一种基于磁共振引导的激光消融评估系统的制作方法

一种基于磁共振引导的激光消融评估系统
1.本发明是2021年6月28日申请的，申请号为202110721466.0，名称为“一种基于磁共振引导的激光消融评估系统”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明属于医疗器械领域，尤其是一种基于磁共振引导的激光消融评估系统。


背景技术：

3.随着生活水平的提高，整体寿命的增长，基于不同的统计数据，可以发现恶性肿瘤或组织病变的发病率都在迅速的上升。热消融在治疗组织病变，癫痫，错构瘤以及癌变细胞损毁等方面具有较好的疗效和明确的机理，其可对单一或多个特定的病灶进行精准的消融，使病变细胞产生不可逆的损伤或凝固坏死。医学领域中热消融的方式较多，如射频消融法，微波消融，激光消融等。广义上说，高强度聚焦超声和冷冻消融也可属于此技术范围。
4.通常消融结果的评估是基于病灶组织温度和温度持续时间，来对组织的热损失进行计算评估的。现行消融术中，最大的局限性在于无法非常明确而实时的判断消融的区域，也无法有效的预估手术过程中所需要的参数和消融的面积，只能根据相关工作者的使用经验进行判断。此外，现有消融术的主要办法为消融完成后使用ct或者做磁共振进行术后评估，如遇消融不完全的情况，就需要进行再次进行消融手术，不能在手术中实时的调整，在确保消融完全的情况下，也有可能导致过度消融，对于病人的正常组织造成不可逆的损伤。随着mri测温技术的发展，尤其是在激光消融术中，使用mri实时监测组织温度，解决了术中对温度分布情况的大致判断，并通过消融公式对消融结果进行判断。但大多的消融公式都进行了数据校正，矫正后的消融公式常常引入了相关工作者的临床经验，增加了消融判断结果的不确定性。同时，消融结果的判断仅仅在术中进行，对组织的消融情况评判因素较为单一。
5.如何对消融结果进行全程监控、如何基于精准温度下消融结果的准确评估、避免在消融过程中使用人为的经验数据等不确定因素，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本说明书实施例的目的是提一种基于磁共振引导的激光消融评估系统，在术前、术中和术后三个时间段进行参数化的消融预测、无创实时损毁评估以及术后影像确认，做到更精确的对病灶进行热消融。同时，实时消融有关计算将贯穿整个手术流程，使得手术更加可控。
7.为解决上述技术问题，本说明书实施例通过以下方式实现。
8.本发明的一种基于磁共振引导的激光消融评估系统，其包括预估模块、监测模块以及评估模块，其中：所述预估模块用于进行以下至少之一的处理：创建出计划消融区域、完成对计划消融面积以及计划消融参数的预估、生成手术方案；所述监测模块对消融过程进行实时监测；所述评估模块重建出实际消融区域，对所述计划消融区域与所述实际消融
区域的图像进行对比分析得到影像评估信息，所述影像评估信息显示于人机交互模块；所述影像评估信息至少包含以下之一：消融面积百分比、组织皱缩情况、组织膨胀情况、组织水肿情况。
9.进一步的，所述预估模块基于所述计划消融面积和所述手术方案，通过拟合函数完成对所述计划消融参数的预估，所述拟合函数表示为预定激光功率和激光波长下消融时间和消融面积的函数，其公式为：
[0010][0011]
其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积；c0为第一常数，c1为第二常数，c2为第三常数，c3为第四常数，其中，c0、c1、c2、c3为预先获取的常数；t为消融时间；c
max
为最大消融面积；y是拟合函数线性增长结束点的时间；z是最大消融面积达成的时间。
[0012]
进一步的，所述拟合函数通过以下得到：获取若干组实际消融实验数据，所述实际消融实验数据包含激光出光功率、消融时间、消融面积、激光波长和总能量；对所述实际消融实验数据进行拟合，得到所述拟合函数。
[0013]
进一步的，所述预估模块将至少完成以下处理：
①
，获取病灶组织的医学影像；
[0014]
②
，确认所述病灶组织的组织类型和组织属性；
③
，根据所述医学影像获取所述病灶组织的三维模型，所述三维模型附带有所述组织类型和所述组织属性；
④
，根据所述三维模型，针对所述病灶组织的不同组织类型进行分割，分成可三维立体显示的多个分割区域；
⑤
，基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图，以确定整个所述三维模型的手术方案。
[0015]
进一步的，所述预估模块至少考虑含血流灌注影响的生物传热模型和/或能量仿真模型模拟实际消融过程动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图；和/或，所述热消融计算模型为阿伦尼乌斯方程或cem43模型。
