專利名稱：一種血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，以腔內(nèi)隔絕術(shù)為代表的腔內(nèi)血管外科手術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，已逐漸替 代許多傳統(tǒng)血管手術(shù)。腔內(nèi)手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)的方法和實(shí)現(xiàn)步驟截然不同，它們對(duì)血管影像 學(xué)評(píng)估的依賴程度也不同。傳統(tǒng)手術(shù)是在直視下依靠眼、手三維坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行的，醫(yī)生可從 外側(cè)和內(nèi)側(cè)直接觀察并準(zhǔn)確測(cè)量病變段血管，并能根據(jù)需要對(duì)人工血管等手術(shù)材料進(jìn)行任 意的裁剪，以適應(yīng)不同解剖結(jié)構(gòu)的需要。所以，傳統(tǒng)手術(shù)對(duì)于術(shù)前獲得精確的血管形態(tài)學(xué)數(shù) 據(jù)沒(méi)有過(guò)高的要求。而腔內(nèi)手術(shù)則不同。首先，醫(yī)生對(duì)手術(shù)野的觀察和操作需通過(guò)平面的 X線監(jiān)視屏進(jìn)行，即依靠眼、器械二維坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行，因此，醫(yī)生充分了解病變段血管三維解 剖形態(tài)極為重要。其次，腔內(nèi)手術(shù)只能通過(guò)影像學(xué)檢查進(jìn)行各種參數(shù)的測(cè)量，且對(duì)血管長(zhǎng) 度、口徑等參數(shù)測(cè)量的精確性要求很高。再次，腔內(nèi)手術(shù)使用的各種移植物的規(guī)格是恒定 的，進(jìn)入體內(nèi)后被允許的修正范圍很小，因此，必須在手術(shù)前就選擇好合適規(guī)格的移植物。 錯(cuò)誤或不準(zhǔn)確的術(shù)前評(píng)估可準(zhǔn)確性不足的影像學(xué)評(píng)估可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的手術(shù)決策、手術(shù)規(guī)劃 和移植物選擇，進(jìn)而直接導(dǎo)致腔內(nèi)手術(shù)的失敗或嚴(yán)重并發(fā)癥，使病人被迫中轉(zhuǎn)傳統(tǒng)手術(shù)甚 至面臨生命危險(xiǎn)。CT 血管造影(computed tomographic angiography, CTA)及其三維重建具有安全 無(wú)創(chuàng)、掃描速度快、分辨力高、可將斷層圖像重建為各種三維圖像等優(yōu)點(diǎn)，能使醫(yī)生充分了 解血管立體空間構(gòu)型并測(cè)量各種參數(shù)，是目前使用最廣的血管影像學(xué)評(píng)估技術(shù)。為血管外 科手術(shù)提供了功能強(qiáng)大、直觀準(zhǔn)確的影像學(xué)檢查手段。但CT工作站的圖像后處理軟件無(wú)法 為血管外科醫(yī)生獲得和使用，目前的狀況是由放射科醫(yī)生執(zhí)行數(shù)據(jù)掃描和三維重建，并完 成基本的測(cè)量評(píng)估工作后，將CT膠片和測(cè)量數(shù)據(jù)移交給血管外科醫(yī)生，再由其根據(jù)所得到 的資料最終完成影像學(xué)評(píng)估和移植物規(guī)劃工作。盡管血管外科醫(yī)生得到的CT膠片上包括 若干角度的3D影像，但這僅僅是平面化和固化了的3D影像，無(wú)法使血管外科醫(yī)生在計(jì)算機(jī) 顯示器上根據(jù)需要作任意角度的旋轉(zhuǎn)和觀察，而且在腔內(nèi)手術(shù)中也無(wú)法得到3D模型的指 導(dǎo)，影響其對(duì)術(shù)中情況的判斷和決策。因此，目前的放射科至血管外科的移交模式，在相當(dāng) 大的程度上損失了 CTA的信息量，影響了術(shù)前評(píng)估的效果。更重要的是，血管外科醫(yī)生和放 射科醫(yī)生的專業(yè)視角不盡相同，他們對(duì)測(cè)量位置、徑線、角度的選擇可能出現(xiàn)分歧，而且，目 前CT工作站對(duì)血管長(zhǎng)度、口徑等測(cè)量方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性嚴(yán)重不足。比如，其對(duì)血管長(zhǎng) 度的測(cè)量是通過(guò)在血管影像中沿血管走向劃出若干條連續(xù)的直線，再利用直線距離測(cè)量工 具測(cè)出它們的總長(zhǎng)度，作為血管的長(zhǎng)度。由于血管的走行常常并非直線，而是彎曲的或成角 扭轉(zhuǎn)，因此，以上把曲線直線化的測(cè)量方法很不精確。再如，其對(duì)血管直徑的測(cè)量是通過(guò)人 工選擇與血流軸向相垂直的平面，也稱垂幕切面，在該平面上測(cè)量直徑，但要在橢圓或不規(guī) 則形的垂幕切面選定能代表真正直徑的測(cè)量徑線仍很困難，存在著較大的偶然誤差，加上 其垂幕切面是人工選定的，垂直性不能保證。以上這些情況和問(wèn)題的存在，嚴(yán)重制約了 CTA的影像學(xué)評(píng)估作用。