CN102215770A - 用于执行活检的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于执行活检的方法和系统，可以包括用于获取目标区域(200)的诊断图像的成像系统(190)；追踪系统(100)；具有可展开的活检针的探头(75)，用于执行活检程序，其中，所述追踪系统生成关于探头和活检针中的至少一个的追踪信息；用于获取目标区域的超声成像的超声成像系统(50)；以及与追踪系统、成像系统和超声成像系统通信的计算机(150)。计算机能够将用追踪系统与成像系统配准。计算机基于追踪信息和追踪系统与诊断图像的配准，将与活检程序相关的活检部位的标记从超声成像转换到诊断图像。

Description

用于执行活检的方法和系统
本发明是在履行与美国公共卫生署的合作研究和开发协议(CRADANo.NCI-NIHCC-01864)的过程中创造的。美国政府可能拥有本发明的某些权利。
技术领域
本申请涉及医学程序，特别涉及与活检相结合的医学程序，并将具体参考其加以描述。然而，应当认识到，示范性的实施例还可以应用于结合其他医学程序、定位其他医学设备等。
背景技术
前列腺癌是一种主要的医疗挑战。在美国，每六位男性中就有一位在其有生之年受到这种疾病的困扰。作为男性癌症死亡的主要原因，前列腺癌仅次于肺癌而排在第二位。
目前，最为流行的前列腺癌筛查方法是血清前列腺特异性抗原筛查，其次是在实时2D经直肠超声引导下进行的六次或更多次活检。作为这一程序的部分，通常将前列腺分为6个等体积的区域。以系统的、但本质上无方向性的方式从这六个区域中的每个获取一次或多次活检。这一程序称为六分仪活检。
由于六分仪活检成本低并且相对于检测前列腺癌的其他方法较为简单而被广泛使用。然而，六分仪活检已经表现出具有严重的假阴性率，并且可能关于活检的真实位置不准确。通常使用前列腺的原始标准图报告六分仪活检的结果，在前列腺的原始标准图上，病理医师手动地注解活检结果。这张图本质上是不准确的，因为进行注解的病理医师不知道活检的真实部位。
提供了依照37C.F.R.§1.73的概要，要求本发明的概要简要指出本发明的性质和主旨。在理解的基础上提交本概要，不应将其用于解释或限制权利要求书的范围或意义。
发明内容
根据示范性实施例的一个方面，一种方法可以包括提供具有可展开的活检针的探头；将追踪系统与诊断图像配准；使用成像系统采集患者的目标区域的图像；执行目标区域的活检程序；在活检程序期间获取目标区域的超声成像；在活检程序期间采集关于活检针和探头中的至少一个的位置的追踪信息；在超声成像上标记针对活检程序的活检部位；以及基于追踪信息和追踪系统与诊断图像的配准，将活检部位从超声成像转换到诊断图像。
根据示范性实施例的另一方面，一种计算机可读存储介质可以包括在其内部存储的计算机可执行代码，其中，计算机可执行代码被配置成令装载有计算机可读存储介质的计算设备执行配准追踪系统与诊断图像的步骤，其中，追踪系统能够追踪探头、可以从探头展开的活检针和可操作地与探头连接的针引导中的至少一个；在活检程序期间获取目标区域的超声成像并采集关于探头、活检针和针引导中的至少一个的位置的追踪信息；以及基于追踪信息和追踪系统与诊断图像的配准，将与活检程序相关联的活检部位的标记从超声成像转换到诊断图像。
根据示范性实施例的另一方面，一种活检系统可以包括用于获取目标区域的诊断图像的成像系统；追踪系统；具有用以执行活检程序的可展开的活检针的探头，其中，追踪系统生成关于探头和活检针中的至少一个的追踪信息；用于获取目标区域超声成像的超声成像系统；与追踪系统、成像系统和超声成像系统通信的计算机。该计算机能够配准追踪系统与诊断图像，并且该计算机能够基于追踪信息和追踪系统与诊断图像的配准，将与活检程序相关联的活检部位的标记从超声成像转换到诊断图像。
根据示范性实施例的另一方面，一种系统可以在目标前列腺活检期间融合MRI图像和实时的经直肠(Trans-rectal)超声(TRUS)图像，从而组合MRI的灵敏性与超声的实时成像能力的优点。可以使用电磁追踪执行先前采集的MRI图像与实时TRUS图像之间的图像融合，这允许在人体内(例如，活体内的全身定位系统)确定超声探头的位置和取向。随着利用超声扫描前列腺，系统可以重叠相应的MRI多平面重建，并将它们叠加到超声图像上。可以实时地执行基于图像的配准以补偿前列腺的运动。
