CN107847276A - 用于提供对生物热传递的个性化估计的系统和方法 - Google Patents

用于提供对生物热传递的个性化估计的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的系统和方法。一种方法包括：接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括所述患者的至少一个血管；接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括所述患者解剖结构的组织的至少一部分；接收对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；基于所述血管模型、所述组织模型或所述接收的热含量估计而确定对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及将所述确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。

Description

用于提供对生物热传递的个性化估计的系统和方法
相关申请
本申请要求2015年4月2日提交的美国临时申请号62/141,911的优先权，所述申请的全部公开内容特此以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开的各种实施方案大体涉及疾病评估、治疗计划和相关方法。更确切地说，本公开的具体实施方案涉及提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的系统和方法。
背景技术
人体具有用于维持恒定体温的严密的稳态机制，但仍然可能会对外部温度敏感。一些温度变化可能会影响全身，并且引起潜在可能危及生命的疾病，例如低温、高温、中暑和/或热衰竭。这些疾病可以通过各种方法，例如复温、摄入流体、浸没在温水/冷水中或通过更先进的机制来治疗。其他温度变化可以作为治疗剂来局部地施加，例如施加射频(RF)消融或冷冻消融来治疗癌症或者治疗心房颤动或室性心动过速。在这些情况下，可以使用极端温度来故意地损坏病理组织，同时试图保留周围的健康组织。然而，人体中的传热可能是复杂的并且是难以预测的，因为传热可能要取决于多种因素，包括例如多种不同材料(例如，组织、流体、骨头)中的散热、血管系统的对流和/或身体外部的温度。此外，个人的身体在其调整或调节温度的能力方面可能会有所不同，这可能会导致人们在染上热疾病的难易程度或对治疗的敏感程度方面有所不同。
因此，需要了解特定于个人的生物热传递。例如，需要对个人的整个身体中和/或单独的器官和身体部位中的生物热(例如，传热或热分布)进行建模。另外，需要对温度相关治疗的有效性进行评估。
前文的一般描述和以下具体实施方式仅仅是示例性和解释性的，并且不对本公开进行限制。
发明内容
根据本公开的某些方面，公开了提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的系统和方法。
一种方法包括：接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括患者的至少一个血管；接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括患者解剖结构的组织的至少一部分；接收对患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；基于血管模型、组织模型或所接收的热含量估计而确定对患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及将所确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。
根据另一个实施方案，用于提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的系统包括：数据存储装置，所述数据存储装置存储指令，所述指令用于提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计；以及处理器，所述处理器被配置用于：接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括患者的至少一个血管；接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括患者解剖结构的组织的至少一部分；接收对患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；基于血管模型、组织模型或所接收的热含量估计而确定对患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及将所确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。
