CN107645927A - 用于辅助组织消融的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

实施例公开了用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的设备、方法和系统。所述设备包括处理器，所述处理器被配置为接收所述目标区域内部的血管的血管结构信息；并且基于接收到的血管结构信息，导出所述目标区域的参数图，在所述参数图中的每个值指示所述目标区域的对应体素要在所述一个或多个消融区域内部的度量。所述参数图用于辅助确定一个或多个消融区域。

Description

用于辅助组织消融的设备和方法
技术领域
本公开的示例性实施例总体涉及医学成像，并且更具体而言，涉及使用医学成像数据来辅助组织消融。
背景技术
消融是癌症处置的一个选择。尽管癌症治疗最近有进展，但是腹部原发性和转移性肿瘤的治疗仍然是一个重大挑战。例如，肝细胞癌(HCC)是全世界最常见的恶性肿瘤之一(例如，每年>100万例)。仅在美国，153人中就有1人将发展为HCC，其中，报告的5年存活率低于15％。
对于原发性肝癌和转移性亚态，肝切除术(部分肝切除术)是目前患有受限性疾病的患者的优选方案。在早期HCC的选择病例中，也可以考虑肝移植总肝切除术。遗憾的是，少于25％的原发性或继发性肝癌患者是切除或移植的候选者，主要是由于肿瘤类型、位置或潜在的肝脏疾病。因此，越来越多的兴趣集中在针对不可切除的肝肿瘤的处置的消融方法。这种技术不是摘除，而是使用完全的局部原位肿瘤破坏。已经采用多种方法来进行局部消融组织。射频消融(RFA)是最常用的技术，但也使用其他技术，包括乙醇注射、冷冻治疗、不可逆电穿孔、以及微波消融。
RFA过程是通过将消融设备(例如针)放置在目标区域(要被消融的区域)(例如，肝实质中的肿瘤)内来进行的。针尖处的电极产生热量，其传导到周围组织中，在特定范围内在50℃与100℃之间的温度下引起凝固性坏死。除了在不可切除的患者中增加符合肝癌治愈性治疗的患者数量之外，局部组织消融具有显着的优点，因为消融可以使用微创方法进行，包括经皮和腹腔镜。由于单个针的消融区域受到限制，所以将使用额外的针，或者替代地，重新定位针，以便生成多于一个消融区域来覆盖相对较大百分比的目标区域。该过程的成功部分取决于针的放置。不同的放置可能具有不同的结果。
临床医师经常依靠术中成像技术(例如超声)来手动地确定目标区域内部的一个或多个位置来放置针，得到一个或多个消融区域。因此，确定出的一个或多个针位置和所得到的一个或多个消融区域高度依赖于个体临床医师的技能和经验。
最近，已经提出了计算机辅助消融规划来辅助消融过程，特别是关于规划一个或多个位置来放置针以覆盖整个目标区域。一些现有的计算机辅助消融规划基于目标区域的形状和尺寸执行规划，其目的是使通过在一个或多个位置执行消融产生的消融区域与目标区域的交叠最大化。在一些其他现有方法中，考虑了额外的因素来辅助消融过程。在US2009/221999A1、US2014/296842A1、US2011/201925和US2014/136174A1中，邻近要被消融的肿瘤或其附近的血管(在热消融流程中用作局部散热器)被分割并被适当地考虑用于模拟热输送现象、温度图或热扩散。在WO 2008/132664A2中，提出了通过诸如消融设备的医疗设备来计算与损伤解剖结构有关的风险。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于辅助确定旨在覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的设备、方法和/或系统。
根据实施例的一个方面，提供了一种用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的设备。所述设备包括处理器，所述处理器被配置为：接收所述目标区域内部的血管的血管结构信息；并且基于接收到的血管结构信息来导出所述目标区域的参数图，所述参数图中的每个值指示所述目标区域的对应体素要在所述一个或多个消融区域内部的度量。所述参数图用于辅助确定一个或多个消融区域，例如，通过被呈现给临床医师和/或通过被提供用于进一步处理。在一些实施例中，要被消融的目标区域可以与要被消融的组织体积(例如肿瘤体积)相同。在一些其他的实施例中，要被消融的目标区域可以是要被消融的组织体积与预定安全裕量(通常是围绕要被消融的组织体积边界5mm至10mm)的几何组合，其也被称为规划的目标体积(PTV)。
在一些实施例中，较高的值表示与具有较低值的另一体素相比，更希望使相应的体素在所述一个或多个消融区域的内部。替代地，较低的值可以指示与具有较高值的另一体素相比，更希望使相应的体素在所述一个或多个消融区域的内部。换句话说，参数图中的每个值指示目标区域的对应体素在一个或多个消融区域内代价，或者目标区域的对应体素在一个或多个消融区域内的期望性。
与表示每个体素的血管信息的常规图像相比，参数图直接提供关于是否希望使体素在消融区域内的信息。
此外，与上述现有方法完全不同，其中，围绕要被消融的目标区域的血管(其通常是大血管)被分割以便研究散热，本发明公开了接收要被消融的目标区域内部的血管(其通常是微血管)的血管结构信息，并且基于目标区域内部的血管的血管结构信息导出参数图。在肿瘤消融手术的情况下，在要被消融的肿瘤内的血管被称为肿瘤内血管。
在一个实施例中，所述设备还包括被配置为呈现所导出的参数图的第一用户接口。例如，所述设备还包括图像编码器，所述图像编码器被配置为针对参数图的值产生对应的显示值；并且第一用户接口被配置为将显示值显示为参数图像。图像编码器可以被进一步配置为用区分的颜色或阴影对参数图的值进行编码。
在一个实施例中，所述处理器还被配置为基于所导出的参数图来确定一个或多个消融区域的位置。
在一个实施例中，所述处理器还被配置为：基于参数图和体素要在风险区域内的阈值，来识别在所述目标区域中的一个或多个风险区域。所述一个或多个风险区域用于通过被呈现给临床医师和/或通过被提供用于进一步处理，来辅助确定一个或多个消融区域。风险区域己知为这样的区域：如果其不被消融，则可能会导致对象的风险，并因此不宜成为消融残留区域的一部分。
