CN102971048A

CN102971048A - 用于引导的自适应近距治疗的系统和方法

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Publication number: CN102971048A
Application number: CN2011800318786A
Authority: CN
Inventors: D·宾内卡普; L·F·古铁雷斯; N·D·格洛索普; J·克吕克尔; S·塞特拉曼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: US10850126B2; US20130102891A1; WO2012001551A1; CN102971048B; EP2588194A1; TW201210645A; EP2588194B1

Abstract

一种用于自适应放置处置元件的系统和方法包括放置装置（134）和定位系统（120），所述定位系统被配置为跟踪所述放置装置的进程，从而将所述放置装置放置的或者将要由所述放置装置放置的处置元件（146，132）的位置存储到存储器内。一种计算机系统（142）包括在计算机可读存储介质中实现的程序（104）并被配置为计算所述处置元件在所述位置处的效果，以及确定所述处置元件是否实现了对器官进行处置的剂量。

Description

用于引导的自适应近距治疗的系统和方法

本公开涉及手术系统和方法，更具体而言，涉及用于自适应地引导医疗仪器，以实现近距处置和其他过程的系统和方法。

前列腺癌的处置选择根据癌症的阶段而变化，最广泛采用的局部处置选择包括根治性或局部的前列腺切除、外部放射治疗和近距治疗。这些处置的最常见的副作用是勃起功能障碍和失禁。

在近距治疗中，经由通过会阴插入的针将小的放射性种子放置到前列腺内。采用穿过直肠的超声（TRUS）对所述过程进行引导。TRUS成像允许医生使前列腺、相邻解剖结构（尿道、膀胱等）以及插入到前列腺中的种子输送针可视化。然而，采用超声并不能使种子本身很好地可视化，因而医生在实施所述过程时不能确认已经根据计划完成了种子放置。此外，当今的标准TRUS的2D本质意味着，即使能够使种子输送针在一定程度上可视化，针尖的精确的3D定位仍然是模糊不清的，因而医生无法确保将针准确地输送到其目标位置。

由于过程引导的这些限制，可能将种子放错地方，其将导致向前列腺的区域输送的辐射剂量低于或者高于医生开具的剂量。有人尝试通过改进的超声成像方法和X射线荧光检查完成手术中种子定位，但是前者尚未证明具有鲁棒性，后者需要集成另一种成像模态，其对工作流出造成了障碍。

根据本原理，一种用于自适应放置处置元件的系统和方法，包括放置装置和定位系统，所述定位系统被配置为跟踪放置装置的进程，从而将所述放置装置放置的处置元件的位置存储到存储器内。一种计算机系统包括在计算机可读存储介质中实现的程序并被配置为计算所述处置元件在所述位置处的效果，以及确定所述处置元件是否实现了对器官进行处置的剂量。所述系统和方法提供了准确的3D手术中反馈和更好的引导。其不仅提供成像，而且还提供种子放置指令。实时剂量测定有助于减少剂量不足（其能够减少癌症的复发）以及减少剂量过量（其可能导致副作用）。所述系统和方法为种子提升（boosting）方案提供了背景。

一种自适应放置处置元件的系统，包括放置装置和定位系统，所述定位系统被配置为跟踪所述放置装置的进程，从而将所述放置装置放置的处置元件的位置存储到存储器内。一种计算机系统包括在计算机可读存储介质中实现的程序并被配置为计算至少一个处置元件在所述位置处的效果，以及确定所述至少一个处置元件是否实现了对器官进行处置的剂量。

一种处置方法包括：计算对象的模型中用以达到目标剂量规划的虚拟种子位置；识别插入到对象内的种子输送装置的轨迹，从而将所述输送装置引导至所述目标剂量规划中确定的目标位置；利用所述种子输送装置将种子沉积到目标位置上或者接近所述目标位置；使用定位方法记录所述种子的位置；以及基于实际的种子位置，根据所述目标剂量规划重新计算所述虚拟种子位置。另一种处置方法包括：将种子放置到对象体内用以达到目标剂量规划的多个已知位置处；使用定位方法记录种子的位置；基于实际的种子位置，计算用以提供根据目标剂量规划的剂量的虚拟种子位置；以及使用所述定位方法，采用种子输送装置将种子沉积到虚拟种子位置上或者接近虚拟种子位置。

