本发明涉及消融探头，特别是消融探头的放置。
背景技术
消融探头可以被用于通过消融来治疗肿瘤。例如，有微波消融探头、热消融探头、冷冻消融探头、聚焦超声消融探头等。特别地，由于它们针对不可重选肿瘤的适用性以及患者的快速康复，热消融癌症治疗正变得越来越受欢迎。
美国专利申请公开US 2014058387 A1公开了一种用于消融规划的系统和方法，包括基于治疗概率定义一个或多个消融体积的形状和尺寸，以及确定待治疗的靶区体积。通过使用一个或多个消融体积确定靶区体积内规划消融的数量和位置来提供过程规划。确定靶区体积中至少两个规划消融的联合概率分布。将最终配置可视化以确定是否基于靶区体积的治疗概率满足规划目标。
技术实现要素：
本发明在独立权利要求中提供了医疗系统、计算机程序产品和方法。在从属权利要求中给出了实施例。
在对消融过程进行规划中的困难在于，探头能够被自由放置并且通常可能有连续可变的电源提供给它们。正确规划消融探头的放置可能极其困难。实施例可以提供一种提供确定消融探头位置的改进方式的系统。这例如可以以按顺序的消融探头配置列表的形式提供，其可以显示为列表或以图形方式显示。
这可以通过接收三维医学图像数据、所期望的消融体积、和一个或多个受保护体积的集合来实现。该系统然后创建消融探头位置离散集并接收消融模式离散集。选择目标函数用于评估在消融探头位置离散集中的每一个处的消融模式离散集中的每一个。然后使用所选择的目标函数来选择探头位置和消融模式。然后重复执行此操作以制作按顺序的消融探头配置列表。这可以具有的优点是可以考虑多种类型的消融探头和配置，而这对于执行连续优化的算法来说是不可能的。
在一个方面，本发明提供了一种医疗系统，其包括存储机器可执行指令的存储器和被配置用于控制医疗系统的处理器。机器可执行指令的执行使处理器接收描述受试者的三维医学图像数据。机器可执行指令的执行还使处理器接收所期望的消融体积。术语“所期望的消融体积”是针对特定消融体积的标签。所期望的消融体积被配准(registered)到三维医学图像数据。也就是说，所期望的消融体积标记一个区域或标识三维医学图像数据的一个区域。
机器可执行指令的执行还使处理器接收一个或多个受保护体积。一个或多个受保护体积被配准到三维医学图像数据。一个或多个受保护体积可以例如是：如果超声处理或消融过多便将会伤害受试者的体积。例如，一个或多个受保护体积可以用于保护器官或关键解剖结构。
机器可执行指令的执行还使处理器生成被配准到三维医学图像数据的消融探头位置离散集。但通常在定位消融探头时，可以自由选择位置和方向。在该情况下，所期望的消融体积周围的位置可以用于生成离散消融探头位置模式或集合。这些例如可以使用预定模式或用于生成离散集的算法来生成。机器可执行指令的执行还使处理器接收消融模式离散集。
消融模式离散集包括多个消融模式。消融模式离散集可以是用于单个消融探头的消融模式，例如定向在不同的方向和/或具有不同的供电量。在其他示例中，消融模式离散集可以来自多个消融探头。机器可执行指令的执行还使处理器初始化被配准到三维医学成像数据的复合消融二元掩模。例如，初始化复合消融二元掩模的步骤可以是创建空白或未使用的复合消融二元掩模。术语复合消融二元掩模用于识别特定的二元掩模。在该情况下，复合消融二元掩模是一种消融二元掩模，其存储了所使用的所有消融模式的复合或交集。
机器可执行指令的执行还使处理器初始化按顺序的消融探头配置列表。最初按顺序的消融探头配置列表可能为空。随着算法的继续，不同的消融探头配置被添加到按顺序的消融探头配置列表中。
机器可执行指令的执行还使处理器通过首先通过将复合消融二元掩模与所期望的消融体积进行比较来确定未消融体积，从而生成按顺序的消融探头配置列表。未消融体积被配准到三维医学图像数据。复合消融二元掩模可以用于使用按顺序的消融探头配置列表上的配置来识别已经消融或打算消融的区域。所期望的消融体积与复合消融二元掩模之间的比较可以用于找到仍需要消融的区域或添加的额外探头以便消融发生。
机器可执行指令的执行还使处理器通过使用所选择的目标函数来确定选择消融探头配置，来生成按顺序的消融探头配置列表，所选择的目标函数取决于一个或多个受保护体积、未消融体积、消融模式离散集以及消融探头位置离散集。选择消融探头配置指定消融探头位置离散集中的一个消融探头位置和消融模式离散集中的一个消融模式。在该步骤中，可以使用选择目标函数来评估消融探头位置离散集中的每一个中的消融模式离散集的各种组合。
选择目标函数用于做出最佳选择。选择目标函数可以用于客观地测量类似于未消融体积的覆盖以及避开一个或多个受保护体积等。
选择消融探头配置指定了消融探头位置离散集中的一个消融探头位置和消融模式离散集中的一个消融模式。机器可执行指令的执行还使处理器通过计算复合消融二元掩模与消融模式离散集中的位于消融探头位置离散集中的一个消融探头位置处的一个消融模式之间的并集来更新复合消融二元掩模，从而生成按顺序的消融探头配置列表。在选择消融探头配置完成后，该选择随后被用于更新复合消融二元掩模，以指示该选择消融探头随后消融哪个区域。机器可执行指令的执行还使处理器通过将选择消融探头配置添加到按顺序的消融探头配置列表来生成按顺序的消融探头配置列表。
机器可执行指令的执行还使处理器重复生成按顺序的消融探头配置列表，直到满足预定标准集中的一个或多个。例如，操作员可以指定使用的消融探头的最大数量。在将消融模式离散集的最大数量添加到选择消融探头配置之后，该方法可以停止。可以使用其他标准，如指定复合消融二元掩模覆盖的所期望的消融体积的最小量。另一个标准可以是被消融的一个或多个受保护体积的最大量。在一些情况下，该方法还可以阻止一个或多个受保护体积中的任一个被消融。
该医疗系统可能是有益的，因为它可以提供一种确定用于执行所期望的消融体积的消融的消融探头的位置的非常有效的方式。该方法使用离散位置来定位消融探头，其形式为消融探头位置离散集以及消融模式离散量。例如，这可能不会达到最优解，但在计算上非常高效，因为它实现了非常接近任何最优值的解。这例如具有以下好处：可以快速考虑并使用更多种类的消融探头来组装特定受试者的消融探头配置。
上述实施例既适用于同时插入受试者内的多个消融探头，也适用于顺序插入的消融探头。选择目标函数的使用均可以解释为求解使用目标函数制定的优化问题。
在另一个实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器通过将消融探头位置离散集中的每一个迭代地分配给空间连续的探头位置并且使用第二目标函数修改空间连续的探头位置，来更新按顺序的消融探头配置列表。在该实施例中，在两个主要步骤中进行按顺序的消融探头配置列表的确定。在第一步中，首先确定探头位置和消融模式离散集。在第二步中，修改消融探头配置离散集为空间连续的，然后迭代地改进这些配置中的每一个。该实施例可能是有益的，因为它可以用极其快速和有效的数值方法提供非常接近最优值的按顺序的消融探头配置列表。
第二目标函数可以与选择目标函数相同，也可以是不同的目标函数。
在另一个实施例中，空间连续的探头位置是空间连续的线性位置和/或空间连续的旋转。在该实施例中，空间连续的探头位置可以例如是消融探头在线性方向上移动多远和/或它旋转多远。这可以还帮助优化按顺序的消融探头配置列表。
在另一个实施例中，医疗系统还包括显示器。机器可执行指令的执行还使处理器在显示屏上显示顺序消融探头配置列表。这可能是有益的，因为执业医师可以具有格式为使执业医师能够使用消融探头来实现的按顺序的消融探头配置列表。
在另一个实施例中，按顺序的消融探头配置列表是用于索引消融探头插入块的网格位置和插入深度的列表。如本文所用，索引消融探头插入块是在受试者外部并且相对于受试者安装在固定位置的结构或引导件。执业医师可以选择消融探头可以插入其中的多种不同引导件中的一种引导件。这些例如可以被赋予索引值或标签。然后执业医师可以将消融探头以特定深度插入索引消融探头插入块中。网格位置和插入深度列表的提供为执业医师将消融探头插入受试者得知正确部位提供了简单的引导。例如，这可以按顺序进行，或它可以同时用一个以上的探头完成。
