CN105828875B - 利用生物机械模型估计器官的位置 - Google Patents

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Abstract

提出了例如在治疗递送期间以及(如果必要的话)在成像时测量患者(胸腔区域和腹部区域)的表面的方法100和装置200。与生物机械因素一起，从所测量的患者表面推断所述患者的诸如器官以及任选地为器官中的肿瘤的内部结构的位置。在所述患者呼吸并且因此所述器官和/或所述肿瘤移动的情况下，可以确定所述位置，这在例如辐射治疗期间可以是有利的，这是因为其使得能够在所述肿瘤处于根据辐射治疗计划的正确位置处时，开启所述辐射。在特定实施例中，采用有限元模型。

Description

利用生物机械模型估计器官的位置
技术领域
本发明涉及确定患者中的器官的位置的领域，更具体地，本发明涉及用于确定因呼吸而能够移动和/或改变形状的器官的方法、装置以及计算机程序。
背景技术
对患者内的器官的位置的确定可能与各种原因相关，例如，用于使得能够对辐射进行靶向递送，以处置诸如器官内的肿瘤或病灶的病理解剖结构。这可能尤其与因呼吸而能够移动和/或改变形状的器官相关。
在参考文献US 2009/0175406 A1中，描述了一种用于跟踪患者身体内的病理解剖结构的方法和装置。可以使用从皮肤表面反射的光来采集患者身体的皮肤表面的数据模型。所述数据模型能够与根据诸如四维(4D)CT数据的4D诊断成像数据重建和/或内插的皮肤表面相匹配，以确定患者的呼吸运动的时间相位。所识别的时间相位然后可以与诊断成像数据联合使用以识别在患者身体内的病理解剖结构的定位。
A.Hostettler等人在“Real Time Simulation of Organ Motions Induced byBreathing:First Evaluation on Patient Data”(Field Programmable Logic andApplication，2006年6月10日，Springer Berlin Heidelberg，柏林，第4072卷，第9-18页)中公开了一种根据术前CT图像来实时预测由呼吸诱发的患者内部器官运动的方法。该方法仅仅需要对术前图像中的骨骼、内脏和肺进行分割并跟踪患者的皮肤运动。Hostettler等人在“A real-time predictive simulation of abdominal viscera positions duringquite free breathing”(Progress in Biophysics and Molecular Biology，PergamonPress，牛津大学，英国，第103卷，第2–3号，2010年12月1日，第169–184页)以及AlexandreHostettler等人在“Bulk modulus and volume variation measurement of the liverand the kidneys in vivo using abdominal kinetics during free breathing”(computer methods and programs in Biomedicine，第100卷，第2号，2010年11月1日，第149–157页)中公开了与该已知方法相似的方法。在所有这些方法中，采集腹-胸区的术前图像。
发明内容
提供一种用于估计指示因呼吸而能够移动和/或改变形状的器官的至少部分的位置和形状的器官坐标的方法将是有利的，所述方法能够更快速、更廉价、更精确地被执行，和/或所述方法对于患者来说更为方便。
在第一方面中，本发明提供了一种用于估计的方法，所述估计例如为在第二时间点处估计器官坐标，所述器官坐标例如为指示因相关联患者中的呼吸而能够移动和/或改变形状的器官的至少部分的位置和/或形状的坐标，所述方法包括：
获得所述相关联患者的生物机械模型，所述生物机械模型基于指示在第一时间点处所述相关联患者的仅胸腔的内部结构以及所述胸腔的表面的至少部分的表面坐标和/或所述腹腔的表面的至少部分的表面坐标的三维数据，
或者指示在第二时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标以便使得能够估计外部腹部体积：
所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分，以及
所述相关联患者的腹腔的表面的至少部分。
通过以下操作获得器官坐标，例如获得在第二时间点处的器官坐标，例如获得对应于第二时间点的器官坐标：
将所述表面坐标输入在所述生物机械模型中，并且
根据所述生物机械模型输出所述器官坐标，
其中，所述生物机械模型将对以下建模为基本上不可压缩的，例如建模为不可压缩的：
内部腹部体积的至少部分，例如内部腹部体积的显著部分，例如内部腹部体积中对应于腹部组织的部分，例如内部腹部体积，以及
所述患者的胸壁的组织。
应当指出，所述方法的步骤可以不必依次执行。然而，在特定实施例中，所述方法的步骤是如所列举的按次序执行的。
“器官的至少部分的器官坐标”可以被理解为这样的坐标：所述坐标可以使得能够确定器官相对于患者的表面和/或固定坐标系(例如，实验室坐标系)的位置，和/或所述坐标进一步提供关于器官的形状的信息，例如使得能够确定器官内的结构的位置的信息。因此，所述器官坐标可以被理解为指示器官的至少部分的位置和形状的器官坐标。
“器官”可以被理解为本领域周知的器官，其可以例如是肺、肝脏或脊柱。
“相关联患者”可以被理解为不是所要求保护的发明的部分的患者。应当理解，“患者”和“相关联患者”在整个说明书中是可替换地使用的。
