用于聚焦辐射治疗的定位辅助设备的制作方法

本发明属于聚焦辐射治疗领域，例如，高强度聚焦超声(hifu)消融、射频(rf)消融、微波消融、激光消融或高剂量率(hdr)近距离辐射治疗。更具体地，本发明涉及用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的设备和方法。

背景技术：

聚焦辐射治疗(例如，高强度聚焦超声(hifu)消融、射频(rf)消融、微波消融、激光消融或高剂量率(hdr)近距离辐射治疗等)已被证明是处置不同器官中的肿瘤的可选方法。在前列腺的聚焦治疗中，近距离辐射治疗仅用于处置肿瘤，同时使周围组织免受处置。与传统的全腺近距离辐射治疗相比，聚焦近距离辐射治疗旨在具有等效作用，同时减少治疗副作用。

例如，已经证明hdr近距离辐射治疗具有优异的存活率和聚焦控制率并且对患者的副作用非常有限。特别地，hdr近距离辐射治疗已被证明是处置前列腺癌和乳腺癌的可选方法。为了确定理想的hdr停留位置和停留时间，使用所谓的逆向规划方法来确定处置。基于对目标体积和关键器官的确定，给出目标剂量以及对风险器官和针对每个风险器官的重要因素的约束。然后执行优化以找到与所有输入标准最佳匹配的处置计划，从而优化辐射剂量，考虑针对目标体积的目标以及约束，这些内容通常被表示为形成要解决的线性系统的一组线性关系。

出版物“adaptiveplanningstrategyforhighdoseprostatebrachytherapy—asimulationstudyonneedlepositioningerrors”(mbattisti等人，2016年，phys.med.biol.，第61卷，第2177-2195页)描述了利用针位置的反馈对hdr前列腺近距离辐射治疗的剂量计划调整策略。在介入流程开始时执行剂量计划，并且在每次插入针后更新剂量计划，以便补偿可能发生的针定位误差。

在出版物“towardadaptivestereotacticroboticbrachytherapyforprostatecancer:demonstrationofanadaptiveworkflowincorporatinginverseplanningandanmrstealthrobot”(jcunha等人，miniminvasivetheralliedtechnol，2010年，第19卷，第4期，第189-202页)中描述了类似的方法。逆向规划用于生成种子放置计划，并且针对十个针和29个种子的坐标被转移到机器人。每放置两个针后就采集图像。在将种子放置在接下来的两个针中之前，识别并验证被放置的种子。在种子沉积之前，如果针导管处于错误的位置中，则确定调节动作。

出版物“anautomatedoptimizationtoolforhigh-dose-rate(hdr)prostatebrachytherapywithdivergentneedlepattern”(mbattisti等人，2015年，phys.med.biol.，第60卷，第7567-7583页)描述了用于聚焦hdr前列腺近距离辐射治疗的自动逆向剂量规划优化工具，其中，针以发散配置进行插入。提出了完整的优化器工作流程，其包括确定(1)旋转中心的位置、(2)针角度和(3)停留时间。

us2013/0102831a1涉及用于在使用空心针来实现对动物身体的预先选择解剖部分的辐射治疗时使用的实时辐射处置规划系统。根据本发明的实施例，该系统可以包括处理单元，该处理单元被配置为相对于预先选择解剖部分内的一个或多个特定器官以及相对于针来执行三维成像算法和三维图像分割算法，以用于使用至少一个单目标或多目标的基于解剖结构的遗传优化算法将利用成像单元获得的图像数据转换成解剖部分的三维图像。为了预先规划或虚拟模拟的目的，处理单元被布置为实时确定至少一个针的最优数量和位置，针内能量发射源的位置，以及能量发射源在该位置处的停留时间。为了后期规划的目的，处理单元被布置为基于三维图像信息来实时确定实际针位置和能量发射源针对该位置的停留时间。

技术实现要素：

期望为无网格导管插入技术提供定位辅助，该无网格导管插入技术经由自由人手和/或机器人臂在无平面、徒手放置导管时进行导管插入，以在难以相对于治疗模板对肿瘤进行最优定位的情况下提供符合性更好的剂量分布。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助设备。所述定位辅助设备包括：

候选导管提供单元，其被配置为提供候选导管数据，所述候选导管数据与所述给定的导管插入点相关联并且通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的候选停留位置，以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管；

