CN105381534B - 粒子植入用导板及其制造方法、装置 - Google Patents

粒子植入用导板及其制造方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种粒子植入用导板的制造方法。该方法包括如下步骤：对待扫描部位进行扫描获得含待扫描部位的医学图像；根据医学图像获取感兴趣区域的图像；根据感兴趣区域的图像重构获得感兴趣区域的三维模型；根据三维模型确定虚拟进针路径；根据虚拟进针路径获得虚拟进针角度、进针位置以及进针深度；根据感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径、进针位置以及进针角度逆向设计生成导板模型；通过快速成型技术将导板模型进行实体打印获得粒子植入用导板。通过本发明的方法获得的粒子植入用导板结构简单、操作方便，可引导医生实现精确粒子植入，缩短手术时间。本发明还提供依照上述方法制造的粒子植入用导板以及包含粒子植入用导板的粒子植入用装置。

Description

粒子植入用导板及其制造方法、装置
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种粒子植入用导板及其制造方法、装置。
背景技术
目前，临床上经常采用经皮穿刺的方法对疾病进行诊断和治疗，这种方法的突出优点是微创性，无论是诊断还是治疗，病人术后恢复均较快，因而被越来越多地应用到临床上。
大量临床资料显示，70%~80%的肿瘤患者在确诊是已经属于中晚期，传统的肿瘤治疗方法，如放疗、化疗因受剂量等因素的限制，较难将肿瘤细胞完全杀灭，治疗效果不理想。肿瘤介入治疗具有微创、费用低、安全、疗效好等优点，尤其是对那些不能手术的肿瘤患者，肿瘤介入治疗越来越现实出其在肿瘤治疗中的地位。
经皮穿刺是肿瘤介入治疗中经常使用的一种手术方法，其通过穿刺针向肿瘤内注射药物或植入放射性粒子或植入磁性热籽以达到杀灭肿瘤细胞的目的。在进行穿刺中准确地定位对穿刺成功率起着决定性的作用。过去医生一般凭经验寻找穿刺点，直接将穿刺针插入病灶处，这样操作穿刺不准确，通常需要多次才能找准病变部位，很容易出现进针偏差、重复穿刺等失误，进而导致在放射性粒子或磁性热籽的植入过程中出现植入偏差、植入不均匀影响治疗效果的问题。
随着医学影响技术的不断发展，目前已经出现在CT、超声或MRI扫描设备引导定位下经皮穿刺治疗肿瘤的方法。该方法首先通过CT等影像设备引导确定穿刺点和穿刺深度，然后由医生根据穿刺点与穿刺深度依靠其经验手持穿刺针进行肿瘤穿刺，接着植入放射性粒子或磁性热籽。该方法虽然可以极大提高穿刺的准确性和安全性，但由于常规CT扫描设备引导并非实时地，存在着由于医生手的位置和方向偏移导致不能精确定位以及精确确定进针深度而需要反复穿刺的缺陷。
另有一种在CT或超声扫描设备引导下经常规模板插值进行经皮穿刺治疗肿瘤的方法。该方法首先通过CT扫描设备引导确定穿刺点和穿刺深度，然后根据CT引导的穿刺点的位置将常规模板置于患者上方，接着调整常规模板至患者待植入部位的表面，然后由医生依照常规模板上等间距设置的针孔手持植入针或植入枪进行放射性粒子或磁性热籽的植入。该方法虽然可以在一定程度上提高粒子植入的准确性，但在较复杂的解剖结构中常规模板极易出现摆位误差(患者与模板之间的位置或角度偏差)，导致粒子植入过程中的进针路径、粒子植入位置与计划不符，降低治疗的精确性，从而造成肿瘤部位放射剂量降低、正常组织接受放射剂量增高，影响治疗效果，同时增加并发症。并且由于不同患者的肿瘤大小、形状、部位各不相同，而传统用的常规模板的针孔是等间距平行设置的，使用此种模板引导粒子植入也会导致剂量分布不均匀；另外传统的模板一般需要先通过固定装置预先固定，然后再通过固定装置来带动模板运动至患者待植入部位，结构复杂、操作繁琐。
因此，确有必要提供一种粒子植入用导板及其制造方法、装置，以克服现有技术中存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可引导医生进行粒子植入并提高植入粒子位置精确性且结构简单、操作方便的粒子植入用导板及其制造方法。
本发明还提供一种具有上述粒子植入用导板制造方法获得的粒子植入用导板的粒子植入用装置。