根据另一个实施方案，公开了用在计算机系统上的非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质含有计算机可执行编程指令，所述计算机可执行编程指令用于执行提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的方法，所述方法包括：接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括患者的至少一个血管；接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括患者解剖结构的组织的至少一部分；接收对患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；基于血管模型、组织模型或所接收的热含量估计而确定对患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及将所确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。
所公开的实施方案的其他目的和优点将在以下描述中进行部分阐述，并且部分将根据所述描述而变得显而易见，或者可以通过实践所公开的实施方案来了解。所公开的实施方案的目的和优点将借助于在所附权利要求书中特别指出的元件和组合来实现和获得。
应理解，前文的一般描述和以下具体实施方式仅仅是示例性和解释性的，并且像所声称的那样不对所公开的实施方案进行限制。
附图说明
并入本说明书且构成其一部分的附图示出了各种示例性实施方案，并且连同所述描述一起用于解释所公开的实施方案的原理。
图1是根据本公开的示例性实施方案的用于提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的示例性系统和网络的方框图。
图2是根据本公开的示例性实施方案的提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的示例性方法的流程图。
图3是根据本公开的示例性实施方案的产生患者身体中的传热的个性化实例的示例性方法的流程图。
图4是根据本公开的示例性实施方案的产生涉及快速变化的体温的患者身体中的传热的个性化实例的示例性方法的流程图。
图5A是根据本公开的示例性实施方案的作为消融的结果分析患者的心肌中的传热的示例性方法的流程图。
图5B是根据本公开的示例性实施方案的作为消融的结果分析患者的组织中的传热的示例性方法的流程图。
图6是根据本公开的示例性实施方案的分析肌肉骨骼组织中的传热的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现将对在附图中示出其实例的本公开的示例性实施方案进行详细参考。只要有可能，在所有附图中将使用相同的参考编号来指代相同或相似部件。
如上所述，需要了解特定于个人的生物热传递。例如，对患者身体中的生物热(例如，传热或热分布)进行建模的能力可以改进对疾病的严重程度和治疗的适当性的评估。
本公开描述了通过针对血流、组织和外部环境对患者身体中的热分布的影响进行建模来确定患者体内的生物热传递的系统和方法。例如，所述系统和方法可以解决对整个患者身体的生物热建模和/或对单独的器官和身体部位的生物热传递的建模。应了解到，任何以下技术和描述应被解释为包括对患者的整个身体、患者身体的整个器官或者身体或器官的一个或多个部位中的传热的分析。本公开的实施方案可以允许计划和评估针对患者的温度相关治疗，例如在缓解全身温度状态中，或者局部施用的治疗剂的有效性。引申开来，本公开的实施方案提供对有效的温度相关治疗的评估或建议，并且帮助设计和开发新的温度相关治疗和装置。
现参考附图，图1展示了根据示例性实施方案的用于提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的示例性系统100和网络的方框图。确切地说，图1展示了多名医师102和第三方提供者104，其中任一者都可以通过一个或多个计算机、服务器和/或手持移动装置来连接至电子网络101，诸如互联网。医师102和/或第三方提供者104可以创建或以其他方式获得一个或多个患者解剖结构的图像。医师102和/或第三方提供者104还可以获得患者特定信息，例如年龄、病史、血压、血液粘度、体温、患者活动或锻炼水平等的任何组合。医师102和/或第三方提供者104可以经由电子网络101而向服务器系统106传输解剖图像和/或患者特定信息。服务器系统106可以包括存储装置，所述存储装置用于存储从医师102和/或第三方提供者104接收的图像和数据。服务器系统106还可以包括处理装置，所述处理装置用于处理存储在存储装置中的图像和数据。出于本公开的目的，“患者”可以指代正对其进行诊断或治疗分析的任何个人或人员，或者与一个或多个个人的诊断或治疗分析相关联的任何个人或人员。
图2展示了估计靶组织中的热分布的方法的一般实施方案。图3和图4展示了评估患者的整个身体或其部分中的传热的示例性方法。例如，图3示出了分析患者身体的温度调节的示例性方法。图4示出了分析与疗法相关联的身体的温度调节的示例性方法，所述疗法可以包括对患者身体的一部分进行快速冷却或加热。图5A、图5B和图6展示了评估患者身体的特定部分中的传热的示例性方法。例如，图5A和图5B分别示出了分析在患者的心肌中和/或在患者的组织中的来自消融的传热的示例性方法。图6展示了肌肉骨骼组织中例如来自从外部施加至患者的皮肤的加热或冷却设备的传热的示例性方法。热敷或冷敷设备可以包括加热包/垫或冷却包，或者电医疗装置或其他医疗装置。
