Nir圖像引導(dǎo)的靶向的制作方法
【專利說明】NIR圖像引導(dǎo)的靶向
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請?jiān)?5U.S.C§ 119(e)下要求2012年10月26日提交的、題為“NIRIMAGE⑶IDED TARGETING”的、代理人案號為VAR-12-049-US-P的美國臨時專利申請第61/719，301號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。本申請還在35U.S.C § 119(e)下要求2013年3月15日提交的、題為“APPARATUS AND MEHTOD FOR REAL-TIME TRACKING OF BONY STRUCTURES”的、代理人案號為VAR-13-016-US-P的美國臨時專利申請第61/798，066號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。本申請要求2013年10月2日提交的、題為“NIR IMAGE⑶IDED TARGETING”的、代理人案號為VAR-12-049-US的美國專利申請第14/040，604號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。本申請要求2013年9月 27 日提交的、題為“APPARATUS AND MEHTOD FOR REAL-TIME TRACKING OF BONYSTRUCTURES”的、代理人案號為VAR-13-016-US的美國專利申請第14/040，609號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。
【背景技術(shù)】
[0003]圖像引導(dǎo)的革巴向(image-guided targeting)在大量醫(yī)療過程中扮演著越來越重要的角色。本質(zhì)上來說，圖像引導(dǎo)涉及將接近實(shí)時的成像與歷史三維(3D)體積數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)相關(guān)以確定患者解剖結(jié)構(gòu)的空間位置。也就是，圖像引導(dǎo)的靶向包括用以創(chuàng)建人體圖像的技術(shù)和過程。用于圖像引導(dǎo)的靶向的3D體積數(shù)據(jù)的典型示例包括計(jì)算機(jī)斷層(CT)或者磁共振成像(MRI)。
[0004]已經(jīng)針對使用投射X射線或者錐面波束CT在3D空間中對患者骨骼解剖結(jié)構(gòu)精確定位來對這一圖像引導(dǎo)的靶向的使用進(jìn)行了充分描述。作為大多數(shù)圖像引導(dǎo)的基礎(chǔ)的默許假設(shè)為:骨骼解剖結(jié)構(gòu)可以提供對附近的軟組織的可靠參考。然而，亞毫米靶向精度在這樣的技術(shù)的情況下是可能的，從而甚至實(shí)現(xiàn)要在圖像引導(dǎo)下執(zhí)行的最精確的外科手術(shù)過程。
[0005]圖像引導(dǎo)中的X射線的主要角色是定義用于圖像相關(guān)的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D位置。它們滲透皮膚的相對能力是X射線的使得它們能夠用于成像的主要特征。相比之下，圖像引導(dǎo)中所使用的千伏能量X射線的特征在于要從骨頭發(fā)散的非常大的傾向性以及因此被阻止傳輸通過正在被成像的組織的更大的可能性。
[0006]雖然使用X射線的成像很魯棒，然而使用電離輻射的挑戰(zhàn)加重了這一方法的負(fù)擔(dān)，因?yàn)殡婋xX射線對于患者和醫(yī)療團(tuán)隊(duì)而言可能有害。正因如此，幾乎不連續(xù)地進(jìn)行當(dāng)前使用電離X射線用于圖像引導(dǎo)的技術(shù)。例如，一般僅在若干分鐘到若干小時的過程的開始處產(chǎn)生錐面波束CT掃描，而僅每20到60秒生成用于圖像相關(guān)的投射X射線。這樣的“實(shí)時”成像的罕見意味著不檢測瞬時患者移動，并且將導(dǎo)致治療的不準(zhǔn)確。
[0007]另外，在放射外科和放射治療中，使用輻射波束來破壞腫瘤。比如，已經(jīng)提出了如下方法:其中使用機(jī)械龍門(gantry)來移動波束源。使用兩個x射線成像相機(jī)來計(jì)算患者的顱骨在治療期間的位置。每分鐘將這一 X射線成像重復(fù)若干次。
