消融規劃系統的制作方法

消融規劃系統的制作方法
【專利摘要】一種消融規劃系統包括被配置為允許選擇用于規劃消融流程的輸入的用戶接口（104）。所述用戶接口還被配置為將消融探頭的選擇以及適用于選擇的探頭的消融功率、持續時間或參數的一種或多種組合包含于所述輸入中以設定消融體積的尺寸。所述用戶接口包括用于呈現患者的內部圖像的顯示器，所述顯示器允許針對所述內部圖像上的不同進入點對所述消融體積進行可視化。優化引擎（106）耦合到所述用戶接口以接收所述輸入并被配置為輸出包括空間消融位置和消融的時間信息的優化治療計劃，從而減小附帶損傷、將覆蓋區域最大化并在規劃的目標體積中避開關鍵結構。
【專利說明】消融規劃系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年7月28日提交的共同轉讓的臨時申請N0.61/512510的優先權，以及2011年8月4日提交的共同轉讓的臨時申請N0.61/514914的優先權，都通過引用并入本文。
【技術領域】
[0003]本公開涉及醫療處置系統和方法，具體而言，涉及用于準確度提高的患者處置的消融規劃系統和方法。
【背景技術】
[0004]微波消融(MWA)是用于處置在肝、腎和肺中最常見的局部腫瘤的微創流程。對于大的或不規則形狀的病變，處置需要一個以上的療程，且醫師必須提前規劃在何處放置針以及需要多少消融。MWA已成為用于介入癌癥處置的推薦處置模態，并在近幾年得到越來越多的關注。與射頻消融(RFA)相比，MWA提供更快速且更大體積的組織加熱，并且能夠以協同效應同時使用多個天線，例如，消融體積可以被增加以超過利用幾個連續的單探頭消融可實現的消融體積。此外，由于熱沉效應(例如，由鄰近腫瘤體積的血管提供的冷卻)，MWA不易受減小的消融體積的影響。
[0005]消融的腦力規劃是一項艱巨的任務。醫師必須使用在不同取向上的重疊的橢球形消融體積來勾畫三維腫瘤體積的完整范圍。不足或不精確的規劃導致不完全的處置以及癌癥或其他影響的潛在復發。傳統上，優選通過單個進入點插入的單個消融探頭來減少創傷。然而，如果多個探頭是臨床上可用的，相比利用傳統的單個探頭單元而言，能夠更有效地處置大的或不規則形狀的病變，從而潛在地減少了流程時間以及復雜性。具有多個進入點的腦力規劃甚至能夠是更加艱巨的任務。醫師必須使用來自不同取向的重疊的橢球形消融體積以勾畫并規劃如何完全覆蓋三維腫瘤。不足且不精確的規劃導致不完整的處置以及癌癥的潛在復發。

【發明內容】

[0006]根據本發明原理，一種消融規劃系統包括被配置為允許選擇用于規劃消融流程的輸入的用戶接口。所述用戶接口還被配置為將消融探頭的選擇以及適用于選擇的探頭的消融功率、持續時間或參數的一種或多種組合包含在所述輸入中以設定消融體積的尺寸。所述用戶接口包括用于呈現患者的內部圖像的顯示器，所述顯示器允許針對所述內部圖像上的不同進入點對消融體積進行可視化。優化引擎耦合到所述用戶接口以接收所述輸入并被配置為輸出包括空間消融位置和消融的時間信息的優化治療計劃，從而減小附帶損害、將覆蓋區域最大化并在規劃的目標體積中避開關鍵結構。
[0007]消融規劃系統包括被配置為允許選擇用于規劃消融流程的輸入的用戶接口，所述用戶接口還被配置為將消融持續時間包含在所述輸入中以設定消融體積的尺寸。所述用戶接口包括用于呈現患者的內部圖像的顯示器。所述顯示器允許針對所述內部圖像上的不同進入點對消融體積進行可視化，并且所述顯示器被配置為呈現患者的內部圖像，并提供選擇控制，以使用戶能夠選擇內部圖像和內部圖像的視圖。數據庫被配置為存儲所述內部圖像和關于消融探頭的信息，以通過將功率和時間特性與所述消融體積的尺寸和形狀相關聯，輔助確定針對給定規劃的目標體積的消融體積的尺寸和形狀。優化引擎耦合到所述用戶接口以接收所述輸入并被配置為輸出包括空間消融位置和針對最低所需的消融持續時間的時間信息的優化治療計劃，從而減小附帶損害、將覆蓋區域最大化并在規劃的目標體積中避開關鍵結構。[0008]一種用于規劃消融流程的方法包括:在用戶接口的顯示器上顯示患者的內部圖像；使用所述用戶接口選擇消融探頭或探頭組以執行消融流程；在所述內部圖像上選擇針對消融探頭或探頭組的一個或多個進入點；針對一組輸入向優化引擎輸入信息以確定消融體積的尺寸和形狀，所述一組輸入包括選擇的消融探頭或探頭組、選擇的一個或多個進入點、時間和功率信息；并且基于減小附帶損傷、將覆蓋區域最大化以及在規劃的目標體積中避開關鍵結構，從所述優化引擎輸出優化治療計劃。
[0009]本公開的這些和其他目的、特征和優點將從其說明性實施例的以下詳細描述變得顯而易見，要結合附圖閱讀該描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]將參考以下附圖在優選實施例的以下描述中詳細呈現本公開，其中:
[0011]圖1是示出了根據本原理的消融治療系統的高層次實施例的框圖；
[0012]圖2是示出了根據一個說明性實施例的用于規劃消融流程的說明性圖形用戶接口的圖；
[0013]圖3是示出了圖2的說明性圖形用戶接口的另一幅圖，其示出了根據說明性實施例的用于規劃消融流程的圖像細節；
