CN110882056A - Ct下精准肿瘤微波消融系统 - Google Patents

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Abstract

一种CT下精准肿瘤微波消融系统，包括用于病例影像数据处理的图像处理模块、用于存储消融参数信息的针道管理模块、用于计算参数信息从而得到消融方案的消融参数计算模块、用于根据消融参数信息进行热场仿真的热场计算模块、用于获取用户操作的交互模块、用于评价消融方案的消融评估模块、用于图像可视化的可视化模块。消融参数计算模块可以提供基于肿瘤适形的、可面向不同布针数量及布针模式需求的消融方案。本发明提供了可进行术前计划、术中实时监测调整、术后评价的微波消融系统，通过可视化及时给出提示，保证消融的安全性。

Description

CT下精准肿瘤微波消融系统
技术领域
本发明属于微波消融领域，尤其涉及一种CT下精准肿瘤微波消融系统。
背景技术
微波消融手术中需要术前计划、术中监控和术后验证过程。临床中，术前制定手术计划，医生通常在CT图片上用线条制定消融计划，根据经验预估消融范围；术中实施手术计划，按照手术计划插针时多次拍摄CT将消融针插入指定位置，微波消融的实时范围由医生根据经验进行预估。
现有的微波消融系统通常是术前计划系统，制定微波消融手术计划，并提供消融范围的参考，但对于大肿瘤或未消融的部分肿瘤的精确消融，目前未给出多布针模式；在术中，目前尚未有系统实时显示消融指标和消融尺寸，不能给医师提供消融程度的信息；现有系统只考虑覆盖率100％，过消融率较小，参数不够优化，针对以减瘤为目的消融手术，覆盖率不要求达到100％。
发明内容
发明目的：本发明提出一种适用于术前、术中、术后的微波消融系统，可以实现肿瘤的精准消融。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所述的一种CT下精准肿瘤微波消融系统，该系统包括图像处理模块、交互模块、消融参数计算模块、针道管理模块、热场计算模块、消融评估模块及可视化模块：
所述图像处理模块，用于获取术前、术中实时、术后的影像数据，对应生成术前、术中实时、术后的人体器官及肿瘤靶区的三维模型；
所述交互模块，用于获取并解析可视化模块中GUI上的消融参数指令，分别与图像处理模块、可视化模块、热场计算模块、针道管理模块、消融参数计算模块进行数据交互；所述消融参数指令包括：选取和/或键入和/或修正一个指令信息，选取和/或移动和/或旋转和/或缩放可视化模块中显示的人体器官及肿瘤靶区的三维模型、仿真热场模型、消融针模型；其中，所述指令信息包括消融参数信息、布针方向信息、处方温度、计划覆盖率，所述消融参数信息包括消融针属性信息及空间参数信息，所述处方温度为能有效消融肿瘤靶区的温度；
所述消融参数计算模块，依据人体器官及肿瘤靶区的三维模型及交互模块解析的消融参数指令，或获取针道管理模块中常用的消融参数，所述常用的消融参数为针道管理模块存储的使用频率最高的消融参数信息，将生成的剩余消融参数信息或全部消融参数信息作为推荐消融参数；所述剩余消融参数信息为未获取的消融参数信息；
所述针道管理模块，用于存储交互模块解析的消融参数指令、消融参数计算模块生成的推荐消融信息，进行增删改查操作；
所述热场计算模块，用于根据推荐消融信息，生成仿真热场模型；
所述消融评估模块，用于根据推荐参数，计算消融指标，所述消融指标包括；计划消融热场与消融靶区之间的覆盖率、未消融率和过消融率；
所述覆盖率为：(Target∩Abl)/Target*100％；
所述未消融率为：(1-覆盖率)*100％；
所述过消融率为：(Abl∩Tissue)/Abl*100％；
其中，Abl为热场计算模块生成的仿真热场模型的覆盖范围，Target为靶区管理模块生成的肿瘤靶区三维模型的覆盖范围，Tissue为除肿瘤靶区三维模型的覆盖范围以外的所有正常组织范围；
所述可视化模块，包括GUI，用于获取消融参数指令，实时显示图像处理模块获取的影像数据及生成的人体器官及肿瘤靶区的三维模型、热场计算模块生成的仿真热场模型、消融评估模块计算的消融指标，获取消融参数计算模块的推荐参数并生成消融针模型。
进一步地，该系统还包括安全性检测模块，用于检测当前消融针是否规避了除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官；判断术中已消融区域边缘轮廓距该肿瘤靶区所在目标器官被膜的最短距离是否小于警戒阈值，若小于则生成安全性警告提示信息。
优选地，所述消融针属性信息包括：消融针型号、针杆直径、有效长度、微波发射窗口位置、消融功率、消融时长；所述空间参数信息包括：针道编号、针尖点位置坐标、入针点位置坐标、针道俯仰角、偏向角、入针深度。
