用于射频消融疗法的交互式患者特定仿真的系统和方法.pdf

公开了用于肝脏肿瘤消融的交互式患者特定仿真的方法和系统。从患者的3D医学图像数据估计肝脏和肝脏的循环系统的患者特定解剖模型。从肝脏的患者特定解剖模型生成计算域。基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流。基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过使用格子玻尔兹曼方法（LBM）实现方式针对水平集表示上的每一个节点来求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散。基于所仿真的热扩散来计算肝脏中的细胞坏死。生成肝脏的所计算的坏死区和温度图的可视化。交互式地接收用户输入以修改虚拟消融探测器的位置，基于用户输入来重新仿真热扩散和细胞坏死，并且更新所计算的坏死区和温度图的可视化。

1.  一种用于肝脏肿瘤消融的交互式患者特定仿真的方法，包括：
从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型；
从肝脏的患者特定解剖模型生成计算域；
基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流；
基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散；以及
基于所仿真的热扩散来计算肝脏中的细胞坏死并且基于所计算的细胞状态更新组织参数。

2.  权利要求1的方法，还包括：
基于所仿真的热扩散生成肝脏的温度图的可视化；以及
生成所计算的坏死区的可视化。

3.  权利要求2的方法，还包括：
交互式地接收指示消融探测器的经修改的位置的用户输入；以及
基于虚拟消融探测器的经修改的位置来重新仿真热扩散和细胞坏死，
重新生成温度图的可视化和所计算的坏死区的可视化。

4.  权利要求2的方法，还包括：
交互式地接收用户输入以修改患者特定解剖模型、用于仿真血流的计算流体动力学模型、生物热方程或用于仿真细胞坏死的细胞坏死模型中的至少一个的至少一个参数；以及
利用经修改的至少一个参数来重新仿真血流、热扩散和细胞坏死；
生成温度图的可视化和所计算的坏死区的可视化。

5.  权利要求1的方法，其中从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型包括：
估计包括肝实质、至少一个肿瘤、肝静脉、腔静脉、门静脉和肝动脉的肝脏的患者特定解剖模型。

6.  权利要求1的方法，其中基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流包括：
使用计算流体动力学（CFD）仿真来计算在多个时间步长期间的肝静脉中的3D血流和入口压强；
基于肝静脉中的血流和入口压强计算在多个时间步长期间的门静脉和肝动脉上游压强；以及
使用CFD仿真基于门静脉上游压强来计算在多个时间步长期间的门静脉和肝动脉中的3D血流。

7.  权利要求1的方法，其中基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流包括：
在多个时间步长中的每一个处使用计算流体动力学（CFD）解算器在肝脏的静脉系统的水平集表示上仿真肝脏的循环系统中的血流；以及
通过使用多孔血流解算器计算多孔血流来仿真肝实质中的血流。

8.  权利要求7的方法，其中通过使用多孔血流解算器计算多孔血流来仿真肝实质中的血流包括：
通过使用有限元方法（FEM）在肝脏的四面体网格上计算多孔血流来仿真肝实质中的血流。

9.  权利要求1的方法，其中基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散包括：
使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程。

10.  权利要求9的方法，其中使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程包括：
对于多个节点中的每一个：
　　在节点属于肝静脉、肝动脉或门静脉的情况下通过求解具有第一冷却项的第一生物热方程并且在节点属于肝实质的情况下通过求解具有第二冷却项的第二生物热方程来计算多个时间步长中的每一个处的温度。

11.  权利要求10的方法，其中第一生物热方程是Pennes模型生物热方程，并且第二生物热方程是Wulff-Klinger模型生物热方程。

12.  权利要求1的方法，其中基于所仿真的热扩散来仿真肝脏中的细胞坏死包括：
在多个时间步长中的每一个处基于多个节点中的每一个处的相应计算的温度来计算在多个时间步长中的每一个处针对计算域的多个节点中的每一个的细胞状态；以及
在多个时间步长中的每一个处基于所计算的细胞状态更新多个节点中的每一个处的热容。

13.  权利要求1的方法，其中生成肝脏的患者特定解剖模型的计算域包括：
使用笛卡尔格子和水平集表示使肝脏的患者特定模型的域离散化，其中每一个节点经由边连接到预确定数目的相邻节点。

14.  权利要求13的方法，其中基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散包括：
对于笛卡尔栅格上的心脏的患者特定解剖模型的水平集表示的每一个节点：
在多个时间步长中的每一个处，基于针对每一个边计算的分布函数计算针对连接到节点的每一个边的粒子的碰撞，其中每一个分布函数是基于碰撞矩阵的，所述碰撞矩阵在节点与肝脏中的大静脉相关联的情况下取决于第一生物热方程并且在节点与肝实质相关联的情况下取决于第二生物热方程；以及
在多个时间步长中的每一个处，将节点处的温度计算为针对连接到节点的所有边计算的粒子的碰撞的总和。

15.  权利要求1的方法，其中在多个时间步长中的每一个处仿真热扩散，并且基于所仿真的热扩散计算肝脏中的细胞坏死包括：
基于所仿真的传热计算在多个时间步长期间肝脏中的活细胞、脆弱细胞和死亡细胞的浓度变化。

16.  权利要求9的方法，其中使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程包括：
在多个时间步长中的每一个处，并行地求解针对水平集表示的多个节点中的多个的生物热方程。

17.  权利要求16的方法，其中基于所仿真的热扩散计算肝脏中的细胞坏死包括：
在多个时间步长中的每一个处，基于在每一个节点处计算的仿真的温度并行地仿真针对多个节点中的多个的细胞坏死。