导管预先选择单元，其被配置为：

使用所述候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间来针对每个当前候选导管明确和提供关于复合约束函数的停留时间的梯度，所述复合约束函数组合至少两个线性约束，所述至少两个线性约束表示关于支配所述聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标；并且

从所述候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管，所述预定数量的一个或多个候选导管与所述候选导管中的所述梯度的最陡下降值相关联；

停留时间预先选择单元，其被配置为使用当前预先选择的候选导管来明确和预先选择针对所述相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合所述至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值；以及

定位辅助控制单元，其被配置为：在多个迭代循环中交替地驱动所述导管预先选择单元的操作和所述停留时间预先选择单元的操作，并且在检测到在当前迭代循环中所述导管预先选择单元已经针对所述候选导管中的至少一个提供了所述复合约束函数的所述梯度的非负值时，提供指示下一目标导管位置的输出，作为至少一个当前预先选择的候选导管的目标导管位置。

本发明的第一方面的定位辅助设备实现了与无网格自由手动聚焦辐射治疗中的停留时间优化(dto)相结合的导管定位优化(cpo)形式的定位辅助。该设备执行直接参数优化(dpo)以用于通过在cpo与dto之间迭代地切换来提供定位辅助信息，从而确定满足所有临床目标的最佳的导管位置组和对应的停留时间。

定位辅助设备不需要初始计划来开始。正因如此，定位辅助设备有助于无计划自由手动放置导管，其中，在实际放置个体导管之前也进行调整。当针在患者的皮肤处或刚刚进入患者时，定位辅助设备能够提出最优位置并引导用户以对要递送的剂量具有最佳影响的角度进行插入。当插入第二针时，无论是在相同的插入点还是在另一插入点处，定位辅助设备都能够再次指示最佳的针角度和定位。

因此，使得在聚焦辐射治疗递送的过程中进行包括定向引导和自适应剂量校正的定位辅助成为可能。每次外科医生或机器人臂定位导管时，能够考虑任何跟踪的错位以自适应地重新优化剩余的导管组和对应的停留时间，以便恢复剂量准确性、均匀性和符合性。鉴于该技术概念具有紧凑和简洁的性质，所提出的定位辅助设备确保针对规定的临床方案实施有效且准确的计划，同时减少医学专家在逆向规划过程和导管插入中所涉及的工作量。

在下文中，将描述本发明的定位辅助设备的实施例。

定位辅助设备优选被实现用于实时辅助，所述实时辅助由在下文描述的优选实施例的背景中提供的额外特征来支持。

为了在插入另外的导管期间辅助定位，在一个实施例中，导管预先选择单元额外地被配置为：

接收插入导管数据，所述插入导管数据与已经插入到所述目标体积中的所有导管相关联并且指示相应的插入导管位置、辐射源的相应的停留位置，以及与已经插入的导管的所述停留位置相关联的相应的停留时间；

确定与所述已经插入的导管相关联的所述停留位置和所述停留时间相关联的当前辐射剂量值；并且

针对所述给定的候选导管，使用与所述已经插入的导管相关联的所述当前辐射剂量值来额外地确定所述复合约束函数的所述梯度。

在定位辅助设备的该实施例中，实时操作优选由导管预先选择单元来支持，所述导管预先选择单元被额外地配置为：

接收要暴露于所述辐射的所述目标体积的和当前插入所述目标体积中的一个或多个导管的三维图像数据，并且

根据所述图像数据来确定当前插入的导管的导管数据。

在实施例中实现了在定位辅助设备的背景中对错位导管的特别有利的处理，其中，所述导管预先选择单元被额外地配置为：

在通过检测根据所述图像数据确定的所定位的导管数据与作为由所述定位辅助控制单元提供的输出而先前提供的针对已经插入到所述目标体积中的错位导管的相关联的目标导管位置之间的差异而检测到该导管时，将所述错位导管添加到所述候选导管，并且其中，

