一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及肝臟腫瘤射頻消融技術(shù)，旨在提供一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法。該種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法包括：對腫瘤圖像進行預處理；在一個合理的約束條件下將腫瘤圖像聚類成橢球形的若干子類；對得到的每一類求其最小覆蓋橢球；利用自動確定的最小覆蓋橢球個數(shù)，給出初始射頻方案；確定圓錐形可調(diào)區(qū)域，手動調(diào)節(jié)初始射頻方向，使其完全避開大血管和肋骨，完成最終射頻方案制定。本發(fā)明實現(xiàn)術(shù)前制定射頻治療方案的目的，并能在術(shù)中進行三維導航，且本發(fā)明所采用的優(yōu)化算法能夠幫助醫(yī)生更加精確有效地實施手術(shù)，并盡可能地減少手術(shù)對正常組織的傷害，避開周圍的器官，從而使射頻消融手術(shù)更加安全有效。
【專利說明】
一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于肝臟腫瘤射頻消融技術(shù)領域，特別涉及一種利用橢球覆蓋腫瘤精確 模擬射頻消融技術(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腫瘤射頻消融術(shù)是近年來興起的實體腫瘤的微創(chuàng)治療新技術(shù)。與傳統(tǒng)治療相比具 有療效高、創(chuàng)傷小、痛苦小、恢復快、風險小、適應癥廣等優(yōu)點，被國內(nèi)外專家稱為綠色治療 技術(shù)。腫瘤細胞對熱的耐受能力比正常細胞差，局部加溫至39-40Γ便可使其停止分裂，達 至|J41-42°C時可致癌細胞死亡或引起其DNA損傷，49°C以上發(fā)生不可逆的細胞損傷。
[0003] 集束射頻電極發(fā)射高頻率射頻波，激發(fā)組織細胞進行等離子震蕩，所產(chǎn)生的熱量 可使局部溫度達到90°C以上，從而快速有效地殺死腫瘤細胞。該技術(shù)的原理是在CT、彩色B 超的引導下，將多極子母針消融電極準確刺入腫瘤部位，射頻消融儀在電子計算機控制下 將射頻脈沖能量通過多極針傳導到腫瘤組織中，使腫瘤組織產(chǎn)生局部70-95Γ高溫，從而達 到使腫瘤組織及其鄰近的可能被擴散的組織凝固壞死的目的，壞死組織在原位被機化或吸 收。射頻消融治療腫瘤的手術(shù)過程中，醫(yī)生要求在完全燒死腫瘤細胞的前提下盡可能少的 破壞周圍健康的組織。
[0004] 目前，射頻消融治療惡性腫瘤影響效果最顯著的因素是腫瘤消融不全，其與腫瘤 大小及射頻消融穿刺路徑密切相關(guān)，多項研究證實了射頻后原位復發(fā)率較高是由于無法精 確定位及精確消融所致。因此，生產(chǎn)出可以輔助精確定位射頻消融的圖形處理系統(tǒng)，建立射 頻消融的優(yōu)化路徑，提高射頻消融的效率，為醫(yī)生制定相應的精確消融手術(shù)方案提供技術(shù) 支持，具有廣闊的應用前景和積極意義。
[0005] 射頻消融效果的好壞很大程度上依賴于腫瘤的大小、位置以及操作者的經(jīng)驗。傳 統(tǒng)射頻消融手術(shù)是在二維超聲引導下進行的，由于超聲導航具有成像模糊以及局部性的特 點，所以目標腫瘤的一些整體信息，比如腫瘤大小，形狀等難以在術(shù)中準確把握，容易導致 病灶消融不完全的特點，而這也是造成癌細胞復發(fā)的一個最重要的原因之一。因此，精確的 術(shù)前規(guī)劃以及三維導航技術(shù)對射頻消融具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠在射頻消融治療腫 瘤過程中，精確模擬最小消融范圍并提供最少消融次數(shù)和最優(yōu)進針路徑的方法。為解決上 述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：
