CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法技术

本发明专利技术公开了CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法。首先在肝癌患者CT图像上分割提取皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构并进行三维体绘制重构，量化腹腔关键解剖结构和肝肿瘤靶点的灰度图，计算备选穿刺路径与肝包膜的夹角；在患者CT图像的三维包围盒表面构建满足穿刺路径规避腹腔关键解剖结构、穿刺路径深度和穿刺路径角度约束条件下的灰度约束图；按照临床强约束条件，在灰度约束图上由阈值筛选出可行进针区域；按照临床弱约束条件，在可行进针区域内，将灰度约束图的灰度值进行归一化，获取加权结果和其对应的灰度约束图空间坐标；联合加权结果和肝肿瘤靶点的空间坐标获得穿刺路径。本发明专利技术具有全自动、算法复杂度低、规划精度高的特点。

CT-guided thermal ablation of liver tumors for puncture path planning

【技术实现步骤摘要】
CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法
本专利技术属于图像处理领域，特别涉及一种基于计算机辅助的CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法。
技术介绍
肝癌是我国常见的恶性肿瘤之一，发病率居第五位，病死率高居第三位。肝肿瘤热消融治疗(包括射频消融和微波消融等)已成为继手术切除、肝移植后的第三大根治性手段。它是在医学影像引导下，将消融针(射频电极/微波天线)插入肿瘤内作为热源，将肿瘤组织加热到较高温度，使肿瘤原位凝固性坏死。基于医学影像的消融针穿刺路径规划是肝肿瘤热消融治疗的契机，直接决定治疗的成败。目前临床上穿刺路径规划还依赖于医师的经验，尤其当穿刺路径与患者CT(ComputedTomography,计算机断层扫描成像)横截面的夹角较大时，紧靠人为臆断的路径规划耗时耗力，且规划精度难以满足临床需求。因此，基于计算机辅助规划系统进行穿刺路径规划能够弥补现有手工规划过程中存在的自动化、实时性和精度欠缺的不足。本专利技术旨在提出一种基于计算机辅助的CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，主要内容包括：(1)基于患者腹部CT图像对皮肤、肝脏、肝肿瘤和腹腔关键解剖结构进行三维自动分割和可视化重构；(2)基于多项临床强约束条件，在患者腹部CT图像的包围盒上筛选可行穿刺(进针)区域；(3)基于多项临床弱约束条件，在可行进针区域内规划最佳穿刺路径。方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构。(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度。(3)穿刺路径应至少介入肝脏实质一定深度(方法中该深度优选为5mm)。(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于一定角度(方法中该角度优选为20°)。方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远。(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅。(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直。方法能够基于计算机辅助规划系统自动并实时性的规划热消融治疗所需的穿刺路径，且规划的精度满足临床需求。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有临床技术的缺点和不足，提出一种基于计算机辅助的CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，包括以下关键步骤：1.CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，包括以下步骤：1.1.基于患者扫描的CT序列图像，利用图像分割算法提取患者皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构，腹腔关键解剖结构包括大血管、骨骼、肺、胃、肾、脾、胆囊，并对上述关键解剖结构进行三维重构，得到重构场景图像ISence；1.2.依据临床强约束条件，量化穿刺路径规划过程中所需的参数；参数包括肿瘤靶点的空间坐标，备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离信息和备选穿刺路径的穿刺深度信息；方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度；(3)穿刺路径应至少介入肝脏5mm；(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；1.3.构建包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；1.4.构建包含穿刺路径穿刺深度信息的灰度约束图ILength-const；1.5.构建包含备选穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；1.6.根据临床强约束条件，在灰度约束图上筛选可行进针区域；1.7.根据临床弱约束条件，在可行进针区域内优选最佳的穿刺路径；方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远；(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅；(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直；2.上述步骤1.2具体包括如下步骤：2.1.计算肿瘤质心的空间坐标，作为穿刺靶点；2.2.考虑穿刺路径应至少介入肝脏5mm这项强约束条件，需在场景ISence中附加标注不满足这项约束的备选进针区域；首先对分割所得的肝肿瘤图像ITumor进行三维膨胀运算，得到图像ITumor-dilate，再与分割所得的肝脏图像ILiver进行比较，ITumor-dilate超出ILiver轮廓的区域视作不可行进针区域INo-fly，最后将INo-fly的三维重构结果补充在场景ISence当中；2.3.量化备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离；首先对ISence图像进行欧式距离映射DTF，即求取图像中每一体素到腹腔关键解剖结构的欧几里得距离；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径相对于腹腔关键解剖结构的欧式距离映射灰度图IRisk-DTF；最后对IRisk-DTF执行最小密度投影MinIP体绘制，得到包含备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的三维体绘制结果IRisk-MinIP；2.4.量化备选穿刺路径的穿刺深度；首先在分割所得的患者皮肤图像ISkin内，基于肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)进行欧式距离映射，即求取图像ISkin掩模内每一体素到肿瘤靶点的欧几里得距离；其中tx、ty、tz分别表示肿瘤靶点的三维坐标；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径的穿刺深度灰度图ILength-DTF；再对ILength-DTF执行最大密度投影MIP体绘制，得到反映备选穿刺路径穿刺深度信息的三维体绘制结果ILength-MIP；3.上述步骤1.3具体包括如下步骤：3.1.构造患者CT图像的包围盒IBound，并对构成IBound的每一面赋以不同颜色以示区分；不同颜色为彩色不含黑色和白色；3.2.自适应计算立方体映射所需的视角参数；以肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)为映射中心，分别沿x轴、y轴和z轴的正负方向计算能够容纳IBound对应表面所需的最小视角；3.3.基于IRisk-MinIP和IBound分别进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对IRisk-MinIP和IBound分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角由步骤3.2自适应获取；如此，在6个方向上获得了基于IRisk-MinIP的二维透视投影I'Risk-proj和基于IBound的二维透视投影IBound-proj；3.4.按IBound-proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Risk-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Risk-proj的校正结果IRisk-proj；3.5.按IBound6个方向表面的实际尺寸，分别对IRisk-proj进行插值运算，得到结果IRisk-inter；3.6.将6个方向的插值运算结果IRisk-inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将IRisk-inter的灰度值一一赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；4.上述步骤1.4具体包括如下步骤：4.1.基于ILength-MIP进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对ILength-MIP分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角沿用步骤3.2的自适应计算结果；如此，在6个方向上获得了基于ILength-MIP的二维透视投影I'Length-proj；4.2.按IBound-Proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1.1.基于患者扫描的CT序列图像，利用图像分割算法提取患者皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构，腹腔关键解剖结构包括大血管、骨骼、肺、胃、肾、脾、胆囊，并对上述关键解剖结构进行三维重构，得到重构场景图像ISence；1.2.依据临床强约束条件，量化穿刺路径规划过程中所需的参数；参数包括肿瘤靶点的空间坐标，备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离信息和备选穿刺路径的穿刺深度信息；方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度；(3)穿刺路径应至少介入肝脏5mm；(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；1.3.构建包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk‑const；1.4.构建包含穿刺路径穿刺深度信息的灰度约束图ILength‑const；1.5.构建包含备选穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle‑const；1.6.根据临床强约束条件，在灰度约束图上筛选可行进针区域；1.7.根据临床弱约束条件，在可行进针区域内优选最佳的穿刺路径；方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远；(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅；(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直。...

