CN106132330A - 用于消融治疗计划和消融装置的手术中位置更新的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于辅助外科医生将至少一个消融装置放置到患者的治疗区域中的系统，其中所述系统包括具有显示器、用户界面和软件的至少一个计算机系统。所述系统利用所述治疗区域的患者图像数据在所述显示器上生成所述治疗区域的图像并用目标鉴定所述待消融的治疗区域。所述治疗区域的组织性质经过鉴定并用于实施热建模。生成治疗参数并计算消融区。产生计算机系统显示器，所述显示器示出(a)消融所述治疗区域所需的消融装置的数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向，以及(b)所述消融区。

Description

用于消融治疗计划和消融装置的手术中位置更新的系统和 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月22日提交的美国临时申请第61/969,132号的权益，针对所有目的将该申请的内容以引用其全文的方式并入本文。
技术领域
本发明的实施方案通常涉及组织消融，且具体来说，用于实施计算机指导的消融手术的组织消融计划、指导和治疗系统。
背景技术
在现有计算机指导的消融治疗计划和指导系统中，制定初始治疗计划，并且界定人体中待治疗的区域(癌组织、异常细胞、损伤和器官，如例如，前列腺、乳房、肝、肺、肾、骨等)(“治疗区域”)。这些治疗计划和指导系统随后允许医师/临床医生手动鉴定消融装置如例如冷冻探针、冷冻针头、光纤、射频(RF)针头/电极、电极、微波天线等相对于治疗区域的定位和位置。利用这些系统，临床医生必须估算致死消融区以及围绕致死消融区的安全边际和围绕治疗区域的治疗边际。此外，当将诸如冷冻探针的消融装置插穿皮肤并进入治疗区域中时，所使用的冷冻探针和任何定位装置可折曲且器官或其它身体组织还可能响应于消融装置插入而移位或移动。因此，消融装置在治疗区域中的最终位置可能与治疗计划中所包括的计划位置不同，导致相比于原计划的不同致死消融区以及不同消融边际。
此外，初始治疗计划可以在临床医生办公室，利用患者所提供的初始图像数据集制定，所述图像数据集可能不同于临床医生在消融手术期间所使用的图像数据集。因此，对于消融系统有利的是提供配准两个或更多个不同数据集之间的治疗区域位置的方式。另外，在手术期间，临床医生可能在两个或更多个不同位置，例如介入放射(IR)房与控制室之间工作。因此，系统需要提供在多个不同位置的治疗计划和指导消融装置位置的同时更新。
此外，虽然临床医生已制定初始治疗计划，其概括应在人体中安置消融装置的位置例如治疗区域，但临床医生难以按计划在准确位置并以准确取向插入消融装置。影响消融装置在人体中的最终位置的因素包括但不限制于经皮肤的插入点和插入角度。因这些变量，临床医生按计划精确安置消融装置成为挑战。本领域技术人员将容易理解，消融装置的正确安置导致更优且更具预见性的手术结果。
现有计算机指导的冷冻手术系统包括在共同受让的美国专利和公开第5,531,742号；第5,647,868号；第6,139,544号；第6,485,422号；第6,544,176号；第6,643,535号；第7,363,071号；第8,187,260号；和第2008/0154253号中所描述的那些系统，上述美国专利和公开各自的全文内容是针对所有目的以引用全文的方式并入本文。
为了解决上文讨论的潜在问题和现有计算机指导的消融计划、指导和治疗系统的问题，本文公开并描述了特别允许临床医生/医师更准确制定消融治疗计划并在消融手术期间提供更优治疗指导的系统和方法。
发明内容
本发明的实施方案是关于用于辅助外科医生将至少一个消融装置放置到患者的治疗区域中的系统，其中所述系统包括至少一个计算机系统，其包括显示器、用户界面和软件。所述软件经配置为接收所述治疗区域的患者图像数据、在所述显示器上生成所述治疗区域的图像、用目标鉴定待消融的治疗区域、鉴定所述治疗区域的组织性质、基于所述治疗区域的组织性质实施所述治疗区域的热建模、生成所述至少一个消融装置的治疗参数、基于目标的大小和基于所述治疗区域的组织性质实施的治疗区域热建模来计算消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向、基于消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向计算消融区，并且在所述计算机系统显示器上显示(a)消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向以及(b)所述消融区。
本发明的实施方案还是关于开发消融治疗计划的方法，其中所述方法包括以下步骤：接收治疗区域的患者图像数据、在显示器上生成所述治疗区域的图像、用目标鉴定待消融的治疗区域、鉴定所述治疗区域的组织性质、至少部分基于在所述治疗区域中的组织的热学性质实施所述治疗区域的热建模、确定用于至少一个消融装置的治疗参数、基于所述目标的大小和基于所述治疗区域的组织性质实施的治疗区域热建模来计算消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向、基于消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向计算消融区、并且在所述显示器上显示(a)消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向以及(b)所述消融区。