[0016]
进一步的，所述手术方案包括以下至少之一：光纤插入路径、计划消融次数、所述计划消融区域、所述计划消融面积以及所述计划消融参数；和/或
[0017]
所述消融参数包含以下至少之一：激光的出光功率、激光的出光时间、激光的出光模式、冷却介质的循环速率、激光的波长、总能量；和/或
[0018]
所述组织属性包含以下至少之一：组织的各向异性、组织的吸收率、组织的反射率、组织的折射率、组织的血流灌注率、组织的导热系数、组织的热传导、组织的比热、组织的热传递。
[0019]
进一步的，所述阿伦尼乌斯方程反映化学反应速率随温度变化关系的经验公式，具体为：
[0020][0021]
其中，所述阿伦尼乌斯方程用于术中的实时消融反馈，r是通用气体常数，t：为温度(k)，a是阿伦尼乌斯常数，单位为s-1
，ea是活化能，c(0)为细胞的初始浓度，c(t)为时间t时的细胞浓度。
[0022]
进一步的，所述监测模块的实时监测过程包含：根据所述手术方案和所述三维模型将消融探针插入到相应位置；设定磁共振温度成像的扫描参数，所述监测模块通过读取dicom图像中的信息，识别像素点的大小，并使用每个像素点作为一个消融单元进行计算；在磁共振测温下，结合所述计划消融区域的分割以及所述组织属性，进行消融监测。
[0023]
进一步的，在使用所述阿伦尼乌斯方程进行所述消融监测时，对所述消融单元的消融情况进行消融阈值显示；其中，选取不同的颜色对所述消融单元的消融情况进行标记并显示；或者，在使用所述cem43模型进行所述消融监测时，使用不同的颜色对消融区域进行消融阈值显示。
[0024]
进一步的，在使用所述阿伦尼乌斯模型进行所述消融监测时，当所述组织温度在超出第一范围时，其中，位于所述第一范围的所述组织的消融情况介于可能造成损伤但未完全损毁之间，此时对位于所述第一范围的所述组织进行消融阈值显示。
[0025]
进一步的，在使用所述cem43模型进行所述消融监测时，所述消融区域为遮罩显示或半透明显示，在所述消融区域叠加显示组织结构相后，同时看到所述计划消融区域和实际消融区域。
[0026]
进一步的，如果实际的消融面积大于所述计划消融面积，所述监测模块将自动提出弹框提示是否停止消融；如所述实际的消融面积超过第一百分比，所述监测模块将自动切断能量输出。
[0027]
进一步的，所述评估模块评估消融程度包括：使用对比差法对发生改变的消融区域进行高亮标识，使用三维的快速勾画法重建术后实际消融区域，所述实际消融区域与所述计划消融区域进行消融面积百分比的对比和计算；如果所述消融面积百分比超过第一百分比，则消融过度；如果低于第二百分比则消融不足，其中所述第一百分比大于所述第二百分比。
[0028]
进一步的，所述消融面积百分比的计算同时考虑有至少以下之一的因素：所述计划消融区域被重叠的消融范围、所述计划消融区域以外的消融范围、所述计划消融区域内未被消融的范围。
[0029]
本发明具有如下有益效果。
[0030]
本发明可以有效的在术前进行消融预估，在术中给予合适的热剂量，并进行实时消融评估，并且在术后(仍然在同一个磁共振室中)可以对比术前，术后的影像，更准确的判断消融效果。如觉得消融效果欠佳，可以继续进行消融，不需要进行二次手术。实现了术中全程实时监控、消融结果实时反馈的精准消融评估。
[0031]
本发明在术前就预估出消融的区域，以更精确的路径规划，更小的创伤来进行手术。
[0032]
本发明实时无创的进行术中消融预估，引导医生进行更加精确的消融手术，减少消融不全或消融过度而产生的影响。
[0033]
本发明可在术后进行影像评估对比，更加快速地勾画出消融的区域，判断消融区域的状态。一般在排除组织活检的情况下影像学作为判断是否消融的主要标准之一。
[0034]
本发明创造性的提出了一种集预估模块、监测模块和评估模块为一体的评估系统，该系统可以辅助相关工作者进行快速而精准的诊断和预测。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明的系统框图。
[0037]
图2为本发明的系统工作流程图。
[0038]
图3a为本发明的环形光纤示意图。
[0039]
图3b为本发明的弥散光纤示意图。
[0040]
图3c为本发明的侧射光纤示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
[0042]
实施例一
[0043]
一种基于磁共振引导的激光消融评估系统，包括预估模块、监测模块以及评估模块，其中：所述预估模块用于进行以下至少之一的处理：创建出计划消融区域、完成对计划消融面积以及计划消融参数的预估、获得手术方案；所述监测模块对消融过程进行实时监测；所述评估模块重建出实际消融区域，对所述计划消融区域与所述实际消融区域的图像进行配准和对比分析得到影像评估信息，所述影像评估信息显示于人机交互模块；所述影像评估信息至少包含以下之一：消融面积百分比、组织皱缩情况、组织膨胀情况、组织水肿情况。