18.  权利要求1的方法，其中虚拟消融探测器位置是用户定义的消融探测器位置。

19.  权利要求1的方法，还包括：
自动选择多个可能的消融探测器位置；
针对多个可能的消融探测器位置中的每一个仿真热扩散并且计算细胞坏死；
基于针对多个可能的消融探测器位置中的每一个仿真的热扩散和计算的细胞坏死确定一个或多个最佳消融探测器位置；以及
生成基于多个可能的消融探测器位置确定的一个或多个最佳消融探测器位置的显示。

20.  一种用于肝脏肿瘤消融的交互式患者特定仿真的设备，包括：
用于从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型的装置；
用于从肝脏的患者特定解剖模型生成计算域的装置；
用于基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流的装置；
用于基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散的装置；以及
用于基于所仿真的热扩散来计算肝脏中的细胞坏死并且基于所计算的细胞状态更新组织参数的装置。

21.  权利要求20的设备，还包括：
用于基于所仿真的热扩散生成肝脏的温度图的可视化的装置；以及
用于生成所计算的坏死区的可视化的装置。

22.  权利要求21的设备，还包括：
用于交互式地接收指示消融探测器的经修改的位置的用户输入的装置；以及
用于基于虚拟消融探测器的经修改的位置来重新仿真热扩散和细胞坏死的装置，
用于重新生成温度图的可视化和所计算的坏死区的可视化的装置。

23.  权利要求21的设备，还包括：
用于交互式地接收用户输入以修改患者特定解剖模型、用于仿真血流的计算流体动力学模型、生物热方程或用于仿真细胞坏死的细胞坏死模型中的至少一个的至少一个参数的装置；以及
用于利用经修改的至少一个参数来重新仿真血流、热扩散和细胞坏死的装置；
用于重新生成温度图的可视化和所计算的坏死区的可视化的装置。

24.  权利要求20的设备，其中用于从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型的装置包括：
用于估计包括肝实质、至少一个肿瘤、肝静脉、腔静脉、门静脉和肝动脉的肝脏的患者特定解剖模型的装置。

25.  权利要求20的设备，其中用于基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流的装置包括：
用于使用计算流体动力学（CFD）仿真来计算在多个时间步长期间的肝静脉中的3D血流和入口压强的装置；
用于基于肝静脉中的血流和入口压强计算在多个时间步长期间的门静脉和肝动脉上游压强的装置；以及
用于使用CFD仿真基于门静脉上游压强来计算在多个时间步长期间的门静脉和肝动脉中的3D血流的装置。

26.  权利要求20的设备，其中用于基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流的装置包括：
用于在多个时间步长中的每一个处使用计算流体动力学（CFD）解算器在肝脏的静脉系统的水平集表示上仿真肝脏的循环系统中的血流的装置；以及
用于通过使用多孔血流解算器计算多孔血流来仿真肝实质中的血流的装置。

27.  权利要求26的设备，其中通过使用多孔血流解算器计算多孔血流来仿真肝实质中的血流的装置包括：
用于通过使用有限元方法（FEM）在肝脏的四面体网格上计算多孔血流来仿真肝实质中的血流的装置。

28.  权利要求20的设备，其中用于基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散的装置包括：
用于使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程的装置。

29.  权利要求28的设备，其中用于使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程的装置包括：
对于多个节点中的每一个，用于在节点属于肝静脉、肝动脉或门静脉的情况下通过求解具有第一冷却项的第一生物热方程并且在节点属于肝实质的情况下通过求解具有第二冷却项的第二生物热方程来计算多个时间步长中的每一个处的温度的装置。

30.  权利要求29的设备，其中第一生物热方程是Pennes模型生物热方程，并且第二生物热方程是Wulff-Klinger模型生物热方程。

31.  权利要求20的方法，其中用于基于所仿真的热扩散来仿真肝脏中的细胞坏死的装置包括：
用于在多个时间步长中的每一个处基于多个节点中的每一个处的相应计算的温度来计算在多个时间步长中的每一个处针对计算域的多个节点中的每一个的细胞状态的装置；以及
用于在多个时间步长中的每一个处基于所计算的细胞状态更新多个节点中的每一个处的热容的装置。

32.  权利要求20的设备，其中用于生成肝脏的患者特定解剖模型的计算域的装置包括：
用于使用笛卡尔格子和水平集表示使肝脏的患者特定模型的域离散化的装置，其中每一个节点经由边连接到预确定数目的相邻节点。

33.  权利要求32的设备，其中用于基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散的装置包括：
用于对于笛卡尔栅格上的心脏的患者特定解剖模型的水平集表示的每一个节点，在多个时间步长中的每一个处，基于针对每一个边计算的分布函数计算针对连接到节点的每一个边的粒子的碰撞的装置，其中每一个分布函数是基于碰撞矩阵的，所述碰撞矩阵在节点与肝脏中的大静脉相关联的情况下取决于第一生物热方程并且在节点与肝实质相关联的情况下取决于第二生物热方程；以及
用于在多个时间步长中的每一个处，将节点处的温度计算为针对连接到节点的所有边计算的粒子的碰撞的总和的装置。

34.  权利要求20的方法，其中在多个时间步长中的每一个处仿真热扩散，并且用于基于所仿真的热扩散计算肝脏中的细胞坏死的装置包括：
用于基于所仿真的传热计算在多个时间步长期间肝脏中的活细胞、脆弱细胞和死亡细胞的浓度变化的装置。

35.  权利要求28的设备，其中用于使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程的装置包括：
用于在多个时间步长中的每一个处，并行地求解针对水平集表示的多个节点中的多个的生物热方程的装置。

36.  权利要求35的设备，其中用于基于所仿真的热扩散计算肝脏中的细胞坏死的装置包括：
在多个时间步长中的每一个处，基于在每一个节点处计算的仿真的温度并行地仿真针对多个节点中的多个的细胞坏死。

