專利名稱：基于心臟組織表面輪廓的放射外科手術治療方案設計的制作方法
基于心臟組織表面輪廓的放射外科手術治療方案設計相關申請的交叉引用本申請要求2009年7月17日提交的美國臨時專利申請No. 61/226，613 (律師案 No. 021902-002100US)的權益，其全部公開內容通過引用結合于此。背景已使用放射外科手術成功地治療了頭部、脊柱、腹部和肺部中的腫瘤以及其他目標。在放射外科手術期間，一系列電離放射光束通常從患者外部定向以會聚在靶區(qū)處，其中放射光束通常包括從不同位置和方向發(fā)射的MeV X射線光束。光束可通過中間組織定向到目標組織，以改變腫瘤的生態(tài)。光束軌跡幫助將放射暴露限制于中間組織以及其他附帶 (collateral)組織，同時在目標處的累積放射劑量可治療腫瘤。CYBERKNIFE放射外科手術系統(tǒng)(Accuray公司)和TRILOGY放射外科手術系統(tǒng)(瓦里安(Varian)醫(yī)療系統(tǒng))是兩種已知放射外科手術治療系統(tǒng)?，F(xiàn)代放射外科手術系統(tǒng)將成像結合到治療系統(tǒng)中以驗證目標組織的位置并適應微小的患者運動。一些系統(tǒng)還具有治療在呼吸期間運動的組織的能力，并且該特征已顯著地增加了可從放射外科手術受益的患者數(shù)量。還提出了對進行生理運動的其他組織的放射外科手術治療，包括將放射定向到心臟的所選區(qū)域以治療心房顫動以及其他心律不齊。在心房顫動期間，心房喪失其有組織的脈動(pumping)作用。按照健康的竇性心律，心房收縮、瓣膜打開，并且血液填充心室或下分庭。隨后，心室收縮以完成每一心跳的有組織循環(huán)。相反，心房顫動已被表征為跨心房傳送的一陣電能，以使心臟的上分庭抖動或顫抖。在心房顫動期間，血液不能隨著每一心跳從心房充分地騰空進入心室。通過基于適當?shù)牟≡顖D案(lesion pattern)將電離放射定向到心臟，所得疤痕組織可阻止再循環(huán)電信號并且由此減少或消除心房顫動。在腫瘤等的標準放射外科手術治療中，計算機斷層攝影(CT)成像提供一系列平面X射線掃描。對于鄰近腫瘤的X射線，方案設計(planning)醫(yī)生繪制目標組織的邊界， 其中該邊界被繪制在穿過腫瘤的掃描片(scan)上且該邊界環(huán)繞腫瘤(并且通常出于安全起見包括所治療組織的一些附加的偏移量或余量)。由于腫瘤通常包含在一個器官內(但是可替換地延伸超出器官表面至相鄰器官)，因此經方案設計的治療邊界與組織/組織界面輪廓完全無關。因此，治療方案通常被草擬為包圍其中腫瘤可見的每一 CT掃描片上的腫瘤的一系列圓圈。難以使用標準放射外科手術方案設計界面來繪制用于形成常規(guī)平面CT掃描片上的圖案的適當?shù)男穆刹积R病灶治療方案。醫(yī)生必須評估多個CT掃描片，并且在心臟的每一平面切片上繪制表示治療方案的適當?shù)木€和/或圓圈。醫(yī)生必須能夠從每一平面掃描片目測預期治療區(qū)域。盡管這表現(xiàn)為唯一的不便，但與本發(fā)明有關的工作指示，鑒于心臟的幾何形狀使用現(xiàn)有放射外科手術治療方案設計工具來有效地建立心律不齊治療方案驚人地困難。概述以下呈現(xiàn)了本發(fā)明的一些實施例的簡化概述以提供對本發(fā)明的基本理解。該概述不是本發(fā)明的廣泛概覽。它既不旨在標識本發(fā)明的關鍵/重要元素，也不旨在描繪本發(fā)明的范圍。其唯一目的是以簡化的形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些實施例，作為稍后呈現(xiàn)的更加詳細的描述的序言。根據一個實施例，一種系統(tǒng)生成心臟的組織表面的三維模型，具體地生成內表面 (血液/心臟組織界面)的三維模型。在該表面上，例如醫(yī)生使用用戶界面來繪制一條或多條圖案線，以指示該表面上的預期病灶用于抑制收縮通道。根據圖案線，病灶的三維體積可使用已知約束來確定(諸如從內心臟組織提供足夠厚度來使病灶在整個心壁上延伸，提供足夠寬度來阻止收縮跨病灶傳播等)。有利的是，三維體積所生成的一系列邊界可被投影回各個CT掃描片上，其隨后可被傳遞到標準放射外科手術方案設計工具。放射外科手術方案設計工具可使用現(xiàn)有軌跡計算例程來生成具有若干放射外科手術軌跡或輪廓的放射外科手術方案。一旦軌跡已被標識為形成預期病灶，“劑量云”就可被輸出到具有提供組織表面處的區(qū)域(例如，血液/心臟組織界面)的顯示器的新方案設計工具，該區(qū)域將接收足夠的放射來形成病灶。為了便于對放射外科手術治療進行方案設計，醫(yī)生通常將標識在三維組織表面上圖形化的位置，其中點和線卡合到組織表面的模型。可計算輸出病灶指示，作為沿組織表面的簡單的等劑量輪廓。在一個實施例中，提供了一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術方法。該方法包括從心臟獲取三維圖像數(shù)據；利用圖像數(shù)據來生成心臟的組織表面的三維模型；接收對表面模型的預期電離放射治療病灶圖案的用戶輸入用于減輕疾病； 以及基于預期病灶圖案輸出關于與三維圖像數(shù)據相關的經方案設計病灶圖案的信息。生成三維模型可包括基于心臟的血液和組織之間的邊界生成心臟的模型。該邊界可以是，例如心臟組織的內表面。來自心臟的三維圖像數(shù)據可以是多個二維數(shù)據切片。生成三維模型可包括基于每一二維數(shù)據切片中的血液和心臟組織之間的邊界的分段生成心臟的模型。三維模型可以例如通過將分段層疊或組裝在一起、以及通過在分段之間延伸表面來形成。在一個實施例中，輸出包括將病灶圖案投影到多個二維數(shù)據切片中的每一個上?？苫谟脩糨斎肷刹≡畹娜S體積，并且可基于該三維體積生成信息。