CN115841873A - 一种消融模拟方法及系统 - Google Patents

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CN115841873A CN202211459908.XA CN202211459908A CN115841873A CN 115841873 A CN115841873 A CN 115841873A CN 202211459908 A CN202211459908 A CN 202211459908A CN 115841873 A CN115841873 A CN 115841873A
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Abstract

本发明提供一种消融模拟方法及系统，包括获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间；根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量‑消融半径曲线；获取待模拟病人目标消融位置三维模型；根据所述能量‑消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。通过上述方案解决了现有技术中对消融过程模拟过于复杂以及没有依据现实数据的技术问题。

Description

一种消融模拟方法及系统
技术领域
本发明涉及医学数据处理领域，具体而言涉及一种消融模拟方法及系统。
背景技术
消融是指通过物理或化学手段使肿瘤组织失活，利用射频消融技术治疗恶性肿瘤时通常是将不同形状的消融电极针插入到患者恶性肿瘤组织中，利用射频发生仪产生的交变电流使得组织内导电离子和极化分子沿射频电流方向做高速运动产生焦耳热，热能随时间增加逐渐向外传导给肿瘤细胞，利用肿瘤细胞对高温的承受能力较差的特点，完成对肿瘤细胞的原位灭活。
消融手术需要将消融针刺入患者的病变器官内，因此手术过程存在一定的危险性，为了能够提前进行手术模拟、教学等，目前已出现部分消融手术的模拟仿真技术，如王笑茹的“肝肿瘤射频消融温度场仿真技术研究综述”、 洪焦的“脑组织射频消融的有限元仿真与分析”等，但在上述现有技术中，消融过程均是通过消融病灶的温度场变化进行模拟的。一方面，上述方面的计算过程非常复杂，另一方面，上述方法完全基于理论，可能存在部分未考虑到的影响因素，模拟结果与真实的消融过程不符。
发明内容
为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种消融模拟方法及系统，采用计算机设备实时评估当前的消融效果，对消融的参数调节提供参考。
在本发明的一个方面，提供一种消融模拟方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤S01，获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间；步骤S02，根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线；步骤S03，获取待模拟病人目标消融位置三维模型；步骤S04，根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。
进一步地，通过图像识别算法识别所述消融手术病历中的术后图像中的阴影深度达到一定阈值的范围来确定所述消融半径。
进一步地，所述根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线包括：
消融针输入的能量为
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其中
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为消融针热效率，/>
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为消融针功率，/>
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为消融时间
当消融针功率各阶段的功率不同时输入的能量为
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其中
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为每阶段的功率，/>
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为每一阶段的时间；
对于半径为
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的消融半径，其吸收的热量为/>
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其中
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为消融位置的比热，/>
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为消融位置升高的温度
对于半径为
Figure 434165DEST_PATH_IMAGE008
的消融半径，其放出的热量为
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其中
Figure 234948DEST_PATH_IMAGE013
为散热系数，/>
Figure 913316DEST_PATH_IMAGE014
为中心温度与半径R处的温度差；
因此根据能量守恒原理可知
Figure 631874DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 945043DEST_PATH_IMAGE016
为消融半径为R的病灶的吸热比例
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的值近似不变，/>
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近似不变，/>
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近似不变，则有
Figure 435357DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure 384858DEST_PATH_IMAGE021
为待定系数；
根据所述步骤S01得到的消融半径、消融功率、消融时间的数据拟合出参数
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，得到的曲线/>
Figure 596714DEST_PATH_IMAGE023
为能量-消融半径曲线。
进一步地，所述根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括：在所述三维模型选择一个消融点，输入消融功率、消融时间，通过能量-消融半径曲线计算出消融半径的大小，根据所述消融半径在三维模型中绘制一个消融球。
