用于消融可视化的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年9月27日提交的美国临时专利申请第62/563,694号的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。

本公开涉及可视化治疗过程，并且更具体地，涉及用于基于消融探针的位置和取向来可视化患者的解剖结构的系统和方法。

背景技术：

计算机断层扫描(ct)图像通常用于识别患者体内的目标，例如生理结构。具体地，医生可以使用ct图像来识别患者体内的恶性组织或有问题的结构，并确定它们在体内的位置。一旦确定了位置，就可以制定治疗方案来解决问题，例如规划进入患者体内的通道以移除恶性组织，或制定进入和改变有问题的结构的疗程。肿瘤消融是针对性更强的肿瘤治疗方法的实例。与化学疗法等传统的全身癌症治疗相比，消融技术更具针对性和局限性，但同样有效。因此，此类方法有利于提供针对性治疗，以限制对患者体内无问题的组织或结构的不必要损伤，但它们需要更复杂的技术工具的帮助。因此，对开发进一步的技术工具以辅助有针对性地治疗患者体内的组织或结构问题的兴趣不断浓厚。

技术实现要素：

根据本公开的实施例，提供了用于基于消融探针的位置和取向来可视化患者的解剖结构的系统和方法。

在本公开的一方面，用于消融可视化的系统包括显示设备和以通信方式耦合到显示设备的计算设备。计算设备包括处理器和存储器。存储器存储指令，指令在由处理器执行时使得计算设备接收患者体内的位置的指示，访问与患者相关联的ct图像数据，其中ct图像数据包括患者体内的位置的图像数据，以及接收具有中心轴的消融探针的取向。基于ct图像数据，计算设备生成包围患者体内的位置的患者的解剖结构的两个或更多个相互正交的视图的两个或更多个图像。两个或更多个图像包括患者的解剖结构的探针轴向视图，其中，探针轴向视图与消融探针的中心轴正交。在各种实施例中，两个或更多个图像进一步包括包围患者体内的位置的以患者为中心的轴向、矢状和/或冠状视图。计算设备将两个或更多个图像传送到显示设备以在显示设备上显示。

在各种实施例中，基于ct图像数据，计算设备进一步生成包围患者体内的位置的患者的解剖结构的探针矢状视图的图像和包围患者体内的位置的患者的解剖结构的探针冠状视图的图像。探针轴向视图、探针矢状视图和探针冠状视图相互正交。在各种实施例中，计算设备生成包括探针轴向视图、探针矢状视图和探针冠状视图的合成图像，并将合成图像传送到显示设备以在显示设备上显示。

在各种实施例中，计算设备生成患者的解剖结构的探针轴向视图、探针矢状视图和探针冠状视图，以包括消融探针的具有取向并定位在患者体内的位置的绘图。

在各种实施例中，计算设备基于ct图像数据生成包围患者体内的位置的患者的解剖结构的三维绘图。在各种实施例中，计算设备生成三维绘图，以包括消融探针的具有取向并定位在患者体内的位置的绘图。在各种实施例中，计算设备生成患者的解剖结构在立体空间内的三维绘图。在各种实施例中，计算设备向用户呈现选项以选择探针轴向视图、探针矢状视图、探针冠状视图、三维绘图或三维立体空间中的一个或多个，以在显示设备上显示。在各种实施例中，计算机设备进一步向用户呈现选项以选择以患者为中心的轴向视图、矢状视图或冠状视图中的一个或多个，以在显示设备上显示。

在各种实施例中，计算设备基于ct图像数据接收用于消融过程的规划操作，其中在规划操作期间基于ct图像数据接收患者体内的位置的指示和消融探针的取向。在各种实施例中，规划操作包括添加消融目标的操作和/或添加消融区域的操作。

