CN112043377B - Ct任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法与系统，方法包括：(1)获取CT图像，重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；(2)平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；(3)将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；(4)在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；(5)生成模拟热场；判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行步骤(3)，直至热场完全覆盖肿瘤。

Description

CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法及系统

技术领域

本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，以及CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划系统。

背景技术

超声引导微波、射频等消融治疗相比手术是一种新的肝癌局部治疗手段，该技术通过超声引导，经由微波或射频针，将电磁波转化成热能，并将能量传递至肿瘤区域，实现肿瘤局部完全凝固性坏死，已被NCCN、BCLC等多个国际指南推荐为小肝癌的一线治疗方法。然而，肝癌的超声引导消融是一个涉及多种知识和技术环节的综合过程，该技术虽然应用广泛，仍然存在一些重要的基础科学问题有待研究解决。

精准是肿瘤消融治疗追求的最终目标。个体化三维空间进针路径规划是实现精准消融的必备手段。目前三维消融路径规划是以患者术前CT或MR影像为基础，建立三维模型，以便规划人员在三维空间可以清晰观察肿瘤周边毗邻关系，设计精准进针路径避开血管等重要结构，以最低损伤、最少进针次数实现最优治疗效果。但基于CT影像的术前规划往往与超声引导下的术中穿刺路径具有较大偏差，该缺陷已成为精准消融的挑战之一。

三维空间显示是三维空间进针规划的优势，但也同时存在较大局限性，具体是CT观察视野范围与术中实时超声视野范围差别较大，导致仅通过CT影像的路径规划与实际超声引导下进针可操作性不相符，最终导致手术规划与实际执行过程脱节。目前，基于磁定位技术的多模态影像融合术中导航技术可实现CT与超声图像融合，但需要联合磁定位装置，并且术中进针过程依然需要依赖术前的进针路径规划。此外，仿真超声方法可依据感兴趣区的真实超声采集建立三维容积超声，根据虚拟探头位置显示断层图像，但容积超声采集过程较为复杂，不易获得，导致其实用性较差。近年来，基于CT数据的超声图像模拟方法，如超声反射模型法等，均侧重于图成像模式及图像分辨率的模拟。因此，基于以上问题亟需一种以CT为基础，在三维空间可综合CT与术中超声图像视野显示特征的可视化术前规划系统，提高术前规划的可执行性及精准性。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其更侧重于同时具有CT图像分辨率和超声成像视野的模拟，使得术前三维规划过程中基于CT影像同时参照医生术中实际视角规划进针，以利于非超声专业的影像医生进行手术的合理规划，提高术前规划的可执行性及精准性。

本发明的技术方案是：这种CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其包括以下步骤：

(1)获取CT图像，重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；

(2)平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

(3)将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；

(4)在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

(5)生成模拟热场；判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行步骤(3)，直至热场完全覆盖肿瘤。

本发明获取CT图像，进行三维重建，生成通过肿瘤中心的CT截面，将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围，在超声视野平面内，生成进针路径，生成模拟热场，其更侧重于同时具有CT图像分辨率和超声成像视野的模拟，使得术前三维规划过程中基于CT影像同时参照医生术中实际视角规划进针，以利于非超声专业的影像医生进行手术的合理规划，提高术前规划的可执行性及精准性。

还提供了CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划系统，其包括：

数据导入模块，其配置来获取CT图像；

重建模块，其配置来重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；

CT截面生成模块，其配置来平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

模拟超声视野模块，其配置来将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；

进针路径生成模块，其配置来在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

模拟热场生成模块，其配置来判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行模拟超声视野模块，直至热场完全覆盖肿瘤。

附图说明

图1是根据本发明的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法的流程图。

图2是根据本发明的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法的一个具体实施例的流程图。

图3是根据本发明的路径规划的示意图。

具体实施方式

影像引导下的微创技术已成为肿瘤治疗的热点之一，为实现超声影像引导下的肿瘤精准灭活，三维可视化术前规划是必备手段，但基于CT影像的术前规划往往与超声引导下的术中路径不相符，失去术前规划提高治疗精准性的意义，为此发明具备超声视野的CT三维影像是解决该问题的关键方法。

如图1所示，这种CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其包括以下步骤：

(1)获取CT图像，重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；

(2)平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

(3)将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；

(4)在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

(5)生成模拟热场；判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行步骤(3)，直至热场完全覆盖肿瘤。

本发明获取CT图像，进行三维重建，生成通过肿瘤中心的CT截面，将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围，在超声视野平面内，生成进针路径，生成模拟热场，其更侧重于同时具有CT图像分辨率和超声成像视野的模拟，使得术前三维规划过程中基于CT影像同时参照医生术中实际视角规划进针，以利于非超声专业的影像医生进行手术的合理规划，提高术前规划的可执行性及精准性。