在另一个实施例中，按顺序的消融探头配置列表被显示为在按顺序的消融探头配置列表中指定的消融探头的自由位置的图示。例如，消融探头的自由位置的图示可以叠加在医学图像上。这对于执业医师正确定位消融探头可能是有用的。
在另一个实施例中，医疗系统还包括被配置为获取三维医学图像数据的医学成像系统。机器可执行指令的执行还使处理器控制医学成像系统获取三维医学图像数据。这例如可能是有益的，因为医疗系统具有测量受试者的内部解剖结构以及指定消融探头的位置的方式。
在另一个实施例中，医学成像系统是磁共振成像系统。
在另一个实施例中，医学成像系统是超声系统。
在另一个实施例中，医学成像系统是计算机断层扫描系统。
在另一个实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器控制医学成像系统获取实时消融探头跟踪数据。机器可执行指令的执行还使处理器使用实时消融探头跟踪数据确定配准到三维医学图像数据的消融探头位置。机器可执行指令的执行还使处理器使用显示器实时绘制叠加在三维医学图像数据上的消融探头位置。该实施例可能是有益的，因为它可以在执业医师插入消融探头时提供一种不仅指定消融探头的位置而且实际显示消融探头在哪里的方式。这可以帮助执业医师正确定位消融探头。
在另一个实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器确定按顺序的消融探头配置列表的所选择的消融探头配置的测量位置。机器可执行指令的执行还使处理器使用测量位置作为固定位置重新计算按顺序的消融探头配置列表。在该实施例中，医学成像系统测量放置消融探头的实际位置；这是测量位置。这提供了有关消融实际发生位置的更详细信息。在该情况下，然后使用选择消融探头的实际测量位置重新计算按顺序的消融探头配置列表。该实施例可能是有益的，因为它可以帮助更有效地消融所期望的消融体积。
在另一个实施例中，机器可执行指令的执行还使处理器使用医学成像系统测量消融体积。机器可执行指令的执行还使处理器通过从所期望的消融体积中去除消融体积来校正所期望的消融体积。机器可执行指令的执行还使处理器使用校正的所期望的消融体积重新计算按顺序的消融探头配置列表。该实施例可能是有益的，因为与间接量(如消融探头的位置)形成对照，测量的是实际消融体积。这可能是有益的，因为在某些情况下，组织的行为可能不同于消融模式消散集中指示的模式。
例如，可以使用不同类型的医学成像系统以不同方式来测量消融体积。例如，如果医学成像系统是磁共振图像，则磁共振成像系统可以例如能够测量作为时间函数的受试者的空间相关温度。其他医学成像技术可以例如检查或检测由消融引起的损伤。例如，如果组织受损，其在超声扫描中的形式可能与未超声处理的组织不同。
在另一个实施例中，选择目标函数包括基于二次消融覆盖的目标函数、最小/最大消融覆盖函数和均匀二次覆盖函数。使用这些函数中的任一个都可能是有益的，因为它们在选择待消融的区域以及保护一个或多个受保护体积中指定的关键区域方面都是有效的。
在另一个实施例中，预定标准集包括允许的消融探头的最大数量。
在另一个实施例中，预定标准集包括所期望的消融体积的消融覆盖目标。例如，如果达到或超过所期望的体积的消融覆盖目标，则可以停止消融。
在另一个实施例中，消融模式离散集包括用于低温消融探头的消融模式。
在另一个实施例中，消融模式离散集包括用于激光消融探头的消融模式。
在另一个实施例中，消融模式离散集包括用于微波消融探头的消融模式。
在另一个实施例中，消融模式离散集包括用于聚焦超声消融探头的消融模式。
在另一个实施例中，消融模式离散集包括用于射频消融探头的消融模式。
在另一个实施例中，消融模式离散集包括用于不可逆电穿孔探头的消融模式。
在另一方面，本发明提供一种计算机程序产品，其包括由控制医疗系统的处理器执行的机器可执行指令。机器可执行指令的执行使处理器接收描述受试者的三维医学图像数据。机器可执行指令的执行还使处理器接收所期望的消融体积。所期望的消融体积被配准到三维医学图像数据。机器可执行指令的执行还使处理器接收一个或多个受保护体积。一个或多个受保护体积被配准到三维医学图像数据。
机器可执行指令的执行还使处理器生成被配准到三维医学图像数据的消融探头位置离散集。机器可执行指令的执行还使处理器接收消融模式离散集。消融模式离散集包括多个消融模式。机器可执行指令的执行还使处理器初始化被配准到三维医学图像数据的复合消融二元掩模。机器可执行指令的执行还使处理器初始化按顺序的消融探头配置列表。
机器可执行指令的执行还使处理器通过将复合消融二元掩模与所期望的消融体积进行比较来确定未消融体积，从而生成按顺序的消融探头配置列表。未消融体积被配准到三维医学图像数据。机器可执行指令的执行还使处理器通过使用所选择的目标函数来确定所选择的消融探头配置，所选择的目标函数取决于一个或多个受保护体积、未消融体积、消融模式离散集以及消融探头位置离散集，从而生成按顺序的消融探头配置列表。选择消融探头配置指定了消融探头位置离散集中的一个消融探头位置和消融模式离散集中的一个消融模式。
机器可执行指令的执行还使处理器通过计算复合消融二元掩模和位于消融探头位置离散集中的一者处的消融模式离散集中的一个或多个之间的并集来更新复合消融二元掩模，从而生成按顺序的消融探头配置列表。机器可执行指令的执行还使处理器通过将选择消融探头配置添加到按顺序的消融探头配置列表来生成按顺序的消融探头配置列表。机器可执行指令的执行还使处理器重复生成按顺序的消融探头配置列表，直到满足预定标准集(134)中的一个或多个。该实施例的优点已经在前面讨论过。
在另一方面，本发明提供了一种操作医疗系统的方法。该方法包括接收描述受试者的三维医学图像数据。该方法还包括接收所期望的消融体积。所期望的消融体积被配准到三维医学图像数据。该方法还包括接收一个或多个受保护体积，其中一个或多个受保护体积被配准到三维医学图像数据；该方法还包括生成被配准到三维医学图像数据的消融探头位置离散集。该方法还包括接收消融模式离散集。消融模式离散集包括多个消融模式。该方法还包括初始化被配准到三维医学图像数据的复合消融二元掩模。该方法还包括初始化按顺序的消融探头配置列表。该方法还包括通过将复合消融二元掩模与所期望的消融体积进行比较来确定未消融体积，从而生成按顺序的消融探头配置列表。未消融体积被配准到三维医学图像数据。
该方法还包括通过使用所选择的目标函数确定选择消融探头配置，从而生成按顺序的消融探头配置列表，所选择的目标函数取决于一个或多个受保护体积、未消融体积、消融模式离散集和消融探头离散集。选择消融探头配置指定消融探头位置离散集中的一个消融探头位置和消融模式离散集中的一个消融模式。该方法还包括通过计算复合消融二元掩模与消融模式离散集中的位于消融探头位置离散集中的一个消融探头位置处的一个消融模式之间的并集来更新复合消融二元掩模，从而生成按顺序的消融探头配置列表。
该方法还包括通过将选择消融探头配置添加到按顺序的消融探头配置列表来生成按顺序的消融探头配置列表。该方法还包括重复生成按顺序的消融探头配置列表，直到满足预定标准集中的一个或多个。该实施例的优点已经在前面讨论过。应当理解，本发明的上述实施例中的一个或多个可以组合，只要组合的实施例不相互排斥。
