[发明专利]胸腔镜下肺部肿瘤切除手术导航中的增强现实融合方法

说明书

本发明涉及一种胸腔镜下肺部肿瘤切除手术导航中的增强现实融合方法，对手术中胸腔镜影像进行提取，得到肺部区域，对肺部区域进行三维重建，得到术中实时肺部模型，根据将术中实时肺部模型变换到胸腔镜空间坐标系下得到的变换矩阵，以及将术前肺部模型与术中实时肺部模型进行配准得到的变换矩阵，基于变换矩阵将术前肺部模型投影到胸腔镜影像的坐标系下，基于术前肺部模型构建复合生物力学模型，人为标注肺部切割区域，实现术中运动补偿，完成模型的动态配准，将手术前重建的肺部三维虚拟模型与手术过程中胸腔镜拍摄的现实肺部器官进行匹配，通过增强现实方式将配准模型叠加在胸腔镜视频上，为外科医生提供微创手术导航。

技术领域

本发明涉及一种胸腔镜下肺部肿瘤切除手术导航中的增强现实融合方法。

背景技术

肺癌是世界上最常见的恶性肿瘤，也是排名第一位的肿瘤死因。解剖性肺切除术是早期肺癌的主要治疗手段，也是目前临床治愈肺癌的重要方法。

外科手术作为肺癌综合治疗中最主要的一环，近年来发展迅速，尤其是胸腔镜技术的应用和普及起到了重要的作用。胸腔镜手术与传统的开胸手术相比，有着创伤少、疼痛轻、术后康复快等优势，但术后并发症的发生，无疑会延长患者住院时间并抵消胸腔镜的优势。如何有效地降低肺癌患者胸腔镜术后并发症的发生率，更好更快地促进患者的康复，成为当下医护人员关注的焦点之一。随着医学技术的进步，外科手术从开放式手术向微创手术发展，实现了大创伤到小创伤甚至无创伤的技术革新。微创外科手术逐步出现了单操作孔电视辅助胸腔镜手术(video-assisted thoracic surgery，VATS)、机器人辅助胸腔镜切除术(robotic-assisted thoracoscopic resection，RATS)，即医生通过微小创伤入路，将内窥镜等显像设备和手术器械导入人体内，进而完成对患者病灶诊断治疗的手术。然而，由于视野的局限性，医生在胸腔镜手术中的环境感知能力十分有限。胸腔镜的本质是光学相机成像，无法观察到器官表层以下的内部信息，狭窄的可视范围需要医生在术中查看术前图像，如计算机断层扫描图像(CT)或磁共振成像(MRI)等，想象病灶及周围关键组织在视野中的当前位置才能做出合理的判断，手术效果过度依赖于医生的经验和技巧，容易造成术中出血(转开放性手术)、病灶边界定位不准、健康组织切除过多、并发症风险高等多种问题。

胸腔镜微创手术虽然具有创伤小、疼痛轻、恢复快的优越性，但由于视野有限的问题，增加了微创手术的难度。增强现实(AR)导航技术的应用能有效解决上述微创术中视野有限的问题。在手术前，通过三维CT支气管血管成像技术重建肺部结节、支气管、血管和段间交界可视化肺部结构，通过术前模拟手术、设计手术方案、规划手术路径。在微创手术中，AR手术导航技术通过可视化组织表面下的重要解剖结构(如肺结节、支气管、血管等)，将重建的虚拟器官模型与胸腔镜内现实环境相融合，实时配准到医生视野内。这样可以指导医生精准切除靶段，降低手术难度，增加手术安全性。因此增强现实手术导航技术打通了从海量数据中提取精准定量诊疗关键信息的层层壁垒，以智能、开放、共享的技术，为智慧医疗时代对信息的应用和产业化提供必备工具，提高医疗服务的精准化水平。因此，如何将术前术中多模态信息进行融合配准，以实现微创手术的精准定位，成为了手术导航技术研究与应用亟需解决的关键问题。

增强现实手术导航技术利用三维CT支气管血管成像技术，在微创手术中可视化三维肺部结构信息。三维成像技术能精准重建出患者某个时刻的肺部结节、支气管、血管等三维静态结构信息，微创手术过程中胸腔镜成像的是连续的二维图像信息，但由于重建出的三维模型表面没有纹理信息，并且肺部呼吸等运动会实时产生形变，所以两者无法直接进行配准。因此，术前CT重建的静态三维模型与术中胸腔镜动态二维图像实时精准融合问题，成为增强现实手术导航技术研究的关键挑战。增强现实手术导航技术吸引了国际学术界的广泛关注，每年在TMI、MIA、TBE、ABE等医工交叉学科的国际著名期刊上都有大量论文发表。