消融治疗规划系统

技术领域

本发明涉及热消融领域。

背景技术

经皮热消融是一种介入性癌症处置选项，在过去十年中的采用情况显著增加。能够使用各种消融模态来递送热消融，包括射频(RF)、微波(MW)、高强度聚焦超声(HIFU)、聚焦激光消融(FLA)、不可逆电穿孔(IRE)、冷冻消融等。

在临床实践中，这些消融流程包括在图像引导的帮助下在目标区域内部或附近放置一个或多个消融施加器。通常，临床医生会基于制造商提供的信息、临床试验结果和个人经验，在检查实时超声或介入放射图像(CT/MR)时放置这些针状施加器。与近距离放射治疗流程中使用的辐射治疗规划系统(RTPS)相似，使用更先进的消融治疗规划系统(ATPS)来规划消融和引导针的放置也因为可用性有限而未能得到广泛应用。

临床热消融处置非常复杂，它依赖于众多临床流程的组合，所有这些临床流程都需要密切监控以保证最优处置结果。与放置消融施加器和执行消融相关的操作包括：

术中(实时)成像，

为患者麻醉，

放置温度探头，

放置尿道导管，

放置加热器/冷却器以保护危及器官(OAR)，

执行水/气分离以保护OAR。

US 2016/0335413 A1描述了用于微创热消融处置规划的系统和方法。所描述的系统被配置用于分析热剂量分布以确定处置效果。

发明内容

本发明的目的是在热消融期间提高患者安全性。该目的通过根据权利要求1所述的消融治疗规划系统来实现。

由于临床医生在执行热消融处置时需要分散他们的注意力以监控处置的所有方面，因此有时很晚才发现不良影响，甚至在流程完成后都完全没有觉察到不良影响。这些不良影响可能是由于不正确的定位或者选择不正确的处置参数而引起的。另外，监视施加器定位如何变化好像很复杂，并且处置部位处的消融参数会影响皮肤处的温度。因此，据报道，皮肤刺激和/或皮肤灼伤是热消融流程的不良事件。通过应用热模型，能够在施加消融之前预测皮肤位置处的温度。通过在预计皮肤温度变得过热(例如在加热目标时)或变得过冷(例如在冷却皮肤时)时发出警报，可以防止皮肤不良影响并且可以提高患者安全性。

可以直接根据医学图像(例如在使用分割时)导出皮肤位置。然而，并不是在所有成像模态的所有图像中，皮肤都是可见的。例如，当使用直肠内超声探头时，在超声图像中就很可能看不到皮肤位置。在这些情况下，可以通过将医学图像与同一患者和目标的第二医学图像执行图像配准来确定皮肤位置，其中，第二医学图像是通过与医学图像不同的成像模态来采集的。该第二医学图像可以例如是CT图像或MRI图像。这是有利的，因为在许多情况下无论如何都要采集患者的CT图像或MRI图像以确定目标的位置。例如，仅借助于超声图像很难对前列腺癌进行定位。因此，可以为此目的采集MRI图像和/或(对比度增强的)CT图像。当能够根据第二医学图像导出皮肤的位置时，与超声图像的图像配准将第二医学图像中的皮肤的坐标变换到超声图像空间中的坐标。

替代地或额外地，可以借助于相对于皮肤位置具有已知位置的设备来确定皮肤的位置。该设备可以例如被放置在皮肤上，但是也可以例如相对于皮肤具有固定位置。能够借助于跟踪来确定设备的位置，并且/或者可以通过流程前校准来确定设备的位置，在该过程中，确定皮肤相对于目标的坐标的位置。

根据本发明的实施例，消融治疗规划系统被配置用于计算等温线或等剂量线，其中，消融治疗规划系统被配置用于在预定义的等温线或等剂量线与皮肤位置相交或者距离皮肤位置在预定义的距离内时发出警报。热剂量反映出随时间积分的温度并且例如能够以在42℃或43℃下的等效分钟数来表示。在一些情况下，热剂量可能比温度更好地预测皮肤损伤。

