阅读说明：本技术 一种基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法 (Electrode patch positioning method based on head tumor treatment ) 是由 段红杰 刘胜军 张华� 赵希超 张轩 宋羽 张建义 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及属于医学处理技术领域的一种基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法,包括构建头部肿瘤图像训练样本集合、利用CT对患者的头部进行三维图像采集、头部肿瘤的识别、确定肿瘤的坐标和确定电极贴片在头部的具体坐标位置。采用本发明的技术方案,使得更智能化,电极贴片的定位更准确,在肿瘤部位形成最优电场方案,生成患者电极阵列佩戴方案,取得的电磁疗效更好。(The invention relates to an electrode patch positioning method based on head tumor treatment, belonging to the technical field of medical treatment. By adopting the technical scheme of the invention, the intelligent electrode patch positioning system is more intelligent, the positioning of the electrode patch is more accurate, the optimal electric field scheme is formed at the tumor part, the electrode array wearing scheme of a patient is generated, and the obtained electromagnetic curative effect is better.)

一种基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法

技术领域

本发明涉及属于医学处理技术领域，尤其涉及一种基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法。

背景技术

脑胶质瘤是源于神经上皮组织的恶性肿瘤，俗称“脑癌”。脑胶质瘤是最常见的颅内原发性肿瘤，国外临床统计表明，颅内原发性肿瘤的发病率为21/10万，胶质瘤约占60％。国内文献报道脑胶质瘤约占颅内肿瘤的35.26％～60.96％。目前最常用的治疗方法为手术加放化疗，由于脑胶质瘤呈浸润性生长，手术往往难以全切。又由于其为放射抗拒性肿瘤，且对大多化疗药耐受，总体疗效不佳，尤其是高分级胶质瘤，具有高度间变的生长特点，术后复发快，预后差，严重威胁人类健康。

使用电场和电流来治疗神经障碍和脑部疾病正在变得普遍。此类治疗的示例包括但不限于：经颅直流电刺激(TDCS)、经颅磁刺激(TMS)和肿瘤治疗场(TTField)。这些治疗依赖于将低频电磁场传递到大脑内的目标区域。例如，Woods等人，《临床神经生理学》，1271031-1048(2016年)，其回顾了TDCS的技术方面；以及Thielscher等人，《会议论文集》，电气和电子工程师协会(IEEE)，医学和生物学学会工程，222-225(2015年)，其教导了用于模拟TMS的方法。又例如，Miranda等人，《医学和生物学中的物理学》，594137-4147(2014年)，教导了使用磁共振成像(MRI)数据集模拟TTField的传递的健康个体的计算头部模型的创建，其中以半自动方式执行模型创建。此外，Wenger等人，《医学和生物学中的物理学》，607339-7357(2015年)，教导了用于创建健康个体的计算头部模型以模拟TTField的传递的方法，其中该模型是从健康个体的MRI数据集创建的。

但是，由于头部电极贴片阵列的位置不准确，影响了利用电场和电流治疗头部肿瘤的疗效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用肿瘤坐标和模拟形成在肿瘤部位产生最大电场的方式确定的基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法。

本发明所采取的技术方案为：

一种基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建头部肿瘤图像训练样本集合：对获得的含有肿瘤的头部CT图像进行图像纹理特征和形状特征提取；肿瘤识别BP神经网络根据图像纹理特征识别人体器官CT图像中是否含有疑似肿瘤；对每一张CT图像进行逐像素标注，把CT图像和对应标注的CT图像打包构成训练样本；从获取的肿瘤目标总样本中，选取M个训练样本，要求训练样本尽量多的包含不同类别的肿瘤，对训练样本的属性进行人工判别和标注；采用CT图像训练样本集合对肿瘤识别BP神经网络进行训练，得到头部肿瘤图像训练样本集合；

