一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统技术方案

本发明专利技术属医学图像处理及应用领域，涉及一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，具体涉及一种神经外科术中脑组织变形矫正系统。该系统包括脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台。脑组织变形矫正系统工作台搭载脑组织变形矫正软件系统，可以通过无线局域网与神经外科手术导航系统通讯。所述脑组织变形矫正软件系统包含三维可视化模块、标定模块、脑组织提取模块、网格化模块、边界条件获取模块、有限元计算模块、术前图像更新模块以及通讯模块。本系统精度可靠，可集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属医学图像处理及应用领域，涉及一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，尤其是一种神经外科术中脑组织变形矫正系统。该系统包括脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台，可集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。
技术介绍
现有技术公开了神经外科导航系统(ImageguidedNeurosurgerySystem,IGNS)有助于改进外科手术质量和减少手术中脑损伤。但是在手术过程中脑组织因为重力、牵拉或者切除作用的影响，会发生变形，导致基于术前图像的神经外科导航系统精度下降。临床实践中采用的，如，术中磁共振成像能够为术中脑组织提供实时图像，被认为一种有效的术中处理脑移位的方法，但是术中磁共振技术价格昂贵，限制了其临床应用；生物力学模型，利用软组织的生物力学属性约束软组织的运动特征，并借助有限元方程以及术中稀疏数据推定整个脑组织变形情况，能够克服术中影像的缺点，Miga[1,2]等采用固结理论模型模拟与矫正开颅后脑组织的变形情况，并通过动物试验证明：固结理论模型可矫正75％左右的脑组织变形误差；另外的4例临床病例证明：改进后固结理论模型平均矫正率可达79％，该方法的缺陷在于边界条件的获取非常困难，这是因为术中脑脊液的流失量是固结理论模型求解的重要参数，亦即，要获得边界条件，就必须知道开颅后脑脊液的变化情况，这也是临床实践中一直想解决而未解决的难题；Ferrant[3]等使用线弹性生物力学模型建模，使用术中磁共振获取边界条件，采用该方法将脑皮层表面位移误差降至1mm左右，该方法最大的缺陷是没有摆脱对术中磁共振的依赖。相对于固结理论模型而言，线弹性模型采用表面力或表面位移为边界条件，若利用三维扫描仪等廉价的术中辅助设备，再结合表面跟踪算法则能够方便地获得边界条件，便于临床应用。基于现有技术的现状，本申请的专利技术人拟提供一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，尤其是一种神经外科术中脑组织变形矫正系统，进而帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。与本专利技术有关的参考文献有：[1]M.I.Miga,K.D.Paulsen,P.J.Hoopes,F.E.Kennedy,Jr.,A.Hartov,andD.W.Roberts,\Invivoquantificationofahomogeneousbraindeformationmodelforupdatingpreoperativeimagesduringsurgery,\IEEETransBiomedEng,vol.47,pp.266-73,2000.[2]M.I.Miga,K.D.Paulsen,J.M.Lemery,S.D.Eisner,A.Hartov,F.E.Kennedy,andD.W.Roberts,\Model-updatedimageguidance:initialclinicalexperienceswithgravity-inducedbraindeformation,\IEEETransMedImaging,vol.18,pp.866-74,1999.[3]M.Ferrant,A.Nabavi,B.Macq,F.A.Jolesz,R.Kikinis,andS.K.Warfield,\Registrationof3-DintraoperativeMRimagesofthebrainusingafinite-elementbiomechanicalmodel,\IEEETransMedImaging,vol.20,pp.1384-97,2001.。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，尤其是一种神经外科术中脑组织变形矫正系统。