吳薇薇，李 鵬，吳水才，張延華，賈克斌

腦病灶射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

吳薇薇，李 鵬，吳水才，張延華，賈克斌

目的：為提高腦病灶射頻消融治療的有效性和安全性，設(shè)計并實現(xiàn)一種腦病灶射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)。方法：基于腦MRI掃描圖像，對腦病灶組織進(jìn)行三維重建和可視化建模。利用有限元方法模擬射頻消融溫度場分布，對腦病灶和模擬溫度場進(jìn)行“適形”比較。結(jié)果：該系統(tǒng)通過“適形”比較，能確定射頻消融的最佳治療參數(shù)。結(jié)論：該系統(tǒng)可用于腦病灶射頻消融治療參數(shù)的規(guī)劃，具有一定的臨床應(yīng)用價值。

腦病灶；射頻消融；手術(shù)規(guī)劃

0 引言

射頻消融術(shù)（radiofrequency ablation）作為腫瘤微創(chuàng)治療方法之一，已廣泛應(yīng)用于臨床[1-4]。腦內(nèi)病灶（如腫瘤、癲癇、帕金森等）的射頻消融治療是指將射頻針作為熱源，通過腦立體定向、顱骨鉆孔插入病灶部位，在數(shù)分鐘內(nèi)產(chǎn)生局部高溫（60℃以上）使病灶組織凝固變性，以達(dá)到原位毀損病灶的目的。在腦病灶射頻消融治療中，實現(xiàn)對病灶組織的“適形”治療和對射頻加熱溫度場分布的實時監(jiān)測是臨床追求的目標(biāo)。“適形”治療是指由射頻消融產(chǎn)生的凝固區(qū)能夠完全覆蓋病灶組織范圍。實現(xiàn)“適形”治療需對消融過程中的溫度場進(jìn)行精確調(diào)控，對射頻治療參數(shù)（加熱時間和功率）實行量化控制。

目前，臨床上在實施腦病灶射頻消融治療前需對治療參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃。醫(yī)生通過患者腦病灶二維影像確定病灶的位置和大小，憑經(jīng)驗確定射頻加熱劑量等治療參數(shù)。然而，該技術(shù)對醫(yī)生經(jīng)驗有很高的要求，一方面醫(yī)生對腫瘤的觀察僅局限于二維層面，缺乏病灶的立體空間信息；另一方面對射頻針加熱時間和功率的控制需憑醫(yī)生經(jīng)驗分析和確定，療效受醫(yī)生主觀因素影響較大，限制了射頻消融技術(shù)在臨床上的推廣使用。

針對以上問題，手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)基于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)可將患者病灶及周邊組織器官三維可視化，為醫(yī)生提供直觀的空間信息；利用有限元方法模擬預(yù)測射頻消融溫度場分布[5-7]，建立消融范圍數(shù)據(jù)庫，輔助醫(yī)生確定加熱劑量參數(shù)；提供虛擬手術(shù)平臺，讓醫(yī)生在術(shù)前對治療過程進(jìn)行全面的分析規(guī)劃，提高手術(shù)的有效性和安全性[8]。本文針對腦病灶射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用計算機(jī)對腦病灶進(jìn)行三維重建可視化，對射頻消融溫度場進(jìn)行模擬預(yù)測，通過“適形”比較確定最佳射頻消融治療參數(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種腦病灶（腫瘤）射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可在射頻消融治療前科學(xué)設(shè)計治療參數(shù)，有效提高腦立體定向射頻消融治療的安全性和有效性，具有重要的臨床應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用運(yùn)行效率較高的Microsoft Visual C++作為軟件開發(fā)平臺，集成中科院自動化研究所開發(fā)的醫(yī)學(xué)圖像處理工具包（medical imaging toolkit，MITK），使用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫記錄管理消融溫度場模型參數(shù)。如圖1所示，本系統(tǒng)主要包含腦腫瘤分割與三維可視化模塊、射頻消融溫度場數(shù)據(jù)管理模塊、模型匹配模塊3個功能模塊。其中，腦腫瘤分割與三維可視化模塊包含DICOM圖像的輸入輸出、腫瘤交互分割、三維重建可視化及交互操作、腫瘤模型網(wǎng)格化簡及模型數(shù)據(jù)存儲等功能；射頻消融溫度場數(shù)據(jù)管理模塊包含系統(tǒng)登錄與賬號管理、射頻治療加熱劑量及溫度場模型參數(shù)的瀏覽查詢和導(dǎo)出等功能；模型匹配模塊包含腦腫瘤三維模型參數(shù)分析和模型匹配等功能，通過該模塊可進(jìn)行腦病灶三維模型與三維模擬溫度場的“適形”比較，從而確定最佳的腦病灶射頻消融治療參數(shù)。