在本发明的另一实施方案中，提供用于对患者的治疗区域指导并实施消融手术的系统。所述系统包括具有显示器、用户界面和软件的至少一个计算机系统，其中所述计算机系统经配置为接收消融治疗计划，所述消融治疗计划包括(a)治疗计划患者图像数据集、(b)消融所述治疗区域所需的消融装置的数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向以及(c)消融区的边界。所述计算机系统还经配置为(a)接收在消融手术当天获取的治疗区域的至少一个患者图像数据集，(b)将消融手术当天获取的治疗区域的至少一个患者图像数据集与治疗计划患者图像数据集配准，(c)允许基于与治疗计划患者图像数据集配准的在消融手术当天获取的治疗区域的至少一个患者图像数据集调整治疗区域的大小和/或形状和/或位置，(d)基于以配准的第一患者图像数据集和第二患者图像数据集为基础对目标的大小和/或形状和/或位置作出的任何调整重新计算消融治疗区域所需的消融装置的数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向，(e)基于消融所述治疗区域所需的重新计算的消融装置的数目和/或每个消融装置在所述治疗区域中的重新计算位置和/或重新计算的取向更新消融区，和(f)更新所述计算机系统上的显示器以显示(i)消融所述治疗区域所需的重新计算的消融装置数目和/或每个消融装置在所述治疗区域中的重新计算的位置和/或重新计算的取向和(ii)重新建模的消融区。所述系统还包括消融能量发生器和至少一个消融装置。
为更好地理解本发明的实施方案、其操作优势和通过其使用所获得的具体目标，参考随附描述性内容，其中在附图中图示了本发明的优选实施方案。
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的消融系统的系统示意图；
图2描绘根据本发明实施方案在消融装置放置期间插入成像装置中的患者；
图3描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像；
图4描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的组织特性文库的计算机装置显示器上的图像；
图5描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出两个不同冷冻探针的个别等温线；
图6描绘在治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出图5中所示出的两个不同冷冻探针等温线的组合/复合等温线；
图7描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出图5中所描绘的两个不同冷冻探针的经修改安置和两个冷冻探针的经修改个别等温线；
图8描绘在治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出图7中所示出的两个不同冷冻探针等温线的组合/复合等温线；
图9描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出冷冻探针的部分插入；
图10描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出冷冻探针的完全插入；
图11描绘在治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出响应于图10中所描绘的更新插入冷冻探针的计划位置的经修改治疗计划；
图12描绘在根据本发明实施方案的治疗计划和指导系统的计算机装置显示器上的三视图图像，其示出两个冷冻探针的插入和所获得的组合/复合冷冻探针等温线；且
图13是根据本发明实施方案的计划、指导和实施消融手术的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方案将在下文参考附图更全面地加以描述。然而，本发明的各个实施方案可以许多不同形式体现且不应视为限制于本文陈述的实施方案。相对地，提供这些实施方案使得公开内容变得彻底且完整，且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。利用相同或类似参考符号鉴定的元件指代相同或类似元件。作为属于某些实施方案公开的特征可与本文公开的本发明其它实施方案一起使用。
应理解本发明不限制于本文描述且/或示出的具体装置、方法、条件或参数，且本文所使用的术语是出于仅以举例方式描述特定实施方案的目的。因此，该术语旨在进行广义解释且不旨在限制本发明。例如，除非另外明确说明，否则当用于包括用随附数字编号的段落的说明书中时，单数形式“一”和“一个”包括复数形式，术语“或”意指“和/或”且关于特定数值的引用包括至少那个特定值。此外，除非本文另外明确说明，否则本文描述的任何方法不旨在限制于所描述的步骤顺序，而可按照其它顺序实施。且附图中示出的任何尺寸是代表性尺寸且不限制本发明，因为可按需要使用更大或更小尺寸。