本文所述的示范性实施例与当前的系统和过程相比具有若干优点，包括活检部位的准确映射。
根据以下详细描述、附图和所附的权利要求书，本领域的技术人员将认识到并理解本公开的上述和其他特征与优点。
附图说明
图1是用于活检的系统的示范性实施例的示意图；
图2是用于执行活检的前列腺区域的示意图；
图3是与图1的系统一起使用的活检探头的示意图；
图4是可以由图1的系统用于执行活检的方法；
图5描绘了由图1的系统生成的、具有标记的活检部位的超声图像；
图6描绘了由图1的系统生成的、具有磁共振成像(MRI)和超声成像的融合的图像；
图7描绘了由图1的系统生成的、具有标记的活检部位的轴向视图的MRI图像；
图8描绘了由图1的系统生成的、具有标记的活检部位的径向视图的MRI图像；
图9描绘了图1的系统中具有超声成像和MRI成像的配准的图形用户界面(GUI)；
图10描绘了图1的系统中具有超声成像和MRI成像的重叠的GUI；
图11描绘了图1的系统中将活检部位映射转换到MRI成像的GUI；
图12表示使用图1的系统针对十位患者研究的六分仪活检程序的结果；
图13描绘了由图1的系统生成的、示出了利用3D TRUS记载的活检的图像；以及
图14描绘了由图1的系统生成的、示出了利用MRI记载的活检的图像。
具体实施方式
参考附图，并具体参考图1和图2，检测系统10可以具有超声成像系统50、追踪系统100以及可以用于获取患者20的目标区域中的活检位置或部位的映射的成像系统190。本文所描述的关于活检的示范性实施例在如图2所示的前列腺200上执行。然而，本领域的普通技术人员之一应当理解，本文所描述的示范性系统和方法可以用于躯体、人的各个部分，或者否则包括器官、组织等。
这些系统50、100和190中的每个都可以与计算机150通信，显示设备175(例如，监视器)连接到计算机150上。计算机150可以是各种类型并且可以包括各种部件，包括用于经由工作站并行处理的多个处理器。然而，尽管示范性实施例描述了系统50、100和190中的每个被连接到计算机150，但本领域的普通技术人员之一应当理解，关于系统10描述的特定技术可以独立于其他技术执行。例如，成像系统190可以是独立的系统，其在活检程序之前或之后获取患者20的目标区域的图像，其中，成像系统50和追踪系统100被用于由系统10用于映射活检部位的另一技术。
此外参考图3，超声成像系统50可以与计算机150通信，并且可以包括超声控制器60和超声探头75。可以改变系统10中利用的超声控制器60、探头75和其他超声部件的具体类型，并且还可以改变诸如关于数据采集、分析和表示的具体成像技术。例如，探头75可以是具有用于从TRUS探头展开活检针的针引导的TRUS探头。还可以改变TRUS探头75、包括针引导和可展开活检针的具体类型和构造。本公开还涵盖了其他类型的超声探头和其他类型的活检设备的联合使用，其允许在追踪设备的同时获取活检设备的超声图像，下文将再次对其进行描述。
在一个实施例中，控制器60可以包括用于处理接收到的回波信号的射束形成器、用于处理多普勒相关信息的多普勒处理器以及用于形成2D和/或3D图像的图像处理器。控制器60还可以包括存储器设备，诸如存储器，以及视频处理器。在另一实施例中，控制器60可以包括部件和/或利用与探头75的超声波的操纵和电子聚焦相关联的技术。还可以将其他部件和/或技术与控制器60一起使用，诸如自动边界检测处理器，其能够限定并图形地重叠关于显示的图像的解剖边界。本公开还涵盖除上文所述控制器60的部件之外、或替换上文所述控制器60的部件的其他部件和/或技术的使用。本领域的普通技术人员之一还应当理解，控制器60或其部件中的一个或多个可以集成到计算机150中，或与计算机150共享，诸如用于数据处理或显示技术。