进一步地，所述消融参数计算模块，获取交互模块解析的消融参数指令中的布针方向信息，依据规避除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官的、距离肿瘤靶区中心最近的路径设置初始空间参数信息。
进一步地，所述热场计算模块在布置多针的情况下，当热场的空间范围重合时，采用包围盒算法，绘制各消融针的处方温度等温面分布图；计算该处方温度的等温面分布范围的包围盒，得到所有消融针所在针道的包围盒集合；计算包围盒集合的包围盒，在包围盒内逐点计算温度，在多针产生的热场空间的重合点处取温度最大值作为该空间点处的温度，得到多针的仿真热场模型。
进一步地，所述消融参数计算模块还包括处方温度数据库，用于存储不同消融功率、消融时长下的处方温度。
进一步地，所述消融参数计算模块用于获取消融参数计算模块根据交互模块获取用户选取的针道编号、键入的处方温度，根据键入的消融功率计算得到消融时长或根据消融时长计算得到的消融功率，根据每根消融针的消融功率、消融时长；或获取针道管理模块的常用的消融参数作为初始消融参数，根据肿瘤靶区大小、形态，设置布针数量、布针模式，得到初始推荐参数。
进一步地，所述消融参数计算模块还用于选择布针数量、布针模式，所述布针数量为单针或者多针，所述布针模式包括：平行布针和/或退针布针；
通过比较肿瘤靶区的三维模型的高度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型的高度大于单针的仿真热场模型短径，则将肿瘤靶区的三维模型分为多个层面，每个层面设有消融针，且使所有层消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个靶区；
在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度大于单针的仿真热场模型的短径，则选定多针平行布针模式，且使多根平行布置的消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区；
在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度和单针的仿真热场模型的长径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度大于单针的仿真热场模型的长径，则选定退针布针模式，使经过至少1次退针消融的消融针通过热场计算模块生成的累次仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区。
进一步地，所述消融参数计算模块还用于根据消融评估模块求出的消融指标对初始消融参数进行调整，以未消融率与过消融率的和为目标函数，以交互模块获取的用户键入的计划覆盖率为限制条件，将使得目标函数最小的消融参数信息作为推荐参数。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1.术中动态消融，针对术中消融无法可视化的情况，模拟消融范围实时扩大的情况，当即将碰触到危险组织，给出提示，保证了手术的安全性；
2.适用于不同布针数量及布针模式，能更好适形肿瘤区域，提高了消融的可实施性和可靠性；
3.提供了优化的参数指标，更有效地指导消融参数的调整。
附图说明
图1是CT下精准肿瘤微波消融系统模块框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参见图1，其示出了本发明所述的一种CT下精准肿瘤微波消融系统模块框图，该系统包括图像处理模块、交互模块、消融参数计算模块、针道管理模块、热场计算模块、消融评估模块及可视化模块：
所述图像处理模块，用于获取术前、术中实时、术后的影像数据，对应生成术前、术中实时、术后的人体器官及肿瘤靶区的三维模型；
在一个实施例中，所述肿瘤靶区包括肿瘤范围以外的亚临床病灶区域；
所述交互模块，用于获取并解析可视化模块中GUI上的消融参数指令，分别与图像处理模块、可视化模块、热场计算模块、针道管理模块、消融参数计算模块进行数据交互；所述消融参数指令包括：选取和/或键入和/或修正一个指令信息，选取和/或移动和/或旋转和/或缩放可视化模块中显示的人体器官及肿瘤靶区的三维模型、仿真热场模型、消融针模型；其中，所述指令信息包括消融参数信息、布针方向信息、处方温度、计划覆盖率，所述消融参数信息包括消融针属性信息及空间参数信息，所述处方温度为能有效消融肿瘤靶区的温度；
在一个实施例中，所述消融针属性信息包括：消融针型号、针杆直径、有效长度、微波发射窗口位置、消融功率、消融时长；所述空间参数信息包括：针道编号、针尖点位置坐标、入针点位置坐标、针道俯仰角、偏向角、入针深度。
所述消融参数计算模块，依据人体器官及肿瘤靶区的三维模型及交互模块解析的消融参数指令，或获取针道管理模块中常用的消融参数，所述常用的消融参数为针道管理模块存储的使用频率最高的消融参数信息，将生成的剩余消融参数信息或全部消融参数信息作为推荐消融参数；所述剩余消融参数信息为未获取的消融参数信息；