还将理解，虽然本文可使用术语第一、第二等描述各个元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个区分。因此，在不脱离本发明实施方案的教义下，可将第一元件表述为第二元件。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属领域的一般技术人员通常所理解的相同含义。还将理解，诸如常用词典中所定义的那些术语应解释为具有与其在相关领域中的含义一致的含义且除非本文明确如此定义，否则不应按理想化或按过分正式概念理解。
在本文公开和描述的本发明实施方案中，消融装置为冷冻手术探针且消融手术为冷冻消融手术。然而，应理解可根据本发明实施方案的原理使用各种其它类型的消融装置提供必要消融手术。消融装置可包括例如RF针头/电极、激光纤维、光纤、微波导管和天线、电极、高强度聚焦超声波装置和其它合适的消融装置。此外，虽然本文讨论并描绘的消融手术是用于肾脏消融，但本文公开并描述的系统可用于对其它身体组织和器官实施消融手术，如例如前列腺、肝、肺、乳房、皮肤、骨、宫颈、子宫粘膜、心血管系统(包括心脏)、神经系统、癌组织、异常细胞等。此外，临床医生、医师和外科医生可以交换使用。本领域技术人员容易理解本发明的实施方案可供可实施本文公开的任何消融手术的健康护理专家使用。
现参考附图和其上标记的参考符号，图1图示根据本发明实施方案，一帮指定为10的冷冻手术系统。冷冻手术系统10包括连接至供应手术用低温流体的冷冻引擎16的流体供应线12。在一些实施方案中，低温流体由流体源18提供。在一些实施方案中，低温流体可以是氮气、氩气或能够在身体组织提供低温效应的任何其它流体。图1图示安置在邻近成像装置36的台26上的患者34。此外，冷冻手术系统10包括计算机装置38，其用经配置为运行消融计划、指导和治疗系统的软件编程，例如计算机装置38可运行或访问并更新/修改消融治疗计划且还可提供治疗指导以及在消融手术期间运行消融装置。除了用经配置为运行消融计划、指导和治疗系统的软件编程外，计算机装置38还包括至少一个用户界面39、显示器40和处理器。应注意，在手术前的这个点，临床医生/医师已制定初始消融治疗计划，下文将更详细讨论。
如下文将更详细讨论般，在本发明的一些实施方案中，在消融手术期间，如图2所描绘，患者34在作为治疗指导过程一部分的冷冻探针32插入期间被多次引入成像装置36的成像区段中，以确保冷冻探针32依照先前制定的消融治疗计划放置。还如下文所讨论般，如果临床医生确定，由于在消融手术期间获得的额外图像数据集，冷冻探针并未依照治疗计划放置，那么临床医生可更新并修改治疗计划以补偿这些偏差。
在一些实施方案中，成像装置36可以是例如CT、MRI、PET、SPECT、X射线(包括荧光)、超声波或其它合适成像装置。成像装置36在消融手术期间从患者34的治疗区域接收成像数据。治疗区域可以是例如人体中的任何区域，包括前列腺区域、乳房区域、肝区域、肺区域、肾区域、心脏区域、骨、癌组织或损伤、其它器官、神经等。成像装置可以是例如具有拍摄治疗区域的3D荧光照片的非集成装置或其可以是可供临床医生或用户实时鉴定冷冻探针相对于器官的定位、骨质结构或图像集中的其它鉴定基准数据的集成系统，如例如，超声波探针。
现转移至消融计划、指导和治疗系统，在本发明的一些实施方案中，所述系统包括可联网在一起并用经配置为显示2D和3D图像数据的软件编程的一个或多个计算机装置。所述软件还可经配置为显示冷冻探针/消融装置的模型和等温线/消融区信息。所述计算机装置中的至少一个(可以是主要消融计算机38)能够操作消融能量装置如例如冷冻引擎16以将能量/冷剂递送至治疗区域。其它消融能量装置包括且不限制于电射频发生器、激光能量发生器、微波发生器和高强度聚焦超声波发生器。
所述系统还包括经配置为实施本文所公开并描述的消融计划、指导和治疗功能的软件。在消融手术前，临床医生利用系统的治疗计划能力制定消融治疗计划。为了制定这个计划，临床医生从将上文讨论的成像装置之一所提供的治疗区域的患者图像数据上传至计划系统中开始。所述患者图像数据由患者以电子形式提供或可从图片归档和通信系统(“PACS”)上传。在一个实施方案中，患者图像数据呈CT扫描片的形式。
在患者图像数据上传至计划系统后，所述系统如图3所描绘经配置为在计算机装置显示器上产生三视图图像100。三视图图像100包括轴向视图102、矢状视图104和冠状视图106。临床医生可更改每个视图在屏幕上的定位。例如，如果临床医生偏好将矢状视图作为主视图，那么计划系统允许临床医生在显示器上重新排列视图的位置。如在图3中可见，某些患者解剖结构如脊柱椎骨108和肋骨110可在三视图图像102中鉴定。这些是临床医生在放置消融装置或冷冻探针的消融手术期间需要避开的结构/解剖结构以及确保消融区不延伸至这些结构/解剖结构。此外，临床医生可在CT扫描片上具体标记在手术期间需避开的某个解剖结构。例如，计划系统允许临床医生通过在屏幕右侧的选择框112中选中肺特征项鉴定患者的肺，所述选择框包括下拉框以允许临床医生从系统所包括的解剖结构文库选择各个解剖结构。一旦选中，临床医生可利用本领域技术人员已知的任何用户界面装置，包括但不限制于电子笔、鼠标等在轴向视图102上画出肺，从而允许在消融手术期间清晰鉴定肺。一旦在轴向视图102中画出，系统在矢状视图104和冠状视图106上自动标记并鉴定对应解剖结构。临床医生还可具体鉴定解剖结构文库中所包括的任何其它解剖结构，如例如骨、肝、肠等。
