在運(yùn)動器官的成像期間的參考庫擴(kuò)展的制作方法
【專利摘要】在圖像引導(dǎo)的治療程序期間獲取的圖像有時超過之前為了監(jiān)測和/或調(diào)整治療所獲取的參考庫的范圍。在該情況下，參考庫可以基于新獲取的治療圖像和/或其他可用信息被動態(tài)地和/或?qū)崟r地擴(kuò)展。
【專利說明】在運(yùn)動器官的成像期間的參考庫擴(kuò)展
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求在2012年2月6日提交的美國臨時專利申請No. 61/595, 338和 No. 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-Based Motion Tracking During Non-Invasive Therapy"的 PCT申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及基于參考的成像應(yīng)用，并且尤其涉及基于參考的磁共振成像（MRI)。各 種實(shí)施例涉及用于在圖像引導(dǎo)的非侵入式治療中的溫度測量或器官跟蹤的運(yùn)動補(bǔ)償。

【背景技術(shù)】
[0004] 內(nèi)部身體組織的磁共振（MR)成像可以用于許多醫(yī)療程序，包括診斷和外科手術(shù)。 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(shí)施例中，使用相同的裝置可替代地作 為RF發(fā)射器或接收器。）磁體包括用于將患者110容納其中并在患者上提供靜態(tài)的相對均 勻的磁場的區(qū)域108,其使得氫核自旋以對準(zhǔn)并圍繞磁場的總體方向旋進(jìn)。自旋對準(zhǔn)創(chuàng)建組 織中的凈磁化，其通常取決于組織的類型并且可以由此可以用于創(chuàng)建MR圖像中的對比度。 由梯度場線圈104生成的隨時間變化的磁場梯度與靜態(tài)磁場重疊以通過時空改變自旋的 旋進(jìn)頻率來對空間信息進(jìn)行編碼。RF發(fā)射器106在患者110上發(fā)射RF脈沖序列以使得對 準(zhǔn)的自旋中的一些在短暫的高能未對準(zhǔn)狀態(tài)和對準(zhǔn)狀態(tài)之間交替，從而感應(yīng)RF響應(yīng)信號， 其被稱為MR回波或MR響應(yīng)信號。為了獲得MR圖像，MR響應(yīng)信號在整個（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(yīng)信號的時間序列。該原 始數(shù)據(jù)被傳遞至計(jì)算單元112。時間序列中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)可以被解釋為k空間（S卩，波矢量 空間）中特定點(diǎn)處的依賴于位置的局部磁化的傅里葉變換的值，其中，波矢量k是梯度場的 時間進(jìn)展的函數(shù)。由此，通過對響應(yīng)信號的時間序列進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算單元112可以從 原始數(shù)據(jù)重建組織的實(shí)空間圖像（即，示出作為空間坐標(biāo)的函數(shù)的所測量的磁化影響的組 織性質(zhì)的圖像）。實(shí)空間MR圖像之后可以向用戶顯示。
[0005] MRI系統(tǒng)100可以用來規(guī)劃醫(yī)療程序，以及在程序期間協(xié)助定位和引導(dǎo)醫(yī)療器械 并監(jiān)視治療進(jìn)展。例如，在患者在MRI機(jī)器中的同時，可以使用醫(yī)療器械對患者執(zhí)行醫(yī)療程 序。醫(yī)療器械可以被插入患者中，或者非侵入式地使用，即在組織中產(chǎn)生治療或診斷效果時 放置在患者外部。MRI可以用于對患者的解剖區(qū)域成像，定位區(qū)域內(nèi)的治療目標(biāo)，（優(yōu)選地 實(shí)時地）監(jiān)測醫(yī)療器械（或其效果的焦點(diǎn)）相對于目標(biāo)的位置，和/或監(jiān)測目標(biāo)組織中和 周圍的溫度。
[0006] 例如，醫(yī)療器械可以是聚焦超聲裝置114,其位于患者身體外部并且將超聲能量聚 焦至患者體內(nèi)。超聲波很好地穿透軟組織，并且由于其短的波長，可以聚焦至具有幾毫米的 尺寸的斑點(diǎn)；因此，其可以用于高度定位的非侵入式外科手術(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、凝固或以其他方式使癌組織壞死。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)的目標(biāo)組織塊相對應(yīng)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細(xì)胞壞死一優(yōu)選地在聚焦區(qū)域中的目 標(biāo)組織塊。換能器陣列的各個表面或"元件"通常是單獨(dú)可控的，即它們的相位和/或振幅 可以被相互獨(dú)立地設(shè)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(jìn)，在期望距離處聚焦，并使其波束輪廓符合期望形狀。由 此，聚焦區(qū)域可以通過獨(dú)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；換句話說，換能器元件可操作為相位陣列。
[0007] 在MR引導(dǎo)的聚焦超聲（MRgFUS)治療中，患者運(yùn)動（諸如由于呼吸的周期運(yùn)動或 隨機(jī)移動）可能對治療效果和安全性造成相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。需要補(bǔ)償運(yùn)動以確保超聲波束維 持聚焦在目標(biāo)上并且不損害周圍的健康組織。在MRgFUS系統(tǒng)中，運(yùn)動補(bǔ)償一般通過跟蹤圖 像中的目標(biāo)并基于所跟蹤的位置控制超聲波束來完成。目標(biāo)跟蹤的一種方式涉及直接確定 圖像中目標(biāo)的坐標(biāo)或相對于目標(biāo)位于固定位置的可容易識別的"解剖標(biāo)志"的坐標(biāo)。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(jì)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(fèi)了大量的圖像 處理時間來確定目標(biāo)位置。由此，如果對在治療期間獲取的圖像進(jìn)行了這種圖像處理，有效 的成像速率通常顯著增大，這通常阻礙了實(shí)時運(yùn)動補(bǔ)償。這可能導(dǎo)致波束靶標(biāo)的不精確性 和/或迫使治療中斷來校正由于目標(biāo)組織或器官的位移引起的任何錯位。
[0008] 為了避免這些問題并便于實(shí)時的目標(biāo)跟蹤，可以在治療之前獲取并分析覆蓋預(yù)期 范圍的患者運(yùn)動內(nèi)的不同階段的參考圖像的庫。每個參考圖像內(nèi)目標(biāo)（或感興趣的其他對 象）的位置與相應(yīng)圖像一起或者與相應(yīng)圖像相關(guān)聯(lián)地存儲在例如集成參考記錄中。隨著實(shí) 際治療進(jìn)行，實(shí)時獲取的圖像與庫中的參考圖像相關(guān)聯(lián)以基于圖像相似度確定匹配。之后， 從與相應(yīng)參考圖像相關(guān)聯(lián)的位置信息推斷出目標(biāo)區(qū)域在所獲取治療圖像中的位置。因?yàn)閳D 像匹配一般比檢測和定位圖像內(nèi)的對象更少地涉及計(jì)算，因而該方法可以實(shí)現(xiàn)治療期間處 理時間的顯著節(jié)省，由此便于實(shí)時跟蹤。
