高宏建,楊春蘭,趙 磊,艾海明,吳水才,程志剛,梁 萍

(1.北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院,北京 100124;2.解放軍總醫(yī)院超聲科,北京 100853)

肝癌已成為人類生命安全的最大威脅,據(jù)統(tǒng)計全世界每年死于肝癌的人數(shù)超過 25萬.我國是肝癌的高發(fā)區(qū),每年有 10萬人死于此病.目前對肝癌的治療可以使用手術(shù)、放療和化療,但肝癌的 5 a生存率僅為 5%左右,而且僅有 10%～20%的病人其肝癌能被切除.近年來,微波熱療技術(shù)成為治療人體腫瘤行之有效的方法,它通過微波加熱來消滅腫瘤細(xì)胞.北京 301醫(yī)院(解放軍總醫(yī)院)超聲科利用微波臨床治療肝癌近千例,取得突出療效,局部熱凝固消融治療已達(dá)到國際領(lǐng)先水平.

但目前在臨床微波熱療手術(shù)過程中完全依靠醫(yī)生對二維圖像(CT、MRI、超聲等)的理解,醫(yī)生的主觀經(jīng)驗起到?jīng)Q定性的作用[1].醫(yī)生通過醫(yī)學(xué)圖像上顯示出的腫瘤形狀、大小及位置等信息決定穿刺部位、穿刺深度、加熱參數(shù),帶有很大的主觀性.另外考慮到患者的身體條件,介入性治療不能進(jìn)行過多的穿刺,對腫瘤的殺滅也必須達(dá)到一次性完成,以防止其復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移[2].針對上述臨床應(yīng)用中存在的問題,研制一套肝癌微波熱療手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)迫在眉睫,該系統(tǒng)的引入可對微波加熱參數(shù)及方式進(jìn)行優(yōu)化,從而能較好地完成肝臟腫瘤的三維適形治療,避免對正常肝組織的損害.這對于提高外科手術(shù)的科學(xué)性和可靠性、減少手術(shù)創(chuàng)傷具有非常重要的意義.

計算機(jī)圖像處理技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)以及工程技術(shù)的發(fā)展使得計算機(jī)輔助手術(shù)成為可能[3].通過肝臟微波熱療手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)可以確定肝臟、腫瘤及其管道系統(tǒng)的三維解剖關(guān)系,同時通過該系統(tǒng)可以制定合理的手術(shù)規(guī)劃方案,確定穿刺點的位置、穿刺針的方向和加熱參數(shù)(加熱時間和功率等).因此,肝臟微波手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)的研制能科學(xué)地引導(dǎo)臨床手術(shù),提高臨床手術(shù)的可預(yù)見性,這將極大地促進(jìn)微波熱療在臨床中的應(yīng)用.

1 設(shè)計與實現(xiàn)

肝癌微波熱療手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)的最終目的是輔助醫(yī)生尋找最佳的熱療參數(shù),制定合理的手術(shù)計劃.

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境

由于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)量非常大,所以選用運(yùn)行效率比較高的 Microsoft Visual C++作為系統(tǒng)開發(fā)平臺.另外,為了加快軟件開發(fā)速度和避免重復(fù)勞動,把重點放在算法研究和具體功能實現(xiàn)上,系統(tǒng)采用圖像處理工具包 MITK(Medical Imaging ToolKit)作為開發(fā)框架.MITK是建立在 VTK(visualization ToolKit)和ITK(insight segmentation and registration ToolKit)的基礎(chǔ)上,在統(tǒng)一的框架下實現(xiàn)了醫(yī)學(xué)影像的分割、配準(zhǔn)和三維可視化等算法.

1.1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

基于系統(tǒng)功能要求,系統(tǒng)軟件主要由三維可視化模塊、有限元仿真模塊和手術(shù)規(guī)劃及預(yù)測模塊組成.通過系統(tǒng)軟件主界面(如圖 1)對各功能模塊進(jìn)行調(diào)用,完成微波熱療手術(shù)規(guī)劃.

圖 1 系統(tǒng)主界面Fig.1 Main interface of the system

1)三維可視化模塊 該模塊的主要功能是對肝臟二維 CT掃描圖像進(jìn)行三維可視化,得到肝臟及其腫瘤的三維模型,并輸出模型數(shù)據(jù).該模塊主要由 2部分組成:一部分是利用 MITK的數(shù)據(jù)流模型作為框架對醫(yī)學(xué)斷層圖像進(jìn)行處理,實現(xiàn)圖像分割、圖像配準(zhǔn)、圖像濾波、三維可視化、網(wǎng)格化簡和圖像測量[4];另一部分是可調(diào)用商業(yè)化的三維可視化軟件 Amira 3.1對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理,以便對圖像三維可視化結(jié)果進(jìn)行分析比較和對比驗證.

