CN110246586A - 一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,属于医学图像建模领域。该方法包括以下步骤:步骤1,消融术前对病人腹部进行CT扫描,得到肝脏周围断层图像;步骤2,在医学图像三维可视化模块中,对每层断层图像使用阈值分割、边界提取等方法结合手动勾画,分割出肝脏,肿瘤以及血管模型;步骤3,在逆向建模模块中将分割出的肝脏,肿瘤以及血管模型表面进行光滑;步骤4,在多物理场仿真模块中将平滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型划分网格,建立有限元模型。本发明可以解决对于临近血管及危及器官类肿瘤,难以制定合适的消融热剂量以及调节微波消融针进针方式的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,属于医学图像建模领域。
背景技术
微波消融作为一种针对肝癌的有效治疗方式已进入NCCN(美国国立综合癌症网络)治疗指南中,然而对于其手术规划仍存在部分待解决的难题。现有的肝肿瘤微波消融术前规划在热剂量设定上是基于理想的二维轴对称模型计算得出的仿真温度场,而病人病情的差异使得医生需要对热剂量设定以及消融针穿刺位置做出调整。
肝脏临近多种重要器官且内部血管结构丰富,在临近大血管以及危及器官的肝肿瘤消融术中,缺少更加精准的术前规划,以明确治疗效果。
常用的对断层图像实现三维可视化的医学图像软件多是实现观测功能,而缺乏计算功能,生物组织在经过医学图像三维重建后的模型是极其不规则的且网格顺序混乱,用于有限元计算则需要对模型更进一步的修复。
发明内容
本发明提出了一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,利用病人术前CT断层图像数据,建立三维有限元模型,用于微波消融术前手术方案规划。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,包括以下步骤:
步骤1,消融术前对病人腹部进行CT扫描,得到肝脏周围断层图像;
步骤2,在医学图像三维可视化模块中,对每层断层图像使用阈值分割、边界提取方法结合手动勾画,分割出肝脏,肿瘤以及血管模型;
步骤3,在逆向建模模块中将分割出的肝脏,肿瘤以及血管模型表面进行光滑处理;
步骤4,在多物理场仿真模块中将平滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型划分网格,建立有限元模型。
步骤2的具体过程如下:
1) 导入病人断层图像之后,在医学图像三维可视化模块中建立三个分割对象,分割对象内容分别为肝脏,肿瘤以及血管;
2) 分割肝脏模型时,首先采用阈值分割的方法,选择合适的阈值范围,将肝脏组织CT值包含在内;
3) 阈值分割后的肝脏模型中包含其他组织,先将大块多余组织剪除后再逐层细化擦除;
4) 分割肿瘤以及血管模型时,首先采取边界识别的分割方法再逐层细化擦除;
5) 对上述细化擦除过的肝脏,肿瘤以及血管模型进行滤波处理。
步骤3的具体过程如下:
1) 对肝脏,肿瘤以及血管模型分别进行处理,初步进行表面光滑处理,减少非流行边,自相交,钉状物特征;
2) 对减少特征后的肝脏,肿瘤以及血管模型进行网格简化,减少网格数并且松弛模型以减少单独多边形之间的角度;
3) 局部细化平滑肝脏,肿瘤以及血管模型。
步骤4中的具体过程如下:
1) 光滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型导入后生成实体,分别对其简化处理并修复缺陷;
2) 对导入的肝脏,肿瘤以及血管模型划分网格,肝脏,肿瘤以及血管模型使用不同的网格精度,生成有限元模型。
所述肝脏,肿瘤以及血管模型使用的网格精度如下:
对肝脏划分四边形网格单元最大尺寸为8.5 mm,最小尺寸1.53 mm,对肿瘤以及血管模型划分四边形网格单元最大尺寸为6.8 mm,最小尺寸0.85 mm。
本发明的有益效果如下:
本发明能解决对不同病人构建个性精准化三维微波消融术前仿真有限元模型的问题,将病人实际肿瘤位置、大小,临近器官及大血管的相对位置信息纳入有限元模型中,在后期的仿真中,可以综合调节微波消融针进针位置及消融热剂量,以达到最优治疗效果。
附图说明
图1是本发明有限元模型建立流程图。
图2是本发明使用医学图像三维可视化软件3D Slicer对影像数据阈值分割重建的组织图。
图3(a) 是本发明使用医学图像三维可视化软件3D Slicer建立的肝脏模型图;图3(b) 是本发明使用医学图像三维可视化软件3D Slicer建立的肿瘤模型图;图3(c) 是本发明使用医学图像三维可视化软件3D Slicer建立的血管模型图。
图4是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肿瘤模型检测的非流行边,自相交,钉状物等特征图。
图5是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肿瘤模型消除特征后的图。
图6(a) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对初步修复后具有较为复杂的网格单元的肿瘤模型图;图6(b) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肿瘤模型简化网格单元图。
图7(a) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肿瘤模型突出表面孔洞化处理图;图7(b) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肿瘤模型表面填补孔洞图。
图8(a) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肝脏平滑后的模型图;图8(b) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的肿瘤平滑后的模型图;图8(c) 是本发明使用逆向建模软件Geomagic Studio对导入的血管修剪远离肿瘤处,保留临近血管并平滑后的模型图。