在一个实施例中，所述消融参数计算模块，获取交互模块解析的消融参数指令中的布针方向信息，依据规避除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官的、距离肿瘤靶区中心最近的路径设置初始空间参数信息。
在一个实施例中，所述消融参数计算模块用于获取消融参数计算模块根据交互模块获取用户选取的针道编号、键入的处方温度，根据键入的消融功率计算得到消融时长或根据消融时长计算得到的消融功率，根据每根消融针的消融功率、消融时长；或获取针道管理模块的常用的消融参数作为初始消融参数，根据肿瘤靶区大小、形态，设置布针数量、布针模式，得到初始推荐参数。
在一个实施例中，所述消融参数计算模块还用于选择布针数量、布针模式，所述布针数量为单针或者多针，所述布针模式包括：平行布针和/或退针布针；
通过比较肿瘤靶区的三维模型的高度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型的高度大于单针的仿真热场模型短径，则将肿瘤靶区的三维模型分为多个层面，每个层面设有消融针，且使所有层消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个靶区；
在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度大于单针的仿真热场模型的短径，则选定多针平行布针模式，且使多根平行布置的消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区；
在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度和单针的仿真热场模型的长径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度大于单针的仿真热场模型的长径，则选定退针布针模式，使经过至少1次退针消融的消融针通过热场计算模块生成的累次仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区。
在一个实施例中，所述消融参数计算模块还用于根据消融评估模块求出的消融指标对初始消融参数进行调整，以未消融率与过消融率的和为目标函数，以交互模块获取的用户键入的计划覆盖率为限制条件，将使得目标函数最小的消融参数信息作为推荐参数。
所述针道管理模块，用于存储交互模块解析的消融参数指令、消融参数计算模块生成的推荐消融信息，进行增删改查操作；
所述热场计算模块，用于根据推荐消融信息，生成仿真热场模型；
所述消融评估模块，用于根据推荐参数，计算消融指标，所述消融指标包括；计划消融热场与消融靶区之间的覆盖率、未消融率和过消融率；
所述覆盖率为：(Target∩Abl)/Target*100％；
所述未消融率为：(1-覆盖率)*100％；
所述过消融率为：(Abl∩Tissue)/Abl*100％；
其中，Abl为热场计算模块生成的仿真热场模型的覆盖范围，Target为靶区管理模块生成的肿瘤靶区三维模型的覆盖范围，Tissue为除肿瘤靶区三维模型的覆盖范围以外的所有正常组织范围；
所述可视化模块，包括GUI，用于获取消融参数指令，实时显示图像处理模块获取的影像数据及生成的人体器官及肿瘤靶区的三维模型、热场计算模块生成的仿真热场模型、消融评估模块计算的消融指标，获取消融参数计算模块的推荐参数并生成消融针模型。
在一个实施例中，该系统还包括安全性检测模块，用于检测当前消融针是否规避了除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官；判断术中已消融区域边缘轮廓距该肿瘤靶区所在目标器官被膜的最短距离是否小于警戒阈值，若小于则生成安全性警告提示信息。
实施例1
(1)交互模块获取并解析GUI上键入的部分消融参数，包括消融针型号、消融功率；
(2)消融参数计算模块获取消融参数，自动生成距离皮肤最近，并且规避除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官的穿刺路径，推荐覆盖肿瘤的消融时间；
(3)针道管理模块获取消融参数并存储。
(4)热场计算模块获取消融参数生成热场；
(5)评估模块获取热场和肿瘤靶区，计算覆盖率、未消融率和过消融率；
(6)可视化模块显示针道位置、评估结果。
实施例2
(1)交互模块获取并解析消融参数指令，针道管理模块存储消融参数；
(2)消融参数计算模块调整消融参数信息，包括调整消融功率、消融时间和消融针空间参数信息等，针对无法覆盖的肿瘤靶区，添加新消融针。
(3)热场计算模块获取消融参数，显示消融热场；
(4)评估模块获取热场和肿瘤靶区，计算覆盖率、未消融率和过消融率；