所述定位辅助控制单元被额外地配置为确定和提供针对所述错位导管的经调整的停留位置信息和经调整的停留时间信息。

在定位辅助设备的优选实施例中的发散导管定位的情况下，所述导管预先选择单元被配置为针对每个当前候选导管将关于所述复合约束函数的停留时间的所述梯度gc计算为：

其中，

gc是关于针对相应的当前候选导管的所述复合约束函数的停留时间的梯度，c是识别相应的导管的索引，

是针对第c个导管的停留位置的总数，

t是停留位置处的停留时间的停留时间向量，

j是识别相应的停留时间位置的索引，

r*是识别当前插入点的索引，

是通过所述当前插入点的发散导管的总数，

i是识别相应的线性约束的索引，

m是线性约束的总数，

fi(t)是一组线性约束，其表示作为所述相应的导管中的相应的辐射源的停留时间t的函数而给定的临床目标，并且

wi是指示给定的线性约束的优先级的加权因子。

在该实施例中，所述停留时间预先选择单元优选被配置为明确针对所述相应的候选停留位置的所述当前候选停留时间，所述当前候选停留时间实现了考虑了针对所述停留时间的预定上限和预定下限的所述标量复合约束函数的最小值：

在将该概念扩展到已经插入了至少一个导管的情况的实施例中，所述候选预先选择单元额外地被适当配置为额外地使用与所述已经插入的导管相关联的当前辐射剂量针对所述给定的候选导管将所述复合约束函数的所述梯度确定为：

其中，

m0，m1，...，mn是已经插入的索引n＝0，1，...，n的导管的剂量率影响矩阵，

t0，t1，...，tn是与已经插入的索引n＝0，1，...，n的所述导管相关联的停留时间。

在这样的实施例中，所述停留时间预先选择单元优选被配置为明确针对所述相应的候选停留位置的所述当前候选停留时间，所述当前候选停留时间实现了所述标量复合约束函数的最小值：

并且将这些当前候选停留时间提供为输出。

在一些实施例中，定位辅助设备被提供有用于辅助选择一组候选插入点的额外功能。在这样的实施例中，所述定位辅助设备还包括：

候选插入点提供单元，其被配置为提供候选插入点数据，所述候选插入点数据与所述给定的目标体积相关联并且通过相应的候选插入点位置来限定候选插入点；以及

插入点选择单元，其被配置为：

针对每个候选插入点从所述候选导管提供单元请求和接收相应的一组候选导管；

使用所述候选插入点数据和所述候选导管数据来明确和提供针对每个候选插入点的在所有候选导管上关于所述复合约束函数的停留时间的所述梯度的总和；并且

从所述候选插入点中选择作为下一插入点的候选插入点，所述候选插入点中的所述作为下一插入点的候选插入点与在所有候选导管上的所述梯度的所述总和的最陡下降值相关联。

为了在定位辅助设备的这些实施例中辅助实时操作，所述候选插入点提供单元优选被额外地配置为：

接收要暴露于所述辐射的所述目标体积的三维图像数据；

确定所述目标体积在对象上或对象中的预定投影平面上的二维轴向投影；

确定所述目标体积的所述轴向投影的几何质心；

将所述候选插入点确定为所述质心是中心点的预定二维网格的网格点。

定位辅助设备能够被提供为单独的附加设备，以扩展和增强已经使用的现有的聚焦辐射治疗装置的功能。否则，定位辅助设备能够被提供为聚焦辐射治疗装置的一体部分。在任何情况下，实施本发明的聚焦辐射治疗装置都至少包括：

成像设备，其被配置为提供要暴露于辐射的目标体积的和当前插入到所述目标体积中的一个或多个导管的三维图像数据；

根据本发明的第一方面或其实施例之一的导管定位辅助设备，其被配置为：接收所述图像数据，并且以相对于所述图像数据的配准形式提供下一目标导管位置。

所述聚焦辐射治疗装置的一些实施例还包括：导管插入机器人，其被配置为：从所述定位辅助设备接收所述目标插入点和所述目标导管位置，并且使用所接收的目标插入点和目标导管位置将导管插入到对象中。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助方法。所述定位辅助方法包括：

候选导管提供阶段，其包括提供候选导管数据，所述候选导管数据与所述给定的导管插入点相关联并且通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的候选停留位置，以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管；

导管预先选择阶段，其包括：

使用所述候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间来针对每个当前候选导管明确和提供关于复合约束函数的停留时间的梯度，所述复合约束函数组合至少两个线性约束，所述至少两个线性约束表示关于支配所述聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标；并且

从所述候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管，所述预定数量的一个或多个候选导管与所述候选导管中的所述梯度的最陡下降值相关联；

停留时间预先选择阶段，其包括：

使用当前预先选择的候选导管来明确和预先选择针对所述相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合所述至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值；以及

