光影智造—新一代肝癌穿刺手术导航系统

简介

2023年中国肝癌发病率和死亡率位居全球第一，发病和死亡人数均超过40万。目前常使用的肿瘤切除治疗、全身化疗等临床治疗肝癌的方法方式，尽管有一定的疗效，但术后仍具有较高的复发率。 肝癌穿刺手术作为一种新型的肝癌诊断和治疗措施，凭借其安全、灵活、术后恢复快等特点在肝脏外科、介入科及移植科等临床科室获得广泛应用。该手术在医学影像引导下，将穿刺器械植入患者肝内病灶位置，并尽可能避免损伤周围血管结构及重要器官，而后执行微波消融、射频消融和粒子植入等操作，借助热能将肿瘤的供血动静脉进行凝固，进而使得肿瘤因缺血而坏死。然而,当前肝癌穿刺手术仍面临如下问题: （1）“看不见”：手术视野小，肝脏内部结构看不见，术中的影像与术前相比差异大。 （2）“辨不清”：超声影像二维成像，无法获取腹部器官的三维结构，严重依赖医生经验。 （3）“刺不准”：手动穿刺消融，易误伤周围器官，血管和神经。 为了解决人工穿刺的弊端，“医肝”二净团队研发一种基于机器人辅助的肝癌穿刺手术导航系统，该系统包含了脑：软件系统，规划最优穿刺路径，手：机械臂，辅助医生精准执行穿刺手术；眼：定位系统，实时跟踪手术器械，辅助机械臂调整空间姿态。 首先，为了从术前影像中分割重要器官和肝脏肿瘤目标，我们提出一种基于融合注意力和多尺度特征的分割算法SPA-UNet，分割精度相对现有算法提高5%，对肝脏的分割精度高达95%，同时对分割后的图像进行三维重建，实现可视化模型清晰,辅助医生进行手术规划，形成手术方案。其次，为了避免患者呼吸运动及体位变化等干扰，我们通过术中US-术前CT多模态配准实现患者位姿配准，提出了一种基于共性关键特征启发式树搜索的空间配准方法，配准后的图像兼具实时性强和分辨率高的特点。最后，呼吸运动补偿跟随患者呼吸进行变化，机械臂实时校准补偿软组织的位移和形变，确定最佳穿刺时间和最优穿刺路径。