Способ и система предоперационного моделирования хирургической процедуры - RU2685961C2

Чертежи

Описание

Способ и система предоперационного моделирования хирургической процедуры

Область техники

Техническое решение относится к области медицины, предназначено для предоперационного планирования и проведения тренировочной хирургической операции, а именно лапароскопической нефрэктомии, с использованием трехмерной модели пациента сгенерированной по данным исследования пациента.

Уровень техники

Для планирования хирургической операции по пересадке фрагментов какого-либо органа очень важно предоставить хирургу визуальную информацию о структуре кровеносных сосудов этого органа, их точном расположении внутри органа и о том, какие области органа омывает тот или иной сосуд.

Из уровня техники известно техническое решение Preoperative Surgical Simulation US 8500451 (В2), опубликовано 06.08.2013, SIMBIONIX LTD.

Данное решение раскрывает устройство и способ моделирования тренировочной хирургической операции на сосудах (ангиопластики) с использованием 3д модели сгенерированной на основе данных медицинских изображений реального пациента. Способ включает получение с помощью системы ввода 3д модели сосудов конкретного пациента сгенерированных на основе массива данных исследования (КТ) пациента, моделирование тренировочной хирургичекой операции с использованием полученной 3д модели сосудов пациента, при этом система моделирования принимает и обрабатывает сигналы, полученные от блока отслеживания имитаторов интервенционных инструментов и отправляет сигналы на блок генерации силовой обратной связи.

Изобретение предназначено для предоперационного планирования и репетиции хирургической операции на сосудах, что не позволяет его использовать для планирования и репетиции хирургической операции лапароскопии.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности проведения тренировочной операции лапароскопии

Из уровня техники известно техническое решение SYSTEM AND METHOD FOR PERFORMING COMPUTERIZED SIMULATIONS FOR IMAGE-GUIDED PROCEDURES USING A PATIENT SPECIFIC MODEL US 8543338 (B2), опубликовано 24.09.2013, SIMBIONIX LTD.

Данное решение раскрывает способ и систему моделирования тренировочной хирургической операции на сосудах (ангиопластики) с использованием цифровой модели анатомических структур сгенерированных на основе данных медицинских изображений реального пациента. Способ включает создание цифровой модели анатомической структуры пациента на основе данных медицинских изображений пациента (данных исследования пациента), где цифровая модель включает первую 3д полигональную сетку с данными, полученными из медицинских изображений (из данных присутствующих в мед изображениях); генерирование (вычисление), на основе данных медицинских изображений, данных смежных анатомических структур;

генерирование расширенной цифровой модели включающей анатомические структуры с данными медицинских изображений, смежные анатомические структуры полученные вычислением, первую 3д полигональную сетку, вторую 3д полигональную сетку, полученную из смежных анатомических структур, позиционирование второй 3д полигональной сетки с гарницами первой 3д полигональной сетки; компьютерное моделирование процедуры с визуальным контролем с использованием расширенной цифровой модели.

Решение предназначено для предоперационного планирования и репетиции хирургической операции на сосудах, что не позволяет его использовать для планирования и репетиции хирургической операции лапароскопии.

Сущность технического решения

Техническая задача заключается в расширении арсенала технических средств того же назначения: создание способа и системы предоперационного моделирования хирургической процедуры на основе данных исследования пациента.

Технический результат от использования данного технического решения заключается в обеспечении планирования и репетиции хирургической операции лапароскопии.

Данный технический результат достигается за счет создания трехмерной модели брюшной полости с координатами, размером и ориентацией органов в пространстве брюшной полости конкретного пациента.

В одном из предпочтительных вариантов реализации предложен способ предоперационного моделирования хирургической процедуры,

характеризующийся тем что: получают данные, содержащие информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества; выделяют и определяют из этих данных путем фильтрации массива данных исследования в диапазоне плотностей, соответствующих кровеносным сосудам, следующие параметры: расположение, траекторию и размер магистральных кровеносных сосудов и групп сосудов, омывающих органы брюшной полости пациента; на основании полученных на предыдущем шаге параметров создают карту кровеносных сосудов пациента; на основании карты кровеносных сосудов пациента создают карту брюшной полости пациента путем соотнесения расположения, траектории и размера магистральных кровеносных сосудов и групп сосудов, омывающих органы брюшной полости пациента с координатами, размером и ориентацией органов в пространстве брюшной полости пациента; на основании созданной на предыдущем шаге карты брюшной полости пациента создают трехмерную модель брюшной полости пациента путем масштабирования шаблонной трехмерной модели пациента; передают и используют созданную на предыдущем шаге трехмерную модель брюшной полости пациента для последующего моделирования тренировочной хирургической операции.

