Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения



Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения
Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения
Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения
Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения
Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения
Моделирование действия оптического волокна при лечении фотодинамической терапией и содействие планированию такого лечения

 


Владельцы патента RU 2632512:

СТЕБА МАОР СА (LU)

Изобретение относится к области медицины, а именно к терапии. Для планирования лечения пациента фотодинамической терапией, проводят измерение объема обрабатываемой зоны посредством объемной реконструкции при помощи цифровой обработки контуров. Определяют число оптических волокон, их положение относительно брахитерапевтической решетки и длину их введения. Для чего вычисляют теоретический объем действия одного оптического волокна, в сочетании с упомянутым фоточувствительным веществом по объему цилиндра. При этом радиус действия оптического волокна определяют посредством корреляции измеренных объемов омертвевших зон в результате множества клинических испытаний, осуществленных на разных пациентах, с теоретическими объемами действия. Формируют информационную базу данных, включающую цифровые изображения обрабатываемой зоны до и после клинического испытания, и параметры оптических волокон, необходимые для планирования лечения, соответствующие условиям клинического испытания. Способ позволяет повысить скорость и эффективность планирования фотодинамической терапии, за счет оптимизации числа оптических волокон, длины их введения и положения относительно брахитерапевтической решетки с помощью компьютерного моделирования. 6 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа моделирования действия оптического волокна, предназначенного для использования при лечении пациента фотодинамической терапией, а также способа содействия планирования такого лечения.

Фотодинамическая терапия или PDT (сокращение от англо-саксонского Photodynamic Therapy) является терапией, при которой вводят фоточувствительное вещество, которое предпочтительно фиксируется в тканях, например, на опухолевых клетках, и затем ткани облучают при помощи источника света с соответствующей длиной волны, который может активировать фоточувствительное вещество, высвобождающее, таким образом, in situ синглетный кислород или свободные радикалы, которые являются исключительно реактивными и окисляют соседние ткани, вызывая гибель раковых клеток за счет апоптоза (запрограммированная клеточная гибель) или за счет ишемии, атакуя кровеносные сосуды, питающие опухолевые клетки (метод Vascular-Targeted Photodynamic Therapy или VTP). Полученные таким образом окисленные радикальные вещества обычно характеризуются слабой диффузией и имеют очень короткую продолжительность жизни, поэтому их токсичный эффект является очень локализованным. Метод PDT позволяет лечить патологии, такие как некоторые виды рака или DMLA (старческая дегенерация желтого пятна).

Недавние исследования показали, что метод PDT является эффективной альтернативой при лечении рака предстательной железы, сочетая фоточувствительное вещество со специфическими лазерами или соответствующими оптическими волокнами.

Так, заявитель исследовал различные фоточувствительные агенты, в частности, WST-09 или Tookad®, или появившийся позже WST-11, описанные в патентных заявках WO 2004045492 и ЕР 1137411 и представляющие особый интерес при лечении рака предстательной железы.

В случае рака предстательной железы, прежде всего, пациенту вводят внутривенно фоточувствительное вещество, чтобы его могли захватить раковые клетки. На этой стадии лекарство остается неактивным, пока его не подвергли воздействию светом с соответствующей длиной волны.

Затем применяют свет при помощи лазера, питающего несколько оптических волокон, позиционируемых с направлением посредством эхографии. Для этого в предстательную железу вводят несколько оптических волокон, выполненных с возможностью питания лазером. Наружная решетка типа решетки, используемой в брахитерапии, позволяет хирургу точно позиционировать различные оптические волокна внутри предстательной железы и относительно друг друга. В частности, такая решетка содержит множество отверстий, расположенных в одной и той же плоскости в соответствии с матрицей с несколькими строками и несколькими столбцами с известным шагом. Например, показанная на фиг.1 брахитерапевтическая решетка 1 содержит матрицу из тринадцати строк и тринадцати столбцов, разнесенных на 0,5 мм со сквозным отверстием, расположенным на каждом пересечении строки и столбца, например, таким как отверстие 2, находящееся на пересечении столбца «F» и строки «5». Каждое оптическое волокно (на фиг.1 не показано) вводят перпендикулярно к наружной решетке через отверстие, пока оно не пройдет в обрабатываемую зону предстательной железы. Эхографическое направление при помощи зонда, связанного с контрольным монитором, позволяет хирургу визуально наблюдать предстательную железу на экране монитора и вводить каждое волокно на заданную длину проникновения.

Для эффективного лечения число используемых волокон, их позиционирование в отдельном отверстии брахитерапевтической решетки и длину введения каждого волокна в обрабатываемую зону необходимо очень точно определять для каждого пациента. В частности, в случае лечения предстательной железы важное значение имеет индивидуальное планирование лечения, так как различные параметры, какими являются число оптических волокон, их расположение и длина их введения, будут четко различаться от одного пациента к другому в зависимости от характеристики предстательной железы (объем, форма и т.д.), от локализации раковых опухолей и от выбора терапевтических методов (фокусная обработка, гемиабляция…).

В настоящее время известен, в частности, из документа “Treatment and planning and dose analysis for interstitial photodynamic therapy of prostate cancer”, Sean R H Davidson et al, Phys. Med. Biol. 54 (2009) 2293-2313, программный продукт для осуществления способа содействия планированию лечения предстательной железы фотодинамической терапией, чтобы пациент гарантированно получал достаточную дозу облучения для целевой зоны или обрабатываемой зоны с одновременным сведением к минимуму дозы облучения, получаемой не целевыми окружающими зонами. В этом документе планирование основано на прогнозировании распределения света в предстательной железе и окружающих зонах и, в частности, на решении уравнения рассеяния света при помощи метода конечных элементов. После моделирования действия оптических волокон, связанных с фоточувствительным веществом, планирование состоит в определении конфигурации (в частности, числа волокон и расположения волокон относительно брахитерапевтической решетки), при которой моделированное распределение света наиболее подходит для лечения пациента.