[0007] 提供一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法，具體包括下述過程：
[0008] (一)對腫瘤圖像進行預處理；
[0009] (二)在一個合理的約束條件下將腫瘤圖像聚類成橢球形的若干子類；
[0010](三)對得到的每一類求其最小覆蓋橢球；
[0011](四）利用過程(二）、（三）自動確定最小覆蓋橢球個數(shù)，給出初始射頻方案；
[0012] (五)確定圓錐形可調(diào)區(qū)域，手動調(diào)節(jié)初始射頻方向，使其完全避開大血管和肋骨， 完成最終射頻方案制定；
[0013] -般來說，單極射頻針的消融范圍近似于一個橢球，傘形射頻針的消融范圍更接 近一個圓球，由于單極射頻針在肝臟射頻消融中更常用，并且圓球可看做特殊的橢球，本發(fā) 明利用橢球模擬單針消融區(qū)域;消融區(qū)域大小由射頻針的規(guī)格和電發(fā)生器的輸出功率以及 射頻時間決定;在固定輸出功率、射頻針規(guī)格以及射頻時間的情況下，此區(qū)域的大小可由活 體或者離體動物實驗獲得;本發(fā)明中橢球形消融區(qū)域（以下統(tǒng)稱消融橢球)的長短半軸大小 為兩個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，對于需要多次消融的大腫瘤，其進針方式假設為利用一根射頻針逐 次進行消融，因此，不同消融區(qū)域的熱交換忽略不計；
[0014] 所述過程(一）中，腫瘤圖像為三維體素圖像，圖像包括分割好的皮膚、骨骼、肝臟、 腫瘤、大血管，其中，大血管是指直徑大于3毫米的血管：
[0015] 對腫瘤圖像進行預處理，包括對腫瘤、血管以及腹部皮膚進行處理，具體為:首先， 利用膨脹算法，將腫瘤圖像邊緣擴大4~6毫米作為安全邊界，作為新的目標腫瘤圖像;其 次，腐蝕掉安全邊界中距離大血管小于1毫米的區(qū)域，并在腐蝕過程中保證腫瘤區(qū)域完好無 損;最后，（根據(jù)醫(yī)生需求)在分割好的皮膚上限定一個(合理的)進針范圍，且進針范圍是一 個獨立的連通區(qū)域；
[0016] 所述過程(二)具體包括下述步驟：
[0017] 步驟A:預測單針消融次數(shù)，假設經(jīng)過預處理之后新的目標腫瘤圖像的最小凸包體 積為Vi，消融橢球的體積為v2,則預測得到的單針消融次數(shù)為
其中，「1為向上取整符 號；同時，令聚類個數(shù)
[0018] 步驟B:確定初始聚類中心，若聚類個數(shù)K=l，則任取一個屬于目標腫瘤圖像的體 素點作為聚類中心;若κ> 1，選取歐式距離之和最遠的Κ個體素點作為聚類中心；
[0019] 步驟C:計算腫瘤圖像中每一個體素點到各聚類中心的距離，按照歐式距離最小原 則對腫瘤圖像中的體素點進行劃分聚類；
[0020] 步驟D:選定一個用于調(diào)節(jié)的單位向量es，es垂直于冠狀面并且指向腹前方;且es總 是滿足過程(一）中設定的進針范圍的要求；
[0021] 步驟E:對于步驟C中得到的每一個子類，計算每一個子類的質(zhì)心和對應的協(xié)方差 矩陣;這里假設對于第i個子類，其質(zhì)心為Cl，作為聚類中心，協(xié)方差矩陣為 Qi 1的特征根且滿足，eii，ei2，ei3為對應的單位特征向量；
[0022]步驟F:假設消融橢球的長短半軸長度比為l:k，且當射頻針選定之后，k是一個常 數(shù);重新調(diào)整Qf1的特征根的大小，使得1 i/c', ,對于特征向量ei3,若延長ei3 到腹前皮膚的交點落在進針范圍內(nèi)，則el3保持不變;否則，調(diào)整el3為
[0023]
[0024] 其中，t為1到10之間使得調(diào)整后的ei3符合進針范圍的最小正整數(shù);k的取值范圍為 0<k<l；
[0025] 同時，更新eu，ei2使得三個單位特征向量保持兩兩垂直的關(guān)系，更新協(xié)方差矩陣 Qi ;
[0026] 步驟G:利用上述所得質(zhì)心和協(xié)方差矩陣，定義點到各個聚類中心的距離度量：
[0027] D(vj,Ci,Qi) = (vj-Ci)TQr1(vj-Ci),i = l,2,. . . ,Κ,