定位辅助控制阶段，其包括：在多个迭代循环中交替地驱动所述导管预先选择阶段的操作和所述停留时间预先选择阶段的操作，并且在检测到在当前迭代循环中所述导管预先选择单元已经针对所述候选导管中的至少一个提供了所述复合约束函数的所述梯度的非负值时，提供指示下一目标导管位置的输出，作为至少一个当前预先选择的候选导管的目标导管位置。

第二方面的定位辅助方法共享本发明的第一方面的定位辅助设备的优点。它特别适用于自动处理，无论是以可编程处理器硬件上的可执行软件的实施方式的形式，还是以由专用集成电路的运行的形式都是如此。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括可执行代码的计算机程序，所述可执行代码用于在由计算机的处理器运行时运行第三方面或其实施例之一所述的方法。

应当理解，根据权利要求1所述的定位辅助设备、根据权利要求9所述的聚焦辐射治疗装置、根据权利要求11所述的定位辅助方法，以及根据权利要求13所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例。特别是具有与如从属权利要求中所限定的那样的相似和/或相同的优选实施例。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任何组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是明显的并且得到阐明。

附图说明

在以下附图中：

图1是用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助设备的实施例的示意性框图；

图2是具有额外的错位导管处理的定位辅助设备的另外的实施例的示意性框图；

图3是具有额外的错位导管处理和插入点定位辅助的定位辅助设备的另外的实施例的示意性框图；

图4是包括定位辅助设备的聚焦辐射治疗装置的示意性框图；

图5是用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助方法的实施例的流程图；

图6是示出图5的方法中的步骤504的更多细节的流程图；并且

图7是示出图5的方法中的步骤508的更多细节的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助设备100的示意性框图。

聚焦辐射治疗仅用于处置肿瘤，同时使周围组织免受处置。与辐射治疗中的传统的全腺方法相比，聚焦辐射治疗(例如，聚焦近距离辐射治疗)旨在具有等效作用，同时减少治疗副作用。特别地，定位辅助设备100的实施例被设计为应用于无网格自适应聚焦辐射治疗，其中，自由人手、机器人臂或两者的组合用于植入导管并在不同的停留位置处递送剂量。

定位辅助设备100具有候选导管提供单元102。该候选导管提供单元被配置为提供候选导管数据。该候选导管数据通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的候选停留位置以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管。候选插入导管位置限定插入后导管的候选目标位置。候选插入导管位置基于给定的坐标系来适当描述该潜在的插入导管位置，该给定的坐标系还用于描述要由聚焦辐射治疗处置的目标体积的位置和范围。目标体积通常描述要处置的肿瘤的位置和范围。给定的候选导管内部的辐射源的候选停留位置描述在对象导管内部的预定辐射源(例如，放射性种子)的候选位置。基于与候选插入导管位置和目标体积相同的坐标系来合适地限定停留位置。候选停留时间与相应的辐射源相关联，并且限定对具有相应的辐射源的目标体积的辐射处置的潜在有限的时间跨度。

这种候选导管数据与给定的导管插入点相关联。该导管插入点形成针对候选导管提供单元的输入，并且因此在该实施例中被视为是给定的。导管插入点能够通过自由人手控制来设置，并且作为基于使用已知的技术方案的上述坐标系的导管插入点数据被提供到候选导管提供单元，所述已知的技术方案例如为用于结合配准单元(在图1中未示出)来监测聚焦辐射治疗装置中的导管的当前位置的合适的成像模态。

候选导管提供单元提供限定多个候选导管的候选导管数据，其中，定位辅助设备100仅选择预定数量的候选导管。能够通过手动输入在每个导管选择步骤中全局地或单独地预先设置要选择的导管的数量。

导管选择涉及由导管预先选择单元104执行的预先选择。将当前候选导管中的每个的候选导管数据馈送到导管预先选择单元104的梯度评估单元106中。

梯度评估单元106通过先前输入利用复合约束函数得到预先编程。该复合约束函数组合至少两个线性约束，所述至少两个线性约束表示关于支配针对给定患者的聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标。换句话说，这些线性约束表示针对目标体积的临床目标以及针对聚焦辐射治疗过程中的风险器官的临床目标。该线性约束由规划者限定并由规划者提供为输入，该规划者注意将规定的临床方案(即，给定的规定的临床目标的列表)转化为对应的基于剂量的数学目标函数，该数学目标函数例如形成凸二次函数。通常，针对所有感兴趣区域(即，肿瘤和风险器官)的临床目标被转化成对应的双侧或单侧闭合的适当的c²类凸二次函数。例如，这类函数形成最小、最大和均匀的剂量约束。非常常见的还有剂量体积直方图(dvh)临床目标的使用。这里，先前暴露的最小、最大和均匀发剂量目标能够仅在感兴趣区域的体积的部分上得到强制执行。

