CN102481115A - 用于集成式活检和治疗的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于集成针对内部组织的诊断和治疗的系统和方法，包括：利用能够区分组织类型的第一技术对受检者的内脏器官的至少一部分成像(202)；以及利用与能够进行实时图像更新的第二技术的图像融合的所述第一技术的图像来瞄准(205)和接近活检部位。利用第一技术的图像规划(207)活检部位的治疗。通过融合(208)所述第一技术的图像与所述第二技术的图像来引导(210)用于治疗活检部位的器械。

Description

用于集成式活检和治疗的系统和方法
本发明是在执行与美国公共卫生署签订的合作研究和开发协议(CRADA No.NCI-NIHCC-01864)时做出的。美国政府拥有本发明中的特定权利。
本公开涉及成像技术，更具体而言，涉及将活检成像与治疗流程集成在一起的系统和方法。
在西方，在男性一生中的某些点，前列腺癌影响着他们每六个人中的一人。由于缺少成像和图像引导，将常规的(盲)六针穿刺(sextant)活检用于诊断疼痛并且不可靠。结果，会过度诊断和过度治疗前列腺癌。在治疗中，当前几乎所有的前列腺癌都是通过手术或整个前列腺辐射疗法来治疗的，导致严重的副作用。
目前，前列腺癌的护理是在没有充分视觉反馈的条件下进行的。活检是超声引导的，因为超声是实时的且具有成本效益，并且可以用于对前列腺进行可视化。令人遗憾的是，超声不会显示出癌变。因此，并非以瞄准(targeted)的图像引导方式向癌变区前进，六针穿刺活检是盲目进行活检采样的，导致高达30％的假阴性率。图像引导的一个问题也延伸到前列腺癌的治疗中。没有充分的引导，治疗方式仍限于对整个腺体的治疗，表现出显著的副作用，诸如大量患者发生尿失禁和阳萎。因此，需要努力脱离盲目的全腺体方式。
根据本原理，人们正在向着靶向定位流程努力。磁共振成像(MRI)是当前用于描绘前列腺癌和内脏器官的其他异常和癌变的最有前景的成像模态。然而，磁共振成像(MRI)引导与当前的工作流程不兼容。由于MRI成本高昂而通常不用于流程引导，所以希望将手术前MRI与和前列腺相关的介入期间的实时经直肠超声(TRUS)融合起来。结果，可以在MRI检查室外部在介入期间使用MRI信息。在先前的工作中，本发明人开发了一种图像融合系统，用于MRI/TRUS引导的靶向活检。所述融合系统利用电磁(EM)跟踪进行超声探头的空间定位。通过将活检导向器附接到利用电磁跟踪传感器定制的探头上来实现对探头的空间跟踪。
尽管MRI在前列腺癌诊断中具有良好的灵敏度和特异性，但可能确定性不足。MRI可能会错过识别前列腺病灶，这表明MRI瞄准的前列腺活检自身可能不是足够的。根据本实施例，六针穿刺活检采用靶向活检以提高六针穿刺活检的检出率并检测MRI未识别的病灶。
在当前标准的前列腺癌护理中，前列腺活检和治疗是两个独立的流程。因此，即使在六针穿刺活检流程中发现了病灶，也难以在治疗期间准确地返回同一位置以对病灶进行处理。六针穿刺活检的位置信息的利用率不够高。利用跟踪的活检和图像融合，通过使用同一诊断MRI图像记录活检情况，做出治疗规划并提供图像引导，从而可以将前列腺活检和聚焦治疗衔接起来。
根据本原理的集成式前列腺癌流程套件使得医师能够无缝地规划、导航、执行和监测活检或聚焦治疗流程。该套件基于事先采集的MRI与实况经直肠超声(TRUS)的融合：来自MRI的目标信息增强了TRUS的引导能力，这提高了活检和聚焦治疗的精确度。
一种系统和方法通过利用同一诊断MRI图像来记录活检情况、做治疗规划以及提供图像引导，从而组合活检和治疗。在一个实施例中，该系统/方法包括如下内容：(1)利用MRI瞄准的活检执行受跟踪的六针穿刺活检，以检测前列腺癌；(2)利用MRI/TRUS融合识别MRI上的所有活检部位；(3)利用活检标本的病理结果在MRI图像上规划聚焦治疗；以及(4)将基于MRI的治疗计划与实时TRUS融合，以指导聚焦治疗。将六针穿刺活检与靶向活检组合提高了六针穿刺活检的检出率，并检测了MRI未识别的病灶。可以在不同时间执行前列腺活检和治疗，并使用活检的发现来指导治疗。该系统和方法可以进行调整，并且不限于对前列腺癌的治疗。
一种用于集成针对内部组织的诊断和治疗的系统和方法包括：使用能够区分组织类型的第一技术对受检者的内脏器官的至少一部分成像，并利用与能够进行实时图像更新的第二技术的图像融合的第一技术的图像瞄准和接近活检部位。利用第一技术的图像对活检部位的治疗做出规划。可用于治疗规划的目标信息包括诊断图像(例如，MRI或MRI+PET融合)的阳性活检位置和/或可疑区域。通过将第一技术的图像与第二技术的图像融合来指导用于治疗活检部位的器械。