图9是本发明使用多物理场仿真软件Comsol Mutiphysics对平滑后的模型划分不同精度网格,建立的有限元模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例:以腹部CT,临近血管处肝肿瘤模型为例。
图1表示本发明流程,一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,包括以下步骤:
(一)消融术前对病人腹部进行CT扫描,得到肝脏周围断层图像;
(二)在医学图像三维可视化模块中,对每层断层图像使用阈值分割、边界提取等方法结合手动勾画,分割出肝脏,肿瘤以及血管模型;
1) 导入病人断层图像之后,在医学图像三维可视化软件3D Slicer中建立三个分割对象,分割对象内容分别为肝脏,肿瘤以及血管;
2) 分割肝脏模型时,首先采用阈值分割的方法,选择合适的阈值范围,将肝脏组织CT值包含在内。本例设定-18 - 120的阈值,阈值分割结果如图2 所示;
3) 阈值分割后的肝脏模型包含其他组织,将大块多余组织剪除后再逐层细化擦除;
4) 分割肿瘤以及血管模型时,首先采取边界识别的分割方法再逐层细化擦除;
5) 对上述细化擦出过的肝脏,肿瘤以及血管模型进行滤波处理。对肝脏进行内核尺寸为3 mm的开运算和闭运算,对肿瘤和血管进行内核尺寸为1 mm的开运算和闭运算。图3(a),(b),(c) 所示分别为使用3D Slicer医学图像软件建立的肝脏、肿瘤和血管模型图;;
(三)在逆向建模模块中将分割出的肝脏,肿瘤以及血管模型表面进行光滑;
1) 在逆向建模软件Geomagic Studio中对肝脏,肿瘤以及血管模型分别处理,初步进行表面光滑,减少非流行边,自相交,钉状物等特征。图4所示为肿瘤包含的非流行边、自相交等多项特征的模型图,图5所示是减少此类特征后的模型图;
2) 对减少特征后的肝脏,肿瘤以及血管模型进行网格简化,减少网格数并且松弛模型以减少单独多边形之间的角度。图6(a),(b) 所示的分别是肿瘤网格简化前以及网格简化后的模型图;
3) 局部细化平滑肝脏,肿瘤以及血管模型。对表面极不平整处孔洞化处理后再用曲率填充孔洞。图7(a) 所示的是肿瘤局部孔洞化处理的模型图,图7(b) 所示的是肿瘤局部孔洞化处理后曲率填充孔洞的模型图;
4) 删除血管模型中距离肿瘤较远的部分以减少后期的计算量;图8(a),(b),(c) 所示的分别是平滑处理后的肝脏、肿瘤以及血管模型。
(四)在多物理场仿真模块中将平滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型划分网格,建立有限元模型;
1) 光滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型导入多物理场仿真软件Comsol Multiphysics后,分别对其简化处理并修复缺陷;
2) 对导入的模型划分网格,肝脏,肿瘤以及血管模型使用不同的网格精度,生成有限元模型。本例对肝脏划分四边形网格单元最大尺寸为8.5 mm,最小尺寸1.53 mm,对肿瘤以及血管模型划分四边形网格单元最大尺寸为6.8 mm,最小尺寸0.85 mm。生成的有限元模型如图9所示。
Claims (5)
1.一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,消融术前对病人腹部进行CT扫描,得到肝脏周围断层图像;
步骤2,在医学图像三维可视化模块中,对每层断层图像使用阈值分割、边界提取方法结合手动勾画,分割出肝脏,肿瘤以及血管模型;
步骤3,在逆向建模模块中将分割出的肝脏,肿瘤以及血管模型表面进行光滑处理;
步骤4,在多物理场仿真模块中将平滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型划分网格,建立有限元模型。
2.根据权利要求1所述的一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,其特征在于:步骤2的具体过程如下:
1) 导入病人断层图像之后,在医学图像三维可视化模块中建立三个分割对象,分割对象内容分别为肝脏,肿瘤以及血管;
2) 分割肝脏模型时,首先采用阈值分割的方法,选择合适的阈值范围,将肝脏组织CT值包含在内;
3) 阈值分割后的肝脏模型中包含其他组织,先将大块多余组织剪除后再逐层细化擦除;
4) 分割肿瘤以及血管模型时,首先采取边界识别的分割方法再逐层细化擦除;
5) 对上述细化擦除过的肝脏,肿瘤以及血管模型进行滤波处理。
3.根据权利要求1所述的一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,其特征在于:步骤3的具体过程如下:
1) 对肝脏,肿瘤以及血管模型分别进行处理,初步进行表面光滑处理,减少非流行边,自相交,钉状物特征;
2) 对减少特征后的肝脏,肿瘤以及血管模型进行网格简化,减少网格数并且松弛模型以减少单独多边形之间的角度;
3) 局部细化平滑肝脏,肿瘤以及血管模型。
4.根据权利要求1所述的一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,其特征在于:步骤4中的具体过程如下:
1) 光滑后的肝脏,肿瘤以及血管模型导入后生成实体,分别对其简化处理并修复缺陷;
2) 对导入的肝脏,肿瘤以及血管模型划分网格,肝脏,肿瘤以及血管模型使用不同的网格精度,生成有限元模型。
5.根据权利要求4所述的一种肝肿瘤微波消融术前仿真的有限元模型建立方法,其特征在于:所述肝脏,肿瘤以及血管模型使用的网格精度如下:
对肝脏划分四边形网格单元最大尺寸为8.5 mm,最小尺寸1.53 mm,对肿瘤以及血管模型划分四边形网格单元最大尺寸为6.8 mm,最小尺寸0.85 mm。
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