脑病灶射频消融手术规划系统的设计与实现

吴薇薇，李 鹏，吴水才，张延华，贾克斌

脑病灶射频消融手术规划系统的设计与实现

吴薇薇，李 鹏，吴水才，张延华，贾克斌

目的：为提高脑病灶射频消融治疗的有效性和安全性，设计并实现一种脑病灶射频消融手术规划系统。方法：基于脑MRI扫描图像，对脑病灶组织进行三维重建和可视化建模。利用有限元方法模拟射频消融温度场分布，对脑病灶和模拟温度场进行“适形”比较。结果：该系统通过“适形”比较，能确定射频消融的最佳治疗参数。结论：该系统可用于脑病灶射频消融治疗参数的规划，具有一定的临床应用价值。

脑病灶；射频消融；手术规划

0 引言

射频消融术（radiofrequency ablation）作为肿瘤微创治疗方法之一，已广泛应用于临床[1-4]。脑内病灶（如肿瘤、癫痫、帕金森等）的射频消融治疗是指将射频针作为热源，通过脑立体定向、颅骨钻孔插入病灶部位，在数分钟内产生局部高温（60℃以上）使病灶组织凝固变性，以达到原位毁损病灶的目的。在脑病灶射频消融治疗中，实现对病灶组织的“适形”治疗和对射频加热温度场分布的实时监测是临床追求的目标。“适形”治疗是指由射频消融产生的凝固区能够完全覆盖病灶组织范围。实现“适形”治疗需对消融过程中的温度场进行精确调控，对射频治疗参数（加热时间和功率）实行量化控制。

目前，临床上在实施脑病灶射频消融治疗前需对治疗参数进行规划。医生通过患者脑病灶二维影像确定病灶的位置和大小，凭经验确定射频加热剂量等治疗参数。然而，该技术对医生经验有很高的要求，一方面医生对肿瘤的观察仅局限于二维层面，缺乏病灶的立体空间信息；另一方面对射频针加热时间和功率的控制需凭医生经验分析和确定，疗效受医生主观因素影响较大，限制了射频消融技术在临床上的推广使用。

针对以上问题，手术规划系统基于医学影像技术可将患者病灶及周边组织器官三维可视化，为医生提供直观的空间信息；利用有限元方法模拟预测射频消融温度场分布[5-7]，建立消融范围数据库，辅助医生确定加热剂量参数；提供虚拟手术平台，让医生在术前对治疗过程进行全面的分析规划，提高手术的有效性和安全性[8]。本文针对脑病灶射频消融手术规划系统进行研究，利用计算机对脑病灶进行三维重建可视化，对射频消融温度场进行模拟预测，通过“适形”比较确定最佳射频消融治疗参数，设计并实现了一种脑病灶（肿瘤）射频消融手术规划系统。利用该系统可在射频消融治疗前科学设计治疗参数，有效提高脑立体定向射频消融治疗的安全性和有效性，具有重要的临床应用价值。

1 系统设计

本系统软件设计采用运行效率较高的Microsoft Visual C++作为软件开发平台，集成中科院自动化研究所开发的医学图像处理工具包（medical imaging toolkit，MITK），使用Microsoft Access数据库记录管理消融温度场模型参数。如图1所示，本系统主要包含脑肿瘤分割与三维可视化模块、射频消融温度场数据管理模块、模型匹配模块3个功能模块。其中，脑肿瘤分割与三维可视化模块包含DICOM图像的输入输出、肿瘤交互分割、三维重建可视化及交互操作、肿瘤模型网格化简及模型数据存储等功能；射频消融温度场数据管理模块包含系统登录与账号管理、射频治疗加热剂量及温度场模型参数的浏览查询和导出等功能；模型匹配模块包含脑肿瘤三维模型参数分析和模型匹配等功能，通过该模块可进行脑病灶三维模型与三维模拟温度场的“适形”比较，从而确定最佳的脑病灶射频消融治疗参数。

