术前规划系统及术前规划方法与流程

本发明涉及一种手术规划技术，尤其涉及一种热治疗术前规划系统及术前规划方法。

背景技术：

癌症(也称为肿瘤)为人类常见的重大疾病，更在许多国家所统计死亡因素排名中位居前三位。由此可见，癌症治疗在各国医疗需求十分迫切，且针对癌症相关治疗的各式医疗器材也是目前重要的研究领域。

另一方面，肿瘤的热治疗手术是当前癌症治疗技术之一。例如，磁热肿瘤烧灼术中的射频肿瘤烧灼术(radio frequency ablation；RFA)及微波肿瘤烧灼术(microwave ablation；MWA)。这些技术已应用于局部肿瘤治疗，但考量于治疗费用及应用限制，多数病患难以采用。

而随着热治疗手术的快速发展，其已成为组织增生、良性肿瘤及恶性肿瘤治疗的根治性方法之一。为了获得优良的临床效果，术前规划、术中精确定位以及术后评估是热治疗治疗过程中不可缺少的关键步骤。然而，术前规划作为整个治疗过程的第一步，其目的是为了降低并发症的前提下，确保热治疗手术有安全的治疗范围，从而提高患者的治疗品质。治疗规划的优劣将直接影响着术后的疗效，且术前规划是提高手术安全性与精确性的重点。因此，热治疗手术规划系统的开发对于热治疗手术来说是非常重要的课题。而对于重要神经与血管丰沛的器官组织进行热治疗手术时，需要更为精确的手术规划。此外，不同病患或不同患部的热传物理性质可能产生差异，由此更体现出手术规划的重要。由此可知，开发针对不同病患或不同患部的热传物理性质的热治疗手术规划系统是非常重要的课题。

技术实现要素：

本发明提供一种热治疗术前规划系统及术前规划方法，通过分析医学图 像以及模拟多个手术情境来建立手术数据库，从而为术前规划提供专业且准确的评估。

本发明的热治疗术前规划系统，包括图像获取装置以及处理装置。图像获取装置用以获取医学图像。处理装置耦接图像获取装置，其中处理装置分析医学图像以分辨组织性质，并依据组织性质取得这些手术情境所需的多个物理参数，并依据这些物理参数模拟这些手术情境以建立手术数据库。

在本发明的一实施例中，上述的处理装置包括组织热特性数据库，且处理装置依据组织热特性数据库模拟这些手术情境。

在本发明的一实施例中，上述的手术情境至少包括多种针具数量、多种针具摆放位置及各治疗时间。处理装置分析各针具数量、各针具摆放位置及各治疗时间，以分别计算对应的手术模拟信息，且将手术模拟信息输入至手术数据库。此手术模拟信息包括各手术情境的温度分布及热融范围。

在本发明的一实施例中，上述的处理装置通过输入单元接收量测参数输入操作，以取得这些物理参数。

在本发明的一实施例中，上述的处理装置通过输入单元接收手术参数输入操作，且依据手术参数输入操作及手术数据库提供对应的温度分布与热损伤状态信息，其中温度分布与热损伤状态信息包括温度分布及热损伤范围。

在本发明的一实施例中，上述的术前规划系统还包括图像显示装置。图像显示装置耦接处理装置。而处理装置通过图像显示装置而依据温度分布与热损伤状态信息提供手术导引信息。

本发明的术前规划方法，其包括下列步骤。获取医学图像。分析医学图像分辨组织性质，并依据此组织性质取得多种手术情境所需的多个物理参数。依据这些物理参数模拟这些手术情境以建立手术数据库。

在本发明的一实施例中，上述依据这些物理参数模拟这些手术情境以建立手术数据库还包括下列步骤。依据组织热特性数据库模拟这些手术情境。

在本发明的一实施例中，上述的这些手术情境至少包括多种针具数量、多种针具摆放位置及多种热治疗时间。而依据这些物理参数模拟这些手术情境以建立手术数据库还包括下列步骤。分析各针具数量、各针具摆放位置及各热治疗时间，以分别计算对应的手术模拟信息。将手术模拟信息输入至手术数据库。而此手术模拟信息包括各手术情境的温度分布及热损伤范围。

