CN114557770B - 微波消融手术的交互式路径规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微波消融手术的交互式路径规划方法及系统，包括输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，交互确认待消融区域，获得精细待消融区域；根据获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，根据设定条件推算可行消融点位置；获得暂定消融点；根据暂定消融点，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域；评估并规划消融路径。本发明通过影像信息的引入，半自动地确定可行消融点，减少了医生规划路径的工作量。通过仿真模块的使用，提供了对消融结果更精细的预估，提高了消融路径规划的可靠性。通过交互式设计，使得每个关键流程都有调整确认，提高了路径规划的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗领域，具体地，涉及微波消融手术的交互式路径规划方法及系统。
背景技术
微波消融手术是目前肿瘤治疗方法中最先进的物理治疗方法之一，传统微波消融手术中，术前医生需要根据病人的CT图像和经验确定消融点和入针路径规划，缺乏对规划结果的定量评估。另一方面，传统路径规划算法往往将消融范围假设为固定的形状，缺乏对于不同消融位置产生的消融范围变化的动态预测，易对规划产生不利影响。
专利文献为CN113456219A的发明专利公开了一种基于CT图像的肝癌射频消融手术路径规划方法及装置，方法包括：(1)数据预处理：对规划相关的器官模型提取分离并进行适当抽样，计算规划所需的相关点集，其中靶向点点集与皮肤点集之间的连接线构成原始的全部解空间；(2)路径筛选：对这组解空间，根据临床约束、是否能够完全覆盖肿瘤、是否是帕累托最优前沿部分等条件依次进行筛选；(3)计算消融区位置：应用整数规划找出剩余路径中最佳消融区位置，并通过设置的权重评分得出最优解并输出。但是上述方案使用预设的消融区域形状假设，没有考虑到不同位置消融区域形状的差异。鲍楠公开的论文：CT引导的肺穿刺路径规划与手术导航关键技术研究中，除了影像信息外，还依赖病人体表标记物提供位置信息，需要额外的CT扫描。张睿公开的论文：CT引导肝肿瘤热消融治疗手术路径规划方法与系统研究中，同样使用预设的消融区域形状假设，没有考虑到不同位置消融区域形状的差异。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微波消融手术的交互式路径规划方法及系统。
根据本发明提供的一种微波消融手术的交互式路径规划方法，包括如下步骤：
待消融区域设置步骤：输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，交互确认待消融区域，获得精细待消融区域；
可行消融点规划步骤：根据获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，根据设定条件推算可行消融点位置；获得暂定消融点；
消融结果动态评估步骤：根据暂定消融点，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域；
交互式消融点调整步骤：根据可行消融点规划步骤和消融结果动态评估步骤的结果，迭代式地给予反馈，每次修改消融点之后将重新执行消融结果动态评估步骤，获得消融效果仿真结果和定量评估；
消融路径规划步骤：使用可行消融点和皮肤上的可行入针点的连线构成消融路径的原始解空间；将消融结果动态评估步骤中获得的预测消融区域旋转，获得解空间内不同可行解的仿真区域粗预测，排除掉无法覆盖待消融区域的路径，依照临床硬约束筛选出所有的可行路径，确定最终消融路径规划。
优选地，所述设定条件包括临床硬约束条件、是否能大致覆盖消融区域条件。
优选地，待消融区域设置步骤中，交互式分割使用MIDeepSeg分割算法，具体步骤包括：
步骤S1：输入影像数据，手动交互点击待消融区域的边界点，设定带分割区域的整体范围，算法中的预测网络计算粗分割结果并可视化；
步骤S2：在粗分割结果周围，对假阳性区域点击负面点，假阴性区域点击正面点，算法获得交互输入和粗分割结果，重新计算修正后的分割区域。
步骤S3：如果满意分割结果则结束，不满意则重复步骤S2直至满意。
优选地，消融结果动态评估步骤中，基于仿真模块，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域。
优选地，采用时域有限差分进行微波的仿真，使用有限差分法进行传热的仿真，交替计算电磁场和热场以求得电热耦合场的分布，具体步骤如下：
步骤F1:将待消融区域和所在脏器建模，根据不同组织类型设置不同的电/热参数，根据人体温度输入初始温度值；
步骤F2:根据激励源的设置开始计算，基于时域有限差分迭代求取当前时间步长下的电磁场分布情况，获得电磁场分布后计算焦耳热，焦耳热功率为其中J为电流体密度，E为电场强度；将焦耳热输入Pennes方程中以仿真有内热源场景下的生物热传导：
其中Qj为电磁场以焦耳热的形式产生的热量；
步骤F3:根据多次迭代后生成的结果，使用Arrhenius方程计算细胞累积收到的热损伤，当损伤超过阈值之后，细胞凋亡，修改所在位置电/热参数；
步骤F4:迭代计算完成后，计算预测消融区域和待消融区域的重叠程度，量化计算为Dice分数和覆盖率。
优选地，Dice分数计算如下：
优选地，覆盖率计算如下：
优选地，所述损伤阈值默认为1。
优选地，电/热参数包括热导率、比热容、相对介电常数、电导率、相对磁导率。
根据本发明提供的一种微波消融手术的交互式路径规划系统，包括如下模块：