根据本发明的实施例，处置参数是用于编码不同的消融区、等温线或等剂量线的一组固定的参数配置，该消融区、等温线或等剂量线用于估计皮肤位置处的温度或热剂量。这些配置可以描述消融区或不同的等温线或等剂量线的大小和形状。该实施例是有利的，特别是在处置期间是有利的，因为它能够减少计算时间。

替代地，能够使用热模型来估计皮肤的位置处的热剂量的温度。这样的模型能够基于文献或针对组织参数的平均值。能够通过基于例如年龄、性别和/或特定的医学状况对患者分组进行分层来提高该值。而且，可以借助于医学成像(例如，MRI)对个体患者测量一些参数的值。这样的医学图像可以例如提供关于血管密度的信息。

根据本发明的实施例，警报的设置能由用户进行配置。例如，用户可以选择发出警报时的皮肤温度或与等剂量线或等温线的距离。该实施例是有利的，因为它不仅提高了系统适应不同处置类型的灵活性，而且还提高了系统适应用户偏好或关于温度引发的皮肤毒性的最新科学见解的灵活性。

根据本发明的实施例的消融治疗规划系统能够在处置规划阶段期间使用。在该阶段期间，基于目标的位置和大小以及危及器官附近的位置，为患者创建处置计划。这样的计划可以包括要在处置期间使用的一个或多个经皮热施加器的预期处置目标位置。根据本发明的实施例的消融治疗规划系统能够在该规划阶段中使用以在运行计算出的处置计划时警告用户潜在的皮肤损伤。

替代地或额外地，可以在实际的消融处置期间(即，在包括施加器定位和处置递送的步骤以及在其之间的步骤中的任何步骤期间)使用消融治疗规划系统。在临床医生已经插入处置设备之后，可以通过消融治疗规划系统(半)自动检测热施加器的位置，但是也可以由用户将热施加器的位置插入系统。基于该位置，当结合使用当前的热施加器位置并结合预期处置参数时，消融治疗规划系统可以执行温度计算并预测皮肤处的温度。这些温度计算可以包括先前插入的施加器的位置和处置参数，并且还可以包括针对仍然必须插入的热施加器的预期位置和处置参数(如果这些信息可获得的话)。如果计算出的皮肤位置处的温度高于或低于某个阈值，则会发出警报。在实际的消融处置期间使用消融治疗规划系统可以提供额外的安全措施，以防止意外发生错误的施加器放置而造成皮肤损伤。然而，这也可能在流程期间有所帮助，其中，临床医生在流程期间决定偏离计划。当偏离计划时，用户可能并不总是意识到潜在的皮肤影响。因此，发出警报可以提高安全性。

当可以获得经批准的处置计划时，在处置期间插入施加器时可能不一定总是需要执行温度计算，因为众所周知，如果根据计划进行处置，就不会出现安全问题。然而，如果情况与规划阶段相比已经发生变化，就不是上述情况了。例如，患者的解剖结构可能已经改变，但是(一个或多个)施加器的定位可能还不如假设的那么准确。因此，根据本发明的实施例，仅当一个或多个热施加器的位置或一个或多个处置参数被改变超过预定值时才执行皮肤温度计算。该实施例是有利的，因为在处置期间的计算可能会减慢处置过程。

参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见并且得到阐明。

附图说明

图1示意性地示出了能够使用本发明的实施例的临床工作流程，并且

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的消融治疗规划系统，并且

图3示意性地示出了冷冻消融针和对应的等温线，并且

图4示意性地图示了将不会发出警报和将会发出警报的情况，并且

图5示意性地图示了将不会发出警报和将会发出警报的另一情况，并且

图6示意性地图示了能够如何使用设备来确定皮肤的位置。

具体实施方式

图1示意性地示出了能够使用本发明的实施例的临床工作流程。可以采集一幅或多幅医学图像(例如，CT图像或MRI图像)以识别患者中的已经或可能被安排进行消融处置的处置目标。这样的医学图像在下文中可以被称为第二医学图像。该医学图像可以用于分割用于处置的目标(例如，包括一定不确定性裕量的肿瘤)101。而且，可以分割一个或多个危及器官101。可以手动或(半)自动执行这种分割。

