瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法技术

本发明专利技术公开瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，包括步骤：S1、计算肿瘤所需放射性粒子源总数量；S2、瘤体内放射性粒子源布源；S3、针道路径规划及针道生成；S4、将针道路径进行坐标转换传输至自动化设备。本发明专利技术精确设计植入粒子的数量和位置，以及合理规划针道，在保证较好治疗效果的前提下，降低对正常组织的损伤程度，降低操作的繁琐程度。

Total Number Acquisition, Source Distribution and Needle Path Planning of Radioactive Particle Sources in Tumor

【技术实现步骤摘要】
瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法
本专利技术属于放射性粒子植入
，具体涉及瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法。
技术介绍
组织间放射性粒子植入(也称近距离)治疗法，是将微型放射源(粒子)植入肿瘤内或受肿瘤浸润的组织中，包括恶性肿瘤沿淋巴途径扩散的组织，通过放射性粒子源发出持续低能量的γ射线，使肿瘤组织遭受最大程度的辐射损伤和破坏，而正常组织不受损伤或仅受轻微损伤，以达到治疗目的。按粒子植入时间可分为永久性植入法和非永久性植入法。专家认为，相比其他肿瘤治疗技术，放射性粒子植入治疗技术本身技术含量并不高、难度并不大。但由于直接植入人体内，而且是放射源，所以要严格把握适应症。对各种不同肿瘤的粒子植入治疗有不同的具体方法，由于粒子种植在三维空间进行，每种放射性粒子物理特性不同，对每种核素需要制定一种特殊的三维治疗计划系统，进行模拟粒子种植的空间分布，决定粒子种植数目和靶区及周围危险器官的剂量分布，指导临床粒子种植。首先要明确肿瘤的形态、位置、大小及与邻近器官、血管的关系，描绘出治疗的区域。常规的方式是对患者的肿瘤区域进行扫描，可通过B超、CT、ECT、MRI等影像检查获得患者的肿瘤区域图像，然后根据图像进行手动或者电脑靶区绘制，根据绘制好的靶区图进行粒子布局。其次要确定植入粒子的数量和位置，同时确认针道位置，这取决于肿瘤的大小和放射源的活性强度，粒子的数量和位置直接影响治疗效果以及对正常组织的损伤程度。最后确定粒子植入的方式与方法，常用粒子种植治疗有3种方式：模板种植、B超和CT引导下种植、术中种植。例如模板种植，是通过上述信息制作植入针模板，手术时，将患者固定在CT床上，并植入针模板固定在患者靠近肿瘤的皮肤位置，再将植入针按照预先设计步骤进行穿刺，同时实时通过CT扫描查看植入针位置，再通过设置在植入针上的刻度提供深度参考。当植入针到达指定深度时，开始注入粒子，然后向外拉出植入针，并当达到指定深度后再次注入粒子，直到该植入针上的所有粒子都已注入即可拉出植入针。现有技术中，在粒子布局阶段，均采用TPS系统，能够根据图像进行勾画确认肿瘤靶区，然后再进行粒子布局。但因为现有技术中在实际插入植入针时，只能通过模板固定引导植入针插入，而每个模板上设有的固定孔数量和位置均有限制，故在粒子布局时，不仅要保证肿瘤能够被完全覆盖，同时，还需要考虑植入针的插入难度。因为植入针在插入对应位置时，可能需要绕过一些组织或者骨质，从而能够避免对身体其他组织造成额外的伤害。但因为模板面积有限，故在保证较好效果的前提下，需要大量的准备工作和繁琐的操作步骤才能实现。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术目的在于提供瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法。精确设计植入粒子的数量和位置，以及合理规划针道，在保证较好治疗效果的前提下，降低对正常组织的损伤程度，降低操作的繁琐程度。本专利技术所采用的技术方案为：瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，包括如下步骤：S1、计算肿瘤所需放射性粒子源总数量；S2、瘤体内放射性粒子源布源；S3、针道路径规划及针道生成；S4、将针道路径进行坐标转换传输至自动化设备。在上述技术方案的基础上，所述S1的实现方式如下：S101、在三维空间中将一颗放射性粒子源模拟为半径1cm的球体；S102、获得瘤体体积、瘤体内危及器官和组织体积，通过式(1)得到实际填充体积：实际填充体积＝瘤体体积-瘤体内危及器官和组织体积(1)；S103、通过式(2)得到肿瘤所需放射性粒子源总数量：肿瘤所需放射性粒子源总数量＝实际填充体积/(4π/3)cm3(2)。