CN102481457A - 基于心脏组织表面轮廓的放射外科手术治疗方案设计 - Google Patents

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Abstract

一种根据二维图像数据切片生成组织表面(例如，心脏的内表面)的三维模型的系统。在该表面上，例如医生使用用户界面来绘制一条或多条图案线，以指示该表面上的预期病灶。根据图案线，病灶的三维体积可使用已知约束来确定。有利的是，三维体积所生成的一系列边界可被投影回各个CT扫描片上，其随后可被传递到标准放射外科手术方案设计工具。剂量云还可被投影到该模型上以有助于评估方案。

Description

基于心脏组织表面轮廓的放射外科手术治疗方案设计
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月17日提交的美国临时专利申请No.61/226,613(律师案No.021902-002100US)的权益，其全部公开内容通过引用结合于此。
背景
已使用放射外科手术成功地治疗了头部、脊柱、腹部和肺部中的肿瘤以及其他目标。在放射外科手术期间，一系列电离放射光束通常从患者外部定向以会聚在靶区处，其中放射光束通常包括从不同位置和方向发射的MeV X射线光束。光束可通过中间组织定向到目标组织，以改变肿瘤的生态。光束轨迹帮助将放射暴露限制于中间组织以及其他附带(collateral)组织，同时在目标处的累积放射剂量可治疗肿瘤。CYBERKNIFE放射外科手术系统(Accuray公司)和TRILOGY放射外科手术系统(瓦里安(Varian)医疗系统)是两种已知放射外科手术治疗系统。
现代放射外科手术系统将成像结合到治疗系统中以验证目标组织的位置并适应微小的患者运动。一些系统还具有治疗在呼吸期间运动的组织的能力，并且该特征已显著地增加了可从放射外科手术受益的患者数量。
还提出了对进行生理运动的其他组织的放射外科手术治疗，包括将放射定向到心脏的所选区域以治疗心房颤动以及其他心律不齐。在心房颤动期间，心房丧失其有组织的脉动(pumping)作用。按照健康的窦性心律，心房收缩、瓣膜打开，并且血液填充心室或下分庭。随后，心室收缩以完成每一心跳的有组织循环。相反，心房颤动已被表征为跨心房传送的一阵电能，以使心脏的上分庭抖动或颤抖。在心房颤动期间，血液不能随着每一心跳从心房充分地腾空进入心室。通过基于适当的病灶图案(lesion pattern)将电离放射定向到心脏，所得疤痕组织可阻止再循环电信号并且由此减少或消除心房颤动。
在肿瘤等的标准放射外科手术治疗中，计算机断层摄影(CT)成像提供一系列平面X射线扫描。对于邻近肿瘤的X射线，方案设计(planning)医生绘制目标组织的边界，其中该边界被绘制在穿过肿瘤的扫描片(scan)上且该边界环绕肿瘤(并且通常出于安全起见包括所治疗组织的一些附加的偏移量或余量)。由于肿瘤通常包含在一个器官内(但是可替换地延伸超出器官表面至相邻器官)，因此经方案设计的治疗边界与组织/组织界面轮廓完全无关。因此，治疗方案通常被草拟为包围其中肿瘤可见的每一CT扫描片上的肿瘤的一系列圆圈。
难以使用标准放射外科手术方案设计界面来绘制用于形成常规平面CT扫描片上的图案的适当的心律不齐病灶治疗方案。医生必须评估多个CT扫描片，并且在心脏的每一平面切片上绘制表示治疗方案的适当的线和/或圆圈。医生必须能够从每一平面扫描片目测预期治疗区域。尽管这表现为唯一的不便，但与本发明有关的工作指示，鉴于心脏的几何形状使用现有放射外科手术治疗方案设计工具来有效地建立心律不齐治疗方案惊人地困难。
概述
以下呈现了本发明的一些实施例的简化概述以提供对本发明的基本理解。该概述不是本发明的广泛概览。它既不旨在标识本发明的关键/重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些实施例，作为稍后呈现的更加详细的描述的序言。
根据一个实施例，一种系统生成心脏的组织表面的三维模型，具体地生成内表面(血液/心脏组织界面)的三维模型。在该表面上，例如医生使用用户界面来绘制一条或多条图案线，以指示该表面上的预期病灶用于抑制收缩通道。根据图案线，病灶的三维体积可使用已知约束来确定(诸如从内心脏组织提供足够厚度来使病灶在整个心壁上延伸，提供足够宽度来阻止收缩跨病灶传播等)。有利的是，三维体积所生成的一系列边界可被投影回各个CT扫描片上，其随后可被传递到标准放射外科手术方案设计工具。
放射外科手术方案设计工具可使用现有轨迹计算例程来生成具有若干放射外科手术轨迹或轮廓的放射外科手术方案。一旦轨迹已被标识为形成预期病灶，“剂量云”就可被输出到具有提供组织表面处的区域(例如，血液/心脏组织界面)的显示器的新方案设计工具，该区域将接收足够的放射来形成病灶。
为了便于对放射外科手术治疗进行方案设计，医生通常将标识在三维组织表面上图形化的位置，其中点和线卡合到组织表面的模型。可计算输出病灶指示，作为沿组织表面的简单的等剂量轮廓。
在一个实施例中，提供了一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术方法。该方法包括：从心脏获取三维图像数据；利用图像数据来生成心脏的组织表面的三维模型；接收对表面模型的预期电离放射治疗病灶图案的用户输入用于减轻疾病；以及基于预期病灶图案输出关于与三维图像数据相关的经方案设计病灶图案的信息。
