穿刺针路径规划方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了穿刺针路径规划方法、系统及介质，面向放射粒子内放疗介入手术机器人，其中方法包括：S100、在交互界面显示基于CT图像的多脏器分割结果，并响应于用户操作标记一个或多个器官；S200、通过交互界面以交互的方式生成穿刺针可编辑虚拟入针面板，作为体表上允许穿刺针刺入的范围；S300、在粒子布源优化过程中，根据粒子在空间中的姿态，模拟穿刺针制植入所述粒子的路径，并进行碰撞检测；其中，所述碰撞检测满足以下条件：不与已标记器官表面发生碰撞，以及与穿刺针可编辑虚拟入针面板相交。本发明专利技术保证穿刺针的路径躲避重要器官，减低对患者的创伤。

【技术实现步骤摘要】
穿刺针路径规划方法、系统及介质
本专利技术涉及肿瘤内放疗手术规划领域，特别涉及一种穿刺针路径规划方法、系统及介质。
技术介绍
恶性肿瘤已经成为一种严重威胁人类健康且常见的多发疾病，其主要的治疗手段有手术治疗、化学治疗和放射治疗等。其中，放射治疗利用放射源发出的高能射线，持续对肿瘤细胞细胞核进行破坏，抑制肿瘤细胞的有丝分裂，从而起到治疗效果。与普通的外照射治疗相比，放射性粒子植入性内放疗能大幅提高对肿瘤病灶的放射剂量，同时减少患者正常器官组织所接受的辐射，有对恶性肿瘤的局部控制率高、治疗后并发症发病率低的优点，显著延长了患者的生存时间。在内放疗手术过程中，根据术前对粒子布源位置的规划，放射性粒子通过穿刺针从体外植入体内肿瘤病灶，穿刺针从体表刺入病灶的行进过程无法避免地会遇到骨骼、血管等重要器官或组织的阻碍，因此，穿刺针的路径规划是内放疗手术必不可少的步骤之一。穿刺针的路径规划可分为共面和非共面两种类型。使用传统共面针路径引导的近距离粒子植入手术在前列腺治疗中取得了良好效果，但共面针的方向固定，面对多病灶、不规则的大肿瘤和骨骼或重要器官遮挡情况，其剂量规划方法很难使得剂量分布满足临床要求，容易出现剂量辐射冷区。非共面针路径规划具有位置灵活的特性，能从任意角度和位置进行穿刺，使粒子能够放置在靶区的任意位置，为剂量有效的覆盖靶区提供了保证。同时也能躲避靶区周围的重要器官，减低对患者的创伤。但目前为止，基于非共面穿刺针路径规划的三维放射性粒子布源优化方法仍未实现，在粒子布源优化的过程中如何实现穿刺针路径规划仍是亟需解决问题之一。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种穿刺针路径规划方法，用于放射粒子内放疗介入手术机器人，能够实现非共面穿刺针路径规划的三维放射性粒子布源优化。本专利技术还提出一种穿刺针路径规划系统。本专利技术还提出一种实施上述方法的计算机可读存储介质。根据本专利技术的第一方面实施例的穿刺针路径规划方法，面向放射粒子内放疗介入手术机器人，包括：S100、在交互界面显示基于CT图像的多脏器分割结果，并响应于用户操作标记一个或多个器官；S200、通过交互界面以交互的方式生成穿刺针可编辑虚拟入针面板，作为体表上允许穿刺针刺入的范围；S300、在粒子布源优化过程中，根据粒子在空间中的姿态，模拟穿刺针制植入所述粒子的路径，并进行碰撞检测；其中，所述碰撞检测满足以下条件：不与已标记器官表面发生碰撞，以及与穿刺针可编辑虚拟入针面板相交。根据本专利技术实施例的穿刺针路径规划方法，至少具有如下有益效果：本专利技术实施例的方法考虑人体形状的不规则形以及穿刺针的长度限制，通过穿刺针可编辑虚拟入针面板限制穿刺针在病人体表刺入范围，保证穿刺针的路径可行性；同时考虑靶区周围的重要器官，通过多脏器分割以及重要器官标记，保证穿刺针的路径躲避重要器官，减低对患者的创伤。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S100包括：基于可视化工具VTK代码库中的vtkPolyData类来对器官的表面进行实例化。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S200包括：根据交互数据生成穿刺针可编辑虚拟入针面板；所述穿刺针可编辑虚拟入针面板为平行于人体中轴线的圆柱体侧面的一部分；所述交互数据包括圆柱体的中心轴位置、高度，以及圆柱体侧面半径和角度范围参数。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S300包括：基于模拟退火优化算法对粒子布源进行优化，使肿瘤内部的辐射剂量达到设定的剂量；基于所述模拟退火优化算法生成的解表示粒子布源方案中粒子的具体位置和方向；其中，模拟退火中温度下降的过程由下式确定：Tnow(n)＝Tinit*exp[n*log(Tend/Tinit)/(Ntemps-1)]其中Tnow(n)表示第n次温度下降后的温度，Tinit和Tend分别表示初始温度，Ntemps表示退火过程一共要经历的温度个数；每一次温度下降后新解产生的方式由下式确定：Xnew＝(1-ratio)*Xold+ratio*random(Xmin,Xmax)其中Xnew表示新解，Xold表示旧解，ratio为当前温度与初始温度的比值，Xmin和Xmax则分别表示解X的最小最大值，即边界条件,random(Xmin,Xmax)则表示在X的最大最小值中随机取值；每产生一个新的解后，需要计算新解对应的损失函数值Error，模拟退火算法在接受损失函数更小的解的同时，也以的概率接受更“差”的解，其中ΔE表示新旧解间Error的差值，k为接受系数。根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S300还包括：基于VTK图像计算工具库中的vtkOBBTree类，判断模拟退火优化算法生成的新解是否与已标记器官表面和穿刺针可编辑虚拟入针面板相交。根据本专利技术的一些实施例，所述方法还包括：获取病灶及其周围的三维的医学图像；基于已训练的深度学习的多脏器分割模型对医学图像进行预分割，得到所述医学图像的多脏器预分割结果。根据本专利技术的一些实施例，所述方法还包括：基于Grabcut算法，输入过分割区域和/或前分割区域的标记信息，对所述多脏器预分割结果进行交互优化。根据本专利技术的一些实施例，所述已标记器官至少包括骨骼和血管。根据本专利技术的第二方面实施例的穿刺针路径规划系统，包括：器官标记模块，用于在交互界面显示基于CT图像的多脏器分割结果，并响应于用户操作标记一个或多个器官；入针面板模块，通过交互界面以交互的方式生成穿刺针可编辑虚拟入针面板，作为体表上允许穿刺针刺入的范围；碰撞检测模块，用于在粒子布源优化过程中，根据粒子在空间中的姿态，模拟穿刺针制植入所述粒子的路径，并进行碰撞检测；其中，所述碰撞检测满足以下条件：不与已标记器官表面发生碰撞，以及与穿刺针可编辑虚拟入针面板相交。根据本专利技术实施例的穿刺针路径规划系统，至少具有如下有益效果：本专利技术实施例的系统考虑人体形状的不规则形以及穿刺针的长度限制，通过穿刺针可编辑虚拟入针面板限制穿刺针在病人体表刺入范围，保证穿刺针的路径可行性；同时考虑靶区周围的重要器官，通过多脏器分割以及重要器官标记，保证穿刺针的路径躲避重要器官，减低对患者的创伤。根据本专利技术的第三方面实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本专利技术的第一方面实施例中任一项的方法。由于本专利技术实施例的计算机可读存储介质上存储有用于执行如本专利技术第一方面中任一项所述的穿刺针路径规划方法的计算机可执行指令，因此具有本专利技术第一方面的所有有益效果。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术实施例的方法的流程示意图。图2可编辑虚拟入针面板示意图。图3为本专利技术实施例的系统的模块示意框图。具体实施方式下面通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种穿刺针路径规划方法，面向放射粒子内放疗介入手术机器人，其特征在于，包括：/nS100、在交互界面显示基于CT图像的多脏器分割结果，并响应于用户操作标记一个或多个器官；/nS200、通过交互界面以交互的方式生成穿刺针可编辑虚拟入针面板，作为体表上允许穿刺针刺入的范围；/nS300、在粒子布源优化过程中，根据粒子在空间中的姿态，模拟穿刺针制植入所述粒子的路径，并进行碰撞检测；/n其中，所述碰撞检测满足以下条件：不与已标记器官表面发生碰撞，以及与穿刺针可编辑虚拟入针面板相交。/n

