CN101559260B - 用于实施照射的装置以及监视该照射的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于实施以及监视利用粒子射线对运动的对象的照射的一种方法以及一种装置，其中，从射线出口将粒子射线对准所述运动的对象；由包括能够被独立于所述射线出口围绕所述对象定位的X射线检测器和相对的X射线辐射器的成像单元，在施用所述粒子射线的期间，从不同的方向记录X射线图像，并且从中在线地重建该运动的对象的一系列数字层析X射线摄影合成图像；以及对所述重建的数字层析X射线摄影合成图像进行分析，从而对所述运动的对象进行采集，并且对照射的过程进行控制。

Description

用于实施照射的装置以及监视该照射的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对运动的对象实施照射的装置，以及一种用于监视这类照射治疗的方法。
背景技术
在射线疗法中，除了别的之外，利用X射线、利用电子射线或者利用粒子射线照射患病的组织。特别是，在最近的几年中粒子疗法已经发展成为对于治疗组织、特别是肿瘤组织的确立的方法。不过，照射方法(正如其在粒子疗法的范围内被使用的那样)还被用在非治疗的领域，例如，在研究工作的范围内对模体(Phantom)或者非生命体的照射，对材料的照射，等等。
在粒子疗法中产生粒子，主要是诸如质子、碳离子或者其它离子类型的离子。这些粒子在加速器中被加速到高的能量、形成粒子射线并且接着被对准待照射的组织。粒子渗透到待照射的组织中，并且在那里将其能量释放到限定的区域中。粒子射线在待照射的组织中的渗透深度主要地取决于该粒子射线的能量。粒子射线的能量越高，则粒子在待照射的组织中的渗透深度就越深。
在照射期间，必须考虑到被照射的对象的运动。例如，呼吸运动可以导致肺肿瘤和肝肿瘤的实质性的位置改变，使得目标容积可能不是如所希望的那样被照射。在强度调制的照射中，还可能额外地在照射与目标容积的运动之间出现干扰效应，使得对目标容积所规划的剂量分配受到影响。
为了在运动的目标容积的条件下对照射过程进行控制，已知有不同的方法。例如，所谓的“门控(gating)”被理解为：直接或者间接地采集目标容积的运动。只有在目标容积处于所希望的位置上时，才进行对目标容积的照射。所谓的“跟踪(tracking)”被理解为对粒子射线的跟踪。
可以利用不同的方法来采集目标容积的运动，例如，通过在患者上的外加标记、通过对患者表面的观察、或者借助于采集呼吸运动的腰带或者Spyrometer。另一种可能性是：拍摄待照射的对象的连续的X射线图像或者说透视图像。由此，还可以在内部采集待照射的对象的运动。因此，可以根据外部和内部运动之间的差别避免可能的错误。
US 7245698 B2公开一种用于利用X射线进行照射的***，其中重建待照射的对象的数字层析X射线摄影合成照片(Tomosynthese-Aufnehme)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于利用粒子射线实施照射治疗的装置，利用该装置可以灵活和精确地采集待照射的对象的可能运动。此外，本发明要解决的问题是，同样提供一种用于监视照射治疗的方法。
按照本发明的用于利用治疗射线对运动的对象实施照射的装置包括：
-射线出口，由所述射线出口能够将治疗射线，特别是加速为射线能量的粒子射线对准所述运动的对象，
-成像单元，包括X射线检测器和相对的X射线辐射器，它们能够被独立于所述射线出口的位置围绕所述对象定位，
其中，所述成像单元被用于：在施用所述治疗射线期间，从不同的方向记录X射线图像，并且从中在线地重建该运动的对象的一系列数字层析X射线摄影合成图像，以及
-控制单元，其被构造用于：对所述数字层析X射线摄影合成图像进行分析，并且在此基础上对治疗的过程进行控制。
数字层析X射线摄影合成图像仅仅是二维的图像，但是与X射线图像、即透视图像不同它们的突出之处是对于软组织的良好的对比度。仅仅二维的图像也被理解为这样的图像：在其重建中尽管首先产生三维的图像数据组，但是该图像数据组仅仅包含在一个平面中清晰的图像，这与(例如由锥形束计算机断层成像所公知的)真实的三维图像数据组不同。在这类三维的数据组的条件下，在该平面的图像中再现了所希望的软组织对比度。而在该三维的数据组中的其它平面中则具有极低的图像质量。通过对数字层析X射线摄影合成图像的分析，可以采集到运动的对象的运动。与常规的X射线图像相比，例如也可以精确地采集软组织的运动。于是，可以将目标容积的所采集的运动，用于对照射的过程进行控制。而在常规的X射线图像中，则经常仅仅能够对诸如骨骼的高对比度的对象进行采集。
