在非侵入式治療期間的基于參考的運動跟蹤的制作方法
【專利摘要】在聚焦超聲或其他非侵入式治療程序期間，治療目標或感興趣的其他對象的運動可以基于治療圖像與圖像的參考庫的比較來實時跟蹤，圖像的參考庫針對預期范圍的運動在治療之前獲取并且被處理以識別其中的目標或其他對象的位置。
【專利說明】在非侵入式治療期間的基于參考的運動跟蹤
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2012年2月6日提交的美國臨時專利申請N0.61/595，338和N0.61/595，341的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，并且其全部內(nèi)容通過引用包含于此。還參考了與此相同日期提交的題為“Reference Library Extens1n During Imaging of Moving Organs，，的PCT申請。

【技術(shù)領域】
[0003]本發(fā)明總地涉及圖像引導的非侵入式治療并且尤其涉及運動組織或器官的基于圖像的跟蹤。

【背景技術(shù)】
[0004]磁共振成像(MRI)可以在各種醫(yī)療應用中與超聲聚焦或其他非侵入式治療方式結(jié)合使用。超聲波很好地穿透軟組織，并且由于其短波長，可以聚焦至具有幾毫米的尺寸的斑點。由于這些性質(zhì)，超聲波可以用于非侵入式、高度定位的外科手術(shù)——例如，在不對周圍健康組織產(chǎn)生顯著損害的情況下消融或凝固癌組織。超聲聚焦系統(tǒng)一般利用聲換能器表面或換能器表面的陣列以生成超聲波束。換能器可以在幾何上成形和定位以使得超聲能量聚焦在與患者內(nèi)目標組織塊相對應的“聚焦區(qū)域”。在波穿過組織傳播期間，超聲能量的一部分被吸收，引起溫度升高以及最終引起細胞壞死一優(yōu)選地在聚焦區(qū)域中的目標組織塊。換能器陣列的各個表面或“元件”通常是單獨可控的，即它們的相位和/或振幅可以被相互獨立地設置(例如，使用具有合適延遲的“波束形成器”和用于元件的放大器電路)，允許波束在期望方向上前進并在期望距離處聚焦，并且允許聚焦區(qū)域性質(zhì)根據(jù)需要成形。由此，聚焦區(qū)域可以通過獨立地調(diào)節(jié)輸入至換能器元件中的電信號的振幅和相位來快速位移和/或再成形。
[0005]在MRI引導的聚焦超聲(MRgFUS)方法中，MRI用于可視化目標組織和超聲聚焦。通常，如圖1所示的MRI系統(tǒng)100包括靜態(tài)場磁體102、一個或多個梯度場線圈104、射頻(RF)發(fā)射器106、和RF接收器(未示出)。(在一些實施例中，交替使用相同的裝置作為RF發(fā)射器或接收器。)磁體包括用于將患者110容納其中的區(qū)域108并在患者上提供靜態(tài)的相對均勻的磁場。由梯度場線圈104生成的隨時間變化的磁場梯度與靜態(tài)磁場重疊。RF發(fā)射器106在患者110上發(fā)射RF脈沖序列以使得患者的組織發(fā)出(隨時間變化的)RF響應信號，其在整個(二維或三維)成像區(qū)域上積分并由RF接收器采樣以產(chǎn)生構(gòu)成原始圖像數(shù)據(jù)的響應信號的時間序列。該原始數(shù)據(jù)被傳遞至計算單元112。時間序列中的每個數(shù)據(jù)點可以被解釋為k空間(即，波矢量空間)中特定點處的依賴于位置的局部磁化的傅里葉變換值，其中，波矢量k是梯度場的時間進展的函數(shù)。由此，通過對響應信號的時間序列進行傅里葉變換，計算單元112可以從原始數(shù)據(jù)重建組織的實空間圖像(B卩，示出作為空間坐標的函數(shù)的所測量的磁化影響的組織性質(zhì)的圖像)。實空間磁共振(MR)圖像之后可以向用戶顯示。MRI系統(tǒng)100可以用于規(guī)劃醫(yī)療程序，以及在程序期間監(jiān)視治療進展。例如，MRI可以用于對解剖區(qū)域成像，定位區(qū)域內(nèi)的目標組織(例如，腫瘤)，將由超聲換能器114生成的波束引導至目標組織，和/或監(jiān)測目標組織中及其周圍的溫度。
[0006]在治療期間的患者運動，諸如由于呼吸的周期運動或隨機移動，可能對治療效果和安全性提出相當大的挑戰(zhàn)。需要運動的補償以確保超聲波束維持聚焦在目標上并且不損害周圍的健康組織。在圖像引導的系統(tǒng)(諸如MRgFUS系統(tǒng))中，運動補償一般通過(直接或間接)跟蹤圖像中的目標并基于所跟蹤的位置控制超聲波束來完成。目標跟蹤的一種方式涉及確定可以位于每個圖像中的一組一個或多個可識別特征或“解剖標志”的坐標；并基于這些坐標計算假定相對于標志位于固定位置的目標的運動。在可替換方法中，連續(xù)圖像之間的相對偏移通過將一個圖像與另一圖像的大量的計算上偏移的副本相關(guān)聯(lián)，并且選擇提供最好匹配的偏移圖像來確定。在任一情況中，花費了大量的圖像處理時間來確定目標位置，降低了有效的成像速率并通常阻礙了實時運動補償。在一些情況中，識別并量化目標運動中的延遲導致了可容許范圍內(nèi)的波束靶標的不精確性。然而，通常需要停止治療過程并在可以恢復治療之前校正由于目標組織或器官的位移引起的任何錯位。這導致了治療過程中的顯著的低效率，并且可能產(chǎn)生顯著的延遲。