利用上传至计划系统并以三视图格式100显示的CT扫描片或图像数据集，临床医生现在可用目标114鉴定治疗区域。临床医生利用许多快速/直觉方法中的任一种鉴定并描绘目标114，其中一种方法是使用预定目标形状并将目标形状居中定位在目标区域中且随后利用“直觉手感”调整。目标114可具有任何大小或几何形状以使其完全覆盖/鉴定治疗区域。用于目标界定的快速/直觉方法的其它实施方案包括来自形状文库的atlas形状，其利用图像密度信息自动变形为损伤/目标区域的形状。这些变形方法可具有各种用户界面方法/装置以允许临床医生利用基于3D重构算法的形状更新按3D或平面调整目标114的大小、形状和位置。如在图3中可见，治疗区域是肾115的一部分且目标114呈椭圆形。一旦在轴向视图102上定位目标114，系统自动生成其在矢状视图104和冠状视图106上的对应位置。在一些情况中，临床医生可能需要相比于系统在屏幕上初始呈现的更优或不同的治疗区域视图。在这些情况中，临床医生可转动或改变轴向视图102的取向，其还将导致矢状视图104和冠状视图106按对应方式转动或重新取向。由于三个视图在同一屏幕上同时呈现，临床医生能够获得治疗区域的实质3D视图，其导致治疗区域的更优且更准确可视化。因为临床医生可改变三个视图的取向/视角且还可改变目标114在三个视图各者上的大小、形状和位置，所以临床医生可实质上3D建模目标114以确保在消融手术期间获得完整且准确的目标解构同时避免对周围组织/解剖结构的损伤。
除了鉴定临床医生在消融手术期间想要避开的解剖结构外，计划系统还允许临床医生鉴定治疗区域中的具体解剖结构和组织类型以及围绕治疗区域的解剖结构和组织类型，所有这些均可影响冷冻探针等温线并因此，影响冷冻消融手术期间的致死冰体形成。某些组织类型具有特定热学性质，如例如热容量、导热性、传递速率、密度、灌注、代谢产热等，其可影响治疗区域中的组织和围绕治疗区域的组织的热学性质。因为围绕治疗区域的组织可影响治疗区域内的组织的热学性质，所以能够鉴定这个组织也很重要。因此，计划系统包括具有不同组织类型和其相关组织性质的组织性质数据库/文库的模块116(描绘于图4中)。这个模块通过鉴定治疗区域内的组织类型以及围绕治疗区域的组织类型并将其纳入治疗计划中给临床医生提供了更详细地进一步建模治疗计划的能力。
因此，例如，如果临床医生正在对支气管内腔中的肿瘤实施冷冻消融手术，那么支气管内腔可用目标114鉴定且临床医生可突显或选择所述目标且可从图4中所描绘的“组织类型”下拉框选中“支气管内腔”，在该点，系统填入支气管内腔的相关组织性质如热容量、导热性、传递速率、密度、灌注和代谢产热。此外，为了得到治疗区域的更准确热学模型，临床医生可鉴定支气管内腔附近的其它组织类型，如例如乳腺。为此，临床医生可利用用户界面如本文所公开的任何那些用户界面在三视图图像上鉴定乳腺，且随后可从图4中所描绘的“组织类型”下拉框选中“乳腺”。选择“乳腺”组织类型后，系统填入乳腺的相关组织性质如热容量、导热性、传递速率、密度、灌注和代谢产热。由于系统鉴定治疗区域内和围绕治疗区域的组织类型的能力，所以当计算并开发治疗计划时，系统可将所有鉴定组织类型的组织热学性质考虑在内。例如，对于具有高热容量的治疗区域组织和/或周围组织，计划系统可开发具有更多冷冻探针、不同冷冻探针放置、较高能量功率设定、更长冷冻时间等的治疗计划以补偿这些组织性质。因为可实现更准确的治疗区域热建模，所以这允许临床医生制定更准确的治疗计划。当临床医生更新或修改治疗计划时(下文详细讨论)或在消融手术的治疗指导期间如果原治疗计划在消融手术期间发生变化(下文也将详细讨论)，治疗区域组织和围绕治疗区域的组织的热学性质继续供系统考虑。
组织性质数据库包括在体温下测得的身体组织的热学性质。不幸的是，这些组织性质随着温度变化，特别是在相变下。为了对这种情况作出补偿，在本发明的一个实施方案中，系统按两个线性温度函数(一个低于0℃和一个高于0℃)建模各个组织性质。虽然不存在关于这些组织类型的组织性质依温性的详细信息，然而我们确实知晓组织的热学性质基于组织的水含量如何变化。因此，系统可通过推断组织水含量的贡献随着建模温度变化调整建模组织的热学性质。根据从现有组织性质数据库得到的组织组成推断，基于水温的调整可自动应用于在体温下测定的组织热学性质(热容量和密度)。因此，当治疗区域组织的热学性质和周围组织的热学性质在手术期间变化时，例如由于治疗区域冷冻造成温度下降，系统可确定这个变化对建模等温线的作用。
现转至图5，一旦临床医生在CT扫描片上鉴定治疗区域和受关注的任何其它周围解剖结构，系统向计划系统确定推荐治疗参数如冷冻探针大小118和冷冻时间120。其它治疗参数包括但不限制于冷冻/融解循环和循环次数(例如，10分钟冷冻、8分钟融解和10分钟冷冻的消融方案等)。在这个点，计划系统现在准备计算/开发治疗计划。如在图5中可见，基于在CT扫描片上鉴定的所有解剖结构(包括治疗区域)、由临床医生输入系统中的所有信息(包括周围解剖结构和组织类型的鉴定)和系统基于组织性质数据库中的信息实施的任何热建模，计划系统开发包括具有在图5中所鉴定的治疗区域中的特定位置和取向(插入角度)的两个冷冻探针122、124的治疗计划。计划系统还计算每个冷冻探针122、124(未示出)的功率设定，在消融手术期间，其将供治疗系统使用。基于目标114的大小、临床医生选中的治疗参数和周围解剖结构和组织类型对治疗区域的作用，本领域技术人员将容易理解消融装置(在这个实施方案中为冷冻探针)的数目可变化并因此不限制于在本发明的这个实施方案中所描绘的两个。消融装置(在这个实施方案中为冷冻探针)的数目可在少至一个至多达八个的范围内。