生成三维模型可包括：基于心脏的血液和组织之间的边界生成心脏的模型。该边界可以是，例如心脏组织的内表面。
来自心脏的三维图像数据可以是多个二维数据切片。生成三维模型可包括：基于每一二维数据切片中的血液和心脏组织之间的边界的分段生成心脏的模型。三维模型可以例如通过将分段层叠或组装在一起、以及通过在分段之间延伸表面来形成。在一个实施例中，输出包括：将病灶图案投影到多个二维数据切片中的每一个上。
可基于用户输入生成病灶的三维体积，并且可基于该三维体积生成信息。该体积可以例如通过将用户输入扩展到足以抑制收缩通道的宽度、将用户输入扩展到足以透壁式地穿透心脏组织的深度、或扩展用户输入以覆盖要进行治疗的感兴趣组织的区域来生成。
根据另一实施例，提供了一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术方法。该方法包括：从心脏获取三维图像数据；利用图像数据来生成心脏的组织表面的三维模型；接收对表面模型的预期电离放射治疗病灶图案的用户输入用于减轻疾病；以及基于预期病灶图案生成电离放射治疗方案，并且基于预期治疗方案投影与图像数据相关的剂量云。
该方法还包括：将对病灶图案的用户输入卡合到模型的表面。可参照用户输入评估剂量图案以确定充分的治疗，该评估可包括例如绕表面移动剂量图案以确认环形成绕表面的完整圆圈。移动可包括参照阈值评估环的厚度。
根据另一实施例，提供了一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术系统。该系统包括：用于从心脏获取三维方案设计图像数据的图像捕捉设备；以及包括耦合到图像数据的用于基于图像数据生成心脏的表面模型的建模模块和对表面模型的用于标识心脏的靶区的输入的处理器系统，该处理器系统将输入耦合到建模模型，从而响应于对表面模型的输入来针对图像数据生成病灶图案。
根据又一实施例，提供了一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术系统。该系统包括：用于从心脏获取三维方案设计图像数据的图像捕捉设备；用于从身体外部发射多个电离放射光束的放射源；以及包括具有用于标识心脏的靶区的输入的方案设计模块、和耦合到图像数据的用于基于图像数据生成心脏的表面模型的建模模块的处理器系统，该方案设计模块响应于靶区和方案设计图像数据来生成放射光束的方案以基于方案投影剂量云，该处理器系统将方案设计模块耦合到建模模块以将剂量云投影到表面模型上。
为了更完全地理解本发明的本质和优点，应当参考后续详细描述和附图。
附图简述
图1示出可利用各个实施例的示例性经修改立体定向(stereotactic)放射外科手术系统；
图2是示出根据各个实施例的放射外科手术治疗方法的流程图；
图3是根据本文中实施例的心脏表面的三维模型的示图，其中病灶方案添加到左视图，而剂量云添加到右视图；
图4是可利用本文中实施例的计算机系统的框图；
图5示意性地示出可实现本发明的各个实施例的多个模块；
图6是示出根据一个实施例的生成感兴趣表面的三维模型的方法的流程图；
图7是根据一个实施例的心脏内表面的3-D模型的示图；
图8是示出根据一个实施例的利用图6中所生成表面的模型来准备治疗方案的方法的流程图；
图9是根据一个实施例的被绘制到图7的表面外部的切除线100的示图；
图10是已生成图7表面的心脏的基面的示图，其示出图9的切除线的交点；
图11是根据一个实施例的从图9的切除线生成的环的示图；
图12是根据一个实施例的网格化(tessellate)成形成实体积的图11的环的示图；
图13是根据一个实施例的其上投影有方案设计靶体积的心脏的轴向切片；
图14是与图13相同的轴向切片，但是示出根据一个实施例的投影到心脏上的血液靶体积；
图15是与图13相同的轴向切片，但是示出根据一个实施例的投影到心脏上的腔；
图16是根据一个实施例的示出轮廓的放射轮廓分布；
图17是具有图17所示轮廓的心脏的轴向切片；
图18是示出根据一个实施例的参照所生成表面评估剂量云的方法的流程图；
图19示出根据一个实施例的沿切除线投影到所生成表面上的剂量云；
图20是图19的所生成表面的轴向切片，且在其上示出剂量云和切除线；
图21是示出根据一个实施例的确定剂量是否足够的方法的流程图；
图22示出根据一个实施例的指示所生成组织表面上的剂量覆盖范围的面块(patch)；
图23示出一生成表面，其中剂量面块的环绕所生成表面是完整的；以及
图24示出一生成表面，其中剂量面块的环绕所生成表面是不完整的。
本发明的详细描述
在以下描述中，将描述本发明的各个实施例。出于解释的目的，阐述具体配置和细节以提供对这些实施例的透彻理解。然而，同样对本领域技术人员显而易见的是，没有这些具体细节也可实践本发明。此外，为了不混淆所描述的实施例，可省略或简化公知特征。
本文中的各个实施例涉及放射外科手术治疗方案设计。一些所描述的实施例涉及用于治疗心脏和/或冠状血管的非肿瘤疾病的放射外科手术方案设计，但是本文中所描述的特征不限于该内容。