[0007]因此，需要一種改進的運動跟蹤方式，其便于在治療期間實時地跟蹤目標并且補償其運動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了用于在圖像引導的治療程序期間實時地跟蹤治療目標或其他感興趣對象的運動的系統(tǒng)和方法。與常規(guī)的跟蹤方式相比，各個實施例通過利用通常在治療之前獲取和處理的參考圖像的庫而顯著降低了在治療期間所需的圖像處理時間。參考圖像覆蓋了預期范圍的運動(例如，完整的呼吸循環(huán))并且被(直接或間接)處理以定位其中的感興趣對象；位置信息與圖像一起被存儲。在治療期間，感興趣的解剖區(qū)域可以被重復地、優(yōu)選地實時地成像，并且所獲取的圖像可以基于圖像相似度與參考庫中的圖像進行比較和匹配。如果識別了充分接近地匹配的參考圖像，則在該參考圖像中每個感興趣對象的位置也被視為是治療圖像中相應對象的位置。由此，在不需要任何進一步處理的情況下，治療圖像中感興趣對象的位置可以容易地從與匹配參考存儲的位置信息推斷出。因為圖像匹配一般比檢測和定位圖像內(nèi)的對象更少地涉及計算，因而該方法可以實現(xiàn)治療期間處理時間的顯著節(jié)省，由此便于實時跟蹤。
[0009]因此，在一個方面，本發(fā)明提供一種用于在治療序列期間跟蹤一個或多個(通常移動的)感興趣的解剖對象的方法。感興趣的解剖對象可以是治療的目標，例如要利用聚焦超聲波治療的腫瘤或組織區(qū)域?？商鎿Q地，感興趣對象可以是除了目標以外的器官或組織，例如目標附近的溫度需要被監(jiān)測的器官或組織、或者應該被超聲(或其他治療)波束避開的器官或組織，因為其特別易受超聲波損害或者因為由于其材料性質(zhì)(諸如超聲波反射性)，其將干擾目標的治療。通常，同時地跟蹤多個對象(例如目標和要避開的一個或多個組織區(qū)域)以確保治療效果和安全性。
[0010]該方法涉及在治療序列之前在解剖對象運動期間獲取包括感興趣的解剖對象的解剖區(qū)域的一系列參考圖像(即，至少一個圖像，以及典型地多個圖像)(每個參考圖像對應于運動的不同階段)，以及處理圖像以針對每個圖像確定與感興趣對象相關(guān)聯(lián)的一個或多個位置。這里，“與感興趣對象相關(guān)聯(lián)的位置”可以是感興趣對象本身的位置或另一對象的位置一典型地在圖像中容易辨別的解剖標志(例如通過引起圖像中周圍組織的高對比度的材料性質(zhì))一其相對于感興趣對象的位置是已知的并且通常是固定的。圖像可以例如是MR或其他層析圖像。此外，除非從上下文是明顯的，這里所使用的術(shù)語“圖像”可以指實空間圖像(例如，重建的MR圖像)、從其導出實空間圖像的原始數(shù)據(jù)、或者兩者。
[0011]在治療序列期間，解剖區(qū)域的“治療圖像”被獲取并基于相似度被關(guān)聯(lián)至參考圖像，并基于相關(guān)參考圖像中與對象相關(guān)聯(lián)的位置在治療圖像中跟蹤感興趣對象。在一些實施例中，根據(jù)原始數(shù)據(jù)確定圖像相似度。這里所使用的術(shù)語“治療序列”指解剖目標對治療能量(例如超聲波)的多次暴露的序列。完整的治療程序可以包括單個治療序列或多個時間分隔的治療序列。在治療包括多個時間分隔的治療序列(每個序列包括單次暴露或暴露的序列)的實施例中，在一個治療序列中采集的治療圖像可以被存儲并分析以用作下一治療序列中的參考圖像。
[0012]在一些實施例中，處理參考圖像包括識別參考圖像的每一個中的解剖標志或多個解剖標志，以及在治療序列期間跟蹤解剖對象涉及根據(jù)相應參考圖像中解剖標志的位置來推斷治療圖像中對象的位置。在所跟蹤解剖對象本身被治療的實施例中，方法可以進一步包括基于跟蹤將諸如聚焦超聲波束的治療能量波束引導至對象上。在除了所跟蹤解剖對象以外的目標被治療的實施例中，方法可以包括基于跟蹤來成形能量(例如，超聲)波束以避開解剖對象。在一些實施例中，方法進一步包括通過執(zhí)行治療圖像和相應參考圖像之間的基線減法來監(jiān)測解剖區(qū)域中的溫度。該方法還可以包括將治療圖像添加至所述一系列參考圖像。此外，其可以包括將所跟蹤對象的運動與所述一系列參考圖像進行比較，并且基于該比較來平滑化所跟蹤運動和/或檢測跟蹤誤差。
[0013]在另一方面，本發(fā)明涉及用于在治療序列期間跟蹤運動的解剖對象的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括可與治療設備(例如，超聲換能器)結(jié)合操作的成像設備(例如，MRI設備)，用于在治療序列之前獲取包括對象的解剖區(qū)域的一系列參考圖像(所述系列在對象運動期間捕獲對象，以及每個參考圖像對應于運動的不同階段)，以及用于在治療序列期間獲取解剖區(qū)域的治療圖像。此外，系統(tǒng)包括計算單元，計算單元被配置為處理參考圖像以針對每個參考圖像確定與對象相關(guān)聯(lián)的位置，(例如使用原始圖像數(shù)據(jù))基于治療圖像和參考圖像之間的相似度將治療圖像關(guān)聯(lián)至相應參考圖像，以及基于相應參考圖像中與對象關(guān)聯(lián)的位置來跟蹤治療圖像中的對象。