图2至图6所示的任何实施方案可以被修改例如以包括循环、血流温度和/或患者解剖结构的改变或变化。循环的变化可以反映以下情况：医师可以暂时局部地增加或减少循环(例如，经由止血带、球囊导管、高压氧舱等)，以便更好地控制患者体内的传热和/或提高手术的安全性。在这种实施方案中，可以修改任何以上方法以考虑到这种增加或减少的循环，例如通过调整血流模拟边界条件来反映经过修改的循环。经过修改的循环还可以包括血流的暂停。例如，一些外科手术可能涉及使血流停止一段时间，例如在外科手术期间出于脑/心脏保护而诱导深系统性低温。所公开的系统和方法可以被修改来对任何范围的循环变化进行建模和评估。
另一种修改可以包括对例如为了改变局部环境而注入到血流中的大量热/冷量进行建模。这种类型的变化可以允许更安全/更有效地将热/冷量施加或引入至患者身体。这种实施方案可以例如通过在对对流扩散方程求解的一段时间内在血液中引入差热/冷来计算。
另外，图2至图6所示的任何示例性方法可以与经过修改的患者模型结合使用，所述经过修改的患者模型包括但不限于：修改来反映血管再生或患者解剖结构中的靶组织变化和/或对流扩散方程的参数的变化的患者模型。
图2是根据示例性实施方案的提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的示例性方法200的流程图。图2的方法可以由服务器系统106基于经由电子网络101而从医师102和/或第三方提供者104接收的信息、图像和数据来执行。
在一个实施方案中，步骤201可以包括接收患者身体的至少一部分对血流需求的估计。例如，步骤201可以包括在服务器系统106的电子存储介质(例如，硬盘驱动器、网络驱动器、云驱动器、移动电话、平板计算机等)中接收患者特定血管模型。确切地说，接收患者特定血管模型可以包括在服务器系统106处产生患者特定血管模型，或者经由电子网络(例如，电子网络101)来接收患者特定血管模型。血管系统可以例如经由成像，包括计算机断层成像(CT)或磁共振(MR)成像来获得。患者特定血管模型可以包括血管模型的一个或多个部分对血流需求的估计。
在一个实施方案中，步骤203可以包括接收至少可以估计出其中的传热的组织的患者特定组织模型。在一个实施方案中，可以在电子存储介质中接收患者特定组织模型。可以估计出其中的传热的组织模型和/或组织可以被称为“靶组织”。
在一个实施方案中，步骤205可以包括接收对靶组织的一个或多个区域和/或周围环境(例如，解剖环境或患者环境)的热含量(例如，温度)估计。在一个实施方案中，患者环境可以包括周围环境，可以包括靶组织周围的环境，例如患者的心脏或脑周围可能会影响患者的心脏或脑内的温度的环境。在一个实施方案中，热含量估计可以包括靶组织的一个或多个区域和/或周围环境在某一时间点的温度。例如，所述时间点可以用作初始时间(例如，T0)。步骤205的温度估计可以包括周围解剖环境的例如由(系统性)核心热量给出的初始温度。这种核心热量可以来自体温、活动水平等。
在一个实施方案中，步骤207可以包括基于血管模型、靶组织模型和/或初始热含量估计而确定对靶组织和/或血液在第二时间点的热分布的估计。步骤207可以使用处理器(例如，膝上型计算机、台式计算机、云计算架构、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、移动电话，平板计算机等)来执行。
在一个实施方案中，步骤209可以包括将对(例如，步骤207的)热分布的估计输出至电子存储介质和/或用户显示器(例如，监视器、移动电话、平板计算机)。用户显示器可以包括对患者特定血管模型的所估计的热分布进行渲染和/或对靶组织(例如，组织模型)的所估计的热分布进行渲染。步骤209还可以包括多个特征，所述特征包括以下各项中的一项或多项：对组织模型中的热分布进行模拟(例如，颜色编码的温度图)，用来调整循环、温度或经过渲染的血管和/或组织模型中的任何位置处的模型几何性质的交互式选项或提示，与针对建模施加的各种治疗(包括基于温度和不基于温度的治疗)相关联的菜单选择，用来调整热分布的时间范围(例如，对生物热变化进行后续评估所处的时间间隔或时间的建议)的选项或建议，各种已建模的生物热情景的比较(针对单个患者的比较和各患者之间的比较)等。对比较的显示可以包括显示患者特定血管和/或组织模型的各种部分的叠加和/或并排屏面。
图3和图4展示了对患者身体中的传热的分析。换言之，图3和图4所示的方法可能与研究温度调节有关。温度调节是可能会受到包括低温、高温、中暑和/或热衰减的疾病挑战的代谢功能。对患者的整个身体中的传热进行分析可以帮助评估疗法的有效性，以治疗这些疾病中的一种，或开发新的治疗方法来治疗这些疾病。图3示出了对传热进行这种分析的示例性方法。图4示出了对患者的整个身体中的传热进行这种分析的示例性方法，其中所述分析可以涉及通过至少采用可以对患者身体的一部分施加快速冷却和/或加热的疗法来治疗代谢疾病中的一种或多种。
图3是根据示例性实施方案的分析患者身体中的传热的示例性方法300的流程图。图3的方法可以由服务器系统106基于经由电子网络101而从医师102和/或第三方提供者104接收的信息、图像和数据来执行。
