本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于虛擬現(xiàn)實的經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃系統(tǒng)，及其采用該系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃的方法。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)椎間孔鏡手術(shù)規(guī)劃中，采用二維規(guī)劃：基于MR、CT橫斷面規(guī)劃，術(shù)中需依據(jù)C臂進(jìn)行調(diào)整，準(zhǔn)度較差。對椎間盤、神經(jīng)等軟組織三維立體結(jié)構(gòu)顯影不清。對上關(guān)節(jié)突、椎弓根磨除范圍無指導(dǎo)作用，術(shù)中需依據(jù)術(shù)者經(jīng)驗，標(biāo)準(zhǔn)化程度低。對游離型椎間盤突出，術(shù)前規(guī)劃不能準(zhǔn)確評估是否適合椎間孔鏡手術(shù)及確切手術(shù)入路。

同時傳統(tǒng)規(guī)劃方法導(dǎo)致手術(shù)定位過程耗時長，使得術(shù)中X線的曝光次數(shù)增多和照射時間延長，增加X線輻射對病人、手術(shù)醫(yī)師的傷害且增加醫(yī)源性損傷及手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生概率，致使椎間孔鏡技術(shù)學(xué)習(xí)麻煩，影響椎間孔鏡技術(shù)的學(xué)習(xí)和推廣應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃系統(tǒng)，及其使用該系統(tǒng)的方法，運用的三維重建技術(shù)，采用計算機(jī)技術(shù)對二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行邊界識別，重新還原出被檢組織或器官的三維圖像。用戶可多角度、清晰觀察關(guān)注的部位以及其與周圍結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，多方位查看局部解剖結(jié)構(gòu)，并模擬手術(shù)器械如穿刺針、工作管道等的置入過程，便捷地控制工作管道在虛擬平臺中的位置，精確模擬術(shù)中穿刺過程并生成相應(yīng)3D測量數(shù)據(jù)，最終可應(yīng)用于真實手術(shù)中，用戶根據(jù)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果可直接用于手術(shù)過程，提高穿刺針穿刺的成功率。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃方法，其特征在于，按如下步驟：

S1：讀取DICOM數(shù)據(jù)，重建為體數(shù)據(jù)；

S2：分割選取原始圖像所需區(qū)域，對所需區(qū)域三維重建，獲取三維模型面數(shù)據(jù)信息，分割出椎間盤、神經(jīng)根和皮膚；選擇骨組織閾值，分割出骨組織；

S3：進(jìn)行孔鏡規(guī)劃，定位穿刺針目標(biāo)靶點；

S4：規(guī)劃穿刺針的入針角度；

S5：入針后，查看不同方位下穿刺針的放置情況；

S6：顯示或隱藏皮膚，查看皮膚上穿刺針的入針點；

S7：規(guī)劃和測量，得到皮膚交點距離人體中線的距離，皮膚交點距離病椎上緣面的距離以及入針深度；

S8：建立工作管道，將穿刺針顯示為工作管道；

S9：通過對體數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙特卡羅物理模擬方法，生成模擬X光片；

S10：獲取和查看報告。

有益效果：本發(fā)明主要運用的三維重建技術(shù)，采用計算機(jī)技術(shù)對二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行邊界識別，重新還原出被檢組織或器官的三維圖像。用戶可多角度、清晰觀察關(guān)注的部位以及其與周圍結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，多方位查看局部解剖結(jié)構(gòu)，并模擬手術(shù)器械如穿刺針、工作管道等的置入過程，便捷地控制工作管道在虛擬平臺中的位置，精確模擬術(shù)中穿刺過程并生成相應(yīng)3D測量數(shù)據(jù)，最終可應(yīng)用于真實手術(shù)中。相比傳統(tǒng)二維測量，在距離測量、角度測量等方面更能準(zhǔn)確體現(xiàn)真實狀況，體現(xiàn)不同解剖結(jié)構(gòu)及內(nèi)置物(工作管道、穿刺針等)之間的關(guān)系，實現(xiàn)手術(shù)操作的精準(zhǔn)規(guī)劃。

進(jìn)一步，重建為體數(shù)據(jù)的方法為采用光線投射算法和三維重建技術(shù)，將傳統(tǒng)的二維醫(yī)學(xué)圖像渲染成三維圖像，并通過虛擬現(xiàn)實醫(yī)學(xué)圖像渲染模塊，呈像于所有的虛擬現(xiàn)實設(shè)備。

采用進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果：采用光線投射算法，光線投射算法從圖像的每一個像素，沿固定方向(通常是視線方向)發(fā)射一條光線，光線穿越整個圖像序列，并在這個過程中，對圖像序列進(jìn)行采樣獲取顏色信息，同時依據(jù)光線吸收模型將顏色值進(jìn)行累加，直至光線穿越整個圖像序列，最后得到的顏色值就是渲染圖像的顏色，采樣點顏色采用從前往后的方式混合，將混合后的顏色作為該像素的最終顏色值，從而實現(xiàn)三維重建。