[0014]計算單元可以被配置為在參考圖像中的每一個中識別至少一個解剖標志，其位置相對于對象的位置是固定的；以及通過根據(jù)相應參考圖像中解剖標志的位置推斷目標的位置來跟蹤目標。計算單元可以進一步被配置為基于跟蹤將由治療設備生成的治療能量(例如，超聲波束)聚焦至對象上，或者(在除了所跟蹤解剖對象以外的目標正在被治療的情況下)基于跟蹤來成形波束以避開對象。計算單元還可以被配置為通過在治療圖像和相應參考圖像之間進行基線減法來監(jiān)測解剖區(qū)域中的溫度。此外，計算單元可以被配置為將所跟蹤對象的運動與所述一系列參考圖像進行比較，并且基于該比較來平滑化所跟蹤運動和/或檢測跟蹤誤差。
[0015]計算單元還可以將治療圖像添加至之前獲取的一系列參考圖像。在一些實施例中，治療序列是治療程序的一部分，治療程序包括多個時間分隔的治療序列(每個序列包括解剖目標對治療能量的至少一次暴露)，以及計算單元被配置為使用在治療序列中的第一個序列期間獲得的治療圖像作為參考圖像以用于治療序列中隨后的第二個序列。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]通過本發(fā)明的以下詳細描述，特別地當結(jié)合附圖閱讀時，將更容易地理解上述描述，其中:
[0017]圖1示出根據(jù)各種實施例的MRI引導的聚焦超聲系統(tǒng)；
[0018]圖2是示出根據(jù)各種實施例的跟蹤方法的流程圖；
[0019]圖3A是示出常規(guī)的溫度測量方法的流程圖；
[0020]圖3B是示出根據(jù)各種實施例的用于與目標跟蹤相結(jié)合的溫度測量的方法的流程圖；以及
[0021]圖4是示出根據(jù)各種實施例的圖像處理和控制設備的框圖。

【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明提供用于在圖像引導程序期間實時跟蹤感興趣對象(例如治療目標)的運動的系統(tǒng)和方法。程序可以例如涉及將聚焦的超聲波施加至組織或器官(即，其超聲處理)，以在其是例如癌性的情況下加熱它以使組織壞死、消融或以其他方式破壞組織，或者用于非破壞性治療，諸如疼痛改善或熱療的可控誘導。超聲波也可以用于其他非熱類型的治療，例如，神經(jīng)調(diào)制。可替換地，程序可以使用不同形式的治療能量，例如，射頻(RF)輻射、X射線或伽馬射線、或充電粒子，或涉及諸如冷凍消融的其他治療方式。在各種治療程序中的運動跟蹤可以用于將治療能量波束引導至目標和/或周圍其他非目標組織和器官，即，基于所影響的解剖區(qū)域的圖像來調(diào)節(jié)波束焦點、輪廓和/或方向，其也可以在一些實施例中可視化波束焦點。MRI是用于這種基于圖像的運動跟蹤的廣泛使用的技術(shù)。然而，包括例如X射線成像、X射線計算斷層掃描(CT)或超聲波成像的其他成像技術(shù)也可以使用并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。用于實施根據(jù)各種實施例的方法的示例性系統(tǒng)是MRgFUS系統(tǒng)，諸如圖1所示，其具有以下參考圖4詳細描述的合適的圖像處理和控制設備。
[0023]圖2示出根據(jù)各種實施例的實時運動跟蹤的方法。為了便于參考，以下描述僅參考目標跟蹤；然而，應該理解，相同的方法一般也應用于感興趣的其他器官或組織(諸如易于被治療波束損害的器官)的跟蹤。該方法包括在感興趣程序之前進行的準備步驟，以及在程序期間執(zhí)行的步驟。在第一準備步驟200中，包括目標的解剖區(qū)域的一系列圖像在其運動期間獲取。每個圖像通常對應于運動的不同階段，并且該系列總地覆蓋預期范圍的運動。例如，該系列圖像可以在完整的呼吸循環(huán)期間以規(guī)則間隔獲取。作為另一示例，患者內(nèi)的感興趣解剖區(qū)域可以被監(jiān)視一個特定時間周期以捕獲產(chǎn)生自偶然的突發(fā)運動的一定范圍的位置。在基于MRI的方法中，獲取圖像通常涉及首先獲取原始的k空間MR信號(步驟202)，以及之后從原始數(shù)據(jù)重建實空間圖像(步驟204)。k空間和實空間圖像數(shù)據(jù)是復數(shù)的(即，具有幅度和相位，或者區(qū)別表示實部和虛部)。