与诸如通过已经提到的锥形束计算机断层成像来产生三维的图像数据组不同，对用于重建数字层析X射线摄影合成图像的X射线图像的记录以及对层析X射线摄影合成图像的重建，要更加迅速数倍，这主要是因为仅仅在较小的角度范围上记录数据。因此，利用二维的数字层析X射线摄影合成图像用于跟踪待照射的对象的运动所可能实现的时间分辨率，同样是显著地较高。因此，二维的数字层析X射线摄影合成图像特别适合于采集对象的实际的、即当前的运动。
例如，此时也可以在照射肝肿瘤或者肺肿瘤的条件下，直接地采集该肿瘤或者说其运动，并且在此基础上对治疗的过程进行控制。该信息带来对肿瘤运动的更为精确的采集，以及由此带来对于照射与该运动匹配情况的更好的照***度。这些优点尤其是在肺肿瘤和肝肿瘤的条件下可能是具有决定性的意义的，因为可以直接地在照射期间显示该肿瘤。
可以如下地控制照射的过程：如果待照射的对象移动得过于远离预定的额定位置，则中断照射(门控)。作为替换和/或额外地，可以对应地通过粒子射线的偏转或者通过调整粒子射线的能量，来再调整粒子射线的方向或者粒子射线的渗透深度，使得粒子射线跟踪待照射的对象的运动(跟踪)。
例如，在连续的运动期间，X射线检测器和X射线辐射器可以来回地摆动，或者实施剧烈的(例如，复杂的以及重复)运动。
在该整个的过程中，尤其是在施用粒子射线的期间，可以在空间中保持射线出口的位置固定，因为可以独立于该射线出口来定位成像单元。由此，成像单元的定位与射线出口的位置去耦合。这点使得可以灵活地构造该装置。这样，可以将该装置应用到包括空间固定的射线出口的照射空间中。另一方面，也可以将该装置应用到如下的照射空间中：在该照射空间中可以通过支架将射线出口置于不同的位置上。通常，在施用粒子射线的期间，射线出口在这类照射空间中同样地保持空间固定。
在对数字层析X射线摄影合成图像的在线重建的条件下，形成了数字层析X射线摄影合成图像一个时间系列，在该时间系列中描绘了运动的对象的当前运动。例如，在重建数字层析X射线摄影合成图像的条件下，可以采用n个基本上依次跟随的X射线图像，这些X射线图像是从不同的方向上记录的。在此，n表示为了能够按照所希望的质量进行层析X射线摄影合成所需要的X射线图像的数目。数目n越高，则为该层析X射线摄影合成图像提供的原始数据就越多，从而可以提高层析X射线摄影合成图像的质量。但是，数目n越高，则通过该层析X射线摄影合成图像显示的时间分辨率就越低，这点首先是因为在更长的时间间隔上记录了所属的X射线图像。因此，通常要选择一个适合于所希望的时间分辨率以及层析X射线摄影合成的所希望的质量的折中。
在此，可以连续地进行对层析X射线摄影合成图像的重建，其中，所需要的数目n个X射线图像(即，投影)分别奠定了基础。不同的层析X射线摄影合成图像就其原始数据(X射线图像)而言不必一定是独立的。例如，为了重建一幅层析X射线摄影合成图像可以采用n个依次跟随的X射线图像作为原始数据。在对其随后的层析X射线摄影合成图像的重建中，可以将一个或多个时间上随后的X射线图像添加到该n个依次跟随的X射线图像，同时去除这些依次跟随的X射线图像开始部分的相同数目的X射线图像。例如，如果X射线检测器和X射线辐射器围绕粒子射线圆形地转动，则总是可以从环形缓冲器中获得所需要的数目n个图像。
在一种优选的实施方式中，所述成像单元被构造用于：使得X射线检测器以及相对的X射线辐射器按照进动而圆或者螺旋类型地运动，也就是说，X射线轴实施一种圆或者螺旋类型的进动。由此，可以从许多不同的空间方向记录X射线图像。因为圆或者螺旋类型的进动通常是有规律的，可以按照简单的方式实现对层析X射线摄影合成图像的连续的在线重建，因为可以充分地利用该运动的规律性。
在一种优选的实施方式中，用于重建层析X射线摄影合成图像的X射线图像的数目，与对象的运动匹配。在此，可以将对象的运动理解为实际运动或者所预期的运动，例如根据经验值或者此前的检查所预期的运动。作为替换和/或额外地，用来围绕待照射的对象移动X射线检测器和X射线辐射器的速度，可以与对象的运动匹配。例如，在较快运动的对象的条件下，可以提高X射线检测器和X射线辐射器的速度，以便尽管有该较快的对象运动仍然还得到足够的时间分辨率。
在另一种实施方式中，沿着其来重建至少一幅层析X射线摄影合成图像的重建平面，能够被自由地选择。在记录图像数据时，对应地调整X射线检测器和X射线辐射器的位置。由此，可以如下地设置重建平面：使得可以最佳地采集目的对象的运动。例如，可以如下地选择重建平面：使得对象的运动的空间方向位于该重建平面中。按照这种方式，可以特别好地通过对层析X射线摄影合成图像的分析来确定在重建平面中的对象运动。