“生物机械模型”可以被理解为一个或多个数学方程，其将在系统/患者中的一个点处的位移与在所述系统/所述患者中的另一点处的位置进行相关。在特定实施例中，所述生物机械模型是有限元模型。
“所述相关联患者的生物机械模型”可以被理解为这样的生物机械模型：所述生物机械模型使得能够利用在一个点处的诸如体积或力或位移的变化的变化来估计在另一点处的变化。例如，如果从测量结果获知外部腹部体积已经增大或减小，例如相对于某个参考状态增大或减小，则其能够至少利用该信息来估计器官坐标。可以被理解为，“所述相关联患者的生物机械模型”包括所述相关联患者的相关结构，例如涉及以下内容的信息以便使得能够估计外部腹部体积：
指示在第一时间点处所述相关联患者的胸腔的内部结构的三维数据，以及
指示在第一时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标：
所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分，以及
所述相关联患者的腹腔的表面的至少部分。
可以被理解为，在一实施例中，“所述相关联患者的生物机械模型”可以基于以下内容以便使得能够估计外部腹部体积：
指示所述相关联患者的器官(例如，在第一时间点处所述相关联患者的诸如肺、膈膜和/或肿瘤的感兴趣结构)的至少部分的位置和形状的三维数据，以及
指示在第一时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标：
所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分，以及
所述相关联患者的腹腔的表面的至少部分。
“所述相关联患者的器官的至少部分的三维数据”可以被理解为指示内部结构的三维(3D)数据，例如指示例如一个或多个器官(例如，所述患者内的器官)的内部结构的形状和/或位置的数据。可以被理解为，这些数据也可以指示对应于器官的至少部分的位置和形状的表面坐标。可以被理解为，所述三维数据指示在至少一个时间点处的内部结构，例如在一个时间点处的内部结构，例如在一个先前的时间点处的内部结构，例如在第一时间点处的内部结构。可以被理解为，所述三维数据将一个或多个内部结构的位置和/或形状，例如器官的至少部分的位置和形状，与在至少一个时间点处的表面坐标，例如在第一时间点处的表面坐标，进行链接。可以被理解为，所述三维数据也可以指示表面坐标，例如与器官的至少部分的位置相对的表面坐标，例如指示在第一时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标：
所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分，和/或
所述相关联患者的腹腔的表面的至少部分，例如使得能够估计外部腹部体积的表面坐标。
可以被理解为，所述相关联患者的空间配置，例如呼吸状况，例如呼吸循环中的点，可以是在所述至少一个时间点处的特定配置。所述3D数据在示范性实施例中可能已经通过CT扫描、超声和/或NMR成像而获得，和/或经由表面确定单元而获得，所述表面确定单元用于获得指示所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分和/或所述相关联患者的腹腔的表面的至少部分位置和形状的表面坐标，例如使得能够估计外部腹部体积。
“第一时间点”可以被理解为这样的时间点：其可以是过去的时间点，例如在第一时间点处获得的数据或者表示在所述第一时间点处的相关联患者的数据可能在先前已经获得。也可以被理解为第一时间点可以对应于某个呼吸状况，例如对应于呼吸循环中的某个点，并且对应于第一时间点的数据可以针对跨第一时间段的多个第一时间点而被搜集，例如针对门控成像将是这种情况。
“第二时间点”可以被理解为这样的时间点：其可以是过去的或是当前的，例如所述数据在先前已经被获得或者可以在当前被获得。可以被理解为，第一时间点和第二时间点可以是不同的时间点，例如在第一时间点之后的有限时间发生第二时间点。此外，可以被理解为，呼吸状况，例如肺和腹腔的配置，在第一时间点与在第二时间点相比可以是不同的。
“指示位置和形状的表面坐标”可以被理解为在三维坐标系中提供的数据，但其表示表面的位置和形状，例如患者的表面，例如患者的外表面，例如患者的皮肤表面。
“所述相关联患者的胸腔的表面”可以被理解为胸腔的外表面，例如胸腔的皮肤表面，其中，胸腔被理解为本领域公知的。
“所述相关联患者的腹腔的表面”可以被理解为腹腔的外表面，例如腹腔的皮肤表面，其中，腹腔被理解为本领域公知的。
“外部腹部体积”可以被理解为从外部测量的腹腔的体积，例如腹腔或腹部区域的外部体积，例如由皮肤表面朝向身体的外部界定的腹腔的体积。在特定实施例中，外部腹部体积可以被描述为由腹腔的皮肤的表面围起的体积。可以被理解为，该体积不必涵盖腹腔的所有内部结构。可以被理解为，不必要求测量外部腹部体积的绝对值，这是因为其可能足以获知仅相对于某个参考状态的变化。
在特定实施例中，“外部腹部值”被理解为要在相对于某个参考状态的变化中进行测量的。其可能的优点在于，其使得计算更简单和/或其不必确切定义腹腔的边界在何处。
“以便使得能够估计外部腹部体积”可以被理解为腹腔的表面数据可以使得能够估计外部腹部体积。
“从所述生物机械模型输出器官坐标”可以被理解为生物机械模型输出器官坐标，例如使得外部设备能够进行访问或接收，例如访问或接收器官坐标。可以被理解为，从生物机械模型输出的器官坐标可以指示在第二时间点处的器官坐标。这可以是因被输入到生物机械模型的表面坐标对应于第二时间点的事实而引起的。