(5)跳转至步骤(2)，优化评估指标。
实施例3：多针布针模式
(1)交互模块获取布针方向信息；
(2)消融参数计算模块从针道管理模块获取常用消融参数，通过比较肿瘤靶区的三维模型的高度和热场计算模块生成的单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型的高度大于单针的仿真热场模型短径，则将肿瘤靶区的三维模型分为多个层面，每个层面设有消融针，且使所有层消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个靶区；
(3)在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度大于单针的仿真热场模型的短径，则选定多针平行布针模式，且使多根平行布置的消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区；
(4)热场计算模块获取消融参数，显示消融热场；
(5)评估模块获取热场和肿瘤靶区，计算覆盖率、未消融率和过消融率；
(6)交互模块优化消融参数，同实施例2。
实施例4：退针布针模式
除步骤(3)内容有区别外，其余内容均和实施例3一样，因此不做赘述。
(3)在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度和单针的仿真热场模型的长径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度大于单针的仿真热场模型的长径，则选定退针布针模式，且使该经过不少于1次后退再消融的消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区。
实施例5：平行布针+退针布针模式
(1)交互模块获取并解析GUI上键入的部分消融参数，包括消融针型号、消融功率；
(2)消融参数计算模块获取消融参数，计算第一根针的空间参数；
(3)针道管理模块获取消融参数，新建平行针；
(4)可视化模块获取消融参数，切换至针道垂直视图；
(5)交互模块获取修改的平行针消融参数，更新到针道管理模块；
(6)针道管理模块获取消融参数信息，消融参数计算模块生成推荐参数，针道管理模块新建退针；
(7)交互模块解析GUI上移动的消融针模型的空间参数信息，得到退针距离，更新到针道管理模块；
(8)热场计算模块获取消融参数生成仿真热场模型；
(9)评估模块获取热场和肿瘤靶区，计算覆盖率、未消融率和过消融率。
实施例6：针对小肿瘤
(1)交互模块获取GUI上键入的计划覆盖率；
(2)消融参数计算模块获取针道管理模块常用消融参数，生成达到计划覆盖率的推荐参数；
(3)其余步骤同实例2。

Claims (9)

1.一种CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，该系统包括图像处理模块、交互模块、消融参数计算模块、针道管理模块、热场计算模块、消融评估模块及可视化模块：
所述图像处理模块，用于获取术前、术中实时、术后的影像数据，对应生成术前、术中实时、术后的人体器官及肿瘤靶区的三维模型；
所述交互模块，用于获取并解析可视化模块中GUI上的消融参数指令，分别与图像处理模块、可视化模块、热场计算模块、针道管理模块、消融参数计算模块进行数据交互；所述消融参数指令包括：选取和/或键入和/或修正一个指令信息，选取和/或移动和/或旋转和/或缩放可视化模块中显示的人体器官及肿瘤靶区的三维模型、仿真热场模型、消融针模型；其中，所述指令信息包括消融参数信息、布针方向信息、处方温度、计划覆盖率，所述消融参数信息包括消融针属性信息及空间参数信息，所述处方温度为能有效消融肿瘤靶区的温度；
所述消融参数计算模块，依据人体器官及肿瘤靶区的三维模型及交互模块解析的消融参数指令，或获取针道管理模块中常用的消融参数，所述常用的消融参数为针道管理模块存储的使用频率最高的消融参数信息，将生成的剩余消融参数信息或全部消融参数信息作为推荐消融参数；所述剩余消融参数信息为未获取的消融参数信息；
所述针道管理模块，用于存储交互模块解析的消融参数指令、消融参数计算模块生成的推荐消融信息，进行增删改查操作；
所述热场计算模块，用于根据推荐消融信息，生成仿真热场模型；
所述消融评估模块，用于根据推荐参数，计算消融指标，所述消融指标包括；计划消融热场与消融靶区之间的覆盖率、未消融率和过消融率；
所述覆盖率为：(Target∩Abl)/Target*100％；
所述未消融率为：(1-覆盖率)*100％；
所述过消融率为：(Abl∩Tissue)/Abl*100％；
其中，Abl为热场计算模块生成的仿真热场模型的覆盖范围，Target为靶区管理模块生成的肿瘤靶区三维模型的覆盖范围，Tissue为除肿瘤靶区三维模型的覆盖范围以外的所有正常组织范围；