Основным недостатком этого метода планирования является сложность математических расчетов, применяемых при моделировании. По этой причине общее время для получения результатов планирования в зависимости от параметров конфигурации может превышать несколько часов. Корректировки, производимые врачами (радиологами или хирургами), необходимо осуществлять итеративно и вручную до получения распределения света, совместимого с искомым.

Этот метод встречает явные трудности при применении: введение зонда и затем оптических волокон внутрь предстательной железы существенно изменяют форму и объем предстательной железы и влияют на когерентность плоскости, поскольку модель ставит на первое место относительное положение оптических волокон напротив мишени (обрабатываемой зоны).

Учитывая время, необходимое для вычисления, коррекция параметров, действительно измеряемых в ходе лечения (при помощи эхографического зонда), оказывается неосуществимой.

Таким образом, в настоящее время не существует известного метода моделирования действия оптических волокон, ни содействия планированию лечения PDT, который является достаточно простым, чтобы выдавать почти автоматически для каждого пациента оптимизированную конфигурацию параметров, применяемых во время лечения PDT, и который требует лишь самого незначительного вмешательства врача.

Настоящее изобретение призвано устранить недостатки известных методов и предложить, с одной стороны, инструмент моделирования, осуществляемый компьютером, основанный на простых вычислениях, и, с другой стороны, инструмент планирования, также осуществляемый компьютером, который является простым в использовании для врача и позволяет очень быстро, как правило, в течение нескольких минут получить планирование, адаптированное для каждого пациента, позволяющее врачу оптимизировать число применяемых волокон, а также их длину и их положение (относительно наружной решетки, типа применяемой в брахитерапии).

В связи с этим объектом настоящего изобретения является осуществляемый компьютером способ моделирования действия оптического волокна, предназначенного для использования при лечении пациента фотодинамической терапией для облучения, на заданной длине волны, обрабатываемой зоны по длине введения оптического волокна внутрь упомянутой обрабатываемой зоны, чтобы активировать заданное фоточувствительное вещество, предварительно введенное упомянутому пациенту и присутствующее в упомянутой обрабатываемой зоне, отличающийся тем, что он состоит в том, что моделируют теоретический элементарный объем действия оптического волокна по объему цилиндра с радиусом действия R и длиной L, соответствующими упомянутой длине введения, и определяют упомянутый радиус действия R посредством корреляции измеренных объемов действительно омертвевших зон в результате множества клинических испытаний, осуществленных на разных пациентах с использованием упомянутого фоточувствительного вещества, связанного, по меньшей мере, с одним оптическим волокном, при этом каждое клиническое испытание связывают с совокупностью параметров, соответствующей реальным условиям клинического испытания и включающей в себя число используемых оптических волокон, их положение относительно брахитерапевтической решетки и длину введения каждого из волокон в обрабатываемую зону, с теоретическими объемами действия, вычисляемыми на основании этой же совокупности параметров и теоретического элементарного объема действия.

Предпочтительно способ моделирования содержит следующие этапы:

- формирование информационной базы данных на основании упомянутых клинических испытаний посредством записи для каждого пациента, в упомянутой базе данных, первого цифрового файла, соответствующего последовательности цифровых изображений обрабатываемой зоны перед клиническим испытанием, второго цифрового файла, соответствующего последовательности цифровых изображений обрабатываемой зоны после клинического испытания, и упомянутой совокупности параметров, соответствующей реальным условиям клинического испытания;

- измерение, для каждого пациента из базы данных, объема зоны, действительно омертвевшей во время клинического испытания, на основании упомянутых первого и второго цифровых файлов;

- вычисление, для каждого пациента из базы данных, общего теоретического объема действия в зависимости от параметров упомянутой совокупности и от теоретического элементарного объема действия волокна;

- определение упомянутого радиуса R действия оптического волокна посредством корреляции общего теоретического объема действия, вычисленного для каждого пациента в базе данных, с измеренным объемом действительно омертвевшей зоны.

Предпочтительно последовательности цифровых изображений первого и второго цифровых файлов соответствуют поперечным изображениям зоны соответственно до и после обработки.

Цифровые изображения являются, например, магнитно-резонансными изображениями или ультразвуковыми изображениями.

В предпочтительном варианте осуществления этап измерения объема действительно омертвевшей зоны содержит следующие этапы:

- загрузка и отображение последовательности изображений второго информационного файла на графическом интерфейсе пользователя, отображаемом на экране компьютера;

- оконтуривание действительно омертвевшей зоны посредством прямого ввода на каждое изображение последовательности, отображаемой на экране компьютера;

- измерение объема действительно омертвевшей зоны посредством объемной реконструкции при помощи цифровой обработки введенных контуров.