如本领域技术人员将理解的，本发明的方面可以体现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本发明的方面可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这些方面在本文通常都可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的各方面可以采用包含在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有包含在其上的计算机可执行代码。
可以利用一种或多种计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。如本文所用，“计算机可读存储介质”涵盖可以存储由计算设备的处理器可执行的指令的任何有形存储介质。计算机可读存储介质可以被称为计算机可读非暂时性存储介质。计算机可读存储介质也可以被称为有形计算机可读介质。在一些实施例中，计算机可读存储介质还能够存储能够被计算设备的处理器访问的数据。计算机可读存储介质的示例包括但不限于：软盘、硬磁盘驱动器、固态硬盘、闪存、USB拇指驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、磁光盘和处理器的寄存器文件。光盘的示例包括压缩盘(CD)和数字多用途光盘(DVD)，例如CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质还指能够被计算机设备经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如，可以通过调制解调器、互联网或局域网检索数据。包含在计算机可读介质上的计算机可执行代码可以使用任何合适的介质，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等，或者前述的任何合适的组合，来传输。
计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，其中包含计算机可执行代码，例如，在基带中或作为载波的部分。此种传播的信号可以采用多种形式中的任一种，包括但不限于电磁、光或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以为任何计算机可读介质，其不是计算机可读存储介质并且可以通信、传播或传输供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序。
“计算机存储器”或“存储器(memory)”是计算机可读存储介质的示例。计算机存储器是处理器可直接访问的任何存储器。“计算机存储设备”或“存储设备(storage)”是计算机可读存储介质的另一个示例。计算机存储是任何非易失性计算机可读存储介质。在一些实施例中，计算机存储器也可以是计算机存储器，反之亦然。
如本文所用，“处理器”包括能够执行程序或机器可执行指令或计算机可执行代码的电子组件。提及的包括“处理器”的计算设备应该被解释为可能包含一个以上的处理器或处理核心。处理器可以例如是多核处理器。处理器还可以指单个计算机系统内或分布在多个计算机系统中的处理器集合。术语计算设备还应该被解释为可能是指计算设备的集合或网络，每个计算设备包括一个或多个处理器。计算机可执行代码可以由多个处理器执行，这些处理器可以在同一计算设备内或者甚至可以跨多个计算设备分布。
计算机可执行代码可以包括机器可执行指令或使处理器执行本发明的方面的程序。用于执行本发明的各方面操作的计算机可执行代码可以以一种或多种编程语言的任意组合编写，包括面向对象的编程语言(如Java、Smalltalk、C 等)，以及传统的过程编程语言(如“C”编程语言或类似的编程语言并编译成机器可执行指令)。在一些情况下，计算机可执行代码可以是高级语言的形式或预编译的形式，并且可以与即时生成机器可执行指令的解释器结合使用。
计算机可执行代码可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立软件包、部分在用户计算机上、部分在远程计算机上执行或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(例如，使用互联网服务提供商通过互联网)。
参考根据本发明的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的方面。应当理解，流程图、图示和/或框图的每个块或块的一部分在适用时可以由计算机可执行代码形式的计算机程序指令来实现。还应当理解的是，当不相互排斥时，可以组合不同流程图、图示和/或框图中的块的组合。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以生产机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令，创建用于实施流程图和/或一个或多个框图块中指定的功能/动作的方式。
这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该介质可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实施流程图和/或一个或多个框图块中指定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以引起在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实施过程，使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令提供用于实施流程图和/或一个或多个框图块中指定的功能/动作的过程。
如本文所用，“用户界面”是允许用户或操作员与计算机或计算机系统交互的界面。“用户界面”也可称为“人机界面设备”。用户界面可以向操作员提供信息或数据和/或从操作员接收信息或数据。用户界面可以使来自操作员的输入能够被计算机接收并且可以从计算机向用户提供输出。换句话说，用户界面可以允许操作员控制或操纵计算机并且该界面可以允许计算机指示操作员的控制或操纵的效果。在显示器或图形用户界面上数据或信息的显示是向操作员提供信息的示例。通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、指点杆、图形输入板、操纵杆、游戏手柄、网络摄像头、耳机、踏板、有线手套、遥控器和加速度计接收数据都是用户界面组件的示例，这些组件能够接收来自操作员的信息或数据。
如本文所用，“硬件接口”涵盖使计算机系统的处理器能够与外部计算设备和/或装置交互和/或控制外部计算设备和/或装置的接口。硬件接口可以允许处理器向外部计算设备和/或装置发送控制信号或指令。硬件接口还可以使处理器能够与外部计算设备和/或装置交换数据。硬件接口的示例包括但不限于：通用串行总线、IEEE 1394端口、并行端口、IEEE 1284端口、串行端口、RS-232端口、IEEE-488端口、蓝牙连接、无线局域网连接、TCP/IP连接、以太网连接、控制电压接口、MIDI接口、模拟输入接口和数字输入接口。
如本文所用，“显示器”或“显示设备”涵盖适用于显示图像或数据的输出设备或用户界面。显示器可以输出视觉、音频和/或触觉数据。显示器的示例包括但不限于：计算机显示器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、盲文屏幕、阴极射线管(CRT)、存储管、双稳态显示器、电子纸、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子体显示屏(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影仪和头戴式显示器。
