本发明涉及一种用于创建消融体积的系统以及一种用于控制由涂施器的头部每次发射的能量的量以在目标对象内创建消融体积的方法。
消融是指通过将任何类型的能量引入身体产生破坏、通过所述破坏间接去除器官和/或器官部分的医学过程。更具体地说，在肿瘤学中，通过将能量(即热量)或冷量引入肿瘤组织来破坏肿瘤，使肿瘤组织被破坏。迄今为止，典型地使用针状的涂施器实施医学消融，所述涂施器被手动地或机器人式地放置在解剖目标中或接近解剖目标放置，并且其中放置过程得到医学成像支持，如果可用的话还得到仪器指导技术支持。
基于上文，本发明的根本问题是提供一种用于创建消融体积的系统，所述系统允许关于目标对象更精确地并且可再现地创建消融体积。
所述问题通过具有权利要求1的特征的系统来解决。优选的实施方式陈述在从属权利要求中并且描述如下。
根据权利要求1，用于创建包括目标对象或目标对象至少一部分的消融体积的所述系统包括：
-涂施器，所述涂施器包括头部，所述涂施器被配置为插入到患者的身体中以便将所述头部定位成进入或接近位于所述身体内部的目标对象(例如肿瘤)，并且其中，所述涂施器被配置为经由所述头部发射提供给涂施器的能量，以便创建至少包括所述目标对象的区域的消融体积，
-跟踪系统，所述跟踪系统被配置为跟踪头部相对于目标对象的位姿(pose，姿势)的位姿，其中，所述跟踪系统还被配置为提供指示涂施器的头部相对于目标对象的相对位姿的信号，以及
-能量控制单元，所述能量控制单元被配置为响应于所述信号来控制涂施器对所述能量的发射。
特别地，在本发明的框架中，概念位姿是指相应身体的位置和取向，并且因此特别地包括至少六个参数，即用于表征相应身体的位置的三个参数以及用于表征相应身体的取向的三个参数。
优选地，所述涂施器形成为伸长的针，以允许经由皮肤进入患者的身体。
使用根据本发明的系统，可以根据涂施器头部和目标对象之间的空间关系来创建取决于它们的属性(例如位置、取向、尺寸和形状)的消融体积。
这允许以更好的精度控制相对于目标结构的消融体积的正确创建。此外，可以创建不规则形状的消融体积，所述不规则形状的消融体积允许以最佳可用的灵敏度和特异性完成不规则形状的目标对象的消融。
根据本发明的优选的实施方式，能量控制单元被配置为当如由跟踪系统测量的头部和目标对象之间的距离低于预定值时，自动地触发能量经由所述涂施器的头部朝向目标对象的发射，以产生所述消融体积。
此外，根据本发明的优选的实施方式，跟踪系统被配置为使用下述中至少之一来确定涂施器的头部的位姿和目标对象的位姿：电磁跟踪、光学跟踪、基于光纤的跟踪、基于飞行时间的跟踪、或其任意组合。
特别地，在电磁跟踪中，优选地使用发送器(磁场发生器)以在传感线圈中感应电流，所述传感线圈可以嵌入到被跟踪的对象中。此外，在光学跟踪中，优选地使用立体相机来跟踪基准标记，所述基准标记附接到器械或感兴趣的解剖结构。此外，在基于光纤的跟踪中，通过光纤布拉格光栅(fbg)测量光纤的弯曲度以估计沿其长度的位置和取向。最后，在基于飞行时间的跟踪中，可以使用范围成像相机系统(rangeimagingcamerasystem，距离成像相机系统)，针对图像的每个点测量相机和主体之间的光信号的飞行时间，基于已知的光速解析距离。
此外，在本发明的实施方式中，跟踪装置/系统包括显示装置(例如用于以光学方式显示信息的显示器)，以显示涂施器的头部相对于目标对象的位置或位姿的位置或位姿，优选地是实时的。
此外，根据本发明的优选的实施方式，能量控制单元被配置为使用所述信号动态地控制能量经由涂施器的头部到目标对象的时间和空间递送，所述信号特别地由跟踪系统以准连续的方式提供。因此，能量控制单元根据涂施器的头部相对于目标的所述相对位姿来控制能量的发射。此外，时间控制特别地意味着能量的发射是时间的明确(distinct，显著、独特)的函数。