“内部腹部体积”可以被理解为对应于腹腔的空气、液体和组织的体积。正因如此，“内部腹部体积”可以被视为”腹腔的真实体积”。应当指出，本发明人的深刻见解可以被视为：“内部腹部体积”可以被建模为基本上不可压缩的，例如不可压缩的。尽管可能存在气相，这样的相的体积和任何压力差异足够小，使得腹腔组织仍表现——并且可以被建模——为基本上不可压缩的，例如不可压缩的。在一实施例中，内部腹部体积的至少部分被建模为不可压缩的，例如包括例如根据3D CT图像估计腹腔中诸如空气的气体的量并且考虑气体的可压缩性的实施例，例如将气体建模为可压缩的并且将腹腔的诸如腹腔组织的其余部分建模为不可压缩的。在一实施例中，“内部腹部体积”的显著部分可以被建模为不可压缩的，例如“内部腹部体积”被建模为不可压缩的。可以被理解为，不必要求测量内部腹部体积的绝对值，这是因为其可以足以获知仅相对于某个参考状态的变化。
在特定实施例中，“内部腹部值”被理解为是要在相对于某个参考状态的变化中进行测量的。其可能的优点在于，其使得计算更为简单和/或其不必确切定义腹腔的边界在何处。
“生物机械模型将所述患者的内部腹部体积和胸壁的组织建模为基本上不可压缩的”可以被理解为，内部腹部体积和胸壁中的每个可以在生物机械模型被表示为基本上不可压缩的材料，例如不可压缩的材料。
“不可压缩”可以被理解为体积不改变，即使可能被施加外力。应当理解，本发明针对从完全不可压缩的小的偏离来说仍可呈现技术效果，并且，从完全不可压缩的这样的小的偏离仍在权利要求的范围内，例如所述权利要求也覆盖”基本上不可压缩”，例如所述权利要求也覆盖以下实施例：体积变化在10％内，例如在9％内，例如在8％内，例如在7％内，例如在6％内，例如在5％内，例如在4％内，例如在2％内，例如在1％内，例如在0.5％内，例如在0.25％内，例如在0.1％内。在特定实施例中，所述患者的内部腹部体积和胸壁的组织中的每个被建模为不可压缩的，例如完全不可压缩的。
“基本上不可压缩”可以被理解为体积基本上不变，即使可能被施加外力。可以被理解为，从“不可压缩”的微小偏离在权利要求的范围内。在一实施例中，内部腹部体积和胸壁中的任何一个或两个可以在生物机械模型中被表示为基本上不可压缩的，使得所估计的器官坐标相对于它们在生物机械模型中被表示为完全不可压缩的情形不会显著变化。
应当理解，所述方法不要求与患者身体的物理接触和/或医务人员的参与。
本发明尤其地，但并非排他性地，有利于获得和估计指示因在相关联患者中的呼吸而能够移动和/或改变形状的器官的至少部分的位置和形状的器官坐标，其例如可以在辐射治疗期间是有益的。
本发明的可能优点可以在于，其使得能够重复地确定正在呼吸的患者的器官坐标。
本发明的可能优点可以在于，其无需对呼吸循环的特性做出假设。其第一可能优点可以在于，患者可以被允许自由呼吸。其第二可能优点可以在于，所述方法可以更为精确，这是因为其因从假设的呼吸循环的偏离而引入误差。该优点可以通过获得在任何给定时间处的三维数据来实现，例如第一时间点是任何时间，例如是过去的任何时间，针对任何给定呼吸状态，并且随后在第二时间点处获得表面坐标，所述表面坐标可以——经由生物机械模型——被用于计算在第二时间点处的配置，例如在任何其他给定时间(对应于获得表面坐标的时间)处的器官的形状、位置。这使得能够省掉对超过一次获得3D数据的需要，并且尤其省掉了在诸如第二时间点的时间点处获得3D数据的需要，其中，需要器官坐标。
该优点可以被视为基于这样的深刻见解：相关联患者可能不被局限于以可预测的模式进行呼吸，即，即使针对表面上完整的呼吸循环获得众多3D数据，患者稍后可以以另一方式进行呼吸，因此，如果呼吸的该变化未被考虑在内，则引入误差。本发明因此可以被视为不必依赖关于呼吸模式的假设。
另一可能优点可以在于，所述方法不必需要超过单个的指示所述相关联患者的器官的至少部分的位置和形状的三维数据集，即，不必提供对应于在呼吸期间的不同时间点的多个这样的3D数据集(例如，所谓的4D数据)。本发明的优点可以在于，所述方法可以是更简单、更快速、更便宜和/或可以使患者暴露于更少的辐射。
另一可能优点可以在于，所述方法不必需要超过单个的指示所述相关联患者的器官的至少部分的位置和形状的三维数据集，以及该3D数据集可以在确定器官坐标之前被获得。换言之，一旦获得了3D扫描，之后就可以重复获得器官坐标，其例如在辐射治疗期间可以是有益的。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述生物机械模型采用以下约束：
内部腹部体积，例如内部腹部体积的显著部分，例如内部腹部体积中对应于腹部组织的部分，例如内部腹部体积，以及
指示所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分的位置和形状的表面坐标。
“约束”可以被理解为固定值，根据所述固定值，生物机械模型可以计算其他值。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述生物机械模型仅仅基于单个的指示所述相关联患者的器官的至少部分的位置和形状的三维数据集。可以被视为可能的优点是，所述生物机械模型仅仅基于单个的所述三维数据集，这是因为其可以使得方法能够更简单、更快速、更便宜和/或可以使患者暴露于更少的辐射。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，在获得器官坐标的步骤中，仅表面坐标被输入到生物机械模型。可以被视为可能的优点是，在获得器官坐标的步骤中，仅所述表面坐标被输入到生物机械模型，这是因为其可以使得方法能够更简单、更快速、更便宜和/或可以使患者暴露于更少的辐射。
在另一实施例中，提供了一种方法，所述器官是肺。在另一实施例中，所述器官可以是也可能经受呼吸运动的任何器官，例如从包括肝和脊柱的器官的组中选取的任何一个器官。
