用于聚焦辐射治疗的定位辅助设备制造技术

提供了一种有效的直接参数优化(DPO)方法，在该方法中，通过在候选导管位置的优化与候选辐射源停留时间的优化之间进行切换而应用基于剂量测定梯度的迭代贪婪技术来确定用于在聚焦辐射治疗中的导管插入的定位辅助信息。在自由手动递送导管的特定情况下，插入点可以由人类专家直接选择。通过额外的成像模态(例如，磁共振成像或超声成像)监测导管位置，该方法在处置递送的过程中实现了实时定向引导和自适应剂量校正。

Positioning aids for focused radiation therapy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于聚焦辐射治疗的定位辅助设备
本专利技术属于聚焦辐射治疗领域，例如，高强度聚焦超声(HIFU)消融、射频(RF)消融、微波消融、激光消融或高剂量率(HDR)近距离辐射治疗。更具体地，本专利技术涉及用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的设备和方法。
技术介绍
聚焦辐射治疗(例如，高强度聚焦超声(HIFU)消融、射频(RF)消融、微波消融、激光消融或高剂量率(HDR)近距离辐射治疗等)已被证明是处置不同器官中的肿瘤的可选方法。在前列腺的聚焦治疗中，近距离辐射治疗仅用于处置肿瘤，同时使周围组织免受处置。与传统的全腺近距离辐射治疗相比，聚焦近距离辐射治疗旨在具有等效作用，同时减少治疗副作用。例如，已经证明HDR近距离辐射治疗具有优异的存活率和聚焦控制率并且对患者的副作用非常有限。特别地，HDR近距离辐射治疗已被证明是处置前列腺癌和乳腺癌的可选方法。为了确定理想的HDR停留位置和停留时间，使用所谓的逆向规划方法来确定处置。基于对目标体积和关键器官的确定，给出目标剂量以及对风险器官和针对每个风险器官的重要因素的约束。然后执行优化以找到与所有输入标准最佳匹配的处置计划，从而优化辐射剂量，考虑针对目标体积的目标以及约束，这些内容通常被表示为形成要解决的线性系统的一组线性关系。出版物“Adaptiveplanningstrategyforhighdoseprostatebrachytherapy—asimulationstudyonneedlepositioningerrors”(MBattisti等人，2016年，Phys.Med.Biol.，第61卷，第2177-2195页)描述了利用针位置的反馈对HDR前列腺近距离辐射治疗的剂量计划调整策略。在介入流程开始时执行剂量计划，并且在每次插入针后更新剂量计划，以便补偿可能发生的针定位误差。在出版物“Towardadaptivestereotacticroboticbrachytherapyforprostatecancer:DemonstrationofanadaptiveworkflowincorporatinginverseplanningandanMRstealthrobot”(JCunha等人，MinimInvasiveTherAlliedTechnol，2010年，第19卷，第4期，第189-202页)中描述了类似的方法。逆向规划用于生成种子放置计划，并且针对十个针和29个种子的坐标被转移到机器人。每放置两个针后就采集图像。在将种子放置在接下来的两个针中之前，识别并验证被放置的种子。在种子沉积之前，如果针导管处于错误的位置中，则确定调节动作。出版物“Anautomatedoptimizationtoolforhigh-dose-rate(HDR)prostatebrachytherapywithdivergentneedlepattern”(MBattisti等人，2015年，Phys.Med.Biol.，第60卷，第7567-7583页)描述了用于聚焦HDR前列腺近距离辐射治疗的自动逆向剂量规划优化工具，其中，针以发散配置进行插入。提出了完整的优化器工作流程，其包括确定(1)旋转中心的位置、(2)针角度和(3)停留时间。US2013/0102831A1涉及用于在使用空心针来实现对动物身体的预先选择解剖部分的辐射治疗时使用的实时辐射处置规划系统。根据本专利技术的实施例，该系统可以包括处理单元，该处理单元被配置为相对于预先选择解剖部分内的一个或多个特定器官以及相对于针来执行三维成像算法和三维图像分割算法，以用于使用至少一个单目标或多目标的基于解剖结构的遗传优化算法将利用成像单元获得的图像数据转换成解剖部分的三维图像。为了预先规划或虚拟模拟的目的，处理单元被布置为实时确定至少一个针的最优数量和位置，针内能量发射源的位置，以及能量发射源在该位置处的停留时间。为了后期规划的目的，处理单元被布置为基于三维图像信息来实时确定实际针位置和能量发射源针对该位置的停留时间。
技术实现思路