所述瘤体体积和瘤体内危及器官和组织体积的获得方式为：a1、获得目标部位的若干张断层扫描图，对断层扫描图进行预处理，将断层扫描图划分出目标部位区域和目标部位以外区域，并剔除掉目标部位以外区域，将目标部位区域中的肿瘤组织和其他组织进行标注，并标注出瘤体内危及器官和组织，获得多个标注样本，将标注样本进行存储，得到数据集；a2、建立3D卷积神经网络模型，将所有标注样本数据信息输入至3D卷积神经模型中进行训练，输出训练好的3D卷积神经深度学习模型；a3、对目标部位的断层扫描图进行预处理，将断层扫描图划分出目标部位区域和目标部位以外区域，并剔除掉目标部位以外区域；a4、将经过预处理的断层扫描图数据信息输入至训练好的3D卷积神经深度学习模型中，并输出分割好的3D立方块数据，将多个分割好的3D立方块数据进行合并，得到分割好的肿瘤面绘制模型；a5、计算瘤体体积和瘤体内危及器官和组织体积。上述预处理的具体实现方式如下：a31、标准化图像的像素值，并对像素值做概率密度分布；a32、根据像素值的分布找到不同区域组织之间的分界，区分肿瘤组织区域和其他组织区域；a33、使其他组织区域连接为整体，制作断层扫描图掩膜；a34、将原始三维标注数据点乘对应的图像掩膜信息即可得到只有其他组织区域图像的数据。区分目标部位区域和目标部位以外区域的具体实现方式如下：a321、读取识别断层扫描图上不同区域的色值，将目标部位区域组织对应的色值和所有目标部位以外区域组织对应的色值进行收集整理，得出目标部位区域组织对应的色值区间和目标部位以外区域组织对应的色值区间，以此作为区分目标部位区域组织和目标部位以外区域组织的标准。断层扫描图掩膜的制作方式如下：a331、通过形态学处理中的腐蚀处理和膨胀处理，使目标部位以外区域尽可能连在一起，并尽可能的消除目标部位区域中的特定色值部分，以完成目标部位区域的掩膜的制作。标注的内容包括坐标信息，坐标信息基于标注所在断层扫描图上的坐标系生成，且用于标记肿瘤组织在断层扫描图上的相对位置，坐标系为三维笛卡尔坐标系，利用三维笛卡尔坐标系来表示每张断层扫描图上的肿瘤组织和其他组织的相对位置。标注的内容还包括识别信息，识别信息用于将当前位置的组织标记为肿瘤组织或其他组织，识别信息与坐标信息相匹配，当前位置对应组织的识别信息被赋予当前位置对应组织的坐标信息之后。在上述技术方案的基础上，所述瘤体体积和瘤体内危及器官和组织体积的获得方式如下：b1、人工勾画或计算机勾画目标部位每一断层扫描图的肿瘤轮廓和瘤体内危及器官和组织轮廓，计算目标部位每一断层扫描图的肿瘤面积和瘤体内危及器官和组织面积；b2、把目标部位每一断层扫描图的肿瘤面积叠加，然后乘以层厚，得到瘤体体积，把目标部位每一断层扫描图的瘤体内危及器官和组织面积叠加，然后乘以层厚，得到瘤体内危及器官和组织面积。在上述技术方案的基础上，所述S2的实现方式如下：S201、瘤体内放射性粒子源填充；S202、瘤体内放射性粒子源排布。在上述技术方案的基础上，所述S201的实现方式如下：S2011、提取肿瘤；S2012、瘤体内填充放射性粒子源；S2013、瘤体内危及器官及组织的放射性粒子源处理。在上述技术方案的基础上，所述S2012的实现方式如下：c1、生成一个与肿瘤的最大长、宽、高匹配的虚拟方盒体，将肿瘤镶嵌在该虚拟方盒体内，在虚拟方盒体内随机生成半径1cm的球体，一个球体等效为一个放射性粒子源；c2、生成的半径1cm的球体由中心点向四周均匀释放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、计算肿瘤所需放射性粒子源总数量；S2、瘤体内放射性粒子源布源；S3、针道路径规划及针道生成；S4、将针道路径进行坐标转换传输至自动化设备。

【技术特征摘要】
1.瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、计算肿瘤所需放射性粒子源总数量；S2、瘤体内放射性粒子源布源；S3、针道路径规划及针道生成；S4、将针道路径进行坐标转换传输至自动化设备。2.根据权利要求1所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S1的实现方式如下：S101、在三维空间中将一颗放射性粒子源模拟为半径1cm的球体；S102、获得瘤体体积、瘤体内危及器官和组织体积，通过式(1)得到实际填充体积：实际填充体积＝瘤体体积-瘤体内危及器官和组织体积(1)；S103、通过式(2)得到肿瘤所需放射性粒子源总数量：肿瘤所需放射性粒子源总数量＝实际填充体积/(4π/3)cm3(2)。3.根据权利要求2所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述瘤体体积和瘤体内危及器官和组织体积的获得方式为：a1、获得目标部位的若干张断层扫描图，对断层扫描图进行预处理，将断层扫描图划分出目标部位区域和目标部位以外区域，并剔除掉目标部位以外区域，将目标部位区域中的肿瘤组织和其他组织进行标注，并标注出瘤体内危及器官和组织，获得多个标注样本，将标注样本进行存储，得到数据集；a2、建立3D卷积神经网络模型，将所有标注样本数据信息输入至3D卷积神经模型中进行训练，输出训练好的3D卷积神经深度学习模型；a3、对目标部位的断层扫描图进行预处理，将断层扫描图划分出目标部位区域和目标部位以外区域，并剔除掉目标部位以外区域；a4、将经过预处理的断层扫描图数据信息输入至训练好的3D卷积神经深度学习模型中，并输出分割好的3D立方块数据，将多个分割好的3D立方块数据进行合并，得到分割好的肿瘤面绘制模型；a5、计算瘤体体积和瘤体内危及器官和组织体积。