Моделирование тренировочной хирургической операции с использованием полученной трехмерной модели органов брюшной полости пациента может включать в себя выбор оптимальных точек доступа на поверхности брюшной полости.

Моделирование тренировочной хирургической операции с использованием полученной трехмерной модели органов брюшной полости пациента может включать в себя мобилизацию отдела толстого кишечника и получение доступа к забрюшному пространству, где располагаются почки, клиппирование и пересечение мочеточника, почечной артерии и вены, мобилизация почки и ее удаление из брюшной полости.

используют созданную на предыдущем шаге трехмерную модель брюшной полости пациента для последующего моделирования тренировочной хирургической операции.

Моделирование тренировочной хирургической операции с использованием полученной трехмерной модели органов брюшной полости пациента может включать в себя выбор оптимальных точек доступа на поверхности брюшной полости.

Моделирование тренировочной хирургической операции с использованием полученной трехмерной модели органов брюшной полости пациента может включать в себя мобилизацию отдела толстого кишечника и получение доступа к забрюшному пространству, где располагаются почки, клиппирование и пересечение мочеточника, почечной артерии и вены, мобилизация почки и ее удаление из брюшной полости.

Выделение и определение из данных, содержащих информацию об исследовании пациента, может включать в себя определение внешних границ брюшной полости пациента, определение начальной ключевой точки, определение конечной ключевой точки, которые затем используются для масштабирования шаблонной трехмерной модели пациента.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - визуализация магистральных сосудов, полученная с помощью метода КТ пациента с внутривенным контрастированием;

Фиг. 2 - визуализация групп сосудов, принадлежащая определенным органам;

Фиг. 3 - система для реализации способа предоперационного моделирования хирургической процедуры;

Фиг. 4 - блок-схема одного из вариантов реализации способа предоперационного моделирования хирургической процедуры.

Подробное описание технического решения

В данном устройстве под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).

Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).

Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические накопители информации (CD, DVD, Blue-Ray диски).

Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.

Ниже будут рассмотрены некоторые термины, которые в дальнейшем будут использоваться при описании технического решения.

Лапароскопия - современный метод хирургии, в котором операции на внутренних органах проводят через небольшие (обычно 0,5-

1,5 см) отверстия, в то время как при традиционной хирургии требуются большие разрезы.

Рентгеноконтрастные вещества (син. контрастные вещества) - средства, используемые для визуализации невидимых или плохо видимых при обычном рентгенологическом исследовании органов или полостей тела. Эффект Р. в. основан на значительном увеличении разницы поглощения рентгеновского излучения исследуемыми анатомическими образованиями и окружающими их тканями.

Компьютерная томография - метод неразрушающего послойного исследования внутреннего строения предмета. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями. В настоящее время рентгеновская компьютерная томография является основным томографическим методом исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения.

Воксел (в разговорной речи воксель, англ. Voxel - образовано из слов: объемный (англ. volumetric) и пиксель (англ. pixel)) - элемент объемного изображения, содержащий значение элемента растра в трехмерном пространстве. Вокселы являются аналогами двумерных пикселей для трехмерного пространства. Воксельные модели часто используются для визуализации и анализа медицинской и научной информации.

Данное техническое решение обеспечивает возможность планирования и репетиции хирургической операции лапароскопии за счет создания трехмерной модели брюшной полости с координатами, размером и ориентацией органов в пространстве брюшной полости конкретного пациента.

Согласно предлагаемому техническому решению, способ предоперационного моделирования хирургической процедуры включает следующие шаги:

Получают данные, содержащие информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества

Подробную информацию о пациенте можно получить из данных исследования, например, компьютерной томографии (КТ), магнитно-резонансной томографии (МРТ) и др.

Современные томографы сохраняют данные об исследовании пациента в специальном формате DICOM. DICOM-файл содержит информацию об интенсивности или плотности тканей в конкретном срезе, в каждой точке среза. Срезы могут производиться в трех плоскостях: сагиттальной, фронтальной, горизонтальной. DICOM файлы объединяются в серию и представляют набор последовательных срезов органа или участка тела. Назовем данные в серии, все точки (вокселы) каждого среза в серии, массив данных исследования, который представляет собой 3х мерный массив, где каждый элемент массива хранит координаты точки и плотность ткани. Загрузка, обработка, использование информации хранящейся в DICOM-файлах не представляет технической сложности исходя их текущего уровня техники.