該體積可以例如通過將用戶輸入擴展到足以抑制收縮通道的寬度、將用戶輸入擴展到足以透壁式地穿透心臟組織的深度、或擴展用戶輸入以覆蓋要進行治療的感興趣組織的區(qū)域來生成。根據另一實施例，提供了一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術方法。該方法包括從心臟獲取三維圖像數(shù)據；利用圖像數(shù)據來生成心臟的組織表面的三維模型；接收對表面模型的預期電離放射治療病灶圖案的用戶輸入用于減輕疾病； 以及基于預期病灶圖案生成電離放射治療方案，并且基于預期治療方案投影與圖像數(shù)據相關的劑量云。該方法還包括將對病灶圖案的用戶輸入卡合到模型的表面?？蓞⒄沼脩糨斎朐u估劑量圖案以確定充分的治療，該評估可包括例如繞表面移動劑量圖案以確認環(huán)形成繞表面的完整圓圈。移動可包括參照閾值評估環(huán)的厚度。根據另一實施例，提供了一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于從心臟獲取三維方案設計圖像數(shù)據的圖像捕捉設備；以及包括耦合到圖像數(shù)據的用于基于圖像數(shù)據生成心臟的表面模型的建模模塊和對表面模型的用于標識心臟的靶區(qū)的輸入的處理器系統(tǒng)，該處理器系統(tǒng)將輸入耦合到建模模型，從而響應于對表面模型的輸入來針對圖像數(shù)據生成病灶圖案。根據又一實施例，提供了一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于從心臟獲取三維方案設計圖像數(shù)據的圖像捕捉設備；用于從身體外部發(fā)射多個電離放射光束的放射源；以及包括具有用于標識心臟的靶區(qū)的輸入的方案設計模塊、和耦合到圖像數(shù)據的用于基于圖像數(shù)據生成心臟的表面模型的建模模塊的處理器系統(tǒng)，該方案設計模塊響應于靶區(qū)和方案設計圖像數(shù)據來生成放射光束的方案以基于方案投影劑量云，該處理器系統(tǒng)將方案設計模塊耦合到建模模塊以將劑量云投影到表面模型上。為了更完全地理解本發(fā)明的本質和優(yōu)點，應當參考后續(xù)詳細描述和附圖。附圖簡述

圖1示出可利用各個實施例的示例性經修改立體定向(stereotactic)放射外科手術系統(tǒng)；圖2是示出根據各個實施例的放射外科手術治療方法的流程圖；圖3是根據本文中實施例的心臟表面的三維模型的示圖，其中病灶方案添加到左視圖，而劑量云添加到右視圖；圖4是可利用本文中實施例的計算機系統(tǒng)的框圖；圖5示意性地示出可實現(xiàn)本發(fā)明的各個實施例的多個模塊；圖6是示出根據一個實施例的生成感興趣表面的三維模型的方法的流程圖；圖7是根據一個實施例的心臟內表面的3-D模型的示圖；圖8是示出根據一個實施例的利用圖6中所生成表面的模型來準備治療方案的方法的流程圖；圖9是根據一個實施例的被繪制到圖7的表面外部的切除線100的示圖；圖10是已生成圖7表面的心臟的基面的示圖，其示出圖9的切除線的交點；圖11是根據一個實施例的從圖9的切除線生成的環(huán)的示圖；圖12是根據一個實施例的網格化(tessellate)成形成實體積的圖11的環(huán)的示圖；圖13是根據一個實施例的其上投影有方案設計靶體積的心臟的軸向切片；圖14是與圖13相同的軸向切片，但是示出根據一個實施例的投影到心臟上的血液靶體積；圖15是與圖13相同的軸向切片，但是示出根據一個實施例的投影到心臟上的腔；圖16是根據一個實施例的示出輪廓的放射輪廓分布；圖17是具有圖17所示輪廓的心臟的軸向切片；圖18是示出根據一個實施例的參照所生成表面評估劑量云的方法的流程圖；圖19示出根據一個實施例的沿切除線投影到所生成表面上的劑量云；圖20是圖19的所生成表面的軸向切片，且在其上示出劑量云和切除線；圖21是示出根據一個實施例的確定劑量是否足夠的方法的流程圖22示出根據一個實施例的指示所生成組織表面上的劑量覆蓋范圍的面塊 (patch)；圖23示出一生成表面，其中劑量面塊的環(huán)繞所生成表面是完整的；以及圖24示出一生成表面，其中劑量面塊的環(huán)繞所生成表面是不完整的。本發(fā)明的詳細描述在以下描述中，將描述本發(fā)明的各個實施例。出于解釋的目的，闡述具體配置和細節(jié)以提供對這些實施例的透徹理解。然而，同樣對本領域技術人員顯而易見的是，沒有這些具體細節(jié)也可實踐本發(fā)明。此外，為了不混淆所描述的實施例，可省略或簡化公知特征。本文中的各個實施例涉及放射外科手術治療方案設計。一些所描述的實施例涉及用于治療心臟和/或冠狀血管的非腫瘤疾病的放射外科手術方案設計，但是本文中所描述的特征不限于該內容。本文中所描述的放射外科手術治療方案設計可利用已知放射傳輸系統(tǒng)中包括的或從其導出的許多組件。在圖1中示出示例性經修改CYBERKNIFE立體定向放射外科手術系統(tǒng)10作為示例。放射外科手術系統(tǒng)10包括安裝到機械手14的輕量線性加速器12。圖像引導系統(tǒng)16包括雙平面診斷X射線源18和圖像檢測器20來增強機械手14和目標點之間的配準。由于靶區(qū)中的組織可能未呈現(xiàn)高對比度圖像，因此圖像引導系統(tǒng)16可使用圖像處理技術來標識一個或多個替代結構的位置，其中這些替代結構通常包括高對比度自然組織結構(諸如骨骼等)或與目標組織相關地運動的人工植入的基準標記。目標跟蹤還可使用一個或多個表面圖像相機22，具體地用于標識胸壁對應于呼吸的運動。相機22可監(jiān)測在患者胸部上可見的發(fā)光二極管(LED)或其他高對比度基準標記?；颊咧С屑?4由對準臂 26可移動地支承以便于使患者(和治療點)與機械手14對準。