1、河北工业大学硕士学位论文学 位 论 文肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究河北工业大学硕士学位论文肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究摘 要目前，随着医疗技术的不断进步，要求医生在诊疗过程中尽可能做到高疗效、低损伤。“微创”治疗是未来肿瘤治疗发展的一大趋势，其目的在于以最小的创伤争取最好的治疗效果，其中以局部细胞灭活为主的靶向治疗，成为二十一世纪肿瘤治疗的主导方向。这种方法可以准确的杀灭靶区局部的肿瘤细胞，等体积靶向切除肿瘤，而最大限度的减少周围正常组织的损伤。因此，肿瘤的靶向治疗受到了国际、国内的普遍关注，并得到了较广泛的应用。但是，肿瘤的靶向治疗尚未规范，疗效很大程度取决于医生临床经验和治疗设备，不但
2、很难取得稳定良好的疗效，而且极易引起医患纠纷。因此，实现科学规范的治疗方法是提高治疗疗效，减少经济损耗的重要手段。（在肿瘤的靶向治疗中，如何科学、规范、合理的选取并确定靶区，以及如何精确定位是治疗的关键。因此，本论文通过对肿瘤靶向治疗中的一种氩氦刀肿瘤靶向治疗系统进行分析和研究，）因此，我们试图借助先进的监测和控制手段规范肿瘤靶向治疗方法，改善疗效及对治疗效果进行科学的评估。本课题中我们针对计算机辅助肿瘤靶向治疗计划和疗效评估的关键技术进行了深入的研究和探讨，提出了靶区模型、氩氦刀模型和定位模型的概念，为实现计算机辅助治疗和治疗的科学化、规范化打下基础。因此，本论文的研究具有重要的理论意义和实
3、用价值。研究针对肿瘤靶向治疗的需要，基于医学图像对肿瘤病灶、氩氦刀精确定位以及氩氦刀消融过程进行分析和建模研究。我们首先研究如何通过肿瘤 CT 图像的预处理，建立肿瘤病灶的三维模型；并考虑氩氦刀不同结构和使用条件，基于神经网络建立了描述氩氦刀冰球形成过程的数学模型；然后，研究了基于 MBS 理论建立氩氦刀靶向精确定位模型的方法，建立了精确定位数学模型。在此基础上，对肿瘤靶向治疗中的建模与仿真系统的开发进行了探索。关键词： 肿瘤，靶向治疗，氩氦刀，图像处理，数学模型，仿真河北工业大学硕士学位论文RESEARCH ON MODEL AND SIMULATION IN TUMOUR TARGETED
4、 THERAPYABSTRACTNowadays, with the continuous progress of medical technology, high curative effect and low damage are demanded in the process of diagnosis and treat. So, ” microtrauma” is a future major tendency of tumour treatment development. Its goal lies in striving for the best treatment result
5、 by the smallest wound, targeted treatment which is partial cell deactivation primarily becomes the leading direction of the 21th century tumours treatment. This method may accurately destroy target area partial tumour cell, the amount volume tumour is targeted excised, while reducing normal tissues
6、 damage to maximum limit. Therefore, the malignant tumour targeted therapy received universal attention internationally and at home, and obtained the widespread application.The malignant tumour treatment is not completely standard at present, which has seriously affected the curative effect. Realizi