進(jìn)一步，通過多態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)，把同一病人的CT和MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能化的區(qū)域識別，分割出椎間盤、神經(jīng)根和皮膚的方法為：采用移動立方體算法，對不同的區(qū)域進(jìn)行模型重建、顏色標(biāo)注，輸出三維醫(yī)學(xué)網(wǎng)格模型。

采用進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果：移動立方體法算法是面繪制算法中的經(jīng)典算法，它是W.Lorensen等人于1987年提出來的一種體素級重建方法。這算法實際上是一個分而治之的方法，因為其將等值面的抽取分布于每一個體素(voxel)中進(jìn)行。對于每個被處理的體素(voxel)，以三角面片來逼近其內(nèi)部的等值面。每個體素是一個小立方體(cube)，在構(gòu)造三角面片的處理過程中對每個體素都“掃描”一遍。算法的基本思想是逐個處理數(shù)據(jù)場中的立方體，找出與等值面相交的立方體，采用線性插值計算出等值面與立方體邊的交點。根據(jù)立方體每一頂點與等值面的相對位置，將等值面與立方體邊上的交點按一定方式連接生成等值面，作為等值面在該立方體內(nèi)的一個逼近表示。采用該移動立方體法算法分割選取原始圖像感興趣區(qū)域，一鍵三維重建，獲取到三維模型面數(shù)據(jù)信息，分割出椎間盤、神經(jīng)根、皮膚。

進(jìn)一步，所述分割出骨組織的方法為采用大津閾值分割算法，將圖像灰度進(jìn)行自適應(yīng)的閾值分割，按照圖像上灰度值的分布，將圖像分成背景和前景兩部分看待，前景就是我們要按照閾值分割出來的部分，背景和前景的分界值就是我們要求出的閾值，通過對圖像灰度值信息進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)最大類間方差判斷準(zhǔn)則，可自適應(yīng)得到將背景和前景盡可能分開的閾值，最終完成圖像分割，從而分割出骨組織。

采用進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果：大津閾值分割算法是一種圖像灰度自適應(yīng)的閾值分割算法，1979年由日本學(xué)者大津提出。大津法按照圖像上灰度值的分布，將圖像分成背景和前景兩部分看待，前景就是我們要按照閾值分割出來的部分。背景和前景的分界值就是我們要求出的閾值。通過對圖像灰度值信息進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)最大類間方差判斷準(zhǔn)則，可自適應(yīng)得到將背景和前景盡可能分開的閾值，最終完成圖像分割，一鍵分割出骨組織。

進(jìn)一步，所述定位穿刺針目標(biāo)靶點的方法為：利用二維灰度圖和定位功能，直接在二維圖上定位，虛擬現(xiàn)實平臺上的穿刺針實時同步于相應(yīng)位置，精準(zhǔn)確定目標(biāo)靶點。

采用進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果：直接在二維圖上鼠標(biāo)點擊定位，虛擬現(xiàn)實平臺上的穿刺針實時同步于相應(yīng)位置，精準(zhǔn)確定手術(shù)的目標(biāo)靶點，定位精準(zhǔn)，操作簡單方便。

進(jìn)一步，查看不同方位下穿刺針的放置情況的方法為：通過復(fù)位、操控縮放、操控移動和控制選中一種或幾種結(jié)合的方式查看不同方位下穿刺針的放置情況。

采用進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果：設(shè)置多種方式查看不同部位下的穿刺，比如復(fù)位、縮放等，操作簡便。

進(jìn)一步，所述工作管道是模擬實際手術(shù)過程中與實際放置的管道大小一致，直觀顯示工作管道與人體各部位之間的關(guān)系。

采用進(jìn)一步技術(shù)方案的有益效果：工作管道是一個模擬椎間孔鏡手術(shù)通道的一直徑7mm、金屬、筆直的空心圓柱管道，椎間孔鏡鏡頭及各種抓鉗、射頻刀頭、鏡下磨鉆等各種器械通過其到達(dá)目標(biāo)靶點。采用穿刺針定位完成后，采用逐級擴(kuò)張方式置入擴(kuò)張器械，最后置入工作管道，通過工作管道可以看見目標(biāo)突出椎間盤與周圍神經(jīng)等軟組織的關(guān)系，保證手術(shù)的順利進(jìn)行。

一種經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于，包括

體數(shù)據(jù)重建模塊，用于讀取DICOM數(shù)據(jù)，重建為體數(shù)據(jù)；

虛擬現(xiàn)實醫(yī)學(xué)圖像渲染模塊，用于把醫(yī)學(xué)的體數(shù)據(jù)呈像在虛擬現(xiàn)實設(shè)備以及裸眼三維顯示設(shè)備系統(tǒng)上；

