一种影像导航肺部介入手术系统.pdf

本发明公开了一种影像导航肺部介入手术系统，包括：影像获取模块、肺区域重建模块和肺呼吸运动模型构建模块、手术器械和手术区域影像空间映射模块、动态病灶空间定位导航模块和影像获取模块；影像获取模块连接肺区域重建模块，肺区域重建模块连接肺呼吸运动模型构建模块，肺呼吸运动模型构建模块连接动态病灶空间定位导航模块，影像获取模块连接手术器械和手术区域影像空间映射模块，手术器械和手术区域影像空间映射模块连接动态病灶空间定位导航模块。本发明实现对动态病灶进行实时空间定位的目标，并可以对肺部小结节的癌变进行早期诊断，空间定位精度误差在2mm以内。

权利要求书一种影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，包括：术前准备模块(1)和术中实施模块(2)，所述术前准备模块(1)包括：影像获取模块(101)、肺区域重建模块(102)和肺呼吸运动模型构建模块(103)，所述术中实施模块(2)包括：手术器械和手术区域影像空间映射模块(201)、动态病灶空间定位导航模块(202)和影像获取模块(205)；所述影像获取模块(101)连接所述肺区域重建模块(102)，输出获取的4D序列影像信息；所述肺区域重建模块(102)连接所述肺呼吸运动模型构建模块(103)，输出肺表、气管和肺血管等的4D结构信息；所述肺呼吸运动模型构建模块(103)连接所述动态病灶空间定位导航模块(202)，输出兼顾气管、血管运动的肺部呼吸运动模型；所述影像获取模块(205)连接所述手术器械和手术区域影像空间映射模块(201)，输出带有标记点的低分辨率3D影像信息；所述手术器械和手术区域影像空间映射模块(201)连接所述动态病灶空间定位导航模块(202)，输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标；所述动态病灶空间定位导航模块(202)构建动态影像，计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置，通过可视化平台，获得实时术中导航信息。
根据权利要求1所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于：所述术前准备模块(1)还包括一针对4D序列影像中基准3D图像操作的手术路径规划模块(12)，所述影像获取模块(101)输出端还连接所述手术路径规划模块(12)并输出获取的4D序列影像信息，所述手术路径规划模块(12)连接所述动态病灶空间定位导航模块(202)并输出病灶位置和大小、创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐标系。
根据权利要求1所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于：所述术中实施模块(2)还包括一针对低分辨率3D影像操作的手术路径规划模块(12)，所述影像获取模块(205)输出端连接所述手术路径规划模块(12)，输出获取的带有标记点的低分辨率3D影像信息，所述手术路径规划模块(12)连接所述动态病灶空间定位导航模块(202)，输出病灶位置和大小、创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐标系。
根据权利要求2或3所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于：所述术中实施模块(2)还包括一透视引导模块(204)，所述透视引导模块(204)连接所述动态病灶空间定位导航模块(202)并输出2D透视影像信息。
根据权利要求4所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述术中实施模块(2)还包括一病灶获取模块(203)，所述动态病灶空间定位导航模块(202)连接所述病灶获取模块(203)。
根据权利要求1或2或3所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于：所述肺区域重建模块(102)包括：图像分割单元和重建单元，其中，所述图像分割单元先将4D序列图像中胸腔区域提取出来，在提取的区域内再将肺表、气管和血管分割出来，并将结果输出至所述重建单元，所述重建单元将序列分割结果进行3D体积重建，结果输出至所述肺呼吸运动模型构建模块(103)。
根据权利要求1或2或3所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述肺呼吸运动模型构建模块(103)包括：可变形配准单元和变形域描述单元，其中，所述可变形配准单元对肺区域结构进行4D可变形配准，输出运动矢量集至所述变形域描述单元，所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域的方式表达，结果传输至所述动态病灶空间定位导航模块(202)。