本文中所描述的放射外科手术治疗方案设计可利用已知放射传输系统中包括的或从其导出的许多组件。在图1中示出示例性经修改CYBERKNIFE立体定向放射外科手术系统10作为示例。放射外科手术系统10包括安装到机械手14的轻量线性加速器12。图像引导系统16包括双平面诊断X射线源18和图像检测器20来增强机械手14和目标点之间的配准。由于靶区中的组织可能未呈现高对比度图像，因此图像引导系统16可使用图像处理技术来标识一个或多个替代结构的位置，其中这些替代结构通常包括高对比度自然组织结构(诸如骨骼等)或与目标组织相关地运动的人工植入的基准标记。目标跟踪还可使用一个或多个表面图像相机22，具体地用于标识胸壁对应于呼吸的运动。相机22可监测在患者胸部上可见的发光二极管(LED)或其他高对比度基准标记。患者支承件24由对准臂26可移动地支承以便于使患者(和治疗点)与机械手14对准。
现在参考图2，相对简单的治疗流程图40可表示一种以前使用以及根据本发明的各个实施例在放射外科手术治疗期间所使用的方法。出于方案设计的目的，内部组织通常使用诸如计算机断层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)、超声成像、X射线成像、光学相干断层摄影、其组合、或其他成像模态之类的远程成像模态来成像42。注意，只要充分对比的替代结构在图像数据中可见来标识目标组织位置，实际上将放射重塑为目标的组织结构不需要在图像中一定可见。许多实施例中所使用的方案设计成像将包括三维组织体积的时序，其中该时序通常跨越一个或多个运动周期(诸如心脏或心跳周期、呼吸或喘气周期等)。在各个示例性实施例中，图像数据包括通过心脏的一系列CT切片以提供体积或三维图像数据。三维心脏图像的时间序列优选分布在整个心跳周期的时刻获取，以使图像方案设计数据有效地包括提供关于心跳期间的心脏组织的运动的信息的三维图像数据集的时间序列。
基于根据成像42所获取的成像数据，可准备方案44以治疗目标点处的组织。在完成方案44之后，可通过将患者定位在患者支承件24上、使患者与机械手14对准、以及将经方案设计的一系列放射光束从线性加速器12定向到心脏的靶区来开始心脏的放射外科手术治疗46。
本文中的各个实施例涉及有助于开发方案44的系统以及方法，其可使用现有或新开发的成像42和治疗46。然而，本文中所定义的方案44的一个优点是，其可使用诸如以上所述的CT成像之类的现有成像、以及诸如MULTIPLAN方案设计工具(Accuray公司)之类的常规放射外科手术方案设计工具。例如，成像可采用以上所述的形式或其他形式，但是在各个实施例中利用通过心脏的一系列常规切片(例如，CT切片)以提供体积或三维图像数据。治疗46可以是常规的或经修改的，并且在题为“用于通过放射外科手术缓和心律不齐的心脏治疗套件、系统以及方法(Heart Treatment Kit，System，and Method forRadiosurgically Alleviating Arrhythmia)”(律师案No.021902-002000US)的同时提交的美国专利申请No.61/271,177中描述了一个实施例，其全部公开内容通过引用结合于此。
治疗方案44通常包括靶区、以及在靶区内相交的一系列放射光束。目标组织内的放射剂量应当至少足以提供预期病灶。通常，放射剂量将足以切除组织、抑制心脏内的收缩通道、抑制心律失常发生等。目标组织外部的放射剂量将优选地按照相对陡的梯度降低以抑制对附带组织的过度损坏，其中指定的敏感组织结构和/或关键组织结构中的放射剂量通常被维持在预期最大阈值以下以避免不利的副作用。
现在参考图2和3，如广泛描述的，示例性治疗方案设计模块一般根据CT切片生成44A表面52的3D模型(图3)，但是可使用其他成像数据。用户界面允许系统用户参考组织的表面(在附图所示的示例中为心脏的表面52)来输入44B预期病灶图案50(图3)。为了治疗心脏的活动组织以抑制心律不齐，参考心脏表面52可包括血液/组织界面或者一个或多个心室和相邻血管的内表面。虽然可通过在图像获取步骤42期间引入成像对比剂从三维方案设计图像数据中更容易地标识内表面，但是替换实施例可采用心脏的外表面作为参考表面。由此，组织和血液之间存在清晰的分界线(demarcation)，从而允许更精确地定义表面52。在方案44的部分中使用病灶图案50，如以下更详细描述的。
在44C，病灶图案50所生成的一系列边界可被投影回到各个CT扫描切片上，其随后可被传递到常规放射外科手术方案设计工具。由此，常规放射外科手术工具的输入一般与现有方法中的输入(即，在各个CT扫描切片上定义的边界)相同。然而，如本公开的背景中所描述的，现有方法要求外科医生在每一单独的切片上绘制。相反，本文中的方法以及系统生成被输入到表面52的实体模型的输入病灶图案50。
在一个实施例中，如以下所述，可提供剂量云54的可视化(图3的右侧)以在表面52上显示。可通过常规放射外科手术工具来接收44D剂量云54作为输出病灶指示，并且根据各个实施例，可在表面52上显示44D剂量云54例如作为等剂量轮廓。如在病灶图案50的情况下，可在生成或批准方案44的部分中使用剂量云54，如以下更具体描述的。
本文中的各个实施例可利用用于生成表面52、指示预期病灶图案50、提供剂量云54的计算机实现的方法、和/或运行此处所描述的方法或系统的功能。为此，图4是可在本文中所描述的实施例中利用的示例性计算机系统58的简化框图。计算机系统58通常包括经由总线子系统62与多个外围设备通信的至少一个处理器60。这些外围设备可包括：包含存储器子系统66和文件存储子系统68的存储子系统64；用户界面输入设备70；用户界面输出设备72；以及网络接口子系统74。网络接口子系统74提供到通信网络75的接口，以供与其他成像设备、数据库等通信。
