计算机辅助肿瘤治疗技术复件

计算机辅助肿瘤治疗技术复件第1页，课件共76页，创作于2023年2月大纲8主要成果7结论与展望3基于图割切的医学影像快速三维分割2基于GPU的医学影像快速三维可视化1绪论5呼吸条件下胸腹腔介入手术导航4基于热场模拟的微波消融手术规划6导航系统及临床实验第2页，课件共76页，创作于2023年2月1绪论研究背景:肿瘤治疗新技术癌症对人类健康的危害日益严重癌症发病率与死亡率在全世界范围内迅速增长我国每年大约有22万人死于肝癌，60万人死于肺癌。通过医学影像及计算机技术辅助肿瘤治疗，可以提高治疗效果第3页，课件共76页，创作于2023年2月在19世纪以前,人们对病灶的了解和治疗都是通过直接解剖来进行的,即常规的开放式手术。在开放式手术中，医生可以直接观察和感觉人体内部的解剖结构，从而治疗原本不可见的病灶。1绪论开放式手术第4页，课件共76页，创作于2023年2月随着外科手术治疗的发展，手术操作越来越复杂。为了降低手术的并发症，提高手术疗效，人们开始寻找能够部分开放、甚至不开放的外科方法。1905年Clarke和Horsley将立体定向器械引入神经外科。从而出现了介入治疗这一技术。立体定向器械1绪论第5页，课件共76页，创作于2023年2月1895年伦琴发现X射线促进了外科治疗的一次跨越式发展。人们开始能够从体外观察到体内的影像，从而可以在手术之前进行有效的诊断，提高医生对手术的判断能力。伦琴发现X射线1绪论第6页，课件共76页，创作于2023年2月1971年CT机出现后，现代医学影像迅速发展,CT、超声、MRI为检查人体内部解剖结构提供了更加精确的影像数据。现代医学影像1绪论第7页，课件共76页，创作于2023年2月影像超声CTMRIX线腔镜、内镜治疗肿瘤消融神经外科立体定向骨科导航腔镜微创治疗介入放射20世纪70年代后期计算机及信息技术的飞速发展，以及80年代后期微创理念的出现，大大促进了医学图像技术在外科手术中的应用。现代影像技术与外科治疗技术的结合产生了影像引导治疗技术。影像引导治疗技术1绪论第8页，课件共76页，创作于2023年2月国内外研究1绪论国内外研究人员将三维影像技术、图像融合技术、导航技术、机器人技术等应用于影像引导肿瘤消融治疗，目前已成为的研究热点之一。第9页，课件共76页，创作于2023年2月术前科学规划术中精确定位术后准确评估计算机辅助肿瘤治疗目前的主要问题1绪论第10页，课件共76页，创作于2023年2月困难的解决方法：通过计算机辅助手术术中导航手术中的GPS计算机辅助手术CAS

新兴的交叉学科1绪论术前规划合理制定方案术后评估全面评价手术第11页，课件共76页，创作于2023年2月计算机辅助手术技术的优点实时重构病灶，并显示术野周围的结构特征术前手术规划设计选择最合适的手术路径可显示手术路径上可能遇到的组织结构可显示重要的应回避的组织结构，比如血管、神经和骨骼等可显示病灶的需要治疗的范围术中精准定位导航可实时精确计算出手术器械的位置姿态并加以显示可显示手术器械与肿瘤的空间位置关系，并指示手术器械前进的方向可术中实时调整手术入路，从而更加精确地达到肿瘤部位1绪论第12页，课件共76页，创作于2023年2月当前手术导航的局限性目前导航系统主要针对于两类刚性组织手术神经外科导航骨科手术导航胸腹腔肿瘤介入手术导航？需要解决的问题如何解决导航平台的实时计算问题？如何快速识别相关病灶？如何融合多种图像信息对手术加以计划如何降低胸腹腔运动对导航精度的影响？1绪论第13页，课件共76页，创作于2023年2月两方面共四项核心关键技术1绪论第14页，课件共76页，创作于2023年2月大纲8主要成果7结论与展望3基于图割切的医学影像快速三维分割2基于GPU的医学影像快速三维可视化1绪论5呼吸条件下胸腹腔介入手术导航4基于热场模拟的微波消融手术规划6导航系统及临床实验第15页，课件共76页，创作于2023年2月2医学影像快速可视化不必构造几何模型，直接利用原始三维数据的重采样和图像合成技术绘制出整个数据场的图像，重点需要解决渲染过程中计算效率问题。医学影像的可视化第16页，课件共76页，创作于2023年2月2医学影像快速可视化光线投射法原理通过模拟光线在半透明物体内部的传播特性而获得由虚拟摄像头生成的图像的可视化方法。其本质是模拟光线与导光介质之间的相互关系，可以沿着光线传播的方向求解积分来获得可视化结果其中s=s0是光线开始计算的起点，而s=D是结束光线计算的终点；I0表示光线在s=s0处进入介质时的初始光强；而I(D)表示光线离开介质到达摄像头的最终光强。光线积分优点：真实感强，不需要任何人机交互处理，直接通过映射函数稳定获得渲染结果缺点：渲染效率较低，针对CT值区分不强的软组织（如肝脏）无法显示第17页，课件共76页，创作于2023年2月2医学影像快速可视化光线积分数值求解求解光线积分时，将光线传输路径平均划分成n个宽度为x=(D−s0)=n的区间，光线在点si处的强度令最终可以表示为第18页，课件共76页，创作于2023年2月2医学影像快速可视化光照效果计算（反射）光照的计算能够在渲染效果上提高体绘制渲染的真实感Blinn-Phong光照模型其中，法向量计算可以通过体数据场的梯度计算第19页，课件共76页，创作于2023年2月2医学影像快速可视化基于GPU的算法实现通过有效利用GPU并行计算能力来提高传统可视化算法计算速度和显示效果，为高分辨率三维场景中的实时渲染和人机交互操作提供了可能，进而显著减少手术规划所需时间，提高手术导航的效率。GPU具有更多的用于计算的晶体管，可完成较大规模的计算GPU计算速度的提升以及GPU硬件规模的改进远大于CPU的增长速度GPU硬件在内存带宽上也有着较大的优势，而可视化计算中常见的双线性差值和三线性差值都可以基于纹理数据用硬件实现；从编程模型上而言，GPU的编程方式完全是针对并行计算进行设计的在计算结果的显示上，GPU的实现相对于CPU的实现而言更加直接。第20页，课件共76页，创作于2023年2月2医学影像快速可视化实验效果硬件平台：NVIDIAGeForce470显卡GPU含448个内核，频率1.2G1280MGDDR5显存，频率1.6G渲染效率512x512x300