在本发明的一实施例中，上述的组织热特性数据库包括对应于多个器官的热物理参数。而这些器官的热物理参数包括热传导系数、热容值、血液灌注率及新陈代谢热量。

在本发明的一实施例中，上述分析医学图像以取得多种手术情境所需的物理参数还包括下列步骤。接收量测参数输入操作，以取得这些物理参数。

在本发明的一实施例中，上述分析医学图像以取得多种手术情境所需的多个物理参数，还包括下列步骤。接收手术参数输入操作。依据手术参数输入操作及手术数据库提供对应的温度分布与热损伤状态信息。温度分布与热损伤状态信息包括温度分布及热损伤范围。

在本发明的一实施例中，上述依据该手术参数输入操作及该手术数据库提供对应的该温度分布与热损伤状态信息之后，还包括下列步骤。依据温度分布与热损伤状态信息提供手术导引信息。

基于上述，本发明实施例所提出的术前规划系统以及术前规划方法，其通过图像获取装置获取医学图像，且依据医学图像对多种手术情境进行模拟，从而建构出客制化的手术数据库。据此，手术人员可依据手术需求，为不同病患提供个人化的专业术前规划。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明一实施例说明一术前规划系统的装置方块图；

图2是依据本发明另一实施例说明一种术前规划系统的装置方块图；

图3是依据本发明一实施例说明一种术前规划方法的流程图；

图4是一范例说明图3中步骤S320～S330的流程图；

图5是范例进一步说明图4中步骤S441的流程图；

图6是依据本发明另一实施例说明一种术前规划方法的流程图。

附图标记说明：

100、200：术前规划系统；

110、210：图像获取装置；

120、220：处理装置；

230：输入单元；

240：图像显示装置；

S310、S320、S330、S410、S420、S430、S440、S441、S442、S443、S450、S460、S470、S510、S515、S512、S513、S521、S522、S523、S550、S610、S620、S630、S640、S650、S660：步骤。

具体实施方式

本发明实施例所提出的术前规划系统可以分析医学图像(电脑断层扫描(Computed Tomography；CT)、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging；MRI)或超声波等)，且模拟多种手术情境以建立手术数据库，从而针对不同患者或患部的组织热传物理性质的不同分别提供不同的术前规划。以下提出符合本发明的精神的多个实施例，应用本实施例的可依其需求而对这些实施例进行适度调整，而不仅限于下述描述中的内容。

图1是依据本发明一实施例说明用于热治疗的术前规划系统的装置方块图。请参照图1，术前规划系统100包括图像获取装置110以及处理装置120。

图像获取装置110可以是电脑断层扫描装置、核磁共振成像装置或超声波感测装置等临床上常用的医学图像装置，且用以对人体器官、组织进行图像获取，以获得例如电脑断层图像、核磁共振图像或超声波图像等医学图像，本发明实施例不加以限制。

处理装置120耦接图像获取装置110。处理装置120可以是台式电脑、笔记本电脑、服务器、工作站电脑等具运算功能的电子装置，其可至少包括(但不仅限于)处理器(未示出)(例如，中央处理器(Central Processing Unit；CPU)、微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(DSP)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuit；ASIC)、系统单芯片(system on chip；SoC)或其他类似元件或上述元件的组合)及储存单元(未示出)(例如，任何型态的固定或可移动随机存取存储器(Random Access Memory；RAM)、只读存储器(Read-Only Memory；ROM)、快闪存储器(flash memory)或类似元件或上述元件的组合)。