处理器60结合来自操作员的任何数据输入使用存储在存储器子系统66中的执行指令来执行计算机系统58的操作。例如，此类数据可通过用户界面输入设备70(诸如图形用户界面)输入。由此，处理器60可包括从存储器加载执行指令的执行区域。这些执行指令随后将使得处理器60向计算机系统58发送命令。虽然在本公开中被描述为一“处理器”，但是该处理器的功能可由一个计算机中的或分布在若干计算机上的多个处理器执行。
用户界面输入设备70可包括：键盘；诸如鼠标、跟踪球、触摸垫、或图形板之类的定点设备；扫描仪；脚踏板；操纵杆；结合到显示器中的触摸屏；诸如声音识别系统、话筒之类的音频输入设备；以及其他类型的输入设备。一般而言，术语“输入设备”的使用旨在包括向计算机系统输入信息的各种常规和专属设备以及方式。此类输入设备通常将用于从计算机网络或有形存储介质下载计算机可执行代码，其体现为用于本发明的任何方法的步骤或编程指令。
用户界面输出设备72可包括显示器子系统、打印机、传真机、或诸如音频输出设备之类的非可视显示器。显示器子系统可以是阴极射线管(CRT)、诸如液晶显示器(LCD)之类的平板设备、投影设备等。显示器子系统还可诸如经由音频输出设备提供非可视显示。一般而言，术语“输出设备”的使用旨在包括从计算机系统向用户输出信息的各种常规和专属设备以及方式。
存储子系统64存储提供各种实施例的功能的基本编程和数据结构。例如，实现本文中所描述实施例的功能的数据库和模块可存储在存储子系统64中。这些软件模块一般由处理器60执行。在分布式环境中，软件模块可存储在多个计算机系统的存储器中，并且可由多个计算机系统的处理器执行。存储子系统64通常包括存储器子系统66和文件存储子系统68。
存储器子系统66通常包括多个存储器，包括用于在程序执行期间存储指令和数据的主随机存取存储器(RAM)76、以及存储固定指令的只读存储器(ROM)78。文件存储子系统68可提供程序和数据文件的持久(非易失性)存储，并且可包括硬盘驱动器、连同相关联可移除介质的软盘驱动器、压缩数字只读存储器(CD-ROM)驱动器、光驱、DVD、CD-R、CD-RW、或者可移动介质筒或盘。这些驱动器中的一个或多个可位于耦合到计算机系统的其他位点处的其他相连计算机上的远程位置处。实现本发明功能的数据库和模块还可被文件存储子系统68存储。
总线子系统62提供用于使计算机系统的各种组件和子系统彼此按需通信的机制。计算机系统的各种子系统和组件无需处于相同的物理位置，但是可分布在分布式网络内的各个位置处。虽然总线子系统62被示意性地示为单条总线，但是总线子系统的替换实施例可利用多条总线。
计算机系统58本身可以是各种类型的，包括个人计算机、便携式计算机、工作站、计算机终端、网络计算机、显示单元中的模块、主机、或任何其他处理系统。由于计算机和网络的永远变化的本质，对图4所描绘的计算机系统58的描述仅旨在作为用于图示本发明的一个实施例的具体示例。计算机系统的许多其他配置是可能的，其具有比图4所描绘的计算机系统58多或少的组件。
图5示意性地示出可实现本发明的实施例的多个模块80。模块80可以是软件模块、硬件模块、或其组合。如果模块80是软件模块，则这些模块将体现在计算机可读介质上，并且由处理器60处理。
数字数据模块82接收CT体积或其他诊断图像，并且如果尚未数字化，则创建图像的数字数据文件。3-D建模模块84根据数字数据文件构建预期表面的有限元或实体模型。此类3-D建模模块是已知的，并且示例实现细节连同图6的描述在下文中提供。然而，如简述的，3-D建模模块84处理CT体积的切片并且创建感兴趣表面的有限元或实体模型，如表面52所投影的(图3)。为了便于引用，如从以下所使用的，“表面52”指感兴趣表面的3-D模型，并且在本文中所描述的实施例中指心脏组织的内表面。
表面52可以例如在计算设备58的显示器上显示，并且可由用户例如经由用户界面输入设备70操纵以看见预期定向、截面或其他预期视图。同样可提供平摇(pan)和侧滑(yaw)以及俯仰(pitch)运动。
方案设计模块85准许系统的用户生成病灶图案50(图3)。方案设计模块85还可将病灶图案投影回CT切片。
剂量云模块86可接收或生成剂量云54。剂量云模块86的示例实现例如与图18和21的讨论一起在下文中阐述。
如图3和5所指示的，剂量云模块86和3-D建模模块84可利用标准治疗方案设计模块88。此类治疗方案设计模块的一个示例是MILTIPLAN治疗模块，但是可使用其他治疗模块。
图6是示出根据一个实施例的生成感兴趣表面(例如，表面52)的方法的流程图。在602，关于CT体积的信息例如经由模块82输入。该输入可以是，例如生成以强化为每一CT切片所提供的组织-血液边界信息的CT体积。在本文所描述的示例中，组织-血液边界是心脏的内边界，并且该边界通过例如将对比剂添加给血液来强化。CT数据的每一切片中的血液(包括所添加的对比)和心脏组织之间的边界可在与心脏循环阶段相关联的体积数据集的一个、部分或全部中分段。所分段的区域可被层叠或组装在一起以形成表面52。例如，可编辑CT数据以限制左心房和肺静脉。