追踪系统100可以与计算机150通信，并且可以包括诸如定位于用于患者20的床25或其他支撑物上的场生成器120。然而，可以根据若干因素改变场生成器120的具体定位，包括场生成器的类型或系统10(例如，使用C臂型X射线设备)的其他部件的结构。例如，场生成器120可以定位于床25下面并与床25固定。场生成器120可以与一个或多个传感器80通信，传感器80连接到TRUS探头75，或者与TRUS探头75集成，从而允许通过追踪系统100追踪探头。传感器80可以是各种类型，这取决于若干因素，包括正在使用的追踪技术的类型。
在一个实施例中，追踪系统100可以是电磁追踪系统，其利用电磁场生成器120和耦合到TRUS探头75或集成于TRUS探头75中的一个或多个电磁传感器80。系统100可以利用其他部件，诸如基准标记器。在一个实施例中，追踪系统100可以使用各种追踪部件，诸如可以从Traxtal公司或Northern Digital公司获得的那些。作为另一范例，追踪系统100可以利用诸如在Northern Digital Optotrak Certus Motion Capture System中可获得的光学追踪技术和部件。其他技术和部件可以被用作用于追踪TRUS探头75位置的位置传感器或发射器和位置监测器或接收器，包括超声配准技术和部件。在另一实施例中，追踪传感器80可以连接到TRUS探头75和/或活检针的针引导，或与TRUS探头75和/或活检针的针引导集成。
成像系统190可利用各种成像模式。在一个实施例中，成像系统190可利用磁共振成像(MRI)。本公开涵盖了成像系统190所使用的其他成像模式或成像模式的组合，包括计算机断层摄影(CT)、造影超声、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)等。
此外参考图4-14，示出了可以由系统10用于执行活检的方法，并且一般由附图标记400表示。本领域的普通技术人员之一应当理解，关于方法400所描述的步骤旨在作为系统10的使用的范例，并且可以采用使用更多或更少的步骤，包括以虚线示出的步骤。此外，未关于系统10具体描述的其他部件或设备还可以在方法400的执行中采用。
方法400可以包括步骤402，在步骤402中，可以使用成像系统190采集前列腺区域或其他目标活检区域的诊断图像。在步骤404中，追踪系统100可以与诊断图像配准。配准技术可以包括本领域中已知的一个或多个校准步骤，诸如通过在保持追踪系统部件在固定位置时采集位置数据。例如，配准技术可以包括由追踪系统100采集的每个点，这些点对应于成像系统190采集的图像数据中的各个点。
在步骤406中，可以在利用针对探头(或活检针或针引导)的同步追踪信息获取和存储实时超声图像时，使用TRUS探头75执行诸如六分仪前列腺活检的活检程序。在通过TRUS探头75的针引导展开活检针的地方，可以保持活检针与超声图像平面的对准。超声成像允许在成像中识别活检针。
在步骤408中，可以标记活检部位或位置。例如，活检针是可识别的，并可以在图5中以标记500标示。该标记可以实时地执行和/或可以使用记录的超声图像回顾性地执行。在一个实施例中，可以将图像处理算法(例如，针识别技术)用于确定针的位置并标记活检部位，而无需临床医师的干预。可以通过系统10实时地或回顾性地执行活检部位标记。在另一实施例中，系统10可以提供具有活检样本形状(例如，圆柱形的)的标记以标示活检部位。例如，活检标记形状可以基于已知的活检针类型。
在步骤410中并如图6所示，系统10可基于活检程序期间获取的来自追踪系统100的记录的追踪信息以及MRI图像和追踪系统之间的配准来融合、叠加或合并超声成像和MRI成像。然后可以将标记的活检部位转换到诊断MRI图像(例如，转换到MRI图像上的对应位置)，如图7和图8的轴向视图和径向视图所示。在步骤412的一个实施例中，可以对采集到的数据应用图像校正技术以提供更为准确的图像融合或合并。例如，计算机150可以将基于图像的运动/形变校正算法应用于采集到的数据以解决由于前列腺运动而引起的图像错位。系统10可以提供用于显示由方法400获取的图像和信息的各种图形用户界面(GUI)。例如，图9的GUI 900可以允许临床医师手动配准探头75与成像系统190。GUI 1000可以允许临床医师将MRI成像与超声成像融合或叠加。GUI 1100可以允许临床医师将活检位置映射到MRI成像上。