优选地，所述步骤(1)中，利用CT设备进行腹部扫描，获得术前CT的DICOM(DigitalImaging and Communications in Medicine，医学数字成像和通信)影像，分割并三维重建相关感兴趣区域。

优选地，所述步骤(2)包括以下分步骤：

(2.1)基于肿瘤三维模型，计算肿瘤几何中心坐标；

(2.2)在右侧体表平行肋骨间隙选择两点p1，p2作为探头初始化位置，联合肿瘤中心点确定CT切面。

优选地，所述步骤(2.1)中，该计算通过以下方法实现：计算肿瘤体数据点坐标均值，或者通过双剖面循环迭代寻找肿瘤直径最大值点。

优选地，所述步骤(2.2)通过多平面重建方法实现。

优选地，所述步骤(3)包括以下分步骤：

(3.1)将探头型号作为输入参数，获取探头中超声换能阵列宽度L、超声术中常规成像角度θ，深度信息H及CT图像分辨率p；

(3.2)根据初始探头两点位置坐标，在该CT切面生成初始二维矩阵M1(H,W)，其中W＝2*H*sin(θ/2)+L*tan(θ/2)，超声扇形左侧直线边界起点a[1，a],其中a＝int[H*sin(θ/2)-L(1-tan(θ/2))/2)/p]，右侧起点左边b[1，b]，其中b＝int[a+L/p]，超声左侧直线边界终点坐标c[c,1],其中c＝int[(H*cos(θ/2)-L*(1-tan(θ/2))/tan(θ/2)/2)/p]，超声右侧边界终点坐标d[c，d1]，其中d1＝int[W/p]；

(3.3)扇形深部左侧弧度边界坐标由[int[(h+k*radian(θ)/s/2)/p],k],其中k＝1,2,3……w/p/2，右侧弧度边界坐标通过对称信息获得，扇形浅部弧度同理计算；

(3.4)将M1矩阵扇形边界外侧像素值替换为0，生成矩阵M2,该矩阵为超声视野模拟矩阵。

优选地，所述步骤(4)包括以下分步骤：

(4.1)以探头右侧边界点作为进针点，以肿瘤中心作为目标点，生成初始进针路径；

(4.2)以血管V作为约束条件，判断该路径是否与血管相交，若相交则以肿瘤中心为中心向右旋转一定角度，直至与血管不相交，确定该平面进针路径N1。

优选地，所述步骤(4.2)中一定角度为5°。

优选地，所述步骤(5)中，根据消融针型号，以路径与肿瘤远端边界交点为热场长轴边界点生成模拟热场，热场参数根据消融针型号设定。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划系统，该系统通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。该系统包括：

数据导入模块，其配置来获取CT图像；

重建模块，其配置来重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；

CT截面生成模块，其配置来平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

模拟超声视野模块，其配置来将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；

进针路径生成模块，其配置来在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

模拟热场生成模块，其配置来判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行模拟超声视野模块，直至热场完全覆盖肿瘤。

以下说明本发明的一个具体实施例。

如图2，图3所示，本发明的路径规划方法包括：

S1.获取CT图像；

利用CT设备进行腹部扫描，获得术前CT的DICOM影像。

S2分割重建骨骼，体表，肝脏，肿瘤，血管数据；

分割并三维重建相关感兴趣区域。

S3.平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

首先，基于肿瘤三维模型，计算肿瘤几何中心坐标，该计算可通过多种方法实现，如计算肿瘤体数据点坐标均值，或通过双剖面循环迭代，寻找肿瘤直径最大值点；在右侧体表平行肋骨间隙选择两点p1，p2作为探头初始化位置，联合肿瘤中心点确定CT切面，该计算可通过多平面重建算法实现。

S4.将CT截面进行变换，模拟腹部超声扇形视野范围；

将探头型号作为输入参数，获取探头中超声换能阵列宽度L、超声术中常规成像角度θ，深度信息H及CT图像分辨率p；根据初始探头两点位置坐标，在该CT切面生成初始二维矩阵M1(H,W)，其中W＝2*H*sin(θ/2)+L*tan(θ/2)，超声扇形左侧直线边界起点a[1，a],其中a＝int[H*sin(θ/2)-L(1-tan(θ/2))/2)/p]，右侧起点左边b[1，b]，其中b＝int[a+L/p]，超声左侧直线边界终点坐标c[c,1],其中c＝int[(H*cos(θ/2)-L*(1-tan(θ/2))/tan(θ/2)/2)/p]，超声右侧边界终点坐标d[c，d1]，其中d1＝int[W/p]。扇形深部左侧弧度边界坐标由[int[(h+k*radian(θ)/s/2)/p],k],其中k＝1,2,3……w/p/2，右侧弧度边界坐标通过对称信息获得，扇形浅部弧度同理计算。然后，将M1矩阵扇形边界外侧像素值替换为0，生成矩阵M2,该矩阵为超声视野模拟矩阵。