在604至610，提供了可在切片的边界之间应用以生成3-D表面(诸如表面52)的平滑技术的示例。可使用其他平滑技术。例如，平滑可经由模块84执行。
在604，进行体素(Voxel)编辑，其中CT体积被转换成三维空间中的框栅格。在606(任选的)，进行连接。在608，表面生成例如利用遍历体素的移动立方体(Marching Cubes)计算机图形算法、在一时刻采用八个邻近位置(由此形成虚立方体)、随后确定表示等值面穿过立方体的部分所需的多边形来进行。各个多边形随后被熔合到预期表面中。
在610，输出预期表面，例如图7的表面52所示。对于此处的示例，表面52表示心脏的内表面。图6所示的整个过程可使用分段方案自动化。
图8是示出用于利用图6中所生成的表面52来准备治疗方案的方法的流程图。在802开始，在表面52上定义切除线100(图9)。例如，切除线100接口例如利用用户界面输入设备70来绘制在或卡合到表面52外部。在一个示例中，医生可沿着该表面点击，并且切除线100可延伸为点击之间的直线。可启用平滑。如果需要，表面52可在屏幕上旋转、平摇和缩放，或者俯仰或侧滑可改变，从而允许医生得到表面的预期视图以正确地定向切除线100。此类操纵特征在现有3-D建模和显示软件中是已知的。
经由用户界面输入设备70应用切除线100允许方案设计医疗专业人员输入适当的病灶图案作为与心脏组织表面52相关的一系列线或曲线。可将切除线100施加为很细的线、或为系统或用户定义的粗细。同样，切除线的粗细可从3D数据集自动地提取。根据一个实施例，切除线以足以阻止收缩跨病灶传播的宽度显示。使用此类宽度向系统的用户提供了直观的视觉反馈，从而该用户可具有病灶图案的位置和宽度的更真实的想法。
如果需要，在804，切除线可在一个或多个基面中示出。作为示例，如图10所示的，已生成表面52的心脏的基面示出交点102。交点102表示切除线100在给定基面处的截面。基面可在显示器上同时示出，或通过在表面52的视图和基面之间切换来示出。基面可表示例如来自单个CT切片的数据。
在806，切除线100被扩展到提供预期治疗好处的体积，并且可在显示器上在三个维度中可视。804可在806之后进行，并且实质上本公开的流程图中所阐述的动作不限于其被呈现的次序，除非在本文中另外说明。为了在三个维度中目测体积，切除线100可诸如通过生成环104(图11)来给出三维厚度。根据一个实施例，由于表面52表示心脏的内表面，因此环104通过生成具有绕切除线100的半径的环来生成，其中该半径约等于或略大于要治疗的组织的厚度。由此，病灶的厚度可足以从内心脏表面在整个心脏壁延伸。可绕切除线应用该半径，或者可使用单独的宽度和长度半径。可将宽度选择成例如足以阻止收缩跨病灶传播。在一个示例中，环104可利用两毫米的半径来生成，但是可使用其他半径，并且如上所述，环在宽度和厚度上不一定需要一致。同样，切除线的粗细可从三维数据集自动地提取。
在一个实施例中，出于治疗方案设计的目的，环104包围肺静脉门(PVOS)并定义方案设计靶体积(PTV)。PTV表示期望进行治疗的感兴趣组织的区域。在心脏的示例中，PTV优选是从心脏的外表面到内表面且宽度足以抑制收缩通道的心脏组织。
在808，每一环401所定义的非平面多边形被网格化以形成实体积106(图12)。例如，网格化可导致非平面多边形被网格化成三角形并加宽到切除线的粗细。实体积106表示血液靶体积(BTV)。
图13是示出PTV 108的心脏的轴向切片。图13中的PTV 108被示为两个圆圈，其表示由PTV形成的环104的截面。图14是与图13相同的轴向切片，但是示出BTV 110。BTV 110由实体积106表示，并包括期望治疗区域(即，PTV)加上位于其间的区域(其可能是血液)，并且在图14中由细长的不规则椭圆表示。一般而言，可在治疗期间放射血液而没有伤害，并且可在假设BTV将在所有位置放射到足以治疗PTV的程度的情况下准备治疗方案。在810，腔112(在图15中的轴向切片中示出)通过BTV减去PTV来计算。腔112表示假定为血液的BTV的区域。
在812，扫描转换PTV和BTV以在每一基面中生成轮廓。现有放射外科手术放射光束计算模块可用于确定所得放射轮廓分布。可实现用于标识放射敏感结构的现有放射外科手术方案设计方法。此类现有计算模块的输入可需要经由诸如常规CT切片之类的切片的输入。由此，如果使用此类计算模块，则CT切片用来生成实体积(图6)，方案在实体积上形成(图8)，并且随后每一切片处的方案被提供回计算模块以生成轮廓。由此，输出814可以是与原始CT切片中的每一个相关的输出。所生成轮廓114的示例在图16中示出。轮廓114的轴向切片的示例在图17中示出。
替换地，切除线100可使用心脏和/或呼吸门控4DCT数据集来定义。假设随着时间采集了N(通常N＝10)个体积的CT数据。心脏壁表面(例如，表面52)将根据每一CT体积构造，从而导致N个此类表面。通过使用每一表面，一组切除线将由用户定义，从而导致N个此类切除线。该时变切除线和时变CT数据随后将被输入到治疗方案设计站线治疗方案设计模块(例如，MULTIPLAN)，以供生成治疗方案。替换地，可生成其体积将包括来自所有的各条切除线的体积的一个切除线集合并将其用于方案设计。
根据一个实施例，切除线在表面上的放置可以是部分或全部自动的。可将可能的切除线的模板提供给用户，并且该用户随后可在表面上的适当位置处拖放所选模板。用户可通过在表面上四处移动切除线来局部地修改该切除线。还可改变粗细。
