本发明专利技术属于医学图像处理技术领域，提供了一种肝癌微波消融的双针适形消融规划方法：S1、进行离体猪肝微波消融实验并测量消融损伤区轴长；利用带权重的距离场，获得不同间距的双针同时消融模式的消融损伤区的仿真模型；S2、沿进针方向对目标消融区进行缩放；S3、将缩放后的目标消融区聚类为若干单元块，并获得间隔最近的配对双单元块；S4、利用仿真模型覆盖单元块，获得消融术前布针规划方案。本发明专利技术的方法能够解决双针消融模式下肝肿瘤的快速适形消融布针问题，并快速计算得出一种适形覆盖目标消融区的消融术前规划方案，为肝肿瘤消融提供一种优化的术前规划参考方案。提供一种优化的术前规划参考方案。提供一种优化的术前规划参考方案。
【技术实现步骤摘要】
一种肝癌微波消融的双针适形消融规划方法及装置
[0001]本专利技术属于医学图像处理
，具体涉及一种肝癌微波消融的双针适形消融规划方法及装置。
技术介绍
[0002]微波消融术是一种针对肿瘤局部进行微创介入的新型治疗方法，也是目前临床上治疗实体肿瘤最常用的方式之一。微波消融是基于高频电磁波的生物热效应工作机理，将微波能转化为热能来精准地加热灭活病灶，其治疗成功的关键在于产生合适大小的热损伤范围实现对肿瘤的完全适形灭活。因此，利用医学影像设计术前消融规划方案能对消融手术产生实际的辅助作用。
[0003]微波消融术前规划方案的制定一般包括消融损伤区仿真和布针规划两部分。为达到适形消融布针的目标，在规划时需要对消融区的位置进行反复调试取优，对仿真的实时性要求非常高，因此，通常采用简单椭球几何体模型对消融损伤区进行模拟仿真。然而，目前临床上常用的双针同时消融模式因双针之间存在热交互作用，导致消融损伤区与双椭球仿真模型存在较大差异，这在很大程度上降低了术前规划方案对辅助消融治疗的指导意义。
技术实现思路
[0004]针对目前真实消融损伤区与双椭球仿真模型差异较大的问题，本专利技术提供一种肝癌微波消融的双针适形消融规划方法，能够解决双针同时消融模式下消融损伤区的实时仿真问题，并快速计算得出一种适形覆盖目标消融区的术前规划参考方案。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0006]一种肝癌微波消融的双针适形消融规划方法，包括以下步骤：S1、进行离体猪肝微波消融实验并测量消融损伤区轴长；利用带权重的距离场，获得不同间距的双针同时消融模式的消融损伤区的仿真模型；S2、沿进针方向对目标消融区进行缩放；S3、将缩放后的目标消融区聚类为若干单元块，并获得间隔最近的配对双单元块；S4、利用仿真模型覆盖单元块，获得消融术前布针规划方案。
[0007]步骤S1中，固定针型、消融功率和消融时间，进行单针和不同间距的双针消融实验；消融实验结束后，沿最大切面切割猪肝样本；对于单针消融实验组，测量沿消融针针道的消融损伤区轴长，定义为长径l1；测量垂直消融针针道的消融区轴长，定义为横径l2；对于双针消融模型，测量平行于双针针道且与双针等距的消融区轴长，定义为双针热交互作用形成的中间长径l3。
[0008]带权重的距离场进行如下设置：对于单针消融情况，利用椭球几何体模拟消融损伤区域，假设消融中心点为o，则消融损伤区E
单
表示为：
，其中，x表示三维空间中的任意一点，R3为三维空间区域，上标T表示矩阵的转置，Q为一个正定矩阵，它的特征向量表示椭球的主轴方向，特征值表示半轴长平方的倒数；定义距离d为：；则围绕消融中心点o形成了一个距离场，距离d大于1的区域为椭球模型表示的消融损伤区域；双针同时消融时，消融损伤区E
双
表示为两个单针消融距离场的加权叠加：，上式中，d1和d2分别表示距两个单针消融中心点的距离；权重ω1和ω2为双针间距u的函数：，其中，e表示自然对数函数的底数，α，γ，δ为待定参数；根据两个极端情况，消融针距离无限接近时，消融效果类似于单针消融效果；消融针间隔距离足够大时，两针之间的热交互作用可以忽略不计；可得如下结论：；；由此可得，γ=1，δ=0；参数α的值为网格搜索算法确定的最优值。
[0009]具体地，网格搜索算法中参数α的搜索范围为[1, 100]，搜索步长为0.5；使不同间距的双针消融模式下求得的中间长径与测量得到的中间长径l3的平方和最小的α的值为最优值。
[0010]步骤S2中，获取肝脏区域横截面上肝脏、肿瘤、肝内血管、皮肤、肋骨的三维图像，选取距离肿瘤最近的肋骨间隙皮肤表面作为目标点，目标点至肿瘤重心的方向设置为进针方向；目标消融区定义为肿瘤及外围5毫米的区域；沿进针方向的单位向量记作v1，将肿瘤体素点沿v1方向进行缩放，缩放比例为横径l2与长径l1的比值。
[0011]步骤S3中，设定消融进针次数n的初始值为，其中，为向上取整符号，V
t
为目标消融区的体积，V
b
为单针椭球消融区体积；利用聚类算法将缩放后的目标消融区体素点分割为n个单元块，并获得n个单元块的重心；根据重心之间的间隔距离对单元块进行两两配对；若n为偶数，则单元块经过配对
组合后形成个双单元块；若n为奇数，则单元块经过配对组合后形成个双单元块和1个单独的单元块。
[0012]步骤S4中，将聚类后的单元块还原到原始位置和大小，双单元块以两个单元块的重心位置为中心点，并按照E