[0008]然而，本上下文中的X射線成像具有若干限制。首先，如先前所討論的，X射線成像需要電離輻射，并且因此對于患者和操作團(tuán)隊(duì)具有侵略性。射頻外科手術(shù)過程可以持續(xù)高達(dá)I小時。在整個治療期間連續(xù)地采用X射線會將患者暴露到單獨(dú)來自X射線成像的大量的輻射劑量。其次，在X射線成像中，X射線源必須在患者的一側(cè)，并且X射線檢測器在患者的另一側(cè)。因此需要足夠的空間用于放置單獨(dú)的源和檢測器單元。所需要的是可以與3D患者解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的真正實(shí)時的成像形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]公開了一種用于治療患者的方法。該方法包括確定患者的區(qū)域中的皮膚特性。該方法包括對患者的區(qū)域執(zhí)行治療中(in-treatment)光學(xué)掃描，其中治療中光學(xué)掃描包括近紅外(NIR)能量源。該方法包括根據(jù)光學(xué)掃描檢測多個被檢測信號。該方法包括從多個被檢測信號濾除皮膚特性。該方法包括根據(jù)被過濾的多個信號確定與區(qū)域關(guān)聯(lián)的骨骼解剖結(jié)構(gòu)。
[0010]在另一實(shí)施例中，公開了另一種用于治療的方法。該方法包括執(zhí)行基礎(chǔ)掃描以獲得目標(biāo)在患者的骨骼解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)的相對3D (三維)定位。該方法還包括對患者執(zhí)行治療中光學(xué)掃描以確定骨骼解剖結(jié)構(gòu)在治療系統(tǒng)內(nèi)的3D定位，其中治療中光學(xué)掃描包括近紅外(NIR)能量源。另外，執(zhí)行治療中光學(xué)掃描的操作包括:根據(jù)光學(xué)掃描檢測多個被檢測信號；以及從多個被檢測信號濾除患者的皮膚的信令特性，以獲得與骨骼解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的信號并且確定骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D定位。該方法還包括配準(zhǔn)(register)來自治療中光學(xué)掃描的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D定位以及根據(jù)基礎(chǔ)掃描確定的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D定位，以確定目標(biāo)在治療系統(tǒng)內(nèi)的相對定位。
[0011]在另一實(shí)施例中，公開了一種用于提供治療的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于確定患者的區(qū)域中的皮膚特性的皮膚檢測器。該系統(tǒng)還包括用于對患者的區(qū)域執(zhí)行治療中光學(xué)掃描的治療中近紅外(NIR)光學(xué)掃描儀，其中治療中光學(xué)掃描包括近紅外(NIR)能量源。該系統(tǒng)包括用于根據(jù)光學(xué)掃描檢測多個被檢測信號的至少一個檢測器。該系統(tǒng)包括用于從多個被檢測信號濾除皮膚特性的過濾器。比如，過濾機(jī)制包括一種算法，該算法基于使用統(tǒng)計(jì)信息的測量以及根據(jù)進(jìn)一步的紅外測量(例如平均皮膚氧飽和度、色調(diào)等)執(zhí)行的每患者校準(zhǔn)來計(jì)算皮膚屬性。該系統(tǒng)還包括用于根據(jù)被過濾的多個信號確定與區(qū)域關(guān)聯(lián)的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的建模模塊。
[0012]在另一實(shí)施例中，公開了一種用于測量皮膚厚度的方法。該方法包括在患者的外表面上的第一 3D點(diǎn)處，將第一點(diǎn)暴露到來自近紅外(NIR)源的NIR能量。該方法包括測量在第一 3D點(diǎn)或者波束入射點(diǎn)附近發(fā)出的反射能量。該方法包括基于與反射能量中心的距離來確定反射能量的圖案，其中中心由第一 3D點(diǎn)來近似。該方法包括基于圖案來確定皮膚厚度測量。另外，該方法考慮入射的激光波束與皮膚表面之間的角度以補(bǔ)償測量誤差。根據(jù)周圍3D點(diǎn)的3D信息來確定角度。另外，還可以根據(jù)NIR信息的完整數(shù)據(jù)集來計(jì)算或者從其他源獲得與特定患者有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息(例如皮膚類型、顏色)。
[0013]在又另一實(shí)施例中，公開了一種用于治療的方法，該方法涉及使用NIR成像來生成患者的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D結(jié)構(gòu)。該方法包括執(zhí)行基礎(chǔ)掃描以獲得對象的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的相對3D定位。該方法還包括對對象執(zhí)行治療中光學(xué)掃描以確定對象的表面的3D定位，其中治療中光學(xué)掃描包括近紅外(NIR)能量源。該方法還包括基于由治療中光學(xué)掃描引起的反射能量的圖案來確定皮膚厚度，其中針對對象的表面上的每個測量點(diǎn)或者點(diǎn)的子集來確定皮膚厚度。該方法還包括補(bǔ)償對應(yīng)的皮膚厚度以確定與對應(yīng)的測量點(diǎn)關(guān)聯(lián)的并且位于對應(yīng)的測量點(diǎn)下面的骨骼定位，針對對象的表面上的每個測量點(diǎn)來執(zhí)行補(bǔ)償。該方法包括確定從治療中光學(xué)掃描得出的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D定位。