通过下文结合附图阅读的对本公开的示范性实施例的详细描述，本公开的这些以及其他目的、特征和优点将变得显而易见。

本公开将结合下面的附图详细呈现下述对优选实施例的描述，其中：

图1是示出了根据一个示范性实施例的用于植入处置元件的系统/方法的方框图/流程图；

图2是示出了根据一个示范性实施例的自适应植入过程的方框图/流程图；

图3是示出了替代实施例的方框图/流程图，该实施例并入了实际种子植入和虚拟种子植入的组合，从而实时改进规划和种子位置准确度；

图4是根据本发明的示范性实施例的系统/方法的方框图/流程图，所述系统/方法利用空针限制实际和/或虚拟的种子放置；以及

图5是示出了根据本发明的示范性实施例的器官肿胀自适应系统/方法的流程图。

本公开提供了种子和种子输送针的实时定位。对种子输送针的改进的可视化可以包括采用电磁（EM）跟踪或光纤布拉格光栅（FBG）定位，其能够帮助医生将这些装置引导至规划目标位置，而不是单独依赖经直肠的超声。即使改进了针的可视化，诸如不希望出现的针的弯曲的问题也会使得医生不可能将针引导到其精确目标位置，因此种子将无法抵达它们的预先规划位置。

在种子沉积时对种子进行EM或FBG定位能够允许将实际种子位置记录下来。一种规划方法能够自动地适应过程中的寻找结果（例如，基于种子位置重新计算的区域剂量）。常规近距处置工作流程主要以过程之前的规划以及随后的过程后的评估为基础，因而并非直接考虑过程中的较规划而言的变化。根据本原理的一种新的规划方法具有足够快的速度，因而在所述过程当中能够计算很多次，由此能够向其馈送在过程中对实际种子位置的寻找结果，以此将任何已知的规划变化考虑在内。可以生成视觉显示，其实时地显示剂量场，从而允许医生做出剂量判断，并考虑实施该过程时的意外情况。

常规规划方法是“前向”算法，这意味着所述方法需要至关重要的用户交互来放置虚拟种子，并观察所得到的剂量测定模式。根据本原理，新的反演法通过允许用户定义一次剂量测定目标而改进了这一工作流程，而且虚拟或实际种子位置的计算是自动的，其降低了所需的用户交互量。在将这些组成部分都结合到单个解决方案中时，就出现了一种能够对当前的实践带来显著改善的新的工作流程。

除了所述新的工作流程之外，在严密地整合了种子定位和规划时能够实现其他工作流程。例如，可以首先执行没有种子的空针的放置。可以借助EM对所述针进行定位，之后，采用现有的针位置作为约束条件执行规划方法。也可以采用其规划成链（stranded）的种子，也可以采用其规划松散的种子，其中，所述成链的种子沿该链具有适当的间隔。可以采用对针或种子输送装置的EM跟踪来监测器官移动或肿胀，以之作为更新三维（3D）成像以获得新的规划数据集的触发因素。其优点包括精确地放置种子，以减少对关键结构施加的剂量。这样做将减少副作用。同样地还将减少剂量过量。由于更为准确的导航能够支持改变种子密度而在具有提高的肿瘤疑似度的区域内获得更高的剂量的计划，因而能够提供一种剂量提升方案，而不是对整个前列腺或其他器官做同等处置。

应当理解，虽然将参照前列腺的近距治疗描述本原理；但是，也可以设想其他过程和器官，其落在本发明的范围内。例如，本原理适用于前列腺以及其他器官的低剂量率（LDR）近距治疗和高剂量率（HDR）近距治疗。所述其他器官和应用可以包括但不限于乳房、妇产科过程、肺、肝、头颈、肉瘤、胰腺等。而且，本原理还适用于能量积存方法，例如，RF消融、冷冻消融、光力治疗等。

还应当理解，将利用医疗仪器描述本发明；然而，本发明的教导要宽得多，其适用于跟踪、分析、处置/修复复合生物或机械系统中采用的任何仪器。具体而言，本原理适用于生物系统和装置在诸如肺、心脏、胃肠道、排泄器官、血管等的所有身体区域中的内部跟踪过程。可以通过各种硬件和软件的组合实现在附图中描绘的元件，可以将其提供的功能组合到单个元件内，也可以分配到多个元件内。

可以利用专用硬件以及与适当的软件结合的能够执行软件的硬件提供附图所示的各种元件的功能。在通过处理器提供功能时，可以通过单个专用处理器、单个共享处理器或者多个个体处理器提供所述功能，其中所述多个处理器中的一些处理器可以共享。此外，不应将词语“处理器”或“控制器”的明确使用解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，而是其能够隐含地包括但不限于数字信号处理器（DSP）硬件、用于存储软件的只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、非易失性存储器等。