4.根据权利要求1所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述瘤体体积和瘤体内危及器官和组织体积的获得方式如下：b1、人工勾画或计算机勾画目标部位每一断层扫描图的肿瘤轮廓和瘤体内危及器官和组织轮廓，计算目标部位每一断层扫描图的肿瘤面积和瘤体内危及器官和组织面积；b2、把目标部位每一断层扫描图的肿瘤面积叠加，然后乘以层厚，得到瘤体体积，把目标部位每一断层扫描图的瘤体内危及器官和组织面积叠加，然后乘以层厚，得到瘤体内危及器官和组织面积。5.根据权利要求1所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S2的实现方式如下：S201、瘤体内放射性粒子源填充；S202、瘤体内放射性粒子源排布。6.根据权利要求5所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S201的实现方式如下：S2011、提取肿瘤；S2012、瘤体内填充放射性粒子源；S2013、瘤体内危及器官及组织的放射性粒子源处理。7.根据权利要求6所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S2012的实现方式如下：c1、生成一个与肿瘤的最大长、宽、高匹配的虚拟方盒体，将肿瘤镶嵌在该虚拟方盒体内，在虚拟方盒体内随机生成半径1cm的球体，一个球体等效为一个放射性粒子源；c2、生成的半径1cm的球体由中心点向四周均匀释放射线，检测每条射线是否与肿瘤的表面相交，若是则证明该球体位于肿瘤内部，为有效球体，保留该球体，若否则证明该球体不是完全位于肿瘤内部，为无效球体，删除该球体，直至球体数量达到肿瘤所需放射性粒子源总数量时停止。8.根据权利要求6所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S2012的实现方式如下：d1、在肿瘤的下部取一个原点，以穿过该原点的Z轴为中心线生成一个虚拟柱体，在该柱体与肿瘤的重合段的中心线上等间距生成半径1cm的球体，一个球体等效为一个放射性粒子源；d2、以中心线向X轴倾斜m°并旋转一周形成虚拟椎体，选取均匀的I条母线作为中心线分别形成虚拟柱体，在该柱体与肿瘤的重合段的中心线上等间距生成半径1cm的球体；d3、再次向X轴倾斜m°并旋转一周形成虚拟椎体，选取均匀的P条母线作为中心线分别形成虚拟柱体，在该柱体与肿瘤的重合段的中心线上等间距生成半径1cm的球体；d4、循环执行d3，直至形成的虚拟椎体不与肿瘤相交时停止；d5、停止时，统计生成的球体数量，将该球体数量与肿瘤所需放射性粒子源总数量对比，若球体数量与肿瘤所需放射性粒子源总数量相差超过设定值，则调整每次向X轴移动的度数和每个虚拟椎体上母线的条数，再循环执行d2-d5直至球体数量趋近肿瘤所需放射性粒子源总数量时结束。9.根据权利要求6所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S2013的实现方式如下：将肿瘤内生成的放射性粒子源与瘤体内危及器官及组织做碰撞检测与距离测算，若某放射性粒子源中心点穿过瘤体内危及器官及组织，或某放射性粒子源中心点与瘤体内危及器官及组织的最短距离小于设定值时，该放射性粒子源视为无效放射性粒子源，删除该射性粒子源；反之则为有效放射性粒子源，保留该射性粒子源。10.根据权利要求5所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述S202的具体实现方式包括：放射性粒子源线性水平排布、放射性粒子源游离排布以及瘤体内危及器官及组织的放射性粒子源处理。11.根据权利要求10所述的瘤体内放射性粒子源总数量获取、放射性粒子源布源和针道路径规划方法，其特征在于：所述放射性粒子源线性水平排布包括如下步骤：e1、将肿瘤分为多个X*1*1cm的方块，X为肿瘤的长、宽或高值，分别取方块的中心线作为线性基准线；e2、将距离方块中心线设定值范围内的放射性粒子源吸入该方块内，并将吸入方块内的放射性粒子源的中心点修正到该方块的线性基准线上，每个放射性粒子源仅移动一次；e3、对移动后的放射性粒子进行相互之间的距离检测，当发生多个放射性粒子源重合相交...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翔，孟群，毛瑞军，曲飞寰，石广越，
申请(专利权)人：成都真实维度科技有限公司，大连大学附属中山医院，
类型：发明
国别省市：四川,51