表示临床目标的一组m个线性约束在数学上能够被表示为以下形式的剂量体素向量d的函数

其中，n描述剂量体素位置的数量。

在梯度评估单元106中，这组线性约束在操作之前以变换的形式被预先编程为基于在导管中的相应的停留位置处的辐射源的停留时间t的线性约束，这是通过强制执行众所周知的剂量线性图d＝mt来完成的，其中，m是众所周知的剂量率影响矩阵。为了便于阅读，在本说明书中，矩阵m在许多公式中被忽略，并且只在需要的地方明确暴露。

梯度评估单元106被配置为使用候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间来明确和提供关于复合约束函数的停留时间的梯度值作为输出。在该实施例中，如公式(1)所示，梯度评估单元106被配置为针对每个当前候选导管将关于复合约束函数的停留时间的梯度值gc计算为：

其中，

c是识别相应的导管的索引，

nct是针对第c个导管的停留位置的总数，

t是停留位置处的停留时间的停留时间向量，

j是识别相应的停留时间位置的索引，

r*是识别当前插入点的索引，

是通过当前插入点的发散导管的总数，

i是识别相应的线性约束的索引，

m是线性约束的总数，

fi(t)是一组线性约束，其表示作为相应的导管中的相应的辐射源的停留时间t的函数而给定的临床目标，并且

wi是指示给定的线性约束的优先级的加权因子。该加权因子通常被提供为针对给定患者的辐射治疗规划的输出并且是预先编程的，线性约束也是如此。

导管预先选择单元104还具有预先选择控制单元108，预先选择控制单元108被配置为从候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管，即，在候选导管中与梯度的一个或多个最陡下降值相关联的那个或那些导管。换句话说，预先选择控制单元预先选择由梯度评估单元106确定的具有最负梯度值的那些候选导管。

在已经插入至少一个导管的情况下，候选预先选择单元104的梯度评估单元106针对给定的候选导管确定不同方式的复合约束函数的梯度。梯度评估单元106额外地接收插入导管数据，该插入导管数据与已经插入到目标体积中的所有导管相关联并且指示相应的插入导管位置、辐射源的相应的停留位置，以及与已经插入的导管的停留位置相关联的相应的停留时间。梯度评估单元106确定与已经插入的导管相关联的停留位置和停留时间相关联的当前辐射剂量值。针对给定的候选导管，梯度评估单元106还使用与已经插入的导管相关联的当前辐射剂量值来额外地确定复合约束函数的梯度。具体地，在这种情况下，梯度值被确定为(公式(3))：

其中，

m0，m1，...，mn是已经插入的索引n＝0，1，...，n的导管的剂量率影响矩阵，

t0，t1，...，tn是与已经插入的索引n＝0，1，...，n的导管相关联的停留时间。

(一个或多个)预先选择的候选导管形成导管定位优化(cpo)的中间输出。

然而，定位辅助设备100在提供定位辅助输出之前进一步进行评估。定位辅助设备100额外地考虑停留时间优化(dto)以找到最佳候选导管。因此，由导管预先选择单元104提供预先选择的候选导管数据，作为针对停留时间预先选择单元110的输入。

停留时间预先选择单元110被配置为使用当前的预先选择的候选导管来明确和预先选择针对相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值。在该实施例中，停留时间预先选择单元110被配置为明确针对相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了考虑了针对停留时间的预定上限和预定下限的标量复合约束函数的最小值(公式(2))：

该当前候选停留时间被提供为输入参数。在已经插入至少一个导管的情况下，停留时间预先选择单元确定针对不同方式的相应的候选停留位置的当前候选停留时间，即，通过识别实现标量复合约束函数的最小值的那些候选停留时间(公式(4))来明确当前候选停留时间：