7、ng scientific and standard method of treatment is the important way to enhance curative effect and reduce the economy loses. In tumour targeted therapy, how scientifically, standardly, reasonably to select and define target area, as well as how to localization precisely are the key. Therefore, the p
8、aper analysis and research one of tumour targered therapy-cryocare tumor targeted therapy system, propose the concept of target area model, cryocare model and localization model. It builds the foundation for realizing computer assistant treatment and treatment is scientific and standard. Therefore,
9、the paper research has important theory significance and practical value.The paper analysis and research model about tumour focus, cryocares localization precisely and the melt process of cryocare according to the need of cryocare tumour targeted therapy, based on tumour medical image.We firstly stu
10、dy how to establish three-dimension model of tumour focus through tumour CT images pretreatment; Considering cryocare different structure and exploitation conditions, establish mathematical model of cryocare iceball based on nerve network; then, study pinpoint localization model method of cryocare b
11、ased on MBS theory, establish pinpoint localization mathematical model.On the basis, we carried on exploration to develop the system of model and simulation in tumour targeted therapy.KEY WORDS: tumour, targeted therapy, cryocare, image processing, mathematical model, simulationv肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究河北工业大
12、学硕士学位论文目 录第一章 绪论 11-1 课题的提出和意义 1 1-2 国内外研究动态 1 1-3 该领域研究目前存在的主要问题 3 1-4 本论文的主要工作 3 1-4-1 论文的主要研究内容 3 1-4-2 论文的总体结构 3第二章 肿瘤靶区模型研究 42-1 引言 4 2-2 靶区建模的研究 4 2-2-1 基于体数据的建模 4 2-2-2 基于点云逆向工程的建模 5 2-3 靶区建模实例分析 10 2-3-1 基于体素建模实例分析 10 2-3-2 基于点云逆向工程建模实例分析 12 2-4 本章小结 17第三章 氩氦刀冰球模型的研究 183-1 引言 18 3-2 影响氩氦刀冰球的
13、因素分析 19 3-3 氩氦刀冰球模型的建立 22 3-3-1 人工神经元网络介绍 23 3-3-2 BP 网络 24 3-3-3 氩氦刀冰球 BP 网络模型的设计 25 3-4 本章小结 28vii肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究第四章 氩氦刀精确定位模型研究 284-1 引言 28 4-2 用于复杂坐标系统定位计算的 MBS 理论 29 4-2-1 MBS 拓扑结构和低序体阵列 29 4-2-2 相邻体间坐标变换矩阵建立 31 4-2-3 典型体上给定点理想位置方程 34 4-3 基于 MBS 理论的氩氦刀精确定位建模方法研究 35 4-3-1 坐标系转换关系 35 4-3-2 坐标系的建立