現(xiàn)在參考圖2，相對簡單的治療流程圖40可表示一種以前使用以及根據本發(fā)明的各個實施例在放射外科手術治療期間所使用的方法。出于方案設計的目的，內部組織通常使用諸如計算機斷層攝影(CT)、磁共振成像(MRI)、超聲成像、X射線成像、光學相干斷層攝影、其組合、或其他成像模態(tài)之類的遠程成像模態(tài)來成像42。注意，只要充分對比的替代結構在圖像數(shù)據中可見來標識目標組織位置，實際上將放射重塑為目標的組織結構不需要在圖像中一定可見。許多實施例中所使用的方案設計成像將包括三維組織體積的時序，其中該時序通常跨越一個或多個運動周期(諸如心臟或心跳周期、呼吸或喘氣周期等)。在各個示例性實施例中，圖像數(shù)據包括通過心臟的一系列CT切片以提供體積或三維圖像數(shù)據。三維心臟圖像的時間序列優(yōu)選分布在整個心跳周期的時刻獲取，以使圖像方案設計數(shù)據有效地包括提供關于心跳期間的心臟組織的運動的信息的三維圖像數(shù)據集的時間序列?；诟鶕上?2所獲取的成像數(shù)據，可準備方案44以治療目標點處的組織。在完成方案44之后，可通過將患者定位在患者支承件24上、使患者與機械手14對準、以及將經方案設計的一系列放射光束從線性加速器12定向到心臟的靶區(qū)來開始心臟的放射外科手術治療46。本文中的各個實施例涉及有助于開發(fā)方案44的系統(tǒng)以及方法，其可使用現(xiàn)有或新開發(fā)的成像42和治療46。然而，本文中所定義的方案44的一個優(yōu)點是，其可使用諸如以上所述的CT成像之類的現(xiàn)有成像、以及諸如MULTIPLAN方案設計工具(Accuray公司) 之類的常規(guī)放射外科手術方案設計工具。例如，成像可采用以上所述的形式或其他形式，但是在各個實施例中利用通過心臟的一系列常規(guī)切片(例如，CT切片)以提供體積或三維圖像數(shù)據。治療46可以是常規(guī)的或經修改的，并且在題為“用于通過放射外科手術緩和心律不齊的心臟治療套件、系統(tǒng)以及方法(Heart Treatment Kit, System, and Method for Radiosurgically Alleviating Arrhythmia) ”(律師案 No. 021902-002000US)的同時提交的美國專利申請No. 61/271，177中描述了一個實施例，其全部公開內容通過引用結合于此。治療方案44通常包括靶區(qū)、以及在靶區(qū)內相交的一系列放射光束。目標組織內的放射劑量應當至少足以提供預期病灶。通常，放射劑量將足以切除組織、抑制心臟內的收縮通道、抑制心律失常發(fā)生等。目標組織外部的放射劑量將優(yōu)選地按照相對陡的梯度降低以抑制對附帶組織的過度損壞，其中指定的敏感組織結構和/或關鍵組織結構中的放射劑量通常被維持在預期最大閾值以下以避免不利的副作用?，F(xiàn)在參考圖2和3，如廣泛描述的，示例性治療方案設計模塊一般根據CT切片生成44A表面52的3D模型(圖3)，但是可使用其他成像數(shù)據。用戶界面允許系統(tǒng)用戶參考組織的表面(在附圖所示的示例中為心臟的表面52)來輸入44B預期病灶圖案50 (圖3)。 為了治療心臟的活動組織以抑制心律不齊，參考心臟表面52可包括血液/組織界面或者一個或多個心室和相鄰血管的內表面。雖然可通過在圖像獲取步驟42期間引入成像對比劑從三維方案設計圖像數(shù)據中更容易地標識內表面，但是替換實施例可采用心臟的外表面作為參考表面。由此，組織和血液之間存在清晰的分界線(demarcation)，從而允許更精確地定義表面52。在方案44的部分中使用病灶圖案50，如以下更詳細描述的。在44C，病灶圖案50所生成的一系列邊界可被投影回到各個CT掃描切片上，其隨后可被傳遞到常規(guī)放射外科手術方案設計工具。由此，常規(guī)放射外科手術工具的輸入一般與現(xiàn)有方法中的輸入(即，在各個CT掃描切片上定義的邊界)相同。然而，如本公開的背景中所描述的，現(xiàn)有方法要求外科醫(yī)生在每一單獨的切片上繪制。相反，本文中的方法以及系統(tǒng)生成被輸入到表面52的實體模型的輸入病灶圖案50。在一個實施例中，如以下所述，可提供劑量云54的可視化(圖3的右側)以在表面52上顯示。可通過常規(guī)放射外科手術工具來接收44D劑量云54作為輸出病灶指示，并且根據各個實施例，可在表面52上顯示44D劑量云54例如作為等劑量輪廓。如在病灶圖案50的情況下，可在生成或批準方案44的部分中使用劑量云54，如以下更具體描述的。本文中的各個實施例可利用用于生成表面52、指示預期病灶圖案50、提供劑量云 54的計算機實現(xiàn)的方法、和/或運行此處所描述的方法或系統(tǒng)的功能。為此，圖4是可在本文中所描述的實施例中利用的示例性計算機系統(tǒng)58的簡化框圖。計算機系統(tǒng)58通常包括經由總線子系統(tǒng)62與多個外圍設備通信的至少一個處理器60。這些外圍設備可包括包含存儲器子系統(tǒng)66和文件存儲子系統(tǒng)68的存儲子系統(tǒng)64 ；用戶界面輸入設備70 ；用戶界面輸出設備72 ；以及網絡接口子系統(tǒng)74。網絡接口子系統(tǒng)74提供到通信網絡75的接口， 以供與其他成像設備、數(shù)據庫等通信。處理器60結合來自操作員的任何數(shù)據輸入使用存儲在存儲器子系統(tǒng)66中的執(zhí)行指令來執(zhí)行計算機系統(tǒng)58的操作。例如，此類數(shù)據可通過用戶界面輸入設備70(諸如圖形用戶界面)輸入。由此，處理器60可包括從存儲器加載執(zhí)行指令的執(zhí)行區(qū)域。這些執(zhí)行指令隨后將使得處理器60向計算機系統(tǒng)58發(fā)送命令。