因此，还考虑了已经插入的索引n＝0,1,…,n的导管的剂量率影响矩阵。

定位辅助控制单元112接收由导管预先选择单元确定的针对预先选择的候选导管中的至少一个的复合约束函数的当前确定的梯度值。定位辅助控制单元112检查导管预先选择单元106是否已经为一个或多个候选导管提供了复合约束函数的梯度的非负值。如果不是这种情况，则定位辅助控制单元112触发由导管预先选择单元106进行的导管定位优化(cpo)以及随后由停留时间预先选择单元110进行的停留时间优化(dto)的下一迭代循环。仅在检测到在当前迭代循环中导管预先选择单元106已经针对候选导管中的至少一个提供了复合约束函数的梯度的非负值时，才提供指示下一目标导管位置的定位辅助输出，作为至少一个当前的预先选择的候选导管的下一目标导管位置。否则，定位辅助控制单元112在多个迭代循环中交替地驱动导管预先选择单元104和停留时间预先选择单元110的操作。

能够重复该迭代过程以用于确定要放置的下一导管。一旦达到所需的最大导管数量和/或一旦达到规划者规定的基于剂量的质量，就会停止该迭代过程。

在一些实施例中，预先选择单元仅预先选择一个候选导管，因此最终定位辅助设备100仅为一个导管提供定位辅助。为了减少总计算耗费量，其他实施例在每次运行时预先选择多于一个的新的导管位置。这样减少了寻找最佳解决方案所需的迭代周期数，但以剂量准确度在一定程度上降低为代价。

因此，定位辅助设备100基于已经以迭代方式得到优化的导管定位和停留时间来确定一组流程参数，该过程在候选导管位置的优化与辐射源停留时间的优化之间切换。候选导管预先选择单元104使停留时间保持固定并且根据最陡梯度下降标准来预先选择最合适的候选导管。然后，使一个或多个预先选择的导管位置保持固定并且预先选择最合适的停留时间，依此类推，直到至少一个当前预先选择的导管达到复合约束函数的梯度的非负值为止。

能够通过利用先验知识来初始化候选导管数据和相关联的停留时间。如果这种初始化不可用，则使用完全空的初始设置。所描述的迭代策略有助于通过导管来定位导管，从而填充所使用的导管组。

图2示出了具有额外的错位导管处理的定位辅助设备200的另外的实施例。定位辅助设备200的结构和操作非常类似于图1的实施例。因此，以下描述集中于额外的和有区别的特征。否则，参考图1的描述。为了便于比较，图1和图2的实施例中的对应单元的三位数附图标记的后两位数字相同，并且仅在第一位数字上不同，该数字在图2中为“2”，而在图1中为“1”。

定位辅助设备200的导管预先选择单元204额外地包括图像评估单元216，图像评估单元216被配置为接收要暴露于辐射的目标体积的三维图像数据，该三维图像数据中包括当前插入到目标体积中的一个或多个导管。导管图像评估单元被配置为根据图像数据来确定当前插入的导管的导管数据。以相对于前面提到的公共坐标系的配准形式提供图像数据。如果不是配准形式，则图像评估单元216被配置为使用本身已知的方法来执行配准。能够使用应用于导管在图像数据中示出的对比度特征的已知的模式识别解决方案来确定当前插入的导管的位置数据。通过使用被放置在插入的导管上的预定位置处并且在图像数据中显示为对比度特征的标记特征，能够使导管位置确定特别容易和准确。

图像评估单元216将由此确定的插入导管位置数据与作为由定位辅助控制单元212输出的定位辅助而提供的先前确定的目标导管位置进行比较。在通过检测根据图像数据确定的插入导管位置数据与作为由定位辅助控制单元212提供的输出而先前提供的针对已经插入到目标体积中的错位导管的相关联的目标导管位置数据之间的差异而检测到该导管时，图像评估单元将错位导管添加到要由候选导管提供单元202提供的候选导管。

定位辅助控制单元212被额外地配置为确定和提供针对错位导管的经调整的停留位置信息和经调整的停留时间信息。

否则，定位辅助设备200的结构和操作类似于图1的定位辅助设备100的结构和操作。

图3是具有(如图2的实施例中的)错位导管处理和额外的插入点定位辅助的定位辅助设备300的另外的实施例的示意性框图。定位辅助设备300的结构和操作非常类似于图2的实施例。因此，以下描述集中于额外的和有区别的特征。否则，参考图1和图2的描述。为了便于比较，图2和图3的实施例中的对应单元的三位数附图标记的后两位数字相同，并且仅在第一位数字上不同，该数字在图2中为“2”，而在图3中为“3”。