[0009] 運(yùn)動補(bǔ)償在基于MR的溫度測量（即從所監(jiān)測解剖區(qū)域的MR圖像生成其溫度標(biāo)測 圖）中也是有關(guān)的，其中，其同樣可以受益于在治療之前獲取的參考庫。溫度測量便于監(jiān) 測目標(biāo)組織的熱治療的進(jìn)展，以例如確保非目標(biāo)組織不被疏忽地加熱至超出臨床可容忍水 平。在可用于MR溫度測量的各種方法中，質(zhì)子共振頻率（PRF)偏移方法通常是最佳的，這 是由于其對于溫度變化的出色的線性、與組織類型幾乎無關(guān)、以及具有高的空間和時間分 辨率的溫度標(biāo)測圖獲取。PRF偏移方法基于以下現(xiàn)象：水分子中質(zhì)子的MR共振頻率隨著溫 度線性改變（具有有利地在組織類型之間相對恒定的比例常數(shù)）。由于頻率隨溫度的變化 很小，對于大體積水僅-〇· 〇lppm/°C以及組織中大約-0· 0096至-0· 013ppm/°C，PRF偏移通 常利用相位敏感成像方法來檢測，其中進(jìn)行兩次成像：首先，在溫度改變之前獲取基線（或 參考）PRF相位圖像，之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 溫度變化成比例的小的相位變化。溫度變化的標(biāo)測圖之后可以從（重建的，即實(shí)空間）圖 像通過以下來計(jì)算：在逐個像素基礎(chǔ)上確定基線圖像和治療圖像之間的相位差，并在考慮 諸如靜磁場的強(qiáng)度和（例如梯度回波的）回波時間（TE)的情況下基于PRF溫度依賴性來 將相位差轉(zhuǎn)換成溫度差。此外，如果在獲得基線圖像時成像區(qū)域中的溫度分布是已知的，則 溫度差標(biāo)測圖可以被添加至基線溫度以獲得與治療圖像相對應(yīng)的絕對溫度分布。
[0010] 獲得治療圖像的溫度（差）標(biāo)測圖的能力取決于合適參考圖像的存在，即，根據(jù)溫 度分布反映包括感興趣對象的位置的成像狀況的圖像，成像狀況在獲取治療圖像時存在。 如果感興趣區(qū)域是靜止的（如通常例如前列腺和子宮束那樣），單個參考（或基線）圖像 可以足夠。然而，通常，患者--以及隨他被監(jiān)測的區(qū)域或者其中的一個或多個器官--在 治療期間移動；這種運(yùn)動可以是周期性的（例如，由于呼吸）或突發(fā)的和隨機(jī)的。在該情 況下，覆蓋一定范圍的運(yùn)動的參考圖像的庫可以在治療（例如，加熱）之前被獲取，以及絕 對溫度標(biāo)測圖可以可選地與每個參考圖像一起被存儲（例如，針對運(yùn)動的每個階段形成包 括MR圖像和溫度標(biāo)測圖的參考記錄）。為了獲得新的治療圖像的合適的參考（或基線）圖 像，針對庫執(zhí)行相關(guān)或其他合適的圖像選擇技術(shù)以找到在空間上與治療圖像最好對準(zhǔn)的基 線圖像。所選擇的基線圖像和治療圖像如上所述被處理以確定溫度的變化，以及基于與基 線圖像相對應(yīng)的溫度標(biāo)測圖以及圖像之間的相位變化來計(jì)算治療圖像的絕對溫度標(biāo)測圖。 該方法通常被稱為多基線溫度測量。也可以應(yīng)用另外的算法（例如，為了說明相位卷繞，校 正靜態(tài)磁場中的漂移，或者對來自諸如多個MR通道的多個來源的測量值進(jìn)行積分）。
[0011] 盡管用于波束控制的溫度測量和對象跟蹤涉及非常不同的操作和技術(shù)限制，但在 這兩種情況下，適應(yīng)移動的能力將是關(guān)鍵的，并且將取決于參考庫的魯棒性。當(dāng)患者的移動 超過預(yù)期時（即，治療圖像中的目標(biāo)區(qū)域不再處于由參考庫覆蓋的區(qū)域中和/或由于治療 圖像和參考圖像之間的圖像相似度不足基線圖像不被發(fā)現(xiàn)），可能需要停止治療以校正由 于目標(biāo)組織或器官的位移引起的錯位。除了目標(biāo)以外的解剖結(jié)構(gòu)的移動也可能通過干擾電 磁場（其直接影響圖像的相位標(biāo)測圖）來否定參考庫的有效性，從而所產(chǎn)生的治療圖像不 直接在細(xì)節(jié)上對應(yīng)于參考圖像。除非超過參考庫的覆蓋范圍的移動和其他改變是瞬時和簡 短的，治療通常必須停止以允許治療裝置的重新校準(zhǔn)和重新對準(zhǔn)以及用于獲取和/或處理 新的參考圖像。結(jié)果導(dǎo)致不方便和延遲。
[0012] 因此，需要在參考圖像（由于移動、成像參數(shù)的變化、或者其他因素）不匹配新獲 得圖像時對參考庫的有效擴(kuò)展，優(yōu)選地以使得治療可以在不中斷的情況下繼續(xù)進(jìn)行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明在各個實(shí)施例中涉及圖像引導(dǎo)的治療程序（或其他醫(yī)療成像應(yīng)用）中參考 庫的使用，并提供用于在需要時，即在針對給定治療圖像在庫中沒找到合適的參考圖像時， 在治療期間動態(tài)地并且優(yōu)選地實(shí)時地擴(kuò)展庫的系統(tǒng)和方法。這種參考庫擴(kuò)展在需要治療程 序的結(jié)束的許多情況下增加了基于參考的成像的靈活性并便于不中斷的治療，或者至少最 小化延遲。
[0014] 參考庫包括多個參考圖像（例如，MR圖像）以及通常與每個圖像相關(guān)聯(lián)的另外的 應(yīng)用特定數(shù)據(jù)（諸如用于運(yùn)動跟蹤應(yīng)用的其中的感興趣對象的位置、或者用于溫度測量應(yīng) 用的與其相關(guān)聯(lián)的絕對溫度標(biāo)測圖）。在下文中，參考圖像及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)被總地稱為"參考 圖像記錄"或簡單地"參考記錄"，而與圖像和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)被存儲在集成數(shù)據(jù)文件（或多個文 件）或不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和/或不同存儲位置（在該情況下，另外的數(shù)據(jù)庫可以將每個圖像與 關(guān)聯(lián)信息相聯(lián)系）無關(guān)。圖像可以例如是MR圖像、超聲圖像、X射線圖像、X射線計(jì)算機(jī)斷 層掃描（CT)圖像、或其他圖像。此外，除了以其他方式從上下文顯而易見，這里所使用的術(shù) 語"圖像"可以指實(shí)空間圖像（例如，重建的MR圖像）、得到實(shí)空間圖像的原始數(shù)據(jù)（例如， k空間MR圖像或CT投影圖像）、或者兩者。
[0015] 初始參考庫通常在治療之前獲得。隨后，隨著感興趣的解剖區(qū)域在治療期間被重 復(fù)成像，搜索參考庫以獲得匹配一系列治療圖像的參考圖像；治療圖像和相應(yīng)的參考圖像 記錄一起用于引導(dǎo)和/或監(jiān)測治療。如果在治療期間遇到不期望的移動或圖像狀況的變 化，并且因此沒找到匹配的參考圖像，則治療圖像（或從中得到的圖像）被合并至參考庫作 為新的參考圖像。此外，形成用于當(dāng)前應(yīng)用的完整的參考記錄所需的任何附加信息從或基 于當(dāng)前的和/或一個或多個現(xiàn)有治療圖像（可選地與物理模型組合）獲得或估計(jì)，并與新 的參考圖像相關(guān)聯(lián)地添加至參考庫。隨后的治療圖像之后與擴(kuò)展的參考庫進(jìn)行比較。該過 程被重復(fù)，并且在沒有識別到合適的參考圖像時，基于瞬時的治療圖像來補(bǔ)充庫，并且治療 繼續(xù)進(jìn)行，除非為了安全目的而強(qiáng)加的結(jié)束條件觸發(fā)了早期結(jié)束。（結(jié)束條件可以例如指明 落入初始參考庫之外的連續(xù)治療圖像的最大可允許數(shù)量。）參考庫由此在治療期間被動態(tài) 擴(kuò)展，通常避免了中斷治療的需要。
[0016] 因此，在一個方面中，本發(fā)明提供一種用于在治療期間監(jiān)測解剖區(qū)域的方法。在治 療之前，建立解剖區(qū)域的參考圖像記錄的庫；每個參考圖像記錄包括參考圖像，以及在一些 實(shí)施例中，包括與參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。在治療期間，重復(fù)地獲取解剖區(qū)域的治療圖像。 針對每個治療圖像，根據(jù)圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)來判斷來自庫的參考圖像是否匹配所獲取的治療 圖像，以及如果根據(jù)圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)，庫中的參考圖像都不匹配所獲取的治療圖像，則（至 少部分地）基于所獲取治療圖像和/或之前治療圖像、通過將包括新的參考圖像（其在一 些實(shí)施例中滿足關(guān)于治療圖像的圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)）的新的參考圖像記錄添加至庫來擴(kuò)展 參考庫。至少部分地基于所獲取的治療圖像和參考庫來監(jiān)測解剖區(qū)域。在一些實(shí)施例中，方 法還包括在治療期間至少部分地基于監(jiān)測來修改與治療相關(guān)聯(lián)的參數(shù)（例如，治療能量、 治療功率、治療波束形狀或目標(biāo)面積），和/或改變成像參數(shù)。