雖然在本公開中被描述為一“處理器”，但是該處理器的功能可由一個計算機中的或分布在若干計算機上的多個處理器執(zhí)行。用戶界面輸入設備70可包括鍵盤；諸如鼠標、跟蹤球、觸摸墊、或圖形板之類的定點設備；掃描儀；腳踏板；操縱桿；結合到顯示器中的觸摸屏；諸如聲音識別系統(tǒng)、話筒之類的音頻輸入設備；以及其他類型的輸入設備。一般而言，術語“輸入設備”的使用旨在包括向計算機系統(tǒng)輸入信息的各種常規(guī)和專屬設備以及方式。此類輸入設備通常將用于從計算機網絡或有形存儲介質下載計算機可執(zhí)行代碼，其體現(xiàn)為用于本發(fā)明的任何方法的步驟或編程指令。用戶界面輸出設備72可包括顯示器子系統(tǒng)、打印機、傳真機、或諸如音頻輸出設備之類的非可視顯示器。顯示器子系統(tǒng)可以是陰極射線管(CRT)、諸如液晶顯示器(LCD)之類的平板設備、投影設備等。顯示器子系統(tǒng)還可諸如經由音頻輸出設備提供非可視顯示。一般而言，術語“輸出設備”的使用旨在包括從計算機系統(tǒng)向用戶輸出信息的各種常規(guī)和專屬設備以及方式。存儲子系統(tǒng)64存儲提供各種實施例的功能的基本編程和數(shù)據結構。例如，實現(xiàn)本文中所描述實施例的功能的數(shù)據庫和模塊可存儲在存儲子系統(tǒng)64中。這些軟件模塊一般由處理器60執(zhí)行。在分布式環(huán)境中，軟件模塊可存儲在多個計算機系統(tǒng)的存儲器中，并且可由多個計算機系統(tǒng)的處理器執(zhí)行。存儲子系統(tǒng)64通常包括存儲器子系統(tǒng)66和文件存儲子系統(tǒng)68。存儲器子系統(tǒng)66通常包括多個存儲器，包括用于在程序執(zhí)行期間存儲指令和數(shù)據的主隨機存取存儲器(RAM) 76、以及存儲固定指令的只讀存儲器(R0M)78。文件存儲子系統(tǒng)68可提供程序和數(shù)據文件的持久(非易失性)存儲，并且可包括硬盤驅動器、連同相關聯(lián)可移除介質的軟盤驅動器、壓縮數(shù)字只讀存儲器(⑶-ROM)驅動器、光驅、DVD,⑶-R、 CD-RW、或者可移動介質筒或盤。這些驅動器中的一個或多個可位于耦合到計算機系統(tǒng)的其他位點處的其他相連計算機上的遠程位置處。實現(xiàn)本發(fā)明功能的數(shù)據庫和模塊還可被文件存儲子系統(tǒng)68存儲?？偩€子系統(tǒng)62提供用于使計算機系統(tǒng)的各種組件和子系統(tǒng)彼此按需通信的機制。計算機系統(tǒng)的各種子系統(tǒng)和組件無需處于相同的物理位置，但是可分布在分布式網絡內的各個位置處。雖然總線子系統(tǒng)62被示意性地示為單條總線，但是總線子系統(tǒng)的替換實施例可利用多條總線。計算機系統(tǒng)58本身可以是各種類型的，包括個人計算機、便攜式計算機、工作站、 計算機終端、網絡計算機、顯示單元中的模塊、主機、或任何其他處理系統(tǒng)。由于計算機和網絡的永遠變化的本質，對圖4所描繪的計算機系統(tǒng)58的描述僅旨在作為用于圖示本發(fā)明的一個實施例的具體示例。計算機系統(tǒng)的許多其他配置是可能的，其具有比圖4所描繪的計算機系統(tǒng)58多或少的組件。圖5示意性地示出可實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的多個模塊80。模塊80可以是軟件模塊、硬件模塊、或其組合。如果模塊80是軟件模塊，則這些模塊將體現(xiàn)在計算機可讀介質上，并且由處理器60處理。數(shù)字數(shù)據模塊82接收CT體積或其他診斷圖像，并且如果尚未數(shù)字化，則創(chuàng)建圖像的數(shù)字數(shù)據文件。3-D建模模塊84根據數(shù)字數(shù)據文件構建預期表面的有限元或實體模型。 此類3-D建模模塊是已知的，并且示例實現(xiàn)細節(jié)連同圖6的描述在下文中提供。然而，如簡述的，3-D建模模塊84處理CT體積的切片并且創(chuàng)建感興趣表面的有限元或實體模型，如表面52所投影的(圖3)。為了便于引用，如從以下所使用的，“表面52”指感興趣表面的3-D 模型，并且在本文中所描述的實施例中指心臟組織的內表面。表面52可以例如在計算設備58的顯示器上顯示，并且可由用戶例如經由用戶界面輸入設備70操縱以看見預期定向、截面或其他預期視圖。同樣可提供平搖(pan)和側滑 (yaw)以及俯仰(pitch)運動。方案設計模塊85準許系統(tǒng)的用戶生成病灶圖案50 (圖3)。方案設計模塊85還可將病灶圖案投影回CT切片。劑量云模塊86可接收或生成劑量云54。劑量云模塊86的示例實現(xiàn)例如與圖18 和21的討論一起在下文中闡述。如圖3和5所指示的，劑量云模塊86和3-D建模模塊84可利用標準治療方案設計模塊88。此類治療方案設計模塊的一個示例是MILTIPLAN治療模塊，但是可使用其他治療模塊。圖6是示出根據一個實施例的生成感興趣表面(例如，表面52)的方法的流程圖。 在602，關于CT體積的信息例如經由模塊82輸入。該輸入可以是，例如生成以強化為每一 CT切片所提供的組織_血液邊界信息的CT體積。在本文所描述的示例中，組織_血液邊界是心臟的內邊界，并且該邊界通過例如將對比劑添加給血液來強化。CT數(shù)據的每一切片中的血液(包括所添加的對比)和心臟組織之間的邊界可在與心臟循環(huán)階段相關聯(lián)的體積數(shù)據集的一個、部分或全部中分段。所分段的區(qū)域可被層疊或組裝在一起以形成表面52。例如，可編輯CT數(shù)據以限制左心房和肺靜脈。在604至610，提供了可在切片的邊界之間應用以生成3-D表面(諸如表面52)的平滑技術的示例?？墒褂闷渌交夹g。例如，平滑可經由模塊84執(zhí)行。