在一个实施例中，基于参数图和预定消融覆盖率来导出所述阈值。
在一个实施例中，确定所述一个或多个消融区域还基于以下中的一项或多项：目标区域中未被所述一个或多个消融区域覆盖的部分；所述一个或多个消融区域中未被目标区域覆盖的部分；以及所述一个或多个消融区域中与预定关键区域交叠的部分。
在一个实施例中，所述设备还包括第二用户接口，其中，所述第二用户接口被配置为接收以下用户输入中的至少一个：用于指示针对所述一个或多个消融区域的进入点的数量或最大数量的用户输入；用于指示所述一个或多个消融区域的一个或多个进入点的位置的用户输入；用于指示所述一个或多个消融区域的数量或最大数量的用户输入；用于指示所述一个或多个消融区域的位置的用户输入；并且所述处理器还被配置为考虑所导出的参数图和接收到的至少一个用户输入，来确定所述一个或多个消融区域的位置。
在一个实施例中，处理器还被配置为：考虑所导出的参数图来评估所述一个或多个消融区域；根据评估的结果来导出指示符；并且经由第三用户接口来输出所导出的指示符。
在一个实施例中，所述目标区域的血管结构信息包括所述目标区域的血管造影图像。
根据实施例的另一方面，提供了一种用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的方法。所述方法包括：接收所述目标区域内部的血管的血管结构信息；并且基于接收到的血管结构信息，导出所述目标区域的参数图，在所述参数图中的每个值指示所述目标区域的对应体素要在所述一个或多个消融区域内部的度量，其中，所述参数图用于辅助确定所述一个或多个消融区域。
根据实施例的第三方面，提供了一种用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的系统。所述系统包括：成像部件，其被配置为生成在所述目标区域内部的血管的血管结构信息；与所述成像部件通信的处理器，所述处理器被配置为：接收所述目标区域内部的血管的血管结构信息；并且基于接收到的血管结构信息，导出所述目标区域的参数图，所述参数图中的每个值指示所述目标区域的对应体素要在所述一个或多个消融区域内部的度量，其中，参数图用于辅助确定所述一个或多个消融区域。
附图说明
现在将参考附图基于实施例通过示例的方式来描述所述技术，其中：
图1示出了根据本文阐述的一个或多个方面的、用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的系统；
图2示出了根据本文阐述的一个或多个方面的用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的系统的部件的框图；
图3示出了根据本文阐述的一个或多个方面的用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的方法的流程图；
图4示出了根据本文阐述的一个或多个方面的用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的另一种方法的流程图；
图5示出了根据本文阐述的一个或多个方面的所确定的、期望的椭圆形消融区域；
图6示出了根据本文阐述的一个或多个方面的基于一个度量或辅助确定用于覆盖要被消融区域的一个或多个消融区域的一些图形；
图7示出了根据本文阐述的一个或多个方面的在超声数据采集期间成像的流程图；
图8示出了根据本文阐述的一个或多个方面的由用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的系统输出的一些图形；
图9示出了根据本文阐述的一个或多个方面的、所确定的椭圆形消融区域。
具体实施方式
将在下文中参考示出实施例的附图来详细描述实施例。然而，本文描述的实施例可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为被限制到本文阐述的实施例。附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。类似的数字自始至终都指代类似的元件。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制。如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确地另行指出。还应理解的是，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”，当在本文使用时，指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与通常所理解的相同的含义。将进一步理解，本文使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的上下文中其含义一致的含义，并且不应以理想化或过度正式的方式进行解释，除非本文中明确地如此定义。
以下参考根据本实施例的方法、装置(系统)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图示描述本技术。应当理解的是，框图和/或流程图图示的框以及在框图和/或流程图图示中的框的组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器、控制器或控制单元以产生机器，使得经由计算机和/或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在框图和/或流程图的一个或多个框中指定的功能/动作的单元。
下面将参考附图描述实施例。
肝细胞癌(HCC)，最常见的原发性肝肿瘤，众所周知的是对系统治疗有抗性，并且即使在进行了激进的局部治疗之后也经常复发。HCC依赖血管生成-新毛细血管的生长-以为肿瘤供应氧气和营养。肿瘤血管生成被称为生长因子的蛋白质刺激。主要的血管生成刺激生长因子称为血管内皮生长因子(VEGF)。大多数恶性肿瘤产生大量的VEGF和其他生长因子，为肿瘤创建专门的血液供应。肿瘤中新血管形成的特征是其结构和功能异常。这导致以低的氧张力为特征的异常肿瘤微环境。肝脏通过动脉和静脉血进行灌注，并且产生的异常微环境选择更具侵略性的恶性肿瘤。肿瘤内血管的血管分布和形态学变化反映肿瘤进展的不同阶段。