在另一实施例中，提供了一种方法，所述方法还包括确定指示所述器官中的肿瘤的位置的肿瘤坐标，其中，所述确定基于所述器官坐标。其优点可以在于，其使得能够提供肿瘤坐标，这继而可以与若干目的相关，包括辐射治疗。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述方法还包括重复确定指示所述器官中的肿瘤的位置的肿瘤坐标，其中，所述确定基于所述器官坐标。其优点可以在于，其使得能够重复地提供肿瘤坐标，这继而可以与若干目的相关，包括辐射治疗。可以被理解为，该实施例可以通过重复以下步骤来实现：获得表面坐标，获得器官坐标，并且确定指示器官中的肿瘤的位置的肿瘤坐标，其中，所述确定基于器官坐标。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述生物机械模型包括表示胸部、器官和腹腔的数据结构。所述数据结构在示范性实施例中可以是以下中的任一种：NURBS表面、细分表面、多边形网格。其优点可以在于，其提供了一种方法，所述方法便于确定器官中诸如肿瘤的内部结构的位置。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述生物机械模型包括表示胸部、器官和腹腔的患者特异性网格。“患者特异性网格”可以被理解为多边形网格，例如在多边形建模中可应用于对胸部、器官和腹腔进行建模的网格。
该实施例可以涉及仅位移的方法以估计器官的运动，例如根据代表位移信号来估计诸如膈膜/肺/肿瘤的器官的运动，例如估计腹腔、脐部等的运动。该实施例的可能优点在于，如果由呼吸引起的肿瘤运动能够被准确地估计，则在外部射束辐射治疗期间，能够增加对肿瘤的剂量，而不增加对健康组织的剂量。用于估计膈膜/肺运动的当前模型可以取决于难以测量的力或压力值。能够在目前实施例模型中使用预定义值；然而，这降低了输出的准确度。
在特定实施例中，采用基于有限元的模型，所述模型仅仅依赖于位移，并且因此，避免了对力值和压力值的需要。所述模型可以根据多个患者数据中的患者数据集来学习膈膜的运动模式并将其应用于新的患者。
在特定实施例中，采用基于有限元(FE)的模型来估计器官的运动，例如估计肺的运动。基于FE的模型求解以下方程：
Ku＝f， (1)
其中，u是肺组织的节点位移，f是被应用到所述组织的节点外力，并且K是使用组织机械属性计算的刚度矩阵。为了计算u，K和f应当是已知的。然而，所测量的表面坐标(其在说明书中的任何位置都可以被可替换地称为“代表信号”)始终是位移(例如，对胸部或腹腔的位移)。因此，不能够直接测量在(1)中要求的节点力。在先前的工作中，使用预定义的压力值来填充力矢量f，其并非患者特异性的。预定义的压力值不能够提供高的准确度，这是因为其不能够考虑患者间的变异性。
在一实施例中，提供了基于模型的仅位移FE模型以根据位移代表信号模拟器官，例如肺运动，以及任选地肿瘤运动，所述位移代表信号例如为腹腔的运动/体积、胸部的运动。该方法的优点在于，其避免了用于将难以测量的力值和压力值并入到该方程中的需要。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述方法还包括以下中的任一项：
输出肿瘤坐标，以便使得相关联设备能够接收所述肿瘤坐标。
输出指示所述肿瘤坐标是否在预定体积内的信号。
“相关联设备”可以被理解为能够执行与人类身体的交互的设备，例如，手术机器人或致动器。在一实施例中，所述相关设备可以是辐射源，例如，适合于提供辐射治疗的源。可以被理解为，所述相关联设备也可以是适合于控制能够执行与人类身体的交互的设备的设备，例如，控制辐射源的设备。
“预定体积”可以被理解为先前已经确定的体积，所述体积例如可以对应于相对于诸如辐射源的外部设备固定的体积。在特定实施例中，所述预定体积对应于由辐射源瞄准的体积。
输出肿瘤坐标以便使得相关联设备能够接收肿瘤坐标的可能优点可以在于，诸如辐射源的外部设备然后可以例如通过调节靶体积或者通过相应地开启和关闭辐射来相应地进行操作。输出指示肿瘤坐标是否在预定体积内，例如是否在辐射源的靶体积内的信号的可能优点可以在于，其使得能够相应地开启和关闭辐射。
在第二方面中，本发明提供了一种用于估计指示因相关联患者中的呼吸而能够移动的器官的至少部分的位置和/或形状的坐标的装置，所述装置包括：
计算机可读介质，其适合于包括所述相关联患者的生物机械模型，所述生物机械模型基于指示在第一时间点处所述相关联患者的仅胸腔的内部结构以及所述胸腔的表面的至少部分的表面坐标和/或所述腹腔的表面的至少部分的表面坐标的三维数据，
表面确定单元，其用于获得指示在第二时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标以便使得能够估计外部腹部体积：
所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分，以及
所述相关联患者(330)的腹腔的表面的至少部分。
处理器，其被操作性地连接到所述计算机可读介质和所述表面确定单元，以获得指示在所述第二时间点处所述相关联患者的所述表面的位置和形状的表面坐标，所述处理器被布置用于通过以下操作来获得所述器官坐标：
接收所述表面坐标，
将所述表面坐标输入在所述生物机械模型中，并且
从所述生物机械模型输出所述器官坐标，
其中，所述生物机械模型将以下项目建模为基本上不可压缩的：
内部腹部体积的至少部分，例如内部腹部体积的显著部分，例如内部腹部体积中对应于腹部组织的部分，例如内部腹部体积，以及
胸壁的组织。
“用于获得表面坐标的表面确定单元”可以被理解为能够提供关于患者的身体的表面的至少部分的位置和形状的信息的设备。
