一种组织破碎术跳点治疗规划方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明涉及医学超声治疗，具体而言，涉及一种组织破碎术跳点治疗规划方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、组织破碎术是一种利用高幅值脉冲超声在目标组织内诱导形成空化泡云，并通过空化泡的膨胀、振荡及崩溃作用对组织产生机械性破坏的治疗技术。与主要依靠持续加热产生凝固性坏死的热消融技术不同，组织破碎术主要利用空化机械效应实现目标组织的破碎、液化或均质化，适用于肝脏等实质性器官病灶的无创或微创治疗。

2、在组织破碎术治疗过程中，单次超声聚焦形成的空化云仅能覆盖有限的空间范围。对于体积大于单次空化云作用区域的目标组织，通常需要根据目标组织的三维轮廓、单点空化云尺寸、治疗点间距及治疗点重叠率，在目标组织内部生成多个治疗点，并通过机械移动、电子焦点偏转或者二者结合的方式，将超声焦点依次移动至不同治疗点，以实现对整个目标区域的覆盖。

3、现有治疗规划方法通常以几何覆盖和移动效率为主要依据。常见的规划方式包括按照治疗点的空间坐标依次扫描、逐行扫描、蛇形扫描、逐层扫描、由近及远扫描或者按照机械移动距离最短原则确定治疗顺序。该类方法能够在一定程度上保证治疗区域的覆盖完整性并减少设备运动距离，但其治疗顺序通常主要由治疗点之间的几何关系决定，对不同治疗点的声输出差异、组织介质差异及局部热累积情况考虑不足。

4、虽然组织破碎术主要依靠机械效应产生治疗作用，但治疗超声在皮肤、脂肪、肌肉、肝组织及其他传播介质中传播时，仍会由于组织的声吸收和声衰减产生一定热量。治疗点对应的焦点声压、驱动电压、治疗深度、脉冲重复频率、脉冲周期数、单点治疗时间以及声传播路径中的组织介质不同，其产生的热源强度、温升范围和热量消散速度也可能不同。

5、当多个空间邻近的治疗点连续接受治疗时，前一治疗点产生的热量可能尚未充分扩散和消散，后一治疗点又继续输入声能，由此造成焦点周围组织、相邻治疗区域或者声传播路径上的组织发生热量叠加。即使单个治疗点产生的温升未达到热损伤水平，多个相邻治疗点连续治疗后形成的累计热剂量仍可能升高，增加非预期热效应的风险。

6、为降低热累积，部分治疗方案可在相邻治疗点之间或者完成一定数量治疗点后设置固定冷却时间。然而，不同治疗点的声压、治疗参数、治疗深度和组织传播路径存在差异，其所需冷却时间并不相同。采用统一冷却时间可能导致热负荷较高的治疗区域冷却不足，也可能使热负荷较低的治疗区域等待时间过长，增加整体治疗时长。

7、此外，现有治疗点通常按照生成顺序直接执行，或者仅按照治疗点所属行、列、层及机械移动距离进行排序，未充分利用治疗其他空间分离区域所需的治疗时间和设备移动时间作为自然冷却时间。若能够在一个局部区域冷却期间，将超声焦点跳转至热影响较小的其他区域继续治疗，则可在不额外增加或少量增加等待时间的情况下，为已治疗区域提供冷却间隔。

8、现有技术中，治疗点一般作为彼此独立的最小规划对象，或者按照几何层、几何行进行整体排序，缺少一种根据单点空化云的空间作用范围，将多个治疗点组合为局部治疗组，并进一步评价不同治疗组之间热影响关系的规划方法。由于未建立治疗点组之间的热影响关系，现有规划方法难以根据不同治疗组的预计温升、累计热剂量及冷却需求，对原始治疗点集合进行重新排序。

9、累计等效43℃分钟数cem43可用于将不同温度和不同持续时间下的热暴露折算为等效43℃热剂量。通过结合治疗点的预计焦点声压、组织吸收特性、治疗参数和温度—时间变化，可以对不同治疗顺序下的热累积风险进行预先评价。然而，现有组织破碎术治疗规划通常未将空化云尺度分组、声压估计、热剂量预测及跳点治疗顺序进行结合，也未根据治疗点组之间的预计热影响确定治疗组的执行顺序。

10、因此，有必要提供一种新的组织破碎术治疗规划方案，在治疗开始前生成完整治疗点集合，根据单点空化云的空间作用范围将多个治疗点划分为多个治疗组，进一步根据各治疗点或治疗组的声压、治疗参数、组织介质特性及预计热剂量，计算不同治疗组之间的热影响和冷却需求，并据此对治疗组进行跳点排序，从而在保证目标区域覆盖的同时降低空间邻近区域连续治疗造成的热累积，并兼顾整体治疗效率。