去理解HCC的血液动力学和血管生成对于精确成像诊断、治疗和随访非常重要，因为在多血管性质和病理生理学之间存在强烈的相关性。肿瘤在它们的生长过程中经常遇到缺氧状况。在这种条件下，缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)通过影响缺氧反应元和HIF-1α来促进血管生成相关分子(如VEGF)和促红细胞生成素的转录活性。据报道，在退变结节中门管区(portal tract)周围的肝细胞区域(包括具有肝窦毛细血管化和不成对的动脉的区域)对于HIF-1α是强阳性的，而这种分子在周围的肝脏中被微弱地表达。在HCC中也观察到细胞质过度表达和HIF-1α的核内表达(一种更为增加的表达模式)，表明细胞质HIF-1α可能已经被移动到激活的HCC细胞中的细胞核中。HIF-lα参与含有缺氧反应元(例如，VEGF)的基因的上调，暗示在退变结节的门管区周围的区域中HIF-lα的增加表达可能是VEGF及其受体的增加表达的原因，之后是窦状毛细血管化和退变结节中不成对的动脉数量增加，以及还有HCC中的血管生成。根据结节的恶性等级的升高，这些表达逐渐扩散到整个结节中。使用CT、MR或超声成像系统进行肝动脉造影提供了展示了微弱的增强的良好分化的病灶，这部分显示了窦状毛细血管化和不成对的动脉比周围的高等级退变结节更多的表达。它表明在多步骤肝癌发生过程中血管生成的逐渐增加，其最终通过重复地取代恶性和分化不良的组织而在病变中演变成高级的HCC。结节内血液动力学在演变成HCC期间的顺序变化包括先前存在的肝动脉和门静脉的退化以及新血管动脉的逐渐增加。
微泡超声对比剂的发展已经克服了常规B模式和多普勒超声技术对肝脏的一些限制，并且使得能够显示主质微血管。对比增强超声(CEUS)模式抵消来自组织的线性超声信号，并利用来自微泡的非线性响应。可以在所有血管期(动脉、门静脉、晚期和后期血管期)中研究病变的增强模式，以与对比增强CT和对比增强磁共振成像的类似方式，但是实时的并且在超声波检验师的完全控制下。
对比增强超声(CEUS)最近已经被引入，并且在许多情况下在日常流程被推荐，主要是在病灶肝脏病变的检测和表征中。最近，出版了针对CEUS的使用的指南，以改善患者的管理。超声医学和生物学协会欧洲联盟(EFSUMB)指南基于综合文献调查，包括来自前瞻性临床试验的结果。在肝脏中使用对比剂可以用于不同的目的：肝脏肿瘤的检测，肝脏肿瘤的表征(良性与恶性)，监视局部消融治疗，以及肝脏血管成像和肝脏通过时间的测量。
随着超声对比剂和对比特异的成像技术的发展，CEUS大大提高了局部肝脏病变的血流灌注的可视化能力。微流成像(MFI)通过使用超声模态来实现血管造影成像。这是一种使用低机械指数(MI)CEUS和累积成像技术的新型对比增强超声检查模态，其在高透射功率超声曝露的闪光之后显示血管。首先，高发射功率超声破坏了扫描体积中的微泡，然后通过使用低发射功率下的谐波成像模式可以观察到用微泡再次填充扫描体积。小血管中的微泡数量在高发射功率超声曝露之后紧接的时刻仍很少。因此，在常规对比成像中，小血管不被可视化。最大保持图像在检测循环中的微泡中比常规对比图像更敏感，并且在可视化微血管方面非常有效，即使这些血管中的微泡数量非常小或流动非常慢。因此，MFI的原理是：紧接具有高发射功率的闪光之后，超声波检查系统就开始最大保持图像处理，以高灵敏度跟踪移动气泡的位置并显示微血管。肝脏中构建的微血管最终被流入窦状腺的微泡所覆盖。
HCC通常是多血管肿瘤。大多数肝脏病变在动脉阶段显示同质或异质的超增强，但肿瘤内血管并不总是在来自非靶向CEUS的动脉阶段中显示。MFI以高置信度明确地描绘了血管架构。MFI描述的微血管变化与HCC的病理分化有很好的相关性。
热消融是用于安全且有效地治疗局部结节病的微创图像引导疗法，主要包括射频消融(RFA)和微波消融(MWA)。计算机辅助的热消融规划工具是在几何上在3D中分析复合消融与肿瘤体积的合理交叠区域的时间有效的产品。从计算机建模角度来看，任意形状的规划目标体积(PTV)的完全坏死率是重要的，但不是唯一的度量。例如，PTV可以是肿瘤体积和围绕肿瘤边界的5mm-10mm用户配置的安全裕量的几何组合。成功的热规划允许用户探索利用最少数量的消融来覆盖大的任意形状的PTV，同时最小化并行的损伤。不是以限制的方式，而是更一般地，消融数量的估计是基于若干考虑的，例如，每个部位处肿瘤的大小和形状，针对所选择的消融探针的估计的消融尺寸，大血管到肿瘤部位的接近程度，基于皮肤进入点接近的方向。对大肿瘤的热消融处置己经示出了较高的局部复发率，可能是由于缺乏对任意形状的规划的目标体积的完全覆盖。理想情况是用足够的消融对PTV的100％覆盖百分比，即，完全没有残留；然而，遗憾的是，在一些情况下，如果考虑到避免损伤关键解剖结构(如胆囊、肠、血管排液系统)，则残留是不可避免的。换句话说，由于多参数权衡，在复杂的处置条件下实现100％的消融覆盖率是不现实的。
此外，在实践中不可能实现100％的消融覆盖率，这还因为：a)对于大的病变的太多的消融和因此的针轨迹将导致具有凝血障碍的患者较高的并发症率；b)良好的规划算法应该在消融覆盖率和并行的关键结构损伤之间进行权衡；c)虽然计算机辅助的规划在一些情况下是完美的，但实际的针轨迹在人操作期间总是相对于规划的针轨迹具有偏差。因此，残留(即，自动规划过程或实际的术中过程输出的任何项)都是不可避免的。通常，目标的覆盖率设定在90％-95％左右，导致5％-10％的残差。
当前的计算机辅助的规划算法仅基于复合消融的形态结构，目的是最大化PTV的交叠。在多次迭代中对算法优化的约束条件是体素中消融残留或并行的损伤的最小接受度。清楚的是，消融残留将引起局部复发的可能性。复发与分化不良的组织高度相关。如果残留区域完全包含高密度的肿瘤内多血管的分化不良的组织，则情况极具风险。
在本发明中，我们尝试通过搜索复合消融的更优化区域来改善热消融规划，其中，消融残留具有包含微血管结构的低可能性。益处是，尽管有消融残留，也将减少复发。