[0044]
进一步的，所述预估模块基于所述计划消融面积和所述手术方案，通过拟合函数完成对所述计划消融参数的预估，所述拟合函数表示为预定激光功率和激光波长下消融时间和消融面积的函数，其公式为：
[0045][0046]
其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积；c0为第一常数，c1为第二常数，c2为第三常数，c3为第四常数，其中，c0、c1、c2、c3为预先获取的常数；t为消融时间；c
max
为最大消融面积；y是拟合函数线性增长结束点的时间；z是最大消融面积达成的时间。
[0047]
其中，所述拟合函数通过以下得到：
[0048]
获取若干组实际消融实验数据，所述实际消融实验数据包含激光出光功率、消融时间、消融面积、激光波长和总能量；对所述实际消融实验数据进行拟合，得到所述拟合函数。其中，拟合方式可采用分段回归的方式或其他拟合方式，该写拟合方式均为现有技术，
在此不做赘述。
[0049]
进一步的，所述预估模块将至少完成以下处理：
[0050]
①
，获取病灶组织的医学影像；
[0051]
②
，确认所述病灶组织的组织类型和组织属性；
[0052]
③
，根据所述医学影像获取所述病灶组织的三维模型，所述三维模型附带有所述组织类型和所述组织属性；
[0053]
④
，根据所述三维模型，针对所述病灶组织的不同组织类型进行分割，分成可三维立体显示的多个分割区域；
[0054]
⑤
，基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程得到动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图，并获取整个所述三维模型的手术方案。
[0055]
其中，所述预估模块至少采用含血流灌注影响的生物传热模型和/或能量仿真模型模拟实际消融过程得到动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图；和/或，所述热消融计算模型为阿伦尼乌斯方程(arrhenius'equation)或cem43模型。
[0056]
其中，所述手术方案包括以下至少之一：光纤插入路径、计划消融次数、所述计划消融区域、所述计划消融面积以及所述计划消融参数；和/或，所述消融参数包含以下至少之一：激光的出光功率、激光的出光时间、激光的出光模式、冷却介质的循环速率、激光的波长、总能量；和/或，所述组织属性包含以下至少之一：组织的各向异性、组织的吸收率、组织的反射率、组织的折射率、组织的血流灌注率、组织的导热系数、组织的热传导、组织的比热、组织的热传递；和/或，所述能量仿真模型包括以下至少之一：蒙特卡洛仿真模型、麦克斯韦模拟仿真模型。
[0057]
进一步的，所述阿伦尼乌斯方程(arrhenius'equation)反映化学反应速率随温度变化关系的经验公式，具体为：
[0058][0059]
其中，所述阿伦尼乌斯方程(arrhenius'equation)用于术中的实时消融反馈，r是通用气体常数，t：为温度(k)，a是阿伦尼乌斯常数(arrhenius'constant)，单位为s-1
，ea是活化能，c(0)为细胞的初始浓度，c(t)为时间t时的细胞浓度。
[0060]
进一步的，所述监测模块的实时监测过程包含：根据所述手术方案和所述三维模型将消融探针插入到相应位置；设定磁共振温度成像的扫描参数，所述监测模块通过读取dicom图像中的信息，自动识别像素点的大小，并使用每个像素点作为一个消融单元进行计算；在磁共振无创测温下，结合所述计划消融区域的分割以及所述组织属性，使用所述阿伦尼乌斯方程(arrhenius'equation)或者所述cem43模型进行消融监测。
[0061]
其中，在使用所述阿伦尼乌斯方程进行所述消融监测时，对所述消融单元的消融情况进行消融阈值显示；其中，选取不同的颜色对所述消融单元的不同消融情况进行标记并显示即为消融阈值显示；或者，在使用所述cem43模型进行所述消融监测时，在不同的等效43℃的消融时长下使用不同的颜色对消融区域进行显示。
[0062]
例如，在本发明的其一较佳实施例中，所述消融阈值显示至少包含以下之一：当ω＝1时，细胞损伤率为63.2％，在该消融阈值范围内的组织显示为第一颜色，例如所述第一颜色为黄色；当ω＝4.6时，细胞损伤率为99％，在该消融阈值范围内的组织显示为第二颜
