消融规划系统的制作方法
【专利摘要】一种消融规划系统包括被配置为允许选择用于规划消融流程的输入的用户接口（104）。所述用户接口还被配置为将消融探头的选择以及适用于选择的探头的消融功率、持续时间或参数的一种或多种组合包含于所述输入中以设定消融体积的尺寸。所述用户接口包括用于呈现患者的内部图像的显示器，所述显示器允许针对所述内部图像上的不同进入点对所述消融体积进行可视化。优化引擎（106）耦合到所述用户接口以接收所述输入并被配置为输出包括空间消融位置和消融的时间信息的优化治疗计划，从而减小附带损伤、将覆盖区域最大化并在规划的目标体积中避开关键结构。
【专利说明】消融规划系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年7月28日提交的共同转让的临时申请N0.61/512510的优先权，以及2011年8月4日提交的共同转让的临时申请N0.61/514914的优先权，都通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003]本公开涉及医疗处置系统和方法，具体而言，涉及用于准确度提高的患者处置的消融规划系统和方法。
【背景技术】
[0004]微波消融(MWA)是用于处置在肝、肾和肺中最常见的局部肿瘤的微创流程。对于大的或不规则形状的病变，处置需要一个以上的疗程，且医师必须提前规划在何处放置针以及需要多少消融。MWA已成为用于介入癌症处置的推荐处置模态，并在近几年得到越来越多的关注。与射频消融(RFA)相比，MWA提供更快速且更大体积的组织加热，并且能够以协同效应同时使用多个天线，例如，消融体积可以被增加以超过利用几个连续的单探头消融可实现的消融体积。此外，由于热沉效应(例如，由邻近肿瘤体积的血管提供的冷却)，MWA不易受减小的消融体积的影响。
[0005]消融的脑力规划是一项艰巨的任务。医师必须使用在不同取向上的重叠的椭球形消融体积来勾画三维肿瘤体积的完整范围。不足或不精确的规划导致不完全的处置以及癌症或其他影响的潜在复发。传统上，优选通过单个进入点插入的单个消融探头来减少创伤。然而，如果多个探头是临床上可用的，相比利用传统的单个探头单元而言，能够更有效地处置大的或不规则形状的病变，从而潜在地减少了流程时间以及复杂性。具有多个进入点的脑力规划甚至能够是更加艰巨的任务。医师必须使用来自不同取向的重叠的椭球形消融体积以勾画并规划如何完全覆盖三维肿瘤。不足且不精确的规划导致不完整的处置以及癌症的潜在复发。
【发明内容】
[0006]根据本发明原理，一种消融规划系统包括被配置为允许选择用于规划消融流程的输入的用户接口。所述用户接口还被配置为将消融探头的选择以及适用于选择的探头的消融功率、持续时间或参数的一种或多种组合包含在所述输入中以设定消融体积的尺寸。所述用户接口包括用于呈现患者的内部图像的显示器，所述显示器允许针对所述内部图像上的不同进入点对消融体积进行可视化。优化引擎耦合到所述用户接口以接收所述输入并被配置为输出包括空间消融位置和消融的时间信息的优化治疗计划，从而减小附带损害、将覆盖区域最大化并在规划的目标体积中避开关键结构。
[0007]消融规划系统包括被配置为允许选择用于规划消融流程的输入的用户接口，所述用户接口还被配置为将消融持续时间包含在所述输入中以设定消融体积的尺寸。所述用户接口包括用于呈现患者的内部图像的显示器。所述显示器允许针对所述内部图像上的不同进入点对消融体积进行可视化，并且所述显示器被配置为呈现患者的内部图像，并提供选择控制，以使用户能够选择内部图像和内部图像的视图。数据库被配置为存储所述内部图像和关于消融探头的信息，以通过将功率和时间特性与所述消融体积的尺寸和形状相关联，辅助确定针对给定规划的目标体积的消融体积的尺寸和形状。优化引擎耦合到所述用户接口以接收所述输入并被配置为输出包括空间消融位置和针对最低所需的消融持续时间的时间信息的优化治疗计划，从而减小附带损害、将覆盖区域最大化并在规划的目标体积中避开关键结构。[0008]一种用于规划消融流程的方法包括:在用户接口的显示器上显示患者的内部图像；使用所述用户接口选择消融探头或探头组以执行消融流程；在所述内部图像上选择针对消融探头或探头组的一个或多个进入点；针对一组输入向优化引擎输入信息以确定消融体积的尺寸和形状，所述一组输入包括选择的消融探头或探头组、选择的一个或多个进入点、时间和功率信息；并且基于减小附带损伤、将覆盖区域最大化以及在规划的目标体积中避开关键结构，从所述优化引擎输出优化治疗计划。
[0009]本公开的这些和其他目的、特征和优点将从其说明性实施例的以下详细描述变得显而易见，要结合附图阅读该描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]将参考以下附图在优选实施例的以下描述中详细呈现本公开，其中:
[0011]图1是示出了根据本原理的消融治疗系统的高层次实施例的框图；
[0012]图2是示出了根据一个说明性实施例的用于规划消融流程的说明性图形用户接口的图；
[0013]图3是示出了图2的说明性图形用户接口的另一幅图，其示出了根据说明性实施例的用于规划消融流程的图像细节；