如上所述，基于临床医生用目标114鉴定治疗区域和临床医生鉴定受关注的目标组织和任何周围解剖结构，系统基于由系统建议的治疗参数计算/生成治疗计划(使用冷冻探针的数目、冷冻探针插入的位置和冷冻探针的取向)。然而在这个点，临床医生可基于临床医生的偏好和/或经验改变治疗参数如冷冻探针大小、冷冻时间等。对治疗参数的任何这类改变导致系统重新计算新治疗计划，其可导致所使用的冷冻探针数目变化、冷冻探针插入的位置变化、冷冻探针取向的变化、冷冻探针功率设定的变化等。
如在图5中还可见到，计划系统分别鉴定每个冷冻探针122、124的个别等温线126、128，以及计算每个冷冻探针122、124离其最近骨质结构的距离(见计划质量指示框130，其示出探针1(冷冻探针122)离骨5.4mm且探针2(冷冻探针124)离骨9.6mm)。在一些实施方案中，为了避免损伤或遇到围绕治疗区域的组织和解剖结构，计划系统包括关于冷冻探针和等温线必须与某个解剖结构保持的距离的计划质量指示框数据库。安全距离可由绿色显示的计划质量指示框鉴定，可负面影响周围解剖结构的距离可导致计划质量指示框显示为黄色，且极可能导致对周围解剖结构损伤的距离可导致计划质量指示框显示为红色。因存在这些计划质量指示框，治疗计划在大部分情况中将包含考虑了离周围组织和解剖结构的安全距离从而避免对周围组织和解剖结构损伤的冷冻探针放置。在一些实施方案中，计划质量指示框还可反映组织和其它解剖结构(器官)存在损伤风险时的最小或最大温度。计划质量指示框还可用于将临床医师的注意力引导至可含有有关信息的显示器上的不同图像视图。即，点击或以其它方式选择可为例如黄色或红色的计划质量指示框130可改变显示器上的当前视图以在所有图像视图(即轴向、矢状和冠状视图)中突显有关的相关区域(例如最近接近点或最小/最大温度)，从而给临床医生示出在当前视图102中不可见的有关区域。在治疗指导阶段，当如下文所讨论般临床医生/医师必须调整冷冻探针放置以针对未依照治疗计划插入的先前放置探针作出补偿时，这些计划质量指示框也相关。
因为依照冷冻探针等温线126、128形成的冰球不会相互分离或独立地形成且将实质上形成为一个复合冰球(如在图6中所见)，所以计划系统计算并生成描绘两个冷冻探针122、124的复合等温线/冰球132的大小和形状的图像。系统还计算并显示致死冰区(-20℃)134的边界和致死冰区(0℃)136的边际，以及视组织类型和实施的手术类型而定的其它受关注等温线温度。
在这个点，治疗计划完成且可完结并保存以供在消融手术期间配合指导系统使用。同样在这个点，临床医生可基于临床医生的经验或偏好对治疗计划作出手动调整。例如，临床医生可改变冷冻探针122、124的位置、冷冻探针122、124的取向、目标114的大小和形状等。因应任何临床医生变化，计划系统将通过例如修改每个冷冻探针的等温线134、135的大小和形状和因此复合等温线/冰球132的大小和形状反映这些变化。下文将更详细讨论系统通过更新治疗计划对这些变化作出补偿的能力。
现在转移至治疗指导。在消融手术当天，先前开发的治疗计划被输入/上传至指导系统中。在本发明的一些实施方案中，如图1中所见，患者34被安置在CT箱中并获得当前CT-荧光图像数据(3个或更多个CT切片)。在一些实施方案中，成像装置36被连接至主要消融计算机38，其用经配置为运行指导系统的软件编程，以使CT-荧光图像数据可直接上传至指导系统中。在指导系统接收当前CT-荧光图像数据(3个或更多个CT切片)后，指导系统实施CT融合。即，指导系统用将当前CT-荧光图像数据与/向先前由临床医生利用治疗计划系统开发并上传至指导系统的治疗计划图像数据(基线CT图像数据)配准的软件配置。这个配准过程通过使每个数据集中的相同结构相互对齐而实质上将当前CT-荧光图像数据叠加至基线CT图像数据上。融合的基础是使用协助所述配准过程的已知算法。然而，系统还可使用算法的组合，包括但不限制于交互信息、基准标记、手动输入等以开发最优融合叠加和因此准确的图像数据配准。
在这个点，临床医生可针对由于配准过程完成而使得现在可见的两个图像数据集(来自先前开发的治疗计划的图像数据集和当前图像数据集)之间的任何变化或差异作出补偿，例如，临床医生可更新治疗计划。例如，如果治疗区域(可以是例如肿瘤)已生长或在其它情况中具有变化的大小和形状且基于原治疗计划形成的所得冰球不再覆盖整个肿瘤或邻近治疗区域的器官如膀胱因现在尿液排空而具有不同大小和形状，但在开发治疗计划时，其充满尿液，导致治疗区域改变其大小和/或位置，那么指导系统允许临床医生改变/调整目标114的大小和形状，其例如可保证(i)冷冻探针122、124的定位和位置变化和/或(ii)所获得的复合等温线和相关冰球的形状和大小修改。所有这些变化均指示在计算机的轴向视图102、矢状视图104和冠状视图106中。而且，计划质量指示框可改变且可指示新冷冻探针放置位置离周围解剖结构不再是安全距离。因此，临床医生必须手动改变冷冻探针的定位/位置。这个过程可继续直至临床医生满意认为所获得的冰球足以“杀死”肿瘤而不损伤周围组织/解剖结构。
如图7中所描绘，如果临床医生改变冷冻探针122、124的位置和/或插入角度，那么每个冷冻探针的个别等温线126、128的大小、形状和位置也会变化。如图8中所描绘，由于个别等温线126、128的大小、形状和位置变化，系统自动生成新复合等温线134、136和因此所获得复合冰球的大小。冷冻探针定位和等温线建模还可因临床医生改变目标114的大小和形状而发生变化。