在步骤414中，由此准确地定位和保存了用于记载活检程序的位置的标记的活检部位。活检部位可以记载于MRI图像中和/或重建的3D TRUS图像中，如图13和图14所示。活检部位的记载能够以多种方式加以利用，包括验证技术，诸如将病理检查的结果与MRI图像的对应位置关联起来，以便为这些位置上基于图像的癌症检测提供基表实况(ground truth)。在步骤416的一个实施例中，可以将记载的活检部位用作计划将来的目标再次活检的参考，诸如患者的活检结果为阴性而患者仍然具有高PSA水平的位置。
在步骤418的另一实施例中，记载的活检部位可以用于生成统计癌症分布图，该统计癌症分布图可以辅助改善针对其他患者的活检程序。例如，可以通过将若干患者研究的活检部位配准到公共坐标系统中以生成前列腺癌位置的分布图。在一个实施例中，活检部位可以基于冠状平面，因为每个活检都是通常在前后方向获取的组织样本(例如，大约长15mm)的线性核心。患者的前列腺表面中的每处都可在MRI图像中手动分割并投影到冠状平面上。每个投影的前列腺的二维(2D)边界可以变形以匹配冠状平面中的2D模型。由此建立了每个患者研究和模型之间的图像配准。然后可以将每个患者研究的活检部位转换到2D模型，这允许基于六分仪活检的结果重建癌症分布图。在另一实施例中，可以通过使用每个患者研究的图像和3D模型之间可变形的图像配准生成3D分布图。
范例
申请人基于十位患者的六至十二核前列腺活检的执行检索数据。使用关于示范性实施例描述的方法和系统执行活检程序。图12示出了这十位患者的活检结果。圆圈示出了由病理检查确认了的阳性活检的位置。如病理检查确认了的阴性活检的位置，在底部、中部和顶部区域分别由“.”、“+”和“×”示出。通过计算该分部的直方图可以构建前列腺癌的概率图。
系统10和方法500可以用于建立诊断图像和肿瘤组织学之间的关系。这种关系具有足够的准确性，能够为医师和/或计算机辅助诊断算法提供基表实况用以验证基于图像的癌症检测。可以基于活检结果构建统计癌症分布图，以帮助优化基于先验概率的传统活检程序。仅在美国就执行了超过700,000例前列腺活检，因此可以为方法500提供大量的患者样本，用以构建前列腺癌概率图，该前列腺癌概率图可以使前列腺癌的检测更为准确。在另一实施例中，诊断图像和病理检查之间的关系可以用于训练医师和/或前列腺癌检测中的图像处理算法，诸如通过活检程序期间适当地定位活检针。
在一个实施例中，计算机150可为驻留在医院信息系统设施上的数据库提供后程序数据(例如，DICOM-RT格式的数据)。医院信息系统可以将该数据发送至处理器，从而可以将该数据用于引导在同一患者身上的第二医学程序。在另一实施例中，医院信息系统可以合计该数据并生成多位患者间的统计分析。医院信息系统可以将统计分析传送至处理器，在处理器中统计分析被用于引导医学程序。在另一实施例中，医院信息系统可以组合统计分析与患者的医学图像以生成患者特异性目标图，其中，目标图被传送至处理器，并且目标图被用于引导医学程序。
本公开提供了能够用于实时目标前列腺活检和治疗的方法和系统。本公开提供了能够用于记载活检程序的位置并通过将活检标本的病理分析与诊断图像信息(例如MRI)相关联从而回顾性地验证基于图像的癌症检测的方法和系统。
在一个实施例中，由系统10检索的组织样本的分布可以用于估计正在使用的超声换能器固有的可靠性和采样误差。分布图可以反映采样方法从换能器到图像到追踪到患者的完整性。例如，图12的组织图示出了较高的诊断率和更均匀分布的活检，这可以是正在使用的具体超声换能器的反映。在另一实施例中，由系统10检索的组织样本分布可以用于估计具体患者位置(例如，左侧下卧处)固有的可靠性和采样误差。例如，相比于左侧下部，即换能器翻转和活检枪相对和旋转方向插入的位置，右侧目标对操作者而言更为直观而且自然或舒适(例如，右侧上部更容易实现手眼协调和人机工效)。前列腺还可以相对于重力不同地放置。在一个实施例中，可以调节患者20的具体定位以优化收集到的数据，诸如在左侧下卧处进行MRI以使重力或位置效应最小化。因此，系统10的方法和部件，包括分布图，可以用于估计或验证针对诊断率的位置和换能器的组合，并且能够有效地覆盖目标体积，诸如在随机六分仪活检的情况下。有效的覆盖可以根据更高的灵敏度获得更好的诊断率。