37.  权利要求20的设备，其中虚拟消融探测器位置是用户定义的消融探测器位置。

38.  权利要求20的设备，还包括：
用于自动选择多个可能的消融探测器位置的装置；
用于针对多个可能的消融探测器位置中的每一个仿真热扩散并且计算细胞坏死的装置；
用于基于针对多个可能的消融探测器位置中的每一个仿真的热扩散和计算的细胞坏死确定一个或多个最佳消融探测器位置的装置；以及
用于生成基于多个可能的消融探测器位置确定的一个或多个最佳消融探测器位置的显示的装置。

39.  一种存储用于肝脏肿瘤消融的交互式患者特定仿真的计算机程序指令的非暂时性计算机可读介质，计算机程序指令当在处理器上执行时使处理器执行包括以下的操作：
从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型；
从肝脏的患者特定解剖模型生成计算域；
基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流；
基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散；以及
基于所仿真的热扩散来计算肝脏中的细胞坏死并且基于所计算的细胞状态更新组织参数。

40.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中所述操作还包括：
基于所仿真的热扩散生成肝脏的温度图的可视化；以及
生成所计算的坏死区的可视化。

41.  权利要求40的非暂时性计算机可读介质，其中所述操作还包括：
交互式地接收指示消融探测器的经修改的位置的用户输入；以及
基于虚拟消融探测器的经修改的位置来重新仿真热扩散和细胞坏死，
重新生成温度图的可视化和所计算的坏死区的可视化。

42.  权利要求40的非暂时性计算机可读介质，其中所述操作还包括：
交互式地接收用户输入以修改患者特定解剖模型、用于仿真血流的计算流体动力学模型、生物热方程或用于仿真细胞坏死的细胞坏死模型中的至少一个的至少一个参数；以及
利用经修改的至少一个参数来重新仿真血流、热扩散和细胞坏死；
生成温度图的可视化和所计算的坏死区的可视化。

43.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型包括：
估计包括肝实质、至少一个肿瘤、肝静脉、腔静脉、门静脉和肝动脉的肝脏的患者特定解剖模型。

44.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流包括：
使用计算流体动力学（CFD）仿真来计算在多个时间步长期间的肝静脉中的3D血流和入口压强；
基于肝静脉中的血流和入口压强来计算在多个时间步长期间的门静脉和肝动脉上游压强；以及
使用CFD仿真基于门静脉上游压强来计算在多个时间步长期间的门静脉和肝动脉中的3D血流。

45.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流包括：
在多个时间步长中的每一个处使用计算流体动力学（CFD）解算器在肝脏的静脉系统的水平集表示上仿真肝脏的循环系统中的血流；以及
通过使用多孔血流解算器计算多孔血流来仿真肝实质中的血流。

46.  权利要求45的非暂时性计算机可读介质，其中通过使用多孔血流解算器计算多孔血流来仿真肝实质中的血流包括：
通过使用有限元方法（FEM）在肝脏的四面体网格上计算多孔血流来仿真肝实质中的血流。

47.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散包括：
使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程。

48.  权利要求47的非暂时性计算机可读介质，其中使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程包括：
对于多个节点中的每一个：
　　在节点属于肝静脉、肝动脉或门静脉的情况下通过求解具有第一冷却项的第一生物热方程并且在节点属于肝实质的情况下通过求解具有第二冷却项的第二生物热方程来计算多个时间步长中的每一个处的温度。

49.  权利要求48的非暂时性计算机可读介质，其中第一生物热方程是Pennes模型生物热方程，并且第二生物热方程是Wulff-Klinger模型生物热方程。

50.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中基于所仿真的热扩散来仿真肝脏中的细胞坏死包括：
在多个时间步长中的每一个处基于多个节点中的每一个处的相应计算的温度来计算在多个时间步长中的每一个处针对计算域的多个节点中的每一个的细胞状态；以及
在多个时间步长中的每一个处基于所计算的细胞状态更新多个节点中的每一个处的热容。

51.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中生成肝脏的患者特定解剖模型的计算域包括：
使用笛卡尔格子和水平集表示使肝脏的患者特定模型的域离散化，其中每一个节点经由边连接到预确定数目的相邻节点。

52.  权利要求51的非暂时性计算机可读介质，其中基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散包括：
对于笛卡尔栅格上的心脏的患者特定解剖模型的水平集表示的每一个节点：
在多个时间步长中的每一个处，基于针对每一个边计算的分布函数计算用于连接到节点的每一个边的粒子的碰撞，其中每一个分布函数是基于碰撞矩阵的，所述碰撞矩阵在节点与肝脏中的大静脉相关联的情况下取决于第一生物热方程并且在节点与肝实质相关联的情况下取决于第二生物热方程；以及
在多个时间步长中的每一个处，将节点处的温度计算为针对连接到节点的所有边计算的粒子的碰撞的总和。

53.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中在多个时间步长中的每一个处仿真热扩散，并且基于所仿真的热扩散计算肝脏中的细胞坏死包括：
基于所仿真的传热计算在多个时间步长期间肝脏中的活细胞、脆弱细胞和死亡细胞的浓度变化。

54.  权利要求47的非暂时性计算机可读介质，其中使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在患者特定解剖模型的水平集表示的多个节点中的每一个处求解生物热方程包括：
在多个时间步长中的每一个处，并行地求解针对水平集表示的多个节点中的多个的生物热方程。

55.  权利要求54的非暂时性计算机可读介质，其中基于所仿真的热扩散计算肝脏中的细胞坏死包括：
在多个时间步长中的每一个处，基于在每一个节点处计算的仿真的温度并行地仿真针对多个节点中的多个的细胞坏死。