此外，文中所有记载本发明的原理、方面和实施例的陈述及其具体实例都旨在既包含其结构等同要件，又包含其功能等同要件。此外，旨在使这样的等同要件既包括当前已知的等同要件，又包括未来开发的等同要件（即，所开发出的执行相同的功能的元件，而不管其结构如何）。因而，例如，本领域技术人员将认识到，文中呈现的方框图表示体现本发明的原理的示范性系统部件和/或电路的概念图。类似地，应当认识到，流程图、程序框图等均表示实质上可以在计算机可读存储介质内表示，因而可由计算机或处理器执行的各种过程，而不管是否明确示出了这样的计算机或处理器。

此外，本发明的实施例可以采取计算机程序产品的形式，可由提供程序代码的计算机可用或计算机可读存储介质访问所述计算机程序产品，以供计算机或者任何指令执行系统使用或者与之结合使用。就本说明书的目的而言，计算机可用或计算机可读存储介质可以是任何可以包括、存储、传送、传播或发送程序的设备，所述程序供指令执行系统、设备或装置使用或者与之结合使用。所述介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统（或者设备或装置）或传播介质。计算机可读介质的例子包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机软盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、刚性磁盘和光盘。当前的光盘的例子包括高密度磁盘—只读存储器（CD-ROM）、高密度磁盘—读/写（CD-R/W）和DVD。

现在参考附图，其中，采用类似的附图标记表示相同或类似的元件，首先参考图1，其示范性地示出了系统100，其通过对象101（例如，患者）体内的手术中种子定位、剂量测定和自适应规划而改善了处置装置放置（例如，近距治疗种子）的准确度。采用跟踪系统120执行放射性种子132和种子输送装置134（例如，针、施予器等）的实时定位。例如，跟踪系统120可以包括电磁（EM）跟踪系统、光纤形状感测系统（FBG）或其他跟踪系统。跟踪系统120优选与自适应的过程中的处置评估和规划结合使用。规划/处置程序或方法104对处置规划自动调整，从而将过程中的寻找结果考虑在内。在过程当中能够执行很多次处置评估和规划，因而能够使处置评估和规划保持与实际种子位置的过程中的寻找结果的一致性，从而将任何可检测到的规划变化考虑在内。

程序104优选存储在存储器136内，其与控制器或处理器138协同工作。处理器138包含在计算机系统142内，其控制系统功能，执行程序104，在显示器140上生成显示图像，管理接口143（其可以包括输入和输出装置，包括显示器140）等。跟踪系统120与计算机系统142协同工作，以跟踪装置/针134和种子132。可以生成针134和种子132（虚拟种子146）的虚拟图像。可以使所述虚拟图像与通过其他方式收集的图像，例如，采用成像装置106取得的超声图像进行比较。

程序104通过实施“反演”法提供了改进的工作流程，该方法允许用户定义一次剂量测定目标，并自动计算虚拟种子位置，以降低所需的用户交互的量。所采用的本实施例用于减少对关键解剖结构的辐射剂量，并且避免剂量过量。可以通过改变种子密度而在具有提高的肿瘤疑似度的区域内获得较高的剂量，而不是（例如）以相同的方式对整个前列腺或其他器官103进行处置。

系统100包括成像装置106。在一个实施例中，成像装置106包括具有超声探头107，例如，经直肠探头的超声系统。可以采用超声探头步进器108使探头107自动前进/退回。可以采用模板网格110来辅助确定位置以及标记仪器进程。模板网格110可以是实际网格，也可以是采用计算机系统142生成的虚拟网格。可以采用EM、FBG或其他定位系统120对超声探头107、探头支架112（用于固定探头）、步进器108和模板网格110进行空间跟踪。其提供了能够确定正在对象的身体内放置的针134的位置，进而确定种子132的位置的参考点。

采用针134或者其他种子输送装置，例如，Mick施予器输送放射性种子132。种子132可以是松散的，也可以是成链的。所述EM、FBG或其他空间定位系统120包括内置到种子输送装置134或者引导针内的传感器114，其用于标绘未受到跟踪的装置的空间定位。定位系统120允许确定已将种子放在了何处。程序104包括自适应反演规划方法，其采用实际种子的定位更新剩余的虚拟种子（将要放置的实际种子）的规划。采用所记录的种子位置（和/或虚拟种子位置）148计算每一种子132（或虚拟种子）周围的剂量场，并确定植入的所有种子的净效应。此外，可以提供程序支持和应用，在这种情况下，医生能够将虚拟种子146放到任何位置，以查看其对剂量场的影响。可以采用虚拟种子146的放置作为规划工具来规划种子放置。一旦医生确定了预期位置，就可以使用跟踪系统120和针134（或其他装置）准确地植入种子。此外，一旦放置了一些种子或放置了所有种子，程序104就能够重新计算量度，以确定是否实现了预期的结果，如果没有则可以进行实时校正。在一个实施例中，如果尝试在已经放置了种子或者已经通过针输送了种子的位置放置种子，那么可以对此发出警告。可以在模板110上包含信号发送（听觉的或视觉的），以避免医生对位置重复访问以放置种子。此外，程序104能够提供针计数和所放置的种子的计数，从而提供即时的计数。