一旦临床医生满意更新的治疗计划，临床医生便可通过开始插入第一冷冻探针启动消融手术。在插入过程期间，临床医生不完全插入第一冷冻探针。相对地，如图9中所描绘，临床医生部分插入真实冷冻探针138且随后利用成像装置36获得其它CT-荧光图像数据(3个或更多个CT切片)。在指导系统接收其它CT-荧光图像数据后，系统通过将新接收CT-荧光图像数据与/向基线CT图像数据配准实施上述CT融合过程。在这个过程时，如果需要，系统还可使用来自CT-荧光图像数据的冷冻探针定位作为其融合过程的一部分。这个新配准CT-荧光图像数据现在显示为图9中所描绘的三视图图像，其示出真实冷冻探针138并未依照治疗计划的计算冷冻探针放置122来放置。
由于临床医生可见到真实冷冻探针138放置并未依照计划冷冻探针122放置，所以当将真实冷冻探针138进一步插入治疗区域(目标114)中时，临床医生可通过在插入期间更改冷冻探针138的取向/插入角度来尝试修正这个错位。为了协助冷冻探针插入的准确性，临床医生可在冷冻探针插入过程期间获得其它CT-荧光图像数据，在这个过程中系统通过将任何新接收CT-荧光图像数据与/向先前获取图像配准实施上文讨论的CT融合过程。在临床医生将真实冷冻探针138完全插入至其最终位置后，临床医生利用成像装置36获得其它CT-荧光图像数据(3个或更多个CT切片)。在指导系统接收其它CT-荧光图像数据后，系统通过将新接收CT-荧光图像数据与/向先前获取图像数据配准实施上文讨论的CT融合过程。这个新配准的第一冷冻探针138的最终放置的CT-荧光图像数据可在图10中见到，其示出冷冻探针138的真实最终位置更靠近计划冷冻探针122放置位置但仍未准确依照治疗计划放置。因此，在这个点，临床医生可通过重新安置计划冷冻探针122放置再次修改治疗计划，以使其与图11中所描绘的真实冷冻探针138放置准确重合。这种重新安置可由临床医生实施，例如通过在显示器上借助用户界面如例如电子笔、鼠标或本领域已知的任何其它用户界面简单操作计划冷冻探针122放置。本领域技术人员将容易理解并知晓其它操作方法和装置。
应注意可将任何CT-荧光图像数据向任何其它CT-荧光图像数据配准。即，在当前实施方案中，将CT-荧光图像数据向基线CT图像数据配准。然而，在其它实施方案中，可将最新或最近CT-荧光图像数据向本身可向其最先CT-荧光图像数据配准的最先CT-荧光图像数据配准，从而获得接连配准图像数据。或者，可将CT-荧光图像数据向任何其它CT-荧光图像数据配准，以使其不按照接连方式配准。此外，可将来自手术当天的最终CT-荧光图像数据向手术后图像数据配准以观察治疗区域是否发生任何变化，即肿瘤生长等。
如图11中所见，已更新计划冷冻探针122放置位置以对应于真实冷冻探针138放置位置。因为这个更新的探针放置位置，系统已更新复合等温线134、136以反映真实冷冻探针138放置，从而给予临床医生关于等温线134、136和冰球形成的准确视觉信息。基于通过将计划冷冻探针122放置更新为与真实冷冻探针138放置对应而获得的“修改治疗计划”，临床医生可再次调整目标114大小或其它冷冻探针124的计划放置以改变复合等温线134、136的大小和形状和因此所获得的冰球的大小和形状，从而对第一冷冻探针138的错位作出补偿。为补偿任何冷冻探针错位而可对治疗计划作出的其它调整包括但不限制于调整某些冷冻探针或所有冷冻探针的能量功率水平和/或冷冻探针冷冻时间或循环次数。
一旦将两个真实冷冻探针138、140插入其在目标114中的最终位置，系统可设定为图12所描绘的治疗模式。在治疗模式中，系统依照预定消融方案运行冷冻探针138、140并给临床医生提供关于冷冻探针138、140的信息。例如，在一些实施方案中，这个信息142包括冷冻探针处于“冷冻”模式或“融解”模式、冷冻探针在“冷冻”或“融解”模式中经历的时间长度和操作每个冷冻探针的功率水平。“冷冻”和“融解”时间和功率水平可由临床医生在消融手术期间手动调整。例如，如果冷冻探针比计划放置得更靠近某个结构或解剖结构，那么系统将建模降低的功率设定(例如80％而不是100％)，其将导致较小等温线。在设定调整的另一实例中，可将时间设定从10分钟(例如10-8-10方案)调整至3分钟设定(用于3-5-3-5-5方案)，其中第一时间间隔为冷冻且后续时间间隔是用于交替融解和冷冻模式。
对于某些消融手术，例如涉及前列腺的手术，解剖结构在消融手术期间或成像研究之间“形变”的趋势限制了刚性配准技术的实用性。因此，对于这些消融手术，系统包括并使用可形变配准来配准图像。可形变配准提供将来自各个形态的治疗前成像与在手术时获取的成像整合的能力。因为在成像事件之间患者解剖结构可发生变化，包括不同患者姿态、不同器官大小和状态(例如胃肠或膀胱充盈/排空)所导致的那些变化，和成像本身(例如TRUS中自直肠内超声波探针位移)所导致的变化，系统应用可形变配准方法以补偿并尽可能增大临床实用性。可形变配准将来自一个数据集的解剖轮廓传播至另一个数据集，从而允许系统将来自一个数据集的目标、其它解剖结构和冰球形成映射至另一个图像集。
在前列腺手术中，例如，可形变配准的应用容许在不同时间获取来自多参数MR成像的解剖和目标细节，可能包括关注的患者解剖结构变化，如插入直肠中的超声波探针，其向髋骨挤压前列腺，从而使治疗区域(前列腺)形变或移位。由于正常器官移动和形变，和由超声波探针移动导致的移动和形变，可形变配准是在前列腺消融手术期间配准图像数据的理想方法。因此，因为可形变配准解决了这些治疗区域(目标)形变，所以可形变配准还可优选用于其中目标114会因引入冷冻探针形变或具有随时间形变趋势的消融案例中。