[0024]在下一步驟206中，實空間圖像被處理以確定與目標相關(guān)聯(lián)的坐標，諸如目標坐標本身或相對于目標位于固定位置的解剖標志的坐標。該步驟可以通過本領域技術(shù)人員已知的許多特征檢測或跟蹤方法中的任意一個來進行。在一些實施例中，使用例如邊緣檢測或點檢測在圖像幀內(nèi)(例如，根據(jù)行數(shù)和列數(shù))以絕對坐標單獨針對每個圖像來確定目標或標志位置。在其他實施例中，確定不同圖像之間的目標或標志位置的相對改變(例如，以坐標差或平移/運動矢量表示)。例如，該系列的第一圖像中目標的位置可以被任意地指定為原點，并且隨后圖像中目標的位置可以相對于該原點測量。運動矢量可以通過基于像素的(“直接的”)方法獲得，諸如塊匹配算法、相位校正和頻域方法、像素遞歸算法、貝葉斯估計算法(例如，最大后驗概率(MAP)估計或馬爾可夫隨機場模型)、和/或光流法；運動矢量也可以通過基于特征的(“間接的”)方法來獲得，該方法匹配圖像之間的相應特征(諸如Harris角點)。塊匹配算法例如涉及使第一圖像的一部分(或“塊”)計算偏移大量已知矢量并將所產(chǎn)生的塊的副本與隨后圖像關(guān)聯(lián)以識別最好的匹配。重要地，與確定目標位置相關(guān)聯(lián)的計算成本在選擇合適的方法時不太重要，因為圖像處理步驟206 —般在實時的目標跟蹤之前進行，而不與實時目標跟蹤同時進行。
[0025]從圖像得到的位置信息(在步驟206中)與參考庫中的相應(k空間和/或?qū)嵖臻g)圖像一起和相關(guān)聯(lián)地存儲(步驟208)。例如，每個參考圖像可以與其關(guān)聯(lián)的位置信息結(jié)合至參考記錄(其可以包括一個或多個數(shù)據(jù)文件)中?？商鎿Q地，參考圖像和位置信息可以被存儲在不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中和/或不同的存儲位置處，以及附加數(shù)據(jù)庫可以將每個圖像與關(guān)聯(lián)的位置信息相聯(lián)系。
[0026]隨后在感興趣的程序期間使用在準備步驟200-208中建立的參考庫，以用于實時的目標跟S示。在一些實施例中，這意味著準備步驟在目標的治療開始之如完成。在其他實施例中，在早期治療序列期間采用用于特定治療序列的準備步驟。例如，可以在兩個或多個階段中執(zhí)行腫瘤的聚焦超聲消融:第一階段，其中，對準腫瘤的中心區(qū)域；以及一個或多個隨后階段，其中，腫瘤的外圍區(qū)域被暴露至超聲波。由于腫瘤周圍的健康組織的風險隨著治療進行而增大，因而需要精確的實時成像。因此，在第一階段期間的運動跟蹤可以以足夠低的成像速率進行以允許通過常規(guī)方式(即，不依賴于參考庫的方式)進行目標定位，以及在稍后階段期間的運動跟蹤可以利用來自第一階段的治療圖像作為參考圖像以實現(xiàn)更高的成像速率。通常，如果治療涉及多個離散治療序列，則可以針對所有序列使用相同的參考庫，或者可以使用在一個或多個之前序列期間獲得的圖像作為新的參考圖像，針對每個序列重新設置參考庫。此外，在一些實施例中，僅所獲取的參考圖像的子集(例如，在呼吸循環(huán)期間采集的每個其他圖像)在感興趣的治療序列之前被處理，并且用作初始參考庫以用于目標跟蹤，以及剩余參考圖像隨后在感興趣的治療序列期間被處理以改進參考庫。
[0027]在目標的治療期間，解剖區(qū)域被重復成像(步驟210)，例如在一些實施例中每10ms0為了確定每個幀內(nèi)(一般移動的)目標的位置，序列(或其子集)的每個圖像與參考庫中的圖像進行比較，并且使用適當?shù)膱D像相似度的度量來識別最接近的匹配(步驟212)。比較可以基于例如實空間或k空間圖像數(shù)據(jù)，S卩，其可以涉及但不必需要從治療期間獲取的原始數(shù)據(jù)重建實空間治療圖像。此外，比較圖像的部分可能就足夠了。通常，基于逐個像素來進行比較，其中，“像素”指圖像數(shù)據(jù)陣列的元素，其通常將振幅和相位值分別存儲為實空間坐標或k空間坐標的函數(shù)。適當?shù)南嗨贫榷攘堪ɡ缁ハ嚓P(guān)系數(shù)、強度差的平方和、交互信息(如該術(shù)語用于概率和信息理論)、比值圖像均勻性(即，相應像素值的比率的歸一化標準偏差)、均方誤差、絕對差的和、平方誤差的和、絕對轉(zhuǎn)換差的和(其使用兩個圖像中相應像素之間的差的哈達瑪或其他頻率變換)、或復數(shù)互相關(guān)(針對復數(shù)圖像，諸如MRI圖像)、以及本領域技術(shù)人員熟悉的與圖像配準有關(guān)的其他技術(shù)。
[0028]在一些實施例中，由所選擇相似度度量測量的、治療圖像和最接近參考圖像之間的相似度與(特定度量)相似度閾值進行比較，以及僅當相似度的水平超過閾值水平時(這通常意味著，針對測量圖像之間的差異、即不相似度的度量，度量的值下降至閾值以下)，參考圖像被認為是治療圖像的匹配。在其他實施例中，與治療圖像最相似的參考圖像被認為是與絕對相似度無關(guān)的匹配。
