CN103027702A - 时间分辨的断层合成成像 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对运动对象进行时间分辨的断层合成成像的方法，包括如下步骤：包括X射线源和X射线探测器的成像装置围绕运动器官运动，并且记录用于断层合成图像的时间系列的原始图像数据，从所述原始图像数据中重建断层合成图像的时间系列。在成像装置运动期间尤其将成像装置的运动速度与运动对象的运动速度相匹配。本发明还涉及一种成像装置，具有用于控制成像装置的运动以及用于控制X射线源和X射线探测器以用于记录原始图像数据的控制装置，其尤其被这样构造，使得在记录原始图像数据时将成像装置的运动速度与运动对象的运动速度相匹配。

Description

时间分辨的断层合成成像

技术领域

本发明涉及一种用于时间分辨的断层合成成像的方法，通过该方法可以对运动的对象进行成像。本发明还涉及一种用于时间分辨的断层合成成像的成像装置。这样的成像方法尤其可以在放射治疗的范围内采用。

背景技术

放射治疗是一种确立的方法，在该方法中采用电离辐射，以便治疗病变组织例如肿瘤组织。放射治疗的目标是，以足够治疗的剂量辐照待治疗的组织并且在此同时保护周围的健康组织。除了别的之外，治疗效果基于如下：电离辐射不同地作用于健康的和病变的组织。

为了确保在定位待治疗的组织时在规划阶段和治疗阶段之间可能由于不同的原因而出现的不可靠性不危及治疗结果，通常使用安全余裕

目标体积被扩大了该安全余裕。

图像辅助的放射治疗（英文：“Image guided radiation therapy”-IGRT）实现了在辐照目标体积时降低不可靠性。IGRT允许在开始辐照之前显示目标体积、风险器官（英文：“Organs At Risk”-OAR）以及周围的健康组织，从而原则上开辟了如下可能性：精确地辐照目标体积并且使用较小的安全余裕。

建议了用于IGRT的不同的成像模态。同样，可以将考虑到例如由呼吸运动导致的运动/形变的成像方法用于IGRT。可以应用不同的四维（4D）方案。这些方案可以在规划阶段期间已经被应用，以便精确地识别目标体积和风险器官，但也可以在辐照阶段之前直接应用，以便识别目标体积和风险器官的运动边界。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于对运动对象进行成像的方法，其产生运动对象的时间分辨的图像系列，其精确地成像对象的内部结构，并且其较少地要求成像装置的机械能力。此外，本发要解决的技术问题是，提供一种成像装置，利用该成像装置可以执行这样的方法。

用于对运动对象进行时间分辨的断层合成成像的按照本发明的方法包括如下步骤：

-包括X射线源和X射线探测器的成像装置围绕运动器官运动，并且记录用于断层合成图像的时间系列的原始图像数据，

-从原始图像数据中重建时间系列的断层合成图像。

在成像装置运动期间，例如在整个成像装置围绕旋转中心旋转时（例如旋转了360°），可以将成像装置的运动速度与运动对象的运动速度相匹配。

已经认识到，即使成像装置关于X射线源和X射线探测器的运动速度受到限制，这样的方法也允许时间分辨的断层造影成像。

在没有该限制的情况下，例如可以使用四维图像拍摄方法，其中与呼吸周期相比拍摄时间是小的。例如当前使用的计算机断层造影设备可以在仅0.33s内执行完整旋转，这相对于生理学呼吸周期4至6s小得可以忽略。但具有该能力的计算机断层造影设备构建成本较高。

具有明显更长的旋转时间的成像装置可以简单并低成本地构建。在这种情况下，对象运动，例如呼吸运动对图像质量产生影响。这一点例如可以是如下的情况：计算机断层造影设备缓慢地旋转，从而完整旋转的持续时间相应于大约呼吸循环的周期。安装在放射治疗设备的线性加速器（LINAC）上的锥形束计算机断层造影设备也需要直到60s来完成完整的旋转。

例如优选的可以是，将计算机断层造影设备用于数字的断层合成，其中仅使用来自于受限制的角度范围的图像数据来进行重建。在缓慢旋转CT的情况下，其中完整旋转持续大约4至6s，却可以时间分辨地显示目标体积。例如，呼吸运动可以以断层合成成像的时间系列重放。