14、 37 4-3-3 定位模型的建立 38 4-4 本章小结 39第五章：基于 VRML 的氩氦刀肿瘤靶向治疗中的仿真研究 415-1 引言 41 5-2 关于仿真 41 5-2-1 仿真的定义 41 5-2-2 仿真的应用 41 5-2-3 仿真的步骤 41 5-3 关于 VRML42 5-3-1 VRML 简介 42 5-3-2 VRML 特点 43 5-3-3 VRML 基本节点编程 43 5-3-4 事件和路由 44 5-4 基于 VRML 的氩氦刀冰球生长与消融仿真44 5-5 本章小结 47第六章：用于肿瘤治疗的建模与仿真系统 486-1 引言 48 6-2 系统的开发 48 6-2
15、-1 编程平台的选择 48 6-2-2 系统总体流程规划 48 6-2-3 系统组成及主要功能 49 6-3 本章小结 54河北工业大学硕士学位论文第七章：结论与展望 557-1 本课题研究的总结 55 7-2 本课题研究工作的展望 56参考文献 57致谢 59攻读学位期间所取得的相关科研成果 60ix肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论1-1 课题的提出和意义肿瘤特别是恶性肿瘤对人类健康的威胁很大，它和心血管疾患已成为医学上的两大难关，在全世界构成死亡原因的头两位。全世界 52 亿人口中，每年有约 700 万人新患癌症，每年约有 500 多万人死于癌症，几乎每
16、6 秒就有一名癌症患者死亡。我国目前每年平均有 150 万人新患癌症，每年约有 80 万人死于癌症，癌症的死亡率占总死亡原因的第十位。传统的肿瘤治疗方法有手术、放疗、化疗、中医中药治疗、免疫生物疗法等。手术是目前肿瘤治疗最主要的手段，其效果也最好，治愈率达到了 22%，而其他方法的治愈率都在 20%以下。近年来，随着医学技术的不断进步，要求医生在对患者进行诊疗的过程中，尽可能做到高疗效、低损伤。于是，“微创”治疗是未来肿瘤治疗的发展的一大趋势。其目的是在于以最小的创伤争取最好的治疗效果，其中以局部肿瘤细胞灭活为主的靶向治疗，成为二十一世纪治疗肿瘤的主导方向。这种治疗方法可以准确的灭杀靶区局部的
17、肿瘤细胞，等体积靶向切除肿瘤，而最大限度的减少周围正常组织的损伤。因此，恶性肿瘤的靶向治疗受到了国际、国内的普遍关注，并得到了较广泛的应用 1。但恶性肿瘤治疗目前尚未完全规范，这严重影响了治疗效果，也成为造成医患纠纷的隐患因素。实现科学规范的治疗方法，是提高治疗疗效，减少经济损耗的重要手段。为了达到靶向治疗的目的，精确定位技术是治疗的关键和瓶颈。如何科学、规范、合理的选取并确定靶区，建立精确的靶区模型和定位模型，是达到预定治疗效果的关键问题。因此，本论文通过对肿瘤治疗现状和前人研究成果的深入分析和研究提出了肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究的课题。肿瘤靶向治疗可以准确的杀灭癌细胞，最大限度的保护周
18、围正常组织，以获得最好的治疗效果，尽可能的延长患者的生命。而其中的关键技术是靶区和定位模型的准确程度，本文通过对肿瘤靶向治疗中的一种氩氦刀肿瘤靶向治疗系统的研究，建立了靶区模型、氩氦刀模型和定位模型的模型，以便提高肿瘤治疗的效果。因此本论文的研究具有重大的理论意义和实用价值。1-2 国内外研究动态目前，国内外肿瘤专家采取了许多有效的措施，尽力提高肿瘤靶向治疗中的定位精度。由于现在的定位技术多依靠专家的经验，对病人的病体信息和治疗环境进行判断和决策。因此，定位不确定因素多，医生心理负担重。而且，除了诸多人为因素，还受病体的复杂性、环境的多变性以及不可预见性因素的影响。因此不能实现肿瘤靶向治疗中的
19、精确定位，很难发挥靶向治疗的优势。现行的肿瘤靶向治疗中，由于缺乏对病灶的尺寸、形状、位置、状态、边界、内容等的精确确定，通常是参考 B 超、CT 或核磁共振等医学影响资料，根据医生以往的经验来判断病灶各种信息属性。因此，主客观因素的影响，都造成了定位方案的差异性。而随着医疗水平的不断发展，要求医生在对患者进行治疗的过程中，要尽可能的做到高疗效、低损伤。因此，今年来国内外很多医学专家及相关学科学者肿瘤靶向治疗中的定位技术研究，其关键技术已经成为国内外专家研究的前沿和热点 2。靶区模型的建立主要是根据计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像（MRI）、或者超声（US）得到的人体及其器官内部的二维断层图
