一种pbc穿刺路径的规划方法
阅读说明：本技术 一种pbc穿刺路径的规划方法 (PBC puncture path planning method ) 是由 邢越 李江阳 曹琳 黄瀚韬 湛利婷 杜明月 简晓红 王亚平 胡佳硕 向琪 王家熠 于 2021-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于AI医疗技术领域,具体涉及一种PBC穿刺路径的规划方法。本发明利用CT、MRI等影像学数据,通过三维仿真技术与3D打印技术构建患者的解剖结构,用于相关临床手术,在术前讨论、手术方案规划和医患沟通方面符合创新性可持续发展的国家战略,提高了治疗的医学经济学、社会学的效率和质量,缩短了手术时间,减少了手术并发症及副损伤。(The invention belongs to the technical field of AI medical treatment, and particularly relates to a PBC puncture path planning method. The invention utilizes the imaging data of CT, MRI and the like, constructs the anatomical structure of a patient through a three-dimensional simulation technology and a 3D printing technology, is used for relevant clinical operations, accords with the national strategy of innovative sustainable development in the aspects of preoperative discussion, operation scheme planning and doctor-patient communication, improves the efficiency and quality of medical economy and sociology of treatment, shortens the operation time, and reduces operation complications and side injury.)
技术领域
本发明属于AI医疗技术领域，具体涉及一种PBC穿刺路径的规划方法。
背景技术
“天下第一痛”-三叉神经痛的发病率逐年提高，国内统计的发病率为52.2/10万，女性略多于男性，发病率可随年龄而增长。三叉神经痛多发生于中老年人，40岁以上的病例占总病例的70％-80％。我国40岁以上中老年人口占总人数的45％，全国每年新增约50万的三叉神经痛患者，目前已成为影响我国人民健康一大问题。PBC术全称经皮穿刺三叉神经半月节球囊压迫术，是目前临床微创治疗三叉神经痛的常用手术之一。进行PBC穿刺时，颅底卵圆孔是必经之路，但卵圆孔周围毗邻解剖结构复杂，内侧有破裂孔，内有颈内动、静脉和迷走神经通过；外侧有棘孔，内有脑膜中动脉通过。手术的医务人员在操作中易发生穿刺失败，甚至造成医源性损伤。穿刺过程中用于导航的X线对医护人员与患者的身体健康损伤较大。
当前PBC术方法依旧为最原始的“定位-穿刺-定位-置球囊-压迫-结束”这一步骤，即医生在C型臂的引导下，将穿刺针逐步穿刺入卵圆孔进行球囊压迫。穿刺过程中，穿刺方向需要进行多次调整。在此期间，医生仅仅只能以二维的X光影像作为参考，这对施术者要求较高。且手术期间医生与病人均暴露在X光的辐射中，对病人与医生身体伤害高。且卵圆孔周围结构复杂，施术者频繁调整进针方向时容易损伤周围结构，造成医源性损伤甚至导致病人死亡。
而现有技术有的AI PBC规划手术路径的方法大多类似且精度不高，对于实际手术操作的可参考性不强，且不方便远程会诊。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明一种PBC穿刺路径的规划方法，通过CT-MRI联合影像合成，使患者不需要高精度检查即可进行重建，优化虚拟重建方法，虚拟重建三维模型，在手术前实现PBC穿刺路径的规划，结合3D打印技术，提供客制化手术辅助器具与手术入路模型，有效降低手术前中后期的各种风险，且不给患者增加额外经济负担。
本发明的PBC穿刺路径的规划方法，按照以下步骤进行：
(1)临床数据采集及合成：
采集需要穿刺术治疗的患者数据库中病例影像学数据，包括CT和MRI数据，利用计算机工作站对上述不同影像进行合成，在两个影像中找到三个以上的标准点进行图像配准，配准点一般选取较为明祥的标志，如眼球的前后最远点，鼻尖，窦腔的最高最低点等，通过三个以上的配准点使CT与MRI影像对齐合成为一个影像，形成CT-MRI联合影像；
(2)构建基于CT-MRI联合影像的手术途径结构三维虚拟模型：
