基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法

1.本发明涉及一种医疗器械技术领域，具体涉及一种基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法。


背景技术：

2.肿瘤不可逆电穿孔消融技术是利用脉宽微秒级别、场强数千伏每厘米的高压超短脉冲电场可对细胞膜造成不可逆性损伤的机理，实现对肿瘤细胞杀死，是近年出现的新型物理肿瘤消融技术。该技术治疗过程中无热损伤，对血管、神经和细胞外基质的损伤显著低于肿瘤细胞，随着研究的深入，目前高压电脉冲消融技术在临床的应用也不断拓展，已用于多种肿瘤的微创治疗。
3.高压电脉冲消融技术的临床应用前景广阔，但临床应用中仍存在一定缺陷：即，在目前不可逆电穿孔肿瘤消融治疗的临床应用中治疗剂量(脉冲参数、持续时间等)通常由医生凭经验判断，容易出现过量治疗(伤害正常组织)或欠治疗(消融不完全)。导致此现状的主要原因是目前不可逆电穿孔肿瘤消融治疗技术针对个体化治疗的术前规划方案尚不完善，即消融模型不够精确。电脉冲肿瘤消融治疗的本质是将高压脉冲电场作用于肿瘤区域，通过一定场强的高压电场致使肿瘤细胞发生不可逆破损，为达到理想的消融效果目前国内外研究者多通过构建患者术前电脉冲消融模型实现消融过程和消融效果的模拟，这对电脉冲肿瘤消融治疗的精准性起到了积极的作用。电脉冲消融术前模型构建的关键要素之一就是组织介电参数及其分布特性的设置，现有模型中器官组织的介电特性参数数据多来源于文献报道(部分参数来源于失活组织介电特性测量数据)，且在肿瘤组织介电特性参数分布上多采用均匀分布参数设置。但器官组织介电特性的真实分布是，器官组织通常会因分类不同使其介电特性参数也存在差异，如同一器官不同性质肿瘤，其肿瘤组织的介电特性不同，同一肿瘤的不同部位其介电特性也有所差异。由此可见，现有电脉冲消融术前模型不能体现患者器官组织介电特性非均匀分布的个体化特征，在电脉冲消融术前规划的应用中仿真精度不够高，电脉冲参数输出不够精准，因此需进一步优化电脉冲消融术前模型的建模方法，以提升电脉冲消融术前规划的精准性。


技术实现要素：

4.针对电脉冲消融术前规划应用中器官组织消融模型仿真精度不高的技术问题，本发明的目的在于，提供一种基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法，该方法在构建具有群体性特征的器官组织消融模型基础上，利用患者在体组织阻抗测量参数对模型中消融电极间组织阻抗分布进行优化，形成具有组织电阻抗特性非均匀分布的个体化消融模型，提升消融模型的精准度，同时基于该优化模型可以重新修正消融电脉冲参数，可以提升电脉冲消融术前规划的仿真精度。
5.为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：
6.一种基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法，其特征在于，在构建具有群体性特征的基础模型后，进一步对消融区组织介电特性参数进行非均匀重构，从而得到优化模型，具体包括以下步骤：
7.步骤一，首先提取患者的病例信息特征，基于此特征构建具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型，并获得消融电脉冲参数初值及消融区电极布针方案；
8.步骤二，根据消融区电极布针方案，在消融区进行电极布针，经阻抗测量反馈模块获取布针电极组之间阻抗测量数据，并进行在体组织介电特性参数求解；
9.步骤三，利用患者在体组织介电特性参数数据，对步骤一建立的具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型进行介电特性参数非均匀重构，形成具有患者在体组织阻抗非均匀分布特征的器官电脉冲消融个体化模型。基于该模型脉冲源对消融电脉冲参数进行优化。
10.根据本发明，步骤一所述的提取患者的病例信息特征，基于此特征构建具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型，以获得消融电脉冲参数及消融区电极布针方案的实施方法是：
11.(1)患者病例信息特征提取
12.提取患者的病例信息特征主要包括：消融器官及病变肿瘤的影像学、组织学信息；
13.(2)三维重建消融器官形态学模型
14.基于患者消融器官影像学数据，利用三维重建技术建立消融器官三维模型，模型应包含器官主要组织区域。