20、像序列，得到靶区模型。这属于三维重建的范畴，也属于逆向工程的范畴。这类问题是目前的一个研究热点问题，是一个多学科交叉的研究领域，是计算机图形学和图像处理在生物医学工程中的重要应用。它涉及数字图像处理、计算机图形学以及医学领域的相关知识。国外在三维1肿瘤靶向治疗中的建模及仿真研究重建方面的研究最多的是日本，其次是美国和英国。三维重建的研究在发达国家起步较早，研究也比较深入。上述几个国家的许多所大学以及其他科研机构都在进行该技术的相关研究。目前，医学可视化技术发展十分迅速，已经由单纯的辅助诊断治疗向教学研究以及辅助手术治疗方向发展。由医学图像可视化技术生成的三维图像直接引导手术过程，开发了计算机辅
21、助立体定向导航系统 (Computer Assisted Stereotactic Syetem，CASS)，计算机辅助手术系统及模拟系统(Computer Assisted Design & Simulation System，CADS)等，例如，Philippe St-Jean 等人通过图像变换与融合操作，将已经标注了主要功能区的脑组织切片图与病人的脑部核共振图相匹配，并以此为基础生成病人的脑部三维图像，在其上规划手术路径，并可以在实际手术中引导手术过程 3。Yoshinobu Sato 等人针对乳腺癌切除手术的特点，手术前采用超声波诊断，并确定病灶位置，并以超声波数据为原始数据生成三维图
22、形，在手术过程中与摄像机所拍摄的图像结合，以此引导手术进程 4。在国内目前工作主要集中于可视化算法研究，开发与之相关的医学可视化系统，并正在向辅助手术与模拟手术方向发展。浙江大学、清华大学、东南大学、中科院自动化所等均做了大量的研究，开发了一些试验系统。四川大学制造科学与工程学院的王德麾等人以一组人体头部层去式实体扫描切片为对象，对数字化人体的三维重建进行了研究。用基于颜色空间的方法提取目标图像，完成图像去噪和边缘检测工作；并用 VC+语言编程调用 matlab 引擎并记录目标像素的坐标值，获得点云数据文件；在 CATIA 环境下进行曲面拟合，完成三维数字化实体的重建 5。清华大学郑卫国等人针
23、对 CT 图像数据，提出了基于 CT 图像的快速成型数据建模方法。通过 CT 图像滤波、分割、等处理方法以及轮廓提取和采样等建模方法，得到快速成形数据借口 CLI 文件，进而进行原型的快速成形制造 6。目前的定位手段大多是通过将定位面膜、体膜、胸膜固定，通过在病人体表划线，然后利用一些辅助定位装置以及 CT、MRI 图像才能算出病灶中心的深度及病灶在体内三维方向的具体轮廓及其方位 7。基于 CT 的模拟定位系统在肿瘤靶向治疗中也有了简单的应用。它是一个与 CT 扫描机相连的实时三维立体治疗计划系统，由 CT 扫描系统、多层面 CT 影像显示控制台、3D 治疗计划系统、激光投影定位装置等部分组成
24、，所有配置均由计算机工作站控制，并已成为一种标准的治疗设计工具，将广泛用于多个部位的肿瘤和其他病变的治疗计划与临床治疗。为了提高治疗效果，节省治疗时间，减少患者在治疗时的痛苦，迫切需要适合于肿瘤靶向治疗的精确定位技术和系统。目前的研究已经开始将肿瘤治疗中的定位方法与计算机常规技术方法相结合，研究靶向治疗中的计算机辅助定位。刘丽冰教授在全国第一届肿瘤靶向治疗会议上，提出了肿瘤靶向治疗中的精确定位技术，得到了与会专家和临床医生的高度评价。仿真是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、传感器、网络、
25、并行处理等技术的最新发展成果。浏览者通过数字手套、立体头盔、立体眼镜和三维鼠标等传感器与计算机发生联系，最终产生一个拟人化的三维逼真的虚拟环境。目前，它与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术，在医学研究领域中得到越来越广泛的应用。从医学图像开始，发展到虚拟人体、虚拟医疗系统、虚拟实验室和药物研究。虚拟人体是在虚拟环境下实现人体科学计算可视化。美国国家医学图书馆于 1991 年委托克科罗拉多大学建立起一个男人和一个女人人体的全部解剖结构的数据库。一具男性尸体从头到脚作了 CT 和核磁共振扫描，男的间距 1mm，女的间距 0.3mm。然后以同样的间距作组织切片的数码相机摄影。所得数据共
26、56GB。这些数据称为 Visible Human 数据集，对于人体研究起了巨大的推动作用。虚拟医疗系统是指虚拟现实技术在临床上的应用系统，初期是一些模拟训练系统，寻找最佳的临床治疗方案，逐步发展成为临床应用系统。如外科手术模拟系统、遥控手术（远程医疗）、复杂医学数据库图像和康复医疗、轮椅虚拟等。外科手术手术模拟是典型的手术再现，用户戴上立体头盔，如同深入透视图像中学习人体解剖，同时可以用解剖刀和钳子等工具虚拟外科手术。外科手术工作站配置了三维监视器和三维摄影系统，以及带感觉输入设备的反应控制器和灵敏的压力反馈操纵杆。在遥控手术中心，医生只需对虚拟病人的模型进行手术，通过高速宽带网络将医生的动作传送到网络另一端的手术机2
