航的影像空间匹配一致， 并将在低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐。
40、标 输出至动态病灶空间定位导航模块 202。本实例中， 空间追踪定位器采用加拿大 Northern Digital 公司生产的三维立体定位测量仪 Aurora。 0040 进一步的， 所述动态病灶空间定位导航模块 202 包括 ： 配准单元， 动态影像构建 单元， 三维定位单元和影像可视化单元， 所述配准单元将低分辨率 3D 影像空间坐标系统映 说 明 书 CN 102949240 B 8 6/8 页 9 射到参考影像空间坐标中， 同时将在低分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标直 接映射到参考影像空间坐标中， 输出参考影像空间坐标中的低分辨率 3D 影像和手术区域 坐标到动态影像构建。
41、单元， 所有空间坐标统一到参考影像空间坐标 ； 所述动态影像构建单 元以参考影像空间坐标中低分辨率 3D 影像为基础， 结合肺域形变域， 构建模拟自主呼吸运 动的动态影像数据集， 并将动态影像输出到三维定位单元 ； 所述三维定位单元利用手术区 域坐标， 结合动态影像， 计算出手术区域器官及手术器械的空间位置， 获得实时术中导航信 息， 并将这些信息传递给所述影像可视化单元 ； 所述影像可视化单元具有多平面重建和体 绘制功能， 以 2D 和 3D 方式显示手术区域器官， 手术器械在手术区域中的相对位置， 规划的 病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。 0041 依据病人。
42、获取序列影像时的呼吸频率， 介入医生对其进行呼吸训练， 使其以正常 的频率呼吸。配准单元将低分辨率 3D 体数据 ( 屏气时 ) 与序列体数据图像中的基准时间 点的 3D 体数据 ( 参考影像 ) 进行配准， 所有空间坐标统一到参考影像空间坐标中 ： 将在低 分辨率 3D 影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像空间坐标中， 输出参 考影像空间坐标中的低分辨率 3D 影像和手术区域坐标到动态影像构建单元 ； 所述动态影 像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率 3D 影像为基础， 结合肺域形变域， 构建模拟自 主呼吸运动的动态影像数据集， 并将动态影像输出到三维定位单元 ； 三维定位单。
43、元通过坐 标映射关系， 在参考影像空间坐标中， 结合动态影像， 计算出手术区域器官及手术器械的空 间位置， 获得实时术中导航信息， 并将这些信息传递给所述影像可视化单元 ； 影像可视化单 元以 2D 和 3D 方式显示手术区域器官， 包括病灶的形态以及手术器械在手术区域中的相对 位置， 规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。 0042 进一步的， 所述术中实施模块 2 还包括一病灶获取模块 203， 所述动态病灶空间定 位导航模块 202 连接所述病灶获取模块 203。 0043 本实例通过以下方式进行工作 ： 手术前， 首先要患者放松， 在自然平稳呼吸的情况 。
44、下进行序列计算机断层扫描 (CT)， 扫描范围为患者胸部， 包括整个肺部， 连续扫描 3 个呼吸 周期。 平均每个呼吸周期有23个序列的3D体数据。 将扫描获得的4D影像数据以DICOM 格式输入至肺区域重建模块 102， 重建患者手术区域的肺表、 气管和血管的序列结构信息， 利用肺表、 气管和血管的 4D 体数据， 肺呼吸运动模型构建模块 103 获得肺呼吸运动导致的 肺表、 气管和血管的变形域。同时从 4D 影像数据中选取第一个屏气时间点的 3D 数据作为 基准体数据传输至手术路径规划模块 12， 确定病灶区域的位置和大小， 创口位置以及进针 角度与深度等与介入有关的重要参数， 该 3D 。