2)有限元仿真模塊 該模塊的主要功能是模擬微波熱療溫度場的分布,通過不斷調(diào)整加熱參數(shù),獲得不同的溫度場三維模型,從而建立溫度場分布數(shù)據(jù)庫.該模塊由 2部分組成:一部分在VC++開發(fā)平臺下對溫度場進(jìn)行模擬仿真計算;另一部分是可調(diào)用商業(yè)化的有限元分析軟件 ANSYS,以便對模擬的三維溫度場進(jìn)行分析比較和對比驗證.

3)手術(shù)規(guī)劃與預(yù)測模塊 該模塊的主要功能是制定最終的肝癌微波熱療手術(shù)規(guī)劃方案,用于指導(dǎo)臨床手術(shù).該模塊主要由模型匹配和最佳手術(shù)方案制定 2部分組成.模型匹配是對肝臟三維可視化模型和溫度場三維模型進(jìn)行比較和匹配,判斷微波熱療溫度場是否適形覆蓋了肝腫瘤.最佳手術(shù)方案制定是通過模型匹配獲得最佳的微波熱療參數(shù)(加熱功率、分時比、加熱持續(xù)時間等),獲得合理手術(shù)方案,并以規(guī)范文本形式輸出供醫(yī)生治療參考.

1.1.3 系統(tǒng)工作流程

手術(shù)前,首先使用 CT或 MR對病人肝臟部位進(jìn)行掃描,將所得二維掃描圖像讀入計算機(jī)進(jìn)行預(yù)處理(分割、配準(zhǔn)、濾波等),然后對感興趣區(qū)域(肝癌)進(jìn)行三維可視化并進(jìn)行測量分析,提取所需三維參數(shù)(大小、長徑、橫徑等).接下來,利用有限元分析得到設(shè)定微波熱療參數(shù)下溫度場的大小并建立相應(yīng)模型.最后將溫度場模型的參數(shù)和肝癌三維可視化模型參數(shù)進(jìn)行匹配,不斷調(diào)整熱療參數(shù),得到最佳手術(shù)方案.肝臟微波熱療手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)基本工作流程如圖 2所示.

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文在手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計框架的基礎(chǔ)上,利用 MITK和現(xiàn)有的三維可視化工具 Amira以及有限元分析軟件 Ansys,對該系統(tǒng)進(jìn)行了實現(xiàn).

1.2.1 肝臟及腫瘤的三維可視化模型的建立

本次實驗數(shù)據(jù)來源于解放軍總醫(yī)院 2例肝癌病人的 CT數(shù)據(jù).每例數(shù)據(jù)為 60張斷層圖像,層間距為2.5mm,每張 CT圖像由 512×512個像素組成,像素大小為0.703125mm×0.703125mm.實驗中首先利用 Amira進(jìn)行圖像剪切、分割、表面重建、網(wǎng)格化簡、表面光滑等步驟[5],最終完成肝臟及腫瘤的三維重建,重建結(jié)果如圖 3和圖 4所示,圖 3中肝臟表面由9 000個三角形面片組成,腫瘤表面由 1 869個三角形面片組成.圖 4中肝臟表面由 7 944個三角形面片組成,腫瘤表面由 7 040個三角形面片組成.通過肝臟及腫瘤的三維可視化模型可以了解腫瘤的大小以及相互解剖位置關(guān)系,進(jìn)而可提取相應(yīng)的特征參數(shù).

1.2.2 仿真溫度場模型的建立

圖 2 計算機(jī)輔助肝臟微波熱療手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Data flow diagram of liver hyperthermia treatment planning system