[0014]圖4是示出了根據說明性實施例的用于規劃消融流程的圖像上的更多細節的另一幅圖；
[0015]圖5是示出了根據說明性實施例的用于規劃、執行或訓練消融流程的步驟的框圖
/流程圖；
[0016]圖6是示出了根據本原理的用于規劃并執行消融流程的系統的框圖；并且
[0017]圖7是示出了根據另一個說明性實施例的，用于使用圖6的系統規劃、執行或訓練消融流程的步驟的框圖/流程圖。
【具體實施方式】
[0018]根據本發明原理，為了生成臨床相關且可靠的結果，提供了一種自動化規劃系統，其允許精確定位探頭以及腫瘤和邊緣(規劃的目標體積，PTV)的完全覆蓋范圍。描述了一種自動覆蓋方法。將對最佳消融中心的搜索作為迭代非線性優化問題來處理，其中，將成本函數表達為未消融PTV體積以及對鄰近健康組織的不希望附帶損傷的加權和。這是一個非線性優化問題，其旨在使未處置的癌組織以及被損傷的健康組織最小化。利用圖形用戶接口(⑶I)實施整個規劃系統，圖形用戶接口(⑶I)允許交互式規劃方案，包括適當探頭的選擇、皮膚進入定位、消融次數規格等。將規劃系統整合為電磁引導的導航系統的第一步，其中，執行規劃以允許將計劃以自適應方式傳輸到后續的導航工作步驟。
[0019]焦點腫瘤消融是手術切除的有效替代方式。根據一個實施例的微波消融(MWA)規劃系統包括數據庫、優化引擎和用戶接口。該系統提供了優化的消融參數作為輸出，以幫助醫師將腫瘤覆蓋范圍最大化，將對健康組織的附帶損傷最小化和/或以其他方式，例如避開諸如血管等的關鍵結構，優化總體流程執行。該系統的用戶接口部件有利地提供了專用于微波消融的輸入/輸出，但也適用于其他具有類似信息需求的消融系統(例如，低溫消融)。這樣的規劃系統能夠輔助介入人員使用可從數據庫獲得的資源信息以及用戶指定為輸入的信息來最佳地規劃消融流程。所述系統的輸出包括，但不限于由優化引擎計算的優化的消融參數。
[0020]為了便于有效率且準確地執行消融流程，消融規化系統已經解決了對射頻消融(RFA)流程的需求。這樣的規化系統一般確定個體消融的數量和/或位置，所述個體消融一起允許完全且有效率地根除腫瘤。然而，這些規化系統未利用MWA技術的特有優點，所述優點可以包括，例如:1)通過當運行MWA設備時選擇具體的功率/時間/溫度參數來定制消融尺寸的能力；以及2)以協同效應同時插入若干探頭，從而進一步增大消融體積并減少流程時間的能力。更迅速破壞組織的結果是，MWA流程一般比RFA更難以控制，并且如果不仔細且有把握地使用，可能導致損害。根據本發明實施例的規劃系統解決了 MWA特有參數和工作流程問題，對于幫助醫師實現更好的微波消融結果是高度期望的。
[0021]與RFA相比，MWA探頭能夠在一定范圍的消融尺寸中產生消融。消融區的尺寸是時間和供應給探頭的功率的函數。適合RFA的規化系統不對具體功率/時間設置提出建議，它們也不能在確定最優消融計劃中利用可變的消融尺寸。此外，可能有患者特有的考慮(或計算復雜性和時間約束)，這會限制醫生愿意考慮的功率/時間設置的選擇。也可能有患者特有的考慮或總體時間/吞吐量的考慮，這會使利用多個同時探頭插入的具體處置方式是有利的。
[0022]MWA制造商可以僅提供關于隨功率/時間變化的消融體積的有限信息，如果提供，消融信息僅包括離散的功率/時間輸入以及其對應的消融尺寸(例如，使用50W的功率,在5分鐘、10分鐘的消融尺寸)。用戶難以使用給定輸入的離散區間(例如在8分鐘的消融區)外插壞死區的尺寸。本發明實施例通過如下方式克服了這些缺點并滿足了現有技術的臨床需求:提供了一種具有用戶接口、優化引擎和其他部件的微波消融規劃系統，其允許有效率地規劃并執行微波消融流程。
[0023]應當理解，將根據微波消融描述本發明；然而，預見到其他消融技術。具體而言，本發明原理對于采用針對消融區的時間依賴性變化的消融技術特別有用。在其他實施例中，除了時間依賴性消融處置體積之外或替代時間依賴性消融處置體積，可以采用其他因變量，例如溫度依賴性變量、功率依賴性變量等。
[0024]還應當理解，將根據醫療儀器描述本發明；然而，本發明的教義要寬得多，且適用于處置或分析復雜生物或機械系統中采用的任何儀器。具體而言，本發明原理適用于生物系統的內部跟蹤和規劃流程、身體所有區域(例如肺、胃腸道、排泄器官、血管等)中的流程。圖中描繪的元件可以實施于硬件和軟件的各種組合中并提供可以在單個元件或多個元件中組合的功能。[0025]能夠通過使用專用硬件以及能夠與適當軟件相結合以執行軟件的硬件，提供圖中所示的各種元件的功能。當由處理器提供時，能夠由單個專用處理器，由單個共享處理器，或由多個個體處理器(其中一些能夠是共享的)提供功能。此外，術語“處理器”或“控制器”的明確使用不得被解釋為唯一指代能夠執行軟件的硬件，而是能夠隱含地包括，但不限于數字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)、非易失性存儲器等。
