CN113952030A - 一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法及装置 - Google Patents

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CN113952030A CN202111262871.7A CN202111262871A CN113952030A CN 113952030 A CN113952030 A CN 113952030A CN 202111262871 A CN202111262871 A CN 202111262871A CN 113952030 A CN113952030 A CN 113952030A
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Abstract

本发明提供一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法及装置。所述方法包括：进针方向初始化步骤，进针路径规划步骤，消融位置规划步骤。本发明通过对肿瘤区域进行两次投影，将三维规划转化为两个二维规划，大大减少了计算复杂度和计算量；通过基于肿瘤长轴方向生成初始进针方向，可以快速规划进针路径，避免了全局搜索带来的时间损耗。本发明所述方法提高了射频电极进针路径和消融位置的规划速度，能够满足实际临床对规划效率的要求。实验表明，采用本发明所述方法的单次规划不超过3分钟。

Description

一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法及装置
技术领域
本发明属于医学影像技术领域，具体涉及一种肝肿瘤射频消融治疗中射频电极进针路径和消融位置的规划方法及装置。
背景技术
肝肿瘤是世界上最常见的恶性肿瘤之一，近年来发病率不断上升。根据肝肿瘤的进展情况，临床上可采用不同的治疗方法，其中肝肿瘤射频消融治疗是目前临床上应用非常广泛的一种微创治疗方法。
肝肿瘤射频消融治疗的主要过程和原理是：先通过CT图像等方式确定肿瘤病灶及其周围组织结构的位置；然后将射频电极插入到患者体内肿瘤位置，通过电极之间产生的高温对局部病灶进行消融，从而达到肝肿瘤的治疗。在治疗前，医生需要根据肿瘤位置及其周围器官、血管等的分布情况制定消融方案，即确定射频电极针的路径及具体消融位置。但是，消融方案的制定在临床上存在两个难点：(1)基于人工观察和分析，难以做到精准的计算和规划；(2)依赖医生临床经验，耗时费力。因此，需要将现代科技手段和传统医学方法相结合，探索肝肿瘤射频消融治疗方案的自动规划方法，以达成精准医疗的目的。一般来说，射频电极针造成的消融区域为椭球体，不同规格的射频电极针可以对不同大小的椭球体区域进行消融。每次进针，射频电极针需要从皮肤进针点插入患者体内，行进到预定的消融位置，从而对该位置附近的椭球体区域进行消融。因此，自动规划肝肿瘤射频消融治疗方案的目的就是根据患者肿瘤的实际情况(肿瘤位置、大小、形状等)，在给定条件(如限定射频电极针规格、限定皮肤进针点范围等)下，自动计算最佳进针路径及消融位置，即在对正常组织影响最小的情况下，实现对肝肿瘤的消融。
因此，肝肿瘤射频消融治疗方案的规划，可以视为一个复杂的区域覆盖问题，即在满足各种约束的情况下，用尽量少的消融区覆盖整个肿瘤区域。根据具体临床需求及肝肿瘤射频消融指南，肝肿瘤射频消融治疗方案自动规划问题可以总结如下：规划对象为直径小于等于5厘米的单发肿瘤，或肿瘤数目小于等于3，且最大直径小于等于3厘米的多发肿瘤。规划的主要目标是实现消融区对肿瘤区域的全覆盖。规划的次要目标是减少对正常组织损伤、减少进针次数、减少消融区数量、减少进针距离、减少规划时间。规划约束为消融区不能触碰重要解剖结构、进针路径不能触碰重要解剖结构、进针路径在到达肿瘤区域前需要经过正常肝脏组织一定距离、需要对肿瘤区域外扩指定安全距离以保证完全消融。其中，不可触及的重要解剖结构包括：心脏、脾、胃、肾、肾上腺、胆囊、胰、肺、结肠、脊柱、肋骨、肋软骨、主动脉、肝动脉、肝静脉。
目前，还没有人提出针对上述问题的解决方法，已有方法并没有根据临床要求，将上述目标及约束考虑完整。也就是说，现有方法仅在较少约束下进行简单规划，不能满足实际临床需求。其基本原理可简述如下：根据患者情况，罗列所有皮肤上的潜在进针点；罗列所有可能的消融位置(肿瘤内的所有点)。潜在进针点和消融位置两两连接，得到所有可能的进针路径。根据规划目标和约束，构建目标函数，通过遍历的方式寻找最优的一组路径。在每条路径上罗列所有可能的消融位置(该路径与肿瘤的所有重合点)。根据规划目标和约束，构建目标函数，通过遍历的方式寻找最优的一组消融位置。现有方法的主要缺点有：并未充分考虑临床需求，构建的目标及约束不完整，规划结果难以在临床应用。由于需要通过遍历方式进行求解，因此需要数十分钟到数小时时间进行规划，计算效率低，难以满足临床需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
第一方面，本发明提供一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法，包括以下步骤：
进针方向初始化：从皮肤上的进针点区域向肿瘤质心附近的点连线，选取最接近肿瘤长轴方向的连线方向为初始进针方向D0；