Объектом настоящего изобретения является также способ содействия планированию лечения пациента фотодинамической терапией, использующий те же принципы моделирования, что и вышеуказанный способ моделирования. В частности, осуществляемый компьютером способ содействия планированию лечения пациента фотодинамической терапией, во время которого пациенту вводят заданное фоточувствительное вещество, которое затем подвергают облучению на заданной длине волны посредством определенного числа оптических волокон, выполненных с возможностью введения на длину введения в обрабатываемую зону в определенном положении относительно брахитерапевтической решетки, отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- загрузка и отображение цифрового файла, соответствующего последовательности изображений обрабатываемой зоны на графическом интерфейсе пользователя, отображаемом на экране компьютера;

- оконтуривание обрабатываемой зоны посредством прямого ввода на каждое изображение последовательности, отображаемой на экране компьютера;

- измерение объема обрабатываемой зоны посредством объемной реконструкции при помощи цифровой обработки введенных контуров;

- отображение и позиционирование плоского представления брахитерапевтической решетки наложением на каждое изображение последовательности и соответствующие введенные контуры;

- определение посредством вычисления числа предназначенных для использования оптических волокон, их положения относительно брахитерапевтической решетки и длины их введения, которые оптимизируют соответствие вычисленного теоретического общего объема действия с измеренным объемом обрабатываемой зоны, при этом упомянутый теоретический общий объем действия вычисляют в зависимости от положения каждого волокна и от теоретического элементарного объема действия, соответствующего объему цилиндра с заданным радиусом R действия и высотой, соответствующей длине введения волокна.

Предпочтительно радиус R действия определяют заранее согласно способу моделирования.

В варианте радиус R действия выбирают из совокупности возможных значений.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа содействия в соответствии с изобретением, на этапе определения вычислением используют алгоритм оптимизации типа понижения градиента, например, алгоритм Пауэлла.

Объектом изобретения является также компьютерный программный продукт, который при применении в компьютере реализует способ моделирования в соответствии с изобретением.

Наконец, объектом изобретения является также компьютерный программный продукт, который при применении в компьютере реализует способ содействия планированию в соответствии с изобретением. Оба компьютерных программных продукта могут быть независимыми или могут быть объединены в один компьютерный программный продукт.

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг.1 (уже описана выше) представляет пример наружной брахитерапевтической решетки, служащей для позиционирования множества оптических волокон с целью лечения методом PDT;

Фиг.2 иллюстрирует, в виде упрощенной блок-схемы, различные этапы способа моделирования в соответствии с изобретением;

Фиг.3 иллюстрирует эмиссионные профили отдельного оптического волокна, под разным углами наблюдения, на длине волны 763 нм;

Фиг.4 схематично представляет пример поперечного сечения предстательной железы перед лечением и позиционирования оптических волокон, которые действительно были использованы для лечения PDT во время клинического испытания;

Фиг.5 представляет пример магнитно-резонансного изображения предстательной железы в поперечном сечении, полученного через семь дней после лечения PDT во время клинического испытания;

Фиг.6 схематично иллюстрирует принцип моделирования действия совокупности оптических волокон в зависимости от их относительных положений на брахитерапевтической решетке;

Фиг.7 иллюстрирует результаты различных корреляций, осуществленных для подтверждения моделирования;

Фиг.8 схематично иллюстрирует два оптических волокна, позиционированных таким образом, чтобы получить зону перекрывания;

Фиг.9 представляет в виде упрощенной блок-схемы, различные этапы способа содействия планированию в соответствии с изобретением;

Фиг.10 - компьютерная экранная копия, представляющая графический интерфейс пользователя после первого этапа способа содействия планированию в соответствии с изобретением;

Фиг.11, 12а и 12b - экранные копии, представляющие примеры отображения в зоне визуализации графического интерфейса пользователя на различных этапах способа содействия планированию в соответствии с изобретением.

Со ссылками на фиг.2 сначала будут рассмотрены различные этапы заявленного способа моделирования действия оптического волокна, предназначенного для использования при лечении рака у пациента посредством фотодинамической терапии. Следует напомнить, что способ предназначен для осуществления при помощи программного продукта, выполненного с возможностью установки на компьютере. Таким образом, программный продукт содержит несколько программных процедур, некоторые из которых касаются этапов вычисления или оценки, участвующих в моделировании, другие более специфически связаны с управлением графического интерфейса пользователя, выполненного с возможностью отображения на экране компьютера, и с обработкой данных, которые пользователь может вводить через этот интерфейс пользователя.

В ходе своего исследования заявитель подтвердил свой способ моделирования при использовании специального оптического волокна при длине волны 763 нм в сочетании с фоточувствительным агентом WST11 для лечения предстательной железы. Понятно, что принципы моделирования, а также принципы содействия планированию, которые вытекают из этого моделирования, можно применять для других сочетаний оптических волокон и фоточувствительных агентов и использовать при лечении других органов.

Способ моделирования в соответствии с изобретением главным образом основан на том, что теоретический элементарный объем действия оптического волокна, рассматриваемого в связи с фоточувствительным агентом, можно моделировать по объему цилиндра с радиусом R, соответствующим радиусу действия волокна, и длиной L, соответствующей длине, на которой волокно испускает свет. Это моделирование опирается на изучение эмиссионных профилей волокна под разными углами наблюдения, показанных на фиг.3. Действительно, сравнив различные кривые, соответствующие разным углам наблюдения, можно отметить, что максимальной интенсивности достигают при угле наблюдения 90° относительно продольной оси волокна. Следовательно, заявитель поставил перед собой задачу найти средство, позволяющее определить значение радиуса R действия волокна на основании результатов предыдущих клинических испытаний.

Исследования заявителя показали, что можно установить аффинную связь, с коэффициентом корреляции, превышающим 0,8, между:

- с одной стороны, объемами зон, действительно омертвевших во время клинических испытаний, проводимых на разных пациентах с использованием одинакового фоточувствительного вещества, связанного, по меньшей мере, с одним оптическим волокном, при этом каждое клиническое испытание связано с совокупностью параметров, соответствующей реальным условиям клинического испытания и включающей в себя, по меньшей мере, число используемых оптических волокон, их положение относительно брахитерапевтической решетки и длину введения каждого из волокон в обрабатываемую зону, и

- с другой стороны, теоретическими объемами действия, вычисляемыми на основании этой же совокупности параметров и теоретического элементарного объема действия волокна.

