用于肝脏肿瘤消融术的患者特定建模的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于肝脏肿瘤消融术的患者特定建模的系统和方法。公开了一种基于肝脏肿瘤消融术的患者特定模型进行肿瘤消融术规划和指导的方法和系统。从患者的3D医学图像数据估计肝脏和肝脏的循环系统的患者特定解剖模型。基于所述患者特定解剖模型仿真肝脏的循环系统和肝脏中的血流。基于虚拟消融探针位置以及肝脏的静脉系统和肝脏中的仿真的血流仿真由于消融术所导致的热扩散。基于仿真的热扩散仿真肝脏中的细胞坏死。生成仿真的坏死区域的可视图，并将其显示给用户以用于做出决策和进行最优治疗规划和指导。

【技术实现步骤摘要】
用于肝脏肿瘤消融术的患者特定建模的系统和方法本申请请求享受2012年11月9日提交的美国临时申请号61／724,567的优先权，其公开内容在此通过引用被并入。
技术介绍
本专利技术涉及消融术规划，并且更具体地涉及基于使用医学成像数据的肝脏肿瘤消融术的患者特定模型的治疗规划和指导。消融术是用于癌症治疗的一个选择。尽管近来在癌症治疗方面存在进步，但是对于腹部原发性和转移性肿瘤的治疗仍是巨大的挑战。例如，肝细胞癌(HCC)是全世界所遇到的一种最常见的恶性肿瘤(例如，每年大于一百万例)。仅在美国，153个人中就有1人会得上HCC，其中据报告5年存活率小于15％。对于原发性肝癌和肝转移瘤二者来说，肝脏切除术(部分肝切除)是具有局限性疾病的患者的当前优选的选择。在早期HCC的选定情况中，也可考虑与肝脏移植同时的全肝切除。不幸的是，少于25％的具有原发性或继发性肝癌的患者是切除术或移植的候选人，主要是由于肿瘤类型、位置或潜在的肝病。因此，越来越多的关注聚焦在用于不可切除的肝脏肿瘤的治疗的消融术方法上。该技术采用完全局部原地肿瘤摧毁而非摘除。已经采用各种各样的方法来局部地消融组织。射频消融术(RFA)是最常被使用的，但是也使用其他技术，包括乙醇注射、冷疗、不可逆电穿孔和微波消融术。RFA过程是通过将探针放置在肝脏软组织中的目标区域、即肿瘤内来执行的。探针的末端处的电极产生热量，其被传导到周围的组织中，从而在50℃至100℃之间的温度下引起凝固性坏死。除了增加不可切除的患者中符合肝癌的治愈性条件的患者的数量之外，局部组织消融术由于可使用微创方法(包括经皮地和经腹腔镜地)来执行消融而具有显著的益处。为了将探针放置在目标位置处，医师依靠术中成像技术，诸如超声。然而，过程的成功取决于探针的最优放置和热传递。不同的放置可能具有不同的结果。消融术的成功进一步受到耗散热量、由此潜在地减小RFA效率的肝血管的挑战。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于肝脏肿瘤消融术的患者特定建模的方法和系统。本专利技术的实施例对包括热扩散、细胞坏死和通过血管和肝脏的血流的消融术的效果进行建模。从诸如计算机断层摄影术(CT)或磁共振成像术(MRI)图像的患者的术前医学图像开始，肝脏和静脉系统的患者特定的几何结构被自动地估计。在生物热传递模型中将患者的血管结构解释作为散热体。生物热传递模型被耦合到计算流体动力学解算器以便精确地将血液循环对耗散的热量的影响考虑进去。采用细胞坏死模型来仿真由于过热而导致的细胞死亡，并且可以将仿真的坏死区域可视化。在本专利技术的一个实施例中，根据患者的3D医学图像数据估计肝脏以及肝脏静脉系统的患者特定的解剖模型。基于患者特定的解剖模型仿真肝脏和肝脏的静脉系统中的血液流动。基于虚拟消融探针位置及其操作参数以及肝脏和肝脏的静脉系统中的仿真的血液流动来仿真由于消融术而导致的热扩散。基于仿真的热扩散来仿真肝脏中的细胞坏死。生成仿真的坏死区域和温度地图的可视图。通过参考下面的详细说明和附图，本专利技术的这些和其他优点对本领域普通技术人员来说将会显而易见。