进一步地，根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括: 修改消融功率、消融时间参数，三维模型中的消融球随着消融功率、消融时间参数的改变而改变。
本发明另一个方法还提供一种消融模拟系统，包括如下模块：获取模块，用于获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间；拟合模块，用于根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线；
建模模块，用于获取待模拟病人目标消融位置三维模型；模拟模块，用于根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。
进一步地，在所述获取模块中通过图像识别算法识别所述消融手术病历中的术后图像中的阴影深度达到一定阈值的范围来确定所述消融半径。
进一步地，根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线包括：
消融针输入的能量为
Figure 884476DEST_PATH_IMAGE024
其中
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为消融针热效率，/>
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为消融针功率，/>
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为消融时间/>
当消融针功率各阶段的功率不同时输入的能量为
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其中
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为每阶段的功率，/>
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为每一阶段的时间；
对于半径为
Figure 298905DEST_PATH_IMAGE031
的消融半径，其吸收的热量为
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其中
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为消融位置的比热，/>
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为消融位置升高的温度
对于半径为
Figure 75658DEST_PATH_IMAGE008
的消融半径，其放出的热量为
Figure 192518DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 91204DEST_PATH_IMAGE013
为散热系数，/>
Figure 660726DEST_PATH_IMAGE014
为中心温度与半径R处的温度差；
因此根据能量守恒原理可知
Figure 404691DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 641637DEST_PATH_IMAGE016
为消融半径为R的病灶的吸热比例
Figure 445645DEST_PATH_IMAGE017
的值近似不变，/>
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近似不变，/>
Figure 676217DEST_PATH_IMAGE019
近似不变，则有
Figure 643036DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure 742579DEST_PATH_IMAGE021
为待定系数；
根据所述获取模块得到的消融半径、消融功率、消融时间的数据拟合出参数
Figure 427639DEST_PATH_IMAGE022
，得到的曲线/>
Figure 638040DEST_PATH_IMAGE023
为能量-消融半径曲线。
进一步地，根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括：在所述三维模型选择一个消融点，输入消融功率、消融时间，通过能量-消融半径曲线计算出消融半径的大小，根据所述消融半径在三维模型中绘制一个消融球。
进一步地，根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括: 修改消融功率、消融时间参数，三维模型中的消融球随着消融功率、消融时间参数的改变而改变。
本发明通过上述技术方案，通过分析现有的消融病例获取真实的消融数据，通过真实的消融数据获取消融过程中消融目标随着消融功率、时间的变化，从而更接近真实地模拟出消融过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 本发明方法示意图；
图2 能量-消融半径曲线示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出优选的描述。
本实施例通过如下步骤解决上术问题:
在一个实施例中，参考图1，本发明提供一种消融模拟方法，包括如下步骤：
步骤S01，获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间。
消融手术时将消融针插入目标病灶，消融针开始工作之后，针尖的周围的温度开始上升，由于针尖处的温度上升导致针尖周围形成一个升温的圆球，在医学图像（超声、CT等）中呈现出为一个圆形，并且圆球内部温度高，越往外温度越低，在医学图像中通常呈现为一个由深至浅的阴影。
在现有医院中，由于存储空间的限制医院不会存储每一个消融过程（消融手术中的消融范围变化的实时影像视频）的全部过程数据，因此很难获得比较足量的消融全过程图像数据。但目前的医疗系统中有大量消融手术病历的记载，相关的病历记载中会记载消融手术使用的消融功率、消融时间，以及术后检查的医疗图像数据，医疗图像数据就包括了手术后产生的消融范围（消融手术的影响范围，通常是以温度升高至一预定值进行确定的）。
为了能够获得足量的数量进行模拟，并且使用足够多的病例以获得比较具有统计意义的数据；本发明首先获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间。其中消融半径可以通过计算程序读取病例库中的术后病灶影像数据来获得；本发明一方面可以通过计算机系统进行自动识别消融半径，如通过图像识别算法识别阴影深度达到一定阈值的范围，则该范围内的半径为消融手术半径。另外，还可以采用人工的方式进行勾画，如通过人工进行识别勾画出消融的范围，通过人工测量消融半径。同时还通过计算机程序读取病例文件中医生采用的消融功率、消融时间数据；消融功率、消融时间通常由医生手写或输入计算机系统，可以采用OCR或字符匹配等方式实现具体数据的提取。
由于不同病人的器官含水量、脂肪量等不同，因此消融的效果可能会不同，获取的历史消融手术病历为不同病人的数据，可以获得更为广泛的数据，以使得模拟更具有统计意义。获取的历史消融手术可采用数据库、表格等方式进行存储。示例性地，分别获取了不同病历中消融半径为2cm、2.2cm、2.5cm……的一系列数据以及对应的消融功率、消融时间。
步骤S02，根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线。
