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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810944806.4 (22)申请日 2018.08.19 (71)申请人 天津大学 地址 300350 天津市津南区海河教育园雅 观路135号天津大学北洋园校区 (72)发明人 刘琪 姜杉 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 刘子文 (51)Int.Cl. A61B 34/10(2016.01) A61B 18/18(2006.01) (54)发明名称 一种基于CT图像的微波消融治疗计划方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于C。
2、T图像的微波消融 治疗计划方法， 包括以下步骤： 读取病人医学图 像序列并显示， 进行三维重建； 根据三维可视化 结果， 选择最佳进针数目与进针路径， 该路径能 够避开重要组织器官并且留有安全距离， 同时该 路径为皮上进针点与靶区之间的最短路径； 根据 预先设定的进针路径与肿瘤的几何形状， 利用自 动三维热剂量优化算法， 逆向求解出最优的输入 参数； 显示三维组织损伤场与温度场的范围， 对 治疗计划结果评估。 该方法可以辅助医生制定合 理的微波消融手术的术前计划， 通过计算机模拟 方法在术前模拟医生设计的手术方案的临床执 行效果， 为医生提供可靠的手术指导， 从而降低 手术的执行难度， 使得手。
3、术更加安全， 减少对病 人多余的损伤。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 109077804 A 2018.12.25 CN 109077804 A 1.一种基于CT图像的微波消融治疗计划方法， 用于辅助医生制定手术计划， 包括进针 路径、 进针深度和微波输入参数， 其特征在于， 包括以下步骤： (1)读取病人医学图像序列并显示， 进行三维重建； (2)根据三维可视化结果， 选择最佳进针数目与进针路径， 该路径能够避开重要组织器 官并且留有安全距离， 同时该路径为皮上进针点与靶区之间的最短路径； (3)根据预先设定的进针路径与肿瘤的几何形状， 利用自动三维热剂量优化算法， 逆向 求解。
4、出最优的输入参数； (4)显示三维组织损伤场与温度场的范围， 对治疗计划结果评估。 2.根据权利要求1所述一种基于CT图像的微波消融治疗计划方法， 其特征在于， 步骤 (3)中， 为得到最优的治疗参数设定目标函数， 使靶区热剂量最高， 其余组织受热较小， 目标 函数为： 其中， Nk为第k个被热剂量覆盖的器官的热场计算点的个数， n.k为第k个被热剂量覆盖 的器官中第n个靶点的权重因子， n.k的大小根据被热剂量覆盖的器官的重要程度设定， F 的值越小表示热剂量的分布越合理； 自动三维热剂量优化算法流程如下： a.当给出进针数目和进针路径之后， 设定初始状态i， 初始的输入功率P0和加热时间t。
5、0， 退火温度Ti， 计算出目标函数Fi的值； b.对当前状态添加扰动， 改变微波功率、 治疗时间或针尖点位置， 将得到一个新状态j； c.计算状态j的目标函数Fj， 并比较新旧两个目标函数的大小： TFj-Fi； 如果T 0， 则将输入参数和针尖点位置调整到j状态； 如果T0， 此时输入参数或针尖点位置会以 exp(-T/Ti)进行调整； d.计算退火温度Ti+1 Ti， 为控制退火温度下降速度的系数， 若退火温度Ti+1未达到最 低温度， 则继续进行步骤b， 若退火温度Ti+1达到最低温度， 判断是否存在未灭活的靶点； 如 果有， 进行步骤b开始新一轮迭代； 如果没有， 则输出优化后的输入。
6、功率P和加热时间t。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 109077804 A 2 一种基于CT图像的微波消融治疗计划方法 技术领域 0001 本发明涉及微波消融技术领域， 属于计算机与医学介入领域交叉的前沿学科， 尤 其涉及一种基于CT图像的微波消融治疗计划方法。 背景技术 0002 微波消融手术是目前治疗肝癌或肺癌的主要手段之一， 是一种有效的介入肿瘤治 疗方法。 它在治疗过程中患者无需开刀,在局部麻醉患者之后， 便可将针型微波辐射天线经 过皮肤穿刺进入肿瘤内部， 利用微波产生的局部热区破坏肿瘤组织， 进而达到治疗的目的。 0003 与传统的切除手术相比， 微波消融手术具有以下技术。
