多针联合冷冻消融的路径规划设备的制作方法

1.本发明涉及手术规划技术领域，特别是涉及一种多针联合冷冻消融的路径规划设备。


背景技术：

2.手术规划是数字化技术与医学相融合的一项新兴医疗科技手段，运用数字化技术实现患者病灶区的三维可视化，帮助医生完成数据精准测量、术前分析、手术模拟推演以及术后效果分析，制定一套手术设计方案，涵盖术前规划、术中导航、术后评估。
3.关于肿瘤消融手术的术前规划，按照消融方式一般可以分为热消融的手术规划和冷冻消融的手术规划。在热消融的术前规划中，通常根据患者的ct（computed tomography 电子计算机断层扫描）或者mri（magnetic resonance imaging 磁共振成像）医学影像来得到患者的三维影像；规划手术路径时，根据输入消融手术的进针点、角度、深度、功率以及消融持续时间来综合计算微波能量场，可以计算出单位时间单位体积将要消融的组织吸收的微波能量分布，并以计算所得的微波能量场作为内部热源，计算将要消融的组织的温度场分布；同时计算将要消融的组织的热损伤区域；最后将计算所得的热损伤区域通过影像显示单元融合显示于患者的三维影像上。
4.与热消融方式不同，冷冻消融是通过消融针末端形成的冰球来进行病灶组织的消融，冷冻消融无法像热消融手术一样通过射频功率控制来精确控制能量场和相关的温度场分布，因此冷冻消融需要设计不同于热消融的术前规划方案。对于一根消融针而言，形成的冰球形状往往是椭球形状的，体积是受限的，对于体积较大或者不规则形状的肿瘤，一根消融针形成的冰球无法很好的覆盖病灶区域；为了解决更大病灶的消融问题，往往需要进行多根消融针的联合手术，即多针联合冷冻消融术。对于多根消融针的联合消融，对每根消融针的穿刺点、穿刺路径、消融时间等都需要设计和规划。目前，缺少针对多针联合冷冻消融的穿刺路径的规划方案。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：现有技术中缺少针对多针联合冷冻消融的穿刺路径规划方案。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种多针联合冷冻消融的路径规划设备。
7.一种多针联合冷冻消融的路径规划设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：获取目标对象的医学扫描图像中、待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域；从所述目标区域中选择单针消融区域；针对所述单针消融区域，获得单针冷冻消融的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域；若所述冰球覆盖区域未完全覆盖所述目标区域，则以所述目标区域中除去所述冰球覆盖区域的剩余区域为新的目标区域，返回所述从所述目标区域中选择单针消融区域的
步骤。
8.在其中一个实施例中，所述获取目标对象的医学扫描图像中、待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域，包括：获取目标对象的医学扫描图像，从所述医学扫描图像中提取出待冷冻消融的目标组织的图像；在所述目标组织的图像中勾勒出病灶的边缘轮廓，得到所述目标组织所对应的目标区域。
9.在其中一个实施例中，所述针对所述单针消融区域，获得单针冷冻消融的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域，包括：获取所述单针消融区域的穿刺点中心；根据所述穿刺点中心得到对所述单针消融区域进行单针冷冻消融的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域。
10.在其中一个实施例中，所述获取所述单针消融区域的穿刺点中心，包括：在所述单针消融区域的边缘选定多个不共面的点得到外接点；确定多个所述外接点的同心球，将所述同心球的球心作为所述单针消融区域的穿刺点中心。
11.在其中一个实施例中，所述针对所述单针消融区域，获得单针冷冻消融的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域之后，还包括：统计当前的消融针数。
