CN110013306B - Ct引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法 - Google Patents

Ct引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法。首先在肝癌患者CT图像上分割提取皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构并进行三维体绘制重构，量化腹腔关键解剖结构和肝肿瘤靶点的灰度图，计算备选穿刺路径与肝包膜的夹角；在患者CT图像的三维包围盒表面构建满足穿刺路径规避腹腔关键解剖结构、穿刺路径深度和穿刺路径角度约束条件下的灰度约束图；按照临床强约束条件，在灰度约束图上由阈值筛选出可行进针区域；按照临床弱约束条件，在可行进针区域内，将灰度约束图的灰度值进行归一化，获取加权结果和其对应的灰度约束图空间坐标；联合加权结果和肝肿瘤靶点的空间坐标获得穿刺路径。本发明具有全自动、算法复杂度低、规划精度高的特点。

Description

CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法
技术领域
本发明属于图像处理领域，特别涉及一种基于计算机辅助的CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法。
背景技术
肝癌是我国常见的恶性肿瘤之一，发病率居第五位，病死率高居第三位。肝肿瘤热消融治疗(包括射频消融和微波消融等)已成为继手术切除、肝移植后的第三大根治性手段。它是在医学影像引导下，将消融针(射频电极/微波天线)***肿瘤内作为热源，将肿瘤组织加热到较高温度，使肿瘤原位凝固性坏死。基于医学影像的消融针穿刺路径规划是肝肿瘤热消融治疗的契机，直接决定治疗的成败。目前临床上穿刺路径规划还依赖于医师的经验，尤其当穿刺路径与患者CT(Computed Tomography,计算机断层扫描成像)横截面的夹角较大时，紧靠人为臆断的路径规划耗时耗力，且规划精度难以满足临床需求。因此，基于计算机辅助规划***进行穿刺路径规划能够弥补现有手工规划过程中存在的自动化、实时性和精度欠缺的不足。
本发明旨在提出一种基于计算机辅助的CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，主要内容包括：(1)基于患者腹部CT图像对皮肤、肝脏、肝肿瘤和腹腔关键解剖结构进行三维自动分割和可视化重构；(2)基于多项临床强约束条件，在患者腹部CT图像的包围盒上筛选可行穿刺(进针)区域；(3)基于多项临床弱约束条件，在可行进针区域内规划最佳穿刺路径。方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构。(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度。(3)穿刺路径应至少介入肝脏实质一定深度(方法中该深度优选为5mm)。(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于一定角度(方法中该角度优选为20°)。方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远。(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅。(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直。方法能够基于计算机辅助规划***自动并实时性的规划热消融治疗所需的穿刺路径，且规划的精度满足临床需求。
发明内容
本发明旨在克服现有临床技术的缺点和不足，提出一种基于计算机辅助的CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，包括以下关键步骤：
1.CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，包括以下步骤：
1.1.基于患者扫描的CT序列图像，利用图像分割算法提取患者皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构，腹腔关键解剖结构包括大血管、骨骼、肺、胃、肾、脾、胆囊，并对上述关键解剖结构进行三维重构，得到重构场景图像ISence；
1.2.依据临床强约束条件，量化穿刺路径规划过程中所需的参数；参数包括肿瘤靶点的空间坐标，备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离信息和备选穿刺路径的穿刺深度信息；方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度；(3)穿刺路径应至少介入肝脏5mm；(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；
1.3.构建包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；
1.4.构建包含穿刺路径穿刺深度信息的灰度约束图ILength-const；
1.5.构建包含备选穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；
1.6.根据临床强约束条件，在灰度约束图上筛选可行进针区域；
1.7.根据临床弱约束条件，在可行进针区域内优选最佳的穿刺路径；方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远；(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅；(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直；
2.上述步骤1.2具体包括如下步骤：
