辅助经皮冷冻消融手术的新技术方法：计划软件和模拟算法的应用

© 2013 Dodi，Ferraguti，Ristolainen，Secchi，Sanna.出版社：ElsevierB.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 6（2014）118 - 1222013第二届AASRI计算智能与生物信息学经皮冷冻消融术Riccardo Dodia *，Federica Ferragutib，Asko Ristolainenc，Cristian Secchib，阿尔贝托·桑纳aaFondazione Centro San Raffaele，eServices for Life and Health，via Olgettina 60，20132米兰，意大利b摩德纳和雷焦艾米利亚大学，Dep.意大利雷焦艾米利亚市Amendola 2，42122c塔林理工大学，生物机器人中心，Akadeemia tee 15 A-111，12618，爱沙尼亚摘要本文介绍了辅助经皮冷冻消融手术的新技术方法，即计划软件和模拟算法。第一个功能是计算工具的可行位移，以确保有效消融病变，满足明确规定的手术约束。从患者的术中CT扫描开始，获得并上传解剖部位的虚拟模型。计算冷冻探针的位移，以便用发育的冰球覆盖肿瘤的整个体积，但最大限度地减少对周围健康肾组织的损伤。另一方面，模拟算法是一种图形工具，可用于评估整个过程中的温度分布。离散迭代函数计算从探针到指定三维网格内的周围组织的热传递：重要等温线的隔离可以帮助评估整个肿瘤是否会被冻结。通过使用成功的经皮冷冻消融术的真实术中数据集，真实冰球的体积与模拟器产生的体积相匹配，在尺寸和形状方面显示出良好的准确性。即使被设计成集成在机器人系统内，该方法也可用于不同的目的并可扩展，并且适于模拟其他场景或过程。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.CC BY-NC-ND许可下的开放访问。美国应用科学研究所关键词：冷冻消融;计划;仿真;冰球。* 通讯作者。联系电话：+39 02 2643 2919;传真：+39 02 2643 3997。电子邮件地址：dodi. hsr.it。2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B.诉 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.05.017Riccardo Dodi等人/ AASRI Procedia 6（2014）1181191. 介绍这项工作是在I-SUR中开发的，I-SUR是欧盟资助的一个研究项目，旨在开发新技术和方法，以评估在手术机器人中引入自动化原理的可行性;所选案例研究之一是肾脏肿瘤的经皮冷冻消融，这需要成像设备（CT，MR或US）将一个或多个冷冻探针直接穿过皮肤精确放置到病变中。根据Clarke等人，2007 [1]，冷冻消融涉及冷冻和解冻循环，以杀死肿瘤细胞，同时保留健康组织和周围解剖结构（肝、肠、脾、输尿管）。该技术代表了开放手术或腹腔镜手术的一种有价值的替代方法，可确保安全性、低发病率和肿瘤学结果的高疗效，如Mues和Landman，2009 [2]所报告。正确执行该程序的主要要求是针位移的准确性：在计划阶段，冷冻探针的最佳靶点必须考虑病变的尺寸/位置和所产生冰球的温度分布（不可逆组织破坏发生在-20 °C至-40 ° C）。所提出的方法旨在辅助操作者（即外科医生或介入放射科医生）做出与手术过程相关的决策。无论是自动插入（通过机器人，如本项目所述）还是手动插入，针插入的规划都是该过程的关键点，直接影响最终结果。在这项工作中提出的规划软件是一个有用的工具，特别是当病变是难以达到（如肋骨下）或接近其他解剖结构。此外，这里提出的另一个优点是3D模拟器的可用性，以评估冰球形成的演变和过程结束时病变的覆盖范围，因此，即使在插入和消融周期开始之前，也可以验证冷冻探针的计划位移。在第二章中，简要介绍了建立病人解剖结构和冰球三维模型的方法。