一種計算機輔助肝臟移植手術規劃系統的實現方法技術方案

本發明專利技術涉及一種計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，包括以下幾個步驟：第一步，建立正常人肝臟形狀庫；第二步，對待手術肝臟，將肝臟區域的初始分割結果使用一種基于稀疏表達的方法進行建模，消除奇異點和噪聲數據的干擾，得到具有病人適應性的肝臟區域的先驗形狀；第三步，利用先驗形狀對肝臟進行精確分割，同時分割出肝實質，門靜脈，肝靜脈和腫瘤；第四步，利用肝靜脈的分割結果，將肝臟分成功能上獨立的八個肝段，并計算各個肝段和腫瘤的體積；第五步，分割和分段結果的三維可視化。與現有技術相比，本發明專利技術具有高精度和高魯棒性，實現方便并且能處理復雜的肝臟形狀等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，屬于醫學圖像處理

技術介紹
在肝臟移植手術中，準確地知道病人特定的肝臟解剖結構對于手術策略的制定具有決定性的作用。被移植的肝臟的體積應該足以維持受體的生命需要，同時剩余的肝臟體積應該盡可能地保留最大，以降低對肝臟供體的損傷。同時，由于肝臟內部血管和腫瘤的解剖結構在不同的病人之間變化很大，手術醫生需要掌握要被切除的肝臟部分的位置和肝臟內血管和腫瘤的分布情況，以制定最佳的手術切割方案。因此，基于醫學圖像的術前手術規劃具有十分重要的意義，它可以提高手術的精度和成功率，得到對供體和受體都最佳的手術方案。不同于其他的手術規劃系統，肝臟移植手術規劃系統需要為供體和受體都提供手術計劃方案。在該系統提出的手術策略的基礎上，醫生可以分析供體候選者的肝臟體積和功能，從而評價手術對供體的風險，以選擇最佳的供體。另一方面，受體的血管分布和其他解剖結構的可視化也幫助了醫生制定最優的手術方案。然而，要得到一個臨床上可用的肝臟移植手術規劃系統，有一系列重要的問題需要解決。首先，不同個體的肝臟形狀和解剖結構變化很大，很難用一個常規的參數分布模型來描述，而肝移植手術規劃系統必須提供具有病人特異性的手術策略，這就需要該系統具有處理復雜分布的肝臟形狀的能力。其次，手術的規劃要基于肝臟及其內部血管和腫瘤的分割結果，然而，精確的分割出來這些組織是一個十分具有挑戰性的問題。現有的一些肝臟手術規劃系統通常采用了一些比較傳統的圖像處理技術，比如基于邊緣的分割算法，區域增長算法，交互的蛇形算法，直方圖處理技術，邊緣檢測和參數曲線的結合等。德國癌癥研究中心提出了一個肝臟手術規劃系統的框架，他們的工作主要集中在肝段的劃分，肝臟組織的分割沒有深究。德國醫學診斷系統和可視化中心也開發了一個術前規劃系統，但只實現了初步的設計，精度和效率都有待于提高。格拉茨工業大學提出了一個基于虛擬現實技術的術前規劃系統，但是未將肝靜脈考慮進去。現有的系統大多數都需要用戶交互，而且幾乎都無法始終有效地解決復雜的肝臟形狀變化所帶來的錯誤分割的問題。過去幾十年出現了大量的算法用于肝臟圖像處理，Heimann T.和Van Ginneken等人研究發現利用先驗形狀的分割方法相比于僅使用表觀信息(如灰度和邊緣)的分割方法具有更好的性能。然而，到目前為止，幾乎沒有其他的肝臟手術規劃系統使用了基于形狀先驗的分割方法。基于形狀先驗的肝臟分割的主要問題是如何對復雜的肝臟形狀變化進行有效地建模。醫學圖像分割領域中常規的方法是活動形狀模型和統計形狀模型，但是，在對肝癌病人的肝臟形狀進行建模比其他器官諸如前列腺，腎臟和骨頭等的形狀建模更具有挑戰性。不同病人的肝臟形狀千變萬化，無法用一個參數概率分布來準確地描述。此外，先驗形狀應該具有病人適應性，對特定的病人，克服奇異點和噪聲的干擾，并且保留局部細節具有十分重要的意義。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高精度和高魯棒性，且實現方便、能處理復雜的肝臟形狀的病例的計算機輔助肝臟移植手術規劃系統的實現方法。本專利技術的計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法包括以下步驟第一步，將大量人群的三維腹部CT圖像中的肝臟分割出來，提取表面網格，得到一系列標記點和三角形面片組成的網格表面，建立肝臟形狀庫；第二步，對待手術的肝臟，使用區域增長算法得到初始分割結果，將該分割結果表示成形狀庫中的形狀的稀疏線性組合表達；該稀疏線性組合表達的結果作為該肝臟的先驗形狀；第三步，利用所述先驗形狀定義速度函數，計算種子點行進到未分類的點的到達時間，根據到達時間對肝臟及其內部組織進行分割，同時分割出肝實質，門靜脈，肝靜脈和腫瘤；第四步，利用肝靜脈的分割結果，將肝臟分成功能上獨立的八個肝段，并計算各個肝段和腫瘤的體積；第五步，分割和分段結果的三維可視化。