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述問(wèn)題，本發(fā)明研究并開(kāi)發(fā)了血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)，它是在CT 工作站DICOM斷層掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用血管外科學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理和三維 重建、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、生物力學(xué)等多門(mén)學(xué)科技術(shù)，開(kāi)發(fā)出的一種隨時(shí)使用的、更加精確的 計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還有望在血管外科科研、教學(xué)、手術(shù)培訓(xùn)等方面 發(fā)揮作用。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適合在大中小各型醫(yī)院的血管外科中心推廣使用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系 統(tǒng)，本系統(tǒng)內(nèi)容包括(A) CTA斷層掃描圖像從CT工作站到PC的傳輸，傳輸?shù)姆绞桨ňW(wǎng)卡連接、刻錄光 盤(pán)、CT膠片掃描；(B)CTA斷層掃描圖像三維重建，三維重建的方法包括表面遮蓋顯示法(SSD)、最 大密度投影法(MIP)、多平面重建法(MPR)，獲得各種真實(shí)清晰的三維模型和圖像，可以隨 時(shí)隨地的觀察血管三維空間結(jié)構(gòu)，也為各種血管幾何參數(shù)的三維測(cè)量奠定了基礎(chǔ)；(C)血管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量；(D)動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)虛擬移植物。上述(C)血管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量中測(cè)量血管長(zhǎng)度的方法為用血管SSD圖像的線框圖， 將血管開(kāi)始點(diǎn)至結(jié)束點(diǎn)之間各橫斷面中心點(diǎn)以曲線連接，以該曲線的長(zhǎng)度作為測(cè)量對(duì)象， 通過(guò)計(jì)算連接曲線上的像素點(diǎn)之間的距離之和得到血管長(zhǎng)度，從而可更準(zhǔn)確地測(cè)量血管長(zhǎng)
度□口 ^(XiOi □ Xi)2 □(加 1 π Xi)2 π (zm □ Zi)2 (χ, y, ζ 為橫斷面中心點(diǎn)的坐標(biāo))。上述(C)血管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量中測(cè)量血管內(nèi)徑的方法為通過(guò)測(cè)量該切面血管周長(zhǎng) 來(lái)計(jì)算血管內(nèi)徑，首先通過(guò)點(diǎn)法線方程自動(dòng)獲得真正的MPR垂幕切面^和S2為血管的兩 個(gè)相鄰橫斷面，其中點(diǎn)分別為C1U1, Y1, Z1)和C2 (x2，y2, z2)，由于S1與S2的間距很小，C1與 C2之間的連線C1C2可以近似地視為垂幕切面S的法線n，并可以得到法線的方向{a，b，c}， 法線與S的交點(diǎn)為C，然后，根據(jù)點(diǎn)法線方程便可列出垂幕切面S的方程，作為直徑測(cè)量的平 臺(tái)a(x □ X1) Db(y □ Y1) □ C (ζ □ Z1) □ 0 ；支架等移植物置入血管后，理想情況下應(yīng)該 與血管壁緊密貼合，血管應(yīng)被撐擴(kuò)為正圓形。由于各種形狀的血管周長(zhǎng)都能通過(guò)計(jì)算機(jī)精 確測(cè)量，因此本系統(tǒng)通過(guò)血管周長(zhǎng)P計(jì)算出血管變?yōu)閳A形后的直徑d:dDp/< (π為圓周 率)。上述(D)動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)虛擬移植物是通過(guò)圖像分割并重建動(dòng)脈和瘤腔的SSD 模型，再將其轉(zhuǎn)換為線框圖；通過(guò)各個(gè)橫斷面上瘤腔輪廓線的中點(diǎn)形成一條連線，作為瘤腔 幾何中心線，呈鋸齒狀，再對(duì)其進(jìn)行中值濾波平滑處理，得到一條比較光滑的中心線；在此 基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬移植物內(nèi)部的彈性力和外部瘤體對(duì)移植物的約束力，預(yù)測(cè)移植物在瘤腔 內(nèi)的走行方向；再根據(jù)測(cè)定的瘤頸直徑在最低腎動(dòng)脈開(kāi)口下方確定移植物起始平面的位置 和大小，并沿預(yù)測(cè)的走行方向逐漸向下生長(zhǎng)，直至遠(yuǎn)端瘤口，得到虛擬移植物的線框圖，最 后根據(jù)移植物的中心線測(cè)量移植物的長(zhǎng)度。本系統(tǒng)還包括交互式的中文圖形界面，能穩(wěn)定運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)中， 具有完整的數(shù)據(jù)輸入功能、圖像后處理功能、結(jié)果輸出功能和用戶操作功能。