参考图2，根据一个实施例，一种方法采用图1中描述的系统100，其包括步进器108、超声探头107和相对于对象101建立的网格110。这一实施例被认为是完全自适应的。在方框202中，采集器官（例如，前列腺）和周围解剖结构的第一图像采集（超声）。在方框204中，医生执行对器官的人工（或自动的电动化）扫描，以采集一组2D图像。在方框206中，由扫描到的2D图像执行3D重建。在方框208中，在第一超声图像和/或所述3D超声重建当中，对前列腺和其他器官人工或自动分割。在方框210中，医生定义目标剂量测定（例如，规划），例如，前列腺和存在风险的周围器官的预期剂量水平。在方框212中，反演规划方法自动计算最佳地实现医生的剂量目标所需的虚拟种子位置。就成链的种子而言，剂量测定者根据所述规划布置种子和间隔。

在方框214中，将第一种子输送装置（例如，针）插入到器官（例如，前列腺）内。随着针/装置的推进，使用跟踪或定位系统（120）在实时TRUS图像上识别针/装置的位置和/或轨迹，连同目标位置一起，这有助于医生最佳地达到该目标。在方框216中，一旦医生抵达了目标位置或者抵达了尽可能近的位置，那么将处置装置（例如，种子）沉积到前列腺或其他器官内。随着这一操作的发生，在方框218中定位系统记录实际的种子位置。除了记录种子位置之外，在方框219中所述定位装置可以通过提供有关所规划的种子位置和当前的输送针尖位置之间的距离的感觉反馈（例如，视觉的（图形/数字）和/或听觉的），而辅助将种子更加准确地输送到规划位置。在方框220中，将每一输送针引导到其规划模板网格坐标上。在方框222中，如果将针插到了不正确的网格坐标上，或者如针发生了弯曲，从而偏离了其直线路径（超过了阈值），或者如果在特定位置上已经放置了种子等等，那么提供视觉的或听觉悟的警报。

在方框224中，将实际的种子位置反馈回给规划方法（104），从而使其能够调整剩余的虚拟种子位置，从而最佳地匹配/达到医生的剂量目标。可以根据需要重复步骤214-224，直到放置了所有的种子以及实现了预期的剂量目标为止。

另一种方法包括根据标准工作流程而不存在中间调整地执行的规划、导航和种子放置构成的初始部分，但是根据本原理的种子定位。图3描述了一种用于在放置了最初一部分种子之后提供种子放置的方法。参考图3，在方框302中，将所记录的种子位置馈送到自适应规划程序（104）内，从而重新计算剩余种子的虚拟种子位置。在方框303中，优选恢复对象的位置或位姿，以继续植入种子。

在方框304中，任选地，当在过程中试图重新定位患者，从而使患者的器官（例如，前列腺）相对于超声探头和步进器具有与预先规划过程中相同的位姿时，超声探头和步进器的空间定位将促进改善的反馈。这一点可以通过在方框306中连带地使前列腺的“实况”实时超声图像和预先规划期间采集的3D超声扫描的对应MPR（多平面重建）可视化实现。在方框308中，使来自预先规划3D超声的器官分割的对应MPR叠加到当前的“实况”实时超声图像上。在方框310中，该过程利用反馈继续，以放置剩余的种子。

参考图4，另一种方法借助带有约束条件的规划采用空针放置。在这种情况下，在方框402中，医生根据其经验以及最佳的判断放置一部分没有种子的针。在方框404中，利用EM或FBG对这些针定位，将这些位置馈送给规划程序，以约束虚拟种子的位置。在方框406中，医生还可以任选地约束所述反演规划方法将指定的额外的针的数量。在方框408中，将所述规划方法指定的任何额外的针放到器官内。在方框410中，根据所述规划方法计算的间隔模式利用所述针放置种子。

