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肝癌是最常见的恶性肿瘤之一,全世界每年有超过百万患者因此死亡。当肿瘤太大,肿瘤离大血管太近或肿瘤扩散到整个肝脏器官时,射频消融术是无法进行切除手术的癌症的首选治疗方法。传统肝癌射频消融手术中,术前医生根据患者CT图像和经验大致确定所需的消融次数、入针点、穿刺深度等,缺乏定量规划方法来对消融范围进行严格的计算和规划,易造成消融范围过大(损伤正常组织),或消融不完全(不能保证癌细胞被完全杀死),尤其是对于大肿瘤。术中医生通常在超声、CT图像或透视成像引导下对肿瘤进行消融,消融针在穿刺时高度依赖手术医师的经验,受空间想象力等人为因素的限制,治疗中常因消融针布置不精确而导致残癌发生。随着机器人及导航技术的发展,国内外开始利用导航引导下的机器人技术实现高精度消融手术。肝脏肿瘤射频消融手术规划是机器人辅助RFA手术系统的重要组成部分。以影像引导下机器人辅助RFA手术为应用背景,针对射频消融治疗肝脏肿瘤的特点和临床应用需求,本文对肝脏肿瘤射频消融手术规划中的关键技术肝脏、肝脏肿瘤的高精度分割和RFA穿刺路径规划展开研究,建立患者个性化三维模型,实现精准、合理的三维空间布针,在尽可能少的损伤正常组织的同时使得热消融区域在三维空间上完全覆盖肿瘤,同时对周围重要结构如肝脏大血管等无损伤,从而提高射频消融手术规划的精准性。本论文研究贡献及创新点主要包括:(1)提出了一种2D/3D CNN混合的肝脏肿瘤分割方法DFN+DS-3D-UNet,在LiTS 2017测试数据集上优于所有基于单纯3D CNN的方法和大多数基于2D CNN的方法;(2)通过引入深监督和挤压-激励(Squeeze&excitation,SE)模块,提出了一种基于编解码结构的DS-SE-V-Net,从多模MR图像中自动分割脑肿瘤,在BraTS 2017数据集上获得优于传统编解码模型的分割结果;(3)提出了一种适用于单切口手术的基于几何约束的交互式RFA手术穿刺消融规划方法和基于六方密堆积的大肿瘤的重叠消融规划算法,能用尽可能少的消融次数实现对任意形状大肿瘤的适形消融规划;最后,利用本文研发的图像分割软件系统、RFA手术消融规划系统和项目组研发的RFA穿刺消融机器人,进行了多次仿体实验和两次猪的动物实验,证明了项目组设计的机器人辅助RFA系统可以根据RFA手术规划系统的结果,通过皮肤上的单一切口(Single insertion point,SIP)稳定、准确地实现多针穿刺,大大减少对医生经验的依赖及RFA手术的侵入性,也有利于大肿瘤RFA手术标准化和规范化。