定位辅助设备300还在选择插入点时提供定位引导。

候选插入点提供单元318被配置为提供候选插入点数据，该候选插入点数据与给定的目标体积相关联并且通过相对于公共坐标系的相应的候选插入点位置来限定候选插入点(为了简单起见，这里假设为病人的位置是固定的)。候选插入点提供单元318提供候选插入点是基于初始候选插入位置的初始用户输入的简单实施方式，并且在初始候选插入位置周围添加一组规则间隔的另外的候选插入点的网格点。在另一实施方式中，候选插入点提供单元318被配置为接收要暴露于辐射的目标体积的三维图像数据，该图像数据还被提供给定位辅助设备300的导管预先选择单元304。然后，候选插入点提供单元318然后确定目标体积在相对于患者被定位在皮肤上或患者体内的预定投影平面上的二维轴向投影。然后，候选插入点提供单元318确定目标体积的轴向投影的几何质心。然后，候选插入点提供单元318将候选插入点确定为质心是中心点的预定二维网格的网格点。

插入点选择单元320具有梯度权重确定单元322，梯度权重确定单元322被配置为接收该组候选插入点并且针对候选插入点中的每个从候选导管提供单元302请求和接收相应的一组候选导管。梯度权重确定单元322使用候选插入点数据和候选导管数据来明确和提供针对每个候选插入点的在所有候选导管上关于复合约束函数的停留时间的梯度的总和。因此，对于给定的候选插入点r，梯度权重确定单元322计算梯度累积权重gr。梯度累积权重gr表示相对于通过第r个插入点的所有导管的所有停留时间的仅基于负剂量的函数梯度的总和：

这里，r和c分别表示当前候选插入点和当前候选导管的索引。是从候选插入点r溢出的候选导管的总数。gc已经在本说明书的前面的公式(1)和(3)中得到限定。为了有助于定位除了任何给定的插入点之外的下一插入点，针对gc的上述公式(3)适用于包括针对已经使用的(一个或多个)给定插入点的剂量。

针对所有候选插入点的所确定的gr的值被提供给插入点选择控制单元324，插入点选择控制单元324被配置为选择对应于最负梯度值gr的候选插入点r^*并将其提供给操作者以及候选导管提供单元302：

r^*＝min{gr}，r＝1，...，nr(6)

否则，定位辅助设备300的结构和操作类似于图2的定位辅助设备200的结构和操作。

图4是根据本发明的实施例的聚焦辐射治疗装置400的示意性框图。聚焦辐射治疗装置400包括成像设备402，成像设备402被配置为提供要暴露于辐射的目标体积的和当前插入目标体积的一个或多个导管的三维图像数据。成像设备402合适地是磁共振成像设备或超声成像设备或组合两种所述成像模态的设备。聚焦辐射治疗装置400还包括根据先前在图2或图3的描述的背景中描述的实施例中的一个的导管定位辅助设备404。导管定位辅助设备404被配置为接收图像数据并以相对于该图像数据的配准形式提供下一目标导管位置。

任选地，聚焦辐射治疗装置400还包括导管插入机器人，该导管插入机器人被配置为：从定位辅助设备接收目标插入点和目标导管位置，并且使用接收到的目标插入点和目标导管位置将导管插入对象中。

因此，能够向人类专家或机器人臂提供关于(使用图3的实施例的)导管插入点的定位和用于在徒手操作中使用给定的插入点来选择和定位个体导管的定位辅助。在专家不希望关于插入点的定位辅助的情况下，能够使用图2的实施例。在每个选定的3d插入点处，前面描述的迭代方法用于辅助定位最佳导管组。经由每个插入点递送的最大数量的导管可以由用户经由合适的gui来设置。

通过使用成像设备402得到新植入的导管的3d实时位置来连续跟踪新植入的导管。如在图2的实施例的背景中所描述的，在检测到导管相对于规划的位置的错位的情况下，能够考虑这些跟踪的错位以自适应地重新优化剩余的导管组和对应的停留时间，以便重新建立剂量准确性、均匀性和符合性。

因此，所提出的定位辅助能够应用于优化无网格的自由手的聚焦治疗和/或基于mr的自适应聚焦治疗。实现了例如在对临床聚焦治疗规划过程的最优插入点和选择的导管的最优数量，自适应递送剂量校正，实时定向引导，实时交互以及鲁棒的质量控制方面的大效率增益。应用领域包括近距离辐射治疗，特别是高剂量率(hdr)近距离辐射治疗和/或热消融流程。