在本发明实施例中，处理装置120用以分析图像获取装置110所获取的医学图像，并据以规划出多种手术情境的手术数据库，其说明待后续实施例 详加叙述。而储存单元可储存组织热特性数据库、手术模拟信息、物理参数(含热物理参数)、温度分布与热损伤状态信息、手术导引信息、手术模拟程序、组织温度分布预测软件等。

依据不同设计需求，术前规划系统100可能增设其他装置或元件。举例而言，图2是依据本发明另一实施例说明一种术前规划系统的装置方块图。请参照图2，术前规划系统200包括图像获取装置210、处理装置220、输入单元230以及图像显示装置240。图像获取装置210及处理装置220的说明可参照图1中的图像获取装置110及处理装置120，故于此不再赘述。本实施例的术前规划系统200与上述图1实施例的术前规划系统100的差别在于，术前规划系统200还包括输入单元230(也可内建于处理装置220中)以及图像显示装置240。

输入单元230例如是键盘、鼠标或是电容式(capacitive)、电阻式(resistive)或光学式(optical)等类型的触控单元。在本实施例中，处理装置220可通过输入单元230接收量测参数输入操作，以取得多种手术情境所需的物理参数，或者处理装置220也可通过输入单元230接收手术参数输入操作。

图像显示装置240可以是液晶显示器(Liquid Crystal Display；LCD)、薄膜液晶晶体管(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display；TFT-LCD)、发光二极管显示器(Light-Emitting Diode；LED)、有机发光二极管显示器(Organic LIGHT-Emitting Diode；OLED)等各式显示器。在本实施例中，处理装置220通过图像显示装置240呈现手术模拟信息、物理参数、热物理参数、温度分布与热损伤状态信息、手术导引信息等。

为了方便理解本发明实施例的操作流程，以下将举诸多实施例详细说明本发明图1以及图2实施例中术前规划系统100、200的术前规划方法。

图3是依据本发明一实施例说明一种术前规划方法的流程图。请同时参照图3，本实施例的术前规划方法适用于图1及图2的术前规划系统100、200。而为了方便说明，以下实施例将以图2中的装置及元件说明本发明实施例所述的方法。本方法的各个流程可依照实施情形而随之调整，且并不仅限于此。

在步骤S310中，图像获取装置210获取医学图像。获取医学图像(例如，CT、MRI或超声波图像等)的详细说明可参照图1中图像获取装置110的叙述，于此不再赘述。

在步骤S320中，处理装置220接收来自图像获取装置210的医学图像， 并分析此医学图像以取得多种手术情境所需的物理参数。具体而言，现有的术前规划及手术导航系统大多会利用医学图像来辅助手术器械的三维路径规划与定位。而针对热治疗手术等能量的信息，现有技术通常无法随着不同患者或患部的组织热传物理性质的不同而分别提供不同的术前规划与导航。据此，本发明实施例便是结合手术相关的数据库，以依据不同医学图像或量测的物理参数对手术内容进行评估。

在本实施例中，这些手术情境可适用于热治疗手术。处理装置220可先依据图像获取装置200所取得的医学图像建立可供后续分析的格式，再依据此医学图像来分辨其组织性质(例如是肌肉、脂肪等)，并依据组织性质来建立热治疗手术模拟所需的物理参数。这些物理参数可以是磁、电流、磁导率、热传导、比热等特性，依据不同手术情境而有所不同，本发明实施例不加以限制。而手术情境至少包括多种针具数量、多种针具摆放位置、多种热治疗时间、针具深度、线圈电流、交电频率、针径大小等。

针对无文献数据的参数，在一实施例中，处理装置220可进一步利用输入单元230来进行量测参数输入操作，以取得无文献数据的物理参数。例如，量测参数输入操作中的量测参数是以实验方式或直接对人体进行量取(热传逆问题)而得。

