消融针穿刺路径规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开消融针穿刺路径规划方法，包括：获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量；以及将N个实际路径输出为N个穿刺路径。还公开了一种消融针穿刺路径规划系统。本发明专利技术能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径，为消融手术提供良好的术前规划指导。

【技术实现步骤摘要】
消融针穿刺路径规划方法及系统
本专利技术涉及医学
，具体涉及消融针穿刺路径规划方法及系统。
技术介绍
消融治疗的手术规划需要满足各种需求，包括最短路线、避开血管和骨骼障碍、消融针数量、最低创伤和最佳治疗效果等等，虚拟夹具（VF）方法能够在一定程度上解决以上的需求，包括引导型虚拟夹具（GVF）和障碍型虚拟夹具（FRVF），GVF是用来引导消融针向期望目标或沿期望路径及表面运动，同时可以降低对用户输入的需求；FRVF的作用是阻止消融针进入障碍区域，避免出现碰撞等不合法的运动。最短路径、最佳治疗效果的需求为引导型，血管和骨骼障碍为障碍型。如何综合考虑以上各种需求，根据以上需求建立各种虚拟夹具模型，最终得到初步的进针路线和消融针的预估效果，是本领域技术人员一直研究的课题。现有的消融针穿刺路径规划方式都是由医生根据术区的三维图像，手动规划出可能的消融针穿刺路径，然后由计算机对路径数据进行处理来判断该路径是否满足上述需求，这种方式高度依赖术者的经验，受各种人为因素的干扰，且耗时耗力。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种消融针穿刺路径规划方法及系统，使得能够自动规划出最佳的消融针穿刺路径。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种消融针穿刺路径规划方法，包括:获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及将N个实际路径输出为N个穿刺路径。本专利技术实施例还提供了一种消融针穿刺路径规划系统，包括：获取模块，其获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；预处理模块，其基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；基准路径设定模块，其针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；实际路径设定模块，其由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及输出模块，其将N个实际路径输出为N个穿刺路径。利用本专利技术，能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径，为消融手术提供良好的术前规划指导。附图说明图1为消融针路径规划参考图。图2为本专利技术实施例的消融针穿刺路径规划方法的流程示意图。图3为本专利技术实施例的消融针路径规划示意图。图4为本专利技术实施例的消融针穿刺路径规划方法中的部分流程示意图之一。图5为本专利技术实施例的消融针穿刺路径规划方法中的部分流程示意图之一。图6为本专利技术实施例的消融针穿刺路径规划系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细描述，但不作为对本专利技术的限定。图1为消融针路径规划示意图。如图1所示，本专利技术的目的就在于，如何自动规划出从经皮进针点Pi到肿瘤T的N个穿刺路径，N为消融针数量，这些穿刺路径需要满足各种需求，如要避开血管V和骨骼S等。本专利技术实施例提供了一种消融针穿刺路径规划方法。利用该方法能够高效地自动规划出最佳的消融针穿刺路径。图2为本专利技术实施例的消融针穿刺路径规划方法的流程示意图。如图2所示，本专利技术的消融针穿刺路径规划方法包括:步骤S1，获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据。该步骤可以采用各种常规方式实现。这里的血管可以仅是一些重要血管。步骤S2，基于上述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域。具体来说，该步骤包含以下过程：①计算肿瘤中心点：该计算可以采用各种方式实现。例如，基于获取的肿瘤数据，可以通过将分割后的肿瘤面片数据中所有的点数据进行均值计算来得到肿瘤中心点PC。②在肿瘤周边生成安全边界区域（RSL区域）：即在肿瘤外层正常组织中生成一层区域，该区域不包含血管和骨骼。此区域用于限制消融针的作用范围，也即消融针的消融范围不可超过该区域。③标定感兴趣进针区域（ROI区域）：消融针的进针区域限定在感兴趣进针区域内。后续步骤均是针对ROI区域进行的，这样可以有效减小搜索范围和计算区域。可以以各种方式实现标定。较为有利的方式是，依照肿瘤的外层轮廓在主要进针方向设置锥形区域作为ROI区域，如图3所示，示出了该锥形区域的一个截面。