计算机断层造影设备的运动例如可以这样与目标体积的近似周期的运动（例如呼吸运动）同步，使得计算机断层造影设备的完整旋转与运动周期（例如呼吸运动的呼吸周期的持续时间，大约4至6s）大致一致。

如果在6s内执行360°的完整旋转，则可以在0.67s覆盖40°的角度范围或者在1s覆盖60°的角度范围。该角度范围允许记录足够数量的单独的投影图像数据，以便重建相应于0.67s至1s的呼吸阶段的数字断层合成。相应地，通过对应于6个（或更多）呼吸阶段的各个的数字断层合成成像的数据组可以时间分辨地显示整个呼吸周期。

在一种实施方式中在记录原始图像数据期间对象可以以变化的速度运动，并且成像装置的运动速度与变化的对象速度相匹配。该匹配甚至在运动周期内实施。

机架的速度可以与阶段的坡度相匹配。由此，例如吸气阶段比呼气阶段的坡度更陡，从而与呼气阶段相比在吸气阶段中以较短的时间拍摄预定的角度范围的相同数量的投影图像。作为呼吸阶段的替代物（根据其可以确定坡度），可以使用源自外部传感器的信号，例如源自记录患者表面的光学***或者源自呼吸带。

在控制时可以记录呼吸信号，并且由呼吸信号确定预先计算的呼吸信号。可以使用预先计算的呼吸信号来控制成像装置的运动速度。

特别地，成像装置可以这样围绕对象运动，使得X射线源和X射线探测器的运动在同一平面内，其中成像装置尤其围绕对象运动360°。通过这种方式，该方法也可以在具有二维X射线探测器的常规计算机断层造影设备中或者在锥形束计算机断层造影设备中使用，例如其可以集成在放射治疗设备中。

在一种实施变形中，这样运动成像装置，使得从其出发记录用于重建断层合成图像的时间系列的单图像的原始图像数据的角度范围在少于2秒，特别是少于1.5秒或少于1秒中被覆盖。通过这种方式可以以高精度时间分辨地显示典型的呼吸运动。

在一种实施变形中，从其出发记录用于重建时间系列的单图像的原始图像数据的角度范围是35°至100°，特别是40°至70°。

成像装置可以这样长地运动，使得在断层合成图像的时间系列中成像对象运动的至少四个阶段，特别是至少六个阶段。

原始图像数据可以被这样记录，使得时间系列的重建的单图像具有不同的断层合成重建平面。

特别地，断层合成图像的时间系列的两个相继的单图像的断层合成重建平面可以彼此成至少20°或30°，特别是成至少40°并且最高特别是成至少50°的角度。这样的构造可以通过旋转机架特别简单地实现。

在该方法的扩展中，可以在准备放射治疗时和/或在放射治疗期间使用断层合成图像的时间系列。这一点实现了以相对简单的方式实施体积的4D-IGRT。

已经认识到，成像方法对于放射治疗是特别合适的。具有X射线源和二维X射线探测器的X射线成像装置通常已经集成在放射治疗设备中。但该成像装置不能如独立式的（freistehend）成像装置一样灵活地运动，因为其机械地与放射治疗设备的其它部件相耦合。

通过当前的成像方法却可以实现精确并且时间分辨地显示目标体积。为此例如可以成像目标体积的近似周期的运动。在放射治疗中对于目标体积的典型的近似周期的运动的示例是由于呼吸导致的目标体积的运动。

这具有如下优点：可以减小安全余裕，因为可以精确地确定目标体积的位置。由此克服如下问题：使用安全余裕可以是有问题的，因为如果要同时保护周围的健康组织，则在目标体积的大小和应用的剂量之间存在逆反关系。

不同的技术现在能够平衡患者解剖结构的可能的运动/形变。例如存在如下可能性，形成在不同的运动阶段期间目标体积的所有可能的位置的合并（也公知为ITV，英文“Internal Target Volume”），并且相应地调整3D优化。

另一种可能性在于，识别运动阶段中的目标体积并且将目标体积的轮廓传输到另一个运动阶段，以便接着执行四维的优化。然后可以使用这样优化的或调整的辐照规则来执行跟踪治疗方法。

另一种可能的辐照方法基于所谓的门控方法（Gating-Verfahren），在该方法中使用特定的运动阶段，以便规划并且然后执行辐照。在这样的方法的情况下也使用成像方法，以便识别目标位置所处在的运动阶段。