进针路径规划：将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D，用数量最少的、椭球形射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D，以每个S为横截面作圆柱体区域，求解每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心，作横截面为S、轴线过所述中心且方向与肿瘤长轴近似平行的圆柱体，得到多条圆柱体进针路径；
消融位置规划：将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D，以数量最少的、长轴为a短轴为b的椭圆完全覆盖IP2D，所述多个椭圆的位置即为消融位置；a、b分别为射频电极的长轴和短轴。
进一步地，肿瘤长轴方向的确定方法包括：
假设肿瘤长轴和短轴所在直线的方程分别为：
y＝k1x+b1
z＝k2x+b2
基于最小二乘法按下式计算直线参数k1、b1、k2、b2，得到肿瘤长轴方向：
Figure BDA0003326172380000031
式中，(xi,yi,zi)是肿瘤上的第i个像素点的坐标，N为像素点数量。
更进一步地，所述进针方向初始化步骤具体包括：
在皮肤上选取进针点区域，在肿瘤质心周围3mm范围内，由内而外寻找初始消融中心：如果所述范围内的像素点A到所述进针点区域的某个像素点的连线不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织的距离大于dliver，则A点为初始消融中心；
从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，与肿瘤长轴方向夹角最小的连线方向为初始进针方向D0。
更进一步地，所述路径规划步骤具体包括：
将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D；
在IT2D上生成IT2D的最小外接矩形，用
Figure BDA0003326172380000041
个直径为
Figure BDA0003326172380000042
的圆对所述矩形进行等距覆盖，La、Lb分别为所述矩形的长和宽，
Figure BDA0003326172380000043
表示向上取整；
在保持全覆盖情况下，将每个圆最大限度地向所述矩形的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的圆；
以每个圆为横截面作圆柱体区域，将每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心作为消融中心，从每个消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，求解与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，以所述连线为轴线、以直径为dp的圆为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。
更进一步地，所述消融位置规划步骤具体包括：
将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D；
用
Figure BDA0003326172380000044
个长轴为a、短轴为b的椭圆等距覆盖IP2D，Lp为位于肿瘤区域的圆柱体路径的长；
在保持对IP2D全覆盖并不触碰所有不可触及的解剖结构的情况下，将每个椭圆最大限度地向IP2D的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的椭圆，剩余椭圆的位置即为对应路径的消融位置。
第二方面，本发明提供一种射频电极进针路径和消融位置的规划装置，包括：
进针方向初始化模块，用于从皮肤上的进针点区域向肿瘤质心附近的点连线，选取最接近肿瘤长轴方向的连线方向为初始进针方向D0；
进针路径规划模块，用于将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D，用数量最少的、椭球形射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D，以每个S为横截面作圆柱体区域，求解每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心，作横截面为S、轴线过所述中心且方向与肿瘤长轴近似平行的圆柱体，得到多条圆柱体进针路径；
消融位置规划模块，用于将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D，以数量最少的、长轴为a短轴为b的椭圆完全覆盖IP2D，所述多个椭圆的位置即为消融位置；a、b分别为射频电极的长轴和短轴。
进一步地，所述装置还包括肿瘤长轴方向确定模块，用于按以下方法确定瘤长轴方向，
假设肿瘤长轴和短轴所在直线的方程分别为：
y＝k1x+b1
z＝k2x+b2
基于最小二乘法按下式计算直线参数k1、b1、k2、b2，得到肿瘤长轴方向：
Figure BDA0003326172380000051
式中，(xi,yi,zi)是肿瘤上的第i个像素点的坐标，N为像素点数量。
更进一步地，所述进针方向初始化模块具体用于：
在皮肤上选取进针点区域，在肿瘤质心周围3mm范围内，由内而外寻找初始消融中心：如果所述范围内的像素点A到所述进针点区域的某个像素点的连线不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织的距离大于dliver，则A点为初始消融中心；