在步骤S330中，处理装置220依据物理参数来模拟多种手术情境以建立手术数据库。在本实施例中，处理装置220依据组织热特性数据库模拟手术情境。而组织热特性数据库包括对应于不同器官的热物理参数。各器官的热物理参数至少包括热传导系数、热容值、血液灌注率及新陈代谢热量等。处理装置220可分析各针具数量、各针具摆放位置及各热治疗时间，以分别计算对应的手术模拟信息。接着，处理装置220将计算的手术模拟信息输入至储存单元中的手术数据库。而此手术模拟信息包括这些手术情境的温度分布及热损伤范围等治疗情形。

举例而言，图4是一范例说明图3中步骤S320～S330的流程图。请参照图4，处理装置220可启动组织温度分布预测软件(步骤S410)，以分析依据图像获取装置210所取得的医学图像。接着，处理装置220可通过输入单元230接收病灶位置以及治疗条件设定的输入操作(步骤S420)，且依据病灶位置以及治疗条件设定来执行热治疗演算(步骤S430)。处理装置220可 以利用数据库程序依据运算结果来建立手术数据库(步骤S440)，于实务上，手术数据库可选用关联式数据库管理系统(如MySQL)来建置。例如，建立磁感应热治疗温度分布数据库。此数据库可能是经由超级电脑、服务器或处理装置220运算各种情况的治疗温度分布。或者，处理装置220拟合温度(例如，离散数据拟合)以预测温度分布的经验公式，并加以实验验证。

其中，在步骤S441中，处理装置220可通过架设组织热特性量测平台，以建构出具有磁(e)、电流(i)、磁导率(μ)、热传导(k)、比热(c)等特性的组织热特性数据库。

举例而言，图5是范例进一步说明图4中步骤S441的流程图。请参照图5，此流程是针对组织热特性量测、分析及验证。在步骤S510中，处理装置220执行模拟程序。首先，处理装置220判断温度分布与实验误差小于设定值(步骤S512)。接着，处理装置220设定组织热传导系数猜值(步骤S513)，利用模拟程序计算组织温度分布。通过建立数值分析程序(例如，有限元素法、有限差分法或边界元素法等)求解热传方程式(例如，Pennes热传导方程式)，且接着判断温度分布与实验误差是否小于设定值(步骤S515)。其中，针对实验数据的产生，处理装置220可先取得不同背景温度下量测温度分布(步骤S521)，对温度数据数字化(步骤S522)，且模拟拟合实验数据(步骤S523)，从而产生实验数据以供步骤S515来进行判断。

而若温度分布与实验误差未小于(例如，大于或等于)设定值，则返回步骤S512来重设组织热传导系数猜值。换句而言，处理装置220所执行的模拟程序会在未小于设定值的情况下持续迭代运算(即，重复执行步骤S512～S515)。另一面，若温度分布与实验误差小于设定值，则完成估算热传导系数(步骤S550)。最后，处理装置220进行热治疗特性模拟分析与实验验证(步骤S560)。例如，将热电偶温度、热像仪分布或热治疗范围等与实验进行验证。

请接着参照图4，处理装置220可通过磁感应热治疗经验公式来即时运算(步骤S442)，且执行校正程序/信号储存/统计运算，以完成手术数据库的建立(步骤S443)。

另一方面，处理装置220可通过输入单元230接收输入操作，以利用基础外挂程序来撰写诸如图层模块、警示呼叫或各类显示画面等数据(步骤S450)。经确认规划结果(步骤S460)后，处理装置220可通过图像显示装 置240来显示数据显示介面(步骤S470)。例如，图像显示装置240显示手术模拟信息中的治疗情形。

在建构出手术数据库之后，处理装置220可利用输入单元230接收手术参数输入操作，且依据手术参数输入操作以及手术数据库来提供对应的温度分布与热损伤状态信息。温度分布与热损伤状态信息可包括温度分布以及热损伤范围等不同治疗情形。具体而言，在实际应用上，以感磁热治疗为例，输入单元230可接收医生所输入诸如线圈电流、交变频率、针径、针具深度、时间等手术操作参数。此外，依据不同需求，手术数据库可能适用于其他类型的热治疗，本发明不以此为限。而处理装置220便能根据手术数据库呈现此手术参数下的温度分布、烧灼范围、组织热损伤范围、热损伤范围与预计治疗范围的差异等温度分布与热损伤状态信息。