[0017] 擴(kuò)展參考庫可以包括將治療圖像、或從治療圖像得到的圖像添加至庫作為新的參 考圖像?？商鎿Q地，在一些實(shí)施例中，參考庫可以通過以下來擴(kuò)展：基于治療圖像或之前圖 像中的至少一個來估計(jì)解剖區(qū)域中感興趣對象的運(yùn)動，基于所估計(jì)的運(yùn)動來獲取包括感興 趣對象的新的治療圖像，以及將新的治療圖像添加至庫作為新的參考圖像。擴(kuò)展參考庫還 可以包括得到新的參考圖像的相應(yīng)數(shù)據(jù)并與新的參考圖像相關(guān)聯(lián)地將數(shù)據(jù)添加至庫。在一 些實(shí)施例中，庫最初沒有參考圖像。在其他實(shí)施例中，庫最初包含多個參考圖像，每個參考 圖像對應(yīng)于解剖區(qū)域的運(yùn)動的不同階段。
[0018] 在一些實(shí)施例中，與不同參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括其中的一個或多個感興趣對 象（例如，治療目標(biāo)和/或?qū)χ委熌芰棵舾械姆悄繕?biāo)組織或器官）的相應(yīng)位置。監(jiān)測解剖 區(qū)域可以包括基于與匹配所獲取治療圖像的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的位置來監(jiān)測感興趣 對象的位置。治療可以包括將治療能量波束施加至目標(biāo)；基于目標(biāo)和/或敏感器官的所監(jiān) 測位置，可以調(diào)整波束。新的參考圖像中感興趣對象的位置可以使用圖像分析從治療圖像 中得到?？商鎿Q地，新的參考圖像中感興趣對象的位置可以從一個或多個之前治療圖像和 表征感興趣對象的運(yùn)動的物理模型得到。
[0019] 在一些實(shí)施例中，與參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括與其相對應(yīng)的熱標(biāo)測圖。方法可 以包括基于所獲取治療圖像和匹配的參考圖像之間的相位差來監(jiān)測解剖區(qū)域中的溫度變 化；進(jìn)一步基于與匹配所獲取治療圖像的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的熱標(biāo)測圖來監(jiān)測解剖區(qū) 域中的絕對溫度。與新的參考圖像相對應(yīng)的熱標(biāo)測圖可以從與一個或多個之前治療圖像相 對應(yīng)的一個或多個熱標(biāo)測圖、可選地進(jìn)一步基于物理模型（其可以例如表征所監(jiān)測解剖區(qū) 域的運(yùn)動或區(qū)域內(nèi)的溫度演變）來得到。方法可以進(jìn)一步包括在治療之后建立解剖區(qū)域的 熱標(biāo)測圖，并追溯地基于該熱標(biāo)測圖在治療期間調(diào)整所監(jiān)測的絕對溫度。
[0020] 在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于在治療期間監(jiān)測解剖區(qū)域的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包 括：成像設(shè)備，用于對解剖區(qū)域成像；存儲器，用于存儲包括解剖區(qū)域的參考圖像的參考圖 像記錄的庫；以及計(jì)算單元。計(jì)算單元被配置為（i)在治療期間重復(fù)地使成像設(shè)備獲取解 剖區(qū)域的治療圖像，（ii)根據(jù)圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)來判斷庫中的參考圖像是否匹配所獲取的治 療圖像，（iii)如果庫中的參考圖像都不匹配所獲取的治療圖像，則至少部分地基于所獲取 治療圖像或之前治療圖像中的至少一個、通過將包括新的參考圖像的新的參考圖像記錄添 加至庫來擴(kuò)展參考庫，以及（iv)至少部分地基于所獲取的治療圖像和參考庫來監(jiān)測解剖 區(qū)域。系統(tǒng)還可以包括用于將治療能量波束聚焦在解剖區(qū)域中的目標(biāo)的超聲換能器陣列， 以及計(jì)算單元可以被配置為基于所述監(jiān)測來調(diào)整波束。
[0021] 每個參考圖像記錄可以包括與相應(yīng)記錄的參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，以及計(jì)算單元 可以被配置為得到與新的參考圖像相對應(yīng)的數(shù)據(jù)并與新的參考圖像相關(guān)聯(lián)地將數(shù)據(jù)添加 至庫。在一些實(shí)施例中，與參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括其中一個或多個感興趣對象的相應(yīng) 位置。計(jì)算單元可以被配置為基于與匹配所獲取治療圖像的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的位置 來監(jiān)測感興趣對象的位置；可以基于所監(jiān)測位置來調(diào)整治療。在一些實(shí)施例中，與參考圖像 相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括與其相對應(yīng)的熱標(biāo)測圖。計(jì)算單元可以被配置為基于所獲取治療圖像和 匹配的參考圖像之間的相位差以及與匹配的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的熱標(biāo)測圖來監(jiān)測解 剖區(qū)域中的絕對溫度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 通過本發(fā)明的以下詳細(xì)描述，特別地當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將更容易地理解上述描 述，其中：
[0023] 圖1示出根據(jù)各種實(shí)施例的MRI引導(dǎo)的聚焦超聲系統(tǒng)；
[0024] 圖2是示出根據(jù)各種實(shí)施例的參考庫擴(kuò)展的流程圖；
[0025] 圖3是示出根據(jù)各種實(shí)施例的用于圖像引導(dǎo)的波束聚焦應(yīng)用的參考庫擴(kuò)展的流 程圖；
[0026] 圖4是示出根據(jù)各種實(shí)施例的用于溫度測量應(yīng)用的參考庫擴(kuò)展的流程圖；以及
[0027] 圖5是示出實(shí)施根據(jù)各種實(shí)施例的方法的圖像處理和控制設(shè)備的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明總地涉及用于對患者內(nèi)的解剖區(qū)域成像、通常連同其治療的系統(tǒng)和方法， 并且尤其涉及基于參考的成像，其便于補(bǔ)償患者運(yùn)動、治療結(jié)構(gòu)或成像參數(shù)（例如，掃描 場）的變化、或影響所獲取圖像的處理和分析的其他因素。與一旦治療開始參考圖像庫就 通常不被更新的常規(guī)方法相比，本發(fā)明提供用于根據(jù)需要在治療期間動態(tài)擴(kuò)展參考庫的方 法。為了明確，以下說明具體指MR成像應(yīng)用。然而，應(yīng)該理解，這里所論述的概念和特征也 可應(yīng)用于其他成像方式。