11、以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种组织破碎术跳点治疗规划方法、系统、设备及存储介质，以解决现有技术中组织破碎术治疗规划忽视热累积风险、冷却策略僵化、缺乏局部热耦合评价及排序效率低下等技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种组织破碎术跳点治疗规划方法，包括：

4、s1：获取治疗规划基础数据，所述基础数据至少包括目标组织的三维轮廓、单次空化云空间作用范围、换能器参数及组织热学参数；

5、s2：根据所述目标组织的三维轮廓、单次空化云空间作用范围、治疗点间距、治疗点重叠率及覆盖要求，在所述目标组织内部生成多个候选治疗点，形成原始治疗点集合；

6、s3：根据各治疗点对应的空化云作用范围、治疗点之间的三维空间位置关系及局部热影响关系，将所述原始治疗点集合划分为多个治疗组，其中每个治疗组至少包括两个治疗点；

7、s4：根据各治疗组所包含的治疗点数量、组内热影响关系及设备运动条件，将每个治疗组划分为一个或多个执行单元，每个执行单元包括一个或多个属于同一治疗组的治疗点；

8、s5：针对每个治疗点，根据换能器声场标定信息、治疗点位置、治疗深度、驱动电压、阵元开启状态、相位延时及声传播路径中的组织介质，估计该治疗点对应的焦点声压；

9、s6：根据各治疗点的预计焦点声压或等效声能量，及声传播组织的声吸收特性，建立各治疗点对应的预计热源模型；

10、s7：根据各治疗点、执行单元或治疗组对应的预计热源、组织热学参数、初始温度及治疗时间，计算治疗期间和治疗结束后的预计温度变化，并根据预计温度—时间曲线计算累计等效43℃热剂量；

11、s8：针对任意两个执行单元，计算前一执行单元完成后对后一执行单元产生的热影响，建立热影响矩阵；并根据预设热安全条件，确定从任一执行单元切换至另一执行单元所需满足的最低时间间隔，建立时间间隔矩阵；

12、s9：针对每个治疗组，确定组内各治疗点或执行单元的执行顺序；

13、s10：根据所述热影响矩阵、时间间隔矩阵、各执行单元治疗时间及设备机械移动时间，对治疗组和执行单元进行排序，生成热管理跳点治疗顺序；

14、s11：在治疗开始前建立虚拟治疗时间轴，并得到完整的预设跳点治疗计划。

15、可选地，在s3中，可以采用如下一项或多项条件对原始治疗点集合进行治疗组划分：

16、治疗点之间的空间距离小于预设距离阈值；

17、单点空化云作用区域之间的重叠率大于预设重叠阈值；

18、多个空化云联合形成的局部覆盖区域连通；

19、治疗点对应热影响区域之间的重叠程度大于预设热重叠阈值；

20、治疗点之间的机械移动连续性满足预设路径约束；

21、基于空间聚类算法或图划分算法的计算结果。

22、可选地，在s3中，对于目标组织边界处未能按照预设数量形成治疗组的剩余治疗点，将其并入与其空间距离、空化云覆盖关系或热影响关系最接近的已有治疗组，以保证每个治疗组至少包括两个治疗点。