根据权利要求2或3所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述手术路径规划模块(12)包括：人机交互病灶区标记单元和人机交互创口规划单元，其中，所述人机交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶位置及大小，所述人机交互创口规划单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置，规划手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息，这两个单元输出信息和参考影像空间坐标系传输给所述动态病灶空间定位导航模块(202)。
根据权利要求1或2或3所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述手术器械和手术区域影像空间映射模块(201)包括：标记点选取单元和配准单元，其中，所述标记点选取单元需要介入医生在手术区域物理空间和带有标记点的低分辨率3D影像信息空间一一对应选取标记点，输出两个空间坐标的标记点至所述配准单元，配准单元将这些一一对应的标记点进行空间映射，获得手术区域物理空间与影像空间的映射关系，将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至所述动态病灶空间定位导航模块(202)。
根据权利要求2所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述动态病灶空间定位导航模块(202)包括：配准单元，动态影像构建单元，三维定位单元和影像可视化单元，所述配准单元将低分辨率3D影像空间坐标系统映射到参考影像空间坐标中，同时将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像空间坐标中，输出参考影像空间坐标中的低分辨率3D影像和手术区域坐标到动态影像构建单元，所有空间坐标统一到参考影像空间坐标；所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能，以2D和3D方式显示手术区域器官，手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。
根据权利要求3所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述动态病灶空间定位导航模块(202)包括：动态影像构建单元，三维定位单元和影像可视化单元，所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能，以2D和3D方式显示手术区域器官，手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。
根据权利要求11所述的影像导航肺部介入手术系统，其特征在于，所述动态病灶空间定位导航模块(202)还包括：2D‑3D配准单元，将2D透视影像信息映射到动态影像上，并将映射后的结果传递给三维定位单元，所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，以及动态影像上表现的透视影像信息，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元。

说明书一种影像导航肺部介入手术系统
技术领域
本发明涉及的是一种医疗设备技术领域的系统，具体是一种影像导航肺部介入手术系统。
背景技术
经皮肺穿刺活检法是周围型肺癌小结节诊断的首选方法，借助影像信息进行介入导航，将会极大地提高准确率和安全性。现有的基于影像导航技术的经皮肺穿刺术大体有两种：常规CT引导和CT透视引导。
这两种方法一定程度上均达到了三维显示的目的，介入医生参照显示在计算机监视器上的三维影像观察到手术器械的实际位置，引导微创介入过程。然而这两种技术本身有很大局限性，无论是常规CT引导还是CT透视引导，均没有考虑呼吸运动对于影像导航介入手术的影响，小病灶容易受膈肌呼吸运动的影响，发生偏移，导致影像中的病灶区与实际病灶区空间位置不一致，影响穿刺的一次性命中率。
常规CT引导穿刺过程比较繁琐，需要介入医生来回往返于扫描间与扫描控制室，当探针插入患者胸腔后，需再次进行CT扫描确认探针是否达到病灶区，这一过程容易导致探针的移位，影响病灶组织的提取。