Поскольку теоретические объемы действия зависят от теоретического элементарного объема действия одного волокна, который, в свою очередь, зависит, в частности, от радиуса действия, то можно очень просто определить этот радиус действия.

Как показано на фиг.2, способ 100 моделирования содержит предварительный этап 110 формирования базы данных на основании результатов клинических испытаний, проведенных ранее на множестве клиентов с использованием одинакового фоточувствительного вещества при одинаковой дозировке, например, 4 мг/кг вещества WST11, связанного, по меньшей мере, с одним оптическим волокном, действие которого необходимо моделировать. Это формирование состоит в сохранении в базе данных одной записи на каждого пациента, содержащей, по меньшей мере, следующие элементы:

- первый цифровой файл, соответствующий последовательности магнитно-резонансных изображений обрабатываемой зоны перед клиническим испытанием, предпочтительно последовательности поперечных изображений;

- второй цифровой файл, соответствующий последовательности магнитно-резонансных изображений зоны после клинического испытания, предпочтительно через несколько дней после лечения зоны методом PDT;

- совокупность параметров, соответствующая реальным условиям проведения клинического испытания, то есть, по меньшей мере, число используемых оптических волокон, их положение относительно брахитерапевтической решетки и длина введения каждого из волокон в обрабатываемую зону.

Например, на фиг.4 схематично показано поперечное сечение предстательной железы с контуром 3 до обработки, оптические волокна 4, которые были действительно использованы для лечения PDT во время рассматриваемого клинического испытания, а именно двенадцать идентичных оптических волокон, а также их расположение. Центральная точка 5 схематично показывает положение уретры. Рядом с каждой точкой, изображающей оптическое волокно, проставлена цифра, показывающая длину введения каждого волокна в предстательную железу. На фиг.5 показано изображение такого же поперечного сечения предстательной железы, полученное методом магнитного резонанса через семь дней после лечения PDT.

После создания базы данных осуществляют этап 120, чтобы посредством измерения для каждого пациента из базы данных, то есть для каждой записи базы данных определить объем зоны, действительно омертвевшей во время клинического испытания, на основании упомянутых первого и второго цифровых файлов.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, этот этап 120 содержит первый этап 121, во время которого сначала загружают последовательность изображений второго цифрового файла, затем ее отображают изображение за изображением на графическом интерфейсе (не показан) пользователя, визуализируемом на экране компьютера. Во время этапа 122 пользователь, то есть в данном случае радиолог или хирург может произвести оконтуривание действительно омертвевшей зоны непосредственно на каждом изображении из последовательности, отображаемой на экране компьютера, предпочтительно при помощи мыши, соединенной с компьютером. Контур, введенный врачом, отображается непосредственно наложением на каждое из изображений, что позволяет ему вносить любые изменения контура, которые он сочтет необходимыми, прежде чем перейти к следующему этапу. На этапе 123 можно произвести вычисление объема действительно омертвевшей зоны посредством объемной реконструкции при помощи классической цифровой обработки введенных контуров.

Этапы 121-123 повторяют для каждой записи из базы данных. Таким образом, после этапа 120 получают все объемы действительно омертвевших зон по всем клиническим испытаниям, сохраненным в базе данных.

Следующий этап 130 заявленного способа, который можно осуществлять как до, так и после и даже одновременно с этапом 120, состоит в том, что для каждого пациента из базы данных вычисляют общий теоретический объем действия в зависимости от общего числа волокон, от положения каждого волокна, от длины введения каждого волокна и от теоретического элементарного объема действия оптического волокна, получаемого при помощи следующего отношения:

V = πR2L.

Этот объем тоже вычисляют при помощи классических методов объемной реконструкции, но в данном случае с учетом общего контура всех оптических волокон в каждой поперечной плоскости, при этом каждое оптическое волокно приравнивают к цилиндру. В качестве примера на фиг.6 представлено сравнение между поперечным магнитно-резонансным изображением предстательной железы, полученным из второго цифрового файла, на котором посредством наложения показано положение оптических волокон 4, действительно использованных во время соответствующего клинического испытания, относительно брахитерапевтической решетки 1 (левая часть фиг.6), и общим контуром, в этой же плоскости, когда объем действия каждого волокна, показанного в виде белого прямоугольника, моделирован при помощи цилиндра (правая часть фиг.6).

После этапов 120 и 130 остается только осуществить этап, обозначенный 140 на фиг.2, чтобы определить радиус R действия оптического волокна посредством корреляции, для каждого пациента в базе данных, вычисленного общего теоретического объема действия с измеренным объемом действительно омертвевшей зоны.

Описанный способ 100 моделирования подтвержден базой данных, сформированной на основании результатов 28 клинических испытаний с дозировкой 4 мг на килограмм веса для рассматриваемых пациентов, каждый раз используя число волокон с длинами введения от 15 до 40 мм и с шагом 5 мм.

Кривая, показанная на правой части фиг.7, иллюстрирует очень хорошую полученную корреляцию (коэффициент корреляции равен 0,87) между теоретическими объемами и объемами зон, действительно омертвевших после клинических испытаний. Выявляя значение R, при котором теоретический объем ближе всего к объему действительно омертвевшей зоны за 28 клинических испытаний, был найден средний радиус 7,49 мм с точностью до 1,08 мм.