色，例如所述第二颜色为红色。进一步的，相关工作者还可以预先设定一第一范围(所述第一范围的设定可根据操作情况进行自由设定)，当所述组织温度在超过所述第一范围时，例如所述第一范围为43℃-50℃，位于所述第一范围内的所述组织的消融情况介于可能造成损伤但未完全损毁之间，此时对位于所述第一范围的所述组织进行消融阈值显示，所述组织的消融阈值显示为第三颜色，例如所述第三颜色为绿色。
[0063]
进一步的，所述第一颜色、第二颜色、第三颜色颜色设定和选取，可根据相关工作者的喜好或消融情况进行自由调整。优选的，所述第三颜色可以优先在其他带有颜色标记的消融区域的底面显示，也可被其他消融阈值显示区域部分覆盖。
[0064]
其中，在使用所述cem43模型进行所述消融监测时，所述消融区域为遮罩(mask)显示或半透明显示，在所述消融区域叠加显示组织结构相后，可以同时看到所述计划消融区域和实际消融区域。
[0065]
其中，如果实际的消融面积大于所述计划消融面积，所述监测模块将自动提出弹框提示是否停止消融；如所述实际的消融面积超过第一百分比，例如所述第一百分比设为110％，所述监测模块将自动切断能量输出。
[0066]
其中，所述评估模块评估消融程度，具体为：使用对比差法对发生改变的消融区域进行高亮标识，使用三维的快速勾画法重建术后实际消融区域，所述实际消融区域与所述计划消融区域进行消融面积百分比的对比和计算；如果所述消融面积百分比超过第一百分比，例如所述第一百分比设为110％，则认为是消融过度；如果低于第二百分比，例如所述第二百分比为90％，则认为是消融不足。优选的，所述第一百分比大于所述第二百分比。本发明所述的第一百分比和所述第二百分比不唯一，工作者可根据操作情况进行自由设定。
[0067]
其中，所述消融面积百分比的计算同时考虑有至少以下之一的因素：所述计划消融区域被重叠的消融范围、所述计划消融区域以外的消融范围、所述计划消融区域内未被消融的范围。优选的，例如所述消融百分比的计算方法采用布尔运算，所述布尔运算为现有技术，在此不做赘述。
[0068]
实施例二
[0069]
一种基于磁共振引导的激光消融评估系统，包括预估模块、监测模块以及评估模块，预估模块通过对消融区域以及周边区域进行三维勾画，并附加相应的材料属性，存储组织材料属性清单，使用拟合函数或者仿真模拟能量扩散模型，基于热消融计算模型对消融面积以及消融参数进行预估；监测模块对消融过程进行实时监测和消融评估；评估模块对实时评估消融区域进行三维立体的建模，自动拟合成近似的消融区域，或者对术前结构相与术后的相同序列图像进行配准和对比分析，使用对比差法，对于发生改变的区域进行高亮标识，使用三维的快速勾画法重建出术后消融区域，与术前预估的消融区域进行对比。
[0070]
本发明所述的基于磁共振引导的激光消融评估系统的功能将通过相应的硬件设备得以实现，通常在所述硬件内加载了一评估系统软件，运用所述评估系统软件可以辅助医学工作者做出精准的手术规划和术后评估，并可以实现过程的实时监测。以下将以所述硬件设备为激光间质热疗装置为例进行详细阐述。
[0071]
在该实施例二中，激光间质热疗装置内加载了本发明所述的基于磁共振引导的激光消融评估系统，该激光消融评估系统至少包含有预估模块、监测模块以及评估模块，通过所述预估模块、所述监测模块以及所述评估模块实现术前消融面积预估以及参数预估、术
中实时消融监测以及术后消融影像评估，进而得到了术前、术中和术后三位一体的消融评估方案。与现有技术相比，所述激光消融评估系统将术前、术中和术后三个阶段的评估方式结合成一整套完整的消融评估方式，贯穿了整个操作过程，更精准地辅助相关工作者进行术前规划和及时监测，有效的对消融结果进行判断；使整个消融过程实现参数化、规划化，以减少意外情况造成的风险。具体如下。
[0072]
阶段一：术前消融面积预估以及参数预估
[0073]
在该阶段，所述预估模块将用于进行以下至少之一的处理：创建出计划消融区域、完成对计划消融面积以及计划消融参数的预估、获得手术方案等。更具体地，将至少进行如下处理：
①
，获取病灶组织的医学影像，所述医学影像包含但不限于ct图像、磁共振图像、pet图像；
②
，分析并确认所述病灶组织的组织类型和组织属性，例如所述组织类型可能包括一种或两种以上，每一种所述组织类型都有其特定的组织属性。所述组织类型和所述组织属性清单可以提取预设置所述预估模块内，所述组织属性包含以下至少之一：组织的各向异性、组织的吸收率、组织的反射率、组织的折射率、组织的血流灌注率、组织的导热系数、组织的热传导、组织的比热、组织的热传递。
③
，根据所述医学影像，采用多模态融合技术，获取所述病灶组织的三维模型，也即自动创建出计划消融区域，所述三维模型附带有所述组织类型和所述组织属性。
④
，根据所述三维模型，针对所述病灶组织的不同组织类型进行分割，最终分割成可三维立体显示的多个分割区域；同时还可以分割出所述病灶组织以及所述病灶组织周围的正常组织。