[0014]图4是示出了根据说明性实施例的用于规划消融流程的图像上的更多细节的另一幅图；
[0015]图5是示出了根据说明性实施例的用于规划、执行或训练消融流程的步骤的框图
/流程图；
[0016]图6是示出了根据本原理的用于规划并执行消融流程的系统的框图；并且
[0017]图7是示出了根据另一个说明性实施例的，用于使用图6的系统规划、执行或训练消融流程的步骤的框图/流程图。
【具体实施方式】
[0018]根据本发明原理，为了生成临床相关且可靠的结果，提供了一种自动化规划系统，其允许精确定位探头以及肿瘤和边缘(规划的目标体积，PTV)的完全覆盖范围。描述了一种自动覆盖方法。将对最佳消融中心的搜索作为迭代非线性优化问题来处理，其中，将成本函数表达为未消融PTV体积以及对邻近健康组织的不希望附带损伤的加权和。这是一个非线性优化问题，其旨在使未处置的癌组织以及被损伤的健康组织最小化。利用图形用户接口(⑶I)实施整个规划系统，图形用户接口(⑶I)允许交互式规划方案，包括适当探头的选择、皮肤进入定位、消融次数规格等。将规划系统整合为电磁引导的导航系统的第一步，其中，执行规划以允许将计划以自适应方式传输到后续的导航工作步骤。
[0019]焦点肿瘤消融是手术切除的有效替代方式。根据一个实施例的微波消融(MWA)规划系统包括数据库、优化引擎和用户接口。该系统提供了优化的消融参数作为输出，以帮助医师将肿瘤覆盖范围最大化，将对健康组织的附带损伤最小化和/或以其他方式，例如避开诸如血管等的关键结构，优化总体流程执行。该系统的用户接口部件有利地提供了专用于微波消融的输入/输出，但也适用于其他具有类似信息需求的消融系统(例如，低温消融)。这样的规划系统能够辅助介入人员使用可从数据库获得的资源信息以及用户指定为输入的信息来最佳地规划消融流程。所述系统的输出包括，但不限于由优化引擎计算的优化的消融参数。
[0020]为了便于有效率且准确地执行消融流程，消融规化系统已经解决了对射频消融(RFA)流程的需求。这样的规化系统一般确定个体消融的数量和/或位置，所述个体消融一起允许完全且有效率地根除肿瘤。然而，这些规化系统未利用MWA技术的特有优点，所述优点可以包括，例如:1)通过当运行MWA设备时选择具体的功率/时间/温度参数来定制消融尺寸的能力；以及2)以协同效应同时插入若干探头，从而进一步增大消融体积并减少流程时间的能力。更迅速破坏组织的结果是，MWA流程一般比RFA更难以控制，并且如果不仔细且有把握地使用，可能导致损害。根据本发明实施例的规划系统解决了 MWA特有参数和工作流程问题，对于帮助医师实现更好的微波消融结果是高度期望的。
[0021]与RFA相比，MWA探头能够在一定范围的消融尺寸中产生消融。消融区的尺寸是时间和供应给探头的功率的函数。适合RFA的规化系统不对具体功率/时间设置提出建议，它们也不能在确定最优消融计划中利用可变的消融尺寸。此外，可能有患者特有的考虑(或计算复杂性和时间约束)，这会限制医生愿意考虑的功率/时间设置的选择。也可能有患者特有的考虑或总体时间/吞吐量的考虑，这会使利用多个同时探头插入的具体处置方式是有利的。
[0022]MWA制造商可以仅提供关于随功率/时间变化的消融体积的有限信息，如果提供，消融信息仅包括离散的功率/时间输入以及其对应的消融尺寸(例如，使用50W的功率,在5分钟、10分钟的消融尺寸)。用户难以使用给定输入的离散区间(例如在8分钟的消融区)外插坏死区的尺寸。本发明实施例通过如下方式克服了这些缺点并满足了现有技术的临床需求:提供了一种具有用户接口、优化引擎和其他部件的微波消融规划系统，其允许有效率地规划并执行微波消融流程。
[0023]应当理解，将根据微波消融描述本发明；然而，预见到其他消融技术。具体而言，本发明原理对于采用针对消融区的时间依赖性变化的消融技术特别有用。在其他实施例中，除了时间依赖性消融处置体积之外或替代时间依赖性消融处置体积，可以采用其他因变量，例如温度依赖性变量、功率依赖性变量等。
[0024]还应当理解，将根据医疗仪器描述本发明；然而，本发明的教义要宽得多，且适用于处置或分析复杂生物或机械系统中采用的任何仪器。具体而言，本发明原理适用于生物系统的内部跟踪和规划流程、身体所有区域(例如肺、胃肠道、排泄器官、血管等)中的流程。图中描绘的元件可以实施于硬件和软件的各种组合中并提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。[0025]能够通过使用专用硬件以及能够与适当软件相结合以执行软件的硬件，提供图中所示的各种元件的功能。当由处理器提供时，能够由单个专用处理器，由单个共享处理器，或由多个个体处理器(其中一些能够是共享的)提供功能。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不得被解释为唯一指代能够执行软件的硬件，而是能够隐含地包括，但不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储器等。