[0028] 其中，為腫瘤圖像中的任意一個體素坐標，Cl為第i個子類的聚類中心，Qi為調(diào)整 后的協(xié)方差矩陣，T表不矩陣的轉(zhuǎn)置；
[0029] 步驟H:利用步驟G中定義的距離度量，重新計算腫瘤圖像中每個點到各個聚類中 心的距離，按照距離最小原則重新劃分聚類；
[0030] 步驟I:若聚類結(jié)果與上次迭代的聚類劃分效果相比沒有變化，則停止迭代，否則， 則轉(zhuǎn)到步驟E，并令調(diào)節(jié)向量es = el3,重新進行迭代計算，直至聚類效果與上次迭代相比沒 有變化時，停止迭代，得到最終的聚類結(jié)果；
[0031] 所述過程(三)是對過程(二)得到的K個子類分別進行最小橢球覆蓋，假設其中一 個子類點集為rr Wy,…,vK>i c爐，其中η為體素個數(shù)，ν1是第i個體素坐標，R3是三維實數(shù) 空間;對該子類進行最小橢球覆蓋，具體包括下述步驟：
[0032] 步驟1:覆蓋橢球的主方向選定為該子類在過程(二）中最終得到的調(diào)整后的特征 向量，這里假設為ei，Θ2，Θ3 ;
[0033] 步驟2:定義變換矩罔
·, .j
[0034] 定義點集
[0035] 此時，求點集V的最小覆蓋橢球問題，等價于對點集A求其最小外接球問題，求得點 集A的外接球球心z以及半徑r;
[0036] 步驟3:利用逆變換求得最小覆蓋橢球球心οιΓ1 · z，最小覆蓋橢球短半軸長度為 r，長半軸長度為r/k;
[0037] 所述過程（四）具體為：
[0038]如果過程(三）中得到的K個覆蓋橢球的大小都不超過消融橢球，輸出當前的K值及 K個橢球的位置信息；
[0039] 如果有兩個或者兩個以上的橢球大于消融橢球的大小，則認為K值不夠大，令K = K +1，返回過程(二)步驟Β進行重新計算；
[0040] 如果Κ個覆蓋橢球中有且只有一個橢球超過消融橢球的大小，不失一般性，這里假 設第Κ個橢球的大小超出消融橢球的大小限制，通過以下步驟調(diào)節(jié)第Κ個橢球的大小：
[0041 ]首先，將前Κ-1個橢球擴大相應倍數(shù)使其等于消融橢球的大小;其次，將前Κ-1個橢 球的球心沿各自球心與第Κ個橢球球心連線方向移動其各自短半軸增加的長度，此操作仍 能保證前K-ι個橢球的完全覆蓋;若第Κ個橢球中的腫瘤體素點同時可被其它橢球覆蓋，則 將該腫瘤體素點劃歸至此橢球覆蓋范圍中去，將只能由第κ個橢球覆蓋的腫瘤體素點重新 進行過程(三)的最小橢球覆蓋操作，若第K個橢球的大小變小并且小于消融橢球的大小，則 輸出當前Κ值及Κ個橢球位置信息;若調(diào)整后的第Κ個橢球的大小仍超過消融橢球的大小，則 令Κ = Κ+1，并且返回過程(二)步驟Β重新計算，直至找到足夠大的Κ值使得所有Κ個覆蓋橢球 的大小不超過消融橢球大小 [0042] 所述過程(五)具體為：
[0043] 由于過程（四）所得到的各個覆蓋橢球的大小均不超過消融橢球大小，利用消融橢 球和各個覆蓋橢球大小之間的差異，設計一個圓錐形的調(diào)節(jié)區(qū)域，此調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的進針路 線仍能保證目標腫瘤被完全覆蓋；
[0044] 假設消融橢球長半軸長度為h，兩個短半軸長度為12,覆蓋橢球與消融橢球大小之 比為P，P<1，則覆蓋橢球的長短半軸分別為Ph，pl 2;方便起見，先在二維平面上考慮此問 題，假設二維平面內(nèi)有兩個相似橢圓，相似系數(shù)為P，圓心均在坐標原點，且兩橢圓主方向均 平行于坐標軸；外部大橢圓的長短半軸長度分別為h，l 2,內(nèi)部小橢圓的長短半軸為別為P 1 i，Pl2;此時，以原點為中心，逆時針方向旋轉(zhuǎn)外部大橢圓，使大橢圓與內(nèi)部小橢圓在第四象 限有且只有一個交點(若沒有交點，說明模擬的射頻方向可以任意調(diào)節(jié)）；
[0045] 假設大橢圓轉(zhuǎn)動的角度為Θ，第四象限的唯一交點的坐標為(x，y)，此交點滿足兩 個橢圓的數(shù)學表達式，計算可彳I