⑤
，基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程得到动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图，并结合术前软件获取整个所述三维模型的手术方案；所述手术方案包括以下至少之一：光纤插入路径、计划消融次数、所述计划消融区域、所述计划消融面积以及所述计划消融参数。
[0074]
在所述阶段一中，对所述病灶组织进行组织类型和组织属性的确认，再根据不同组织类型进行图形分割，使所述病灶组织的组织情况一目了然，有利于相关工作者更精准的对病灶情况进行整体把握，进而在此基础上获得的手术方案将更加具有准确性和较高的可靠性；避免了现有技术中，人为进行病灶区域或消融区域的勾画带来的不准确性。
[0075]
进一步的，所述预估模块至少采用含血流灌注影响的生物传热模型和/或能量仿真模型模拟实际消融过程得到动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图；和/或，所述热消融计算模型为阿伦尼乌斯方程或cem43模型。
[0076]
进一步的，所述能量仿真模型包括以下至少之一：蒙特卡洛仿真模型、麦克斯韦模拟仿真模型。
[0077]
进一步的，在本发明中，所述预估模块基于所述计划消融面积和所述手术方案，通过拟合函数完成对所述计划消融参数的预估，所述拟合函数表示为预定激光功率和激光波长下消融时间和消融面积的函数，其公式为：
[0078][0079]
其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积；c0为第一常数，c1为第二常数，c2为第三常数，c3为第四常数，其中，c0、c1、c2、c3为预先获取的常数；t为消融时间；c
max
为最大消融面积；y是拟合函数线性增长结束点的时间；z是最大消融面积达成的时
间。
[0080]
更具体的，所述预估模块获取大量的实际消融实验数据，所述实际消融实验数据包含激光出光功率、消融时间、消融面积、激光波长和总能量；在不同的激光出光功率、激光波长的情况下，进行消融时间和消融面积的拟合，得到拟合函数，使用拟合函数计算出包含以下至少之一的计划消融参数：激光的出光功率、激光的出光时间、激光的出光模式、冷却介质的循环速率、激光的波长、总能量。
[0081]
例如，在实施例二中，基于大量的实际消融实验数据，在一定的出光功率下，光纤法向中心截面消融面积与时间的拟合函数在前期为线性，之后由于血流灌注以及冷却系统等因素的共同作用下，拟合函数趋于收敛，由于980nm或1064nm激光的物理特性限制，存在最大消融面积的限制，最大消融面积的限制形成拟合函数的边界，因此所述拟合函数表示为三段式分段函数，第1段为消融面积线性增长阶段，第2段为相同功率下温度收敛阶段，第3段为物理特性限制下的最大消融面积，如下所示(第一种表示方法)：
[0082][0083]
其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积；c0为第一常数，c1为第二常数，c2为第三常数，c3为第四常数，其中，c0、c1、c2、c3为预先获取的常数；t为消融时间；c
max
为最大消融面积；y是拟合函数线性增长结束点的时间；z是最大消融面积达成的时间。
[0084]
如上文所述，area(t)分段函数的公式是基于大量的实际消融实验数据得到的，实验设备可以使用激光热疗设备。具体地，相关工作者可以在一个选定的激光功率下，例如在激光功率为3w、或者激光功率为5w～20w之间的任意一个激光功率下、或者23w、25w等，使用环形光纤或者选用具有不同长度出光的弥散光纤进行消融实验。实验过程中一并记录实验数据，实验数据主要包含组织类型、组织特性、激光的出光功率、消融时间、消融面积、激光波长、出光模式和总能量。其中，所述消融面积优先表示为垂直于光纤的消融中心区域的横截面(也即是光纤出光部中心的法向平面的横截面上的消融面积)。
[0085]
也即，如果使用的是环形光纤，则所述消融面积表示的是所述环形光纤出光部中心点上的法向平面的横截面上的消融面积；如果使用的是弥散光纤，则所述消融面积表示的是所述弥散光纤出光部中心点上的法向平面的横截面上的消融面积。更进一步的，如果使用的光纤是侧射光纤，在激光波长、出光模式一致的情况下可以采用等效半径来表述侧射光纤达到的透射深度的动态变化。因此本发明所述的area(t)分段函数更加适用于环形光纤和弥散光纤。更进一步的，所述area(t)分段函数的适用性还包含了具有冷却系统的医用消融光纤组件上或者无冷却系统的医用消融光纤组件上。
[0086]
