CN111653363A - 一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，包括以下步骤：S1、构建离散点温度场数据的插值算法；S2、绘制差值后高分辨率仿真温度场地形图，包括将温度与颜色进行对应以及按像素点坐标描点；S3、计算插值后的数据的各项可视化指标，包括：等温线、边界线、两点实际距离、任意点温度、模拟3D仿真效果图、消融长短径及变化曲线、消融体积及变化曲线的计算；S4、将仿真结果与术中治疗进度同步可视化展示；S5、根据预设治疗结束信息对治疗进程进行报警；该基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法成本低且准确度高。

Description

一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法
技术领域
本发明涉及医疗领域，尤其涉及一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法。
背景技术
微波热消融疗法因其疗效明显、微创、毒副作用小、并发症少等优势，被认为是继手术、化疗、放疗、免疫治疗等后又一种新型有效的恶性肿瘤治疗的方法，在临床肿瘤治疗中已经发挥了巨大的作用，已经广泛用于肝癌、肺癌、肾癌等常见肿瘤。但是，微波肿瘤热消融中仍存在许多需要解决的科学及技术问题，其中最主要的之一就是微波消融治疗中实时疗效评估问题。目前临床还不能正确反应肿瘤组织的消融程度，为了更为准确的对消融疗效进行评估，建立术中同步微波消融仿真模型实现疗效实时评估成为精准消融的难点。
其中，肿瘤的热疗过程存在产热和散热的过程，温度场的大小、形状不仅受加热辐射器的形状、发射功率、作用时间等因素的影响，而且与肿瘤组织的导热率和血液灌注率等热物性有关。由于人体组织的高度复杂性及测量方法的局限性，上述生物可视化指标常不易准确测得；同样在肝组织中，也难以通过多点精确布点测温来了解三维温度场的分布。
另外，微波消融下生物组织的温度场变化是一个动态变化过程，温度场模拟是微波热疗手术术前规划系统的重要组成部分，能够帮助医生有效地预测热场的分布，由于不能大量进行人体实验，目前主要热疗温度数据都是建立在模型或动物肝脏实验的基础上，且目前仿真模拟是在术前模拟，医生无法在手术过程中有效的评估温度场情况。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，本发明为了解决上述技术问题而采用以下技术方案：
一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，其包括以下步骤：
S1、构建离散点温度场数据的插值算法，且插值算法包括缺失数据填补、生成线性间距向量以及二维线性插值和数据取整并存储；
S2、绘制差值后高分辨率仿真温度场地形图，包括将温度与颜色进行对应以及按像素点坐标描点；
S3、计算插值后的数据的各项可视化指标，包括：等温线、边界线、两点实际距离、任意点温度、模拟3D仿真效果图、消融长短径及变化曲线、消融体积及变化曲线的计算；其中，任意点温度绘制方法包括：获取用户鼠标位置、获取对应位置温度值并且随时间变化进行刷新；消融长短径及变化曲线包括：根据用户输入的消融边界温度选取消融区域、查询消融区域的横纵坐标最大值和最小值、根据横纵坐标最大值和最小值估算消融区域长径a和短径b、按照时间变化刷新可视化指标；消融体积及变化曲线包括：根据长径a和短径b估算消融区域体积，计算公式为：
Figure BDA0002552569610000021
并且按照时间变化刷新可视化指标；
S4、将仿真结果与术中治疗进度同步可视化展示，包括：将数据与秒数对应，按秒读取数据，与治疗开始开关关联，其中所述数据与秒数对应公式为：
Figure BDA0002552569610000031
其中t为当前对应秒数，i为当前数据位置，最后对t舍去小数部分取整；
S5、根据预设治疗结束信息对治疗进程进行报警包括：读取用户输入的治疗截止边界长径、短径且实时判断当前仿真消融边界长径、短径，将当前消融长短径与预设截止边界长径、短径对比，若长径或短径大于预设值，则自动报警自动报警。
优选的，所述缺失数据填补包括对原始仿真数据循环检查判断其在原有分辨率下是否有缺失，若有缺失自动将其填补为距离最近的非缺失值，并逐行填补。
优选的，所述生成线性间距向量包括分别生成两个大小为512的向量，分别用于表示温度场的横坐标x与纵坐标y，向量的首端和末端分别读取原仿真数据横纵坐标的最大值和最小值。
优选的，所述两点实际距离的计算，包括：显示窗口横纵坐标拉伸比例系数计算、两点横纵坐标获取与像素距离计算、实际距离计算公式为：