在一个实施方案中，步骤301可以包括在电子存储介质(例如，硬盘驱动器、网络驱动器、云驱动器、移动电话、平板计算机等)中接收患者的全身血管系统的患者特定血管模型。这个模型可以包括大血管(例如，经由成像，包括CT和/或MR来获得)和/或对组织进行灌注的微血管系统。可以测量或模拟微血管系统(例如，经由约束结构优化来产生)。血管模型可以包括动脉、静脉或动脉和静脉的一些组合。
在一个实施方案中，步骤303可以包括在电子存储介质中接收包括器官和肌肉的患者的组织(例如，靶组织)的患者特定模型。这个模型可以从医学成像扫描(例如，经由CT或MR成像)提取。
在一个实施方案中，步骤305可以包括接收对靶组织的一个或多个区域在某一时间点的热含量估计。在一个实施方案中，可以在均一地处于降低(低温)温度和/或升高(高温)温度时对靶组织进行估计或建模。在温度调节期间热源已知的深度器官(例如，肝、脑和/或心脏)可以用更接近患者的稳态温度(例如，37℃)的温度进行初始化。
在一个实施方案中，步骤307可以包括基于心血管模型、靶组织模型和/或初始热含量估计而确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。在一个实施方案中，步骤307可以包括使用处理器(例如，膝上型计算机、台式计算机、云计算架构、GPU、DSP、移动电话、平板计算机等)来确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。
例如，步骤307可以包括通过确定血管模型(例如，来自步骤301)中的血流量来估计热分布。估计血流量可以包括涉及3D计算流体动力学、降阶模型和/或根据数据库(例如，使用机器学习)进行的估计的分析。估计血流量还可以包括确定血流量需求。例如，步骤307可以包括基于对血流量需求的估计(例如，根据靶组织质量或总血管容积进行估计)而对患者的血管系统中的血流量进行患者特定估计。血流量需求可以包括(例如，血管分段或靶组织的一部分的截面中的)容积流速、血流速度或速度场。血流量需求可以包括对器官来说足以满足代谢需求的血流量，例如由心肌提供来满足身体活动期间的需氧量的血流量。血流量需求可以表示为每单位组织或器官的流速，并且血流量需求可以通过供应所述组织或器官的血管系统中的流速来满足。换言之，步骤307的一个实施方案可以包括估计组织质量或血管容积的血流量需求，确定到达组织质量或通过血管容积的血流量(给出了相应的组织或血管系统的血流量需求)以及从所确定的血流量估计组织或血管系统中的热分布。
使用血流量确定热分布的一个实施方案可以包括小动脉血管扩张和/或血管收缩建模，所述建模用于反映各种患者生理状态或外部条件下的患者血流量。例如，小动脉血管扩张和/或血管收缩建模可以包括对高温状态下皮肤灌注的增加进行建模或者对低温状态下皮肤灌注的减少进行建模。对小动脉血管扩张和/或血管收缩的建模可以通过以下方式来进行：基于组织或器官的温度，减小或增大边界条件模型中在供应动脉系统的一个或多个出口处的阻力，或者可替代地或另外改变组织本身就有的明显的微循环网络模型的口径。
热分布可以借助于对流扩散方程根据血流量来确定。例如，步骤307可以包括通过针对可以假定估计的血流速度场(例如，来自估计的血流量和/或血流量需求)能在靶组织中提供热对流所处的温度来对对流扩散方程进行求解而确定患者特定传热。
在一些实施方案中，可以根据从成像源或文献获取的数据来分配患者传热性质(例如，传导性)。另一个选项可以包括假定靶组织中具有均匀的材料性质。用于对患者特定传热进行建模的边界条件可以施加在皮肤边界处(例如，在室温下使用狄利克雷边界条件(Dirichlet boundary condition)，并对高温状态期间因排汗所致的皮肤边界处的损失进行建模)。在一些情况下，传热方程(对流扩散方程)可以在固定时间(例如，几秒)内求解，或者针对稳态解进行求解以产生在一个或多个附加时间点的估计的热分布。
在一个实施方案中，步骤309可以包括将靶组织的一个或多个估计的热分布输出至例如电子存储介质或用户显示器(例如，监视器、移动电话、平板计算机等)。
图4是根据示例性实施方案的分析体温可能快速变化的患者身体中的传热的示例性方法400的流程图。图4的方法可以由服务器系统106基于经由电子网络101而从医师102和/或第三方提供者104接收的信息、图像和数据来执行。
在一个实施方案中，步骤401可以包括在电子存储介质(例如，硬盘驱动器、网络驱动器、云驱动器、移动电话、平板计算机等)中接收全身血管系统的患者特定血管模型。这个模型可以包括大血管(例如，经由成像，诸如CT或MR来获得)和/或对组织进行灌注的微血管系统。可以测量和/或模拟微血管系统(例如，经由约束结构优化来进行)。血管模型可以包括动脉、静脉或动脉和静脉的一些组合。
在一个实施方案中，步骤403可以包括在电子存储介质中接收包括器官和肌肉的患者组织(靶组织)的患者特定模型。这个模型可以从医学成像扫描(例如，CT或MR)提取。
在一个实施方案中，步骤405可以包括接收对靶组织的一个或多个区域在某一时间点的热含量估计。在一个实施方案中，可以在均一地处于降低(低温)温度和/或升高(高温)温度时对靶组织进行估计或建模。在温度调节期间热源已知的深度器官(例如，肝、脑和心脏)可以用更接近稳态温度(例如，37℃)的温度进行初始化。
