CN115082649B - 一种肝脏分段方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种肝脏分段方法、装置、电子设备及存储介质,涉及医疗技术领域,其技术方案要点是:获取各门静脉的半径以及所述各门静脉在肝脏中的位置;根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域;根据所述供血区域对所述肝脏进行分段。本申请提供的一种肝脏分段方法、装置、电子设备及存储介质具有对不同个体的肝脏分段准确的优点。
Description
技术领域
本申请涉及医疗技术领域,具体而言,涉及一种肝脏分段方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
CT(Computed Tomography)扫描是临床上常用的检查手段,随着精准外科手术的发展,在肝胆外科领域,基于CT影像的术前规划手术系统已经越来越成熟。借助于三维重建方法和肝脏分段技术,医生可以直观地分析肝脏组织中不同血管之间的相对关系以及肿瘤在肝脏中的三维位置,从而作出详细的手术规划,在术中尽可能减少对健康组织的切除,减少手术创伤和术中出血。
现有的肝脏分段方法,主要为Couinaud分段法,根据门静脉的分布特点将肝脏分为1-8段,每段认为是一个独立功能区,有独立血流供应系统。但这种固定的经验分段方法未考虑个体化差异,不同患者门脉分布特点不一致和肝脏变异均会导致上述方法分段不准确。
此外,现有的个性化交互式分段方法,主要是人工定义不同段对应的门静脉分支,然后通过迭代计算每个肝脏单元与标记血管的距离进行自动分段,主要方式还是根据肝脏单元与选中静脉之间的距离进行简单的分段,将距离目标肝脏单元最近的门静脉类别赋予目标肝脏单元,未考虑门静脉血管真实形态影响,因此上述方法并不准确。
针对上述问题,本申请提出一种新的解决方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种肝脏分段方法、装置、电子设备及存储介质,具有对不同个体的肝脏分段准确的优点。
第一方面,本申请提供了一种肝脏分段方法,技术方案如下:
包括:
获取各门静脉的半径以及所述各门静脉在肝脏中的位置;
根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域;
根据所述供血区域对所述肝脏进行分段。
通过各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置来确定供血区域,根据供血区域来对肝脏进行分段,具有对不同个体的肝脏分段准确的有益效果。
进一步地,在本申请中,所述根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域的步骤包括:
根据所述各门静脉的半径设置初始温度;
根据所述各门静脉在所述肝脏中的位置,分别以所述各门静脉作为热源对应计算所述肝脏各个位置在任意时刻的传递温度;
根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度确定所述各门静脉的供血区域。
进一步地,在本申请中,所述根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度确定所述各门静脉的供血区域的步骤包括:
根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度获取在经过相同热传递时间后,所述各门静脉对所述肝脏任意同一位置的所述传递温度;
根据所述肝脏任意同一位置的所述传递温度得到最大传递温度;
将所述肝脏任意同一位置作为所述最大传递温度对应的所述门静脉的供血区域;
遍历计算所述肝脏的所有位置以确定所述各门静脉的供血区域。
进一步地,在本申请中,所述分别以所述各门静脉作为热源对应计算所述肝脏各个位置在任意时刻的传递温度的公式为:
进一步地,在本申请中,所述将所述肝脏任意同一位置作为所述最大传递温度对应的所述门静脉的供血区域的公式为:
进一步地,在本申请中,根据所述各门静脉的半径设置初始温度的公式为:
进一步地,在本申请中,还包括:
获取CT数据;
根据所述CT数据以及对所述肝脏进行分段的分段结果进行三维重建,得到经过分段后的三维模型。
第二方面,本申请还提供一种肝脏分段装置,包括:
获取模块,用于获取各门静脉的半径以及所述各门静脉在肝脏中的位置;
计算模块,用于根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域;
分段模块,用于根据所述供血区域对所述肝脏进行分段。
第三方面,本申请还提供一种电子设备,包括处理器以及存储器,所述存储器存储有计算机可读取指令,当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时,运行如上所述方法中的步骤。
第四方面,本申请还提供一种存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,运行如上所述方法中的步骤。
由上可知,本申请提供的一种肝脏分段方法、装置、电子设备及存储介质,通过各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置来确定供血区域,根据供血区域来对肝脏进行分段,具有对不同个体的肝脏分段准确的有益效果。
附图说明
图1为本申请提供的一种肝脏分段方法的流程图。