从下文对其例示性实施例的详细描述，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见，并要结合附图来阅读其描述。
将参考以下附图在优选实施例的以下描述中给出本公开，在附图中：
图1是方框图，其示出了根据本原理的用于集成针对内部组织的诊断和治疗的系统和方法；
图2是方框/流程图，其示出了根据本原理用于集成针对内部组织的诊断和治疗的系统/方法；
图3A-3C是MRI图像，其示出了根据例示性流程采用的标本的三个视图；以及
图3D是根据例示性实施例组合MRI和超声图像的融合图像。
本公开描述了用于融合成像技术并在治疗或后续流程中采用活检信息的系统和方法。将通过对前列腺癌的诊断和治疗以例示性方式描述本实施例。应当理解，可以将本原理用于其他癌症或流程，并且不应视为其受限于例示性范例。在一种特别有用的应用中，采用MRI成像和MRI/超声融合技术用于实现病变靶向活检和聚焦治疗，这可以减少副作用。(例如，常规的前列腺癌活检和治疗是盲目的整个腺体流程，其具有显著的副作用)。
MRI不足以检测所有的前列腺癌。为了改善流程的结果，根据一个实施例的方法包括：利用MRI瞄准的活检进行受跟踪的六针穿刺活检，以检测前列腺癌；利用MRI/TRUS融合识别MRI上的所有活检部位；利用活检标本的病理结果在MRI图像上规划聚焦治疗；以及将基于MRI的治疗计划与实时TRUS融合，以指导聚焦治疗。这种方法衔接了前列腺活检和治疗之间的断层，提高了活检的检出率并减轻了治疗的副作用。
应当理解，本公开适用于任何生物体中的任何癌症或疾病。图中描绘的元件可以实现于硬件和/或软件的各种组合中并提供可以在单个元件或多个元件中组合的功能。
此外，本原理可以采取可以从计算机可用介质或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式，提供程序代码，供计算机或任何指令执行系统使用或结合它们来使用。计算机可用介质或计算机可读介质可以是可以包括、存储、传递、传播或传送程序的任何设备，所述程序供指令执行系统、设备或装置使用或结合它们了使用。该介质可以是电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统(或设备或装置)。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。当前光盘的范例包括紧致盘-只读存储器(CD-ROM)、禁止盘-读/写(CD-R/W)和DVD。
适于存储和/或执行程序代码的数据处理系统可以包括至少一个直接或通过系统总线间接地耦合到存储元件的处理器。可以为处理器或处理系统提供观测系统或独立于观测系统提供处理器或处理系统。存储元件可以包括实际执行程序代码期间所采用的本地存储器、大容量存储器和超高速缓存存储器，提供了至少一些程序代码的中间存储，以减少运行期间从大容量存储器检索代码的次数。输入/输出或I/O装置(包括，但不限于键盘、显示器、定点装置等)可以直接或通过居间的I/O控制器耦合到系统。
网络适配器也可以耦合到系统以使得数据处理系统能够变为通过居间的私有或公共网络耦合到其他数据处理系统或远程打印机或存储装置。调制调解器、电缆调制解调器和以太网卡仅仅是一些现有类型的网络适配器。
现在参考附图，其中类似的数字表示相同或类似元件，首先参考图1，描绘了用于组合活检信息与治疗的系统100。系统100包括在超声引导的医学流程期间所采用的跟踪系统102。跟踪系统102可以包括，例如，电磁跟踪系统，其具有放置在患者或受检者107附近的场发生器，以在流程期间提供跟踪传感器106的位置坐标。在一个实施例中，跟踪传感器106附接至超声探头108。或者，可以为导针器110提供跟踪传感器106，可以将其附接至超声探头108。任选地，可以将跟踪传感器106附接至活检针112。可以根据被分析和治疗的流程和解剖结构来改变所述设备和方法。
处理单元116连接到跟踪系统102和超声扫描器118(或其他实时扫描技术)。处理单元116同时从扫描器118获得超声图像并从传感器106获得对应的位置信息。处理单元116可以是工作站或者可以是超声扫描器118的一部分。处理单元116包括存储器121，存储器121包括用于在处理单元116上执行用于指导MRI靶向活检的软件程序120，与传感器106所提供的体积跟踪系统坐标一起，采集并存储实时超声图像，在实时或记录的超声中识别针110或其他介入式装置，并将活检样本的位置变换成MRI图像119中的对应点。处理单元116包括软件123，用于基于MRI图像119、MRI图像119中的活检位置和活检的病理结果进行聚焦治疗规划。