[0026]此外，本文记载本发明的原理、方面和实施例以及其具体范例的所有陈述都旨在涵盖其结构和功能的等价物。此外，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及将来开发的等价物(即开发出来的执行相同功能的任何元件，不论其结构如何)。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本文给出的框图表示体现本发明原理的说明性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，应认识到，任何流程图等表示可以基本表示于计算机可读存储介质中，并因此由计算机或处理器执行的各种过程，无论是否明确示出这样的计算机或处理器。[0027]此外，本发明的实施例能够采取计算机程序产品的形式，可以从提供由计算机或任何指令执行系统使用或结合计算机或任何指令执行系统使用的程序代码的计算机可用或计算机可读存储介质，来访问所述计算机程序产品。出于本说明书的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是包括、存储、传送、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或结合指令执行系统、装置或设备使用的程序的任何装置。介质能够是电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(⑶-ROM)、压缩盘-读/写(⑶-R/W)、DVD 和 Blu-ray?。
[0028]现在参考附图，在附图中类似的数字表示相同或相似的元件，并首先参考图1，高层次框图示出了根据一个说明性实施例的规划系统100。规划系统100辅助医生、技术人员等生成计划，所述计划关于如何消融肿瘤或其他组织、如何对消融计划进行可视化以及如何让评价与所述计划相关联的定量度量。数据库或存储系统102包括用于关于一组消融探头和它们的属性(例如，功率和/或相对于消融体积的时间数据、消融形状/大小特性等)信息的存储设备。使得来自数据库102的这种信息对于用户在用户接口 104处是可用的。应当理解，能够与消融针、消融天线、消融涂药器等交换使用消融探头。优化引擎106优化消融计划并能够从数据库102中读取选择的探头的探头属性。优化引擎106还考虑用户输入，例如，选择的探头、肿瘤分割、皮肤进入点、消融的数量、时间/功率偏好等。优化引擎106使用输入以生成并传送消融计划至用户接口，以用于可视化和修改。
[0029]在一个实施例中，规划系统100包括微波消融(MWA)规划系统。系统100处理MWA专用的参数(作为功率、时间和温度函数的可变的消融尺寸)以及帮助医师实现更好微波消融结果的工作流程。
[0030]消融探头数据库102包括针对不同消融探头的所有相关属性，例如，作为不同时间的函数的消融区的尺寸、针对给定探头的功率设置等。数据库102提供消融探头的资源信息，并且还允许用户通过用户接口 104细化探头属性。用户接口 104允许用户输入并选择所有相关参数以优化消融计划，并且用户接口 104显示(并选择)成为计划计算的输出的结果和选择。输入可以包括，例如，肿瘤分割、一个或多个皮肤进入点、总消融数量或来自每个进入点的消融数量、一个或多个适用于所有进入点或特定(一个或多个)进入点的消融探头的选择、针对给定消融探头考虑的功率/时间设置的子集等。显示的计划输出可以包括，例如，消融的数量和位置，每个消融的形状/大小以及功率/时间设置等。基于计划输出的用户选择可以包括，例如，选择若干可能的功率/时间设置之一以实现给定消融的规划的形状/尺寸。
[0031]优化引擎106优化处置计划，并可以用于监测活动以基于先前事件的执行为未来动作提出建议。用户接口 104与消融探头数据库102相互作用，并将参数传递给优化引擎106。参数包括，例如，与那些消融探头一起使用的用户指定的一组消融探头和用户指定的一组功率时间特性。优化引擎106基于来自用户接口 104的输入和来自消融探头数据库102的资源信息计算消融计划。优化引擎106将消融计划结果传递回用户接口 104以用于显示，并且任选地传递额外的用户选择作为输入。可以定制消融计划以实现许多目标，例如，将肿瘤覆盖范围最大化、将消融数量最小化、将消融时间最小化、将附带损伤最小化等。然而优化引擎106不限于这些目的。
[0032]在一个实施例中，能够将用于最佳消融覆盖范围的搜索看作迭代优化问题。控制消融中心朝向将未消融的规划的目标体积(PTV)(应该消融但未消融的肿瘤组织)以及对健康组织造成的附带损伤最小化的位置。因此能够将优化问题表示为:
[0033]0 = argminC VlirvfV VAi (Q1, e；)(I)
[0034]其中，VPTV是规划的目标体积(PTV)且Vm是在给定皮肤进入点ei处的由参数集Oi表征的第i个消融体积。C是成本函数。Oi是四维(4D)参数，其被定义为:
[0035]&^[tx ty tz sf(2)
[0036]将消融中心(椭球消融模型的中心)在三维空间中表示为tx，ty，tz。s是对从最小值到最大值的半径进行参数化的O到I之间的比例因子。