从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，与肿瘤长轴方向夹角最小的连线方向为初始进针方向D0。
更进一步地，所述进针路径规划模块具体用于：
将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D；
在IT2D上生成IT2D的最小外接矩形，用
Figure BDA0003326172380000052
个直径为
Figure BDA0003326172380000053
的圆对所述矩形进行等距覆盖，La、Lb分别为所述矩形的长和宽，
Figure BDA0003326172380000061
表示向上取整；
在保持全覆盖情况下，将每个圆最大限度地向所述矩形的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的圆；
以每个圆为横截面作圆柱体区域，将每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心作为消融中心，从每个消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，求解与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，以所述连线为轴线、以直径为dp的圆为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。
更进一步地，所述消融位置规划模块具体用于：
将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D；
用
Figure BDA0003326172380000062
个长轴为a、短轴为b的椭圆等距覆盖IP2D，Lp为位于肿瘤区域的圆柱体路径的长；
在保持对IP2D全覆盖并不触碰所有不可触及的解剖结构的情况下，将每个椭圆最大限度地向IP2D的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的椭圆，剩余椭圆的位置即为对应路径的消融位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
本发明通过对肿瘤区域进行两次投影，将三维规划转化为两个二维规划，大大减少了计算复杂度和计算量；通过基于肿瘤长轴方向生成初始进针方向，可以快速规划进针路径，避免了全局搜索带来的时间损耗。本发明所述方法提高了射频电极进针路径和消融位置的规划速度，能够满足实际临床对规划效率的要求。实验表明，采用本发明所述方法的单次规划不超过3分钟。
附图说明
图1为本发明实施例一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法的流程图。
图2为初始进针方向示意图。
图3为射频电极进针路径规划过程示意图。
图4为射频电极消融位置规划过程示意图。
图5为本发明实施例一种射频电极进针路径和消融位置的规划装置的方框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法的流程图，包括以下步骤：
步骤101，从皮肤上的进针点区域向肿瘤质心附近的点连线，选取最接近肿瘤长轴方向的连线方向为初始进针方向D0；
步骤102，将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D，用数量最少的、椭球形射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D，以每个S为横截面作圆柱体区域，求解每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心，作横截面为S轴线过所述中心且方向与肿瘤长轴近似平行的圆柱体，得到多条圆柱体进针路径；
步骤103，消融位置规划步骤：将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D，以数量最少的、长轴为a短轴为b的椭圆完全覆盖IP2D，所述多个椭圆的位置即为消融位置；a、b分别为射频电极的长轴和短轴。
本实施例提出的射频消融治疗中射频电极的规划方法，基于CT图像实现，在进行规划前需要对CT图像进行一些预处理。所述预处理包括以下几个步骤：数据重采样：为了提高计算效率，通过插值方式将CT图像的像素之间的间隔重采样到1毫米；自动分割：使用基于深度学习的自动分割方法，实现肝脏、肝肿瘤及重要解剖结构的分割。具体包括：肝脏、肝肿瘤、皮肤、进针点区域，以及不可触及的解剖结构(心脏、脾、胃、肾、肾上腺、胆囊、胰、肺、结肠、脊柱、肋骨、肋软骨、主动脉、肝动脉、肝静脉)；将分割区域划分为四个部分，并对每个部分进行预处理。肝肿瘤区域：通过形态学膨胀将肝肿瘤外扩安全距离dtumor；肝脏区域：移除肝肿瘤外扩区域的肝脏部分；进针点区域：随机打乱进针点的排列顺序；不可触及的解剖结构：通过形态学膨胀将不可触及的解剖结构区域外扩安全距离dOAR。