[0026]此外，本文記載本發明的原理、方面和實施例以及其具體范例的所有陳述都旨在涵蓋其結構和功能的等價物。此外，這樣的等價物旨在包括當前已知的等價物以及將來開發的等價物(即開發出來的執行相同功能的任何元件，不論其結構如何)。因此，例如，本領域的技術人員將認識到，本文給出的框圖表示體現本發明原理的說明性系統部件和/或電路的概念視圖。類似地，應認識到，任何流程圖等表示可以基本表示于計算機可讀存儲介質中，并因此由計算機或處理器執行的各種過程，無論是否明確示出這樣的計算機或處理器。[0027]此外，本發明的實施例能夠采取計算機程序產品的形式，可以從提供由計算機或任何指令執行系統使用或結合計算機或任何指令執行系統使用的程序代碼的計算機可用或計算機可讀存儲介質，來訪問所述計算機程序產品。出于本說明書的目的，計算機可用或計算機可讀存儲介質能夠是包括、存儲、傳送、傳播或傳輸由指令執行系統、裝置或設備使用或結合指令執行系統、裝置或設備使用的程序的任何裝置。介質能夠是電子、磁、光學、電磁、紅外或半導體系統(或裝置或設備)或傳播介質。計算機可讀介質的范例包括半導體或固態存儲器、磁帶、可移除計算機盤、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、剛性磁盤和光盤。光盤的當前范例包括壓縮盤-只讀存儲器(⑶-ROM)、壓縮盤-讀/寫(⑶-R/W)、DVD 和 Blu-ray?。
[0028]現在參考附圖，在附圖中類似的數字表示相同或相似的元件，并首先參考圖1，高層次框圖示出了根據一個說明性實施例的規劃系統100。規劃系統100輔助醫生、技術人員等生成計劃，所述計劃關于如何消融腫瘤或其他組織、如何對消融計劃進行可視化以及如何讓評價與所述計劃相關聯的定量度量。數據庫或存儲系統102包括用于關于一組消融探頭和它們的屬性(例如，功率和/或相對于消融體積的時間數據、消融形狀/大小特性等)信息的存儲設備。使得來自數據庫102的這種信息對于用戶在用戶接口 104處是可用的。應當理解，能夠與消融針、消融天線、消融涂藥器等交換使用消融探頭。優化引擎106優化消融計劃并能夠從數據庫102中讀取選擇的探頭的探頭屬性。優化引擎106還考慮用戶輸入，例如，選擇的探頭、腫瘤分割、皮膚進入點、消融的數量、時間/功率偏好等。優化引擎106使用輸入以生成并傳送消融計劃至用戶接口，以用于可視化和修改。
[0029]在一個實施例中，規劃系統100包括微波消融(MWA)規劃系統。系統100處理MWA專用的參數(作為功率、時間和溫度函數的可變的消融尺寸)以及幫助醫師實現更好微波消融結果的工作流程。
[0030]消融探頭數據庫102包括針對不同消融探頭的所有相關屬性，例如，作為不同時間的函數的消融區的尺寸、針對給定探頭的功率設置等。數據庫102提供消融探頭的資源信息，并且還允許用戶通過用戶接口 104細化探頭屬性。用戶接口 104允許用戶輸入并選擇所有相關參數以優化消融計劃，并且用戶接口 104顯示(并選擇)成為計劃計算的輸出的結果和選擇。輸入可以包括，例如，腫瘤分割、一個或多個皮膚進入點、總消融數量或來自每個進入點的消融數量、一個或多個適用于所有進入點或特定(一個或多個)進入點的消融探頭的選擇、針對給定消融探頭考慮的功率/時間設置的子集等。顯示的計劃輸出可以包括，例如，消融的數量和位置，每個消融的形狀/大小以及功率/時間設置等。基于計劃輸出的用戶選擇可以包括，例如，選擇若干可能的功率/時間設置之一以實現給定消融的規劃的形狀/尺寸。
[0031]優化引擎106優化處置計劃，并可以用于監測活動以基于先前事件的執行為未來動作提出建議。用戶接口 104與消融探頭數據庫102相互作用，并將參數傳遞給優化引擎106。參數包括，例如，與那些消融探頭一起使用的用戶指定的一組消融探頭和用戶指定的一組功率時間特性。優化引擎106基于來自用戶接口 104的輸入和來自消融探頭數據庫102的資源信息計算消融計劃。優化引擎106將消融計劃結果傳遞回用戶接口 104以用于顯示，并且任選地傳遞額外的用戶選擇作為輸入。可以定制消融計劃以實現許多目標，例如，將腫瘤覆蓋范圍最大化、將消融數量最小化、將消融時間最小化、將附帶損傷最小化等。然而優化引擎106不限于這些目的。
[0032]在一個實施例中，能夠將用于最佳消融覆蓋范圍的搜索看作迭代優化問題。控制消融中心朝向將未消融的規劃的目標體積(PTV)(應該消融但未消融的腫瘤組織)以及對健康組織造成的附帶損傷最小化的位置。因此能夠將優化問題表示為:
[0033]0 = argminC VlirvfV VAi (Q1, e；)(I)
[0034]其中，VPTV是規劃的目標體積(PTV)且Vm是在給定皮膚進入點ei處的由參數集Oi表征的第i個消融體積。C是成本函數。Oi是四維(4D)參數，其被定義為:
[0035]&^[tx ty tz sf(2)
[0036]將消融中心(橢球消融模型的中心)在三維空間中表示為tx，ty，tz。s是對從最小值到最大值的半徑進行參數化的O到I之間的比例因子。
[0037]與RF消融不同(其中，功率和時間是固定的，消融尺寸不變)，微波消融制造商可以提供一系列的消融尺寸以及其相應的功率/時間設置。根據本發明原理的模型從可用的離散功率/時間輸入內插微波消融半徑，假設半徑隨時間和功率增大而成比例地增大。也預見到其他關系。