例如，该锥形区域的角度可以为60度。步骤S3，针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点Pi到肿瘤中心点PC的线，下文表示为PiPC。具体来说，该步骤包含以下过程：①搜索满足基础障碍约束条件的简化路径。可以适当设定基础障碍约束条件。在本实例中，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交。在感兴趣进针区域，可以每隔一定度数（例如，3度等）的空间角作为搜索间隔选取经皮进针点Pi（如图1所示），判断其是否满足基础障碍约束条件。另外，可以将ROI区域分成M个子区，对每个子区执行上述步骤。判断是否相交可以采用多种算法，例如可以采用GPU加速的射线-体素相交算法等，从而提高算法计算效率。②对满足基础障碍约束条件的简化路径，计算虚拟约束。虚拟约束可以包括引导型虚拟约束和障碍型虚拟约束。本领域有多种设计虚拟约束的方式，均可以应用于本专利技术。此处，以最短进针路线虚拟约束VFdist和骨骼血管障碍虚拟约束VFbarrier为例进行说明。虚拟约束为：VF=VFdist+VFbarrier。其中，Di为经皮进针点Pi距PC点的距离│Pi-Pc│，Bi=│Pi-PB│，PB为路径PiPC与骨骼和血管的最近距离点，当路径PiPC在骨骼和血管边界时，Bi=0。下文在计算实际路径的虚拟约束时，用实际经皮进针点Pni和实际肿瘤进针点PCn分别代替以上Pi和PC即可。对满足基础障碍约束条件的简化路径，计算VFdist和VFbarrier。以上仅是VFdist和VFbarrier的示例计算方式，还可以采用其他计算方式。③基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径。该步骤包括选择虚拟约束较优的若干简化路径，将它们设定为基准路径。这里，部分简化路径的数量是预先设定的，为大于0的整数。在ROI区域分成M个子区的情况下，该步骤可以包括对每个子区最多设定一个基准路径。也即将每个子区中虚拟约束最优的一个简化路径设定为基准路径，最多可设定M个基准路径，因为有的子区可能没有满足基础障碍约束条件的简化路径。这里的“优”可以表示高或低，因为不同的虚拟约束设定方式可以有所不同，例如，在本实例中的上述公式的情况下，虚拟约束较优或最优指的是较高或最高。在采用其他公式的情况下，虚拟约束较优或最优可以指的是较低或最低。步骤S4，由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，包括:获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将部分简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及将N个实际路径输出为N个穿刺路径。

【技术特征摘要】
1.一种消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，包括:获取肿瘤、血管、骨骼以及体表的数据；基于所述数据，计算肿瘤中心点，在肿瘤周边生成安全边界区域，以及标定感兴趣进针区域；针对感兴趣进针区域，计算满足基础障碍约束条件的简化路径的虚拟约束，基于虚拟约束将简化路径设定为基准路径，简化路径为连接经皮进针点到肿瘤中心点的线，基础障碍约束条件为路径与血管和骨骼不相交；由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径，N为消融针数量，给定条件包括基础障碍约束条件、消融范围在安全边界区域内以及消融比大于阈值；以及将N个实际路径输出为N个穿刺路径；其中，所述由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径包括：由每个基准路径偏移出满足给定条件的一组N个备选路径；以及比较各组N个备选路径，将消融比最高或虚拟约束最优的一组N个备选路径作为N个实际路径。2.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，标定感兴趣进针区域为：依照肿瘤的外层轮廓在进针方向设置锥形区域作为感兴趣进针区域。3.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，将感兴趣进针区域分成多个子区，每个子区最多设定一个基准路径。4.根据权利要求1所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于，由至少一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径包括：由一个基准路径偏移出满足给定条件的N个实际路径。5.根据权利要求4所述的消融针穿刺路径规划方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁萍，吴文波，于晓玲，程志刚，刘方义，薛劲，穆梦娟，
申请(专利权)人：中国人民解放军总医院，
类型：发明
国别省市：北京;11