專利名稱：用于確定靶向給藥的注入點的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于確定耙向給藥(targeted drug delivery)的注入 點的設備和對應的方法，通過將藥物注入到血管來向患者的身體給藥， 該血管向包括目標的目標區(qū)域供血。本發(fā)明還涉及用于在計算機上實現 這種方法的計算才幾程序。
背景技術：
化療栓塞是通過微創(chuàng)方式治療不能切除的腫瘤的有效方法。在X 光的引導下，將導管頂端通入向腫瘤供血的動脈。繼而將化療材料通 過導管注入到腫瘤。這樣就將化療物直接輸送到腫瘤中并將流向肺瘤 的血液阻斷。為了確定腫瘤的主供血動脈的位置，將造影劑注入候選血管中并 獲取一系列DSA (數字減影血管造影術)圖像。在對造影劑在血管樹 中的散布進行視覺檢查之后，將導管行進到最佳的注入點。由于這種 方式具有主觀性并且僅以反復試驗為基礎，所以要求進行幾次X光探 測，直到達到表面上看來最佳的注入點。若并沒有仔細地選擇靶向給藥的位置，栓塞物(embolus)可位于 錯誤的位置并使正常細胞喪失血液供應，這樣就導致健康細胞的壞 死。因此，將化療材料注入主要向腫瘤供血的動脈而并不傷害大多數 健康組織是至關重要的。到目前為止尚無向基于經導管給藥的干預計劃提供支持的功能。 此外，目前的造影劑散布視覺檢查使干涉人員主要能夠對當前的造影 劑輸送做出評估。這樣就使將導管行進到更好的藥物注入點成為一種 反復試驗的規(guī)程。US 5，919，135公開了一種用于確定藥物劑量并用于避免藥物再次 離開腫瘤或避免藥物由靜脈系統(tǒng)散布的方法。這種方法建議將腫瘤的 圖像區(qū)域內的位置用作注入點。不過，并沒有采用(客觀的)測量來 評價這個注入點而且也沒有向醫(yī)生提出更好的注入點方面的建議。流 動模式用于確定必須注入的藥物量并用于控制這些藥物在靜脈系統(tǒng)中 的擴散。但該專利并未描述怎樣使用流動模式。血液流測量通過注入 進行，但流特征并沒有用于確定注入點。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種設備和方法，這些設備和方法向干預 人員提供對可能的藥物注入點的客觀的量化評估，而不是讓干預人員依賴于來自DSA序列的視覺檢查的主觀印象。本發(fā)明的另一個目的在 于可以利用根據本發(fā)明的設備和方法來量化和顯現腫瘤治療效果和對 緊鄰的健康組織的負面影響。根據本發(fā)明，這些目的通過如權利要求1所主張的設備來實現， 這種設備包括識別裝置，這種識別裝置用于識別向該目標區(qū)域供血的血管的血 管樹拓樸結構，流確定裝置，這種流確定裝置用于確定在將藥物注入到血管樹中 不同的可能的注入點之后輸送到該目標的藥物材料的百分比，選擇裝置，這種選擇裝置用于選擇作為最佳注入點的可能的注入 點，這種可能的注入點導致輸送到該目標的藥物的最高百分比。權利要求13限定相應的方法。權利要求14限定計算機程序，這 種計算機程序包括程序代碼裝置，程序代碼裝置用于在計算機上執(zhí)行 該計算機程序時導致計算機執(zhí)行該方法的步驟。從屬權利要求限定了 本發(fā)明的優(yōu)選實施例。根據本發(fā)明，提出對可能的藥物注射點的客觀評估，這種客觀評 估可僅通過造影劑的單次注入進行。因此，可瞬時得到關于最佳注入 點的信息，或者，在優(yōu)選實施例中，關于用于靶向給藥的最佳注入點 的路線圖的信息。由于有系統(tǒng)引導，所以減少了有毒造影劑的消耗以 及工作人員和患者暴露給X光的持續(xù)時間，并且提高了易用性。本發(fā)明基于用客觀和量化測量評估所有可能的藥物注入點的理 念，藥物注入點即血管樹的分段，以向靶向給藥提供決斷支持，并確 保對最佳位置的系統(tǒng)引導。出于這種目的，確定用于不同的可能注入 點的輸送到目標的注入藥物材料的百分比，藥物材料如化療材料，目 標如腫瘤。通過所確定的百分比的使用，將最佳注入點選擇為具有最 高百分比的注入點，即，若將藥物在最佳注入點注入，向目標給藥的
