CN115944386A - 一种冷冻消融计划评估方法及系统 - Google Patents
一种冷冻消融计划评估方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及冷冻消融技术领域，提供了一种冷冻消融计划评估方法，包括以下步骤：S1：获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；S2：基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；S3：基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。与现有导航软件路径规划相比，引入了温度场分布计算和基于温度场分布计算结果进行定量分析，能够对规划好的穿刺路径及治疗参数进行实际治疗过程的温度场数值模拟，以及温度场数值模拟结果的评估。可以在治疗前就知道当前治疗方案的效果。
Description
技术领域
本发明涉及冷冻消融的技术领域，尤其涉及一种冷冻消融计划评估方法及系统。
背景技术
冷冻消融(Cryoab l at ion)是指通过低温技术冷冻病变组织从而达到原位灭活实体组织的方法，作用原理是利用低温使病变组织快速降温来破坏细胞，引起细胞坏死或凋零，从而达到治疗目的。由于冷冻消融采用能量交换的物理方法来实现治疗目的，其对人体的创伤及副作用远低于常规的放疗和化疗。
冷冻治疗技术的发展大致经历了以下几个阶段：
液氮冷冻消融治疗：液氮冷冻治疗设备是一种可调节温度的液氮冷冻治疗设备，利用带有真空外层保护的同心套管，将液氮输送至探针尖端，使其温度保持在约-196℃，从而对治疗部位的组织进行冷冻治疗。
影像引导冷冻消融治疗：随着影像设备的发展，CT、超声等影像设备监控技术被融合到冷冻治疗的临床应用中。影像引导冷冻消融治疗技术在冷冻治疗过程中可对冰球位置和大小进行监测，可有效减少对正常组织的损伤，促进了冷冻消融技术的快速发展。第二代冷冻治疗技术随着超声成像等影像技术的成熟发展迅速，开启了微创冷冻消融的新时代。
氩氮低温冷冻消融治疗：随着冷冻技术的发展，利用焦耳-汤姆逊节流制冷原理研制了一种新型冷冻治疗设备，该设备采用氩气节流制冷和氮气节流加热复温，实现快速冷冻治疗和复温拔针。后来又出现了超低温冷冻和高强度复温复合式治疗模式和技术解决方案。
目前，临床上几乎所有消融手术在穿刺过程中都会用到CT图像导航或超声影像监测，大部分手术也会用导航软件进行术前规划，但术前规划只是对穿刺靶点的定义，关键组织器官的分割，以及对穿刺路径选择，包括评估该路径穿刺距离，路径周边是否有重要器官或组织，风险是否较高等。但这些考量都仅限于对穿刺路径的几何规划，并没有实现真正意义冷冻消融计划，由于缺少对治疗过程的模拟及对模拟结果的评估，制定的计划无法保证最佳的治疗效果。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种冷冻消融计划评估方法及系统，在原有穿刺路径几何规划的基础上，引入温度场计算功能及定量化评估方法，可以对设计好的穿刺路径及治疗参数进行实际治疗过程的数值模拟，并对得到的温度场温度模拟结果进行定量的温度体积直方图(TVH)评估，可以在实际治疗前就知道当前治疗方案的效果，从而减少由于计划的不确定性带来的副作用，降低手术风险。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种冷冻消融计划评估方法，包括以下步骤：
S1：获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；
S2：基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；
S3：基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。
进一步地，在步骤S1中，在获取预先设计的所述穿刺路径和所述治疗参数之前，还包括：
导入患者影像数据；
基于所述患者影像数据进行包括所述靶区和所述组织器官的勾画和可视化；
基于勾画后的所述患者影像数据设计所述穿刺路径，并设计包括消融针型号、冷冻时间在内的所述治疗参数；
对所述穿刺路径和消融针进行二维或三维的可视化显示。
进一步地，步骤S2，基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的所述靶区以及所述靶区周围的所述组织器官进行所述温度场分布的计算，具体为：
采用包括Comso l多物理场仿真软件在内的方式计算所述靶区和所述组织器官每一点的温度值；
将所述治疗参数、包括所述靶区和所述组织器官在内的热传导介质的物理信息和几何信息输入所述Comso l多物理场仿真软件，经过所述Comso l多物理场仿真软件的计算输出所述热传导介质几何空间内任意一点的温度值，其中所述物理信息为所述热传导介质的热传导系数及比热，所述几何信息为所述热传导介质的几何形状。
进一步地，步骤S3，基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估，具体为：