2.1.计算肿瘤质心的空间坐标，作为穿刺靶点；
2.2.考虑穿刺路径应至少介入肝脏5mm这项强约束条件，需在场景ISence中附加标注不满足这项约束的备选进针区域；首先对分割所得的肝肿瘤图像ITumor进行三维膨胀运算，得到图像ITumor-dilate，再与分割所得的肝脏图像ILiver进行比较，ITumor-dilate超出ILiver轮廓的区域视作不可行进针区域INo-fly，最后将INo-fly的三维重构结果补充在场景ISence当中；
2.3.量化备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离；首先对ISence图像进行欧式距离映射DTF，即求取图像中每一体素到腹腔关键解剖结构的欧几里得距离；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径相对于腹腔关键解剖结构的欧式距离映射灰度图IRisk-DTF；最后对IRisk-DTF执行最小密度投影MinIP体绘制，得到包含备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的三维体绘制结果IRisk-MinIP；
2.4.量化备选穿刺路径的穿刺深度；首先在分割所得的患者皮肤图像ISkin内，基于肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)进行欧式距离映射，即求取图像ISkin掩模内每一体素到肿瘤靶点的欧几里得距离；其中tx、ty、tz分别表示肿瘤靶点的三维坐标；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径的穿刺深度灰度图ILength-DTF；再对ILength-DTF执行最大密度投影MIP体绘制，得到反映备选穿刺路径穿刺深度信息的三维体绘制结果ILength-MIP；
3.上述步骤1.3具体包括如下步骤：
3.1.构造患者CT图像的包围盒IBound，并对构成IBound的每一面赋以不同颜色以示区分；不同颜色为彩色不含黑色和白色；
3.2.自适应计算立方体映射所需的视角参数；以肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)为映射中心，分别沿x轴、y轴和z轴的正负方向计算能够容纳IBound对应表面所需的最小视角；
3.3.基于IRisk-MinIP和IBound分别进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对IRisk-MinIP和IBound分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角由步骤3.2自适应获取；如此，在6个方向上获得了基于IRisk-MinIP的二维透视投影I'Risk-proj和基于IBound的二维透视投影IBound-proj；
3.4.按IBound-proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Risk-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Risk-proj的校正结果IRisk-proj；
3.5.按IBound6个方向表面的实际尺寸，分别对IRisk-proj进行插值运算，得到结果IRisk-inter；
3.6.将6个方向的插值运算结果IRisk-inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将IRisk-inter的灰度值一一赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；
4.上述步骤1.4具体包括如下步骤：
4.1.基于ILength-MIP进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对ILength-MIP分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角沿用步骤3.2的自适应计算结果；如此，在6个方向上获得了基于ILength-MIP的二维透视投影I'Length-proj；
4.2.按IBound-Proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Length-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Length-proj的校正结果ILength-proj；
4.3.按IBound6个方向表面的实际尺寸，分别对ILength-proj进行插值运算，得到结果ILength-Inter；
4.4.将6个方向的插值运算结果ILength-Inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将ILength-Inter的灰度值一一赋值于包围盒IBound对应的体素，即在包围盒IBound上得到了包含穿刺路径穿刺深度的灰度约束图ILength-const；
5.上述步骤1.5具体包括如下步骤：
5.1.将分割所得的肝脏结构进行三角形面绘制，将肝脏表面细分成若干三角形区域；
5.2.将IBound每一体素视作一个备选进针点，则包围盒IBound每一体素与肿瘤靶点T的连线即视作备选穿刺路径；逐一计算上述备选穿刺路径与肝脏三角形面绘制结果相交处的三角形区域编号i；
5.3.计算相交三角形区域i的面法向量ni＝(n1,n2,n3)，其中n1、n2、n3表示法向量的三维分量；计算对应备选穿刺路径的方向向量
Figure BDA0002003540040000051
其中，
Figure BDA0002003540040000052
表示IBound上代表备选穿刺路径的进针点坐标；
5.4.计算备选穿刺路径与肝包膜的夹角；