56.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中虚拟消融探测器位置是用户定义的消融探测器位置。

57.  权利要求39的非暂时性计算机可读介质，其中所述操作还包括：
自动选择多个可能的消融探测器位置；
针对多个可能的消融探测器位置中的每一个仿真热扩散并且计算细胞坏死；
基于针对多个可能的消融探测器位置中的每一个仿真的热扩散和计算的细胞坏死确定一个或多个最佳消融探测器位置；以及
生成基于多个可能的消融探测器位置确定的一个或多个最佳消融探测器位置的显示。

用于射频消融疗法的交互式患者特定仿真的系统和方法
本申请要求享有2013年2月26日提交的美国临时申请号61/769,409的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
背景技术
本发明涉及消融疗法计划，并且更具体地涉及使用医学成像数据的肿瘤消融的快速患者特定仿真。
不管癌症疗法中的最新进展如何，包括肝脏在内的腹部的原发性和转移性肿瘤的治疗仍旧是显著的挑战。例如肝细胞癌（HCC）是遍及世界遇到的最常见的恶性肿瘤之一（每年超过1百万个病例），其由于C型肝炎的改变的发病率而在西方国家具有日益增加的频率。对于原发性肝癌和肝转移二者，肝脏切除术（部分肝切除术）是患有局限性疾病的患者中的当前优选的选项。在早期HCC的所选案例中，还可以考虑利用肝脏移植的完全肝切除术。不幸的是，患有原发性或继发性肝癌的患者的少于25%是切除术或移植的候选人，这主要是由于肿瘤类型、位置或潜在的肝脏疾病所致。因此，日益增加的兴趣聚焦于用于不可切除的肝脏肿瘤的治疗的消融方案上。该技术使用完全局部原地肿瘤破坏，而不是摘除。各种方法已经用于对组织进行局部消融。射频消融（RFA）被最常使用，但是也使用其它技术，包括乙醇注入、冷冻疗法、不可逆电穿孔和微波消融。
通过将探测器（probe）放置在目标区域（肿瘤）内来执行RFA过程。探测器尖端处的电极产生热，其被传导到周围组织中，导致50℃和100℃之间的温度处的凝固性坏死。除了增加不可切除的患者中的符合肝癌的治愈性疗法的条件的患者数目之外，局部组织消融具有显著的优势，因为其可以使用最小侵入的方案（包括经皮地和腹腔镜地）来执行。
为了将探测器放置在目标位置处，医生依靠诸如超声之类的术中成像技术。然而，该过程的成功取决于探测器的最佳放置和关于循环系统的热传递以及肝脏和肿瘤的组织性质。不同的放置可能具有不同的结果。消融的成功还受到耗散热的肝血管的挑战，因此潜在地降低RFA效率。
发明内容
本发明提供了用于肿瘤消融的交互式患者特定仿真的方法和系统。本发明的实施例聚焦于肝脏肿瘤并且对消融的影响进行建模，包括热扩散、细胞坏死以及通过血管和肝脏的血流（bloodflow）。从患者的术前医学图像（诸如计算机断层扫描术（CT）或磁共振成像（MRI）图像）开始，自动估计肝脏和静脉系统的患者特定几何结构。将针对患者的血管结构解释为生物传热模型中的散热器（heatsink）。本发明的实施例利用格子玻尔兹曼方法（LBM）来求解生物传热模型，所述格子玻尔兹曼方法提供高并行可缩放性、空间中的二阶精度和均匀笛卡尔栅格上的实现方式的简化性。LBM的使用允许高效交互式模型计算。生物传热模型耦合到计算流体动力学（CFD）解算器以精确地考虑血液循环对所耗散的热的影响。细胞坏死模型被用于仿真由于过热所致的细胞死亡，并且可以可视化所计算的坏死区域连同随时间计算的温度图。
在本发明的一个实施例中，从患者的医学图像数据估计肝脏和肝脏的静脉系统的患者特定解剖模型。从肝脏的患者特定解剖模型生成计算域。基于患者特定解剖模型来仿真肝脏和肝脏的循环系统中的血流。基于虚拟消融探测器位置和所仿真的肝脏和肝脏的循环系统中的血流，通过在计算域的多个节点中的每一个处求解生物热方程来仿真由于消融所致的热扩散。基于所仿真的热扩散来计算肝脏中的细胞坏死并且基于所计算的细胞状态更新组织参数。
通过参照以下详细描述和附图，本发明的这些和其它优点将对本领域普通技术人员显而易见。
附图说明
图1图示了根据本发明的实施例的用于肝脏肿瘤消融的患者特定仿真的方法；
图2图示了用于估计肝脏的患者特定解剖模型的示例性结果；
图3图示了肝静脉循环系统的示例性CFD模型；
图4图示了根据本发明的实施例的用于实现用于仿真射频消融（ABA）的计算模型的算法；
图5图示了所仿真的坏死区域的示例性可视化；
图6图示了利用所提出的LBM解算器使用多线程实现的加速的示例；
图7图示了针对CPU、多线程和GPU实现方式的计算时间的比较；以及
图8是能够实现本发明的计算机的高级框图。
具体实施方式
本发明涉及使用医学成像数据的肿瘤消融的患者特定建模和仿真。在本文中描述本发明的实施例以给出在肝脏肿瘤的情况下例示的用于使用医学成像数据的患者特定建模和仿真的方法的视觉上的理解。数字图像通常包括一个或多个对象（或形状）的数字表示。通常在本文中在标识和操纵对象的方面来描述对象的数字表示。这样的操纵是在存储器或计算机系统的其它电路/硬件中完成的虚拟操纵。因此，要理解的是，本发明的实施例可以在计算机系统内使用存储在计算机系统内的数据来执行。