图像引导系统122在处理单元116上执行，用于进行聚焦治疗，其允许融合治疗计划与实时超声成像，并基于所述计划来引导靶向聚焦治疗。任选地，可以针对聚焦治疗调整活检的图像引导系统122，或者用于聚焦治疗的图像引导系统122可以基于具有位置编码器和模板栅格的机械装置124。因此，可以参考实时获得的并与其他图像(例如，MRI)融合的图像位置准确地跟踪这样的机械装置。
有利地，利用装置跟踪(例如，超声探头、配准指针等)和/或图像配准来组合或融合MRI图像和扫描器图像(例如，超声图像)。一旦配准后，实时图像(例如，超声图像)就可以受益于详细的MRI图像(或其他类型图像)，因为融合的图像提供了完整的一组信息。将该信息有利地用于诊断和治疗两者，可以实时更新融合的图像以跟踪诊断、分析和治疗。可以使用一个或多个显示装置130观看扫描和融合的图像，显示装置130为用户提供视觉反馈以与系统100交互。
参考图2，方框图/流程图例示性描绘了用于手术流程的诊断(例如，活检)和治疗(例如，聚焦治疗)的系统/方法。在针对前列腺癌的本范例中，该系统/方法组合受跟踪的六针穿刺活检和MRI靶向活检，以检测前列腺癌。在方框202中，为受检者收集图像。图像优选采用能够在组织之间进行区分的技术(例如，MRI技术)。在方框204中，通过执行配准方法或者通过采用被跟踪的坐标系将静态(例如，MRI或其他技术)图像与实时更新的图像(例如，超声图像)融合。在方框205中，利用MRI/TRUS融合在MRI上识别所有活检部位。在方框206中，瞄准(一个或多个)活检部位并利用引导的介入式器械获得样本。记录并存储用于(一个或多个)活检部位的位置信息，以供将来在治疗/处理中使用。
然后在方框207中，使用MRI图像基于活检标本的病理检查为聚焦治疗做规划。在方框208中，将规划(静态图像)与实时图像(例如TRUS)融合以引导聚焦治疗。在方框210中利用融合图像中的MRI和TRUS信息执行或运行该规划。
MRI靶向活检：首先采集前列腺MR图像，并将其传输到工作站(例如，116，图1)。然后将患者定位在检查台上，并将具有跟踪传感器的2DTRUS探头插入直肠中。在TRUS流程的开始时，操作员执行2D轴向扫掠(从前列腺基部到顶点)，使得一系列2D超声图像覆盖前列腺的整个体积。(在备选方案中，可以使用3D超声探头来获得前列腺体积。)实时将图像和对应的跟踪数据从跟踪传感器传输到工作站。基于这些图像和跟踪数据，立即在工作站上重建体超声图像。然后在空间上对准MR图像和超声体积。在该流程期间，操作员手持2D探头扫描前列腺。对超声探头进行空间跟踪，并将MRI坐标系与跟踪坐标系配准，使得能够实时融合实况超声图像与来自MRI扫描的空间上对应的多平面重建(MPR)。
在前列腺运动造成超声和MR图像之间失去对准时，将执行实时2D超声图像和静态超声体积之间基于图像的配准以恢复正确的MRI/TRUS融合。在针与目标对准时可以获得组织样本。
跟踪的六针穿刺活检：可以在相同的临床布置下利用靶向活检执行跟踪的六针穿刺活检。它们之间的次序不重要。医师可以忽略MRI图像并仅在TRUS指导下进行六针穿刺活检。可以记录TRUS图像和探头的对应的跟踪信息。如图3A-3D所示，可以利用MRI/TRUS融合在MRI上(以追溯方式)识别六针穿刺活检的位置。
参考图3A-3D，例示性地描绘了受检者体内前列腺区域的图像。图3A-3D示出了用于活检针射击的MRI/TRUS融合的发展。图3D示出了MRI和TRUS图像的阿尔法(alpha)混合。这种融合提供了与超声提供的动态实时图像一起识别特定组织所需的精确度。图3A-3C分别示出了聚焦在患者体内的待分析和治疗的标本中点上的MRI的轴向、矢状和冠状视图。标记302、304和306示出了活检标本的两个端点(302和306)和中点(304)。标记302、304和306指示活检针的轨迹。
尽管描述了MRI图像，但除了将MRI体积用于诊断、流程引导和治疗规划之外，还可以采用其他3D(或4D)图像体积(例如，计算机断层摄影(CT)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)、3D超声和癌症概率映射，以及多种诊断图像，例如MRI、PET和对比度超声的图像融合等)。此外，除了利用电磁跟踪之外，还可以采用光学、机械或其他跟踪系统。