进一步的，如图3a所示，为本发明的环形光纤示意图。所述环形光纤为这样一种激光传输光纤，其前端出光方式将为沿径向全周输出。如图3b所示，为本发明的弥散光纤示意图。弥散光纤为这样一种激光传输光纤，其前端出光方式将为沿径向并且沿轴向按预先定义的长度全周输出。如图3c所示，为本发明的侧射光纤示意图。侧射光纤为这样一种激光传输光纤，其前端出光方式将为沿径向侧面输出。本发明所述的激光热疗设备、环形光纤、弥散光纤、侧射光纤、医用消融光纤组件等均为现有装置或技术，在此不做赘述。
[0087]
更进一步的，基于大量消融实验的基础上，对消融实验数据进行归纳验证，最终拟合得到所述area(t)分段函数的公式。所述area(t)分段函数的公式还可以表示为以下形式(第二种表示方法)：
[0088][0089]
其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积；d0为第一常数，d1为第二常数，其中，d0、d1为预先获取的常数；t为消融时间；d
max
为最大消融面积；y是拟合函数线性增长结束点的时间；z是最大消融面积达成的时间。第二种表述方法为第一种表述方法的变形，其优点在于需获取的预先常数减少可以简化拟合函数计算。
[0090]
基于所述第二种表示方法，本发明的创作者使用弥散光纤，在激光功率为6w，激光波长为980nm，连续出光的条件下，对猪肝进行了大量消融实验，并实时记录了组织类型、组织特性、消融时间、消融面积等实验数据，并将数据归纳为如下：
[0091][0092]
其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积/mm2(平方毫米)；t为消融时间/s(秒)。
[0093]
同理，基于大量的实际消融实验下，可以得到其他类型组织，在某一预定的激光功率、激光波长下的拟合函数，通过该拟合函数进一步得到更加精准的消融参数。可见，本发明所述的预估模块，可以基于不同的组织类型给予相应的消融参数，相较于现有技术，本发明实现了更加细分化、精确化的消融预估，预估信息的可靠性增强，更具有指导意义。
[0094]
阶段二、实时消融监测
[0095]
进一步的，所述监测模块的实时监测过程包含：根据所述手术方案和所述三维模型将消融探针插入到相应位置；设定磁共振温度成像的扫描参数，所述监测模块通过读取dicom图像中的信息，自动识别像素点的大小，并使用每个像素点作为一个消融单元进行计算；在磁共振无创测温下，结合所述计划消融区域的分割以及所述组织属性，使用所述阿伦尼乌斯方程(arrhenius'equation)或者所述cem43模型进行消融监测。
[0096]
进一步的，所述阿伦尼乌斯模型反映化学反应速率随温度变化关系的经验公式，具体为：
[0097][0098]
其中，所述阿伦尼乌斯模型用于术中的实时消融反馈，r是通用气体常数，t：为温度(k)，a是阿伦尼乌斯常数，单位为s-1
，ea是活化能，c(0)为细胞的初始浓度，c(t)为时间t时的细胞浓度。
[0099]
其中，在使用所述阿伦尼乌斯方程进行所述消融监测时，可以对所述消融单元的消融情况进行消融阈值显示；其中，选取不同的颜色对所述消融单元的不同消融情况进行标记并显示。
[0100]
例如，在本发明的其一较佳实施例中，在使用所述阿伦尼乌斯方程进行所述消融
监测时，所述消融阈值显示至少包含以下之一：当ω＝1时，细胞损伤率为63.2％，在该消融阈值范围内的组织显示为第一颜色，例如所述第一颜色为黄色；当ω＝4.6时，细胞损伤率为99％，在该消融阈值范围内的组织显示为第二颜色，例如所述第二颜色为红色。进一步的，相关工作者还可以预先设定一第一范围(所述第一范围的设定可根据实际操作情况进行自由设定)，当所述组织温度在超过所述第一范围时，例如所述第一范围为43℃-50℃，位于所述第一范围内的所述组织的消融情况介于可能造成损伤但未完全损毁之间，此时所述组织的消融阈值显示为第三颜色，例如所述第三颜色为绿色。
[0101]
进一步的，所述第一颜色、第二颜色、第三颜色颜色设定和选取，可根据相关工作者的喜好或消融情况进行自由调整。优选的，所述第三颜色可以优先在其他带有颜色标记的消融区域的底面显示，也可被其他消融阈值显示区域部分覆盖。
[0102]
又例如，在使用所述cem43模型进行所述消融监测时，在不同的等效43℃的消融时长下使用不同的颜色对消融区域进行显示。例如：分别在等效为2分钟、等效为10分钟以及等效为60分钟的不同情况下进行颜色区分显示，颜色区分显示使得医生可以更好的判断消融效果。另外地，在使用所述cem43模型进行所述消融监测时，所述消融区域为遮罩(mask)显示或半透明显示，在所述消融区域叠加显示组织结构相后，可以同时看到所述计划消融区域和实际消融区域。即哪些是术前计划的消融区域，哪些是术中实际的消融区域，消融覆盖面积等情况一目了然，实现了操作过程的精准可控，进而引导相关工作者进行更加精准的消融操作，减少消融不全或消融过度而产生的影响。