;在二維平面空間中，可 調(diào)節(jié)區(qū)域是夾角為2Θ的扇形；由對稱性，在三維立體空間中，可調(diào)節(jié)區(qū)域為一個圓錐形的區(qū) 域，其兩母線之間的最大夾角為2Θ;
[0046] 將得到的圓錐形調(diào)節(jié)區(qū)域與表皮(皮膚)的交線顯示出來，利用能夠手動調(diào)節(jié)的模 擬射頻針在可調(diào)節(jié)區(qū)域范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進針路線，直至進針路線不觸及肋骨以及直徑大于3毫 米的大血管，該路徑則被認為是合適的進針線路;依托于每條進針路線的角度和位置信息， 完成最終射頻方案設計。
[0047] 本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明利用橢球模擬單針消融區(qū)域，自動確定最少射頻數(shù)目， 并給出初始射頻進針路徑，通過在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)手動調(diào)節(jié)模擬射頻針，達到進針路徑完全 避開直徑大于3毫米的血管以及肋骨的目的。在尋找覆蓋橢球上，我們基于目標腫瘤的形狀 特征，在保證完全覆蓋腫瘤的同時，盡可能地減少射頻個數(shù)，從而即節(jié)約醫(yī)療成本，又能夠 盡量少地破壞腫瘤細胞周圍的正常組織，保證臨床治療的安全性。
[0048] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0049]本發(fā)明可以實現(xiàn)術(shù)前制定射頻治療方案的目的，并且能夠在術(shù)中進行三維導航， 此外，本發(fā)明所采用的優(yōu)化算法能夠幫助醫(yī)生更加精確有效地實施手術(shù)，并且盡可能地減 少手術(shù)對正常組織的傷害，避開周圍的器官，從而使射頻消融手術(shù)更加安全有效。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發(fā)明的操作流程圖。
[0051] 圖2為精確模擬射頻消融技術(shù)三維導航示意圖。
[0052]圖3為腫瘤全覆蓋模擬效果圖。
[0053]圖4為三維導航模擬射頻針的位置信息圖。
[0054] 圖5為實施例二維效果圖。
[0055] 圖6為實施例大小橢圓旋轉(zhuǎn)相交效果圖。
[0056]圖7為實施例可調(diào)區(qū)域顯示的效果圖。
【具體實施方式】
[0057]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述：
[0058]如圖1所示，一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法，包括以下步 驟：
[0059](一)對腫瘤圖像進行預處理；
[0060](二)在一個合理的約束條件下將腫瘤圖像聚類成橢球形的若干子類；
[0061 ](三)對得到的每一類求其最小覆蓋橢球；
[0062](四）利用過程(二）、（三）自動確定最小覆蓋橢球個數(shù)，給出初始射頻方案；
[0063] (五)確定圓錐形可調(diào)區(qū)域，手動調(diào)節(jié)初始射頻方向，使其完全避開大血管和肋骨， 完成最終射頻方案制定；
[0064] -般來說，單極射頻針的消融范圍近似于一個橢球，傘形射頻針的消融范圍更接 近一個圓球，由于單極射頻針在肝臟射頻消融中更常用，并且圓球可看做特殊的橢球，本發(fā) 明利用橢球模擬單針消融區(qū)域。消融區(qū)域大小由射頻針的規(guī)格和電發(fā)生器的輸出功率以及 射頻時間決定。在固定輸出功率、射頻針規(guī)格以及射頻時間的情況下，此區(qū)域的大小可由活 體或者離體動物實驗獲得。本發(fā)明中橢球形消融區(qū)域（以下統(tǒng)稱消融橢球)的長短半軸大小 為兩個可調(diào)節(jié)的參數(shù)。對于需要多次消融的大腫瘤，其進針方式假設為利用一根射頻針逐 次進行消融，因此，不同消融區(qū)域的熱交換忽略不計；
