成果名称: 计算机辅助腹部外科可视化仿真手术系统的研究及产业化开发
完成单位: 南方医科大学珠江医院,中国科学院自动化研究所,南方医科大学基础医学院,广州华南师范大学计算机学院;深圳旭东精工有限公司
主要人员: 方驰华,范应方,田捷,鲍苏苏,曹卫宁,钟世镇,项楠,杨剑,彭丰平,潘家辉,叶建平,吴孝祥,李鉴轶,李克晓,曾宁,陈铁军
介绍:

    1.课题来源与背景: 原发性肝癌死亡率居广东省恶性肿瘤首位,外科手术是首选。CT或MR单一模态成像都不能完整提供精确的解剖信息,三维重建、手术规划的准确性和可靠性低,难以指导精准手术。需要开发一种计算机辅助腹部外科仿真手术系统,在三维重建软件和仿真手术软件在线升级情况下,进行肝胆胰疾病的远程会诊,资源共享,从而为类似疾病的术前诊断和外科治疗提标准化诊治模板,达到胆胰外科疾病的数字化快速诊断和治疗,推动我国数字医学的发展。

    2.技术原理及性能指标: 采集了肝胆胰患者螺旋CT 或MRI 扫描数据,在本科研团队前期自主研发的具有自主知识产权的腹部医学三维可视化系统(MI-3DVS)的基础上,使用动态自适应区域生长算法得到矢量化分割结果,采用面绘制方法将矢量化的分割结果进行三维模型的重建,优化重建速度和重建图像的质量,对原有虚拟手术仿真系统进行了改进和完善,增加仿真手术过程中血管损伤情况下的出血流体力学的虚拟仿真及肝脏等实质脏器虚拟切割力的感触及弹性力学等物理属性等功能和性能。联合Phantom 力反馈设备,优化几何建模、碰撞检测、形变计算计算及多方人机交互等虚拟手术系统的关键技术,获得具有物理特性的仿真手术系统,该系统可以单独显示某一器官、某一组织,也可以把几个器官和组织进行联合显示,以展示它们之间的位置关系;在保持一定清晰度范围内,任意放大、缩小三维重建物体。利用该系统提供的虚拟手术工具可以对重建出三维形体进行各种手术操作,且具有手术的真实过程和结果。虚拟手术可以使用虚拟器械,经过人机接口设备Phantom(力反馈设备等),具有沉浸性、交互性和力反馈等,外科医生在虚拟现实的手术环境中,可以像在真正的临床手术那样逼真,操纵虚拟手术器械,根据三维图像的指引,进行虚拟外科手术,而且该过程可以随时中断,系统将记录下中断时的相关信息以便以后从中断处继续手术。

    3.主要性能指标: 1. CT/MR 图像三维重建的真实程度; 2. 正常肝脏及肝脏占位情况性下可视化肝段划分的准确度; 3. 可视化仿真手术向可视化物理性仿真手术的变革的深度,仿真手术环境及仿真过 4. 程的真实性,稳定性和易操纵性; 5. 三维图像分割和三维重建的速度、重建图像的逼真度以及仿真手术的真实程度, 6. 软件的可持续升级及再次开发优化; 7. 数据库平台的构建及可持续性扩充; 8. 三维仿真手术系统及三维放映平台的逼真度 3.技术的创造性和先进性 确定各个脏器及病灶的最佳CT或MR数据采集条件以及数据的转化和融合,实现CT/MR 数据的快速三维重建及后续仿真手术研究;开发研制肝脏占位病变快速病灶定位诊断系统及病灶血供的区域性划分;初步确定肝体积切除体积与术后肝功能衰竭的发生率的量化关系;构建具有物理特性(流体力学及弹性形变等)的仿真手术系统和仿真手术立体放映平台,大幅度提高仿真手术的逼真度,实现操作者有身临其境的感觉;利用相关软件进行医学生的立体教学与远程教学;建立专业网站,数字化医学信息共享应用于各大中型医院,开创数字化,诊疗技术新纪元。

    4.技术的成熟程度、适用范围和安全性: 该技术也已经能够在临床成熟应用,适用于肝胆胰脾多种疾病患者的三维重建,特别是可以对肝脏占位性病灶进行快速的定位诊断,具有肝脏分段自动划分功能及基于自动分段结果上的人机交互调整功能,可实现对单一肝动脉、门静脉或肝静脉分支的血管区域或血液引流区域进行精确、定量的分析,可自动测量相应血供或血液引流区域肝脏的体积,从而指导精准的肝切除术的实施,且安全性较高,该技术在肝胆胰外科疾病诊断和治疗方面具有无可比拟的优势,将肝脏肿瘤手术可切除率提高7%;肝胆管结石残石率由文献报道的30%-90%降到1%以下;胰腺肿瘤患者诊断率和可切除率提高10%。

    5.应用情况及存在的问题: a.图像分割、多模态图像融合已在南方医科大学珠江医院临床验证。原发性肝癌数字化、三维图像自动化处理在南方医科大学附属医院进行临床验证应用,进行个体化手术模拟训练,为肝切除手术规划和实施提供可靠的依据和引导; b.开放数据:本项目采集大量临床病人数据,项目组将对数据进行手工标识,产生肝脏、脉管、肿瘤的金标准数据,在MICCAI/ISBI 会议上举办研讨会的方式进行公开,有力推动临床医学图像分割算法的深入研究; c.数字智能化诊疗技术500 多家医院应用:提高原发性肝癌诊断精确性;“看透”腹腔脏器的“数字眼”;实现了二维向三维物理模型跨越式的转变; 提高诊断、预测转移和手术安全性评估; 跨尺度肿瘤边界界定;对肿瘤微小病灶的侦测和肿瘤边界界定;实时融合图像导航肝切除。但仍存在疾病适用范围不够宽泛,重建图像质量不佳等问题。

    6.历年获奖情况: 申请了基于CT/MR 图像的三维重建软件及虚拟手术软件专利共13项,获得授权10项;获得了4项软件著作权。完成的肝脏占位病变诊断定位系统﹑肝功能衰竭预测系统“旭东腹部CT影像后处理软件”已通过广东省药监局评审,获得上市许可证。 发表论文23篇,其中SCI论文10篇;已编写《数字化肝脏外科学》、《数字化胰腺外科学》《数字化胆道外科学》论著三本。

批准登记号:
登记日期: 2022-05-19
研究起止时间: 2011-01-01至2015-01-31
所属行业: 卫生和社会工作
所属高新技术类别: 生物医药与医疗器械
评价单位名称: 广东省科学技术厅
评价日期: 2019-11-01