本实施例中，步骤101主要用于进针方向初始化。为了克服现有方法对进针路径进行全局搜索导致计算负担大的问题，本实施例先对进针方向初始化，再进一步进行路径规划。为了尽量减少进针路径和消融位置的数量，即尽量实现一次进针多次消融。结合临床实践，理想的进针方向应为肿瘤长轴方向(肿瘤的形状可以近似看成是一个椭球体)，如图2所示，这样不仅有利于减少对正常肝组织的损伤，也有利于减少多次进针带来的操作难度和对患者机体的损伤。但是，直接沿肿瘤长轴方向进针很容易触碰不可触及的解剖结构，因此，一般不能直接把肿瘤长轴方向作为初始进针方向，还要保证进针方向不触碰不可触及的解剖结构。本实施例先从皮肤上的针点区域(一般位于身体侧面肋骨之间)向肿瘤质心附近的点连线，然后选取与肿瘤长轴方向最接近的方向作为初始进针方向D0。后面将给出一种更具体的进针方向初始化的实施例。
本实施例中，步骤102主要用于规划射频电极的进针路径。本实施例的射频电极是一个近似的椭球体，中间有一小段区域近似为圆柱体，所述圆柱体的底面或横截面是直径略小于椭球体短轴的圆，也是所述射频电极的最大圆形横截面S。进针路径是指射频电极从皮肤上的进针点进入开始，沿直线一直移动到肿瘤消融位置所经过的圆柱体区域。为了减少计算量，克服现有技术采用最优化算法遍历操作的缺点，本实施例将三维空间规划转化为二维空间规划，即通过对肿瘤区域沿D0方向进行投影，将三维肿瘤映射成一个二维图像IT2D，然后基于IT2D进行二维规划。为了确保对肿瘤完全消融，须用多个射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D。首先，用多个S覆盖IT2D，为了尽量减少进针次数，计算出完全覆盖IT2D需要的S的个数的最小值以及这些S的位置。然后，以这些S为横截面作圆柱体区域，求出每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心。最后，过所述中心和进针点作与肿瘤长轴近似平行的直线，以所述直线为轴线、以S为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。后面将给出一种具体的路径规划实施例。
本实施例中，步骤103主要用于进行射频电极的消融位置规划。上一步已得到了多条进针路径，本步骤在这些进针路径上设置消融位置，以确保对肿瘤的完全消融。为了实现消融位置的快速规划，本实施例再次采用将三维空间规划转化为二维空间规划的方法。对每条进针路径的规划方法如下：将每条圆柱体进针路径沿其径向投影，路径内的肿瘤投影后得到二维图像IP2D；为了确保对肿瘤的完全消融，用多个射频电极沿长轴方向的最大椭圆形截面完全覆盖IP2D，所述最大椭圆形截面的长轴和短轴就是射频电极长轴和短轴；为了尽量减少消融位置，计算完全覆盖IP2D需要的所述最大椭圆形截面个数的最小值，以及它们的位置，得到对应该路径的多个消融位置。后面将给出一种具体的消融位置规划实施例。
作为一可选实施例，肿瘤长轴方向的确定方法包括：
假设肿瘤长轴和短轴所在直线的方程分别为：
y＝k1x+b1
z＝k2x+b2
基于最小二乘法按下式计算直线参数k1、b1、k2、b2，得到肿瘤长轴方向：
Figure BDA0003326172380000091
式中，(xi,yi,zi)是肿瘤上的第i个像素点的坐标，N为像素点数量。
本实施例给出了确定肿瘤长轴方向的一种技术方案。如前述，肿瘤的形状可以近似看成是一个椭球体，本实施例通过采用最小二乘法线性拟合肿瘤长轴所在直线得到肿瘤长轴方向。具体求解方法见上面的公式，这里不展开详细说明。
作为一可选实施例，所述步骤101具体包括：
在皮肤上选取进针点区域，在肿瘤质心周围3mm范围内，由内而外寻找初始消融中心：如果所述范围内的像素点A到所述进针点区域的某个像素点的连线不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织的距离大于dliver，则A点为初始消融中心；
从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，与肿瘤长轴方向夹角最小的连线方向为初始进针方向D0。
本实施例给出了确定初始进针方向的一种技术方案。确定初始进针方向可分为两个步骤：先确定初始消融中心，然后基于初始消融中心确定初始进针方向。初始消融中心应该在肿瘤质心附近，本实施例限定在肿瘤质心周围3mm范围内。在所述范围内由内向外地寻找初始消融中心，只有存在一个像素点A与进针区域某个像素点的连线满足安全约束条件，即不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver，则A就可以作为初始消融中心。有了初始消融中心，从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，求解满足安全约束条件的与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，所述连线的方向就是初始进针方向。很显然，按上述方法得到的初始消融中心不是唯一的，但根据初始进针方向的确定方法可知，按上述方法得到的不同的初始消融中心对最后确定的初始进针方向的影响很小。
作为一可选实施例，所述步骤102具体包括：
将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D；
在IT2D上生成IT2D的最小外接矩形，用
Figure BDA0003326172380000101
个直径为
Figure BDA0003326172380000102
的圆对所述矩形进行等距覆盖，La、Lb分别为所述矩形的长和宽，
Figure BDA0003326172380000103
表示向上取整；
