[發明專利]肺穿刺手術最優路徑規劃方法及肺穿刺手術導航系統

有效

• 申請號: 201710654057.7
• 申請日: 2017-08-03
• 公開（公告）號: CN107296645B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 鮑楠;李昂;趙威;李宏;李志洲;張凱;康雁
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: A61B17/34
• 分類號: A61B17/34;A61B34/20;A61B34/10
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 齊勝杰

1.一種肺穿刺手術導航系統，其特征在于，所述肺穿刺手術導航系統運用如下所述的肺穿刺手術最優路徑規劃方法規劃術前手術路徑；

運行在Visual Studio平臺的肺穿刺手術最優路徑規劃方法，包括以下步驟：

S1、基于患者術前的CT圖像進行肺穿刺手術臨床標準的約束性條件定量化分析，并將不滿足約束性條件的穿刺手術路徑篩除；

S2、基于患者術前的CT圖像進行肺穿刺手術臨床標準的目標性條件定量化分析，并建立基于路徑風險的子目標函數；

S3、基于上述約束性條件和目標性條件建立最優路徑模型，求得最優路徑的解集；

所述步驟S1包括以下步驟：

S11、對患者術前的CT圖像進行重要器官避障約束定量化分析，基于器官分割結果及重要器官避障約束對路徑進行篩選；

S12、對患者術前的CT圖像進行穿刺針可達作業范圍約束定量化分析，基于穿刺針的長度對路徑進行篩選；

S13、對患者術前的CT圖像進行入刺角度約束定量化分析，基于穿刺針與皮膚和肺實質在穿刺點處的夾角對路徑進行篩選；路徑與皮膚和肺實質表面在穿刺點處的夾角大于20°的路徑符合要求；

其中，所述步驟S11為：

在患者術前的CT圖像上，設置皮膚表面上所有點的集合為S，基于S集合中任意點P(x,y,z)與腫瘤中心所在的目標點O(x_o,y_o,z_o)確定穿刺手術路徑的方向向量

在患者術前的CT圖像上，從點P(x,y,z)沿著方向向量的方向搜索穿刺手術路徑上的下一個體素點，若下一個體素點不是骨骼、葉間裂和縱膈三個重要器官，則繼續搜索；若是則退出該路徑的搜索；

若該路徑一直搜索到目標點，則此路徑不經過上述三個重要器官，滿足重要器官避障約束限制的條件；

上述三個重要器官的分割結果是通過基于胸部CT圖像的分割方法獲得；

所述步驟S2包括以下步驟：

S21、對患者術前的CT圖像進行路徑相關長度子目標的量化分析，分為路徑的總長度和路徑在肺內的長度；

S22、對患者術前的CT圖像進行路徑相關距離子目標的量化分析，分為路徑與重要器官的距離以及路徑延長線與重要器官的距離；

S23、對患者術前的CT圖像進行路徑相關角度子目標的量化分析，分為路徑與皮膚入刺角以及路徑與肺實質的入刺角。

2.根據權利要求1所述的肺穿刺手術導航系統，其特征在于：所述步驟S12為：

在患者術前的CT圖像上，根據穿刺針的長度，從腫瘤中心所在的目標點O(x_o,y_o,z_o)出發，確定穿刺針作業范圍的極限位置，極限位置所包圍的穿刺針入刺點到目標點O(x_o,y_o,z_o)的路徑距離小于等于穿刺針長度的皮膚點區域為穿刺針可達作業范圍，篩除超過穿刺針可達作業范圍的皮膚點。

3.根據權利要求2所述的肺穿刺手術導航系統，其特征在于：所述步驟S13為：

在患者術前的CT圖像上，計算穿刺路徑與皮膚和肺實質在交點處的表面法向量大小，計算穿刺路徑的方向向量與表面法向量的夾角，該夾角的余角為路徑與表面在穿刺點處的夾角，即入刺角；

當入刺角滿足大于設定角度時，滿足穿刺角度約束條件，篩除不滿足穿刺角度約束條件的對應的穿刺手術路徑。

4.根據權利要求3所述的肺穿刺手術導航系統，其特征在于：所述步驟S21為：

計算每條路徑的總長度和每條路徑在肺內的長度，使用min-max標準化方法對這兩個長度進行歸一化處理，定義路徑在肺內的長度條件及路徑總長度條件下路徑風險的子目標函數。

5.根據權利要求4所述的肺穿刺手術導航系統，其特征在于：所述步驟S22為：

計算每條路徑與設定的重要器官之間的最短距離以及每條路徑延長線與設定的重要器官之間的最短距離，定義路徑與重要器官最短距離條件以及路徑延長線與重要器官最短距離條件下路徑風險的子目標函數。