在604，進行體素(Voxel)編輯，其中CT體積被轉換成三維空間中的框柵格。在 606 (任選的)，進行連接。在608，表面生成例如利用遍歷體素的移動立方體(Marching Cubes)計算機圖形算法、在一時刻采用八個鄰近位置(由此形成虛立方體)、隨后確定表示等值面穿過立方體的部分所需的多邊形來進行。各個多邊形隨后被熔合到預期表面中。在610，輸出預期表面，例如圖7的表面52所示。對于此處的示例，表面52表示心臟的內表面。圖6所示的整個過程可使用分段方案自動化。圖8是示出用于利用圖6中所生成的表面52來準備治療方案的方法的流程圖。在 802開始，在表面52上定義切除線100 (圖9)。例如，切除線100接口例如利用用戶界面輸入設備70來繪制在或卡合到表面52外部。在一個示例中，醫(yī)生可沿著該表面點擊，并且切除線100可延伸為點擊之間的直線。可啟用平滑。如果需要，表面52可在屏幕上旋轉、平搖和縮放，或者俯仰或側滑可改變，從而允許醫(yī)生得到表面的預期視圖以正確地定向切除線100。此類操縱特征在現(xiàn)有3-D建模和顯示軟件中是已知的。經由用戶界面輸入設備70應用切除線100允許方案設計醫(yī)療專業(yè)人員輸入適當?shù)牟≡顖D案作為與心臟組織表面52相關的一系列線或曲線?？蓪⑶谐€100施加為很細的線、或為系統(tǒng)或用戶定義的粗細。同樣，切除線的粗細可從3D數(shù)據集自動地提取。根據一個實施例，切除線以足以阻止收縮跨病灶傳播的寬度顯示。使用此類寬度向系統(tǒng)的用戶提供了直觀的視覺反饋，從而該用戶可具有病灶圖案的位置和寬度的更真實的想法。
如果需要，在804，切除線可在一個或多個基面中示出。作為示例，如圖10所示的， 已生成表面52的心臟的基面示出交點102。交點102表示切除線100在給定基面處的截面?；婵稍陲@示器上同時示出，或通過在表面52的視圖和基面之間切換來示出。基面可表示例如來自單個CT切片的數(shù)據。在806，切除線100被擴展到提供預期治療好處的體積，并且可在顯示器上在三個維度中可視。804可在806之后進行，并且實質上本公開的流程圖中所闡述的動作不限于其被呈現(xiàn)的次序，除非在本文中另外說明。為了在三個維度中目測體積，切除線100可諸如通過生成環(huán)104(圖11)來給出三維厚度。根據一個實施例，由于表面52表示心臟的內表面， 因此環(huán)104通過生成具有繞切除線100的半徑的環(huán)來生成，其中該半徑約等于或略大于要治療的組織的厚度。由此，病灶的厚度可足以從內心臟表面在整個心臟壁延伸?？衫@切除線應用該半徑，或者可使用單獨的寬度和長度半徑。可將寬度選擇成例如足以阻止收縮跨病灶傳播。在一個示例中，環(huán)104可利用兩毫米的半徑來生成，但是可使用其他半徑，并且如上所述，環(huán)在寬度和厚度上不一定需要一致。同樣，切除線的粗細可從三維數(shù)據集自動地提取。在一個實施例中，出于治療方案設計的目的，環(huán)104包圍肺靜脈門(PVOS)并定義方案設計靶體積(PTV)。PTV表示期望進行治療的感興趣組織的區(qū)域。在心臟的示例中，PTV 優(yōu)選是從心臟的外表面到內表面且寬度足以抑制收縮通道的心臟組織。在808，每一環(huán)401所定義的非平面多邊形被網格化以形成實體積106 (圖12)。例如，網格化可導致非平面多邊形被網格化成三角形并加寬到切除線的粗細。實體積106表示血液靶體積(BTV)。圖13是示出PTV 108的心臟的軸向切片。圖13中的PTV 108被示為兩個圓圈， 其表示由PTV形成的環(huán)104的截面。圖14是與圖13相同的軸向切片，但是示出BTV 110。 BTV 110由實體積106表示，并包括期望治療區(qū)域(S卩，PTV)加上位于其間的區(qū)域(其可能是血液)，并且在圖14中由細長的不規(guī)則橢圓表示。一般而言，可在治療期間放射血液而沒有傷害，并且可在假設BTV將在所有位置放射到足以治療PTV的程度的情況下準備治療方案。在810，腔112(在圖15中的軸向切片中示出)通過BTV減去PTV來計算。腔112表示假定為血液的BTV的區(qū)域。在812，掃描轉換PTV和BTV以在每一基面中生成輪廓?，F(xiàn)有放射外科手術放射光束計算模塊可用于確定所得放射輪廓分布?？蓪崿F(xiàn)用于標識放射敏感結構的現(xiàn)有放射外科手術方案設計方法。此類現(xiàn)有計算模塊的輸入可需要經由諸如常規(guī)CT切片之類的切片的輸入。由此，如果使用此類計算模塊，則CT切片用來生成實體積(圖6)，方案在實體積上形成(圖8)，并且隨后每一切片處的方案被提供回計算模塊以生成輪廓。由此，輸出814 可以是與原始CT切片中的每一個相關的輸出。所生成輪廓114的示例在圖16中示出。輪廓114的軸向切片的示例在圖17中示出。替換地，切除線100可使用心臟和/或呼吸門控4DCT數(shù)據集來定義。假設隨著時間采集了 N(通常N = 10)個體積的CT數(shù)據。心臟壁表面(例如，表面52)將根據每一 CT 體積構造，從而導致N個此類表面。通過使用每一表面，一組切除線將由用戶定義，從而導致N個此類切除線。該時變切除線和時變CT數(shù)據隨后將被輸入到治療方案設計站線治療方案設計模塊(例如，MULTIPLAN)，以供生成治療方案。替換地，可生成其體積將包括來自所有的各條切除線的體積的一個切除線集合并將其用于方案設計。根據一個實施例，切除線在表面上的放置可以是部分或全部自動的?？蓪⒖赡艿那谐€的模板提供給用戶，并且該用戶隨后可在表面上的適當位置處拖放所選模板。用戶可通過在表面上四處移動切除線來局部地修改該切除線。還可改變粗細。例如，輪廓114可被保存為DICOM RTSS(放射治療結構集合)文件。