基于CT影像的肝肿瘤介入热消融手术路径规划系统设计

吴薇薇，李文科 ，张睿，周著黄，吴水才

1. 首都医科大学 生物医学工程学院，北京 100069；2. 北京工业大学 环境与生命学部，北京 100124

引言

肝脏恶性肿瘤严重危害人类的生命健康，热消融作为肿瘤治疗的微创手段之一，近年来已广泛应用于临床[1-4]。然而，目前临床中消融手术规划主要由医生通过逐层浏览患者的二维影像，依据对患者肿瘤大小、位置、形态的粗略估算，在头脑中进行手术路径规划。这种人工手术路径规划方法耗时耗力，严重依赖医生穿刺经验和专业技能，而且往往难以兼顾多项临床治疗要求[5-6]。此外，不合理的手术规划难以做到完全消融，不仅可能导致癌症复发，而且容易引发多种并发症[7]。

近年来，随着图像处理及可视化技术的快速发展，使用计算机辅助进行自动或半自动的手术路径规划成为热消融治疗领域的研究热点[8]。Santilli 等[9]基于开源软件3D Slicer 开发了一个易扩展的消融手术规划平台，提供一些包括分割算法和剂量计算的通用功能。系统可在2D 图像切片和3D 结构上显示热剂量分布，支持治疗计划的反复编辑查看，可辅助医生进行手术路径规划；李梦蛟[10]根据“完全消融”和“布针数量尽可能少”的原则并结合“手术路径应与风险结构有一定安全距离”这一临床约束条件设计了一套术前规划系统，该系统仅需少量交互即可完成手术路径规划，同时还支持图像浏览、图像分割等操作；Franz等[11]基于开源框架MITK 设计了一套针对较大肿瘤的多针消融规划系统，聚焦于消融针数量和布针问题。就所需消融区数量而言，该系统规划路径与临床医生手动规划相当。但以上提到的消融规划系统，均没有充分考虑临床治疗需求，而且主要为半自动规划，虽然提供了一定的可视化方案，但复杂病例的规划难度依然较高。

为此，本文拟结合临床的治疗需求和治疗流程，开发一套基于CT 影像的肝肿瘤介入热消融手术路径自动规划系统。目的是降低消融手术路径规划难度，提高手术规划的客观性和规划效率，其具有一定的研究意义和临床价值。

1 系统设计

软件系统的设计参照了临床需求和治疗流程：首先，需要有便于操作的可视化界面，方便医生浏览和分析图像；其次，系统需包含一定的图像处理功能，如图像分割和三维重建，方便医生确定患者腹腔空间中肝脏、肿瘤、血管及其他重要器官组织的解剖位置关系，替代依赖经验想象的复杂费力过程，并在此基础上进行手术路径规划；再次，系统应包含手术路径规划模块，可提供自动或半自动的手术路径规划方案和路径相关参数显示，允许医生根据需要进行路径交互修订；最后，要求包含数据信息存储模块，可将患者相关信息、图像信息、手术规划信息进行存储、查看、打印。

基于上述需求，在Visual Studio 的C++语言开发场景下，使用Qt 类库设计并实现了软件系统。系统包括图像分割及三维可视化模块、手术路径规划模块、图像数据管理模块3 个功能模块，见图1。使用分割及配准工具包ITK实现相关图像处理算法，使用可视化工具包VTK 实现可视化显示，使用SQLite 轻量数据库进行数据存储。系统提供整套自动化解决方案（自动图像分割、一键三维重建、自动手术路径规划），且支持用户根据需求交互设定。

图1 肝肿瘤热消融手术路径规划系统功能模块

1.1 图像分割及三维可视化模块

分割及三维可视化模块包含对CT 序列三视图显示、DICOM 图像信息解析、腹腔关键器官的自动分割、基于光线投射的体绘制和基于移动立方体的面绘制重建、三维STL模型保存等功能。该模块使用流程如图2 所示。首先，将患者CT 影像导入系统，可对图像冠状面、矢状面、横断面进行三视图显示，方便医生浏览影像；再次，系统集成了肝脏、肿瘤、血管、骨骼、皮肤、肺脏的自动分割算法，仅需设置分割文件保存路径即可完成器官分割[12-14]；最后，可将三维模型保存为stl 格式文件，通过3D 打印制作实体模型。

图2 图像分割及三维可视化模块使用流程图

1.2 手术路径规划模块

手术路径规划模块基于临床治疗多约束条件设计，包含加权求和方法和帕累托最优两种路径筛选方法，支持对手术路径的交互调整（可调整进针点空间坐标、各约束条件权重等路径规划参数）。该模块的使用流程如图3 所示。首先，需要进行输入输出文件设置，即导入已分割的关键组织器官和设定输出文件路径。两种路径筛选方法可选，加权求和方法可按照分数高低输出最优穿刺路径，帕累托最优概念可输出帕累托前沿路径点集供参考。

图3 手术路径自动规划模块使用流程图

1.3 图像信息数据库模块

图像信息数据库模块能够将患者信息（解析DICOM文件得到的患者姓名、年龄等相关信息）、图像信息（图像基础信息、重建器官体积等数据）、手术规划参数信息（加权法得到的路径得分信息、帕累托前沿点集等）等保存到本地数据库中，方便操作者查询、对比、选择。

2 手术路径规划

2.1 算法原理

在肿瘤热消融治疗中，手术路径可抽象为体表进针点与肝肿瘤靶点的连接线段。基于临床约束条件的手术路径规划方法是近年来计算机辅助手术路径规划的热点，其原理是将临床治疗需求和目标量化为多项约束条件，将路径规划问题抽象为多目标优化问题。目前相关临床约束条件可以分为硬性约束条件和软性约束条件，硬性约束条件指手术路径规划必须遵守的临床准则（即穿刺路径应避免接触腹腔关键结构、穿刺路径长度必须严格小于消融针长、穿刺路径与肝包膜夹角应不小于临床阈值），违背则手术路径规划失败。满足所有硬性约束条件的体表区域集合则为可行进针区域，该区域内任意体素点与肿瘤质心的连线均可作为手术路径。软性约束条件指手术路径规划的临床追求目标（如穿刺路径与腹腔关键结构距离应尽可能远、穿刺路径长度应尽可能短、穿刺路径与肝包膜夹角应尽可能大等），对其符合程度越高则路径越优。可行进针区域中各体素点作为穿刺进针靶点的优先级，通过应用软性约束条件的组合来获得[15-16]。

本系统集成了两种进针靶点优先级的设定方案，一种是基于设置权重的加权求和方案，另一种是基于帕累托概念的路径筛选方案。其中加权求和方法可按照分数高低输出最优穿刺路径，帕累托最优概念可输出帕累托前沿路径点集供参考。两种筛选方法都可提供符合要求的参考进针点，操作者可根据个人经验和使用习惯自由选择。

2.2 加权求和

根据可行进针区域内各体素点对软性约束条件的符合程度，线性设定其分数值作为优先级评估方法。如对“穿刺路径与腹腔关键结构距离应尽可能远”这一约束条件，遍历可行进针区域内各体素点与风险器官的距离，并将这些距离数据中的最小值作为与风险结构距离的实际值，将该值归一化后可作为备选体素点对该软性约束条件的分数评估。

对各软性约束条件设置权重，使用公式（1）的乘积求和方法加权，所得结果即为体素点P作为进针靶点的分数值。如此，建立可行进针区域内各体素点作为进针靶点的分数评估，系统可根据分数推荐2～3 条较优路径供操作者选择[17]。

其中，Ps1～Ps3为体素点P在各软性约束条件下的分数评估；α1～α3为各软性约束条件的权重。

2.3 帕累托最优

由于手术路径规划权重的设定没有严格的金标准，且临床中不同医生设定的权重系数往往不相同，因此，尽管本系统支持用户自定义权重设置，其规划结果仍然可能包含主观因素带来的误差。这也是目前基于加权求和路径规划算法的争议所在。因此，除了提供加权求和路径规划方法之外，本系统还提供了一种基于帕累托最优的路径规划方法供用户选择。

帕累托最优是广泛应用于多目标优化的一种方法，是资源配置的一种理想状态。本系统以路径规划的多个约束条件作为帕累托优化的目标函数，引入帕累托最优的概念进行手术路径规划[18]。如图4 所示，以“穿刺路径实际长度”和“与风险结构距离”这两个约束条件构建一个帕累托坐标系，坐标系内的蓝色点表示可行进针区域内的所有点集。穿刺路径实际长度要求尽可能短，因此纵轴的值越小，代表以该点为穿刺靶点的路径越优；穿刺靶点与风险结构的距离要求尽可能大，因此横轴的值越大，以该点为穿刺靶点的路径越优。以P 点为例，坐标系内存在B、C、D 三个体素点优于P 点，因此P 点属于可以优化的点，不属于帕累托最优点；而坐标系内不存在两约束条件值都好于A～F点的点，因此A～F 点均属于帕累托最优点，其构成的点集称为帕累托前沿集。

图4“穿刺路径实际长度”和“与风险结构距离”构建的帕累托坐标系

此外，也可由医生根据穿刺经验选择一个皮肤进针靶点（如P 点），系统经过帕累托筛选，输出B、C、D 三点，它们是比医生选定进针点P 更优的进针点，可以指导或辅助医生进行路径规划。

将所有临床约束条件按照上述规则两两组合建立帕累托坐标系，分别求出各坐标系下的帕累托最优点，最后求交集即可得到全局范围下的帕累托前沿点集，从而实现不依赖权重设置进行路径筛选。

3 系统验证与结果

利用本文所设计的手术路径规划系统进行手术路径自动规划，其系统界面如图5 所示。系统包含4 个图像显示窗口，左侧3 列用于三视图的显示，中心窗口用于显示器官三维重建和路径规划结果（其中绿色球体为三维重建的肝肿瘤，蓝色线段为自动规划的最优消融针穿刺路径）；中心窗口下方显示“加权求和方法”得到的最优路径的相关信息，包括进针靶点坐标（X1，Y1，Z1），肿瘤靶点坐标（X2，Y2，Z2），临床约束条件的绝对值（穿刺路径与关键结构的实际距离S1、穿刺路径的实际长度S2、穿刺路径与肝包膜的实际夹角S3）以及归一化的相对值评估结果。临床约束S1、S2、S3 权重可根据需求设置，路径得分默认基于S1 权重0.3、S2 权重0.4、S3 权重0.3 获得，其值介于0～10 之间，10 表示评分准则下的最优路径。

图5 手术路径规划系统界面

系统界面最右侧为可切换属性页，分别为“分割重建”和“路径规划”，其中“路径规划”属性页包含路径设定、加权求和方法和帕累托最优方法的相关实现按钮，下方为按路径评分高低显示的其他可行参考进针靶点坐标数据。系统支持对穿刺路径交互调整并显示，操作者手工添加的路径信息在下方“交互路径规划”框中显示。如图6所示的黄色线段即为调整后的穿刺路径，其进针靶点坐标为（X11，Y11，Z11）。

图6 交互调整后的手术路径系统界面

为验证系统生成穿刺路径的科学性和有效性，实验使用回顾性验证的方法[19]，选用公开CT 图像数据集3Dircadb 中的10 例三维CT 数据，使用本系统分别对其中18 个肝肿瘤（直径＜3 cm）进行穿刺路径自动规划，并由两位经验丰富的临床医生对路径规划结果进行评价，评估结果如表1 所示。对于被评定为尚可和不合理的穿刺路径进行手工交互式调整，调整后所得的结果如表2 所示。

表2 消融针穿刺路径规划系统有效性评估（自动规划，并交互式调整，例）

由表1～2 的验证结果可看出，本系统自动规划的消融针穿刺路径较为合理，被两位医师评价为优异的自动规划路径有：医师A 11 例（61.1%）、医师B 9 例（50.0%），即超过50%的自动规划消融针穿刺路径能够直接使用；通过交互式调整后，医师认为符合需求的路径有：医师A 14 例（77.7%）、医师B 13 例（72.2%），即超过72%的规划路径能够符合临床治疗要求。验证过程中，穿刺路径自动规划耗时约4 min，交互式调整穿刺路径约耗时4 min。

表1 消融针穿刺路径规划系统有效性评估（自动规划，例）

4 讨论与总结

本文设计了一套肝肿瘤热消融手术路径规划系统，基于热消融规划的临床约束条件，着力于实现手术路径规划的自动化。本系统主界面简洁，使用方便，设计原则是尽可能减少交互操作，提供自动化的解决方案。经临床医生操作后，认为符合临床治疗流程和使用习惯，规划路径具有较高的有效性，且规划效率优于医生手工规划，具有一定辅助作用。

基于目前完成工作的局限性，后续将重点研究以下方面：① 本系统主要针对较小肿瘤的路径规划，因此系统未包含对消融凝固区的预测、治疗参数的设定等模块，对于较大的、形状不规则肿瘤的治疗，凝固区预测、治疗参数的选择就更为重要；② 路径规划未考虑呼吸运动造成的肝脏位移形变，未包含对呼吸周期内的最佳进针时机的考虑，也没有制定有效的进针-力反馈模型，在此基础上的路径规划更具有临床价值，值得进一步研究。