CT透视引导法做到了三维实时显示的目的，缩短了穿刺置针时间，与常规CT引导法相比活检的敏感性和阴性无明显差异，不仅使医生和受检者暴露射线的剂量增加，而且容易损坏CT设备。
此外，没有一套独立的软件平台，只能选用CT生产商所附带的软件，很少提供一些必要的影像处理功能。而且，对于直径＜1cm的小结节，病灶的诊断正确率为66.7％，与直径1‑3cm的病灶诊断准确率82.8％相比，精度还有待于进一步提高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种影像导航肺部介入系统，本系统将兼顾气管和血管运动的肺部呼吸运动模型整合到三维立体定位技术中，对动态病灶及手术器械进行实时空间定位和导航，克服现有CT引导的经皮肺穿刺活检术中静态CT信息与动态内部脏器位置，特别是小病灶位置，不匹配的缺陷。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种影像导航肺部介入手术系统，其包括：术前准备模块和术中实施模块，所述术前准备模块包括：影像获取模块、肺区域重建模块和肺呼吸运动模型构建模块，所述术中实施模块包括：手术器械和手术区域影像空间映射模块、动态病灶空间定位导航模块和影像获取模块；所述影像获取模块连接所述肺区域重建模块，输出获取的4D序列影像信息；所述肺区域重建模块连接所述肺呼吸运动模型构建模块，输出肺表、气管和肺血管等的4D结构信息；所述肺呼吸运动模型构建模块连接所述动态病灶空间定位导航模块，输出兼顾气管、血管运动的肺部呼吸运动模型；所述影像获取模块连接所述手术器械和手术区域影像空间映射模块，输出带有标记点的低分辨率3D影像信息；所述手术器械和手术区域影像空间映射模块连接所述动态病灶空间定位导航模块，输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标；所述动态病灶空间定位导航模块构建动态影像，计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置，通过可视化平台，获得实时术中导航信息。
优选的，所述术前准备模块还包括一针对4D序列影像中基准3D图像操作的手术路径规划模块，所述影像获取模块输出端还连接所述手术路径规划模块并输出获取的4D序列影像信息，所述手术路径规划模块连接所述动态病灶空间定位导航模块并输出病灶位置和大小、创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐标系。
优选的，所述术中实施模块还包括一针对低分辨率3D影像操作的手术路径规划模块，所述影像获取模块输出端连接所述手术路径规划模块，输出获取的带有标记点的低分辨率3D影像信息，所述手术路径规划模块连接所述动态病灶空间定位导航模块，输出病灶位置和大小、创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐标系。
进一步的，所述术中实施模块还包括一透视引导模块，所述透视引导模块连接所述动态病灶空间定位导航模块并输出2D透视影像信息。
进一步的，所述术中实施模块还包括一病灶获取模块，所述动态病灶空间定位导航模块连接所述病灶获取模块。
进一步的，所述肺区域重建模块包括：图像分割单元和重建单元，其中，所述图像分割单元先将4D序列图像中胸腔区域提取出来，在提取的区域内再将肺表、气管和血管分割出来，并将结果输出至所述重建单元，所述重建单元将序列分割结果进行3D体积重建，结果输出至所述肺呼吸运动模型构建模块。
进一步的，所述肺呼吸运动模型构建模块包括：可变形配准单元和变形域描述单元，其中，所述可变形配准单元对肺区域结构进行4D可变形配准，输出运动矢量集至所述变形域描述单元，所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域的方式表达，结果传输至所述动态病灶空间定位导航模块。
进一步的，所述手术路径规划模块包括：人机交互病灶区标记单元和人机交互创口规划单元，其中，所述人机交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶位置及大小，所述人机交互创口规划单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置，规划手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息，这两个单元输出信息和参考影像空间坐标系传输给所述动态病灶空间定位导航模块。
进一步的，所述手术器械和手术区域影像空间映射模块包括：标记点选取单元和配准单元，其中，所述标记点选取单元需要介入医生在手术区域物理空间和带有标记点的低分辨率3D影像信息空间一一对应选取标记点，输出两个空间坐标的标记点至所述配准单元，配准单元将这些一一对应的标记点进行空间映射，获得手术区域物理空间与影像空间的映射关系，将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至所述动态病灶空间定位导航模块。