輸出它們的方案設計者可以是，例如MULTIPLAN。在一個實施例中，MULTIPLAN中的優(yōu)化使用BTV來完成，而評估使用PTV來完成。一般而言，BTV的體積顯著地大于PTV。BTV還具有在拓撲結構上比在拓撲結構上較接近孔的PTV更接近球體的形狀，這通過放射圖案來形成。由于這些原因，優(yōu)選基于BTV實現(xiàn)治療方案。由于重點是期望治療的實際區(qū)域，因此優(yōu)選基于PTV 優(yōu)化該方案。在另一實施例中，代替將切除線作為基面或傾斜平面中的2D輪廓傳送到方案設計模塊，可將切除線作為3D形狀傳送到該方案設計模塊。連同輸入預期病灶圖案，如在圖5的右側上示意性地示出地，方案設計模塊和用戶界面將優(yōu)選以所估計心臟表面病灶54的形式優(yōu)選輸出對沿心臟表面的實際放射暴露的估計。所估計病灶54可表示心臟組織表面52的部分，該部分任選地基于從現(xiàn)有放射外科手術治療方案設計器輸出的放射光束和放射劑量來接收壞死閾值以上的放射劑量。替換圖案可表示對組織的估計，該組織將接收足夠劑量的放射用于診斷重塑來抑制心律不齊。用戶可基于方案設計治療模塊88的迭代輸入和輸出來交互式地開發(fā)方案。理想地，劑量云應當對應于切除線。本文中的各個實施例爭取創(chuàng)建提供治療作為對應于切除線的纖維變性組織的環(huán)的方案。圖18是示出根據一個實施例的參照所生成表面52評估劑量云的方法的流程圖。 在1802生成劑量云，并且在1804將其覆蓋在表面52上。如果需要，在1806切除線100在表面52上顯示。如圖19所示，參照表面52顯示切除線100和劑量云120允許對劑量云是否覆蓋醫(yī)生所預期的目標進行視覺檢查。為此，在1808，醫(yī)生可視覺地評估劑量云是否覆蓋目標。 如在圖19中可見，由于至少該視圖在附圖中示出，劑量云120完全覆蓋切除線100。完全檢查劑量覆蓋范圍可能需要旋轉、平搖或縮放表面，或者調節(jié)俯仰和/或側滑。劑量云120可表示例如大于特定閾值的所有劑量值，或者作為替換，表示位于最小值和最大值之間的范圍內的劑量值。如果需要，如圖20所示，可提供每一基面的軸向切片，其中劑量云120和切除線100在其上示出。該示圖準許醫(yī)生觀察每一切片以確保該劑量充分地覆蓋(即，包圍)目標。圖21是示出根據一個替換實施例的確定劑量是否足夠的方法的流程圖。圖21中的方法包含將劑量云夾附到表面52，并且可附加或替代以上所述的視覺檢查使用該方法， 其中劑量云被表示為更像輪廓。在2102，對應于可接受劑量值的區(qū)域被夾附到表面52，例如以與切除線100不同的顏色。劑量值可以等劑量方式表示，其中不同的劑量以不同的方式顯示，例如不同的顏色。替換地，如在先前實施例中，可顯示超過一個值或落入一個范圍內的所有劑量。通過將劑量值夾附到表面，劑量被呈現(xiàn)為表面52上的曲面塊124 (圖22)。如果正確地選擇劑量值，則在面塊124上發(fā)生纖維變性。醫(yī)生可參照切除線100視覺地評估面塊124以確定是否提供足夠的用量(dosage)。例如，可評估面塊以確定其是否寬到足以抑制正在治療的組織中的收縮通道。另外，在去除或未去除切除線100的情況下，在2104醫(yī)生可評估面塊124以確定面塊是否形成連續(xù)的環(huán)。如果在環(huán)中存在任何中斷，則抑制收縮通道不可能由放射外科手術治療提供。為此，在2106，醫(yī)生評估面塊124是否繞表面52連接以致形成連續(xù)的環(huán)。如果為否，則在2108可通過軟件或用戶的識別來生成一錯誤，從而使醫(yī)生構造新方案或使計算機系統(tǒng)58生成錯誤消息、或以另一方式處理。如果該環(huán)連接，則在2110醫(yī)生可繼續(xù)治療。圖23示出其中繞表面52的完整環(huán)126由面塊124形成的表面52。醫(yī)生和/或計算機系統(tǒng)58可旋轉并以其他方式操縱表面52，以使醫(yī)生可全面地檢查環(huán)126。在替換實施例中，軟件可遍歷環(huán)126以確認該環(huán)返回到起始位置，從而確保纖維變性區(qū)域連接。該相同軟件或視覺檢查可用于確定該環(huán)是否寬到足以圍繞整個環(huán)126。例如，軟件可繞表面52緩慢行進，并且評估環(huán)126的像素寬度。如果像素寬度落到閾值以下，則可生成一錯誤。在治療期間，可用該系統(tǒng)來評估可能的未對準錯誤的任何影響(X、y、χ轉換以及側滾、俯仰、側滑、旋轉錯誤)?？上鄬τ趧┝吭破揭坪托D表面或CT數(shù)據集，以理解任何未對準對PVOS處的纖維變性環(huán)的連續(xù)性的影響。替換地，可相對于表面或CT數(shù)據集平移或旋轉劑量云。圖24示出沒有完全繞表面52延伸的部分環(huán)128。在該示例中，醫(yī)生或軟件可要求準備新治療方案或可以其他方式生成一錯誤(例如，在2108)。在認可輪廓之后，完成方案44，并且可實現(xiàn)方案44。例如，可通過將患者定位在患者支承件24上、使患者與機械手14對準、以及將經方案設計的一系列放射光束從線性加速器12定向到心臟的靶區(qū)來開始對心臟的放射外科手術治療46。其他變例也在本發(fā)明的精神內。由此，盡管本發(fā)明易于作出各種修改和替換構造， 但其某些圖示實施例在附圖中示出并且在上文中已詳細描述。然而應當理解，這不旨在將本發(fā)明限于所公開的一種或多種具體形式，而相反地，旨在覆蓋落入本發(fā)明的精神和范圍內的所有修改、替換構造和等效方案，如所附權利要求書定義的。在描述本發(fā)明的上下文中(尤其是在以下權利要求書的上下文中)使用術語 “一”、“一個”和“該”以及類似稱謂旨在解釋為覆蓋單數(shù)和復數(shù)，除非在本文中另外說明或明顯與上下文矛盾。