(2)利用CT对患者的头部进行三维图像采集，并进行图像纹理特征和形状特征的提取；

(3)头部肿瘤的识别：根据肿瘤目标图像纹理特征，对包含肿瘤目标的矩形区进行截取，基于肿瘤目标检测得到的肿瘤目标朝向角度α，令肿瘤目标旋转-α度，得到水平的肿瘤目标样本，使用最小矩形对水平的肿瘤目标进行包络，截取最小矩形，则得到肿瘤目标的水平样本目标切片，记为测试样本；将测试样本输入肿瘤识别BP神经网络并与训练样本进行比对，完成对头部肿瘤的识别；

(4)确定肿瘤的坐标：构建患者的头部特征进行建模，得到患者的头部模型，将患者头部模型在三维立体空间形成数字化坐标；将步骤(3)识别的头部肿瘤目标输入至患者的头部模型，从而得到肿瘤在患者头部模型中的坐标位置；

(5)根据人体电导率、电阻率以及电极贴片阵列电磁作用的中心位置与头部肿瘤中心位置相重合的原则，采用神经网络算法，将电极贴片阵列输入患者的头部模型进行有限元分析，模拟形成在肿瘤部位产生最大电场，然后根据电场的分布，得到电极贴片阵列中各个电极贴片在头部的具体坐标位置；其中，电极贴片阵列中各个电极贴片的电磁方向为正交设置；

(6)将确定的各个电极贴片在头部的具体坐标位置转换为患者头部位置；

完成基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位。

进一步的，所述肿瘤识别BP神经网络包括1个输入层、1个隐含层和1个输出层，将疑似病灶所在区域的纹理特征向量和形状特征参数作为输入层神经元，隐含层节点个数根据先验经验设为输入层神经元数目的2倍，输出层包含1个节点和三个输出值；三个输出值分别表示CT图像中的病灶为良性肿瘤、恶性肿瘤和非肿瘤类。

进一步的，步骤(4)中，根据人脑结构顶叶、额叶、枕叶、颞叶、岛叶5个大分区，然后根据肿瘤位置细分为左顶叶、右顶叶、左额叶、右额叶、左枕叶、右枕叶、左颞叶、右颞叶、左岛叶、右岛叶；根据患者人脑结构，生成3D头部模型。

进一步的，患者的大脑模型在软件中形成立体影像，根据患者的肿瘤部位大小在模型当中形成高亮的显示区域，患者肿瘤以对比明显的颜色生成，立体呈现出肿瘤在头部的位置。

进一步的，电极贴片的若干脉冲电极以循环单次或多次的方式输出脉冲电压。

本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：

1、本发明采用头部肿瘤图像训练样本集合和肿瘤识别BP神经网络，使得采集样本更智能化，准确率更高；

2、本发明采用神经网络算法，将电极贴片阵列输入患者的头部模型进行有限元分析，模拟形成在肿瘤部位产生最大电场，然后根据电场的分布，得到电极贴片阵列中各个电极贴片在头部的具体坐标位置，这更符合人体和电磁原理，使得电极贴片的定位更准确，电磁疗效更好。

附图说明

图1是采用本发明的实施示意图。

具体实施方式

下面，结合图1和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建头部肿瘤图像训练样本集合：对获得的含有肿瘤的头部CT图像进行图像纹理特征和形状特征提取；肿瘤识别BP神经网络根据图像纹理特征识别人体器官CT图像中是否含有疑似肿瘤；对每一张CT图像进行逐像素标注，把CT图像和对应标注的CT图像打包构成训练样本；从获取的肿瘤目标总样本中，选取M个训练样本，要求训练样本尽量多的包含不同类别的肿瘤，对训练样本的属性进行人工判别和标注；采用CT图像训练样本集合对肿瘤识别BP神经网络进行训练，得到头部肿瘤图像训练样本集合；

