CN101120381A - 用于确定靶向给药的注入点的设备和方法 - Google Patents

用于确定靶向给药的注入点的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定靶向给药的注入点的设备，通过将药物注入到血管来向患者的身体给药，该血管向包括目标的目标区域供血。为了向干预人员提供对可能的药物注入点的客观的量化评估，而不是让干预人员依赖于来自DSA序列的视觉检查的主观印象，所提出的设备包括：识别装置(41)，这种识别装置(41)用于识别向该目标区域供血的血管的血管树拓扑结构，流确定装置(42)，这种流确定装置(42)用于确定在将药物材料注入到该血管树中不同的可能的注入点之后输送到该目标的药物材料的百分比，选择装置(43)，这种选择装置(43)用于选择作为最佳注入点的可能的注入点，这种可能的注入点导致输送到该目标的药物的最高百分比。

Description

用于确定靶向给药的注入点的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于确定靶向给药(targeted drug delivery)的注入点的设备和对应的方法，通过将药物注入到血管来向患者的身体给药，该血管向包括目标的目标区域供血。本发明还涉及用于在计算机上实现这种方法的计算机程序。
背景技术
化疗栓塞是通过微创方式治疗不能切除的肿瘤的有效方法。在X光的引导下，将导管顶端通入向肿瘤供血的动脉。继而将化疗材料通过导管注入到肿瘤。这样就将化疗物直接输送到肿瘤中并将流向肿瘤的血液阻断。
为了确定肿瘤的主供血动脉的位置，将造影剂注入候选血管中并获取一系列DSA(数字减影血管造影术)图像。在对造影剂在血管树中的散布进行视觉检查之后，将导管行进到最佳的注入点。由于这种方式具有主观性并且仅以反复试验为基础，所以要求进行几次X光探测，直到达到表面上看来最佳的注入点。
若并没有仔细地选择靶向给药的位置，栓塞物(embolus)可位于错误的位置并使正常细胞丧失血液供应，这样就导致健康细胞的坏死。因此，将化疗材料注入主要向肿瘤供血的动脉而并不伤害大多数健康组织是至关重要的。
到目前为止尚无向基于经导管给药的干预计划提供支持的功能。此外，目前的造影剂散布视觉检查使干涉人员主要能够对当前的造影剂输送做出评估。这样就使将导管行进到更好的药物注入点成为一种反复试验的规程。
US 5,919,135公开了一种用于确定药物剂量并用于避免药物再次离开肿瘤或避免药物由静脉系统散布的方法。这种方法建议将肿瘤的图像区域内的位置用作注入点。不过，并没有采用(客观的)测量来评价这个注入点而且也没有向医生提出更好的注入点方面的建议。流动模式用于确定必须注入的药物量并用于控制这些药物在静脉系统中的扩散。但该专利并未描述怎样使用流动模式。血液流测量通过注入进行，但流特征并没有用于确定注入点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设备和方法，这些设备和方法向干预人员提供对可能的药物注入点的客观的量化评估，而不是让干预人员依赖于来自DSA序列的视觉检查的主观印象。本发明的另一个目的在于可以利用根据本发明的设备和方法来量化和显现肿瘤治疗效果和对紧邻的健康组织的负面影响。
根据本发明，这些目的通过如权利要求1所主张的设备来实现，这种设备包括：
识别装置，这种识别装置用于识别向该目标区域供血的血管的血管树拓扑结构，
流确定装置，这种流确定装置用于确定在将药物注入到血管树中不同的可能的注入点之后输送到该目标的药物材料的百分比，
选择装置，这种选择装置用于选择作为最佳注入点的可能的注入点，这种可能的注入点导致输送到该目标的药物的最高百分比。
权利要求13限定相应的方法。权利要求14限定计算机程序，这种计算机程序包括程序代码装置，程序代码装置用于在计算机上执行该计算机程序时导致计算机执行该方法的步骤。从属权利要求限定了本发明的优选实施例。
根据本发明，提出对可能的药物注射点的客观评估，这种客观评估可仅通过造影剂的单次注入进行。因此，可瞬时得到关于最佳注入点的信息，或者，在优选实施例中，关于用于靶向给药的最佳注入点的路线图的信息。由于有系统引导，所以减少了有毒造影剂的消耗以及工作人员和患者暴露给X光的持续时间，并且提高了易用性。
