椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法及装置，涉及医疗器械及仿真技术领域，其中，方法包括：获取病人手术时当前体态下的磁共振图像，对磁共振图像进行图像分割，并基于分割图像建立病人的个体模型，根据术前仿真模型对个体模型进行配准，以得到病人当前体态下的精准模型；按照目标插针位置插入微波探针并进行加热，采集加热时的实际温度数据，利用实际温度数据校正微波探针模型；对校正后的微波探针模型位于精准模型的目标插针位置进行温度仿真，并基于温度仿真结果进行热损伤评估，以修正目标插针位置和目标加热时长，生成待消融区域的手术仿真方案。该方法可以提高手术模拟的准确性和可信度，增大椎骨肿瘤微波热消融手术的成功率。消融手术的成功率。消融手术的成功率。

【技术实现步骤摘要】
椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法及装置


[0001]本专利技术涉及医疗器械及仿真
，特别涉及一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法及装置。

技术介绍

[0002]由于供血丰富以及与区域淋巴和静脉引流系统的密切关联，椎骨易于发生转移性病变，超过一半的癌症患者在死亡前就已发生骨转移。当形成新骨、溶解旧骨的动态平衡被癌细胞打破时，太多的骨头被分解导致溶骨性病变，或者制造太多的骨头形成硬骨性病变，都会使得骨骼更容易断裂，还会导致患者的脊髓或神经根部受压迫引发疼痛及神经功能损伤，各种并发症也会限制其功能和活动能力，进而导致整体生活质量的下降。相比于肝部和肺部，椎骨周围的血管、脊髓等结构更复杂，切除难度更大，尽管过去几十年来在治疗策略、仪器和技术方面取得了一些进步，但该类肿瘤的研究仍然十分有限，临床切除仍主要依靠外科手术。
[0003]近年来磁共振引导的椎骨肿瘤热消融因为微创甚至无创、失血少，逐渐得到关注。目前常见的热消融方式包括高强度聚焦超声(HIFU)，射频(RFA)和微波消融(MWA)。超声聚焦束对骨骼穿透力较差，而射频会干扰磁共振成像中信号的激发和接收，所以磁共振引导的椎骨肿瘤消融方式最适合的是微波，作用于极性水分子时会使其剧烈翻转运动，相互摩擦产生热量，同时可通过影响肿瘤微环境改善机体的免疫功能，提高抗肿瘤能力。因为不依靠电流在组织中的传导，消融区域升温速度更快，消融面更广，血流灌注引起的热沉降效应也就更小，在大体积肿瘤和高阻抗的骨肿瘤上效果更好。
[0004]也正因为消融快，为了消除肿瘤的同时尽可能不伤害周围组织，术中实时温度监控的重要性就凸显出来，磁共振成像技术因为丰富的可调参数、无电离辐射等优势，成为术中监控的理想成像方式。但是磁共振温度成像(Magnetic Resonance Temperature Imaging，MRTI)的实时性和准确度仍面临很多挑战，目前还没有在椎骨肿瘤的热消融手术中推广。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006]为此，本专利技术的一个目的在于提出一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法，可以提高手术模拟的准确性和可信度，增大椎骨肿瘤微波热消融手术的成功率。
[0007]本专利技术的另一个目的在于提出一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真装置。
[0008]为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法，包括以下步骤：获取病人手术时当前体态下的磁共振图像，对所述磁共振图像进行图像分割，并基于分割图像建立所述病人的个体模型，根据术前仿真模型对所述个体模型进行配准，以得到所述病人当前体态下的精准模型；按照目标插针位置插入微波探针并进行加热，采集加热时的实际温度数据，利用所述实际温度数据校正微波探针模型；对校正后的微
波探针模型位于所述精准模型的目标插针位置进行温度仿真，并基于温度仿真结果进行热损伤评估，以修正所述目标插针位置和目标加热时长，生成待消融区域的手术仿真方案。
[0009]本专利技术实施例的椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法，可以利用病人手术时的真实环境参数校正术前仿真方案，可以在术前仿真方案的基础上进行插针位置、加热时间等细节的更新微调，从而可以提高手术模拟的准确性和可信度，增大椎骨肿瘤微波热消融手术的成功率。
[0010]另外，根据本专利技术上述实施例的椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法还可以具有以下附加的技术特征：
[0011]进一步地，基于温度仿真结果进行热损伤评估，以修正所述目标插针位置和目标加热时长，包括：基于Arrhenius动力学模型确定所述温度仿真结果的消融边界；根据所述消融边界和边界损伤阈值计算所述待消融区域的消融比和dice，其中，所述消融比为肿瘤中坏死组织在所述待消融区域中的占比，所述dice为待消融区域和所有坏死组织区域的交集除以待消融区域和所有坏死组织区域的并集；根据消融比和dice确定热损伤区域和待消融区域的最佳匹配，以根据最佳匹配对应的针位置和加热时长修正所述目标插针位置和目标加热时长。
[0012]进一步地，利用所述实际温度数据校正微波探针模型，包括：将生物传热模型中导热项离散化处理得到差分形式；根据所述差分形式导入所述实际温度数据获取温度在空间、时间上的分布，并通过Pennes方程反解得到热源项的实际分布，以根据所述热源项的实际分布校正所述微波探针模型。