按照本发明的成像装置具有：

-X射线源和X射线探测器，

-控制装置，用于控制成像装置的运动以及用于控制X射线源和X射线探测器，以用于记录原始图像数据，

-重建装置，用于从原始图像数据中重建断层合成图像的时间系列。

控制装置可以被这样构造，使得在记录原始图像数据的情况下将成像装置的运动速度与运动对象的运动速度相匹配。

特别地，可以通过相应地配置控制装置和/或重建装置这样构造成像装置，使得在运行成像装置时执行上面描述的方法中的一种。

成像装置可以集成在放射治疗设备中，使得在成像装置运动时治疗的辐射源同样也一起运动。经常使用放射治疗装置的构造，但其带下如下缺陷：与纯计算机断层造影设备相比仅能够达到相对缓慢的旋转速度。现在可以利用这样的装置实现精确并且时间分辨的准三维的成像，也就是断层合成成像。

各个特征、其优点以及其效果的上述和以下的描述既涉及装置类别也涉及方法类别，而无需在每种情况下个别地明确指出这点；在此，所公开的各个特征还可以与所示出的组合不同地为本发明所必须。

附图说明

结合下面的附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不限制于此。

附图中：

图1示出了具有o形机架的放射治疗设备的强烈示意性的结构，

图2示出了用于解释本发明的实施方式的呼吸周期的运动信号，

图3示出了具有角度范围显示的成像装置的360°旋转，在该角度范围内实施不同的旋转速度，

图4示出了可以在成像中应用的方法的流程图，并且

图5示出了用于放射治疗的方法的流程图，在该方法中可以使用成像方法的实施方式。

具体实施方式

图1以强烈示意性地方式示出了具有o形机架13的放射治疗设备11。在该机架13中可旋转地安装治疗辐射源15。治疗辐射源15可旋转地安装的结构承载诊断用的X射线辐射源17和诊断用的二维X射线探测器19。利用该成像装置可以记录在中心定位的患者21的图像数据。

成像装置17、19的旋转和图像数据的记录通过放射治疗设备11的控制装置23来控制。在重建装置27中处理原始图像数据，该重建装置从原始图像数据中重建数字的断层合成图像。

控制装置23具有输入端，通过该输入端可以将表征患者21中待成像对象的运动的信号传输到控制装置23。特别地控制装置23可以在运动周期期间改变成像装置17、19的旋转速度并且与待成像对象的运动速度相应地匹配。

控制装置23例如可以确定表征对象运动的替代信号的坡度并且相应地按照不同的运动阶段不同地调节成像装置17、19的旋转速度。在替代信号具有较大坡度的运动阶段期间比在替代信号具有较小坡度的运动阶段中更快地运动成像装置17、19。

结合图2在示例中进一步说明该情况。

图2示出了用于呼吸周期的替代信号31。各个呼吸周期（前、中和后吸气-A1、A2、A3-；前、中和后呼气-A4、A5、A6）叠加地显示为替代信号31。可以看出，例如后呼气阶段A6明显比前吸气阶段A1持续地更长。

相应地在后呼气A6期间为记录断层合成原始图像数据而覆盖的角度范围可以比对应于前吸气A1的角度范围以明显更低的成像装置17、19的运动速度运动。

图3示出了成像装置17、19的完整360°旋转的分布，其示出了对应于图2的呼吸阶段的六个不同的角度范围。对应于呼吸阶段A1、A2、A4和A5的角度范围以成像装置或机架的高的旋转速度运动，而对应于呼吸阶段A3和A6的角度范围以较低的旋转速度运动。

从在成像装置17、19旋转期间通过角度范围A1记录的原始图像中可以重建断层合成图像的时间系列的第一单图像DTS1。该单图像DTS1对应于前吸气阶段。

从在机架旋转期间通过角度范围A2所记录的原始图像中可以重建断层合成图像的时间系列的第二单图像DTS2。该单图像DTS2对应于中吸气阶段。这一点在其它呼吸阶段中相应地继续。

通过这种方式获得六个断层合成图像DTSi的时间系列，i＝1…6，这些图像对应于根据图2描述的呼吸阶段Ai，i＝1…6。六个断层合成图像DTSi的成像平面在此相应于如下角度范围旋转，由这些角度范围对于各个断层合成图像DTSi已经记录原始图像数据。