在一个实施方案中，步骤407可以包括基于心血管模型、靶组织模型和/或初始热含量估计而确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。在一个实施方案中，步骤407可以包括使用处理器(例如，膝上型计算机、台式计算机、云计算架构、GPU、DSP、移动电话、平板计算机等)来确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。
对血流量的估计可以通过首先在心血管模型中确定模拟生理状态下的血流量来确定。例如，步骤407可以包括使用对患者的血流量需求的估计(例如，根据靶组织质量或总血管容积进行估计)来对患者的血管系统中的血流量进行患者特定估计。估计血流量可以包括对3D计算流体动力学、降阶模型或根据数据库(例如，使用机器学习)进行的血流量估计进行分析。使用血流量确定热分布的一个实施方案可以包括小动脉血管扩张和/或血管收缩建模，所述建模用于反映各种患者生理状态或外部条件下的患者血流量。例如，小动脉血管扩张和/或血管收缩建模可以包括对高温状态下皮肤灌注的增加进行建模或者对低温状态下皮肤灌注的减少进行建模。
在一个实施方案中，患者特定传热可以通过对对流扩散方程进行求解来确定。例如，步骤407可以包括针对可以假定估计的血流速度场(例如，来自估计的血流量和/或血流量需求)能在靶组织中提供对流所处的热集中度来对对流扩散方程进行求解。
估计热分布的步骤407可以包括设定用于确定估计的一个或多个条件。例如，可以根据从成像源或文献获取的数据来分配患者传热性质(例如，扩散性)。用于设定条件来估计热分布的另一个选项可以包括假定靶组织中具有均匀的材料性质。边界条件可以施加在皮肤边界处(例如，在室温下使用狄利克雷边界条件，并对高温状态期间因排汗所致的皮肤边界处的损失进行建模)。具体而言，所施加的热/冷源实际上可以作为狄利克雷边界条件来施加，从而使受所述源影响的皮肤部分上保持恒定温度(例如，高温或低温，这取决于装置)。传热方程可以在固定时间(例如，几秒)内求解，或者针对稳态解进行求解以产生在一个或多个附加时间点的估计的热分布。
在一个实施方案中，步骤409可以包括将靶组织的一个或多个估计的热分布输出至例如电子存储介质或用户显示器(例如，监视器、移动电话、平板计算机等)。
图5A、图5B和图6包括对患者身体的至少部分中的局部传热进行的示例性分析。例如，图5A和图5B的示例性方法包括结合患者身体的各个部位中的消融一起进行的传热分析。图5A包括分析与消融相关联的心肌中的传热的示例性方法。对心肌中的传热进行分析可以评估RF消融或冷冻消融手术(例如，用于治疗左心室心动过速、室上性心动过速、沃尔夫-帕金森-怀特氏综合征(Wolff-Parkinson-White syndrome)、房性心动过速、多源性房性心动过速或心房颤动)的有效性和/或确定消融的优选或最佳设定。图5B包括分析与消融相关联的组织(例如，器官组织)中的传热的示例性方法。对器官组织中的传热进行分析可以帮助评估RF消融、冷冻消融、使用外部波束照射或高频超声波(HIFU)执行的消融、低温和/或冷冻疗法治疗方法(例如，用于通过破坏肿瘤或病变来治疗肝癌、骨癌、肺癌、脾癌、皮肤癌、前列腺癌或肾癌)的有效性。图6中描述的示例性方法包括对肌肉骨骼组织中的传热进行分析。对肌肉骨骼组织中的传热进行分析可能可用于例如运动医学中，以评估从加热或冷却设备施加至皮肤外部的传热到达患者的肌肉的有效性。这种分析可以帮助确定对加热/冷却设备尺寸、温度和/或位置的设定，并且有助于设计更有效的加热/冷却设备。
图5A是根据示例性实施方案的分析与消融相关联的患者的心肌中的传热的示例性方法500的流程图。图5A的方法可以由服务器系统106基于经由电子网络101而从医师102和/或第三方提供者104接收的信息、图像和数据来执行。
在一个实施方案中，步骤501可以包括在电子存储介质(例如，硬盘驱动器、网络驱动器、云驱动器、移动电话、平板计算机等)中接收患者特定冠状血管模型。这个模型可以包括冠状动脉大血管(例如，经由成像，包括CT和/或MR来获得)和/或包括对组织进行灌注的微血管系统。可以测量或模拟微血管系统(例如，经由约束结构优化来进行)。血管模型可以包括动脉、静脉或动脉和静脉的一些组合。
在一个实施方案中，步骤503可以包括在电子存储介质中接收作为靶组织的包括心肌(或心外膜、房壁等)的患者组织的患者特定模型。这个模型可以从医学成像扫描(例如，CT和/或MR)提取。
在一个实施方案中，步骤505可以包括接收对靶组织的一个或多个区域在某一时间点的热含量估计。在一个实施方案中，可以在均一地处于体温时对靶组织进行估计或建模，例外的是消融导管的位置，所述消融导管可以在局部区域中被设定为预先指定的温度(例如，在用于RF消融的4mm的区域中温度为50℃，或者用于冷冻消融的温度为-10℃至-70℃)。靶组织中的消融导管位置可以虚拟地表示(例如，以用于手术前模拟和计划)，或者可以用其在手术期间的实际位置(例如，使用导管尖端上的定位)表示。
在一个实施方案中，步骤507可以包括基于心血管模型、靶组织模型和/或初始热含量估计而确定对靶组织和/或血液在第二时间点的热分布的估计。在一个实施方案中，步骤507可以包括使用处理器(例如，膝上型计算机、台式计算机、云计算架构、GPU、DSP、移动电话、平板计算机等)来确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。