График на левой части фиг.7 показывает результаты корреляции действительно омертвевшего объема с суммой элементарных объемов волокон. При этом отмечается, что намного лучшую корреляцию получают, рассматривая реальный объем, образованный всеми волокнами в зависимости от их положения, а не сумму элементарных объемов волокон, так как это позволяет учитывать тот факт, что, если два волокна А и В расположить таким образом, чтобы получит зону перекрывания С, как показано, например, на фиг.8, реальный объем не будет соответствовать сумме элементарных объемов двух отдельных волокон, а только сумме этих элементарных объемов минус общий объем. Иначе говоря, при моделировании действие одного волокна не следует рассматривать в части объема, уже перекрытой действием другого волокна, так как клетки, находящиеся в зоне перекрывания, могут омертветь только один раз.

Теперь результаты описанного выше моделирования можно использовать для планирования любого будущего лечения посредством PDT путем применения способа 200 содействия планированию в соответствии с изобретением, описание которого следует ниже со ссылками на фиг.9. Этот способ содействия тоже осуществляют при помощи программного продукта, выполненного с возможностью установки на компьютере, и некоторые этапы способа требуют вмешательства пользователя, как правило, врача через графический интерфейс, выполненный с возможностью отображения на экране компьютера и управляемый программным продуктом. Целью этого планирования является быстрое предоставление в распоряжение врача совокупности параметров, оптимизированных с точки зрения числа используемых волокон, их положения относительно брахитерапевтической решетки и длины введения в обрабатываемую зону, по отношению к любому пациенту, который должен пройти лечение фотодинамической терапией.

Для осуществления различных этапов 210-240, которые подробно будут описаны ниже, предварительно следует произвести калибровку программного продукта, чтобы зафиксировать значение радиуса R действия оптического волокна. Это можно осуществить посредством сохранения в памяти определенного ранее значения R или путем предоставления пользователю возможности выбрать значение R среди совокупности возможных значений, например, из совокупности значений {5,5 мм; 5,6 мм; 6,5 мм; 7,5 мм; 8,5 мм}. Однако, как показано на фиг.9, это значение R предпочтительно определяют в рамках этого же программного продукта, применяя этапы описанного выше способа 100 моделирования. Таким образом, можно в любой момент переустановить значение радиуса действия с учетом любого нового клинического испытания.

На первом этапе 210 способа содействия производят загрузку и отображение цифрового файла, соответствующего последовательности цифровых изображений, полученных либо при помощи магнитного резонанса, либо при помощи ультразвука, предпочтительно плоских поперечных изображений обрабатываемой зоны, на графическом интерфейсе пользователя, отображаемом на экране компьютера. Цифровой файл реализован, например, в формате DICOM. На фиг.10 в качестве примера показана компьютерная экранная копия, представляющая графический интерфейс 6 пользователя, содержащий зону, в которую загружено для отображения поперечное изображение 7 предстательной железы пациента. Как можно увидеть на этой экранной копии, графический интерфейс 6 содержит также информационную зону 8 с несколькими полями, в которые пользователь может указывать посредством непосредственного ввода данных при помощи соединенной с компьютером клавиатуры, и различные командные кнопки, позволяющие пользователю инициировать различные действия. В частности, после этапа 210 пользователь может переходить между различными сечениями цифрового файла изображений при помощи навигационных кнопок зоны 9 интерфейса, производить увеличение и соответственно уменьшение на каждом отображаемом изображении при помощи двух кнопок зоны 10 интерфейса. Другие кнопки позволяют перемещать отображаемое изображение или менять контраст. Различные данные о пациенте можно вводить непосредственно в зону 8 интерфейса, например, название исследовательского центра, идентификатор и фамилию пациента, дату его рождения, дозу и энергию облучения, а также любой соответствующий комментарий. После завершения планирования все эти данные сохраняются, например, в файле формата PDF.

После этапа 210 врач может осуществлять непосредственно на графическом интерфейсе 6 этап 220 оконтуривания обрабатываемой зоны. Это оконтуривание производят посредством прямого ввода на каждое изображение 7 последовательности, отображаемой на графическом интерфейсе 6, предпочтительно при помощи мыши, соединенной с компьютером. Введенный врачом контур отображается непосредственно наложением на каждое из изображений, что позволяет ему вносить любые изменения контура, которые он сочтет нужными, прежде чем перейти к следующему этапу. На фиг.11 в качестве примере показана компьютерная экранная копия, представляющая зону графического интерфейса пользователя, в которой можно визуализировать контур 11, введенный пользователем, в виде наложения на плоское поперечное изображение 7.

На этой стадии следует отметить, что во время лечения рака предстательной железы методом PDT можно обрабатывать разные зоны железы. Согласно различным процедурам, реализуемым в условиях клиники, способ содействия, осуществляемый компьютером, предпочтительно позволяет пользователю определить процедуру, наиболее подходящую для данного пациента. Так, он предоставляет четыре возможности:

- обработка всей железы полностью;

- обработка правой доли (правая гемиабляция);

- обработка левой доли (левая гемиабляция);

- фокусная обработка.

Перед этапом 220 оконтуривания предпочтительно пользователь может выбрать соответствующий тип обработки, например, при помощи зоны 12 выбора через прокручиваемое меню графического интерфейса пользователя (см. фиг.10).

В зависимости от выбранного типа обработки пользователь может нанести, кроме контура предстательной железы, другие контуры, более точно определяющие обрабатываемую зону.

Таким образом, после этапа 220 оконтуривания получают последовательность поперечных магнитно-резонансных изображений и контуров обрабатываемой зоны, появляющихся наложением в зоне отображения графического интерфейса пользователя. На этой стадии используют те же кнопки навигации 9, увеличения 10, изменения контраста или перемещения, что и в предыдущем случае. Предпочтительно контуры можно сохранять для их последующей загрузки и отображения в любой момент.