优选地，所述X射线检测器和相对的X射线辐射器被设置在支撑臂上，可以将该支撑臂通过机器人定位***在空间中定位。由此，允许对成像单元的特别灵活的定位。此外，机器人定位***通常允许X射线检测器和相对的X射线辐射器的特别迅速的运动，从而也可以可靠和精确地采集待照射的对象的迅速运动。
按照本发明的用于监视利用治疗射线(特别是利用粒子射线)对运动的对象的照射治疗的方法，包括下列步骤：
-在从固定的空间方向上施用治疗射线期间，从不同的方向记录所述运动的对象的X射线图像，
-从所记录的所述X射线图像中直接在线地重建一系列数字层析X射线摄影合成图像，
-通过对所述数字层析X射线摄影合成图像的分析，采集所述对象的运动，
-根据所采集的运动控制照射过程。
可以如装置一样对应地扩展该方法。
附图说明
对照下面的附图对包括优选的扩展的本发明的实施方式作进一步的说明，不过本发明并不限制于此。附图中：
图1示出了一种粒子治疗设备的示意性结构，
图2示出了射线出口以及成像单元在照射空间中的安排，
图3示出了用于从X射线图像的时间系列中在线重建数字层析X射线摄影合成图像的时间系列的图解，
图4示出了在本发明方法的实施方式中执行的方法步骤的示意图。
具体实施方式
图1示出了关于粒子治疗设备10的结构的示意性概略图。在粒子治疗设备10中尤其是进行利用粒子射线对身体、特别是肿瘤病灶的组织的照射。
作为粒子主要地采用例如质子、介子、氦离子、碳离子或者其它离子类型的离子。通常，在粒子源11中产生这类的粒子。如果如图1所示的那样存在两个产生两种不同的离子类型的粒子源11，则可以在短暂的时间间隔之内在这两种离子类型之间进行切换。为此，例如采用了开关磁铁12，后者被设置在一方面的粒子源11与另一方面的预加速器13之间。例如，由此可以同时地利用质子以及碳离子来运行该粒子治疗设备10。
由这些粒子源11或者其之一所产生的并且必要时利用开关磁铁12所选择的离子，在预加速器13中被加速到第一能量水平。预加速器13例如是线性加速器(LINAC，表示英语的“LINear Accelerator”)。随后，粒子被馈入到加速器15(例如同步加速器或者回旋加速器)中。在加速器15中被加速到高能量，正如其为了照射所需要的那样。在粒子离开加速器15之后，高能量射线传送***17将粒子射线引导至一个或者多个照射空间19。在照射空间19中将加速后的粒子对准待照射的身体。根据不同的实施方式，这点是从固定的方向(按照所谓的“固定射线束”空间)出发实现的，或者是通过围绕轴22可以移动旋转的支架21从不同的方向出发实现的。
按照图1所示出的粒子治疗设备10的结构，对于许多粒子治疗设备来说是典型的，不过也可以与此不同。下面所描述的实施例既可以结合根据图1所示出的粒子治疗设备来应用，又可以结合其它的粒子治疗设备来应用。
图2示出了射线出口以及成像单元在照射空间中的一种可能安排。
成像单元包括X射线检测器31以及X射线辐射器33，它们被相互相对地设置在支撑臂35、例如C弧上。支撑臂35本身借助于机器人臂37、例如借助于六轴的弯曲臂机器人，在空间中被灵活地定位。借助于X射线检测器31以及X射线辐射器33可以为患者39拍摄X射线照片、例如透视照片，而患者为了照射被定位在患者卧榻41上。特别地，可以在透视照片中对待照射的目标空间43、例如待照射的器官进行投影。
作为对于具有支撑臂的实施方式的替换，又可以相互独立地定位X射线检测器和X射线辐射器，例如通过两个机器人臂。这点允许提高的灵活性，因为在X射线辐射器和X射线检测器之间不设置刚性的支撑臂。
甚至可以考虑，仅仅将要么X射线检测器要么X射线辐射器运动地定位，而另一个甚至是静止的。例如，X射线检测器可以移动，而在X射线辐射器中的可移动的光阑(Blende)保证了不同地入射X射线束。
为了进行照射，粒子射线47从射线出口45射出，并且对准了患者39。这里所示出的是一个在空间中固定地安装的射线出口45。作为替换，又可以将射线出口45固定在可转动的支架上，使得该射线出口45可以围绕着患者39旋转。不过，在施加粒子射线47的期间射线出口45通常被保持为位置固定。
可以独立于射线出口45地实施X射线检测器31以及X射线辐射器33的定位。在施加粒子射线47的期间通过机器人臂37来回地移动支撑臂35，其中，拍摄一系列的透视图像。从该系列的透视图像中“在线地”、即在施加粒子射线47的期间重建一系列的数字层析X射线摄影合成图像(也被称为“on the fly，实时地”重建)。为此，将所拍摄的透视图像传递至计算机单元49，在其中进行对层析X射线摄影合成图像的重建。