消融手术通过消融针在消融位置产生热量，以达到加热消融目标位置的目的，因此消融目标位置的温度为消融针产生的热量减去散热量的热量产生的温升。
消融针输入的能量为
Figure 459366DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure 493924DEST_PATH_IMAGE025
为消融针热效率，/>
Figure 400700DEST_PATH_IMAGE026
为消融针功率，/>
Figure 414793DEST_PATH_IMAGE027
为消融时间/>
很显然地，当消融针功率各阶段的功率不同时输入的能量为
Figure 215259DEST_PATH_IMAGE028
其中
Figure 797550DEST_PATH_IMAGE029
为每阶段的功率，/>
Figure 785097DEST_PATH_IMAGE030
为每一阶段的时间。
对于半径为
Figure 478247DEST_PATH_IMAGE031
的消融半径，其吸收的热量为
Figure 634684DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 246931DEST_PATH_IMAGE010
为消融位置的比热，/>
Figure 987354DEST_PATH_IMAGE011
为消融位置升高的温度
对于半径为
Figure 218615DEST_PATH_IMAGE008
的消融半径，其放出的热量为
Figure 993673DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 917766DEST_PATH_IMAGE013
为散热系数，/>
Figure 921319DEST_PATH_IMAGE014
为中心温度与半径R处的温度差；
因此根据能量守恒原理可知
Figure 690691DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 320256DEST_PATH_IMAGE016
为消融半径为R的病灶的吸热比例
Figure 415251DEST_PATH_IMAGE017
的值近似不变，/>
Figure 395845DEST_PATH_IMAGE018
近似不变，/>
Figure 968909DEST_PATH_IMAGE019
近似不变，则有
Figure 718559DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure 984455DEST_PATH_IMAGE021
为待定系数。
其中
Figure 422652DEST_PATH_IMAGE032
为功率与时间的乘积，本发明称之为能量。
在前述步骤中获取了大量的消融半径R以及其对应的消融功率P、消融时间T的数据，因此通过
Figure 189620DEST_PATH_IMAGE020
可以拟合出参数/>
Figure 669143DEST_PATH_IMAGE022
，本发明称拟合出的曲线为能量-消融半径曲线，如图2所示。
进一步，由于数据可能存在错误或明显的误差，因此在进行拟合前去除离群数据。
在获取能量-消融半径曲线后，可以输入任意的消融功率、消融时间求得消融半径R。
步骤S03，获取待模拟病人目标消融位置三维模型。
进行消融模拟是为了模拟使用一定的消融参数在病人体内进行消融手术时对人体产生的影响，在手术前观察消融球的大小，以便提前预判消融效果以及消融风险（消融球过小可能达不到手术效果，消融球过大可能影响正常器官或血管）。
目标消融位置可以是人体的一个器官对应的部位，如目前消融手术应用比较多的器官有甲状腺、肝等，手术过程中需要通过颈部、腹部刺入消融针，因此目标位置可以是包括了目标器官的颈部、腹部等位置。
对手术目标位置进行三维建模可以使用现有技术中的任意方法，如CT扫描三维重建、MRI三维重建等，通过现有的三维建模软件得到相应的三维数字图像，三维数字图像可以显示于显示器上以供医务人员查看。
步骤S04，根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。
在前述步骤中求得了能量-消融半径曲线，因此可以可以输入不同消融功率、消融时间以求得消融球的大小。
在所述三维模型选择一个消融点（消融针的插入点，也就是消融球的球心），消融点的位置可以通医生手动选择，也可以通过计算机程序自动选择；输入消融功率、消融时间，通过能量-消融半径曲线计算出消融半径的大小，根据所述消融半径在三维模型中绘制一个消融球；医生可以通过消融球直观地观察消融范围是否完整地覆盖病灶，观察消融球是否会影响到周围的正常人体组织。
进一步地，医生可以修改消融功率、消融时间参数，三维模型中的消融球随着消融功率、消融时间参数的改变而改变，从而直观地查看消融范围的变化，以便医生选择最佳的手术参数。
在另一种实施方式中，本发明还公开了一种消融模拟系统，包括如下模块：
获取模块，用于获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间；
拟合模块，用于根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线；
建模模块，用于获取待模拟病人目标消融位置三维模型；
模拟模块，用于根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。
需要说明的是上述消融模拟系统的详细实现原理以及进一步的改进措施都与前述的消融模拟方法相同，本实施例中不再进行详细描述，本领域技术人员可以根据现有技术消融模拟方法在消融模拟系统中进行具体实现。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分以及具体实施例部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。

Claims (10)

1.一种消融模拟方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤S01，获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间；
步骤S02，根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线；
步骤S03，获取待模拟病人目标消融位置三维模型；
步骤S04，根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。
2.根据权利要求1所述的消融模拟方法，其特征在于：通过图像识别算法识别所述消融手术病历中的术后图像中的阴影深度达到一定阈值的范围来确定所述消融半径。
3.根据权利要求1所述的消融模拟方法，其特征在于所述根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线包括：
消融针输入的能量为
Figure 100893DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 879493DEST_PATH_IMAGE002
为消融针热效率，
Figure 42228DEST_PATH_IMAGE003
为消融针功率，