采用温度体积直方图TVH对所述温度场分布的计算结果进行定量分析，所述温度体积直方图TVH包括积分模式和微分模式；
所述积分模式定义为感兴趣区域内低于当前温度的体积与所述感兴趣区域总体积的比值，所述微分模式定义为所述感兴趣区域内在相同温度差区间内的体积与所述感兴趣区域总体积的比值，其中，所述感兴趣区域指包括所述靶区和所述组织器官在内的需要统计的区域。
进一步地，所述积分模式，具体为：
其中，I代表积分，i，j，k代表体素v的下标，所述体素为所述靶区或所述组织器官中的一个离散的具有一固定体积的三维点，下标对应所述体素的三维坐标的整数标识，t代表所述体素v的温度，tmin代表最低温度值，T代表温度阈值；
对于所述积分模式TVH，所述靶区计算出的所述积分模式的比值越高，所述靶区的控制率越高，所述组织器官计算出的所述积分模式的比值越低，所述组织器官的损伤度越低。
进一步地，所述微分模式，具体为：
所述微分模式TVH，具体为：
其中，D代表微分，i，j，k代表所述体素v的下标，所述体素为所述靶区或所述组织器官中的一个离散的具有一固定体积的三维点，下标对应所述体素的三维坐标的整数标识，t代表所述体素v的温度，T1，T2代表温度阈值；
对于所述微分模式TVH，所述靶区计算出的所述微分模式在低温区间的比值越高，所述靶区的控制率越高，所述组织器官计算出的所述微分模式在低温区间的比值越低，所述组织器官的损伤度越低。
进一步地，本发明的冷冻消融计划评估方法，还包括：当步骤S3中的所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度评估结果不理想时，重新设计所述穿刺路径和所述治疗参数；跳转步骤S1对所述穿刺路径和所述治疗参数进行评估。
一种用于执行如上述的冷冻消融计划评估方法的冷冻消融计划评估系统，包括：
计划获取模块，用于获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；
温度场分布计算模块，用于基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；
温度场分布分析模块，用于基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。
一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有计算机代码，所述计算机代码被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述的方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如上述的方法被执行。
与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益效果是：
(1)通过提供一种冷冻消融计划评估方法，包括以下步骤：S1：获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；S2：基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；S3：基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。上述技术方案，与现有导航软件路径规划相比，引入了温度场分布计算和基于温度场分布计算结果进行定量分析，能够对规划好的穿刺路径及治疗参数进行实际治疗过程的温度场数值模拟，以及温度场数值模拟结果的评估。可以在治疗前就知道当前治疗方案的效果。
(2)为临床上标准化冷冻消融治疗处方奠定技术基础，临床意义重大。同时也会减少由于计划的不确定性带来的副作用，降低手术风险。
附图说明
图1为本发明冷冻消融计划评估方法的整体流程图；
图2为本发明积分模块TVH示意图；
图3为本发明微分模块TVH示意图；
图4为本发明冷冻消融计划评估系统的整体结构图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
目前，临床上几乎所有消融手术在穿刺过程中都会用到CT图像导航或超声影像监测，大部分手术也会用导航软件进行术前规划，但术前规划只是对穿刺靶点的定义，关键组织器官的分割，以及对穿刺路径选择，包括评估该路径穿刺距离，路径周边是否有重要器官或组织，风险是否较高等。但这些考量都仅限于对穿刺路径的几何规划，并没有实现真正意义冷冻消融计划，由于缺少对治疗过程的模拟及对模拟结果的评估，制定的计划无法保证最佳的治疗效果。
本发明提供了一种冷冻消融计划评估方法及系统，在原有穿刺路径几何规划的基础上，引入温度场计算功能及定量化评估方法，可以对设计好的穿刺路径及治疗参数进行实际治疗过程的数值模拟，并对得到的温度场温度模拟结果进行定量的温度体积直方图(TVH)评估，可以在实际治疗前就知道当前治疗方案的效果，从而减少由于计划的不确定性带来的副作用，降低手术风险。
以下通过具体实施方式进行说明：
第一实施例
如图1所示，本实施例提供了一种冷冻消融计划评估方法，包括以下步骤：
S1：获取预先设计的穿刺路径和治疗参数。