[0065] 所述過程(一）中，腫瘤圖像為三維體素圖像，圖像包括分割好的皮膚、骨骼、肝臟、 腫瘤、大血管，其中，大血管是指直徑大于3毫米的血管：
[0066]對腫瘤圖像進行預處理，包括對腫瘤、血管以及腹部皮膚進行處理，具體為:首先， 利用膨脹算法，將腫瘤圖像邊緣擴大4~6毫米作為安全邊界，作為新的目標腫瘤圖像;其 次，腐蝕掉安全邊界中距離大血管小于1毫米的區(qū)域，并在腐蝕過程中保證腫瘤區(qū)域完好無 損;最后，（根據(jù)醫(yī)生需求)在分割好的皮膚上限定一個(合理的)進針范圍，且進針范圍是一 個獨立的連通區(qū)域；
[0067]所述過程(二)具體包括下述步驟：
[0068]步驟A:預測單針消融次數(shù)，假設經(jīng)過預處理之后新的目標腫瘤的最小凸包體積為 Vi，消融橢球的體積為V2，則預測得到的單針消融次數(shù)為
、，其中，「1為向上取整符號； 同時，令聚類個i
[0069] 步驟B:確定初始聚類中心，若聚類個數(shù)K= 1，則任取一個屬于目標腫瘤圖像的體 素點作為聚類中心;若κ> 1，選取歐式距離之和最遠的Κ個體素點作為聚類中心；
[0070] 步驟C:計算腫瘤圖像中每一個體素點到各聚類中心的距離，按照歐式距離最小原 則對腫瘤圖像中的體素點進行劃分聚類；
[0071] 步驟D:選定一個用于調(diào)節(jié)的單位向量es，es垂直于冠狀面并且指向腹前方;且es總 是滿足過程(一）中設定的進針范圍的要求；
[0072] 步驟E:對于步驟C中得到的每一個子類，計算每一個子類的質(zhì)心和對應的協(xié)方差 矩陣;這里假設對于第i個子類，其質(zhì)心為Cl，作為聚類中心，協(xié)方差矩陣為 Qi 1的特征根且滿足，eii，ei2，ei3為對應的單位特征向量；
[0073]步驟F:假設消融橢球的長短半軸長度比為l:k，0<k<l，且當射頻針選定之后，k 是一個常數(shù);重新調(diào)整Qi"1的特征根的大小，使獨
對于特征向量ei3， 若延長el3到腹前皮膚的交點落在進針范圍內(nèi)，則el3保持不變;否則，調(diào)整el3為
[0074]
[0075]其中，t為1到10之間使得調(diào)整后的el3符合進針范圍的最小正整數(shù)；同時，更新eu， el2使得三個單位特征向量保持兩兩垂直的關(guān)系，更新協(xié)方差矩陣Q1;
[0076] 步驟G:利用上述所得質(zhì)心和協(xié)方差矩陣，定義點到各個聚類中心的距離度量：
[0077] D(vj,Ci,Qi) = (vj-Ci)TQr1(vj-Ci),i = l,2,. . . ,Κ,
[0078] 其中，為腫瘤圖像中的任意一個體素坐標，Cl為第i個子類的聚類中心，Qi為調(diào)整 后的協(xié)方差矩陣，T表不矩陣的轉(zhuǎn)置；
[0079] 步驟H:利用步驟G中定義的距離度量，重新計算腫瘤圖像中每個點到各個聚類中 心的距離，按照距離最小原則重新劃分聚類；
[0080] 步驟I:若聚類結(jié)果與上次迭代的聚類劃分效果相比沒有變化，則停止迭代，否則， 則轉(zhuǎn)到步驟E，并令調(diào)節(jié)向量es = el3,重新進行迭代計算，直至聚類效果與上次迭代相比沒 有變化時，停止迭代，得到最終的聚類結(jié)果；
[0081] 所述過程(三)是對過程(二)得到的K個子類分別進行最小橢球覆蓋，假設其中一 個子類點集為F:二c if，其中η為體素個數(shù)，v1是第i個體素坐標，R3是三維實 數(shù)空間;對該子類進行最小橢球覆蓋，具體包括下述步驟：
[0082] 步驟1:覆蓋橢球的主方向選定為該子類在過程(二）中最終得到的調(diào)整后的特征 向量，這里假設為ei，Θ2，Θ3 ;
[0083] 步驟2:定義變換矩陣
-4 L '' J
[0084] 定義點J
[0085] 此時，求點集V的最小覆蓋橢球問題，等價于對點集A求其最小外接球問題，求得點 集A的外接球球心z以及半徑r;
[0086] 步驟3:利用逆變換求得最小覆蓋橢球球心οιΓ1 · z，最小覆蓋橢球短半軸長度為 r，長半軸長度為r/k;