优选的，所述动态病灶空间定位导航模块包括：配准单元，动态影像构建单元，三维定位单元和影像可视化单元，所述配准单元将低分辨率3D影像空间坐标系统映射到参考影像空间坐标中，同时将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像空间坐标中，输出参考影像空间坐标中的低分辨率3D影像和手术区域坐标到动态影像构建单元，所有空间坐标统一到参考影像空间坐标；所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能，以2D和3D方式显示手术区域器官，手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。
优选的，所述动态病灶空间定位导航模块包括：动态影像构建单元，三维定位单元和影像可视化单元，所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能，以2D和3D方式显示手术区域器官，手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。还包括：2D‑3D配准单元，将2D透视影像信息映射到动态影像上，并将映射后的结果传递给三维定位单元，所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，以及动态影像上表现的透视影像信息，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元。
与现有技术相比，本发明针对影像导航介入手术，引入呼吸运动模型，解决了受自主呼吸运动影像，手术区域与其静态导航影像空间坐标不一致的难题，从而实现对动态病灶进行实时空间定位的目标。本发明可以对肺部小结节的癌变进行早期诊断，空间定位精度误差在2mm以内。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1给出了本发明的影像导航肺部介入手术系统的一实施例的结构示意图。
图2给出了本发明的影像导航肺部介入手术系统的另一实施例的结构示意图。
图中标号说明：1、术前准备模块，101、影像获取模块，102、肺区域重建模块，103、肺呼吸运动模型构建模块，12、手术路径规划模块，2、术中实施模块，201、手术器械和手术区域影像空间映射模块，202、动态病灶空间定位导航模块，203、病灶获取模块，204、透视引导模块，205、影像获取模块。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的影像导航肺部介入手术系统，包括：术前准备模块1和术中实施模块2，所述术前准备模块1包括：影像获取模块101、肺区域重建模块102和肺呼吸运动模型构建模块103，所述术中实施模块2包括：手术器械和手术区域影像空间映射模块201、动态病灶空间定位导航模块202和影像获取模块205；所述影像获取模块101连接所述肺区域重建模块102，输出获取的4D序列影像信息；所述肺区域重建模块102连接所述肺呼吸运动模型构建模块103，输出肺表、气管和肺血管等的4D结构信息；所述肺呼吸运动模型构建模块103连接所述动态病灶空间定位导航模块202，输出兼顾气管、血管运动的肺部呼吸运动模型；所述影像获取模块205连接所述手术器械和手术区域影像空间映射模块201，输出带有标记点的低分辨率3D影像信息；所述手术器械和手术区域影像空间映射模块201连接所述动态病灶空间定位导航模块202，输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标；所述动态病灶空间定位导航模块202构建动态影像，计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置，通过可视化平台，获得实时术中导航信息。
进一步的，所述术前准备模块1还包括一针对4D序列影像中基准3D图像操作的手术路径规划模块12，所述影像获取模块101输出端还连接所述手术路径规划模块12并输出获取的4D序列影像信息，所述手术路径规划模块12连接所述动态病灶空间定位导航模块202并输出病灶位置和大小，创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐标系。
进一步的，所述术中实施模块2还包括一透视引导模块204，所述透视引导模块204连接所述动态病灶空间定位导航模块202并输出2D透视影像信息。