例如，轮廓114可被保存为DICOM RTSS(放射治疗结构集合)文件。输出它们的方案设计者可以是，例如MULTIPLAN。在一个实施例中，MULTIPLAN中的优化使用BTV来完成，而评估使用PTV来完成。一般而言，BTV的体积显著地大于PTV。BTV还具有在拓扑结构上比在拓扑结构上较接近孔的PTV更接近球体的形状，这通过放射图案来形成。由于这些原因，优选基于BTV实现治疗方案。由于重点是期望治疗的实际区域，因此优选基于PTV优化该方案。
在另一实施例中，代替将切除线作为基面或倾斜平面中的2D轮廓传送到方案设计模块，可将切除线作为3D形状传送到该方案设计模块。
连同输入预期病灶图案，如在图5的右侧上示意性地示出地，方案设计模块和用户界面将优选以所估计心脏表面病灶54的形式优选输出对沿心脏表面的实际放射暴露的估计。所估计病灶54可表示心脏组织表面52的部分，该部分任选地基于从现有放射外科手术治疗方案设计器输出的放射光束和放射剂量来接收坏死阈值以上的放射剂量。替换图案可表示对组织的估计，该组织将接收足够剂量的放射用于诊断重塑来抑制心律不齐。用户可基于方案设计治疗模块88的迭代输入和输出来交互式地开发方案。
理想地，剂量云应当对应于切除线。本文中的各个实施例争取创建提供治疗作为对应于切除线的纤维变性组织的环的方案。
图18是示出根据一个实施例的参照所生成表面52评估剂量云的方法的流程图。在1802生成剂量云，并且在1804将其覆盖在表面52上。如果需要，在1806切除线100在表面52上显示。
如图19所示，参照表面52显示切除线100和剂量云120允许对剂量云是否覆盖医生所预期的目标进行视觉检查。为此，在1808，医生可视觉地评估剂量云是否覆盖目标。如在图19中可见，由于至少该视图在附图中示出，剂量云120完全覆盖切除线100。完全检查剂量覆盖范围可能需要旋转、平摇或缩放表面，或者调节俯仰和/或侧滑。
剂量云120可表示例如大于特定阈值的所有剂量值，或者作为替换，表示位于最小值和最大值之间的范围内的剂量值。如果需要，如图20所示，可提供每一基面的轴向切片，其中剂量云120和切除线100在其上示出。该示图准许医生观察每一切片以确保该剂量充分地覆盖(即，包围)目标。
图21是示出根据一个替换实施例的确定剂量是否足够的方法的流程图。图21中的方法包含将剂量云夹附到表面52，并且可附加或替代以上所述的视觉检查使用该方法，其中剂量云被表示为更像轮廓。在2102，对应于可接受剂量值的区域被夹附到表面52，例如以与切除线100不同的颜色。剂量值可以等剂量方式表示，其中不同的剂量以不同的方式显示，例如不同的颜色。替换地，如在先前实施例中，可显示超过一个值或落入一个范围内的所有剂量。
通过将剂量值夹附到表面，剂量被呈现为表面52上的曲面块124(图22)。如果正确地选择剂量值，则在面块124上发生纤维变性。医生可参照切除线100视觉地评估面块124以确定是否提供足够的用量(dosage)。例如，可评估面块以确定其是否宽到足以抑制正在治疗的组织中的收缩通道。
另外，在去除或未去除切除线100的情况下，在2104医生可评估面块124以确定面块是否形成连续的环。如果在环中存在任何中断，则抑制收缩通道不可能由放射外科手术治疗提供。为此，在2106，医生评估面块124是否绕表面52连接以致形成连续的环。如果为否，则在2108可通过软件或用户的识别来生成一错误，从而使医生构造新方案或使计算机系统58生成错误消息、或以另一方式处理。如果该环连接，则在2110医生可继续治疗。
图23示出其中绕表面52的完整环126由面块124形成的表面52。医生和/或计算机系统58可旋转并以其他方式操纵表面52，以使医生可全面地检查环126。在替换实施例中，软件可遍历环126以确认该环返回到起始位置，从而确保纤维变性区域连接。该相同软件或视觉检查可用于确定该环是否宽到足以围绕整个环126。例如，软件可绕表面52缓慢行进，并且评估环126的像素宽度。如果像素宽度落到阈值以下，则可生成一错误。
在治疗期间，可用该系统来评估可能的未对准错误的任何影响(x、y、x转换以及侧滚、俯仰、侧滑、旋转错误)。可相对于剂量云平移和旋转表面或CT数据集，以理解任何未对准对PVOS处的纤维变性环的连续性的影响。替换地，可相对于表面或CT数据集平移或旋转剂量云。
图24示出没有完全绕表面52延伸的部分环128。在该示例中，医生或软件可要求准备新治疗方案或可以其他方式生成一错误(例如，在2108)。
在认可轮廓之后，完成方案44，并且可实现方案44。例如，可通过将患者定位在患者支承件24上、使患者与机械手14对准、以及将经方案设计的一系列放射光束从线性加速器12定向到心脏的靶区来开始对心脏的放射外科手术治疗46。
其他变例也在本发明的精神内。由此，尽管本发明易于作出各种修改和替换构造，但其某些图示实施例在附图中示出并且在上文中已详细描述。然而应当理解，这不旨在将本发明限于所公开的一种或多种具体形式，而相反地，旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、替换构造和等效方案，如所附权利要求书定义的。
在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求书的上下文中)使用术语“一”、“一个”和“该”以及类似称谓旨在解释为覆盖单数和复数，除非在本文中另外说明或明显与上下文矛盾。术语“包括”、“具有”、“由…构成”和“包含”应当解释为开放式的术语(即，表示“包括，但不局限于”)，除非另外注明。术语“连接”应当解释为部分或全部包含在内、附连、或结合在一起，即使存在某些中介。本文中的值范围的叙述仅旨在用作单独引用落在该范围内的每一单独值的速记方法，除非在本文中另外说明，并且每一单独值被结合到本说明书中，好像它在本文中单独叙述的一样。本文中所述的所有方法可以任何合适的次序执行，除非在本文中另外说明或明显与上下文矛盾。使用本文中所提供的任何和所有示例、或示例性语言(例如，“诸如”)仅旨在更好地图示本发明的实施例，而不造成对本发明的范围的限制，除非另外限定。本说明书中的语言不应当解释为指示实践本发明必需的非限定元素。
在本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实现本发明的最佳模式。这些优选实施例的变体可在本领域内普通技术人员阅读在前描述之后变得显而易见。发明人期待有经验的技术人员酌情采用这些变体，并且发明人想要本发明以本文具体描述以外的其他形式来实践。因此，本发明包括这里所附的权利要求书中所叙述的主题的所有修改和等效方案，如可适用法规所允许的。此外，上述元素在其所有可能变体中的任意组合均被本发明涵盖，除非在本文中另外说明或明显与上下文矛盾。
本文中所引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)通过引用结合于此，好像每一参考文献被单独和具体地指示为通过引用结合于此且整体地阐述于此。

Claims (37)

1.一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术方法，所述方法包括：
从所述心脏获取三维图像数据；
利用所述图像数据来生成所述心脏的组织表面的三维模型；
接收对表面模型的预期电离放射治疗病灶图案的用户输入用于减轻所述疾病；以及
基于所述预期病灶图案输出关于与所述三维图像数据相关的经方案设计的病灶图案的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述三维模型包括：基于所述心脏的血液和组织之间的边界生成所述心脏的模型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述边界包括所述心脏组织的内表面。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，来自所述心脏的所述三维图像数据包括多个二维数据切片，并且其中生成所述三维模型包括：基于每一二维数据切片中的血液和心脏组织之间的边界的分段生成所述心脏的模型。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述三维模型通过将所述分段层叠或组装在一起、以及通过在所述分段之间延伸表面来形成。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，输出包括：将所述病灶图案投影到所述多个二维数据切片中的每一个上。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，来自所述心脏的所述三维图像数据包括多个二维数据切片，并且其中输出包括：将所述病灶图案投影到所述多个二维数据切片中的每一个上。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述用户输入生成病灶的三维体积，以及基于所述三维体积生成所述信息。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述体积包括：将所述用户输入扩展到足以抑制收缩通道的宽度。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述体积包括：将所述用户输入扩展到足以透壁式地穿透所述心脏的组织的深度。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述体积包括：扩展所述用户输入以覆盖要进行所述治疗的感兴趣组织的区域。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述信息生成电离放射治疗方案，以及基于所述治疗方案将剂量云投影到所述实体模型。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：将对所述病灶图案的所述用户输入卡合到所述模型的表面。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：参照所述用户输入评估所述剂量图案以确定充分的治疗。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，评估包括：绕所述表面移动所述剂量图案，以确认所述环形成绕所述表面的封闭周边。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，移动包括：参照阈值评估所述环的厚度。