消融设备(例如，细长的探针)通常插入到要被消融的肿瘤、病变或其他组织中，并且使用高射频来加热探针尖端以便将周围组织加热至足以杀死其中的细胞的温度，通常被认为是50摄氏度。虽然本申请主要描述了可以在包括肝脏、肾脏、乳房、肺部和其他的许多位置中使用的射频(RF)消融技术，但是应当理解，冷冻消融、微波和其他消融和治疗过程也可以类似地进行规划。
消融区通常相对于探针尖端定位，并且是球体或椭球体的形状，注意球体是具有相等的a、b、c轴的椭球体。当肿瘤大于针对给定的探针尺寸的消融区域时，医师选择多于一个探针位置以生成交叠的多个消融区域以覆盖整个肿瘤块。典型的消融过程涉及定义目标区域，将探针插入期望的位置，并向探针施加电力约15分钟，使探针尖端变热。
规划的目标体积(PTV)被定义为包络整个肿瘤块以及肿瘤周围的缓冲区(例如，通常为1厘米左右)。这可以确保消融在缓冲区中发现的所有肿瘤细胞和微观肿瘤细胞，以便减轻肿瘤的复发。如上所述，一些示例性实施例可以使得能够提供这样的机构，借助于所述机构，基于机器执行的对肝脏的超声数据分析来自动或半自动地规划消融区域。在一些情况下，数据可以通过实时成像模态(例如，优选超声)来获得。
应当注意，本文所述的实施例不限于仅肝脏或肾脏、乳房、肺部；本领域技术人员将理解，本文中所描述的实施例可以应用于各种消融计划。
体积可以被“生长”期望的距离，使得肿瘤加上裕量被包含在所得的体积中。无论何时在本文中使用“肿瘤”一词，特别是关于优化，都假定是指“规划的目标体积”(PTV)，其覆盖指定的肿瘤加上安全裕量，其一起旨在全面覆盖。
图1示出了根据本文阐述的一个或多个方面的、用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的系统。在该示例中，超声系统被实施为计算机控制的设备。因此，例如，超声系统可以包括成像部件20和消融部件30。
在一个实施例中，消融部件30是RF消融系统，其包括电源、射频发生器、与其可操作耦合的探针等，以及任何其它合适的部件，以便于将探针插入肿瘤块中，并将肿瘤块加热到足以杀死在相对于探针尖端的区域内的肿瘤细胞的温度(例如，约50摄氏度)。
成像部件20可以是被配置为获得对象的肝脏的数据的成像设备。通过使用保持在身体外部但是测量经过身体各部位和/或从其反射的超声波的超声探针获得数据，可以非侵入地捕获可收集的数据。在示例性实施例中，成像部件20可以被实现为或包括实时成像模态，例如优选地，超声。特别地，超声可以提供相对的低成本、低功率、便携式模态。然而，成像部件20不仅限于超声。
成像部件20可以向消融规划器10提供数据，消融规划器10可被配置为接收和处理由成像部件20捕获的数据，以便生成可用于规划消融区域的参数图。在一些情况下，消融规划器10可以直接从成像部件20实时地(或近实时地)接收数据。然而，在其他情况下，可以首先存储来自成像部件20的数据，然后在由消融规划器10进行分析之前从储存设备取回。
如图1所示，消融规划器10可以包括处理器110或者与处理器110通信，所述处理器110可以被配置为执行根据本文中所描述的示例性实施例的动作。因此，例如，归属于消融规划器10的至少一些功能可以由处理器110执行或者由其进行指示。处理器110因此可以提供用于托管软件的硬件以对系统进行配置用于与示例性实施例一致的机器学习以及机器驱动分析技术。然后可以使用处理器110来完成消融区域规划或辅助消融区域规划。
处理器110可以被配置为执行根据本发明的示例性实施例的数据处理，控制功能执行和/或其他处理和管理服务。在一些实施例中，处理器110可被实现为芯片或芯片组。换句话说，处理器110可以包括一个或多个物理封装(例如芯片)，其包括结构组装器(例如，基板)上的材料、部件和/或电线。
在示例性实施例中，处理器110可以包括处理器110和存储器150的一个或多个实例，处理器110和存储器150可以与第二接口130通信或者控制第二接口130，并且在一些情况下与用户接口(UI)140通信或者控制其。这样，处理器110可以实现为(例如，利用硬件、软件或者硬件和软件的组合)配置为执行本文所述的操作的电路芯片(例如，集成电路芯片)。
用户接口140可以与处理器110通信，以接收在用户接口140处的用户输入的指示和/或向用户提供听觉、视觉、机械或其他输出。这样，用户接口140可以包括例如显示器、一个或多个按钮或键(例如，功能按钮)和/或其他输入/输出机构(例如，键盘、麦克风、扬声器、光标、操纵杆、灯和/或类似物)。用户接口140可以被实现为多于一个的独立硬件部件。用户接口140可以显示指示由消融规划器10处理的数据集的身份或特定特性(例如，包括原始RF数据或分析原始RF数据的结果)的信息。然后数据集的特性可以被处理，并且与其相关联的信息可以基于由处理器110执行的用于根据规定的方法和/或算法分析数据的指令在用户接口140的显示器上呈现。此外，在一些情况下，用户接口140可以包括用于基于对给定数据集的分析来选择待生成的一个或多个报告的选项。
第一接口110可以包括用于支持与消融规划器10的外部设备(即，成像部件20)或内部功能部件的通信的一个或多个接口机构。在一些情况下，第一接口110可以是任何单元，例如实现硬件或硬件与软件的组合的设备或电路，其被配置为从与处理器110通信的设备接收数据和/或向所述设备发送数据。
第二接口130还可以包括用于实现与消融规划器10的另一外部设备(即，成像部件20)或内部功能部件进行通信的一个或多个接口机构。在一些情况下，第二接口130可以是任何单元，例如实现为硬件或硬件与软件的组合的设备或电路，其被配置为从与处理器110通信的设备接收数据和/或向所述设备发送数据。
在示例性实施例中，存储器150可以包括一个或多个非瞬态存储器设备，例如一个或多个易失性和/或非易失性存储器，其可以是固定的或可移动的。存储器150可以被配置为存储信息、数据、应用、指令等，用于使得消融规划器10能够执行根据本发明的示例性实施例的各种功能。例如，存储器150可以被配置为缓冲输入数据以供处理器110处理。额外地或替代地，存储器150可以被配置为存储用于由处理器110执行的指令。作为又一替代方案，存储器150可以包括存储各种数据集的一个或多个数据库，例如从成像部件20获得的数据，或者来自电磁跟踪系统的常规导航信息数据和/或类似物，以用于执行示例性实施例。在存储器150的内容中，可以存储应用以供处理器110执行，以便执行与各个应用相关联的功能。在一些情况下，应用可以包括用于控制消融规划器10以生成目标区域的参数图的指令，在参数图中的每个值指示的目标区域的对应体素要在一个或多个消融区域内部的度量和/或采用分析工具来分析数据以鉴于目标区域内部的血管的血管结构信息来识别风险区域，并分析其中的数据以确定要被消融的目标区域。在一些情况下，应用可以进一步包括用于生成与本文所述的患者数据分析相关联的输出和/或报告的指令。