在各种实施例中，患者体内的位置的指示和消融探针的取向是基于在医疗过程期间消融探针在患者体内的实时位置和实时取向。

在本公开的一方面，用于消融可视化的方法包括：接收患者体内的位置的指示；访问与患者相关联的ct图像数据，其中ct图像数据包括患者体内的位置的图像数据；以及接收具有中心轴的消融探针的取向。基于ct图像数据，所述方法生成包围患者体内的位置的患者的解剖结构的两个或更多个相互正交的视图的两个或更多个图像。两个或更多个图像包括患者的解剖结构的探针轴向视图，其中，探针轴向视图与消融探针的中心轴正交。在各种实施例中，两个或更多个图像进一步包括包围患者体内的位置的以患者为中心的轴向、矢状和/或冠状视图。所述方法将两个或更多个图像传送到显示设备以在显示设备上显示。

在各种实施例中，所述方法基于ct图像数据进一步生成包围患者体内的位置的患者的解剖结构的探针矢状视图的图像，以及包围患者体内的位置的患者的解剖结构的探针冠状视图的图像。探针轴向视图、探针矢状视图和探针冠状视图相互正交。在各种实施例中，所述方法包括生成包括探针轴向视图、探针矢状视图和探针冠状视图的合成图像，并将合成图像传送到显示设备以在显示设备上显示。

在各种实施例中，所述方法可生成患者的解剖结构的探针轴向视图、探针矢状视图和探针冠状视图，以包括消融探针的具有取向并定位在患者体内的位置的绘图。

在各种实施例中，所述方法包括基于ct图像数据生成包围患者体内的位置的患者的解剖结构的三维绘图。在各种实施例中，所述方法可生成三维绘图，以包括消融探针的具有取向并定位在患者体内的位置的绘图。在各种实施例中，所述方法生成患者的解剖结构在立体空间内的三维绘图。在各种实施例中，所述方法包括向用户呈现选项以选择探针轴向视图、探针矢状视图、探针冠状视图、三维绘图或三维立体空间中的一个或多个，以在显示设备上显示。在各种实施例中，计算机设备进一步向用户呈现选项以选择以患者为中心的轴向视图、矢状视图或冠状视图中的一个或多个，以在显示设备上显示。

在各种实施例中，所述方法包括基于ct图像数据接收用于消融过程的规划操作，其中，在规划操作期间基于ct图像数据接收患者体内的位置的指示和消融探针的取向。在各种实施例中，规划操作包括添加消融目标的操作和/或添加消融区域的操作。

在各种实施例中，患者体内的位置的指示和消融探针的取向是基于在医疗过程期间消融探针在患者体内的实时位置和实时取向。

附图说明

下面参照附图描述本公开内容的各个方面和特征，其中：

图1a是消融探针和相对于消融探针的探针矢状平面的示意图；

图1b是图1的消融探针和相对于消融探针的探针冠状平面的示意图；

图1c是图1的消融探针和相对于消融探针的探针轴向平面的示意图；

图2是根据本公开的各个方面的用于消融可视化的示范性系统的框图；

图3是可应用所公开的系统和方法的患者的示范性区域的示意图；

图4是示出根据本公开的各个方面的轴向视图的示范性显示界面；

图5是示出根据本公开的各个方面的冠状视图的示范性显示界面；

图6是示出根据本公开的各个方面的矢状视图的示范性显示界面；

图7是示出根据本公开的各个方面的合成视图的示范性显示界面；以及

图8是根据本公开的各个方面的系统的示范性操作的流程图。

具体实施方式

本公开提供了用于基于消融探针的位置和取向来可视化患者的解剖结构的系统和方法。在各种实施例中，解剖结构的视图以探针为中心，使得视图随着消融探针的移动或旋转而移动和旋转。在各种实施例中，解剖结构的视图进一步包括以患者为中心的视图，例如与患者的轴向平面、冠状平面和矢状平面对齐的解剖结构的视图，这些视图随着探针的移动而移动，但不会随着探针的旋转而旋转。所述系统和方法向临床医生呈现消融治疗规划期间的增强可视化，包括消融目标识别和选择、目标尺寸、治疗区域尺寸、切入点和路线选择，以及治疗方案回顾。所述系统还使临床医生能够在消融治疗过程中实时可视化消融探针的位置，并且还比较手术前和手术后的ct图像数据以评估消融治疗过程的结果。