[0038]使用例如優化技術實施迭代搜索問題以使以下說明性成本函數C最小化:
[0039]
c = v,,TV門(UνΛ,:).μ? +Vp f|(UvA,).μ^.+ Φ.μΡ(3)
[0040]其中，Vptv是PTV體積，VAi是第i個消融體積，μ。和μ。是分別用于未消融PTV和附帶損傷的加權因子。兩個體積之間的符號η表示兩個體積中都設置的體素計數(兩個體積的交集)，而符號U表示在任一體積中設置的體素計數(兩個體積的并集)。兩個體積上方的橫杠，成本函數表達式中的Vptv以及所有消融體積的并集U Vai表示體積的逆，即從相應體積“排除”的體素。基于這些在懲罰不希望結果時反映用戶偏好的權重對成本函數進行標準化。
[0041]在一些不期望的狀況中，將引入懲罰函數Φ。例如，為了同時進行消融，可以提出如下要求:將同時執行的相鄰消融保持分開最小距離，以確保最佳地執行消融過程。之后將懲罰函數φ定義為相鄰消融中心之間的距離的函數。使用第三表達式μρ.Φ向成本函數增加懲罰，以確保相鄰針的消融中心不會過近。懲罰函數的另一個范例是當接近PTV處有關鍵結構時。該方法可以懲罰消融體積與關鍵結構交疊的情況。該方法將依次迭代，直到收斂，并獲得方程(I)的最優解。在這個過程期間，Vptv (PTV體積)為常數，Vm (第i個消融體積)隨著來自集合?i的四個獨立參數的正或負擾動而變化。在第一療程之后允許針對相繼的消融療程重新定位探頭。對于單一入口消融，允許探頭在PTV之內任何地方移動(無約束搜索)；而對于多入口消融，允許探頭沿進入點和消融中心之間的軌跡移動(約束軌跡搜索)。例如，在相繼的多消融療程中，能夠以無約束方式在每次消融之后重新定位探頭。當使用多個皮膚進入點進行同時消融時，根據在臨床實踐中如何執行消融，僅允許探頭沿進入點和消融中心之間的軌跡移動(約束軌跡搜索)。
[0042]為了對使用同時MWA施用器的協同效應建模，能夠調節成本函數C，使得當針幾乎平行時，能夠從制造商的數據手冊外插出應該大于個體消融總和的協同消融體積。優化引擎106考慮提供平行針以生成更大消融區的目標。在另一實施例中，能夠使用熱物理學原理(例如包括組織屬性)對消融尺寸建模，熱系數將被整合到模型中并用于使用功率和時間數據估計消融區域。
[0043]參考圖2，規劃工具或消融處置規劃系統200包括用戶接口 104的圖形用戶接口，以用于治療規劃。消融處置規劃系統和覆蓋范圍算法200提供術前CT圖像220的圖像處理。能夠執行腫瘤的快速3D自動或(涉及一些用戶交互的)半自動分割，一旦分割出腫瘤，就能夠方便地增加通常在5-10_范圍中的邊緣以決定規劃的目標體積(PTV)。之后要求用戶挑選優選的消融針和患者皮膚上一個或多個優選針進入點。基于制造商的數據手冊和發表關于使用這些探頭的動物/患者試驗的文獻，能夠將消融模板建模為具有三個已知半徑的球形或橢球形三維對象。如有必要，能夠容易地將該方法擴展到其他幾何形狀。
[0044]在一個實施例中，系統100提示用戶從消融探頭菜單或嵌板202選擇消融探頭并在施用器屬性子屏230中指定針對給定消融探頭考慮的(一個或多個)優選功率和時間組合，當在嵌板202中選擇探頭或施用器時，子屏230會彈出。子屏230可以包括功率/時間表232，其在功率和時間以及它們導致的消融體積的矩陣中列出。對于每種功率/時間設置，表格232提供了關于消融體積的尺寸的信息，該消融體積被建模為在三維空間中具有三種不同半徑的橢球體形狀的3D結構(例如，橢球(2，3，0.5))。也可以采用其他形狀。用戶可以選擇期望的建模形狀并在圖像屏225中的特定位置應用該形狀。這些用戶輸入可以基于用戶經驗以及對患者解剖結構的理解，并有助于為優化引擎106約束搜索空間。
[0045]可以采用工具200制定或規劃完整流程，選擇不同探頭、不同形狀、不同功率/時間等。規劃工具200可以包括用戶選擇的功能，以允許例如，通過選擇場204 (RFA或MWA)之一來進行使用不同技術的規劃。也可以增加其他技術。這樣的技術至少包括時間/功率依賴性消融體積形狀 ，以提供高度可定制的且靈活的消融計劃。用戶可以從存儲這些項目的存儲器或數據庫選擇不同的患者208、不同的掃描210、不同的視圖212等。可以提供描述嵌板206，其包括關于圖像、視圖、患者等的數據。也可以提供其他有用的功能214，例如輸出計劃、打印、報告、縮放等。
[0046]參考圖3，根據一個實施例說明性示出了微波消融規劃系統200的用戶接口實例300。實例300說明性地包括圖像302，例如計算機斷層攝影掃描、磁共振圖像等。在本范例中，圖像302包括具有分割后的腫瘤308的肝臟的一部分306。由用戶指定皮膚進入點310、311。對于每個皮膚進入點310、311，從嵌板230中的菜單/表格232選擇具有優選功率/時間設置的消融探頭。優化引擎106提供消融計劃，所述消融計劃包括規劃的消融體積312，連同基于預定義優化目標的推薦的微波消融時間和功率設置。作為一個備選方案，皮膚進入點311用于平行針，平行針可以用于減少總的消融時間。