期望为无网格导管插入技术提供定位辅助，该无网格导管插入技术经由自由人手和/或机器人臂在无平面、徒手放置导管时进行导管插入，以在难以相对于治疗模板对肿瘤进行最优定位的情况下提供符合性更好的剂量分布。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助设备。所述定位辅助设备包括：候选导管提供单元，其被配置为提供候选导管数据，所述候选导管数据与所述给定的导管插入点相关联并且通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的候选停留位置，以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管；导管预先选择单元，其被配置为：使用所述候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间来针对每个当前候选导管明确和提供关于复合约束函数的停留时间的梯度，所述复合约束函数组合至少两个线性约束，所述至少两个线性约束表示关于支配所述聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标；并且从所述候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管，所述预定数量的一个或多个候选导管与所述候选导管中的所述梯度的最陡下降值相关联；停留时间预先选择单元，其被配置为使用当前预先选择的候选导管来明确和预先选择针对所述相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合所述至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值；以及定位辅助控制单元，其被配置为：在多个迭代循环中交替地驱动所述导管预先选择单元的操作和所述停留时间预先选择单元的操作，并且在检测到在当前迭代循环中所述导管预先选择单元已经针对所述候选导管中的至少一个提供了所述复合约束函数的所述梯度的非负值时，提供指示下一目标导管位置的输出，作为至少一个当前预先选择的候选导管的目标导管位置。本专利技术的第一方面的定位辅助设备实现了与无网格自由手动聚焦辐射治疗中的停留时间优化(DTO)相结合的导管定位优化(CPO)形式的定位辅助。该设备执行直接参数优化(DPO)以用于通过在CPO与DTO之间迭代地切换来提供定位辅助信息，从而确定满足所有临床目标的最佳的导管位置组和对应的停留时间。定位辅助设备不需要初始计划来开始。正因如此，定位辅助设备有助于无计划自由手动放置导管，其中，在实际放置个体导管之前也进行调整。当针在患者的皮肤处或刚刚进入患者时，定位辅助设备能够提出最优位置并引导用户以对要递送的剂量具有最佳影响的角度进行插入。当插入第二针时，无论是在相同的插入点还是在另一插入点处，定位辅助设备都能够再次指示最佳的针角度和定位。因此，使得在聚焦辐射治疗递送的过程中进行包括定向引导和自适应剂量校正的定位辅助成为可能。每次外科医生或机器人臂定位导管时，能够考虑任何跟踪的错位以自适应地重新优化剩余的导管组和对应的停留时间，以便恢复剂量准确性、均匀性和符合性。鉴于该技术概念具有紧凑和简洁的性质，所提出的定位辅助设备确保针对规定的临床方案实施有效且准确的计划，同时减少医学专家在逆向规划过程和导管插入中所涉及的工作量。在下文中，将描述本专利技术的定位辅助设备的实施例。定位辅助设备优选被实现用于实时辅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助设备，所述定位辅助设备包括：候选导管提供单元，其被配置为提供候选导管数据，所述候选导管数据与所述给定的导管插入点相关联并且通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的候选停留位置，以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管；导管预先选择单元，其被配置为：使用所述候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间来针对每个当前候选导管明确和提供关于复合约束函数的停留时间的梯度，所述复合约束函数组合至少两个线性约束，所述至少两个线性约束表示关于支配所述聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标；并且从所述候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管，所述预定数量的一个或多个候选导管与所述候选导管中的所述梯度的最陡下降值相关联；停留时间预先选择单元，其被配置为使用当前预先选择的候选