进一步的，所述术中实施模块2还包括一病灶获取模块203，所述动态病灶空间定位导航模块202连接所述病灶获取模块203。
进一步的，所述的肺区域重建模块102包括：图像分割单元和重建单元，其中，所述图像分割单元将4D序列图像中胸腔区域提取出来，在提取的区域内再将肺表、气管和血管分割出来，并将结果输出至所述重建单元，所述重建单元将序列分割结果进行3D体积重建，结果输出至肺呼吸运动模型构建模块103。
通过对采用日本东芝Aquilion One，320排、640层CT机对患者包括病灶区的胸部(肺部)进行4D计算机断层扫描(CT)，扫描范围自胸廓入口至膈肌水平，嘱病人平静呼吸。扫描参数如下：120kv管电压，25有效毫安秒，0.5s转速，0.5‑1mm重建层厚，0.5‑1mm重建间隔，扫描总时长10.5s，共采集3‑5个呼吸周期。在三维工作站上行MPR、MIP和VR后处理。将采集的4D序列影像数据以DICOM(Digitalimaging and Communications in Medicine)格式输入到肺区域重建模块。图像分割单元将4D序列胸部扫描图像中胸腔区域提取出来，在此基础上，分割肺表、气管和血管组织，以不同的数值对分割区域做标记。重建单元对标记后的序列断层图像进行3D体积重建，最终的肺区域(包括肺表、气管、血管)序列解剖结构传输至肺呼吸运动模型构建模块103。
进一步的，所述的肺呼吸运动模型构建模块103包括：可变形配准单元和变形域描述单元，其中，所述可变形配准单元对肺区域结构进行4D可变形配准，输出运动矢量集至所述变形域描述单元，所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域的方式表达，结果传输至所述动态病灶空间定位导航模块202。
可变形配准单元对序列肺表、气管和血管的三维结构进行可形变配准，以第一个屏气时获得影像数据为基准时间点，其它时间点的肺区域解剖结构与基准时间点的肺区域解剖结构进行可形变配准，从而获得肺区域表面、气管以及血管在不同时间点的运动矢量集，再将所有周期对应时间点的运动矢量集取平均，就得到肺区域表面、气管和血管解剖结构每个呼吸周期的的运动矢量集。变形域描述单元，对这些结构的运动矢量集进行主成成分分析，以形变域的方式表达，结果传输至动态病灶空间定位导航模块202。
进一步的，所述手术路径规划模块12包括：人机交互病灶区标记单元和人机交互创口规划单元，其中，所述人机交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶位置及大小，所述人机交互创口规划单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置，规划手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息，这两个单元输出信息和参考影像空间坐标系传输给所述动态病灶空间定位导航模块202。
所述的手术路径规划模块12针对序列体数据图像中的基准时间点的3D体数据(参考影像)进行操作。介入医生通过人机交互病灶区标记单元对基准时间点的3D体数据中的病灶区进行半自动圈定，介入医生通过浏览3D断层数据，确定病灶区(小结节)的位置，用鼠标或者触摸笔标记病灶区域中心点，边界曲线以中心点向外扩张到小结节边缘停止，如果医生认为病灶区边界不准确，可以通过鼠标或者触摸笔重新圈定病灶区域(位置和大小)。之后，介入医生根据病灶位置，通过浏览3D断层影像，避开血管和液化坏死组织，选择合适的穿刺进针点，标定体表创口位置，其与病灶区域的连线，就确定了器械介入的路径，这包括手术器械通过创口进入人体的角度和深度。创口位置的选择非常重要，合适的选择可以极大地避免气胸的发生。以上信息传输至动态病灶空间定位导航模块202。
进一步的，所述手术器械和手术区域影像空间映射模块201包括：标记点选取单元和配准单元，其中，所述标记点选取单元需要介入医生在手术区域物理空间和带有标记点的低分辨率3D影像信息空间一一对应选取标记点，输出两个空间坐标的标记点至所述配准单元，配准单元将这些一一对应的标记点进行空间映射，获得手术区域物理空间与影像空间的映射关系，将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至所述动态病灶空间定位导航模块202。
手术实施前，介入医生需要在手术区域表面粘贴若干个医用标记点，用于后续配准。尽可能让患者取最舒适体位，在屏气状态下，对患者进行低分辨率小剂量3D扫描，这套3D体数据用于影像导航的“参考地图”。标记点选取单元要求医生在空间追踪定位器下，依次选取贴于手术区域的标记点，然后医生再在低分辨率3D断层图像中，依次一一对应的选取标记点，使手术区域物理空间坐标系中的标记点与影像空间坐标系中的标记点建立一一对应关系。配准单元通过两组不同空间坐标系中的标记点的配准，将实际物理空间与用于导航的影像空间匹配一致，并将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标输出至动态病灶空间定位导航模块202。本实例中，空间追踪定位器采用加拿大Northern Digital公司生产的三维立体定位测量仪Aurora。