本发明的实施例利用用于射频消融的交互式患者特定计划的计算框架。从术前3D医学图像（诸如计算机断层扫描术（CT）图像、磁共振图像（MRI）或超声图像）开始，使用高效算法自动估计肝脏和循环系统的几何结构。然后使用格子玻尔兹曼方法（LBM）在各向同性的笛卡尔栅格上求解生物热方程以获得随时间变化的整个肝脏的温度分布图（profile）。本发明的实施例组合了两个不同的生物-热模型以应对由于不同大小的血管所致的传热：接近较大血管的Pennes模型和在其它地方的Wulff-Klinger模型以考虑较小血管对热扩散的影响。生物热方程耦合到计算流体动力学（CFD）解算器以在根据达西定律计算多孔肝脏组织中的血流的同时精确地考虑血液循环对所耗散的热的影响。本发明的实施例在笛卡尔栅格上计算LBM和CFD，而同时在四面体网格上执行多孔解算器以得到增加的精度。在计算的每个时间步长处根据细胞坏死模型更新组织参数以计算由于过热所致的细胞死亡。
本发明的实施例提供了一种用于肝脏肿瘤消融的快速患者特定仿真的方法，其可以在临床设置中与近实时交互一起利用。用于求解生物热方程的LBM实现方式提供高并行可缩放性，并且因此可以实现在诸如图形处理单元（GPU）之类的大规模并行架构上。通过使用这样的并行实现方式，肝脏肿瘤消融仿真可以响应于用户交互而高效地执行，用户交互允许用户在临床设置中使用仿真来交互式地计划肝脏肿瘤消融疗法。
图1图示了根据本发明的实施例的用于肝脏肿瘤消融的患者特定仿真的方法。图1的方法对表示患者的肝脏解剖学的医学图像数据进行变换以提供肝脏肿瘤消融的患者特定仿真。在步骤102处，接收患者的至少肝脏区的术前3D医学图像数据。可以使用任何类型的医学成像模态来获取术前3D图像数据，诸如计算机断层扫描术（CT）、三维旋转血管造影术、磁共振成像（MRI）、超声（US）、正电子发射断层扫描术（PET）等，只要肝脏在医学图像数据中完全可见。可以直接从诸如CT扫描仪、C形臂图像获取设备、MRI扫描仪或US扫描仪之类的图像获取设备接收医学图像数据，或者可以通过加载患者的先前存储的心脏图像数据来接收术前心脏图像数据。在可能的实施例中，计算机断层扫描术、荧光透视、x射线或CT血管造影术系统可以用于获取医学图像数据。患者可以接收一般对x射线不透明的对比剂（contrastagent）。对比剂聚集于或者在循环系统中，因此血管与组织形成对比。可以使用任何扫描序列或方案，诸如CT血管造影术模式或旋转血管造影术，以生成术前3D医学图像数据。
在步骤104处，接收虚拟消融探测器的位置的指示。在一个实施例中，接收消融探测器的放置位置的用户指示。消融要发生在组织的病变区（例如肿瘤）或其它区附近或其中。给定解剖学、消融类型、消融设备类型或其它限制，可以限制组织中的放置。用户可以通过在术前医学图像数据中选择一个或多个位置来指示消融探测器的可能放置。例如，可以由用户使用诸如鼠标、触摸屏等之类的输入设备来选择患者的所显示的多平面重构中的位置。尽管在图1中接收虚拟消融探测器的位置的指示（步骤104）被示出为在从医学图像估计患者特定解剖模型（步骤106）之前，但是要理解的是，这些步骤可以以任何次序或同时发生。
在可能的实现方式中，可以提供消融探测器的多个位置。例如，用户可以指示用于仿真顺序消融操作或应用的放置的序列。在该情况中，通过使用来自前一次运行的结果针对每一个顺序的探测器位置重复图1的步骤108-114来仿真序列。通过在步骤112中使用细胞坏死的建模，可以在后续运行期间考虑针对各种位置改变的组织性质。顺序放置可以用于较大的肿瘤，其中单个探测器放置不提供热剂量对肿瘤的充足覆盖。在另一可能的实现方式中，用户可以指示用于同时使用多个设备仿真消融的多个放置。基于单个仿真运行而计算聚合的热剂量。
在可替换的实施例中，用户不指示放置。而是，基于图像数据诸如通过标识肿瘤的中心来自动选择位置。可以利用不同的仿真来自动标识和测试各种可能的放置。在该情况中，可以执行患者特定解剖模型估计（步骤106）并且然后基于患者特定解剖模型中的分割的肿瘤自动确定虚拟消融探测器的位置。还可以通过最大化坏死范围来自动确定探测器的位置。潜在探测器位置的图可以以此方式自动生成并且显示给用户。
除了虚拟消融探测器的位置之外，用户还可以输入消融探测器的空间范围、消融的类型、持续时间、期望的剂量、肿瘤的空间范围的指示、肿瘤中的位置的指示、用于消融的功率量、消融设备的类型、功率序列和/或消融或组织的其它特性。各种输入可以是自动化的。取代于用户输入，处理器提供所述信息。
在步骤106处，从3D医学图像数据估计肝脏和肝脏中的循环系统的患者特定解剖模型。患者特定解剖模型是患者的肝实质、肿瘤、肝静脉、腔静脉（venacave）和门静脉的详细解剖模型。如果可见的话，还可以对肝动脉进行分割。可以从3D医学图像数据对肝脏的3D表面进行自动分割。在一个实施例中，使用诸如随机游走分割之类的图论方案从CT数据半自动地估计患者特定解剖模型。对于每一个结构（实质、肿瘤、肝静脉、腔静脉、门静脉和肝动脉），用户定义感兴趣的区域内部和外部的种子。然后，随机游走算法自动估计结构的边界。该过程可以由用户交互式地精制，如果必要的话。从所述分割计算肝脏减去肿瘤和血管的水平集表示。接着，将所得到的分割合并成多标签掩模图像（maskimage），其然后被用于生成四面体多域网格。
