基于多模态图像肝癌切除术高逼真度模拟的关键技术研究

As liver resection for hepatocellular carcinoma(HCC) is very complicated and dangerous, the success of hepatectomy greatly depends on the precise surgery planning and rehearse before operation. However, there are still some unsolved technical barriers of the high fidelity virtual hepatectomy system which is applied to the liver surgery. Firstly, Mono-modality CT or MR image could not provide complete and accurate anatomical information. In that case, three-dimensional (3D) reconstruction and surgical planning have low accuracy and reliability so that they are difficult to guide surgery precisely. Secondly，surgery simulation module couldn’t provide enhanced immersive three-dimensional visual scene and interactive simulation of various surgical instruments. To solve the above problems, research team will conduct the following studies based on preliminary 3D reconstruction and virtual surgery of hepatobiliary tumors: (1) constructing of big multimodality image data and jointing geometrical and grayscale image features into CT and MR nonlinear registration; (2) extracting liver tumor via optimization of low rank and sparse representation from multimodality local texture, context, atlas-related features;(3) constructing a biomechanics model for the liver tissue, interactive cutting simulation and force feedback modeling. The results will provide technical support to the high fidelity virtual hepatectomy system and have a huge application perspective in the field of computer-assisted hepatectomy design and the training for liver surgeons.

原发性肝癌切除术复杂度高、危险性大，手术成功率很大程度上依赖于术前的精确规划和预演。然而，研发具有高逼真度的虚拟肝癌切除手术系统并应用于肝脏外科疾病诊疗还存在一些未解决的技术壁垒，包括：CT或MR单一模态成像都不能完整提供精确的肝脏肿瘤解剖信息，影响精确化三维肝脏建模和可视化；手术模拟难以提供能增强沉浸感的立体视觉场景和各种手术器械的交互仿真。基于此，课题组将在肝胆肿瘤三维重建和虚拟手术的基础上进行研究：（1）构建多模态图像大数据库，联合几何和灰度特征进行CT-MR非线性配准；（2）构建多模态图像局部纹理、上下文、图谱相关特征，优化稀疏与低秩表示，提取肝脏肿瘤；（3）创建基于粒子系统的肝脏软组织生物力学模型，并构建手术刀切割操作模拟及其力觉反馈模型。最终为创建高逼真度虚拟肝癌切除手术系统提供技术支持，并将在计算机辅助肝脏切除手术设计和肝脏外科医生培养方面产生实际的临床应用价值。

原发性肝癌是危害人类健康的恶性肿瘤之一，是我国第4位常见恶性肿瘤及第2位肿瘤致死病因，目前最有效的治疗方法为手术切除。肝癌切除术复杂度高、危险性大，手术成功率很大程度上依赖于术前的精确规划。然而，研发具有高逼真度的虚拟肝癌切除手术系统还存在一些技术壁垒，包括：CT或MR单一模态成像都不能完整提供精确的肝脏肿瘤解剖信息，影响三维肝脏建模和可视化；手术模拟难以提供能增强沉浸感的立体视觉场景和各种手术器械的交互仿真。因此课题组在肝胆肿瘤三维重建和虚拟手术的基础上进行了研究，内容主要包括4部分：1、优化CT数据采集技术，将阈值法（团注跟踪法）和试验注射法（小剂量预注射法）相结合以获取高质量肝脏CT数据，收集了100例高质量原发性肝癌患者256层螺旋CT图像数据，构建原发性肝癌CT影像数据库和3D模型数据库。2、通过AdaBoost体素分类器和AdaBoost剖面分类器来指导肝脏三层主动形状建模。基于深度卷积神经网络和图割优化进行肝肿瘤的自动分割和评估，并通过深度卷积神经网络得到的肿瘤粗分割区域进行图割优化。3、回顾性分析87例肝癌手术患者的CT、MRI和CT-MRI肝胆期融合图像的肝癌检测率，显示CT-MRI多模态融合图像肝癌检测率高于CT检测率且能解决EOB-MRI肝胆期血管显示不清的问题。另回顾性分析了27例行解剖性肝切除术的患者资料，证实了三维可视化联合ICG多模态影像融合影像技术指导解剖性肝切除的准确性。配准采用刚性配准、B样条弹性配准等进行CT与MRI图像弹性配准，最后输入到开源软件FusionViewer中进行精细配准。4、为实现快速异构组织形变模型构建，提出基于补偿法的异构组织间耦合方法和一种计算模型降维方法来提高计算效率，该方法配准精度为3.42mm且计算效率增加9.4倍。手术仿真交互方面，提出了一种Patch格林坐标方法以实现软组织的形变插值计算方法。在手术器械与软组织的接触摩擦作用方面：采用基于完全拉格朗日显示有限元方法对插值网格进行形变求解，实现具有体积守恒及平衡形变效果的软组织交互仿真效果。