12.在其中一个实施例中，所述针对所述单针消融区域，获得单针冷冻消融的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域之后，还包括：若所述冰球覆盖区域完全覆盖所述目标区域，则判断所述消融针数是否小于或等于预设值；若是，则记录所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数；若否，则重新以所述待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域为当前的目标区域，重新执行所述从所述目标区域中选择单针消融区域的步骤。
13.在其中一个实施例中，所述记录所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数之后，还包括：根据所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数生成多针联合冷冻消融的路径规划方案。
14.在其中一个实施例中，所述路径规划方案的数量有多个；所述根据所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数生成多针联合冷冻消融的路径规划方案之后，还包括：计算各路径规划方案的价值度；选择价值度最高的路径规划方案作为最优路径规划方案并输出。
15.在其中一个实施例中，所述计算各路径规划方案的价值度，包括：其中：
其中，为第n个路径规划方案的价值度；为第一预设权重，为第二预设权重，为目标组织被消融区域，为健康组织破坏区域，为目标组织被消融区域的体积，为健康组织破坏区域的体积，a为所述目标区域的体积，v
a
为目标区域的体积，为第n个路径规划方案的第i个单针冷冻消融的冰球覆盖区域。
16.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：通过重复从更新的目标区域中选择单针消融区域、获得单针消融区域的穿刺路径及冰球覆盖区域，并在冰球覆盖区域未完全覆盖目标区域时，从目标区域中剔除前次冰球覆盖区域以更新目标区域，重复执行直到当前的冰球覆盖区域完全覆盖当前的目标区域，则表示完成整体的路径规划，各次所得的单针消融区域的穿刺路径，即为对目标对象的目标组织进行多针联合冷冻消融所需要的每一针的穿刺路径。如此，可以准确得到对待冷冻消融的目标组织进行多针联合冷冻消融的多针穿刺路径，实现对多针联合冷冻消融的每一针的穿刺路径规划。在此基础上，通过计算各多针联合路径规划方案的价值度，比较得出最优的多针联合路径规划方案，可帮助术者精确规划手术方案。
附图说明
17.通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围。其中所包括的附图是：图1为一个实施例中多针联合冷冻消融的路径规划设备中处理器执行计算机程序实现的步骤的流程示意图；图2为另一个实施例中多针联合冷冻消融的路径规划设备中处理器执行计算机程序实现的步骤的部分流程示意图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
19.本发明主要涉及多针联合冷冻消融手术的穿刺路径规划问题，可应用于肿瘤的冷冻消融术前规划。此前，放射疗法术前规划已相当成熟，而肿瘤冷冻消融术前规划技术发展落后，其重要原因在于：冰球消融区域难以快速和精准的预测，这也是学术界一直致力于要解决的难题。而且，对于多针联合冷冻消融，由于多个消融针有多个冷源，产生的冰球体积更大，使得参数优化变得更加困难。
20.在数学上，多针联合消融问题可以归纳为最大覆盖问题或p
‑
覆盖问题。这类问题是研究在服务站的数目和服务半径已知的条件下，如何设立p个服务站使得可接受服务的需求量最大的问题。同其它基本问题一样，最大网络覆盖问题也是np
‑
难问题
(marks.daskin)。最初的最大覆盖问题是由 church rl 和 revelle c提出的，他们将服务站最优选址点限制在网络节点上；church rl和 meadows me在确定的关键候选节点集合中给出了一般情况下的最优算法，通过线性规划的方法求解，如果最优解不是整数就用分枝定界法求解；church 和meadows提出了最大覆盖问题的伪 hakimi 特性，即在任何一个网络中，存在一个有限节点的扩展集，在这个集合中至少包含一个最大覆盖问题的最优解。benedict，hogan 和 revelle，daskin考虑服务系统拥挤情况下的最大覆盖问题，把任意一个服务站繁忙的概率当作外生变量，目标函数是服务站可以覆盖的期望需求量最大。