效率最高且對健康組織的傷害程度最小。而且，在優(yōu)選實施例中，還確定對健康組織有影響的藥物的量。 這種信息可單獨地從輸送到目標的藥物的百分比獲得，但也可直接得 自輸送到目標的藥物的百分比。在確定對健康組織有影響的藥物的量 時，根據組織或器官的類型當然也根據藥物材料的類型來考慮由藥物 材料所導致的對健康組織的損害。因此，也對與可能的注入點有關的 健康方面的風險進行評估。即使是極小百分比的造影劑也會誤導到錯 誤的組織區(qū)域，這樣就可能導致對主器官的破壞性損害。在優(yōu)選實施例中，對血管樹的最后分段中的體積流速進行測量， 以確定由血管樹或為血管樹供血的動脈所提供的進入目標區(qū)域中的藥物材料量。而且，可通過體積流速到可能的藥物注入點的回投(back projection)來確定會進入目標的藥物材料的比例。根據另一個實施例，通過權重因數將體積流速加權，這些權重因 數表明藥物將位于血管樹的相應端部分段的端部處的組織傷害到何種 程度。低權重因數表明藥物對組織幾乎沒有影響，而接近于1的權重 因數表明藥物將細胞破壞。因此，這些權重因數取決于程序中所使用 的藥物和受到藥物影響的組織。某種藥物對某種組織的生物學方面的 影響記于表中。具有最大影響的用于組織的權重因數等于1。其它的權 重因數相應地按比例確定。優(yōu)選用該特定動脈供血的組織的對應權重因數將血管樹的每個端 部分段的體積流速加權。這樣就確定了從該端部分段至該注入點的路 線。將加權后的流速分配給該路線上的每個支路。這樣，若該端部分 段向腫瘤或健康組織供血，那么就必須將這種加權后的流速加以區(qū) 分。也將該信息回傳(back propagate)，即分配給每個上游支路。根據本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，將目標本身或整個目標區(qū)域分 段，目標本身如腫瘤，整個目標區(qū)域即目標周圍的區(qū)域，包括目標本 身和周圍的組織。在目標區(qū)域的情形中，確定由血管樹的端部分段供 血的目標區(qū)域的所有隔室，以用于每個端部分段。例如，就肝臟而言， 這些不同的分段的數量和主要位置是公知的。優(yōu)選通過用戶互動來識別目標，如通過用鼠標點擊腫瘤。不過， 普通的目標自動識別也是可行的，如通過任何紋理分析。但是，由于 對于醫(yī)生來講，目標的識別非常容易，而且鼠標點擊或在較大區(qū)域周
圍拖動是容易的程序，所以優(yōu)選手動選擇。這樣就獲得了最佳注入點的位置。該位置可顯示在血管樹的顯示 器中。而且也可以顯示用于血管樹的不同分段的給藥百分比或評判標 準的相應的結果。


下面將參考附圖對本發(fā)明進行更詳細的描述，在這些圖中圖1示出了根據本發(fā)明的設備的框圖，圖2示出了分段血管樹的拓樸結構的視圖，圖3示出了在血管樹的端部分段中體積流速的測量的視圖，圖4示出了到可能的藥物注入點的加權體積流速的回傳，圖5示出了注入到相應的血管分段中的藥物的效率，以及圖6示出了靶向給藥的最佳位置的路線圖。
具體實施方式