处理CT-MRI联合影像，基于该影像学资料进行影像学三维重建，生成手术途径相关解剖结构的三维虚拟模型，将模型导入3ds Max 2020与Maxon Cinema 4D R21进行进一步处理，修正模型精确度；
(3)通过三维虚拟模型规划PCB手术路径：
测量重建后的三维虚拟模型的相关数据，包括手术进针点到卵圆孔的深度、进针的角度、卵圆孔的大小，由患者眼角垂线与口角延长线交点处进针，目标到达点为患侧卵圆孔，对手术路径进行优化，制定个客制化人手术方案，确定手术入路模型，避开手术途径血管神经相关重要结构，如上颌动脉，脑膜中动脉，面神经；
(4)3D打印制作客制化手术面部导板：
基于个人手术路径方案，设计与开发客制化手术辅助器具PCB导板，将客制化手术导板模型与手术入路模型通过3D打印建立实体化PCB导板与手术入路模型，手术入路模型便于术前案例讨论及术后典型病例留存，手术导板则在术中有助于穿刺角度、方向和深度的定位与导航；
(5)开发基于CT-MRI联合影像数据建模软件：
将经影像三维重建后的3D模型通过三维软件技术打包发布MR软件，运用MR技术制作基于混合现实的手术途经结构虚拟模型，用于远程病例讨论及手术方案制定，从而使手术人员可以通过手机在现实中直观地观察患者的三叉神经解剖学结构；开发基于Android系统的手术引导穿刺、病灶显影软件。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
(1)多学科、跨领域结合：
本发明将计算机三维重建与解剖结构分析结合，采集结构数据进行分析，展现各结构毗邻关系，探索神经可视化方法，建立虚拟穿刺模型，模拟手术穿刺过程，从而以期望为穿刺术提供解剖学支持。解剖结构的三维重建实现了临床医学与现代信息技术的深度融合，使临床的数据呈以现信息化、虚拟化呈现。
(2)虚-实结合，创新实践：
患者数据(实)，构建3D虚拟入路模式图(虚)，将实体患者数字化，达到虚实结合的效果。运用软件技术和MR技术制作解剖结构的三维虚拟模型，指导手术方案的制定。混合现实将真实世界与虚拟图像在同一视觉空间中表现出来，同时达到实时交汇、三维注册精确对准，从而更加有效地进行互动交流。MR技术与3D打印技术结合，三维虚拟结构转化为实体模型，可以在术前进行手术术前演戏或模拟，实现了从二维到三维的转变。
(3)传统手术与现代科技相结合：
在传统PBC术的基础上，将手术途经的解剖结构虚拟化，重建后基于3D打印技术将其实体化，制作客制化手术辅助器具，简化平时确定的惯用的进针方案。外科医师生须根据既往的认知、理解和思维在脑中“重建”三维结构，在实际过程中容易有偏离，导致医源性损伤。该研究的设计，以期为精准手术提供诊疗新模式。传统手术与现代科学技术结合，覆盖术前，术中与术后临床需求，使临床经验匮乏的年轻医生能更熟练的掌握术操作。模拟数据资料的展示，更利于患者理解与支持，获得大量临床经验，减少不必要的医患矛盾，便于手术再在基层医院推广。
(4)适应信息化科技发展：
本发明利用CT、MRI等影像学数据，通过三维仿真技术与3D打印技术构建患者的解剖结构，用于相关临床手术。在术前讨论、手术方案规划和医患沟通方面符合创新性可持续发展的国家战略。将两种技术有机结合，提高了治疗的医学经济学、社会学的效率和质量，缩短了手术时间，减少了手术并发症及副损伤。该研究的成功施展与实施，不仅能可以提高疾病治愈率，也将加强医院的数字化科技与科研力量。
(5)本发明以常规术前必需医学检查影像为基础，无需其他特殊检查，优化虚拟重建方法，只需普通精度的影像即可满足建模要求，采用免费开源软件进行开发设计，结合3D打印技术，进一步降低客制化手术辅助器具的成本，通过优化设计建模，将每一片手术导板的制造成本控制在5元左右。
(6)本发明通过术前对病人影像的分析与建模，规划穿刺路径，方便预制手术器械，进行病例讨论与手术演练。设计开发客制化手术辅助器具，结合手机导航APP，满足满足医院对青年医生教学与典型病例留存的需求，有利于此类型手术在基层医院的推广，提高了手术成功率，降低了术中的医源性损伤。同时，其他需要在医学影像的导航下实现精确穿刺的手术操作，例如术前精确穿刺活检，经皮穿刺三叉神经半月结球囊压迫术治疗原发性三叉神经痛(PBC)，Goel-Harms术治疗寰枢椎脱位,经皮椎间孔镜腰椎间盘摘除术(PELD)及脑内血肿清除术等等，均可适用于此项技术。
附图说明
图1是本发明实施例的患者CT-MRI影像合成图；
图2是本发明实施例的三维虚拟模型图；
图3是根据三维虚拟模型图确定PBC手术路径示意图；
图4是通过3D打印构建手术辅助器具实体模型图；
图5是基于混合现实的手术途经结构虚拟模型图；
图6是基于Android系统的手术引导穿刺、病灶显影软件示意图。
具体实施方式
本发明实施例主要使用普通常规检查医学影像，如电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)与核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，进一步的，也可以使用患者手术部位的三维成像扫描及X光等进行辅助。