为实现上述目的，本发明的粒子植入用导板的制造方法包括如下步骤：对待扫描部位进行扫描获得含有待扫描部位的三维医学图像；根据三维医学图像获取感兴趣区域的图像，所述感兴趣区域包括病灶部位以及与病灶部位相关的各组织；根据获得的感兴趣区域的图像重构获得感兴趣区域的三维模型；根据感兴趣区域的三维模型确定虚拟进针路径；根据确定的虚拟进针路径获得虚拟的进针角度、进针位置以及进针深度；根据感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径、进针位置以及进针方向逆向设计生成导板模型；通过快速成型技术将导板模型进行实体打印获得粒子植入用导板。
进一步地，所述获得含待扫描部位的三维医学图像是采用CT成像设备或MR成像设备或PET-CT扫描设备对待扫描部位扫描获得的。
进一步地，所述三维模型是通过对感兴趣区域的图像按照组织部位进行分割后分别重构获得的。
进一步地，所述根据感兴趣区域的图像重构获得感兴趣区域的三维模型的过程具体包括如下步骤：对感兴趣区域的图像进行分割获得各组织的图像数据，所述各组织包括病灶以及与病灶相关的部位；根据各组织的图像数据重构获得感兴趣区域的三维模型。
进一步地，所述感兴趣区域的三维模型包括病灶部位的三维模型以及与病灶部位相关部位的三维模型。
进一步地，所述根据感兴趣区域的三维模型确定虚拟进针路径的过程包括如下步骤：根据病灶的三维模型的大小与形状确定植入粒子的总剂量；根据植入粒子的总剂量与病灶三维模型的大小、形状确定虚拟进针路径。
进一步地，所述根据植入粒子总剂量与病灶三维模型的大小、形状确定虚拟进针路径的过程包括如下步骤：根据病灶三维模型的大小与形状将病灶三维模型分割成多个部分；确定分割后的每个部分的中心；以分割后每个部分的中心为基准点朝外发射射线；对所有发射射线进行筛选获得筛选后的射线；根据筛选后的射线、病灶三维模型、植入粒子的总剂量以及感兴趣区域的三维模型的各组织对植入粒子的吸收剂量来获得虚拟进针路径。
进一步地，所述虚拟进针方向、进针位置是根据虚拟进针路径与感兴趣区域的三维模型的外表面获得的。
进一步地，所述虚拟进针深度是根据虚拟进针路径以及由植入粒子的总剂量在病灶的三维模型内的均匀分布确定的粒子分布位置获得的。
进一步地，所述对所有发射射线进行筛选获得筛选后的射线是依据射线是否落入手术方位范围内、是否穿过感兴趣三维模型中重要组织模型来进行判断筛选的。
进一步地，所述根据感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径、进针位置以及进针方向逆向设计生成导板模型过程包括：选取感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径相交部位的曲面；对选取的曲面进行增厚处理获得雏形；在模板雏形上设置穿孔与导向部以获得导板模型，所述穿孔设于模板雏形与虚拟进针位置对应的部位处，所述导向部设于模板雏形位于穿孔周边部位处，所述穿孔延伸方向与其对应的虚拟进针方向一致，所述导向部是沿虚拟进针方向设于导板模型上的。
进一步地，所述穿孔的尺寸是根据粒子植入时携带粒子的植入针的尺寸确定的。
进一步地，所述穿孔之间的间距是根据虚拟进针路径之间的间距设置的。
本发明还提供一种粒子植入用导板，该粒子植入用导板通过上述制造方法获得。
进一步地，所述粒子植入用导板通过快速成型技术一体成型制成。
进一步地，所述粒子植入用导板包括主体，所述主体上设有多个穿孔，所述主体上还凸伸设有位于穿孔周侧的导向部。
本发明还提供一种粒子植入用装置，其包括上述粒子植入用导板。
进一步地，所述粒子植入用装置还包括粒子植入系统，所述粒子植入系统在CT图像引导下利用所述粒子植入用导板对病灶部位进行粒子植入。
进一步地，所述粒子植入用装置还包括术后质量评估系统，用于验证分析病灶部位植入的粒子位置分布以及粒子的剂量分布情况。
进一步地，所述质量评估系统是根据分析患者病灶部位术后图像中粒子植入分布情况进行评估的，所述患者病灶部位术后的图像是通过采用诊断扫描设备对患者术后病灶部位进行扫描获得的。
通过本发明的方法获得的粒子植入用导板可以快速准确地引导医生进行粒子植入，操作简单，可避免因患者病灶部位大小、形状差异而采用传统常规模板引导医生进行粒子植入过程中导致的粒子植入位置出现偏差而出现粒子分布不均影响疗效的问题，也可避免在采用传统模板引导医生进行粒子植入时因医生穿刺针位置偏差导致的反复穿刺，提高了粒子植入的准确性。并且，本发明的粒子植入用导板是根据患者的病灶逆向设计生成的，可引导医生实现个性化粒子植入医疗。另外，本发明的粒子植入用导板是通过快速成型技术一体成型的，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明粒子植入用导板的制造方法流程示意图。
