《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》是中國人民解放軍總醫院於2014年4月14日申請的專利，該專利的公布號為CN103970988A，授權公布日為2014年8月6日，發明人是梁萍、吳文波、於曉玲、程志剛、劉方義、薛勁、穆夢娟。
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》公開消融針穿刺路徑規劃方法，包括：獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據；基於所述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域；針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點到腫瘤中心點的線，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交；由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量；以及將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。還公開了一種消融針穿刺路徑規劃系統。該發明能夠高效地自動規劃出最佳的消融針穿刺路徑，為消融手術提供良好的術前規劃指導。
2020年7月14日，《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：消融針穿刺路徑規劃方法及系統
- 申請人：中國人民解放軍總醫院
- 申請日：2014年4月14日
- 申請號：2014101480129
- 公布號：CN103970988A
- 公布日：2014年8月6日
- 發明人：梁萍、吳文波、於曉玲、程志剛、劉方義、薛勁、穆夢娟
- 地址：北京市海淀區復興路28號
- Int. Cl.：G06F19/00(2011.01)I、A61B19/00(2006.01)I
- 代理機構：北京市隆安律師事務所
- 代理人：廉振保
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
消融治療的手術規劃需要滿足各種需求，包括最短路線、避開血管和骨骼障礙、消融針數量、最低創傷和最佳治療效果等等，虛擬夾具（VF）方法能夠在一定程度上解決以上的需求，包括引導型虛擬夾具（GVF）和障礙型虛擬夾具（FRVF），GVF是用來引導消融針向期望目標或沿期望路徑及表面運動，同時可以降低對用戶輸入的需求；FRVF的作用是阻止消融針進入障礙區域，避免出現碰撞等不合法的運動。最短路徑、最佳治療效果的需求為引導型，血管和骨骼障礙為障礙型。如何綜合考慮以上各種需求，根據以上需求建立各種虛擬夾具模型，最終得到初步的進針路線和消融針的預估效果，是該領域技術人員一直研究的課題。2014年之前的消融針穿刺路徑規劃方式都是由醫生根據術區的三維圖像，手動規劃出可能的消融針穿刺路徑，然後由計算機對路徑數據進行處理來判斷該路徑是否滿足上述需求，這種方式高度依賴術者的經驗，受各種人為因素的干擾，且耗時耗力。
發明內容
專利目的
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例所要解決的技術問題在於，提供一種消融針穿刺路徑規劃方法及系統，使得能夠自動規劃出最佳的消融針穿刺路徑。
技術方案
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例提供了一種消融針穿刺路徑規劃方法，包括:
獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據；基於所述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域；針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點到腫瘤中心點的線，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交；由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量，給定條件包括基礎障礙約束條件、消融範圍在安全邊界區域內以及消融比大於閾值；以及將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例還提供了一種消融針穿刺路徑規劃系統，包括：
獲取模組，其獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據；預處理模組，其基於所述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域；基準路徑設定模組，其針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點到腫瘤中心點的線，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交；實際路徑設定模組，其由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量，給定條件包括基礎障礙約束條件、消融範圍在安全邊界區域內以及消融比大於閾值；以及輸出模組，其將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。
改善效果
利用《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》，能夠高效地自動規劃出最佳的消融針穿刺路徑，為消融手術提供良好的術前規劃指導。
附圖說明
圖1為消融針路徑規劃參考圖。
圖2為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例的消融針穿刺路徑規劃方法的流程示意圖。
圖3為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例的消融針路徑規劃示意圖。
圖4為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例的消融針穿刺路徑規劃方法中的部分流程示意圖之一。
圖5為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例的消融針穿刺路徑規劃方法中的部分流程示意圖之一。
圖6為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例的消融針穿刺路徑規劃系統的結構示意圖。
技術領域