待消融区域设置模块：输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，交互确认待消融区域，获得精细待消融区域；
可行消融点规划模块：根据获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，根据设定条件推算可行消融点位置；获得暂定消融点；
消融结果动态评估模块：根据暂定消融点，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域；
交互式消融点调整模块：根据可行消融点规划和消融结果动态评估的结果，迭代式地给予反馈，每次修改消融点之后将重新执行消融结果动态评估，获得消融效果仿真结果和定量评估；
消融路径规划模块：使用可行消融点和皮肤上的可行入针点的连线构成消融路径的原始解空间；将消融结果动态评估中获得的预测消融区域旋转，获得解空间内不同可行解的仿真区域粗预测，排除掉无法覆盖待消融区域的路径，依照临床硬约束筛选出所有的可行路径，确定最终消融路径规划。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过影像信息的引入，半自动地确定可行消融点，减少了医生规划路径的工作量。
2、本发明通过仿真模块的使用，提供了对消融结果更精细的预估，提高了消融路径规划的可靠性。
3、本发明通过交互式设计，使得每个关键流程都有医生调整和确认，提高了路径规划的安全性和可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为微波消融手术的交互式路径规划方法步骤流程图。
图2为微波消融手术的交互式路径规划方法交互界面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种微波消融手术的交互式路径规划方法及系统，本发明提供的方法具体包括：根据影像信息，半自动规划可行消融点；基于仿真模块，动态预测消融区域，提供可视化的结果估计；交互式地接受医生反馈，迭代执行规划和仿真，使规划结果更好地服务于医生的经验和知识。
进一步具体说明，根据本发明提供的一种微波消融手术的交互式路径规划方法，包括以下4步：
S1：待消融区域设置。输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，提供交互窗口供医生进行待消融区域的修正和确认，最终获得影像数据中的精细待消融区域。
其中，交互式地进行分割使用的是MIDeepSeg，一种深度学习的交互式分割算法，具体使用步骤如下：
S1-D1:输入影像数据，手动交互点击待消融区域的边界点，设定带分割区域的整体范围，算法中的预测网络计算粗分割结果并可视化。
S1-D2:在粗分割结果周围，对假阳性区域点击负面点，假阴性区域点击正面点，算法获得交互输入和粗分割结果，重新计算修正后的分割区域。
S1-D3：如果满意分割结果则结束，不满意则重复S1-D2直至满意。
S2：可行消融点规划。根据S1中获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，依次根据临床硬约束、是否能大致覆盖消融区域等条件，推算可行消融点位置。将可行消融点位置可视化，供医生交互式地选择和微调消融点设置，最终获得经过医生确认的暂定消融点。
S3：消融结果动态评估。根据S2中获得的暂定消融点，基于仿真模块，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域。根据预测消融区域和待消融区域的重叠情况输出可视化结果和定量指标。
其中，为了兼顾预测的精度和速度，我们使用了时域有限差分进行微波的仿真，使用有限差分法进行传热的仿真，交替计算电磁场和热场以求得电热耦合场的分布，具体步骤如下：
S3-F1:将待消融区域和所在脏器建模，根据不同组织类型设置不同的电/热参数(热导率、比热容、相对介电常数、电导率、相对磁导率等)，然后根据人体温度输入初始温度值(默认为37℃)。
S3-F2:根据激励源的设置开始计算，基于时域有限差分迭代求取当前时间步长下的电磁场分布情况，获得电磁场分布后计算焦耳热，焦耳热功率为其中J为电流体密度，E为电场强度。将焦耳热输入Pennes方程中以仿真有内热源场景下的生物热传导：
其中Qj为电磁场以焦耳热的形式产生的热量。
S3-F3:根据多次迭代后生成的结果，使用Arrhenius方程计算细胞累积收到的热损伤，当损伤超过阈值(默认为1)之后，细胞凋亡，修改所在位置电/热参数。以肝脏组织为例，具体电/热参数值如下：
S3-F4:迭代计算完成后，计算预测消融区域和待消融区域的重叠程度，量化计算为Dice分数和覆盖率，计算公式如下：
S4：交互式消融点调整。医生根据S2和S3的结果，迭代式地给予反馈，每次修改消融点之后将重新执行S3步骤，获得消融效果仿真结果和定量评估。医生可不断根据结果和指标的指示进行调整和修改，直至最终得到医生确认的可行消融点。
S5:消融路径规划。使用可行消融点和皮肤上的可行入针点的连线构成消融路径的原始解空间；将S3中获得的预测消融区域旋转，获得解空间内不同可行解的仿真区域粗预测，排除掉无法覆盖待消融区域的路径，然后依照临床硬约束筛选出所有的可行路径。经过医生的交互确定最终消融路径规划。