[0029]一旦識別出了匹配的參考圖像，可以容易地從與該參考圖像相關(guān)聯(lián)的之前確定的位置信息推斷出目標的位置(步驟214)。例如，如果所存儲的位置信息包括或由目標坐標本身組成，采用這些坐標作為目標在當前治療圖像中的坐標。由此，可以在不需要識別重建治療圖像中目標或其他標志的情況下實時地跟蹤目標。此外，在一些實施例中，如果每個治療圖像基于圖像的原始數(shù)據(jù)或其一部分而關(guān)聯(lián)至參考圖像之一，則治療圖像重建本身是不必要的?；谒櫟哪繕俗鴺耍?或其他治療能量)波束可以在治療程序期間被控制以補償任何目標運動(步驟216)。相似地，如果跟蹤非目標器官或組織，可以使用它們的坐標來控制和/或成形超聲(或其他能量)波束以避免或最小化它們對治療能量的暴露。特別地，通常對容易受到聲波束損害的器官高度感興趣，這些器官的位置可以在波束形成期間被考慮以使得能量束成形為在避免敏感相鄰器官在移動時的損害的同時加熱目標。
[0030]在沒有找到與當前治療圖像匹配的參考圖像的情況下，可以通過其他方式跟蹤目標(或其他感興趣對象)。例如，在之前圖像中跟蹤的目標運動可以被推斷以預測當前圖像幀中目標的位置，或者可以使用諸如呼吸監(jiān)測帶的互補圖像跟蹤系統(tǒng)來確定當前位置。即使目標坐標不能被實時更新并且目標跟蹤因此而暫時中斷，治療程序在一些實施例中可以持續(xù)短暫的時間段(例如，一個或兩個圖像幀)，以及如果針對隨后獲取的治療圖像識別出了匹配的參考圖像，則避免了程序中的延遲。然而，如果跳過圖像是不安全的，或者太多連續(xù)的程序圖像不能與參考庫圖像中的任一圖像匹配，則程序中止或中斷，直到確定目標位置(例如通過常規(guī)的、計算更昂貴的方式)，并且之后恢復。
[0031]在一些實施例中，基于在程序期間實時獲得的圖像來擴展參考庫。例如，如果新獲取的圖像揭示了目標(或感興趣的其他對象)的位置在總地在初始參考庫中表示的區(qū)域之夕卜，則新獲取的圖像可以被分析以確定目標的位置，并與位置信息一起被添加至參考庫?？蛇x地，治療可以在圖像處理期間暫停并且一旦圖像分析完成可以再恢復。在極端情況下，參考庫在程序開始時甚至是空的，且參考圖像可以隨著程序被執(zhí)行而連續(xù)添加。這便于以下因素之間的設計權(quán)衡:以計算開銷為代價的精度(在庫大的情況下，例如包含來自之前進程的圖像)，或者精度降低在臨床上可接受時的計算效率(例如，在來自之前進程的參考圖像不與當前治療序列相關(guān)時，在當前序列期間建立參考庫)。
[0032]在所跟蹤目標運動是周期性的應用中(諸如在呼吸循環(huán)期間)，通常在運動的循環(huán)期間順序采集參考圖像，在治療程序期間的跟蹤精度可以由此通過針對參考庫濾除跟蹤結(jié)果來改進。例如，描述在治療期間隨時間的目標運動的曲線可以與獲取參考庫期間的隨時間的目標運動進行比較，并基于獲取參考庫期間的隨時間的目標運動而被平滑化。此外，在參考庫的圖像中反映的目標運動可以用于檢測錯誤跟蹤結(jié)果，例如當在特定時間點，所跟蹤目標看起來逆著在該循環(huán)的時間段期間的運動趨勢而移動時。
[0033]在一些實施例中，程序期間的成像同時用于定量地監(jiān)測體內(nèi)溫度。這在MR引導的熱療(例如，MRgFUS治療)中特別有用，其中，治療區(qū)域(例如，要通過加熱破壞的腫瘤)的溫度應該被持續(xù)監(jiān)測以評估治療的進展并校正熱傳導和能量吸收的局部差異，以避免對治療區(qū)域周圍的組織的損害。利用MR成像對溫度的監(jiān)測(例如，測量和/或標測)通常被稱為MR溫度測量或MR熱成像。
[0034]在可用于MR溫度測量的各種方法中，質(zhì)子共振頻率(PRF)偏移方法通常是選擇的方法，這是因為其關(guān)于溫度改變的出色的線性、來自組織類型的接近獨立性、以及具有高的空間和時間分辨率的溫度圖(map)采集。PRF偏移方法基于水分子中質(zhì)子的MR共振頻率隨著溫度而線性改變的現(xiàn)象(其比例常數(shù)有利地在組織類型之間相對恒定)。由于頻率隨溫度改變得很小，對于重力水僅-0.01ppm/°C，以及在組織中約-0.0096至-0.013ppm/°C,PRF偏移通常利用相敏成像方法來檢測，其中進行兩次成像:第一，在溫度改變之前獲取基線PRF相位圖像，然后在溫度改變之后獲取第二相位圖像——即，治療圖像，從而捕獲與溫度改變成比例的小的相位改變。溫度改變的圖可以之后通過以下從(重建的，即實空間的)圖像計算:基于逐個像素確定基線圖像和治療圖像之間的相位差，以及在考慮諸如靜磁場的強度和(例如，梯度回波的)回波時間(TE)的成像參數(shù)的同時基于PRF溫度相關(guān)性將相位差轉(zhuǎn)換成溫度差。
[0035]如果在獲取基線圖像時成像區(qū)域中的溫度分布是已知的，則溫度差圖可以被添加至基線溫度以獲得與治療圖像相對應的絕對溫度分布。在一些實施例中，基線溫度是成像區(qū)域中簡單均勻的身體溫度。更復雜的基線溫度分布在一些實施例中在治療之前通過各個位置中的直接溫度測量與基于數(shù)學擬合的插值和/或外推(例如，平滑、多項式擬合)組合來確定。