[0029] 參考圖2,其概念性示出根據(jù)各種實(shí)施例的用于參考庫擴(kuò)展的方法200。方法200 包括在治療之前獲取包括感興趣解剖區(qū)域的成像區(qū)域的多個參考圖像（步驟202)。參考 圖像可以覆蓋解剖區(qū)域或?qū)ο笠约捌渲械慕M織的預(yù)期范圍的運(yùn)動，每個圖像對應(yīng)于運(yùn)動的 不同階段（例如，呼吸周期中的不同階段）?？商鎿Q地或另外地，參考圖像可以在不同的成 像條件和/或治療配置下獲取，并且可以一般地對應(yīng)于由各種因素造成的不同相位背景。 對于許多應(yīng)用，方法還包括導(dǎo)出或以其他方式獲得與每個圖像相關(guān)聯(lián)的附加信息（步驟 204)。例如，如果庫用于實(shí)時跟蹤治療目標(biāo)或其他感興趣對象的運(yùn)動，則每個參考圖像中 感興趣對象的位置可以與圖像一起被存儲。在溫度測量應(yīng)用中，參考庫可以提供基線圖像 以用于覆蓋一定范圍的期望相位背景的背景減法（例如，源于要監(jiān)測的區(qū)域的或其內(nèi)的移 動，或者產(chǎn)生自與溫度無關(guān)的其他相位影響條件），每個圖像可以具有與其相關(guān)聯(lián)的絕對溫 度標(biāo)測圖。（以下更詳細(xì)論述的圖3和4分別更詳細(xì)地示出方法200對目標(biāo)跟蹤和溫度測 量的應(yīng)用。）參考圖像和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)作為參考記錄被存儲在參考庫中（步驟206)。
[0030] 在治療期間，解剖區(qū)域被重復(fù)成像（步驟208)，以及每個治療圖像基于圖像相似 度與參考庫進(jìn)行比較以判斷參考圖像中的任一個是否匹配治療圖像（步驟210)。比較可以 通?；趯?shí)空間或k空間圖像數(shù)據(jù)，S卩，其可以包括但不必須從在治療期間獲取的原始數(shù) 據(jù)重建實(shí)空間治療圖像。此外，比較圖像的一部分是足夠的。通常，基于逐個像素來進(jìn)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存儲為實(shí)空間坐標(biāo)或k空 間坐標(biāo)的函數(shù)。適當(dāng)?shù)南嗨贫榷攘堪ɡ缁ハ嚓P(guān)系數(shù)、強(qiáng)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(yīng)像素值的比率的歸一化標(biāo)準(zhǔn)偏差）、 均方差、絕對差的和、平方差的和、絕對轉(zhuǎn)換差的和（其使用兩個圖像中相應(yīng)像素之間的差 的哈達(dá)瑪或其他頻率轉(zhuǎn)換）、或復(fù)數(shù)互相關(guān)（針對復(fù)數(shù)圖像，諸如MRI圖像）、以及本領(lǐng)域技 術(shù)人員熟悉的與圖像配準(zhǔn)有關(guān)的其他技術(shù)。另外，在一些實(shí)施例中，治療圖像基于諸如掃描 參數(shù)的元數(shù)據(jù)或其他外部信息（例如，呼吸監(jiān)測帶的狀態(tài)）與參考庫進(jìn)行比較。因此，如這 里所使用的，術(shù)語"圖像相似度"廣泛地指基于任何合適度量（如上所述）和/或與圖像相 關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)的相似度。
[0031] 基于指定的圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否存在匹配。例如，如由所選擇相似度度量 所測量的治療圖像和最接近參考圖像之間的相似度可以與（特定度量的）相似度閾值進(jìn)行 比較，并且僅在相似度的水平超過該閾值的水平時（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(rèn)為是治療圖像的匹配。 如果找到了匹配的參考圖像，則通過使用可應(yīng)用于監(jiān)測和/或調(diào)整治療的治療圖像和相應(yīng) 參考圖像記錄，治療以常規(guī)方式進(jìn)行（步驟212)(參見例如圖3和4)。
[0032] 如果根據(jù)所應(yīng)用的圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)，庫中的參考圖像都不匹配所獲取的治療圖 像，則參考庫用新的參考圖像記錄補(bǔ)充（步驟214)。該擴(kuò)展通常涉及兩個步驟：第一，滿足 關(guān)于治療圖像的圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)的新的參考圖像被添加至庫（步驟216)。在最簡單的情況 下，治療圖像本身可以用作新的參考圖像；圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)之后被顯而易見地滿足。然而， 有時，治療圖像被進(jìn)一步處理以產(chǎn)生合適的參考圖像。例如，從治療產(chǎn)生的熱點(diǎn)可以從圖像 中移除以留下與治療無關(guān)的相位背景。在熱點(diǎn)區(qū)域之外，治療圖像和新的參考圖像將仍然 相同，確保滿足相似度標(biāo)準(zhǔn)。此外，如果治療目標(biāo)（或其他感興趣對象）移動到成像區(qū)域之 夕卜，則掃描場本身可以（通過改變合適的成像參數(shù)）被移動以再捕獲目標(biāo)（或其他對象）， 并且新的治療圖像可以在新的位置處獲得并作為新的參考圖像被添加至庫。在一些實(shí)施 例中，隨后在新的位置處獲得的治療圖像與在同一位置處獲得的新添加的參考圖像進(jìn)行比 較。通常，基于相似度以及在一些情況下的諸如掃描參數(shù)或其他外部信息（例如呼吸監(jiān)測 帶的狀態(tài)）的元數(shù)據(jù)，治療圖像可以被匹配至參考。掃描場中所需的偏移在目標(biāo)在平面內(nèi) 移動時可以是橫向的，或者在目標(biāo)移動至平面外時偏移至新的成像平面。第二，與新的參考 圖像相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用特定數(shù)據(jù)基于治療圖像、一個或多個之前獲取的治療圖像、現(xiàn)有的參考 記錄、和/或其他可用的信息（諸如目標(biāo)運(yùn)動的模型）來得到（步驟218)并與新的參考圖 像一起存儲。與新的參考記錄相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)之后可以與其對應(yīng)的治療圖像一起使用以監(jiān)測 和/或調(diào)整治療（步驟212)。在特定情況下，成像處理本身也經(jīng)由一個或多個成像參數(shù)被 調(diào)整（步驟220)，例如以保持圍繞當(dāng)前目標(biāo)位置的掃描場或優(yōu)化圖像對比度。類似地，諸如 圖像獲取的頻率的其他監(jiān)測參數(shù)可以被調(diào)整，以例如通過以與所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動和其他 變化相稱的速率進(jìn)行成像來節(jié)約珍貴的計(jì)算資源。
[0033] 通過使用當(dāng)前的參考庫作為起始點(diǎn)（無論其是否已經(jīng)被擴(kuò)展），圖像獲取和對于 參考庫的匹配（步驟208、210)、治療監(jiān)測和調(diào)整（212)、以及需要時的參考庫的擴(kuò)展（步驟 214)之后被重復(fù)。隨著新的參考記錄基于未被原始庫覆蓋的治療圖像而被添加至庫，庫可 以繼續(xù)擴(kuò)大?？商鎿Q地，在一些實(shí)施例中，如果清楚知道舊的參考圖像是過時的，例如因?yàn)?目標(biāo)不可能移動回至原始覆蓋的區(qū)域，則舊的參考圖像可以從庫中移除。
[0034] 原則上，處理可以被無限重復(fù)，或者直到治療完成。然而，如果治療圖像從原始 庫的范圍偏離太多（或者太長時間），可以期望的是，為了安全原因，提前結(jié)束程序（步驟 230)。例如，如果幾個連續(xù)治療圖像不能與參考圖像中的任一個匹配，則需要重復(fù)估計(jì)治療 相關(guān)信息（諸如治療目標(biāo)的位置），與這些估計(jì)相關(guān)聯(lián)的不確定性可能增大至超過可容許 水平。類似地，所跟蹤器官可能移動太遠(yuǎn)至運(yùn)動的預(yù)期范圍之外，或者成像參數(shù)可能超出它 們的期望范圍太多。此外，在一些情況下，可能不能從治療圖像得出與新的參考圖像相關(guān)聯(lián) 的所需的應(yīng)用特定數(shù)據(jù)。在所有這些情景中，不會不顧顯著的治療不精確性的風(fēng)險而繼續(xù) 治療，而是可以優(yōu)選地中止治療程序、重新校準(zhǔn)系統(tǒng)并離線地獲取新的參考庫，并之后重新 開始治療，如常規(guī)所做的那樣。相反，如果在一個循環(huán)期間擴(kuò)展參考庫之后，治療圖像返回 至由原始庫覆蓋的范圍，之前得到的參考記錄可以基于新的治療圖像被追溯地修訂。例如， 針對未覆蓋的治療圖像由連續(xù)位置（其與之前的一系列被覆蓋的治療圖像相關(guān)聯(lián)）外推的 目標(biāo)位置可以基于后續(xù)的被覆蓋的治療圖像被校正或進(jìn)一步改進(jìn)。