第3章和第4章分别介绍了规划软件和模拟器的工作原理。命名法CTMRUSCADPDE计算机断层摄影磁共振超声计算机辅助设计偏微分方程2. 建立患者从San Raffaele Turro（米兰）数据库中检索了一名接受肾脏肿瘤冷冻消融术患者的CT扫描的分析系列，以重建患者腹部的一部分，用于评价冰球生长算法。腹部分割覆盖右肾及其周围结构和器官（即部分肝脏、肋骨、肠和脊柱）。将脂肪、肌肉和皮肤分割为均匀层。器官模型从第一个系列中分割出来，其中一个冷冻消融针已经插入肾脏肿瘤中。选择该扫描是为了肿瘤的良好可见性，并通过使用第一针位置作为参考将CT扫描系列与后期CT扫描系列相匹配。使用开源软件3D Slicer进行器官重建[3]。为了更快的分割过程，首先裁剪具有可见的第一针的CT扫描（参见图1）。采用简单的区域生长分割算法半自动地完成器官的分割，并对分割结果进行人工修复。然后使用3D Slicer中的Model Maker模块将分割的层组装成3D模型。120Riccardo Dodi等人/ AASRI Procedia 6（2014）118冰球的分割是从具有4个可见针的CT扫描系列中使用之前描述的类似技术完成的。由于患者在整个手术过程中的移动，CT扫描未对齐。根据第一个插入的针尖和肾脏边缘手动对齐扫描（通过改变4针扫描的图像原点）。在图2中可以看到与其他模型对齐的冰球模型（蓝色）。最后，从CT扫描中收集每根针的两个点坐标，以重建冰球生长模拟中的相同情况（见右下角可见针尖的图像），如第4章所述。Fig. 1. CT扫描的裁剪体积图2。基于CT数据3. 冷冻探针置换计划基于Torricelli等人描述的方法的规划算法，2013 [4]计算冷冻探针的数量和最佳位置，以产生完全冷冻目标区域（即肿瘤）的冰球，同时最大限度地减少对目标区域外部健康组织的损伤。在执行每个针的插入时必须满足几个约束：必须避免禁区（即肋骨和器官）、特定的插入区域、针之间的最大相对角度、针之间的碰撞避免。其工作原理如图所示。3.（一） （b）第（1）款（c）第（1）款（d）其他事项气泡填料的力场模拟（前。内部缺陷）图三.规划软件定向优化添加冰球首先，根据肿瘤和冰球体积，计算冰球的近似最小数量，并在目标的纵向截面内内接的圆周上移位。然后是气泡填充法（Rossi等人，2008 [5]）被应用于解决诸如冰球之间的重叠或过度距离的问题：在域内生成球形元素（“气泡”），并定义它们之间的范德华力（基于邻近度的，气泡间）。这样，两个相邻的气泡在相距太远时相互吸引，而在太近时相互排斥。气泡包装阶段的目标是均匀分布冷冻探针，以缩短后续规划阶段的优化过程。由Lung等人提出的力场算法的修改版本，2004年[6]，已实施。这个阶段的目标是通过平移冰球来覆盖肿瘤。出于安全原因，冰球不得超出肿瘤轮廓10 mm，以尽量减少对健康组织的损伤。在开始时，解剖部位被离散成一组点-命名为“缺陷点”-靠近在一起：它们中的每一个都对冰球施加吸引力或排斥力，以使它们进入最佳配置。这些点用于直接驱动冷冻探针的位置，并且可以是不同的类型： 外部缺陷 轮廓缺陷 叠加缺陷Riccardo Dodi等人/ AASRI Procedia 6（2014）118121 内部缺陷 表面缺陷外部、轮廓和叠加缺陷在冰球的中心上施加排斥力，以便将冷冻探针朝向肿瘤的中心平移，而内部和表面缺陷施加吸引力，以便将冷冻探针吸引到内部缺陷区域。由于最初的冰球数量是最小值，可能力场末端的肿瘤未被完全覆盖。无论如何，当所有的冰球运动都会增加一个目标函数的值时，力场模拟就会停止，该目标函数为每个缺陷类型分配一个权重。在这个意义上，所得到的冰球配置表示仅考虑冰球平移的最优解，但是还没有达到规划目标，因为仍然可能存在缺陷区域。此时，算法通过分析未覆盖表面的量来确定是否值得进行方向优化。如果不是，则算法添加另一个气泡并返回到阶段1。下一步是方向优化，目标是完成肿瘤覆盖，旋转来自力场模拟的冰球，并通过移动冰球来解决碰撞，同时保持最佳配置，从而满足针插入的约束条件。针形被认为是通过冰球中心和尖端的直线。探头参数（长度和直径）取自制造商的说明书。根据最近的缺陷区域，一个冰球旋转到该区域的质心。