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肝脏虚拟现实手术仿真的研究
2012年4月26日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:方驰华,杨剑,范应方,周五一,鲍苏苏
    单位:南方医科大学附属珠江医院肝胆外科

    长期以来,临床外科医生企盼能开发出一套适合临床需要的虚拟肝脏手术综合系统。为此作者在前期工作的基础上,采用肝脏管道灌注、冰冻、铣切获得的数据集,使用自由设计模型系统(FreeformModeling System)二次开发,进行虚拟肝脏切割手术的研究,初步结果报告如下。

    1 材料与方法

    1.1 材料和设备

    14个成人离体肝脏标本,4种颜色灌注液,JXl500A垂直的碾磨机,FinePix S2 Pro数码相机(用于灌注肝脏的断面图像的采集)、MIMICS 9.0软件(用于三维重建肝脏模型),Freeform ModelingSystem及其附带的软件GHOST和力反馈设备PHANTOM(建立虚拟肝脏切割手术环境系统)。

    1.2 实验方法

    1.2.1 肝脏标本切片图像数据集的采集将四种颜色灌注液分别对离体肝脏四种管道进行灌注。选择灌注效果最好的一号肝脏标本,用蓝色凝胶包埋,并在肝脏周围放置棕红色的8个直杆标志物作为图像配准点。置一25℃冷库中冷冻3周后,于一27℃条件下采用JXl500A垂直的碾磨机,磨盘直径40mm,转速850 T/min,进行连续等间距0.2 mm削切,使用富士FinePix S2 Pro数码相机摄像采集断面图像。

    采用图像处理软件Irfanview 3.98观察肝脏冰冻铣切断面图像中肝静脉、门静脉、肝动脉、肝管和胆囊结构的分布、行程及相互关系等特征,并将所有图像都转换为BMP格式。

    1.2.2 肝脏图像配准采用外部点力法和力矩法相结合,利用包埋时预先埋在肝脏周围的标志物作为配准点,依据肝脏与这些标志物相对位置不变的特征对图像进行配准。

    1.2.3 肝脏图像分割采用基于微分算子和数学形态学的边缘检测算法,将图像中的肝脏及其内部管道结构分别提取出来。

    1.2.4 肝脏图像的三维重建使用三维重建软件MIMICS 9.0,分割提取肝实质及其内部肝胆结构的轮廓线(Contour line),采用轮廓拼接法及三角面片法重建肝脏及其内部管道的三维模型,并将重建的模型输出为STL(Standard Template Libarary标准模板库)格式。将模型导入Freeform ModelingSystem进行平滑和去噪,在空间上组合和显示各模型,并对该模型进行放大、缩小、旋转等操作,全方位地观察虚拟肝脏及内部各管道结构和空间分布等细节。

    1.2.5 虚拟肝脏切割手术采用Freeform Model—ing System二次开发,进行虚拟肝脏仿真手术。

    (1) 左肝外叶切除术:

    ① 将肝脏和各管道模型导入到Freeform Modeling System中。分别用差别明显的颜色渲染各管道:门静脉蓝色,肝静脉紫色,肝动脉红色,肝管和胆囊黄色,肝脏表面土黄色。

    ② 定义肝脏表面模型部分透明,观察肝内管道结构的分布、走行,根据临床手术原理,设计和确定切除平面。

    ③ 切开肝实质:激活肝脏模型,定义其力反馈强度大小,使用PHANTOM操纵“手术刀”,按设计的手术平面切开肝实质,并移除切除的肝实质部分。

    ④ 左外叶门静脉切除:激活门静脉模型,定义其力反馈强度的大小;使用PHANTOM操纵“手术刀”,在肝切面处切断门静脉;将断面以远的部分消除。

    ⑤分别切除左外叶肝左静脉属支、肝动脉分支和肝管属支,方法均类似左外叶门静脉切除。

    (2) 右肝切除术:

    ① 建立肝脏模型,方法同前。

    ② 确定切除平面和切除范围:通过肝脏表面模型部分透明法,放大、缩小和旋转观察肝内管道结构的分布、走行,根据手术切除原则确定切除平面为下腔静脉右侧和胆囊切迹右侧的连线平面;切除范围包括肝脏V、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ段。

    ③ 切开肝实质及所有经过断面的管道:激活肝脏模型,定义其力反馈强度;使用PHANTOM操纵“手术刀”,按照确定的计划由浅入深分步骤、分层次切开肝实质,在遇到经过断面的管道结构时,给予暴露、游离;根据颜色特征,确定拟切除的管道结构类型,激活相应模型,设定好力反馈强度大小;使用PHANTOM操纵“手术刀”进行切割;肝实质和管道全部切断后,观察切面情况。