在保持全覆盖情况下，将每个圆最大限度地向所述矩形的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的圆；
以每个圆为横截面作圆柱体区域，将每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心作为消融中心，从每个消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，求解与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，以所述连线为轴线、以直径为dp的圆为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。
本实施例给出了射频电极进针路径规划的一种技术方案。本实施例是在二维平面上实现路径规划的，其技术原理是通过用数量最少的射频电极的最大圆形横截面完全覆盖肿瘤的二维图像区域，得到每条路径的消融中心，进而得到多条圆柱体三维进针路径。具体方法包括四个步骤，如图3所示。第一步是二维肿瘤投影，对肿瘤区域沿初始进针方向D0进行投影，便可得到肿瘤的二维投影图像IT2D。第二步是二维路径覆盖。首先生成IT2D的最小外接矩形，然后用一个直径为
Figure BDA0003326172380000111
的圆(平面)等距离覆盖最小外接矩形，直径为dp的圆是一种具体结构的射频电极的最大横截面。具体覆盖方法是：在最小外接矩形上放置
Figure BDA0003326172380000112
个直径为dp的圆。这样放置这些圆一定能保证完全覆盖最小外接矩形，当然更能覆盖IT2D，但这些圆不一定是完全覆盖IT2D所需的最少的圆，所以需要进行覆盖优化。第三步是二维路径调整即覆盖优化。首先在保证完全覆盖IT2D的情况下，朝着最小外接矩形的中心逐像素移动每个已放置好的圆，然后对这些圆进行检验，看看是否有对覆盖IT2D没有贡献的圆形，比如，如果一个圆覆盖IT2D的区域已都被其它圆覆盖了，那么这个圆就是对覆盖没贡献的圆。移除这些对覆盖没贡献的圆，剩余的圆就是能够完全覆盖IT2D所需的最少的圆了。第四步是三维路径生成。三维路径生成分为两步，先针对每个圆确定一个消融中心，然后基于每个消融中心生成一条三维路径。消融中心的确定方法是：以每个圆为横截面作圆柱体，然后找到每个圆柱体中包含肿瘤部分的中心点，这个中心点就是消融中心。基于消融中心生成三维路径的方法是：按照生成D0的方法得到一条连线，然后以该连线为轴线作横截面面积与所述圆的面积相等的圆柱体，得到对应所述消融中心的圆柱体三维路径。
作为一可选实施例，所述步骤103具体包括：
将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D；
用
Figure BDA0003326172380000121
个长轴为a、短轴为b的椭圆等距覆盖IP2D，Lp为位于肿瘤区域的圆柱体路径的长；
在保持对IP2D全覆盖并不触碰所有不可触及的解剖结构的情况下，将每个椭圆最大限度地向IP2D的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的椭圆，剩余椭圆的位置即为对应路径的消融位置。
本实施例给出了消融位置规划的一种技术方案。消融位置规划是针对每条三维圆柱体路径进行的，其规划方法与进针路径规划的方法很相似，不同之处主要有两点：一是二维投影的方向不同，路径规划是沿D0方向投影的，消融位置规划是沿圆柱体的径向投影的，两个方向近似垂直；二是用于覆盖二维肿瘤图像的几何面不同，路径规划用的是垂直射频电极长轴的最大圆形横截面，消融位置规划用的是过射频电极长轴的最大椭圆形截面。具体规划流程如图4所示，这里不再展开详细说明。
图5为本发明实施例一种射频电极进针路径和消融位置的规划装置的组成示意图，所述装置包括：
进针方向初始化模块11，用于从皮肤上的进针点区域向肿瘤质心附近的点连线，选取最接近肿瘤长轴方向的连线方向为初始进针方向D0；
进针路径规划模块12，用于将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D，用数量最少的、椭球形射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D，以每个S为横截面作圆柱体区域，求解每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心，作横截面为S、轴线过所述中心且方向与肿瘤长轴近似平行的圆柱体，得到多条圆柱体进针路径；
消融位置规划模块13，用于将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D，以数量最少的、长轴为a短轴为b的椭圆完全覆盖IP2D，所述多个椭圆的位置即为消融位置；a、b分别为射频电极的长轴和短轴。
本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。
作为一可选实施例，所述装置还包括肿瘤长轴方向确定模块，用于按以下方法确定瘤长轴方向，
假设肿瘤长轴和短轴所在直线的方程分别为：
y＝k1x+b1
z＝k2x+b2
基于最小二乘法按下式计算直线参数k1、b1、k2、b2，得到肿瘤长轴方向：
Figure BDA0003326172380000131
式中，(xi,yi,zi)是肿瘤上的第i个像素点的坐标，N为像素点数量。
作为一可选实施例，所述进针方向初始化模块11具体用于：