本发明，包括上述方法的步骤，可以具体化为硬件、软件或硬件和软件的组合。本发明可以具体化为在一个计算机系统中的集成形式，或者可以具体化为分布形式，在分布形式中，不同的元件散布于若干互连的计算机系统间。适于执行本文所述方法的任何种类的计算机系统或其他装置都是合适的。硬件和软件的典型组合可以是具有计算机程序的通用计算机系统，当加载并执行计算机程序时，计算机程序控制计算机系统使其执行本文所述的方法。
本发明，包括上述方法的步骤，可以嵌入计算机程序产品中。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，在计算机可读存储介质中嵌入了包括计算机可执行代码的计算机程序，其用于指导计算设备或基于计算机的系统执行各种程序、过程和本文所述的方法。在本文中，计算机程序是以任意语言、代码或标注的任何表达的一组指令，旨在令系统具有信息处理能力以直接或经过以下两个步骤或其中之一后执行具体的功能：a)转换为另一种语言、代码或标注；b)以不同的材料形式复制。
本文所述实施例的图示说明旨在提供对各种不同实施例的大致理解，而不是意图作为对可能利用本文所述结构的设备和系统的所有元素和性质的完整描述。在回顾上文的描述后，许多其他实施例对本领域的技术人员而言将变得显而易见。可以从中使用和导出其他实施例，从而可以在不背离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑的替换和改变。附图也只是代表性的并且未按比例画出。附图中的特定部分可能被放大，而其他部分可能被最小化。因此，详细描述和附图被视为是说明性质的而非限制性的意义。
因此，尽管本文已经图示说明和描述了具体的实施例，应当认识到，旨在实现相同目的的任何布置都可以替代所示的具体实施例。本公开旨在覆盖各种不同实施例的任何和所有的调整和变型。在回顾以上描述后，上述实施例的组合，和本文未具体描述的其他实施例对本领域的技术人员而言将变得显而易见。因此，其意图是本公开不是限于公开的具体实施例为实现本发明所涵盖的最佳模式，而是本发明将包括权利要求范围内的所有实施例。
依照37C.F.R.§1.72(b)提供了本公开的摘要，其要求该摘要使读者可以快速地清楚本技术公开的性质。应当理解，不应将其用于解释或限制权利要求书的范围或意义。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
提供具有能展开的活检针的探头(75)；
采集患者(20)的目标区域(200)的诊断图像；
将追踪系统(100)与所述诊断图像配准；
执行所述目标区域的活检程序；
在所述活检程序期间获取所述目标区域的超声成像；
在所述活检程序期间采集关于所述活检针和所述探头中的至少一个的位置的追踪信息；
在所述超声成像上标记针对所述活检程序的活检部位(500)；以及
基于所述追踪信息和所述追踪系统与所述诊断图像的所述配准，将所述活检部位从所述超声成像转换到所述诊断图像。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述追踪系统(100)是电磁追踪系统，并且其中，所述探头(75)和所述活检针中的至少一个包括一个或多个电磁传感器(80)。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述目标区域是前列腺(200)，其中，所述成像系统是磁共振成像系统(190)，并且还包括显示示出所述活检部位的MRI图像。
4.如权利要求1所述的方法，还包括以下操作中的一个：
实时地在所述超声成像上执行所述活检部位的所述标记；
使用其上具有所述标记活检部位的所述诊断图像，用于在所述患者身上执行另一医学程序。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