附图说明图1示出根据本专利技术的实施例的用于肝脏肿瘤消融术的患者特定建模的方法；图2示出用于估计肝脏的患者特定解剖模型的示例性结果；图3示出肝静脉循环系统的示例性计算流体动力学(CFID)模型；图4示出根据本专利技术的实施例的实施用于仿真射频消融术(ABA)的计算模型的算法；图5示出仿真的坏死区域的示例性可视图；图6示出示例性的温度地图；图7示出与分析解决方案相比的对空间和时间仿真结果的分析；以及图8是能够实施本专利技术的计算机的高级框图。具体实施方式本专利技术涉及使用医学成像数据对肝脏肿瘤消融术的患者特定建模和仿真。在本文中描述了本专利技术的实施例，以给出对使用医学成像数据的患者特定建模和仿真的方法的视觉理解。数字图像通常由一个或多个物体(或形状)的数字表示构成。在本文中物体的数字表示通常就识别和操纵物体而言被描述。这样的操纵是在计算机系统的存储器或其他电路／硬件中完成的虚拟操纵。因此，要理解的是，本专利技术的实施例可以使用存储在计算机系统内的数据在该计算机系统内被执行。本专利技术的实施例利用计算框架用于射频消融术的患者特定规划和指导。从诸如计算机断层摄影术(CT)图像的术前3D医学图像开始，使用有效的机器算法自动估计肝脏和静脉系统的几何结构。然后对生物热方程求解，以获得整个肝脏相对于时间的温度曲线。根据细胞坏死模型在计算的每个时间步长下更新组织参数。图1示出根据本专利技术的实施例的用于肝脏肿瘤消融术的患者特定建模的方法。图1的方法变换代表患者的肝脏解剖结构的医学图像数据，以提供对肝脏肿瘤消融术的患者特定仿真。应当理解的是，图1的方法并不限于肝脏，并且也可被相似地应用于其它目标器官。在步骤102，接收患者的至少肝脏区域的术前3D医学图像数据。可使用诸如计算机断层摄影术(CT)、三维旋转血管造影术、磁共振成像术(MRI)、超声(US)、正电子发射断层摄影术(PET)等的任意类型的医学成像模态来采集术前3D图像数据，假定肝脏在医学图像数据中是完全可见的。可直接地从诸如CT扫描仪、C形臂图像采集设备、MRI扫描仪或US扫描仪的图像采集设备接收医学图像数据，或者可通过加载患者的先前存储的心脏图像数据来接收术前心脏图像数据。在可能的实施例中，计算机断层摄影术、荧光透视术、x射线或CT血管造影系统可被用来采集医学图像数据。患者可咽下或被注射对x射线来说基本不透明的造影剂。造影剂聚集在或位于循环系统中，因此血管与组织形成对照。可以使用诸如CT血管造影模式或旋转血管造影术的任何扫描序列或方法来生成术前3D医学图像数据。在步骤104，接收对虚拟消融探针的位置及其操作参数的指示。在一个实施例中，接收消融探针的放置位置的用户指示。消融术将在病变(例如肿瘤)或其他组织区域中或其附近发生。在给定解剖结构、消融术类型、消融设备类型或者其他限制的情况下，可以限制在组织中的放置。用户可以通过在术前医学图像数据中选择一个或多个位置来指示消融探针的可能放置。例如，用户可以使用诸如鼠标、触摸屏等的输入装置来选择患者的多平面重建中的位置。在可能的实施方式中，可提供消融探针的多个位置。例如，用户可指示用于对相继的消融操作或应用进行仿真的放置序列。在这种情况下，通过使用来自前面的运行的结果针对每个序贯探针位置重复图1的步骤108-114，来对该序列进行仿真。通过在步骤112中使用对细胞坏死的建模，在后续运行过程中可以针对不同位置考虑改变的组织特性。序贯放置可被用于较大的肿瘤，在较大的肿瘤中单个探针放置无法提供对肿瘤的足够的热剂量覆盖。在另一可能的实施方式中，用户可以指示多个放置以便使用多个设备同时对消融术进行仿真。基于单轮仿真计算累积的热剂量。在可替换的实施例中，用户并不指示放置。相反地，基于图像数据、诸如通过识别肿瘤的中心来自动地选择位置。可以自动地识别各种可能的放置并用分别的仿真进行检验。除了虚拟消融术探针的位置，用户还可以输入消融术探针的空间范围、消融术的类型、持续时间、期望的剂量、肿瘤的空间范围的指示、肿瘤中的位置的指示、用于消融术的能量量、消融设备的类型、能量序列和／或消融术或组织的其他特性。