На следующем этапе 230 заявленного способа содействия планированию производят измерение объема обрабатываемой зоны посредством объемной реконструкции при помощи классической цифровой обработки контуров, введенных на этапе 220. Предпочтительно этот этап начинается путем нажатия пользователем на специальную командную кнопку, такую как командная кнопка 13, показанная на фиг.10, в случае, когда обрабатываемая зона соответствует всей предстательной железе. Измеряемый таким образом объем предпочтительно отображается на графическом интерфейсе в см3. Если измеряемый объем является объемом предстательной железы, можно также предусмотреть вычисление и отображение максимальных размеров в миллиметрах предстательной железы в трех плоскостях пространства (поперечной, сагиттальной и корональной).

Следующий этап 240 заявленного способа содействия планированию состоит в отображении на экране и позиционировании плоского представления брахитерапевтической решетки наложением на каждое изображение последовательности и соответствующие введенные контуры. Для этого пользователь должен выбрать изображение из предварительно загруженной последовательности поперечных изображений, предпочтительно соответствующее центральному сечению из последовательности. Это выбранное изображение отображают в соответствующую зону отображения графического интерфейса с наложением контура или контуров, предварительно введенных на этапе 220. На этой стадии предпочтительно пользователь может определить первый предел безопасности, соответствующий необходимому минимальному расстоянию между выбираемыми положениями волокон и оболочкой предстательной железы. Это расстояние по умолчанию устанавливают на заранее определенное фиксированное значение, например, равное 6мм, но его можно изменять при помощи графического интерфейса на уровне зоны 14 ввода (см. фиг.10). Предпочтительно пользователь запускает этап 240 посредством нажатия на специальную командную кнопку графического интерфейса пользователя, находящуюся в зоне 14 ввода.

На фиг.12а и 12b в качестве примера показаны две экранные копии, полученные во время осуществления этапа 240. Точнее, на фиг.12а показана зона графического интерфейса пользователя, в которой одновременно появляются выбранное плоское поперечное изображение 7, соответствующий контур 11, предварительно введенный пользователем (этап 220), и квадрат 15, сторона которого соответствует первому пределу безопасности и центр которого соответствует специфическому положению на брахитерапевтической решетке, как правило, положению D1, соответствующему пересечению между центральным столбцом D решетки, показанной на фиг.1, и нижней строкой 1 этой решетки. Предпочтительно пользователь может перемещать этот квадрат при помощи графического интерфейса, щелкая на его центральную точку.

На фиг.12b показана зона 6 графического интерфейса пользователя, в которой появляется графическое плоское представление 16 брахитерапевтической решетки наложением на выбранное плоское поперечное изображение с предварительно введенным контуром 11 (этап 220). Плоское отображение 16 появляется в виде множества значков, в данном случае кружков, расположенных в виде матрицы согласно брахитерапевтической решетке, показанной на фиг.1. Предпочтительно на этой стадии можно использовать цвета для визуальной индикации пользователю положений волокон, которые могут быть выбраны для обработки. Например, кружок белого цвета показывает, что положение не является избираемым, так как находится за пределами контура предстательной железы, красный кружок соответствует положению внутри контура предстательной железы, но тоже не избираемому, так как оно либо не находится в предназначенной для обработки зоне, либо находится слишком близко от зоны риска, например, от оболочки или от уретры, в зависимости от предварительно определенного предела безопасности. Зеленый кружок может указывать, что конкретное положение является избираемым, что дает указание на максимальное число оптических волокон, которое может быть выбрано.

Следующий этап 250 (фиг.9) является стержневым в рамках способа содействия планированию в соответствии с изобретением. Он касается автоматического определения посредством вычисления оптимальных параметров с точки зрения числа используемых оптических волокон, их положения относительно брахитерапевтической решетки и длины их введения, которые позволяет добиться наилучшего соответствия между вычисленным теоретическим общим объемом действия и измеренным на этапе 230 объемом обрабатываемой зоны.

Вычисление теоретического объема действия основано на тех же принципах моделирования, которые были описаны для способа 100 моделирования, представленного на фиг.2. Таким образом, этот теоретический общий объем вычисляют в зависимости от положения каждого волокна и от теоретического элементарного объема волокна, причем этот последний элементарный объем соответствует объему цилиндра с заданным радиусом R действия и высотой, соответствующей длине введения волокна.

Для обеспечения оптимизации предпочтительно на этапе 250 применяют алгоритм оптимизации типа понижения градиента, такой как алгоритм Пауэлла. Этот алгоритм реализует одномерную минимизацию в сопряженных направлениях. Два вектора (или направления) s1 и s2, относящихся к R?s, являются сопряженными относительно определенной положительной и симметричной матрицы А, если . Таким образом, этот алгоритм требует определения минимизированной объективной функции f. В данном случае функцию f определяют таким образом, чтобы алгоритм позиционировал волокна наилучшим образом, то есть с оптимальным перекрыванием целевой зоны, но с учетом того, что за пределами предстательной железы (за пределами мишени) не должна образоваться омертвелая область. Используемую функцию математически можно выразить следующим образом:

,

где N является общим числом волокон, i является индексом, указывающим на конкретное волокно, v является вокселем, Т - целевой областью, и Н - остальной областью за пределами мишени, а w1 и w2 являются фиксированными положительными весовыми коэффициентами.

Иначе говоря, в данном случае алгоритм Пауэлла применяют для нахождения наилучших значений параметров (числа N, положения каждого волокна i, длины введения), которые позволят свести к минимуму разность между теоретическим объемом, вычисленным для разных значений параметров, и измеренным объемом обрабатываемой зоны. На практике алгоритм начинается с установки первого возможного значения N, рассчитанного путем деления объема цели, измеренного на этапе 230, на теоретический элементарный объем действия волокна, который равен πR2L, где R является заранее определенным радиусом действия волокна.

