肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统、训练方法与流程

本申请涉及医疗仿真模型技术领域，特别涉及一种肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统、训练方法。

背景技术：

目前微波消融手术在术前设计手术阶段，主要是医生根据医学扫描图像，想象人体内部结构，根据临床经验设计手术方案。考虑到世界上个别手术，已经采用了计算机建模的方式来完成术前仿真，微波消融手术的术前仿真建模技术也受到了广泛关注。

利用计算机对微波消融手术建模在国内有一定的研究，但是仿真模型重点都放在了仿真手术中的温度场计算，却很少关注如何得到仿真模型所必须的三维人体结构。相反，大部分仿真模型只是笼统地提供了温度场的算法，采用的是大量简化后的人体建模，与实际情况相距甚远。而这些仿真模型想要应用于临床手术，首先要解决的就是人体内的三维建模，并且需要保证建模的准确性，这样才对实际手术有帮助。

技术实现要素：

本申请提供一种肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统、训练方法。

本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统包括：影像模块，用于采集患者肿瘤病变处的医学图像；三维建模模块，用于处理所述医学图像以获取人体内部器官组织的三维模型；仿真系统，用于获取所述三维模型及手术需要的热源模型，根据所述三维模型及所述热源模型模拟实际手术的插入热源和加热过程并获取消融范围和温度场分布。

在某些实施方式中，所述医学图像为磁共振图像。

在某些实施方式中，所述三维建模模块用于利用神经网络提取所述医学图像中的人体结构信息以获得人体内部器官组织的三维结构与位置，并根据所述人体内部器官组织的三维结构与位置建立所述三维模型。

在某些实施方式中，所述仿真系统用于设定所述三维模型的热导率和血液灌注速率，及设计热源插入所述三维模型的路径和最终位置，并设置热源加热参数。

在某些实施方式中，所述仿真系统用于对加热后的温度计算采用有限元分析方法来获取所述消融范围和所述温度场分布。

在某些实施方式中，所述仿真系统用于将所述三维模型网格化，分成多个离散单元，根据每一个所述离散单元的初始温度参数和所述热源的加热参数，推导出每一个所述离散单元随时间变化的温度值，并获取整个所述三维模型随时间变化的温度场分布。

在某些实施方式中，所述仿真系统用于根据预设的有效消灭肿瘤的温度阈值，在所述三维模型的温度场分布中以所述温度阈值为边界，计算出有效消融范围。

本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法包括：采集患者肿瘤病变处的医学图像；处理所述医学图像以获取人体内部器官组织的三维模型；获取所述三维模型及手术需要的热源模型，根据所述三维模型及所述热源模型模拟实际手术的插入热源和加热过程并获取消融范围和温度场分布。

在某些实施方式中，所述肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法，处理所述医学图像以获取人体内部器官组织的三维模型，所述训练包括：利用神经网络提取所述医学图像中的人体结构信息以获得人体内部器官组织的三维结构与位置；根据所述人体内部器官组织的三维结构与位置建立所述三维模型。

在某些实施方式中，所述训练方法包括：设定所述三维模型的热导率和血液灌注速率，及设计热源插入所述三维模型的路径和最终位置，并设置热源加热参数。

在某些实施方式中，所述训练方法包括：对加热后的温度计算采用有限元分析方法来获取所述消融范围和所述温度场分布。

在某些实施方式中，所述训练方法包括：将所述三维模型网格化，分成多个离散单元；根据每一个所述离散单元的初始温度参数和所述热源的加热参数，推导出每一个所述离散单元随时间变化的温度值，并获取整个所述三维模型随时间变化的温度场分布。

在某些实施方式中，所述训练方法包括：根据预设的有效消灭肿瘤的温度阈值，在所述三维模型的温度场分布中以所述温度阈值为边界，计算出有效消融范围。

本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统、训练方法通过采集医学图像并建立三维模型，建模速度快，模型尺寸与位置准确，可适合应用于实际中的术前仿真。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统的模块示意图；

图2至图7是本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

请参阅图1，本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100包括影像模块10、三维建模模块20和仿真系统30。影像模块10用于采集患者肿瘤病变处的医学图像，三维建模模块20用于处理医学图像以获取人体内部器官组织的三维模型，仿真系统30用于获取三维模型及手术需要的热源模型，根据三维模型及热源模型模拟实际手术的插入热源和加热过程并获取消融范围和温度场分布。

具体地，在一个实施方式中，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100可应用于椎体肿瘤微波消融手术的术前仿真。为方便说明，在以下的实施方式中，均以椎体肿瘤微波消融手术的术前仿真为实施方式进行说明。可以理解，本申请的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100还可应用在包括但不限于肝脏、肾脏、脾脏等其它器官的术前仿真，所采用术前的手术方法也不限于微波消融手术，还可包括其它手术方法，例如热疗手术方法、射频消融手术方法、激光消融手术方法等。