图1 射频消融手术规划系统功能模块

1.1 脑肿瘤分割与三维可视化模块

本系统分割与三维可视化模块界面如图2所示，可实现文件操作、肿瘤分割、形态学操作、三维可视化、网格化简、三维交互操作等功能。脑肿瘤的交互式分割功能在自动分割的基础上允许医生对分割不理想的区域进行修正，可使医生摆脱手动分割费时费力的现状。三维重建算法采用MITK库中基于移动立方体（marching cubes，MC）算法的三维面绘制，该方法能在保证重建速度的情况下实现脑肿瘤的三维可视化，使医生对病灶区域有更加直观的理解。

图2 脑肿瘤分割与三维可视化模块

该模块显示界面可分为左、右2个区域：左区域又划分为3个部分，从上到下分别显示读取的原始脑肿瘤MRI图像、脑肿瘤交互式分割结果和肿瘤边界二值化边缘提取图像；右区域显示为肿瘤三维重建可视化模型。

1.2 射频消融温度场数据管理模块

为了减轻医生对消融治疗经验的依赖，量化射频消融加热剂量（加热时间、功率）与消融区范围的关系，射频消融手术规划系统通过有限元方法仿真射频消融的温度场分布，以获得不同加热剂量条件下消融区的预测范围，建立数据库并将所有温度场模型参数保存其中，以供医生查询、对比和选择。

经身份验证后可进入射频消融温度场数据管理模块，该模块存储射频消融模拟温度场的模型参数，主要为射频针的温控设置（加热时间、消融凝固区的长轴长和短轴长）。如图3所示，该模块实现了用户账号管理、温度场模型参数管理和加热剂量参数管理等。在Access数据库中对应表格为UserTable、Temper-ModelTable、Temper-SetTable等。其中，最重要的是温度场模型参数Temper-ModelTable数据表，该表记录了以50℃为边界[9]的单极射频消融区仿真模型参数（如图4所示），包括不同消融模型的加热时间（t/s）、射频消融仪的恒温设置（T/℃）、消融区边界的长轴长（La，2a/mm）和短轴长（Sa，2b/mm）。

图3 射频消融温度场数据库管理模块

图4 消融区模型信息表

1.3 模型匹配模块

肿瘤与温度场的三维模型匹配模块主要实现射频消融中的“适形”治疗，以确定射频消融治疗参数。通过脑肿瘤三维可视化模块可获取肿瘤三维模型参数，通过温度场数据库管理模块可获取射频消融区的模型参数（如图5所示）。基于MC表面重建算法获得的三维脑肿瘤模型以三角面片为基本组成单位，三角面片顶点数据以STL（stereo lithography）格式保存。通过有限元方法仿真获得的三维消融区模型则由有限元网格划分构成，网格上每一节点都对应着该点的温度值。

图5 三维模型

模型匹配算法基于“切分”[10]原理实现，切分是将三维的肿瘤模型和消融区模型以中心轴对齐并投影在二维平面上，然后逐层对切片进行切削。记录每一条切线上温度场模型与肿瘤模型之间的误差，累计所有切线上的误差作为模型匹配的总误差。最后取其中累积误差最小的模型作为与肿瘤模型最接近的温度场模型，以其对应的射频消融加热参数作为治疗该肿瘤的规划参数。

设肿瘤模型三角面片共有n个顶点，任一点坐标记为Pi=（xi，yi，zi），则肿瘤中心坐标如式（1）所示。设肿瘤最长径的方向矢量为v，则有式（2）。因此经过肿瘤模型中心点的肿瘤最长径直线方程可表示为式（3），其中k为直线斜率。根据肿瘤最长径直线方程，最终可求得最长径长度L。