针对多位患者(20)采集活检部位(500)；
将所述活检部位与通用坐标系统相关联；以及
使用所述通用坐标系统生成分布图。
6.如权利要求5所述的方法，还包括以下操作中的一个：
使用所述分布图训练医师执行活检程序；以及
在用于癌症检测的图像处理算法中使用所述诊断图像和病理检查之间的关系。
7.如权利要求1所述的方法，还包括执行成像校正以解决目标区域的移动。
8.如权利要求1所述的方法，还包括基于具有所述标记活检部位的所述诊断图像在医学程序期间调整超声换能器类型和患者位置中的至少一个。
9.一种计算机可读存储介质，在所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行代码，所述计算机可执行代码被配置成令其中装载有所述计算机可读存储介质的计算设备执行以下步骤：
将追踪系统(100)与诊断图像配准，所述追踪系统能够追踪探头(75)、能从所述探头展开的活检针，以及能操作地与所述探头连接的针引导中的至少一个；
在活检程序期间获取目标区域(200)的超声成像并采集关于所述探头、所述活检针和所述针引导中的至少一个的位置的追踪信息；以及
基于所述追踪信息和所述追踪系统与所述诊断图像的配准，将与所述活检程序相关联的活检部位的标记(500)从所述超声成像转换到所述诊断图像。
10.如权利要求9所述的计算机可读存储介质，还包括用于令所述计算设备基于所述超声成像的记录检索所述活检部位的所述标记(500)的计算机可执行代码。
11.如权利要求9所述的计算机可读存储介质，还包括令所述计算设备基于所述超声成像检测所述活检针的位置，并基于检测到的位置限定所述活检部位的所述标记(500)的计算机可执行代码。
12.如权利要求9所述的计算机可读存储介质，其中，使用磁共振成像、计算机断层摄影、造影超声、正电子发射断层摄影和单光子发射计算机断层摄影中的至少一种生成所述诊断图像。
13.如权利要求9所述的计算机可读存储介质，还包括用于令所述计算设备生成包括针对多位患者(20)的标记活检部位(500)的分布图的计算机可执行代码。
14.如权利要求9所述的计算机可读存储介质，还包括用于令所述计算设备使用与所述活检针获取的活检样本对应的形状在所述诊断图像上显示所述活检部位的所述标记(500)的计算机可执行代码。
15.一种活检系统，包括：
成像系统(190)，其用于获取目标区域(200)的诊断图像；
追踪系统(100)；
具有能展开的活检针的探头(75)，其用于执行活检程序，其中，所述追踪系统生成关于所述探头和所述活检针中的至少一个的追踪信息；
超声成像系统(50)，其用于获取所述目标区域的超声成像；以及
计算机(150)，其与所述追踪系统、所述成像系统和所述超声成像系统通信，
其中，所述计算机将所述追踪系统与所述成像系统配准，以及
其中，所述计算机基于所述追踪信息和所述追踪系统与所述诊断图像的所述配准，将与所述活检程序相关联的活检部位的标记(500)从所述超声成像转换到所述诊断图像。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述追踪系统(100)是电磁追踪系统，并且其中，所述活检针和所述探头(75)中的至少一个包括一个或多个电磁传感器(80)。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述探头是经直肠超声(TRUS)探头(75)，其具有用于展开所述活检针的针引导，并且其中，使用所述TRUS探头获取所述超声成像。
18.如权利要求15所述的系统，其中，所述计算机(150)实时地检索所述活检部位的所述标记(500)。
19.如权利要求15所述的系统，其中，所述成像系统(190)是磁共振成像系统、计算机断层摄影系统、造影超声系统、正电子发射断层摄影系统和单光子发射计算机断层摄影系统中的一种。
20.如权利要求15所述的系统，其中，所述计算机(150)生成包括针对多位患者(20)的标记活检部位(500)的图分布。
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