5.5.将备选路径与肝包膜的实际夹角作为灰度值，赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；
6.上述步骤1.6具体包括如下步骤：
6.1.考虑穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；对灰度约束图IRisk-const按阈值TRisk进行筛选，将灰度低于阈值TRisk处的灰度值赋零，得到图像IRisk-hard；即将距腹腔关键解剖结构距离小于2mm的备选穿刺路径予以删除；
6.2.考虑穿刺路径应严格小于消融针的长度；对灰度约束图ILength-const按阈值TLength进行筛选，将灰度高于阈值TLength处的灰度值赋零，得到图像ILength-hard；阈值TLength为15mm，即将超过消融针长度的备选穿刺路径予以删除；
6.3.考虑穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；对灰度约束图IAngle-const按阈值TAngle进行筛选，将灰度低于阈值TAngle处的灰度值赋零，得到图像IAngle-hard；即将与肝包膜夹角小于20°的备选穿刺路径予以删除；
7.上述步骤1.6具体包括如下步骤：
7.1.对图像IRisk-hard进行灰度值归一化处理，得到图像IRisk-norm；
7.2.对图像ILength-hard进行灰度值归一化处理，得到图像ILength-norm；
7.3.对图像IAngle-hard进行灰度值归一化处理，得到图像IAngle-norm；
7.4.将图像IRisk-norm、ILength-norm和IAngle-norm进行加权整合，权重均为1/3，得到图像Iweight；
7.5.图像Iweight的灰度极大值点即对应最优进针点，其坐标与肿瘤靶点T的对应连线即为,最终规划的穿刺路径P*。
附图说明
图1：本发明方法的流程图；
图2：基于穿刺路径规避腹腔关键解剖结构约束的灰度约束图(呈包围盒打开展示)；为便于展示结果，图中腹腔关键解剖结构仅以骨骼结构为例；图中灰度值越高，代表穿刺路径距腹腔关键解剖结构越远；
图3：基于穿刺路径深度约束的灰度约束图(呈包围盒打开展示)；图中灰度值越高，代表穿刺路径的穿刺深度越长；
图4：基于穿刺路径角度约束的灰度约束图(呈包围盒打开展示)；图中灰度值越高，代表穿刺路径与肝包膜表面的夹角越大；
图5：基于四项临床强约束条件，筛选可行进针区域的平面示意图；图中白色轮廓示意患者体表皮肤，白色实心区域示意腹腔内的骨骼，灰色区域示意腹腔脏器，面积较大的灰色区域示意肝脏，肝脏内的深色区域示意肿瘤；覆盖透明浅灰色的区域示意不符合强约束条件的不可行穿刺区域；
图6：穿刺路径规划结果示意图；其中白色箭头示意方法最终生成的穿刺路径规划；
具体实施方式
图1为本发明方法的流程图，主要包括以下步骤：
(1)基于患者扫描的CT序列图像，利用图像分割算法提取患者皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构，腹腔关键解剖结构包括大血管、骨骼、肺、胃、肾、脾、胆囊，并对上述关键解剖结构进行三维重构，得到重构场景图像ISence；
(2)依据临床强约束条件，量化穿刺路径规划过程中所需的参数；参数包括肿瘤靶点的空间坐标，备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离信息和备选穿刺路径的穿刺深度信息；方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度；(3)穿刺路径应至少介入肝脏5mm；(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；该步骤具体包括：
(2.1)计算肿瘤质心的空间坐标，作为穿刺靶点；首先获取肿瘤结构的包围盒，统计肿瘤包含的总体素数量N，分别累计包围盒x轴、y轴和z轴的坐标和xSum，ySum，zSum；最后计算肿瘤质心坐标：x轴坐标tx＝round(xSum/N)，y轴坐标ty＝round(ySum/N)，z轴坐标tz＝round(zSum/N)；其中，函数round()表示向近取整；
(2.2)考虑穿刺路径应至少介入肝脏5mm这项强约束条件，本方法需在场景ISence中附加标注不满足这项约束的备选进针区域；首先对分割所得的肝肿瘤图像ITumor进行三维膨胀运算，得到图像ITumor-dilate，再与分割所得的肝脏图像ILiver进行比较，ITumor-dilate超出ILiver轮廓的区域视作不可行进针区域INo-fly，最后将INo-fly的三维重构结果补充在场景ISence当中；
(2.3)量化备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离；首先对ISence图像进行欧式距离映射DTF，即求取图像中每一体素到腹腔关键解剖结构的欧几里得距离；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径相对于腹腔关键解剖结构的欧式距离映射灰度图IRisk-DTF；最后对IRisk-DTF执行最小密度投影MinIP体绘制，得到包含备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的三维体绘制结果IRisk-MinIP；
(2.4)量化备选穿刺路径的穿刺深度；首先在分割所得的患者皮肤图像ISkin内，基于肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)进行欧式距离映射，即求取图像ISkin掩模内每一体素到肿瘤靶点的欧几里得距离；其中tx、ty、tz分别表示肿瘤靶点的三维坐标；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径的穿刺深度灰度图ILength-DTF；再对ILength-DTF执行最大密度投影MIP体绘制，得到反映备选穿刺路径穿刺深度信息的三维体绘制结果ILength-MIP；