举例来说，处理装置220依据下针位置、针具数量等手术参数模拟计算治疗范围，以通过图像显示装置240显示图像模拟治疗范围与真实医学图像，从而让医生在手术前可从多角度、多层次进行观察和进行分析比较。

藉此，在手术前的评估过程中，本实施例的术前规划系统200可提供医生能更直观的理解各操作条件下的治疗情形，并可获得治疗区与周围重要结构的空间关系，避免周围结构热损伤的发生，以提高诊断的准确性与手术品质和效果。

在另一实施例中，在手术过程中，处理装置220还能依据温度分布与热损伤状态信息而通过图像显示装置240来提供手术导引信息。例如，术前规划系统200可包括另一个图像获取装置(未示出)，以拍摄手术图像。而处理装置220可依据手术图像及手术数据库对各种操作情形进行评估，且通过图像显示装置240呈现对应的手术导引信息。针对手术过程中的各流程及突发状况，手术导引信息能指引医生进行对应的操作或进行修正。

为了让本领域技术人员能明了本发明的操作流程，以下另举一情境说明。图6是依据本发明另一实施例说明一种术前规划方法的流程图。请同时参照图6，本实施例的术前规划方法例如至少可适用于图1及图2中的术前规划系统100、200。而为了方便说明，以下实施例将以图2中的装置及元件说明本发明实施例所述的方法。本方法的各个流程可依照实施情形而随之调整，且并不仅限于此。

首先，图像获取装置210取得医学图像(步骤S610)。此医学图像例如 是CT、MRI或超声波图像等。处理装置220接着建立可供工程分析格式(步骤S620)，且分辨医学图像的组织性质(例如肌肉、脂肪等)，并建立热治疗手术模拟所需物理参数(例如，磁(e)、电流(i)、磁导率(μ)、热传导(k)、比热(c)等)。而若无文献数据的参数，则以实验方式量取(步骤S630)。处理装置220模拟不同热治疗情形(针具数量、针具位置与热治疗时间等)以建立组织热特性数据库(步骤S640)。处理装置220可利用模拟的组织热特性数据库建立热治疗手术的“专家系统”(即，包括手术模拟信息的手术数据库)。当医生输入手术操作参数(针具数量、针具位置与热治疗时间等)时，图像显示装置240便能依据手术数据库呈现此操作条件下的温度分布、烧灼范围等温度分布与热损伤状态信息(步骤S650)。通过图像显示装置240呈现手术模拟信息及温度分布与热损伤状态信息，可让医生与病患都能更清楚手术流程。而在手术过程中，术前规划系统200能提供即时手术导引系统，让医生于手术前或手术中能依据手术导引信息而更清楚下针位置与治疗范围，进而有利于医生即时修正手术操作(步骤S660)。

综上所述，本发明实施例提供术前规划系统以及术前规划方法，其术分析诸如超声波、CT、MRI等医学图像，以基于组织热特性数据库建立具有多种手术情境的手术数据库。此外，本发明实施例也能接收手术参数操作，以提供对应的温度分布与热损伤状态信息。此温度分布与热损伤状态信息不论是在术前能提供医生与病患了解手术情况，还能在手术过程中提供手术导引信息。藉此，通过结合医学图像、组热特性数据库、热治疗手术数据库、温度分布与热损伤状态信息而形成的术前规划系统，其能将模拟计算的手术模拟信息提供给医生来与真实医学图像进行比较，从而理解治疗情形、治疗区与周围重要结构的空间关系，以降低对周围结构造成热损伤的机会。此外，本发明实施例还能提高诊断的准确性与手术品质和效果，进而供医生作为在手术前或手术中评估及引导的重要参考。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。