CN103970988A - 消融针穿刺路径规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开消融针穿刺路径规划方法，包括：获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量；以及将N个实际路径输出为N个穿刺路径。还公开了一种消融针穿刺路径规划系统。本发明能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径，为消融手术提供良好的术前规划指导。

Description

消融针穿刺路径规划方法及系统

技术领域

本发明涉及医学技术领域，具体涉及消融针穿刺路径规划方法及系统。

背景技术

消融治疗的手术规划需要满足各种需求，包括最短路线、避开血管和骨骼障碍、消融针数量、最低创伤和最佳治疗效果等等，虚拟夹具（VF）方法能够在一定程度上解决以上的需求，包括引导型虚拟夹具（GVF）和障碍型虚拟夹具（FRVF），GVF是用来引导消融针向期望目标或沿期望路径及表面运动，同时可以降低对用户输入的需求；FRVF的作用是阻止消融针进入障碍区域，避免出现碰撞等不合法的运动。最短路径、最佳治疗效果的需求为引导型，血管和骨骼障碍为障碍型。如何综合考虑以上各种需求，根据以上需求建立各种虚拟夹具模型，最终得到初步的进针路线和消融针的预估效果，是本领域技术人员一直研究的课题。现有的消融针穿刺路径规划方式都是由医生根据术区的三维图像，手动规划出可能的消融针穿刺路径，然后由计算机对路径数据进行处理来判断该路径是否满足上述需求，这种方式高度依赖术者的经验，受各种人为因素的干扰，且耗时耗力。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种消融针穿刺路径规划方法及系统，使得能够自动规划出最佳的消融针穿刺路径。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种消融针穿刺路径规划方法，包括:

获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；

基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；

针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；

由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及

将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

本发明实施例还提供了一种消融针穿刺路径规划系统，包括：

获取模块，其获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；

预处理模块，其基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；

基准路径设定模块，其针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；

实际路径设定模块，其由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及

输出模块，其将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

利用本发明，能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径，为消融手术提供良好的术前规划指导。

附图说明

图1为消融针路径规划参考图。

图2为本发明实施例的消融针穿刺路径规划方法的流程示意图。

图3为本发明实施例的消融针路径规划示意图。

图4为本发明实施例的消融针穿刺路径规划方法中的部分流程示意图之一。

图5为本发明实施例的消融针穿刺路径规划方法中的部分流程示意图之一。

图6为本发明实施例的消融针穿刺路径规划系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1为消融针路径规划示意图。如图1所示，本发明的目的就在于，如何自动规划出从经皮进针点P_i到肿瘤T的N个穿刺路径，N为消融针数量，这些穿刺路径需要满足各种需求，如要避开血管V和骨骼S等。

本发明实施例提供了一种消融针穿刺路径规划方法。利用该方法能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径。图2为本发明实施例的消融针穿刺路径规划方法的流程示意图。

如图2所示，本发明的消融针穿刺路径规划方法包括:

步骤S1，

获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据。

该步骤可以采用各种常规方式实现。这里的血管可以仅是一些重要血管。

步骤S2，

基于上述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域。

具体来说，该步骤包含以下过程：

①计算肿瘤中心点：

该计算可以采用各种方式实现。

例如，基于获取的肿瘤数据，可以通过将分割后的肿瘤面片数据中所有的点数据进行均值计算来得到肿瘤中心点P_C。

②在肿瘤周边生成安全边界区域（RSL区域）：

即在肿瘤外层正常组织中生成一层区域，该区域不包含血管和骨骼。此区域用于限制消融针的作用范围，也即消融针的消融范围不可超过该区域。

③标定感兴趣进针区域（ROI区域）：

消融针的进针区域限定在感兴趣进针区域内。后续步骤均是针对ROI区域进行的，这样可以有效减小搜索范围和计算区域。

可以以各种方式实现标定。较为有利的方式是，依照肿瘤的外层轮廓在主要进针方向设置锥形区域作为ROI区域，如图3所示，示出了该锥形区域的一个截面。例如，该锥形区域的角度可以为60度。