15.所述的消融器官主要组织区域至少包括正常组织区域、肿瘤组织区域、肿瘤边缘组织区域；
16.(3)活性生物组织介电特性参数赋值
17.根据患者病例消融器官及病变肿瘤的组织学分类分型特征，调用活性组织介电特性数据库数据参数对消融器官组织形态学模型赋值，形成具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型；
18.所述的活性组织介电特性数据库由采用活性组织介电特性测量方法获取的组织介电特性参数构成，并随病例数增加不断丰富数据库数据；组织介电特性参数是经多样本测量后的统计计算结果，体现不同年龄段及不同分类组织的群体性特征。
19.所述的介电特性参数包括器官正常组织区域介电特性参数、肿瘤区组织介电特性参数、肿瘤边缘区组织介电特性参数。
20.(4)消融电极分布参数求解
21.基于器官电脉冲消融基础模型，根据电脉冲消融电场设置原理，结合电磁场仿真分析方法，建立器官电脉冲消融仿真模拟，并根据肿瘤最大截面面积、肿瘤组织消融阈值参数，形成消融电脉冲参数初值和消融区电极布针方案参数；同时对消融电极针对之间有效消融电场区域进行边界标注；
22.所述的布针方案参数指消融电极针在病变区的位置信息。
23.具体地，步骤二所述的根据消融区电极布针方案，在患者器官消融区进行电极布针，经阻抗测量反馈模块获取布针电极对之间阻抗测量数据，并进行在体组织介电特性参数求解的实施方法是：
24.(1)消融电极对之间组织阻抗在体测量
25.阻抗测量反馈模块采用多频电流激励-电压测量模式对消融电极针间组织进行在体电阻抗测量，获取组织电阻抗参数；
26.(2)消融电极针组间组织介电特性参数优化求解
27.根据消融电极针间组织在体电阻抗参数数据，将步骤一所标注的消融电极针组间有效消融电场区域作为组织介电特性参数优化区，结合有限元仿真及逆问题优化求解算法，获取消融电极针组间组织在体介电特性参数。
28.进一步地，步骤三利用患者在体组织介电特性参数数据，对步骤一建立的具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型进行介电特性参数非均匀重构，形成具有患者在体组织阻抗分布特征的器官组织电脉冲消融个体化模型的实施方法是：
29.(1)对步骤一所建立的器官电脉冲消融基础模型中消融区域进行组织介电特性参数非均匀重构；
30.所述的组织介电特性参数进行非均匀重构，即将步骤二中获取的患者消融区电极针组间组织在体介电特性参数按照设定规则替代原模型对应区域组织介电特性参数；
31.(2)基于新模型进行消融电脉冲参数优化。
32.本发明的基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法，和现有技术相比带来的技术创新在于：模型中组织介电特性参数基于患者器官病变消融区活性组织在体电阻抗测量数据获得，模型消融区组织介电参数呈非均匀分布，具备个体化特征，模型精度高，可实现对消融电脉冲参数的优化输出，利于建立精准的术前手术规划方案。
附图说明
33.图1是本发明的基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法框图；
34.图2是个体化器官消融模型建模流程图；
35.图3是器官组织三维建模及组织区域划分；
36.图4是消融电极针分布图；
37.图5是消融针组间在体组织介电参数求解流程图；
38.图6是模型中消融针组间组织介电参数非均匀重构示意图
39.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
40.如前所述，现有电脉冲消融术前模型在进行消融区组织介电特性参数设置时多为均匀分布，不能体现组织介电特性真实非均匀分布的个体化特征，因此在电脉冲消融术前规划的应用中存在仿真精度不够高，消融电脉冲参数设置不精确等问题。对此，本发明提供一种基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法。该方法的设计思路是，首先根据患者的病变特征构建具有群体性特征的器官组织消融基础模型，进一步利用患者在体组织阻抗测量参数对基础模型中消融电极对间区域组织阻抗分布参数进行非均匀优化重构，形成具有在体组织电阻抗特性分布的个体化器官组织消融模型，基于该
优化模型可以重新修正消融电脉冲参数，可以提升电脉冲消融术前规划的仿真精度。
41.参见图1，本实施例给出一种基于活性组织电阻抗信息非均匀重构的电脉冲消融模型精度优化方法，具体分以下三个步骤实施，流程图如图2所示。步骤一，首先提取患者的病例信息特征，基于此特征构建具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型，并获得消融电脉冲参数初值及消融区电极布针方案。