热源模型包括微波探针热源模型、射频探针热源模型和激光光纤热源模型。例如：若术前采用的手术方法为微波消融手术，则热源模型包括微波探针热源模型；若术前采用的手术方法为射频消融手术方法，则热源模型包括射频探针热源模型；若术前采用的手术方法为激光消融手术方法则热源模型包括激光光纤热源模型。具体地，微波探针热源模型和射频探针热源模型采用探针作为载体将电源电磁波导入人体进行作用。不同的是，微波探针热源模型采用微波探针，微波探针内采用微波发生器向四周发射微波以形成消融范围。射频探针热源模型采用射频探针，射频探针是在探针针尖裸露区采用高波长的射频电流，并在人体组织形成电流回路进行消融。激光光纤热源模型采用纯石英光纤输送激光，激光光纤的消融范围最为准确。为方便说明，在以下的实施方式中，均以微波探针热源模型作为热源模型为实施方式进行解释说明，不应理解为本申请实施方式的限定。

椎体肿瘤微波消融手术是一种微波消融手术，目前微波消融手术在术前设计手术阶段，主要是医生根据医学扫描图像，想象人体内部结构，根据临床经验设计手术方案。考虑到世界上个别手术，已经采用了计算机建模的方式来完成术前仿真，微波消融手术的术前仿真建模技术也受到了广泛关注。

利用计算机对微波消融手术建模在国内有一定的研究，但是仿真模型重点都放在了仿真手术中的温度场计算，却很少关注如何得到仿真模型所必须的三维人体结构。相反，大部分仿真模型只是笼统地提供了温度场的算法，采用的是大量简化后的人体建模，与实际情况相距甚远。而这些仿真模型想要应用于临床手术，首先要解决的就是人体内的三维建模，并且需要保证建模的准确性，这样才对实际手术有帮助。

本申请实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100通过采集医学图像并建立三维模型，建模速度快，模型尺寸与位置准确，可适合应用于实际中的术前仿真。

肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100是一种虚拟手术仿真系统，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100可以帮助医生合理地制定手术方案，对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100可以为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，并且能够提高医生的协作能力。

影像模块10可以包括采集医学图像所需的硬件和/或程序软件等。在某些实施方式中，影像模块10可以用于采集磁共振图像，磁共振图像可以通过磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术获得，磁共振成像技术是利用特定频率的射频脉冲对置于磁场中含有自旋不为零的特定原子核的物质进行激发，从而产生核磁共振现象，在此基础上利用感应线圈采集信号，并按一定数学方法进行处理而建立数字图像的成像方法。磁共振成像技术的本质是利用人体内氢原子核的磁共振效应，采用静磁场和射频磁场使人体组织成像，在成像过程中，既不用电子离辐射、也不用造影剂就可获得高对比度的清晰图像。磁共振成像技术具有分辨能力高、成像效果好和无辐射损伤的优点。在一个例子中，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100可以是椎体肿瘤微波消融手术智能仿真模型训练系统，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100的影像模块10可以用于采集患者肿瘤病变处的磁共振图像。在其它实施方式中，医学图像还可以为其它医学图像，而不限于磁共振图像。

在一个实施方式中，仿真系统可以包括计算机，在计算机中导入三维模型及热源模型，并利用计算机模拟实际手术的插入热源和加热过程。

在某些实施方式中，三维建模模块20可以用于利用神经网络提取医学图像中的人体结构信息以获得人体内部器官组织的三维结构与位置，并根据人体内部器官组织的三维结构与位置建立三维模型。如此，实现了三维模型的建立。

具体地，神经网络可以是人工神经网络(Artificial Neural Networks，ANNS)，人工神经网络涉及人工智能、神经科学、思维科学和计算机科学等多个领域。人工神经网络具有自学习功能、联想存储功能和高速寻找优化解的能力。利用人工神经网络可以发挥计算机的高速运算能力，迅速提取需要的信息并进行处理。在一个例子中，三维建模模块20可以利用人工神经网络提取磁共振图像中的人体结构信息，人体结构信息可以包括人体内部器官组织的结构信息，三维建模模块20可以根据人体结构信息以获得人体内部器官组织的三维结构与位置，并根据提供人体内部器官组织的三维结构与位置建立三维模型。在一个实施方式中，三维建模模块可以包括计算机，在计算机中建立人体内部器官组织的三维模型。这一过程实现了从医学图像到计算机三维模型的转化，用计算机代替了人眼识别医学图像。

在一个例子中，三维模型的建立可以基于三维重建技术。三维重建技术具有独有的三维重现视角，将平面难懂的医学检查结果变得通俗易懂，能让病灶全息立体展示，结果更加直观清晰。