此外，根据实施方式，能量控制单元被配置为控制能量的发射，使得每单位时间和单位体积被递送到目标对象的能量是根据头部和目标对象之间的相对位姿(即6d)和/或根据所述相对位姿(即速度、加速度等)的导数(derivative，派生物)得出的线性或非线性(特别是连续的)函数。
特别地，被递送的所述能量可以根据头部和目标对象之间的距离增加和/或减少。
特别地，被递送的所述能量可以根据头部相对于目标对象的位置增加和/或减少。
此外，特别地，被递送的所述能量可以根据头部的位置以及涂施器或头部相对于目标对象的空间取向(即取决于相对位姿)增加和/或减少。
此外，根据本发明的优选的实施方式，涂施器被配置为经由其头部发射的所述能量使目标对象在所述消融体积内升温，使得消融体积中的目标对象的材料属性随后被改变。特别地，所述能量是下述中之一：交替电磁场(即射频、微波、光)形式的能量或其他种类的能量。
此外，根据本发明的优选的实施方式，涂施器包括用于手动地移动涂施器的手柄或用于自动地移动涂施器的装置。特别地根据预先存在的基于图像的计划，使用用于自动地移动涂施器的装置易于创建任意形状的消融体积。
此外，根据本发明的优选的实施方式，所述系统被配置为借助用于自动地移动涂施器的装置通过沿着预定轨迹移动涂施器来产生具有预定形状的消融体积。
此外，根据本发明的优选的实施方式，跟踪系统包括用于测量目标对象的位姿的第一跟踪设备，其中所述第一跟踪设备被配置为放置到患者的身体中，所述身体包括所述身体内部的所述目标对象，并且其中优选地，第一跟踪设备是被配置为用于发送指示目标对象的位置或位姿的电磁信号的第一发送器。然而，可替代地，所述第一跟踪设备是外部附接的第一跟踪设备，即，布置在患者体外。
此外，根据本发明的优选的实施方式，跟踪系统包括用于测量涂施器头部的位姿的第二跟踪设备，其中，所述第二跟踪设备被布置在涂施器上，特别地被布置在涂施器的头部上，并且其中优选地，第二跟踪设备是被配置为用于发送指示涂施器的头部的位置或位姿的电磁信号的第二发送器。
此外，根据本发明的优选的实施方式，系统包括伸长的柔性装置(或伸长的柔性设备)，所述柔性装置在所述柔性装置(或设备)的尖端处包括所述第一跟踪设备，其中，所述柔性装置(或设备)被配置为经由患者的体腔、特别地经由患者的动脉或静脉血管系统被放置进入或接近目标对象。
优选地，根据本发明的优选的实施方式，所述伸长的柔性装置或设备是优选地被配置为用于经导管动脉化疗栓塞(也表示为tace)的血管内导管，或用于导管(例如被配置为用于tace的导管)的导丝。
这里，特别地，包括电磁发送器形式的所述第一跟踪设备的所述导管或导丝被引导为尽可能接近目标对象(例如肿瘤)。使用减影血管造影术，可以推断目标对象相对于第一跟踪设备的位姿并且可以定义空间目标位置。涂施器的头部包括也是电磁发送器的第二跟踪设备。涂施器头部相对于导丝或导管(第二跟踪设备)的相对位置或位姿被连续地测量并且可以被显示在显示设备上。用户因此可以将涂施器头部精确地引导到目标对象。
此外，根据本发明的优选的实施方式，涂施器头部被配置为提供能量分布的方向性，其中，能量控制单元特别地被配置为根据下述中至少一个控制目标对象中的结果的空间能量分布：涂施器的头部相对于目标对象的相对位姿、头部相对于目标对象的取向、头部相对于目标对象的位置、医学图像数据、目标对象的属性。
此外，根据实施方式，涂施器的头部包括用于将能量递送到目标对象的多个独立的能量发射元件，其中，所述元件特别地沿着头部的纵向轴线并排布置和/或沿着头部的周缘(所述周缘沿着垂直于所述纵向轴线延伸的平面延伸)并排布置。特别地，能量控制单元被配置为控制相应的能量发射元件以便产生所述结果的空间能量分布。
此外，根据本发明的优选的实施方式，所述系统包括多个涂施器，其中，每个涂施器包括头部并且被配置为插入到患者的身体中以便将相应的头部定位成进入或接近所述目标对象(特别是肿瘤)，并且其中，相应的涂施器被配置为经由相应的头部发射提供给相应的涂施器的能量，以便创建具有预定形状并且至少包括所述目标对象的区域的消融体积。