图2为图1中获得感兴趣区域的三维模型流程示意图。
图3为图1中获得虚拟进针路径的流程示意图。
图4为本发明粒子植入用导板制造方法中逆向设计生成导板模型的流程示意图。
图5为本发明具体实施例中采用的患者臀部CT断层扫描图，其中图5a为臀部横断面CT断层图，图5b为臀部冠状面CT断层图，图5c为臀部矢状面断层图。
图6为依照本发明的方法重构获得的病灶部位的三维模型，其中病灶为骶骨肿瘤。
图7为依照本发明的方法确定的骶骨肿瘤虚拟进针路径示意图，其中图7a为分割骶骨肿瘤的示意图，图7b为根据本发明方法确定的适宜骶骨肿瘤进针虚拟路径示意图。
图8为依照图4方法生成的骶骨肿瘤导板模型与感兴趣区域的三维模型的立体组合示意图。
图9为依照本发明方法制成的骶骨肿瘤粒子植入用导板的立体示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细的说明。
请参阅图1所示为本发明的粒子植入用导板的制造方法流程示意图。该粒子植入用导板的制造方法包括如下步骤：
S11、对待扫描部位进行扫描获得含有待扫描部位的三维医学图像；
S12、根据三维医学图像获取感兴趣区域的图像，所述感兴趣区域包括病灶部位以及与病灶部位相关的各组织；
S13、根据获得的感兴趣区域的图像重构获得感兴趣区域的三维模型；
S14、根据感兴趣区域的三维模型确定虚拟进针路径；
S15、根据确定的虚拟进针路径获得虚拟的进针方向、进针位置以及进针深度；
S16、根据感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径、进针位置以及进针方向逆向设计生成导板模型；
S17、通过快速成型技术将导板模型进行实体打印获得粒子植入用导板。
其中，步骤S11中所述获得含待扫描部位的三维医学图像是采用CT成像设备或MR成像设备或PET-CT扫描设备对待扫描部位扫描获得的。请结合图5所示，本实施例中的医学图像为针对患者臀部进行CT断层扫描获得的CT断层图像，其中图5a所示为患者臀部CT扫描的横断面断层图，图5b所示为患者臀部CT扫描的冠状面断层图，图5c所示为患者臀部CT扫描的矢状面断层图。步骤S13中所述三维模型是通过对感兴趣区域的图像按照组织部位进行分割后分别重构获得的。
步骤S14中所述虚拟进针路径是根据病灶的三维模型的大小与形状确定的植入粒子的总剂量与病灶三维模型的大小、形状确定的。
步骤S15中所述虚拟进针方向、进针位置是根据虚拟进针路径与感兴趣区域的三维模型的外表面获得的。所述虚拟进针深度是根据虚拟进针路径以及由植入粒子的总剂量在病灶的三维模型内的均匀分布确定的粒子分布位置获得的。
图2为图1中获得感兴趣区域的三维模型流程示意图。该获得感兴趣区域的三维模型的过程具体包括如下步骤：
S21、对感兴趣区域的图像进行分割获得各组织的图像数据，所述各组织包括病灶以及与病灶相关的部位；
S22、根据各组织的图像数据重构获得感兴趣区域的三维模型。
图3为图1步骤S14中确定虚拟进针路径的流程示意图。请结合图6至图7所示，所述根据植入粒子总剂量与病灶三维模型的大小、形状确定虚拟进针路径的过程包括如下步骤：
S31、根据病灶三维模型的大小与形状将病灶三维模型分割成多个部分，请参图7a所示；
S32、确定分割后的每个部分的中心；
S33、以分割后每个部分的中心为基准点朝外发射射线；
S34、对所有发射射线进行筛选获得筛选后的射线；
S35、根据筛选后的射线、病灶三维模型、植入粒子的总剂量以及感兴趣区域的三维模型的各组织对植入粒子的吸收剂量来获得虚拟进针路径。
具体地，步骤S34中，所述对所有发射射线进行筛选获得筛选后的射线是依据发射射线是否落入手术方位范围内、是否穿过感兴趣三维模型中重要组织模型来进行判断筛选的。所述手术方位是根据患者体位确定的。当发射射线穿过感兴趣三维模型中的重要组织模型时剔除该发射射线。所述重要组织为重要组织器官或血管或神经。当发射的射线落入医生手术方位所在范围之外时剔除该射线。图7b为根据本发明方法获得适宜的骶骨肿瘤进针虚拟路径。