所述估计可以通过首先在心血管模型中确定模拟生理状态下的血流量来确定。例如，步骤507可以包括使用对患者的血流量需求的估计来对患者的冠状动脉中的血流量进行患者特定估计。血流量需求可以包括来自总血管容积或心肌质量(例如，靶组织的质量)的血流量需求。估计血流量可以包括对3D计算流体动力学、降阶模型或根据数据库(例如，使用机器学习)进行的血流量估计进行分析。
在一个实施方案中，患者特定传热可以通过对对流扩散方程进行求解来确定。例如，步骤507可以包括针对可以假定估计的血流速度场(例如，来自估计的血流量和/或血流量需求)能在靶组织中提供对流所处的热集中度来对对流扩散方程进行求解。
估计热分布的步骤507可以包括设定用于确定估计的一个或多个条件。例如，可以根据从成像源或文献获取的数据来分配患者传热性质(例如，扩散性)。另一个选项可以包括假定靶组织中具有均匀的材料性质。边界条件可以使用根据经验获得的值(例如，在稳态温度下针对心内膜和心外膜使用狄利克雷边界条件)和/或通过耦合至另一个计算模型(例如，有关全身的传热模型或者有关动态心脏的脉动血流模型)而施加在心内膜和心外膜表面处。传热方程可以在固定时间(例如，几秒)内求解，或者针对稳态解进行求解以产生例如在一个或多个附加时间点的估计的热分布。
在一个实施方案中，步骤509可以包括将靶组织的一个或多个估计的热分布输出至例如电子存储介质或用户显示器(例如，监视器、移动电话、平板计算机等)。
图5B是根据示例性实施方案的分析与消融相关联的组织中的传热的示例性方法520的流程图。图5B的方法可以由服务器系统106基于经由电子网络101而从医师102和/或第三方提供者104接收的信息、图像和数据来执行。
在一个实施方案中，步骤521可以包括在电子存储介质(例如，硬盘驱动器、网络驱动器、云驱动器、移动电话、平板计算机等)中接收靶组织和/或周围组织中的血管系统的患者特定血管模型。这个模型可以包括大血管(例如，经由成像，诸如CT或MR来获得)和/或包括对组织进行灌注的微血管系统。可以测量或模拟微血管系统(例如，经由约束结构优化来进行)。血管模型可以包括动脉、静脉或动脉和静脉的一些组合。
在一个实施方案中，步骤523可以包括在电子存储介质中接收作为靶组织的靶消融组织(例如，含有肿瘤或病变的组织)的患者特定模型。在一些实施方案中，组织可以包括器官组织，例如肝组织、肺组织和/或肾组织。这个模型可以从医学成像扫描(例如，CT或MR)提取。
在一个实施方案中，步骤525可以包括接收对靶组织的一个或多个区域在某一时间点的热含量估计。在一个实施方案中，可以在均一地处于体温时对靶组织进行估计或建模，例外的是消融导管的位置，所述消融导管在局部区域中被设定为预先指定的温度(例如，在用于RF消融的4mm的区域中温度为50℃，或者用于冷冻消融的温度为-10℃至-70℃)。可以对身体进行建模所处的温度可以从环境温度和/或经由系统温度来获得，所述系统温度被控制来使局部加热/冷却更安全地用于患者。靶组织中的消融导管位置可以虚拟地表示(例如，以用于手术前模拟和计划)，或者可以用其在手术期间的实际位置(例如，使用导管尖端上的定位)表示。
在一个实施方案中，步骤527可以包括基于血管模型、靶组织模型和/或初始热含量估计而确定对靶组织和/或血液在第二时间点的热分布的估计。在一个实施方案中，步骤527可以包括使用处理器(例如，膝上型计算机、台式计算机、云计算架构、GPU、DSP、移动电话、平板计算机等)来确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。
对热分布的估计可以通过在血管模型中确定模拟生理状态下的血流量来确定。例如，步骤527可以包括使用对患者的血流量需求的估计(例如，根据靶组织质量或总血管容积进行估计)来对患者的血管系统中的血流量进行患者特定估计。估计血流量可以包括对3D计算流体动力学、降阶模型或根据数据库(例如，使用机器学习)进行的血流量估计进行分析。
在一个实施方案中，患者特定传热可以通过对对流扩散方程进行求解来确定。例如，步骤527可以包括针对可以假定估计的血流速度场(例如，来自估计的血流量和/或血流量需求)能在靶组织中提供对流所处的热集中度来对对流扩散方程进行求解。
估计热分布的步骤527可以包括设定用于确定估计的一个或多个条件。例如，可以根据从成像源或文献获取的数据来分配患者传热性质(例如，扩散性)。另一个选项可以包括假定靶组织中具有均匀的材料性质。边界条件可以使用根据经验获得的值(例如，在稳态温度下针对靶组织表面使用狄利克雷边界条件)和/或通过耦合至另一个计算模型(例如，有关包括多个器官、脂肪、流体、骨头等的全身的传热模型)而施加在心内膜和心外膜表面处。传热方程可以在固定时间(例如，几秒)内求解，或者针对稳态解进行求解以产生例如在一个或多个附加时间点的估计的热分布。
在一个实施方案中，步骤529可以包括将靶组织的一个或多个估计的热分布输出至例如电子存储介质或用户显示器(例如，监视器、移动电话、平板计算机等)。
图6是根据示例性实施方案的分析肌肉骨骼组织中的传热的示例性方法600的流程图。图6的方法可以由服务器系统106基于经由电子网络101而从医师102和/或第三方提供者104接收的信息、图像和数据来执行。