圖1示意性地示出了根據本發(fā)明的設備的框圖，這種設備用于靶 向給藥的可能位置的X光支持的評估。在可確定用于將藥物注入到或 者的身體1的最佳注入點之前，需要通過數據采集裝置2采集患者1 的圖像數據，數據采集裝置2如用于3D旋轉血管造影術(3DRA)的 X光設備或醫(yī)學診斷成像裝置，如CT、 MR或超聲波設備。通常將所 獲得的圖像數據儲存在存儲器3中其后通過數據處理設備4進行的 處理當然可在數據采集或數據儲存之后立即進行，但也可在隨后的任 何時間進行。為了對化療栓塞的影響進行評估，在顯示造影劑在血管樹中的輸 送的動態(tài)數據的采集期間，對造影劑在血管樹中的分布進行分析。為 了這個目的，首先用識別單元41對血管樹拓樸結構進行分析。血管端部點和分叉的確定對于后面進行的處理尤為重要。同樣，必須識別該 目標，即腫瘤。在優(yōu)選實施例中，還將健康組織分成由相同的動脈供 血的隔室。這種分段血管拓樸結構可得自所采集的數據并在圖2中示 出，圖2還示出了多個分叉Bi至B4和多個分段Si至S9。例如，在C. Kirbas和F.K.H. Quek ,斤著的 "A Review of Vessel Extraction Techniques and Algorithms"(俄亥俄州代頓市萊特州立大學計算機科學與工程系圖像界面與系統(tǒng)實驗室(VISLab) ， 2002年11月) 一文 中對用于平面采集如X光中的血管樹拓樸結構的分析的算法進行了描 述。H. Schmitt等人所著的 "An X畫ray畫based method for the determination of the contrast agent propagation in 3-D vessel structures" (IEEE醫(yī)學成像學報，第21巻，第3期，2002年3月) 一文描述了另一種算法。優(yōu)選用分段單元411中的閾值分段(threshold segment)將血管樹 分段。然后通過區(qū)域生長將所產生的3D血管樹分成段。從種子點開始 檢測所有連接的體素(vexel)。然后檢查這種產生的所有體素是否連 接。若所有體素連接，那么它們就屬于相同的血管分段。在血管樹的 分叉的情況下，這種產生分裂成兩個或更多連接的分量。將這些體素 標記為新的血管分段。在下一個步驟中，對目前的產生的相鄰體素進 行檢測。在將所有的體素做標記或者種子點不能夠到達余下的體素 時，這種程序結束。在另一個實施例中，首先計算二元血管樹的程式。分叉是具有兩 個以上近鄰的體素?？商娲褂玫钠渌绞搅硗獠捎糜稍煊皠﹦討B(tài)所 提供的信息來提高平面采集中的穩(wěn)健性。還應注意到，血管樹拓樸結 構的分段和分析還可通過其它方式提前進行并且也可用在存儲器3 上。由于器官的某個隔室基本上由單一動脈供血，所以通過供血動脈 輸送的化療材料的量直接與該特定區(qū)域中化療栓塞的影響有關。由于 該器官的解剖已提前獲知，所以優(yōu)選與用于單個患者的手動調節(jié)結合 的自動分割在識別單元41中進行。為了在所希望的與并不希望的化療 材料的分布之間進行區(qū)別，將這些隔室分割成健康組織和腫瘤/目標區(qū) 域。由于腫瘤本身在X光投影中看不到，所以將診斷成像術如CT/MR用于將腫瘤與拓樸信息相匹配，以確定目標區(qū)域的位置。接著在流確定單元42中確定輸送到該目標的藥物材料的百分比。 首先用測量單元421測量血管樹的端部分段Sh S2、 S5、 S6和S 的體 積流速。最后的血管分段的體積流速Qi表明有多少化療材料進入關聯(lián) 的隔室中。不過，局部給藥的生物影響不僅取決于藥物量，而且也取 決于組織的類型。因此，優(yōu)選用表明組織有多脆弱的因數Wi將體積流 速在加權單元422中加權。公知的算法可用于以2D對體積流速進行測