双
进行布针规划；若进针次数n为奇数，则剩余的1个单元块以重心位置为中心点，按照E
单
进行布针规划；若仿真模型可以完全覆盖目标肿瘤区域，则上述布针方案即为最终的术前规划方案；若仿真模型无法完全覆盖目标消融区，则消融进针次数n自动加一，并重复S3，直至得到的仿真模型完全覆盖目标消融区，获得最终的术前规划方案。
[0013]一种用于实现上述方法的微波消融规划系统，包括：仿真模块，其配置来获得双针消融模式的消融损伤区仿真计算方法；缩放模块，其配置来将目标消融区沿进针方向进行缩放，缩放比例为测量得到的单针消融损伤区的横径l2与长径l1的比值；聚类模块，其配置来将目标消融区域聚类为若干单元块，并计算获得间隔最近的两两配对单元块；规划模块，其配置来将聚类后的单元块利用双针消融损伤区仿真模型E
双
和单针椭球模型E
单
进行覆盖，建立术前消融布针规划方案。
[0014]本专利技术具有以下优点：本专利技术通过建立带权重的距离场模型，提出了一种针对不同间距的双针同时消融模式的消融损伤区实时仿真方法，可以模拟因双针之间的热交互作用形成的不规则消融损伤范围；针对肝肿瘤目标消融区，沿进针方向对其进行缩放；对缩放后的目标消融区体素点集合进行聚类，并根据最近距离计算获得最优的两两配对组合；最后利用单针椭球模型和双针消融损伤区仿真模型对聚类后的单元块进行覆盖，采用迭代方式确定最少的进针次数和最终的优化布针方案；因此能够解决双针消融模式下肝肿瘤的快速适形消融布针问题，并快速计算得出一种适形覆盖目标消融区的消融术前规划方案，为肝肿瘤消融提供一种优化的术前规划参考方案。
附图说明
[0015]图1是肝癌微波消融的双针适形消融规划方法的流程图；图2是间距20毫米双针消融的猪肝实验结果、现有技术中利用双椭球模型的效果图和根据本专利技术的双针消融损伤区仿真效果图；图3是肝癌微波消融的双针适形消融规划方法进行布针规划的效果图。
具体实施方式
[0016]下面结合实施例和附图对本专利技术做进一步说明，但本专利技术不受下述实施例的限制。
[0017]实施例1 肝癌微波消融的双针适形消融规划方法肝癌微波消融的双针适形消融规划方法的流程如图1所示，具体包括以下步骤：S1、进行离体猪肝微波消融实验并测量消融损伤区轴长；利用带权重的距离场，获
得不同间距的双针同时消融模式的消融损伤区的仿真模本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种肝癌微波消融的双针适形消融规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、进行离体猪肝微波消融实验并测量消融损伤区轴长；利用带权重的距离场，获得不同间距的双针同时消融模式的消融损伤区的仿真模型；S2、沿进针方向对目标消融区进行缩放；S3、将缩放后的目标消融区聚类为若干单元块，并获得间隔最近的配对双单元块；S4、利用仿真模型覆盖单元块，获得消融术前布针规划方案。2.根据权利要求1所述的双针适形消融规划方法，其特征在于，步骤S1中，固定针型、消融功率和消融时间，进行单针和不同间距的双针消融实验；消融实验结束后，沿最大切面切割猪肝样本；对于单针消融实验组，测量沿消融针针道的消融损伤区轴长，定义为长径l1；测量垂直消融针针道的消融区轴长，定义为横径l2；对于双针消融模型，测量平行于双针针道且与双针等距的消融区轴长，定义为双针热交互作用形成的中间长径l3。3.根据权利要求1所述的双针适形消融规划方法，其特征在于，步骤S1中带权重的距离场进行如下设置：对于单针消融情况，利用椭球几何体模拟消融损伤区域，假设消融中心点为o，则消融损伤区E
单
表示为：，其中，x表示三维空间中的任意一点，R3为三维空间区域，上标T表示矩阵的转置，Q为一个正定矩阵，它的特征向量表示椭球的主轴方向，特征值表示半轴长平方的倒数；定义距离d为：；则围绕消融中心点o形成了一个距离场，距离d大于1的区域为椭球模型表示的消融损伤区域；双针同时消融时，消融损伤区E
双
表示为两个单针消融距离场的加权叠加：，上式中，d1和d2分别表示距两个单针消融中心点的距离；权重ω1和ω2为双针间距u的函数：，其中，e表示自然对数函数的底数，α，γ，δ为待定参数；根据两个极端情况，消融针距离无限接近时，消融效果类似于单针消融效果；消融针间隔距离足够大时，两针之间的热交互作用可以忽略不计；可得如下结论：；；由此可得，γ=1，δ=0；参数α的值为网格搜索算法确定的最优值。
4.根据权利要求3所述的双针适形消融规划方法，其特征在于，网格搜索算法中参数α的搜索范围为[1, 100]，搜索步长为0.5；使不同间距的双针消融模式下求得的中间长径与测量得到的中间长径l3的平方和最小的α的值为最优值。5.根据权利要求1所述的双针适形消融...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈仁栋，孔德兴，梁萍，王艳，董立男，杜乔伟，
申请(专利权)人：浙江大学中国人民解放军总医院第五医学中心，
类型：发明
国别省市：
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