[0103]
进一步的，如果实际的消融面积大于所述计划消融面积，所述监测模块将自动提出弹框提示是否停止消融；如所述实际的消融面积超过第一百分比，例如所述第一百分比设为110％，所述监测模块将自动切断能量输出。所述第一百分比为相关工作者预先设定好的，该第一百分比的数值可根据实际情况进行灵活设置，在此不做限制。
[0104]
阶段三：术后消融影像评估
[0105]
所述评估模块评估消融程度包括：使用对比差法对发生改变的消融区域进行高亮标识，使用三维的快速勾画法重建术后实际消融区域，所述实际消融区域与所述计划消融区域进行消融面积百分比的对比和计算；如果所述消融面积百分比超过第一百分比，例如所述第一百分比设为110％，则认为是消融过度；如果低于第二百分比，例如所述第二百分比为90％，则认为是消融不足。优选的，所述第一百分比大于所述第二百分比。本发明所述的第一百分比和所述第二百分比不唯一，工作者可根据操作情况进行自由设定，例如所述第一百分比设为85％，所述第二百分比为54％。
[0106]
其中，所述消融面积百分比的计算因素同时考虑有至少以下之一的因素：所述计划消融区域被重叠的消融范围、所述计划消融区域以外的消融范围、所述计划消融区域内未被消融的范围。优选的，例如所述消融百分比的计算方法采用布尔运算，所述布尔运算为现有技术，在此不做赘述。
[0107]
本发明所述的评估模块重建出实际消融区域，对所述计划消融区域与所述实际消融区域的图像进行配准和对比分析得到影像评估信息，所述影像评估信息显示于人机交互模块；所述影像评估信息至少包含以下之一：消融面积百分比、组织皱缩情况、组织膨胀情况、组织水肿情况。优选的，所述组织皱缩情况、所述组织膨胀情况以及所述组织水肿情况可根据需要进行相应的标记并显示于人机交互模块。可见，本发明所述的评估模块中，不仅
可以得到十分精准的消融面积评估，还能显示出组织的皱缩情况、组织的膨胀情况、组织的水肿情况，使得相关工作者对本次消融操作、消融区域的状态有了更全面的了解。
[0108]
更进一步的，相关工作者还可以根据组织的皱缩情况、组织的膨胀情况、组织的水肿情况，判断是否需要进行组织抽吸或其他操作。更进一步的，本发明中所述的消融面积也可以是根据消融面积计算出来的消融体积，也就是说本发明在做评估的时候既可以使用消融面积进行判断也可以使用消融体积进行判断。因此本发明所述的消融面积或者是消融体积也可以表示为消融区域，例如，本发明所述的“如果实际消融面积大于所述计划消融面积，监测模块将自动提出弹框提示是否停消融”也可以表述为“如果实际消融体积大于所述计划消融体积，监测模块将自动提出弹框提示是否停消融”，又或者表述为“如果实际消融区域大于所述计划消融区域，监测模块将自动提出弹框提示是否停消融”。同理，在消融面积百分比计算时，也可以用消融体积百分比、消融区域百分比表示。消融面积以及消融体积的计算均为本领域人员根据现有技术就可以得到的，在此不做赘述。
[0109]
上述如本说明书所示实施例揭示的一种基于磁共振引导的激光消融评估系统可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或当然，除了软件实现方式之外，本说明书实施例的电子设备并不排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
[0110]
总之，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。
[0111]
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、笔记本电脑、行动电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
[0112]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0113]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0114]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部
分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

技术特征：