Figure 423530DEST_PATH_IMAGE004
为消融时间
当消融针功率各阶段的功率不同时输入的能量为
Figure 732152DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 540708DEST_PATH_IMAGE006
为每阶段的功率，
Figure 567570DEST_PATH_IMAGE007
为每一阶段的时间；
对于半径为
Figure 752563DEST_PATH_IMAGE008
的消融半径，其吸收的热量为
Figure 915692DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 927772DEST_PATH_IMAGE010
为消融位置的比热，
Figure 35405DEST_PATH_IMAGE011
为消融位置升高的温度
对于半径为
Figure 899456DEST_PATH_IMAGE012
的消融半径，其放出的热量为
Figure 307304DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 598608DEST_PATH_IMAGE014
为散热系数，
Figure 459117DEST_PATH_IMAGE015
为中心温度与半径R处的温度差；
因此根据能量守恒原理可知
Figure 126858DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 887747DEST_PATH_IMAGE017
为消融半径为R的病灶的吸热比例
Figure 84374DEST_PATH_IMAGE018
的值近似不变，
Figure 697758DEST_PATH_IMAGE019
近似不变，
Figure 638032DEST_PATH_IMAGE020
近似不变，则有
Figure 754892DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure 653578DEST_PATH_IMAGE022
为待定系数；
根据所述步骤S01得到的消融半径、消融功率、消融时间的数据拟合出参数
Figure 488679DEST_PATH_IMAGE023
，得到的曲线
Figure 232644DEST_PATH_IMAGE024
为能量-消融半径曲线。
4.根据权利要求1所述的消融模拟方法，其特征在于所述根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括：在所述三维模型选择一个消融点，输入消融功率、消融时间，通过能量-消融半径曲线计算出消融半径的大小，根据所述消融半径在三维模型中绘制一个消融球。
5.根据权利要求4所述的消融模拟方法，其特征在于所述根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括: 修改消融功率、消融时间参数，三维模型中的消融球随着消融功率、消融时间参数的改变而改变。
6.一种消融模拟系统，其特征在于所述系统包括如下模块：
获取模块，用于获取历史消融手术病历中的消融半径、消融功率、消融时间；
拟合模块，用于根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线；
建模模块，用于获取待模拟病人目标消融位置三维模型；
模拟模块，用于根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化。
7.根据权利要求6所述的消融模拟系统，其特征在于：在所述获取模块中通过图像识别算法识别所述消融手术病历中的术后图像中的阴影深度达到一定阈值的范围来确定所述消融半径。
8.根据权利要求6所述的消融模拟系统，其特征在于所述根据所述消融半径、消融功率、消融时间数据拟合成能量-消融半径曲线包括：
消融针输入的能量为
Figure 971055DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 775063DEST_PATH_IMAGE026
为消融针热效率，
Figure 97460DEST_PATH_IMAGE027
为消融针功率，
Figure 645116DEST_PATH_IMAGE028
为消融时间
当消融针功率各阶段的功率不同时输入的能量为
Figure 736569DEST_PATH_IMAGE029
其中
Figure 977057DEST_PATH_IMAGE030
为每阶段的功率，
Figure 255592DEST_PATH_IMAGE031
为每一阶段的时间；
对于半径为
Figure 872518DEST_PATH_IMAGE008
的消融半径，其吸收的热量为
Figure 51433DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 587457DEST_PATH_IMAGE010
为消融位置的比热，
Figure 494233DEST_PATH_IMAGE011
为消融位置升高的温度
对于半径为
Figure 508325DEST_PATH_IMAGE012
的消融半径，其放出的热量为
Figure 449737DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 156661DEST_PATH_IMAGE014
为散热系数，
Figure 285154DEST_PATH_IMAGE015
为中心温度与半径R处的温度差；
因此根据能量守恒原理可知
Figure 338823DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 728216DEST_PATH_IMAGE017
为消融半径为R的病灶的吸热比例
Figure 340463DEST_PATH_IMAGE018
的值近似不变，
Figure 221832DEST_PATH_IMAGE019
近似不变，
Figure 577727DEST_PATH_IMAGE020
近似不变，则有
Figure 228151DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure 521553DEST_PATH_IMAGE022
为待定系数；
根据所述获取模块得到的消融半径、消融功率、消融时间的数据拟合出参数
Figure 890217DEST_PATH_IMAGE023
，得到的曲线
Figure 49803DEST_PATH_IMAGE024
为能量-消融半径曲线。
9.根据权利要求6所述的消融模拟系统，其特征在于所述根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括：在所述三维模型选择一个消融点，输入消融功率、消融时间，通过能量-消融半径曲线计算出消融半径的大小，根据所述消融半径在三维模型中绘制一个消融球。
10.根据权利要求9所述的消融模拟系统，其特征在于所述根据所述能量-消融半径曲线，在所述三维模型中模拟消融手术过程中使用不同消融功率、消融时间进行消融时消融范围的变化包括: 修改消融功率、消融时间参数，三维模型中的消融球随着消融功率、消融时间参数的改变而改变。
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