本发明还提供一种微波消融手术的交互式路径规划系统，包括待消融区域设置模块：输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，交互确认待消融区域，获得精细待消融区域；可行消融点规划模块：根据获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，根据设定条件推算可行消融点位置；获得暂定消融点；消融结果动态评估模块：根据暂定消融点，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域；交互式消融点调整模块：根据可行消融点规划和消融结果动态评估的结果，迭代式地给予反馈，每次修改消融点之后将重新执行消融结果动态评估，获得消融效果仿真结果和定量评估；消融路径规划模块：使用可行消融点和皮肤上的可行入针点的连线构成消融路径的原始解空间；将消融结果动态评估中获得的预测消融区域旋转，获得解空间内不同可行解的仿真区域粗预测，排除掉无法覆盖待消融区域的路径，依照临床硬约束筛选出所有的可行路径，确定最终消融路径规划。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
待消融区域设置步骤：输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，交互确认待消融区域，获得精细待消融区域；
可行消融点规划步骤：根据获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，根据设定条件推算可行消融点位置；获得暂定消融点；
消融结果动态评估步骤：根据暂定消融点，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域；
交互式消融点调整步骤：根据可行消融点规划步骤和消融结果动态评估步骤的结果，迭代式地给予反馈，每次修改消融点之后将重新执行消融结果动态评估步骤，获得消融效果仿真结果和定量评估；
消融路径规划步骤：使用可行消融点和皮肤上的可行入针点的连线构成消融路径的原始解空间；将消融结果动态评估步骤中获得的预测消融区域旋转，获得解空间内不同可行解的仿真区域粗预测，排除掉无法覆盖待消融区域的路径，依照临床硬约束筛选出所有的可行路径，确定最终消融路径规划。
2.根据权利要求1所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，所述设定条件包括临床硬约束条件、是否能大致覆盖消融区域条件。
3.根据权利要求1所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，待消融区域设置步骤中，交互式分割使用MIDeepSeg分割算法，具体步骤包括：
步骤S1：输入影像数据，手动交互点击待消融区域的边界点，设定带分割区域的整体范围，算法中的预测网络计算粗分割结果并可视化；
步骤S2：在粗分割结果周围，对假阳性区域点击负面点，假阴性区域点击正面点，算法获得交互输入和粗分割结果，重新计算修正后的分割区域；
步骤S3：如果满意分割结果则结束，不满意则重复步骤S2直至满意。
4.根据权利要求1所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，消融结果动态评估步骤中，基于仿真模块，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域。
5.根据权利要求4所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，采用时域有限差分进行微波的仿真，使用有限差分法进行传热的仿真，交替计算电磁场和热场以求得电热耦合场的分布，具体步骤如下：
步骤F1: 将待消融区域和所在脏器建模，根据不同组织类型设置不同的电/热参数，根据人体温度输入初始温度值；
步骤F2:根据激励源的设置开始计算，基于时域有限差分迭代求取当前时间步长下的电磁场分布情况，获得电磁场分布后计算焦耳热，焦耳热功率为，其中/>为电流体密度，/>为电场强度；将焦耳热输入Pennes方程中以仿真有内热源场景下的生物热传导：
其中为电磁场以焦耳热的形式产生的热量；
步骤F3:根据多次迭代后生成的结果，使用Arrhenius方程计算细胞累积收到的热损伤，当损伤超过阈值之后，细胞凋亡，修改所在位置电/热参数；
步骤F4:迭代计算完成后，计算预测消融区域和待消融区域的重叠程度，量化计算为Dice分数和覆盖率。
6.根据权利要求5所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，Dice分数计算如下：
。
7.根据权利要求5所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，覆盖率计算如下：
。
8.根据权利要求5所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，所述损伤阈值默认为1。
9.根据权利要求5所述的微波消融手术的交互式路径规划方法，其特征在于，电/热参数包括热导率、比热容、相对介电常数、电导率、相对磁导率。
10.一种微波消融手术的交互式路径规划系统，其特征在于，包括如下模块：
待消融区域设置模块：输入CT/MR影像数据，自动生成粗分割的待消融区域，交互确认待消融区域，获得精细待消融区域；
可行消融点规划模块：根据获得的精细待消融区域，使用形态学中的侵蚀算法，获得消融区域内部的可行点区域，根据设定条件推算可行消融点位置；获得暂定消融点；
消融结果动态评估模块：根据暂定消融点，对最终产生的消融区域进行仿真计算，动态预测消融区域；
交互式消融点调整模块：根据可行消融点规划和消融结果动态评估的结果，迭代式地给予反馈，每次修改消融点之后将重新执行消融结果动态评估，获得消融效果仿真结果和定量评估；
消融路径规划模块：使用可行消融点和皮肤上的可行入针点的连线构成消融路径的原始解空间；将消融结果动态评估中获得的预测消融区域旋转，获得解空间内不同可行解的仿真区域粗预测，排除掉无法覆盖待消融区域的路径，依照临床硬约束筛选出所有的可行路径，确定最终消融路径规划。
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