在该数字层析X射线摄影合成图像的系列中，此时也就是说在施加粒子射线47的期间可以对目标空间43的运动进行分析。该分析同样是“实时地”进行的。这样所获得的信息被用于对照射的过程进行控制。该分析以及对照射的过程的控制在控制单元51中进行。例如，一旦待照射的目标空间43不再处于所希望的位置，则可以断开粒子射线47，以及，一旦待照射的目标空间43再次处于所希望的位置，则必要时再次接通。作为替换和/或额外地，如果目标空间43的运动在特定的边界之内进行，则可以使得粒子射线47跟踪目标空间43的运动。
控制单元51和/或用于图像重建的计算机单元49可以实现在一个单一的计算机单元中，或者分开在不同的子单元中，作为单独的单元实现，或者在用于整个的粒子治疗设备的控制单元中实现。
如果将支撑臂35如这里示出的那样按照大致垂直地定位，则层析X射线摄影合成图像的重建平面53处于大致与此垂直，也就是说在水平方向上。不过，根据待成像的目标空间以及其运动的不同，又可以选择重建平面53的另一种状态。应该这样选择重建平面53，使得可以尽可能良好地采集以及分辨器官的运动。
可以按照不同的方式来移动支撑臂35。一种简单的运动是通过双箭头55表示出并且对应于一种摆动。另一种移动支撑臂35的可能性是圆形的或者螺旋形的运动，通过圆59以及螺旋57示出。在最后的两种运动中，X射线轴36执行一种进动。
图3示出了如何从透视图像63的时间系列中重建数字层析X射线摄影合成图像65的时间系列。该时间流程通过箭头61示出。
为了例如重建第一层析X射线摄影合成图像67，采用由n幅依次跟随的透视图像组成的第一组69。因此，在该第一层析X射线摄影合成图像中反映了在第一时刻通过待成像的器官的截面。可以利用公知的方法从由n幅依次跟随的透视图像(这些图像是从不同的方向所记录的)组成的第一组69中进行该层析X射线摄影合成图像67的实际重建。
为了重建下一个时间上随后的层析X射线摄影合成图像71，将一个(或者多个)随后的透视图像添加到由n幅依次跟随的透视图像组成的第一组69，与此同时去除同样数目的时间上较早的透视图像。因此，该下一个层析X射线摄影合成图像71反映了在随后时刻通过该器官的截面。按照这种方式，可以从透视图像63的时间系列中继续产生层析X射线摄影合成图像65的时间系列。特别是，这点意味着，层析X射线摄影合成图像65针对其原始数据(也就是说其透视图像63)是或者说必须是相互不独立的。
层析X射线摄影合成图像65的时间分辨率或者说在层析X射线摄影合成图像65中成像的精度，除了别的之外，取决于记录透视图像63的精度、取决于在记录透视图像63时方向改变的速度、以及取决于在重建中所采用的透视图像的数目n。因此，可以分别地根据需要来设置这些参数。
图4示出了关于方法步骤的示意图。
首先，确定重建平面的空间位置(步骤81)。在此，这样地选择重建平面，使得在该重建平面中尽可能好地采集到器官运动。这点可以是很容易的，因为成像单元的定位与射线出口在空间上是相互去耦合的。
此外，确定X射线检测器以及X射线辐射器的运动轨迹(步骤83)，例如，运动轨迹的空间变化和/或运动的速度。特别是，可以将成像装置的运动的速度与器官的运动进行匹配。例如，这可以是(借助于合适的装置所测量的)器官的实际运动，或者是在器官中典型地出现的预期运动。由此，在随后对层析X射线摄影合成图像的重建中，实现了所希望的时间分辨率。
此外，还确定被用来重建层析X射线摄影合成图像的透视图像的数目(步骤85)。将该透视图像的数目与X射线检测器以及X射线辐射器的运动轨迹和/或运动速度、所希望的重建精度、和/或特别是待成像的器官的运动进行匹配。
例如，可以通过操作者交互地确定重建平面、运动轨迹和/或用于重建的透视图像的数目。不过，也可以为此援引此前被存储的参数设置。例如，可以在对特定的器官例如肺的照射中援引特定的参数设置，而在对诸如***的另一个器官的照射中援引另一种参数设置，等等。也可以优选地采用在反复的照射中所使用的针对患者的设置。在这些参数设置中分别存放了与需求相适应的值。
在随后的照射期间进行粒子射线的施用(步骤87)。在该施用发生期间，利用X射线辐射器以及利用X射线检测器从不同的方向上记录透视图像的时间序列。在线地(或者“on the fly，实时地”)、也就是说在施用治疗射线的期间，进行对数字层析X射线摄影合成图像的时间序列的重建(步骤89)。对该数字层析X射线摄影合成图像的时间序列的分析，使得可以采集到待照射的器官的运动(步骤91)。所采集的运动被用于对照射过程进行控制(步骤93)。

