[發明專利]一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術的方法

有效

• 申請號: 201610583439.0
• 申請日: 2016-07-21
• 公開（公告）號: CN105997245B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 孔德興;陳仁棟
• 申請（專利權）人: 杭州奧視圖像技術有限公司
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/20;A61B18/12;A61B18/14;G06T7/60;G06T5/30;G06K9/62
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司33212
• 代理人: 周世駿

1.一種利用橢球覆蓋腫瘤精確模擬射頻消融技術的方法，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，給出初始射頻方案；

(五)確定圓錐形可調區域，手動調節初始射頻方向，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、腫瘤、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毫米的區域，并在腐蝕過程中保證腫瘤區域完好無損；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，假設經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為：其中，為向上取整符號；同時，令聚類個數

步驟B：確定初始聚類中心，若聚類個數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K＞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：選定一個用于調節的單位向量e_s，e_s垂直于冠狀面并且指向腹前方；且e_s總是滿足過程(一)中設定的進針范圍的要求；

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心和對應的協方差矩陣；這里假設對于第i個子類，其質心為c_i，作為聚類中心，協方差矩陣為Q_i，λ_i1，λ_i2，λ_i3為Q_i^-1的特征根且滿足λ_i1≥λ_i2≥λ_i3，e_i1，e_i2，e_i3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1∶k，且當射頻針選定之后，k是一個常數；重新調整Q_i^-1的特征根的大小，使得對于特征向量e_i3，若延長e_i3到腹前皮膚的交點落在進針范圍內，則e_i3保持不變；否則，調整e_i3為

(ei3+t10(es-ei3))||ei3+t10(es-ei3)||2;]]>

其中，t為1到10之間使得調整后的e_i3符合進針范圍的最小正整數；k的取值范圍為0＜k＜1；

同時，更新e_i1，e_i2使得三個單位特征向量保持兩兩垂直的關系，更新協方差矩陣Q_i；

步驟G：利用上述所得質心和協方差矩陣，定義點到各個聚類中心的距離度量：

D(v_j，c_i，Q_i)＝(v_j-c_i)^TQ_i^-1(v_j-c_i)，i＝1，2，...，K，

其中，v_j為腫瘤圖像中的任意一個體素坐標，c_i為第i個子類的聚類中心，Q_i為調整后的協方差矩陣，T表示矩陣的轉置；

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，則轉到步驟E，并令調節向量e_s＝e_i3，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其中n為體素個數，vⁱ是第i個體素坐標，R³是三維實數空間；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)中最終得到的調整后的特征向量，這里假設為e₁，e₂，e₃；

步驟2：定義變換矩陣

定義點集

aⁱ：＝T·vⁱ，i＝1，2，...，n

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o＝T^-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，通過以下步驟調節第K個橢球的大小：

首先，將前K-1個橢球擴大相應倍數使其等于消融橢球的大小；其次，將前K-1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-1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節區域，此調節區域內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l₁，兩個短半軸長度為l₂，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ρl₁，ρl₂；方便起見，先在二維平面上考慮此問題，假設二維平面內有兩個相似橢圓，相似系數為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l₁，l₂，內部小橢圓的長短半軸為別為ρl₁，ρl₂；此時，以原點為中心，逆時針方向旋轉外部大橢圓，使大橢圓與內部小橢圓在第四象限有且只有一個交點；

假設大橢圓轉動的角度為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學表達式，計算可得：在二維平面空間中，可調節區域是夾角為2θ的扇形；由對稱性，在三維立體空間中，可調節區域為一個圓錐形的區域，其兩母線之間的最大夾角為2θ；

將得到的圓錐形調節區域與表皮的交線顯示出來，利用能夠手動調節的模擬射頻針在可調節區域范圍內調節進針路線，直至進針路線不觸及肋骨以及直徑大于3毫米的大血管，該進針路線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。