[0037]与RF消融不同(其中，功率和时间是固定的，消融尺寸不变)，微波消融制造商可以提供一系列的消融尺寸以及其相应的功率/时间设置。根据本发明原理的模型从可用的离散功率/时间输入内插微波消融半径，假设半径随时间和功率增大而成比例地增大。也预见到其他关系。
[0038]使用例如优化技术实施迭代搜索问题以使以下说明性成本函数C最小化:
[0039]
c = v,,TV门(UνΛ,:).μ? +Vp f|(UvA,).μ^.+ Φ.μΡ(3)
[0040]其中，Vptv是PTV体积，VAi是第i个消融体积，μ。和μ。是分别用于未消融PTV和附带损伤的加权因子。两个体积之间的符号η表示两个体积中都设置的体素计数(两个体积的交集)，而符号U表示在任一体积中设置的体素计数(两个体积的并集)。两个体积上方的横杠，成本函数表达式中的Vptv以及所有消融体积的并集U Vai表示体积的逆，即从相应体积“排除”的体素。基于这些在惩罚不希望结果时反映用户偏好的权重对成本函数进行标准化。
[0041]在一些不期望的状况中，将引入惩罚函数Φ。例如，为了同时进行消融，可以提出如下要求:将同时执行的相邻消融保持分开最小距离，以确保最佳地执行消融过程。之后将惩罚函数φ定义为相邻消融中心之间的距离的函数。使用第三表达式μρ.Φ向成本函数增加惩罚，以确保相邻针的消融中心不会过近。惩罚函数的另一个范例是当接近PTV处有关键结构时。该方法可以惩罚消融体积与关键结构交叠的情况。该方法将依次迭代，直到收敛，并获得方程(I)的最优解。在这个过程期间，Vptv (PTV体积)为常数，Vm (第i个消融体积)随着来自集合?i的四个独立参数的正或负扰动而变化。在第一疗程之后允许针对相继的消融疗程重新定位探头。对于单一入口消融，允许探头在PTV之内任何地方移动(无约束搜索)；而对于多入口消融，允许探头沿进入点和消融中心之间的轨迹移动(约束轨迹搜索)。例如，在相继的多消融疗程中，能够以无约束方式在每次消融之后重新定位探头。当使用多个皮肤进入点进行同时消融时，根据在临床实践中如何执行消融，仅允许探头沿进入点和消融中心之间的轨迹移动(约束轨迹搜索)。
[0042]为了对使用同时MWA施用器的协同效应建模，能够调节成本函数C，使得当针几乎平行时，能够从制造商的数据手册外插出应该大于个体消融总和的协同消融体积。优化引擎106考虑提供平行针以生成更大消融区的目标。在另一实施例中，能够使用热物理学原理(例如包括组织属性)对消融尺寸建模，热系数将被整合到模型中并用于使用功率和时间数据估计消融区域。
[0043]参考图2，规划工具或消融处置规划系统200包括用户接口 104的图形用户接口，以用于治疗规划。消融处置规划系统和覆盖范围算法200提供术前CT图像220的图像处理。能够执行肿瘤的快速3D自动或(涉及一些用户交互的)半自动分割，一旦分割出肿瘤，就能够方便地增加通常在5-10_范围中的边缘以决定规划的目标体积(PTV)。之后要求用户挑选优选的消融针和患者皮肤上一个或多个优选针进入点。基于制造商的数据手册和发表关于使用这些探头的动物/患者试验的文献，能够将消融模板建模为具有三个已知半径的球形或椭球形三维对象。如有必要，能够容易地将该方法扩展到其他几何形状。
[0044]在一个实施例中，系统100提示用户从消融探头菜单或嵌板202选择消融探头并在施用器属性子屏230中指定针对给定消融探头考虑的(一个或多个)优选功率和时间组合，当在嵌板202中选择探头或施用器时，子屏230会弹出。子屏230可以包括功率/时间表232，其在功率和时间以及它们导致的消融体积的矩阵中列出。对于每种功率/时间设置，表格232提供了关于消融体积的尺寸的信息，该消融体积被建模为在三维空间中具有三种不同半径的椭球体形状的3D结构(例如，椭球(2，3，0.5))。也可以采用其他形状。用户可以选择期望的建模形状并在图像屏225中的特定位置应用该形状。这些用户输入可以基于用户经验以及对患者解剖结构的理解，并有助于为优化引擎106约束搜索空间。
[0045]可以采用工具200制定或规划完整流程，选择不同探头、不同形状、不同功率/时间等。规划工具200可以包括用户选择的功能，以允许例如，通过选择场204 (RFA或MWA)之一来进行使用不同技术的规划。也可以增加其他技术。这样的技术至少包括时间/功率依赖性消融体积形状 ，以提供高度可定制的且灵活的消融计划。用户可以从存储这些项目的存储器或数据库选择不同的患者208、不同的扫描210、不同的视图212等。可以提供描述嵌板206，其包括关于图像、视图、患者等的数据。也可以提供其他有用的功能214，例如输出计划、打印、报告、缩放等。
[0046]参考图3，根据一个实施例说明性示出了微波消融规划系统200的用户接口实例300。实例300说明性地包括图像302，例如计算机断层摄影扫描、磁共振图像等。在本范例中，图像302包括具有分割后的肿瘤308的肝脏的一部分306。由用户指定皮肤进入点310、311。对于每个皮肤进入点310、311，从嵌板230中的菜单/表格232选择具有优选功率/时间设置的消融探头。优化引擎106提供消融计划，所述消融计划包括规划的消融体积312，连同基于预定义优化目标的推荐的微波消融时间和功率设置。作为一个备选方案，皮肤进入点311用于平行针，平行针可以用于减少总的消融时间。