17.一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术方法，所述方法包括：
从所述心脏获取三维图像数据；
利用所述图像数据来生成所述心脏的组织表面的三维模型；
接收对表面模型的预期电离放射治疗病灶图案的用户输入用于减轻所述疾病；以及
基于所述预期病灶图案生成电离放射治疗方案，并且基于所述预期治疗方案投影与所述图像数据相关的剂量云。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：将对所述病灶图案的所述用户输入卡合到所述模型的表面。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：参照所述用户输入评估所述剂量图案以确定充分的治疗。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，评估包括：绕所述表面移动所述剂量图案，以确认所述环形成绕所述表面的完整圆圈。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，移动包括：参照阈值评估所述环的厚度。
22.一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术系统，所述系统包括：
用于从所述心脏获取三维方案设计图像数据的图像捕捉设备；以及
包括耦合到所述图像数据的用于基于所述图像数据生成所述心脏的表面模型的建模模块，和对所述表面模型的用于标识所述心脏的靶区的输入的处理器系统，所述处理器系统将所述输入耦合到所述建模模块，从而响应于对所述表面模型的输入来针对所述图像数据生成病灶图案。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述建模模块被配置成基于所述心脏的血液和组织之间的边界生成所述心脏的所述三维模型。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述边界包括所述心脏组织的内表面。
25.如权利要求23所述的装置，其特征在于，来自所述心脏的所述三维方案设计图像数据包括多个二维数据切片，并且其中所述建模模块被配置成基于每一二维数据切片中的血液和心脏组织之间的边界的分段生成所述心脏的所述三维模型。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述建模模块被配置成通过将所述分段层叠或组装在一起、以及通过在所述分段之间延伸表面来生成所述心脏的所述三维模型。
27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述处理系统被配置成：生成包括将所述病灶图案投影到所述多个二维数据切片中的每一个上。
28.如权利要求22所述的装置，其特征在于，来自所述心脏的所述三维图像数据包括多个二维数据切片，并且其中所述处理系统被配置成：生成包括将所述病灶图案投影到所述多个二维数据切片中的每一个上。
29.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理系统被配置成基于所述输入生成病灶的三维体积。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，生成所述体积包括：将所述用户输入扩展到足以抑制收缩通道的宽度。
31.如权利要求29所述的装置，其特征在于，生成所述体积包括：将所述用户输入扩展到足以透壁式地穿透所述心脏的组织的深度。
32.如权利要求29所述的装置，其特征在于，生成所述体积包括：扩展所述用户输入以覆盖要进行所述治疗的感兴趣组织的区域。
33.一种用于治疗心脏患有非肿瘤疾病的患者身体的放射外科手术系统，所述系统包括：
用于从所述心脏获取三维方案设计图像数据的图像捕捉设备；
用于从所述身体外部发射多个电离放射光束的放射源；以及
包括具有用于标识所述心脏的靶区的输入的方案设计模块、和耦合到所述图像数据的用于基于所述图像数据生成所述心脏的表面模型的建模模块的处理器系统，所述方案设计模块响应于所述靶区和所述方案设计图像数据来生成所述放射光束的方案以基于所述方案投影剂量云，所述处理器系统将所述方案设计模块耦合到所述建模模块以将所述剂量云投影到所述表面模型上。
34.如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述处理器系统被配置成将所述病灶图案的所述用户输入卡合到所述模型的表面。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，所述处理器系统被配置成参照所述用户输入评估所述剂量图案以确定充分的治疗。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，评估包括：绕所述表面移动所述剂量图案，以确认所述环形成绕所述表面的完整圆圈。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，移动包括：参照阈值评估所述环的厚度。
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