在上述技術方案下，本專利技術可以這樣實現所述第二步中稀疏線性組合表達如下( I)對于肝臟形狀庫中第i個形狀，將所有頂點的坐標按順序排列一個η維列向量 Cli e Rn，其中n是頂點數量與坐標維數的乘積；(2) —個包含L個肝臟的形狀庫表示成一個含有L個η維列向量的矩陣的形式 D= [(I1, d2，. ·.，dj，該形狀庫中的平均形狀為:權利要求1.一種計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步，將大量人群的三維腹部CT圖像中的肝臟分割出來，提取表面網格，得到一系列標記點和三角形面片組成的網格表面，建立肝臟形狀庫；第二步，對待手術的肝臟，使用區域增長算法得到初始分割結果，將該分割結果表示成形狀庫中的形狀的稀疏線性組合表達；該稀疏線性組合表達的結果作為該肝臟的先驗形狀；第三步，利用所述先驗形狀定義速度函數，計算種子點行進到未分類的點的到達時間， 根據到達時間對肝臟及其內部組織進行分割，同時分割出肝實質，門靜脈，肝靜脈和腫瘤； 第四步，利用肝靜脈的分割結果，將肝臟分成功能上獨立的八個肝段，并計算各個肝段和腫瘤的體積；第五步，分割和分段結果的三維可視化。2.根據權利要求I所述的計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，其特征在于，所述第二步中稀疏線性組合表達如下(1)對于肝臟形狀庫中第i個形狀，將所有頂點的坐標按順序排列一個η維列向量 Cli e Rn，其中n是頂點數量與坐標維數的乘積；(2)—個包含L個肝臟的形狀庫表示成一個含有L個η維列向量的矩陣的形式D =— I L[Cl1, d2,. .，dj，該形狀庫中的平均形狀為:3.根據權利要求I所述的計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，其特征在于，所述的第三步中對肝臟及其內部組織進行分割的過程如下(I)計算結合先驗形狀的速度函數在選取肝實質，門靜脈，肝靜脈和腫瘤的種子點以后，通過快速行進算法計算種子點到未分類的點的到達時間，在每一個未分類點處，某一類組織的種子點在該點的行進速度的定義基于該點的灰度和該點與先驗形狀的空間位置關系；行進速度定義如下V (X，C) = λ Jintensity(x, c) + λ 2Vshape (X)其中X表示未分類的點，C代表某一個組織分類，是肝實質，肝靜脈，門靜脈和腫瘤其中的一種；λ i和λ 2分別是速度函數中灰度項Vintmsity (X，C)和形狀項Vshape(X)的權重系數；灰度項 Viiiteiisity(x, c)定義如下4.根據權利要求I所述的計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，其特征在于，所述的第四步中肝臟分段的方法如下根據肝臟門靜脈的分割結果，提取門靜脈的骨架，將分割結果從二值圖像轉化成樹的結構。用戶通過交互的方式選擇每個肝段所屬血管的根節點，然后自動由根節點出發，找到各血管分支的子分支，從而完成肝臟門靜脈的分段；得到門靜脈的劃分結果之后，采用K鄰近點算法對肝臟進行分段，即將肝實質歸為離它最近的門靜脈所在的段，利用門靜脈的標記，完成肝臟的分段。全文摘要本專利技術涉及一種計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，包括以下幾個步驟第一步，建立正常人肝臟形狀庫；第二步，對待手術肝臟，將肝臟區域的初始分割結果使用一種基于稀疏表達的方法進行建模，消除奇異點和噪聲數據的干擾，得到具有病人適應性的肝臟區域的先驗形狀；第三步，利用先驗形狀對肝臟進行精確分割，同時分割出肝實質，門靜脈本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種計算機輔助肝臟手術規劃系統的實現方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步，將大量人群的三維腹部CT圖像中的肝臟分割出來，提取表面網格，得到一系列標記點和三角形面片組成的網格表面，建立肝臟形狀庫；第二步，對待手術的肝臟，使用區域增長算法得到初始分割結果，將該分割結果表示成形狀庫中的形狀的稀疏線性組合表達；該稀疏線性組合表達的結果作為該肝臟的先驗形狀；第三步，利用所述先驗形狀定義速度函數，計算種子點行進到未分類的點的到達時間，根據到達時間對肝臟及其內部組織進行分割，同時分割出肝實質，門靜脈，肝靜脈和腫瘤；第四步，利用肝靜脈的分割結果，將肝臟分成功能上獨立的八個肝段，并計算各個肝段和腫瘤的體積；第五步，分割和分段結果的三維可視化。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：董斌，王國泰，王洪瑞，顧力栩，
申請(專利權)人：河北大學，
類型：發明
國別省市：