本领域技术人员将认识到，大多数医学成像系统是以患者为中心的，并且相对于患者身体的取向限定轴向、冠状和矢状视图。此典型方法通常用于观察患者的图像，以识别和确定关注区域的位置和取向。然而，尽管以患者为中心的轴向、冠状和矢状视图可以提供信息，并允许医生能够在患者的手术腔内取向，但这些视图可能会出现盲点，在实际治疗患者时可能会有问题。本公开通过提供以仪器为中心的医学成像视图来补充以身体为中心的医学成像视图。在仪器是消融探针的情况下，代替基于患者身体取向的医学成像视图或除基于患者身体取向的医学成像视图之外，基于消融探针的位置和取向生成医学成像视图。如下所述，以探针为中心的视图可包括消融探针及与其相互作用的组织的三个相互正交的视图，其可以不与典型的以患者为中心的轴向、冠状和矢状视图对齐。本文所述的以探针为中心的视图是用于确定消融探针是否与如何影响或正在影响患者组织的更多信息。

参照图1a-1c，示出了消融探针102和相对于消融探针102的各种可视化平面104-108的图示。可视化平面104-108相对于消融探针102的位置和取向限定了患者的解剖结构的不同视图。在各种实施例中，消融探针102的位置和取向可指定为用于消融过程的规划操作的一部分。规划操作可以基于ct图像数据，其可用于使患者的解剖结构可视化。当ct图像数据可视化时，可以在各种位置和取向将模拟消融探针102引入可视化中。

ct图像数据可具有坐标系统110，用于识别患者的解剖结构内的特定位置。在各种实施例中，坐标系统110可以是具有正交的x、y和z轴的笛卡尔坐标系统，例如图1a所示的轴。在各种实施例中，坐标系统可以是球面坐标系统，本领域技术人员将其理解为具有一个径向坐标和两个角坐标。在各种实施例中，坐标系统可以是另一坐标系统。根据所公开技术的一方面，可以使用位置坐标(xp，yp，zp)在坐标系统110中指定消融探针102的位置。在各种实施例中，位置坐标可对应于消融探针天线112的中心。在各种实施例中，位置坐标可对应于消融探针中的另一参考点，例如消融天线的尖端。消融探针中的其它参考点可以用作可视化的位置点，并且预期在本公开的范围内。

如图1a所示，消融探针102限定了中心轴114和垂直轴116。根据本公开的一方面，可以使用与消融探针102的中心轴114对准的矢量和与消融探针102的垂直轴116对准的矢量来指示消融探针102的取向。如上所述，图1a-1c的可视化平面104-108相对于消融探针102取向。如本文所提及的，探针轴向平面108(图1c)是指包括位置坐标(xp，yp，zp)并且与矢量正交的平面，探针矢状平面104(图1a)是指包括位置坐标(xp，yp，zp)的平面并且还包括矢量和两者，且探针冠状平面106(图1b)是指包括位置坐标(xp，yp，zp)并且与矢量正交的平面。在本公开的一方面，三个平面104-108相互正交。本领域技术人员将认识到，本文所定义的探针轴向平面108、探针矢状平面104和探针冠状平面106不同于通常为人体定义的轴向平面、矢状平面和冠状平面，因为基于探针的平面104-108是相对于消融探针102的取向而不是相对于人体的取向。下文描述了使用这些平面来生成患者的解剖结构的视图的系统和方法。

现在参考图2，示出了系统200的框图，其包括计算设备202(例如膝上型计算机、台式计算机、工作站、平板电脑或其它类似设备)、显示器204和消融系统206。计算设备202包括一个或多个处理器208、接口设备210(诸如通信接口和用户接口)、存储器和存储设备212，和/或通常存在于计算设备中的其它部件。显示器204可以是触敏的，这使得显示器能够用作输入和输出设备。在各种实施例中，可以采用键盘(未示出)、鼠标(未示出)或其它数据输入设备。

