肿瘤消融仿真方法及系统
阅读说明：本技术 肿瘤消融仿真方法及系统 (Tumor ablation simulation method and system ) 是由 赵宇熙 周付根 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种肿瘤消融仿真方法及系统,该方法包括：在医学影像中标记肿瘤目标,建立包含肿瘤目标TV区域的三维影像；在三维影像中生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域,在布针区域设置若干针道,若干针道在布针区域无交点,在针道中设置微波放射源,微波放射源产生电磁场以消融肿瘤目标；计算电磁场覆盖的第一消融体积；设置消融参数,消融参数表征第一消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度；修改针道数量、针道位置、微波放射源功率和工作时间中的至少一个参数,重新计算第一消融体积,以满足消融参数。本发明提出的技术方案仿真微波消融手术的治疗效果,为医师在手术前提供实施参考,缓解了对医师个人经验的高度依赖。(The invention discloses a tumor ablation simulation method and a system, wherein the method comprises the following steps: marking a tumor target in the medical image, and establishing a three-dimensional image containing a tumor target TV region; generating a needle distribution area enveloping a tumor target TV area in a three-dimensional image, arranging a plurality of needle ways in the needle distribution area, wherein the needle ways have no intersection points in the needle distribution area, arranging a microwave radioactive source in each needle way, and generating an electromagnetic field by the microwave radioactive source to ablate a tumor target; calculating a first ablation volume covered by an electromagnetic field; setting ablation parameters, wherein the ablation parameters represent the degree of conformity of the first ablation volume and the tumor target TV region; at least one of the number of needle tracks, the position of the needle tracks, the power of the microwave radiation source and the operating time is modified and the first ablation volume is recalculated to meet the ablation parameters. The technical scheme provided by the invention simulates the treatment effect of the microwave ablation operation, provides reference for the implementation of doctors before the operation, and relieves the high dependence on personal experience of the doctors.)
技术领域
本发明涉及虚拟手术技术领域，特别是涉及一种肿瘤消融仿真方法及系统。
背景技术
微波消融作为局部热消融的一种，具有微创、不良反应小、疗效确切、热效率高、受碳化组织及血流影响小、消融范围大等优点。近年来，影像引导微波消融技术开始广泛应用于各种实体肿瘤的治疗，尤其是在肝癌、肺癌的治疗方面。目前，国内外的微波消融手术目前仍未建立起成熟的行业规范，医师在微波消融手术前缺乏技术手段对手术进行规划和仿真，手术严重医师个人经验，造成手术效果因人而异。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种肿瘤消融仿真方法及系统，以缓解现有技术的不足。
根据一些实施例，在本发明的第一方面提供了一种肿瘤消融仿真方法，其包括：在医学影像中标记肿瘤目标，建立包含肿瘤目标TV区域的三维影像；在三维影像中生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域，在布针区域设置若干针道，若干针道在布针区域无交点，在针道中设置微波放射源，微波放射源产生电磁场以消融肿瘤目标；计算电磁场覆盖的第一消融体积；设置消融参数，消融参数表征第一消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度；修改针道数量、针道位置、微波放射源功率和工作时间中的至少一个参数，重新计算第一消融体积，以满足消融参数。
根据一些实施例，在本发明的第二方面提供了一种肿瘤消融仿真系统，其包括：获取模块，其用于在医学影像中标记肿瘤目标，建立包含肿瘤目标TV区域的三维影像；计划模块，其用于在三维影像中生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域，在布针区域设置若干针道，若干针道在布针区域无交点，在针道中设置微波放射源，微波放射源产生电磁场以消融肿瘤目标；计算模块，其用于计算电磁场覆盖的第一消融体积；参数模块，其用于设置消融参数，消融参数表征第一消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度；优化模块，其用于修改针道数量、针道位置、微波放射源功率和工作时间中的至少一个参数，重新计算第一消融体积，以满足消融参数。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：提出了一种肿瘤消融仿真方法及系统，仿真微波消融手术的治疗效果，为医师在手术前提供实施参考，缓解了对医师个人经验的高度依赖。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例一种肿瘤消融仿真方法流程示意图；