本发明基于用客观和量化测量评估所有可能的药物注入点的理念，药物注入点即血管树的分段，以向靶向给药提供决断支持，并确保对最佳位置的系统引导。出于这种目的，确定用于不同的可能注入点的输送到目标的注入药物材料的百分比，药物材料如化疗材料，目标如肿瘤。通过所确定的百分比的使用，将最佳注入点选择为具有最高百分比的注入点，即，若将药物在最佳注入点注入，向目标给药的效率最高且对健康组织的伤害程度最小。
而且，在优选实施例中，还确定对健康组织有影响的药物的量。这种信息可单独地从输送到目标的药物的百分比获得，但也可直接得自输送到目标的药物的百分比。在确定对健康组织有影响的药物的量时，根据组织或器官的类型当然也根据药物材料的类型来考虑由药物材料所导致的对健康组织的损害。因此，也对与可能的注入点有关的健康方面的风险进行评估。即使是极小百分比的造影剂也会误导到错误的组织区域，这样就可能导致对主器官的破坏性损害。
在优选实施例中，对血管树的最后分段中的体积流速进行测量，以确定由血管树或为血管树供血的动脉所提供的进入目标区域中的药物材料量。而且，可通过体积流速到可能的药物注入点的回投(backprojection)来确定会进入目标的药物材料的比例。
根据另一个实施例，通过权重因数将体积流速加权，这些权重因数表明药物将位于血管树的相应端部分段的端部处的组织伤害到何种程度。低权重因数表明药物对组织几乎没有影响，而接近于1的权重因数表明药物将细胞破坏。因此，这些权重因数取决于程序中所使用的药物和受到药物影响的组织。某种药物对某种组织的生物学方面的影响记于表中。具有最大影响的用于组织的权重因数等于1。其它的权重因数相应地按比例确定。
优选用该特定动脉供血的组织的对应权重因数将血管树的每个端部分段的体积流速加权。这样就确定了从该端部分段至该注入点的路线。将加权后的流速分配给该路线上的每个支路。这样，若该端部分段向肿瘤或健康组织供血，那么就必须将这种加权后的流速加以区分。也将该信息回传(back propagate)，即分配给每个上游支路。
根据本发明的另一个优选实施例，将目标本身或整个目标区域分段，目标本身如肿瘤，整个目标区域即目标周围的区域，包括目标本身和周围的组织。在目标区域的情形中，确定由血管树的端部分段供血的目标区域的所有隔室，以用于每个端部分段。例如，就肝脏而言，这些不同的分段的数量和主要位置是公知的。
优选通过用户互动来识别目标，如通过用鼠标点击肿瘤。不过，普通的目标自动识别也是可行的，如通过任何纹理分析。但是，由于对于医生来讲，目标的识别非常容易，而且鼠标点击或在较大区域周围拖动是容易的程序，所以优选手动选择。
这样就获得了最佳注入点的位置。该位置可显示在血管树的显示器中。而且也可以显示用于血管树的不同分段的给药百分比或评判标准的相应的结果。
附图说明
下面将参考附图对本发明进行更详细的描述，在这些图中：
图1示出了根据本发明的设备的框图，
图2示出了分段血管树的拓扑结构的视图，
图3示出了在血管树的端部分段中体积流速的测量的视图，
图4示出了到可能的药物注入点的加权体积流速的回传，
图5示出了注入到相应的血管分段中的药物的效率，以及
图6示出了靶向给药的最佳位置的路线图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的设备的框图，这种设备用于靶向给药的可能位置的X光支持的评估。在可确定用于将药物注入到或者的身体1的最佳注入点之前，需要通过数据采集装置2采集患者1的图像数据，数据采集装置2如用于3D旋转血管造影术(3DRA)的X光设备或医学诊断成像装置，如CT、MR或超声波设备。通常将所获得的图像数据储存在存储器3中。其后通过数据处理设备4进行的处理当然可在数据采集或数据储存之后立即进行，但也可在随后的任何时间进行。
为了对化疗栓塞的影响进行评估，在显示造影剂在血管树中的输送的动态数据的采集期间，对造影剂在血管树中的分布进行分析。为了这个目的，首先用识别单元41对血管树拓扑结构进行分析。血管端部点和分叉的确定对于后面进行的处理尤为重要。同样，必须识别该目标，即肿瘤。在优选实施例中，还将健康组织分成由相同的动脉供血的隔室。这种分段血管拓扑结构可得自所采集的数据并在图2中示出，图2还示出了多个分叉B1至B4和多个分段S1至S9。例如，在C.Kirbas和F.K.H.Quek所著的“A Review of Vessel ExtractionTechniques and Algorithms”(俄亥俄州代顿市莱特州立大学计算机科学与工程系图像界面与系统实验室(VISLab)，2002年11月)一文中对用于平面采集如X光中的血管树拓扑结构的分析的算法进行了描述。H.Schmitt等人所著的“An X-ray-based method for thedetermination of the contrast agent propagation in 3-D vesselstructures”(IEEE医学成像学报，第21卷，第3期，2002年3月)一文描述了另一种算法。