1.一种模拟消融过程的预估模块，其特征在于，所述预估模块将至少完成以下处理：获取病灶组织的医学影像；确认所述病灶组织的组织类型和组织属性；根据所述医学影像生成所述病灶组织的三维模型，所述三维模型附带有所述组织类型和所述组织属性；根据所述三维模型，针对所述病灶组织的不同组织类型进行分割，分成可三维立体显示的多个分割区域；基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程。2.根据权利要求1所述的预估模块，其特征在于，所述组织属性包含以下至少之一：组织的各向异性、组织的吸收率、组织的反射率、组织的折射率、组织的血流灌注率、组织的导热系数、组织的热传导、组织的比热、组织的热传递。3.根据权利要求1所述的预估模块，其特征在于，所述预估模块在基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程中，完成以下处理：基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图。4.根据权利要求3所述的预估模块，其特征在于，所述预估模块至少采用含血流灌注影响的生物传热模型和/或能量仿真模型模拟实际消融过程动态的温度分布和/或消融损毁情况百分比分布图。5.根据权利要求4所述的预估模块，其特征在于，所述能量仿真模型包括以下至少之一：蒙特卡洛仿真模型、麦克斯韦模拟仿真模型。6.根据权利要求1-5任一所述的预估模块，其特征在于，所述预估模块进一步用于进行以下至少之一的处理：创建出计划消融区域、完成对计划消融面积以及计划消融参数的预估、生成手术方案。7.根据权利要求6所述的预估模块，其特征在于，所述手术方案包括以下至少之一：光纤插入路径、计划消融次数、所述计划消融区域、所述计划消融面积以及所述计划消融参数；和/或所述计划消融参数包含以下至少之一：激光的出光功率、激光的出光时间、激光的出光模式、冷却介质的循环速率、激光的波长、总能量。8.根据权利要求6所述的预估模块，其特征在于，所述预估模块通过拟合函数完成对所述计划消融参数的预估，所述拟合函数表示为预定激光功率和激光波长下消融时间和消融面积的函数，其公式为：其中，area(t)为分段函数，用以表示在消融时间t时的消融面积；c0为第一常数，c1为第二常数，c2为第三常数，c3为第四常数，其中，c0、c1、c2、c3为预先获取的常数；t为消融时间；c
max
为最大消融面积；y是拟合函数线性增长结束点的时间；z是最大消融面积达成的时间。9.根据权利要求8所述的预估模块，其特征在于，所述拟合函数通过以下得到：获取若干组实际消融实验数据，所述实际消融实验数据包含激光出光功率、消融时间、
消融面积、激光波长和总能量；对所述实际消融实验数据进行拟合，得到所述拟合函数。10.根据权利要求6所述的预估模块，其特征在于，所述预估模块基于热消融计算模型对计划消融面积以及计划消融参数进行预估；其中所述热消融计算模型为阿伦尼乌斯方程或cem43模型。11.一种基于磁共振引导的激光消融评估系统，其特征在于，包括如权利要求1-10任一所述的预估模块。12.一种激光间质热疗装置，其特征在于，包括如权利要求11所述的激光消融评估系统。13.一种模拟消融过程的方法，其特征在于，包括：获取病灶组织的医学影像；确认所述病灶组织的组织类型和组织属性；根据所述医学影像生成所述病灶组织的三维模型，所述三维模型附带有所述组织类型和所述组织属性；根据所述三维模型，针对所述病灶组织的不同组织类型进行分割，分成可三维立体显示的多个分割区域；基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程。14.一种模拟消融过程的装置，其特征在于，包括：处理器；以及存储器，其存储有程序指令，当所述程序指令由所述处理器运行时，使得所述装置执行根据权利要求1-10任一所述的预估模块的处理过程。15.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求14所述的装置。16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，该计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1-10中任意一项所述的预估模块的处理过程。

技术总结
一种基于磁共振引导的激光消融评估系统，包括预估模块，所述预估模块将至少完成以下处理：获取病灶组织的医学影像；确认所述病灶组织的组织类型和组织属性；根据所述医学影像获取所述病灶组织的三维模型，所述三维模型附带有所述组织类型和所述组织属性；根据所述三维模型，针对所述病灶组织的不同组织类型进行分割，分成可三维立体显示的多个分割区域；基于每个所述分割区域的组织属性模拟实际消融过程。本发明可以辅助相关工作者在术前进行有效和精准的消融预估。和精准的消融预估。和精准的消融预估。


技术研发人员：史鼎盛 夏良道 金慧杰 曹鹏
受保护的技术使用者：杭州佳量医疗科技有限公司
技术研发日：2021.06.28
技术公布日：2023/9/26