Компьютерная томография сохраняет в файлах рентгеновскую плотность, которая зависит от физической плотности тканей. Для количественной оценки рентгеновской плотности используется шкала Хаунсфилда, диапазон плотностей тканей составляет -1024 до +3071 HU. Средние показатели по шкале Хаунсфилда: воздух -1000 HU, жир -120 HU, вода 0 HU, мягкие ткани +40 HU, кости +400 HU и выше.

Выделяют и определяют из этих данных путем фильтрации массива данных исследования в диапазоне плотностей,

соответствующих кровеносным сосудам, следующие параметры: расположение, траекторию и размер магистральных кровеносных сосудов и групп сосудов, омывающих органы брюшной полости пациента.

КТ пациента не позволяет отличить одни органы от других в автоматическом режиме, поскольку плотность внутренних органов примерно одинаковая, это является основной проблемой при генерации 3д модели пациента по данным исследования КТ. Но существует метод исследования КТ с внутривенным контрастированием, который позволяет повысить «видимость» артериальных и венозных сосудов для рентгеновского излучения, при этом плотность сосудов по шкале Хаунсфилда будет повышена. Этот метод исследования применяется при КТ ангиографии и позволяет оценить просвет сосудов, наличие тромбов, аневризм, истончений стенки. Внутривенное контрастирование позволяет выделить данные о сосудах из общего массива данных исследования КТ. На Фиг. 1 изображена визуализация магистральных сосудов, полученная с помощью метода КТ пациента с внутривенным контрастированием.

На основании полученных на предыдущем шаге параметров создают карту кровеносных сосудов пациента.

Делается это при помощи построения скелета модели сосудов. Скелет модели сосудов представляет собой набор связанных между собой данных, хранящих информацию о траектории сосудов и ширине сосуда в каждой точке траектории. Принцип построение скелета модели сосудов на основе массива данных исследования подробно описан в статье Ятченко A.M., Крылов А.С., Гаврилов А.В., Архипов И.В. Построение 3D модели кровеносных сосудов по серии КТ изображений печени / Conf. Proc. of the 19th International Conference on Computer Graphics and Vision "GraphiCon'2009", Moscow, 2009.

Сначала выделяют данные о сосудах, путем фильтрации массива данных исследования в диапазоне плотностей соответствующих сосудам. После бинаризации массива данных исследования, сосуды на срезе представлены в виде односвязных областей точек, при этом если спроецировать два соседних среза друг на друга, то области точек одного и того же сосуда частично перекроют друг друга. Степень перекрытия зависит от шага среза при исследовании, который может составлять от 0,5 мм. Частичное перекрытие областей точек, принадлежащих одному сосуду, на соседних срезах позволяет построить траекторию сосуда, количество точек в области точек сосуда позволяет вычислить примерную ширину сосуда (диаметр сосуда), наличие общих областей точек разных сосудов (когда сосуды разделяются или объединяются) позволяет определить связь сосудов и построить скелет модели сосудов.

На основании карты кровеносных сосудов пациента создают карту брюшной полости пациента путем соотнесения расположения, траектории и размера магистральных кровеносных сосудов и групп сосудов, омывающих органы брюшной полости пациента с координатами, размером и ориентацией органов в пространстве брюшной полости пациента.

Кровеносные сосуды человека ветвятся. Основные магистральные сосуды имеют больший диаметр, чем сосуды, которые подводят и отводят кровь от органов. Скелет модели сосудов позволяет вычислить, на основе ширины сосуда в каждой точке траектории, основные магистральные сосуды и ветви подводящих и отводящих сосудов. В одном из вариантов осуществления описываемого технического решения врачом (либо оператором, в полуавтоматическом режиме) определяется принадлежность веток сосудов в скелете модели сосудов, определенному органу.

Под группой сосудов, омывающих орган, подразумевается набор сосудов в пространстве, принадлежащих определенном органу. Группа сосудов вычисляется из каждой ветки сосудов имеющей принадлежность к органу, при этом в группу сосудов попадают сосуды, обладающие наименьшей шириной, а так же крайние сосуды в каждой ветке сосудов. Группа сосудов, омывающих орган, содержит информацию о координатах органа, размере (объеме) органа, ориентации органа в пространстве.

На Фиг. 2 изображена визуализация групп сосудов, принадлежащая определенным органам.

На основании созданной на предыдущем шаге карты брюшной полости пациента создают трехмерную модель брюшной полости пациента путем масштабирования шаблонной трехмерной модели пациента.