Затем алгоритм продолжается итеративным поиском среди всех возможных положений и длин введения волокон тех, которые позволяют алгоритму придти к минимальному значению функции f. Учитывая выбранное моделирование и простоту вычислений, применяемых алгоритмом, результат может быть получен очень быстро, всего за несколько минут. Вычисления происходят тем более быстро, поскольку алгоритм рассматривает только действительно избираемые положения (зеленые кружки на плоском представлении решетки, отображаемом на этап 240).

Предпочтительно этап оптимизации 250 инициирует пользователь путем нажатия на специальную командную кнопку 17 графического интерфейса 6 пользователя, расположенную в зоне 18 ввода (см. фиг.10).

Следует отметить, что пользователь может воспользоваться исключительной гибкостью способа еще до начала оптимизации 250 и выбрать некоторые из параметров, например, число используемых волокон, если только это число волокон не является несовместимым с максимальным числом волокон, которые являются избираемыми в обрабатываемой зоне. В этом случае пользователь устанавливает число волокон напрямую, предпочтительно на уровне зоны 18 ввода графического интерфейса. Пользователь может также сам определить, кроме вышеупомянутого первого предела безопасности, два дополнительных предела безопасности: первый предел, который соответствует минимальному расстоянию между концом волокон и оболочкой предстательной железы на уровне основания (зафиксирован по умолчанию в значении 5 мм), и второй предел безопасности, который соответствует минимальному расстоянию между концом волокон и оболочкой предстательной железы на уровне верхушки (зафиксирован по умолчанию в значении 3 мм). Предпочтительно пользователь может изменять эти различные пределы безопасности посредством непосредственного ввода на уровне специально выделенных полей в зоне 18 ввода графического интерфейса. Наконец, как уже было указано выше, пользователь может выбрать значение R радиуса действия среди совокупности значений {5,5 мм; 5,6 мм; 6,5 мм; 7,5 мм, 8,5 мм}.

Во всех случаях в конце этапа 250 оптимизации получают результат, дающий как минимум число (выбранное пользователем или оптимизированное автоматически), положение и длину каждого волокна, причем оптимизация значений всех этих параметров касается конкретного пациента. Предпочтительно этот результат выводится на графическом интерфейсе пользователя, например, в специальной зоне 19 отображения (фиг.10) вблизи зоны 18 ввода.

Кроме этих данных может предусмотреть также отображение на экране следующих дополнительных данных:

- степени перекрывания моделируемого некроза по отношению в целевому объему,

- индекса, соответствующего сумме длин волокон на целевом объеме,

- суммы длин волокон,

- графического представления моделированного объема действия на магнитно-резонансных изображениях в трех направлениях падения (осевое - корональное и сагиттальное).

Разумеется, результат тоже сохраняется, например, в виде файла в формате PDF, чтобы пользователь мог в любой момент к нему обратиться посредством отображения на экране компьютера или распечатки на бумаге отчета о планировании, содержащего резюме, в частности:

- любую информацию о пациенте, предварительно введенную на графическом интерфейсе;

- различные измеренные объемы;

- выбранный тип обработки;

- пределы безопасности, учитываемые при оптимизации;

- используемый радиус действия волокон;

- выбранное или оптимизированное число волокон;

- положение и длину волокон;

- расстояния между каждым волокном;

- полученные индекс, сумму длин и степень перекрывания;

- магнитно-резонансные изображения различных сечений, использованные при планировании.

Полученное планирование можно уточнить, корректируя вручную число волокон. При каждом добавлении или исключении волокна степень перекрывания, индекс и сумму длин волокон вычисляют заново и отображают на интерфейсе. Кроме того, можно легко запустить новое планирование для того же пациента, изменив один или несколько следующих параметров:

- положение брахитерапевтической решетки,

- число волокон,

- пределы безопасности,

- радиус действия волокон.

1. Способ планирования лечения пациента фотодинамической терапией, при котором пациенту вводят заданное фоточувствительное вещество, а затем подвергают облучению на заданной длине волны посредством определенного числа оптических волокон, выполненных с возможностью введения на заданную длину введения в обрабатываемую зону в заданном положении относительно брахитерапевтической решетки, при этом упомянутые оптические волокна испускают свет с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном продольной оси оптических волокон, отличающийся тем, что он содержит:

• фазу моделирования теоретического элементарного объема действия одного оптического волокна в сочетании с упомянутым фоточувствительным веществом по объему цилиндра с радиусом действия R и длиной L, соответствующей упомянутой длине введения, причем на этой фазе моделирования упомянутый радиус действия R определяют посредством выполнения следующих этапов:

- формирование информационной базы данных на основании множества клинических испытаний, осуществленных на разных пациентах с использованием упомянутого фоточувствительного вещества в сочетании с по меньшей мере одним оптическим волокном, при этом каждое клиническое испытание связывают с совокупностью параметров, соответствующей реальным условиям клинического испытания и включающей в себя, по меньшей мере, число используемых оптических волокон, их положение относительно брахитерапевтической решетки и длину введения каждого волокна в обрабатываемую зону, сохраняя для каждого пациента в упомянутой базе данных первый цифровой файл, соответствующий последовательности цифровых изображений обрабатываемой зоны перед клиническим испытанием, второй цифровой файл, соответствующий последовательности цифровых изображений обрабатываемой зоны после клинического испытания, и упомянутую совокупность параметров, соответствующую реальным условиям клинического испытания;

- измерение, для каждого пациента в упомянутой базе данных, объема омертвевшей во время клинического испытания зоны по упомянутым первому и второму цифровым файлам;