[0047]使用皮膚上選擇的(一個或多個)進入點310或311，在PTV上疊加單個橢球消融，以幫助理解消融的尺寸。得出利用給定消融形狀覆蓋這一復雜的、高度不規則形狀的PTV所需的消融次數的估計對于放射科醫師是困難的。本發明實施例基于不同的進入點計算解決方案，并得到交疊的球形/橢球消融，所述交疊的球形/橢球消融以最小的附帶損傷最優地覆蓋PTV。借助于可視化，放射科醫師能夠確定消融次數和附帶損傷是否可接受。由于計算很快，所以容易修改進入點或針以生成備選計劃。而且，以完全自動化的方式進行腫瘤覆蓋范圍的估計。
[0048]參考圖4，說明性地示出了圖像400，以展示根據本發明原理的一些特征。圖像400包括具有不規則形狀的腫瘤410的掃描截面。示出了進入點1404以提供規劃的消融體積408，并示出了進入點2402以提供規劃的消融體積406。高度不規則的腫瘤410被PTV覆蓋，PTV包括使用Covidian-Evidence? MWA探頭在45W下進行的兩次消融(406和408)。PTV覆蓋范圍的估計百分比為99.86%，在這種情況下附帶損傷為11.13cm3。作為算法的輸出，建議來自進入點1404的消融408消融5.3分鐘，而建議來自進入點2402的消融408消融9.3分鐘。
[0049]再次參考圖1并繼續參考圖2-4，系統100提示用戶為選擇的探頭和用戶選擇的進入點提供優選的功率/時間設置。優化引擎106提供具有一系列功率和時間組合的消融計劃，所述消融計劃能夠用于(一個或多個)選擇的消融探頭，以滿足預定義的優化目標，例如將腫瘤覆蓋范圍最大化、將消融次數最小化、將消融時間最小化、將附帶損傷最小化等。優化引擎106還可以考慮備選的進入點、消融時間、探頭等以更好地實現這些目標。
[0050]規劃系統的輸入能夠在待可視化的成分和呈現樣式方面采取各種形式。例如，用戶輸入能夠包括這些成分中的一種或多種:腫瘤分割、一個或多個皮膚進入點、總消融次數或來自每個進入點的消融次數、一個或多個消融探頭的選擇、針對給定消融探頭考慮的功率/時間設置的子集、探頭間距離(適用于平行探頭插入)等。能夠通過多個圖形用戶接口形式(例如:表格、清單、電子數據表、下拉菜單、針對給定消融設置在2D或3D中提供消融區的圖示和注釋的信息窗口等)之一呈現用戶輸入。可以人工或自動執行一個或多個消融探頭的選擇。例如，能夠由用戶輸入人工指定消融探頭類型，或者它們能夠經由連接到系統的探頭的自動檢測在用戶接口中被預先選擇。
[0051]規劃系統的輸出也能夠在待可視化的成分和呈現樣式方面采取各種形式。規劃系統的輸出可以包括以下中的一個或多個:針對任何選擇的探頭的推薦功率和時間、每次消融的形狀/尺寸、推薦的進入點位置、推薦的探頭類型、針對每個皮膚進入點考慮的消融的推薦次數等。能夠通過多個圖形用戶接口形式(例如:表格、突出列表、標記的電子數據表、利用功率/時間建議向原始圖像(例如CT)上的估計消融區/參數的顯示和/或疊加、腫瘤覆蓋范圍度量(腫瘤覆蓋范圍的百分比、附帶損傷)等)之一呈現規劃系統的輸出。[0052]在一個實施例中，輸出(例如針對給定探頭的功率和時間)能夠是輸入選擇的子集。系統的輸出還可以包括誤差/警告消息。該系統能夠標記警告消息，該警告消息指示用戶選擇不適于給定的患者解剖結構和腫瘤尺寸/幾何形狀等。在一個范例中，選擇的功率和時間設置可能不能覆蓋整個腫瘤。如有必要，用戶能夠選擇通過拋棄當前計劃并使用輸入的新組合運行計劃的新情況來推翻推薦的設置。在規劃系統100提供包括針對推薦探頭的推薦消融探頭類型和功率/時間設置的輸出的情況下，系統100還可以用于其他參數優化。例如，在一個實施例中，如果用戶僅有消融探頭的小選擇范圍，作為來自優化引擎106的估計結果，系統能夠指定應當選擇哪個探頭來處置這位特定患者。在另一實施例中，系統100能夠基于優化引擎106中包括的目標指定哪些皮膚進入點有利地用于流程中。
[0053]優選實施例被應用于圖像引導的微波消融；然而，可以采用其他消融系統，尤其是針對每次插入 和消融具有高維度參數空間時。例如，對于可變消融尺寸還隨著具體輸入參數變化的其他消融模態(例如HIFU、低溫)，這些參數能夠由用戶指定為規劃系統100的輸入，并通過優化引擎106被優化，從而得到優化的參數的輸出。與RF消融不同(其中功率和時間是固定的，消融尺寸不變)，微波消融提供了一系列時間和功率設置，并能夠按照需要改變其相應消融尺寸。對于給定的功率，假設三個半徑隨時間成比例增大，則模型能夠從最短時間到最長時間內插微波消融半徑。以這種方式，可以確定并使用具體的時間和功率組合實施消融形狀和尺寸。假設能夠通過應用適當的消融時間來提供消融所需的尺寸和形狀。
[0054]為了評估所公開規劃方法的準確度，發明人在術前CT圖像上生成一系列具有已知幾何結構的病變，即合成球形和橢球PTV以充當基礎事實。如果規劃適當的話，估計的消融中心應當與這些球形/橢球的幾何形狀中心重合。此外，估計的消融半徑應當劃定PTV的邊界，使得對健康組織的損傷最小。在三個已知幾何中心(一個球形，兩個橢球)上的三十輪次間，通過比較計算的消融中心與基礎事實消融中心獲得的平均位置距離誤差(MLDE)達到0.66mm (STD:0.22mm)。通過比較計算的消融半徑與基礎事實半徑估計的平均半徑距離誤差(MRDE)達到0.53mm (STD:0.23mm)。這些初級和說明性結果展示了所述實施例的準確度和魯棒性。表1示出了模擬的比較結果，以展示所公開方法的準確度和可行性。