三维医学图像数据在本文中被定义为表示解剖数据可视化的重建三维数据。可以使用计算机执行可视化。
磁共振(MR)成像数据在本文中被定义为在磁共振成像扫描期间使用磁共振装置的天线由原子自旋发射的射频信号的记录测量值。磁共振成像(MRI)图像或MR图像在本文中被定义为包含在磁共振成像数据内的解剖数据的重建二维或三维可视化。磁共振图像可以是二维或三维医学图像数据的示例。
附图说明
在下文中，将仅通过示例并且参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了医疗系统的示例；
图2示出了示出操作图1的医疗系统的方法的流程图；
图3示出了医疗系统的另一个示例；
图4示出了说明操作图3的医疗系统的方法的流程图；
图5示出了消融模式离散集的示例；
图6示出了示出方法的另一个示例的流程图；
图7示出了创建消融二元掩模的示例；
图8示出了复合消融二元掩模；
图9示出了消融探头位置和/或取向的局部细化；
图10示出了消融探头的消融区的局部细化；
图11示出了用于消融数值模拟的合成体模；
图12示出了对图11的合成体模使用一个消融探头的模拟；
图13示出了对图11的合成体模使用两个消融探头的模拟；
图14示出了对图11的合成体模使用三个消融探头的模拟；
图15示出了对图11的合成体模使用四个消融探头的模拟；
图16示出了对图11的合成体模使用七个消融探头的模拟；
图17示出了对图11的合成体模使用十二个消融探头的模拟；
图18示出了图11至图17所示模拟的不同迭代的消融目标函数F(A)；
图19示出了图11至图17所示模拟的不同迭代的消融靶区的分数；
图20示出了图11至图17所示模拟的不同迭代的OAR区域的消融分数；
图21示出了图11至图17所示模拟的不同迭代的正常组织的消融分数；
图22示出了图形用户界面的示例；
图23示出了图形用户界面的另一个示例；
图24示出了图形用户界面的另一个示例；以及
图25示出了图形用户界面的另一个示例。
具体实施方式
这些附图中相同编号的元件是等效元件或执行相同功能。如果功能是等效的，则前面已经讨论过的元件将不必在后面的图中讨论。
图1示出了医疗系统100的示例；医疗系统100被示为包括具有处理器104的计算机102。处理器104旨在表示具有一个或多个内核的一个或多个处理器。处理器104被示为在单个计算机102内，但也可以分布在多个计算机系统中。处理器还示为连接到可选的硬件接口106、用户界面108和存储器110。硬件接口106可以使处理器104能够与医疗系统的其他组件通信。例如，如果医疗系统100包括医学成像系统，则硬件接口106可以使处理器104能够控制和操作医学成像系统。用户界面108可以是使用户或操作员能够与医疗系统100交互的用户界面。例如，用户界面108可以包括显示器。存储器110可以是处理器104可访问的存储器的任何组合。这可以包括诸如主存、高速缓冲存储器以及诸如闪存RAM、硬盘驱动器或其他存储设备之类的非易失性存储器。在一些示例中，存储器110可以被认为是非暂时性计算机可读介质。
在一些示例中，存储器110可以示为包含机器可执行指令112。机器可执行指令112使处理器104能够执行基本数据处理技术并且还控制医疗系统100的其他组件(如果它们存在)。存储器110还示为包含三维医学图像数据114。存储器110还示为包含所期望的消融体积116。所期望的消融体积116配准到三维医学图像数据114。存储器110还被示为包含一个或多个受保护体积118。一个或多个受保护体积118还配准到三维医学图像数据114。一个或多个受保护体积118可以表示受试者的不应被消融的器官或敏感解剖结构。存储器110还示为包含消融探头位置离散集120。这些是三维医学图像数据114内可以放置消融探头的位置。
存储器110还示为包含复合消融二元掩模122。复合消融二元掩模122是用于示出多个消融探头执行消融的所有不同位置的二元掩模。它可以用于跟踪应该消融的体积。存储器110还示为包含按顺序的消融探头配置列表124。按顺序的消融探头配置列表124包含消融探头位置和轮廓的列表。各个轮廓可以对应于特定消融探头的选择以及用于该消融探头的特定功率配置。
在一些示例中，存储器110还示为包含未消融体积126。未消融体积是所期望的消融体积116减去复合消融二元掩模122。这是仍然需要消融的体积。存储器110还示为包含选择消融探头配置128。选择消融探头配置128是对选自消融探头位置离散集120中的位置和消融模式离散集130中的一者中的选择。该消融模式集130还示为存储在存储器110中。该消融模式集130可以例如指示特定消融探头的选择以及该消融探头的操作模式。例如，可以通过对于具有不同功率量和/或持续时间的相同消融探头具有多个消融模式来选择功率。
存储器110还示为包含选择目标函数132。选择目标函数132取决于一个或多个受保护体积118和未消融体积126。然后使用它来评估消融模式集130中的每一个和消融探头位置集120中的每一个。例如，可以使用优化程序来选择最佳解决方案。存储器110还示为包含用于停止为按顺序的消融探头配置列表124选择更多探头的预定标准集134。
图2示出了示出操作图1的医疗系统的方法的流程图。首先在步骤200，接收描述受试者的三维医学图像数据114。在步骤202，接收所期望的消融体积116。在步骤204，接收一个或多个受保护体积118。在步骤206，生成消融探头位置离散集。在步骤210，初始化复合消融二元掩模122。在步骤212，初始化按顺序的消融探头配置列表124。
迭代地执行步骤214、216、218和220。在步骤214，通过比较复合消融二元掩模122和所期望的消融体积116来确定未消融体积126。例如，复合消融二元掩模122可以用于确定所期望的消融体积116的哪一部分尚未被消融。然后在步骤216，所选择的目标函数132用于确定所选择的消融探头配置128。所选择的目标函数使用未消融体积126和一个或多个受保护体积118，然后在消融探头位置离散集120中的每一个处尝试消融模式离散集130中的每一个。选择最佳解决方案并将其用作所选择的消融探头配置128。
在步骤218，通过计算复合消融二元掩模与位于消融探头位置离散集中的一者处的消融模式离散集中的一者之间的并集更新(218)复合消融二元掩模。在步骤220，将所选择的消融探头配置添加(220)到按顺序的消融探头配置列表中。该方法然后进行到步骤222，这是一个问题框，并且该问题是是否满足预定标准集中的任一个标准。如果答案是肯定的，则该方法进行到步骤224并且该方法结束。如果答案是否定的，则该方法返回到步骤214并且再次重复迭代过程。应当注意，每次通过该列表，复合消融二元掩模122将标出所期望的消融体积116的更大体积。
图3示出了医疗系统的另一个示例。医疗系统300类似于图1中所示的医疗系统100，不同之处在于它另外包含磁共振成像系统302。
磁共振成像系统302包括磁体304。磁体304是超导圆柱形磁体，具有穿过其中的孔306。也可以使用不同类型的磁体；例如，也可以同时使用分体式圆柱形磁体和所谓的开放式磁体。分体式圆柱形磁体类似于标准圆柱形磁体，不同之处在于低温恒温器被分成两部分以允许接近磁体的等平面，此类磁体可以例如与带电粒子束疗法结合使用。开放式磁体有两个磁体部分，一个在另一个上面，中间有足够大的空间来容纳受试者：这两个部分区域的排列类似于亥姆霍兹线圈的排列。开放式磁体很受欢迎，因为受试者不受限制。在圆柱形磁体的低温恒温器内部，有一组超导线圈。
在圆柱形磁体304的孔306内有成像区308，其中磁场足够强且均匀以执行磁共振成像。视场309显示在成像区308内。采集的磁共振数据通常是针对视场309采集的。受试者318示为由受试者支撑件支撑320，使得受试者318的至少一部分在成像区308和视场309内。在成像区308内，可以看到所期望的消融体积116和一个受保护体积118。