圖1 射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)功能模塊

1.1 腦腫瘤分割與三維可視化模塊

本系統(tǒng)分割與三維可視化模塊界面如圖2所示，可實現(xiàn)文件操作、腫瘤分割、形態(tài)學(xué)操作、三維可視化、網(wǎng)格化簡、三維交互操作等功能。腦腫瘤的交互式分割功能在自動分割的基礎(chǔ)上允許醫(yī)生對分割不理想的區(qū)域進(jìn)行修正，可使醫(yī)生擺脫手動分割費時費力的現(xiàn)狀。三維重建算法采用MITK庫中基于移動立方體（marching cubes，MC）算法的三維面繪制，該方法能在保證重建速度的情況下實現(xiàn)腦腫瘤的三維可視化，使醫(yī)生對病灶區(qū)域有更加直觀的理解。

圖2 腦腫瘤分割與三維可視化模塊

該模塊顯示界面可分為左、右2個區(qū)域：左區(qū)域又劃分為3個部分，從上到下分別顯示讀取的原始腦腫瘤MRI圖像、腦腫瘤交互式分割結(jié)果和腫瘤邊界二值化邊緣提取圖像；右區(qū)域顯示為腫瘤三維重建可視化模型。

1.2 射頻消融溫度場數(shù)據(jù)管理模塊

為了減輕醫(yī)生對消融治療經(jīng)驗的依賴，量化射頻消融加熱劑量（加熱時間、功率）與消融區(qū)范圍的關(guān)系，射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)通過有限元方法仿真射頻消融的溫度場分布，以獲得不同加熱劑量條件下消融區(qū)的預(yù)測范圍，建立數(shù)據(jù)庫并將所有溫度場模型參數(shù)保存其中，以供醫(yī)生查詢、對比和選擇。

經(jīng)身份驗證后可進(jìn)入射頻消融溫度場數(shù)據(jù)管理模塊，該模塊存儲射頻消融模擬溫度場的模型參數(shù)，主要為射頻針的溫控設(shè)置（加熱時間、消融凝固區(qū)的長軸長和短軸長）。如圖3所示，該模塊實現(xiàn)了用戶賬號管理、溫度場模型參數(shù)管理和加熱劑量參數(shù)管理等。在Access數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)表格為UserTable、Temper-ModelTable、Temper-SetTable等。其中，最重要的是溫度場模型參數(shù)Temper-ModelTable數(shù)據(jù)表，該表記錄了以50℃為邊界[9]的單極射頻消融區(qū)仿真模型參數(shù)（如圖4所示），包括不同消融模型的加熱時間（t/s）、射頻消融儀的恒溫設(shè)置（T/℃）、消融區(qū)邊界的長軸長（La，2a/mm）和短軸長（Sa，2b/mm）。

圖3 射頻消融溫度場數(shù)據(jù)庫管理模塊

圖4 消融區(qū)模型信息表

1.3 模型匹配模塊

腫瘤與溫度場的三維模型匹配模塊主要實現(xiàn)射頻消融中的“適形”治療，以確定射頻消融治療參數(shù)。通過腦腫瘤三維可視化模塊可獲取腫瘤三維模型參數(shù)，通過溫度場數(shù)據(jù)庫管理模塊可獲取射頻消融區(qū)的模型參數(shù)（如圖5所示）?；贛C表面重建算法獲得的三維腦腫瘤模型以三角面片為基本組成單位，三角面片頂點數(shù)據(jù)以STL（stereo lithography）格式保存。通過有限元方法仿真獲得的三維消融區(qū)模型則由有限元網(wǎng)格劃分構(gòu)成，網(wǎng)格上每一節(jié)點都對應(yīng)著該點的溫度值。