在某些实施方式中，仿真系统30用于设定三维模型的热导率和血液灌注速率，及设计热源插入三维模型的路径和最终位置，并设置热源加热参数。如此，通过参数设置，可以使得模拟过程更贴合于患者的实际情况。

具体地，仿真系统30通过设定三维模型的热导率和血液灌注速率，以使三维模型更为真实准确，仿真训练更趋近于真实的临床手术。同时还可以考虑到患者的个性化参数，在使用三维模型的基础上更加注重人体器官的物理特性。仿真系统30还可以设计热源插入三维模型的路径和最终位置，并设置热源加热参数。在一个例子中，仿真系统30可以设计热源插入三维模型的路径，同时可以利用热源来充当路径的作用，根据医学图像进行路径规划之后，用户还可以选择并控制热源移动来调整规划的路径并确定最终位置。

在某些实施方式中，仿真系统30用于对加热后的温度计算采用有限元分析方法来获取消融范围和温度场分布。如此，可以获得消融范围和温度场分布。

具体地，采用有限元分析方法是用较简单的问题代替复杂问题后再进行求解，有限元分析方法可以将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成对每一单元假定一个合适的或较简单的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。值得一提的是有限元分析方法得到的数值不是准确值，而是近似值，有限元分析方法得到的近似值的计算精度很高。因此，仿真系统30可以对加热后的温度计算采用有限元分析方法来获取消融范围和温度场分布，有限元分析方法可以更快捷、更精准地获取消融范围和温度场分布。

在某些实施方式中，仿真系统30用于将三维模型网格化，分成多个离散单元，根据每一个离散单元的初始温度参数和热源的加热参数，推导出每一个离散单元随时间变化的温度值，并获取整个三维模型随时间变化的温度场分布。这种实施方式可以通过大量的计算，高效快捷地得到与实际相符的整个三维模型随时间变化的温度场分布。

具体地，可以将每一个离散单元的初始温度参数和热源的加热参数代入生物传热方程，利用计算机完成数值计算，推导出每一个离散单元随时间变化的温度值。

在某些实施方式中，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100可以是椎体肿瘤微波消融手术智能仿真模型训练系统，仿真系统30可以设置预设的有效消灭肿瘤的温度阈值，仿真系统30用于根据预设的有效消灭肿瘤的温度阈值，在三维模型的温度场分布中以温度阈值为边界，计算出有效消融范围。在一个例子中，可以使用热疗技术中的热消融疗法消灭肿瘤，热消融疗法可以通过50-80℃的高温对肿瘤组织进行快速加热，诱使肿瘤细胞内的蛋白质迅速发生凝固变性，从而导致肿瘤细胞坏死。例如：确定有效消灭肿瘤的温度阈值为50℃，仿真系统30可以设置预设的有效消灭肿瘤的温度阈值为50℃，仿真系统30用于根据预设的有效消灭肿瘤的温度阈值，在三维模型的温度场分布中以温度阈值为边界，计算出有效消融范围，在有效消融范围内对肿瘤细胞进行灭活。同时医生可以借助肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100，不断尝试自己的手术方案，评估并参考仿真手术的结果以提高手术的成功率。

本申请公开一种肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法可以由肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100实现。请参阅图2，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法包括：

01：采集患者肿瘤病变处的医学图像；

02：处理医学图像以获取人体内部器官组织的三维模型；

03：获取三维模型及手术需要的热源模型，根据三维模型及热源模型模拟实际手术的插入热源和加热过程并获取消融范围和温度场分布。

在某些实施方式中，请参阅图3，步骤02包括：

022：利用神经网络提取医学图像中的人体结构信息以获得人体内部器官组织的三维结构与位置；

024：根据人体内部器官组织的三维结构与位置建立三维模型。

在某些实施方式中，请参阅图4，肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法包括：

031：设定三维模型的热导率和血液灌注速率，及设计热源插入三维模型的路径和最终位置，并设置热源加热参数。

在某些实施方式中，请参阅图5，步骤03包括：

033：对加热后的温度计算采用有限元分析方法来获取消融范围和温度场分布。

在某些实施方式中，请参阅图6，步骤033包括：

035：将三维模型网格化，分成多个离散单元；

037：根据每一个离散单元的初始温度参数和热源的加热参数，推导出每一个离散单元随时间变化的温度值，并获取整个三维模型随时间变化的温度场分布。

在某些实施方式中，请参阅图7，步骤03包括：

039：根据预设的有效消灭肿瘤的温度阈值，在三维模型的温度场分布中以温度阈值为边界，计算出有效消融范围。

需要说明的是，上述对肿瘤热消融手术智能仿真模型训练系统100的实施方式和有益效果的解释说明，也适应用于上述实施方式的肿瘤热消融手术智能仿真模型训练方法，为避免冗余，在此不再详细展开。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。