在磁体的孔306内还有一组磁场梯度线圈310，其用于采集初步磁共振数据以对磁体304的成像区308内的磁自旋进行空间编码。磁场梯度线圈310连接到磁场梯度线圈电源312。磁场梯度线圈310旨在具有代表性。通常，磁场梯度线圈310包含三个独立的线圈组，用于在三个正交空间方向上进行空间编码。磁场梯度电源向磁场梯度线圈提供电流。提供给磁场梯度线圈310的电流被控制为时间的函数并且可以是斜坡或脉冲的。
邻近成像区308的是射频线圈314，其用于操纵成像区308内磁自旋的方向，并用于接收也来自成像区308内自旋的无线电传输。射频天线可以包含多个线圈元件。射频天线还可以称为信道或天线。射频线圈314连接到射频收发器316。射频线圈314和射频收发器316可以由单独的发射和接收线圈以及单独的发射器和接收器代替。应当理解，射频线圈314和射频收发器316是代表性的。射频线圈314还旨在表示专用发射天线和专用接收天线。同样，收发器316还可以表示单独的发射器和接收器。射频线圈314还可以具有多个接收/发射元件并且射频收发器316可以具有多个接收/发射通道。例如，如果执行诸如SENSE的并行成像技术，则射频线圈314将具有多个线圈元件。
收发器316和梯度控制器312示为连接到计算机系统102的硬件接口106。存储器110还示为包含脉冲序列命令330。脉冲序列命令330是可以转换成使处理器104能够控制磁共振成像系统302的操作的命令的命令或数据。存储器110还示为包含已经通过用脉冲序列命令330控制磁共振成像系统302而采集的磁共振成像数据332。
可以以多种方式修改图3中描绘的医疗系统300。系统可以用于在消融探头插入受试者318时跟踪它们的位置。例如，可以将基准标记并入消融探头的尖端或其他区域。另外，磁共振成像系统302可以用专门的脉冲序列命令修改以测量受试者318内的温度。
图4描绘了操作图3的医疗系统300的另一种方法。图4中描绘的方法类似于图2中描绘的方法，不同之处在于该方法开始于步骤400，其中控制医学成像系统302以获取三维医学图像数据114。在该情况下，磁共振成像系统由脉冲序列命令330控制，这使得磁共振成像系统302采集磁共振成像数据332。然后可以将磁共振成像数据332重建为三维医学图像数据114。
消融治疗规划涉及消融设备的最优放置，这通常根据肿瘤位置和大小、设备制造商的规格以及医师的经验来确定。此外，为了减少对附近健康组织的不必要损伤，治疗消融区需要尽可能地符合肿瘤轮廓。标准的热消融治疗过程通常需要医师选择探头位置集和相应的传递参数集，例如来自设备制造商规格的消融功率和时间值。这种手动前向规划过程可能非常冗长、容易出错且次优。
示例可以提供用于解决热处理规划问题的离散逆向规划优化或混合离散-连续逆向规划优化方法。至此，仅要求临床专家提供以下输入：分割的感兴趣区域(三维医学图像数据114和一个或多个受保护体积118)集、待实现的临床目标(所期望的消融体积118)集，以及待使用的设备(消融探头)的消融规范(消融模式的离散集130)。然后，使用覆盖迭代贪婪算法集来找到能够尽可能满足所提供的临床协议目标的消融设备配置(即空间探头尖端位置/方向和其他消融设备参数)的最优最小数量。贪婪算法搜索局部最小值。此外，提出了一种交互式且简单的图形用户界面(GUI)，以允许临床专家直接执行所期望的动作集。
最后而并不是最不重要的是，可以轻松部署示例以进行实时定位引导和自适应热消融优化。在检测到相对于精确规划位置的探头尖端错位的情况下，可以考虑这些跟踪的错位以自适应地重新优化未递送的剩余集(按顺序的消融探头配置列表124)，以便重建所期望的的规划质量。
示例可以用于经皮消融癌症治疗。热消融治疗规划的一个潜在目标是确定消融探头位置和功率分布随时间的变化，其产生满足临床方案目标的最优消融分布(例如，必须向肿瘤递送一定的热剂量分布，尽可能保留附近危及器官(OAR)(一个或多个受保护体积118)。为了安全有效地实施热消融治疗，了解该过程的每个相关联成分的特征和局限性是有益的。给定患者的初始植入前CT(计算机断层扫描)或US(超声)图像，手动或自动勾画大体肿瘤体积(GTV)和所有附近的正常组织和危及器官。随后，将有限数量的探头实际插入GTV区域内部和/或周围。最后，随着时间的推移计算相应的最优功率分布，从而产生涵盖肿瘤的所需消融区。根据肿瘤的承受器官、大小和位置，消融模式-射频(RF)、聚焦超声(FU)、微波(MW)、激光、冷冻消融由医师选择。将消融探头插入肿瘤的方法取决于承受器官，但通常涉及徒手放置装置。
治疗规划涉及设备的放置和操作，这通常取决于设备制造商的规格和医师的经验。具体地，设备的功率控制通常由消融设备自动控制，或根据设备制造商的规格手动选择。
图5示出了消融模式离散集的示例。集合中的每一个均包括消融探头500和消融模式502。它还可以包含描述探头504的数据和用于单独模式的特定操作条件506。
在图5中，为微波探头消融功率和递送时间设置的不同组合提供了“预期”消融区集。通常，制造商使用组织加热模型通过有限元分析来估计消融大小。在实践中，由特定电极产生的单个消融的大小和形状可能会有所不同，并且取决于肿瘤的环境、组织内的微灌注、消融与大血管的接近程度等。
为了消融已识别的肿瘤区域，标准的热消融治疗过程让医师从设备供应商数据表上提供的组合集中选择探头位置集以及相应的消融功率和递送时间值(图5)。为了减少对附近正常组织和危及器官(OAR)的不必要损伤，消融区应尽可能保持在距大体肿瘤轮廓1-2厘米的距离内。手动前向规划过程可能非常冗长、容易出错且次优，因为它不采用任何数值优化方法来确保选择最优的消融设备配置集并将其用于患者治疗。
从理论角度看，热消融覆盖问题属于众所周知的集覆盖问题领域。最好的问题解应该呈现最少的消融次数以完全覆盖肿瘤，同时最大限度地减少对附近健康组织的附带损伤。虽然集覆盖问题是NP困难问题，但可以使用用于集覆盖的多项式时间近似的贪婪算法来实现精确解，该算法根据一种规则选择集合：“在每个阶段，选择包含最大数量的未覆盖元素的集合”。
图6示出了另一方法的示例；该方法开始于步骤600。接下来在步骤602中，生成消融设备配置的离散集。这可以包括各种3D空间尖端位置和方向，还可以包括消融模式。接下来在步骤604中，用零个选择探头初始化集合P，或者被选择用于热启动或先前的消融。然后该方法进行到步骤606，其中计算复合消融二元掩模。这是集合P中所有当前选择的探头消融二元掩模的并集。接下来在步骤608中计算消融目标函数。然后在步骤610中选择最佳探头配置Z并将其添加到集合P。
在一些示例中，步骤612是可选的。在步骤612中，为步骤P执行所选择探头配置的局部细化。这例如可以通过将离散位置改变为可以连续变化的各种位置来实现。然后该方法进行到步骤614。步骤614是问题框；是否满足停止条件。如果是真，则该方法进行到步骤616。如果是假，则该方法返回到步骤606并选择更多的消融探头和消融模式。
示例的应用可以包括从步骤0开始的以下5个步骤中的一个或多个：
0.规划者注意提供分割的感兴趣区域集。该过程可以自动完成或基于用户输入完成。感兴趣的是分割成癌性组织、风险组织和健康组织。规划者还将注意将规定的临床方案(即规定的临床目标/约束列表)转换为相应的基于消融的数学目标函数(例如，凸二次函数)，这些目标函数将在后续优化步骤中进行优化。鉴于消融设备供应商数据，为设备数据表中提供的所有功率-时间设置生成相应的消融二元掩模。这里，1’s表示消融区域，0’s表示非消融区域。对潜在消融探头尖端位置和探头方向的3D网格进行采样。最后，通过将采样的3D探头尖端位置/方向的集合和与所有可能的功率-时间设置相关的所有基于供应商数据的消融二元掩模相结合，生成消融设备配置离散集。