进一步的，所述动态病灶空间定位导航模块202包括：配准单元，动态影像构建单元，三维定位单元和影像可视化单元，所述配准单元将低分辨率3D影像空间坐标系统映射到参考影像空间坐标中，同时将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像空间坐标中，输出参考影像空间坐标中的低分辨率3D影像和手术区域坐标到动态影像构建单元，所有空间坐标统一到参考影像空间坐标；所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能，以2D和3D方式显示手术区域器官，手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。
依据病人获取序列影像时的呼吸频率，介入医生对其进行呼吸训练，使其以正常的频率呼吸。配准单元将低分辨率3D体数据(屏气时)与序列体数据图像中的基准时间点的3D体数据(参考影像)进行配准，所有空间坐标统一到参考影像空间坐标中：将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像空间坐标中，输出参考影像空间坐标中的低分辨率3D影像和手术区域坐标到动态影像构建单元；所述动态影像构建单元以参考影像空间坐标中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；三维定位单元通过坐标映射关系，在参考影像空间坐标中，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；影像可视化单元以2D和3D方式显示手术区域器官，包括病灶的形态以及手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。
进一步的，所述术中实施模块2还包括一病灶获取模块203，所述动态病灶空间定位导航模块202连接所述病灶获取模块203。
本实例通过以下方式进行工作：手术前，首先要患者放松，在自然平稳呼吸的情况下进行序列计算机断层扫描(CT)，扫描范围为患者胸部，包括整个肺部，连续扫描3个呼吸周期。平均每个呼吸周期有2～3个序列的3D体数据。将扫描获得的4D影像数据以DICOM格式输入至肺区域重建模块102，重建患者手术区域的肺表、气管和血管的序列结构信息，利用肺表、气管和血管的4D体数据，肺呼吸运动模型构建模块103获得肺呼吸运动导致的肺表、气管和血管的变形域。同时从4D影像数据中选取第一个屏气时间点的3D数据作为基准体数据传输至手术路径规划模块12，确定病灶区域的位置和大小，创口位置以及进针角度与深度等与介入有关的重要参数，该3D数据的空间域为影像导航手术中的参考影像坐标系。
手术实施伊始，介入医生首先在患者肺区域表面粘贴5‑6个标记点，患者以舒服的姿势静止在CT床上，在屏气的状况下进行低分辨率小剂量CT扫描，获得一套低分辨率3D影像体数据。介入医生分别在患者肺域表面和低分辨率3D影像数据中依次选择标记点，将手术区域实际物理空间坐标系转换到低分辨率3D影像体数据空间坐标系中。在动态病灶空间定位导航模块202中，将低分辨率3D影像体数据空间域映射到基准影像坐标系中，从而将手术区域实际物理空间域转换到基准影像坐标系中。结合肺区域形变域，低分辨率静态3D影像体数据变成随时间规律运动的动态3D影像体数据，传入该模块的病灶区位置和创口位置也随时间规律运动。
手术实施中，介入医生通过动态病灶空间定位导航模块202保证肺部动态影像与患者的肺部呼吸运动一致，医生参考显示屏上的多平面影像信息和3D立体影像信息，在手术区域选择创口位置。随着探针进入人体，医生参考预先设定的进针角度进针，探针在人体中的姿态数据实时显示在手术区域肺部动态影像中，医生在探针前进过程中，根据动态影像中探针的位置以及预先设定的介入路径，随时调整探针的角度和深度，当探针达到病灶区域时，医生便实施活检术，取出病灶组织进行病理组织诊断。如果需要，医生可以在介入穿刺过程中，启用透视引导功能，将2D透视影像信息反映在3D肺部体数据上，补偿由于呼吸运动造成病灶、血管和气管的位移，以便介入医生能够精确地控制探针相对于肺部各组织的空间位置。
实施例2：
