个性化肝脏肿瘤射频消融术前规划系统关键技术研究

Hepatocellular carcinoma (HCC) is widely considered to be one of the most fatal diseases.It has a mortality rate of 54.7 in 100 thousands patients. In china, HCC is the second most common malignancy. Radiofrequency ablation is a promising curative approach for patients with HCC, who are not candidates for resection. Conformal therapy is the goal of radiofrequency ablation. The research includes four aspects: (1)Hepatic tumor CT image auto-segmentation and 3D reconstruction;(2)Patient-specific thermal field simulation of radiofrequency ablation;(3) Matching algorithms between hepatic tumor model and 3D thermal model;(4) The development of GPU-based preoperative planning system for Radiofrequency ablation. The system can provide optimum therapy protocol for clinicians. At present,hepatic tumor Radiofrequency ablation depends on the experiences, and the subjective experiences of physicians usually determine the treatment protocols, it is difficult to ensure treatment efficiency.Scientific design of surgical treatment plan will address the key issues.It is very important for the treatment of HCC and exhibit great significance of conformal therapy ensuring the efficacy.

肝癌发病率高，射频消融术是一种新型的肿瘤原位微创治疗技术，但目前主要依赖于医生个人经验，主观性强，手术风险高。通过计算机辅助，实现肿瘤射频消融“适形”治疗，可以使整个治疗计划由主要凭经验制订转变为基于数据的分析，能够提高手术的科学性及可靠性。针对肝癌射频消融术前规划系统中的关键问题，本项目研究内容包括：（1）通过肝脏肿瘤的全序列自动分割及三维重建方法研究，直观获得肿瘤在肝脏内的位置、形态、大小等数据和解剖关系，奠定术前规划系统的基础；（2）建立带有影响参数的计算模型，实现个性化的射频消融温度场模拟；（3）研究肿瘤三维模型和射频消融损毁区的适形匹配算法，实现热损毁区对肿瘤的 “适形”覆盖；（4）设计并实现基于GPU的射频消融术前规划系统原型，验证系统的有效性。该术前规划系统原型的实现将为业界研究学者提供一种用于精准穿刺基础实验研究的有力工具，对肿瘤适形精准消融具有重大的医学和实验价值。

肝癌发病率高，射频消融术是一种新型的肿瘤原位微创治疗技术，但临床主要依赖于医生个人经验，主观性强，手术风险高。本项目开展了个性化肝脏肿瘤射频消融术前规划系统关键技术研究，实现肿瘤射频消融“适形”治疗，使整个治疗计划由主要凭经验制订转变为基于数据的分析，提高了手术的科学性及可靠性。针对肝癌射频消融术前规划系统中的关键问题，本项目开展的主要研究工作包括：肝脏肿瘤的全序列自动分割及三维重建，个性化的射频消融温度场模拟，肿瘤三维模型和射频消融损毁区的适形匹配及射频消融术前规划系统原型构建。取得的主要成果如下：.1.完成了肝脏及肝脏肿瘤实验数据库的构建。其中，包含不同类型的肝肿瘤患者CT/MR影像序列460例，3850张标注的切片数据。.2.实现了影像中肝脏、肿瘤和血管的分割、三维重建及可视化。针对CT/MR影像中的肝脏组织分割问题，研究并实现了基于监督的肝脏及肿瘤组织自动分割方法，及基于无监督的肝脏血管自动分割方法。.3. 研究并实现了肝脏肿瘤组织射频消融温度场模拟及消融损毁区的适形匹配算法。提出了基于深度学习的消融热场模拟规划方法，通过双通道ResUNet网络，训练得到影像、消融针、病理多元信息与消融区域的对应关系，从而实现对消融区域的精准预测，为临床提供可靠的消融手术依据。.4. 设计并实现了射频消融术前规划与预测系统。基于分割重建的皮肤、骨骼、肝脏、肿瘤、肝内血管以及其它相关器官，通过提出的消融针规划方法实现手术路径规划，并对规划的手术路径进行三维渲染可视化。.在项目执行期间，发表高水平学术论文17篇，其中SCI期刊论文14篇，重要会议论文3篇，多次参加国际学术会议，并做大会报告。申请国家发明专利5项，已授权1项；作为主要完成人获2019年中国产学研合作创新成果优秀奖，以该项目为依托，指导博士生获第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。