存储器/存储设备212可以是用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的任何非暂时性、易失性或非易失性、可移动或不可移动介质。在各种实施例中，存储器212可包括一个或多个固态存储设备，例如闪存芯片或大容量存储设备。在各种实施例中，存储器/存储设备212可以是随机存取器ram、只读存储器rom、可擦可编程只读存储器eprom、电可擦只读存储器eeprom、闪速存储器或其它固态存储技术、只读光盘驱动器cd-rom、数字化视频光盘dvd、蓝光或其它光学存储器、盒式磁带、磁带、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或可用于存储所需信息并可由计算设备202访问的任何其它介质。

计算设备202还可以包括经由有线或无线连接而连接到网络或因特网的接口设备210，用于数据的发送和接收。例如，计算设备202可以从例如医院服务器、因特网服务器或其它类似服务器的服务器接收患者的计算机断层扫描(ct)图像数据214，以在外科消融规划期间使用。患者ct图像数据214也可以通过可移动存储器提供给计算设备202。

在所示实施例中，存储器/存储设备212包括用于一个或多个患者的ct图像数据214、关于消融探针216的位置和取向的信息、各种用户设置218(将在下文描述)以及执行本文所述操作的各种软件220。

在各种实施例中，系统200包括消融系统206，其包括生成器(未示出)和包括消融天线的消融探针，例如图1a-1c所示的消融探针102。下文将更详细地描述消融系统206。

根据本公开的方面，图2的软件220包括治疗规划模块，其指导临床医生识别消融治疗的目标、目标尺寸、治疗区域和到目标的进入路线。如本文所使用的，术语“临床医生”是指计划、执行、监视和/或监督涉及使用本文描述的实施例的医疗过程的任何医学专业人员(例如，医生、外科医生、护士、医生助理、技师等)。治疗规划模块可生成用于呈现信息和接收临床医生输入的用户界面屏幕。临床医生可以通过用户界面选择与患者对应的患者数据集。还参考图3，可以例如基于消融目标所在的区域，诸如患者的肺部区域302、肝脏区域304、肾脏区域306或其它区域来选择患者数据集。患者数据集包括选定区域302-306的ct图像数据，这将在下文结合图4-7进行描述。

如本领域技术人员将理解的，ct图像数据是患者的解剖结构的“切片”的x射线扫描。尽管每个切片从特定角度观察解剖结构，但是多个“切片”上的图像数据可用于从其它角度生成解剖结构的视图。具体地，如结合图1a-1c所描述的，基于消融探针102的位置和取向，可以生成针对探针轴向视图108、探针矢状视图104和探针冠状视图106的解剖结构的图像。图4-6示出了肺部区域302的这些不同视图的实例。肺区区域302仅仅是示范性的，并且如上所述，也可以看到身体的其它区域。

参考图4，示出了由ct图像数据生成的肺部区域的一部分的轴向视图402的图像。在各种实施例中，轴向视图402是探针轴向视图。在各种实施例中，轴向视图402是以患者为中心的轴向视图。临床医生可以使用软件用户界面来指定患者的解剖结构中生成轴向视图402的位置404。位置404可以是ct图像数据所包含的任何位置，并且可以是例如消融目标的位置、消融区域的中心，或者在消融规划操作期间模拟消融探针的位置。另外，临床医生可以使用软件用户界面来指定生成探针轴向视图的取向。所述取向可以是任何方向，并且可以对应于在消融规划操作期间模拟消融探针的中心轴的取向。在所示实施例中，可以同时显示在另一平面处的解剖结构的较小图像，例如冠状视图的较小图像406。

图5是根据ct图像数据生成的肺部区域的一部分的冠状视图502的图像，其中在右上角示出轴向视图的较小图像504。在各种实施例中，冠状视图502是探针冠状视图。在各种实施例中，冠状视图502是以患者为中心的冠状视图。图6是根据ct图像数据生成的肺部区域的一部分的矢状视图602的图像，其中在右上角示出轴向视图的较小图像604。在各种实施例中，矢状视图602是探针矢状视图。在各种实施例中，矢状视图602是以患者为中心的矢状视图。如同图4中的轴向视图，临床医生可以使用软件用户界面来指定生成图5和6中的视图的位置和取向。