本系統(tǒng)包括各種血管三維測(cè)量軟件，提供更科學(xué)、更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。除常見(jiàn)的距 離、周長(zhǎng)、角度、面積、體積等測(cè)量工具外，還針對(duì)血管走行常有曲折或彎曲的形態(tài)特點(diǎn)，發(fā) 明了一種血管長(zhǎng)度專用測(cè)量工具，并發(fā)明了一種自動(dòng)尋找血管垂直截面的技術(shù)，用來(lái)更準(zhǔn) 確測(cè)量血管內(nèi)徑。此外，本系統(tǒng)還針對(duì)動(dòng)脈瘤常呈不規(guī)則偏心膨大的特點(diǎn)，發(fā)明了一種“虛 擬移植物”技術(shù)，以預(yù)測(cè)動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)移植物的走行和長(zhǎng)度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下技術(shù)特點(diǎn)本發(fā)明的血管外科手術(shù)計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)，可方便的將CT工作站的 DICOM斷層掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)中；系統(tǒng)的三維測(cè)量，特別是自動(dòng)垂幕切面技術(shù)和符合血管 解剖特點(diǎn)的長(zhǎng)度與直徑自動(dòng)測(cè)量方法，可更準(zhǔn)確地測(cè)量血管參數(shù)；系統(tǒng)的虛擬移植物技術(shù)， 可為腔內(nèi)隔絕術(shù)提供更具前瞻性的的術(shù)前影像學(xué)評(píng)估。本發(fā)明是一種適合人們隨時(shí)使用的、更加精確的計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。此 外，本發(fā)明在血管外科科研、教學(xué)、手術(shù)培訓(xùn)等方面發(fā)揮作用。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠， 適合在大中小各型醫(yī)院的血管外科中心推廣使用。


圖1為三維重建流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了網(wǎng)卡、光盤(pán)、CT膠片等3種數(shù)據(jù)輸入方法，可方便地通過(guò)這些方式將 CT工作站內(nèi)的原始CTA斷層掃描數(shù)據(jù)輸入本系統(tǒng)。圖1為CT斷層圖像三維重建軟件流程圖，在原始斷層圖像預(yù)處理和各種組織結(jié)構(gòu) 分割的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了表面遮蓋顯示法、最大密度投影法、多平面重建法三種廣泛應(yīng)用的醫(yī) 學(xué)影像三維重建方法，并通過(guò)正平行投影、消隱處理、光照模型和坐標(biāo)變換等方法，實(shí)現(xiàn)三 維模型的二維顯示及平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)顯示等功能。在三維圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行距離、周長(zhǎng)、角度、面積、體積等常規(guī)測(cè)量，以及本系統(tǒng)發(fā) 明的針對(duì)血管形態(tài)特點(diǎn)的血管長(zhǎng)度測(cè)量和血管直徑測(cè)量，為手術(shù)提供更科學(xué)、更精確的測(cè) 量數(shù)據(jù)。其中，在血管直徑測(cè)量中，系統(tǒng)應(yīng)用了本發(fā)明中的自動(dòng)垂幕截面技術(shù)。對(duì)于動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)，還要通過(guò)本系統(tǒng)的動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)虛擬移植物技術(shù)， 以科學(xué)預(yù)測(cè)動(dòng)脈瘤中移植物的實(shí)際走行方向，更準(zhǔn)確地選擇移植物的最佳長(zhǎng)度。
權(quán)利要求