在冰球旋转过程中，不断检查约束条件，并引入替代解决方案，以防其中一些不受尊重。这一步骤在目标的整个体积被覆盖或任何其他有效的选择可以实施时结束。如果约束条件要求很高，或者目标特征阻止了当前配置的有效覆盖，则肿瘤的某些部分可能无法覆盖。在这种情况下，根据仍然要包括在消融体积中的区域的数量和位置，策略性地添加额外的冰球。新的气泡被放置在所有缺陷区域的质心的对应处，并朝向最近的一个旋转。再次检查先前定义的约束。即使有额外的冰球，如果肿瘤覆盖未完成或一些约束未满足，则规划算法再次从第一阶段开始，但添加另一冰球。4. 冰球生长该模型是从灌注组织的热能平衡开始建立的，表示为以下形式联系我们阿勒特k2Th hb（一）式中，λC和k是组织的热参数，hb是每单位体积组织的热传递速率，hm是每单位体积组织的代谢产热速率。通过与冷冻消融术相关的简单假设简化了该方程：如Shitzer，2011 [3]所述，在冷冻阶段，毛细血管血液灌注率和代谢产热迅速降至零，因此忽略了方程（1）中的第III项和第IV项。图四、模拟冰球（蓝色）叠加在真实CT数据（绿色）上。内部可见冷冻探针（红色）M122Riccardo Dodi等人/ AASRI Procedia 6（2014）118为了便于求解传热偏微分方程，已选择有限差分法来近似空间导数，即第一项的一阶前向差分和第二项的二阶中心差分。然后，连续函数在亚毫米分辨率的3D网格内变成离散函数。以人体温度为初始条件，以探头外表面的温度分布为边界条件。为了验证这种方法，选择将术中成像重建的3D模型（如第2章所述）与冰球生长模拟相匹配，将从相同CT数据集获得的冷冻探针位移作为初始位置，在计算网格中进行离散化和调整。尽管-40°等温线对于计划目的是有意义的，但验证方案仅考虑了0°线，因为其与CT数据兼容。这些模型在尺寸和形状方面具有可比性，如图所示。四、5. 今后工作本文介绍了一种辅助和模拟冷冻外科治疗的新方法。即使被设计成集成在自主机器人系统内，该方法也是可移植的并且可扩展用于不同目的。例如，即使对于标准手动插入，外科医生也可以利用规划软件来推断工具的可行布置;此外，对于冷冻探针的给定配置，数学算法可以以良好的精度计算手术部位中的温度分布，从而给出手术结果的初步预览。由于是模块化和参数化的，这种模型可以适于模拟其他场景（肝脏、肺、心脏、前列腺）或程序（激光或射频消融）。下一个时期将开展更多的活动来改进这些方法。例如，考虑到迄今为止简化的热动力学和相互作用，可以改进模拟算法，添加更多参数。当然，计划软件和模拟器将集成在同一工具中，以便允许操作员计算探头位移并评估治疗结果，而无需中间通道。引用[1] Clarke DM，Robilotto AT，Rhee E，et al. Cryoablation of renal cancer：variables involved infreezing-induced cell death. Technol Cancer Res Treat 2007; 6：69-79.[2] Mues AC，Landman J，肾肿瘤消融治疗的现状。印度J Urol. 2009年10月至12月; 25（4）：499[3] [Online]. 可通过以下网址获得：http://www.slicer.org/。[查阅日期：2013年6月10日]。[4] Torricelli M，Ferraguti F，Secchi C，一种用于规划冷冻消融中冰球数量和姿态的算法，2013年IEEE医学和生物学工程学会（EMBC）国际会议论文集，日本大坂，2013年7月。[5] Rossi MR、Tanaka D、Shimada K和Rabin Y，使用气泡填充的冷冻手术计算机化计划：对体模材料的实验验证，《国际传热与传质杂志》，第51卷，第23-24页。5671[6] Lung DC、Stahovich TF和Rabin Y.在生物力学和生物医学工程的计算机方法中使用力场模拟的多探针冷冻手术的计算机化规划，第7卷，第2期，第100页。101- 110，2004年。[7] Shitzer A，Cryosurgery：相变介质中Cryoprobes的分析和实验，传热杂志，2011年1月，卷。133.