術語“包括”、“具有”、“由…構成”和“包含”應當解釋為開放式的術語 (即，表示“包括，但不局限于”)，除非另外注明。術語“連接”應當解釋為部分或全部包含在內、附連、或結合在一起，即使存在某些中介。本文中的值范圍的敘述僅旨在用作單獨引用落在該范圍內的每一單獨值的速記方法，除非在本文中另外說明，并且每一單獨值被結合到本說明書中，好像它在本文中單獨敘述的一樣。本文中所述的所有方法可以任何合適的次序執(zhí)行，除非在本文中另外說明或明顯與上下文矛盾。使用本文中所提供的任何和所有示例、或示例性語言(例如，“諸如”)僅旨在更好地圖示本發(fā)明的實施例，而不造成對本發(fā)明的范圍的限制，除非另外限定。本說明書中的語言不應當解釋為指示實踐本發(fā)明必需的非限定元素。在本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人已知的用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式。這些優(yōu)選實施例的變體可在本領域內普通技術人員閱讀在前描述之后變得顯而易見。發(fā)明人期待有經驗的技術人員酌情采用這些變體，并且發(fā)明人想要本發(fā)明以本文具體描述以外的其他形式來實踐。因此，本發(fā)明包括這里所附的權利要求書中所敘述的主題的所有修改和等效方案，如可適用法規(guī)所允許的。此外，上述元素在其所有可能變體中的任意組合均被本發(fā)明涵蓋，除非在本文中另外說明或明顯與上下文矛盾。
本文中所引用的所有參考文獻(包括出版物、專利申請和專利)通過引用結合于此，好像每一參考文獻被單獨和具體地指示為通過引用結合于此且整體地闡述于此。
權利要求
1.一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術方法，所述方法包括從所述心臟獲取三維圖像數(shù)據；利用所述圖像數(shù)據來生成所述心臟的組織表面的三維模型； 接收對表面模型的預期電離放射治療病灶圖案的用戶輸入用于減輕所述疾病；以及基于所述預期病灶圖案輸出關于與所述三維圖像數(shù)據相關的經方案設計的病灶圖案的信息。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述三維模型包括基于所述心臟的血液和組織之間的邊界生成所述心臟的模型。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述邊界包括所述心臟組織的內表面。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，來自所述心臟的所述三維圖像數(shù)據包括多個二維數(shù)據切片，并且其中生成所述三維模型包括基于每一二維數(shù)據切片中的血液和心臟組織之間的邊界的分段生成所述心臟的模型。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述三維模型通過將所述分段層疊或組裝在一起、以及通過在所述分段之間延伸表面來形成。
6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，輸出包括將所述病灶圖案投影到所述多個二維數(shù)據切片中的每一個上。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，來自所述心臟的所述三維圖像數(shù)據包括多個二維數(shù)據切片，并且其中輸出包括將所述病灶圖案投影到所述多個二維數(shù)據切片中的每一個上。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括基于所述用戶輸入生成病灶的三維體積，以及基于所述三維體積生成所述信息。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述體積包括將所述用戶輸入擴展到足以抑制收縮通道的寬度。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述體積包括將所述用戶輸入擴展到足以透壁式地穿透所述心臟的組織的深度。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述體積包括擴展所述用戶輸入以覆蓋要進行所述治療的感興趣組織的區(qū)域。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括基于所述信息生成電離放射治療方案，以及基于所述治療方案將劑量云投影到所述實體模型。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括將對所述病灶圖案的所述用戶輸入卡合到所述模型的表面。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括參照所述用戶輸入評估所述劑量圖案以確定充分的治療。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，評估包括繞所述表面移動所述劑量圖案，以確認所述環(huán)形成繞所述表面的封閉周邊。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，移動包括參照閾值評估所述環(huán)的厚度。