[0087] 所述過程（四）具體為：
[0088] 如果過程(三）中得到的K個覆蓋橢球的大小都不超過消融橢球，輸出當前的K值及 Κ個橢球的位置信息；
[0089] 如果有兩個或者兩個以上的橢球大于消融橢球的大小，則認為Κ值不夠大，令Κ = Κ +1，返回過程(二)步驟Β進行重新計算；
[0090] 如果Κ個覆蓋橢球中有且只有一個橢球超過消融橢球的大小，不失一般性，這里我 們假設第Κ個橢球的大小超出消融橢球的大小限制，下面試圖通過以下步驟調(diào)節(jié)第Κ個橢球 的大?。?br>[0091 ]首先，將前Κ-1個橢球擴大相應倍數(shù)使其等于消融橢球的大小;其次，將前Κ-1個橢 球的球心沿各自球心與第Κ個橢球球心連線方向移動其各自短半軸增加的長度，此操作仍 能保證前K-ι個橢球的完全覆蓋;若第Κ個橢球中的腫瘤體素點同時可被其它橢球覆蓋，則 將該腫瘤體素點劃歸至此橢球覆蓋范圍中去，將只能由第κ個橢球覆蓋的腫瘤體素點重新 進行過程(三)的最小橢球覆蓋操作，若第Κ個橢球的大小變小并且小于消融橢球的大小，則 輸出當前Κ值及Κ個橢球位置信息;若調(diào)整后的第Κ個橢球的大小仍超過消融橢球的大小，則 令Κ = Κ+1，并且返回過程(二)步驟Β重新計算，直至找到足夠大的Κ值使得所有Κ個覆蓋橢球 的大小不超過消融橢球大?。?br>[0092] 所述過程(五)具體為：
[0093] 由于過程（四）所得到的各個覆蓋橢球的大小均不超過消融橢球大小，利用消融橢 球和各個覆蓋橢球大小之間的差異，設計一個圓錐形的調(diào)節(jié)區(qū)域，此調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的進針路 線仍能保證目標腫瘤被完全覆蓋；
[0094] 假設消融橢球長半軸長度為h，兩個短半軸長度為12,覆蓋橢球與消融橢球大小之 比為P(P<1)，則覆蓋橢球的長短半軸分別為pl^Ph;方便起見，先在二維平面上考慮此問 題，假設二維平面內(nèi)有兩個相似橢圓，相似系數(shù)為P，圓心均在坐標原點，且兩橢圓主方向均 平行于坐標軸；外部大橢圓的長短半軸長度分別為h，l 2,內(nèi)部小橢圓的長短半軸為別為P 1 i，Pl2;此時，以原點為中心，逆時針方向旋轉(zhuǎn)外部大橢圓，使大橢圓與內(nèi)部小橢圓在第四象 限有且只有一個交點(若沒有交點，說明模擬的射頻方向可以任意調(diào)節(jié)）；
[0095] 假設大橢圓轉(zhuǎn)動的角度為Θ，第四象限的唯一交點的坐標為(x，y)，此交點滿足兩 個橢圓的數(shù)學表達式，計算可得
|>在二維平面空間中，可 調(diào)節(jié)區(qū)域是夾角為2Θ的扇形；由對稱性，在三維立體空間中，可調(diào)節(jié)區(qū)域為一個圓錐形的區(qū) 域，其兩母線之間的最大夾角為2Θ;
[0096] 將得到的圓錐形調(diào)節(jié)區(qū)域與表皮(皮膚)的交線顯示出來，利用能夠手動調(diào)節(jié)的模 擬射頻針在可調(diào)節(jié)區(qū)域范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進針路線，直至進針路線不觸及肋骨以及直徑大于3毫 米的大血管，該路徑則被認為是合適的進針線路;依托于每條進針路線的角度和位置信息， 完成最終射頻方案設計。
[0097] 下面列舉具體實施例來說明過程(五）中二維平面上可調(diào)區(qū)域的計算過程，但不以 任何方式限制本發(fā)明。
[0098] 假設消融橢球長短半軸分別為1.5cm和1.2cm，實際得到的最小覆蓋橢球的大小是 消融橢圓的2倍。如圖5所示，在二維平面內(nèi)，假設兩相似橢圓圓心重合，圓心在坐標原點， 6 主方向平行于坐標軸，相似系數(shù)為外部大橢圓的長短半軸分別為1.5cm和1.2cm; 6
[0099]如圖6所示，以原點為圓心逆時針旋轉(zhuǎn)大橢圓至與小橢圓在第四象限有且只有一 個交點為止。利用過程(五）中的計算公式，我們可求得旋轉(zhuǎn)角度為25.5310°;