优选用分段单元411中的阈值分段(threshold segment)将血管树分段。然后通过区域生长将所产生的3D血管树分成段。从种子点开始检测所有连接的体素(vexel)。然后检查这种产生的所有体素是否连接。若所有体素连接，那么它们就属于相同的血管分段。在血管树的分叉的情况下，这种产生分裂成两个或更多连接的分量。将这些体素标记为新的血管分段。在下一个步骤中，对目前的产生的相邻体素进行检测。在将所有的体素做标记或者种子点不能够到达余下的体素时，这种程序结束。
在另一个实施例中，首先计算二元血管树的程式。分叉是具有两个以上近邻的体素。可替代使用的其它方式另外采用由造影剂动态所提供的信息来提高平面采集中的稳健性。还应注意到，血管树拓扑结构的分段和分析还可通过其它方式提前进行并且也可用在存储器3上。
由于器官的某个隔室基本上由单一动脉供血，所以通过供血动脉输送的化疗材料的量直接与该特定区域中化疗栓塞的影响有关。由于该器官的解剖已提前获知，所以优选与用于单个患者的手动调节结合的自动分割在识别单元41中进行。为了在所希望的与并不希望的化疗材料的分布之间进行区别，将这些隔室分割成健康组织和肿瘤/目标区域。由于肿瘤本身在X光投影中看不到，所以将诊断成像术如CT/MR用于将肿瘤与拓扑信息相匹配，以确定目标区域的位置。
接着在流确定单元42中确定输送到该目标的药物材料的百分比。首先用测量单元421测量血管树的端部分段S1、S2、S5、S6和S7的体积流速。最后的血管分段的体积流速Qi表明有多少化疗材料进入关联的隔室中。不过，局部给药的生物影响不仅取决于药物量，而且也取决于组织的类型。因此，优选用表明组织有多脆弱的因数wi将体积流速在加权单元422中加权。公知的算法可用于以2D对体积流速进行测量，这种算法如S.D.Shpilfoygel、R.A.Close、D.J.Valentino和G.R.Duckwiler所著的“X-ray videodensitometric methods for blood flow andvelocity measurement：A critical review of literature”(《医学生理学》，27(9)，第2008至2023页，2000年)中所描述的算法。近来，也可得到更好的3D方式并且可以使用，如欧洲专利申请EP05100798.7(飞利浦档案号NL050108，“System for the determination of vesselgeometry and flow characteristics”)中所描述的方式，这种方式与公知的用于血流测量如药丸达到时间的视频密计方法结合。图3示出了由测量单元421获得的血管树的端部分段中的体积流速的测量的视图。
S.D.Shpilfoygel、R.A.Close、D.J.Valentino和G.R.Duckwiler所著的“X-ray videodensitometric methods for blood flow and velocitymeasurement：A critical review of literature”(《医学生理学》，27(9)，第2008至2023页，2002年)对公知的用于血流测量的视频密计方法进行了概括。重要的算法是如药丸达到时间算法，这些算法确定造影剂药丸的代表性特征已到达位置l的时间。假设进行两次观察，提取药丸行进两个固定ROI之间的距离Δl所花费的时间的差异Δt并接着将这种差异Δt用于分别计算血液速度和体积流速。当然，也可从时间强度曲线的拟合模型而不是使用时间强度本身来提取所代表的特征。也可使用跟踪药丸边缘算法来替代药丸达到时间算法。在这种情况下，确定用于时刻的药丸在DSA图像中的位置。在利用这两次观察时，可提取药丸已在两个固定时刻之间已行进的距离Δl，且这种距离Δl同样也可用于速度计算。