CT30帧/每秒512x512x176

MRI40帧/每秒第21页，课件共76页，创作于2023年2月大纲8主要成果7结论与展望3基于图割切的医学影像快速三维分割2基于GPU的医学影像快速三维可视化1绪论5呼吸条件下胸腹腔介入手术导航4基于热场模拟的微波消融手术规划6导航系统及临床实验第22页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割医学影像的三维分割问题目标设计一种快速准确的三维分割算法，分割病变器官意义确定病变器官的位置与形状手术的规划与导航步骤的基础难点三维医学图像数据量大处理时间长、存储空间大第23页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割两类图像分割算法基于区域信息的方法利用区域内特征的相似性阈值法、区域增长法、分水岭法、分类器和聚类法、马尔科夫随机场法缺点：难以确认灰度差异不大的脏器之间的边界，也易发生分割泄露和过度分割基于边界信息的方法利用区域边缘图像特征变化的不连续性括边缘检测法、水平集法、曲面拟合法、边界曲线拟合法、边界查找法、动态形状模型法第24页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割图割切方法综合了区域和边界两方面的信息，为图像分割中的区域信息和边界信息进行统一建模，并利用全局最优化方法建立基于能量函数的统一图像分割框架并进行综合求解。将图像分割转化为有权图的最小割切/最大流计算优点：分割精度高，且适于三维分割缺点：最大流算法复杂度O(n3)第25页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割通过CUDA加速解决计算效率问题GPU计算性能远远超过CPUGTX5954.74TFlops性能增长幅度更快GPU设备价格相对低廉可以通过基于CUDA的并行算法来解决计算效率的问题GTX260提升约10-15倍，3分->12秒GTX470提升约25-30倍，3分->6秒GTX595提升约70-90倍，3分->2秒第26页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割三维网络流图的构建方法图割切算法将三维体数据像素构造为网络流图中的节点，并在网络流图中求解最大流最小割切进行分割边界信息的表示：用有权边将相邻节点相连接权值反映原始影像中的边界信息，相邻的两个体素的差值越大，则令这两个体素转化的节点间连边的权值越小区域信息的表示：额外添加两个特殊端点（起始端点s和终止端点t），将所有节点用有权图分别与两个端点相连，该权值反映输入图像中的。第27页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割三维网络流图的存储结构所有边的权值信息存储于多个三维数组中根据节点的三维坐标快速访问邻接边的信息结构紧凑，不存在重复存储的情况比现有的并行化图切割算法的设计节省了3/8的存储空间第28页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割三维网络流图的能量函数R(X)代表与图像区域信息相关的数值能量，它可以看做是连接两个端点和所有体素节点的各边的权值之和B(X)代表与图像边界性质相关联的能量，它可以看做是分割结果中位于分割边界上的相邻体素节点间连边的权值之和而系数则用于衡量R(X)和B(X)二者的相对重要性第29页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割三维网络流图的权值设计边权值的设计决定了算法的分割精度区域项：反映分割目标的直方图分布边界项：反映相邻节点体素值的差值通过反复实验的结果调整权值设计根据分割结果修正器官的直方图作为后续分割的先验信息根据不同器官的内部和边界情况调整区域项和边界项的相对比重最大流对应的最小割切中包含的边将构成最终的分割边界第30页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割基于CUDA的并行化最大流算法通过最大流算法的并行化来提高算法的处理速度计算最大流的Push-Relabel算法由两类基本操作Push和Relabel构成每次基本操作只针对单一像素及其邻接点相对于Path-Augment类算法更适于并行化加速基于CUDA的Push-Relabel算法为有权图的每个节点关联一个CUDA线程将Push和Relabel改进为并行化的操作多个节点同时进行相同的操作以提高运算效率第31页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割算法总体流程第32页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割实验结果：二维交互第33页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割实验结果：肺部分割第34页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割实验结果：肝脏分割第35页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割实验结果：肝脏分割算法性能性能提升25-30倍第36页，课件共76页，创作于2023年2月3医学影像快速三维分割实验结果：肺部分割算法性能提升23-30倍第37页，课件共76页，创作于2023年2月大纲8主要成果7结论与展望3基于图割切的医学影像快速三维分割2基于GPU的医学影像快速三维可视化1绪论5呼吸条件下胸腹腔介入手术导航4基于热场模拟的微波消融手术规划6导航系统及临床实验第38页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