"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家一种基于图像分析的治疗规划环境，用于评估胎盘血管异常的靶向性，以支持胎儿宫内的MRI引导高强度聚焦超声（MRgHIFU）热消融治疗。胎盘血管异常，如胎盘绒毛血管瘤（chorioangiomas）和双胎间输血综合症（TTTS），会严重影响妊娠和胎儿健康，而现有的MRgHIFU治疗规划软件并未涵盖胎盘异常的治疗。因此，研究者开发了名为FUSion Planner的软件，能够导入患者的MRI影像数据，模拟超声治疗的效果，并生成个性化的治疗规划。FUSion Planner软件可以进行3D可视化和超声换能器定位，规划治疗区域并模拟治疗效果。通过模拟超声压力、温度变化和热剂量，FUSion Planner帮助评估治疗的可行性，确保超声能量精准聚焦到胎盘异常区域，避免对周围组织的损伤。论文中还通过对临床病例数据的回顾性研究，验证了该软件在实际治疗中的应用潜力。 该研究为胎盘血管异常的非侵入性治疗提供了一个新的治疗规划平台，具有重要的临床应用价值，能够为未来MRgHIFU在胎儿医学中的广泛应用奠定基础。 |
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James M. Drake教授是多伦多大学外科学系的教授，专注于小儿神经外科领域的研究和临床实践。他在医学、神经学、工程学和数学等领域发表了超过500篇论文，累计被引用超过16,000次，个人H指数为70，显示出其在学术界的卓越影响力。
Drake教授的研究方向主要包括：
小儿神经外科：致力于儿童神经系统疾病的诊断和治疗。 外科机器人学：开发微型机器人，以提高手术精度和安全性。 外科模拟：利用模拟技术进行手术培训和规划。 磁共振引导介入：研究MRI引导下的微创手术方法。
1. 背景与临床动机
胎盘血管异常，如胎盘绒毛血管瘤（chorioangiomas）和双胎间输血综合症（TTTS），可能会严重影响妊娠结果。高强度聚焦超声（HIFU）是一种潜在的非侵入性治疗方法，可以通过精确的超声能量聚焦，在胎盘内部造成热消融，治疗血管异常。然而，目前现有的MRgHIFU治疗规划软件并未支持胎盘异常的治疗。因此，论文提出开发一个新的治疗规划工具——FUSion Planner，它能够导入患者的MRI数据，模拟超声治疗并评估其效果。
HIFU换能器具有几何聚焦区域，通过加热靶向肿瘤并形成病变
2. 研究目标
本研究主要目标是开发FUSion Planner软件，利用3D MRI数据和物理超声换能器建模，规划高强度聚焦超声治疗胎盘异常的可行性。该工具的开发可以为胎盘异常的非侵入性治疗提供新的思路。
左图：一只胎羊的B模式超声图像，HIFU聚焦区域在应用前由圆圈标记。右图：在治疗过程中，HIFU聚焦区域出现的高回声点，呈现为一个亮点。
3. 研究方法
FUSion Planner软件的开发：该软件使用Python和Qt图形用户界面（GUI）库，并整合了VTK（Visualization Toolkit）和Vedo库，能够实现患者数据的2D和3D可视化，并能进行HIFU治疗规划。
超声波传播模拟：使用k-Wave库进行超声波传播模拟，包括压力场、热效应和热剂量的计算。模拟结果可用于验证不同治疗参数是否能够达到足够的热消融效果。
患者影像数据的导入和处理：通过手动分割患者的MRI数据，得到包括胎盘、母体组织、胎儿等在内的3D模型，并进行治疗规划。
用于子宫纤维瘤消融的Profound Medical MRgHIFU设备。该设备由一个定制的MRI床和集成的HIFU换能器组成。
4. FUSion Planner的工作流程
FUSion Planner软件的核心功能包括：
图像数据导入和处理：导入患者的DICOM影像数据，通过3D分割生成患者的组织网格模型。
患者3D可视化：能够以3D方式显示患者的解剖结构，并在MRI模拟环境中定位治疗超声换能器。
治疗细胞规划：可以在患者影像上选择治疗细胞，规划超声能量的照射路径，并避免穿透重要组织，如骨骼或肠道。
超声换能器的建模与定位：可以选择不同的换能器模型并自由调整其位置，以确保治疗区域准确并最大限度减少副作用。
FUSion的主要工作流示意图
5. 超声物理模拟的整合
研究进一步通过k-Wave模拟库将超声物理效应（如超声波的热效应和传播效应）整合到FUSion Planner中。使用此模拟器可以计算目标区域的热量分布、温度变化及热剂量，评估超声治疗是否足够有效。
主要步骤包括：
压力场计算：基于超声波传输的物理方程，计算压力场分布，模拟超声波对不同组织的影响。
热量计算：通过Pennes生物热方程，模拟超声波能量的热效应，预测组织的温度变化。
热剂量计算：计算热剂量（CEM43），用于评估是否能达到消融所需的热量水平。
开发的治疗规划软件界面。左上角是患者体积的切片视图。右上角显示了换能器、射束路径和患者分割体积的3D视图。底部的三个视图分别是来自切片视图的轴向、矢状和冠状视图，显示了选择的治疗单元。该截图中未显示MRI检查管。
6. 临床验证和实验研究
在软件开发完成后，研究进行了基于临床患者影像数据的回顾性研究。通过选择具有可治疗胎盘异常的患者，使用FUSion Planner进行HIFU治疗规划，并通过模拟验证超声换能器在不同胎盘附着点的靶向性。
模拟结果：研究发现，通过优化超声换能器的定位和治疗参数，能够有效地在胎盘表面产生热消融，最大温度可达到58°C，预计的损伤区域约为49mm²。
实验验证：通过对比实验中的热成像和温度监测数据，验证了FUSion Planner软件在实际治疗中的可行性和准确性。
左图：换能器瞄准一个明胶模拟体。焦点区域用于示意，非按比例绘制；右图：压力图显示了在矢状面和冠状面上的相对焦点区域点扩展函数。
7. 结论与未来方向
研究总结了FUSion Planner软件的成功开发，并展示了其在胎盘治疗中的应用潜力。尽管目前软件已成功实现了MRgHIFU治疗胎盘异常的规划和模拟，但仍存在一些挑战：
进一步的验证研究：需要对更多的临床病例进行验证，以进一步优化治疗参数和软件功能。
自动化分割与处理：未来可集成自动化分割算法，以提高处理效率并减少人为干预。
机器人位置调整：将来可以结合机器人技术，实现换能器的精准定位与自动调整，以提高治疗的精准度和效率。
左图：患者的轴向切片，显示潜在的治疗平面。胎盘后部附着，胎儿没有阻挡治疗路径。右图：在治疗规划界面中，基于3D分割的患者数据可视化了射束路径和换能器位置。
参考文献
Macsemchuk, Craig Andrew. "Development of an Image Analysis Based Treatment Planning Environment to Assess Targetability of Placental Vascular Anomalies for in-utero MRI-guided Focused Ultrasound Thermal Ablation." Master's thesis, University of Toronto (Canada), 2024.
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