该系统由脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台组成，脑组织变形工作台通过无线通讯与神经外科手术导航系统进行数据交换，数据包括术前影像、变换矩阵以及矫正更新后影像；该系统可集成在现有神经外科手术导航系统中，帮助实现术中软组织变形矫正，从而大幅度提高导航系统精度，有助于临床应用。本专利技术的基于无线传输的脑组织变形矫正系统，由脑组织变形工作台和三维激光扫描仪组成；脑组织变形工作台搭载脑组织变形矫正软件系统；三维激光扫描仪的扫描分辨率为500微米以上，精度1mm以上。本专利技术中，脑组织变形矫正软件系统包括三维可视化模块、标定模块、脑组织提取模块、网格化模块、边界条件获取模块、有限元计算模块、术前图像更新模块以及通讯模块；其中，三维可视化模块用于对图像序列进行三维可视化显示，标定模块用于获取三维激光扫描仪空间和固定在三维激光扫描仪表面的跟踪工具空间之间的坐标变换关系，脑组织提取模块用于将脑组织从术前图像中提取出来，获得目标组织，网格化模块用于将目标组织离散成为小的网格单元，边界条件获取模块用于获取有限元模型的边界条件，有限元计算模块基于有限元方法计算所有网格节点的位移，术前图像更新模块采用插回算法，基于网格节点位移和术前影像计算得到变形后的术前影像，通讯模块用于实现脑组织变形矫正系统与神经外科导航系统的数据交换。具体的，本专利技术中，脑组织变形矫正软件系统，其工作流程如下：(1)术前对三维激光扫描仪标定，获得三维激光扫描仪空间和固定在三维激光扫描仪表面的跟踪工具空间之间的空间坐标变换关系，将此空间坐标变换关系存储于脑组织变形工作台上；(2)将术前图像从神经外科手术导航系统传输到脑组织变形工作台；(3)采用自动分割算法并结合手动分割方法将脑组织从术前图像中提取出来，获得目标组织；(4)结合类八叉树和MT(MarchingTetrahedron)算法对上述目标进行网格化；(5)建立目标组织的线弹性物理模型，对每一网格单元赋予相应的生物力学属性；(6)借助三维激光扫描仪和子块式表面跟踪算法获得边界条件；(7)采用有限元方法结合边界条件求解线弹性物理模型，获目标组织任意位置的变形；(8)采用反向插回算法基于获得的全脑变形场，即变形后网格更新术前三维图像数据，并进行三维可视化显示。(9)将预测更新后图像通过通讯模块传输回神经外科导航系统。其中，三维激光扫描仪标定过程通过标定模块实现，包含以下步骤：(1)启动三维激光扫描仪扫描校准靶，将扫描所得点云文件存入脑组织变形工作台；(2)打开点云文件，从标定靶点云图像中选取5-7个特征点；(3)借助跟踪设备和可被跟踪设备跟踪的探针在标定靶上选取与点云图像中对应的特征点；(4)使用点配准算法，将二者配准，得到三维激光扫描仪空间到跟踪工具空间之间的坐标变换关系。其中，获取术前图像通过通讯模块实现；手术导航系统作为服务器端，脑组织变形矫正系统作为客户端，由客户端首先发出请求，服务器端按照握手命令做出回应；首先通过命令进行握手，然后传输数据，最后通过命令结束传输；所有命令用字符串表示，以CMD开始，其中握手命令为：CMDASKIMG(请求传输术前图像，客户端发出)；CMDREQACK(同意传输，服务器端发出)；结束命令为CMDSENDFIN(传输结束，服务器端发出)。其中，目标脑组织的提取通过脑组织提取模块实现，该模块包含两步：首先使用自动分割算法自动提取脑组织；然后使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，其特征在于，该系统由脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台组成，所述脑组织变形工作台搭载脑组织变形矫正软件系统；三维激光扫描仪的扫描分辨率为500微米以上，精度1mm以上。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传输的脑组织变形矫正系统，其特征在于，该系统由脑组织变形工作台和三维激光扫描仪工作台组成，所述脑组织变形工作台搭载脑组织变形矫正软件系统；三维激光扫描仪的扫描分辨率为500微米以上，精度1mm以上。2.按权利要求1所述的基于无线传输的脑组织变形矫正系统，其特征在于，所述的脑组织变形矫正软件系统包括三维可视化模块、标定模块、脑组织提取模块、网格化模块、边界条件获取模块、有限元计算模块、术前图像更新模块以及通讯模块。3.按权利要求1所述的基于无线传输的脑组织变形矫正系统，其特征在于，所述脑组织变形矫正软件系统其工作流程是：(1)通过通讯模块将术前图像从神经外科手术导航系统传输到脑组织变形工作台；(2)采用自动分割与手动分割相结合的算法将脑组织从术前图像中提取出，获得目标组织；(3)结合类八叉树和MT算法对上述目标进行三维网格；(4)对每一网格单元赋予相应的生物力学属性，建立目标组织的物理模型；(5)借助三维激光扫描仪和子块式表面跟踪算法获得边界条件；(6)结合边界条件与物理模型进行有限元计算，获目标组织任意位置的变形；(7)采用插回算法用获得的变形后网格更新术前三维数据场；(8)将预测更新后图像通过通讯模块传输会神...

【专利技术属性】
技术研发人员：章琛曦，宋志坚，姚德民，史勇红，王满宁，葛炜，高立希，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31