23、可选地，在s4中，将每个治疗组划分为一个或多个执行单元，执行单元选自以下三种类型之一：

24、第一执行单元，由所述治疗组内全部治疗点构成；

25、第二执行单元，由所述治疗组内按预设连续顺序排列的m个治疗点构成，其中2≤m

26、第三执行单元，由所述治疗组内单个治疗点构成。

27、可选地，在s5中，以以下至少一种方式估计该治疗点对应的焦点声压：

28、根据换能器在水槽或组织仿体中的电压—声压标定关系确定；

29、根据阵元声场叠加模型计算；

30、根据声场数值仿真结果计算；

31、根据历史试验数据建立查找表；

32、根据治疗深度及组织衰减参数对标定声压进行修正；

33、根据回归模型或机器学习模型进行预测。

34、可选地，在s6中，预计热源模型包括以下至少一种热源：

35、焦点区域形成的局部热源；

36、空化云周围组织形成的热源；

37、声传播路径中的组织吸收热源；

38、多个治疗点热影响区域重叠形成的叠加热源；

39、同一执行单元内多个治疗点连续治疗形成的组合热源。

40、可选地，在s7中，以以下至少一种计算方式计算预计温度变化：

41、基于生物传热方程计算；

42、基于有限元热传导模型计算；

43、基于有限差分热传导模型计算；

44、基于解析或半解析温升模型计算；

45、基于组织仿体或动物试验建立的经验热响应模型计算；

46、基于历史治疗数据建立的预测模型计算。

47、可选地，在s7中，所述累计等效43℃热剂量cem43的计算公式为：

48、

49、其中，t(t)为对应组织位置在时间t的预计温度；r为根据温度区间确定的热剂量折算系数。

50、可选地，在s8中，所述热影响矩阵中，表示完成执行单元后对执行单元产生的预计热影响，其中，预计热影响至少包括：

51、执行单元对执行单元所在区域造成的预计温升；

52、执行单元开始治疗时的预计基础温度；

53、两个执行单元先后治疗后的预计峰值温度；

54、两次治疗叠加后的累计cem43；

55、两个执行单元热影响区域之间的重叠程度；

56、两个执行单元声传播路径之间的热影响重叠程度；

57、从执行单元切换至执行单元所需满足的最低时间间隔。

58、可选地，在s8中，所述时间间隔矩阵中，表示完成执行单元后开始执行单元所需满足的最低时间间隔；所述最低时间间隔根据以下至少一种条件确定：

59、后一执行单元开始治疗时的预计基础温度不高于预设起始温度阈值；

60、后一执行单元完成治疗后的预计峰值温度不高于预设温度上限；

61、两次治疗叠加后的累计cem43不高于预设热剂量上限；

62、非目标组织中的温度或热剂量不高于对应安全阈值。

63、可选地，在s10中，所述生成热管理跳点治疗顺序，包括：

64、在完成当前执行单元后，从尚未完成的其他治疗组中确定下一候选执行单元；

65、所述候选执行单元至少满足以下一种或多种条件：

66、当前计划时间已满足对应最低时间间隔；

67、后续治疗后的预计峰值温度不超过预设上限；

68、后续治疗形成的累计cem43不超过预设安全阈值；

69、与当前治疗区域的热影响重叠程度低于预设阈值；

70、声传播路径中的非目标组织热负荷满足安全要求。

71、可选地，所述得到完整的预设跳点治疗计划具体包括：每确定一个新的执行单元，即更新所述虚拟治疗时间轴，并判断后续候选执行单元是否满足所述最低时间间隔及热安全条件；若当前不存在满足热安全条件的候选执行单元，则在治疗计划中插入等待时间，直至至少一个候选执行单元满足治疗条件；重复上述过程，直至全部治疗点完成排序，得到完整的预设跳点治疗计划。

72、可选地，所述的方法还包括：

73、s12：输出所述预设跳点治疗计划；所述预设跳点治疗计划至少包括：

74、各治疗点的三维空间坐标；

75、各治疗点对应的驱动电压；

76、各治疗点的相位延时及阵元开启状态；

77、治疗点和治疗组之间的机械移动路径；

78、各治疗点、执行单元或治疗组的预计峰值温度；

79、各治疗点、执行单元或治疗组的预计cem43；

80、热安全判断结果及相关提示信息。

81、第二方面，本发明提供一种组织破碎术跳点治疗规划系统，包括：

82、数据获取模块，用于获取目标组织模型、换能器信息、治疗参数、组织声学参数及组织热学参数；

83、治疗点生成模块，用于根据目标组织轮廓、单次空化云作用范围、治疗点间距及治疗点重叠率生成原始治疗点集合；

84、治疗组划分模块，用于根据治疗点之间的三维空间位置、空化云覆盖关系及热影响关系，将原始治疗点划分为多个治疗组，其中每个治疗组至少包括两个治疗点；

85、执行单元生成模块，用于将每个治疗组中的一个或多个治疗点确定为执行单元；

86、声压估计模块，用于根据驱动电压、治疗深度、阵元状态、相位延时及声传播路径中的组织介质，估计各治疗点的焦点声压或等效声能量；

87、热剂量预测模块，用于根据焦点声压、脉冲参数、组织声吸收参数及组织热学参数，计算各治疗点、执行单元或治疗组的预计温度变化及累计等效43℃热剂量；

88、热影响关系计算模块，用于计算不同执行单元之间的热影响、热影响区域重叠程度及最低时间间隔，并建立热影响矩阵和时间间隔矩阵；

89、跳点路径规划模块，用于根据热影响关系、时间间隔、机械移动时间及治疗总时间，对治疗组和执行单元进行重新排序，生成跳点治疗顺序；

90、治疗计划输出模块，用于输出治疗组划分结果、执行顺序、治疗参数、机械移动路径、时间间隔及预计热剂量。

91、第三方面，本发明提供一种组织破碎术跳点治疗规划设备，包括：

92、处理器；

93、存储器，其中存储有所述处理器的可执行指令；

94、其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述任一项所述的一种组织破碎术跳点治疗规划方法的步骤。