分割模塊，用于分割選取原始圖像所需區(qū)域，對所需區(qū)域三維重建，獲取三維模型面數(shù)據(jù)信息，分割出椎間盤、神經(jīng)根和皮膚；選擇骨組織閾值，分割出骨組織；

孔鏡規(guī)劃模塊，用于孔鏡規(guī)劃，定位穿刺針目標(biāo)靶點；

穿刺針入針規(guī)劃模塊，用于規(guī)劃穿刺針的入針角度；

入針查看模塊，用于入針后查看不同方位下穿刺針的放置情況；

顯示或隱藏模塊，用于顯示皮膚后查看皮膚上穿刺針的入針點；

規(guī)劃測量模塊，用于得到皮膚交點距離人體中線的距離，皮膚交點距離病椎上緣面的距離以及入針深度；

工作管道建立模塊，用于將穿刺針顯示為工作管道；

蒙特卡羅物理模擬X光片生成模塊，對體數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙特卡羅物理模擬方法，計算出不同角度的仿真二維X光片，以便用戶在手術(shù)中進(jìn)行對比應(yīng)用；

報告查看模塊，用于獲取和查看穿刺針與橫斷面、矢狀面、冠狀面的角度；皮膚交點距離人體中線的距離、皮膚交點距離病椎上緣面的距離、入針深度；正位、側(cè)位X光片，3D體正側(cè)位。

進(jìn)一步，控制模塊，用于通過復(fù)位、操控縮放、操控移動和控制選中一種或幾種結(jié)合的方式查看不同方位下穿刺針的放置情況。

進(jìn)一步，還包括控制筆，用于直接控制和操作虛擬現(xiàn)實平臺上的圖像，使用操控筆過程中，操控筆筆尖會形成一條虛擬可視的直線，當(dāng)碰到任一操作對象時，操控筆會產(chǎn)生震動，同時直線變色，表示當(dāng)前碰到的對象可操作。

操控筆是系統(tǒng)的硬件組成部分之一，用于直接控制和操作虛擬現(xiàn)實平臺上的圖像，控制的主要對象有：骨組織、椎間盤、神經(jīng)根、皮膚、穿刺針、工作管道。使用操控筆過程中，操控筆筆尖會形成一條虛擬可視的綠色直線，當(dāng)碰到任一操作對象時，操控筆會產(chǎn)生震動，同時綠色直線變成紅色，表示當(dāng)前碰到的對象可操作。操作方式有兩種，一種是直接長按筆上的按鍵，另一種是使用筆選擇功能菜單界面上的按鈕即可完成操作。

附圖說明

圖1為經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃方法的步驟流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

一種經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃方法，基于經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃系統(tǒng)。

經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃系統(tǒng)包括：

體數(shù)據(jù)重建模塊，用于讀取DICOM數(shù)據(jù)，重建為體數(shù)據(jù)；DICOM(Digital lmaging and Communications in Medicine)數(shù)據(jù)即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信數(shù)據(jù)，是醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國際標(biāo)準(zhǔn)(IS012052)。它定義了質(zhì)量能滿足臨床需要的可用于數(shù)據(jù)交換的醫(yī)學(xué)圖像格式。DICOM被廣泛應(yīng)用于放射醫(yī)療，心血管成像以及放射診療診斷設(shè)備(X射線，CT，核磁共振，超聲等)，并且在眼科和牙科等其它醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到越來越深入廣泛的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實醫(yī)學(xué)圖像渲染模塊，用于把醫(yī)學(xué)的體數(shù)據(jù)呈像在虛擬現(xiàn)實設(shè)備以及裸眼三維顯示設(shè)備系統(tǒng)上；

分割模塊，用于分割選取原始圖像所需區(qū)域，對所需區(qū)域三維重建，獲取三維模型面數(shù)據(jù)信息，分割出椎間盤、神經(jīng)根和皮膚；選擇骨組織閾值，分割出骨組織；

孔鏡規(guī)劃模塊，用于孔鏡規(guī)劃，定位穿刺針目標(biāo)靶點；

穿刺針入針規(guī)劃模塊，用于規(guī)劃穿刺針的入針角度；

入針查看模塊，用于入針后查看不同方位下穿刺針的放置情況；

顯示或隱藏模塊，用于顯示皮膚后查看皮膚上穿刺針的入針點；

規(guī)劃測量模塊，用于得到皮膚交點距離人體中線的距離，皮膚交點距離病椎上緣面的距離以及入針深度；

工作管道建立模塊，用于將穿刺針顯示為工作管道；

蒙特卡羅物理模擬X光片生成模塊，對體數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙特卡羅物理模擬方法，計算出不同角度的仿真二維X光片，以便用戶在手術(shù)中進(jìn)行對比應(yīng)用；