【技术特征摘要】
1.一种穿刺针路径规划方法，面向放射粒子内放疗介入手术机器人，其特征在于，包括：
S100、在交互界面显示基于CT图像的多脏器分割结果，并响应于用户操作标记一个或多个器官；
S200、通过交互界面以交互的方式生成穿刺针可编辑虚拟入针面板，作为体表上允许穿刺针刺入的范围；
S300、在粒子布源优化过程中，根据粒子在空间中的姿态，模拟穿刺针制植入所述粒子的路径，并进行碰撞检测；
其中，所述碰撞检测满足以下条件：不与已标记器官表面发生碰撞，以及与穿刺针可编辑虚拟入针面板相交。


2.根据权利要求1所述的穿刺针路径规划方法，其特征在于，所述步骤S100包括：基于可视化工具VTK代码库中的vtkPolyData类来对器官的表面进行实例化。


3.根据权利要求1所述的穿刺针路径规划方法，其特征在于，所述步骤S200包括：根据交互数据生成穿刺针可编辑虚拟入针面板；所述穿刺针可编辑虚拟入针面板为平行于人体中轴线的圆柱体侧面的一部分；所述交互数据包括圆柱体的中心轴位置、高度，以及圆柱体侧面半径和角度范围参数。


4.根据权利要求1所述的穿刺针路径规划方法，其特征在于，所述步骤S300包括：基于模拟退火优化算法对粒子布源进行优化，使肿瘤内部的辐射剂量达到设定的剂量；基于所述模拟退火优化算法生成的解表示粒子布源方案中粒子的具体位置和方向；
其中，模拟退火中温度下降的过程由下式确定：
Tnow(n)＝Tinit*exp[n*log(Tend/Tinit)/(Ntemps-1)]
其中Tnow(n)表示第n次温度下降后的温度，Tinit和Tend分别表示初始温度，Ntemps表示退火过程一共要经历的温度个数；
每一次温度下降后新解产生的方式由下式确定：
Xnew＝(1-ratio)*Xold+ratio*random(Xmin,Xmax)
其中Xnew表示新解，Xold表示旧解，ratio为当前温度与初始温度的比值，Xmi...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕皋军，朱才，王澄，李迟迟，
申请(专利权)人：珠海横乐医学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44