haldun aytug 和 cem saydam用遗传算法来求解大规模最大期望覆盖问题，并进行了比较。fernando y等对最大期望覆盖问题中排队与非排队的情况进行了对比。berman研究了最大覆盖问题和部分覆盖问题之间的关系。oded berman 和 dmitrykrass 、oded berman, dmitry krass 和 zvi drezner讨论比传统最大覆盖问题更一般的最大覆盖问题，并给出了拉格朗日松弛算法。orhan karasakal 和 esra k.karasakal讨论了部分覆盖问题，对覆盖程度进行了定义。jorge h. jaramillo、joy bhadury 和 rajan batta在选址问题的遗传算法应用研究时介绍了最大覆盖问题遗传算法的操作策略。
21.多针联合消融问题可以等效为三维空间的最大覆盖问题，目前还没有看到很直接的解决方案。为了解决这一问题，本发明提供了一种多针联合冷冻消融的路径规划设备。
22.在一个实施例中，多针联合冷冻消融的路径规划设备包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，如图1所示，该处理器执行计算机程序时实现如下步骤：s110：获取目标对象的医学扫描图像中、待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域。
23.目标对象是指需要进行待冷冻消融手术的对象；目标对象的医学扫描图像是对目标对象进行扫描检查所得到的图像，比如ct图像、mri图像。目标组织是指需要进行冷冻消融的机体组织，比如发生疾病的器官；目标区域是目标组织中病灶所在的区域。比如以肝肿瘤为例，待冷冻消融的目标组织为肝脏，目标区域为肝脏的肿瘤病灶区域。具体地，可以是对医学扫描图像进行处理，得到目标区域。
24.s120：从目标区域中选择单针消融区域。
25.单针消融区域为目标区域中的部分区域。具体地，可以随机从目标区域中选择一部分区域作为此次的单针消融区域。
26.s130：针对单针消融区域，获得单针冷冻消融的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域。
27.单针冷冻消融是采用一根消融针进行冷冻消融。具体地，获得的穿刺路径是对当前的单针消融区域进行单针冷冻消融所需要的穿刺路径，对应的冰球覆盖区域是在穿刺路径下、消融针末端形成的冰球的覆盖区域。
28.s140：若冰球覆盖区域未完全覆盖目标区域，则以目标区域中除去冰球覆盖区域的剩余区域为新的目标区域。
29.若冰球覆盖区域没有完全覆盖目标区域，则选取新的目标区域，得到新的目标区域后，返回步骤s120，如此循环进行多次单针消融区域的选择和穿刺路径的获取，直到当前获得的冰球覆盖区域完全覆盖住当前的目标区域，各次所得的单针消融区域的穿刺路径，即为对目标对象的目标组织进行多针联合冷冻消融所需要的每一针的穿刺路径。
30.上述多针联合冷冻消融的路径规划设备，通过重复从更新的目标区域中选择单针
消融区域、获得单针消融区域的穿刺路径及冰球覆盖区域，并在冰球覆盖区域未完全覆盖目标区域时，从目标区域中剔除前次冰球覆盖区域以更新目标区域，重复执行直到当前的冰球覆盖区域完全覆盖当前的目标区域，则表示完成整体的路径规划，各次所得的单针消融区域的穿刺路径，即为对目标对象的目标组织进行多针联合冷冻消融所需要的每一针的穿刺路径。如此，可以准确得到对待冷冻消融的目标组织进行多针联合冷冻消融的多针穿刺路径，实现对多针联合冷冻消融的每一针的穿刺路径规划。
31.上述多针联合冷冻消融的路径规划设备，既可以适合多针联合消融解决一个体积较大、形状不规则的肿瘤区域，也可以解决多个分散的小肿瘤区域。应用上述多针联合冷冻消融的路径规划设备，可以辅助找到合理的多针穿刺路径，使得多针穿刺路径尽量形成更少的正常组织伤害，并达到肿瘤消融效果。
32.在其中一个实施例中，步骤s110包括步骤（a1）至步骤（a2）。
33.步骤（a1）：获取目标对象的医学扫描图像，从医学扫描图像中提取出待冷冻消融的目标组织的图像。
34.具体地，可以是接收扫描设备扫描目标对象所生成的医学扫描图像。具体地，可以利用神经网络深度学习方法，对医学扫描图像进行快速自动三维图像分割，提取出目标组织的图像。例如，根据肝肿瘤ct序列扫描图像，利用神经网络深度学习方法，进行快速自动三维图像分割，提取出肝肿瘤、肝脏和关键解剖结构的三维结构、以及其他人体解剖结构。