图4为本发明粒子植入用导板制造方法中逆向设计生成导板模型的流程示意图。图8为根据本发明方法获得的导板模型与患者臀部的立体组合示意图。该逆向设计生成导板模型的过程包括如下步骤：
S41、选取感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径相交部位的曲面；
S42、对选取的曲面进行增厚处理获得模板雏形；
S43、在模板雏形上设置穿孔与导向部以获得导板模型。
具体地，步骤S43中，所述穿孔设于模板雏形与虚拟进针位置对应的部位处，所述导向部设于模板雏形位于穿孔周边部位处。所述穿孔延伸方向与其对应的虚拟进针方向一致，所述导向部是沿虚拟进针方向设于导板模型上的。所述穿孔的尺寸是根据粒子植入时携带粒子的植入针的尺寸确定的。所述穿孔之间的间距是根据虚拟进针路径之间的间距设置的。
图9为依照本发明的方法获得的骶骨肿瘤粒子植入用导板的立体示意图。该粒子植入用导板100通过快速成型技术一体成型制成，其包括置于患者相应部位的表面的主体1。所述主体1上设有多个穿孔11。所述穿孔11是沿主体1的厚度方向贯穿主体1设置的。所述穿孔11之间的间距是根据虚拟进针路径之间的间距设置的。所述穿孔11与主体1上的延伸方向与其对应的虚拟进针方向一致。所述导向部12是由主体10位于穿孔11周边部位沿穿孔11延伸方向凸伸设置的。本实施例中的骶骨肿瘤的大小为130*107*85mm，其是通过CT断层扫描设备获得的。
采用本发明的方法制造的粒子植入用导板可以引导医生对病灶部位进行精确进针，可保证病灶部位植入的粒子均匀分布于病灶部位，确保治疗效果，避免传统手术中因医生进针方向、进针位置出现误差导致粒子植入不均匀影响治疗效果的问题，操作简单。并且，采用本方法制造的粒子植入用导板克服了传统模板在不同患者、不同的肿瘤大小与形状差异过程中反复穿刺插针问题，大大提高了粒子植入位置、肿瘤内粒子分布的准确率，实现个性化医疗的目的。此外，本发明的粒子植入用导板是通过快速成型技术一体成型的，其导向部是根据进针方向确定的，大大简化了医生在进行粒子植入过程中确定进针方向操作过程，节省了手术时间，降低了手术过程中其他部位感染的风险。本发明的粒子植入导板结构简单、制造方便。
本发明还提供一种粒子植入用装置，该装置还包括依照上述方法制造的粒子植入用导板、粒子植入系统以及术后质量评估系统。所述粒子植入系统在CT图像引导下利用所述粒子植入用导板对病灶部位进行粒子植入。所述术后质量评估系统，用于对粒子植入情况进行验证分析以评估病灶部位植入的粒子位置分布以及粒子的剂量分布，进而评估患者治疗效果。所述质量评估系统是根据分析患者病灶部位术后的图像中粒子植入分布情况进行评估的。所述患者病灶部位术后的图像是通过采用诊断扫描设备对患者术后病灶部位进行扫描获得的。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明的权利要求书及本发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (18)

1.一种粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
对待扫描部位进行扫描获得含有待扫描部位的三维医学图像；
根据三维医学图像获取感兴趣区域的图像，所述感兴趣区域包括病灶部位以及与病灶部位相关的各组织；
根据获得的感兴趣区域的图像重构获得感兴趣区域的三维模型；
根据感兴趣区域的三维模型确定虚拟进针路径，根据感兴趣区域的三维模型确定虚拟进针路径的过程包括如下步骤：根据病灶的三维模型的大小与形状确定植入粒子的总剂量；根据植入粒子的总剂量与病灶三维模型的大小、形状确定虚拟进针路径，根据植入粒子总剂量与病灶三维模型的大小、形状确定虚拟进针路径的过程包括如下步骤：根据病灶三维模型的大小与形状将病灶三维模型分割成多个部分；确定分割后的每个部分的中心；以分割后每个部分的中心为基准点朝外发射射线；对所有的发射射线进行筛选获得筛选后的射线；根据筛选后的射线、病灶三维模型、植入粒子的总剂量以及感兴趣区域的三维模型的各组织对植入粒子的吸收剂量来获得虚拟进针路径；
根据确定的虚拟进针路径获得虚拟的进针方向、进针位置以及进针深度；
根据感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径、进针位置以及进针角度逆向设计生成导板模型；
通过快速成型技术将导板模型进行实体打印获得粒子植入用导板。