图2为本申请提供的一种肝脏分段装置的结构示意图。
图3为本申请提供的一种电子设备的结构示意图。
图中:210、获取模块;220、计算模块;230、分段模块;310、处理器;320、存储器。
具体实施方式
下面将结合本申请中附图,对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时,在本申请的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
目前,现有的肝脏分段方法最常用的是Couinaud分段法,根据门静脉的分布特点将肝脏分为1-8段,这种分段方法没有考虑个体差异,因此,对肝脏的分段并不准确,随着科学技术的发展,目前也有个性化交互式的分段方法,但是现有的个性化交互式分段方法需要通过迭代计算每个肝脏与门静脉的之间的距离进行分段,一般会获取门静脉的中心线,根据肝脏单元与门静脉的中心线的距离进行分段,这种分段方法没有考虑到血管的真实形态,因此同样存在分段不准确的问题。
对此,请参照图1,本申请提出了一种肝脏分段方法,技术方案具体包括:
S110、获取各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置;
S120、根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置确定各门静脉的供血区域;
S130、根据供血区域对肝脏进行分段。
通过上述方案,本申请根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置来确定供血区域,根据供血区域来对肝脏进行分段,而不是简单的根据肝脏单元与门静脉的距离来进行分段,由于不同半径的门静脉的供血能力会有差别,即使是同一根门静脉,在不同的个体上,其半径以及在肝脏中的分布位置、走向也会存在区别,因此,本申请根据门静脉的半径以及其在肝脏中的位置来确定对应的供血区域,然后根据供血区域对肝脏进行分段,具有对不同个体的肝脏分段准确的有益效果。
本申请方案的核心在于通过门静脉的半径以及对应在肝脏中的位置来确定供血区域,然后根据供血区域来对肝脏进行分段,然而,如何根据门静脉的半径以及对应在肝脏中的位置来确定供血区域将成为一个重要的问题,在本申请公开上述方案的基础上,可以采用计算肝脏单元到门静脉外壁的距离,根据距离来进行分段,但是,这种方式的计算复杂,难以应用在实际中。
对此,本申请提出了一种全新的思路,采用热传递方程柯西问题求解方法来计算各门静脉对应的供血区域,将计算门静脉的供血区域的问题转换为热传递的计算问题,将血管作为热源,肝脏组织作为热传递介质,可以计算出门静脉在不同肝脏区域的热传递情况,通过比较不同门静脉某个特定时刻在肝脏区域内的热传递情况,就可以判断出不同门静脉的供血区域。
具体的,在其中一些可以实现的实施例中,根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置确定各门静脉的供血区域的步骤包括:
根据各门静脉的半径设置初始温度;
根据各门静脉在肝脏中的位置,分别以各门静脉作为热源对应计算肝脏各个位置在任意时刻的传递温度;
根据肝脏各个位置在任意时刻的传递温度确定各门静脉的供血区域。
通过门静脉的半径来设置初始温度,因为不同半径的门静脉的供血能力不同,因此,不同半径的门静脉的热传递能力也不同,所以,根据门静脉的半径设定设置初始温度,不同的半径对应有不同的设置初始温度。
具体的,设置初始温度可以用以下公式表达:
然后,分别以每根门静脉作为热源,对应计算在肝脏区域内的热传递情况,具体的计算公式为:
通过上述技术方案,将任意肝脏单元所属门静脉供血区域的问题转换成热传递的计算问题,分别以各根门静脉作为热源,计算门静脉在不同肝脏区域的热传递情况,通过比较不同的热传递情况,就可以确定肝脏单元属于哪一根门静脉的供血区域。
在一些优选方案中,在计算求解的时候,对于将不同的门静脉作为热源进行热传递,肝脏单元的热传递系数是一致的,因此,可以将热传递系数统一设置为1,以简化计算过程,并且,在求解的过程中,需要比较在同一时刻下,各门静脉对肝脏任意同一位置的传递温度,因此,也可以将统一设置为1,将上述计算在肝脏区域内的热传递情况的公式离散化,得到公式:
进一步地,在其中一些可以实现的实施例中,根据肝脏各个位置在任意时刻的传递温度确定各门静脉的供血区域的步骤包括:
根据肝脏各个位置在任意时刻的传递温度获取在经过相同热传递时间后,各门静脉对肝脏任意同一位置的传递温度;
根据肝脏任意同一位置的传递温度得到最大传递温度;
将肝脏任意同一位置作为最大传递温度对应的门静脉的供血区域;
遍历计算肝脏的所有位置以确定各门静脉的供血区域。
具体的,将肝脏任意同一位置作为最大传递温度对应的门静脉的供血区域的公式为:
即,分别以不同的门静脉作为热源,在经过相同进行热传递的时间后,计算肝脏任意的同一位置的传递温度,可以得到与不同的门静脉对应的多个传递温度,然后比较多个传递温度,得到最大传递温度,即,该任意的同一位置则属于该最大传递温度所对应的门静脉的供血区域,通过计算热传递的方式计算出肝脏中任意位置所属的门静脉,可以完成每根门静脉的供血区域的计算。
进一步地,在其中一些可以实现的实施例中,还包括:
获取CT数据;
根据CT数据以及对肝脏进行分段的分段结果进行三维重建,得到经过分段后的三维模型。
通过上述技术方案,根据CT数据以及对肝脏进行分段的分段结果进行三维重建,得到经过分段后的三维模型,进而更好的完成术前规划。