根据本公开的方面，在图4-6的任一视图中，临床医生可以与图像交互以移动位置和取向。例如，临床医生可以拖动图像的中心来移动视图居中的位置，且临床医生可以拖动图像的角或边来旋转生成视图的取向。当临床医生指定新的位置和/或取向时，可以基于新的位置和/或取向生成各种视图。

参考图7，示出了基于患者的解剖结构中的位置和取向的不同视图的合成的图像702。所示图像702包括探针矢状视图、探针冠状视图和探针轴向视图。所示图像还包括患者的解剖结构内的位置的三维绘图704。在各种实施例中，三维绘图704可以是患者的解剖结构在立体空间内的绘图。在各种实施例中，其它几何空间可用于三维绘图704。在各种实施例中，图像702可以包括以患者为中心的矢状、冠状和/或轴向视图中的一个或多个。在各种实施例中，图像702可以包括以探针为中心和以患者为中心的矢状、冠状和/或轴向视图的组合。如图7所示，图像还包括在患者的解剖结构内的位置处的消融探针706的绘图。基于所选择的取向对消融探针706进行描绘。在探针冠状708和探针矢状710视图中，消融探针706是可见的，因为这些平面包括消融探针706的中心轴。在探针轴向视图712中，消融探针706不可见，因为探针轴向平面712垂直于消融探针706的中心轴。

在各种实施例中，软件(220，图2)可以执行操作以识别相似类型的组织，例如皮肤、骨或肌肉，或其它关键结构，例如肺，并且可以不同地呈现不同类型的组织。因为不同的组织类型在ct图像中以不同的强度出现，由于组织密度的差异，可以通过分析ct图像中的强度值来识别不同的组织类型。在各种实施例中，可以使用不同的颜色、纹理和/或透明度向医师呈现患者的解剖结构的关键结构。这种呈现为临床医生提供了一种更容易观察图像内的不同结构和器官的方式。在各种实施例中，不同的颜色、纹理或透明度可以由临床医生设置，并且这些设置可以存储在计算设备的存储器/存储设备中。

本领域技术人员将认识到，用于从ct图像数据识别不同类型的组织和器官的技术包括但不限于二进制掩蔽、确定分离组织和背景的最佳阈值、自适应区域生长、波前传播、自动或手动确定关键结构中的种子点、用于通过淹没填充背景并反转结果来填充二进制掩码中的孔的填充孔算法、用于关闭对应于周围结节的呼吸道、血管和压痕的滚球算法，以及形态关闭操作。

操作还可以自动识别肿瘤并将其呈现为不同于周围组织，并且可以呈现给临床医生。

如以上结合图7所提及的，合成图像702包括患者的解剖结构的三维(3d)绘图704或表示。可以利用各种三维绘制技术来生成全部或部分的3d模型。例如，表面绘制是应用二进制掩码和各种滤波器来生成表面网格的技术。在表面绘制中使用的公知滤波器的实例包括膨胀滤波器、掩蔽滤波器、高斯滤波器和轮廓滤波器。可以通过使用本领域技术人员所公认的滤波器和算法(例如移动立方体算法或图像平滑滤波器)的不同组合来生成肺部或患者的解剖结构的另一部分的3d表面绘制图像。如图7所示，消融探针706的绘图可以在临床医生指示的位置和取向的3d表示704中显示。

上文描述的是用于消融可视化的系统和方法。下文将描述使用计算设备202的软件220进行的消融规划操作期间的各种可视化选项。

在本公开的一方面，消融规划操作可以包括添加用于消融治疗的目标位置。规划操作可涉及肺、肝、肾或其它解剖结构。在添加目标操作中，可以在没有消融探针的绘图的情况下呈现以探针为中心和/或以患者为中心的轴向、矢状和冠状视图，且每个视图可单独显示，如图4-6所示，或者同时在合成图像中显示。在添加目标操作期间，可以单独或在合成图像中显示3d绘图，如图7所示。在各种实施例中，3d绘图可以以不同的方式呈现皮肤、肌肉和骨骼。在涉及肺部的规划操作的情况下，可以以不同的方式呈现肺部，如上所述。此外，在肺部的情况下，3d绘图可以表示在立体空间(例如4厘米立体空间)内的患者的解剖结构。在各种实施例中，软件(220，图2)可以向临床医生呈现选项以选择探针轴向视图、探针冠状视图、探针矢状视图、三维绘图以及立体空间绘图中的一个或多个，以在显示设备上显示。