(3)构建包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；该步骤具体包括：
(3.1)构造患者CT图像的包围盒IBound，并对构成IBound的每一面赋以不同颜色以示区分；不同颜色为彩色不含黑色和白色；
(3.2)自适应计算立方体映射所需的视角参数；以肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)为映射中心，分别沿x轴、y轴和z轴的正负方向计算能够容纳IBound对应表面所需的最小视角；最小视角的具体计算方式如下：以x轴正方向为例，计算肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)距IBound位于x轴正方向表面Px+的距离，记作dp，再计算肿瘤靶点距Px+四条边的距离，分别记作dpy+、dpy-、dpz+、dpz-；则沿x轴正方向的最小视角为ω＝2arccos[dp/max(dpy+,dpy-,dpz+,dpz-)]；其中，函数max()表示求取最大值；
(3.3)基于IRisk-MinIP和IBound分别进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对IRisk-MinIP和IBound分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角由步骤3.2自适应获取；如此，在6个方向上获得了基于IRisk-MinIP的二维透视投影I'Risk-proj和基于IBound的二维透视投影IBound-proj；
(3.4)按IBound-proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Risk-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Risk-proj的校正结果IRisk-proj；
(3.5)按IBound6个方向表面的实际尺寸，分别对IRisk-proj进行插值运算，得到结果IRisk-inter；
(3.6)将6个方向的插值运算结果IRisk-inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将IRisk-inter的灰度值一一赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const，效果如图2所示；
(4)构建包含穿刺路径穿刺深度信息的灰度约束图ILength-const；该步骤具体包括：
(4.1)基于ILength-MIP进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对ILength-MIP分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角沿用步骤3.2的自适应计算结果；如此，在6个方向上获得了基于ILength-MIP的二维透视投影I'Length-proj；
(4.2)按IBound-Proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Length-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Length-proj的校正结果ILength-proj；
(4.3)按IBound6个方向表面的实际尺寸，分别对ILength-proj进行插值运算，得到结果ILength-Inter；
(4.4)将6个方向的插值运算结果ILength-Inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将ILength-Inter的灰度值一一赋值于包围盒IBound对应的体素，即在包围盒IBound上得到了包含穿刺路径穿刺深度的灰度约束图ILength-const，效果如图3所示；
(5)构建包含备选穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；该步骤具体包括：
(5.1)将分割所得的肝脏结构进行三角形面绘制，将肝脏表面细分成若干三角形区域；
(5.2)将IBound每一体素视作一个备选进针点，则包围盒IBound每一体素与肿瘤靶点T的连线即视作备选穿刺路径；逐一计算上述备选穿刺路径与肝脏三角形面绘制结果相交处的三角形区域编号i；
(5.3)计算相交三角形区域i的面法向量ni＝(n1,n2,n3)，其中n1、n2、n3表示法向量的三维分量；计算对应备选穿刺路径的方向向量
Figure BDA0002003540040000091
其中，
Figure BDA0002003540040000092
表示IBound上代表备选穿刺路径的进针点坐标；
(5.4)计算法向量ni与对应备选穿刺路径的方向向量vi的夹角θnor＝arccos(ni·vi/||ni‖‖vi||)，则备选穿刺路径与肝包膜的夹角为
Figure BDA0002003540040000093
效果如图4所示；
(5.5)将备选路径与肝包膜的实际夹角作为灰度值，赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；
(6)根据临床强约束条件，在灰度约束图上筛选可行进针区域；该步骤具体包括：
(6.1)考虑穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；本方法对灰度约束图IRisk-const按阈值TRisk进行筛选，将灰度低于阈值TRisk处的灰度值赋零，得到图像IRisk-hard；即将距腹腔关键解剖结构距离小于2mm的备选穿刺路径予以删除；