[0035] 圖3示出治療目標(biāo)或其他感興趣解剖對象在其治療期間的實(shí)時跟蹤的情況下的 參考庫擴(kuò)展。治療可以包括例如將聚焦超聲波施加至組織或器官（即，其超聲處理），以用 于在其是例如癌性的情況下加熱它，以使得組織壞死、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(dǎo)。超聲波也可以用于其他非熱類型的治 療，例如，神經(jīng)調(diào)節(jié)?？商鎿Q地，治療可以包括使用不同形式的治療能量的其他治療方式，例 如，射頻（RF)輻射、X射線或伽馬射線、或帶電粒子。在治療期間的運(yùn)動跟蹤可以用于將治 療能量波束引導(dǎo)在目標(biāo)上和/或其他非目標(biāo)組織和器官附近，即，基于受影響的解剖區(qū)域 的圖像來調(diào)節(jié)波束焦點(diǎn)、輪廓和/或方向。為了明確和容易示出，以下論述具體指在聚焦超 聲治療期間的目標(biāo)跟蹤；然而，可以理解，所述方法類似地應(yīng)用于不同形式的治療能量和不 同的感興趣對象。
[0036] 為了目標(biāo)跟蹤的目的，方法300首先獲取在預(yù)期范圍的目標(biāo)運(yùn)動期間覆蓋不同階 段的參考庫（步驟302)，以及處理各個參考圖像以確定其中目標(biāo)的位置（步驟304)。通 常，該步驟304通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種特征檢測或跟蹤方法中的任一種對從 MR原始（即，k空間）數(shù)據(jù)重建的實(shí)空間圖像進(jìn)行實(shí)施，所述各種特征檢測或跟蹤方法包括 但不限于：邊緣或點(diǎn)檢測以識別目標(biāo)本身或相對于目標(biāo)固定地定位的解剖標(biāo)志；塊匹配算 法、相位相關(guān)性、光流方法、或其他直接的基于像素的方法，以確定不同圖像之間的運(yùn)動矢 量（或目標(biāo)或標(biāo)志位置的相對變化）；和/或間接的基于特征的方法，用于匹配圖像之間的 相應(yīng)特征。從每個參考圖像提取的位置信息（在步驟304中）與參考圖像記錄中的圖像一 起被存儲（步驟306)。
[0037] 在治療期間，包括（通常移動的）目標(biāo)的感興趣的解剖區(qū)域通過以下來監(jiān)測：重復(fù) 地對區(qū)域成像（步驟308)，通過對實(shí)空間或k空間圖像數(shù)據(jù)（或其一部分）應(yīng)用相似度標(biāo) 準(zhǔn)在可能情況下將每個治療圖像與庫中參考圖像中的一個匹配（步驟310)，以及從隨所選 擇參考圖像存儲的位置信息推斷目標(biāo)位置（步驟311)?；谟纱舜_定的目標(biāo)位置，波束焦 點(diǎn)之后可以被引導(dǎo)至目標(biāo)上（步驟312)，并且該過程繼續(xù)獲取下一治療圖像（步驟308)。
[0038] 如果新獲得的治療圖像不對應(yīng)于庫中包含的參考圖像中的任一個--例如新圖 像與庫中參考圖像之間的相似度低于（或不相似度高于）預(yù)定閾值--新的圖像中目標(biāo)的 位置通過其他方式建立（步驟318)。例如，如果目標(biāo)仍位于新的治療圖像內(nèi)，只是不在由 初始參考庫覆蓋的運(yùn)動區(qū)域中，則可以使用相同的方法以用于確定參考圖像中的目標(biāo)位置 (步驟304)。盡管該計(jì)算過程可能花費(fèi)很長時間以至于不能允許治療沒有延遲地繼續(xù)，但 目標(biāo)位置一旦被計(jì)算出，就與治療圖像一起作為新的參考記錄存儲在庫中，以使得下次在 相同或類似位置遇到目標(biāo)時，治療程序?qū)?shí)時地得益于之前的計(jì)算。
[0039] 即使目標(biāo)完全移動至治療圖像的范圍外，也可以在由治療圖像覆蓋的解剖區(qū)域與 至少一個參考圖像重疊（相當(dāng)大地，例如大于1/3,或者在一些實(shí)施例中大于1/2)的情況 下從治療圖像得出其位置：使用基于重疊的圖像部分的圖像配準(zhǔn)，治療和參考圖像之間的 解剖區(qū)域--以及由此目標(biāo)--的相對偏移和變形可以被確定?？商鎿Q地，目標(biāo)移動和/ 或當(dāng)前的目標(biāo)位置可以從一個或多個之前的治療圖像外推，其中目標(biāo)的位置是已知的?？?選地，這種外推可以使用諸如呼吸監(jiān)測帶的附加設(shè)備利用目標(biāo)運(yùn)動的物理模型和/或利用 目標(biāo)位置的補(bǔ)充測量來協(xié)助。在目標(biāo)已經(jīng)移動至成像區(qū)域外部的情況下，成像場被控制以 包括目標(biāo)的所估計(jì)位置（步驟320)，并且獲得新的治療圖像（步驟321)。目標(biāo)的位置之后 與新獲得的治療圖像相關(guān)聯(lián)，并且兩者都被添加至參考庫作為新的參考記錄（步驟314)。 (可替換地，不是獲取新的治療圖像以用作參考圖像，而是可以在特定實(shí)施例中計(jì)算新的參 考圖像。）現(xiàn)在建立目標(biāo)的新的坐標(biāo)，并且因此可以控制治療波束（步驟312)。此外，如果 目標(biāo)（和/或周圍組織）的運(yùn)動是非剛性的，以使得不僅其位置和方向而且其形狀已經(jīng)改 變，則新獲取的治療圖像可以被分析以確定目標(biāo)邊界并因此對聚焦區(qū)域成形（步驟312)。
[0040] 現(xiàn)在參考圖4,其示出在MR溫度測量、即在感興趣的解剖區(qū)域中的溫度分布的重 復(fù)的基于圖像的測量（通常為了監(jiān)測熱治療的進(jìn)展）的情況下的用于參考庫擴(kuò)展的方法 400。在治療之前獲取的參考圖像（在步驟402)在該應(yīng)用中用作基線圖像，其反映與在隨 后治療期間引起的溫度變化無關(guān)的相位背景；這些基線圖像可以從相應(yīng)的治療圖像中減去 以從后者中提取溫度相關(guān)的相位貢獻(xiàn)。不同的參考圖像對應(yīng)于不同的相位背景，其可以產(chǎn) 生自治療目標(biāo)本身的不同位置、周圍組織的不同構(gòu)造、成像區(qū)域內(nèi)或附近的治療裝置或其 他醫(yī)療裝置，和/或產(chǎn)生自成像條件的其他差異，包括掃描位置的故意偏移（例如，為了消 除假象、在不工作時（on the fly)切換至另一目標(biāo)、監(jiān)測目標(biāo)的背景中感興趣的對象、或提 前補(bǔ)償以用于預(yù)測運(yùn)動或其他事件）。例如，在熱治療程序期間，解剖限制可能需要將治療 裝置移動至相對于所治療解剖區(qū)域的一系列不同位置（例如，以接觸不同的目標(biāo)或從不同 方向均勻地加熱目標(biāo)），以及不同的裝置位置可能影響圖像相位背景。由此，即使治療目標(biāo) 本身沒有移動，不同的治療階段可能也需要不同的參考圖像以用于適當(dāng)?shù)南辔槐尘皽p法。
[0041] 參考圖像便于計(jì)算相對于在獲取參考圖像時存在的基線溫度分布的溫度變化的 標(biāo)測圖。為了實(shí)現(xiàn)絕對溫度測量，該基線溫度分布可以針對每個參考圖像建立（步驟404) 并且與圖像一起存儲（步驟406)。建立基線溫度可以包括例如對在一個或多個離散位置處 直接測量的溫度的簡單假設(shè)或數(shù)學(xué)擬合。例如，在許多應(yīng)用中，感興趣的解剖區(qū)域在治療之 前具有均勻溫度，例如身體溫度（37°C)，其構(gòu)成基線溫度。在其他治療場景中，在組織表面 處施加主動冷卻（或加熱），從而建立跨越感興趣區(qū)域的溫度梯度，該溫度梯度可以基于在 幾個選擇點(diǎn)處的直接溫度測量來估計(jì)。