Масштабирование брюшной полости шаблонной трехмерной модели пациента включает изменение размеров трехмерной модели брюшной полости, изменение формы трехмерной модели брюшной полости в соответствии с формой тела пациента.

Изменение размеров трехмерной модели брюшной полости может быть произведено по двум ключевым точкам, которые определяются оператором в массиве данных исследования. При этом трехмерная модель брюшной полости так же должна содержать соответствующие ключевые точки. Например, в качестве ключевых точек могут выступать точки начала и конца поясничного отдела позвоночника. Зная разрешение изображения и расстояние между срезами в серии можно вычислить расстояние между ключевыми точками и масштабировать трехмерную модель брюшной полости в соответствии с вычисленным расстоянием. В одном из вариантов осуществления описываемого технического решения ключевые точки задаются врачом (или оператором) на основе данных

исследования, например: при визуализации этих данных отметить начальную и конечную точки.

Данные об исследовании пациента хранят информацию о внешних границах брюшной полости пациента. Точки на внешней границе брюшной полости, имеют плотность, отличающуюся от плотности воздуха, граничат с точками имеющими плотность воздуха и максимально приближены к внешним границам среза. Набор точек на внешней границе брюшной полости, определяет форму тела пациента и используется при изменении формы трехмерной модели брюшной полости в соответствии с формой тела пациента.

Таким образом, на основе массива данных исследования конкретного пациента, строится карта органов брюшной полости пациента, которая включает размеры брюшной полости пациента, координаты органов, размер (объем) органов, ориентацию органов в пространстве, скелет модели сосудов, включающий траекторию сосудов и ширину сосудов в каждой точке траектории.

Шаблонная трехмерная модель пациента включает трехмерную модель брюшной полости, трехмерные модели органов.

В одном из вариантов осуществления описываемого технического решения масштабирование шаблонной трехмерной модели пациента в соответствии с картой органов брюшной полости пациента включает следующие этапы:

масштабирование брюшной полости по размерам брюшной полости пациента;

масштабирование и позиционирование органов;

генерацию магистральных сосудов в соответствии с траекторией и размером сосудов.

В качестве варианта, масштабирование шаблонной трехмерной модели пациента в соответствии с картой органов брюшной полости пациента может дополнительно включать выбор шаблонов моделей органов, например: модели с какими-либо дефектами, пораженные болезнями.

В результате масштабирования шаблонной трехмерной модели пациента в соответствии с картой органов брюшной полости пациента, происходит генерация трехмерной модели брюшной полости с органами и сосудами, расположение которых подобно расположению органов и сосудов в реальном конкретном пациенте.

передают и используют созданную на предыдущем шаге трехмерную модель брюшной полости пациента для последующего моделирования тренировочной хирургической операции.

В одном из вариантов осуществления описываемого технического решения моделирование тренировочной хирургической операции выполняется с помощью тренажеров лапароскопической хирургии, которые позволяют моделировать хирургическое вмешательство, при этом хирург, манипулируя имитаторами медицинских инструментов, проводит хирургическую операцию в виртуальном пространстве.

Согласно Фиг. 3, примерная система для реализации технического решения включает в себя устройство обработки данных 300. Устройство обработки данных 300 может быть сконфигурировано как клиент, сервер, мобильное устройство или любое другое вычислительное устройство, которое взаимодействует с данными в системе совместной работы, основанной на сети. В самой базовой конфигурации устройство обработки данных 300, как правило, включает в себя, по меньшей мере, один процессор 301 и устройство хранения данных 302. В зависимости от точной конфигурации и типа вычислительного устройства системная память 302 может быть энергозависимой (например, оперативное

запоминающее устройство (ОЗУ, RAM)), энергонезависимой (например, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)) или некоторой их комбинацией. Устройство хранения данных 302, как правило, включает в себя одну или более прикладных программ 303 и может включать в себя данные 304 программ. Настоящее техническое решение как способ, описанное в деталях выше, реализовано в прикладных программах 303.