(6.2)考虑穿刺路径应严格小于消融针的长度；本方法对灰度约束图ILength-const按阈值TLength进行筛选，将灰度高于阈值TLength处的灰度值赋零，得到图像ILength-hard；阈值TLength优选为15mm，即将超过消融针长度的备选穿刺路径予以删除；
(6.3)考虑穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；本方法对灰度约束图IAngle-const按阈值TAngle进行筛选，将灰度低于阈值TAngle处的灰度值赋零，得到图像IAngle-hard；即将与肝包膜夹角小于20°的备选穿刺路径予以删除；基于涉及的临床强约束条件，在包围盒IBound上筛选可行进针区域的平面示意图参见图5；
(7)根据临床弱约束条件，在可行进针区域内优选最佳的穿刺路径；方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远；(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅；(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直；该步骤具体包括：
(7.1)对图像IRisk-hard进行灰度值归一化处理，得到图像IRisk-norm；归一化函数为Ri＝(di-dmin)/(dmax-dmin)，其中di为第i条备选穿刺路径对应在图像IRisk-hard上的距离灰度值，dmin与dmax对应图像IRisk-hard的灰度极小值和极大值；
(7.2)对图像ILength-hard进行灰度值归一化处理，得到图像ILength-norm；归一化函数为Li＝1-(li-lmin)/(lmax-lmin)，其中li为第i条备选穿刺路径对应在图像ILength-hard上的深度灰度值，lmin与lmax对应图像ILength-hard的灰度极小值和极大值；
(7.3)对图像IAngle-hard进行灰度值归一化处理，得到图像IAngle-norm；归一化函数为Ai＝(αi-αmin)/(αmax-αmin)，其中αi为第i条备选穿刺路径对应在图像IAngle-hard上的角度灰度值，αmin与αmax对应图像IAngle-hard的灰度极小值和极大值；
(7.4)将图像IRisk-norm、ILength-norm和IAngle-norm进行加权整合，得到图像Iweight；加权函数为Gi＝(λ1·Ri)·(λ2·Li)·(λ3·Ai)，其中，λ1，λ2，λ3是权重因子，本方法优选为λ1＝λ2＝λ3＝1/3；
(7.5)图像Iweight的灰度极大值点即对应最优进针点，其坐标与肿瘤靶点T的对应连线即为本方法最终规划的穿刺路径P*，效果如图6所示。

Claims (6)

1.CT引导肝肿瘤热消融治疗穿刺路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1.基于患者扫描的CT序列图像，利用图像分割算法提取患者皮肤、肝肿瘤、肝脏和腹腔关键解剖结构，腹腔关键解剖结构包括大血管、骨骼、肺、胃、肾、脾、胆囊，并对上述关键解剖结构进行三维重构，得到重构场景图像ISence；
1.2.依据临床强约束条件，量化穿刺路径规划过程中所需的参数；参数包括肿瘤靶点的空间坐标，备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离信息和备选穿刺路径的穿刺深度信息；方法涉及的临床强约束条件包括：(1)穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；(2)穿刺路径应严格小于消融针的长度；(3)穿刺路径应至少介入肝脏5mm；(4)穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；
1.3.构建包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const；
1.4.构建包含穿刺路径穿刺深度信息的灰度约束图ILength-const；
1.5.构建包含备选穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const；
1.6.根据临床强约束条件，在灰度约束图上筛选可行进针区域；
1.7.根据临床弱约束条件，在可行进针区域内优选最佳的穿刺路径；方法涉及的临床弱约束条件包括(1)穿刺路径距腹腔关键解剖结构尽可能远；(2)在保证至少介入肝脏实质5mm的前提下，穿刺路径深度尽可能浅；(3)穿刺路径与肝包膜的夹角尽可能垂直。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.2具体包括如下步骤：
2.1.计算肿瘤质心的空间坐标，作为穿刺靶点；
2.2.考虑穿刺路径应至少介入肝脏5mm这项强约束条件，需在场景ISence中附加标注不满足这项约束的备选进针区域；首先对分割所得的肝肿瘤图像ITumor进行三维膨胀运算，得到图像ITumor-dilate，再与分割所得的肝脏图像ILiver进行比较，ITumor-dilate超出ILiver轮廓的区域视作不可行进针区域INo-fly，最后将INo-fly的三维重构结果补充在场景ISence当中；
2.3.量化备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构的距离；首先对ISence图像进行欧式距离映射DTF，即求取图像中每一体素到腹腔关键解剖结构的欧几里得距离；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径相对于腹腔关键解剖结构的欧式距离映射灰度图IRisk-DTF；最后对IRisk-DTF执行最小密度投影MinIP体绘制，得到包含备选穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的三维体绘制结果IRisk-MinIP；