各种输入可以是自动化的。代替用户输入，处理器来提供这些信息。在步骤106本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于患者特定模型对目标器官中的肿瘤消融术疗法进行规划和指导的方法，包括：从患者的医学图像数据估计所述目标器官和所述目标器官的循环系统的患者特定解剖模型；基于所述患者特定解剖模型仿真所述目标器官的有孔区域和血管中的血流；考虑来自血管中的血流和有孔组织血液灌注二者的冷却效应、基于虚拟消融探针位置及工作参数和所述目标器官的有孔区域和血管中的仿真的血流仿真由于消融术所导致的热扩散；基于仿真的热扩散仿真所述目标器官中的细胞坏死；以及生成具有由于仿真所述细胞坏死而得到的仿真的坏死区域的患者特定解剖模型的可视图。

【技术特征摘要】
2012.11.09 US 61/724,567;2013.11.05 US 14/071,6881.一种基于患者特定模型对目标器官中的肿瘤消融术疗法进行规划和指导的方法，包括：从患者的医学图像数据估计所述目标器官和所述目标器官的循环系统的患者特定解剖模型；基于所述患者特定解剖模型仿真所述目标器官的有孔区域和血管中的血流；考虑来自血管中的血流和有孔组织血液灌注二者的冷却效应、基于虚拟消融探针位置及工作参数和所述目标器官的有孔区域和血管中的仿真的血流仿真由于消融术所导致的热扩散；基于仿真的热扩散仿真所述目标器官中的细胞坏死；以及生成具有由于仿真所述细胞坏死而得到的仿真的坏死区域的患者特定解剖模型的可视图；其中考虑来自血管中的血流和有孔组织血液灌注二者的冷却效应、基于虚拟消融探针位置及工作参数和所述目标器官的有孔区域和血管中的仿真的血流仿真由于消融术所导致的热扩散包括：对于患者特定解剖模型中的多个点中的每一点：在该点属于血管或动脉的情况下使用具有第一冷却项的第一生物热方程以及在该点属于有孔介质的情况下使用具有第二冷却项的第二生物热方程、在多个时间步长的每一个下来计算温度。2.如权利要求1所述的方法，其中从患者的医学图像数据估计所述目标器官和所述目标器官的循环系统的患者特定解剖模型包括：估计包括肝软组织、至少一个肿瘤、肝静脉、门静脉和至少一条动脉的肝脏的患者特定解剖模型。3.如权利要求2所述的方法，其中估计包括肝软组织、至少一个肿瘤、肝静脉、门静脉和至少一条动脉的肝脏的患者特定解剖模型包括：使用随机游走分割将医学图像中的肝软组织、所述至少一个肿瘤、肝静脉、门静脉和所述至少一条动脉中的每一个单独地分割；将分割的肝软组织、所述至少一个肿瘤、肝静脉、门静脉和所述至少一条动脉合并成多标签掩膜图像；以及基于所述多标签掩膜图像生成四面体网格。4.如权利要求2所述的方法，其中基于所述患者特定解剖模型仿真目标器官的有孔区域和血管中的血流包括：使用计算流体动力学(CFD)仿真在多个时间步长上计算肝静脉中的3D血流和入口压力；基于肝静脉中的所述3D血流和入口压力在多个时间步长上计算门静脉和动脉上游压力；以及使用CFD仿真基于所述门静脉上游压力在所述多个时间步长上计算门静脉和所述至少一条动脉中的3D血流。5.如权利要求1所述的方法，其中第一生物热方程是Pennes型模型生物热方程，并且第二生物热方程是Wulff-Klinger型模型生物热方程。6.如权利要求1所述的方法，其中在该点属于血管或动脉的情况下使用具有第一冷却项的第一生物热方程以及在该点属于有孔介质的情况下使用具有第二冷却项的第二生物热方程、在多个时间步长的每一个下来计算温度包括：如果该点属于血管或动脉，则在所述多个时间步长中的每一个下通过解算下式来计算所述温度：以及如果该点属于有孔介质，则在所述多个时间步长中的每一个下通过解算下式来计算所述温度：其中Tt是时间步长t下的温度，Q是表示由虚拟消融探针在所述虚拟消融探针位置和工作参数下所施加的热量的源项，v是由仿真的血流确定的血液速度，Tb0是血管和动脉中的血液的平均温度，pt和pb分别是组织和血液密度，ct和cb分别是组织和血液的热容量，dt是组织热导率，H是对流传递系数，以及ε是血液体积分数。