在另一实施例中，提供了一种装置，其中，用于获得指示所述相关联患者的所述表面的位置和形状的表面坐标的所述表面确定单元包括以下中的任一项：
表面扫描器，
光纤形状感测(OSS)衣物，和/或
使得能够进行摄影测量的多个相机。
“表面扫描器”可以被理解为扫描(例如机械扫描或光学扫描)表面使得能够提供关于表面的位置和形状的信息的设备。所述表面扫描器可以是光学表面扫描器，例如，激光范围扫描器。在一实施例中，通过将扫描器附接到可移动结构或者使用超过一个的扫描器中的任一项操作，可以克服可能的视线问题。
“光纤形状感测(OSS)衣物”可以被理解为用于进行光学形状感测的纤维的集合，其可以被定位在患者的表面上，并提供关于患者的身体的表面的至少部分的位置和形状的信息。OSS衣物的范例可以在Allsop等人的参考文献“Respiratory function monitoringusing a real-time three-dimensional fiber-optic shaping sensing scheme basedupon fiber Bragg gratings”(J Biomed Opt.，2012年11月；第17卷，第11号)中找到，在此通过引用将其全文并入本文。OSS衣物的可能优点可以在于，不存在视线问题。
在另一实施例中，提供一种装置，所述装置还包括用于外部射束治疗的辐射的源，所述源被操作性地连接到处理器。
“用于外部射束治疗的辐射的源”可以被理解为能够提供用于外部射束治疗的辐射的任何源。所述辐射可以是X射线和电子射束，但也可以涉及其他类型的辐射，例如采用更重的粒子射束的辐射，尤其是质子源。在特定应用中，所述源是线性加速器(LINAC)。
在另一实施例中，提供了一种装置，其中，用于外部射束治疗的辐射的源被布置用于根据肿瘤的位置起作用。“根据肿瘤的位置起作用”可以被理解为辐射的源的靶区，和/或所发出的辐射的功率可以根据所述肿瘤的位置而变化。这对于确保肿瘤——而不是周围健康组织——接收辐射可以是有利的。
在另一实施例中，提供了一种装置，其中，所述计算机可读介质包括所述相关联患者的生物机械模型。
在第三方面中，本发明提供了一种使得处理器能够执行根据第一方面的方法的计算机程序。
应当认识到，第一方面的相同优点和实施例也适用于第二方面。总体上，以在本发明的范围内的任何可能的方式来组合和耦合第一方面和第二方面。根据下文描述的实施例并且参考这些实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得明显并且得到阐明。
附图说明
将仅通过范例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是图示根据本发明的实施例的方法的流程图，
图2图示了根据本发明的实施例的装置，
图3是图示根据本发明的实施例的示意图，
图4-5示出了在呼吸期间的膈膜运动，
图6是示出膈膜位置相对腹部体积的图形，
图7是图示根据本发明的实施例的方法的流程图，
图8-9图示了肺有限元网格以及所应用的位移界限条件的范例。
具体实施方式
图1是图示根据本发明的实施例的用于估计器官坐标的方法(100)的流程图，所述器官坐标例如为指示因相关联患者中的呼吸而能够移动和/或改变形状的器官的至少部分的位置和形状的坐标，所述方法包括：
获得s102所述相关联患者的生物机械模型，所述生物机械模型基于指示在第一时间点处所述相关联患者的胸腔的仅内部结构的三维数据，
获得s104指示在第二时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标以便使得能够估计外部腹部体积：
所述相关联患者的胸腔的表面的至少部分，以及
所述相关联患者的腹腔的表面的至少部分，
通过以下操作来获得s106所述器官坐标：
将所述表面坐标输入在所述生物机械模型中，并且
从所述生物机械模型输出器官坐标，
其中，所述生物机械模型将以下项目建模为基本上不可压缩的：
内部腹部体积，以及
所述患者的胸壁的组织，
其中，所述方法还包括确定s108指示所述器官中的肿瘤的位置的肿瘤坐标，其中，所述确定基于所述器官坐标。
其中，所述方法还包括：
输出s110所述肿瘤坐标，以便使得相关联设备能够接收所述肿瘤坐标。
图2图示了根据本发明的实施例的用于估计器官坐标的装置(220)，所述坐标例如为因相关联患者(330)中的呼吸而能够移动的器官的至少部分的位置和形状的坐标，所述装置包括：
计算机可读介质(222)，其适合于包括所述相关联患者的生物机械模型(352)，所述生物机械模型基于指示在第一时间点处所述相关联患者的胸腔的仅内部结构的三维数据，
表面确定单元(224)，其用于获得指示在第二时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标：
所述相关联患者的胸腔(356)的表面的至少部分，以及
所述相关联患者的腹腔(354)的表面的至少部分，
处理器(226)，其被操作性地连接到所述计算机可读介质和所述表面确定单元(224)，以获得指示在所述第二时间点处所述相关联患者的所述表面的位置和形状的表面坐标，所述处理器被布置用于通过以下操作来获得所述器官坐标：
接收所述表面坐标，
将所述表面坐标输入在所述生物机械模型中，并且
从所述生物机械模型输出所述器官坐标，
其中，所述生物机械模型将以下项目建模为不可压缩的：
腹部体积，以及
胸壁的组织。