量，這種算法如S.D. Shpilfoygel、 R.A. Close、 D.J. Valentino和G.R. Duckwiler所著的"X-ray videodensitometric methods for blood flow and velocity measurement: A critical review of literature"(《醫(yī)學生理學》, 27 (9)，第2008至2023頁，2000年)中所描述的算法。近來，也可 得到更好的3D方式并且可以使用，如歐洲專利申請EP05100798.7(飛 利浦檔案號NL050108, "System for the determination of vessel geometry and flow characteristics")中所描述的方式，這種方式與公 知的用于血流測量如藥丸達到時間的視頻密計方法結合。圖3示出了 由測量單元421獲得的血管樹的端部分段中的體積流速的測量的視 圖。S.D. Shpilfoygel 、 R.A. Close 、 D.J. Valentino和G.R. Duckwiler所 著的 "X-ray videodensitometric methods for blood flow and velocity measurement: A critical review of literature"(《醫(yī)學生理學》，27 (9)， 第2008至2023頁，2002年)對公知的用于血流測量的視頻密計方法 進行了概括。重要的算法是如藥丸達到時間算法，這些算法確定造影 劑藥丸的代表性特征已到達位置/的時間。假設進行兩次觀察，提取藥 丸行進兩個固定ROI之間的距離△/所花費的時間的差異△ f并接著將 這種差異A f用于分別計算血液速度和體積流速。當然，也可從時間強 度曲線的擬合模型而不是使用時間強度本身來提取所代表的特征。也 可使用跟蹤藥丸邊緣算法來替代藥丸達到時間算法。在這種情況下， 確定用于時刻的藥丸在DSA圖像中的位置。在利用這兩次觀察時，可 提取藥丸已在兩個固定時刻之間已行進的距離△/，且這種距離△/同樣 也可用于速度計算。完全不同的方式是積分曲面方法(integral surface method)。 在此情形中，具有單一入流(inflow)的儲存器的體積流速是兩個不 同時刻的容量之差除以時間差。在這種時間差盡可能地小時獲得瞬時 體積流速。而且，將連續(xù)性方程用于光流(optical flow)的方式是 公知的。當然，所列舉的體積流測量算法并不完整，也可使用公知的 其它算法。接著將加權體積流速回投(project back)到回傳單元W3中的 造影劑的注入點。這樣就(在圖4中示出)獲知用于血管樹的每個分 段的進入肺瘤T (即目標)或影響目標區(qū)域TA的健康組織H的化療材 料的加權量。可將健康組織分成不同的隔室，每個隔室由某個供血動脈供血。分段結果也在圖4中示出，在該圖中，將特定數字分配給每 個隔室。進入腫瘤中的化療材料的比例表明在某個位置的耙向給藥效率 ti。因此，就在流確定裝置42中計算這種效率，例如，通過用向腫瘤 供血的動脈的加權體積流速之和除以加權體積流速的總和7 二 V7ef"mor_()另一方面p =1- n (2) 是化療栓塞在健康組織中導致的損害的指標。若n接近于o且n接近 于i，那么大多數化療材料會進入腫瘤中，且關聯(lián)的血管分段適合作為 藥物注入點?；蛘?，可不同地對效率進行測量。例如，將正權重因數分配給腫 瘤，而將負權重因數分配給健康組織。這樣，就必須使加權流速在回 投程序中累積。那么，特定支路的高而且正的結果表明良好的注入點， 而負的結果表示不適當的注入點。由于血管樹的所有分段是潛在的藥物注入點，所以用方程式(l) 計算用于每個分段的靶向給藥的效率。結果示范性地示于圖5中。靶向給藥的最佳位置L由選擇單元43選擇為具有最高效率ti的分段。