图2图示了用于估计肝脏的患者特定解剖模型的示例性结果。如图2中所示，图像200示出覆盖在CT图像上的肝脏分割102。图像210示出从肝脏分割生成的四面体体积网格，包括实质212、肝静脉214、门静脉216和经分割的肿瘤218。
返回到图1，在步骤108处，基于肝脏和静脉系统的患者特定解剖模型来仿真肝脏中的血流。通过肝脏的静脉系统的血流充当扩散通过消融探测器施加的热中的散热器。对患者特定解剖模型中的血流进行仿真以便提供由于血流所致的散热器的个性化建模。组织区中的血管位置、血管大小和/或其它血管特性用于对感兴趣的区中的散热器特性进行建模。可以从肝脏的患者特定解剖模型中的分割的血管信息提取所述特性。
肝脏被视为多孔介质，因此对达西定律进行求解提供了在传热模型的对流部分中使用的遍及器官的速度场。根据达西定律来计算实质内部的血液速度：，其中p是实质内的压强（pressure）并且是血流的动态粘滞度。这相当于对拉普拉斯方程进行求解。在肝脏的边际，采用诺依曼边界条件，因为没有或极少流泄漏到肝脏外部，而在门静脉和肝静脉的末端处，应用狄利克雷边界条件。由于不能在体内估计压强，因此肝静脉循环系统的计算流体动力学（CFD）模型被用于估计压强。图3图示了肝静脉循环系统300的示例性CFD模型。如图3中所示，肝静脉循环系统包括腔静脉302、门静脉304和肝静脉306。在图3中，箭头表示血流，圆形表示门静脉末端，并且方形表示肝静脉末端。令为腔静脉流入，为门静脉流入，并且为腔静脉流出，其由于质量守恒而等于，并且为通过肝静脉的入口的流。肝动脉在该实施例中被忽略，但是可以在不对本文所描述的框架进行修改的情况下被包括。假设在腔静脉的出口处存在小压强（例如），在健康患者的生理值的范围中。
使用三维计算流体动力学（例如使用具有粘性项的非稳态不可压缩的Navier-Stokes方程）来计算腔静脉（图3中的302）内的血流和压强分布。将血液建模为具有预指定的密度和粘滞度的牛顿流体（参见表1）。参数可以随患者的不同而不同。在入口处（图3中的方形）施加从每一个入口的流出和横截面面积计算的塞剖面速度场。从CFD计算，提供了用于肝静脉的每一个入口的下游压强。每一个门静脉末端处（图3中的圆形）的上游压强被假设为恒定的，并且可以通过求解达西定律并且在上进行优化使得通过肝静脉入口的所计算的灌注流匹配三维CFD入口流剖面图来估计。一旦估计出，使用三维CFD解算器来计算门静脉（图3中的304）内部的血流。可以忽略热对所述流的粘滞度的影响。作为结果，用于仿真肝脏中的血流的流相关的计算可以在热扩散的仿真之前执行。
在有利的实现方式中，可以使用在欧拉框架中表述的全3DNavier-Stokes粘性解算器来执行CFD计算，欧拉框架使用经分割的血管的水平集表示来嵌入域边界。可以通过在肝脏解剖学的四面体网格上使用有限元方法来计算多孔流（porousflow）。在计算之后在笛卡尔栅格上对所得到的流进行三线性地栅格化。在有利的实施例中，在仿真热扩散和细胞坏死之前，针对特定仿真仅计算一次CFD和多孔流。在另一实施例中，在每个时间步长处更新CFD和多孔流以将温度中的改变考虑在内。
返回到图1，在步骤110处，基于所仿真的血流和虚拟消融探测器的位置来仿真由于消融所致的肝脏中的热扩散。通过计算温度改变随时间的扩散或进展来仿真肝脏组织中的随时间的热扩散。使用偏微分方程或其它方程来求解作为时间的函数的温度分布场。生物-传热方程的数值解产生在空间和时间变化的底层温度分布场。计算生物组织中的热扩散相当于求解从多孔介质的理论得到的耦合生物热方程，其中假设每一个体积元包括组织部分和血液部分。用于求解耦合生物热方程的两个主要简化是Pennes模型和Wulff-Klinger（WK）模型。
在Pennes模型中，假定血液温度恒定，其适用于接近大血管的地方，其中血液速度较高。Pennes模型可以表述为：
。
在Wulff-Klinger模型中，假设组织与血液温度之间的平衡，其具有小血液体积分数。该模型因此良好适合于小血管，其中血液速度为低。Wulff-Klinger模型可以表述为：
。
在以上方程中，T是温度，Q是源项，是血液速度，并且是较大血管中的血液的平均温度（假设恒定）。下标t和b分别是指组织和血液相。以下在表1中提供其余模型参数的定义和示例性值。
表1在仿真中使用的参数值
。
Pennes和Wulff-Klinger模型之间的主要差异在于其冷却项（即右手侧的最后一项）。前者充当体积均匀散热器而后者计及组织温度场上血流的方向效应。因此，通过使用一个或另一个冷却项，可以容易地以模块化的方式实现两个方程以应对组织不均匀性。
当前的成像技术可能不允许估计血液和肝脏组织之间的精确比例。在肝脏的患者特定解剖模型中清楚地标识大血管，但是小的毛细血管难以成像。因此，本发明的实施例通过将Pennes和Wulff-Klinger模型组合在统一且模块化的框架中来求解生物热方程以对大血管和小血管进行建模。假设血管和周围组织与彼此隔离，通过在域中的每一个地方求解扩散方程来计算肝脏温度T。当点属于大血管时添加冷却项（Pennes模型），而当点属于小血管或实质时添加冷却项（Wulff-Klinger模型）。
根据有利的实施例，在7连接性拓扑（6个方向和中心位置）和诺依曼边界条件的情况下使用格子玻尔兹曼方法（LBM）来在各向同性的笛卡尔栅格上求解生物-热模型。也可以使用具有不同连接性的其它栅格。在位置或边处的控制方程可以表述为：