1.从步骤(0)生成的离散集中选择最小化基于消融的目标函数值的当前最佳探头配置。
2.鉴于步骤(1)的新的所选择的探头配置集，相应的探头位置与相应的消融二元掩模一起进行局部细化。如先前在步骤(1)中所做的那样，这里使用基于消融的目标函数来引导优化器朝向探头尖端位置、方向和所递送的消融二元掩模的最优集。
3.重复执行步骤(1)和(2)，直到达到满足所有临床约束的解，和/或选择用户定义的最大探头数。
4.递送规划。这里，可以实时跟踪新植入的探头。在与精确规划位置相比跟踪错位的情况下，步骤(1)-(3)被迭代地重新执行，直到找到新的再优化解。
示例的另一个方面是优化问题定义描述于下面的步骤中，从步骤0开始。
0.优化问题定义：
将所考虑的组织体积分割成结构，并为每个感兴趣的第k个结构(即肿瘤、危及器官、正常组织等)提供二元掩模。
医师规定临床方案，其中列出了需要满足的所有基于消融覆盖的目标。热消融治疗的典型目标是对局部癌细胞递送一致消融，同时尽可能多地保留附近的所有健康组织。该目标具有挑战性，因为大靶区体积的消融与正常组织消融引起的损伤耐受性相冲突。
在引入基于消融覆盖的目标函数集之前，需要对单个探头配置的递送消融区域以及由多个探头配置的递送产生的复合消融进行数学表示。
a.消融探头配置初始离散集的生成
鉴于供应商设备数据表，将每个消融功率和递送时间值的第j个组合的所期望的消融区转换为相应的3D消融二元掩模：
图7示出了包括消融探头的规格和消融模式502的消融设备配置702如何用于生成消融掩模700。可以看到选择消融模式502的区域来制作掩模700。消融设备配置使用(功率，时间)＝(60W,5分钟)和用于微波消融设备的相应消融二元掩模(右,式E1)。
在本发明中，构建了Nc探头配置的离散集C。这里，每个探头配置都由离散探头路径(即皮肤插入点、方向和最终探头尖端位置)的组合以及由功率-递送时间设置产生的所期望的二元掩模Ac组成(图3，右)。为了保持集合C的适度低基数Nc，仅考虑具有至少部分重叠肿瘤区域的二元掩模的探头配置。此外，由于随后对最佳选择的探头的离散位置和方向进行了局部细化，可以使用适度的采样因子和探头位置和方向的粗略空间离散化来填充集合C。
最后，当递送多个消融设备配置时，复合消融二元掩模A定义为所有相关消融二元掩模As的并集：
A＝∪sAs (E2)
b.消融结构体积分数
消融体积分数的概念在下文中用于量化受消融影响的结构的体积的量。假定第k个分段结构，其由复合消融二元掩模A产生的当前消融结构体积分数vk由下式给出：
这里Sk表示第k个分割感兴趣区域的二元掩模，|·|是基数(即大小)算子，并且|A∩Sk|表示累积消融体积与结构(即当前消融的分割结构部分，见图8)之间的交集的基数。
图8示出了由三种不同消融制成的复合消融二元掩模122的两个视图。左侧是复合消融二元掩模本身。右侧示出了具有所期望的消融体积116的复合消融二元掩模122。标记为126的区域是未消融的体积。
c.热消融复合目标函数
通常，所有感兴趣区域的临床目标都被转化为相应的双侧或单侧闭合准确消融覆盖类函数。
为了在尽可能多地保留附近健康组织的同时实现要求的肿瘤消融覆盖，医师可以规定所有感兴趣区域的消融覆盖阈值，例如：消融第k个结构的给定最小(和/或最大)体积分数t。为此，以下基于二次消融覆盖的目标函数可用作优化约束：
这里H(·)是Heaviside阶跃函数，t是规定的最小(最大)消融体积分数阈值，并且vk表示复合消融A产生的当前消融结构体积分数(见式E3)。
所有数学目标fi(A)都作为由所有选择的消融探头配置产生的复合消融区二元掩模A的函数给出(式E2)。
以下复合目标函数
可以定义和最小化以实现所期望的消融覆盖。
数量wi和wR表示分别为所有基于消融覆盖的目标函数和正则化项手动设置重要性权重。
正则化项R(A)是可选的，并且可能有不同的形式。这可以用于强制执行某些要求的特定消融区域特征。例如，我们可以使用Tikhonov正则化来避免复合消融二元掩模A的基数(即大小)太高，或者使用正则化项来控制(例如减少)导致肿瘤子区域的冗余消融的所有递送的探头消融二元掩模之间的重叠(即交叉点)的大小。
1.最优离散探头配置选择：
在本发明中，我们假设给定Nc探头配置的离散集C，并且对于每个第c个配置，计算了消融二元掩模Ac(步骤0)。
P定义为当前所选择探头配置的集合，并且其对应的复合(即并集)消融区二元掩模A如式E2所示。
使用集覆盖贪婪迭代算法的一些示例的目标是向选择集合P添加新的探头配置c*，这可能导致式(E6)基于消融函数F(A)的值提高。
为了选择最佳探头配置，在当前步骤n，通过下式为每个可能的第c个探头配置计算目标函数值fc：
fc＝F(A∪Ac)，c＝1，...，Nc. (E7)
这里，c表示消融探头配置的索引，并且Nc是离散集C中探头配置的总数。
在每次迭代n中，选择对应于最小目标函数值的探头配置c*并将其添加到探头配置的最优集c*中：
c*＝min{fc}，c＝1，...，Nc. (E8)
a.加快消融复合目标函数评估
在该示例中，公开了一种贪婪迭代算法，其中逐步选择多个最优探头配置。最佳探头配置的选择要求在每次算法迭代中计算所有Nc消融设备配置的函数目标fc＝F(A∪Ac)。
因此，对于所有Nc消融设备配置，在每个算法第n次迭代中重新计算所有消融的结构体积分数vk(Equ.E3)。
这些体积计算可以表示算法性能的严重瓶颈。
为了加速这些vk计算，可以使用以下等式：
vk(A∪Ac，Sk)＝vk(A，Sk) vk(Ac，Sk)-vk(A∩Ac，Sk). (E9)
其中，在式E9的右边数量，可以在开始时预先计算这些量vk(Ac，Sk)，这些vk(A，Sk)值是从先前的算法迭代中给出和已知的，而仅可以计算最后一项vk(A∩Ac，Sk)以获得所有消融设备配置的新值vk(A∪Ac，Sk)Nc。
由于交集(A∩Ac)的基数明显小于并集的基数，使用式9(A∪Ac)计算vk(A∪Ac，Sk)可以大大减少所需的计算时间。
2.所选择探头配置的迭代局部细化：
鉴于步骤(1)中所选择探头配置的新集合P，可以通过求解混合离散-连续迭代约束优化问题来局部细化相应探头的空间定位和所递送的消融二元掩模。
该局部细化步骤不是强制性的，并且当医师认为在步骤(0)中用于生成探头配置的初始集C的空间离散化足够精确时，可以放弃该步骤。
然而，如果使用非常粗略的空间离散化来减少步骤(1)的计算负担，则可以执行迭代局部细化步骤以提高所递送探头配置的精度，并因此增加肿瘤的消融覆盖(见下面的图9)。
在每次细化迭代中，首先，通过最小化与治疗目标相关的基于消融的函数来确定所有当前选择的探头消融掩模的最优局部刚性变换。
图9示出了消融探头的重新定位。500表示位置。该位置可以经由刚性变换到位置500'来改变。新调整的消融位置为902。这对所期望的消融体积116有更好的覆盖，并且仍然避开受保护体积118。图9示出了通过刚性变换对探头位置/方向及其消融区二元掩模的局部细化。从最初选择的离散探头位置和消融二元掩模开始，计算最优旋转平移变换(R,t)并将其应用于探头位置/方向，以增加肿瘤的消融覆盖。
这可以通过最小化式E6中引入的函数来实现。
关于刚性变换参数Rp，tp用于在每个网格位置x变换所选择探头尖端位置和方向以及相关联二元掩模:
A[Rp，tp](x)＝∪p∈PAp(Rpx tp) (E11)
可选地，可以对优化问题强制执行下限和上限，以便将优化搜索限制为仅包含临床可递送的探头的旋转平移变换的可行解集。
最后，结果是，获得了所有所选择探头配置的最优刚性变换参数
作为第二个局部细化步骤，刚性变换的探头的位置保持固定，并优化更新相应的所递送的消融二元掩模Ap。这里，设备制造商规范中提供的所有可能的二元掩模都在当前旋转平移探头的位置进行评估。最后，选择产生最小消融覆盖目标函数值的消融掩模的新集合Ap(参见下面的图10)。