[0036]在MR溫度測量的情況下，運動跟蹤可以通過如上所述獲得參考圖像的庫來完成，其覆蓋了預期范圍的運動，并提供與在治療之前解剖區(qū)域的溫度相對應的基線相位圖。為了確定治療圖像的溫度圖，(使用以上列出的方法中任一個)識別空間上對準的基線圖像，并且所選擇的基線和治療圖像之后被處理以確定溫度的變化。該方法通常被稱為多基線溫度測量。在圖3A中所示的該常規(guī)實施方式中，多基線溫度測量涉及在超聲處理或其他溫度影響治療之前獲取(實空間)基線圖像的庫(步驟300、302)、進行超聲處理(步驟304)、獲取治療區(qū)域的原始圖像數(shù)據(jù)并從中重建實空間圖像(步驟306、308)、例如基于圖像相似度標準從基線庫選擇合適的參考圖像(步驟310)、以及根據(jù)治療和參考圖像來計算熱圖(步驟312)。如果沒有基線圖像與治療圖像充分匹配，例如因為目標在由圖像覆蓋的區(qū)域之外移動，則處理被中止(步驟314)。否則，溫度可以通過重復的圖像獲取、參考選擇和處理而繼續(xù)被監(jiān)測。
[0037]圖3B示出根據(jù)本發(fā)明實施例的將用于波束調(diào)整的運動跟蹤和溫度測量相結(jié)合的方法。再次，通過獲取在不同運動階段期間的原始圖像數(shù)據(jù)(步驟320)以及從中重建實空間參考/基線圖像(步驟322)來在治療之前創(chuàng)建覆蓋預期運動范圍的參考/基線圖像的庫。通過與之前圖像的計算偏移副本的圖像相關(guān)或者通過以上關(guān)于圖2所述的方法中的任一個，例如相對于可容易識別的解剖標志在這些圖像中跟蹤目標(和/或感興趣的其他解剖對象或特征)(步驟324)。所識別的目標位置(例如，圖像內(nèi)的行數(shù)和列數(shù)、或者在一些其他坐標系中的坐標)與每個相應參考圖像一起或相關(guān)聯(lián)地存儲(例如在聯(lián)合數(shù)據(jù)記錄中，或者在其整體鏈接至參考圖像的單獨數(shù)據(jù)庫中)。在治療期間，例如，在目標的超聲處理開始之后(步驟326)，針對治療區(qū)域獲取圖像數(shù)據(jù)(步驟328)，以及基于相似度來選擇參考/基線圖像(步驟330)。如所示出的，用于與基線庫比較的圖像數(shù)據(jù)不需要構(gòu)成重建的實空間圖像。而是，更通常地，(治療圖像和基線圖像的)原始(k空間)數(shù)據(jù)可以用于識別合適的參考圖像。在一些實施例中，甚至不需要采集完整的k空間圖像；而是，可以使用部分原始數(shù)據(jù)用于參考選擇。
[0038]基于所選擇的參考圖像和與其相關(guān)聯(lián)的目標坐標，可以例如通過波束成形和/或波束控制來調(diào)整超聲處理或其他治療程序(步驟322)，以確保波束焦點保持在目標上。此夕卜，為了便于溫度測量，針對治療區(qū)域的原始圖像數(shù)據(jù)的獲取可以完成(步驟334)(如果還未完成的話)，以及實空間圖像可以被重建(步驟336)以及以本領域技術(shù)人員已知的方式被進一步處理以產(chǎn)生溫度圖(步驟338)。成像和溫度標測過程之后可以針對相同的或另一子超聲處理(即，整個超聲處理程序內(nèi)超聲處理的序列之一)被重復。如所示出的，可以在實空間圖像的重建(步驟336)之前使治療能量波束再成形或改變方向(步驟332)。這樣，治療(例如，超聲處理)、成像和圖像處理可以并行實施，減少了整體治療時間。
[0039]根據(jù)此的運動跟蹤方法可以使用(其他常規(guī)的)圖像引導的治療系統(tǒng)，諸如圖1所示的MRgFUS系統(tǒng)100，與合適的圖像處理和控制設備結(jié)合(例如，與計算單元112集成)來實施，合適的圖像處理和控制設備與治療設備(例如，設置超聲換能器陣列的相位和振幅的波束形成器)和成像設備通信。圖像處理和控制設備可以以硬件、軟件、固件或硬連線的任何合適的組合來實現(xiàn)。圖4示出示例性實施例，其中設備由適當編程的通用計算機400來提供。計算機包括中央處理單元(CPU) 402、系統(tǒng)存儲器404和非易失性大容量存儲裝置406 (例如，一個或多個硬盤和/或光學存儲單元)。計算機400還包括雙向系統(tǒng)總線408，其中，CPU 402、存儲器404和存儲裝置406通過雙向系統(tǒng)總線408相互通信并且與諸如傳統(tǒng)的用戶接口組件410(包括例如屏幕、鍵盤和鼠標)和治療設備412、成像設備414和(可選地)便于絕對溫度測量的任何溫度傳感器416的內(nèi)部或外部輸入/輸出裝置通信。
[0040]系統(tǒng)存儲器404包含概念上示出為模塊的集合的指令，其控制CPU402的操作及其與其他硬件組件的交互。操作系統(tǒng)420指示低級別基本系統(tǒng)功能的執(zhí)行，諸如大容量存儲裝置406的存儲器分配、文件管理和操作。在較高級別，一個或多個服務應用程序提供圖像處理、運動跟蹤和(可選地)溫度測量所需的計算功能。例如，如所示出的，系統(tǒng)可以包括用于根據(jù)從成像設備414接收到的原始圖像數(shù)據(jù)重建實空間圖像的圖像重建模塊422、用于從重建的參考圖像提取目標和/或其他感興趣對象的位置信息的圖像分析模塊424、用于測量治療和參考圖像(無論是原始圖像還是重建圖像)之間的相似度并基于該相似度來選擇合適的參考圖像的參考選擇模塊426、用于計算治療設備的相位偏移或其他參數(shù)以補償任何檢測到的運動的波束調(diào)節(jié)模塊428、以及熱圖模塊430，熱圖模塊430從治療圖像減去參考以獲得溫度差圖以及在與所選擇參考基線相對應的絕對溫度已知的情況下獲得治療圖像的絕對溫度圖。各種模塊可以以任何適當編程的語言來編程，包括但不限于高級語言，諸如 C、C++、C#、Ada、Basic、Cobra、Fortran、Java、Lisp、Perl、Python、Ruby 或 ObjectPascal，或者低級匯編語言；在一些實施例中，不同的模塊以不同的語言編程。