此外，本发明的又一方面涉及一种如权利要求20所主张的用于控制由涂施器的头部每次发射的能量的量以在目标对象内创建消融体积的方法。
据此，将涂施器引导至目标对象时，借助于跟踪系统测量数据，所述数据与涂施器的头部相对于目标对象的位姿的相对位姿有关，并且其中，根据涂施器相对于目标对象的所述相对位姿自动地控制由涂施器的所述头部发射的能量。
此外，根据本发明的优选的实施方式，涂施器的头部的位姿和目标的位姿两者借助于下述中之一来测量：电磁跟踪、光学跟踪、基于光纤的跟踪或基于飞行时间的跟踪(也参见上文)。
此外，根据本发明的优选的实施方式，以来自跟踪系统的准连续的输入为基础动态地控制能量经由涂施器的头部的时间和空间递送。
此外，根据本发明的优选的实施方式，能量(优选地以交替电磁场形式，例如射频、微波、光或其他种类的能量)经由涂施器的头部发射到目标对象中，使目标对象附近或周围的感兴趣的组织体积、或者包括目标对象或目标对象至少一部分的感兴趣的组织体积被破坏。
此外，根据本发明的优选的实施方式，涂施器的头部被手动地引导至目标对象。
此外，根据本发明的优选的可替代的实施方式，使用用于自动地移动涂施器的装置例如机器人的手臂将涂施器的头部自动地引导至目标对象。
此外，根据本发明的优选的实施方式，所述装置被配置为以预定方式将能量发射到目标对象时移动涂施器的头部，以便给消融体积以预定形状，所述预定形状反之难以或不可能手动地实现。
此外，根据本发明的优选的实施方式，使用外部附接的跟踪设备或使用内部放置的跟踪设备(也参见上文)来测量目标对象的位置或位姿，其中特别地，如上所述，可以使用针状或导管状的器械将内部放置的跟踪设备(例如，信标)放置在待被消融的目标体积附近或待被消融的所述目标体积内。
此外，根据本发明的优选的实施方式，将涂施器的头部的位姿和目标对象的位姿两者共配准(co-register)到先前获得的或即时获得的医学图像数据集，从而允许随后的对解剖结构的注释和/或对消融效果的模拟和推断。
此外，根据本发明的优选的实施方式，涂施器的头部提供能量分布的方向性，其中特别地，目标对象中的结果的空间能量分布根据下述中至少之一被控制：涂施器和目标对象的相对位置、可用图像数据以及另外可用的目标属性。
此外，根据本发明的优选的实施方式，使用了多个可以被设计为如本文所描述的涂施器的涂施器，其中这些涂施器被同步地或异步地引入到目标对象中或目标对象附近。
此外，根据本发明的优选的实施方式，能量经由多个单独的所述涂施器(例如经由相应的头部)被发射到目标对象中，以便根据计划创建限定的消融体积。
此外，根据本发明的优选的实施方式，根据预定的基于图像的计划来自动控制预定的消融体积的创建。
本发明其他的特征、实施方式、方面和优点将参照附图借助于具体实施方式进行描述，其中：
图1示出了根据本发明的系统的示意图；
图2示出了根据本发明的系统的单独的组件的通信；并且
图3示出了为了创建具有复杂的预定形状的整体消融体积，使用根据本发明的系统/方法叠加单独的消融体积的可能性；并且
图4至图6示出了根据本发明的涂施器的不同的头部，所述涂施器的不同的头部分别包括多个能量发射元件的。
图1结合图2和图3示出了用于在目标对象1内创建消融体积20的系统s，所述目标对象可以是位于患者身体内部的肿瘤，通过产生包括目标对象1的消融体积20、即通过充分加热目标对象1，所述肿瘤将被破坏。
为此，系统s包括涂施器2，特别是伸长的针的形式，所述伸长的针能够经由皮肤进入目标对象1附近。涂施器包括头部2a，涂施器2被配置为经由所述头部发射借助于合适的能量源提供给涂施器2的能量e。例如在[1]中描述了这种涂施器2。