图10示出了探头消融掩模优化。在该示例中，消融探头500的初始位置被改变，使得初始位置900移动到多个不同的调整消融位置902、902'。在该情况下，位置902更好地覆盖了所期望的消融体积116，并且仍然避开了一个或多个受保护体积118。制造商规范中所有可能的消融二元掩模都可以在当前最优旋转平移探头的位置进行评估。然后，选择产生最佳目标函数值的消融二元掩模。
为了降低该局部细化步骤的计算成本，我们可以将目标函数评估限制为仅在步骤(1)更新最后所选择探头配置的消融二元掩模，而所有其他选择的探头的二元掩模保持固定。
该迭代局部细化步骤将在探头的定位优化和最优二元掩模选择之间切换，直到达到用户规定的基于消融的目标函数精度和/或局部细化迭代的最大数量。
3.迭代优化策略：过程参数在迭代策略中进行优化，该迭代策略使用连续优化方法在初始离散集(步骤1)中探头配置的最优选择(步骤1)与当前所选择探头配置的局部细化(步骤2)之间切换。
图6给出了所提出的贪婪迭代方法的流程图。首先，在步骤(1)中，从离散探头配置的大集合中选择最佳探头配置，然后，在第二步中，对所有当前选择的探头进行局部重新定位，以提高肿瘤的总消融覆盖，等等。
如果/当达到给定的基于消融覆盖的函数F精度，和/或达到给定的选择的消融探头的最大数量时，算法迭代将停止。在这些情况下，将返回使用Nsel所选择探头的最后获得解。
最后，为了提高总计算时间，可以在每次迭代中选择一个以上的新探头配置。这将减少在消融覆盖质量方面以某些退化为代价找到最佳解所需的函数计算数量。
通过利用临床专家的先验知识，可以正确初始化所选择探头的配置P和相应的复合消融区A。
如果没有此种初始化可用，则假定完全为空的初始设置(即)；那么该迭代策略将用最有希望的探头配置填充集合P。
4.实时定向引导和自适应消融覆盖优化：在第3步优化的规划可以由临床专家递送。这里，实时连续跟踪植入的探头。在检测到相对于规划位置探头尖端错位的情况下，可以考虑这些跟踪的错位以自适应地再优化剩余的探头集和相应的复合消融(步骤(1)-(3))，以便重建所期望的的规划质量。
图11至图21示出了使用合成数据进行评估的示例。3D合成体模(synthetic phantom)被使用，其由肿瘤体积1104、危及器官(OAR)区域1106和健康组织区域1102组成。至此，使用了每个方向有20个体素的3D各向同性网格，其中靶区(图11,1104)是大小为7*5*5体素的平行六面体，OAR区域(图11,1106)是5个体素边缘的立方体，而剩余的3D网格被分割为正常组织区域(图11,1102)。
如上所述，图11示出了用于模拟方法的合成体模1100。在合成系统内，标记为1102的大区域代表正常组织。1104指示的区域表示肿瘤或所期望的消融体积。标记为1106的体积表示与受保护体积等效的OAR或危及器官。
在开始迭代优化方法之前，生成了消融设备配置的初始离散集C。将递送半径为0.5、1和2体素的球形消融区的模拟消融探头用于实验。对于探头尖端空间位置和方向，仅考虑具有至少部分与肿瘤区域重叠的球形二元掩模的探头配置。最后，预先计算了总共NC＝3513个探头配置作为算法的输入。规定的优化协议和相应的数学目标如表I所示。在该实验中，没有向基于复合消融的目标函数添加正则化。最后，使用最多15个消融探头和1E-15的相对客观函数精度作为停止标准。
在12次迭代之后，返回了完全满足所有规定协议约束的12个探头配置的最佳集。在表II中给出每次迭代的最优目标函数值。不同迭代的消融区域(蓝色)如图12所示。每次迭代的消融复合目标函数值绘于图13中。最后，肿瘤、OAR和正常组织区域的消融体积分数分别如图14、15和16所示。
图12示出了用一个探头消融后的模拟。区域1200表示消融区1200。单次消融仅消融了肿瘤1104的一部分。
图13示出了用两个探头消融后的模拟。消融区1200已经生长。标记为1300的区域是正常组织1102中的消融区。
图14示出了用三个探头消融后的模拟。
图15示出了用四个探头消融后的模拟。
图16示出了用七个探头消融后的模拟。
图17示出了使用12个探头后的消融。
一些实验结果总结在下表I和II中。
表I：步骤0-问题定义：临床方案和相应的数学目标。
表II：每次迭代时的消融函数值和消融结构体积分数。
图18示出了作为所用探头1800的数量的函数的a的目标函数f的值。这是图11至图17中所示模拟的每次迭代的消融目标函数F(A)值。
图19示出了作为所用探头1800的数量的函数的消融目标1900的分数。这是消融目标区域的分数vTumor(A)。
图20示出了作为所用探头1800的数量的函数作为百分比2000的消融OAR区域vOAR(A)的分数。可以看出，即使在使用12个探头后，被消融的OAR分数也不超过1.6％。
图21示出了作为探头1800的数量的函数作为百分比2100的消融正常组织区域vNT(A)的分数。
一些示例还可以提供热消融治疗规划系统GUI。
通过用户界面进行的用户交互和动作可以包括以下功能的一个或多个：
选择用于治疗递送的消融设备；
导入诊断患者图像(例如US、CT、MR等)；
在患者的诊断图像上分割感兴趣解剖结构；
可能需要用于癌症描述的可选图像配准；
手动(或自动)选择用于治疗递送的潜在皮肤入口点离散集；
生成消融探头配置离散集；
规定临床方案(即要满足的约束/目标集)；
优化逆向规划治疗方案；
执行最优治疗规划递送。
如果应用了自适应实时治疗规划和递送工作流程，则上面列表中的最后两个功能可以迭代多次(参见前面的步骤(4))。
在图22中，给出了用于用户选择待使用的消融设备的GUI选项卡的示例。这里，用户可以从预调试设备列表中选择消融设备，然后很容易显示制造商的数据。最后，要求用户批准所选择设备。
图22示出了用户界面2200的示例。该用户界面2200具有选择调试探头列表的控件2202。该用户界面2200还具有选择探头的配置的控件2204。这可以例如确定所使用的功率和递送时间。为了方便操作员，可以显示消融模式。用户界面2200还包含用于批准选择的控件2206。这里，用户可以从预调试设备列表中选择消融设备。也可以很容易地显示制造商的数据。
图23示出了用于生成消融探头配置的用户界面。示出了医学图像114以及可能的皮肤入口点2302。这些例如可以手动选择。控件2204允许将入口点添加到列表。存在通过使用查找表添加入口点的控件2304。存在批准选择的控件2206。图23用于消融探头配置离散集(消融探头位置离散集)的生成。这里，选择了多个潜在的皮肤入口点E1、E2、E3、...(a-b)。如果就近距离放射治疗而言，使用2D模板网格进行治疗递送，则也可以自动计算入口点列表。最后，基于入口点集合、多个用户给定参数和设备供应商数据(c)，计算探头配置的查找表。
在图23中，示出了用于生成消融探头配置离散集的GUI选项卡的模型(参见步骤(0.a))。这里，手动选择了许多潜在的皮肤入口点(a-b)。如果使用2D模板网格进行治疗递送，也可以自动计算入口点集。在提供皮肤入口点列表后，要求用户设置多个离散化参数，例如，用于计算离散角度集下的直线轨迹的探头扇形光束角采样。这些探头扇形光束轨迹将从所有提供的皮肤入口点开始计算。还提供了步长以沿每个笔直探头轨迹离散化多个探头尖端位置。设备供应商的消融数据和肿瘤分割二元掩模可以用于忽略所有探头配置，所期望的提供的消融和目标肿瘤区域之间没有重叠。