報告查看模塊，用于獲取和查看穿刺針與橫斷面、矢狀面、冠狀面的角度；皮膚交點距離人體中線的距離、皮膚交點距離病椎上緣面的距離、入針深度；正位、側(cè)位X光片，3D體正側(cè)位。

還包括控制筆，用于直接控制和操作虛擬現(xiàn)實平臺上的圖像，使用操控筆過程中，操控筆筆尖會形成一條虛擬可視的直線，當(dāng)碰到任一操作對象時，操控筆會產(chǎn)生震動，同時直線變色，表示當(dāng)前碰到的對象可操作

經(jīng)皮椎間孔鏡手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃方法，如圖1所示，按如下步驟：

步驟1：讀取DICOM數(shù)據(jù)，重建為體數(shù)據(jù)；

步驟2：分割選取原始圖像所需區(qū)域，對所需區(qū)域三維重建，獲取三維模型面數(shù)據(jù)信息，分割出椎間盤、神經(jīng)根和皮膚；選擇骨組織閾值，分割出骨組織；

步驟3：進(jìn)行孔鏡規(guī)劃，定位穿刺針目標(biāo)靶點；

步驟4：規(guī)劃穿刺針的入針角度；

步驟5：入針后，查看不同方位下穿刺針的放置情況；

步驟6：顯示或隱藏皮膚，查看皮膚上穿刺針的入針點；

步驟7：規(guī)劃和測量，得到皮膚交點距離人體中線的距離，皮膚交點距離病椎上緣面的距離以及入針深度；

步驟8：建立工作管道，將穿刺針顯示為工作管道；

步驟9：通過對體數(shù)據(jù)進(jìn)行蒙特卡羅物理模擬方法，生成模擬X光片；

步驟10：獲取和查看報告。

其中，為體數(shù)據(jù)的方法為采用光線投射算法和三維重建技術(shù)，將傳統(tǒng)的二維醫(yī)學(xué)圖像渲染成三維圖像，并通過虛擬現(xiàn)實醫(yī)學(xué)圖像渲染模塊，呈像于所有的虛擬現(xiàn)實設(shè)備。

其中，通過多態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)，把同一病人的CT和MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能化的區(qū)域識別，分割出椎間盤、神經(jīng)根和皮膚的方法為：采用移動立方體算法，對不同的區(qū)域進(jìn)行模型重建、顏色標(biāo)注，輸出三維醫(yī)學(xué)網(wǎng)格模型。

其中，分割出骨組織的方法為采用大津閾值分割算法，將圖像灰度進(jìn)行自適應(yīng)的閾值分割，按照圖像上灰度值的分布，將圖像分成背景和前景兩部分看待，前景就是我們要按照閾值分割出來的部分，背景和前景的分界值就是我們要求出的閾值，通過對圖像灰度值信息進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)最大類間方差判斷準(zhǔn)則，可自適應(yīng)得到將背景和前景盡可能分開的閾值，最終完成圖像分割，從而分割出骨組織。

定位穿刺針目標(biāo)靶點的方法為：利用二維灰度圖和定位功能，直接在二維圖上定位，虛擬現(xiàn)實平臺上的穿刺針實時同步于相應(yīng)位置，精準(zhǔn)確定目標(biāo)靶點。

查看不同方位下穿刺針的放置情況的方法為：通過復(fù)位、操控縮放、操控移動和控制選中一種或幾種結(jié)合的方式查看不同方位下穿刺針的放置情況。

工作管道是模擬實際手術(shù)過程中與實際放置的管道大小一致，直觀顯示工作管道與人體各部位之間的關(guān)系。

本發(fā)明主要結(jié)合了傳統(tǒng)二維醫(yī)學(xué)圖片、一鍵式虛擬現(xiàn)實重建、手勢操控等優(yōu)點，將病人醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行虛擬重建顯示，并進(jìn)行一系列手術(shù)前準(zhǔn)備工作。通過查看三維立體醫(yī)學(xué)影像、定位穿刺針、工作管道目標(biāo)位置、模擬手術(shù)過程、測量規(guī)劃、手術(shù)培訓(xùn)等操作，用戶可以直觀地觀察到工作管道與各關(guān)鍵部位(如神經(jīng)根、上關(guān)節(jié)突、椎間盤等)之間的關(guān)系，并得到用戶所需的病人手術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，例如皮膚入針點距離人體中線的長度，皮膚入針點距離病椎上緣的距離，入針深度等，用戶根據(jù)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果可直接用于手術(shù)過程，提高穿刺針穿刺的成功率。

最后，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。