所述可视化模块，包括GUI，用于获取消融参数指令，实时显示图像处理模块获取的影像数据及生成的人体器官及肿瘤靶区的三维模型、热场计算模块生成的仿真热场模型、消融评估模块计算的消融指标，获取消融参数计算模块的推荐参数并生成消融针模型。
2.根据权利要求1所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，该系统还包括安全性检测模块，用于检测当前消融针是否规避了除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官；判断术中已消融区域边缘轮廓距该肿瘤靶区所在目标器官被膜的最短距离是否小于警戒阈值，若小于则生成安全性警告提示信息。
3.根据权利要求1所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，所述消融针属性信息包括：消融针型号、针杆直径、有效长度、微波发射窗口位置、消融功率、消融时长；所述空间参数信息包括：针道编号、针尖点位置坐标、入针点位置坐标、针道俯仰角、偏向角、入针深度。
4.根据权利要求1所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于：所述消融参数计算模块，获取交互模块解析的消融参数指令中的布针方向信息，依据规避除肿瘤靶区所在目标器官以外的其他器官的、距离肿瘤靶区中心最近的路径设置初始空间参数信息。
5.根据权利要求1所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于：所述热场计算模块在布置多针的情况下，当热场的空间范围重合时，采用包围盒算法，绘制各消融针的处方温度等温面分布图；计算该处方温度的等温面分布范围的包围盒，得到所有消融针所在针道的包围盒集合；计算包围盒集合的包围盒，在包围盒内逐点计算温度，在多针产生的热场空间的重合点处取温度最大值作为该空间点处的温度，得到多针的仿真热场模型。
6.根据权利要求5所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，所述消融参数计算模块还包括处方温度数据库，用于存储不同消融功率、消融时长下的处方温度。
7.根据权利要求1所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，所述消融参数计算模块用于获取消融参数计算模块根据交互模块获取用户选取的针道编号、键入的处方温度，根据键入的消融功率计算得到消融时长或根据消融时长计算得到的消融功率，根据每根消融针的消融功率、消融时长；或获取针道管理模块的常用的消融参数作为初始消融参数，根据肿瘤靶区大小、形态，设置布针数量、布针模式，得到初始推荐参数。
8.根据权利要求7所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，所述消融参数计算模块还用于选择布针数量、布针模式，所述布针数量为单针或者多针，所述布针模式包括：平行布针和/或退针布针；
通过比较肿瘤靶区的三维模型的高度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型的高度大于单针的仿真热场模型短径，则将肿瘤靶区的三维模型分为多个层面，每个层面设有消融针，且使所有层消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个靶区；
在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度和单针的仿真热场模型的短径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体垂直方向的长度大于单针的仿真热场模型的短径，则选定多针平行布针模式，且使多根平行布置的消融针通过热场计算模块生成的仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区；
在每个层面上，比较肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度和单针的仿真热场模型的长径，若肿瘤靶区的三维模型沿消融针体方向的长度大于单针的仿真热场模型的长径，则选定退针布针模式，使经过至少1次退针消融的消融针通过热场计算模块生成的累次仿真热场模型覆盖整个肿瘤靶区。
9.根据权利要求7所述的CT下精准肿瘤微波消融系统，其特征在于，所述消融参数计算模块还用于根据消融评估模块求出的消融指标对初始消融参数进行调整，以未消融率与过消融率的和为目标函数，以交互模块获取的用户键入的计划覆盖率为限制条件，将使得目标函数最小的消融参数信息作为推荐参数。
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