[0041]這里所使用的術(shù)語和表達用作描述的術(shù)語和表達并且沒有限制，在使用這些術(shù)語和表達時，不意于排除所示出和所描述的特征的任何等價物或其一部分。另外，描述了本發(fā)明的特定實施例，對于本領域普通技術(shù)人員顯而易見的是，包含這里所公開的概念的其他實施例可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下使用。因此，所述實施例被認為在所有方面僅是示意性的和非限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在治療序列期間跟蹤運動的解剖對象的方法，該方法包括: (a)在所述治療序列之前，(i)在所述解剖對象的運動期間獲取包括所述解剖對象的解剖區(qū)域的一系列參考圖像，每個參考圖像對應于所述運動的不同階段，以及(ii)處理所述圖像以針對每個圖像確定與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置；以及 (b)在所述治療序列期間，(i)獲取所述解剖區(qū)域的治療圖像，(?)基于治療圖像和參考圖像之間的相似度將所述治療圖像中的至少一些關(guān)聯(lián)至相應參考圖像，以及(iii)基于所述相應參考圖像中與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置來在相關(guān)治療圖像中跟蹤所述對象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述治療序列包括所述解剖對象的治療。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述治療序列包括基于所述跟蹤將聚焦超聲波束引導至所述對象上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述治療序列包括除了所述解剖對象以外的目標的治療。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括在所述治療期間基于所述跟蹤將聚焦超聲波束成形至所述目標上以避開所述解剖對象。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述治療序列是治療程序的一部分，所述治療程序包括多個時間分隔的治療序列，每個所述時間分隔的治療序列包括解剖目標對治療能量的至少一次暴露，其中，在治療序列期間使用的所獲取參考圖像中的至少一個是在前一個治療序列期間所獲得的治療圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，每次暴露使所述解剖目標經(jīng)受聲能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過在所述治療圖像和所述相應參考圖像之間執(zhí)行基線減法來監(jiān)測所述解剖區(qū)域中的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理所述參考圖像包括識別所述參考圖像的每一個中的至少一個解剖標志，與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置是所述至少一個解剖標志的位置，所述至少一個解剖標志的位置相對于所述對象的位置是固定的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，跟蹤所述目標包括根據(jù)所述相應參考圖像中所述解剖標志的位置推斷所述目標的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置是所述對象的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，圖像是MRI圖像。