7、优势： 第一， 微波消融可以反 复治疗， 重复性好， 并可预测消融范围大小。 第二， 微波消融具有非常宽广的而不依赖组织 导电性的主动加热区域， 微波能量在活组织中的传输不受组织干燥及炭化的限制。 因此， 肿 瘤内可以达到足够的温度从而保证创造一个足够大的消融区域， 用较短的治疗时间更彻底 的灭活肿瘤。 第三， 微波消融较少受灌注介质的 “热降” 效应的影响， 可以更好地灭活靠近血 管的肿瘤。 第四， 在射频消融中存在的电子干涉现象不会在多个微波能量协同作用时出现， 这样可以很容易地在短时间内通过协同作用扩大肿瘤的消融范围。 第五， 微波治疗在手术 中有明显的凝血效果， 可以有效降低患者术中大。
8、量出血的危险。 传统的微波消融手术是指 在医学影像的引导下， 医生通过调整微波功率和时间来对肿瘤区域进行消融， 输入参数的 选择很大程度上取决于医生的临床经验。 对于小肿瘤可以采用单针消融， 但当肿瘤的直径 较大或形状不规则时， 单针消融容易引起局部温度过高进而导致组织碳化， 甚至会损害周 边正常组织， 此时便需要植入多根消融针以达到治疗目的。 多针消融手术难度大， 同时对医 生的水平提出了更高的要求。 0004 消融手术效果的好坏主要取决于消融区是否完全覆盖靶区， 重要器官是否受到热 损伤， 周围正常组织是否受到较大的损害。 术前规划对于消融手术来说意义重大， 它能够有 效减少对病人身体的损。
9、伤并降低术后复发的可能性。 发明内容 0005 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足， 提供一种基于CT图像的微波消融治 疗计划方法， 该方法可以辅助医生制定合理的微波消融手术的术前计划， 通过计算机模拟 方法在术前模拟医生设计的手术方案的临床执行效果， 为医生提供可靠的手术指导， 从而 降低手术的执行难度， 使得手术更加安全， 减少对病人多余的损伤。 0006 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 0007 一种基于CT图像的微波消融治疗计划方法， 用于辅助医生制定手术计划， 包括进 针路径、 进针深度和微波输入参数， 包括以下步骤： 0008 (1)读取病人医学图像序列并显示， 进行三。
10、维重建； 0009 (2)根据三维可视化结果， 选择最佳进针数目与进针路径， 该路径能够避开重要组 织器官并且留有安全距离， 同时该路径为皮上进针点与靶区之间的最短路径； 说 明 书 1/4 页 3 CN 109077804 A 3 0010 (3)根据预先设定的进针路径与肿瘤的几何形状， 利用自动三维热剂量优化算法， 逆向求解出最优的输入参数； 0011 (4)显示三维组织损伤场与温度场的范围， 对治疗计划结果评估。 0012 3.步骤(3)中， 为得到最优的治疗参数设定目标函数， 使靶区热剂量最高， 其余组 织受热较小， 目标函数为： 0013 0014 其中， Nk为第k个被热剂量覆盖的。
11、器官的热场计算点的个数， n.k为第k个被热剂 量覆盖的器官中第n个靶点的权重因子， n.k的大小根据被热剂量覆盖的器官的重要程度 设定， F的值越小表示热剂量的分布越合理； 0015 自动三维热剂量优化算法流程如下： 0016 a.当给出进针数目和进针路径之后， 设定初始状态i， 初始的输入功率P0和加热时 间t0， 退火温度Ti， 计算出目标函数Fi的值； 0017 b.对当前状态添加扰动， 改变微波功率、 治疗时间或针尖点位置， 将得到一个新状 态j； 0018 c.计算状态j的目标函数Fj， 并比较新旧两个目标函数的大小： TFj-Fi； 如果 T0， 则将输入参数和针尖点位置调整到j。
12、状态； 如果T0， 此时输入参数或针尖点位置 会以exp(-T/Ti)进行调整； 0019 d.计算退火温度Ti+1 Ti， 为控制退火温度下降速度的系数， 若退火温度Ti+1未 达到最低温度， 则继续进行步骤b， 若退火温度Ti+1达到最低温度， 判断是否存在未灭活的靶 点； 如果有， 进行步骤b开始新一轮迭代； 如果没有， 则输出优化后的输入功率P和加热时间 t。 0020 与现有技术相比， 本发明的技术方案所带来的有益效果是： 0021 (1)本发明方法能够降低微波消融手术的盲目性， 降低对病人身体的损伤， 提高手 术的准确性。 0022 (2)本发明方法能够将目标病灶、 骨骼、 大血管。