在开始处置前，患者将被定位在处置台上。而且，可以对要在处置期间使用的设备进行设置和校准。可以例如借助于超声成像来实现图像引导，但是也可以借助于其他医学成像模态来实现图像引导。与第二医学图像的图像配准能够用于确定皮肤相对于超声(或其他成像模态)成像框架的位置，并且还可以用于确定目标的位置。借助于图像配准输出，能够将第二医学图像中的皮肤和目标的坐标变换到在消融流程期间使用的图像的图像空间中的坐标。

而且，可以直接根据在消融流程期间使用的医学图像来导出皮肤。根据医学图像导出皮肤位置的实施方式的示例是对肝脏或肾脏的MR/CT引导的介入放射学流程中的情况。在这种情况下，能够很容易地将皮肤自动定位在患者躯干和膛中的周围空气的边界处。

而且，可以根据被放置到皮肤上的或者被放置在与皮肤相距固定距离的地方的设备来导出皮肤的位置，以便确定皮肤相对于目标区和一个或多个施加器的位置。例如，这可以借助于被跟踪设备来实现。根据紧贴皮肤放置的被跟踪设备导出皮肤位置的实施方式的示例可以是在由患者跟踪器支持的处置中的情况。这样的患者跟踪器用于跟踪患者的运动，但是也可以用于如本发明中所描述的皮肤保护警报的目的。飞利浦PercuNav系统包括这样的患者跟踪器。

另外，可以通过使用具有或多或少固定位置的设备来确定相对于目标和施加器位置的皮肤位置。一个示例是将网格模板紧贴患者的会阴放置的泌尿外科介入中的情况。以这种方式，通过流程前校准就可以知道皮肤的位置。

又另外，能够(例如借助于一个或多个相机)直接确定皮肤位置。可能需要进行校准以将利用一个或多个相机确定的皮肤位置与借助于医学成像系统确定的目标的位置进行关联。

基于经分割的目标和一个或多个危及器官，能够创建处置计划102。处置计划的创建可以是治疗效果的优化结果，其中，治疗效果由成功处置目标的可能性并同时将毒性水平保持在一定极限内的组合来定义。

处置计划的结果将是一个或多个处置施加器的(一个或多个)位置以及每个施加器要使用的处置参数。这些处置参数可以例如是加热或冷却的持续时间、使用的功率或提供处置的方向。这些处置参数也可以是相对于施加器的等温线或等剂量线的形状，如图3中将要解释的那样。一个或多个施加器的(一个或多个)位置并结合其处置参数将在实际处置递送期间引起一定的温度分布。该温度分布可以借助于热模型来估计。这种温度分布也可以影响皮肤。皮肤温度过高和过低都会导致皮肤损伤。而且，皮肤暴露于某些温度下的持续时间也可能很重要。温度分布能够用于估计在实际处置期间的皮肤温度103。如果估计皮肤处的温度过高或过低(取决于处置是加热处置还是冷却处置)，则会发出警报。该警报告知用户可能需要更改计划。而且，用户可以考虑使用抵消措施以抵消因处置引起的皮肤温度变化。例如，可以应用外部皮肤冷却。

一旦计算出规划的施加器位置，就可以将这些规划的位置投影到医学图像上。另外，可以向临床医生提供关于如何进入这些位置的信息，例如在以前列腺为靶标的流程中，可以指示网格中的插入孔。这将辅助临床医生将施加器放置在正确的位置处107。然而，实际上，临床医生可能希望(例如基于实时成像)偏离计划。而且，施加器可能按照规划得到精确放置。这可能引起不同的温度分布，因此也会影响皮肤处的温度。在施加器定位之后，可以重新计算温度分布，或者仅在施加器位置与规划位置的偏差大于某个值时才会重新计算温度分布108。可以通过使用已经放置的施加器的位置来计算温度分布。而且，可以通过假设其余施加器将被定位在其规划位置处来考虑其位置。任选地，可以考虑用于放置其余施加器的某种误差裕量。基于重新计算的温度分布，可以重复皮肤温度估计作为处置结果109。如果估计的皮肤温度高于或低于(分别针对加热处置和冷却处置)某个阈值，则将发出警报110，并且系统将建议临床医生重新定位施加器107或者改变处置参数。如果未发出警报，则临床医生将评估是否已经对所有施加器进行定位111。如果不是112，则将放置下一施加器107。一旦已经放置了所有施加器并且确定没有针对皮肤损伤的(其余)风险，就能够开始热处置113。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的消融治疗规划系统200。消融治疗规划系统接收患者201a的医学图像。另外，消融治疗规划系统接收输入，该输入定义针对一个或多个热施加器201b的相对于皮肤位置的预期处置位置。该预期处置位置可以是规划的位置，也可以是为了消融处置而已经放置的施加器的位置。消融治疗规划系统还接收一个或多个预期处置参数201c。基于医学图像，能够确定患者的皮肤相对于目标或预期处置位置的位置202。这可以直接根据医学图像来导出，但是如上所述，替代方法也是可能的。然后，系统使用热模型来根据预期处置位置和一个或多个预期处置参数估计皮肤位置处的温度204。