[0042] 一旦初始參考庫被編制，就開始熱治療。例如，超聲波可以聚焦在目標(biāo)處以局部加 熱目標(biāo)組織。通常，所吸收的熱量將消散至周圍的組織中并至少輕微地增加它們的溫度。包 括目標(biāo)的區(qū)域內(nèi)的溫度改變可以通過對區(qū)域成像來監(jiān)測（步驟408)，將圖像與參考庫進(jìn)行 比較（步驟410)以基于圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)識別良好配準(zhǔn)的參考圖像，以及處理匹配的參考和 治療圖像以確定溫度差標(biāo)測圖（步驟412)。盡管用于識別匹配的治療和參考圖像之間的比 較可以原則上基于k空間或?qū)嵖臻g圖像數(shù)據(jù)，甚至基于局部圖像，處理一對圖像以用于溫 度測量通常包括完整的實(shí)空間圖像的在像素方面的減法（以及隨后的相位差至溫度差標(biāo) 測圖的轉(zhuǎn)換）。與所選擇參考圖像一起存儲的絕對溫度標(biāo)測圖（即，作為所選擇參考圖像記 錄的一部分）可以被添加至溫度差標(biāo)測圖以產(chǎn)生與治療圖像相對應(yīng)的絕對溫度分布（步驟 413)。
[0043] 在確定參考圖像和治療圖像之間是否存在匹配時，由治療生成的"熱點(diǎn)"通常被無 視；例如，加熱的區(qū)域可以在圖像中被掩蔽以使得相似度測量僅基于周圍的區(qū)域（其溫度 理論上是穩(wěn)定的）。然而，在特定實(shí)施例中，在治療之前獲取的參考圖像（在步驟402中）被 故意操縱以反映目標(biāo)中的期望溫度增加；換句話說，創(chuàng)建盡可能與治療圖像相似的"假的" 相位標(biāo)測圖。在該情況下，用于治療圖像的合適的參考可以在不需要掩蔽的情況下被識別 或者以其他方式補(bǔ)償熱點(diǎn)。
[0044] 在沒有找到合適的參考圖像記錄的情況下，基于瞬時的治療圖像（或者，在目標(biāo) 被移動至圖像外部的情況下，在掃描場被偏移以包括目標(biāo)之后所獲得的新的治療圖像，如 圖3所示）和相應(yīng)的溫度分布將新的參考記錄添加至庫（步驟414)，其中瞬時的治療圖像 可以被添加作為新的參考圖像（步驟416)，相應(yīng)的溫度分布可以使用物理模型從之前的溫 度標(biāo)測圖（或多個現(xiàn)有的溫度標(biāo)測圖）計(jì)算或估計(jì)（步驟418)。之前的溫度標(biāo)測圖可以是 例如從找到合適的參考圖像的最近的治療圖像、或者可替換地最近獲得的溫度標(biāo)測圖確定 的溫度分布，無論其被測量還是本身被計(jì)算和/或估計(jì)。物理模型可以考慮所標(biāo)測解剖區(qū) 域的移動和變形（如果有的話）以及自與之前的溫度標(biāo)測圖相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)以來的區(qū)域中 的溫度演變，并且可以基于理論信息以及治療圖像或者自從開始治療程序以來進(jìn)行的其他 測量。
[0045] 例如，目標(biāo)和周圍組織的位置和/或空間確認(rèn)的改變通?？梢詮漠?dāng)前治療圖像和 之前的（例如最近的）治療圖像確定，可選地與考慮組織彈性和移動限制的物理模型結(jié)合 確定?；谥昂彤?dāng)前的治療圖像之間的組織運(yùn)動和/或變形的特征化，與前者相關(guān)聯(lián)的 溫度標(biāo)測圖可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法轉(zhuǎn)換、外推和/或變形，以產(chǎn)生補(bǔ)償運(yùn)動 和/或變形的新的溫度標(biāo)測圖。于2011年7月29日提交并通過引用包含于此的美國序 列No. 13/194, 286描述了與基于圖像的跟蹤結(jié)合的移動的計(jì)算模型的使用；例如，本領(lǐng)域 中已知的表征特定器官的形態(tài)和行為的模型可以用于解釋或限制圖像數(shù)據(jù)的解釋?；谟?模型表示的移動參數(shù)，溫度標(biāo)測圖的像素可以被偏移以使標(biāo)測圖變形至接近移動相關(guān)的偏 移。可替換地，可以利用常規(guī)的圖像變形（"變型"）算法來獲得新的溫度標(biāo)測圖（例如， 在偏移很小或組織特征不太可能導(dǎo)致移動的情況下）。（在之前的和當(dāng)前的治療圖像之間 的）掃描位置的平面外變化的情況下，新的溫度標(biāo)測圖可以從體積溫度標(biāo)測圖"切下"，體 積溫度標(biāo)測圖從一個或多個之前的溫度標(biāo)測圖估計(jì)得到（例如，通過在溫度標(biāo)測圖之間插 值，該溫度標(biāo)測圖對應(yīng)于在將當(dāng)前成像平面包括在內(nèi)的成像平面中同時獲取的治療圖像）。 [0046] 此外，之前的溫度標(biāo)測圖（或者從其得出的、考慮組織移動和變形的新的溫度標(biāo) 測圖）被調(diào)整以反映所成像區(qū)域中的溫度演變。例如，由熱能的故意應(yīng)用產(chǎn)生的溫度變化 可以基于已知的治療參數(shù)（例如，超聲處理的強(qiáng)度和持續(xù)時間、或者在超聲處理期間所輸 送的總能量）連同組織中能量吸收和傳輸?shù)哪Ｐ投挥?jì)算或估計(jì)。通常，用于溫度演變的 模型可以是體積的，并且可以使用在不同成像平面中同時或順序測量的多個之前的溫度標(biāo) 測圖作為輸入。（例如，溫度測量可以在多個成像平面中重復(fù)循環(huán)。）此外，所監(jiān)測區(qū)域中 溫度的演變可以基于過去在不同時間獲取的溫度測量（例如，多個之前的溫度標(biāo)測圖）而 被模型化。在任一情況下，應(yīng)用至之前獲得的溫度標(biāo)測圖的物理模型可以提供當(dāng)前溫度的 逐個像素的估計(jì)。
[0047] 新估計(jì)的溫度標(biāo)測圖與參考庫中的當(dāng)前治療圖像（其用作新的參考圖像）相關(guān) 聯(lián)。滿足關(guān)于新的參考圖像的相似度標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)治療圖像的溫度標(biāo)測圖可以從圖像之間的 相位差以及所保存的與新的參考圖像相關(guān)聯(lián)的溫度標(biāo)測圖生成。（可替換地，在一些實(shí)施 例中，新的參考圖像通過從治療圖像減去熱點(diǎn)獲得，以獲得類似于治療之前所獲得的那些 的新的參考圖像。在該情況下，熱點(diǎn)還從與新的參考圖像一起存儲的估計(jì)的溫度標(biāo)測圖移 除。）基于所監(jiān)測溫度，治療可以被調(diào)整（步驟424)。例如，如果目標(biāo)周圍的區(qū)域中的溫度 接近無法忍受的高水平，則在隨后超聲處理（或其他治療步驟）中施加的能量可以減小。
[0048] 在一些實(shí)施例中，圖像獲取繼續(xù)直到所監(jiān)測區(qū)域中的溫度返回至已知的溫度分 布，例如，身體溫度。根據(jù)隨著治療和治療之后采集的圖像之間的相位差，可以追溯地計(jì)算 和/或調(diào)整與這些圖像相關(guān)聯(lián)的熱標(biāo)測圖。這種追溯的溫度監(jiān)測可以用于驗(yàn)證治療期間測 量的溫度和/或提醒治療醫(yī)生或其他系統(tǒng)操作員任何錯誤和不期望的事件。
[0049] 如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，上述方法可以以多種方式修改。例如，各種 方法步驟可以以與所述不同的順序執(zhí)行。此外，在一些實(shí)施例中，省略了在治療之前獲取初 始參考庫的步驟，并且代替的是，通過從最初空的庫開始，連續(xù)地將包括治療圖像（或從其 得到的圖像）和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的參考記錄添加至庫，在治療期間編制庫。此外，目標(biāo)跟蹤和溫度 測量（例如，如以上參考圖3和4所述）可以例如使用單獨(dú)的、共享的或部分共享的庫并利 用相同或單獨(dú)的圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)，以各種方式和配置組合。在所述方法共享共用參考庫的 實(shí)施例中，例如，每個參考記錄可以包括參考/基線圖像和與其相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)坐標(biāo)和熱標(biāo) 測圖。參考庫擴(kuò)展（例如，如參考圖2更一般地描述的）也可以應(yīng)用至在實(shí)時程序期間利 用之前編制的參考庫的其他成像方法。