在一个实施方案中，步骤601可以包括在电子存储介质(例如，硬盘驱动器、网络驱动器、云驱动器、移动电话、平板计算机等)中接收患者特定周围血管模型。这个模型可以包括周围大血管(例如，经由成像，诸如CT或MR来获得)中的一种或多种，和/或包括对靶肌肉组织进行灌注的微血管系统和/或对身体外部(例如，皮肤)进行灌注的微血管系统。可以测量或模拟微血管系统(例如，经由约束结构优化来进行)。血管模型可以包括动脉、静脉或动脉和静脉的一些组合。
在一个实施方案中，步骤603可以包括在电子存储介质中接收作为靶组织的靶肌肉组织(例如，股四头肌或者任何其他臂部、腿部、臀部、手部或足部肌肉)的患者特定模型。这个模型可以从医学成像扫描(例如，CT或MR)提取。在更全面的模型中，靶组织可以被视作是特定肌肉以及周围的肌肉、骨头、脂肪和流体。周围的肌肉、骨头、脂肪和流体的初始温度可以由来源于体温、活动水平等的(系统性)核心热量给出。
在一个实施方案中，步骤605可以包括接收对靶组织的一个或多个区域在某一时间点的热含量估计。在一个实施方案中，可以在均一地处于体温时对靶组织进行估计或建模，例外的是身体外部的局部区域中的加热/冷却设备的位置。靶组织中的加热/冷却设备位置可以虚拟地表示(例如，以用于施加前的模拟和计划)，或者可以用其在施加期间的实际位置(例如，使用导管尖端上的定位)表示。在一个实施方案中，可以对身体进行建模所处的温度可以来源于环境温度。
在一个实施方案中，步骤607可以包括基于血管模型、靶组织模型和/或初始热含量估计而确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。在一个实施方案中，步骤607可以包括使用处理器(例如，膝上型计算机、台式计算机、云计算架构、GPU、DSP、移动电话、平板计算机等)来确定对靶组织在第二时间点的热分布的估计。
所述估计可以通过在心血管模型中确定模拟生理状态下的血流量来确定。例如，步骤607可以包括使用对患者的血流量需求的估计(例如，根据靶肌肉质量或总血管容积进行估计)来对患者的冠状动脉中的血流量进行患者特定估计。估计血流量可以包括对3D计算流体动力学、降阶模型和/或根据数据库(例如，使用机器学习)进行的血流量估计进行分析。
在一个实施方案中，患者特定传热可以通过对对流扩散方程进行求解来确定。例如，步骤607可以包括针对可以假定估计的血流速度场(例如，来自估计的血流量和/或血流量需求)能在靶组织中提供对流所处的热集中度来对对流扩散方程进行求解。
估计热分布的步骤607可以包括设定用于确定估计的一个或多个条件。例如，可以根据从成像源或文献获取的数据来分配患者传热性质(例如，扩散性)。另一个选项可以包括假定靶组织中具有均匀的材料性质。边界条件可以使用根据经验获得的值和/或估计值，例如基于核心温度、活动水平，和/或耦合至另一个计算模型(有关全身的传热模型或者有关动态心脏的脉动血流模型)而施加在靶组织表面处。可替代地或另外，边界条件可以施加在更宽的视野内(例如，将稳态体温边界条件施加在例如由医学图像的整个视野涵盖的较大解剖模型的边界处)。传热方程可以在固定时间(例如，几秒)内求解和/或针对稳态解进行求解。来自传热方程的一个或多个解可以用于产生在一个或多个附加时间点的估计的热分布。
在一个实施方案中，步骤609可以包括将靶组织的一个或多个估计的热分布输出至例如电子存储介质或用户显示器(例如，监视器、移动电话、平板计算机等)。
身体调节温度或对温度变化进行响应的能力可能会因人而异。温度相关疾病可能会对患者造成不利影响(例如，引起低温或高温)，或者可以使用温度来治疗患者(例如，用在治疗低温/高温中或用在消融中)。不同的患者可能会对温度和治疗作出不同的响应，这取决于每个患者身体进行生物热传递时可能使用的独特方式。本公开包括用于确定特定于个人的生物热传递的系统和方法。例如，本公开包括用于特别针对如从患者特定成像提取的个人的解剖结构进行生物热传递建模的系统和方法。例如，本公开包括通过根据患者解剖结构中的血流量来估计散热而对患者特定生物热传递进行建模的示例性实施方案。对患者特定生物热传递的理解可以提高对温度相关疾病和治疗的疗效。
通过考虑本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。说明书和实例意在仅被视作是示例性的，其中本发明的真实范围和精神由所附权利要求书指明。

Claims (20)

1.一种由计算机实施的提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的方法，所述方法包括：
接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括所述患者的至少一个血管；
接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括所述患者解剖结构的组织的至少一部分；
接收对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；
基于所述血管模型、所述组织模型或所述接收的热含量估计而确定对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及
将所述确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。
2.如权利要求1所述的由计算机实施的方法，其中对所述组织部分的所述热含量估计包括所述组织部分或所述周围组织在第一时间点的热含量；并且
其中所述热分布估计包括在不同于所述第一时间点的第二时间点的热分布。
3.如权利要求1所述的由计算机实施的方法，其中将所述热含量估计估为均一值。
4.如权利要求3所述的由计算机实施的方法，所述方法还包括：
确定在所述组织模型或血管模型的位置引入温度源，其中除了所述温度源的所述位置之外，所述热含量估计是均一的。
5.如权利要求4所述的由计算机实施的方法，其中所述温度源与消融、加热设备或冷却设备相关联。
6.如权利要求1所述的由计算机实施的方法，所述方法还包括：
使用所述血管模型来确定所述组织模型的血流量需求。
7.如权利要求6所述的由计算机实施的方法，所述方法还包括：
基于所述确定的血流量需求和传热方程而确定所述热分布估计。
8.如权利要求1所述的由计算机实施的方法，其中所述血管模型包括所述患者解剖结构的大血管和微血管系统。
9.一种用于提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的系统，所述系统包括：
数据存储装置，所述数据存储装置存储指令，所述指令提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计；以及
处理器，所述处理器被配置用来执行所述指令以执行包括以下各项的方法：
接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括所述患者的至少一个血管；
接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括所述患者解剖结构的组织的至少一部分；
接收对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；
基于所述血管模型、所述组织模型或所述接收的热含量估计而确定对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及
将所述确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。
10.如权利要求9所述的系统，其中对所述组织部分的所述热含量估计包括所述组织部分或所述周围组织在第一时间点的热含量；并且
其中所述热分布估计包括在不同于所述第一时间点的第二时间点的热分布。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述热含量估计经估计为均一值。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述系统被进一步配置用于：
确定在所述组织模型或血管模型的位置引入温度源，其中除了所述温度源的所述位置之外，所述热含量估计是均一的。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述温度源与消融、加热设备或冷却设备相关联。
14.如权利要求9所述的系统，其中所述系统被进一步配置用于：
使用所述血管模型来确定所述组织模型的血流量需求。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述系统被进一步配置用于：
基于所述确定的血流量需求和传热方程而确定所述热分布估计。
16.如权利要求9所述的系统，其中所述血管模型包括所述患者解剖结构的大血管和微血管系统。
17.一种用在计算机系统上的非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质含有计算机可执行编程指令，所述计算机可执行编程指令用于执行提供对患者身体或患者身体的一部分中的生物热传递的个性化估计的方法，所述方法包括：
接收患者解剖结构的患者特定血管模型，所述患者解剖结构包括所述患者的至少一个血管；
接收患者特定组织模型，所述患者特定组织模型包括所述患者解剖结构的组织的至少一部分；
接收对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热含量估计；
基于所述血管模型、所述组织模型或所述接收的热含量估计而确定对所述患者特定组织模型的所述组织部分或围绕所述组织部分的组织的热分布估计；以及
将所述确定的热分布估计输出至存储介质或用户显示器。
18.如权利要求17所述的非暂态计算机可读介质，其中对所述组织部分的所述热含量估计包括所述组织部分或所述周围组织在第一时间点的热含量；并且
其中所述热分布估计包括在不同于所述第一时间点的第二时间点的热分布。
19.如权利要求17所述的非暂态计算机可读介质，其中所述热含量估计经估计为均一值。
20.如权利要求19所述的非暂态计算机可读介质，所述方法还包括：
确定在所述组织模型或血管模型的位置引入温度源，其中除了所述温度源的所述位置之外，所述热含量估计是均一的。
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