面向肝癌的多针组合精准消融算法及临床应用研究

20241222

结合国内外研究现状，临床医学、几何数学和人工智能的前沿趋势，针对肿瘤覆盖问题，开展肝癌多针消融的智能方法如下： 1)基于空间密铺理论的不规则肿瘤区域定界研究 对肝癌患者的图像处理的一大难点是肿瘤的形状不一，本研究提出如图所示的不规则形状处理方式，拟在提高手术的精确度和有效性，只需要利用计算处理即可得到对不规则肿瘤的逼近，同时获得可测可观的肿瘤点集。本研究对病灶区域进行细分，首先用空间密铺多面体将整个区域无缝密铺，保证病灶区域紧密划分无遗落。随后获取密铺正方体的外接小球，增加自由度，减少方向限制，方便消融针椭球区域内含小圆的设计；同时增加了方法的保守性，保证肿瘤区域被完全覆盖。 本研究采用微米级小球完成空间密铺。其中微米级保证了小球在不规则病灶区域覆盖过程中的高自由度及高近似度，确保覆盖区域的精确性，避免过度损毁，降低手术风险；而空间密铺策略保证了多椭球覆盖过程中针对病灶区域的完全覆盖，填补了多针消融课题中病灶冷区相关问题的空白，确保肿瘤区域被完全消融。 2)基于几何数学计算消融针容纳外接的能力分析 将消融针灼烧区域近似为椭球，将该椭球内所有完整小球的构型视为消融针覆盖能力。对于存在的不规则区域，若其包含的小球群可以被消融椭球覆盖，则认为该肿瘤可以被消融针消除。在已知输出功率，消融针型号，输出时间的情况下，可以认为消融椭球已知。这样根据小正方体大小，可以大致计算一个消融椭球至多包含多少个小正方体的外接球。 3)基于强化学习建立分割及优化方法 因人体内部结构复杂，不同患者情况不同，路径规划算法针对大量癌症患者的通用性仍远不足，所以目前急需一种能够应对患者多变的人体环境的多针消融模拟算法。强化学习原理如图1。 求解强化学习问题的目标是求解每个状态下的最优策略。策略是指在每一时刻，某个状态下智能体采取所有行为的概率分布，策略的目标是在长期运行过程中接收的累积回报最大。为了获取更高的回报，智能体在进行决策时不仅要考虑立即回报，也要考虑后续状态的回报。所以解决强化学习问题一般需要两步，将实际场景抽象成一个马尔科夫决策模型，然后去求解这个数学模型，找到使得累积回报最大的解。这意味着只要当前状态可知，所有的历史信息都不再需要。考虑肿瘤消融问题时，消融针的施针方位只和当前肿瘤状态有关。因此肿瘤的状态是马尔可夫的，它已经涵盖了导致该种局面的所有重要信息。如图2。 根据对于不规则肿瘤区域的定界，对密排小球进行编号（1-N），N为总的密排小球数。全部的小球为智能体,智能体状态为X，其中Xi=0表示第i个小球区域还未被消融针作用，Xi＞0表示第i个小球区域已经受到消融针的作用。目标是全部小球被消融针作用。具体流程如图2，技术路线图如图3。

本研究成果将有助于对于大肝癌消融的多针布针方案进行精准决策和实施，能够辅助医生在肝癌消融前完成相关的进针路线、消融参数的制订，通过精准的热场模拟，形成术前消融布针方案。该技术可以在不同地区不同医院进行大规范推广和实施，以期提升大肝癌消融的精准性，降低冷区发生率。目前市场上的消融术前规划方案大都是单针路径规划，目前缺少一种对于大肝癌消融的多针布针规划技术，提升医生术前规划效率和精准性。 产品研发完成后将由项目单位独立销售，产生销售收入；预计产品上市后公司年增产值、年增收入、年增利润、年增税金都有大幅度提高。 研发第一阶段肝癌自动识别和诊断功能完成后，计划在京、沪、浙、粤、鲁、苏、豫、新等十个省市各级医院进行远程或电话软件应用支持服务，每省试点应用医院家数2-5家，平均3家，每家医院收取3万元年技术服务费，服务费支持主要为技术支持人工成本，毛利率控制30%-50%，则， 年新增收入=10省3家/省3万/家=90万元； 年增税前利润=90万30%=27万； 年增收入税金增长影响额=90万6%1.12+2725%=6.05+6.75=12.8万。 研发第二阶段智能决策介入治疗方案功能完成后，计划将服务推广到15个省市，每个省市平均5家医院应用，提供远程/电话技术支持服务，每家医院收取远程技术服务年费6万元，特殊病例可现场进行技术支持服务，每一病例收取0.5万元服务费，保守估计每年至少有10例特殊病例，技术支持服务费主要为人工成本，毛利率控制在50%内，则 年新增收收入=15省5家/省6万/家+0.5万/病例10病例=455万元； 年新增税前利润=455万50%=227.5万元； 年增收入税金增长影响额=455万6%1.12+227.525%=30.5+56.8=87.3万元。 研发第三阶段智能优化穿刺路径功能完成后，计划将服务推广到20-25个省市，每省市平均8家医院应用，提供远程/电话技术支持服务，每家医院收取远程技术服务年费10万元，特殊病例可现场进行技术支持服务，每一病例收取0.8万元服务费，保守估计每年至少有20例特殊病例，技术支持服务费主要为人共成本，毛利率控制在50%内，则年新增收入=20省8家/省10万/家+0.8万/病例20病例=1600+16=1616万元； 年增税前利润=1616万50%=808万元； 年增收入税金增长影响额=1616万*6%1.12+80825%=108.6+202=310.6万元。 总述，三个阶段完成后新增服务收入合计=90+455+1616=2161；新增税前利润合计=27+227.5+808=1062.5;新增收入税金增长影响额合计=12.8+87.3+310.6==410.7万元 研发完成后，取得注册证后可按产品销售，其对企业的收入、利润、税金的增长将是指数性增长。