综上,本申请提出了一种新的肝脏分段方法,可以对不同个体的门静脉进行标记,再根据门静脉的位置以及半径,采用热传递方程柯西问题求解方法来实现肝脏的分段,不仅考虑到门静脉在肝脏中的位置分布,同时还考虑到血管半径对供血分布的影响,对血管的供血区域的分区更加准确。
在实际应用过程中,首先是基于CT数据完成肝脏、门静脉等组织的三维重建,一般情况下,对于肝脏、肿瘤、下腔静脉以及门静脉组织,均是基于门脉期或者静脉期图像进行组织分割和重建。
在读入CT数据后,对于肝脏等大组织,可采用图割法完成肝脏区域图像分割,对于下腔静脉和门静脉,由于结构较为复杂,传统方法无法获取较好的分割图像,可以采用基于深度学习的nnUnet完成门静脉和下腔静脉的分割,具体流程为:预先获取足够数量的肝脏静脉期数据,例如100套数据,对目标组织进行标注,制作训练集;然后采用nnUNet对训练集进行训练,得到训练模型;最后采用训练模型对新数据进行推理,完成目标组织分割。
完成目标组织分割后,采用Marchingcube方法对分割结果进行三维重建,得到目标组织的三维模型,并采用VTK进行显示和交互操作。
在得到目标组织的三维模型后,对肝脏进行交互分段。
肝脏分段的目标是根据标记的血管,将肝脏分成不同标记的肝脏单元,每个肝脏单元主要受匹配标记血管影响,最终得到标记血管的供血区域,从而优化手术切割路径。个性化的肝脏分段充分考虑了不同个体的肝脏、门静脉解剖性差异,能够很好地根据肿瘤、血管解剖位置来确定手术路径。对于相邻两根不同标记的不同粗细血管,目前主要采用距离变换方法,根据肝脏单元与血管的欧氏距离来确定标记所属,未考虑血管半径对组织供血的情况。一般情况下,血管半径越大,所供血组织区域越大,反之越小,因此在分段过程中,应同时将血管半径、组织与血管之间的距离考虑进去。
在本申请的方案中,先通过交互方式对门静脉三维模型的各个血管分支进行标记,即标记为不同的门静脉,完成标记后,通过标记结果计算出每个肝脏单元所属标记,从而完成肝脏三维模型的分段,每一段对应一个标记。
肝脏单元所属标记的计算即为各门静脉供血区域的计算,其过程与热传递计算类似,因此,可以将不同标记的门静脉分别作为热源,肝脏组织作为热传递介质,则可以计算出不同标记的门静脉在不同肝脏区域的热传递情况,通过比较不同标记的门静脉某个特定时刻在肝脏区域内的热传递情况,则可以判断出任意肝脏单元所属的门静脉。
以门静脉为热源,肝脏组织为热传递介质的热传递过程符合热传递方程柯西问题求解情况,即:
上述方程的解析解为:
假设标记的门静脉的标号为1,2,3…n,则通过上述方程可以计算出对应的、、…,将固定到某一共同时刻,则可以求出不同标记的门静脉对于肝脏任意位置的分布情况:,。对于任意的肝脏位置,其所属标记的计算公式为:
对于被标记的门静脉而言,存在初始温度,相对的,其它位置的温度可以设置为0,而被标记的门静脉的初始温度由其血管半径决定,因此,初始温度的设定为:
对于不同标记的门静脉,肝脏单元的热传递系数可以认为是一致的,因此,可以将热传递系数设置为1,另外,在以不同的门静脉作为热源进行计算的时候,最好保证时间相等,因此,可以将设置为1,将上述计算公式离散化得到:
根据上述方法完成肝脏任意位置所属的计算后,可以对每个标记下的肝脏通过Marchingcube的方法生成相应的三维模型,每个标记对应一段,将所有标记的肝脏组织生成三维模型后,即完成了肝脏分段重建的过程。
本申请提供的一种肝脏分段方法,通过门静脉的半径以及门静脉在肝脏中的位置,基于热传递的原理求出不同门静脉的供血区域,求出的供血区域更符合实际解剖情况,有非常高的准确度。
同时,通过引入热传递方程柯西问题求解过程,使得求解区域符合热传递模型,保证求解区域的平滑性,并且,作为解析方法,无需进行迭代运算,可以并行高速的进行计算处理,提高了复杂血管肝脏分段的计算速度。
第二方面,参照图2,本申请还提供一种肝脏分段装置,包括:
获取模块210,用于获取各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置;
计算模块220,用于根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置确定各门静脉的供血区域;
分段模块230,用于根据供血区域对肝脏进行分段。
通过上述技术方案,本申请根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置来确定供血区域,根据供血区域来对肝脏进行分段,而不是简单的根据肝脏单元与门静脉的距离来进行分段,由于不同半径的门静脉的供血能力会有差别,即使是同一根门静脉,在不同的个体上,其半径以及在肝脏中的分布位置、走向也会存在区别,因此,本申请根据门静脉的半径以及其在肝脏中的位置来确定对应的供血区域,然后根据供血区域对肝脏进行分段,具有对不同个体的肝脏分段准确的有益效果。
在一些优选的实施例中,本申请提供的一种肝脏分段装置可以执行上述一种肝脏分段方法中的任意一项步骤。
第三方面,参照图3,本申请还提供一种电子设备,包括处理器310以及存储器320,存储器320存储有计算机可读取指令,当计算机可读取指令由处理器310执行时,运行如上方法中的步骤。