在皮肤上选取进针点区域，在肿瘤质心周围3mm范围内，由内而外寻找初始消融中心：如果所述范围内的像素点A到所述进针点区域的某个像素点的连线不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织的距离大于dliver，则A点为初始消融中心；
从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，与肿瘤长轴方向夹角最小的连线方向为初始进针方向D0。
作为一可选实施例，所述进针路径规划模块12具体用于：
将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D；
在IT2D上生成IT2D的最小外接矩形，用
Figure BDA0003326172380000132
个直径为
Figure BDA0003326172380000133
的圆对所述矩形进行等距覆盖，La、Lb分别为所述矩形的长和宽，
Figure BDA0003326172380000134
表示向上取整；
在保持全覆盖情况下，将每个圆最大限度地向所述矩形的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的圆；
以每个圆为横截面作圆柱体区域，将每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心作为消融中心，从每个消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，求解与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，以所述连线为轴线、以直径为dp的圆为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。
作为一可选实施例，所述消融位置规划模块13具体用于：
将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D；
用
Figure BDA0003326172380000141
个长轴为a、短轴为b的椭圆等距覆盖IP2D，Lp为位于肿瘤区域的圆柱体路径的长；
在保持对IP2D全覆盖并不触碰所有不可触及的解剖结构的情况下，将每个椭圆最大限度地向IP2D的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的椭圆，剩余椭圆的位置即为对应路径的消融位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种射频电极进针路径和消融位置的规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
进针方向初始化：从皮肤上的进针点区域向肿瘤质心附近的点连线，选取最接近肿瘤长轴方向的连线方向为初始进针方向D0；
进针路径规划：将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D，用数量最少的、椭球形射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D，以每个S为横截面作圆柱体区域，求解每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心，作横截面为S、轴线过所述中心且方向与肿瘤长轴近似平行的圆柱体，得到多条圆柱体进针路径；
消融位置规划：将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D，以数量最少的、长轴为a短轴为b的椭圆完全覆盖IP2D，所述多个椭圆的位置即为消融位置；a、b分别为射频电极的长轴和短轴。
2.根据权利要求1所述的射频电极进针路径和消融位置的规划方法，其特征在于，肿瘤长轴方向的确定方法包括：
假设肿瘤长轴和短轴所在直线的方程分别为：
y＝k1x+b1
z＝k2x+b2
基于最小二乘法按下式计算直线参数k1、b1、k2、b2，得到肿瘤长轴方向：
Figure FDA0003326172370000011
式中，(xi,yi,zi)是肿瘤上的第i个像素点的坐标，N为像素点数量。
3.根据权利要求2所述的射频电极进针路径和消融位置的规划方法，其特征在于，所述进针方向初始化步骤具体包括：
在皮肤上选取进针点区域，在肿瘤质心周围3mm范围内，由内而外寻找初始消融中心：如果所述范围内的像素点A到所述进针点区域的某个像素点的连线不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织的距离大于dliver，则A点为初始消融中心；
从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，与肿瘤长轴方向夹角最小的连线方向为初始进针方向D0。
4.根据权利要求3所述的射频电极进针路径和消融位置的规划方法，其特征在于，所述路径规划步骤具体包括：
将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D；
在IT2D上生成IT2D的最小外接矩形，用
Figure FDA0003326172370000021
个直径为
Figure FDA0003326172370000022
的圆对所述矩形进行等距覆盖，La、Lb分别为所述矩形的长和宽，
Figure FDA0003326172370000023
表示向上取整；