35.步骤（a2）：在目标组织的图像中勾勒出病灶的边缘轮廓，得到目标组织所对应的目标区域。
36.具体地，可以是接收用户的标记指令，响应于标记指令在目标组织的图像中标记边缘轮廓，从而勾勒边缘轮廓；比如，用户使用鼠标等输入装置，在目标组织的图像中标记出肿瘤的轮廓。
37.通过获取目标对象的医学扫描图像，在医学扫描图像中提取目标组织的图像，根据目标组织的图像得到目标区域，从大范围到小范围逐步提取，可以准确得到需要冷冻消融的病灶区域。
38.具体地，步骤s120可以是接收用户输入的区域选择指令，从目标区域中选择选择指令所指定的区域得到单针消融区域。可以理解，也可以是采用其他方式从目标区域中选择单针消融区域，比如，基于目标区域，按照预设的选择方向以及预设的选择大小，从目标区域中选择得到单针消融区域。
39.由于实际物理上的热力学效应，多个冰球的消融区域会大于所有单个冰球的消融区域之和，因此做一个近似的简化，即认为多个冰球的消融区域等于各个冰球单独消融区域的并集。每一次循环执行步骤s120，在当次对应的目标区域中随机选择一个区域作为当前的单针消融区域，使得冰球能够尽量覆盖肿瘤部分，而尽量减少对正常组织的损害。例如，获取待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域后，第一次执行步骤s120，当次的目标区域为需要冷冻消融的整体病灶区域，执行步骤s140后，第二次执行步骤s120时，新的目标区域为原本整体病灶区域减去第一次获得的冰球覆盖区域之后剩余的病灶区域。
40.在其中一个实施例中，步骤s130包括步骤（b1）和步骤（b2）。
41.步骤（b1）：获取单针消融区域的穿刺点中心。
42.步骤（b2）：根据穿刺点中心得到对单针消融区域进行单针冷冻消融的穿刺路径和
对应的冰球覆盖区域。
43.通过先获取穿刺点中心，然后基于穿刺点中心获得单针消融区域的穿刺路径和对应的冰球覆盖区域，准确性高。具体地，步骤（b2）可以采用现有公知的获取单针的穿刺路径和冰球覆盖区域的计算方法进行处理，比如，采用现有的肿瘤穿刺路径获得方法，可以计算分析冰球覆盖区域的体积，以及冰球覆盖区域与病灶区域的覆盖比例，给出完全覆盖的参考时间，并分析非病灶区域被冰球覆盖的体积，最后综合各项指标，给出最优的穿刺路径。
44.在其中一个实施例中，步骤（b1）包括：在单针消融区域的边缘选定多个不共面的点得到外接点；确定多个外接点的同心球，将同心球的球心作为单针消融区域的穿刺点中心。
45.具体地，同心球可以是单针消融区域的外接球，单针消融区域在这n个点的外接球内，且外接球体积小于单针冰球体积；此时外接球内的病灶体积为当前用单针冷冻消融所需要解决的消融区域。通过选择外接点、确定同心球，以同心球的球心作为穿刺点中心，得到的穿刺点中心准确可靠，从而间接提高穿刺路径的准确可靠性。
46.在其中一个实施例中，步骤s130之后还包括：统计当前的消融针数。
47.当前的消融针数是截止到此次获得穿刺路径和冰球覆盖区域，总的需要的消融针数。具体地，一个单针消融区域对应一次单针冷冻消融，一次单针冷冻消融对应一个穿刺路径和一个冰球覆盖区域、以及对应使用一根消融针，因此，当前的消融针数等于当前总获得的穿刺路径的数量，等于截止当前选择的单针消融区域的数量。例如，截止当前，总共执行了4次步骤s120和步骤s130，选择了4次单针消融区域，得到4个穿刺路径，则当前的消融针数等于4。具体地，可以是在步骤s120之后、步骤s130之前初始化消融针数为1，下一次执行步骤s110之后在原消融针数的基础上加1以得到新的消融针数。通过统计当前总的消融针数，方便记录多针联合冷冻消融所需要的针数，从而方便用户参考使用。
48.具体地，在其中一个实施例中，步骤s130之后，还包括：若冰球覆盖区域完全覆盖目标区域，则判断消融针数是否小于或等于预设值；若是，则记录所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数；若否，则重新以待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域为当前的目标区域，重新执行步骤s120。