1. 已申请3项国家发明型专利：（1）基于术前和术后参数的预后风险预测方法、系统及设备（申请号：202410253354.0,（2）一种术前风险评分的计算方法、系统及设备（申请号：202410253356X,（3）一种利用多个椭球覆盖肿瘤模拟射频多针消融技术的方法（申请号：2023118655384）这三项专利包括人工智能算法和热场数学模型的创新发明，符合本课题的研究方向；
2. 已开发术前三维可视化术前消融规划系统，并在临床开展肿瘤精准消融术前规划项目，已经被北京市物价局批准列入医院收费项目，这套系统已经作为肿瘤消融前术前规划的常规手段。,已申请3项国家发明型专利，已开发术前三维可视化术前消融规划系统，并在临床开展肿瘤精准消融术前规划项目

恶性肿瘤是严重威胁居民健康的一大类疾病，全球范围内，肝脏肿瘤占总恶性肿瘤新发病例的4.7%，占总恶性肿瘤死亡人数的8.2%；中国范围内，肝脏肿瘤占总恶性肿瘤新发病例的10.9%，占总恶性肿瘤死亡人数的15%。以原发性肝癌为例，全球每年新发病例85.4万例，中国46.6万，约占全球的55%，是世界范围内男性第2位、女性第6位的恶性肿瘤死因。因此，突破肝癌的治疗瓶颈对我国尤为重要。 肝脏肿瘤的治疗方式主要包括手术切除、肝移植、局部治疗、药物等，其中手术切除是最有效的治疗方法，但根治切除率仅为20%～30%，且术后复发率超70%；肝移植手术需找到合适的配体；因此，局部治疗成为不能手术切除的肝癌和复发性肝癌的主要治疗手段。近年来利用各种理化因素进行肝脏肿瘤局部消融的治疗方法应运而生。包括射频消融（Radiofrequency ablation，RFA）、微波消融、氩氦刀等经皮介入消融治疗均在临床得到广泛开展。以射频消融为例，Shady等学者针对RFA十年期单中心回顾性研究发现：RFA疗法在结直肠癌肝转移（CLMs）治疗中的整体有效率达到94%。Lee等学者完成的10年期应用RFA辅助肝脏移植治疗肝细胞癌的研究中，亦明确了RFA在整个治疗周期中起到的关键作用。虽有较好的临床疗效，各类经皮介入消融治疗仍存在适形消融计划难制定、穿刺介入手术精度低的显著问题，严重制约了肝脏肿瘤局部治疗的普及发展。 合理的治疗计划和精准的介入穿刺实施是保证疗效的关键。对于较大肝脏肿瘤（>3cm），一般需要多个消融通道组成三维适形消融作用区，需要多针/多次穿刺。实现多穿刺通道的合理分布，需结合消融针特性进行术前计划。然而，目前由临床医生进行该计划难度大、效率低。因此，研究基于人工智能的消融计划算法或能突破人工设计方案的瓶颈，实现高效和适形性俱佳的介入消融治疗方案制定。,我国在医疗辅助技术研发方面的投入正在赶超发达国家，然而商业化的术前路径规划软件及其关键技术依然是中美技术反差最大的领域之一。 本研究提出不规则形状处理方式，拟在提高手术的精确度和有效性，只需要利用计算处理即可得到对不规则肿瘤的逼近，同时获得可测可观的肿瘤点集。通过对靶区肝癌区域进行细分，首先用空间密铺多面体将整个区域无缝密铺，保证病灶区域紧密划分无遗落，随后获取密铺正方体的外接小球，增加自由度，减少方向限制，方便消融针椭球区域内含小圆的设计；同时增加了方法的保守性，保证肿瘤区域被完全覆盖。将消融针灼烧区域近似为椭球，将该椭球内所有完整小球的构型视为消融针覆盖能力。对于不规则区域，若其包含的小球群可以被消融椭球覆盖，则认为该肿瘤可以被消融针消除。在已知输出功率，消融针型号，输出时间的情况下，可认为消融椭球已知。这样可大致计算一个消融椭球至多包含多少个小正方体的外接球。