Figure BDA0002552569610000032
其中Y表示显示窗口长，X表示显示窗口宽度，x表示当前数据横坐标，y表示当前数据纵坐标。
优选的，所述模拟3D仿真效果图，由2D仿真图像某一温度线沿中心轴线旋转一周所得。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
通过仿真获取低分辨率的肿瘤热消融离散坐标位置温度数值，通过简便的操作即可快速获取高分辨率的温度场地形图以及其各项重要可视化指标；将仿真结果与手术进程进行同步，时间分辨率高，各项可视化指标能够实时同步展示，并设置自动报警；该评估方法成本低且准确度高。
附图说明
图1是本发明所提供的一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法的流程图；
图2是本发明所提供的一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法的缺值填充示意图；
图3是本发明所提供的一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法的二维线性插值示意图；
图4是本发明所提供的一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法的可视化界面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明的一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法的流程图，根据温度场离散坐标位置的仿真结果对温度场实际疗效状态及各项可视化指标进行评估并可视化，包括以下步骤：
S1、构建离散点温度场数据的插值算法，包括：缺失数据填补、生成线性间距向量、二维线性插值和数据取整并存储。
其中，缺失数据填补包括对原始仿真数据循环检查判断其在原有分辨率下是否有缺失，若有缺失自动将其填补为距离最近的非缺失值，并逐行填补；生成线性间距向量包括分别生成两个大小为512的向量，分别用于表示温度场的横坐标(x)与纵坐标(y)，向量的首端和末端分别读取原仿真数据横纵坐标的最大值和最小值。
S2、绘制差值后高分辨率仿真温度场地形图，包括：将温度与颜色进行对应，按像素点坐标描点。
其中，温度与颜色对应过程为，将512*512个点的温度值标准化到0-255上，按照jot地形图规范计算其RGB值。
S3、计算插值后的数据的各项可视化指标，包括：等温线、边界线、两点实际距离、任意点温度、模拟3D仿真效果图、消融长短径及变化曲线、消融体积及变化曲线的计算。
其中，等温线计算方法包括：选取温度值为40℃，50℃，60℃，70℃，80℃，90℃，100℃，110℃，120℃的数据点，将温度值相同的数据点进行描点连接；边界线绘制过程为，读取用户输入的边界温度，查找该温度数据点，将数据点进行描点连接；两点实际距离的计算，包括：显示窗口横纵坐标拉伸比例系数计算、两点横纵坐标获取与像素距离计算、实际距离计算,计算公式为：
Figure BDA0002552569610000061
其中Y表示显示窗口长，X表示显示窗口宽度，x表示当前数据横坐标，y表示当前数据纵坐标；任意点温度绘制方法包括：获取用户鼠标位置、获取对应位置温度值并且随时间变化进行刷新(分辨率为1s)；模拟3D仿真效果图，将2D仿真图像某一温度线沿中心轴线旋转一周所得；消融长短径及变化曲线包括：根据用户输入的消融边界温度选取消融区域、查询消融区域的横纵坐标最大最小值、根据横纵坐标最大最小值估算消融区域长径a和短径b、按照时间变化刷新参数并绘制变化曲线(时间分辨率为1s)；消融体积及变化曲线包括：根据前面得到的长短径估算消融区域体积并绘制变化曲线，公式为：
Figure BDA0002552569610000062
并且按照时间变化刷新可视化指标；
S4、将仿真结果与术中治疗进度同步可视化展示，包括：将数据与秒数对应，按秒读取数据，与治疗开始开关关联，用户点击治疗开始开关之后，仿真进程同步开始，并严格对应真实时间。所述数据与秒数对应算法为：
Figure BDA0002552569610000063
其中t为当前对应秒数，i为当前数据位置。最后对t舍去小数部分取整。
S5、根据预设治疗结束信息对治疗进程进行报警包括：读取用户输入的治疗截止边界长径、短径且实时判断当前仿真消融边界长径、短径，将当前消融长径、短径与预设截止边界长径、短径对比，若长径或短径大于预设值，则自动报警自动报警。