一種血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)內(nèi)容包括(A)CTA斷層掃描圖像從CT工作站到PC的傳輸，傳輸?shù)姆绞桨ňW(wǎng)卡連接、刻錄光盤(pán)、CT膠片掃描；(B)CTA斷層掃描圖像三維重建，三維重建的方法包括表面遮蓋顯示法(SSD)、最大密度投影法(MIP)、多平面重建法(MPR)，獲得各種真實(shí)清晰的三維模型和圖像，可以隨時(shí)隨地的觀察血管三維空間結(jié)構(gòu)，也為各種血管幾何參數(shù)的三維測(cè)量奠定了基礎(chǔ)；(C)血管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量；(D)動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)虛擬移植物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于上述(C) 血管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量中測(cè)量血管長(zhǎng)度的方法為用血管SSD圖像的線框圖，將血管開(kāi)始 點(diǎn)至結(jié)束點(diǎn)之間各橫斷面中心點(diǎn)以曲線連接，以該曲線的長(zhǎng)度作為測(cè)量對(duì)象，通過(guò)計(jì)算 連接曲線上的像素點(diǎn)之間的距離之和得到血管長(zhǎng)度，從而可更準(zhǔn)確地測(cè)量血管長(zhǎng)度ΖΠ[] □！ □ Xi)2 □ (yim □ Xi)1 □ (zim D Zi)1 (x, y, Z 為橫斷面中心點(diǎn)的坐標(biāo))。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于上述(C)血 管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量中測(cè)量血管內(nèi)徑的方法為通過(guò)測(cè)量該切面血管周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算血管內(nèi)徑， 首先通過(guò)點(diǎn)法線方程自動(dòng)獲得真正的MPR垂幕切面^和S2為血管的兩個(gè)相鄰橫斷面， 其中點(diǎn)分別為C1U1, Y1, Z1)和C2 (x2，y2, z2)，由于S1與S2的間距很小，C1與C2之間的連 線C1C2可以近似地視為垂幕切面S的法線n，并可以得到法線的方向{a，b，c}，法線與S 的交點(diǎn)為C，然后，根據(jù)點(diǎn)法線方程便可列出垂幕切面S 的方程，作為直徑測(cè)量的平臺(tái) a (χ □ X1) □ b (y □ Yl) □ c(z □ Z1) □ 0 ；支架等移植物置入血管后，理想情況下應(yīng)該與血 管壁緊密貼合，血管應(yīng)被撐擴(kuò)為正圓形；由于各種形狀的血管周長(zhǎng)都能通過(guò)計(jì)算機(jī)精確測(cè) 量，因此本系統(tǒng)通過(guò)血管周長(zhǎng)P計(jì)算出血管變?yōu)閳A形后的直徑d:dDp/< (π為圓周率)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于上述(D)動(dòng) 脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)虛擬移植物是通過(guò)圖像分割并重建動(dòng)脈和瘤腔的SSD模型，再將其轉(zhuǎn)換為 線框圖；通過(guò)各個(gè)橫斷面上瘤腔輪廓線的中點(diǎn)形成一條連線，作為瘤腔幾何中心線，呈鋸齒 狀，再對(duì)其進(jìn)行中值濾波平滑處理，得到一條比較光滑的中心線；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬移 植物內(nèi)部的彈性力和外部瘤體對(duì)移植物的約束力，預(yù)測(cè)移植物在瘤腔內(nèi)的走行方向；再根 據(jù)測(cè)定的瘤頸直徑在最低腎動(dòng)脈開(kāi)口下方確定移植物起始平面的位置和大小，并沿預(yù)測(cè)的 走行方向逐漸向下生長(zhǎng)，直至遠(yuǎn)端瘤口，得到虛擬移植物的線框圖，最后根據(jù)移植物的中心 線測(cè)量移植物的長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種血管計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。本系統(tǒng)內(nèi)容包括(A)CTA斷層掃描圖像從CT工作站到PC的傳輸，傳輸?shù)姆绞桨ňW(wǎng)卡連接、刻錄光盤(pán)、CT膠片掃描；(B)CTA斷層掃描圖像三維重建，三維重建的方法包括表面遮蓋顯示法(SSD)、最大密度投影法(MIP)、多平面重建法(MPR)，獲得各種真實(shí)清晰的三維模型和圖像，可以隨時(shí)隨地的觀察血管三維空間結(jié)構(gòu)，也為各種血管幾何參數(shù)的三維測(cè)量奠定了基礎(chǔ)；(C)血管結(jié)構(gòu)三維測(cè)量；(D)動(dòng)脈瘤腔內(nèi)隔絕術(shù)虛擬移植物。本發(fā)明是一種適合人們隨時(shí)使用的、更加精確的計(jì)算機(jī)輔助影像學(xué)評(píng)估系統(tǒng)。此外，本發(fā)明在血管外科科研、教學(xué)、手術(shù)培訓(xùn)等方面發(fā)揮作用。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適合在大中小各型醫(yī)院的血管外科中心推廣使用。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101923607SQ201010269398
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者馮睿, 景在平, 魏小龍 申請(qǐng)人:馮睿