[0013]进一步地，利用所述实际温度数据校正微波探针模型，包括：根据所述实际温度数据、仿真值
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实测值对应关系计算校正值；根据所述校正值校正所述微波探针模型。
[0014]进一步地，所述对所述磁共振图像进行图像分割，并基于分割图像建立所述病人的个体模型，包括：识别所述磁共振图像中的待消融区域及周围组织与器官；对所述待消融区域及周围组织与器官进行图像分割，以根据割得到图像生成所述病人的个体模型。
[0015]为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真装置，包括：建模模块，用于获取病人手术时当前体态下的磁共振图像，对所述磁共振图像进行图像分割，并基于分割图像建立所述病人的个体模型，根据术前仿真模型对所述个体模型进行配准，以得到所述病人当前体态下的精准模型；校正模块，用于按照目标插针位置插入微波探针并进行加热，采集加热时的实际温度数据，利用所述实际温度数据校正微波探针模型；仿真模块，用于对校正后的微波探针模型位于所述精准模型的目标插针位置进行温度仿真，并基于温度仿真结果进行热损伤评估，以修正所述目标插针位置和目标加热时长，生成待消融区域的手术仿真方案。
[0016]本专利技术实施例的椎骨肿瘤微波消融手术仿真装置，可以利用病人手术时的真实环境参数校正术前仿真方案，可以在术前仿真方案的基础上进行插针位置、加热时间等细节的更新微调，从而可以提高手术模拟的准确性和可信度，增大椎骨肿瘤微波热消融手术的成功率。
[0017]另外，根据本专利技术上述实施例的椎骨肿瘤微波消融手术仿真装置还可以具有以下附加的技术特征：
[0018]进一步地，所述仿真模块进一步用于基于Arrhenius动力学模型确定所述温度仿
真结果的消融边界；根据所述消融边界和边界损伤阈值计算所述待消融区域的消融比和dice，其中，所述消融比为肿瘤中坏死组织在所述待消融区域中的占比，所述dice为待消融区域和所有坏死组织区域的交集除以待消融区域和所有坏死组织区域的并集；根据消融比和dice确定热损伤区域和待消融区域的最佳匹配，以根据最佳匹配对应的针位置和加热时长修正所述目标插针位置和目标加热时长。
[0019]进一步地，所述校正模块进一步用于将生物传热模型中导热项离散化处理得到差分形式；根据所述差分形式导入所述实际温度数据获取温度在空间、时间上的分布，并通过Pennes方程反解得到热源项的实际分布，以根据所述热源项的实际分布校正所述微波探针模型。
[0020]进一步地，所述校正模块进一步用于根据所述实际温度数据、仿真值
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实测值对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种椎骨肿瘤微波消融手术仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：获取病人手术时当前体态下的磁共振图像，对所述磁共振图像进行图像分割，并基于分割图像建立所述病人的个体模型，根据术前仿真模型对所述个体模型进行配准，以得到所述病人当前体态下的精准模型；按照目标插针位置插入微波探针并进行加热，采集加热时的实际温度数据，利用所述实际温度数据校正微波探针模型；以及对校正后的微波探针模型位于所述精准模型的目标插针位置进行温度仿真，并基于温度仿真结果进行热损伤评估，以修正所述目标插针位置和目标加热时长，生成待消融区域的手术仿真方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于温度仿真结果进行热损伤评估，以修正所述目标插针位置和目标加热时长，包括：基于Arrhenius动力学模型确定所述温度仿真结果的消融边界；根据所述消融边界和边界损伤阈值计算所述待消融区域的消融比和dice，其中，所述消融比为肿瘤中坏死组织在所述待消融区域中的占比，所述dice为待消融区域和所有坏死组织区域的交集除以待消融区域和所有坏死组织区域的并集；根据消融比和dice确定热损伤区域和待消融区域的最佳匹配，以根据最佳匹配对应的针位置和加热时长修正所述目标插针位置和目标加热时长。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述实际温度数据校正微波探针模型，包括：将生物传热模型中导热项离散化处理得到差分形式；根据所述差分形式导入所述实际温度数据获取温度在空间、时间上的分布，并通过Pennes方程反解得到热源项的实际分布，以根据所述热源项的实际分布校正所述微波探针模型。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述实际温度数据校正微波探针模型，包括：根据所述实际温度数据、仿真值
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实测值对应关系计算校正值；根据所述校正值校正所述微波探针模型。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述磁共振图像进行图像分割，并基于分割图像建立所述病人的个体模型，包括：识别所述磁共振图像中的待消融区域及周围组织与器官；对所述待消融区域及周围组织与器官进行图像分...

【专利技术属性】
技术研发人员：应葵，向杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：