[0014]在另一實(shí)施例中，公開了一種用于提供治療的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于將患者的外表面上的第一點(diǎn)暴露到近紅外(NIR)能量的治療中NIR光學(xué)掃描儀。該系統(tǒng)包括用于測量和/或檢測在第一 3D點(diǎn)附近發(fā)出的反射能量的至少一個檢測器。該系統(tǒng)還包括用于基于與反射能量中心的距離來確定反射能量的圖案的圖案生成器，其中中心由第一 3D點(diǎn)來近似。該系統(tǒng)還包括用于基于圖案來確定皮膚厚度測量的圖案匹配器。在一種實(shí)施例中，計(jì)算表示光子計(jì)數(shù)的數(shù)值的集合，并且使用數(shù)學(xué)模型來計(jì)算皮膚厚度。特別地，使用檢測器來捕獲激光光斑的反射光。在2D相機(jī)的情況下，針對某些區(qū)域累積所測量的強(qiáng)度/光子計(jì)數(shù)以獲得數(shù)值特征。采集另外的測量信息，諸如激光與表面之間的角度、到目標(biāo)的距離等。使用數(shù)學(xué)模型來將測量和特征數(shù)據(jù)變換成皮膚厚度值。
【附圖說明】
[0015]被合并在本說明書中且形成本說明書的一部分并且其中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件的附圖圖示本公開內(nèi)容的實(shí)施例，并且連同描述一起用于解釋本公開內(nèi)容的原理。
[0016]圖1描繪根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的適合用于實(shí)現(xiàn)本方法的示例性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖。
[0017]圖2A是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于使用NIR成像數(shù)據(jù)來確定患者的骨骼解剖結(jié)構(gòu)信息的過程的流程圖200A。
[0018]圖2B是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于使用NIR成像數(shù)據(jù)來對對象或者患者的骨骼解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位的過程的流程圖200B。
[0019]圖3A是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的被配置用于通過NIR成像來執(zhí)行3D患者建模的治療系統(tǒng)的框圖。
[0020]圖3B是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的被配置用于提供包括通過NIR成像確定的治療中患者定位的患者的治療的治療系統(tǒng)的框圖。
[0021]圖3C是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的被配置用于提供3D患者定位的NIR成像系統(tǒng)的應(yīng)用的圖示。
[0022]圖4是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示皮膚厚度的測量的圖。
[0023]圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于高精度患者定位的方法的流程圖。
[0024]圖6是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的用于治療的系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)能夠出于對對象的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D定位的目的使用NIR成像來確定皮膚厚度。
[0025]圖7A是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于患者定位的方法的流程圖，該方法在確定對象的骨骼解剖結(jié)構(gòu)的3D定位時忽視不滿足門限的厚度測量。
[0026]圖7B是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于患者定位的方法的流程圖，該方法使用NIR成像來確定從基礎(chǔ)掃描得出的3D骨骼模型與從治療中光學(xué)掃描得出的3D骨骼模型之間的配準(zhǔn)品質(zhì)。
[0027]圖7C是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于患者定位的方法的流程圖，該方法在使用NIR成像來確定從治療中光學(xué)掃描得出的3D骨骼模型時補(bǔ)償皮膚厚度。