49.预设值为限制使用的针数，可以根据实际情况进行设置，具体可以是根据手术机器限制使用的消融针数量进行设置。冰球覆盖区域覆盖当前的目标区域，则表示没有剩余的区域需要处理，至此获得了目标组织所对应目标区域的所有穿刺路径，完成了整体的路径规划。此时，通过对当前总的消融针数进行判断分析，如果没有超过预设值，表示规划使用的消融针数在允许范围内；否则，若当前总的消融针数超出预设值，则表示规划使用的消融针数超出限制，复位重新从待冷冻消融的目标组织所对应的目标区域中选择单针消融区域，以重新规划穿刺路径，如此，可保证规划所得的消融针的数量满足限制要求。可以理解，在其他实施例中，在消融针数小于或等于预设值时，还可以记录其他信息，比如记录单针冷冻消融的穿刺点中心，以记录冰球的位置。
50.在其中一个实施例中，记录所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数之后，还包括：根据所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数生成多针联合冷冻消融的路径规划方案。
51.所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径，包括截止目前每一次执行步骤s130所获得
的穿刺路径。总的消融针数是截止目前当前的消融针数，等于所有获得的穿刺路径的数量。具体地，路径规划方案是包括所有的穿刺路径和总的消融针数的信息，用于告知用户针对目标组织进行多针联合冷冻消融所需要的穿刺路径和需要使用的消融针数，便于用户参考以提高手术精度。
52.由于每个路径规划方案一开始是随机从目标区域中选择一部分区域作为此次的单针消融区域穿刺，因此随着一开始选择的穿刺位置不同，路径规划方案的数量会有多个。具体地，每次得到多针联合冷冻消融的路径规划方案后，重新从步骤s120开始执行，从目标区域中选择另一个的初始的区域作为初始的单针消融区域，循环执行直到得到另一个多针联合冷冻消融的路径规划方案。
53.具体地，根据所有获得的单针冷冻消融的穿刺路径和总的消融针数生成多针联合冷冻消融的路径规划方案之后，还包括：计算各路径规划方案的价值度；选择价值度最高的路径规划方案作为最优路径规划方案并输出。
54.价值度表征路径规划方案的优劣程度，具体地，价制度越高，表示消融效果越好。通过对多个路径规划方案进行价值度分析，选出最优路径规划方案，提高路径规划的效果。
55.多针联合冷冻消融的设计思路基于以下目标1和目标2：目标1：肿瘤消融区域最大化；目标2：健康组织破坏最小化。
56.具体地，计算各路径规划方案的价值度，包括：其中：其中：其中，为第n个路径规划方案的价值度；为第一预设权重，为第二预设权重，为目标组织被消融区域，为健康组织破坏区域，为目标组织被消融区域的体积，为健康组织破坏区域的体积，a为目标区域的体积，v
a
为目标区域的体积，为第n个路径规划方案的第i个单针冷冻消融的冰球覆盖区域。
57.具体地，表示第n个路径规划方案中，各单针冷冻消融的冰球覆盖区域（冰球大小）位于目标区域（病灶区域）内的区域集合，即为病灶组织被消融区域；表示第n个路径规划方案中，各单针冷冻消融的冰球覆盖区域的集合减去病灶组织被消融区域。的值越大，意味着消融越彻底，健康组织破坏越少，一般情况下，希望，即肿瘤区域完全消融，且的值尽可能大。通过采用：计算价值度，综合考虑消融的程度和对健康组织的破坏程度，能准确反映路径规
划方案的优劣程度。
58.一个具体的实施例中，步骤s110之后的处理流程如图2所示，采用随机贪婪算法来计算消融区域，步骤如下：1、设初始的冰球个数（消融针数）m=1。
59.2、随机选定目标区域边缘4个不共面的点，确定他们的同心球。
60.3、以同心球的球心为穿刺点中心，获得单针冷冻消融的消融方案，得到穿刺路径和冰球覆盖区域。
61.4、从所有目标区域中减去单冰球的冰球覆盖体积，剩余的区域作为新的目标区域。
62.5、冰球个数自加1，重复步骤2
‑
5，直至最初整体的目标区域被各个冰球完全覆盖。
63.6、判断覆盖所有区域的冰球个数是否超出机器的限制，图2以康博刀的冰球个数限制最大为4个为例。如果超出该限制，则回到第1步，重新开始选择初值。如果没有超出限制，则记下此时冰球个数和冰球的穿刺路径。
64.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
65.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。