95、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，所述程序被执行时实现上述任一项所述的一种组织破碎术跳点治疗规划方法的步骤。

96、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

97、1.降低局部组织连续治疗产生的热累积风险。本发明不直接按照原始治疗点的生成顺序、空间顺序或固定几何路径连续执行治疗，而是根据不同治疗点及治疗组之间的预计热影响关系，对治疗顺序进行重新规划。通过在热影响较小的治疗组之间进行跳点治疗，可增加局部相邻区域再次接受治疗前的时间间隔，使前序治疗产生的热量获得扩散和消散，从而降低焦点周围组织及声传播路径组织中的热累积风险。

98、2.实现基于空化云作用范围的精细化分组管理。本发明根据单次空化云的空间作用范围、治疗点之间的覆盖关系及局部热影响关系，将多个治疗点组合为治疗组。相比将所有治疗点作为彼此独立的规划对象，该方式能够以局部治疗区域为单位评价热效应和冷却需求，降低规划计算复杂度，并提高治疗顺序与实际空化云覆盖特性的匹配程度。

99、3.提高治疗规划与实际声输出条件的一致性。本发明在确定治疗顺序时，不仅考虑治疗点的空间位置，还综合考虑焦点声压、驱动电压、治疗深度、脉冲重复频率、脉冲周期数、治疗剂量、声传播路径长度及组织介质特性。由此可反映不同治疗点实际声能输入和组织吸收差异，避免仅依据几何距离确定治疗顺序所造成的热风险评价偏差。

100、4.通过cem43实现热效应的统一量化评价。本发明根据预计温度—时间变化计算累计等效43℃热剂量cem43，将不同温度水平和不同持续时间下的热暴露转换为统一的热剂量指标。通过同时考虑预计峰值温度和累计cem43，可提高对非预期热效应的评价能力，避免仅依据瞬时最高温度判断热安全性所产生的不足。

101、5.实现差异化冷却时间规划。不同治疗点对应的声压、治疗参数、组织介质及治疗深度存在差异，其产生的热量和所需冷却时间也不同。本发明通过计算不同治疗组或执行单元之间的热影响关系，确定相应的最低时间间隔，使热负荷较高的区域获得更充分的冷却，同时减少热负荷较低区域的不必要等待。

102、6.充分利用其他治疗区域的执行时间形成自然冷却。本发明在一个治疗区域完成或部分完成后，可跳转至热影响较小的其他治疗组继续治疗。在执行其他治疗组期间，前述治疗区域能够自然冷却，因此可将设备移动时间及其他治疗组的治疗时间转化为有效冷却时间，减少单纯停机等待造成的治疗效率下降。

103、7.兼顾热安全性和整体治疗效率。本发明在满足温度和热剂量安全约束的基础上，还可综合考虑治疗组之间的机械移动距离、移动时间、剩余治疗点数量及整体治疗时间，从多个满足热安全条件的候选治疗组中选择下一治疗对象，从而在降低热累积风险的同时减少不必要的机械往返和额外等待。

104、8.不依赖固定几何分层，适用范围更广。本发明不以径向层、横向层或其他固定几何层作为治疗规划的基础，治疗组可根据空化云覆盖关系和热影响关系形成规则或不规则的三维空间分布。因此，本发明可适用于球形、椭球形及不规则形状的目标区域，也可与规则栅格、蛇形填充、边界贴合填充及其他治疗点生成方式结合使用。

105、9.无需实时温度监测即可完成热管理规划。本发明在治疗开始前完成声压估计、温度预测、cem43计算、冷却时间确定及治疗顺序规划，最终输出固定治疗计划。治疗过程中无需额外设置实时温度传感器，也无需根据实时热反馈在线重新计算治疗路径，有利于降低系统硬件复杂度和控制复杂度，并提高治疗计划的可重复性和可验证性。

106、10.提高治疗计划的可解释性和安全审核能力。本发明可输出治疗组划分结果、治疗点执行顺序、预计焦点声压、预计峰值温度、累计cem43、最低时间间隔及计划执行时间，使每次跳点选择均具有明确的声学和热学依据，便于进行治疗计划审核、仿真验证及安全性评价。

107、11.便于与机器人定位及治疗控制系统集成。本发明输出的治疗计划可直接包括治疗点坐标、治疗组划分、执行顺序、驱动电压、脉冲重复频率、治疗剂量、机械移动路径及冷却时间，可与机器人定位机构、超声发射控制模块及治疗规划系统进行集成，实现治疗计划的自动生成和顺序执行。