[0100]如圖7所示，利用對稱性，可得到二維平面空間的扇形調(diào)節(jié)區(qū)域，扇形夾角為 51.062°；
[0101]最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于 以上實施例，還可以有很多變形。本領域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導 出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術(shù)的方法，其特征在于，具體包括下述 過程： (一) 對腫瘤圖像進行預處理； (二) 在一個合理的約束條件下將腫瘤圖像聚類成橢球形的若干子類； (三) 對得到的每一類求其最小覆蓋橢球； (四） 利用過程(二）、（三）自動確定最小覆蓋橢球個數(shù)，給出初始射頻方案； (五) 確定圓錐形可調(diào)區(qū)域，手動調(diào)節(jié)初始射頻方向，使其完全避開大血管和肋骨，完成 最終射頻方案制定； 所述過程（一）中，腫瘤圖像為三維體素圖像，圖像包括分割好的皮膚、骨骼、肝臟、月中 瘤、大血管，其中，大血管是指直徑大于3毫米的血管： 對腫瘤圖像進行預處理，包括對腫瘤、血管以及腹部皮膚進行處理，具體為:首先，利用 膨脹算法，將腫瘤圖像邊緣擴大4~6毫米作為安全邊界，作為新的目標腫瘤圖像;其次，腐 蝕掉安全邊界中距離大血管小于1毫米的區(qū)域，并在腐蝕過程中保證腫瘤區(qū)域完好無損;最 后，在分割好的皮膚上限定一個進針范圍，且進針范圍是一個獨立的連通區(qū)域； 所述過程(二)具體包括下述步驟： 步驟A:預測單針消融次數(shù)，假設經(jīng)過預處理之后新的目標腫瘤圖像的最小凸包體積為 V1，消融橢球的體積為V2,則預測得到的單針消融次數(shù)）其中，「1為向上取整符號； 同時，令聚類個·步驟B:確定初始聚類中心，若聚類個數(shù)K=I，則任取一個屬于目標腫瘤圖像的體素點 作為聚類中心;若κ> 1，選取歐式距離之和最遠的K個體素點作為聚類中心； 步驟C:計算腫瘤圖像中每一個體素點到各聚類中心的距離，按照歐式距離最小原則對 腫瘤圖像中的體素點進行劃分聚類； 步驟D:選定一個用于調(diào)節(jié)的單位向量&，&垂直于冠狀面并且指向腹前方;且&總是滿 足過程(一）中設定的進針范圍的要求； 步驟Ε:對于步驟C中得到的每一個子類，計算每一個子類的質(zhì)心和對應的協(xié)方差矩陣； 這里假設對于第i個子類，其質(zhì)心為C1，作為聚類中心，協(xié)方差矩陣為Q1A11A 12，λι3*(^Μ9 特征根且滿足λη^：λ?2^：λ?3，eii，ei2，ei3為對應的單位特征向量； 步驟F:假設消融橢球的長短半軸長度比為l:k，且當射頻針選定之后，k是一個常數(shù);重 新調(diào)整Qr1的特征根的大小，使得吋于特征向量ei3，若延長ei3到腹 前皮膚的交點落在進針范圍內(nèi)，則el3保持不變;否則，調(diào)整el3為其中，t為1到10之間使得調(diào)整后的el3符合進針范圍的最小正整數(shù);k的取值范圍為0<k <1； 同時，更新eu，ei2使得三個單位特征向量保持兩兩垂直的關(guān)系，更新協(xié)方差矩陣Q1; 步驟G:利用上述所得質(zhì)心和協(xié)方差矩陣，定義點到各個聚類中心的距離度量： D(vj,ci,Qi) = (vj-ci)TQi_1(vj-ci),i = l,2,. . . 其中，ν偽腫瘤圖像中的任意一個體素坐標，Cl為第i個子類的聚類中心，Q1為調(diào)整后的 協(xié)方差矩陣，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置； 步驟H:利用步驟G中定義的距離度量，重新計算腫瘤圖像中每個點到各個聚類中心的 距離，按照距離最小原則重新劃分聚類； 步驟I:若聚類結(jié)果與上次迭代的聚類劃分效果相比沒有變化，則停止迭代，否則，則轉(zhuǎn) 到步驟E，并令調(diào)節(jié)向量es = el3,重新進行迭代計算，直至聚類效果與上次迭代相比沒有變 化時，停止迭代，得到最終的聚類結(jié)果； 所述過程(三)是對過程(二)得到的K個子類分別進行最小橢球覆蓋，假設其中一個子 類點集為丨Z : V2,…V丨c: Ai 5 .