[0028]圖7D是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于患者定位的方法的流程圖，該方法在使用NIR成像來確定從治療中光學(xué)掃描得出的3D骨骼模型時補(bǔ)償皮膚厚度，并且還在使用NIR成像來配準(zhǔn)從基礎(chǔ)掃描得出的3D骨骼模型和從治療中光學(xué)掃描得出的3D骨骼模型時提供特征配準(zhǔn)。
[0029]圖8是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的治療中光學(xué)掃描系統(tǒng)的圖。
[0030]圖9是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示關(guān)于皮膚厚度的返回的入射能量的比例的圖。
[0031]圖1OA至圖1OB是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示最遠(yuǎn)離較大皮膚厚度的中心(波束入射點(diǎn))的光子能量的存在的多個圖。
[0032]圖1OC是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的示出以距離波束入射點(diǎn)各種半徑存在的光子能量的圖。
[0033]圖11是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示距離中心半徑遠(yuǎn)上分布的入射能量的圖案、各種皮膚厚度的波束入射點(diǎn)。
[0034]圖12是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示關(guān)于中心的多個同心環(huán)、波束入射點(diǎn)的圖，其中在測量皮膚厚度時在該中心內(nèi)檢測到光子能量。
[0035]圖13是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示皮膚厚度與區(qū)域強(qiáng)度之間的依賴性的曲線。
[0036]圖14A是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的皮膚厚度的計(jì)算的圖示。
[0037]圖14B是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示出于患者定位的目的而連續(xù)使用標(biāo)記特征的點(diǎn)云配準(zhǔn)的流程圖。
[0038]圖15是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于使用NIR成像來確定皮膚厚度的方法的流程圖。
[0039]圖16是根據(jù)本公開內(nèi)容的一種實(shí)施例的圖示用于出于對對象的骨骼解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D定位的目的而使用NIR成像來確定皮膚厚度的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]現(xiàn)在將詳細(xì)參考本公開內(nèi)容的各種實(shí)施例，其示例在附圖中被圖示。雖然結(jié)合這些實(shí)施例來描述，但是應(yīng)當(dāng)理解其并非意在將本公開內(nèi)容限于這些實(shí)施例。相反，本公開內(nèi)容意在覆蓋可以被包括在如所附權(quán)利要求所限定的本公開內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)的備選、修改和等同方案。另外，在本公開內(nèi)容的以下詳細(xì)描述中，給出了大量特定細(xì)節(jié)以提供對本公開內(nèi)容的透徹理解。然而，應(yīng)當(dāng)理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下來實(shí)踐本公開內(nèi)容。在其他情況下，沒有詳細(xì)描述公知的方法、過程、部件和電路以避免不必要地模糊本公開內(nèi)容的方面。
[0041]因此，本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于改善診斷過程和外科手術(shù)過程的精度和效率的裝置。更特別地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及在空間中定位解剖學(xué)目標(biāo)。另外，可以補(bǔ)償在醫(yī)療過程中或者在診斷過程中患者的小的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的更好的圖像品質(zhì)或者更精確的跟蹤。本發(fā)明的其他實(shí)施例提供被配置用于不使用電離輻射或者不需要單獨(dú)的源和檢測器單元的設(shè)備。本發(fā)明的實(shí)施例被配置用于在擴(kuò)展的時間段內(nèi)