УСТРОЙСТВО 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 US8543338 (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
Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, присущих существующим аналогам.
Технический результат от использования данного технического решения заключается в обеспечении планирования и репетиции хирургической операции лапароскопии, также данное техническое решение позволяет более точно провести тренировочную сессию для обучаемых хирургов.
Данный технический результат достигается за счет создания трехмерной модели брюшной полости с координатами, размером и ориентацией органов в пространстве брюшной полости конкретного пациента.
Предложено устройство предоперационного моделирования хирургической процедуры, содержащее: объединенные общей шиной данных: блок получения данных, содержащих информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества, блок создания трехмерной модели брюшной полости пациента, блок предоперационного моделирования хирургической процедуры, процессор, считывающий и выполняющий машинные инструкции (программы) с блоков постоянного хранения данных, временного хранения данных, блок постоянного хранения данных, представляющий собой постоянное запоминающее устройство, блок временного хранения данных, представляющий собой оперативное запоминающее устройство, обеспечивающее временное хранение данных, схему питания соединенную с блоком питания, интерфейсы ввода/вывода, средства ввода/вывода.
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.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
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, также данное техническое решение позволяет более точно провести тренировочную сессию для обучаемых хирургов.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде устройства предоперационного моделирования хирургической процедуры, содержащей объединенные общей шиной данных: блок получения данных, содержащих информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества, блок создания трехмерной модели брюшной полости пациента, блок предоперационного моделирования хирургической процедуры, процессор, считывающий и выполняющий машинные инструкции (программы) с блоков постоянного хранения данных, временного хранения данных, блок постоянного хранения данных, представляющий собой постоянное запоминающее устройство, блок временного хранения данных, представляющий собой оперативное запоминающее устройство, обеспечивающее временное хранение данных, схему питания соединенную с блоком питания, интерфейсы ввода/вывода, средства ввода/вывода.
В качестве средства обмена информацией между блоками в данном техническом решении может выступать компьютерная шина обмена данными.
Блоки, используемые в данном техническом решении, могут быть реализованы с помощью электронных компонент, используемых для создания цифровых интегральных схем. Не ограничиваюсь, могут быть использоваться микросхемы, логика работы которых определяется при изготовлении, или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), логика работы которых задается посредством программирования.
Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC - специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже.
Также блоки могут быть реализованы с помощью постоянных запоминающих устройств (см. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990. - 160 с; Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник / А.Ю. Горденов и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с).
Таким образом, реализация всех используемых блоков достигается стандартными средствами, базирующимися на классических принципах реализации основ вычислительной техники.
Блок получения данных, содержащих информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества обладает следующим функционалом:
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 3x 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.
Блок создания трехмерной модели брюшной полости пациента обладает следующим функционалом:
Выделяют и определяют из данных, содержащих информацию об исследовании пациента с применением контрастного вещества, 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.
Блок предоперационного моделирования хирургической процедуры обладает следующим функционалом:
Используют созданную блоком создания трехмерной модели брюшной полости пациента трехмерную модель брюшной полости пациента для последующего моделирования тренировочной хирургической операции. Моделирование тренировочной операции раскрыто в известном уровне техники, известны тренажеры лапароскопической хирургии, которые позволяют моделировать хирургическое вмешательство, при этом пользователь, используя средства ввода/вывода, проводит хирургическую операцию в виртуальном пространстве.
Интерфейсы ввода/вывода (В/В) представляют собой стандартные порты и средства сопряжения устройств и передачи данных, выбираемые исходя из необходимой конфигурации исполнения устройства, в частности: USB (2.0, 3.0, USB-C, micro, mini), Ethernet, PCI, AGP, COM, LPT, PS/2, SATA, Fire Wire, Lightning и т.п.
Средства В/В также выбираются из известного спектра различных устройств, например, клавиатура, тачпад, сенсорный дисплей, монитор, проектор, манипулятор мышь, джойстик, трекбол, световое перо, стилус, устройства вывода звука (колонки, наушники, встроенные динамики, зуммер) и т.п.
Блок питания в описываемом в техническом решении может представлять собой электронное устройство, обеспечивающее преобразование переменного электрического тока в постоянный, с параметрами, необходимыми для питания других элементов устройства определения интересов ребенка и оценки уровня угроз ребенку в интернете.
Процессор может представлять собой электронный блок либо интегральную схему (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы). Блок обработки информации считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с блоков постоянного хранения данных, временного хранения данных.
Блок постоянного хранения данных может представлять собой ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), флэш-память, жесткие диски (HDD), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.
Блок временного хранения данных представляет собой ОЗУ -оперативное запоминающее устройство, обеспечивающее временное хранение данных.
Специалисту в данной области, очевидно, что конкретные варианты осуществления устройства предоперационного моделирования хирургической процедуры описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема изобретения.