- вычисление, для каждого пациента в упомянутой базе данных, общего теоретического объема действия на основании упомянутой совокупности параметров и теоретического элементарного объема действия каждого волокна в сочетании с упомянутым фоточувствительным веществом, при этом общий теоретический объем действия соответствует наложению на упомянутых изображениях каждого элементарного объема действия каждого волокна, используемого в соответствующем клиническом испытании в сочетании с упомянутым фоточувствительным веществом, и при этом каждый элементарный объем действия вычисляют как объем цилиндра с упомянутым радиусом действия R и длиной, соответствующей длине введения соответствующего волокна;

- определение упомянутого радиуса действия R посредством корреляции общего теоретического объема действия, вычисленного для каждого пациента в базе данных, с измеренным объемом омертвевшей зоны; и

• фазу планирования лечения пациента, причем упомянутая фаза планирования включает в себя следующие этапы:

- загрузка и отображение цифрового файла, соответствующего последовательности цифровых изображений обрабатываемой зоны на графическом интерфейсе пользователя, отображаемой на экране компьютера;

- оконтуривание обрабатываемой зоны посредством прямого ввода на каждое изображение упомянутой последовательности цифровых изображений, отображаемой на экране компьютера;

- измерение объема обрабатываемой зоны посредством объемной реконструкции при помощи цифровой обработки введенных на каждое изображение контуров обрабатываемой зоны;

- отображение и позиционирование плоского представления брахитерапевтической решетки, наложенной на каждое изображение упомянутой последовательности цифровых изображений и упомянутые введенные контуры;

- определение вычислением числа использованных оптических волокон, их положения относительно брахитерапевтической решетки и их длины введения, которые оптимизируют соответствие вычисленного общего теоретического объема действия с измеренным объемом обрабатываемой зоны, при этом упомянутый общий теоретический объем действия вычисляют на основании положения каждого волокна относительно брахитерапевтической решетки и теоретического элементарного объема действия каждого волокна в сочетании с упомянутым фоточувствительным веществом, при этом общий теоретический объем действия соответствует наложению на упомянутые изображения каждого элементарного объема действия каждого волокна в сочетании с упомянутым фоточувствительным веществом, и при этом каждый элементарный объем действия вычисляют как объем цилиндра с упомянутым радиусом действия R и длиной, соответствующей длине введения соответствующего волокна.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая последовательность цифровых изображений обрабатываемой зоны соответствует поперечным изображениям обрабатываемой зоны.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутые цифровые изображения являются магнитно-резонансными или ультразвуковыми изображениями.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе определения вычислением используют алгоритм оптимизации типа градиентного спуска.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе определения вычислением используют алгоритм Пауэлла.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время фазы моделирования последовательности цифровых изображений упомянутых первого и второго цифровых файлов соответствуют поперечным изображениям обрабатываемой зоны до и после обработки соответственно.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время фазы моделирования этап измерения объема омертвевшей зоны включает в себя следующие этапы:

- загрузка и отображение последовательности изображений второго информационного файла на графическом интерфейсе пользователя, отображаемой на экране компьютера;

- оконтуривание омертвевшей зоны посредством прямого ввода на каждое изображение упомянутой последовательности, отображенной на экране компьютера;

- измерение объема омертвевшей зоны посредством объемной реконструкции при помощи цифровой обработки введенных на каждое изображение контуров.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к медицинской технике. Элементы устройства для фототерапии могут быть присоединены к источнику света для доставки света в труднодоступные места или внутренние участки, которые включают элемент в виде гибкой головки из оптоволокна с сердечником для передачи света и эластичную трубчатую соединительную муфту, чтобы механически присоединять элемент в виде гибкой головки к источнику света.

Изобретение относится к животноводству и может быть использовано для лечения пироплазмоза крупного рогатого скота. На фоне противопаразитарной терапии осуществляют двукратное облучение с интервалом 24 часа биологически активных точек под номерами 8, 9, 13, 17 и 22 по атласу Казеева Г.В.
Изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии, и может быть использовано для медикаментозной поддержки пациентов при выполнении стоматологических костно-пластических операций.
Изобретение относится к медицине, а именно к гинекологии, и может быть использовано для лечения крауроза и лейкоплакии вульвы у женщин. Используют ER:YAG лазер с прямоугольным импульсом изменяемой геометрии.

Изобретение относится к области медицины, а именно к онкологии, и может быть использовано в интраоперационной диагностике и лечении злокачественных новообразований органов брюшной полости.

Изобретение относится к медицине, а именно к микробиологии, и может быть использовано для подавления роста полирезистентных штаммов Mycobacterium tuberculosis в эксперименте. Для этого осуществляют фотодинамическое воздействие.

Изобретение относится к медицине, а именно к пластической хирургии. Выполняют пластику молочной железы (МЖ) с высоким птозом или растянутым «кожным чехлом».

Изобретение относится к дерматологии и косметологии и предназначено для стимуляции регенеративных процессов в коже лица и/или шеи. Оптическая система формирует излучение от двух инфракрасных лазеров и одного красного лазера через щелевую диафрагму.
Изобретение относится к медицине, а именно к дерматологии, и может быть использовано для лечения очаговой склеродермии. Для этого на очаги поражения воздействуют низкоэнергетическим лазерным излучением инфракрасного диапазона частотой следования импульсов - 1500 Гц, длительностью импульса 110-160 нс, импульсной мощностью 4-6 Вт/имп, по 1-3 минут на поле.

Изобретение относится к медицине, а именно к дерматологии и косметологии, и может быть использовано для терапии обширных косметических дефектов кожи. Осуществляют аппликационное нанесение на всю кожу лица и/или головы препарата на основе 5-аминолевулиновой кислоты.
Наверх