步骤S3，

针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点P_i到肿瘤中心点P_C的线，下文表示为P_iP_C。

具体来说，该步骤包含以下过程：

①搜索满足基础障碍约束条件的简化路径。

可以适当设定基础障碍约束条件。在本实例中，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交。

在感兴趣进针区域，可以每隔一定度数（例如，3度等）的空间角作为搜索间隔选取经皮进针点P_i（如图1所示），判断其是否满足基础障碍约束条件。

另外，可以将ROI区域分成M个子区，对每个子区执行上述步骤。

判断是否相交可以采用多种算法，例如可以采用GPU加速的射线-体素相交算法等，从而提高算法计算效率。

②对满足基础障碍约束条件的简化路径，计算虚拟约束。

虚拟约束可以包括引导型虚拟约束和障碍型虚拟约束。本领域有多种设计虚拟约束的方式，均可以应用于本发明。

此处，以最短进针路线虚拟约束VF^dist和骨骼血管障碍虚拟约束VF^barrier为例进行说明。虚拟约束为：VF=VF^dist+VF^barrier。

${\mathrm{VF}}^{\mathrm{dist}}=\frac{1}{2}(1-e^{-\mathrm{Di}}),$

${\mathrm{VF}}^{\mathrm{barrier}}=\frac{1}{1+e^{B_i}}$

其中，D_i为经皮进针点P_i距P_C点的距离│P_i-P_c│，

B_i=│P_i-P_B│，P_B为路径P_iP_C与骨骼和血管的最近距离点，当路径P_iP_C在骨骼和血管边界时，B_i=0。

下文在计算实际路径的虚拟约束时，用实际经皮进针点P_ni和实际肿瘤进针点P_Cn分别代替以上P_i和P_C即可。

对满足基础障碍约束条件的简化路径，计算VF^dist和VF^barrier。以上仅是VF^dist和VF^barrier的示例计算方式，还可以采用其他计算方式。

③基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径。

该步骤包括选择虚拟约束较优的若干简化路径，将它们设定为基准路径。这里，部分简化路径的数量是预先设定的，为大于0的整数。

在ROI区域分成M个子区的情况下，该步骤可以包括对每个子区最多设定一个基准路径。也即将每个子区中虚拟约束最优的一个简化路径设定为基准路径，最多可设定M个基准路径，因为有的子区可能没有满足基础障碍约束条件的简化路径。

这里的“优”可以表示高或低，因为不同的虚拟约束设定方式可以有所不同，例如，在本实例中的上述公式的情况下，虚拟约束较优或最优指的是较高或最高。在采用其他公式的情况下，虚拟约束较优或最优可以指的是较低或最低。

步骤S4，

由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值。当然，给定条件还可以包括其他条件，诸如消融比最高或虚拟约束最优。

此处，消融针数量N是根据肿瘤形状和大小而定的。其可以是操作者预先输入或选择的，也可以是自动生成的。例如，可以根据肿瘤体积和单个消融针的消融体积（即消融范围）之比自动得出消融针数量。通常，建议消融针数量N小于4根。

步骤S5，

将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

步骤S4可以用多种方式实现，以下将介绍两种典型例子。

例一：

由一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径。

图4为本发明实施例的消融针穿刺路径规划方法中的部分流程示意图，该图示出了该步骤4的具体例子。

步骤S41，选择一个基准路径。

可以由操作者选择，也可以由方法自动选择。例如，操作者可以在步骤3最后得到的基准路径的基础上，根据经验判断，选择一个进针方向较优的基准路径。或者，可以自动地随机选择一个基准路径，或者可以自动地选择虚拟约束最优的一个基准路径。

步骤S42，由所述基准路径偏移出N个实际路径。

偏移可以采用多种方式。例如，可以由基准路径平行移动而偏移出N个实际路径。即，将基准路径的P_i和P_C连线平行移动，形成相互隔开的N个实际路径，每个实际路径具有实际经皮进针点P_ni和实际肿瘤进针点P_Cn，实肿瘤瘤进针点指的是消融针末端在肿瘤中所在的位置。偏移量可以合理设定。