42.在本实施例中，以前列腺肿瘤患者为例，对步骤一的具体实现方法进行说明，具体分为以下实施步骤：
43.(1)患者病例信息特征提取
44.提取患者的病例信息特征主要包括：消融器官及病变肿瘤的影像学、组织学信息；本实施例为一个前列腺肿瘤患者，其影像学资料为患者mri图像，肿瘤为恶性肿瘤。
45.(2)三维重建消融器官形态学模型
46.基于患者消融器官影像学数据，利用三维重建技术建立消融器官三维模型，模型应包含器官主要组织区域，主要组织区域应至少包括器官正常组织区域、肿瘤组织区域、肿瘤边缘组织区域。
47.如图3所示，本实施例在进行前列腺器官形态学建模时，首先对患者的前列腺器官mri序列扫描图像进行图像处理，借助三维逆向cad软件geomagic、三维cad设计软件solidworks等实现器官实体模型建模。根据肿瘤包块生长特性对器官进行区域划分，主要组织区域包括正常组织区域、肿瘤边缘组织区域、肿瘤组织区域。
48.(3)根据患者病例消融器官及病变肿瘤的组织学分类分型特征，调用活性组织介电特性数据库数据参数对消融器官组织形态学模型赋值，形成具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型。
49.本实施例中前列腺器官活性组织介电特性数据库由采用活性组织介电特性测量方法获取的组织介电特性参数构成，并随病例数增加不断丰富数据库数据。组织介电特性参数是多样本测量后的统计计算结果，体现不同年龄不同分类组织的群体性特征。对于本实施例，患者62岁属于前列腺恶性肿瘤t2期，组织介电特性参数包括前列腺正常组织区域介电特性参数、肿瘤区组织介电特性参数、肿瘤边缘区组织介电特性参数。
50.部分参数表如下表1所示：
51.表1：前列腺t2期癌肿瘤及周围组织类型介电特性参数
[0052][0053]
对如图3所示的形态学模型进行有限元剖分，并划分为正常组织区域、癌组织区域、癌周组织区域，根据表1参数进行介电参数赋值，形成具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型。
[0054]
(4)消融电极分布参数求解
[0055]
基于器官电脉冲消融基础模型，根据电脉冲消融电场设置原理，结合电磁场仿真分析方法，建立器官电脉冲消融仿真模拟，并根据肿瘤最大截面面积、肿瘤组织消融阈值参数，形成消融电脉冲参数初值和消融区电极布针方案参数。同时对消融电极针对之间有效消融电场区域进行边界标注。其中布针方案参数指消融电极针在病变消融区的位置信息。
[0056]
为了更清晰表示布针位置及电极针组间的有效消融电场区域，采用二维平面图进行说明，如图4所示。本实施例中共采用消融电极针1、电极针2、电极针3、电极针4实施肿瘤区域病变消融，电极针组间形成消融电场。根据前列腺肿瘤组织消融阈值参数，经电磁场仿真计算可以在电极针1、2之间、电极针2、3之间、电极针3、4间获得消融电场区域边界。
[0057]
步骤二，根据消融区电极布针方案，在消融区进行电极布针，经阻抗测量反馈模块获取布针电极组之间阻抗测量数据，并进行在体组织介电特性参数求解。
[0058]
在本实施例中完成步骤一后，按照布针方案对患者病变消融区进行消融电极布针，之后按如下步骤实施：
[0059]
(1)启动阻抗测量反馈模块消融电极对之间组织阻抗在体测量
[0060]
本实施例中阻抗测量反馈模块可以作为电脉冲消融设备的一个模块，其具有生物组织电阻抗测量的功能，本实施例基于电流激励-电压测量模式，采用“二电极法”对消融电极针间组织进行在体电阻抗测量，测量所获得消融电极针组间的组织阻抗值定义为zs。
[0061]
(2)消融电极针组间组织介电特性参数优化求解
[0062]
在获得消融电极针组间组织在体电阻抗数据zs后，本实施例给出一种基于逆问题优化求解的在体组织介电参数(包括组织电导率σ和介电常数ε)求解方法，即，将步骤一所标注的消融电极针组间有效消融电场区域作为组织介电特性参数优化区，如图4所示，根据电磁场分析原理，结合有限元仿真及逆问题优化求解算法，获取消融电极针组间组织在体介电特性参数(包括组织电导率σ和介电常数ε)。具体实现过程如下：
[0063]
(i)有限元模型及计算
[0064]
对消融区域进行有限元剖分，并根据组织电阻抗测量条件(1mhz以下)，结合maxwell方程，可以建立以下方程式：
[0065][0066]
j(ω)＝σe(ω)+jωd(ω)+je(ω)