最 后，為了支持干預人員使導管前進，可選擇將至最佳藥物注入點的路 線圖顯示在顯示器5上，如圖6所示。但從總體上來講，用于每個血管支路的效率的顯示對于可視化而言已足夠。當然，還可由在所檢測 的最佳注入點的另一種CA采集和造影材料的注入來對在最佳注入點 的靶向給藥的效率進行驗證。用于潛在的藥物注入點的本發(fā)明申請的主要領域是在癌癥治療期 間支持靶向給藥計劃。特別地，由于肝臟腫瘤化療栓塞用途的增加， 所以所提出的功能性是公知手段的重要延伸?？蓪τ糜诨煵牧系?潛在注入點的新的評估加到所計劃的灌注和流軟件包中，且這種新的
評估增加用于干預的血管造影照片的價值。本發(fā)明的基本理念是至少在血管樹的可能的藥物注入點位于笫一 次注入的注入點的注入點下游時僅用造影劑的單次注入向干預人員提供對所有可能的藥物注入點的客觀的量化評估。出于這種目的，確定 用于每個可能的注入點的輸送到腫瘤的注入的化療材料的百分比以及 影響健康組織的藥物量。在示范性實現方式中，通過體積血液流速測量并結合3D加權流速的回傳來估計進入腫瘤的化療材料的量。由于提供了更加密集集中的藥物輸送，所以就減少了錯誤地輸送 的化療材料的量。因此，靶向給藥也可用于以前所不能夠進行治療的 病例，因為對健康組織的傷害程度較低。無論如何，本發(fā)明的結果得 到了提高。由于這種方法也繪出了到3D血管樹可能的注入點的評估的形態(tài) 圖，所以還另外提供了對動脈給藥的最佳位置的系統(tǒng)引導。雖然造影劑的單次注入應已足夠，但也可進行幾次注入。若在不 同的位置注入造影劑，可將所有的注入功效結果合并。這樣也就圖示 出了在一個特定造影劑注入中所不能夠看到的支路方面的信息。另 外，信息變得更加可靠，因為特別支路的特定效率包括幾種觀察數據。 所獲得的用于最接近于特別支路的注入點的結果比其它結果更加可 靠，并因此而應對可能的注入點的評估有更有力的影響。這可以通過將不定性測量自動分配給每個視頻密計測量 (videodensitometric measurement)來進4亍。然后可將這種測量用于將 不同的觀察數據加權，在這種情形中，將更強的權重因數分配給更可 靠的結果。例如，這種加權步驟還可由加權單元422進行或者對前面 所描述的加權進行。
權利要求
1.一種用于確定靶向給藥的注入點的設備，通過將藥物注入到血管來向患者的身體給藥，所述血管向包括目標的目標區(qū)域供血，所述設備包括識別裝置(41)，所述識別裝置(41)用于識別向所述目標區(qū)域供血的血管的血管樹拓撲結構，流確定裝置(42)，所述流確定裝置(42)用于確定在將藥物材料注入到所述血管樹中不同的可能的注入點之后輸送到所述目標的藥物材料的百分比，選擇裝置(43)，所述選擇裝置(43)用于選擇作為最佳注入點的可能的注入點，所述可能的注入點導致輸送到所述目標的藥物的最高百分比。
2. 如權利要求l所述的設備，其特征在于所述流確定裝置(42) 包括測量裝置(421)，所述測量裝置(421)用于特別是在將造影劑 注入所述血管樹的供血血管之后的所述血管樹的端部分段體積流速的 測量，所述體積流速表明有多少藥物材料通過所述端部分段進入所述 目標區(qū)域并用于確定不同的可能注入點的藥物輸送的百分比。
3. 如權利要求2所述的設備，其特征在于所述流確定裝置(42) 還包括加權裝置(422 )，所述加權裝置(422)用于通過權重因數將 所述體積流速加權，所述權重因數表明所述藥物將位于所述血管樹的 相應端部分段的端部處的組織傷害到何種程度。
4. 如權利要求2或3所述的設備，其特征在于所述流確定裝置 還包括回傳裝置(423)，所述回傳裝置(423)用于將所述體積流速 或所述加權體積流速分別回投到所述血管樹中的不同的可能的注入 點。