完全不同的方式是积分曲面方法(integral surface method)。在此情形中，具有单一入流(inflow)的储存器的体积流速是两个不同时刻的容量之差除以时间差。在这种时间差尽可能地小时获得瞬时体积流速。而且，将连续性方程用于光流(optical flow)的方式是公知的。当然，所列举的体积流测量算法并不完整，也可使用公知的其它算法。
接着将加权体积流速回投(project back)到回传单元423中的造影剂的注入点。这样就(在图4中示出)获知用于血管树的每个分段的进入肿瘤T(即目标)或影响目标区域TA的健康组织H的化疗材料的加权量。可将健康组织分成不同的隔室，每个隔室由某个供血动脉供血。分段结果也在图4中示出，在该图中，将特定数字分配给每个隔室。
进入肿瘤中的化疗材料的比例表明在某个位置的靶向给药效率η。因此，就在流确定装置42中计算这种效率，例如，通过用向肿瘤供血的动脉的加权体积流速之和除以加权体积流速的总和
η = Σ ∀ i ∈ tumor w i · Q i Σ ∀ I ∈ tumor w i · Q i + Σ ∀ i ∈ healthytissue w i · Q i - - - ( 1 )
另一方面
μ＝1-η    (2)
是化疗栓塞在健康组织中导致的损害的指标。若μ接近于0且η接近于1，那么大多数化疗材料会进入肿瘤中，且关联的血管分段适合作为药物注入点。
或者，可不同地对效率进行测量。例如，将正权重因数分配给肿瘤，而将负权重因数分配给健康组织。这样，就必须使加权流速在回投程序中累积。那么，特定支路的高而且正的结果表明良好的注入点，而负的结果表示不适当的注入点。
由于血管树的所有分段是潜在的药物注入点，所以用方程式(1)计算用于每个分段的靶向给药的效率。结果示范性地示于图5中。靶向给药的最佳位置L由选择单元43选择为具有最高效率η的分段。最后，为了支持干预人员使导管前进，可选择将至最佳药物注入点的路线图显示在显示器5上，如图6所示。但从总体上来讲，用于每个血管支路的效率的显示对于可视化而言已足够。当然，还可由在所检测的最佳注入点的另一种CA采集和造影材料的注入来对在最佳注入点的靶向给药的效率进行验证。
用于潜在的药物注入点的本发明申请的主要领域是在癌症治疗期间支持靶向给药计划。特别地，由于肝脏肿瘤化疗栓塞用途的增加，所以所提出的功能性是公知手段的重要延伸。可将对用于化疗材料的潜在注入点的新的评估加到所计划的灌注和流软件包中，且这种新的评估增加用于干预的血管造影照片的价值。
本发明的基本理念是至少在血管树的可能的药物注入点位于第一次注入的注入点的注入点下游时仅用造影剂的单次注入向干预人员提供对所有可能的药物注入点的客观的量化评估。出于这种目的，确定用于每个可能的注入点的输送到肿瘤的注入的化疗材料的百分比以及影响健康组织的药物量。在示范性实现方式中，通过体积血液流速测量并结合3D加权流速的回传来估计进入肿瘤的化疗材料的量。
由于提供了更加密集集中的药物输送，所以就减少了错误地输送的化疗材料的量。因此，靶向给药也可用于以前所不能够进行治疗的病例，因为对健康组织的伤害程度较低。无论如何，本发明的结果得到了提高。
由于这种方法也绘出了到3D血管树可能的注入点的评估的形态图，所以还另外提供了对动脉给药的最佳位置的系统引导。
虽然造影剂的单次注入应已足够，但也可进行几次注入。若在不同的位置注入造影剂，可将所有的注入功效结果合并。这样也就图示出了在一个特定造影剂注入中所不能够看到的支路方面的信息。另外，信息变得更加可靠，因为特别支路的特定效率包括几种观察数据。所获得的用于最接近于特别支路的注入点的结果比其它结果更加可靠，并因此而应对可能的注入点的评估有更有力的影响。
这可以通过将不定性测量自动分配给每个视频密计测量(videodensitometric measurement)来进行。然后可将这种测量用于将不同的观察数据加权，在这种情形中，将更强的权重因数分配给更可靠的结果。例如，这种加权步骤还可由加权单元422进行或者对前面所描述的加权进行。

Claims (14)

1.一种用于确定靶向给药的注入点的设备，通过将药物注入到血管来向患者的身体给药，所述血管向包括目标的目标区域供血，所述设备包括：
识别装置(41)，所述识别装置(41)用于识别向所述目标区域供血的血管的血管树拓扑结构，
流确定装置(42)，所述流确定装置(42)用于确定在将药物材料注入到所述血管树中不同的可能的注入点之后输送到所述目标的药物材料的百分比，