导管来明确和预先选择针对所述相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合所述至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值；定位辅助控制单元，其被配置为：在多个迭代循环中交替地驱动所述导管预先选择单元的操作和所述停留时间预先选择单元的操作，并且在检测到在当前迭代循环中所述导管预先选择单元已经针对所述候选导管中的至少一个提供了所述复合约束函数的所述梯度的非负值时，提供指示下一目标导管位置的输出，作为至少一个当前预先选择的候选导管的目标导管位置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.16 EP 16204563.71.一种用于在聚焦辐射治疗中对导管相对于预定目标体积和给定的导管插入点的定位进行辅助的定位辅助设备，所述定位辅助设备包括：候选导管提供单元，其被配置为提供候选导管数据，所述候选导管数据与所述给定的导管插入点相关联并且通过相应的候选插入导管位置、给定的候选导管内部的辐射源的相应的候选停留位置，以及相应的相关联的候选停留时间来限定候选导管；导管预先选择单元，其被配置为：使用所述候选导管的相关联的当前候选停留位置处的当前候选停留时间来针对每个当前候选导管明确和提供关于复合约束函数的停留时间的梯度，所述复合约束函数组合至少两个线性约束，所述至少两个线性约束表示关于支配所述聚焦辐射治疗的辐射剂量的临床目标；并且从所述候选导管中预先选择预定数量的一个或多个候选导管，所述预定数量的一个或多个候选导管与所述候选导管中的所述梯度的最陡下降值相关联；停留时间预先选择单元，其被配置为使用当前预先选择的候选导管来明确和预先选择针对所述相应的候选停留位置的那些当前候选停留时间，所述那些当前候选停留时间实现了组合所述至少两个线性约束的停留时间的标量复合约束函数的最小值；定位辅助控制单元，其被配置为：在多个迭代循环中交替地驱动所述导管预先选择单元的操作和所述停留时间预先选择单元的操作，并且在检测到在当前迭代循环中所述导管预先选择单元已经针对所述候选导管中的至少一个提供了所述复合约束函数的所述梯度的非负值时，提供指示下一目标导管位置的输出，作为至少一个当前预先选择的候选导管的目标导管位置。2.根据权利要求1所述的定位辅助设备，其中，所述导管预先选择单元还被配置为：接收插入导管数据，所述插入导管数据与已经插入到所述目标体积中的所有导管相关联并且指示相应的插入导管位置、辐射源的相应的停留位置，以及与已经插入的导管的所述停留位置相关联的相应的停留时间；确定与所述已经插入的导管相关联的所述停留位置和所述停留时间相关联的当前辐射剂量值；并且针对所述给定的候选导管，使用与所述已经插入的导管相关联的所述当前辐射剂量值来额外地确定所述复合约束函数的所述梯度。3.根据权利要求2所述的定位辅助设备，其中，所述导管预先选择单元被额外地配置为：接收要暴露于所述辐射的所述目标体积的和当前插入所述目标体积中的一个或多个导管的三维图像数据，并且根据所述图像数据来确定当前插入的导管的导管数据。4.根据权利要求3所述的定位辅助设备，其中，所述导管预先选择单元被额外地配置为：在通过检测根据所述图像数据确定的所定位的导管数据与作为由所述定位辅助控制单元提供的输出而先前提供的针对已经插入到所述目标体积中的错位导管的相关联的目标导管位置之间的差异而检测到该导管时，将所述错位导管添加到所述候选导管，并且其中，所述定位辅助控制单元被额外地配置为确定和提供针对所述错位导管的经调整的停留位置信息和经调整的停留时间信息。5.根据权利要求1所述的定位辅助设备，其中，所述导管预先选择单元被配置为针对每个当前候选导管将关于所述复合约束函数的停留时间的所述梯度gc计算为：其中，c是识别相应的导管的索引，是针对第c个导管的停留位置的总数，t是停留位置处的停留时间的停留时间向量，j是识别相应的停留时间位置的索引，r*是识别当前插入点的索引，是通过所述当前插入点的发散导管的总数，i是识别相应的线性约束的索引，m是线性约束的总数，fi(t)是一组线性约束，其表示作为所述相应的导管中的相应的辐射源的停留时间t的函数而给定的临床目标，并且wi是指示给定的线性约束的优先级的加权因子；并且其中，所述停留时间预先选择单元被配置为明确针对所述相应的候选停留位置的所述当前候选停留时间，所述当前候选停留时间实现了考虑了针对所述停留时间的预定上限和预定下限的所述标量复合约束函数的最小值：6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·A·伊索拉，G·L·T·F·豪特瓦斯特，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL