CN111027225A - 一种基于数据拟合的消融仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数据拟合的消融仿真方法，该方法包括：计算同一消融功率、消融时间下的消融边界的短径、长径数据的实测平均值，并对靶区进行热场仿真，以短径数据为基准，将温度阈值所在等高线对应的长径为长径仿真值；在低消融功率下，建立温度阈值与消融功率关系模型；在高消融功率下，建立温度阈值与消融时间关系模型；建立修正系数与消融功率关系模型；输入消融功率、消融时间，根据消融功率高低选择温度阈值与消融功率关系模型或温度阈值与消融时间关系模型，得到温度阈值，根据温度阈值得到对应的消融仿真图像，利用修正系数与消融功率关系模型，对消融仿真图像的长径进行修正。本发明能够精确仿真消融边界。

Description

一种基于数据拟合的消融仿真方法
技术领域
本发明涉及一种消融图像仿真方法，尤其涉及一种基于数据拟合的消融仿真方法。
背景技术
在电磁仿真软件上所建立的消融靶区模型，由于未考虑靶区内部血流、组织变性等影响，经过电磁仿真、热仿真所得到的仿真消融边界的图形与实际测量得到的靶区消融边界的图形尺寸会产生偏差。现有技术对消融仿真模型建立多采用引入靶区质地参数的变化，直接在迭代方程中改变参数以达到自适应效果。而这种做法模型参数考虑得可能仍不全面，且增加了模型的复杂程度，使仿真时间增加。
临床上，通常根据消融边界的长、短径作为判断消融大小的依据。长径代表长径方向的消融范围，短径代表短径方向的消融范围。临床中，需要预估消融边界的长径，避免因入针过深而导致针尖前端的消融范围碰触到危险组织；同时还需要预估消融边界的短径，避免因功率过大而导致短径碰触到危险组织。
现有技术通常只考量微波功率和组织特性这两个影响因素，而根据微波场电磁仿真结果引入靶区介质，通过生物热能方程进行的热仿真，其得出的热场长径与实验并不相符。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于数据拟合的消融仿真方法，可以对现有仿真消融场获取的图像进行修正，从而在误差范围内更加近似于实测消融图像。
技术方案：本发明所述的基于数据拟合的消融仿真方法，该方法包括：
(1)计算相同消融功率、相同消融时间下多组靶区截面的消融边界短径、长径数据的实测平均值；
(2)绘制某消融功率、消融时间下的靶区截面仿真热场的温度等高线图，所述温度等高线图的横纵坐标轴分别为对应温度的消融边界短径、长径；拾取图中最接近于消融边界短径实测平均值的温度等高线；将该等高线对应的温度值作为该消融功率、消融时间下的温度阈值，对应温度阈值的消融边界短径、长径分别为第一短径仿真值、第一长径仿真值；
(3)根据步骤(2)计算各消融功率、消融时间下的温度阈值；
(4)在低消融功率下，计算同一消融功率、不同消融时间的温度阈值的平均值，将其与消融功率进行线性拟合，得到温度阈值与消融功率关系模型；
(5)在高消融功率下，对温度阈值和消融时间进行拟合，得到温度阈值与消融时间关系模型；
(6)在相同消融功率下，将靶区截面的消融边界长径数据的实测平均值与第一长径仿真值做商，取不同时间下商的平均值作为当前功率下的修正系数，
(7)对修正系数和消融功率进行拟合，得到修正系数与消融功率关系模型；
(8)输入消融功率、消融时间，判断消融功率高低，对应根据温度阈值与消融功率关系模型或温度阈值与消融时间关系模型得到温度阈值，根据温度阈值获取第一短径仿真值、第一长径仿真值，利用修正系数与消融功率关系模型，对第一长径仿真值进行修正，得到长径修正值。
进一步地，该方法还包括步骤：以靠近消融针针尖的靶区截面的消融边界长径上端点为基准点，利用长径修正值对靠近消融针针杆方向的长径下端点进行修正。
进一步地，该方法还包括步骤：判断第一短径仿真值与短径实测值的误差是否在误差范围内，若不在误差范围内说明温度阈值取值错误，此时增加实测数据数量，返回步骤(1)，重新确定温度阈值。
进一步地，该方法还包括步骤：判断第一长径仿真值与长径实测值的误差是否在误差范围内，若不在误差范围内说明修正系数错误，此时增加实测数据数量，返回步骤(6)，重新计算修正系数。
进一步地，该方法还包括：计算长径修正值与长径数据的实测平均值之间的误差，当误差大于给定的误差标准值，重新调整温度阈值或者修正系数，直至误差在给定范围内。
进一步地，所述步骤(1)还包括：
(11)获取不同消融功率、不同消融时间下消融边界的短径、长径数据；
(12)对同日、同一消融功率及消融时间下的多组短径、长径数据求数值平均，得到短径、长径数据实测平均值。
进一步地，步骤(4)中，所述低功率为消融功率小于100W。
进一步地，步骤(5)中，所述高功率为消融功率大于等于100W。
进一步地，步骤(5)中，所述拟合为线性拟合。
进一步地，步骤(7)中，所述拟合为二次拟合。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1、短径精确化，由于短径受非理想因素的干扰较少，通过设定温度阈值实现对仿真消融边界的图形短径的修正；
2、长径精确化，在保证短径误差最小的情况下，通过定义随功率变化的修正系数实现对仿真消融边界的图形长径的修正；
3、可以使仿真与实测误差保持在给定范围内，同时保持现有仿真模型的复杂度，维持了较快的仿真速度。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明实施例热场仿真图；
图3是本发明实施例温度阈值与消融功率关系模型图；
图4是本发明实施例温度阈值与消融时间关系模型图；
图5是本发明实施例修正系数与消融功率关系模型图。
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基于数据拟合的消融仿真方法流程图，该方法包括以下步骤：
(1)为了消除不同次实验中的实验环境等因素对消融边界结果的影响，在本实施例中，以3月20日和5月20日两次消融实验作为参考基准。
在对实际消融进行拍照留存后，使用图像处理软件Photoshop对图像进行处理，测量得到各消融功率、消融时间下的消融边界的短径、长径数据，对数据进行统计平均之后，两次消融实验的短径、长径数据如下表1、2：
表1
Figure BDA0002335279540000031
表2
Figure BDA0002335279540000032
Figure BDA0002335279540000041
为了减小不同实验环境对消融结果的影响，参考的实验数据为两日实验取平均值之后的结果，如下表3所示：
表3
Figure BDA0002335279540000042
在建立映射的过程中，以此数据为温度阈值(边界)的参考，从而进一步作为长径修正系数的参考，即长径补偿系数的标准。
(2)如图2所示，以60W，20min数据为例，沿Y轴，利用MATLAB绘制消融针附近的X-Z平面的离体肝模型截面温度等高线。为了图形可视性，以30℃为等高线的间隔。其中虚线a为由60W20min的短径(48.0mm)与长径(57.0mm)所构造的实验消融边界的图形；实线为热场仿真的靶区温度等高线，实线b为与实验消融边界最接近的温度等高线，该等高线的温度在50℃与80℃之间，并与80℃更为接近。通过MATLAB软件进行识别可得，此处温度为72℃，故72℃为60W，20min下的温度阈值。
由于短径受到非理想因素的干扰较少，而长径上会存在针杆传热、循环水等因素导致实验与仿真差距较大，故在此使用短径作为参考。因此，在仿真热场中，在某一时刻下，与理想消融边界的短径最接近的温度等高线值，即为此时刻下定义离体肝消融边界的温度阈值。
在仿真热场中，以短径为基准，得到每个时刻的温度阈值，如下表4:(单位：℃)
表4
Figure BDA0002335279540000051
由温度阈值数据可得，温度边界阈值随着功率的增加而增加。认为其原因为在功率较大时，内部针尖附近的区域迅速碳化，影响了离体肝与消融针的匹配，使能量无法传递，在热量传递过程中认为功率较高时离体肝更快的达到了热平衡，致使消融区域增长减慢，在仿真中即体现为温度阈值的增长，如图3所示。认为某一功率下的平均温度阈值与功率呈线性关系，经过一次函数拟合过程以后得到温度阈值T与消融功率W的关系为：
T＝0.189*W+61.61,W∈[30,100)
图3为功率与温度阈值关系图，图中离散数据为表4中获取的功率与平均温度阈值的关系，曲线表示拟合数据，图例fit(r2)＝0.91表示曲线拟合度为91％。
在30W到100W的功率区域，认为温度阈值随时间的变化可以忽略，故温度阈值可直接由5分钟到20分钟的温度阈值平均值得到。而在100W功率时，经过观察数据可知，随着时间的增加，温度阈值不断增加，即等效的消融边界增长率越来越低。在高功率时，距离消融针较近的区域吸收较多能量迅速碳化，组织性质也随之迅速改变，影响了微波能量的传播，所以随着时间的变化，消融区域增长逐渐减慢。
所以对于高功率(100W)情况下，温度阈值不能够采用在时间上取平均的方式来处理。故在高功率的情况下，认为温度阈值随时间变化的规律为线性规律，如图4所示。通过函数拟合得到在高功率下功率随时间变化的关系为：
T＝1.744*t+59.55,t∈[0,20min]
图4为100W下时间与温度阈值关系图，图中离散数据为表4中获取的100W功率下时间与温度阈值的关系，曲线表示拟合数据，图例fit(r2)＝0.98表示曲线拟合度为98％。
(3)在对应的功率以及对应的时间点，通过上述规律，得到拟合关系对应的温度阈值。而以上的温度阈值是以短径为基准，由于消融针上存在针杆传热等非理想因素，实际离体肝消融长径略大于仿真图形消融长径，故需要对以短径得到的温度阈值产生的消融边界对长径进行修正。长径的修正方法如下：
l修正＝l仿真·a
其中a为修正系数，l修正代表修正后的长径，l仿真代表热场仿真出来的长径。
应用此温度阈值生成功率时间点下的温度边界，认为短径已经符合误差范围的情况下，对长径进行比较，结果如下表5，由温度阈值与功率的关系得出，30W对应的温度阈值为67.3℃，60W对应的温度阈值为73℃，80W对应的温度阈值为76.7℃，100W温度阈值符合高功率下温度阈值与时间的关系，由此获取各时间下的温度阈值同时获取对应的长径仿真值，由此获取的长径仿真值如表5所示：
表5
Figure BDA0002335279540000071
统计数据之后分析可得，在功率不同时，由于肝脏组织变性速度有差异，导致水循环以及针杆传热对于消融边界的影响不同，而在仿真中无法直接体现水循环和针杆传热的影响，使得仿真长径普遍小于实验长径值。而通过观察可知，在仿真中添加的修正系数随着功率的变化而变化，如图5所示。获取表5中功率与平均修正系数的离散数据，经函数拟合之后，认为二次拟合规律与修正系数的变化规律最接近，故可得修正系数与功率的关系为:
a＝-8.259×105·W2+0.0173·W+0.5137,W∈[30,100]
图5为功率与修正系数关系图，图中离散数据为表5中获取的功率与平均系数的关系，曲线表示拟合数据，图例fit(r2)＝0.99表示曲线拟合度为99％。
得到修正系数和功率的拟合关系之后，将各个功率的修正系数应用在仿真数据上，结果如下表6，由功率与修正系数的关系，获得30W对应的修正系数为0.958，60W对应的修正系数为1.2，80W对应的修正系数为1.33，100W对应的修正系数为1.467:
(误差百分比＝(仿真值-实测平均值)/实测平均值*100％)
表6
Figure BDA0002335279540000081
Figure BDA0002335279540000091
误差由实测短径、长径平均值与仿真图形短径、长径值的差值定义：
Figure BDA0002335279540000092
其中，χ修正为修正后的消融边界的短径、长径，
Figure BDA0002335279540000093
为实验离体肝消融边界的短径、长径实测平均值。
在本实验中，约定的误差标准为实测横长径误差标准差的
Figure BDA0002335279540000094
倍(这里假设仿真和试验有同样的误差，所以总体误差是测量误差的
Figure BDA0002335279540000095
倍)：
Figure BDA0002335279540000096
由实验实测结果可得，实测误差水平为约为7％，故仿真数据修正之后的误差标准应在约10％之内。
由数据可得，在对仿真数据应用了修正系数之后，在短径误差均小于约定误差范围的情况下，长径误差均可以达到小于约定误差范围的水平。
如果第一长径仿真值与长径实测值的误差不在误差范围内，则说明修正系数错误，此时增加实测数据数量，应重新计算修正系数。
如果长径修正值与长径数据的实测平均值之间的误差大于给定的误差标准值，则重新调整温度阈值或者修正系数，直至误差在给定范围内。
由于短径仅受微波和组织特性的影响，而长径还受针杆的影响，因此针杆端的消融边界误差较大，故以靠近消融针针尖的靶区截面的消融边界长径上端点为基准点，利用长径修正值对靠近消融针针杆方向的长径下端点进行修正。
在确定了温度阈值和修正系数与功率、时间的拟合关系之后，通过输入工作时间和工作功率，温度阈值与修正系数都能通过拟合关系来确定，进而得到消融边界的短径与长径。

Claims (10)

1.一种基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于，包括步骤：
(1)计算相同消融功率、相同消融时间下多组靶区截面的消融边界短径、长径数据的实测平均值；
(2)绘制某消融功率、消融时间下的靶区截面仿真热场的温度等高线图，所述温度等高线图的横纵坐标轴分别为对应温度的消融边界短径、长径；拾取图中最接近于消融边界短径实测平均值的温度等高线；将该等高线对应的温度值作为该消融功率、消融时间下的温度阈值，对应温度阈值的消融边界短径、长径分别为第一短径仿真值、第一长径仿真值；
(3)根据步骤(2)计算各消融功率、消融时间下的温度阈值；
(4)在低消融功率下，计算同一消融功率、不同消融时间的温度阈值的平均值，将其与消融功率进行线性拟合，得到温度阈值与消融功率关系模型；
(5)在高消融功率下，对温度阈值和消融时间进行拟合，得到温度阈值与消融时间关系模型；
(6)在相同消融功率下，将靶区截面的消融边界长径数据的实测平均值与第一长径仿真值做商，取不同时间下商的平均值作为当前功率下的修正系数，
(7)对修正系数和消融功率进行拟合，得到修正系数与消融功率关系模型；
(8)输入消融功率、消融时间，判断消融功率高低，对应根据温度阈值与消融功率关系模型或温度阈值与消融时间关系模型得到温度阈值，根据温度阈值获取第一短径仿真值、第一长径仿真值，利用修正系数与消融功率关系模型，对第一长径仿真值进行修正，得到长径修正值。
2.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于，该方法还包括步骤：以靠近消融针针尖的靶区截面的消融边界长径上端点为基准点，利用长径修正值对靠近消融针针杆方向的长径下端点进行修正。
3.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于，该方法还包括步骤：判断第一短径仿真值与短径实测值的误差是否在误差范围内，若不在误差范围内说明温度阈值取值错误，此时增加实测数据数量，返回步骤(1)，重新确定温度阈值。
4.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于，该方法还包括步骤：判断第一长径仿真值与长径实测值的误差是否在误差范围内，若不在误差范围内说明修正系数错误，此时增加实测数据数量，返回步骤(6)，重新计算修正系数。
5.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于，该方法还包括：计算长径修正值与长径数据的实测平均值之间的误差，当误差大于给定的误差标准值，重新调整温度阈值或者修正系数，直至误差在给定范围内。
6.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括：
(11)获取不同消融功率、不同消融时间下消融边界的短径、长径数据；
(12)对同日、同一消融功率及消融时间下的多组短径、长径数据求数值平均，得到短径、长径数据实测平均值。
7.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于：步骤(4)中，所述低功率为消融功率小于100W。
8.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于：步骤(5)中，所述高功率为消融功率大于等于100W。
9.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于：步骤(5)中，所述拟合为线性拟合。
10.根据权利要求1所述的基于数据拟合的消融仿真方法，其特征在于：步骤(7)中，所述拟合为二次拟合。
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