图2为本发明第二实施例一种肿瘤消融仿真系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
第一实施例：
图1为本发明第一实施例一种肿瘤消融仿真方法流程示意图，如图1所示，该方法包括如下5个步骤。
步骤S10：建立包含所述肿瘤目标TV区域的三维影像。具体地，在医学影像中标记肿瘤目标，建立包含肿瘤目标TV区域的三维影像。
在一个可选的实施例中，根据肿瘤目标的时域或频域特征，检测医学影像中的肿瘤目标，即通过肿瘤目标的颜色和频率特征进行检测。或通过人工勾画的形式，将医学影像中的肿瘤目标标记。
需要进行说明的是，TV(Target Volume)治疗靶区为CTV(Clinical TargetVolume)临床靶区，包括已确定存在的肿瘤和潜在的受侵组织，GTV(Gross Tumor Volume)肿瘤区和周围的亚临床病灶构成CTV，微波消融治疗的目的在于，通过微波辐射场引起周围水分子高速旋转运动摩擦升温，从而使肿瘤TV区域人体组织凝固，脱水坏死。医学影像可以是CT(Computed Tomography计算机断层扫描)影像、MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)影像。
步骤S11：设置肿瘤消融仿真区域。具体地，在三维影像中生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域，在布针区域设置若干针道，若干针道在布针区域无交点，在针道中设置微波放射源，微波放射源产生电磁场以消融肿瘤目标。
在一个可选的实施例中，生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域的步骤，包括：设置长方体，长方体以最小的体积在三维方向上包络肿瘤目标TV区域；去除长方体包含的危及器官或骨组织区域，以构成布针区域。需要进行说明的是，方体以最小的体积在三维方向上包络肿瘤目标TV区域，即表示肿瘤目标TV区域全在长方体内，且若长方体缩小体积，则会有肿瘤目标TV区域在长方体外，即长方体的每个面都与肿瘤目标TV区域相切。
步骤S12：计算电磁场覆盖的第一消融体积。
需要进行说明的是，若干针道产生的电磁场，以微波放射源为中心，向四周辐射电磁场，随着与微波放射源的距离增加，电磁场的强度逐渐降低。可选地，根据微波源的功率及工作时间，计算电磁场覆盖的第一消融体积。示例性地，根据微波源的功率及工作时间，可在公开资料或商业软件中获取电磁场的分布。
在一个可选的实施例中，首先，计算微波放射源的电磁场分布，再根据电磁场分布计算计算肿瘤目标的温度场；设置温度阈值，温度阈值等温面包络的体积为第一消融体积。例如，设置温度阈值为60摄氏度，在次温度下，肿瘤目标TV区域组织会产生凝固，脱水坏死。
步骤S13：设置消融参数。消融参数表征第一消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度。通过统计第一消融体积和肿瘤目标TV区域的重合部分，以及非重合部分，可以得出两者的适形程度。
示例性地，消融参数包括适形指数、覆盖率、过消融率及未消融率。例如第一消融体积为V1，肿瘤目标TV区域体积为Vt，第一消融体积和肿瘤目标TV区域的重合部分的体积为V1t
·适形指数：第一消融体积与肿瘤目标TV区域形状、大小的一致程度。
·覆盖率：V1t占Vt的百分比。
·过消融率：第一消融体积所包含的正常组织体积第一消融体积的百分比。
·未消融率：第一消融体积未包含的肿瘤目标TV区域体积占肿瘤目标TV区域体积的百分比。
步骤S14：优化微波消融仿真参数。具体地，修改针道数量、针道位置、微波放射源功率和工作时间中的至少一个参数，重新计算第一消融体积，以满足消融参数。为了满足消融参数，对针道数量、针道位置、微波放射源功率和工作时间四个参数进行调整。
在一个可选的实施例中，以针道数量最少和第一消融体积最小为优化目标，在满足消融参数的条件下，对针道位置、微波放射源功率和工作时间三个参数进行优化。示例性地，将针道数量、第一消融体积作为优化目标，消融参数作为约束，将针道位置、微波放射源功率和工作时间作为优化变量，使用多目标优化的方法，求解出针道数量最少和第一消融体积最小情况下，针道位置、微波放射源功率和工作时间的取值。
在一些实施例中，在消融手术完成后，获取肿瘤目标消融后的医学影像，在肿瘤目标消融后的医学影像中获取第二消融体积，计算第二消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度。从而验证本实施例肿瘤消融仿真方法的精确度。
示例性地，消融参数包括适形指数、覆盖率、过消融率及未消融率。例如第二消融体积为V2，肿瘤目标TV区域体积为Vt，第一消融体积和肿瘤目标TV区域的重合部分的体积为V2t
·适形指数：第二消融体积与肿瘤目标TV区域形状、大小的一致程度。
·覆盖率：V2t占Vt的百分比。
·过消融率：第二消融体积所包含的正常组织体积第一消融体积的百分比。
·未消融率：第二消融体积未包含的肿瘤目标TV区域体积占肿瘤目标TV区域体积的百分比。
第二实施例：
图2是本发明实施例一种肿瘤消融仿真系统结构示意图，如图2所示，肿瘤消融仿真系统100包括：
获取模块101，其用于在医学影像中标记肿瘤目标，建立包含肿瘤目标TV区域的三维影像。
计划模块102，其用于在三维影像中生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域，在布针区域设置若干针道，若干针道在布针区域无交点，在针道中设置微波放射源，微波放射源产生电磁场以消融肿瘤目标。
计算模块103，其用于计算电磁场覆盖的第一消融体积。
参数模块104，其用于设置消融参数，消融参数表征第一消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度。
优化模块105，其用于修改针道数量、针道位置、微波放射源功率和工作时间中的至少一个参数，重新计算第一消融体积，以满足消融参数。
在一些实施例中，计划模块102中生成包络肿瘤目标TV区域的布针区域的步骤，包括：设置长方体，长方体以最小的体积在三维方向上包络肿瘤目标TV区域；去除长方体包含的危及器官或骨组织区域，以构成布针区域。
在一些实施例中，计算模块103被进一步配置为：计算微波放射源的电磁场分布；根据电磁场分布计算，计算肿瘤目标的温度场；设置温度阈值，温度阈值等温面包络的体积为第一消融体积。
在一些实施例中，优化模块105被进一步配置为：以针道数量最少和第一消融体积最小为优化目标，在满足消融参数的条件下，对针道位置、微波放射源功率和工作时间三个参数进行优化。
在一些实施例中，肿瘤消融仿真系统100还包括：验证模块，其用于获取肿瘤目标消融后的医学影像，在肿瘤目标消融后的医学影像中获取第二消融体积，计算第二消融体积与肿瘤目标TV区域适形程度。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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