在当前系统的一个实施方案中，可形变配准是通过变换一个数据集，使得其中界定的轮廓匹配从第二数据集中所界定的轮廓推断得到的表面来实施。系统中的轮廓是平面环，其可在多个平面上界定，每个平面相对于所有其它平面平行或垂直，且可按任何顺序编辑。
确定两个表面是否匹配要求量化表面位置在平面轮廓之间的不确定性。这个确定包括轮廓表面之间的距离和轮廓点之间的真实距离。后者针对指定体元进行计算机计算并储存，作为用边界体元连接所述指定体元，只穿过体元面的相邻体元的最小数目。这种排列容许快速评估由坐标变换所得到的总“匹配距离”。为了满足关联来自配准系列的解剖结构而不是驱动配准过程的解剖结构(例如，在配准前列腺内或附近的肿瘤轮廓)的要求，所使用的变换提供变换任何坐标的插值和外推。注意这种转换涉及非平凡表面推理以返回在图像位置的平面轮廓集，且这种推理算法将在下文进一步讨论。这种转换还可舍弃关于变换和配准系列的信息，特别是如果那个系列较基线系列更密集切片，其中TRUS成像将充当治疗基线的MR-TRUS配准通常将会是这种情况。
为了优化变换，所述过程从将两个轮廓集的中心合并一起的平移开始。然后，6-DOF单纯形优化依照上述度量计算3D平移和旋转。随后利用平移和旋转的较小特征长度和缩放用附加3-DOF实施另一轮优化。随后利用局部形变微调所获得的总变换。在这个微调过程期间，插值(三线性)八叉树位移场以找出在各个节点的位移。利用3-DOF，在只考虑在那个解析水平下位于节点中心的模间距离一半内的那些基线轮廓点下对八叉树节点进行个别优化，但在其它情况中使用与上文相同的度量。跨节点且按接连变小的解析步骤重复这个过程直至区域中的所有基线轮廓点(i)映射至配准系列轮廓点或(ii)八叉树节点间距离跨度小于可配置细节阈值(在一个实施方案中，设定为5mm)。在转移至轮廓节点后，保存八叉树位移供以后使用。随后针对高于要求中的阈值距离的节点拉伸扫描每个轮廓。对于每个这样的拉伸，实施递归二叉细分，其中中心节点的位移是根据其邻近亚阈值节点的插值设定并经调整以将其映射至离那个位置最近的亚阈值点。如此一来，利用全部沿器官边界界定的位移场，所有基线轮廓节点均被映射至配准系列中的边缘点。
为了评价在轮廓集内侧的位移场，且因此可将配准系列重新格式化为与基线体元位置重合，使用边界位移和八叉树节点，根据以下法则建立体积位移场：
·通过邻近八叉树节点中心的三线性插值推导含于无轮廓点的八叉树节点内的点；且
·根据以八叉树节点内的所有轮廓节点的位移为基础，根据离采样点的笛卡尔距离平方倒数加权的加权平均位移计算其它点。
在相邻切片上的每一对轮廓集给表面段建立具有潜在任意复杂度和模糊度的界限，如间隙中的分歧或不相交区域。表面插值算法在这些区域中作出解剖学适用假定。这个实施方案中所采用的算法建立对应于被相邻轮廓集中的一个而非两个包围的区域的平面区，并根据图像A所生成的先前计算距离图对在两个图像中的那个点的距离度量和的比率给新域内的点分配了从图像A至图像B的切片间间隙比例。所获得的高度图描述在那些切片之间的间隙中的表面且所述过程可重复贯穿整个系列。
在利用上述方法或本领域已知的其它可形变配准方法可形变配准来自前列腺手术的图像后，系统如上文针对刚性配准的图像数据所述发挥作用。
图13是描绘计划、指导和实施消融手术的方法的流程图。
如本文所讨论，本发明的实施方案允许临床医生手术中调整消融装置的定位/放置。因具有手术中调整消融装置位置的能力，医师/临床医生可将消融装置引导至最优位置。此外，因知晓每个装置的最终位置与其计划位置之间的差异，医师/临床医生可调整那个装置的消融设定且/或基于先前消融装置位置调整即将插入的每个后续消融装置的计划放置以实现最优消融装置安置和因此最优致死消融区形成。这个能力将引起具有更优且更确定结果的更高效消融手术。所述系统允许外科医生按照多种方式调整设定。
在放置冷冻探针后，临床医生监测冰球的生长。系统将录入来自成像装置的图像，将那些图像与最新治疗/指导计划配准并显示与真实位置配准的位置以使临床医生可比对最新计划核实治疗。
虽然本发明已在上文通过示例性实施方案加以描述，但不受其限制。相对地，随附数字编号的段落应进行广义解释以包括本领域技术人员在不脱离本发明等效内容的范围下实现的本发明的其它变型和实施方案。

Claims (19)

1.一种用于辅助外科医生将至少一个消融装置放置到患者的治疗区域中的系统，所述系统包括：
至少一个计算机系统，其包括显示器、用户界面和软件，并且所述软件经配置为：
接收所述治疗区域的患者图像数据；
在所述显示器上生成所述治疗区域的图像；
用目标鉴定待消融的所述治疗区域；
鉴定所述治疗区域的组织性质；
基于所述治疗区域的所述组织性质实施所述治疗区域的热建模；
生成所述至少一个消融装置的治疗参数；
基于所述目标的大小和基于所述治疗区域的所述组织性质实施的所述治疗区域的所述热建模来计算消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向；
基于消融所述治疗区域所需的所述消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的所述位置和取向计算消融区；并且
