肝癌已成为人类生命安全的最大威胁之一,据统计,若不采取任何治疗措施5年致死率是100％,每年全世界死于肝癌的人数超过100万,在我国肝癌是第二大恶性肿瘤。虽然手术切除仍然是目前治疗原发性和转移性肝癌的首选,但由于组织解剖结构的限制、肝功能不足和肝外转移病灶等原因限制,大多数患者并不能接受手术切除。幸运的是,近十几年来影像引导下的介入式微波消融治疗在临床得到应用,受到人们越来越多的青睐,其主要优点是肿瘤内部加热温度高、消融体积大、消融时间快和具备空间多源组合技术的能力,因此它被认为是最有发展前景的治疗方法。　　 肿瘤微波热疗中“适形”治疗一直是人们追求的目标。目前临床肝癌微波消融治疗在很大程度上还依靠经验,在治疗方案的确定中,医生的主观经验起到决定性的作用,这就很难确保治疗效果,限制了这一技术在临床上的推广应用,因此治疗前科学设计手术计划是迫切需要解决的关键问题。　　 本文研究目的是通过计算机辅助设计手术计划来达到肝癌微波热消融的“适形”治疗,使整个治疗计划,由主要凭经验变成基于定量数据的计算机辅助设计。论文内容主要包括以下四个部分:　　 (1)肝肿瘤图像自动分割与三维可视化方法研究　　 实现了基于图论的分割方法,并将它首次应用于肝肿瘤CT图像的自动分割。运用图中最小生成树寻找图像的同质区域,使用按级合并和路径压缩2种试探法,使得分割时程近似线性时间O(nlogn)[n为图像像素总数]。对52幅肝肿瘤CT图像进行分割,结果表明,该方法分割实际图像的平均最小距离和面积交迭度分别为8.7540,95.1％,分割精度优于同类自动分割算法,应用该方法能快速、准确地自动分割出肝肿瘤。　　 肝脏肿瘤三维可视化是肝癌微波热疗规划系统设计中的关键技术,其重建效果的好坏将直接影响到手术计划的可靠性和有效性。提出了一种基于自动分割的肝脏肿瘤三维可视化新方法。首先,使用基于图论的方法自动分割出肝肿瘤；然后,借助新的移动立方体算法重建出肿瘤表面；最后,调用OpenGL库进行肿瘤模型绘制与显示。对6例肝癌患者CT图像进行肿瘤三维重建实验,结果表明:分割过程不需要人为干预,三维重建时程短,肿瘤模型的显示效果令人满意。　　 (2)微波消融温度场模拟　　 探讨2450MHz水冷式微波天线比吸收率(SAR)的空间分布规律,以掌握微波天线的加热能力。以离体猪肝作为微波消融实验对象,分别采用5组常用加热功率40W、50W、60W、70W和80W,每组功率均重复多次微波消融实验。每例实验样本被精确固定布放16个测温针并且分别进行前向和后向测量。结果表明:SAR前、后向分布具有非对称性,从天线中心向四周呈有规律地衰减,并且SAR与加热功率之间没有线性关系,但其数值随着加热功率的增大而增大。　　 肿瘤微波热疗中近场温度分布是影响整个温度场分布的重要因素之一,但是由于近场温度变化剧烈,目前还很难进行精确的温度分布预测。通过对微波热消融中组织温升曲线的分析,阐述了水分蒸发和随后的组织炭化对温度分布造成的影响,计算了肝组织的焓值和高温SAR的分布并将二者引入模拟过程中,结果显示近场温度模拟准确性得到了明显的提高。最后,改进了高温过程中的Pennes方程,使其考虑到水分蒸发和组织炭化。目前的研究成果将有助于提高温度场分布的预测精度。　　 (3)肝肿瘤模型与三维热场模型匹配算法研究　　 确定了肝肿瘤CT图像序列坐标系统,帮助临床医师能对微波天线的进针方向进行准确定位。针对热场模型如何完全地覆盖肿瘤模型且对周围正常肝组织的损伤降低到最小,提出了两种有效的模型匹配算法。实现了其中一种称之为“切分”的算法,分析和完成了该算法的关键技术。“切分”算法适合于单根天线的微波消融,其中肿瘤直径不超过3 cm；另外一种“投影”算法可适用于多根天线的微波消融,其中肿瘤直径可以超过3 cm,但是该算法需要从理论和实践中进一步完善。　　 提出的两种模型匹配算法是有效可行的,它们的实现可以帮助微波消融手术达到“适形”治疗的目的,研究结果可以直接用于指导临床实践,“投影”算法也为今后多根微波天线的热场建模提供了理论借鉴。　　 (4)微波消融术前规划与预测系统设计　　 肝癌微波消融术前规划与预测系统能够帮助临床医师进行手术方案设计,它可分为3个重要的子系统即肝肿瘤三维重建系统、热场数据库管理系统和模型匹配系统。　　 该系统界面友好,提供所见即所得的工作环境。其中三维可视化子系统能对肿瘤体进行定量测量分析,从而帮助临床医师在诊断治疗中达到心中有数；热场数据库管理子系统提供各种大小的热场模型,以及相应的加热剂量,节省了医师术前寻找热场模型的时间；模型匹配子系统可输出适合肝癌患者的最佳手术方案,包括加热剂量、天线进针深度和方位。总的来说,利用该系统,可在术前制定出最佳治疗方案,这对临床实现肝癌的“适形”治疗,保证疗效具有重要意义。由于本系统目前还处于初步的试验阶段,需要进一步在临床实践中不断地优化和改进。