[0067][0068]
n.j＝0
[0069]
方程式中，qj表示电流源，σ为电导率，ω为频率，je表示外电流密度，v为电压。
[0070]
结合有限元方法可对上述方程式进行求解，进一步利用电流-电压关系，可以求得有限元模型中消融电极针组之间的阻抗zm。
[0071]
(ii)优化求解
[0072]
建立优化求解方程式如下：
[0073]
f(σ，ε)＝||zs|-|zm(σ，ε)||+k|φ
s-φm(σ，ε)|
[0074]
[0075]
式中，f(σ，ε)为对生物组织电导率σ和介电常数ε求解的目标优化函数，k为权重系数，zs表示患者在体测量消融电极针组间的阻抗值，|zs|表示对应的阻抗模值，φs表示对应的阻抗相位角；zm表示有限元模型中消融针组间的阻抗值，|zm|表示对应的模值，φm表示对应的相位角。σ
l
，σu分别表示生物组织电导率σ在优化迭代求解中取值的下限和上限值；ε
l
，εu分别表示生物组织介电常数ε在优化迭代求解中取值的下限和上限值。
[0076]
如图5所示的优化流程，采用优化算法，在本实施例中采用的优化算法为tr信赖域算法，优化函数中权重系数选择为60，在(σ
l
，σu)和(ε
l
，εu)区间内进行参数优选，对初始化参数(σ0，ε0)进行不断迭代修正，当f取值最小时可得到最优解。其中(σ
l
，σu)和(ε
l
，εu)表示患者消融区域处组织介电特性参数可能的范围。为了增加算法的求解速度和算法优化过程的收敛性，(σ
l
，σu)和(ε
l
，εu)的设置可以根据经验值进行设定，该经验值可以来自大样本多患者数据的采集。
[0077]
本实施例给出的是针对前列腺肿瘤的组织高压电脉冲消融，其中(σ
l
,σu)和(ε
l
,εu)的取值可以参照下表进行：
[0078][0079]
步骤三，利用患者在体组织介电特性参数数据，对步骤一建立的具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型进行介电特性参数非均匀重构，形成具有患者在体组织阻抗非均匀分布特征的器官电脉冲消融个体化模型。进一步对消融电脉冲参数进行优化。
[0080]
本实施例中，步骤三利用患者在体组织介电特性参数数据，对步骤一建立的具有群体性特征的器官电脉冲消融基础模型进行介电特性参数非均匀重构，形成具有患者在体组织阻抗分布特征的器官组织电脉冲消融个体化模型的实施方法是：
[0081]
(1)对步骤一所建立的器官电脉冲消融基础模型进行组织介电特性参数非均匀重构。
[0082]
即将步骤二中获取的患者消融区电极针组间组织在体介电特性参数按照设定规则替代原模型对应区域组织介电特性参数。为了更清晰的说明，本实施例采用图6对图4中消融电极针1、2之间区域以及消融电极针2、3之间的区域进行进一步说明。
[0083]
如图6所示，对步骤一所标注的消融电极针1、2间和电极针2、3间有效消融电场区域内组织介电特性参数进行重置修正，即利用步骤二中获取的患者消融区电极针组间组织在体介电特性参数替代原模型介电特性参数，从而形成具有组织阻抗非均匀分布特征的器官组织个体化消融模型。
[0084]
进一步地，在步骤一构建的群体特征模型中肿瘤组织区域的介电特性参数为均一性的。在步骤二中，可以分别获得消融电极针1和2之间，及消融电极针2和3之间的在体组织介电特性参数值分别为p
12
＝(σ
12
,ε
12
)和p
23
＝(σ
23
,ε
23
)。由于电极针1、2之间覆盖区域和电
极针2、3之间覆盖区域之间有交叠部分，所以形成s1、s2、s3三个区域，其介电特性参数依次为s1设为p
12
，s3设为p
12
，s2可设为p
12
和p
23
的均值，从而将肿瘤组织区域的介电特性参数按照在体组织介电特性参数实际值进行了非均匀设置，从而形成具有组织阻抗非均匀分布特征的器官组织个体化消融模型。
[0085]
消融电极针2、3间和电极针3、4间有效消融电场区域内组织介电特性参数重置修正的方法同上，不再进行一一赘述。
[0086]
(2)基于新模型进行消融电脉冲参数优化
[0087]
进一步地，基于步骤(1)所建立的介电特性参数非均匀个体化消融模型，结合电脉冲消融电场设置原理，利用电磁场仿真分析求解方法，根据消融临界电场强度阈值，按照消融区覆盖病变区的法则，确定脉冲源优化脉冲参数。
[0088]
需要说明的是，以上给出的实施例仅为实现本发明较优的示例，仅是方便本领域技术人员充分理解本发明，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加或替换，均应属于本发明技术方案所限定的保护范围。