处理器110可以以许多不同的方式来实现。例如，处理器110可以被实现为各种处理单元，例如以下中的一个或多个：微处理器或其他处理元件，协处理器，控制器，或包括集成电路的各种其它计算或处理设备，例如ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)等。在示例性实施例中，处理器110可以被配置为执行存储在存储器150中或者处理器110以其它方式可访问的指令。这样，无论是由硬件还是由硬件和软件的组合配置，处理器110都可以表示在被相应地配置时能够执行根据本发明的示例性实施例的操作的实体(例如，物理上实现在电路中)。因此，例如，当处理器110被实现为ASIC、FPGA等时，处理器110可以是用于进行本文所述的操作的具体配置的硬件。替代地，作为另一示例，当处理器110被实现为软件指令的执行器时，指令可以具体地配置处理器110来执行本文所述的操作。
在示例性实施例中，处理器110可以被实现为包括或者控制消融规划器10。这样，在一些实施例中，处理器110可以被认为是通过命令消融规划器10响应于执行相应地配置处理器110的指令或算法来执行相应的功能，而引起结合消融规划器10描述的操作中的每个。
在示例性实施例中，与特定患者的肝脏的超声扫描相关联而捕获到的数据可以被存储(例如，在存储器150中)或直接传递到消融规划器10。之后，数据可以由消融规划器10处理，以使得处理器110能够实时(或接近实时)地处理数据，或者当从存储器中提取数据时处理数据。
在一个实施例中，成像部件20被配置为获得用于分析或处理的数据，例如具有目标区域内部的血管的血管结构信息的血管造影图像，有时可以通过超声、CT或MRI(例如，MFI图像，一种基于对比的超声图像)，其或其分析结果将用于辅助确定要被消融的目标区域的一个或多个消融区域。
在示例性实施例中，处理器110包括数据接收器201、参数图导出器202和输出控制器207。另外，处理器110还可以包括以下中的一个或多个：位置确定器203、风险区域识别器204、评估器205和指示符导出器206，如图2所示。
数据接收器201被配置为接收数据以供分析或处理，例如具有目标区域内部的血管的血管结构信息的血管造影图像，有时可以通过超声、CT或MRI(例如，MFI图像，一种基于对比的超声图像)。数据接收器201还可以被配置为接收其他数据，例如用户输入。
参数图导出器202被配置为基于所获得的血管结构信息来导出目标区域的参数图，参数图中的每个值指示考虑到肿瘤内血管限制的目标区域的对应体素要在一个或多个消融区域内部的度量，其中，参数图用于辅助确定一个或多个消融区域。在目标区域为肿瘤的情况下，参数图中的值表示肿瘤内血管性质，因此也将其称为肿瘤内血管性质(IVP)。该度量代表总体期望，需要血管密度、纹理特征用于指示例如血管的分歧、诸如弯曲率的形态学等用于目标区域的相应体素在一个或多个消融区域内部或由其覆盖。如本领域技术人员已知的，肿瘤内血管密度越高，肿瘤内血管的分歧就越低，或者肿瘤内的血管越直，血管的区域关于肿瘤生长越有风险。因此，这些区域的体素将被分配更高的值，根据血管密度、纹理特征、形态学和/或指示从血管造影图像提取的其他特征的其他参数来计算所述值，通过因子分别进行加权。以这种方式，参数图可以作为针对安全剩余区域输出的评估度量中的约束之一进行辅助。
注意，参数图可以显示给使用者，并辅助用户容易地识别肿瘤内血管，然后手动决定消融区域。例如，允许用户在察看器中手动设置期望的消融目标，在所述察看器中，血管造影图像数据和常规的B模式图像数据在地理上融合在一起的。这允许用户在视觉上判断治疗有效性并且在以下两个角度实现了针对规划的复合消融的操作性：来自常规B模式图像的肿瘤形态学和肿瘤外周结构分析，以及来自血管造影图像的肿瘤内血管性质。
替代地，也可以将参数图作为处理器的输入，以自动确定一个或多个消融区域的位置。位置确定器203被配置为考虑所导出的参数图来确定一个或多个消融区域的位置。例如，位置确定器203首先随机地生成三个初始消融区域，例如三个椭圆，并且然后迭代地寻找三个最佳消融区域。也就是说，消融区域的数量可以是固定的。替代地，位置确定器203可以仅从一个消融区域开始；如果无论如何都不能满足限制，则位置确定器203可以逐步增加消融区域的数量，并寻找若干最佳消融区域，直到达到令人满意的结果。
注意，只要存在相应的消融针，也可以考虑消融区域的尺寸变化。然而，由于消融探针非常昂贵，因此阻止使用多个探针尺寸或构造，有利于尝试使用最少数量的探针来消融组织块；因此，通常仅应用一个消融探针，即，一个消融区域的尺寸通常是固定的。
注意，用户可以经由UI 140输入一些限制，以辅助位置确定器203确定一个或多个消融区域的位置。这样的用户输入可以由数据接收器201接收以进行处理。例如，用户可以定义进入点的数量、进入点的位置、总消融区域的数量、每个进入点的消融区域的数量等。此后，位置确定器203可以考虑接收到的至少一个用户输入来确定一个或多个消融区域的位置。
消融区域的优化涉及鉴于若干限制评估消融区域。与现有技术不同，具有低复发风险的残留是额外的限制，并且由于在复发和血管特征之间的紧密关系，参数图可以直接或间接地用于这种限制。
消融区域的评估可以由评估器205执行并且将在后文描述。