其中η為體素個數(shù)，V1是第i個體素坐標，R3是三維實數(shù)空 間;對該子類進行最小橢球覆蓋，具體包括下述步驟： 步驟1:覆蓋橢球的主方向選定為該子類在過程(二）中最終得到的調(diào)整后的特征向量， 這里假設為ei，Θ2，Θ3 ;此時，求點集V的最小覆蓋橢球問題，等價于對點集A求其最小外接球問題，求得點集A 的外接球球心z以及半徑r; 步驟3:利用逆變換求得最小覆蓋橢球球心ο = !-1 · z，最小覆蓋橢球短半軸長度為r，長 半軸長度為r/k; 所述過程(四）具體為： 如果過程(三）中得到的K個覆蓋橢球的大小都不超過消融橢球，輸出當前的K值及K個 橢球的位置信息； 如果有兩個或者兩個以上的橢球大于消融橢球的大小，則認為K值不夠大，令K = K+1， 返回過程(二)步驟B進行重新計算； 如果K個覆蓋橢球中有且只有一個橢球超過消融橢球的大小，不失一般性，這里假設第 K個橢球的大小超出消融橢球的大小限制，通過以下步驟調(diào)節(jié)第K個橢球的大?。? 首先，將前K-I個橢球擴大相應倍數(shù)使其等于消融橢球的大小;其次，將前K-I個橢球的 球心沿各自球心與第K個橢球球心連線方向移動其各自短半軸增加的長度，此操作仍能保 證前K-I個橢球的完全覆蓋;若第K個橢球中的腫瘤體素點同時可被其它橢球覆蓋，則將該 腫瘤體素點劃歸至此橢球覆蓋范圍中去，將只能由第K個橢球覆蓋的腫瘤體素點重新進行 過程(三)的最小橢球覆蓋操作，若第K個橢球的大小變小并且小于消融橢球的大小，則輸出 當前K值及K個橢球位置信息;若調(diào)整后的第K個橢球的大小仍超過消融橢球的大小，則令K = K+1，并且返回過程(二)步驟B重新計算，直至找到足夠大的K值使得所有K個覆蓋橢球的 大小不超過消融橢球大小 所述過程(五)具體為： 由于過程（四）所得到的各個覆蓋橢球的大小均不超過消融橢球大小，利用消融橢球和 各個覆蓋橢球大小之間的差異，設計一個圓錐形的調(diào)節(jié)區(qū)域，此調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的進針路線仍 能保證目標腫瘤被完全覆蓋； 假設消融橢球長半軸長度為I1，兩個短半軸長度為12,覆蓋橢球與消融橢球大小之比為 Ρ，Ρ<1，則覆蓋橢球的長短半軸分別為Pl1, Pl2;方便起見，先在二維平面上考慮此問題，假 設二維平面內(nèi)有兩個相似橢圓，相似系數(shù)為Ρ，圓心均在坐標原點，且兩橢圓主方向均平行 于坐標軸；外部大橢圓的長短半軸長度分別為h，1 2,內(nèi)部小橢圓的長短半軸為別為Ph，P I2;此時，以原點為中心，逆時針方向旋轉(zhuǎn)外部大橢圓，使大橢圓與內(nèi)部小橢圓在第四象限 有且只有一個交點； 假設大橢圓轉(zhuǎn)動的角度為Θ，第四象限的唯一交點的坐標為(x，y)，此交點滿足兩個橢 圓的數(shù)學表達式，計算可得在二維平面空間中，可調(diào)節(jié) 區(qū)域是夾角為2Θ的扇形；由對稱性，在三維立體空間中，可調(diào)節(jié)區(qū)域為一個圓錐形的區(qū)域， 其兩母線之間的最大夾角為2Θ; 將得到的圓錐形調(diào)節(jié)區(qū)域與表皮的交線顯示出來，利用能夠手動調(diào)節(jié)的模擬射頻針在 可調(diào)節(jié)區(qū)域范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進針路線，直至進針路線不觸及肋骨以及直徑大于3毫米的大血管， 該路徑則被認為是合適的進針線路;依托于每條進針路線的角度和位置信息，完成最終射 頻方案設計。
【文檔編號】A61B18/12GK105997245SQ201610583439
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月21日
【發(fā)明人】孔德興, 陳仁棟
【申請人】杭州奧視圖像技術(shù)有限公司