圖 3 第 1例肝臟及腫瘤的三維可視化模型Fig.3 3-D visualization model of the 1st liver and tumor

圖 4 第 2例肝臟及腫瘤的三維可視化模型Fig.4 3-D visualization model of the 2nd liver and tumor

臨床上將(54±0.5)℃作為熱凝固區(qū)的外邊界[6],目前微波熱療單極連續(xù)加熱時凝固區(qū)的范圍已被成功擴(kuò)展到(4±0.5)cm×(5±0.5)cm×(5±0.5)cm[7].熱療的實際應(yīng)用中幾乎都是通過實驗數(shù)據(jù)的擬合得到比吸收率 SAR(specific absorption rate)的分布函數(shù)[8].因此通過體模實驗得到恒功率 50W在組織內(nèi)的 SAR分布,擬合出空間的分布函數(shù):正向函數(shù)為 1.07×3.7×1.567 7×1.805 5×2.718 28-2.15×r×(-0.1z3+0.37z2-0.529z+0.796 3);負(fù)向函數(shù)為 1.07×3.7×1.034 9×1.805 5×2.71828-2.15×r×(-0.1z3-0.59z2-0.493z+0.629 4).利用 Ansys和SAR分布函數(shù)對 50W、2 450MHz單極植入式微波天線溫度場的分布進(jìn)行了模擬,三維溫度場仿真結(jié)果(外邊界 54℃)如圖 5所示.

1.2.3 參數(shù)提取和模型匹配

圖 6所示為肝臟腫瘤和模擬溫度場的三維模型圖.首先對圖 6(a)中的腫瘤三維可視化模型進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和參數(shù)提取,第 1例腫瘤測量結(jié)果為:長徑 3.290 1 cm;橫徑 2.438 2 cm;腫瘤長徑與 X軸夾角為78°、與 Y軸夾角為 10.4°、與 Z軸夾角為 75°(X、Y、Z分別為冠狀位、矢狀位、軸狀位方向).第 2例測量結(jié)果為:長徑 2.8965 cm;橫徑 2.4645 cm;腫瘤長徑與 X軸夾角為 78.8°、與 Y軸夾角為 155.7°、與 Z軸夾角為 161.9°.將長徑和橫徑的交點作為坐標(biāo)原點,測得肝腫瘤表面數(shù)據(jù)如表 1和表 2所示.

圖 5 50W,2450MHZ單極植入式微波天線三維溫度場分布Fig.5 The simulation models of temperature field of 50W,2450MHZ

圖 6 肝腫瘤與溫度場的三維模型比較Fig.6 Comparison results of 3-Dmodels between the liver tumor and temperature field

通過有限元模擬仿真得到 50W、2450MHz微波熱療天線的三維溫度場如圖 6(b)所示,通過不斷調(diào)整加熱時間來改變模擬溫度場的大小以期完全覆蓋肝臟腫瘤.當(dāng)調(diào)整微波加熱時間為 465 s時的溫度場數(shù)據(jù)如表 1所示,中心溫度為 83.182℃;當(dāng)調(diào)整加熱時間為 480 s時的溫度場數(shù)據(jù)如表 2所示,中心溫度為 84.238℃;通過與肝腫瘤三維可視化模型數(shù)據(jù)對比,能夠滿足肝臟腫瘤熱療的要求.

表 1 第 1例肝臟腫瘤三維模型的測量數(shù)據(jù)Table 1 M easuring data o f the 1st model of liver and tumor

表 2 第 2例肝臟腫瘤三維模型的測量數(shù)據(jù)Table 2 Measuring data o f the 2nd model of liver and tumor

1.2.4 肝癌微波熱療手術(shù)方案的制定

通過以上肝腫瘤和溫度場三維模型數(shù)據(jù)的對比,最終通過計算機(jī)輔助制定的第 1例肝癌手術(shù)規(guī)劃方案為加熱功率:50W;微波頻率:2 450MHz;加熱時間:465 s;天線的方向:與 X軸夾角為 78°,與 Y軸夾角為 10.4°,與 Z軸夾角為 75°.

第 2例肝癌手術(shù)規(guī)劃方案為加熱功率:50W;微波頻率:2450MHz;加熱時間:480s;天線的方向:與 X軸夾角為 78.8°,與 Y軸夾角為 155.7°,與 Z軸夾角為 161.9°.

2 結(jié)束語

本文利用 VC++和 MITK并結(jié)合 Amira和 Ansys研制了計算機(jī)輔助肝癌微波熱療手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng).通過對 2例肝癌病人 CT掃描圖像的處理和溫度場的模擬匹配,制定出合理的微波熱療手術(shù)計劃,實驗結(jié)果表明了系統(tǒng)的可行性;但該系統(tǒng)還是初步的,下一步的工作中應(yīng)建立多種微波熱療溫度場模擬數(shù)據(jù)庫,提取更加準(zhǔn)確的腫瘤模型參數(shù)并且尋找優(yōu)化的模型匹配算法.該系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步的完善,有望應(yīng)用于肝癌微波熱療的臨床手術(shù)中.

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