通过上述技术方案,处理器310和存储器320通过通信总线和/或其他形式的连接机构(未标出)互连并相互通讯,存储器320存储有处理器310可执行的计算机程序,当电子设备运行时,处理器310执行该计算机程序,以执行时执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法,以实现以下功能:获取各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置;根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置确定各门静脉的供血区域;根据供血区域对肝脏进行分段。
第四方面,本申请还提供一种存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,运行如上方法中的步骤。
通过上述技术方案,计算机程序被处理器执行时,执行上述实施例的任一可选的实现方式中的方法,以实现以下功能:获取各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置;根据各门静脉的半径以及各门静脉在肝脏中的位置确定各门静脉的供血区域;根据供血区域对肝脏进行分段。
其中,存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现,如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory, 简称SRAM),电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM),可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM),可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory, 简称PROM),只读存储器(Read-OnlyMemory, 简称ROM),磁存储器,快闪存储器,磁盘或光盘。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露装置和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
另外,作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者,在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分,也可以是各个模块单独存在,也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请的保护范围,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种肝脏分段方法,其特征在于,包括:
获取各门静脉的半径以及所述各门静脉在肝脏中的位置;
根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域;
根据所述供血区域对所述肝脏进行分段;
所述根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域的步骤包括:
根据所述各门静脉的半径设置初始温度;
根据所述各门静脉在所述肝脏中的位置,分别以所述各门静脉作为热源对应计算所述肝脏各个位置在任意时刻的传递温度;
根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度确定所述各门静脉的供血区域。
2.根据权利要求1所述的一种肝脏分段方法,其特征在于,所述根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度确定所述各门静脉的供血区域的步骤包括:
根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度获取在经过相同热传递时间后,所述各门静脉对所述肝脏任意同一位置的所述传递温度;
根据所述肝脏任意同一位置的所述传递温度得到最大传递温度;
将所述肝脏任意同一位置作为所述最大传递温度对应的所述门静脉的供血区域;
遍历计算所述肝脏的所有位置以确定所述各门静脉的供血区域。
6.根据权利要求1所述的一种肝脏分段方法,其特征在于,还包括:
获取CT数据;
根据所述CT数据以及对所述肝脏进行分段的分段结果进行三维重建,得到经过分段后的三维模型。
7.一种肝脏分段装置,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取各门静脉的半径以及所述各门静脉在肝脏中的位置;
计算模块,用于根据所述各门静脉的半径以及所述各门静脉在所述肝脏中的位置确定所述各门静脉的供血区域,具体包括:
根据所述各门静脉的半径设置初始温度;
根据所述各门静脉在所述肝脏中的位置,分别以所述各门静脉作为热源对应计算所述肝脏各个位置在任意时刻的传递温度;
根据所述肝脏各个位置在任意时刻的所述传递温度确定所述各门静脉的供血区域;
分段模块,用于根据所述供血区域对所述肝脏进行分段。
8.一种电子设备,其特征在于,包括处理器以及存储器,所述存储器存储有计算机可读取指令,当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时,运行如权利要求1-6任一项所述方法中的步骤。
9.一种存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时,运行如权利要求1-6任一项所述方法中的步骤。
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