Устройство обработки данных 300 может иметь дополнительные особенности или функциональные возможности. Например, устройство обработки данных 300 может также включать в себя дополнительные устройства хранения данных (съемные и несъемные), такие как, например, магнитные диски, оптические диски или лента. Такие дополнительные хранилища проиллюстрированы на Фиг. 3 посредством несъемного хранилища 307 и съемного хранилища 308. Компьютерные носители данных могут включать в себя энергозависимые и энергонезависимые, съемные и несъемные носители, реализованные любым способом или при помощи любой технологии для хранения информации. Устройство хранения данных 302, несъемное хранилище 307 и съемное хранилище 308 являются примерами компьютерных носителей данных. Компьютерные носители данных включают в себя, но не в ограничительном смысле, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), электрически стираемое программируемое ПЗУ (EEPROM), флэш-память или память, выполненную по другой технологии, ПЗУ на компакт-диске (CD-ROM), универсальные цифровые диски (DVD) или другие оптические запоминающие устройства, магнитные кассеты, магнитные ленты, хранилища на магнитных дисках или другие магнитные запоминающие устройства, или любую другую среду, которая может быть использована для хранения желаемой информации и к которой может получить доступ устройство обработки данных 300. Любой такой компьютерный носитель данных может быть частью устройства 300.

Устройство обработки данных 300 может также включать в себя устройство(а) 305 ввода, такие как клавиатура, мышь, перо, устройство с речевым вводом, устройство сенсорного ввода, и так далее. Устройство (а) 306 вывода, такие как дисплей, динамики, принтер и тому подобное, также могут быть включены в состав устройства.

Устройство обработки данных 300 содержит коммуникационные соединения, которые позволяют устройству связываться с другими вычислительными устройствами, например по сети. Сети включают в себя локальные сети и глобальные сети наряду с другими большими масштабируемыми сетями, включая, но не в ограничительном смысле, корпоративные сети и экстрасети. Коммуникационное соединение является примером коммуникационной среды. Как правило, коммуникационная среда может быть реализована при помощи машиночитаемых инструкций, структур данных, программных модулей или других данных в модулированном информационном сигнале, таком как несущая волна, или в другом транспортном механизме, и включает в себя любую среду доставки информации. Термин «модулированный информационный сигнал» означает сигнал, одна или более из его характеристик изменены или установлены таким образом, чтобы закодировать информацию в этом сигнале. Для примера, но без ограничения, коммуникационные среды включают в себя проводные среды, такие как проводная сеть или прямое проводное соединение, и беспроводные среды, такие как акустические, радиочастотные, инфракрасные и другие беспроводные среды. Термин «машиночитаемый носитель», как употребляется в этом документе, включает в себя как носители данных, так и коммуникационные среды.

На Фиг. 4 представлена блок-схема одного из вариантов реализации способа предоперационного моделирования хирургической процедуры.

Специалисту в данной области, очевидно, что конкретные варианты осуществления способа и системы предоперационного моделирования хирургической процедуры описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к области медицины и предназначено для предоперационного планирования и проведения тренировочной хирургической операции, а именно лапароскопической нефрэктомии, с использованием трехмерной модели пациента, сгенерированной по данным исследования пациента. Предложен способ, характеризующийся тем, что: получают данные, содержащие информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества; выделяют и определяют из этих данных путем фильтрации массива данных исследования в диапазоне плотностей, соответствующих кровеносным сосудам, следующие параметры: расположение, траекторию и размер магистральных кровеносных сосудов и групп сосудов, омывающих органы брюшной полости пациента; на основании полученных на предыдущем шаге параметров создают карту кровеносных сосудов пациента; на основании карты кровеносных сосудов пациента создают карту брюшной полости пациента путем соотнесения расположения, траектории и размера магистральных кровеносных сосудов и групп сосудов, омывающих органы брюшной полости пациента, с координатами, размером и ориентацией органов в пространстве брюшной полости пациента; на основании созданной на предыдущем шаге карты брюшной полости пациента создают трехмерную модель брюшной полости пациента путем масштабирования шаблонной трехмерной модели пациента; передают и используют созданную на предыдущем шаге трехмерную модель брюшной полости пациента для последующего моделирования тренировочной хирургической операции. Также предложена система, содержащая: по крайней мере, одно устройство обработки команд; по крайней мере, одно устройство хранения данных; одну или более компьютерных программ, загружаемых в, по крайней мере, одно вышеупомянутое устройство хранения данных и выполняемых на, по крайне мере, одном из вышеупомянутых устройств обработки команд, при этом одна или более компьютерных программ содержат инструкции для выполнения способа. Также предложен машиночитаемый носитель данных, содержащий исполняемые одним или более процессором машиночитаемые инструкции, которые при их исполнении реализуют выполнение способа предоперационного моделирования хирургической процедуры. Группа изобретений обеспечивает планирования и репетиции хирургической операции лапароскопии, также данное техническое решение позволяет более точно провести тренировочную сессию для обучаемых хирургов. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула