基于CT影像的肝腫瘤介入熱消融手術路徑規劃系統設計

吳薇薇，李文科 ，張睿，周著黃，吳水才

1. 首都醫科大學 生物醫學工程學院，北京 100069；2. 北京工業大學 環境與生命學部，北京 100124

引言

肝臟惡性腫瘤嚴重危害人類的生命健康，熱消融作為腫瘤治療的微創手段之一，近年來已廣泛應用于臨床[1-4]。然而，目前臨床中消融手術規劃主要由醫生通過逐層瀏覽患者的二維影像，依據對患者腫瘤大小、位置、形態的粗略估算，在頭腦中進行手術路徑規劃。這種人工手術路徑規劃方法耗時耗力，嚴重依賴醫生穿刺經驗和專業技能，而且往往難以兼顧多項臨床治療要求[5-6]。此外，不合理的手術規劃難以做到完全消融，不僅可能導致癌癥復發，而且容易引發多種并發癥[7]。

近年來，隨著圖像處理及可視化技術的快速發展，使用計算機輔助進行自動或半自動的手術路徑規劃成為熱消融治療領域的研究熱點[8]。Santilli 等[9]基于開源軟件3D Slicer 開發了一個易擴展的消融手術規劃平臺，提供一些包括分割算法和劑量計算的通用功能。系統可在2D 圖像切片和3D 結構上顯示熱劑量分布，支持治療計劃的反復編輯查看，可輔助醫生進行手術路徑規劃；李夢蛟[10]根據“完全消融”和“布針數量盡可能少”的原則并結合“手術路徑應與風險結構有一定安全距離”這一臨床約束條件設計了一套術前規劃系統，該系統僅需少量交互即可完成手術路徑規劃，同時還支持圖像瀏覽、圖像分割等操作；Franz等[11]基于開源框架MITK 設計了一套針對較大腫瘤的多針消融規劃系統，聚焦于消融針數量和布針問題。就所需消融區數量而言，該系統規劃路徑與臨床醫生手動規劃相當。但以上提到的消融規劃系統，均沒有充分考慮臨床治療需求，而且主要為半自動規劃，雖然提供了一定的可視化方案，但復雜病例的規劃難度依然較高。

為此，本文擬結合臨床的治療需求和治療流程，開發一套基于CT 影像的肝腫瘤介入熱消融手術路徑自動規劃系統。目的是降低消融手術路徑規劃難度，提高手術規劃的客觀性和規劃效率，其具有一定的研究意義和臨床價值。

1 系統設計

軟件系統的設計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，方便醫生瀏覽和分析圖像；其次，系統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系，替代依賴經驗想象的復雜費力過程，并在此基礎上進行手術路徑規劃；再次，系統應包含手術路徑規劃模塊，可提供自動或半自動的手術路徑規劃方案和路徑相關參數顯示，允許醫生根據需要進行路徑交互修訂；最后，要求包含數據信息存儲模塊，可將患者相關信息、圖像信息、手術規劃信息進行存儲、查看、打印。

基于上述需求，在Visual Studio 的C++語言開發場景下，使用Qt 類庫設計并實現了軟件系統。系統包括圖像分割及三維可視化模塊、手術路徑規劃模塊、圖像數據管理模塊3 個功能模塊，見圖1。使用分割及配準工具包ITK實現相關圖像處理算法，使用可視化工具包VTK 實現可視化顯示，使用SQLite 輕量數據庫進行數據存儲。系統提供整套自動化解決方案（自動圖像分割、一鍵三維重建、自動手術路徑規劃），且支持用戶根據需求交互設定。

圖1 肝腫瘤熱消融手術路徑規劃系統功能模塊

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CT 序列三視圖顯示、DICOM 圖像信息解析、腹腔關鍵器官的自動分割、基于光線投射的體繪制和基于移動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 影像導入系統，可對圖像冠狀面、矢狀面、橫斷面進行三視圖顯示，方便醫生瀏覽影像；再次，系統集成了肝臟、腫瘤、血管、骨骼、皮膚、肺臟的自動分割算法，僅需設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 手術路徑規劃模塊

手術路徑規劃模塊基于臨床治療多約束條件設計，包含加權求和方法和帕累托最優兩種路徑篩選方法，支持對手術路徑的交互調整（可調整進針點空間坐標、各約束條件權重等路徑規劃參數）。該模塊的使用流程如圖3 所示。首先，需要進行輸入輸出文件設置，即導入已分割的關鍵組織器官和設定輸出文件路徑。兩種路徑篩選方法可選，加權求和方法可按照分數高低輸出最優穿刺路徑，帕累托最優概念可輸出帕累托前沿路徑點集供參考。

圖3 手術路徑自動規劃模塊使用流程圖

1.3 圖像信息數據庫模塊

圖像信息數據庫模塊能夠將患者信息（解析DICOM文件得到的患者姓名、年齡等相關信息）、圖像信息（圖像基礎信息、重建器官體積等數據）、手術規劃參數信息（加權法得到的路徑得分信息、帕累托前沿點集等）等保存到本地數據庫中，方便操作者查詢、對比、選擇。

2 手術路徑規劃

2.1 算法原理

在腫瘤熱消融治療中，手術路徑可抽象為體表進針點與肝腫瘤靶點的連接線段?；谂R床約束條件的手術路徑規劃方法是近年來計算機輔助手術路徑規劃的熱點，其原理是將臨床治療需求和目標量化為多項約束條件，將路徑規劃問題抽象為多目標優化問題。目前相關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路徑規劃必須遵守的臨床準則（即穿刺路徑應避免接觸腹腔關鍵結構、穿刺路徑長度必須嚴格小于消融針長、穿刺路徑與肝包膜夾角應不小于臨床閾值），違背則手術路徑規劃失敗。滿足所有硬性約束條件的體表區域集合則為可行進針區域，該區域內任意體素點與腫瘤質心的連線均可作為手術路徑。軟性約束條件指手術路徑規劃的臨床追求目標（如穿刺路徑與腹腔關鍵結構距離應盡可能遠、穿刺路徑長度應盡可能短、穿刺路徑與肝包膜夾角應盡可能大等），對其符合程度越高則路徑越優?？尚羞M針區域中各體素點作為穿刺進針靶點的優先級，通過應用軟性約束條件的組合來獲得[15-16]。

本系統集成了兩種進針靶點優先級的設定方案，一種是基于設置權重的加權求和方案，另一種是基于帕累托概念的路徑篩選方案。其中加權求和方法可按照分數高低輸出最優穿刺路徑，帕累托最優概念可輸出帕累托前沿路徑點集供參考。兩種篩選方法都可提供符合要求的參考進針點，操作者可根據個人經驗和使用習慣自由選擇。

2.2 加權求和

根據可行進針區域內各體素點對軟性約束條件的符合程度，線性設定其分數值作為優先級評估方法。如對“穿刺路徑與腹腔關鍵結構距離應盡可能遠”這一約束條件，遍歷可行進針區域內各體素點與風險器官的距離，并將這些距離數據中的最小值作為與風險結構距離的實際值，將該值歸一化后可作為備選體素點對該軟性約束條件的分數評估。

對各軟性約束條件設置權重，使用公式（1）的乘積求和方法加權，所得結果即為體素點P作為進針靶點的分數值。如此，建立可行進針區域內各體素點作為進針靶點的分數評估，系統可根據分數推薦2～3 條較優路徑供操作者選擇[17]。

其中，Ps1～Ps3為體素點P在各軟性約束條件下的分數評估；α1～α3為各軟性約束條件的權重。

2.3 帕累托最優

由于手術路徑規劃權重的設定沒有嚴格的金標準，且臨床中不同醫生設定的權重系數往往不相同，因此，盡管本系統支持用戶自定義權重設置，其規劃結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求和路徑規劃算法的爭議所在。因此，除了提供加權求和路徑規劃方法之外，本系統還提供了一種基于帕累托最優的路徑規劃方法供用戶選擇。

帕累托最優是廣泛應用于多目標優化的一種方法，是資源配置的一種理想狀態。本系統以路徑規劃的多個約束條件作為帕累托優化的目標函數，引入帕累托最優的概念進行手術路徑規劃[18]。如圖4 所示，以“穿刺路徑實際長度”和“與風險結構距離”這兩個約束條件構建一個帕累托坐標系，坐標系內的藍色點表示可行進針區域內的所有點集。穿刺路徑實際長度要求盡可能短，因此縱軸的值越小，代表以該點為穿刺靶點的路徑越優；穿刺靶點與風險結構的距離要求盡可能大，因此橫軸的值越大，以該點為穿刺靶點的路徑越優。以P 點為例，坐標系內存在B、C、D 三個體素點優于P 點，因此P 點屬于可以優化的點，不屬于帕累托最優點；而坐標系內不存在兩約束條件值都好于A～F點的點，因此A～F 點均屬于帕累托最優點，其構成的點集稱為帕累托前沿集。

圖4“穿刺路徑實際長度”和“與風險結構距離”構建的帕累托坐標系

此外，也可由醫生根據穿刺經驗選擇一個皮膚進針靶點（如P 點），系統經過帕累托篩選，輸出B、C、D 三點，它們是比醫生選定進針點P 更優的進針點，可以指導或輔助醫生進行路徑規劃。

將所有臨床約束條件按照上述規則兩兩組合建立帕累托坐標系，分別求出各坐標系下的帕累托最優點，最后求交集即可得到全局范圍下的帕累托前沿點集，從而實現不依賴權重設置進行路徑篩選。

3 系統驗證與結果

利用本文所設計的手術路徑規劃系統進行手術路徑自動規劃，其系統界面如圖5 所示。系統包含4 個圖像顯示窗口，左側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劃結果（其中綠色球體為三維重建的肝腫瘤，藍色線段為自動規劃的最優消融針穿刺路徑）；中心窗口下方顯示“加權求和方法”得到的最優路徑的相關信息，包括進針靶點坐標（X1，Y1，Z1），腫瘤靶點坐標（X2，Y2，Z2），臨床約束條件的絕對值（穿刺路徑與關鍵結構的實際距離S1、穿刺路徑的實際長度S2、穿刺路徑與肝包膜的實際夾角S3）以及歸一化的相對值評估結果。臨床約束S1、S2、S3 權重可根據需求設置，路徑得分默認基于S1 權重0.3、S2 權重0.4、S3 權重0.3 獲得，其值介于0～10 之間，10 表示評分準則下的最優路徑。

圖5 手術路徑規劃系統界面

系統界面最右側為可切換屬性頁，分別為“分割重建”和“路徑規劃”，其中“路徑規劃”屬性頁包含路徑設定、加權求和方法和帕累托最優方法的相關實現按鈕，下方為按路徑評分高低顯示的其他可行參考進針靶點坐標數據。系統支持對穿刺路徑交互調整并顯示，操作者手工添加的路徑信息在下方“交互路徑規劃”框中顯示。如圖6所示的黃色線段即為調整后的穿刺路徑，其進針靶點坐標為（X11，Y11，Z11）。

圖6 交互調整后的手術路徑系統界面

為驗證系統生成穿刺路徑的科學性和有效性，實驗使用回顧性驗證的方法[19]，選用公開CT 圖像數據集3Dircadb 中的10 例三維CT 數據，使用本系統分別對其中18 個肝腫瘤（直徑＜3 cm）進行穿刺路徑自動規劃，并由兩位經驗豐富的臨床醫生對路徑規劃結果進行評價，評估結果如表1 所示。對于被評定為尚可和不合理的穿刺路徑進行手工交互式調整，調整后所得的結果如表2 所示。

表2 消融針穿刺路徑規劃系統有效性評估（自動規劃，并交互式調整，例）

由表1～2 的驗證結果可看出，本系統自動規劃的消融針穿刺路徑較為合理，被兩位醫師評價為優異的自動規劃路徑有：醫師A 11 例（61.1%）、醫師B 9 例（50.0%），即超過50%的自動規劃消融針穿刺路徑能夠直接使用；通過交互式調整后，醫師認為符合需求的路徑有：醫師A 14 例（77.7%）、醫師B 13 例（72.2%），即超過72%的規劃路徑能夠符合臨床治療要求。驗證過程中，穿刺路徑自動規劃耗時約4 min，交互式調整穿刺路徑約耗時4 min。

表1 消融針穿刺路徑規劃系統有效性評估（自動規劃，例）

4 討論與總結

本文設計了一套肝腫瘤熱消融手術路徑規劃系統，基于熱消融規劃的臨床約束條件，著力于實現手術路徑規劃的自動化。本系統主界面簡潔，使用方便，設計原則是盡可能減少交互操作，提供自動化的解決方案。經臨床醫生操作后，認為符合臨床治療流程和使用習慣，規劃路徑具有較高的有效性，且規劃效率優于醫生手工規劃，具有一定輔助作用。

基于目前完成工作的局限性，后續將重點研究以下方面：① 本系統主要針對較小腫瘤的路徑規劃，因此系統未包含對消融凝固區的預測、治療參數的設定等模塊，對于較大的、形狀不規則腫瘤的治療，凝固區預測、治療參數的選擇就更為重要；② 路徑規劃未考慮呼吸運動造成的肝臟位移形變，未包含對呼吸周期內的最佳進針時機的考慮，也沒有制定有效的進針-力反饋模型，在此基礎上的路徑規劃更具有臨床價值，值得進一步研究。