2.4.量化备选穿刺路径的穿刺深度；首先在分割所得的患者皮肤图像ISkin内，基于肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)进行欧式距离映射，即求取图像ISkin掩模内每一体素到肿瘤靶点的欧几里得距离；其中tx、ty、tz分别表示肿瘤靶点的三维坐标；再将实际的欧式距离值作为灰度值构建出备选穿刺路径的穿刺深度灰度图ILength-DTF；再对ILength-DTF执行最大密度投影MIP体绘制，得到反映备选穿刺路径穿刺深度信息的三维体绘制结果ILength-MIP。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.3具体包括如下步骤：
3.1.构造患者CT图像的包围盒IBound，并对构成IBound的每一面赋以不同颜色以示区分；不同颜色为彩色不含黑色和白色；
3.2.自适应计算立方体映射所需的视角参数；以肿瘤靶点T＝(tx,ty,tz)为映射中心，分别沿x轴、y轴和z轴的正负方向计算能够容纳IBound对应表面所需的最小视角；
3.3.基于IRisk-MinIP和IBound分别进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对IRisk-MinIP和IBound分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角由步骤3.2自适应获取；如此，在6个方向上获得了基于IRisk-MinIP的二维透视投影I'Risk-proj和基于IBound的二维透视投影IBound-proj；
3.4.按IBound-proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Risk-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Risk-proj的校正结果IRisk-proj；
3.5.按IBound6个方向表面的实际尺寸，分别对IRisk-proj进行插值运算，得到结果IRisk-inter；
3.6.将6个方向的插值运算结果IRisk-inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将IRisk-inter的灰度值一一赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径距腹腔关键解剖结构距离信息的灰度约束图IRisk-const。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.4具体包括如下步骤：
4.1.基于ILength-MIP进行立方体映射；以肿瘤靶点T为映射中心，对ILength-MIP分别向x轴、y轴和z轴的正负方向进行透视投影，每个投影方向的视角沿用步骤3.2的自适应计算结果；如此，在6个方向上获得了基于ILength-MIP的二维透视投影I'Length-proj；
4.2.按IBound-Proj的有效区域，即投影中的彩色区域分别对相应的I'Length-proj进行裁剪，去除透视投影中的重叠区域，得到I'Length-proj的校正结果ILength-proj；
4.3.按IBound 6个方向表面的实际尺寸，分别对ILength-proj进行插值运算，得到结果ILength-Inter；
4.4.将6个方向的插值运算结果ILength-Inter按照包围盒IBound各个表面的空间坐标建立一一映射的关系，并将ILength-Inter的灰度值一一赋值于包围盒IBound对应的体素，即在包围盒IBound上得到了包含穿刺路径穿刺深度的灰度约束图ILength-const。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.5具体包括如下步骤：
5.1.将分割所得的肝脏结构进行三角形面绘制，将肝脏表面细分成若干三角形区域；
5.2.将IBound每一体素视作一个备选进针点，则包围盒IBound每一体素与肿瘤靶点T的连线即视作备选穿刺路径；逐一计算上述备选穿刺路径与肝脏三角形面绘制结果相交处的三角形区域编号i；
5.3.计算相交三角形区域i的面法向量ni＝(n1,n2,n3)，其中n1、n2、n3表示法向量的三维分量；计算对应备选穿刺路径的方向向量
Figure FDA0002940128450000031
其中，
Figure FDA0002940128450000032
Figure FDA0002940128450000033
表示IBound上代表备选穿刺路径的进针点坐标；
5.4.计算备选穿刺路径与肝包膜的夹角；
5.5.将备选路径与肝包膜的实际夹角作为灰度值，赋值于IBound对应的体素，即在IBound上得到了包含穿刺路径与肝包膜夹角信息的灰度约束图IAngle-const。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1.6具体包括如下步骤：
6.1.考虑穿刺路径应规避腹腔关键解剖结构；对灰度约束图IRisk-const按阈值TRisk进行筛选，将灰度低于阈值TRisk处的灰度值赋零，得到图像IRisk-hard；即将距腹腔关键解剖结构距离小于2mm的备选穿刺路径予以删除；
6.2.考虑穿刺路径应严格小于消融针的长度；对灰度约束图ILength-const按阈值TLength进行筛选，将灰度高于阈值TLength处的灰度值赋零，得到图像ILength-hard；阈值TLength为15mm，即将超过消融针长度的备选穿刺路径予以删除；
6.3.考虑穿刺路径与肝包膜夹角应至少大于20°；对灰度约束图IAngle-const按阈值TAngle进行筛选，将灰度低于阈值TAngle处的灰度值赋零，得到图像IAngle-hard；即将与肝包膜夹角小于20°的备选穿刺路径予以删除。
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