Claims (14)

1.一种用于对运动的对象(43)实施照射的装置，包括：
-射线出口(45)，由所述射线出口能够将治疗射线(47)对准所述运动的对象(43)，
-成像单元，包括X射线检测器(31)和相对的X射线辐射器(33)，它们能够被独立于所述射线出口(45)的位置围绕所述对象(43)定位，
其中，所述成像单元被用于：在施用所述治疗射线(47)期间，从不同的方向记录X射线图像(63)，并且从中在线地重建该运动的对象(43)的一系列数字层析X射线摄影合成图像(65)，以及
-控制单元(51)，其被构造用于：对所述数字层析X射线摄影合成图像(65)的至少一部分进行分析，并且在此基础上对治疗的过程进行控制，
其中，所述成像单元被构造用于：执行一种如下的运动，在该运动中X射线轴(36)实施一种圆或者螺旋类型的进动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，用于重建层析X射线摄影合成图像(65)的所述X射线图像(63)的数目，与所述对象(43)的实际运动或者所预期的运动匹配。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，用来围绕所述对象(43)移动所述X射线检测器(31)和X射线辐射器(33)的速度，与所述对象(43)的实际运动或者所预期的运动匹配。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，沿着其来重建至少一幅层析X射线摄影合成图像(65)的重建平面(53)，能够被自由地选择。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述重建平面(53)与所述对象(43)的实际运动或者所预期的运动的空间方向匹配。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述X射线检测器(31)和相对的X射线辐射器(33)被设置在支撑臂(35)上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，为了在空间中定位所述X射线检测器(31)和／或X射线辐射器(33)，采用至少一个机器人臂(37)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述治疗射线是粒子射线，并且所述射线出口在施用所述粒子射线的期间在空间上保持位置固定。
9.一种用于监视利用治疗射线(47)对运动的对象进行照射治疗的方法，包括下列步骤：
-在从固定的空间方向上施用治疗射线(47)期间，从不同的方向记录所述运动的对象(43)的X射线图像(63)，
-从所记录的所述X射线图像(63)中直接在线地重建一系列数字层析X射线摄影合成图像(65)，
-通过对所述数字层析X射线摄影合成图像(65)的分析，采集所述对象(43)的运动，
-根据所采集的运动控制照射过程，
其中，在从不同的方向记录所述X射线图像(63)中，按照圆或者螺旋类型的进动围绕所述对象(43)移动X射线检测器(31)和相对的X射线辐射器(33)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
在所述直接在线重建中，将用于重建层析X射线摄影合成图像(65)的所述X射线图像(63)的数目，与所述对象(43)的实际运动或者所预期的运动匹配。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，
在从不同的方向记录所述X射线图像(63)时，将用来围绕所述对象(43)移动X射线检测器(31)和X射线辐射器(33)的速度，与所述对象(43)的实际运动或者所预期的运动匹配。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，
可以自由地选择沿着其来重建至少一幅层析X射线摄影合成图像(65)的重建平面(53)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，根据所述对象(43)的实际运动或者所预期的运动的空间方向来选择所述重建平面(53)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中，所述治疗射线是粒子射线。
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