13、和重要器官等三维可视化， 医生可 以直观地确定肿瘤在三维解剖结构中的具体位置， 并选择合理的消融针数目， 可以不断地 调整进针路径。 0023 (3)本方法能够根据预先设定的路径和肿瘤几何形状， 计算出能够完全覆盖靶区 并对周围正常组织损伤最小的微波功率与治疗时间。 现有的术前计划系统大多是通过医生 手动设定输入参数， 根据计算得来的热损伤范围与靶区的相对关系， 不断地调整输入参数 直到满足临床需求。 本发明能够更加省时并降低了术前规划的难度， 同时使得术前规划更 加准确。 附图说明 0024 图1是本发明方法的流程示意图。 0025 图2是消融手术进针示意图。 0026 图3是基于模拟退火算。
14、法的自动三维热剂量优化算法流程图。 说 明 书 2/4 页 4 CN 109077804 A 4 具体实施方式 0027 下面结合附图对本发明作进一步的描述。 0028 图1是本发明方法的流程示意图， 包括进针路径规划过程与逆向热剂量优化过程， 该治疗计划方法的流程为： 0029 步骤A： 读取病人医学图像序列并显示， 进行三维重建； 0030 步骤B： 根据三维可视化结果， 选择最佳进针数目与进针路径。 图2是本发明涉及的 消融手术进针示意图， 最佳进针路径的选择原则是使消融区最大可能地覆盖肿瘤并且对病 人的伤害最小。 由于在穿刺过程中， 存在软组织变形和其它随机误差存在， 所以皮上穿刺点 。
15、和目标靶点之间的最短距离被视为最佳进针路径。 同时进针路径需要避开大血管、 肋骨和 重要器官并留有一定的安全距离， 消融针之间不能发生干涉。 因此， 进针数目与进针路径可 根据系统的三维重建结果不断调整。 0031 步骤C： 根据预先设定的进针路径与肿瘤的几何形状， 利用自动三维热剂量优化算 法， 逆向求解出最优的输入参数； 医生只需要给每根消融针一个初始的微波功率和加热时 间， 通过自动三维热剂量优化算法可计算出能够完全灭活肿瘤同时对病人身体损伤最小的 微波功率和加热时间。 为了得到最优的治疗参数设定目标函数， 使靶区热剂量最高， 其余组 织受热较小， 目标函数为： 0032 0033 其中。
16、， Nk为第k个被热剂量覆盖的器官的热场计算点的个数， n.k为第k个被热剂 量覆盖的器官中第n个靶点的权重因子， n.k的大小根据被热剂量覆盖的器官的重要程度 设定。 F的值越小， 说明热剂量的分布越合理。 0034 图3为三维热剂量优化算法流程图， 具体步骤如下: 0035 步骤C1： 当医生根据经验给出进针数目和进针路径之后， 设定初始状态i， 初始的 输入功率P0和加热时间t0， 退火温度Ti， 计算出目标函数Fi的值。 0036 步骤C2： 对当前状态添加扰动， 改变微波功率、 治疗时间或针尖点位置， 将得到一 个新状态j。 0037 步骤C3： 计算状态j的目标函数Fj， 并比较新。
17、旧两个目标函数的大小； TFj-Fi， 如果T0， 则将输入参数和针尖点位置调整到j状态； 如果T0， 此时输入参数或针尖 点位置会以exp(-T/Ti)的概率进行调整。 0038 步骤C4： 计算退火温度Ti+1 Ti， 为控制退火温度下降速度的系数， 若退火温度 Ti+1未达到最低温度， 则继续进行步骤C2。 若退火温度Ti+1达到最低温度， 判断是否存在未灭 活的靶点。 如果有， 进行步骤C2开始新一轮迭代； 如果没有， 则输出优化后的输入功率P和加 热时间t。 0039 步骤D： 显示三维组织热损伤场与温度场的范围， 对治疗计划结果评估。 显示的三 维组织热损伤场为能够灭活肿瘤的最大消。
18、融边界， 通过最大消融边界可以看出术前计划效 果的好坏， 对治疗计划结果评估。 具体实施过程中选择了体积较大且形状不规则的肿瘤， 根 据肿瘤所在的位置和形状需要规避骨组织， 采用两根消融针以达到消融目的。 根据进针路 径的选择原则， 为两根消融针选择合理的进针路径。 根据上文提出的优化算法， 最终求得了 说 明 书 3/4 页 5 CN 109077804 A 5 最佳的进针点位置、 输入功率P和时间t。 0040 本发明并不限于上文描述的实施方式。 以上对具体实施方式的描述旨在描述和说 明本发明的技术方案， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 并不是限制性的。 在不脱离本 发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可 做出很多形式的具体变换， 这些均属于本发明的保护范围之内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 109077804 A 6 图1 说 明 书 附 图 1/3 页 7 CN 109077804 A 7 图2 说 明 书 附 图 2/3 页 8 CN 109077804 A 8 图3 说 明 书 附 图 3/3 页 9 CN 109077804 A 9 。