[0055]表1:在優化算法十輪次之后，基于與基礎事實的比較估計MLDE(mm)和MRDE(mm)。將兩個PTV上的三種已知幾何結構用于這一測試。

MLDEx~MLDE」，~MLDEy~MLDE MLDEr
(mm)(mm)(mm)(mm) (nun)
PTVI:-.次消融 0.71±0.43 0.41±0.07 0.87+0.07 0.66±0.14 0.21±0.07
[0056]PTV2: W,--次消融 1.06±0_59 1.42±0,83 0,34土0_25 0_94土0.44 0_99±0.54
PTV2:第二次fil融 0.76±0.13 0.11±0.09 0.24土0.16 0.38土0.07 0.41土0.08
平均值0.85±0.38 0.65±0,33 0,48土0,16 0.66土0.22 0.53±0.23
[0057]參考圖5，根據說明性實施例示出了用于規劃消融流程的方法。在方框502中，可以顯示用戶接口的顯示器上的患者的內部圖像。該圖像可以是術前圖像、圖像的呈現或用于模擬或實踐的模型。該圖像可以是2D圖像或3D圖像，并可以包括能夠使用用戶接口被控制的多幅視圖。在方框504中，選擇用于使用用戶接口執行消融流程的消融探頭或探頭組。消融探頭可以包括微波消融探頭，并且信息優選包括用于多個消融形狀的功率和時間數據。形狀可以包括球形或橢球形，但也可以采用其他形狀。在方框506中，在內部圖像上選擇針對消融探頭或探頭組的一個或多個進入點。也可以由用戶選擇或提供其他輸入信息。以這種方式，能夠組合用戶的經驗和計算機系統的便利性和功能，以提供協同且有效的規劃工具。在方框508中，向優化引擎輸入關于消融探頭或探頭組以及一個或多個進入點的信息。在輸入信息中包括時間和功率以確定消融體積的尺寸和形狀。為時間依賴性消融體積提供時間和功率，例如消融體積與時間/消融持續時間成正比。也可以在輸入中包括其他信息。在方框509中，該組輸入可以包括以下中的一個或多個:消融探頭類型、誤差界限、消融覆蓋范圍、附帶損傷、消融時間等。
[0058]在方框510中，基于例如減小附帶損傷、在規劃的目標體積中將覆蓋區域最大化，從優化引擎輸出優化的治療計劃。作為損傷和覆蓋標準的替代和/或補充，也可以設置其他標準。在方框512中，治療計劃的優化可以包括基于一組輸入將成本最小化。輸入可以至少包括一個或多個進入點以及關于消融探頭或探頭組的信息。在方框514中，成本最小化可以包括計算懲罰函數以針對不希望的效果懲罰成本。可以定制懲罰函數以考慮一種或多種效應，例如采用多個探頭、消融部位過近、附近的解剖特征等。可以在用戶接口處通過選擇不同的情形或患者的生理條件，例如，通過輸入附近血管的血流狀況，考慮瘢痕組織，輸入針對特定患者測量的物理屬性等，實時改變成本函數和懲罰函數。優化的治療計劃可以包括以下中的一個或多個:消融探頭類型、進入點位置、使用的消融探頭數量、最小數量消融的位置、將附帶損傷最小化的消融位置、最小化的消融時間等。在方框518中，可以向導航系統中自動輸入推薦和/或輸出以執行治療計劃。在方框520中，在提供接口時可以使用該系統以執行消融治療流程(或提供訓練)。
[0059]參考圖6,根據一個說明性實施例不出了用于消融治療的處置系統600。系統600可以是治療規劃和流程監測工作站601的一部分，該工作站基于用于流程優化、報告和醫師訓練的患者特異性基礎，鏈接優化的計劃信息、組織交互建模、劑量監測和臨床結果數據。系統600可以包括存儲器604。數據庫604存儲患者622的圖像611，優選為三維(3D)圖像，在該圖像上將執行流程。工作站601包括能夠執行存儲器604中存儲的優化治療計劃607的處理器606。
[0060]消融探頭導航系統608優選由計算機606的控制并向計算機606提供數據。也可以不用導航系統608人工執行流程。導航系統608從工作站601接收空間信息、命令并執行由規劃系統100生成的計劃607。工作站601和規劃系統100可以集成在一起或可以是獨立的單元。
[0061]消融探頭或探頭組630被選擇并被耦合到系統600。在一個實施例中，數據庫102和優化引擎106存儲在存儲器604中。可以從存儲器604引用探頭信息以獲得規劃治療所需的信息。在另一實施例中，通過將一個或多個探頭630連接到系統600，該系統感測探頭的類型并從存儲器604查找探頭數據。可以由傳感器或成像系統610 (可以包括熒光透視、超聲等)收集根據計劃607的來自目標632上的消融的反饋。反饋可以包括PTV覆蓋面積、實測溫度等。
[0062]可以使用用戶接口 104執行編程、設備控制、功能監測和/或與工作站601的任何其他交互。顯示器619還可以允許用戶與工作站601及其部件和功能或系統600之內的任何其他元件交互。這進一步由接口 104促成，接口 104可以包括鍵盤、鼠標、操縱桿、觸覺設備或任何其他周邊或控制器，以允許來自工作站601或系統600的用戶反饋以及與工作站601或系統600的交互。