17.一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術方法，所述方法包括從所述心臟獲取三維圖像數(shù)據；利用所述圖像數(shù)據來生成所述心臟的組織表面的三維模型；接收對表面模型的預期電離放射治療病灶圖案的用戶輸入用于減輕所述疾病；以及基于所述預期病灶圖案生成電離放射治療方案，并且基于所述預期治療方案投影與所述圖像數(shù)據相關的劑量云。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括將對所述病灶圖案的所述用戶輸入卡合到所述模型的表面。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，還包括參照所述用戶輸入評估所述劑量圖案以確定充分的治療。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，評估包括繞所述表面移動所述劑量圖案，以確認所述環(huán)形成繞所述表面的完整圓圈。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，移動包括參照閾值評估所述環(huán)的厚度。
22.一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于從所述心臟獲取三維方案設計圖像數(shù)據的圖像捕捉設備；以及包括耦合到所述圖像數(shù)據的用于基于所述圖像數(shù)據生成所述心臟的表面模型的建模模塊，和對所述表面模型的用于標識所述心臟的靶區(qū)的輸入的處理器系統(tǒng)，所述處理器系統(tǒng)將所述輸入耦合到所述建模模塊，從而響應于對所述表面模型的輸入來針對所述圖像數(shù)據生成病灶圖案。
23.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，所述建模模塊被配置成基于所述心臟的血液和組織之間的邊界生成所述心臟的所述三維模型。
24.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，所述邊界包括所述心臟組織的內表面。
25.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，來自所述心臟的所述三維方案設計圖像數(shù)據包括多個二維數(shù)據切片，并且其中所述建模模塊被配置成基于每一二維數(shù)據切片中的血液和心臟組織之間的邊界的分段生成所述心臟的所述三維模型。
26.如權利要求25所述的裝置，其特征在于，所述建模模塊被配置成通過將所述分段層疊或組裝在一起、以及通過在所述分段之間延伸表面來生成所述心臟的所述三維模型。
27.如權利要求25所述的裝置，其特征在于，所述處理系統(tǒng)被配置成生成包括將所述病灶圖案投影到所述多個二維數(shù)據切片中的每一個上。
28.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，來自所述心臟的所述三維圖像數(shù)據包括多個二維數(shù)據切片，并且其中所述處理系統(tǒng)被配置成生成包括將所述病灶圖案投影到所述多個二維數(shù)據切片中的每一個上。
29.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，所述處理系統(tǒng)被配置成基于所述輸入生成病灶的三維體積。
30.如權利要求29所述的裝置，其特征在于，生成所述體積包括將所述用戶輸入擴展到足以抑制收縮通道的寬度。
31.如權利要求29所述的裝置，其特征在于，生成所述體積包括將所述用戶輸入擴展到足以透壁式地穿透所述心臟的組織的深度。
32.如權利要求29所述的裝置，其特征在于，生成所述體積包括擴展所述用戶輸入以覆蓋要進行所述治療的感興趣組織的區(qū)域。
33.一種用于治療心臟患有非腫瘤疾病的患者身體的放射外科手術系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于從所述心臟獲取三維方案設計圖像數(shù)據的圖像捕捉設備； 用于從所述身體外部發(fā)射多個電離放射光束的放射源；以及包括具有用于標識所述心臟的靶區(qū)的輸入的方案設計模塊、和耦合到所述圖像數(shù)據的用于基于所述圖像數(shù)據生成所述心臟的表面模型的建模模塊的處理器系統(tǒng)，所述方案設計模塊響應于所述靶區(qū)和所述方案設計圖像數(shù)據來生成所述放射光束的方案以基于所述方案投影劑量云，所述處理器系統(tǒng)將所述方案設計模塊耦合到所述建模模塊以將所述劑量云投影到所述表面模型上。
34.如權利要求33所述的裝置，其特征在于，所述處理器系統(tǒng)被配置成將所述病灶圖案的所述用戶輸入卡合到所述模型的表面。
35.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述處理器系統(tǒng)被配置成參照所述用戶輸入評估所述劑量圖案以確定充分的治療。
36.如權利要求35所述的裝置，其特征在于，評估包括繞所述表面移動所述劑量圖案，以確認所述環(huán)形成繞所述表面的完整圓圈。
37.如權利要求36所述的裝置，其特征在于，移動包括參照閾值評估所述環(huán)的厚度。
全文摘要
一種根據二維圖像數(shù)據切片生成組織表面(例如，心臟的內表面)的三維模型的系統(tǒng)。在該表面上，例如醫(yī)生使用用戶界面來繪制一條或多條圖案線，以指示該表面上的預期病灶。根據圖案線，病灶的三維體積可使用已知約束來確定。有利的是，三維體積所生成的一系列邊界可被投影回各個CT掃描片上，其隨后可被傳遞到標準放射外科手術方案設計工具。劑量云還可被投影到該模型上以有助于評估方案。
文檔編號A61N5/10GK102481457SQ201080037057
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權日2009年7月17日
發(fā)明者D·優(yōu)克, E·加德納, O·布朗克, P·馬圭爾, T·蘇瑪納維拉, 蔡濤 申請人:計算機心臟有限公司