具体的，本发明针对预先设计好的穿刺路径和设定的治疗参数进行温度场分布的模拟。对预先设计的穿刺路径和治疗参数的靶区控制率和组织器官损失度进行模拟，评估当前设定的穿刺路径的治疗效果。
对于预先设计穿刺路径和治疗参数，包括步骤：
(1)患者影像数据的导入及本地化管理
患者影像数据的导入是指通过本地D i com文件目录及D i com网络传输两种方式导入患者D i com影像数据。患者数据本地化管理是指计划数据的载入、保存、列表显示、列表检索。
(2)靶区及组织器官勾画及可视化
基于所述患者影像数据进行包括所述靶区和所述组织器官的勾画和可视化。靶区是指肝肿瘤、肺结节等需要冷冻消融的区域，组织器官是指靶区附近的血管、肾脏等，勾画是指在影像数据上把靶区及靶区附近的组织器官勾画出来并进行标识显示，可视化是指对患者身体及勾画出来的靶区组织器官进行二维及三维的可视化。
其中，对靶区和组织器官的自动勾画，在本实施例中采用了人工智能语义分割技术，具体采用了Unet++神经网络，通过数据标注，模型训练，模型部署及推理，分割出目标区域，实现人体靶区和组织器官的自动勾画。
(3)穿刺路径和治疗参数计划设计
计划是指穿刺及治疗计划的设计。基于勾画后的所述患者影像数据设计所述穿刺路径，并设计及编辑包括消融针型号、冷冻时间在内的所述治疗参数；对所述穿刺路径和消融针进行二维或三维的可视化显示。
S2：基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算，具体为：
采用包括Comso l多物理场仿真软件在内的方式计算所述靶区和所述组织器官每一点的温度值；将所述治疗参数、包括所述靶区和所述组织器官在内的热传导介质的物理信息和几何信息输入所述Comso l多物理场仿真软件，经过所述Comso l多物理场仿真软件的计算输出所述热传导介质几何空间内任意一点的温度值，其中所述物理信息为所述热传导介质的热传导系数及比热，所述几何信息为所述热传导介质的几何形状。
S3：基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。
具体的，温度场计算得到人体内靶区及附近组织器官区域内温度分布之后，还需要通过一些统计上的定量分析对靶区的控制率及组织器官的损伤程度进行评估，靶区的控制率是指当前治疗方案产生的温度场对肿瘤杀伤程度。本发明基于温度场计算结果利用软件提供的工具进行计划评估，确定指定的治疗计划是否满足要求。这些评估工具包括温度场在图像上的显示，温度体积直方图TVH(Temperature Vo l ume H i stogram)分析等。
采用温度体积直方图TVH对所述温度场分布的计算结果进行定量分析，所述温度体积直方图TVH包括积分模式和微分模式；所述积分模式定义为感兴趣区域内低于当前温度的体积与所述感兴趣区域总体积的比值，所述微分模式定义为所述感兴趣区域内在相同温度差区间内的体积与所述感兴趣区域总体积的比值，其中，所述感兴趣区域指包括所述靶区和所述组织器官在内的需要统计的区域。
如图2所示，为积分模块TVH示意图。所述积分模式TVH计算公式为：
其中，I代表积分，i，j，k代表体素v的下标，所述体素为所述靶区或所述组织器官中的一个离散的具有一固定体积的三维点，下标对应所述体素的三维坐标的整数标识，t代表所述体素v的温度，tmin代表最低温度值，T代表温度阈值；
对于所述积分模式TVH，所述靶区计算出的所述积分模式的比值越高，所述靶区的控制率越高，所述组织器官计算出的所述积分模式的比值越低，所述组织器官的损伤度越低。
如图3所示，为微分模块TVH示意图。所述微分模式TVH计算公式为：
其中，D代表微分，i，j，k代表所述体素v的下标，所述体素为所述靶区或所述组织器官中的一个离散的具有一固定体积的三维点，下标对应所述体素的三维坐标的整数标识，t代表所述体素v的温度，T1，T2代表温度阈值；
对于所述微分模式TVH，所述靶区计算出的所述微分模式在低温区间的比值越高，所述靶区的控制率越高，所述组织器官计算出的所述微分模式在低温区间的比值越低，所述组织器官的损伤度越低。
进一步地，本实施例还包括：当步骤S3中的所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度评估结果不理想时，重新设计所述穿刺路径和所述治疗参数；跳转步骤S1对所述穿刺路径和所述治疗参数进行评估。直至设计的治疗方案满足对靶区控制率最好，组织器官损失度最小为止。
此外，本实施例还包括将指定的计划及治疗的相关参数、TVH评估结果以纸质打印报告或计划文件的形式进行输出。并可以对计划数据通过本地硬盘备份或刻录到光盘的形式进行备份，当需要进行数据恢复时，将这些备份数据重新恢复到系统中。
第二实施例
如图4所示，本实施例提供了一种用于执行如第一实施例中的冷冻消融计划评估方法的冷冻消融计划评估系统，包括：
计划获取模块1，用于获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；
温度场分布计算模块2，用于基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；