所述肿瘤识别BP神经网络包括1个输入层、1个隐含层和1个输出层，将疑似病灶所在区域的纹理特征向量和形状特征参数作为输入层神经元，隐含层节点个数根据先验经验设为输入层神经元数目的2倍，输出层包含1个节点和三个输出值；三个输出值分别表示CT图像中的病灶为良性肿瘤、恶性肿瘤和非肿瘤类。

纹理特征是一种反映图像中同质现象的视觉特征，它体现了物体表面的具有缓慢变化或者周期性变化的表面结构组织排列属性；纹理具有三大标志：某种局部序列性不断重复、非随机排列和纹理区域内大致为均匀的统一体，可以采用包括统计方法、模型方法等进行提取。

实施例中，CT图像也可以替换为超声图像或MRI图像。

从图像库中的CT图像训练样本集合选取已经确诊的CT图像，对肿瘤识别BP神经网络进行迭代训练，每次训练样本数包含50个正常CT图像样本和50个含有疑似肿瘤的CT图像样本，每次训练后，选取20个正常CT图像样本和20个含有疑似病灶的CT图像样本已经确诊的样本进行检验，直至识别误差小于0.2％。相比于现有技术，以提高非正常CT图像的识别准确率。

(2)利用CT对患者的头部进行三维图像采集，并进行图像纹理特征和形状特征的提取；

(3)头部肿瘤的识别：根据肿瘤目标图像纹理特征，对包含肿瘤目标的矩形区进行截取，基于肿瘤目标检测得到的肿瘤目标朝向角度α，令肿瘤目标旋转-α度，得到水平的肿瘤目标样本，使用最小矩形对水平的肿瘤目标进行包络，截取最小矩形，则得到肿瘤目标的水平样本目标切片，记为测试样本；将测试样本输入肿瘤识别BP神经网络并与训练样本进行比对，完成对头部肿瘤的识别；

(4)确定肿瘤的坐标：构建患者的头部特征进行建模，得到患者的头部模型，将患者头部模型在三维立体空间形成数字化坐标；将步骤(3)识别的头部肿瘤目标输入至患者的头部模型，从而得到肿瘤在患者头部模型中的坐标位置；

步骤(4)中，根据人脑结构顶叶、额叶、枕叶、颞叶、岛叶5个大分区，然后根据肿瘤位置细分为左顶叶、右顶叶、左额叶、右额叶、左枕叶、右枕叶、左颞叶、右颞叶、左岛叶、右岛叶；根据患者人脑结构，生成3D头部模型。

(5)根据人体电导率、电阻率以及电极贴片阵列电磁作用的中心位置与头部肿瘤中心位置相重合的原则，采用神经网络算法，将电极贴片阵列输入患者的头部模型进行有限元分析，模拟形成在肿瘤部位产生最大电场，然后根据电场的分布，得到电极贴片阵列中各个电极贴片在头部的具体坐标位置；其中，电极贴片阵列中各个电极贴片的电磁方向为正交设置；

患者的大脑模型在软件中形成立体影像，根据患者的肿瘤部位大小在模型当中形成高亮的显示区域，患者肿瘤以对比明显的颜色生成，立体呈现出肿瘤在头部的位置。

电极贴片的若干脉冲电极以循环单次或多次的方式输出脉冲电压。

(6)将确定的各个电极贴片在头部的具体坐标位置转换为患者头部位置；

完成基于头部肿瘤治疗的电极贴片定位。

具体应用时，如图1所示，在已经完成构建头部肿瘤图像训练样本集合的情况下，将患者的信息等录入软件系统，并将患者头部的三维图像信息导入肿瘤识别BP神经网络进行肿瘤识别识别以及根据患者的头特征部特征信息进行进行建模，从而得到肿瘤在患者头部模型中的坐标位置；再根据步骤(5)的方案分析形成电场最优解，根据电场最优解形成电极阵列的分布方案，生成电极贴片阵列中各个电极贴片在头部的具体坐标位置的报告，供医护人员和患者进行使用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。