划计算机辅助手术规划传统手术计划计算机辅助规划手术方案病人信息影像资料个人经验治疗模型病人信息影像资料专家经验手术方案表达交流制定修改第39页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划微波消融手术规划的主要内容：，微波热场模拟（能量场，温度场，损伤场）手术效果计算第40页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划手术规划总体流程第41页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划步骤一：微波能量场计算单位时间单位体积生物组织吸收的微波能量分布，在柱状坐标系内定义第42页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划步骤二：微波温度场计算微波能量被人体组织吸收后将以热量的形式在组织内传输，主要有组织内的热传导和血液流动产生的热对流两种基本方式。可以用Pennes生物热传导方程来进行计算第43页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划步骤三：组织损伤场计算组织热损伤区域是计算和评估肿瘤微波消融手术效果的重要标准，在热损伤区域内肿瘤细胞可出现大量的坏死和凋亡。热损伤程度可由Arrhenius方程计算第44页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划手术规划算法流程第45页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划手术规划人机交互界面第46页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划离体实验第47页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划临床试验中的手术规划结果(a)术前CT (b)手术计划(c)术后CT第48页，课件共76页，创作于2023年2月4热场模拟与手术规划一种微波消融手术规划方法，使主观经验术前准备工作转化为规范化的精准模拟计算，从而降低了手术执行难度将生物传热学方程应用于手术模拟，将传统的经验方法系统改变为系统的热场模拟计算微波能量场的三维模拟基于Penns方程的温度场三维模拟基于Arrhenius方程的损伤场计算通过三维可视化技术完善了手术规划的交互问题，改善了手术计划系统的可用性综合术前模拟和术后评估，并将手术评估的结果进一步应用于未来的手术规划计算之中第49页，课件共76页，创作于2023年2月大纲8主要成果7结论与展望3基于图割切的医学影像快速三维分割2基于GPU的医学影像快速三维可视化1绪论5呼吸条件下胸腹腔介入手术导航4基于热场模拟的微波消融手术规划6导航系统及临床实验第50页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航常规手术与导航手术的区别强调精确术中实时定位常规影像引导计算机辅助导航手术方案病灶影像消融针定位导航手术方案治疗模型实时影像交互穿刺针跟踪患者定位第51页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航导航手术原理第52页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航胸腹腔手术导航问题与难点2－4cm第53页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航通过综合方法提高手术精度1术中定位2影像融合3呼吸门控4动态规划通过光学定位技术实时获得手术器械坐标并实时引导术中超声影像实时与CT影像进行对比，提供实时反馈监控呼吸状态和人体位姿，配合穿刺步骤，提高精度分析肿瘤随呼吸运动的轨迹，相应规划路线第54页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航术中定位机械定位超声定位光学定位（本系统）电磁定位第55页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航术中定位导航参数显示（与手术规划路径匹配显示）第56页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航实时超声CT影像融合开环控制闭环控制第57页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航呼吸门控体外形变控制体内形变控制第58页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航动态规划分析肿瘤随呼吸运动的状态变化按照运动方向设计路径，可以减少误差率第59页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航实验设计实验设计中使用三个不同的位置作为穿刺的目标点，针对这些目标点按照5厘米的深度按照10，30和60三种不同的进针角度设计了多条手术规划穿刺路径。由2名三年以上介入操作经验的医生和2名无介入经验者操作，每个操作者分别使用导航参数界面与实际空间不一致的导航系统和无导航参数界面的导航系统各穿刺9次，共穿刺72次。获得结果与上一实验中使用的导航参数界面与实际空间一致的导航系统结果相对比。穿刺过程寻找入针点，并记录操作时间和误差调整入针角度，并记录操作时间和误差调整入针深度，并记录操作时间和误差第60页，课件共76页，创作于2023年2月5胸腹腔介入手术导航入针点误差入针角度误差目标点误差目标角度误差松开后目标误差松开后目标角度误差第61页，课件共76页，创作于2023年2月大纲8主要成果7结论与展望3基于图割切的医学影像快速三维分割2基于GPU的医学影像快速三维可视化1绪