风险区域识别器204被配置为基于参数图和针对要在风险区域中的体素的阈值来识别目标区域中的消融残留的一个或多个风险区域，其中，所述一个或多个风险区域用于辅助确定一个或多个消融区域，并且其中，基于参数图和预定消融覆盖率来导出所述阈值。在一个实施例中，为了定义消融残余的一个或多个风险区域，如上所述，需要全对每个体素量化血管造影图像(例如MFI图像)的一个或多个目标区域中的血管严重性，并通过一个或多个基于图像的血管特征变量(例如，血管密度、纹理特征、形态特征等)来表示。因此导出参数图。在风险和非风险区域之间的分水岭是阈值tr，其适应于用户定义的残留容差。根据实施例，在导出参数映射之后，以规格化柱状图格式绘制参数图的所有值(例如，IVP值)，如图6(a)所示。用户指定最小覆盖率，即，目标区域(例如，规划的目标体积)的最小覆盖百分比pptv，例如90％，然后将通过l-pptv而显而易见地获得残留容差，例如1-90％＝10％，并且可以根据归一化直方图导出阈值tr，其中，风险因子小于阈值tr的频率仅为l-pptv，并且tr是0.3，如在图6(b)中所示。此后，具有小于阈值tr的消融残余的相应风险因子的体素被相应地定义为非风险区域。相反，具有不低于阈值tr的消融残余的相应风险因子的体素被相应地定义为风险区域。因此，通过这种阈值将目标区域的参数图转换为二进制图，以将风险区域与非风险区域分开。
评估器205被配置为考虑所导出的参数图和其他因素(例如，消融覆盖率或并行的损伤)来评估一个或多个消融区域，而不管它们是由用户手动确定的，还是由位置确定器203自动确定的。考虑到各种约束，评估可以应用各种算法。评估度量(也称为代价函数)例如可以是不同限制乘以相应权重的线性归一化组合。本领域中的限制通常包括最小接受消融覆盖率(即，一个或多个消融区域的体积对目标区域的总体积)、围绕目标区域的关键结构、并行的损伤，并且在本发明中，在消融残余与浸没在高肿瘤血管内的区域之间的重叠被公式化为体素，作为评估度量中的一个额外的限制，这将是避免消融残余收敛于富有血液供应区域的惩罚。如在肿瘤大或复杂临床情形的情况下果残留是不可避免的，则改进的规划算法能够在低血管或非血管区域(图5中的A)而不是多血管区域(图5中的B)中递送具有低复发的消融残余。
在一个实施例中，用户指定最小的希望消融覆盖率，即，目标区域的覆盖百分比(例如，规划的目标体积)pptv，计算顺序增加的消融数量的分辨率，直到达到pptv值。要被优化的实值变量是一个或多个消融的中心坐标。对于3D空间中的M个消融，需要优化3M个实值变量(分别在三个维度中)。根据本发明的一些实施例，对一个或多个消融区域的确定还基于以下中的一个或多个：
-目标区域中未被一个或多个消融区域(也称为残留区域)覆盖的部分；
-一个或多个消融区域中未被目标区域覆盖的部分(也称为在目标区域外的消融区域，其导致并行的损伤)；以及
-一个或多个消融区域中与预定关键区域交叠的部分(即，落入一个或多个消融区域的预定关键区域的部分)。预定关键区域包括具有关键结构的区域，其理想地不被消融。
在一些实施例中，对一个或多个消融区域的确定还基于以下中的一个或多个：残留区域的尺寸，消融区域在目标区域外部的部分的尺寸，预定关键区域落入消融区域内的部分的尺寸。
在实施例中，通过让Nptv表示残留区域的体素的数量，Nivp表示在风险区域内的残留区域的体素的数量，Ncs表示在关键区域内的一个或多个消融区域的体素的数量，Ncd表示不在目标区域内部的一个或多个消融区域的体素的数量，评估度量或所谓的最小化代价函数可以如下：
其中，α、β、γ分别是与Nptv、Nivp和Ncs相关联的权重。利用临床背景知识，与并行的损伤相比(即，在目标区域外部的消融体素)，我们可以针对缺乏PTV覆盖和穿刺进入关键结构附加更高的代价，针对风险区域(如血管侵略性区域)附加中等的代价，即，α>γ>β≥100。
注意，评估度量值可以被反馈给位置确定器203，以供其优化一个或多个消融区域的最终位置。
指示符导出器206被配置为根据评估结果来导出指示符。该指示符可以简单地是评估度量值，或是该值所属的评估度量水平。指示符还可以包括消融覆盖率以及对其他关键组织等的并行的损伤的暗示。
输出控制器207被配置为经由第三用户接口输出所导出的指示符。
图1和图2中示出的元件被示出为单独的元件。然而，这只是表明功能是分开的。元件可以被提供为单独的硬件设备。然而，其他布置也是可能的，例如，指示符导出器206和输出控制器207可以物理地组合到一个单元中。元件的任何组合可以在软件、硬件和/或固件的任何组合中在任何合适位置处实现。例如，可以存在数据接收器，用于接收目标区域内部的血管的血管结构信息；以及另一数据接收器，用于接收单独配置的用户输入。
一些元件可以构成实现在机器内的机器可执行指令，例如可读介质，其在由机器执行时将使机器执行所描述的操作。此外，任何元件可以被实现为硬件，例如专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
此外，应当理解，这里描述的布置仅作为示例来阐述。除了或者替代所显示的那些外，还可以使用其他布置和元件(例如，更多的UI、更多的数据接收器等)，并且一些元件可以被完全省略。
参考图3和图4详细描述了这些元件之间的功能和协作。
图3和图4各自示出了一个示例性实施例的用于规划一个或多个消融区域的方法的流程图。应当理解，每个流程图的每个框和在每个流程图中的框的组合可以通过各种单元来实现，例如硬件、固件、处理器、电路和/或与执行包括一个或多个计算机程序指令的软件相关联的其他设备。例如，所描述的一个或多个过程可以由计算机程序指令来实现。在这方面，实现上述过程的计算机程序指令可以由存储器存储并由处理器执行。如将理解的，任何这样的计算机程序指令可以加载到计算机或其他可编程装置(例如，硬件)上以产生机器，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令创建用于实现在(一个或多个)流程图框中指定的功能的单元。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读存储器中，引导计算机或其他可编程装置以特定方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生制品，该制品可实现在(一个或多个)流程图框中指定的功能。计算机程序指令还可以加载到计算机或其他可编程装置上，以使得在计算机或其他可编程装置上执行一系列操作以产生计算机实现的过程，从而在计算机或其他可编程装置上执行的指令实现在(一个或多个)流程图框中指定的功能。