5. 如權利要求2或3所述的設備，其特征在于所述流確定裝置 (42 )適合于通過確定用于可能的注入點的評價的標準來確定所述給藥的百分比，通過用向目標供血的動脈的所述體積流速之和或所述加標準。
6. 如權利要求1所述的設備，其特征在于所述識別裝置(41) 適合于區(qū)別健康組織與所述目標區(qū)域中的目標材料，并且適合于區(qū)別 向健康組織供血的所述血管樹的第一端部分段與向目標材料供血的所 述血管樹的第二端部分段。
7. 如權利要求6所述的設備，其特征在于 所述流確定裝置(42)適合于確定在將藥物材料注入到所述血管樹中不同的可能的注入點之后輸送到所述目標區(qū)域中的目標和周圍 的健康組織的藥物材料的所述百分比，并且所述選擇裝置(43)適合于選擇作為最佳注入點的可能的注入 點，所述可能的注入點導致輸送到所述目標的藥物的最高百分比和對 健康組織的最低損害。
8. 如權利要求1所述的設備，其特征在于所述識別裝置(41) 包括分段裝置(411)，所述分段裝置(411)用于所述目標的分段或 用于將所述目標區(qū)域分成健康組織和目標材料隔室，所述隔室由所述 血管樹的不同端部分段供血。
9. 如權利要求1所述的設備，其特征在于所述識別裝置(41) 適合于識別所述目標區(qū)域并將所述目標區(qū)域分割成隔室，所述隔室由 所述血管樹的供血動脈供血。
10. 如權利要求l所述的設備，其特征在于還包括顯示裝置(5)， 所述顯示裝置(5)用于顯示所述血管樹并表明所述最佳注入點。
11. 如權利要求1所述的設備，其特征在于所述顯示裝置(5) 還適合于在所述血管樹中顯示用于所述血管樹的不同分段的給藥百分 比或者所述評價標準的各自的結果。
12. 如權利要求2所述的設備，其特征在于所述流確定裝置(42) 還包括加權裝置(422 )，所述加權裝置(422 )用于通過不定性因數 將所述體積流速加權，所述不定性因數表明所測量的體積流速如何不 確定。
13. —種用于確定靶向給藥的注入點的方法，通過將藥物注入到 血管來向患者的身體給藥，所述血管向包括目標的目標區(qū)域供血，所 述方法包括以下步驟識別向所述目標區(qū)域供血的血管的血管樹拓樸結構， 確定在將藥物材料注入到所述血管樹中不同的可能的注入點之 后輸送到所述目標的藥物材料的百分比，選擇作為最佳注入點的可能的注入點，所述可能的注入點導致 輸送到所述目標的藥物的最高百分比。
14. 一種計算機程序，所述計算機程序包括程序代碼裝置，所述程序代碼裝置用于在計算機上執(zhí)行所述計算機程序時導致計算機執(zhí)行 如權利要求13所述的方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定靶向給藥的注入點的設備，通過將藥物注入到血管來向患者的身體給藥，該血管向包括目標的目標區(qū)域供血。為了向干預人員提供對可能的藥物注入點的客觀的量化評估，而不是讓干預人員依賴于來自DSA序列的視覺檢查的主觀印象，所提出的設備包括識別裝置(41)，這種識別裝置(41)用于識別向該目標區(qū)域供血的血管的血管樹拓撲結構，流確定裝置(42)，這種流確定裝置(42)用于確定在將藥物材料注入到該血管樹中不同的可能的注入點之后輸送到該目標的藥物材料的百分比，選擇裝置(43)，這種選擇裝置(43)用于選擇作為最佳注入點的可能的注入點，這種可能的注入點導致輸送到該目標的藥物的最高百分比。
文檔編號G06T5/00GK101120381SQ200680004849
公開日2008年2月6日 申請日期2006年2月13日 優(yōu)先權日2005年2月14日
發(fā)明者A·格羅思, J·布雷德諾, J·維塞 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司