其中，是点之间的间隔，并且是分布函数的矢量，其中是在给定时间处找到沿节点的边行进的粒子的概率，并且是取决于格子连接性的加权因子的矢量。每一个节点处的温度可以计算为：，并且针对每个时间步长t在栅格的每一个节点处更新。可以指出的是，方程（3）中的最后一项（反应项）对应于Pennes模型。在针对其使用Wulff-Klinger模型的计算域上的点处，反应项对应于Wulff-Klinger模型。通过使用肝脏的患者特定解剖模型的水平集表示，可以在不要求使用线性内插的高级网格划分技术的情况下精确地处理边界。为了稳定性的问题，利用多弛豫时间模型，这意味着首先将分布函数的矢量投影到七维空间上，其中每一个分量对应于矢量的某个矩，然后每一个分量松弛到具有不同的弛豫系数的平衡，并且最后，将矢量投影回到原始七维空间上。碰撞矩阵A可以表述为，其中：
并且
。弛豫时间通过直接与热扩散系数D相关。在虚拟探测器的位置处通过狄利克雷边界条件对热源项进行建模。例如，在示例性实现方式中，在虚拟探测器的位置处通过100℃的狄利克雷边界条件对热源项进行建模。
返回到图1，在步骤112处，基于所仿真的热扩散来仿真肝脏中的细胞坏死。来自消融探测器的热可以导致肝脏中的细胞坏死。在一个实施例中，将组织损伤建模为使用三状态模型。模型根据状态方程来计算活细胞（A）、脆弱（vulnerable）细胞（C）和死亡细胞（D）的浓度随时间的变化，其中和分别是细胞损伤和恢复的速率。具体地，通过以下方程而取决于温度：，其中为度量常数并且是设置随温度的指数增加的速率的参数。该方程导致三个联立常微分方程，其可以在笛卡尔栅格的每一个顶点处利用一阶显格式来求解，产生然后使用在LBM解算器中的空间变化的细胞状态场。在示例性实现方式中，初始条件可以被选择为A=0.99，V=0.01并且D=0.00。在以上的表1中示出用于参数和的示例性值。此外，死亡或受损细胞不具有与活细胞相同的热容。该现象可以影响传热和消融范围。因此，在热扩散仿真的每一个时间步长处，给定细胞的当前温度在每一个点处更新细胞的状态，并且基于细胞的状态更新细胞的热容。如果细胞是健康或脆弱的，使用热容，并且热容用于死亡细胞。在表1中示出对于和的示例性值。
也可以使用其它细胞死亡模型。例如，在另一实施例中，可以使用存活分数指数和类Arrhenius方程来对组织损伤进行建模。通过实验确定、从研究提取或者从理论创建组织损伤模型。存活分数指数指示作为温度的函数的区中的活细胞与死亡细胞的量的关系。使用类Arrhenius模型根据当前温度计算存活分数指数。更确切地，存活分数指数是感兴趣的区中的能生存的（viable）细胞与总细胞数目的比。当存活分数指数<<1时，该空间区中的细胞死亡。Arrhenius方程对存活分数关于温度的关系进行建模。
图4图示了根据本发明的实施例的用于实现用于仿真射频消融（RFA）的计算模型的算法。图4的算法可以用于实现图1的步骤106-112。如图4中所图示的，在402处，估计肝脏解剖学的患者特定模型。在404处，使用CFD解算器来计算3D血流并且计算肝静脉中的入口压强。在406处，通过使达西模型适于肝静脉下游压强和流来计算门静脉上游压强。在408处，使用CFD解算器计算门静脉中的3D血流。肝静脉和门静脉中的血流和压强提供用于使用有限元方法来计算实质内部的血液速度的狄利克雷边界条件。一旦在肝脏的整个患者特定模型中仿真血流，在时在其间的每个时间步长（t）处执行操作410和412。在410处，温度T在大血管中使用Pennes模型并且在其它地方（例如实质）使用Wulff-Klinger模型。具体地，通过基于碰撞矩阵A针对每一个节点计算针对边（例如i=1…7）的分布函数来计算用于水平集表示的每一个节点的碰撞，所述碰撞矩阵A取决于每一个节点处的热扩散方程。在与大血管相关联的节点处，Pennes模型用于热扩散方程，并且在其余节点（例如与实质相关联的节点）处，Wulff-Klinger模型用于热扩散方程。针对每一个节点计算的碰撞被用于将每一个节点处的温度计算为。在412处，基于针对每一个节点仿真的温度使用细胞坏死模型来更新水平集表示的每一个节点处的细胞状态。尽管可能顺序处理节点，但是根据有利的实现方式，可以例如通过使用大规模并行架构（诸如GPU）并行执行每一个节点处的细胞坏死的计算和使用以上描述的LBM实现方式的温度计算。
返回到图1，在步骤114处，输出温度图和所仿真的坏死区域的可视化。例如，可以通过使用颜色编码、流线或等值线在计算机系统的显示器上显示温度图和所仿真的坏死区域可视化来输出温度图和所仿真的坏死区域可视化。可以在每个时间步长或每N个时间步长处更新图以示出系统的动态特性。
在步骤116处，交互式地接收用户输入以改变虚拟消融探测器的位置或改变模型参数。使用并行LBM实现方式用于求解热扩散方程和细胞坏死模型在临床设置中提供了可以近实时地执行的高效肝脏消融仿真。这允许用户（例如医生）交互式地改变消融探测器位置以得到用于肝脏内的不同位置处的消融的肝脏消融仿真。这还允许用户交互式地修改模型参数，诸如在热扩散模型、细胞坏死模型或用于血流仿真的计算模型中使用的参数。一旦接收到用户输入，方法返回到步骤108并且利用经修改的消融探测器位置和/或经修改的模型参数来重新计算血流仿真、肝脏中的热扩散和细胞坏死，并且显示更新的图。根据可能的实现方式，只要在步骤116中没有修改在血流仿真中使用的模型参数，方法可以替代性地返回到步骤110并且重复步骤110-114而不首先重新仿真肝脏中的血流。例如，如果用户输入仅改变虚拟消融探测器的位置，方法可以返回到步骤110，使用先前计算的血流仿真结果基于经修改的消融探测器位置来仿真热扩散和细胞坏死。
