基于CT影像的肝腫瘤介入熱消融手術(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳薇薇，李文科 ，張睿，周著黃，吳水才

1. 首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069；2. 北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124

引言

肝臟惡性腫瘤嚴(yán)重危害人類的生命健康，熱消融作為腫瘤治療的微創(chuàng)手段之一，近年來已廣泛應(yīng)用于臨床[1-4]。然而，目前臨床中消融手術(shù)規(guī)劃主要由醫(yī)生通過逐層瀏覽患者的二維影像，依據(jù)對(duì)患者腫瘤大小、位置、形態(tài)的粗略估算，在頭腦中進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃。這種人工手術(shù)路徑規(guī)劃方法耗時(shí)耗力，嚴(yán)重依賴醫(yī)生穿刺經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技能，而且往往難以兼顧多項(xiàng)臨床治療要求[5-6]。此外，不合理的手術(shù)規(guī)劃難以做到完全消融，不僅可能導(dǎo)致癌癥復(fù)發(fā)，而且容易引發(fā)多種并發(fā)癥[7]。

近年來，隨著圖像處理及可視化技術(shù)的快速發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)的手術(shù)路徑規(guī)劃成為熱消融治療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8]。Santilli 等[9]基于開源軟件3D Slicer 開發(fā)了一個(gè)易擴(kuò)展的消融手術(shù)規(guī)劃平臺(tái)，提供一些包括分割算法和劑量計(jì)算的通用功能。系統(tǒng)可在2D 圖像切片和3D 結(jié)構(gòu)上顯示熱劑量分布，支持治療計(jì)劃的反復(fù)編輯查看，可輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃；李夢蛟[10]根據(jù)“完全消融”和“布針數(shù)量盡可能少”的原則并結(jié)合“手術(shù)路徑應(yīng)與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)有一定安全距離”這一臨床約束條件設(shè)計(jì)了一套術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅需少量交互即可完成手術(shù)路徑規(guī)劃，同時(shí)還支持圖像瀏覽、圖像分割等操作；Franz等[11]基于開源框架MITK 設(shè)計(jì)了一套針對(duì)較大腫瘤的多針消融規(guī)劃系統(tǒng)，聚焦于消融針數(shù)量和布針問題。就所需消融區(qū)數(shù)量而言，該系統(tǒng)規(guī)劃路徑與臨床醫(yī)生手動(dòng)規(guī)劃相當(dāng)。但以上提到的消融規(guī)劃系統(tǒng)，均沒有充分考慮臨床治療需求，而且主要為半自動(dòng)規(guī)劃，雖然提供了一定的可視化方案，但復(fù)雜病例的規(guī)劃難度依然較高。

為此，本文擬結(jié)合臨床的治療需求和治療流程，開發(fā)一套基于CT 影像的肝腫瘤介入熱消融手術(shù)路徑自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。目的是降低消融手術(shù)路徑規(guī)劃難度，提高手術(shù)規(guī)劃的客觀性和規(guī)劃效率，其具有一定的研究意義和臨床價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參照了臨床需求和治療流程：首先，需要有便于操作的可視化界面，方便醫(yī)生瀏覽和分析圖像；其次，系統(tǒng)需包含一定的圖像處理功能，如圖像分割和三維重建，方便醫(yī)生確定患者腹腔空間中肝臟、腫瘤、血管及其他重要器官組織的解剖位置關(guān)系，替代依賴經(jīng)驗(yàn)想象的復(fù)雜費(fèi)力過程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃；再次，系統(tǒng)應(yīng)包含手術(shù)路徑規(guī)劃模塊，可提供自動(dòng)或半自動(dòng)的手術(shù)路徑規(guī)劃方案和路徑相關(guān)參數(shù)顯示，允許醫(yī)生根據(jù)需要進(jìn)行路徑交互修訂；最后，要求包含數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)模塊，可將患者相關(guān)信息、圖像信息、手術(shù)規(guī)劃信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查看、打印。

基于上述需求，在Visual Studio 的C++語言開發(fā)場景下，使用Qt 類庫設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)包括圖像分割及三維可視化模塊、手術(shù)路徑規(guī)劃模塊、圖像數(shù)據(jù)管理模塊3 個(gè)功能模塊，見圖1。使用分割及配準(zhǔn)工具包ITK實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖像處理算法，使用可視化工具包VTK 實(shí)現(xiàn)可視化顯示，使用SQLite 輕量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)提供整套自動(dòng)化解決方案（自動(dòng)圖像分割、一鍵三維重建、自動(dòng)手術(shù)路徑規(guī)劃），且支持用戶根據(jù)需求交互設(shè)定。

圖1 肝腫瘤熱消融手術(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)功能模塊

1.1 圖像分割及三維可視化模塊

分割及三維可視化模塊包含對(duì)CT 序列三視圖顯示、DICOM 圖像信息解析、腹腔關(guān)鍵器官的自動(dòng)分割、基于光線投射的體繪制和基于移動(dòng)立方體的面繪制重建、三維STL模型保存等功能。該模塊使用流程如圖2 所示。首先，將患者CT 影像導(dǎo)入系統(tǒng)，可對(duì)圖像冠狀面、矢狀面、橫斷面進(jìn)行三視圖顯示，方便醫(yī)生瀏覽影像；再次，系統(tǒng)集成了肝臟、腫瘤、血管、骨骼、皮膚、肺臟的自動(dòng)分割算法，僅需設(shè)置分割文件保存路徑即可完成器官分割[12-14]；最后，可將三維模型保存為stl 格式文件，通過3D 打印制作實(shí)體模型。

圖2 圖像分割及三維可視化模塊使用流程圖

1.2 手術(shù)路徑規(guī)劃模塊

手術(shù)路徑規(guī)劃模塊基于臨床治療多約束條件設(shè)計(jì)，包含加權(quán)求和方法和帕累托最優(yōu)兩種路徑篩選方法，支持對(duì)手術(shù)路徑的交互調(diào)整（可調(diào)整進(jìn)針點(diǎn)空間坐標(biāo)、各約束條件權(quán)重等路徑規(guī)劃參數(shù)）。該模塊的使用流程如圖3 所示。首先，需要進(jìn)行輸入輸出文件設(shè)置，即導(dǎo)入已分割的關(guān)鍵組織器官和設(shè)定輸出文件路徑。兩種路徑篩選方法可選，加權(quán)求和方法可按照分?jǐn)?shù)高低輸出最優(yōu)穿刺路徑，帕累托最優(yōu)概念可輸出帕累托前沿路徑點(diǎn)集供參考。

圖3 手術(shù)路徑自動(dòng)規(guī)劃模塊使用流程圖

1.3 圖像信息數(shù)據(jù)庫模塊

圖像信息數(shù)據(jù)庫模塊能夠?qū)⒒颊咝畔ⅲń馕鯠ICOM文件得到的患者姓名、年齡等相關(guān)信息）、圖像信息（圖像基礎(chǔ)信息、重建器官體積等數(shù)據(jù)）、手術(shù)規(guī)劃參數(shù)信息（加權(quán)法得到的路徑得分信息、帕累托前沿點(diǎn)集等）等保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中，方便操作者查詢、對(duì)比、選擇。

2 手術(shù)路徑規(guī)劃

2.1 算法原理

在腫瘤熱消融治療中，手術(shù)路徑可抽象為體表進(jìn)針點(diǎn)與肝腫瘤靶點(diǎn)的連接線段?；谂R床約束條件的手術(shù)路徑規(guī)劃方法是近年來計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)路徑規(guī)劃的熱點(diǎn)，其原理是將臨床治療需求和目標(biāo)量化為多項(xiàng)約束條件，將路徑規(guī)劃問題抽象為多目標(biāo)優(yōu)化問題。目前相關(guān)臨床約束條件可以分為硬性約束條件和軟性約束條件，硬性約束條件指手術(shù)路徑規(guī)劃必須遵守的臨床準(zhǔn)則（即穿刺路徑應(yīng)避免接觸腹腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、穿刺路徑長度必須嚴(yán)格小于消融針長、穿刺路徑與肝包膜夾角應(yīng)不小于臨床閾值），違背則手術(shù)路徑規(guī)劃失敗。滿足所有硬性約束條件的體表區(qū)域集合則為可行進(jìn)針區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)任意體素點(diǎn)與腫瘤質(zhì)心的連線均可作為手術(shù)路徑。軟性約束條件指手術(shù)路徑規(guī)劃的臨床追求目標(biāo)（如穿刺路徑與腹腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)、穿刺路徑長度應(yīng)盡可能短、穿刺路徑與肝包膜夾角應(yīng)盡可能大等），對(duì)其符合程度越高則路徑越優(yōu)?？尚羞M(jìn)針區(qū)域中各體素點(diǎn)作為穿刺進(jìn)針靶點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，通過應(yīng)用軟性約束條件的組合來獲得[15-16]。

本系統(tǒng)集成了兩種進(jìn)針靶點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的設(shè)定方案，一種是基于設(shè)置權(quán)重的加權(quán)求和方案，另一種是基于帕累托概念的路徑篩選方案。其中加權(quán)求和方法可按照分?jǐn)?shù)高低輸出最優(yōu)穿刺路徑，帕累托最優(yōu)概念可輸出帕累托前沿路徑點(diǎn)集供參考。兩種篩選方法都可提供符合要求的參考進(jìn)針點(diǎn)，操作者可根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和使用習(xí)慣自由選擇。

2.2 加權(quán)求和

根據(jù)可行進(jìn)針區(qū)域內(nèi)各體素點(diǎn)對(duì)軟性約束條件的符合程度，線性設(shè)定其分?jǐn)?shù)值作為優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法。如對(duì)“穿刺路徑與腹腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)”這一約束條件，遍歷可行進(jìn)針區(qū)域內(nèi)各體素點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)器官的距離，并將這些距離數(shù)據(jù)中的最小值作為與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)距離的實(shí)際值，將該值歸一化后可作為備選體素點(diǎn)對(duì)該軟性約束條件的分?jǐn)?shù)評(píng)估。

對(duì)各軟性約束條件設(shè)置權(quán)重，使用公式（1）的乘積求和方法加權(quán)，所得結(jié)果即為體素點(diǎn)P作為進(jìn)針靶點(diǎn)的分?jǐn)?shù)值。如此，建立可行進(jìn)針區(qū)域內(nèi)各體素點(diǎn)作為進(jìn)針靶點(diǎn)的分?jǐn)?shù)評(píng)估，系統(tǒng)可根據(jù)分?jǐn)?shù)推薦2～3 條較優(yōu)路徑供操作者選擇[17]。

其中，Ps1～Ps3為體素點(diǎn)P在各軟性約束條件下的分?jǐn)?shù)評(píng)估；α1～α3為各軟性約束條件的權(quán)重。

2.3 帕累托最優(yōu)

由于手術(shù)路徑規(guī)劃權(quán)重的設(shè)定沒有嚴(yán)格的金標(biāo)準(zhǔn)，且臨床中不同醫(yī)生設(shè)定的權(quán)重系數(shù)往往不相同，因此，盡管本系統(tǒng)支持用戶自定義權(quán)重設(shè)置，其規(guī)劃結(jié)果仍然可能包含主觀因素帶來的誤差。這也是目前基于加權(quán)求和路徑規(guī)劃算法的爭議所在。因此，除了提供加權(quán)求和路徑規(guī)劃方法之外，本系統(tǒng)還提供了一種基于帕累托最優(yōu)的路徑規(guī)劃方法供用戶選擇。

帕累托最優(yōu)是廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化的一種方法，是資源配置的一種理想狀態(tài)。本系統(tǒng)以路徑規(guī)劃的多個(gè)約束條件作為帕累托優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，引入帕累托最優(yōu)的概念進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃[18]。如圖4 所示，以“穿刺路徑實(shí)際長度”和“與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)距離”這兩個(gè)約束條件構(gòu)建一個(gè)帕累托坐標(biāo)系，坐標(biāo)系內(nèi)的藍(lán)色點(diǎn)表示可行進(jìn)針區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)集。穿刺路徑實(shí)際長度要求盡可能短，因此縱軸的值越小，代表以該點(diǎn)為穿刺靶點(diǎn)的路徑越優(yōu)；穿刺靶點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的距離要求盡可能大，因此橫軸的值越大，以該點(diǎn)為穿刺靶點(diǎn)的路徑越優(yōu)。以P 點(diǎn)為例，坐標(biāo)系內(nèi)存在B、C、D 三個(gè)體素點(diǎn)優(yōu)于P 點(diǎn)，因此P 點(diǎn)屬于可以優(yōu)化的點(diǎn)，不屬于帕累托最優(yōu)點(diǎn)；而坐標(biāo)系內(nèi)不存在兩約束條件值都好于A～F點(diǎn)的點(diǎn)，因此A～F 點(diǎn)均屬于帕累托最優(yōu)點(diǎn)，其構(gòu)成的點(diǎn)集稱為帕累托前沿集。

圖4“穿刺路徑實(shí)際長度”和“與風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)距離”構(gòu)建的帕累托坐標(biāo)系

此外，也可由醫(yī)生根據(jù)穿刺經(jīng)驗(yàn)選擇一個(gè)皮膚進(jìn)針靶點(diǎn)（如P 點(diǎn)），系統(tǒng)經(jīng)過帕累托篩選，輸出B、C、D 三點(diǎn)，它們是比醫(yī)生選定進(jìn)針點(diǎn)P 更優(yōu)的進(jìn)針點(diǎn)，可以指導(dǎo)或輔助醫(yī)生進(jìn)行路徑規(guī)劃。

將所有臨床約束條件按照上述規(guī)則兩兩組合建立帕累托坐標(biāo)系，分別求出各坐標(biāo)系下的帕累托最優(yōu)點(diǎn)，最后求交集即可得到全局范圍下的帕累托前沿點(diǎn)集，從而實(shí)現(xiàn)不依賴權(quán)重設(shè)置進(jìn)行路徑篩選。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與結(jié)果

利用本文所設(shè)計(jì)的手術(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)路徑自動(dòng)規(guī)劃，其系統(tǒng)界面如圖5 所示。系統(tǒng)包含4 個(gè)圖像顯示窗口，左側(cè)3 列用于三視圖的顯示，中心窗口用于顯示器官三維重建和路徑規(guī)劃結(jié)果（其中綠色球體為三維重建的肝腫瘤，藍(lán)色線段為自動(dòng)規(guī)劃的最優(yōu)消融針穿刺路徑）；中心窗口下方顯示“加權(quán)求和方法”得到的最優(yōu)路徑的相關(guān)信息，包括進(jìn)針靶點(diǎn)坐標(biāo)（X1，Y1，Z1），腫瘤靶點(diǎn)坐標(biāo)（X2，Y2，Z2），臨床約束條件的絕對(duì)值（穿刺路徑與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的實(shí)際距離S1、穿刺路徑的實(shí)際長度S2、穿刺路徑與肝包膜的實(shí)際夾角S3）以及歸一化的相對(duì)值評(píng)估結(jié)果。臨床約束S1、S2、S3 權(quán)重可根據(jù)需求設(shè)置，路徑得分默認(rèn)基于S1 權(quán)重0.3、S2 權(quán)重0.4、S3 權(quán)重0.3 獲得，其值介于0～10 之間，10 表示評(píng)分準(zhǔn)則下的最優(yōu)路徑。

圖5 手術(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面最右側(cè)為可切換屬性頁，分別為“分割重建”和“路徑規(guī)劃”，其中“路徑規(guī)劃”屬性頁包含路徑設(shè)定、加權(quán)求和方法和帕累托最優(yōu)方法的相關(guān)實(shí)現(xiàn)按鈕，下方為按路徑評(píng)分高低顯示的其他可行參考進(jìn)針靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持對(duì)穿刺路徑交互調(diào)整并顯示，操作者手工添加的路徑信息在下方“交互路徑規(guī)劃”框中顯示。如圖6所示的黃色線段即為調(diào)整后的穿刺路徑，其進(jìn)針靶點(diǎn)坐標(biāo)為（X11，Y11，Z11）。

圖6 交互調(diào)整后的手術(shù)路徑系統(tǒng)界面

為驗(yàn)證系統(tǒng)生成穿刺路徑的科學(xué)性和有效性，實(shí)驗(yàn)使用回顧性驗(yàn)證的方法[19]，選用公開CT 圖像數(shù)據(jù)集3Dircadb 中的10 例三維CT 數(shù)據(jù)，使用本系統(tǒng)分別對(duì)其中18 個(gè)肝腫瘤（直徑＜3 cm）進(jìn)行穿刺路徑自動(dòng)規(guī)劃，并由兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的臨床醫(yī)生對(duì)路徑規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估結(jié)果如表1 所示。對(duì)于被評(píng)定為尚可和不合理的穿刺路徑進(jìn)行手工交互式調(diào)整，調(diào)整后所得的結(jié)果如表2 所示。

表2 消融針穿刺路徑規(guī)劃系統(tǒng)有效性評(píng)估（自動(dòng)規(guī)劃，并交互式調(diào)整，例）

由表1～2 的驗(yàn)證結(jié)果可看出，本系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃的消融針穿刺路徑較為合理，被兩位醫(yī)師評(píng)價(jià)為優(yōu)異的自動(dòng)規(guī)劃路徑有：醫(yī)師A 11 例（61.1%）、醫(yī)師B 9 例（50.0%），即超過50%的自動(dòng)規(guī)劃消融針穿刺路徑能夠直接使用；通過交互式調(diào)整后，醫(yī)師認(rèn)為符合需求的路徑有：醫(yī)師A 14 例（77.7%）、醫(yī)師B 13 例（72.2%），即超過72%的規(guī)劃路徑能夠符合臨床治療要求。驗(yàn)證過程中，穿刺路徑自動(dòng)規(guī)劃耗時(shí)約4 min，交互式調(diào)整穿刺路徑約耗時(shí)4 min。

表1 消融針穿刺路徑規(guī)劃系統(tǒng)有效性評(píng)估（自動(dòng)規(guī)劃，例）

4 討論與總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一套肝腫瘤熱消融手術(shù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)，基于熱消融規(guī)劃的臨床約束條件，著力于實(shí)現(xiàn)手術(shù)路徑規(guī)劃的自動(dòng)化。本系統(tǒng)主界面簡潔，使用方便，設(shè)計(jì)原則是盡可能減少交互操作，提供自動(dòng)化的解決方案。經(jīng)臨床醫(yī)生操作后，認(rèn)為符合臨床治療流程和使用習(xí)慣，規(guī)劃路徑具有較高的有效性，且規(guī)劃效率優(yōu)于醫(yī)生手工規(guī)劃，具有一定輔助作用。

基于目前完成工作的局限性，后續(xù)將重點(diǎn)研究以下方面：① 本系統(tǒng)主要針對(duì)較小腫瘤的路徑規(guī)劃，因此系統(tǒng)未包含對(duì)消融凝固區(qū)的預(yù)測、治療參數(shù)的設(shè)定等模塊，對(duì)于較大的、形狀不規(guī)則腫瘤的治療，凝固區(qū)預(yù)測、治療參數(shù)的選擇就更為重要；② 路徑規(guī)劃未考慮呼吸運(yùn)動(dòng)造成的肝臟位移形變，未包含對(duì)呼吸周期內(nèi)的最佳進(jìn)針時(shí)機(jī)的考慮，也沒有制定有效的進(jìn)針-力反饋模型，在此基礎(chǔ)上的路徑規(guī)劃更具有臨床價(jià)值，值得進(jìn)一步研究。