基于多模态影像三维导航系统的粒子植入自动化布源规则及方法研究

Radioactive seed implantation is an effective therapy for cancer. Our research team have developed a treatment planning and navigation system for seed implantation procedure. We have found two problems need to be solved: 1.the treatment planning is manual with no function of automatic planning which is subjective, time consuming and limits its clinical popularization and application;2.If the procedure does not go well, the system cannot adjust the planning while operating which therefore greatly jeopardizes the therapeutic effectiveness and security. Thus, this project aims to develop a method of automatic, intelligent seed implantation planning, and establish a system consisting of a standard, multipurpose treatment planning system and a 3D visualization navigation system for seed implantation. Based on multimodality image fusion and 3D visualization techniques, this system is able to perform intelligent seed implantation as planned by combining the techniques of real-time tracking and feedback. By this system, seed implantation therapy will be improved to a more precise, standardized, individualized and intelligent stage for clinical application.

放射性粒子植入肿瘤均匀布放无“冷区”是有效安全治疗的关键。针对前期课题对超声引导三维可视化导航粒子植入治疗计划方法、图像配准及导航跟踪显示研究中发现的亟待解决问题，即布源靠手动受主观影响大、实现复杂、费时费力、不易操作推广，以及对术中出现未按原计划布放粒子时系统难以实时给出新的布源方案从而影响粒子精准植入。为此，本项目拟通过聚类算法等多种算法的数据挖掘技术，基于多模态影像融合三维导航技术，针对不同临床约束条件放射性粒子植入的自动化、智能化布源规则，进行计算机建模，并通过研究建立人机互动软件模块，将自动、智能化软件与多模影像引导下粒子导 航平台相融合，为研发实现术前个性化粒子植入智能自动布源、并能依据术中实际手术信息实时自动化调整治疗方案功能的智能化粒子自动布源治疗系统奠定理论技术基础，以进一步促进粒子植入治疗进入精准化、规范化、个体化、智能化的临床应用。

放射性粒子在肿瘤体内的精准布放是保证该治疗安全、有效的前提。目前临床常用的影像引导方式中，无论CT、超声引导，还是多模态影像融合导航技术，其本质均为手动布源，即术者参照术前规划，凭主观经验进行粒子布放。当术中出现未能按原规划布放的粒子时，系统无法及时地反馈并给出新的布源方案进而影响粒子植入精准性。针对此临床难题，本课题通过多种数据挖掘技术、衔接术前规划系统与导航系统，建成了一套可术中实时反馈及自动化、智能化布源的技术平台，并通过体模实验验证了该平台的实用性和精准性，为放射性粒子植入的规范化治疗提供理论和技术支持。相关研究成果已发表SCI论文5篇，核心期刊3篇及发明专利1项。.1. 平台搭建。本课题采用聚类算法、数据开源、实时显像程序算法、粒子剂量场程序算法等多种数据挖掘技术，将术前影像、磁定位导航粒子套针、超声图像等通过坐标系转换，统一注册到磁定位导航系统中，进行术前规划系统、术中多模态影像融合导航及上述软硬件设备的有机结合和有序衔接，成功搭建了一套具有实时反馈粒子空间位置及自动化、智能化布源功能的技术平台，该平台亦可完成术后放射剂量的评估。.2. 自身误差、精准性验证。利用磁定位粒子植入套针针尖点击定位板，得到的误差分别为0.96±0.23 mm，1.00±0.22 mm、0.98±0.25 mm、0.92±0.27 mm；对体模内置的靶点进行穿刺，得到的误差分别为2.15±0.41mm，1.98±0.34mm，1.89±0.35mm，2.11±0.36mm；超声引导与利用该平台的智能三维导航进行粒子植入的对比研究，结果表明智能三维导航引导的粒子布放结果与术前规划一致性最好、精准性最高。.综上，利用该技术平台初步现实了放射性粒子植入术中实时引导、反馈纠错及自动化、智能化布源的目标，并通过体模实验验证了该技术平台的实用性和精准性。.但由于疫情管控影响及动物实验中心管理政策，部分动物实验及临床实验尚未进行，导致经费结余。下一步需要根据研究所需进行实验动物及粒子等相关实验材料的购置，以逐步完成后续的动物实验及临床实验研究。