在MRI图像上识别了六针穿刺活检和靶向活检的位置之后，可以将位置与活检期间收集的标本的病理检查相关联。可以在MRI图像上做出治疗计划以覆盖所有癌变位置并避开健康组织。可以使用阳性和阴性活检核心两者来规划聚焦治疗。在其他实施例中，除了执行独立的六针穿刺活检和MRI靶向活检之外，还可以基于MRI目标位置优化六针穿刺活检的部位以使发现癌症的概率最大化。可以将所述过程应用于乳房、肝脏、肾脏或其他软组织目标的超声/MR图像。
聚焦治疗的处理流程类似于MRI靶向活检的处理流程。除了使用MRI靶之外，还可以在实时TRUS上突出治疗计划以进行流程引导。治疗模式可以是适于聚焦治疗的任何模式，诸如低温烧蚀、射频烧蚀或其他烧蚀治疗、近距治疗或其他基于辐射的治疗或光动力学治疗。
有利地，可以通过配准针对每种活检获得的重建超声体积与同一基线MRI扫描，或者通过配准超声扫掠与不同MRI扫描(它们又是空间上相互配准的)来组合来自若干次活检的结果，即使是在不同时间/日期获得的。也可以跟踪并记录治疗提供位置，使用同一跟踪系统来跟踪活检位置。然后还可以通过考虑治疗计划中先前治疗的区域用于后续/重复治疗，将该系统用于随时间优化多个相继的治疗(例如，避免同一区域中不必要的重复治疗)。在一个实施例中，可以对电子图像着色或以其他方式进行标记，以识别已治疗区域或尚未治疗的区域或两者。也想到了图像数据的其他操作。
在解释权利要求时，应当理解：
a)“包括”一词不排除有给定权利要求中列出的那些之外的其他元件或动作；
b)元件前的“一”或“一个”一词不排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记都不限制其范围；
d)可以由同一项目或硬件或软件实现的结构或功能代表几个“模块”；并且
e)除非具体指出，并不要求动作有具体的顺序。
已经描述了系统和方法的优选实施例(意在是例示性的而非限制性的)，要指出的是，本领域技术人员根据以上教导能够做出修改和变化。因此要理解，可以在所披露的公开的特定实施例中做出改变，这些改变在所附权利要求勾勒出的所公开实施例的范围和精神之内。这样描述完专利法要求的细节和特性之后，在所附权利要求中阐述专利证书所主张并希望保护的范围。

Claims (27)

1.一种用于集成针对内部组织的诊断和治疗的方法，包括：
利用能够区分组织类型的第一技术对受检者的内脏器官的至少一部分成像(202)；
利用与能够进行实时图像更新的第二技术的图像融合的所述第一技术的图像瞄准(205)和接近活检部位；
利用所述第一技术的图像来规划(207)对所述活检部位中的至少一个的治疗；以及
通过融合(208)所述第一技术的图像与所述第二技术的图像来引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一技术包括磁共振成像，而所述第二技术包括超声成像。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述内脏器官包括前列腺，并且利用与能够进行实时图像更新的第二技术的图像融合的所述第一技术的图像瞄准(205)和接近活检部位的步骤包括执行(206)六针穿刺活检和磁共振跟踪活检。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述内脏器官包括任何软组织器官。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述引导(210)的步骤采用在所述成像(202)的步骤期间利用所述第一技术拍摄的图像。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，瞄准(205)和接近活检部位包括利用跟踪系统在融合的图像中跟踪器械。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械包括利用融合的图像来引导聚焦治疗。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述聚焦治疗包括烧蚀治疗、基于辐射的治疗和光动力学治疗中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械包括调整用于活检的图像引导系统以执行所述聚焦治疗。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械包括利用位置编码器和模板栅格之一来采用机械装置进行聚焦治疗。
11.一种用于集成针对内部组织的诊断和治疗的方法，包括：
利用磁共振成像(MRI)对受检者的内脏器官的至少一部分成像(202)；
利用跟踪系统来定位(206)所述MRI图像中的活检部位；
利用与具有实时图像更新的超声图像融合的MRI图像来瞄准(205)和接近活检部位；
利用所述MRI图像来规划(207)对所述活检部位中的至少一个的治疗；以及
通过融合(208)所述MRI图像与所述超声图像来引导(210)用于治疗所述至少一个活检部位的器械。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述内脏器官包括前列腺，并且瞄准(205)和接近活检部位的步骤包括进行六针穿刺活检、盲目活检、系统性活检和磁共振跟踪活检中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述引导(210)的步骤采用在所述成像(202)的步骤期间拍摄的MRI图像。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，瞄准(205)和接近活检部位包括利用所述跟踪系统在融合的图像中跟踪器械。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械包括利用融合的图像引导聚焦治疗。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述聚焦治疗包括烧蚀治疗、基于辐射的治疗和光动力学治疗中的至少一种。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械包括调整用于活检的图像引导系统以执行所述聚焦治疗。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，引导(210)用于治疗至少一个活检部位的器械包括利用位置编码器和模板栅格之一采用机械装置(124)进行聚焦治疗。
19.一种用于集成针对内部组织的诊断和治疗的系统，包括：
扫描器(118)，其被配置成对受检者的内脏器官的至少一部分成像；
跟踪系统(102)，其被配置成根据来自所述扫描器的图像来跟踪用于瞄准和接近活检部位的介入式器械并定位与其对应的聚焦治疗部位；
处理单元(116)，其具有用于存储程序的相关联的存储装置(121)，所述程序被配置成融合所述扫描器实时拍摄的图像与利用能够区分组织类型的技术所拍摄的图像，所述程序被配置成利用所扫描的图像引导所述介入式器械并在利用能够区分组织类型的技术所拍摄的图像上跟踪位置，所述程序还被配置成采用在所跟踪位置处获得的信息规划并执行在所述内脏器官上或附近的聚焦治疗。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述扫描器(118)包括超声成像扫描器，并且能够区分组织类型的所述技术包括磁共振成像。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述内脏器官包括前列腺，并且所述介入式器械包括六针穿刺活检装置和跟踪活检装置中的至少一种。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述内脏器官包括任何软组织器官。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，采用所述活检部位的位置用于基于被活检组织的病理结果来引导聚焦治疗。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，所述聚焦治疗包括烧蚀治疗、基于辐射的治疗和光动力学治疗中的至少一种。
25.根据权利要求19所述的系统，其中，所述聚焦治疗采用通过利用位置编码器和模板栅格之一引导的机械器械(124)。
26.根据权利要求19所述的系统，其中，在所跟踪位置处获得的信息包括诊断图像的阳性活检位置或可疑区域中的至少一个。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述至少一个阳性活检位置或可疑区域是在MRI图像或融合的MRI和PET图像中发现的。
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