如下已经在消融其肿瘤的患者上评估了所提出的框架。在肿瘤内连续部署消融探测器至3cm处。目标温度达到105℃（基于探测器热敏电阻）并且保持七分钟。从标准术前CT图像提取针对患者的患者特定解剖模型。通过将虚拟探测器放置在肿瘤的中心处来仿真RFA方案。在七分钟的时间段内在105℃处对探测器周围的3cm直径球体内的细胞进行加热。仿真继续附加的三分钟以达到稳态。进行两个实验：1）仅Pennes模型（没有实质中的对流）；以及2）完整模型。这两个仿真示出由于反应项的大静脉对坏死区域的冷却效应，以及小动脉的热对流，其看起来影响所消融的组织的范围。图5图示了所仿真的坏死区域的示例性可视化。如图5中所示，图像500示出在利用与重叠有基础真实（groundtruth）细胞坏死区域504的完整模型的仿真中计算的所预测的坏死区域502。如在图像500中可以看到的，来自所仿真的坏死区域502的所预测的坏死范围与来自患者的术后MRI的基础真实细胞坏死504定性地一致。图像510和520分别示出针对仅Pennes仿真和完整模型仿真的所预测的坏死区域与基础真实坏死区域之间的点到网格误差图。在图像510和520中可以看到，实质中的热对流的建模提供了坏死区域的更加精确的预测，特别是在位置512和522处。针对仅Pennes模型仿真的平均点到网格误差为2.7±1.9mm，并且针对完整模型的平均点到网格误差为2.6±1.8mm。使用完整模型的仿真预测病变的完整覆盖，如已经观察到的，这对于为了最佳计划的捕获而言是重要的方面。
本发明通过将其在规则长方体域上的行为与对流扩散方程在的情况下在位置和时间处释放的质量M的瞬时点源的3D分析解：进行比较来评估用于仿真肝脏中的射频消融的计算模型。
参数被选择成得到在生理范围中的热扩散：，并且取，产生在时间t=0s在波束的中心处的70℃的高斯形源项，因而最小化边界条件的影响。在LBM解算器中，在每一个点处用时间t=0s处的分析解初始化温度值，并且在域的若干点处观察温度。本文所描述的框架定性地接近分析解。对于给定分辨率（例如0.5mm，1mm，2mm，5mm等），通过所仿真的物理情形和Courant-Friedrichs-Lewy条件来提供针对时间步长的上界和下界。如所预期的，空间分辨率越精确地小，所仿真的解相比于分析解越精确。75ms的时间步长和1mm的分辨率提供在精度和计算成本之间的良好折衷。本发明人在具有NVidiaQuadro60001.7GB的Windows7台式机（IntelXeon，2.80Hz，45GBRAM）上进行了实验。本发明人比较了由利用CPU、并行优化（OpenMP）的单核实现方式与CUDA上的图形处理单元（GPU）中的实现方式执行的仿真。图6图示了使用多线程实现的加速的示例。如图6中所示，随着并行线程的数目增加，可以实现单个线程速度的11倍快的加速。图7图示了针对CPU、多线程和GPU实现方式的计算时间的比较。如图7中所示，使用利用OpenMP的并行优化的多线程是CPU上的单核实现方式的11倍快，并且CUDA上的GPE实现方式是CPU的单核实现方式的45倍快。GPU实现方式实现了具有类似精度的有限元方法（FEM）的60倍快的加速。
用于肝脏肿瘤消融的患者特定仿真的以上描述的方法可以实现在使用公知的计算机处理器、存储器单元、储存设备、计算机软件和其它组件的计算机上。这样的计算机的高级框图图示在图8中。计算机802包含处理器804，其通过执行定义这样的操作的计算机程序指令来控制计算机802的总体操作。计算机程序指令可以存储在储存设备812（例如磁盘）中并且在期望执行计算机程序指令时加载到存储器810中。因此，图1和4的方法的步骤可以由存储在存储器810和/或储存器812中的计算机程序指令定义，并且由执行计算机程序指令的处理器804控制。诸如CT扫描设备、C形臂图像获取设备、MR扫描设备、超声设备等之类的图像获取设备820可以连接到计算机802以将图像数据输入到计算机802。将图像获取设备820和计算机802实现为一个设备是可能的。图像获取设备820与计算机802通过网络进行无线通信也是可能的。计算机802还包括用于经由网络与其它设备通信的一个或多个网络接口806。计算机802还包括使得能够实现与计算机802的用户交互的其它输入/输出设备808（例如显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等）。这样的输入/输出设备808可以结合一组计算机程序使用来作为用于标注从图像获取设备820接收的体积的标注工具。本领域技术人员将认识到，实际计算机的实现方式也可以包含其它组件，并且图8是出于说明性目的的这样的计算机的一些组件的高级表示。
前述具体实施方式要被理解为在每一个方面都是说明性和示例性的，而不是限制性的，并且本文所公开的本发明的范围不根据具体实施方式确定，而是从如根据专利法所准许的完整宽度解释的权利要求确定。要理解的是，本文所示出和描述的实施例仅仅说明本发明的原理，并且可以由本领域技术人员在不脱离于本发明的范围和精神的情况下实现各种修改。本领域技术人员可以在不脱离于本发明的范围和精神的情况下实现各种其它的特征组合。