例如，这样的热模型可能包括三个元素：

描述在给定热源时温度随时间演变的热方程；

描述了应用模态并针对热方程推导适当热源的方程(或方程组)；

将温度演变转化成热剂量(即，转化成对细胞热损伤的概率预测)的额外方程式(或方程式组)。由于组织性质对温度和细胞损伤概率具有强烈依赖性，因此通常会将这些方程进行耦合。

能够使用经典的Pennes方程对温度演变进行建模(因此将灌注建模为分布式灌注速率ω

其中，C

在该模型内，空间中的灌注速率可以是均匀的，也可以是不均匀的，例如，在采集的图像中可以看到，在内部血管中灌注速率较高。然后在时间上对该方程进行积分以导出将被馈送到细胞损伤模型的温度场。

能够利用不同的数值方法来求解热方程，包括有限差分时域法(FDTD)和有限元方法(FEM)。

在有限元方法中，将与消融相关联的偏微分方程的弱形式离散化，然后直接或迭代地进行求解。

在FDTD法中，使用对空间和时间偏导数的中心差分近似对偏微分形式的时间相关方程进行离散化。使用蛙跳积分法对结果得到的有限差分方程进行求解。

作为针对热模型的替代方案，可以使用一组固定的参数配置对施加器的消融区进行编码，以便估计皮肤温度或皮肤处的热剂量。

基于由热模型进行的温度计算，如果计算出的皮肤位置处的温度高于或低于某个阈值206，则系统会发出警报。

图3示意性地示出了冷冻消融针300和对应的等温线302。304是标度，其以毫米为单位示出了消融区的高度。图3显示出最靠近施加器的-40℃等温线。另外，还会显示-20℃等温线(中间)和0℃等温线。对所有可用的消融针几乎都提供了关于等温线的位置的信息。消融治疗规划系统能够使用该信息作为针对热模型的替代方案，以确定是否应当发出警报。

图4示意性地图示了将不会发出警报(A)和将会发出警报(B)的情况。图4示意性地图示了其中放置203有施加器的患者。使用施加器的结果是局部温度会发生变化。这能够通过等剂量线或等温线404、405的存在而看到。在根据图4的实施方式中，如果某条等剂量线或等温线405与皮肤402相交，将发出警报。在图4A中，等剂量线405a不与皮肤402相交，因此将不会发出警报。在图4B中，等剂量线405与皮肤402相交。因此，将会发出警报。

根据本发明的实施例，警报能够由用户进行配置。例如，用户可以指定针对任何区域(消融区、特定的等温线或特定的等剂量线)的距离。例如，如果50度等温线与皮肤的距离小于5毫米，则可能会发出警报。

图5示意性地图示了将不会发出警报A和将会发出警报B的另一情况。在这种实施方式中，如果等剂量线或等温线505距离皮肤502在一定距离内，则将会发出警报。501示出线与皮肤502相距该一定距离。在图5A中，将不会发出警报，因为等剂量线505a与线501不相交。在图5B中，线505b与501相交。因此，将会发出警报。

图6示意性地图示了能够如何使用设备来确定皮肤的位置。图6示意性地显示前列腺流程，其中，将网格606靠近会阴的皮肤602进行定位。将网格用作针对皮肤位置602的代理。当等剂量线605与网格相交时(图6A)或者当等剂量线605距离网格607在一定距离内时(图6B)，会发出警报。

虽然已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。