圖5 三維模型

模型匹配算法基于“切分”[10]原理實現(xiàn)，切分是將三維的腫瘤模型和消融區(qū)模型以中心軸對齊并投影在二維平面上，然后逐層對切片進(jìn)行切削。記錄每一條切線上溫度場模型與腫瘤模型之間的誤差，累計所有切線上的誤差作為模型匹配的總誤差。最后取其中累積誤差最小的模型作為與腫瘤模型最接近的溫度場模型，以其對應(yīng)的射頻消融加熱參數(shù)作為治療該腫瘤的規(guī)劃參數(shù)。

設(shè)腫瘤模型三角面片共有n個頂點，任一點坐標(biāo)記為Pi=（xi，yi，zi），則腫瘤中心坐標(biāo)如式（1）所示。設(shè)腫瘤最長徑的方向矢量為v，則有式（2）。因此經(jīng)過腫瘤模型中心點的腫瘤最長徑直線方程可表示為式（3），其中k為直線斜率。根據(jù)腫瘤最長徑直線方程，最終可求得最長徑長度L。

理想單極射頻針形成的消融區(qū)一般為橢球形，根據(jù)溫度場數(shù)據(jù)庫中的La和Sa，可獲得三維消融模型，即

將腫瘤與消融區(qū)模型在同一平面進(jìn)行比較。設(shè)安全間隔為M，則應(yīng)滿足條件：

將腫瘤模型與三維熱場模型以中心點P0及各自最長軸在空間上進(jìn)行對齊，垂直于最長軸方向?qū)δＰ瓦M(jìn)行等間距二維平面切分，層與層之間的間隔為0.1cm（如圖6所示）。其中Sa-n，…，Sa-1，S0，Sa1，…，San為消融區(qū)徑向圓半徑，ra-n，…，ra-1，r0，ra1，…，ran為腫瘤模型徑向圓半徑，則應(yīng)滿足條件：

圖6 模型匹配之等間距切分平面示意圖

模型匹配過程將遍歷溫度場數(shù)據(jù)庫中所有治療參數(shù)信息，以尋找使匹配總誤差最小的消融區(qū)模型，作為消融治療的規(guī)劃方案。

2 結(jié)果與分析

本文介紹了一種腦腫瘤射頻消融手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和功能。該系統(tǒng)主要由分割與三維可視化、射頻消融溫度場數(shù)據(jù)庫管理和模型匹配3個模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)可輔助實現(xiàn)腦內(nèi)病灶立體定向射頻消融的“適形”治療，使射頻消融治療參數(shù)的確定由主要憑經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)榛诙繑?shù)據(jù)的計算機(jī)輔助規(guī)劃過程。通過對腦MRI序列圖像的處理，對腦病灶進(jìn)行三維重建可視化；利用有限元方法模擬預(yù)測射頻消融溫度場分布并建立數(shù)據(jù)庫；根據(jù)模型匹配法對腦病灶和模擬溫度場進(jìn)行匹配，確定最佳射頻消融治療參數(shù)，從而提高腦病灶射頻消融治療的安全性和有效性。本系統(tǒng)通過進(jìn)一步改進(jìn)和完善可應(yīng)用于臨床。

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（收稿：2014-10-08 修回：2015-01-10）

Design and implementation of planning system for brain lesion radiofrequency ablation

WU Wei-wei1,LI Peng2,WU Shui-cai2,ZHANG Yan-hua1,JIA Ke-bin1
（1.College of Electronic Information&Control Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China; 2.College of Life Science&Bioengineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China）

ObjectiveTo develop a planning system to aid in brain lesion radiofrequency (RF)ablation.Methods3D reconstruction and visualized modeling of brain lesion were carried out on the basis of brain MRI images.Finite element method was used to simulate the temperature distribution surrounding ablation probes,and then conformal comparison was performed for brain lesion and simulated temperature field.ResultsConformal comparison contributed to determining the optimal therapy parameters of RF ablation.ConclusionThe system can be used for the planning of brain lesion RF ablation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：14-16，20]

brain lesion;radiofrequency ablation;surgery planning

R318；TP311.13

A

1003-8868（2015）03-0014-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.014

北京市自然科學(xué)基金項目（3112005）

吳薇薇（1989—），女，博士生研究生，主要研究方向為醫(yī)學(xué)電子及信息處理，E-mail：wuweiwei8889@163.com。

100124北京，北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院（吳薇薇，張延華，賈克斌），生命科學(xué)與生物工程學(xué)院（李 鵬，吳水才）

吳水才，E-mail：wushuicai@bjut.edu.cn