在所述计算机系统显示器上显示(a)消融所述治疗区域所需的所述消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的所述位置和取向以及(b)所述消融区。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述软件还被配置为鉴定围绕所述治疗区域的患者解剖结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述软件还被配置为鉴定围绕所述治疗区域的组织的组织性质。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述软件还被配置为基于所述治疗区域的所述组织性质和围绕所述治疗区域的所述组织的所述组织性质实施所述治疗区域的热建模。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述患者图像数据是CT-荧光图像数据。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个消融装置是冷冻探针。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述消融区包括复合等温线，其包括经计算消融所述治疗区域的冷冻探针数目中每个冷冻探针的个别等温线。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述软件还经配置为允许外科医生修改消融所述治疗区域所需的所述消融装置数目和/或每个消融装置在所述治疗区域中的所述位置和/或所述取向。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述治疗区域的所述组织性质包括热容量、导热性、传递速率、密度、灌注和代谢产热。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述治疗区域的所述图像包括轴向视图、矢状视图和冠状视图。
11.一种开发消融治疗计划的方法，其包括以下步骤：
接收治疗区域的患者图像数据；
在显示器上生成所述治疗区域的图像；
用目标鉴定待消融的所述治疗区域；
鉴定所述治疗区域的组织性质；
至少部分基于所述治疗区域中的所述组织的热学性质实施所述治疗区域的热建模；
确定至少一个消融装置的治疗参数；
基于所述目标的大小和基于所述治疗区域的所述组织性质实施的所述治疗区域的所述热建模来计算消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向；
基于消融所述治疗区域所需的所述消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的所述位置和取向计算消融区；并且
在所述显示器上显示(a)消融所述治疗区域所需的消融装置数目和每个消融装置在所述治疗区域中的所述位置和取向以及(b)所述消融区。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括鉴定围绕所述治疗区域的患者解剖结构的步骤。
13.根据权利要求11所述的方法，其还包括鉴定围绕所述治疗区域的组织的组织性质的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括基于所述治疗区域的所述组织性质和围绕所述治疗区域的所述组织的所述组织性质实施所述治疗区域的热建模的步骤。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述实施热建模的步骤还包括通过推断来自所述组织的水含量的贡献而调整在所述治疗区域中的所述组织的所述热学性质。
16.一种用于对患者的治疗区域指导并实施消融手术的系统，所述系统包括：
至少一个计算机系统，其包括显示器、用户界面和软件，所述至少一个计算机系统经配置为：
接收消融治疗计划，其包括(a)治疗计划患者图像数据集、(b)消融所述治疗区域所需的消融装置的数目和每个消融装置在所述治疗区域中的位置和取向以及(c)消融区的边界；
接收在所述消融手术当天获取的所述治疗区域的至少一个患者图像数据集；
将所述消融手术当天获取的所述治疗区域的所述至少一个患者图像数据集与所述治疗计划患者图像数据集配准；
允许基于与所述治疗计划患者图像数据集配准的在所述消融手术当天获取的所述治疗区域的所述至少一个患者图像数据集调整所述治疗区域的大小和/或形状和/或位置；
基于以配准的第一患者图像数据集和第二患者图像数据集为基础对所述目标的大小和/或形状和/或位置作出的任何调整重新计算消融所述治疗区域所需的所述消融装置的数目和每个消融装置在所述治疗区域中的所述位置和所述取向；
基于消融所述治疗区域所需的重新计算的消融装置数目和/或每个消融装置在所述治疗区域中的重新计算的位置和/或重新计算的取向更新所述消融区；且
更新所述计算机系统上的所述显示器以显示(a)消融所述治疗区域所需的所述重新计算的消融装置的数目和/或每个消融装置在所述治疗区域中的所述重新计算的位置和/或所述重新计算的取向以及(b)所述重新建模的消融区；
消融能量发生器；和
至少一个消融装置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个消融装置选自冷冻探针、激光纤维、RF电极、微波天线和高强度聚焦超声波装置。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述消融能量发生器是冷冻引擎。
19.根据权利要求18所述的系统，其中低温流体选自氩气和氮气。
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