面向肝癌消融术的多约束最优穿刺路径规划算法.pdf
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1、收稿日期:基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目().作者简介:刘晓熙()女辽宁鞍山人东北大学硕士研究生 姜慧研()女辽宁鞍山人东北大学教授.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.面向肝癌消融术的多约束最优穿刺路径规划算法刘晓熙 姜慧研 骆 敏(东北大学 软件学院 辽宁 沈阳)摘 要:针对经典穿刺路径规划算法在量化路径情况时没有考虑路径周围区域的问题提出新的约束条件来弥补对路径周围信息量化的不足.基于血管位置信息提出一个严格约束条件(周围区域避开血管)并基于骨骼密度、血管密度和直径信息提出 个软约束条件(骨骼密集度、血管密集度、血管风险度)将周围信息添加到路径的
2、量化中提高穿刺路径的安全性.为了适应患者的特异性提出软约束优化度评分算法根据软约束的优化度设置权重并将最大优化度对应的穿刺路径作为最优穿刺路径.为了验证算法的有效性在公开数据集 上进行实验结果表明本文提出的算法可以快速计算出符合临床需求的最优穿刺路径.关 键 词:肝癌消融术穿刺约束条件穿刺路径规划多目标优化手术导航中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:.):.()().:原发性肝癌是最常见的恶性肿瘤之一.肝细胞癌是原发性肝癌主要的病理学类型占原发性肝癌的 .目前肝癌的根治性治疗主要包括 种方式:肝移植、手术切除和消融治疗.对于直径小于 的肝脏恶性肿瘤广泛采用的根治性治疗是肝肿瘤消融术.肝
3、肿瘤消融术包括术前、术中和术后 个部分其中术前的穿刺路径规划是消融术成功的重要前提.在术前阶段首 先采用腹部增强、等影像设备获得患者的病灶周围影像然后根据影像信息诊断出肿瘤位置、肿瘤数量、肿瘤体积等最后依据肿瘤及肿瘤周围的血管、骨骼、器官位置进行穿刺路径规划.由于不能从医学影像获得实际物理位置信息医生很难综合考虑多项穿刺临床约束条件获得最优穿刺路径 在手术路径规划研究中国内外学者取得了一定成果 等 针对机器人辅助下大肿瘤治疗困难的问题将多个约束条件转化为数学模型并得 到 可 进 针 区 域()然后在 中选择最优穿刺路径 等将射频消融的烧蚀区模拟成理想的椭球型采用 单纯形算法覆盖肝肿瘤在避开腹腔
4、重要组织结构的情况下计算穿刺路径与重要组织结构之间的距离 等首先计算出可进针区域然后将能够消融整个病灶且烧蚀区体积最小的穿刺路径作为最优穿刺路径 等考虑了直径大于 的局部血管的冷却效果使坏死的形状更加逼真通过计算包含肿瘤及安全边界的最小椭球体的中心和轴向得到穿刺针的最优位置.等采用准穷举算法优化可行穿刺路径并将穿刺针轨迹与肿瘤长轴之间的夹角纳入软约束条件中 等将穿刺针路径的深度、角度及经肝距离纳入硬约束条件 等采用软约束与加权求和算法相结合优化可行穿刺路径并将穿刺针的深度和穿刺路径到重要结构的实际距离纳入软约束条件中张睿等采用改进的立方体映射算法对患者的 图像包围盒表面进行二值化分类根据各自的
5、软约束条件灰度图得到最优穿刺路径 基于血管位置信息提出了一个严格约束条件使周围区域避开血管然后基于骨骼密度、血管密度和直径信息提出了 个软约束条件即骨骼密集度、血管密集度及血管风险度以有效量化路径周围情况使穿刺路径最大程度地远离风险组织.本文提出软约束优化度评分算法进行多目标优化并计算得到优化度最高的路径.多约束最优穿刺路径规划算法本文提出一种针对单针肝癌消融手术的多约束最优穿刺路径规划算法 腹腔三维模型如图 所示.图 腹腔三维模型 整个算法的流程如图 所示算法 给出了伪代码.具体步骤如下:步骤 输入腹腔三维模型步骤 对皮肤进针点进行采样步骤 选择一个皮肤进针点生成穿刺路径后进入严格约束部分过
6、滤不满足 个严格约束的皮肤进针点.其中前 个严格约束出自文献本文提出了第个严格约束即周围区图 多约束最优穿刺路径规划算法的流程 第 期 刘晓熙等:面向肝癌消融术的多约束最优穿刺路径规划算法 域避开血管步骤 如果满足 个严格约束条件则计算 个软约束指标.其中本文在文献的 个软约束基础上又提出了 个软约束分别为基于骨骼密集度避开骨骼密集区域、基于血管密集度避开血管密集区域、基于血管风险度避开大直径血管区域即 个软约束指标为骨骼密集度、血管密集度、血管风险度、穿刺距离和穿刺角度步骤 遍历全部皮肤进针点计算出软约束指标值及其最大值步骤 基于本文提出的软约束优化度评分算法对皮肤进针点评分步骤 基于最优解
7、确定最优进针点与穿刺路径.算法:多约束最优穿刺路径规划算法输入:腹腔三维模型输出:最优皮肤进针点和最优穿刺路径.设置皮肤点采样数量.对皮肤进行采样得到皮肤进针点.不满足严格约束 .为可行进针点.计算 的骨骼密集度:.计算 的血管密集度:.计算 的血管风险度:.计算 的穿刺距离.计算 的穿刺角度.更新骨骼密集度最大值.更新血管密集度最大值.更新血管风险度最大值.更新穿刺距离最大值.更新穿刺角度最大值.是可行进针点.根据()式()计算 的评分:().更新评分最大值.皮肤进针点 和 对应的穿刺路径 基于蒙特卡洛法的皮肤进针点采样在穿刺路径规划中首先要设计皮肤进针点的位置然后根据约束条件对皮肤进针点进
8、行筛选最后选出最优皮肤进针点.由于皮肤是连续曲面为了减少计算数量提高计算效率需要对皮肤采样得到离散的皮肤进针点.马尔科夫链蒙特卡洛()是一种近似的贝叶斯概率模型算法.利用从马尔科夫链中采集样本去模拟复杂的概率分布.当采集的样本数量足够大时样本能够为概率模型提供接近无偏估计.为此本文采用蒙特卡洛法按照均匀分布进行皮肤进针点采样.皮肤进针点的采样步骤如下:步骤 设置 个合理的样本容量值作为循环次数设样本容量值 步骤 确定皮肤在三维空间的坐标范围步骤 在坐标范围内采用随机函数()生成随机值得到随机的三维坐标将该坐标作为皮肤进针点.约束条件在计算机辅助手术导航中需要对穿刺消融术约束量化成多个条件.等将
9、其量化为严格约束()和软约束().严格约束是必须遵循的条件软约束是可选条件软约束表示穿刺路径的安全性程度.在实际手术中由于术中穿刺的路径与术前规划的路径会存在一定偏差为此在自动规划路径时还要考虑路径周围的骨骼和血管情况使路径避开重要组织结构以保证手术的安全性.本文提出基于周围区域避开血管的严格约束条件和基于骨骼密集度、血管密集度及血管风险度的软约束条件并设置风险组织包括肝静脉、门静脉、动脉和骨骼以更好地量化路径周围信息使穿刺路径更安全.肝癌穿刺路径规划包括严格约束和软约束如表 所示.由于穿刺手术导致软组织变形的问题是目前临床上无法解决的问题因此本文东北大学学报(自然科学版)第 卷 暂时没有考虑
10、软组织的变形问题.表 肝癌穿刺路径规划的约束 严格约束软约束避开腹腔风险组织(骨骼、肾、肺、脾、主要血管)基于骨骼密集度避开骨骼密集区域穿刺距离要小于消融针的长度基于血管密集度避开血管密集区域消融针与肝包膜夹角大于临床常规值(防止出现滑针现象)基于血管风险度避开大直径血管区域经肝深度大于(止血和固定消融针的作用)穿刺距离尽量小周围区域避开血管穿刺时与肝包膜法线夹角尽量小 注:黑体表示本文提出的约束条件.周围区域避开血管的严格约束为了保证穿刺路径远离血管本文提出将周围区域避开血管作为一个严格约束条件.该约束条件将周围区域抽象为当前穿刺路径附近的 条穿刺路径如果 条边界穿刺路径碰撞到血管则当前穿刺
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- 关 键 词:
- 面向 肝癌 消融 约束 最优 穿刺 路径 规划 算法
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