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》涉及醫學技術領域，具體涉及消融針穿刺路徑規劃方法及系統。
權利要求
1.一種消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，包括:獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據；基於所述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域；針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點到腫瘤中心點的線，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交；由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量，給定條件包括基礎障礙約束條件、消融範圍在安全邊界區域內以及消融比大於閾值；以及將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。
2.根據權利要求1所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，標定感興趣進針區域為：依照腫瘤的外層輪廓在主要進針方向設定錐形區域作為感興趣進針區域。
3.根據權利要求1所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，將感興趣進針區域分成多個子區，每個子區最多設定一個基準路徑。
4.根據權利要求1所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑包括：由一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑。
5.根據權利要求4所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，所述一個基準路徑是操作者選擇的或自動選擇的。
6.根據權利要求1所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑包括：由每個基準路徑偏移出滿足給定條件的一組N個備選路徑；以及比較各組N個備選路徑，將消融比最高或虛擬約束最優的一組N個備選路徑作為N個實際路徑。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，給定條件還包括消融比最高或虛擬約束最優。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的消融針穿刺路徑規劃方法，其特徵在於，偏移的方式為以與基準路徑平行的方式移動。
9.一種消融針穿刺路徑規劃系統，其特徵在於，包括：獲取模組，其獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據；預處理模組，其基於所述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域；基準路徑設定模組，其針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點到腫瘤中心點的線，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交；實際路徑設定模組，其由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量，給定條件包括基礎障礙約束條件、消融範圍在安全邊界區域內以及消融比大於閾值；以及輸出模組，其將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。
10.根據權利要求9所述的消融針穿刺路徑規劃系統，其特徵在於，所述基準路徑設定模組將感興趣進針區域分成多個子區，每個子區最多設定一個基準路徑。
實施方式
圖1為消融針路徑規劃示意圖。如圖1所示，《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》的目的就在於，如何自動規劃出從經皮進針點Pi到腫瘤T的N個穿刺路徑，N為消融針數量，這些穿刺路徑需要滿足各種需求，如要避開血管V和骨骼S等。
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例提供了一種消融針穿刺路徑規劃方法。利用該方法能夠高效地自動規劃出最佳的消融針穿刺路徑。圖2為該發明實施例的消融針穿刺路徑規劃方法的流程示意圖。
如圖2所示，《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》的消融針穿刺路徑規劃方法包括:
步驟S1，獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據。
該步驟可以採用各種常規方式實現。這裡的血管可以僅是一些重要血管。
步驟S2，基於上述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域。具體來說，該步驟包含以下過程：
①計算腫瘤中心點：該計算可以採用各種方式實現。
例如，基於獲取的腫瘤數據，可以通過將分割後的腫瘤面片數據中所有的點數據進行均值計算來得到腫瘤中心點PC。
②在腫瘤周邊生成安全邊界區域（RSL區域）：即在腫瘤外層正常組織中生成一層區域，該區域不包含血管和骨骼。此區域用於限制消融針的作用範圍，也即消融針的消融範圍不可超過該區域。
③標定感興趣進針區域（ROI區域）：消融針的進針區域限定在感興趣進針區域內。後續步驟均是針對ROI區域進行的，這樣可以有效減小搜尋範圍和計算區域。
可以以各種方式實現標定。較為有利的方式是，依照腫瘤的外層輪廓在主要進針方向設定錐形區域作為ROI區域，如圖3所示，示出了該錐形區域的一個截面。例如，該錐形區域的角度可以為60度。
步驟S3，針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點Pi到腫瘤中心點PC的線，下文表示為PiPC。具體來說，該步驟包含以下過程：
①搜尋滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑。
可以適當設定基礎障礙約束條件。在該實例中，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交。
在感興趣進針區域，可以每隔一定度數（例如，3度等）的空間角作為搜尋間隔選取經皮進針點Pi（如圖1所示），判斷其是否滿足基礎障礙約束條件。
另外，可以將ROI區域分成M個子區，對每個子區執行上述步驟。判斷是否相交可以採用多種算法，例如可以採用GPU加速的射線-體素相交算法等，從而提高算法計算效率。