图5是用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助方法500的实施例的流程图。图5的流程图提供了对该方法的概述，该方法包括候选导管提供阶段502，在该阶段中提供候选导管数据，候选导管数据与给定的导管插入点相关联并且通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的导管停留位置，以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管。

在随后的导管预先选择阶段504中，从候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管。该选择基于找到具有相对于每个当前候选导管的复合约束函数的停留时间的梯度的最陡下降值的候选导管。下面将参考图6来描述在预先选择阶段504中执行的处理步骤的额外的细节，图6是示出图5的方法中的步骤504的更多细节的流程图。在执行导管预先选择阶段504时，在步骤504.1中接收来自候选导管提供阶段502的给定插入点的候选导管数据。该数据包括在相应的候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间。使用该数据和组合至少两个线性约束的复合约束函数，所述至少两个线性约束表示关于支配聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标，在步骤504.2中确定针对给定的候选导管的梯度gc(参考上文的定义)。在步骤504.3中检查是否已经针对在步骤504.1中接收的所有候选导管确定了所有梯度gc。如果不是这种情况，则利用下一候选导管数据来重复步骤504.2。在确定了所有梯度gc之后，在步骤504.4中识别来自该组候选导管的候选导管或预定数量的候选导管，所识别的候选导管或预定数量的候选导管与候选导管中梯度的最陡下降值(即，具有最高量的gc负值)相关联。在步骤504.5中将由此识别的候选导管数据输出到随后的停留时间预先选择阶段506。

在停留时间预先选择阶段506中，使用由预先选择阶段504提供的当前预先选择的候选导管来明确和预先选择针对相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值。该标量复合约束函数在该实施例中被限定为(公式(2))：

在本说明书的前述内容中已经定义了该函数的所有符号。

额外地执行定位辅助控制阶段508，该阶段包括在多个迭代循环中交替地驱动导管预先选择阶段的操作和停留时间预先选择阶段的操作，直到在当前迭代循环中检测到导管预先选择单元已经针对候选导管中的至少一个提供了复合约束函数的梯度的非负值为止。如果是这种情况，则在随后的步骤510中提供指示下一目标导管位置的输出，作为至少一个当前预先选择的候选导管的下一目标导管位置。下面将参考图7来描述方法500的定位辅助控制阶段508的另外的细节。

定位辅助控制阶段508包括在步骤508.1中接收由导管预先选择阶段504提供的预先选择的候选导管数据以及由停留时间预先选择阶段506提供的预先选择停留时间值。随后，在步骤508.2中针对给定的一组预先选择的停留时间确定复合约束函数的梯度gc。

然后在步骤508.2中确定针对候选导管的复合约束函数的梯度值gc中的任一个是否呈现非负值。如果不是这种情况，则该方法分支进行到步骤508.4，在步骤508.4中，触发执行导管预先选择阶段504和停留时间预先选择阶段的新的迭代循环，然后再次执行步骤508.1以在执行经触发的迭代循环之后接收预先选择的候选导管数据和候选停留时间。

当在步骤508.3中确定针对候选导管的复合约束函数的梯度值gc中的至少一个呈现非负值时，选择相关联的候选导管数据作为定位辅助信息而进行输出。

总之，提供了一种有效的直接参数优化(dpo)方法，在该方法中，通过在候选导管位置的优化与候选辐射源停留时间的优化之间进行切换而应用基于剂量测定梯度的迭代贪婪技术来确定用于在聚焦辐射治疗中的导管插入的定位辅助信息。在自由手动递送导管的特定情况下，插入点可以由人类专家直接选择。通过额外的成像模态(例如，磁共振成像或超声成像)监测导管位置，该方法在处置递送的过程中实现了实时定向引导和自适应剂量校正。

在所描述的一些实施例中，能够考虑潜在的实时跟踪的错位，以自适应地重新优化剩余的导管组和对应的停留时间，以便重新建立最优剂量准确性、均匀性和符合性。

所提供的设备和方法能够应用于聚焦辐射治疗，例如，高强度聚焦超声(hifu)消融、射频(rf)消融、微波消融、激光消融或高剂量率(hdr)近距离辐射治疗。