图3图示了本发明的一实施例的示意图，其中，器官是肺，该图示出了相关联患者330，所述相关联患者330可以在第一成像阶段332(其可以对应于第一时间点)中由表面确定单元224进行成像，以获得对应于在第一成像阶段期间的肺和腹腔的配置的表面坐标336，例如指示所述相关联患者的胸腔340的表面的至少部分的位置和形状以及所述相关联患者的腹腔338的表面的至少部分的位置和形状的表面坐标。所述患者此外可以在第一成像阶段332中由成像单元325进行成像，以获得指示内部结构的位置的3D数据342，所述成像单元可以是CT扫描器或NMR扫描器。3D数据342可以由图像分割单元344来接收，所述3D数据342可以提供关于在第一成像阶段期间的肺表面346、膈膜表面348和腹腔表面350的信息。所述三维数据可以被输入到生物机械模型，例如胸腔和腹腔的生物机械模型352。可以被理解为，所述三维数据可以包括来自图像分割单元344的表面坐标336和数据。
所述患者可以在第二成像阶段334(其可以对应于第二时间点)中由表面确定单元224进行成像，以获得对应于在第二成像阶段期间的肺和腹腔的配置的表面坐标，例如指示所述相关联患者的胸腔356的表面的至少部分的位置和形状以及所述相关联患者的腹腔354的表面的至少部分的位置和形状的表面坐标。在第二成像阶段334中获得的表面坐标可以被输入到生物机械模型352。
尽管在第一成像阶段和第二成像阶段中的肺和腹腔的配置不必是相同的，例如是不同的，例如对应于呼吸循环中的不同时间位置，所述生物机械模型352可以提供在第二成像阶段334中对应于肺表面的数据358以及对应于膈膜表面的数据360。
在第二成像阶段334中对应于肺表面的数据358和对应于膈膜表面的数据360可以被输入到肺和肿瘤的生物机械模型362，其继而可以在第二成像阶段中输出肿瘤位置364。
在特定实施例中，所述第二成像阶段包括辐射治疗。在该实施例中，3D数据342也可以被输入到辐射治疗规划工作站366，所述辐射治疗规划工作站366可以输出辐射治疗计划368。肿瘤位置364以及辐射治疗计划368可以被发送到在线控制计算机370，以控制辐射源374，例如线性加速器。在线控制计算机370然后可以根据所述辐射治疗计划368和肿瘤位置364来相应地控制所述辐射源，例如控制所述辐射源是否应当被“开启”或“关闭”372。
在下文中，描述了数据流和工作流、示范性特定实施例，其中，第二成像阶段包括用于肺癌辐射治疗的辐射治疗(参见图3)。
在治疗之前(参见第一成像阶段)：
1.在屏住呼吸期间扫描患者的胸腔并且创建3D CT。覆盖感兴趣结构，例如覆盖所有感兴趣结构；所述感兴趣结构例如为肺、膈膜和肿瘤。
2.针对膈膜位置的生物机械计算，可以利用腹腔的形状的知识。归因于与CT成像相关联的X射线剂量，通常不益于对腹腔连同胸腔一起进行成像。因此，表面扫描器在3D CT成像期间测量患者的表面。基于3D CT扫描完成处置规划。在备选实施例中，可以有利的是，如果在CT成像期间没有表面扫描器可用，则使用CT成像对腹腔连同胸部一起进行成像。
3.对肺、膈膜、肿瘤、皮肤以及其他相关结构的分割在处置规划之后是可用的。
4.基于该3D CT扫描对外部射束辐射治疗进行规划。
在治疗期间(参见第二成像阶段)：
5.针对辐射治疗，患者被定位在辐射治疗室中并且LINAC根据处置计划被对齐。
6.表面扫描器测量患者的表面(胸腔和腹部区域)。
7.基于表面测量(胸腔和腹腔)和分割结果(肺和膈膜)，考虑生物机械因素来计算胸壁的形状，即，计算肺的外表面的形状。
8.基于肺的外部形状，例如借助生物机械模型来估计肿瘤的位置。
9.当肿瘤处于规划的位置处(并且患者位置和形状足够接近所述规划)时，触发辐射递送并且开启射束。
图4-5示出了在呼吸期间的膈膜运动。本发明人的基本深刻见解可以被视为：内部腹部体积，包括腹部组织，以及胸壁的组织，是几乎不可压缩的。因此，腹部体积的任何变化与膈膜位置的对应变化相关，胸部的外表面的任何变化与肺表面的对应变化相关。
图4示出了膈膜运动(由左侧箭头指示)是与从外部测量的外部腹部体积(由右侧箭头指示)高度相关的。
图5示出了胸部的外部的运动(由上侧箭头指示)是与内部运动，即肺表面运动(由下侧箭头指示)高度相关的。
图6是示出了针对来自研究的志愿者中的一位的膈膜位置和腹部体积的相关性的图表。更为具体地，该图表示出了在头-足方向的膈膜位置相对外部腹部体积。水平轴以立方毫米为单位示出了外部腹部体积(EVA)。垂直轴以毫米为单位示出了膈膜位置(DP)。数据标记表示相悖的呼吸(676)、腹部呼吸(677)、胸部呼吸(678)以及正常呼吸(679)。原理上，包括在腹部中的气体，例如包括在胃或肠中的气体，是可压缩的。然而，一方面，腹部气体体积相对于腹腔组织是相对小的；另一方面，在呼吸期间的压力变化在腹腔中是小的。因此，腹部气体的体积变化也能够被忽略。实时4D MRI数据已经在汉堡的飞利浦研究中心(针对完整体积的测量时间为～0.8秒)的志愿者研究期间被采集。已经检测到了外部腹部体积与膈膜位置的高相关性。重要的是指出了该相关性独立于呼吸模式或呼吸的深度。已经观察到，针对具有深且平的幅度的正常、胸部、腹部以及相悖呼吸模式(参见图6，针对来自上文提及的志愿者研究的范例)。
膈膜：
基于生物机械因素，能够从对完整腹部体积的测量结果令人惊奇地良好预测膈膜位置。这已经借助志愿者研究被示出，其中，胸腔和腹腔的4D实时MRI被用于评估呼吸运动。志愿者被要求以平且深的幅度以4种不同的呼吸模式进行呼吸：正常、腹部、胸部以及相悖呼吸。后者为利用不自然移动的瑜伽训练。取决于志愿者的高度，每0.7-0.8秒记录3D体积。针对所有志愿者、所有幅度以及所有呼吸模式，在腹部体积与膈膜位置之间的以生物机械方式驱使的相关性是变化的。
胸腔：
在诸如在本文中其他地方描述的用于获得表面坐标的表面确定单元的设备的帮助下，能够测量胸部的皮肤表面的形状。在第一阶近似中，从肺表面到皮肤测量的胸腔的厚度是恒定的。因此，能够从胸腔的内部结构的3D图像连同患者的胸腔的外部形状的测量结果来估计肺表面。