选择装置(43)，所述选择装置(43)用于选择作为最佳注入点的可能的注入点，所述可能的注入点导致输送到所述目标的药物的最高百分比。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述流确定装置(42)包括测量装置(421)，所述测量装置(421)用于特别是在将造影剂注入所述血管树的供血血管之后的所述血管树的端部分段体积流速的测量，所述体积流速表明有多少药物材料通过所述端部分段进入所述目标区域并用于确定不同的可能注入点的药物输送的百分比。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述流确定装置(42)还包括加权装置(422)，所述加权装置(422)用于通过权重因数将所述体积流速加权，所述权重因数表明所述药物将位于所述血管树的相应端部分段的端部处的组织伤害到何种程度。
4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述流确定装置还包括回传装置(423)，所述回传装置(423)用于将所述体积流速或所述加权体积流速分别回投到所述血管树中的不同的可能的注入点。
5.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述流确定装置(42)适合于通过确定用于可能的注入点的评价的标准来确定所述给药的百分比，通过用向目标供血的动脉的所述体积流速之和或所述加权体积流速之和分别除以体积流速或加权体积流速的总和来确定所述标准。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述识别装置(41)适合于区别健康组织与所述目标区域中的目标材料，并且适合于区别向健康组织供血的所述血管树的第一端部分段与向目标材料供血的所述血管树的第二端部分段。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：
所述流确定装置(42)适合于确定在将药物材料注入到所述血管树中不同的可能的注入点之后输送到所述目标区域中的目标和周围的健康组织的药物材料的所述百分比，并且
所述选择装置(43)适合于选择作为最佳注入点的可能的注入点，所述可能的注入点导致输送到所述目标的药物的最高百分比和对健康组织的最低损害。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述识别装置(41)包括分段装置(411)，所述分段装置(411)用于所述目标的分段或用于将所述目标区域分成健康组织和目标材料隔室，所述隔室由所述血管树的不同端部分段供血。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述识别装置(41)适合于识别所述目标区域并将所述目标区域分割成隔室，所述隔室由所述血管树的供血动脉供血。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于：还包括显示装置(5)，所述显示装置(5)用于显示所述血管树并表明所述最佳注入点。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述显示装置(5)还适合于在所述血管树中显示用于所述血管树的不同分段的给药百分比或者所述评价标准的各自的结果。
12.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述流确定装置(42)还包括加权装置(422)，所述加权装置(422)用于通过不定性因数将所述体积流速加权，所述不定性因数表明所测量的体积流速如何不确定。
13.一种用于确定靶向给药的注入点的方法，通过将药物注入到血管来向患者的身体给药，所述血管向包括目标的目标区域供血，所述方法包括以下步骤：
识别向所述目标区域供血的血管的血管树拓扑结构，
确定在将药物材料注入到所述血管树中不同的可能的注入点之后输送到所述目标的药物材料的百分比，
选择作为最佳注入点的可能的注入点，所述可能的注入点导致输送到所述目标的药物的最高百分比。
14.一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码装置，所述程序代码装置用于在计算机上执行所述计算机程序时导致计算机执行如权利要求13所述的方法的步骤。
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