这允许人们通过控制经由所述头部2a朝向目标对象1每次发射的能量e的量来创建消融体积20。
所述系统还包括跟踪系统6，所述跟踪系统被配置为跟踪头部2a相对于目标对象1的位姿5的位姿4，其中跟踪系统6还被配置为提供指示涂施器2的头部2a相对于目标对象1的相对位姿的信号6a，并且能量控制单元10被配置为响应于所述信号6a来控制涂施器2的头部2a对所述能量e的发射。特别地，能量控制单元10被配置为当头部2a和目标对象1之间的距离低于预定值时自动触发能量e经由所述涂施器2的头部2a朝向目标对象1的发射，以产生所述消融体积20。
为了验证与涂施器2的头部2a相对于目标对象1的空间位置有关的数据6a，跟踪系统6可以被配置为使用第一跟踪设备3b来测量目标对象1的位姿5。
这里，系统可以包括伸长的柔性装置或设备3(例如导管)，所述柔性装置在所述柔性装置3的尖端3a处包括所述第一跟踪设备3b，其中所述柔性装置3被配置为经由患者的体腔被放置成进入或接近目标对象1。第一跟踪设备优选地被配置为发送指示柔性装置3的尖端3a的位置的电磁信号。因此，通过使柔性装置3的尖端3a接近目标对象1，第一跟踪设备3b实际上揭示了目标对象1的位置。目标对象1和所述尖端3a之间的空间偏移可以由医学图像数据确定，使得一旦知晓尖端3a的位置，人们就可以精确地确定目标对象的位置。
跟踪系统6还可以包括第二跟踪设备2b，所述第二跟踪设备也可以作为被配置为也发送电磁信号的(第二)发送器被形成，所述电磁信号指示涂施器2的头部2a的位置。因此，跟踪装置/系统可以提供信号6a，所述信号提供涂施器2的头部2a相对于目标对象1的位置。
特别地，所述伸长的柔性装置/设备3可以是导管或导管的导丝，所述导丝可以优选地被配置为用于经导管动脉化疗栓塞(tace)。这允许人们以有利的方式将消融体积20的创建与tace治疗相结合。
能量控制单元10现在被配置为一旦头部2a和目标对象1之间的距离低于某个阈值就触发能量e经由头部2a朝向目标对象1的发射，以便产生包括目标对象1的消融体积20。
使用信号6a，借助于用于自动地移动涂施器的装置2d(例如机器人手臂)，涂施器2的头部2a也可以沿着可预定轨迹朝向目标对象1被自动地移动。这也允许人们通过在不同位置处产生更小的消融体积vi来创建具有更复杂形状的消融体积20，如图3所示。然而，使用例如涂施器2的手柄2c也可以手动地引导涂施器2。
为了能够在视觉上控制和/或观察消融过程，跟踪装置6优选地包括显示装置11(例如用于以光学方式显示信息的显示器)，以显示例如涂施器2的头部2a相对于目标对象1的位姿的位姿。
此外，图3所示的复杂的消融体积20也可以通过使用多个涂施器2来产生，其中每个涂施器2包括头部2a，并且被配置为插入到患者的身体内以便将相应的头部2a定位成进入或接近所述目标对象1。这里，每个涂施器2可以被配置为产生共同形成图3所示的消融体积20的消融体积vi。
根据图4至图6，根据本发明的系统可以包括头部2a，所述头部包括多个独立的能量发射元件an或an,m，用于将能量ei或ei,j递送至目标对象1(在图4至图6中未示出)，其中所述元件an、an,m沿着相应的头部2a的纵向轴线l并排布置和/或沿着相应的头部2a的周缘u并排布置，其中特别地，能量控制单元10被配置为控制相应的能量发射元件an、an,m，以便根据相应的元件an、an,m的控制、布置和特征产生对于不同方向可以不同的期望的空间能量分布。
特别地，如图4所示，可以沿着头部2a的纵向轴线一个接一个地布置数个这样的元件a1，a2，...，an，其中每个元件an都被配置为独立地发射圆柱形对称样式的能量ei，如图4的下部中的图4的横截面图所示。
可替代地，如图5所示，可以沿着头部2a的周缘u一个接一个地布置数个这样的元件a1，a2，...，an，其中每个元件an都被配置为在某一方向上(或者主要在某一方向上，例如在相对于头部2a的径向方向上)独立地发射能量ei，如图5的下部中的图5的横截面图所示。