[0047]使用皮肤上选择的(一个或多个)进入点310或311，在PTV上叠加单个椭球消融，以帮助理解消融的尺寸。得出利用给定消融形状覆盖这一复杂的、高度不规则形状的PTV所需的消融次数的估计对于放射科医师是困难的。本发明实施例基于不同的进入点计算解决方案，并得到交叠的球形/椭球消融，所述交叠的球形/椭球消融以最小的附带损伤最优地覆盖PTV。借助于可视化，放射科医师能够确定消融次数和附带损伤是否可接受。由于计算很快，所以容易修改进入点或针以生成备选计划。而且，以完全自动化的方式进行肿瘤覆盖范围的估计。
[0048]参考图4，说明性地示出了图像400，以展示根据本发明原理的一些特征。图像400包括具有不规则形状的肿瘤410的扫描截面。示出了进入点1404以提供规划的消融体积408，并示出了进入点2402以提供规划的消融体积406。高度不规则的肿瘤410被PTV覆盖，PTV包括使用Covidian-Evidence? MWA探头在45W下进行的两次消融(406和408)。PTV覆盖范围的估计百分比为99.86%，在这种情况下附带损伤为11.13cm3。作为算法的输出，建议来自进入点1404的消融408消融5.3分钟，而建议来自进入点2402的消融408消融9.3分钟。
[0049]再次参考图1并继续参考图2-4，系统100提示用户为选择的探头和用户选择的进入点提供优选的功率/时间设置。优化引擎106提供具有一系列功率和时间组合的消融计划，所述消融计划能够用于(一个或多个)选择的消融探头，以满足预定义的优化目标，例如将肿瘤覆盖范围最大化、将消融次数最小化、将消融时间最小化、将附带损伤最小化等。优化引擎106还可以考虑备选的进入点、消融时间、探头等以更好地实现这些目标。
[0050]规划系统的输入能够在待可视化的成分和呈现样式方面采取各种形式。例如，用户输入能够包括这些成分中的一种或多种:肿瘤分割、一个或多个皮肤进入点、总消融次数或来自每个进入点的消融次数、一个或多个消融探头的选择、针对给定消融探头考虑的功率/时间设置的子集、探头间距离(适用于平行探头插入)等。能够通过多个图形用户接口形式(例如:表格、清单、电子数据表、下拉菜单、针对给定消融设置在2D或3D中提供消融区的图示和注释的信息窗口等)之一呈现用户输入。可以人工或自动执行一个或多个消融探头的选择。例如，能够由用户输入人工指定消融探头类型，或者它们能够经由连接到系统的探头的自动检测在用户接口中被预先选择。
[0051]规划系统的输出也能够在待可视化的成分和呈现样式方面采取各种形式。规划系统的输出可以包括以下中的一个或多个:针对任何选择的探头的推荐功率和时间、每次消融的形状/尺寸、推荐的进入点位置、推荐的探头类型、针对每个皮肤进入点考虑的消融的推荐次数等。能够通过多个图形用户接口形式(例如:表格、突出列表、标记的电子数据表、利用功率/时间建议向原始图像(例如CT)上的估计消融区/参数的显示和/或叠加、肿瘤覆盖范围度量(肿瘤覆盖范围的百分比、附带损伤)等)之一呈现规划系统的输出。[0052]在一个实施例中，输出(例如针对给定探头的功率和时间)能够是输入选择的子集。系统的输出还可以包括误差/警告消息。该系统能够标记警告消息，该警告消息指示用户选择不适于给定的患者解剖结构和肿瘤尺寸/几何形状等。在一个范例中，选择的功率和时间设置可能不能覆盖整个肿瘤。如有必要，用户能够选择通过抛弃当前计划并使用输入的新组合运行计划的新情况来推翻推荐的设置。在规划系统100提供包括针对推荐探头的推荐消融探头类型和功率/时间设置的输出的情况下，系统100还可以用于其他参数优化。例如，在一个实施例中，如果用户仅有消融探头的小选择范围，作为来自优化引擎106的估计结果，系统能够指定应当选择哪个探头来处置这位特定患者。在另一实施例中，系统100能够基于优化引擎106中包括的目标指定哪些皮肤进入点有利地用于流程中。
[0053]优选实施例被应用于图像引导的微波消融；然而，可以采用其他消融系统，尤其是针对每次插入 和消融具有高维度参数空间时。例如，对于可变消融尺寸还随着具体输入参数变化的其他消融模态(例如HIFU、低温)，这些参数能够由用户指定为规划系统100的输入，并通过优化引擎106被优化，从而得到优化的参数的输出。与RF消融不同(其中功率和时间是固定的，消融尺寸不变)，微波消融提供了一系列时间和功率设置，并能够按照需要改变其相应消融尺寸。对于给定的功率，假设三个半径随时间成比例增大，则模型能够从最短时间到最长时间内插微波消融半径。以这种方式，可以确定并使用具体的时间和功率组合实施消融形状和尺寸。假设能够通过应用适当的消融时间来提供消融所需的尺寸和形状。
[0054]为了评估所公开规划方法的准确度，发明人在术前CT图像上生成一系列具有已知几何结构的病变，即合成球形和椭球PTV以充当基础事实。如果规划适当的话，估计的消融中心应当与这些球形/椭球的几何形状中心重合。此外，估计的消融半径应当划定PTV的边界，使得对健康组织的损伤最小。在三个已知几何中心(一个球形，两个椭球)上的三十轮次间，通过比较计算的消融中心与基础事实消融中心获得的平均位置距离误差(MLDE)达到0.66mm (STD:0.22mm)。通过比较计算的消融半径与基础事实半径估计的平均半径距离误差(MRDE)达到0.53mm (STD:0.23mm)。这些初级和说明性结果展示了所述实施例的准确度和鲁棒性。表1示出了模拟的比较结果，以展示所公开方法的准确度和可行性。