实施例1
本实施例的PBC穿刺路径的规划方法按照以下步骤进行：
(1)临床数据采集及合成：
采集需要穿刺术治疗的患者数据库中病例影像学数据，包括CT和MRI数据，利用计算机工作站对上述不同影像进行合成，在两个影像中找到三个以上的标准点进行图像配准，配准点一般选取较为明祥的标志，如眼球的前后最远点，鼻尖，窦腔的最高最低点等，通过三个以上的配准点使CT与MRI影像对齐合成为一个影像，形成CT-MRI联合影像；
CT数据获取技术指标：CT一般是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器(analog/digitalconverter)转为数字，输入计算机处理。通常对骨质及造影剂显影效果较强，对软组织显影效果较差。一般推荐使用螺距较小的多排螺旋CT。一般推荐16排螺旋CT及以上。传统CT显影效果较差。扫描范围应尽量大于手术操作区域。扫描层厚及精度最好不要小于穿刺部位一般结构大小。一般≤3-5mm，推荐最佳≤1mm。图像分辨率推荐使用像素矩阵为512×512、像素尺寸≤1mm的CT设备。在扫描过程中应尽量摆正患者体位，去除患者佩戴的金属物品及假牙。金属物品在扫描过程中会产生伪影，而假牙不利于手术导板中牙托的设计。
MRI数据获取技术指标：核磁扫描是利用核磁共振(nuclear magneticresonance，简称NMR)原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。一般对软组织的显影效果较好。一般推荐1.5-3.0T的增强核磁共振成像。扫描时扫描范围一般要与CT扫描范围相等。
本实施例的PBC穿刺路径的规划方法中涉及的模型重建需要首先进行CT与MRI数据的合成，生成CT-MRI联合影像进行重建，如图1所示，图像的配准需要些特殊标志，如鼻尖，眼球，头部窦道等，在扫描时尽量保证3个以上的特殊标志扫描其中，以方便后期配准与合成。在一些特殊手术中，如要对神经及血管进行操作，应使用特殊影像或者特殊成像方式。如：血管显影需要CT血管造影或核磁共振血管造影、显示神经需要核磁的3D-TOF或3D-FIESTA特殊序列等等。使用影像前应与患者沟通同意，传输影像时要注意图像的完整提取，推荐使用患者原始二维断面影像格式为Dicom的数据，进行影像序列的分别提取与打包，防止图像的丢失与失真，从而直接影响手术效果。
(2)构建基于CT-MRI联合影像的手术途径结构三维虚拟模型：
处理CT-MRI联合影像，基于该影像学资料进行影像学三维重建，生成手术途径相关解剖结构的三维虚拟模型，将模型导入3ds Max 2020与Maxon Cinema 4D R21进行进一步处理，修正模型精确度，如图2所示；
(3)通过三维虚拟模型规划PCB手术路径：
测量重建后的三维虚拟模型的相关数据，包括手术进针点到卵圆孔的深度、进针的角度、卵圆孔的大小，由患者眼角垂线与口角延长线交点处进针，目标到达点为患侧卵圆孔，对手术路径进行优化，制定个客制化人手术方案，确定手术入路模型，避开手术途径血管神经相关重要结构，如上颌动脉，脑膜中动脉，面神经，如图3所示；
(4)3D打印制作客制化手术面部导板：
基于个人手术路径方案，设计与开发客制化手术辅助器具PCB导板，将客制化手术导板模型与手术入路模型通过3D打印建立实体化PCB导板与手术入路模型，手术入路模型便于术前案例讨论及术后典型病例留存，手术导板则在术中有助于穿刺角度、方向和深度的定位与导航，如图4所示；
(5)开发基于CT-MRI联合影像数据建模软件：
将经影像三维重建后的3D模型通过三维软件技术打包发布MR软件，运用MR技术制作基于混合现实的手术途经结构虚拟模型，如图5所示，用于远程病例讨论及手术方案制定，从而使手术人员可以通过手机在现实中直观地观察患者的三叉神经解剖学结构；开发基于Android系统的手术引导穿刺、病灶显影软件，如图6所示。
本实施例方法主要为由CT-MRI联合影像重建所得到的病人的手术相关区域高精度虚拟模型，并且通过增材制造技术在高精度虚拟模型的基础上进行一系列客制化手术辅助器具及衍生产品的设计与定制。如手术导板、病人相关区域模型软件等。其可以满足但不限于的临床需求与场景为：在模型上进行手术预演，优化手术方式及路径、手术部位解剖结构的精确还原与量化、手术穿刺与入路路径的设计，确定手术入路的方向及角度、预制手术器械、进行病例讨论，方便与患者在术前更顺畅的交流、采用MR技术进行远程医疗与会诊、对青年医师的教学与培养、使用手术导板与软件在手术中穿刺的准确定位与辅助成像导航、减少或避免术中CT或X光的透视次数、缩短手术时间与减少手术并发症，提高手术成功率等等。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
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