与生物机械因素一起，从所测量的患者表面推断患者的器官内部的肿瘤的位置。这例如在治疗递送期间可以是相关的，其中，所述患者呼吸并且因此肿瘤移动。一旦肿瘤处于根据治疗计划的正确位置处，则开启辐射。
肺表面估计：
诸如肺的器官的表面是基于诸如表面扫描器的测量结果的表面坐标来估计的。估计肺表面的第一阶近似是，假设胸壁的厚度在呼吸期间不改变。因此，肺表面到外部身体表面的距离在胸部区中是恒定的。也能够使用更为复杂的生物机械模型。为了估计肺、膈膜的下界限，可以执行更为复杂的计算。可能在CT图像和MRI图像中不能够直接看到隔膜。隔膜包括肌肉部分和韧带部分。膈膜的肌肉(弹性)部分被固定到解剖结构，其能够从CT图像和MRI图像中进行分割(肋骨、椎骨和心包膜)。能够在形成在肺与腹部腔体之间的边界的肺的底部找到韧带(非弹性)部分。对较低的长表面的估计的第一阶近似因此将考虑在呼吸期间的膈膜的弹性部分，并且将基于表面坐标来计算其形状，例如所测量的外部形状以及所估计的外部腹部体积。
肿瘤位置估计：
一旦基于患者的身体的外部形状的测量结果估计了诸如肺的器官的表面，就获知针对包括肿瘤的肺的生物机械模型的界限条件。在第一阶近似中，所述肺组织能够被建模为海绵组织，在所述海绵组织中嵌入不可压缩的(或者甚至刚性的)肿瘤。FEM方法能够被用于基于该模型来预测肿瘤位置。
在另一实施例中，提供了一种方法，其中，所述生物机械模型包括胸部、器官和腹腔的患者特异性网格。在特定实施例中，提供了：
1.胸部、肺和腹腔的患者特异性网格。该网格能够从例行采集的术前CT扫描得到。
2.诸如位移代表信号的表面坐标(以下的组合)：
a.胸部的运动
b.脐部的运动
c.在腹腔上的若干皮肤标记的运动
d.腹腔的体积
这些参数能够使用诸如光学跟踪器或电磁跟踪器的光学形状感测或其他跟踪方法来测量。
3.基于模型的方法，以根据代表信号来计算膈膜的运动。
4.基于FE的算法，以根据膈膜运动来计算肺的运动。
所述模型可以被分为两部分：
-第一部分根据在腹部区域中测量的代表信号来计算膈膜的运动。
-第二部分根据在部分1中的计算的膈膜运动以及胸部运动代表信号来计算肺运动。
为了根据所述代表信号计算膈膜运动，可以采用学习方法。在该方法中，根据临床数据集来学习膈膜运动模式。存在可用于学习膈膜运动模式的若干方法。在一个实施例中，能够使用主成分分析。在该方法中，一组患者的膈膜运动被转换成其主成分。具有最高对应信号值的数个成分能够被选择作为膈膜运动模式的代表。其他实施例能够包括拟合方法或神经网络。然后，以以下方式求解患者特异性模型：所计算的膈膜运动具有与所学习的模式相似的模式。
在一个实施例中，能够使用基于FE的模型来根据代表信号计算膈膜运动。在这种情况下，位移矢量u被局限于具有与所学习的位移矢量(主成分的加权和)具有相同的模式。此外，来自代表信号的已知位移能够以方程(1)中的未知的力来替换，使得方程被充分约束以被求解。应当指出，对f的大多数输入是零，这是因为不存在外力。在这种情况下，能够计算膈膜运动，而无需测量力或压力或者使用不准确的预定义值。
所述算法的第二部分使用来自第一部分的计算的膈膜运动。我们假设肺的下部被附接到膈膜并与其一起移动。因此，在方程(1)中，位移中的一些将是已知的，其能够替换对应的未知力。如果测量的话，关于胸壁运动同样如此。因此，能够计算肺运动，而不并入力值或压力值。
图8-9图示了肺有限元网格和所应用的位移界限条件的范例。更为具体地，图8-9示出了肺有限元网格和所应用的位移界限条件的两个范例。
图8示出了顶部节点890，其被固定到胸部骨骼，底部节点891与膈膜一起移动，并且侧面节点是自由的。
图9示出了顶部节点990，并且侧面节点被固定到胸部骨骼，底部节点991与膈膜一起移动，并且侧面节点是自由的。
图7是图示根据本发明的实施例的方法的流程图，其中器官是肺，其中，
采集780三维数据，例如利用CT扫描(类似于由成像单元325成像的患者，用于获得指示内部结构的位置的3D数据342，所述成像单元可以是图3中的CT-扫描器或NMR扫描器)来采集三维数据，
所述三维数据被分割781成肺、胸部和腹腔(类似于由图像分割单元344接收的3D数据342，其可以提供在图3中的第一成像阶段期间关于肺表面346、膈膜表面348和腹腔表面350的信息)，
生成782患者特异性网格，
生成腹腔的有限元模型783，
采用学习约束、腹腔的有限元模型783和表面坐标785来计算786膈膜运动，
生成胸部和肺的有限元模型787，
采用指示胸部和肺的有限元模型787、所述相关联患者的胸腔(356)的表面的至少部分的位置和形状的表面坐标788以及膈膜运动786来计算肺运动。
除了CT数据集以外或者作为CT数据集的备选，可以使用其他成像数据集，例如，MRI、超声、X射线、PET-SPECT、流等。在治疗期间，也能够识别呼吸模式和循环。
为了从群体的一般性数据集取得患者特异性模型，能够提取特异性特征。相同的一个范例将是膈膜的形状，其中，具有平膈膜的人能够更好地匹配数据库中具有相似形状的那些。另一范例是膈膜的尺寸，其也可以与患者的尺寸和重量进行关联。
为了准确地预测肺运动和肿瘤运动，可以计算在如脐部或胸骨的某些点处的运动，并将其变换为腹部体积。为了考虑呼吸模式中的各种变化，每种模式都能够被归类到多维相空间中。
本领域技术人员应当理解，任何患者或志愿者数据库可以包括被归一化的数据集，以便考虑试验之间的变异性。