[0055]表1:在优化算法十轮次之后，基于与基础事实的比较估计MLDE(mm)和MRDE(mm)。将两个PTV上的三种已知几何结构用于这一测试。
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]参考图5，根据说明性实施例示出了用于规划消融流程的方法。在方框502中，可以显示用户接口的显示器上的患者的内部图像。该图像可以是术前图像、图像的呈现或用于模拟或实践的模型。该图像可以是2D图像或3D图像，并可以包括能够使用用户接口被控制的多幅视图。在方框504中，选择用于使用用户接口执行消融流程的消融探头或探头组。消融探头可以包括微波消融探头，并且信息优选包括用于多个消融形状的功率和时间数据。形状可以包括球形或椭球形，但也可以采用其他形状。在方框506中，在内部图像上选择针对消融探头或探头组的一个或多个进入点。也可以由用户选择或提供其他输入信息。以这种方式，能够组合用户的经验和计算机系统的便利性和功能，以提供协同且有效的规划工具。在方框508中，向优化引擎输入关于消融探头或探头组以及一个或多个进入点的信息。在输入信息中包括时间和功率以确定消融体积的尺寸和形状。为时间依赖性消融体积提供时间和功率，例如消融体积与时间/消融持续时间成正比。也可以在输入中包括其他信息。在方框509中，该组输入可以包括以下中的一个或多个:消融探头类型、误差界限、消融覆盖范围、附带损伤、消融时间等。
[0058]在方框510中，基于例如减小附带损伤、在规划的目标体积中将覆盖区域最大化，从优化引擎输出优化的治疗计划。作为损伤和覆盖标准的替代和/或补充，也可以设置其他标准。在方框512中，治疗计划的优化可以包括基于一组输入将成本最小化。输入可以至少包括一个或多个进入点以及关于消融探头或探头组的信息。在方框514中，成本最小化可以包括计算惩罚函数以针对不希望的效果惩罚成本。可以定制惩罚函数以考虑一种或多种效应，例如采用多个探头、消融部位过近、附近的解剖特征等。可以在用户接口处通过选择不同的情形或患者的生理条件，例如，通过输入附近血管的血流状况，考虑瘢痕组织，输入针对特定患者测量的物理属性等，实时改变成本函数和惩罚函数。优化的治疗计划可以包括以下中的一个或多个:消融探头类型、进入点位置、使用的消融探头数量、最小数量消融的位置、将附带损伤最小化的消融位置、最小化的消融时间等。在方框518中，可以向导航系统中自动输入推荐和/或输出以执行治疗计划。在方框520中，在提供接口时可以使用该系统以执行消融治疗流程(或提供训练)。
[0059]参考图6,根据一个说明性实施例不出了用于消融治疗的处置系统600。系统600可以是治疗规划和流程监测工作站601的一部分，该工作站基于用于流程优化、报告和医师训练的患者特异性基础，链接优化的计划信息、组织交互建模、剂量监测和临床结果数据。系统600可以包括存储器604。数据库604存储患者622的图像611，优选为三维(3D)图像，在该图像上将执行流程。工作站601包括能够执行存储器604中存储的优化治疗计划607的处理器606。
[0060]消融探头导航系统608优选由计算机606的控制并向计算机606提供数据。也可以不用导航系统608人工执行流程。导航系统608从工作站601接收空间信息、命令并执行由规划系统100生成的计划607。工作站601和规划系统100可以集成在一起或可以是独立的单元。
[0061]消融探头或探头组630被选择并被耦合到系统600。在一个实施例中，数据库102和优化引擎106存储在存储器604中。可以从存储器604引用探头信息以获得规划治疗所需的信息。在另一实施例中，通过将一个或多个探头630连接到系统600，该系统感测探头的类型并从存储器604查找探头数据。可以由传感器或成像系统610 (可以包括荧光透视、超声等)收集根据计划607的来自目标632上的消融的反馈。反馈可以包括PTV覆盖面积、实测温度等。
[0062]可以使用用户接口 104执行编程、设备控制、功能监测和/或与工作站601的任何其他交互。显示器619还可以允许用户与工作站601及其部件和功能或系统600之内的任何其他元件交互。这进一步由接口 104促成，接口 104可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其他周边或控制器，以允许来自工作站601或系统600的用户反馈以及与工作站601或系统600的交互。