步骤S43，搜索满足给定条件的N个实际路径。

该步骤可以实现为多种方式。

给定条件包括基础障碍约束条件。对于每个实际路径，看是否满足基础障碍约束条件，如步骤S431所示。

给定条件还包括消融比是否大于阈值以及消融范围在安全边界区域内，如步骤S432所示。消融比为各消融针的消融体积之和与肿瘤体积之比，阈值可以根据需要设定，例如为90%等。

若满足，则进入步骤5，若不满足则返回步骤42，重新偏移出新的N个实际路径。这里重新偏移的方式有多种，例如，可以将满足基础障碍约束条件的实际路径保持不动（偏移量为0），偏移剩余实际路径，直到剩余实际路径也满足给定条件。当然也可以所有路径的偏移量都不为0。

在给定条件还包括其他条件的情况下，可以继续进行判断。例如，给定条件还可以包括消融比最高或虚拟约束最优，此时可以如图5所示进入如下流程：

将满足前述条件的N个实际路径保存为第一组N个备选路径，并且重新偏移出另外的N个实际路径，找到均满足前述条件的第二组N个备选路径。然后比较各组N个备选路径，将消融比最高或虚拟约束最优的一组N个备选路径作为N个实际路径，如步骤S4331至步骤S437所示。当然，此处，也可以找到多组N个备选路径，进行比较，尽管这样会增加计算成本。

例二：

由每个基准路径偏移出满足给定条件的一组N个备选路径；以及比较各组N个备选路径，将消融比最高或虚拟约束最优的一组N个备选路径作为N个实际路径。

该例子是例一的变形。由每个基准路径偏移出满足给定条件的一组N个备选路径，同例一。

本发明实施例还提供了一种消融针穿刺路径规划系统。利用该系统能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径。图6为本发明实施例的消融针穿刺路径规划系统的结构示意图。如图6所示，消融针穿刺路径规划系统包括：

获取模块，其获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；

预处理模块，其基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；

基准路径设定模块，其针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；

实际路径设定模块，其由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及

输出模块，其将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

其中，所述基准路径设定模块可以将感兴趣进针区域分成多个子区，每个子区最多设定一个基准路径。

其中，实际路径设定模块可以由一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径。如上述结合步骤4描述的那样。

其中，实际路径设定模块还可以由每个基准路径偏移出满足给定条件的一组N个备选路径；比较各组N个备选路径，将消融比最高或虚拟约束最优的一组N个备选路径作为N个实际路径。如上述结合步骤4描述的那样。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式。为方便说明起见，使用了步骤S1、S2等序号，但是应该认识到的是，这些步骤本身还可以包括其他过程，这些步骤之间还可以有其他步骤，这也在本发明的保护范围之内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，包括:

获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；

基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；

针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；

由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及

将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

2.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，标定感兴趣进针区域为：依照肿瘤的外层轮廓在主要进针方向设置锥形区域作为感兴趣进针区域。

3.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，将感兴趣进针区域分成多个子区，每个子区最多设定一个基准路径。

4.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径包括：

由一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径。

5.根据权利要求4所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，所述一个基准路径是操作者选择的或自动选择的。

6.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径包括：

由每个基准路径偏移出满足给定条件的一组N个备选路径；以及

比较各组N个备选路径，将消融比最高或虚拟约束最优的一组N个备选路径作为N个实际路径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，给定条件还包括消融比最高或虚拟约束最优。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，偏移的方式为以与基准路径平行的方式移动。

9.一种消融针穿刺路径规划系统，其特征在于，包括：

获取模块，其获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；

预处理模块，其基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；

基准路径设定模块，其针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；

实际路径设定模块，其由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及

输出模块，其将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

10.根据权利要求9所述的消融针穿刺路径规划系统，其特征在于，所述基准路径设定模块将感兴趣进针区域分成多个子区，每个子区最多设定一个基准路径。