因此，流程图的框支持用于执行指定功能的单元的组合以及用于执行指定功能的操作的组合。还将理解的是，流程图的一个或多个框以及流程图中的框的组合可以由执行指定功能的基于专用硬件的计算机系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
在这方面，图3中示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于规划一个或多个消融区域的方法，其中一个或多个消融区域由用户手动确定。图3的方法除了操作310之外可以完全地或者至少部分地由处理器110自动执行(例如，没有操作者交互以启动每个步骤或一系列步骤)。
该方法包括在操作302处接收目标区域内部的血管的血管结构信息。在示例性实施例中，该操作由数据接收器201执行。血管结构信息例如是血管造影图像的形式，有时可能通过超声、CT或MRI的方式(例如，MFI图像，以及一种基于对比的超声图像)。
该方法还包括在操作304处基于获得到的血管结构信息导出目标区域的参数图。在示例性实施例中，该操作由参数图导出器202执行。已经在上文结合图2描述了这种参数图的定义并且在此将不进行重复。
另外，该方法可以进一步包括：在操作306处，基于参数图和针对要在风险区域中的体素的阈值，来识别针对目标区域中的消融残余的一个或多个风险区域。在示例性实施例中，该操作由风险区域识别器204执行。在上文已经结合图2中的风险区域识别器204描述了识别风险区域的一个实施例并且在此将不进行重复。
之后，在操作308处，将通过UI 140向用户(例如，显示器中的察看器)示出参数图，额外地或替代地示出风险区域。在示例性实施例中，该操作由输出控制器207执行。
这样的参数图或风险区域与其他信息(例如，肿瘤边界、肿瘤周围的关键结构)的组合将有助于用户在操作310处确定一个或多个消融区域。通常，由用户指定的一个或多个消融区域需要评估以辅助用户优化他/她的确定。评估发生在操作312，并且该操作由评估器205进行。评估一个或多个消融区域的一个实施例已经在上文结合图2中的评估器205进行了描述并且在此将不进行重复。
可以在操作314处根据评估结果导出指示符，并且在操作316处经由UI 140将其反馈回给用户。在示例性实施例中，操作314由指示符导出器206执行，操作316由输出控制器207执行。
图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于规划一个或多个消融区域的方法，其中一个或多个消融区域由处理器110自动确定。图4的方法除了操作410之外可以完全地或者至少部分地由处理器110自动执行(例如，无需操作者交互而启动每个步骤或一系列步骤)。
该方法包括在操作402处接收在目标区域内部的血管的血管结构信息。在示例性实施例中，该操作由数据接收器201执行。血管结构信息例如是血管造影图像的形式，有时可以通过超声、CT或MRI的方式(例如，MFI图像，以及一种基于对比的超声图像)。
该方法还包括在操作404处基于获得到的血管结构信息来导出目标区域的参数图。在示例性实施例中，该操作由参数图导出器202执行。在上文已经结合图2描述了这种参数图的定义并且在此将不进行重复。
额外地，该方法可以进一步包括：在操作406处，基于参数图和要在风险区域中的体素的阈值，来识别针对目标区域中的消融残余的一个或多个风险区域。在示例性实施例中，该操作由风险区域识别器204执行。在上文已经结合图2的风险区域识别器204描述了识别风险区域的一个实施例并且在此将不进行重复。
额外地，在操作408处，将通过UI 140向用户(例如，显示器中的察看器)示出参数图，额外地或替代地示出风险区域。在示例性实施例中，该操作由输出控制器207执行。然而，显示中间结果的这种操作对于通过处理器110自动地确定一个或多个消融区域的方法不是必要的。
额外地，在操作410处，可以接收关于一个或多个消融区域的限制的一个或多个用户输入。这样的用户输入可以定义以下中的一个或多个：进入点的数量，进入点的位置，总消融区域的数量，每个进入点的消融区域的数量等。此后，考虑到接收到的至少一个用户输入，将确定一个或多个消融区域。
在操作412处，基于这样的参数图或风险区域与其他信息(例如，肿瘤边界，肿瘤周围的关键结构)的组合，处理器110确定一个或多个优化的消融区域。通常，由处理器110确定的一个或多个消融区域的优化需要评估反馈，其在示例性实施例中由评估器205提供。在上文已经结合图2中的评估器205描述了评估一个或多个消融区域的一个实施例并且在此将不进行重复。在示例性实施例中，操作412由位置确定器203与评估器205组合执行。
可以在操作414处根据最终确定的一个或多个消融区域的评估结果来导出指示符，并且在操作416中经由UI 140向用户显示指示符。在示例性实施例中，操作414由指示符导出器206执行，并且操作416由输出控制器207执行。
图7示出了根据本文阐述的一个或多个方面的超声数据采集期间成像的流程图。依次执行超声系统中的三种成像模式，即，常规B模式、常规增强对比模式(CEUS)和增强对比补充模式，以采集足够和互补的信息，用于辅助确定一个或多个消融区域来覆盖要被消融的目标区域。EM跟踪的徒手扫描类似地针对这三种成像模式进行调整，用于三维数据重建，这意味着根据一个实施例的我们的热消融规划是3D方案，并且跨越所有采集到的图像的空间变换实质地通过EM跟踪系统而被配准。在超声数据采集期间的成像流主要包括以下步骤：
(1)在框702处，在B模式中以正常的高MI扫描产生消融目标周围的解剖结构。通常根据B模式图像评估(尤其是对关键结构的)附带损害的风险，考虑其大的视野。
(2)在框704处，在动脉阶段期间扫描。在团剂注射后(例如图7的点“a”处)在CEUS的动脉阶段中，原发性肿瘤边界是非常敏感的，其作用于CEUS图像中的产超声波过多性行为。该信息将使用3D分割工具利用有效的肿瘤识别，因为与B模式图像相比，肿瘤边界相当清楚。
(3)在框706处，以补充模式进行扫描。在本发明的一个实施例中，最重要的问题是在补充模式中实现MFI数据采集。在图7的点“b”处爆发之后，通过具有高MI功率的闪光之后在目标血管内部的单泡跟踪，肿瘤内微血管在MFI图像中可见。MFI在本发明的实施例中起重要作用，因为肿瘤血管控制残余作为规划的输出的优点完全依赖于MFI图像中的定量血管特征。