在保持全覆盖情况下，将每个圆最大限度地向所述矩形的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的圆；
以每个圆为横截面作圆柱体区域，将每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心作为消融中心，从每个消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，求解与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，以所述连线为轴线、以直径为dp的圆为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。
5.根据权利要求4所述的射频电极进针路径和消融位置的规划方法，其特征在于，所述消融位置规划步骤具体包括：
将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D；
用
Figure FDA0003326172370000024
个长轴为a、短轴为b的椭圆等距覆盖IP2D，Lp为位于肿瘤区域的圆柱体路径的长；
在保持对IP2D全覆盖并不触碰所有不可触及的解剖结构的情况下，将每个椭圆最大限度地向IP2D的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的椭圆，剩余椭圆的位置即为对应路径的消融位置。
6.一种射频电极进针路径和消融位置的规划装置，其特征在于，包括：
进针方向初始化模块，用于从皮肤上的进针点区域向肿瘤质心附近的点连线，选取最接近肿瘤长轴方向的连线方向为初始进针方向D0；
进针路径规划模块，用于将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D，用数量最少的、椭球形射频电极的最大圆形横截面S完全覆盖IT2D，以每个S为横截面作圆柱体区域，求解每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心，作横截面为S、轴线过所述中心且方向与肿瘤长轴近似平行的圆柱体，得到多条圆柱体进针路径；
消融位置规划模块，用于将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D，以数量最少的、长轴为a短轴为b的椭圆完全覆盖IP2D，所述多个椭圆的位置即为消融位置；a、b分别为射频电极的长轴和短轴。
7.根据权利要求6所述的射频电极进针路径和消融位置的规划装置，其特征在于，所述装置还包括肿瘤长轴方向确定模块，用于按以下方法确定瘤长轴方向，
假设肿瘤长轴和短轴所在直线的方程分别为：
y＝k1x+b1
z＝k2x+b2
基于最小二乘法按下式计算直线参数k1、b1、k2、b2，得到肿瘤长轴方向：
Figure FDA0003326172370000031
式中，(xi,yi,zi)是肿瘤上的第i个像素点的坐标，N为像素点数量。
8.根据权利要求7所述的射频电极进针路径和消融位置的规划装置，其特征在于，所述进针方向初始化模块具体用于：
在皮肤上选取进针点区域，在肿瘤质心周围3mm范围内，由内而外寻找初始消融中心：如果所述范围内的像素点A到所述进针点区域的某个像素点的连线不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织的距离大于dliver，则A点为初始消融中心；
从初始消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，与肿瘤长轴方向夹角最小的连线方向为初始进针方向D0。
9.根据权利要求8所述的射频电极进针路径和消融位置的规划装置，其特征在于，所述进针路径规划模块具体用于：
将肿瘤区域沿D0方向投影得到二维图像IT2D；
在IT2D上生成IT2D的最小外接矩形，用
Figure FDA0003326172370000041
个直径为
Figure FDA0003326172370000042
的圆对所述矩形进行等距覆盖，La、Lb分别为所述矩形的长和宽，
Figure FDA0003326172370000043
表示向上取整；
在保持全覆盖情况下，将每个圆最大限度地向所述矩形的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的圆；
以每个圆为横截面作圆柱体区域，将每个圆柱体位于肿瘤区域部分的中心作为消融中心，从每个消融中心向进针点区域的所有像素点连线，在不触碰所有不可触及的解剖结构，且经过正常肝脏组织距离大于dliver的连线中，求解与肿瘤长轴方向夹角最小的连线，以所述连线为轴线、以直径为dp的圆为横截面作圆柱体区域，得到多条圆柱体进针路径。
10.根据权利要求9所述的射频电极进针路径和消融位置的规划装置，其特征在于，所述消融位置规划模块具体用于：
将每条圆柱体进针路径沿其径向投影得到路径内肿瘤的二维图像IP2D；
用
Figure FDA0003326172370000044
个长轴为a、短轴为b的椭圆等距覆盖IP2D，Lp为位于肿瘤区域的圆柱体路径的长；
在保持对IP2D全覆盖并不触碰所有不可触及的解剖结构的情况下，将每个椭圆最大限度地向IP2D的中心逐像素移动，移除对覆盖没有贡献的椭圆，剩余椭圆的位置即为对应路径的消融位置。
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