[0063]參考圖7，框圖/流程圖示出了根據一個說明性實施例的系統600的工作流程700。在方框702中，說明性地描述了治療計劃的輸入。在方框704中，在圖形用戶接口( 104)的顯示器(619)上提供一個或多個視圖中目標解剖結構的2D和/或3D圖像的顯示。在方框706中，提供與處置體積相關的輸入。與處置相關的輸入的范例包括，例如像方框708中提供的規劃目標體積的輪廓，其具有包括處置范圍的邊緣。在方框710中，勾勒出了關鍵結構以進行覆蓋范圍排除(例如，不應受到消融損傷的組織)。在方框712中，另一種輸入類型包括與消融探頭相關的輸入。能夠從數據庫獲得這些輸入或至少默認輸入。在方框714中，選擇一個或多個消融探頭以進行處置。在方框716中，設置選擇的探頭的消融功率/時間特性。功率/時間信息基于探頭的選擇并用于導出消融區域的尺寸和形狀。換言之，可以基于時間/功率特性選擇特定尺寸和形狀的消融區域。可基于針對給定功率的時間數據完全定制尺寸和形狀。
[0064]另一種輸入類型可以包括方框718中的進入點數據。在方框720中，在圖像上選擇針對一個或多個消融探頭的一個或多個進入點。在方框722中，將選擇擇的消融探頭與一個或多個進入點相關聯。不同的進入點和關聯的探頭類型可以提供不同的結果。因此可以將這些組合提供為輸入的形式。在方框724中，也可以將期望數量的消融與每個進入點相關聯。在方框726中，還輸入標準、加權、誤差界限、懲罰等以用于治療規劃優化。
[0065]在方框728中，優化引擎基于從方框702提供的輸入提供優化的治療計劃。在方框730中計算優化的治療計劃。在方框732中，對輸入采用一個或多個成本函數以優化計劃。在方框734中，優化引擎調整所有輸入(例如消融位置、尺寸、形狀、功率、時間、包括區域、排除區域等)以獲取最優成本函數值作為計劃結果。
[0066]在方框736中，治療計劃結果被輸出并被可視化。所述輸出可以包括消融探頭的類型和數量、進入點位置、消融中心的位置、所需的最小消融數量、所需的最小消融時間、預測的消融度量、附帶損傷、未消融的規劃的目標體積區域以及對關鍵結構的損傷。在方框738中，在顯示器上對針對每次消融的規劃的消融體積進行可視化。在方框740中，還在顯示器上對未處置的腫瘤體積進行可視化。在方框742中，針對每個進入點和消融對規劃的消融探頭軌跡進行可視化。在方框744中，針對每次消融對功率、時間、消融尺寸和形狀等進行可視化。在方框746中，計算定量的覆蓋范圍度量(例如，PTV覆蓋范圍等)。根據方框736中的結果，在方框748中進行檢查以確定治療計劃是否可接受。可接受性可以基于任意數量的標準，例如覆蓋范圍、消融的最小數量、流程時間等。如果不能接受，該流程返回到方框702并調用輸入的調節或修改。執行重新規劃以基于新輸入獲得更新的結果。
[0067]在解釋權利要求的過程中，應當理解:
[0068]a) “包括”一詞不排除給定權利要求中列出的那些之外的其他元件或動作的存在；
[0069]b)元件前的量詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件的存在；[0070]c)權利要求中的任何附圖標記都不限制其范圍；[0071 ] d)可以由同一項目，或者硬件或軟件實施的結構或功能表示若干“模塊”；并且
[0072]e)不要求特定的動作順序，除非另行明確指出。
[0073]已經描述了一種消融規劃系統的優選實施例(旨在是說明性的而非限制性的)，應注意，本領域的技術人員根據以上教義能夠做出修改和變化。因此應理解，可以在所公開的本公開的特定實施例中做出改變，這些改變在權利要求書界定的所公開實施例的范圍之內。已經這樣描述了專利法要求的細節和特性之后，專利證書主張并希望保護的內容在權利要求書中得以闡述。
【權利要求】
1.一種消融規劃系統,包括: 用戶接口( 104)，其被配置為允許選擇用于規劃消融流程的輸入，所述用戶接口還被配置為將消融探頭的選擇以及適用于選擇的探頭的消融功率、持續時間或參數的一種或多種組合包含于所述輸入中以設定消融體積的尺寸，所述用戶接口包括用于呈現患者的內部圖像的顯示器，所述顯示器允許針對所述內部圖像上的不同進入點對所述消融體積進行可視化；以及 優化引擎(106)，其耦合到所述用戶接口以接收所述輸入并被配置為輸出包括空間消融位置和消融的時間信息的優化治療計劃，從而減小附帶損傷、將覆蓋區域最大化并在規劃的目標體積中避開關鍵結構。
2.根據權利要求1所述的系統,其中,所述優化引擎(106)基于一組輸入計算成本，并且所述成本被最小化以確定一組輸出。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述優化引擎(106)包括懲罰函數，以針對不希望的效果懲罰成本。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述輸入(702)包括以下中的一個或多個:消融探頭類型、消融探頭數量、一個或多個進入點的位置、在處置計劃中待被覆蓋的規劃的目標體積、誤差界限、消融覆蓋范圍、附帶損傷、待排除的區域、消融功率以及消融時間。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述輸出(736)包括消融探頭的類型和數量、進入點的位置、消融中心的位置、所需的消融最小數量、所需的最小消融功率或時間、預測的消融度 量、附帶損傷、未消融的規劃的目標體積區域以及對關鍵結構的損傷。