通过适用的3D分割工具，例如具有用户交互的灵活性的Philips GeoBlend工具包，可以在体积CEUS数据中勾画肿瘤边界。图8(a)中示出了CEUS中3D肿瘤边界分割的一个示例，其中分割的肿瘤边界表示为TB。具有均匀扩张的安全裕量(通常为5mm至1cm)的肿瘤边界(其被认为是为了杀死微观癌细胞而是必要的)是规划的目标体积，并且在图8(a)中表示为PTV。这里，PTV不仅用于指定肿瘤形状而且还用于定义在所采集的MFI图像中的ROI(感兴趣区域)用于肿瘤内的血管性质定量。用于肿瘤内分析的PTV定义的ROI背后的原理是在数据采集期间配置良好的基于EM的配准。映射到MFI用于ROI识别的肿瘤边界的一个示例在图8(b)中示出。
图8(c)示出了由图3的步骤304或图4的步骤404得到的参数图。图8(d)中示出了由图3的步骤306或图4的步骤406得到的具有均匀扩张的安全裕量的肿瘤边界相关的风险区域，在图8(d)中表示为“R.R”，其中例如IVP值大于0.3。
最后，图9示出了完全覆盖IVP风险区域的复合消融，其中“E.P.”是进入点，并且其中相应地，残余仅留在具有最小血管生成严重性的区域中。本领域技术人员将理解，图9示出了一个进入点和五个椭圆形消融区域，但是进入点的数量以及消融区域的数量和形状不限于此。
虽然已经在本文中示出和描述了实施例，但是本领域技术人员将会理解，在不背离本技术的真正范围的情况下，可以进行各种改变和修改，并且可用元件的等价物对其进行替代。另外，在不背离其中心范围的情况下，可以进行许多修改以适应特定情况和本文中教导。因此，本实施例不限于作为实施本技术的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明的实施例包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的设备，所述设备包括处理器，所述处理器被配置为：
接收所述目标区域内部的血管的血管结构信息；并且
基于接收到的血管结构信息，导出针对所述目标区域的参数图，所述参数图中的每个值指示所述目标区域的对应体素要在所述一个或多个消融区域内部的度量。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括被配置为呈现所导出的参数图的第一用户接口。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器还被配置为基于所导出的参数图来确定所述一个或多个消融区域的位置。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述处理器还被配置为：
基于所述参数图和阈值来识别针对在所述目标区域中的消融残余的一个或多个风险区域。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述阈值是基于参数图和预定消融覆盖率来导出的。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，确定所述一个或多个消融区域还基于以下中的一个或多个：
-所述目标区域中未被所述一个或多个消融区域覆盖的部分；
-所述一个或多个消融区域中未被所述目标区域覆盖的部分；以及
-所述一个或多个消融区域中与预定关键区域交叠的部分。
7.根据权利要求2所述的设备，还包括第二用户接口，其中，
所述第二用户接口被配置为接收以下用户输入中的至少一个：
用于指示针对所述一个或多个消融区域的进入点的数量或最大数量的用户输入；
用于指示针对所述一个或多个消融区域的一个或多个进入点的位置的用户输入；
用于指示所述一个或多个消融区域的数量或最大数量的用户输入；
用于指示所述一个或多个消融区域的位置的用户输入；并且
所述处理器还被配置为基于所导出的参数图和接收到的至少一个用户输入来确定所述一个或多个消融区域的所述位置。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器还被配置为：
基于所导出的参数图来评估所述一个或多个消融区域；
根据所述评估的结果来导出指示符；并且
经由第三用户接口输出所导出的指示符。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述目标区域的所述血管结构信息包括所述目标区域的血管造影图像。
10.一种用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的方法，包括：
接收所述目标区域内部的血管的血管结构信息；并且
基于接收到的血管结构信息，导出所述目标区域的参数图，所述参数图中的每个值指示所述目标区域的对应体素要在所述一个或多个消融区域内部的度量。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：基于所导出的参数图来确定所述一个或多个消融区域的位置。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
基于所述参数图和阈值来识别针对在所述目标区域中的消融残余的一个或多个风险区域。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，基于所述参数图和预定消融覆盖率来导出所述阈值。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述一个或多个消融区域还基于以下中的一个或多个：
-所述目标区域中未被所述一个或多个消融区域覆盖的部分；
-所述一个或多个消融区域中未被所述目标区域覆盖的部分；以及
-所述一个或多个消融区域中与预定关键区域交叠的部分。
15.一种用于辅助确定用于覆盖要被消融的目标区域的一个或多个消融区域的系统，包括：
成像部件(20)，其被配置为生成在所述目标区域内部的血管的血管结构信息；以及
根据权利要求1所述的设备(10)，所述设备与所述成像部件(20)通信。
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