理想单极射频针形成的消融区一般为椭球形，根据温度场数据库中的La和Sa，可获得三维消融模型，即

将肿瘤与消融区模型在同一平面进行比较。设安全间隔为M，则应满足条件：

将肿瘤模型与三维热场模型以中心点P0及各自最长轴在空间上进行对齐，垂直于最长轴方向对模型进行等间距二维平面切分，层与层之间的间隔为0.1cm（如图6所示）。其中Sa-n，…，Sa-1，S0，Sa1，…，San为消融区径向圆半径，ra-n，…，ra-1，r0，ra1，…，ran为肿瘤模型径向圆半径，则应满足条件：

图6 模型匹配之等间距切分平面示意图

模型匹配过程将遍历温度场数据库中所有治疗参数信息，以寻找使匹配总误差最小的消融区模型，作为消融治疗的规划方案。

2 结果与分析

本文介绍了一种脑肿瘤射频消融手术规划系统的设计、结构和功能。该系统主要由分割与三维可视化、射频消融温度场数据库管理和模型匹配3个模块构成。该系统可辅助实现脑内病灶立体定向射频消融的“适形”治疗，使射频消融治疗参数的确定由主要凭经验转变为基于定量数据的计算机辅助规划过程。通过对脑MRI序列图像的处理，对脑病灶进行三维重建可视化；利用有限元方法模拟预测射频消融温度场分布并建立数据库；根据模型匹配法对脑病灶和模拟温度场进行匹配，确定最佳射频消融治疗参数，从而提高脑病灶射频消融治疗的安全性和有效性。本系统通过进一步改进和完善可应用于临床。

[1]刘光清，张建辉，黄利，等.彩色多普勒超声引导射频消融治疗转移性肝肿瘤23例分析[J].重庆医学，2012，41（18）：1 854-1 856.

[2]LIN Z，SHAN Z G，LIAO C X，et al.The effect of microwave and bipolar radio-frequency ablation in the surgical treatment of permanent atrial fibrillation during valve surgery[J].The Thoracic and Cardiovascular Surgeon，2011，59（8）：460-464.

[3]Best S L，Park S K，Yaacoub R F，et al.Long-term outcomes of renal tumor radio frequency ablation stratified by tumor diameter：size matters[J].The Journal of Urology，2012，187（4）：1 183-1 189.

[4]Kodama H，Yamakado K，Takaki H，et al.Lung radiofrequency ablation for the treatment of unresectable recurrent non-small-cell lung cancer after surgical intervention[J].Cardiovascular and Interventional Radiology，2012，35（3）：563-569.

[5]Barauskasa R，Gulbinasb A，Vanagasc T，et al.Finite element modeling of cooled-tip probe radiofrequency ablation processes in liver tissue[J].Computers in Biology and Medicine，2008，38（6）：694-708.

（►►►►）（◄◄◄◄）

[6] Schutt D J，Haemmerich D.Sequential activation of a segmented ground pad reduces skin heating during radiofrequency tumor ablation：optimization via computational models[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2008，55（7）：1 881-1 889.

[7] Chen C C，Miga M I，Galloway R L.Optimizing electrode placement using finite-element models in radiofrequency ablation treatment planning[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2009，56（2）：237-245.

[8] Mundeleer L，Wikler D，Leloup T，et al.Development of a computer assisted system aimed at RFA liver surgery[J].Computerized Medical Imaging and Graphics，2008，32（7）：611-621.

[9] Yang D S，Converse M C，Mahvi D M，et al.Measurement and analysis of tissue temperature during microwave liver ablation[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2007，54（1）：150-155.

[10]艾海明.计算机辅助肝癌微波消融手术计划与预测系统研究[D].北京：北京工业大学，2011.

（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

北京市自然科学基金项目（3112005）

吴薇薇（1989—），女，博士生研究生，主要研究方向为医学电子及信息处理，E-mail：wuweiwei8889@163.com。

100124北京，北京工业大学电子信息与控制工程学院（吴薇薇，张延华，贾克斌），生命科学与生物工程学院（李 鹏，吴水才）

吴水才，E-mail：wushuicai@bjut.edu.cn