6.根據權利要求1所述的系統，還包括數據庫(102)，其被配置為存儲與消融探頭或探頭組相關的信息，使得所述信息能由所述用戶接口檢索，以選擇待在所述輸入中采用的所述消融探頭或探頭組。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述消融探頭(630)包括微波消融探頭，并且所述信息包括針對多個消融形狀的功率和時間數據。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述多個消融形狀包括橢球和/或球體。
9.一種消融規劃系統,包括: 用戶接口( 104)，其被配置為允許選擇用于規劃消融流程的輸入，所述用戶接口還被配置為將消融持續時間包含于所述輸入中以設定消融體積的尺寸，所述用戶接口包括用于呈現患者的內部圖像的顯示器，所述顯示器允許針對所述內部圖像上的不同進入點對所述消融體積進行可視化，所述顯示器被配置為呈現患者的內部圖像，并提供選擇控制，以使用戶能夠選擇內部圖像和所述內部圖像的視圖； 數據庫(102)，其被配置為存儲所述內部圖像和關于消融探頭的信息，以通過將功率和時間特性與所述消融體積的尺寸和形狀相關聯，輔助確定針對給定規劃的目標體積的所述消融體積的尺寸和形狀；以及 優化引擎(106)，其耦合到所述用戶接口以接收所述輸入并被配置為輸出包括空間消融位置和針對最低所需的消融持續時間的時間信息的優化治療計劃，從而減小附帶損傷、將覆蓋區域最大化并在規劃的目標體積中避開關鍵結構。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述優化引擎(106)基于一組輸入計算成本，并且所述成本被最小化以確定一組輸出。
11.根據權利要求9所述的系統，其中，所述優化引擎(106)包括懲罰函數，以針對不希望的效果懲罰成本。
12.根據權利要求9所述的系統，其中，所述輸入(702)包括以下中的一個或多個:消融探頭類型、消融探頭數量、一個或多個進入點的位置、誤差界限、消融覆蓋范圍、附帶損傷、待排除的區域、消融功率以及消融時間。
13.根據權利要求9所述的系統，其中，所述輸出(736)包括消融探頭的類型和數量、進入點位置、消融中心的位置、所需的消融最小數量、所需的最小消融功率或時間、預測的消融度量、附帶損害、未消融的規劃的目標體積區域以及對關鍵結構的損傷。
14.根據權利要求9所述的系統，其中，所述消融探頭類型(630)包括微波消融探頭，并且所述信息包括針對多個消融形狀的功率和時間數據。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，所述多個消融形狀包括橢球和/或球體。
16.一種用于規劃消融流程的方法，包括: 在用戶接口的顯示器上顯示(502)患者的內部圖像； 使用所述用戶接口選擇(504)消融探頭或探頭組以執行消融流程； 在所述內部圖像上選擇(506)針對所述消融探頭或探頭組的一個或多個進入點； 針對一組輸入向優化引擎提供(508)信息以確定消融體積的尺寸和形狀，所述一組輸入包括選擇的消融探頭或探頭組、選擇的一個或多個進入點、時間和功率信息；并且 基于減小附帶損傷、將覆蓋區 域最大化并在規劃的目標體積中避開關鍵結構，提供從所述優化引擎輸出(510)優化治療計劃。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，提供輸出包括基于所述一組輸入將成本最小化(512)。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括計算(514)懲罰函數以針對不希望的效果懲罰所述成本。
19.根據權利要求17所述的方法，其中，所述一組輸入(702)包括以下中的一個或多個:消融探頭的類型、消融探頭的數量、一個或多個進入點的位置、誤差界限、消融覆蓋范圍、附帶損傷、待排除的區域、消融功率以及消融時間。
20.根據權利要求16所述的方法，其中，所述優化治療計劃(736)包括消融探頭的類型和數量、進入點的位置、消融中心的位置、所需的消融最小數量、所需的最小消融功率或時間、消融度量、附帶損害、未消融的規劃的目標體積區域以及對關鍵結構的損傷。
21.根據權利要求16所述的方法，其中，所述消融探頭(630)包括微波消融探頭，并且所述信息包括針對多個消融形狀的功率和時間數據。
【文檔編號】A61B18/18GK103717167SQ201280037634
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月27日 優先權日:2011年7月28日
【發明者】X·劉, S·達拉爾, J·克呂克爾 申請人:皇家飛利浦有限公司