用于基于医学图像的组织消融的个体化计算的系统和方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2014年2月26日提交的美国临时申请No. 61/944,713的权益，其公 开通过引用合并于此。
技术领域
[0002] 本发明涉及消融治疗方案，并且更具体地涉及利用医疗成像数据进行组织消融的 患者特定模拟。
【背景技术】
[0003] 尽管癌症治疗中具有最新发展，但是腹部（包括肝脏）的原发和转移性肿瘤的治 疗仍然存在重大挑战。例如肝脏细胞癌（HCC)是全世界最常见的恶性肿瘤之一（每年超过 1百万病例），其中由于C型肝脏炎的发展盛行而在西方国家更多见。对于原发肝脏癌和肝 脏转移性肿瘤而言，肝脏切除术（部分肝脏切除术）是患有局限性疾病的患者的当前最优 选择。在早期HCC的所选病例中，还可以考虑全部肝脏切除术结合肝脏移植。遗憾的是，少 于25%的患有原发或次发肝脏癌的患者作为切除术或移植的候选人，这主要是由于肿瘤类 型、位置、或潜在的肝脏疾病。因此，更多的兴趣聚焦于消融方法，以用于治疗无法切除的肝 脏肿瘤或者用于不适于手术的患者。这一技术采用的是局部原位肿瘤破坏，而不是切除。可 利用许多方法来局部消融组织。最常用的是射频消融（RFA)，但是也可以使用其它技术，包 括乙醇注射、冷冻治疗、不可逆的电穿孔、以及微波消融。
[0004] 通过将探头置于恶性组织内或附近来执行RFA过程。探头尖端的电极产生热量， 其传导进入周围组织，引起高于50摄氏度温度下的凝固性坏死。为了预防复发，如果所产 生的坏死区域完全覆盖肿瘤，则RFA过程就被认为是成功的。为了将探头置于目标位置，医 生需要依赖手术期间的成像技术，例如超声。然而，这一过程的成功取决于探头的优化配置 和有关循环系统的热量传递以及肝脏和肿瘤的组织特性。消融的成功还受到消散热量的肝 脏血管的影响，从而可能会降低RFA效率。不同的放置会具有不同的结果，并且有时候需要 为了最优过程而结合连续消融。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种用于利用医学图像进行肿瘤消融的个体化方案和引导的方法 和系统。本发明的实施方式聚焦于肝脏肿瘤并建模消融的效果，包括热扩散和对流、细胞坏 死、以及通过血管和肝脏的血流，特别聚焦于根据患者数据对模型参数的估计，从而使模型 能够捕捉患者肝脏对于热量的反应。从患者的医学图像开始，例如计算机断层扫描（CT)或 磁共振成像（MRI)图像，本发明的各实施方式根据患者数据来估计热传递中包含的组织参 数，以对患者进行肝脏肿瘤射频消融（RFA)的个体化模拟。由于组织特性因个体而不同并 且由于疾病（例如，肝脏硬化、肥胖、肿瘤、等等）的原因，个体化步骤是有益的。依赖于患 者医学图像的RFA前向模型是以热扩散、细胞坏死的计算模型以及同时模拟肝脏血管和肝 脏主质（parenchyma)中血液循环的血流测定仪为基础的。本发明的实施方式利用优化器 估计患者特定组织参数，从而使模拟的被破坏肿瘤组织与所观察的病灶相匹配。患者特定 组织参数随后通过模拟不同的消融策略可用于规划其它消融以用于其它病灶或当前病灶 的消融细化。这一模型还能够随着进行更多次消融而迭代地改善，以用于越来越精确的预 消融方案。除了病灶以外，或者替代病灶，本发明的各实施方式还能够类似地用于匹配模拟 和测量的温度图。本发明的各实施方式显示估计的患者特定组织参数，以及患者特定温度 扩散图、细胞坏死图和产生模拟消融图的虚拟探头位置和参数。
[0006] 在本发明的一个实施方式中，根据患者的医学图像数据来估计肝脏主质和血管的 患者特定解剖模型。根据模拟消融结果和第一消融观测值来估计患者特定生物热模型，其 组合了肝脏主质和血管中的血流、肝脏中的热扩散和细胞坏死。利用患者特定生物热模型 来针对患者进行一种或多种虚拟消融。生成由于一种或多种虚拟消融导致的模拟坏死的可 视化显示。
[0007] 通过参考下面的详细描述和附图，本发明的这些和其它优势对于本领域普通技术 人员而g是显而易见的。
【附图说明】