②對滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑，計算虛擬約束。
虛擬約束可以包括引導型虛擬約束和障礙型虛擬約束。該領域有多種設計虛擬約束的方式，均可以套用於該發明。
此處，以最短進針路線虛擬約束VF和骨骼血管障礙虛擬約束VF為例進行說明。虛擬約束為：VF=VF+VF。
其中，Di為經皮進針點Pi距PC點的距離│Pi-Pc│，Bi=│Pi-PB│，PB為路徑PiPC與骨骼和血管的最近距離點，當路徑
PiPC在骨骼和血管邊界時，Bi=0。
下文在計算實際路徑的虛擬約束時，用實際經皮進針點Pni和實際腫瘤進針點PCn分別代替以上Pi和PC即可。
對滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑，計算VF和VF。以上僅是VF和VF的示例計算方式，還可以採用其他計算方式。
③基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑。
該步驟包括選擇虛擬約束較優的若干簡化路徑，將它們設定為基準路徑。這裡，部分簡化路徑的數量是預先設定的，為大於0的整數。
在ROI區域分成M個子區的情況下，該步驟可以包括對每個子區最多設定一個基準路徑。也即將每個子區中虛擬約束最優的一個簡化路徑設定為基準路徑，最多可設定M個基準路徑，因為有的子區可能沒有滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑。
這裡的“優”可以表示高或低，因為不同的虛擬約束設定方式可以有所不同，例如，在該實例中的上述公式的情況下，虛擬約束較優或最優指的是較高或最高。在採用其他公式的情況下，虛擬約束較優或最優可以指的是較低或最低。
步驟S4，由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量，給定條件包括基礎障礙約束條件、消融範圍在安全邊界區域內以及消融比大於閾值。當然，給定條件還可以包括其他條件，諸如消融比最高或虛擬約束最優。
此處，消融針數量N是根據腫瘤形狀和大小而定的。其可以是操作者預先輸入或選擇的，也可以是自動生成的。例如，可以根據腫瘤體積和單個消融針的消融體積（即消融範圍）之比自動得出消融針數量。通常，建議消融針數量N小於4根。
步驟S5，將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。
步驟S4可以用多種方式實現，以下將介紹兩種典型例子。
例一：由一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑。
圖4為《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例的消融針穿刺路徑規劃方法中的部分流程示意圖，該圖示出了該步驟4的具體例子。
步驟S41，選擇一個基準路徑。
可以由操作者選擇，也可以由方法自動選擇。例如，操作者可以在步驟3最後得到的基準路徑的基礎上，根據經驗判斷，選擇一個進針方向較優的基準路徑。或者，可以自動地隨機選擇一個基準路徑，或者可以自動地選擇虛擬約束最優的一個基準路徑。
步驟S42，由所述基準路徑偏移出N個實際路徑。
偏移可以採用多種方式。例如，可以由基準路徑平行移動而偏移出N個實際路徑。即，將基準路徑的Pi和PC連線平行移動，形成相互隔開的N個實際路徑，每個實際路徑具有實際經皮進針點Pni和實際腫瘤進針點PCn，實腫瘤瘤進針點指的是消融針末端在腫瘤中所在的位置。偏移量可以合理設定。
步驟S43，搜尋滿足給定條件的N個實際路徑。
該步驟可以實現為多種方式。
給定條件包括基礎障礙約束條件。對於每個實際路徑，看是否滿足基礎障礙約束條件，如步驟S431所示。
給定條件還包括消融比是否大於閾值以及消融範圍在安全邊界區域內，如步驟S432所示。消融比為各消融針的消融體積之和與腫瘤體積之比，閾值可以根據需要設定，例如為90%等。
若滿足，則進入步驟5，若不滿足則返回步驟42，重新偏移出新的N個實際路徑。這裡重新偏移的方式有多種，例如，可以將滿足基礎障礙約束條件的實際路徑保持不動（偏移量為0），偏移剩餘實際路徑，直到剩餘實際路徑也滿足給定條件。當然也可以所有路徑的偏移量都不為0。
在給定條件還包括其他條件的情況下，可以繼續進行判斷。例如，給定條件還可以包括消融比最高或虛擬約束最優，此時可以如圖5所示進入如下流程：
將滿足前述條件的N個實際路徑保存為第一組N個備選路徑，並且重新偏移出另外的N個實際路徑，找到均滿足前述條件的第二組N個備選路徑。然後比較各組N個備選路徑，將消融比最高或虛擬約束最優的一組N個備選路徑作為N個實際路徑，如步驟S4331至步驟S437所示。當然，此處，也可以找到多組N個備選路徑，進行比較，儘管這樣會增加計算成本。
例二：由每個基準路徑偏移出滿足給定條件的一組N個備選路徑；以及比較各組N個備選路徑，將消融比最高或虛擬約束最優的一組N個備選路徑作為N個實際路徑。
該例子是例一的變形。由每個基準路徑偏移出滿足給定條件的一組N個備選路徑，同例一。
《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》實施例還提供了一種消融針穿刺路徑規劃系統。利用該系統能夠高效地自動規劃出最佳的消融針穿刺路徑。圖6為該發明實施例的消融針穿刺路徑規劃系統的結構示意圖。如圖6所示，消融針穿刺路徑規劃系統包括：
獲取模組，其獲取腫瘤、血管、骨骼以及體表的數據；預處理模組，其基於所述數據，計算腫瘤中心點，在腫瘤周邊生成安全邊界區域，以及標定感興趣進針區域；基準路徑設定模組，其針對感興趣進針區域，計算滿足基礎障礙約束條件的簡化路徑的虛擬約束，基於虛擬約束將部分簡化路徑設定為基準路徑，簡化路徑為連線經皮進針點到腫瘤中心點的線，基礎障礙約束條件為路徑與血管和骨骼不相交；實際路徑設定模組，其由至少一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑，N為消融針數量，給定條件包括基礎障礙約束條件、消融範圍在安全邊界區域內以及消融比大於閾值；以及輸出模組，其將N個實際路徑輸出為N個穿刺路徑。
其中，所述基準路徑設定模組可以將感興趣進針區域分成多個子區，每個子區最多設定一個基準路徑。
其中，實際路徑設定模組可以由一個基準路徑偏移出滿足給定條件的N個實際路徑。如上述結合步驟4描述的那樣。
其中，實際路徑設定模組還可以由每個基準路徑偏移出滿足給定條件的一組N個備選路徑；比較各組N個備選路徑，將消融比最高或虛擬約束最優的一組N個備選路徑作為N個實際路徑。如上述結合步驟4描述的那樣。
榮譽表彰
2020年7月14日，《消融針穿刺路徑規劃方法及系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