45、数据的空间域为影像导航手术中的参考影像 坐标系。 0044 手术实施伊始， 介入医生首先在患者肺区域表面粘贴 5-6 个标记点， 患者以舒服 的姿势静止在CT床上， 在屏气的状况下进行低分辨率小剂量CT扫描， 获得一套低分辨率3D 影像体数据。介入医生分别在患者肺域表面和低分辨率 3D 影像数据中依次选择标记点， 将 手术区域实际物理空间坐标系转换到低分辨率 3D 影像体数据空间坐标系中。在动态病灶 空间定位导航模块 202 中， 将低分辨率 3D 影像体数据空间域映射到基准影像坐标系中， 从 而将手术区域实际物理空间域转换到基准影像坐标系中。结合肺区域形变域， 低分辨率静 态 3D 影像体数。
46、据变成随时间规律运动的动态 3D 影像体数据， 传入该模块的病灶区位置和 创口位置也随时间规律运动。 说 明 书 CN 102949240 B 9 7/8 页 10 0045 手术实施中， 介入医生通过动态病灶空间定位导航模块 202 保证肺部动态影像与 患者的肺部呼吸运动一致， 医生参考显示屏上的多平面影像信息和 3D 立体影像信息， 在手 术区域选择创口位置。 随着探针进入人体， 医生参考预先设定的进针角度进针， 探针在人体 中的姿态数据实时显示在手术区域肺部动态影像中， 医生在探针前进过程中， 根据动态影 像中探针的位置以及预先设定的介入路径， 随时调整探针的角度和深度， 当探针达到病灶。
47、 区域时， 医生便实施活检术， 取出病灶组织进行病理组织诊断。如果需要， 医生可以在介入 穿刺过程中， 启用透视引导功能， 将 2D 透视影像信息反映在 3D 肺部体数据上， 补偿由于呼 吸运动造成病灶、 血管和气管的位移， 以便介入医生能够精确地控制探针相对于肺部各组 织的空间位置。 0046 实施例 2 ： 0047 如图2所示， 本实施例的影像导航肺部介入手术系统， 包括 ： 包括 ： 术前准备模块1 和术中实施模块 2， 所述术前准备模块 1 包括 ： 第一影像获取模块 101、 肺区域重建模块 102 和肺呼吸运动模型构建模块 103， 所述术中实施模块 2 包括 ： 手术器械和手术。
48、区域影像空间 映射模块 201、 动态病灶空间定位导航模块 202 和第二影像获取模块 205 ； 所述第一影像获 取模块 101 连接所述肺区域重建模块 102， 输出获取的 4D 序列影像信息 ； 所述肺区域重建 模块 102 连接所述肺呼吸运动模型构建模块 103， 输出肺表、 气管和肺血管等的 4D 结构信 息 ； 所述肺呼吸运动模型构建模块 103 连接所述动态病灶空间定位导航模块 202， 输出兼顾 气管、 血管运动的肺部呼吸运动模型 ； 所述第二影像获取模块 205 连接所述手术器械和手 术区域影像空间映射模块 201， 输出带有标记点的低分辨率 3D 影像信息 ； 所述手术器械。
49、和 手术区域影像空间映射模块 201 连接所述动态病灶空间定位导航模块 202， 输出映射到手 术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标 ； 所述动态病灶空间定位导航模块 202 构建 动态影像， 计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置， 通过可视化平台， 获得实时术中导 航信息。 0048 进一步的， 所述术中实施模块2还包括一针对低分辨率3D影像操作的手术路径规 划模块12， 所述第二影像获取模块205输出端连接所述手术路径规划模块12输出获取的带 有标记点的低分辨率 3D 影像信息， 所述手术路径规划模块 12 连接所述动态病灶空间定位 导航模块 202 输出病灶位置和大小， 创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信 息以及参考影像空间坐标系。 0049 进一步的， 所述术中实施模块 2 还包括一透视引导模块 204， 所述透视引导模块 204 连接所述动态病灶空间定位导航模块 202 并输出 2D 透视影像信息。 0050 进一步的， 所述术中实施模块 2 还包括一病灶获取模块 203， 所述动态病灶空间定 位导航模块 202 连接所述病灶获取模块 203。 。