如图2所示，为本发明所涉及的可视化系统界面。其中，1为边界线显示按钮，2为等温线显示按钮，3为测量按钮，4为单点测温按钮，5为3D/2D效果图转换按钮，6为清空屏幕显示可视化指标按钮，7为仿真显示屏幕，8位时间进度条，9为长短径显示框，10为长短径变化曲线。在微波消融术中，当开始治疗之后，仿真显示屏幕7会与治疗进程同步显示治疗仿真动画，图像刷新的时间分辨率为1秒；治疗开始后，时间进度条8会根据真实时间计时，长短径变化曲线会按照1秒的刷新率进行绘制。
如图3所示，为本发明中用到的仿真数据的读取顺序，本发明所使用的数据查找与缺失数据填补采用横向数据读取。
如图4所示，为发明用到的差值填充算法示意图。本发明采用二维线性插值，基于三角剖分原理，即已知平面中的3点的温度p1，p2，p3，在三角形内的任意点P,都存在u和v(由于三角形是一个2D图形，只有两个自由度，所以只要u和v即可)，使得
P＝(1-u-v)×p1+u×p2+v×p3
P点在三角形内，所以(u,v)必须满足条件u≥0,v≥0,u+v≤1。u、v体现了每个顶点对特定区域的权重贡献，(1-u-v)则是第三个权重，只要计算出u和v，就可以计算出每个顶点对P点的贡献。现在已知P1，P2，P3和P的坐标值，求解u和v，只需要解二元一次方程即可：
Px＝(1-u-v)×p1x+u×p2x+v×p3x
Py＝(1-u-v)×p1y+u×p2y+v×p3y
有了u、v值，对P1,P2,P3的颜色值进行加权平均，即可得到P点温度值。
本发明通过仿真获取低分辨率的肿瘤热消融离散坐标位置温度数值，通过简便的操作即可快速获取高分辨率的温度场地形图以及其各项重要可视化指标；将仿真结果与手术进程进行同步，时间分辨率高，各项可视化指标能够实时同步展示，并设置自动报警；该评估方法造价低，准确度高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建离散点温度场数据的插值算法，且插值算法包括缺失数据填补、生成线性间距向量以及二维线性插值和数据取整并存储；
S2、绘制差值后高分辨率仿真温度场地形图，包括将温度与颜色进行对应以及按像素点坐标描点；
S3、计算插值后的数据的各项可视化指标，包括：等温线、边界线、两点实际距离、任意点温度、模拟3D仿真效果图、消融长短径及变化曲线、消融体积及变化曲线的计算；任意点温度绘制方法包括：获取用户鼠标位置、获取对应位置温度值并且随时间变化进行刷新；消融长短径及变化曲线包括：根据用户输入的消融边界温度选取消融区域、查询消融区域的横纵坐标最大值和最小值、根据横纵坐标最大值和最小值估算消融区域长径a和短径b、按照时间变化刷新可视化指标；消融体积及变化曲线包括：根据长径a和短径b估算消融区域体积，计算公式为：
Figure FDA0002552569600000011
并且按照时间变化刷新可视化指标；
S4、将仿真结果与术中治疗进度同步可视化展示，包括：将数据与秒数对应，按秒读取数据，与治疗开始开关关联，其中所述数据与秒数对应公式为：
Figure FDA0002552569600000012
其中t为当前对应秒数，i为当前数据位置，最后对t舍去小数部分取整；
S5、根据预设治疗结束信息对治疗进程进行报警，包括：读取用户输入的治疗截止边界长径、短径且实时判断当前仿真消融边界长径、短径，将当前消融长径、短径与预设截止边界长径、短径对比，若长径或短径大于预设值，则自动报警自动报警。
2.根据权利要求1所述的基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，其特征在于：所述缺失数据填补包括对原始仿真数据循环检查以判断其在原有分辨率下是否有缺失，若有缺失自动将其填补为距离最近的非缺失值，并逐行填补。
3.根据权利要求1所述的基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，其特征在于：所述生成线性间距向量包括分别生成两个大小为512的向量，分别用于表示温度场的横坐标x与纵坐标y，向量的首端和末端分别读取原仿真数据横纵坐标的最大值和最小值。
4.根据权利要求1所述的基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，其特征在于：所述两点实际距离的计算，包括：显示窗口横纵坐标拉伸比例系数计算、两点横纵坐标获取与像素距离计算、实际距离计算公式为：
Figure FDA0002552569600000021
其中Y表示显示窗口长，X表示显示窗口宽度，x表示当前数据横坐标，y
表示当前数据纵坐标。
5.根据权利要求1所述的基于仿真温度场的微波消融术中疗效评估方法，其特征在于：所述模拟3D仿真效果图，由2D仿真图像某一温度线沿中心轴线旋转一周所得。
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