13.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，基于原始圖像數(shù)據(jù)來確定相似度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系列包括至少一個圖像。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述系列包括多個圖像。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述治療序列期間，將治療圖像添加至所述一系列參考圖像。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所跟蹤對象的運動與所述一系列參考圖像進行比較，并且基于該比較來平滑化所跟蹤運動。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所跟蹤對象的運動與所述一系列參考圖像進行比較，并且基于該比較來檢測跟蹤誤差。
19.一種用于在治療序列期間跟蹤運動的解剖對象的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: (a)成像設備，其能夠與治療設備結(jié)合操作，用于(i)在所述治療序列之前，在所述對象的運動期間獲取包括所述對象的解剖區(qū)域的一系列參考圖像，每個參考圖像對應于所述運動的不同階段，以及(ii)在所述治療序列期間獲取所述解剖區(qū)域的治療圖像；以及 (b)計算單元，其被配置為(i)處理所述參考圖像以針對每個參考圖像確定與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置，(?)基于治療圖像和參考圖像之間的相似度將所述治療圖像中的至少一些關(guān)聯(lián)至相應參考圖像，以及(iii)基于所述相應參考圖像中與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置來在相關(guān)治療圖像中跟蹤所述對象。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述治療設備包括超聲換能器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元進一步被配置為基于所述跟蹤將所述換能器生成的超聲波束聚焦在所述對象上。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述治療序列包括除了所述解剖對象以外的目標的治療，所述計算單元進一步被配置為基于所述跟蹤來成形由所述換能器生成的超聲波束以避開所述對象。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述成像設備包括MRI設備。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述治療序列是治療程序的一部分，所述治療程序包括多個時間分隔的治療序列，每個所述時間分隔的治療序列包括解剖目標對治療能量的至少一次暴露，所述計算單元被配置為使用在所述治療序列中的第一個序列期間獲得的治療圖像作為參考圖像以用于所述治療序列中隨后的第二個序列。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被進一步配置為通過在所述治療圖像和所述相應參考圖像之間執(zhí)行基線減法來監(jiān)測所述解剖區(qū)域中的溫度。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被進一步配置為識別所述參考圖像的每一個中的至少一個解剖標志，與所述對象相關(guān)聯(lián)的位置是所述至少一個解剖標志的位置，所述至少一個解剖標志的位置相對于所述對象的位置是固定的。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被進一步配置為通過根據(jù)所述相應參考圖像中所述解剖標志的位置推斷所述目標的位置來跟蹤所述目標。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被配置為基于原始圖像數(shù)據(jù)將所述治療圖像與所述參考圖像關(guān)聯(lián)。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被進一步配置為將治療圖像添加至所述一系列參考圖像。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被進一步配置為將所跟蹤對象的運動與所述一系列參考圖像進行比較，并且基于該比較來平滑化所跟蹤運動。
31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述計算單元被進一步配置為將所跟蹤對象的運動與所述一系列參考圖像進行比較，并且基于該比較來檢測跟蹤誤差。
【文檔編號】A61N7/00GK104244818SQ201380015282
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月6日
【發(fā)明者】約阿夫·利維, 約阿夫·麥丹, 科比·沃爾特曼 申請人:因賽泰克有限公司