图24示出了为热消融逆向规划选项卡的另一用户界面2400。有图表2402示出了病灶的消融体积和几个危及器官。在图24中，示出了热消融逆向规划选项卡。这里，给出了患者的横向、矢状、正面和3D绘制图像。分段结构可以例如用不同的颜色描绘。最优总消融区域被可视化并叠加在患者图像上。为了便于规划评估，可以给出当前优化规划下消融结构的体积分数图。这里例如彩色柱状图可以用于显示结构体积的当前消融部分。在该图中，向上/向下方向的箭头可以用于指示临床方案中规定的最小/最大消融体积阈值。最后，可以显示临床协议约束。这里，用户可以为每个结构的消融体积覆盖提供最小和最大阈值集。在图19的示例中，用户规定必须消融至少95％的肿瘤病变，同时消融最多45％、25％和30％的OAR体积。还可以设置重要性权重，以对规定的约束赋予不同的重要性。还给出了当前优化规划下的结构体积分数。这里，交通信号灯可以用于高亮显示不满足规定的最小或最大体积阈值的约束值(例如红色)。可以经由GUI规定额外的用户优化停止标准，例如最大优化迭代次数、消融目标函数值容差、待使用的最大探头数等。
如上所述，图24示出了热消融逆向规划选项卡。在左侧，给出了患者的横向、矢状面、正面和3D绘制图像。分段结构可以用不同的颜色来描绘(蓝色：病变，红色：危及器官1(OAR1)等)。最优总消融区域被可视化并叠加在患者图像上。在右侧，顶部给出了当前优化规划下消融结构的体积分数图。竖条可以用于描绘结构消融体积的当前分数。箭头用于指示临床方案中当前规定的最小和最大消融体积阈值。在右下方，在“消融方案”选项卡上给出了规定的临床方案。这里，用户可以为每个结构的消融体积覆盖规定最小和最大阈值(“规定的(prescribed)”)。在示例中，用户规定消融至少95％的肿瘤病变，同时消融最大45％、25％和30％的OAR1、2、3。还可以设置重要性权重以赋予某些特定约束更多的重要性。当前优化规划的结构分数体积也显示在“计划的(projected)”栏下。这里，交通信号灯用于指示不满足规定的最小/最大体积阈值的约束。
最后，根据用户要求，可以显示消融探头的最佳递送顺序(参见图20，右下方)。所有探头都可以物理可视化并叠加在患者图像上的优化位置。从所列序列中选择的特定探头将自动高亮显示。探头列表可以提供一些几何和递送信息(例如皮肤入口点、待使用的供应商消融区、消融功率、递送时间等)。当3D探头尖端跟踪系统可用并应用自适应实时治疗规划和递送工作流程时，待递送的探头顺序可能会动态变化。这里，每次在计算和递送的探头位置之间识别出不匹配时，都可以执行新的优化以恢复规划质量，从而产生新的最优总消融区和待递送剩余探头的新的相应序列。
图25示出了用户界面2400的另一个视图。在该示例中，已示出探头插入位置2500，以便操作员知道在哪里插入消融探头。图25示出了热消融逆向规划选项卡。当用户单击“探头规划”选项卡(右下方)时，将显示待递送的消融探头序列。所有探头也被物理可视化并叠加在患者图像上。可以从列表中选择特定的探头，并且它将自动高亮显示(橙色)。探头列表可以提供一些几何和递送信息(例如皮肤入口点、待使用的供应商消融区、消融功率、递送时间等)。当探头尖端跟踪系统可用并应用自适应实时治疗规划和递送工作流程时，待递送的探头顺序可能会动态变化。这里，每次在计算的与递送的探头位置之间识别出不匹配时，都可以执行新的优化以恢复规划质量，从而产生新的最优总消融和待递送的相应探头序列。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是此种图示和描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，实践所要求保护的发明的本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变例。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他元件可以实现权利要求中列举的几个项目的功能。仅在相互不同的从属权利要求中列举的某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分发在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其一部分提供的光存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分发，例如通过互联网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
附图数字列表
100 医疗系统
102 电脑
104 处理器
106 可选硬件接口
108 用户界面
110 存储器
112 机器可执行指令
114 三维医学影像数据
116 所期望的消融体积
118 一个或多个受保护体积
120 消融探头位置离散集
122 复合消融二元掩模
124 按顺序的消融探头配置列表
126 未消融体积
128 所选择的消融探头配置
130 消融模式离散集
132 所选择的目标函数
134 标准的预定集
200 接收描述受试者的三维医学图像数据；
202 接收所期望的消融体积，其中所期望的消融体积被配准到三维医学图像数据；
204 接收一个或多个受保护体积，其中一个或多个受保护体积被配准到三维医学图像数据；
206 生成被配准到三维医学图像数据的消融探头位置离散集；
208 接收消融模式离散集，其中消融模式离散集包括多个消融图案
210 初始化被配准到三维医学图像数据的复合消融二元掩模
212 初始化按顺序的消融探头配置列表
214 通过将复合消融二元掩模与所期望的消融体积进行比较来确定未消融体积，其中未消融体积配准到三维医学图像数据
216 通过使用取决于一个或多个受保护体积、未消融体积、消融模式离散集以及消融探头位置离散集的所选择的目标函数确定选择消融探头配置
218 通过计算复合消融二元掩模与位于消融探头位置离散集中的一者处的消融模式离散集中的一者之间的并集更新复合消融二元掩模；和
220 将选择消融探头配置添加到按顺序的消融探头配置列表中
222 是否满足标准的预定集中任何一项？
224 结束
300 医疗系统
302 磁共振成像系统
304 磁体
306 磁体孔
308 成像区
309 视野
310 磁场梯度线圈
312 磁场梯度线圈电源
314 射频线圈
316 收发器
318 受试者
320 受试者支撑
330 脉冲序列命令
332 磁共振成像数据
400 获取三维医学影像数据
500 消融探头
502 消融模式
504 描述探头的数据
506 操作条件
600 开始
602 生成消融设备配置的离散集C
604 用零个所选择的探头初始化集合P(或热启动)
606 计算复合消融二元掩模A
608 计算消融目标函数值
610 在C中选择“最佳”探头配置并将其添加到集合P
612 集合P中所选择探头配置的局部细化
614 停止标准是否满足？
616 结束
700 消融掩模
702 消融设备配置
800 消融体积分数
802 成功消融体积
804 剩余非消融
900 初始消融位置
902 经调整的消融位置
902’ 经调整的消融位置
1100 合成体模
1102 正常组织
1104 肿瘤(所期望的消融体积)
1106OAR (受保护体积)
1200 肿瘤内消融区
1300 正常组织内消融区
1800 探头数量
1802 目标函数值F(A)
1900 消融靶区分数
2000 消融的OAR分数
2100 消融的正常组织分数
2200 用户界面
2202 用以选择征用探头列表的控件
2204 用以选择探头配置的控件
2206 用以批准选择的控件
2300 用户界面
2302 可能的皮肤入口点
2304 用以向列表添加入口点的控件
2306 用以自动计算查找表的控件
2400 用户界面
2402 消融体积
2500 探头插入位置。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。