2.如权利要求1所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述获得含待扫描部位的三维医学图像是采用CT成像设备或MR成像设备或PET-CT扫描设备对待扫描部位扫描获得的。
3.如权利要求2所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述三维模型是通过对感兴趣区域的图像按照组织部位进行分割后分别重构获得的。
4.如权利要求2所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：根据感兴趣区域的图像重构获得感兴趣区域的三维模型的过程具体包括如下步骤：
对感兴趣区域的图像进行分割获得各组织的图像数据，所述各组织包括病灶以及与病灶相关的部位；
根据各组织的图像数据重构获得感兴趣区域的三维模型。
5.如权利要求3或4所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述感兴趣区域的三维模型包括病灶部位的三维模型以及与病灶部位相关部位的三维模型。
6.如权利要求5所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述虚拟进针方向、进针位置是根据虚拟进针路径与感兴趣区域的三维模型的外表面获得的。
7.如权利要求6所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述虚拟进针深度是根据虚拟进针路径以及由植入粒子的总剂量在病灶的三维模型内的均匀分布确定的粒子分布位置获得的。
8.如权利要求7所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述对所有发射射线进行筛选获得筛选后的射线是依据发射射线是否落入手术方位范围内、是否穿过感兴趣三维模型中重要组织模型来进行判断筛选的。
9.如权利要求8所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：根据感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径、进针位置以及进针方向逆向设计生成导板模型过程包括：
选取感兴趣区域的三维模型与虚拟进针路径相交部位的曲面；
对选取的曲面进行增厚处理获得模板雏形；
在模板雏形上设置穿孔与导向部以获得导板模型，所述穿孔设于模板雏形与虚拟进针位置对应的部位处，所述导向部设于模板雏形位于穿孔周边部位处，所述穿孔延伸方向与其对应的虚拟进针方向一致，所述导向部是沿虚拟进针方向设于导板模型上的。
10.如权利要求9所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述穿孔的尺寸是根据粒子植入时携带粒子的植入针的尺寸确定的。
11.如权利要求10所述的粒子植入用导板的制造方法，其特征在于：所述穿孔之间的间距是根据虚拟进针路径之间的间距设置的。
12.一种粒子植入用导板，其特征在于：所述粒子植入用导板是通过权利要求1至11中任一项所述的制造方法获得的。
13.如权利要求12所述的粒子植入用导板，其特征在于：所述粒子植入用导板通过快速成型技术一体成型制成。
14.如权利要求12或13所述的粒子植入用导板，其特征在于：所述粒子植入用导板包括主体，所述主体上设有多个穿孔，所述主体上还凸伸设有位于穿孔周侧的导向部。
15.一种粒子植入用装置，其特征在于：所述粒子植入用装置包括如权利要求12至14中任一项所述的粒子植入用导板。
16.如权利要求15所述的粒子植入用装置，其特征在于：所述粒子植入用装置还包括粒子植入系统，所述粒子植入系统在CT图像引导下利用所述粒子植入用导板对病灶部位进行粒子植入。
17.如权利要求16所述的粒子植入用装置，其特征在于：所述粒子植入用装置还包括术后质量评估系统，用于验证分析病灶部位植入的粒子位置分布以及粒子的剂量分布情况。
18.如权利要求17所述的粒子植入用装置，其特征在于：所述质量评估系统是根据分析患者病灶部位术后图像中植入粒子的分布情况进行评估的，所述患者病灶部位术后的图像是通过采用诊断扫描设备对患者术后病灶部位进行扫描获得的。
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