如图2所示，本实施例的影像导航肺部介入手术系统，包括：包括：术前准备模块1和术中实施模块2，所述术前准备模块1包括：影像获取模块101、肺区域重建模块102和肺呼吸运动模型构建模块103，所述术中实施模块2包括：手术器械和手术区域影像空间映射模块201、动态病灶空间定位导航模块202和影像获取模块205；所述影像获取模块101连接所述肺区域重建模块102，输出获取的4D序列影像信息；所述肺区域重建模块102连接所述肺呼吸运动模型构建模块103，输出肺表、气管和肺血管等的4D结构信息；所述肺呼吸运动模型构建模块103连接所述动态病灶空间定位导航模块202，输出兼顾气管、血管运动的肺部呼吸运动模型；所述影像获取模块205连接所述手术器械和手术区域影像空间映射模块201，输出带有标记点的低分辨率3D影像信息；所述手术器械和手术区域影像空间映射模块201连接所述动态病灶空间定位导航模块202，输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标；所述动态病灶空间定位导航模块202构建动态影像，计算出手术区域病灶及手术器械的空间位置，通过可视化平台，获得实时术中导航信息。
进一步的，所述术中实施模块2还包括一针对低分辨率3D影像操作的手术路径规划模块12，所述影像获取模块205输出端连接所述手术路径规划模块12输出获取的带有标记点的低分辨率3D影像信息，所述手术路径规划模块12连接所述动态病灶空间定位导航模块202输出病灶位置和大小，创口位置及手术器械进入手术区域的角度和深度等信息以及参考影像空间坐标系。
进一步的，所述术中实施模块2还包括一透视引导模块204，所述透视引导模块204连接所述动态病灶空间定位导航模块202并输出2D透视影像信息。
进一步的，所述术中实施模块2还包括一病灶获取模块203，所述动态病灶空间定位导航模块202连接所述病灶获取模块203。
进一步的，所述的肺区域重建模块102包括：图像分割单元和重建单元，其中，所述图像分割单元先将4D序列图像中胸腔区域提取出来，在提取的区域内再将肺表、气管和血管分割出来，并将结果输出至所述重建单元，所述重建单元将序列分割结果进行3D体积重建，结果输出至肺呼吸运动模型构建模块103。
进一步的，所述的肺呼吸运动模型构建模块103包括：可变形配准单元和变形域描述单元，其中，所述可变形配准单元对肺区域结构进行4D可变形配准，输出运动矢量集至所述变形域描述单元，所述变形域描述单元将运动矢量集以形变域的方式表达，结果传输至所述动态病灶空间定位导航模块202。
进一步的，所述手术路径规划模块12包括：人机交互病灶区标记单元和人机交互创口规划单元，其中，所述人机交互病灶区标记单元允许介入医生在参考影像中圈定病灶位置及大小，所述人机交互创口规划单元允许介入医生在参考影像中标定创口位置，规划手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息，这两个单元输出信息和参考影像空间坐标系传输给所述动态病灶空间定位导航模块202。
进一步的，所述手术器械和手术区域影像空间映射模块201包括：标记点选取单元和配准单元，其中，所述标记点选取单元需要介入医生在手术区域物理空间和带有标记点的低分辨率3D影像信息空间一一对应选取标记点，输出两个坐标空间的标记点至所述配准单元，配准单元将这些一一对应的标记点进行空间映射，获得手术区域物理空间与影像空间的映射关系，将在低分辨率3D影像坐标空间中表达的手术区域坐标输出至所述动态病灶空间定位导航模块202。
进一步的，所述动态病灶空间定位导航模块202包括：配准单元，动态影像构建单元，三维定位单元和影像可视化单元，所述配准单元将低分辨率3D影像空间坐标系统映射到参考影像空间坐标中，同时将在低分辨率3D影像空间坐标中表达的手术区域坐标直接映射到参考影像坐标空间中，输出参考影像空间坐标中的低分辨率3D影像和手术区域坐标到动态影像构建单元，所有坐标空间统一到参考影像坐标空间；所述动态影像构建单元以参考影像坐标空间中低分辨率3D影像为基础，结合肺域形变域，构建模拟自主呼吸运动的动态影像数据集，并将动态影像输出到三维定位单元；所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元；所述影像可视化单元具有多平面重建和体绘制功能，以2D和3D方式显示手术区域器官，手术器械在手术区域中的相对位置，规划的病灶位置及大小和规划的手术器械通过创口进入人体的角度和深度信息。
进一步的，所述动态病灶空间定位导航模块202还要包括：2D‑3D配准单元，将2D透视影像信息映射到动态影像上，并将映射后的结果传递给三维定位单元，所述三维定位单元利用手术区域坐标，结合动态影像，以及动态影像上表现的透视影像信息，计算出手术区域器官及手术器械的空间位置，获得实时术中导航信息，并将这些信息传递给所述影像可视化单元。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。