此外，可替代地，如图6所示，可以将图4和图5的实施方式结合，使得头部2a包括沿着纵向轴线l而且沿着周缘u布置的数个这样的元件an,m。因此，头部2a包括布置在头部2a的表面上的这样的元件an,m的二维阵列。这里，能量的发射可以沿着纵向轴线l(如图4中)而且在周缘u的方向上(如图5中)变化。
特别地，在实施方式中，能量控制单元10被配置为根据头部2a(或者单独的元件an或an,m)相对于目标对象1的相对位姿来控制单独的元件an或an,m。因此，能量ei/ei,j可以以非常精确的方式被递送到目标对象1。
在下文中，本发明的另一方面(项目1)和对应的实施方式被陈述为项目，其中括号中的附图标记也指的是附图。关于这些项目，也涉及上述方法。
项目1：一种用于控制由涂施器(2)的头部(2a)每次发射的能量(e)的量以在目标对象(1)内创建消融体积(20)的方法，其中将涂施器(2)的头部(2a)引导至目标对象(1)时，借助于跟踪系统(6)测量数据，所述数据与涂施器(2)的头部(2a)相对于目标对象(1)的位姿的相对位姿有关，并且其中，根据涂施器(2)相对于目标对象(1)的所述相对位姿自动地控制由涂施器(2)的所述头部(2a)发射的能量(e)。
项目2：根据项目1所述的方法，其中涂施器的头部(2a)的位姿和目标对象(1)的位姿借助于下述中之一来测量：
电磁跟踪、光学跟踪、基于光纤的跟踪或基于飞行时间的跟踪。
项目3：根据项目1或2所述的方法，其中以来自跟踪系统(6)的输入(6a)为基础控制能量(e)经由涂施器(2)的头部(2a)的时间和空间递送。
项目4：根据项目1至3中任一项所述的方法，其中能量(e)经由涂施器(2)的头部(2a)发射到目标对象(1)中，使目标对象(1)附近或周围的所述消融体积(20)中的组织被破坏。
项目5：根据项目1至4中任一项所述的方法，其中涂施器(2)的头部(2a)被手动地引导至目标对象(1)。
项目6：根据项目1至4中任一项所述的方法，其中使用用于自动地移动涂施器(2)的装置(2d)将涂施器(2)的头部(2a)自动地引导至目标对象(1)。
项目7：根据项目6所述的方法，其中所述装置(2d)被配置为以预定方式将能量(e)发射到目标(1)时移动涂施器(2)的头部(2a)以便给消融体积(20)以预定形状。
项目8：根据项目1至7中任一项所述的方法，其中使用外部附接的跟踪设备或使用内部放置的跟踪设备(3b)来测量目标对象(1)的位置。
项目9：根据项目1至8中任一项所述的方法，其中涂施器(2)的头部(2a)的位姿和目标对象(1)的位姿两者被共配准到医学图像数据集，并且其中，基于所述医学图像数据，对解剖结构进行注释并且自动计算期望结果的仿真和/或推断。
项目10：根据项目1至9中任一项所述的方法，其中，涂施器(2)的头部(2a)提供能量分布的方向性，并且其中目标对象(1)中的结果的空间能量分布根据下述中至少之一被控制：涂施器(2)的头部(2)与目标对象(1)的相对位置、可用的图像数据以及另外可用的目标属性。
项目11：根据项目1至10中任一项所述的方法，其中使用了被同步地或异步地引入到目标对象(1)中或所述目标对象附近的多个涂施器(2)。
项目12：根据项目1至11中任一项所述的方法，其中能量(e)经由多个单独的所述涂施器(2)被发射到目标对象(1)中，以便创建限定的消融体积(20)。
项目13：根据项目1至12中任一项所述的方法，其中根据预定的基于图像的计划来自动控制预定的消融体积(20)的创建。
参考文献
[1]breen,d.j.&lencioni，r.nat.rev.clin.oncol.12,175-186(2015)；2015年1月20日在线发表；doi:10.1038/nrclinonc.2014.237