    ④ 将切除的右肝部分移除,依次分别激活已与主体分离的右肝各结构并消除;通过放大、缩小、旋转分别观察切面情况。

    2 结果

    2.1 肝脏切片断面图像数据集

    一号肝脏标本共采集图像910张,格式JPEG1748×1812×24b,数据集大小494MB。使用图像处理软件Irfanview 3.98分别和连续观察序列的各图像,可清晰显示下腔静脉,肝右、中、左静脉主干及其属支的行程和分布,肝管、肝动脉细小,与门静脉伴行。

    2.2 肝脏图像的配准

    配准的图像在1500×1000的矩形区域,配准良好,包括了所有序列图像的肝脏全貌,图像连续浏览无晃动。

    2.3 肝脏图像的分割

    根据需要对感兴趣区域(Region of Interest,ROD肝实质、肝静脉、下腔静脉、门静脉、肝动脉、肝管和胆囊分别进行分割提取,获取了相应的图像信息。

    2.4 肝脏图像的三维重建

    MIMICS重建的三维肝脏及其内部管道结构表面模型经Freeform Modeling System进行平滑和去噪后,形态逼真。在Freeform Modeling System中可对模型任意放大、缩小、旋转,进行全方位观察。

    2.5 肝脏切割手术仿真

    在建立的虚拟肝脏切割手术虚拟环境系统中,沉浸感强,交互性好。可以使用力反馈设备PHANTOM对立体肝脏模型进行随意放大、缩小、全方位旋转等控制。通过PHANTOM操纵“模拟手术刀”分别模拟左肝外叶和右肝切除手术过程,对肝脏模型进行单一平面或随意切割,并且在切割时实现了“力”的感觉及力反馈的大小。仿真过程基本符合临床肝脏切除的手术过程。

    3 讨论

    3.1 肝脏断面图像三维重建和可视化的意义

    3.1.1 本研究肝脏断面图像三维重建的技术优势由于人体肝脏管道结构复杂,现在国内外整体数字化虚拟人体数据集和现代医学影像设备(螺旋CT、MRI、PET等)扫描数据集有关肝脏结构方面都存在信息不全的问题。本研究的肝脏数据集采用管道色彩定义灌注技术,获得的肝脏管道结构不仅详细,而且计算机容易识别。图像配准时,在肝脏周围预置了棕红色的8个标志物作为配准点,用外部点法结合力矩法,使相邻图像的质心能够更加接近,进一步提高了配准的准确性。同时针对图像数据的颜色特征,依据人视觉上边缘增强的原理,改进了一种基于灰度图像的迭代求图像最佳分割阈值的算法,并提出了一种基于微分算子和数学形态学的边缘检测算法,分割获取的肝脏及其内部管道的轮廓信息良好。使用比利时Materialise公司研发的交互式医学图象控制系统MIMICS三维重建软件,采用面绘制的方法进行肝脏及其管道的三维重建,重建模型立体效果良好,形态逼真,输出为STL(Standard Template Libarary标准模板库)格式,符合研究后续肝脏切除手术所需要标准的三维文件格式。

    3.1.2 肝脏断面图像三维重建和可视化的临床意义肝脏内部管道结构的复杂性和变异性,使肝脏手术成为普通外科的难点与重点。利用数字化数据集进行的肝脏三维重建,其优点是空间结构定位准确,可以立体地从各个角度观察各解剖结构、测量各种数据,系统地研究肝脏的管道结构。为肝脏外科学的发展提供了准确的临床解剖学数据,也为进一步进行肝脏手术规划、模拟和完善手术过程、预测和评估手术结果提供了可靠的基础,解决了螺旋CT等设备不能在其自身上进行二次开发手术规划和手术演练的局限性。

    3.2 肝脏切割手术仿真及其意义

    目前虚拟手术的研究主要集中在神经外科和骨科方面,尤其是术中导航,将虚拟现实增强现实相结合,甚至联合手术机器人在临床成功应用。而虚拟肝脏手术临床报道较少,仅限于肝脏手术的术前评估。本研究利用Freeform Modeling System触觉式设计系统建立的肝切除手术虚拟环境系统主要是针对模拟肝脏切除手术等方面的功能需求,利用计算机等技术对二维医学影像数据进行分析和处理,提供具有真实感的医学图像、模拟手术过程和结果,并可对其它器官类似的切除手术进行模拟。虽然如此,其研究仍然为单个的肝脏标本。为了将研究结果尽快过渡到临床,我们正在应用先进的64层螺旋CT进行国家高技术研究发展(863)计划项目“腹部实质脏器64层螺旋CT数据三维重建及仿真手术研究”,通过收集不同性别、年龄段、身高、体重等正常人及肿瘤病人的数据,建立普遍人群腹部脏器数据库。利用具体肝脏肿瘤患者的影像学检查数据进行图像融合(imagefusing)和更新,制定针对性的、个体化的手术规划。

    通过仿真手术了解肝脏肿瘤的数目、大小、位置,以减少患者不必要的手术暴露,同时估算残留肝体积,为避免手术后肝功能衰竭提供极为重要的依据,以达到提高手术安全性、减少并发症、降低医疗费用的目的。

标签:肝脏手术医疗
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