S5.在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

以探头右侧边界点作为进针点，以肿瘤中心作为目标点，生成初始进针路径；以血管V作为约束条件，判断该路径是否与血管相交，若相交则以肿瘤中心为中心向右旋转一定角度，可设置为5°为旋转步长，直至与血管不相交，确定该平面进针路径N1。

S6.生成模拟热场；

根据消融针型号，以路径与肿瘤远端边界交点为热场长轴边界点生成模拟热场，热场参数可根据消融针型号设定。

S7.判断该层面热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则在该平面平移出满足约束条件的路径，直至热场完全覆盖肿瘤

根据热场边界坐标与肿瘤空间坐标，判断热场与肿瘤覆盖关系，若未完全覆盖，则在该平面平移出满足约束条件的路径Nn，平移步进距离设置为热场短轴半径长度，直至热场完全覆盖肿瘤。

该方法对比于基于磁定位技术的多模态影像融合与超声仿真技术等超声模拟方法更加简单，方便，易执行，仅以CT影像为基础实现两种图像视野特征相结合的三维空间规划，更契合于本发明的应用目的，侧重于超声成像视野范围模拟，而非超声影像空间分辨率的模拟，利于非超声专业的影像科医生进行肿瘤的合理空间规划与治疗。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其特征在于：其包括以下步骤：

（1）获取CT图像，重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；

（2）平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

（3）将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；

（4）在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

（5）生成模拟热场；判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行步骤（3），直至热场完全覆盖肿瘤；

所述步骤（1）中，利用CT设备进行腹部扫描，获得术前CT的DICOM影像，分割并三维重建相关感兴趣区域；

所述步骤（2）包括以下分步骤：

（2.1）基于肿瘤三维模型，计算肿瘤几何中心坐标；

（2.2）在右侧体表平行肋骨间隙选择两点p1，p2作为探头初始化位置，联合肿瘤中心点确定CT切面；

所述步骤（2.1）中，该计算通过以下方法实现：计算肿瘤体数据点坐标均值，或者通过双剖面循环迭代寻找肿瘤直径最大值点；

所述步骤（2.2）通过多平面重建方法实现；

所述步骤（3）包括以下分步骤：

（3.1）将探头型号作为输入参数，获取探头中超声换能阵列宽度L、超声术中常规成像角度θ，深度信息H及CT图像分辨率p；

（3.2）根据初始探头两点位置坐标，在该CT切面生成初始二维矩阵M1（H, W），其中W=2*H*sin(θ/2)+L*tan(θ/2)，超声扇形左侧直线边界起点a[1，a],其中a=int[(( H*sin(θ/2)-L* (1-tan(θ/2))/2)/p]，右侧起点左边b[1，b]，其中b=int[a+L/p]，超声左侧直线边界终点坐标c[c,1],其中c=int[(( H*cos(θ/2)-L*(1-tan(θ/2))/tan(θ/2)/2)/p]，超声右侧边界终点坐标d[c，d1]，其中d1=int[W/p]；

（3.3）计算扇形深部左侧弧度边界坐标，右侧弧度边界坐标通过对称信息获得，扇形浅部弧度同理计算；

（3.4）将M1矩阵扇形边界外侧像素值替换为0，生成矩阵M2,该矩阵为超声视野模拟矩阵。

2.根据权利要求1所述的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其特征在于：所述步骤（4）包括以下分步骤：

（4.1）以探头右侧边界点作为进针点，以肿瘤中心作为目标点，生成初始进针路径；

（4.2）以血管V作为约束条件，判断该路径是否与血管相交，若相交则以肿瘤中心为中心向右旋转一定角度，直至与血管不相交，确定该平面进针路径N1。

3.根据权利要求2所述的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其特征在于：所述步骤（4.2）中一定角度为5°。

4.根据权利要求3所述的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法，其特征在于：所述步骤（5）中，根据消融针型号，以路径与肿瘤远端边界交点为热场长轴边界点生成模拟热场，热场参数根据消融针型号设定。

5.根据权利要求1所述的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划方法的CT任意切面超声视野模拟辅助消融路径规划系统，其特征在于：其包括：

数据导入模块，其配置来获取CT图像；

重建模块，其配置来重建骨骼、体表、肝脏、肿瘤、血管数据；

CT截面生成模块，其配置来平行右季肋间隙选择超声探头位置，生成通过肿瘤中心的CT截面，确保截面不与肋骨相交；

模拟超声视野模块，其配置来将CT截面进行剪裁变换，模拟实际腹部超声视野范围；

进针路径生成模块，其配置来在超声视野平面内，生成进针路径，该路径需满足与血管不相交的约束条件；

模拟热场生成模块，其配置来判断热场与肿瘤空间覆盖关系，若没有完全覆盖，则沿冠状位肿瘤长轴方向获取该平面的平行截面，执行模拟超声视野模块，直至热场完全覆盖肿瘤。

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