【技术特征摘要】
1.CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1.1.基于患者扫描的CT序列图像，利用图像分割算法提取患者皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构，腹腔关键解剖结构包括大血管、骨骼、肺、胃、肾、脾、胆囊，并对上述关键解剖结构进行三维重构，得到重构场景图像ISence；1.2.依据临床强约束条件，量化穿刺路径规划过程中所需的参数；参数包括肿瘤靶点的空间坐标，备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离信息和备选穿刺路径的穿刺深度信息；方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度；(3)穿刺路径应至少介入肝脏5mm；(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；1.3.构建包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；1.4.构建包含穿刺路径穿刺深度信息的灰度约束图ILength-const；1.5.构建包含备选穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；1.6.根据临床强约束条件，在灰度约束图上筛选可行进针区域；1.7.根据临床弱约束条件，在可行进针区域内优选最佳的穿刺路径；方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远；(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅；(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.2具体包括如下步骤：2.1.计算肿瘤质心的空间坐标，作为穿刺靶点；2.2.考虑穿刺路径应至少介入肝脏5mm这项强约束条件，需在场景ISence中附加标注不满足这项约束的备选进针区域；首先对分割所得的肝肿瘤图像ITumor进行三维膨胀运算，得到图像ITumor-dilate，再与分割所得的肝脏图像ILiver进行比较，ITumor-dilate超出ILiver轮廓的区域视作不可行进针区域INo-fly，最后将INo-fly的三维重构结果补充在场景ISence当中；2.3.量化备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离；首先对ISence图像进行欧式距离映射DTF，即求取图像中每一体素到腹腔关键解剖结构的欧几里得距离；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径相对于腹腔关键解剖结构的欧式距离映射灰度图IRisk-DTF；最后对IRisk-DTF执行最小密度投影MinIP体绘制，得到包含备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的三维体绘制结果IRisk-MinIP；2.4.量化备选穿刺路径的穿刺深度；首先在分割所得的患者皮肤图像ISkin内，基于肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)进行欧式距离映射，即求取图像ISkin掩模内每一体素到肿瘤靶点的欧几里得距离；其中tx、ty、tz分别表示肿瘤靶点的三维坐标；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径的穿刺深度灰度图ILength-DTF；再对ILength-DTF执行最大密度投影MIP体绘制，得到反映备选穿刺路径穿刺深度信息的三维体绘制结果ILength-MIP。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.3具体包括如下步骤：3.1.构造患者CT图像的包围盒IBound，并对构成IBound的每一面赋以不同颜色以示区分；不同颜色为彩色不含黑色和白色；3.2.自适应计算立方体映射所需的视角参数；以肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)为映射中心，分别沿x轴、y轴和z轴的正负方向计算能够容纳IBound对应表面所需的最小视角；3.3.基于IRisk-MinIP和IBound分别进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对IRisk-MinIP和IBound分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角由步骤3.2自适应获取；如此，在6个方向上获得了基于IRisk-MinIP的二维透视投影I'Risk-proj和基于IBound的二维透视投影IBound-proj；3.4.按IBound-proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Risk-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Risk-proj的校正结果IRisk-proj；3.5.按IBou...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴水才，张睿，吴薇薇，周著黄，高宏建，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11