在本公开的一方面，消融规划操作可以包括添加用于消融治疗的消融区域。在添加消融区域操作中，可以在或没有消融探针的绘图的情况下呈现以探针为中心和/或以患者为中心的轴向、矢状和冠状视图，且每个视图可以单独显示或同时在合成图像中显示，如图7所示。在添加消融区域操作期间，可以单独或在合成图像中显示3d绘图，如图7所示。在各种实施例中，3d绘图可以以不同的方式呈现皮肤、肌肉和骨骼。在涉及肺部的规划操作的情况下，可以以不同的方式呈现肺部，如上所述。此外，在肺部的情况下，3d绘图可以表示在立体空间(例如4厘米立体空间)内的患者的解剖结构。在各种实施例中，软件可以向临床医生呈现选项以选择轴向视图、冠状视图、矢状视图、三维绘图以及立体空间绘图中的一个或多个，以在显示设备上显示。

上文描述的是用于消融规划操作中的消融可视化的系统和方法。在本公开的一方面，结合消融过程实时提供消融可视化。再次参考图2和3，如上所述，消融系统206可以包括生成器(未示出)和与生成器连接的消融探针308。生成器可以向探针308提供消融能量，将能量传递到靶组织302-306。在各种实施例中，消融探针308可包括检测消融探针308的位置和取向的传感器。此类能力可以通过例如六自由度惯性测量单元(imu)来提供，所述六自由度惯性测量单元可在市场上购买并且可以整合到消融探针中。可以由消融系统206或由计算设备202基于来自imu的测量实时地确定消融治疗期间患者体内的消融探针308的位置和取向。然后，可以使用本领域技术人员已知的技术，如天线到ct的配准，将消融治疗期间患者体内的消融探针308的位置和取向转换为ct图像数据214中的位置和取向。基于位置和取向以及天线到ct的配准，可以将消融探针的实时绘图叠加到ct图像数据上，以向临床医生提供消融治疗过程的实时可视化。

在消融治疗完成之后，临床医生可能希望检查患者的治疗前ct图像数据和治疗后ct图像数据之间的差异。在需要反复治疗的情况下，如必须连续进行治疗以避免损伤血管等特殊结构时，这可能是有益的。在本公开的一方面，临床医生可以使用计算设备202的软件220来执行比较操作。在比较操作中，可以在没有消融探针的绘图的情况下呈现治疗前ct图像和治疗后ct图像的以探针为中心和/或以患者为中心的轴向、矢状和冠状视图，且每个视图可以单独显示或同时在合成图像中显示。在比较操作期间，可以单独地或在合成图像中显示3d绘图。在各种实施例中，3d绘图可以以不同的方式呈现皮肤、肌肉和骨骼。

现在参考图8，示出了示范性消融可视化操作的流程图。在s802处，计算设备接收患者体内的位置的指示。所述位置可以作为消融规划操作的一部分被接收，或者可以是在消融探针中基于位置感测接收并确定的患者体内的实时位置。在s804处，计算设备访问与患者相关联的并包括患者体内的位置的图像数据的ct图像数据。在s806处，计算设备接收消融探针的取向。在s808处，计算设备基于ct图像数据生成患者的解剖结构的两个或更多个相互正交的视图的两个或更多个图像。两个或更多个视图包围患者体内的位置，并且至少包括患者的解剖结构的探针轴向视图。如上所述，探头轴向视图与消融探针的中心轴正交。在s810处，计算设备将图像传送到显示设备以在显示设备上显示。

尽管已经根据具体的说明性实施例对本公开进行了描述，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改、组合、重组和替换。