[0008] 图1图示了根据本发明实施方式的、用于肝脏肿瘤消融的患者特定方案和治疗引 导的方法；
[0009] 图2图示了估计患者特定肝脏解剖模型的示例性结果；
[0010] 图3图示了患者特定肝脏解剖模型中示例性血流模拟的结果；
[0011] 图4图示了根据本发明实施方式的、用于估计消融模拟的个体化组织参数的框 架；
[0012] 图5图示了利用个体化参数进行消融模拟的示例性结果；以及
[0013] 图6是能够实现本发明的计算机的高级框图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明涉及利用医学成像数据进行肿瘤消融的患者特定建模与模拟，以用于治疗 方案和引导。本文描述了本发明的各实施方式，以给出对于利用医学成像数据进行患者特 定建模与模拟的方法的可视化理解，例如在肝脏肿瘤的情况下。然而，可以将相同的方法用 于能够通过消融疗法来治疗的其它肿瘤。所提出的发明还能应用于依赖热传递的其它消融 技术。数字图像通常由一个或多个对象（或形状）的数字表示组成。对象的数字表示在本 文中通常在识别和操作对象方面来描述。这些操作是计算机系统的存储器或其它电路/硬 件完成的虚拟操作。因此，应当理解的是，本发明的各实施方式可在计算机系统内利用本地 或远程存储且由计算机系统访问的数据执行。
[0015] 本发明的各实施方式在射频消融（RFA)期间基于根据诸如计算机断层扫描（CT)、 磁共振图像（MRI)、旋转血管造影术、或超声（US)的医学图像和测量值估计的患者特定解 剖和组织参数，利用计算模型用于热传递和细胞死亡的患者特定模拟。当温度图不可用时， 能够根据在患者上执行的保守消融来调整模型。来自在患者上执行的消融的信息随后用于 个体化计算模型的参数，以在多个病灶需要治疗时用于更精确、定向的消融或其它消融。因 此，该方法适于多阶段消融过程。此外，随着多次消融的进行，个体化能够改善。本发明的各 实施方式利用Lattice Boltzmann方法（LBM)不仅来计算热扩散和细胞坏死，还计算肝脏 组织中的血液和主质血流。肝脏组织中血流的计算依赖于计算流体动力学（CFD)测定仪， 其合并空间变化的多孔部分以同时处理肝脏主质和大血管。
[0016] 本发明的各实施方式提供一种肝脏肿瘤消融的快速患者特定模拟的方法，其能够 在临床环境中交互式使用。用于求解生物热方程的LBM实现方式提供了高度并行可扩展 性，并进而能够在巨大的并行架构（例如图形处理单元（GPU))中执行。利用这种并行实现， 肝脏肿瘤消融模拟能够响应于用户交互而有效地执行，这允许使用者在有效地交付消融治 疗之前利用临床环境中的模拟来交互式地计划肝脏肿瘤消融治疗。测定仪的计算效率还允 许系统的介入性使用，其中临床医生在每次消融之前执行微方案以优化治疗交付。在每一 个，模型能够为了更精确的方案基于观察到的消融结果而细化。
[0017] 图1图示了根据本发明实施方式的、用于肝脏肿瘤消融的患者特定模拟的方法。 图1的方法对代表患者肝脏解剖结构的医学图像数据进行转化，以估计患者的个体化组织 参数并提供肝脏肿瘤消融的患者特定模拟。在步骤102,接收患者至少肝脏区域的3D医学 图像数据。只要待治疗的肝脏区域在医学图像数据中是可视的，就能够利用任意类型的医 学成像模式来获取手术前的3D图像数据，例如计算机断层扫描（CT)、三维旋转血管造影 术、磁共振成像（MRI)、超声（US)、正电子发射断层成像（PET)等等。医学图像数据能够直 接从图像获取设备接收，例如CT扫描器、C臂图像获取设备、MRI扫描器、或US扫描器，或者 通过装载患者预先存储的图像数据（手术前获取的）来接收。在一个可能的实施方式中， 患者可接收造影剂，其通常对于X射线是不透明的。造影剂聚集或处于循环系统中，从而使 血管与组织形成对比。
[0018] 在步骤104,消融过程在患者肝脏的目标肿瘤位置上执行。消融过程是通过将消融 探头置于患者肝脏内对应于目标肿瘤的位置而在患者上执行的真实的RF消融。探头尖端 处的电极产生热量，其传导进入周围组织，引起周围组织的细胞坏死。应当理解的是，实际 消融过程在图1的步骤104执行，并且