[0063]参考图7，框图/流程图示出了根据一个说明性实施例的系统600的工作流程700。在方框702中，说明性地描述了治疗计划的输入。在方框704中，在图形用户接口( 104)的显示器(619)上提供一个或多个视图中目标解剖结构的2D和/或3D图像的显示。在方框706中，提供与处置体积相关的输入。与处置相关的输入的范例包括，例如像方框708中提供的规划目标体积的轮廓，其具有包括处置范围的边缘。在方框710中，勾勒出了关键结构以进行覆盖范围排除(例如，不应受到消融损伤的组织)。在方框712中，另一种输入类型包括与消融探头相关的输入。能够从数据库获得这些输入或至少默认输入。在方框714中，选择一个或多个消融探头以进行处置。在方框716中，设置选择的探头的消融功率/时间特性。功率/时间信息基于探头的选择并用于导出消融区域的尺寸和形状。换言之，可以基于时间/功率特性选择特定尺寸和形状的消融区域。可基于针对给定功率的时间数据完全定制尺寸和形状。
[0064]另一种输入类型可以包括方框718中的进入点数据。在方框720中，在图像上选择针对一个或多个消融探头的一个或多个进入点。在方框722中，将选择择的消融探头与一个或多个进入点相关联。不同的进入点和关联的探头类型可以提供不同的结果。因此可以将这些组合提供为输入的形式。在方框724中，也可以将期望数量的消融与每个进入点相关联。在方框726中，还输入标准、加权、误差界限、惩罚等以用于治疗规划优化。
[0065]在方框728中，优化引擎基于从方框702提供的输入提供优化的治疗计划。在方框730中计算优化的治疗计划。在方框732中，对输入采用一个或多个成本函数以优化计划。在方框734中，优化引擎调整所有输入(例如消融位置、尺寸、形状、功率、时间、包括区域、排除区域等)以获取最优成本函数值作为计划结果。
[0066]在方框736中，治疗计划结果被输出并被可视化。所述输出可以包括消融探头的类型和数量、进入点位置、消融中心的位置、所需的最小消融数量、所需的最小消融时间、预测的消融度量、附带损伤、未消融的规划的目标体积区域以及对关键结构的损伤。在方框738中，在显示器上对针对每次消融的规划的消融体积进行可视化。在方框740中，还在显示器上对未处置的肿瘤体积进行可视化。在方框742中，针对每个进入点和消融对规划的消融探头轨迹进行可视化。在方框744中，针对每次消融对功率、时间、消融尺寸和形状等进行可视化。在方框746中，计算定量的覆盖范围度量(例如，PTV覆盖范围等)。根据方框736中的结果，在方框748中进行检查以确定治疗计划是否可接受。可接受性可以基于任意数量的标准，例如覆盖范围、消融的最小数量、流程时间等。如果不能接受，该流程返回到方框702并调用输入的调节或修改。执行重新规划以基于新输入获得更新的结果。
[0067]在解释权利要求的过程中，应当理解:
[0068]a) “包括”一词不排除给定权利要求中列出的那些之外的其他元件或动作的存在；
[0069]b)元件前的量词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件的存在；[0070]c)权利要求中的任何附图标记都不限制其范围；[0071 ] d)可以由同一项目，或者硬件或软件实施的结构或功能表示若干“模块”；并且
[0072]e)不要求特定的动作顺序，除非另行明确指出。
[0073]已经描述了一种消融规划系统的优选实施例(旨在是说明性的而非限制性的)，应注意，本领域的技术人员根据以上教义能够做出修改和变化。因此应理解，可以在所公开的本公开的特定实施例中做出改变，这些改变在权利要求书界定的所公开实施例的范围之内。已经这样描述了专利法要求的细节和特性之后，专利证书主张并希望保护的内容在权利要求书中得以阐述。
【权利要求】
1.一种消融规划系统,包括: 用户接口( 104)，其被配置为允许选择用于规划消融流程的输入，所述用户接口还被配置为将消融探头的选择以及适用于选择的探头的消融功率、持续时间或参数的一种或多种组合包含于所述输入中以设定消融体积的尺寸，所述用户接口包括用于呈现患者的内部图像的显示器，所述显示器允许针对所述内部图像上的不同进入点对所述消融体积进行可视化；以及 优化引擎(106)，其耦合到所述用户接口以接收所述输入并被配置为输出包括空间消融位置和消融的时间信息的优化治疗计划，从而减小附带损伤、将覆盖区域最大化并在规划的目标体积中避开关键结构。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述优化引擎(106)基于一组输入计算成本，并且所述成本被最小化以确定一组输出。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述优化引擎(106)包括惩罚函数，以针对不希望的效果惩罚成本。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入(702)包括以下中的一个或多个:消融探头类型、消融探头数量、一个或多个进入点的位置、在处置计划中待被覆盖的规划的目标体积、误差界限、消融覆盖范围、附带损伤、待排除的区域、消融功率以及消融时间。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输出(736)包括消融探头的类型和数量、进入点的位置、消融中心的位置、所需的消融最小数量、所需的最小消融功率或时间、预测的消融度 量、附带损伤、未消融的规划的目标体积区域以及对关键结构的损伤。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括数据库(102)，其被配置为存储与消融探头或探头组相关的信息，使得所述信息能由所述用户接口检索，以选择待在所述输入中采用的所述消融探头或探头组。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述消融探头(630)包括微波消融探头，并且所述信息包括针对多个消融形状的功率和时间数据。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个消融形状包括椭球和/或球体。