[0050] 根據(jù)此的各種方法可以使用（別的常規(guī)的）成像或圖像引導(dǎo)的治療系統(tǒng)，諸如圖 1所示的MRgFUS系統(tǒng)100,與定制的圖像處理和控制設(shè)備（例如，與計(jì)算單元112集成）結(jié) 合來實(shí)施，定制的圖像處理和控制設(shè)備與治療設(shè)備（例如，設(shè)置超聲換能器陣列的相位和 振幅的波束形成器）和成像設(shè)備通信。圖像處理和控制設(shè)備可以以硬件、軟件、固件或硬連 線的任何合適的組合來實(shí)現(xiàn)。圖5示出示例性實(shí)施例，其中設(shè)備由適當(dāng)編程的通用目的的 計(jì)算機(jī)500來提供。計(jì)算機(jī)包括中央處理單元（CPU) 502、系統(tǒng)存儲器504和非易失性大容 量存儲裝置506 (例如，一個或多個硬盤和/或光學(xué)存儲單元）。計(jì)算機(jī)500還包括雙向系 統(tǒng)總線508,其中，CPU 502、存儲器504和存儲裝置506通過雙向系統(tǒng)總線508相互通信并 且與諸如傳統(tǒng)的用戶接口組件510 (包括例如屏幕、鍵盤和鼠標(biāo)）的內(nèi)部或外部輸入/輸出 裝置以及治療設(shè)備512、成像設(shè)備514和（可選地）便于絕對溫度測量的任何溫度傳感器 516通信。
[0051] 系統(tǒng)存儲器504可以存儲參考庫518。可替換地，庫可以存儲在大容量存儲裝置 506上，并且各個參考記錄可以根據(jù)需要被裝載至系統(tǒng)存儲器504中。在一些實(shí)施例中，每 個參考記錄是存儲（原始和/或?qū)嵖臻g）圖像數(shù)據(jù)和（應(yīng)用特定）關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（諸如目標(biāo)坐 標(biāo)或絕對溫度標(biāo)測圖）的數(shù)據(jù)文件。在一個變形實(shí)施方式中，參考記錄可以由多個文件組 成，然而，多個文件形成集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；例如，記錄可以包括將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)和指針一起存儲 至相應(yīng)的圖像文件的文件。在一些實(shí)施例中，庫518以以下形式存儲：多個圖像文件、多個 應(yīng)用特定數(shù)據(jù)文件（例如，熱標(biāo)測圖）、以及將圖像與相應(yīng)的關(guān)聯(lián)信息鏈接的數(shù)據(jù)庫。
[0052] 系統(tǒng)存儲器504還存儲概念上示出為模塊的集合的指令，其控制CPU502的操作及 其與其他硬件組件的交互。操作系統(tǒng)520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506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(wù)應(yīng)用提供圖像處 理、特定成像應(yīng)用（例如，運(yùn)動跟蹤和/或溫度測量）、以及參考庫518的創(chuàng)建和擴(kuò)展所需的 計(jì)算功能。
[0053] 例如，如所示出的，系統(tǒng)可以包括：圖像處理模塊522,用于根據(jù)從成像設(shè)備514 接收到的原始圖像數(shù)據(jù)重建實(shí)空間圖像并執(zhí)行其他通用的圖像處理功能；圖像分析模塊 524,用于從重建的參考圖像提取目標(biāo)和/或其他感興趣對象的位置信息；溫度測量模塊 526,用于根據(jù)參考庫中的治療圖像和信息來計(jì)算溫度差和絕對溫度標(biāo)測圖；物理建模模塊 528,用于在計(jì)算上模擬感興趣的解剖區(qū)域中的運(yùn)動、變形、和/或溫度演變；治療控制模塊 530,用于計(jì)算和調(diào)整治療參數(shù)（諸如期望的波束方向和強(qiáng)度）并基于治療參數(shù)來控制治療 設(shè)備512 (例如，經(jīng)由所計(jì)算出的相位陣列超聲換能器的元件之間的相對相位）；圖像控制 模塊532,用于控制成像設(shè)備514 ;以及參考管理模塊534,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相似度來選擇合適的參考圖像，以及用于 管理其他模塊的執(zhí)行并根據(jù)需要控制處理流以據(jù)此擴(kuò)展參考庫。當(dāng)然，各種計(jì)算功能可以 以許多不同的方式被組合和組織，如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地顯而易見的。模塊（或一般地， 處理器可執(zhí)行指令）可以以任何適當(dāng)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 Object Pascal,或 者低級匯編語言；在一些實(shí)施例中，不同模塊以不同的語言編程。
[0054] 這里所使用的術(shù)語和表達(dá)用作描述的術(shù)語和表達(dá)并且沒有限制，在使用這些術(shù)語 和表達(dá)時，不意于排除所示出和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(shí)施例，對于本領(lǐng)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(shí) 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(shí)施例被認(rèn)為在所有方 面僅是示意性的和非限制性的。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在解剖區(qū)域的治療期間監(jiān)測所述解剖區(qū)域的方法，該方法包括： (a) 在所述治療之前，建立所述解剖區(qū)域的參考圖像記錄的庫，每個參考圖像記錄包括 至少一個參考圖像； (b) 在所述治療期間，重復(fù)地 (i) 獲取所述解剖區(qū)域的治療圖像； (ii) 根據(jù)圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)來判斷來自所述庫的參考圖像是否匹配所獲取的治療圖 像； (iii) 如果根據(jù)所述圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)，所述庫中的參考圖像都不匹配所獲取的治療圖 像，則至少部分地基于所獲取治療圖像或之前治療圖像中的至少一個、通過將包括新的參 考圖像的新的參考圖像記錄添加至所述庫來擴(kuò)展參考庫；以及 (c) 至少部分地基于所獲取的治療圖像和所述參考庫來監(jiān)測所述解剖區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述新的參考圖像滿足關(guān)于所述治療圖像的圖 像相似度標(biāo)準(zhǔn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，擴(kuò)展所述參考庫包括將所述治療圖像添加至所 述庫作為所述新的參考圖像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，擴(kuò)展所述參考庫包括將從所述治療圖像得出的 圖像添加至所述庫作為所述新的參考圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，擴(kuò)展所述參考庫包括基于所述治療圖像或之前 圖像中的至少一個來估計(jì)所述解剖區(qū)域中感興趣對象的運(yùn)動，基于所估計(jì)的運(yùn)動來獲取包 括所述感興趣對象的新的治療圖像，以及將所述新的治療圖像添加至所述庫作為所述新的 參考圖像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，每個參考圖像記錄還包括與相應(yīng)記錄的參考圖 像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展所述參考庫還包括得到所述新的參考圖像的相應(yīng)數(shù)據(jù)并與所述新的 參考圖像相關(guān)聯(lián)地將所述數(shù)據(jù)添加至所述庫。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，與所述參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括其中的感興 趣對象的相應(yīng)位置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述新的參考圖像中所述感興趣對象的位置使 用圖像分析從所述治療圖像得到。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述新的參考圖像中所述感興趣對象的位置從 至少一個之前治療圖像和表征所述感興趣對象的運(yùn)動的物理模型得到。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，監(jiān)測所述解剖區(qū)域包括基于與匹配所獲取治療 圖像的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的位置來監(jiān)測所述感興趣對象的位置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述感興趣對象包括治療目標(biāo)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述治療包括將治療能量波束施加至所述目 標(biāo)，所述方法還包括基于所監(jiān)測位置來調(diào)整所述波束。
13. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，與所述參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括其中多個感 興趣對象的相應(yīng)位置，監(jiān)測所述解剖區(qū)域包括基于與匹配所獲取治療圖像的參考圖像相關(guān) 聯(lián)地存儲的位置來監(jiān)測所述感興趣對象的位置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述感興趣對象包括治療目標(biāo)和至少一個對 治療能量敏感的器官，所述治療包括將治療能量波束施加至所述目標(biāo)，所述方法還包括基 于所監(jiān)測位置來調(diào)整所述波束。
15. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，與所述參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括與其相對應(yīng) 的熱標(biāo)測圖。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，與所述新的參考圖像相對應(yīng)的熱標(biāo)測圖從與 之前治療圖像相對應(yīng)的至少一個熱標(biāo)測圖得到。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，與所述新的參考圖像相對應(yīng)的熱標(biāo)測圖還基 于物理模型得到。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述物理模型表征所監(jiān)測解剖區(qū)域中的運(yùn)動 或溫度演變中的至少一個。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，監(jiān)測所述解剖區(qū)域包括基于所獲取治療圖像 和匹配的參考圖像之間的相位差來監(jiān)測其中的溫度變化。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，監(jiān)測所述解剖區(qū)域還包括基于與匹配所獲取 治療圖像的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的熱標(biāo)測圖來監(jiān)測其中的絕對溫度。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述治療之后建立所述解剖區(qū)域的熱標(biāo)測 圖，并追溯地基于所述熱標(biāo)測圖在所述治療期間調(diào)整所監(jiān)測的絕對溫度。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述庫最初沒有參考圖像。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述庫最初包含多個參考圖像，每個參考圖像 對應(yīng)于所述解剖區(qū)域的運(yùn)動的不同階段。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括至少部分地基于所述監(jiān)測來修改與所述治療 相關(guān)聯(lián)的參數(shù)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述參數(shù)包括治療能量、治療功率、治療波束 形狀或目標(biāo)面積中的至少一個。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述治療期間改變成像參數(shù)。
27. -種用于在治療期間監(jiān)測解剖區(qū)域的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： (a) 成像設(shè)備，用于對所述解剖區(qū)域成像； (b) 存儲器，用于存儲參考圖像記錄的庫，其包括所述解剖區(qū)域的參考圖像；以及
28. (c)計(jì)算單元，被配置為（i)在所述治療期間重復(fù)地使所述成像設(shè)備獲取所述解剖 區(qū)域的治療圖像，（ii)根據(jù)圖像相似度標(biāo)準(zhǔn)來判斷所述庫中的參考圖像中的任一個是否匹 配所獲取的治療圖像，（iii)如果所述庫中的參考圖像都不匹配所獲取的治療圖像，則至少 部分地基于所獲取治療圖像或之前治療圖像中的至少一個、通過將包括新的參考圖像的新 的參考圖像記錄添加至所述庫來擴(kuò)展參考庫；以及（iv)至少部分地基于所獲取的治療圖 像和所述參考庫來監(jiān)測所述解剖區(qū)域。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，還包括用于將治療能量波束聚焦在所述解剖區(qū)域中 的目標(biāo)的超聲換能器陣列。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算單元被配置為基于所述監(jiān)測來調(diào)整 所述波束。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中，每個參考圖像記錄還包括與相應(yīng)記錄的參考 圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，所述計(jì)算單元被配置為得到與所述新的參考圖像相對應(yīng)的數(shù)據(jù)并與所 述新的參考圖像相關(guān)聯(lián)地將所述數(shù)據(jù)添加至所述庫。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中，與所述參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括其中至少 一個感興趣對象的相應(yīng)位置。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算單元被配置為基于與匹配所獲取治 療圖像的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的位置來監(jiān)測至少一個感興趣對象的位置。
34. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中，與所述參考圖像相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包括與其相對 應(yīng)的熱標(biāo)測圖。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中，所述計(jì)算單元被配置為基于所獲取治療圖像 和匹配的參考圖像之間的相位差以及與所述匹配的參考圖像相關(guān)聯(lián)地存儲的熱標(biāo)測圖來 監(jiān)測所述解剖區(qū)域中的絕對溫度。
【文檔編號】A61B5/055GK104219996SQ201380016281
【公開日】2014年12月17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 申請人:因賽泰克有限公司