参考图5，其示意性地示出了一种器官肿胀调整方法，该方法可以和其他实施例结合。在方框502中，使用前列腺中的针的EM或FBG定位识别通过针的相对移动确定的前列腺或其他器官的肿胀。在方框504中，如果识别出了超过阈值的肿胀，那么需要采集一组新的超声图像，从而将其连同前列腺和周围器官的对应更新的分割一起提供给所述自适应规划方法。方框504可以采取音量变化的形式作为听觉警报或者采取视觉指示器的形式向用户发出警报，指示已经超过了阈值（例如，对于肿胀或移动而言）。可以采取校正动作，例如，恢复患者的位姿，施予消炎药等。

在解释权利要求时，应当理解：

a)“包括”一词不排除给定权利要求中列举的元件或操作以外的其他元件或操作的存在；

b)元件前的单数冠词不排除复数个这样的元件的存在；

c)权利要求中的任何附图标记均不对权利要求的范围做出限制；

d)可以通过同一项目或者硬件或软件实施的结构或功能表示几个“器件”；并且

e)除非特别指出，否则没有要求具体的操作顺序的意图。

已经描述了用于引导的自适应近距治疗的系统和方法的优选实施例（其目的在于举例说明而不是构成限制），应当指出，本领域技术人员在考虑上述教导的情况下能够做出修改和变化。因此，应当理解可以对所公开的公开内容的具体实施例做出改变，所述改变处于所附权利要求概括的文中公开的实施例的范围内。因而，已经描述了专利法要求的细节和特异性，在所附权利要求中阐述了所主张的以及希望由专利证书保护的内容。

Claims

1.一种用于自适应放置处置元件的系统，包括

放置装置（134）；

定位系统（120），其被配置为跟踪所述放置装置的进程，从而将所述放置装置放置的或者将要由所述放置装置放置的处置元件（132，146）的位置存储到存储器内；以及

计算机系统（142），其包括在计算机可读存储介质中实现的程序（104）并被配置为计算至少一个处置元件在所述位置处的效果，以及确定所述至少一个处置元件是否实现了对器官进行处置的剂量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述放置装置（134）包括针、探头和施予器之一。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处置元件（132）包括放射性种子。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处置元件（146）包括在对过程进行规划中使用的虚拟种子。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为生成对象的图像的医学成像系统（106）。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定位系统（120）包括电磁跟踪系统和光纤布拉格光栅系统之一。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述程序（104）计算所述至少一个虚拟处置元件的剂量，以确定一个或多个虚拟处置装置的模拟剂量效果。

8.一种处置方法，包括：

计算（210）对象的模型中用以达到目标剂量规划的虚拟种子位置；

识别（214）插入到所述对象内的种子输送装置的轨迹，以将所述输送装置引导至所述目标剂量规划中确定的目标位置；

使用所述种子输送装置将种子沉积（216）到所述目标位置处或者接近所述目标位置；

使用定位方法记录（218）所述种子的位置；以及

基于实际的种子位置，根据所述目标剂量规划重新计算（224）所述虚拟种子位置。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括使用所述对象的二维图像的三维重建对所述对象成像（206）。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用超声和X射线之一生成所述二维图像。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，识别（214）轨迹包括使用空间跟踪系统跟踪所述输送装置。

12.根据权利要求8所述的方法，还包括通过提供与规划的种子位置和所述输送装置的当前位置之间的距离相关的感觉反馈而将种子输送（219）到规划位置处。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，输送（219）包括：

提供（220）模板网格，用于辅助将所述输送装置引导到规划的模板网格坐标上；以及

如果将所述输送装置插入到了不正确的网格坐标上则提供（222）警报。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述种子输送装置包括没有种子的空针，所述方法还包括将虚拟种子约束（404）到所述空针的轨迹上。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述种子放置（410）到所述空针的轨迹上。

16.根据权利要求8所述的方法，还包括通过局部针的相对移动确定（504）所述对象的器官的肿胀，所述相对移动是使用所述定位方法测得的。

17.一种处置方法，包括：

将种子放置（210）到对象体内的用以达到目标剂量规划的多个已知位置处；

使用定位方法记录（218）所述种子的位置；

基于实际的种子位置，计算（212）用以提供根据所述目标剂量规划的剂量的虚拟种子位置；以及

使用所述定位方法，利用种子输送装置将种子沉积（216）到所述虚拟种子位置处或接近所述虚拟种子位置。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括提供（219）与规划的种子位置和所述输送装置的当前位置之间的距离相关的感觉反馈。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，提供（219）包括：

提供（220）模板网格，其用于辅助将所述输送装置引导到规划的模板网格坐标；以及

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述输送装置包括没有种子的空针，所述方法还包括沿所述空针的轨迹约束（404）种子放置。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括通过局部针的相对移动确定（504）对象的器官的肿胀，所述相对移动是使用所述定位方法测得的。