综上，本发明提供了例如在治疗递送期间和(任选地，如果必要的话)在成像时测量患者(胸腔区域和腹部区域)的表面的方法和装置。与生物机械因素一起，从所测量的患者表面推断所述患者的诸如器官以及任选地为器官中的肿瘤的内部结构的位置。在所述患者呼吸并且因此所述器官和/或所述肿瘤移动的情况下，可以确定所述位置，这在例如辐射治疗期间可以是有利的，这是因为其使得能够在所述肿瘤处于根据辐射治疗计划的正确位置处时，开启所述辐射。在特定实施例中，采样有限元模型。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于估计器官的至少部分的器官坐标的方法(100)，所述器官因相关联患者(330)中的呼吸而能够移动和/或改变形状，所述方法包括：
获得(s102)所述相关联患者的生物机械模型(352)，所述生物机械模型基于指示在第一时间点处所述相关联患者的仅胸腔(356)的内部结构以及所述胸腔的表面的至少部分的表面坐标和/或腹腔的表面的至少部分的表面坐标的三维数据，
获得(s104)指示在第二时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标以便使得能够估计外部腹部体积：
所述相关联患者的所述胸腔(356)的表面的至少部分，以及
所述相关联患者(330)的所述腹腔(354)的表面的至少部分，
通过以下操作来获得(s106)所述器官坐标：
将指示在第二时间点处所述相关联患者的所述胸腔的表面的至少部分以及所述相关联患者的所述腹腔的表面的至少部分的位置和形状的所述表面坐标输入在所述生物机械模型中，并且
从所述生物机械模型输出所述器官坐标，
其中，所述生物机械模型将以下项目建模为不可压缩的：
内部腹部体积的至少部分，以及
所述患者的胸壁的组织。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述生物机械模型(352)采用以下项目作为约束：
所述内部腹部体积的至少部分，以及
指示所述相关联患者(330)的所述胸腔的所述表面的至少部分的位置和形状的所述表面坐标。
3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述生物机械模型(352)基于指示由单次3D扫描获得的所述相关联患者(330)的所述胸腔(356)的仅内部结构的三维数据。
4.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，在获得在第二时间点处的器官坐标的步骤中，指示在第二时间点处所述相关联患者的所述胸腔的表面的至少部分以及所述相关联患者的所述腹腔的表面的至少部分的位置和形状的所述表面坐标充当向所述生物机械模型(352)的独有的输入。
5.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述器官为肺。
6.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，所述方法还包括确定(s108)指示所述器官中的肿瘤的位置的肿瘤坐标，其中，所述确定基于所述器官坐标。
7.根据权利要求6所述的方法(100)，其中，所述方法还包括重复地确定指示所述器官中的肿瘤的位置的肿瘤坐标，其中，所述确定基于所述器官坐标。
8.根据权利要求6所述的方法(100)，其中，所述生物机械模型(352、362)包括胸部、所述器官和所述腹腔的患者特异性网格。
9.根据权利要求6所述的方法(100)，其中，所述方法还包括以下中的任一项：
输出(s110)所述肿瘤坐标，以便使得相关联设备能够接收所述肿瘤坐标，
输出(s112)指示所述肿瘤坐标是否在预定体积内的信号。
10.一种用于估计器官的至少部分的坐标的装置(220)，所述器官因相关联患者(330)中的呼吸而能够移动，所述装置包括：
计算机可读介质(222)，其适合于包括所述相关联患者的生物机械模型(352)，所述生物机械模型基于指示在第一时间点处所述相关联患者的仅胸腔(356)的内部结构以及所述胸腔的表面的至少部分的表面坐标和/或腹腔的表面的至少部分的表面坐标的三维数据；
表面确定单元(224)，其用于获得指示在第二时间点处以下部分的位置和形状的表面坐标以便使得能够估计外部腹部体积：
所述相关联患者的所述胸腔(356)的表面的至少部分，以及
所述相关联患者(330)的所述腹腔(354)的表面的至少部分；
处理器(226)，其被操作性地连接到所述计算机可读介质和所述表面确定单元(224)，以获得指示在所述第二时间点处所述相关联患者的所述胸腔的表面和所述腹腔的表面的位置和形状的表面坐标，所述处理器被布置用于通过以下操作来获得所述器官坐标：
接收指示在第二时间点处所述相关联患者的所述胸腔的表面的至少部分以及所述相关联患者的所述腹腔的表面的至少部分的位置和形状的所述表面坐标，
将指示在第二时间点处所述相关联患者的所述胸腔的表面的至少部分以及所述相关联患者的所述腹腔的表面的至少部分的位置和形状的所述表面坐标输入在所述生物机械模型中，并且
从所述生物机械模型输出所述器官坐标，
其中，所述生物机械模型将以下项目建模为不可压缩的：
内部腹部体积的至少部分，以及
胸壁的组织。
11.根据权利要求10所述的装置(220)，其中，用于获得指示所述相关联患者(330)的所述表面的位置和形状的表面坐标的所述表面确定单元(224)包括以下中的任一项：
表面扫描器，
光纤形状感测(OSS)衣物，和/或
使得能够进行摄影测量的多个相机。
12.根据权利要求10所述的装置(220)，还包括用于外部射束治疗的辐射的源(228)，所述源被操作性地连接到所述处理器。
13.根据权利要求12所述的装置(220)，其中，所述用于外部射束治疗的辐射(374)的源被布置用于根据肿瘤的位置而起作用。
14.一种计算机可读介质，其上存储有使得处理器能够执行根据权利要求1所述的方法的计算机程序。
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