9.一种消融规划系统,包括: 用户接口( 104)，其被配置为允许选择用于规划消融流程的输入，所述用户接口还被配置为将消融持续时间包含于所述输入中以设定消融体积的尺寸，所述用户接口包括用于呈现患者的内部图像的显示器，所述显示器允许针对所述内部图像上的不同进入点对所述消融体积进行可视化，所述显示器被配置为呈现患者的内部图像，并提供选择控制，以使用户能够选择内部图像和所述内部图像的视图； 数据库(102)，其被配置为存储所述内部图像和关于消融探头的信息，以通过将功率和时间特性与所述消融体积的尺寸和形状相关联，辅助确定针对给定规划的目标体积的所述消融体积的尺寸和形状；以及 优化引擎(106)，其耦合到所述用户接口以接收所述输入并被配置为输出包括空间消融位置和针对最低所需的消融持续时间的时间信息的优化治疗计划，从而减小附带损伤、将覆盖区域最大化并在规划的目标体积中避开关键结构。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述优化引擎(106)基于一组输入计算成本，并且所述成本被最小化以确定一组输出。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述优化引擎(106)包括惩罚函数，以针对不希望的效果惩罚成本。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述输入(702)包括以下中的一个或多个:消融探头类型、消融探头数量、一个或多个进入点的位置、误差界限、消融覆盖范围、附带损伤、待排除的区域、消融功率以及消融时间。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述输出(736)包括消融探头的类型和数量、进入点位置、消融中心的位置、所需的消融最小数量、所需的最小消融功率或时间、预测的消融度量、附带损害、未消融的规划的目标体积区域以及对关键结构的损伤。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述消融探头类型(630)包括微波消融探头，并且所述信息包括针对多个消融形状的功率和时间数据。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个消融形状包括椭球和/或球体。
16.一种用于规划消融流程的方法，包括: 在用户接口的显示器上显示(502)患者的内部图像； 使用所述用户接口选择(504)消融探头或探头组以执行消融流程； 在所述内部图像上选择(506)针对所述消融探头或探头组的一个或多个进入点； 针对一组输入向优化引擎提供(508)信息以确定消融体积的尺寸和形状，所述一组输入包括选择的消融探头或探头组、选择的一个或多个进入点、时间和功率信息；并且 基于减小附带损伤、将覆盖区 域最大化并在规划的目标体积中避开关键结构，提供从所述优化引擎输出(510)优化治疗计划。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，提供输出包括基于所述一组输入将成本最小化(512)。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括计算(514)惩罚函数以针对不希望的效果惩罚所述成本。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一组输入(702)包括以下中的一个或多个:消融探头的类型、消融探头的数量、一个或多个进入点的位置、误差界限、消融覆盖范围、附带损伤、待排除的区域、消融功率以及消融时间。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述优化治疗计划(736)包括消融探头的类型和数量、进入点的位置、消融中心的位置、所需的消融最小数量、所需的最小消融功率或时间、消融度量、附带损害、未消融的规划的目标体积区域以及对关键结构的损伤。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述消融探头(630)包括微波消融探头，并且所述信息包括针对多个消融形状的功率和时间数据。
【文档编号】A61B18/18GK103717167SQ201280037634
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】X·刘, S·达拉尔, J·克吕克尔 申请人:皇家飞利浦有限公司