温度场分布分析模块3，用于基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机代码，当计算机代码被执行时，如上述方法被执行。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read On l y Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种冷冻消融计划评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；
S2：基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；
S3：基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。
2.根据权利要求1所述的冷冻消融计划评估方法，其特征在于，在步骤S1中，在获取预先设计的所述穿刺路径和所述治疗参数之前，还包括：
导入患者影像数据；
基于所述患者影像数据进行包括所述靶区和所述组织器官的勾画和可视化；
基于勾画后的所述患者影像数据设计所述穿刺路径，并设计包括消融针型号、冷冻时间在内的所述治疗参数；
对所述穿刺路径和消融针进行二维或三维的可视化显示。
3.根据权利要求1所述的冷冻消融计划评估方法，其特征在于，步骤S2，基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的所述靶区以及所述靶区周围的所述组织器官进行所述温度场分布的计算，具体为：
采用包括Comsol多物理场仿真软件在内的方式计算所述靶区和所述组织器官每一点的温度值；
将所述治疗参数、包括所述靶区和所述组织器官在内的热传导介质的物理信息和几何信息输入所述Comsol多物理场仿真软件，经过所述Comsol多物理场仿真软件的计算输出所述热传导介质几何空间内任意一点的温度值，其中所述物理信息为所述热传导介质的热传导系数及比热，所述几何信息为所述热传导介质的几何形状。
4.根据权利要求1所述的冷冻消融计划评估方法，其特征在于，步骤S3，基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估，具体为：
采用温度体积直方图TVH对所述温度场分布的计算结果进行定量分析，所述温度体积直方图TVH包括积分模式和微分模式；
所述积分模式定义为感兴趣区域内低于当前温度的体积与所述感兴趣区域总体积的比值，所述微分模式定义为所述感兴趣区域内在相同温度差区间内的体积与所述感兴趣区域总体积的比值，其中，所述感兴趣区域指包括所述靶区和所述组织器官在内的需要统计的区域。
5.根据权利要求4所述的冷冻消融计划评估方法，其特征在于，所述积分模式，具体为：
所述积分模式TVH
其中，I代表积分，i，j，k代表体素v的下标，所述体素为所述靶区或所述组织器官中的一个离散的具有一固定体积的三维点，下标对应所述体素的三维坐标的整数标识，t代表所述体素v的温度，tmin代表最低温度值，T代表温度阈值；
对于所述积分模式TVH，所述靶区计算出的所述积分模式的比值越高，所述靶区的控制率越高，所述组织器官计算出的所述积分模式的比值越低，所述组织器官的损伤度越低。
6.根据权利要求4所述的冷冻消融计划评估方法，其特征在于，所述微分模式，具体为：
所述微分模式TVH，具体为：
其中，D代表微分，i，j，k代表所述体素v的下标，所述体素为所述靶区或所述组织器官中的一个离散的具有一固定体积的三维点，下标对应所述体素的三维坐标的整数标识，t代表所述体素v的温度，T1，T2代表温度阈值；
对于所述微分模式TVH，所述靶区计算出的所述微分模式在低温区间的比值越高，所述靶区的控制率越高，所述组织器官计算出的所述微分模式在低温区间的比值越低，所述组织器官的损伤度越低。
7.根据权利要求1所述的冷冻消融计划评估方法，其特征在于，还包括：
当步骤S3中的所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度评估结果不理想时，重新设计所述穿刺路径和所述治疗参数；
跳转步骤S1对所述穿刺路径和所述治疗参数进行评估。
8.一种用于执行如权利要求1-7所述的冷冻消融计划评估方法的冷冻消融计划评估系统，其特征在于，包括：
计划获取模块，用于获取预先设计的穿刺路径和治疗参数；
温度场分布计算模块，用于基于所述穿刺路径和所述治疗参数对需要进行冷冻消融的靶区以及所述靶区周围的组织器官进行温度场分布的计算；
温度场分布分析模块，用于基于所述温度场分布的计算结果进行定量分析，对所述靶区的控制率以及所述组织器官的损伤度进行评估。
9.一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有计算机代码，所述计算机代码被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如权利要求1至7中任一项所述的方法被执行。
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