7.如权利要求1所述的方法，其中肝脏的所述患者特定解剖模型包括肝软组织、至少一个肿瘤、肝静脉、门静脉和至少一条动脉，并且在该点属于血管或动脉的情况下使用具有第一冷却项的第一生物热方程以及在该点属于有孔介质的情况下使用具有第二冷却项的第二生物热方程、在多个时间步长的每一个下来计算温度包括：如果该点属于肝静脉、门静脉或所述至少一条动脉，则使用所述第一生物热方程在所述多个时间步长中的每一个下计算所述温度；以及如果该点属于肝软组织，则使用所述第二生物热方程在所述多个时间步长中的每一个下计算所述温度。8.如权利要求1所述的方法，其中调整由仿真所述热扩散而得到的热扩散地图，以使得随着时间的在所述热扩散地图中的多个位置处的温度与在对应位置处实际采集的温度相匹配。9.如权利要求1所述的方法，其中在多个时间步长中的每一个下对所述热扩散进行仿真，并且基于仿真的热扩散仿真所述目标器官中的细胞坏死包括：基于所述仿真的热扩散在所述多个时间步长上计算所述目标器官中的活细胞、易损细胞和死细胞的浓度的变化。10.如权利要求9所述的方法，其中基于所述仿真的热扩散在所述多个时间步长上计算所述目标器官中的活细胞、易损细胞和死细胞的浓度的变化包括：在每一时间步长下：基于在该时间步长下由所述仿真的热扩散生成的温度来计算细胞损伤率；以及基于所述细胞损伤率、细胞复原率以及所述目标器官中的活细胞、易损细胞和死细胞的先前浓度来计算所述目标器官中的活细胞、易损细胞和死细胞的浓度。11.如权利要求10所述的方法，其中基于所述仿真的热扩散仿真所述目标器官中的细胞坏死还包括：在每一时间步长下，在在下一时间步长下仿真所述热扩散之前，基于在该时间步长下计算得到的所述目标器官中的活细胞、易损细胞和死细胞的所述浓度来更新用于仿真所述热扩散的生物热模型的至少一个组织参数。12.如权利要求1所述的方法，还包括：生成示出所述目标器官中的所述仿真的热扩散的温度地图的可视图。13.一种基于患者特定模型对目标器官中的肿瘤消融术疗法进行规划和指导的设备，包括：从患者的医学图像数据估计所述目标器官和所述目标器官的循环系统的患者特定解剖模型的装置；基于所述患者特定解剖模型仿真所述目标器官的有孔区域和血管中的血流的装置；考虑来自血管中的血流和有孔组织血液灌注二者的冷却效应、基于虚拟消融探针位置及工作参数和所述目标器官的有孔区域和血管中的仿真的血流仿真由于消融术所导致的热扩散的装置；基于仿真的热扩散仿真所述目标器官中的细胞坏死的装置；以及生成具有由于仿真所述细胞坏死而得到的仿真的坏死区域的患者特定解剖模型的可视图的装置；其中考虑来自血管中的血流和有孔组织血液灌注二者的冷却效应、基于虚拟消融探针位置及工作参数和所述目标器官的有孔区域和血管中的仿真的血流仿真由于消融术所导致的热扩散的装置包括：在多个时间步长的每一个下来计算所述患者特定解剖模型中的多个点中的每一点的温度的装置，该装置在该点属于血管或动脉的情况下使用具有第一冷却项的第一生物热方程以及在该点属于有孔介质的情况下使用具有第二冷却项的第二生物热方程。14.如权利要求13所述的设备，其中从患者的医学图像数据估计所述目标器官和所述目标器官的循环系统的患者特定解剖模型的装置包括：估计包括肝软组织、至少一个肿瘤、肝静脉、门静脉和至少一条动脉的肝脏的患者特定解剖模型的装置。15.如权利要求14所述的设备，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·奥迪吉耶，T·曼西，V·米哈勒夫，A·卡门，D·科马尼丘，P·莎马，S·拉帕卡，H·德林格特，N·阿亚什，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：