如果CT机架（或锥形束CT机架）的最大旋转速度为6s每转，则如前面描述的那样可以以六个阶段成像呼吸周期。如果旋转速度低于6s，也就是机架更快，则可以以更好的图像质量成像六个阶段，因为可以降低运动导致的模糊。

图4示出了该方法的流程图，其示出了可以怎样根据待成像的对象的运动速度来控制成像装置的运动速度。

为此的基础是，在准备阶段识别呼吸运动的运动信号。基本上可以假定，只要在一至两分钟的小的时间段内考察，呼吸信号就是时间上几乎不变的。例外是例如由于咳嗽或类似导致的不规则性。除此之外可以相对可靠地关于直至1s或更多的时间段预测呼吸信号。

在此描述的方法中可以使用如下方法，其中在0.5至1s的时间段上预先计算呼吸信号。该预先计算的信号可以被用于对呼吸运动的速度建模，从而获得对于单个投影图像的最佳采样率，该投影图像构成用于重建呼吸分辨的断层合成的基础。

作为用于预先计算的算法例如可以使用支持向量回归（Support-Vektor-Regression）、神经元网络（neuronale Netze）、多项式方法（polynominale Verfahren）、卡尔曼滤波器（Kalman-Filter）或其它算法。

在第一步骤中，例如借助光学表面或点扫描器，借助按压带等来记录呼吸信号（步骤51）。

所记录的呼吸信号被用于建立预测模型，利用该预测模型可以预测在例如0.5至1s的短的时间周期上的呼吸信号的曲线变化。借助预测模型预先计算呼吸周期（步骤53）。

形成呼吸信号关于时间的第一导数并且以该方式使用预先计算的信号，以便将机架的旋转速度作为第一导数的函数这样调整，使得对于呼吸分辨的断层合成成像调节最佳的采集率（步骤55）。

还测量当前的呼吸信号并且与预先计算的信号相比较（步骤57）。如果在预先计算的信号和测量的信号之间的区别高于阈值，则可以中断图像数据的记录。但也可以继续调整机架速度来平衡区别。

最后，记录具有最佳采样率的呼吸分辨的投影图像数据（步骤59）并且然后将其用于重建断层合成图像的时间系列（步骤61）。

在这里提到的方法仅是示例。不同的步骤不是必须执行，例如可以不执行预先计算呼吸信号和与实际测量的呼吸信号相比较。取决于测量的或预测的呼吸信号的旋转速度的调整也不是强制必须的。

根据图5示出的流程图说明了例如成像方法可以被嵌入放射治疗范围内的流程中的示例。

在第一步骤中记录四维规划CT（步骤71）。

利用该4DCT进行辐照的规则。如果期望，则可以记录附加的成像模态诸如4D磁共振断层造影或4D正电子发射断层造影。可以将该附加的成像模态与规划4DCT配准。在此考虑四维数据组的相位，例如将在CT中的最大呼气阶段与在MR中的最大呼气阶段配准。然后基于4DCT（并且必要时借助与CT配准的附加的数据组）定义并优化辐照规划（步骤73）。

将辐照规划传送到放射治疗设备，例如直接或经由OIS（英文：“Oncology Information System”，肿瘤学信息***）传送。

在辐照治疗的准备阶段记录时间分辨的图像数据组，在其焦点上存在目标体积和周围的风险器官。在此使用上述成像方法。

记录用于呼吸运动的替代信号（步骤75）。然后记录用于时间分辨的断层合成的原始图像数据（步骤77）。

为此记录具有慢速旋转的CT，该CT与呼吸周期同步。这意味着，原始图像数据的记录时间相应于大约呼吸阶段的持续时间，例如4至6s。在记录图像数据时调制CT机架的速度，更确切地说依据呼吸信号记录每个呼吸阶段所需的角度范围。

然后对于每个呼吸阶段重建数字断层合成（步骤79）。

例如如果360°的旋转在6s内进行，则可以重建六个数字断层合成体积，其分别成像具有1s持续时间的呼吸阶段。对于单图像的重建使用对应角度范围的依次的连续记录的投影图像数据。

所记录的四维数字断层合成，也就是六个单图像的时间系列，可以与四维规划数据组相关联（步骤81）并且由此获得的信息可以引入辐照的控制（步骤83）。

可以以不同的方式来补偿在规划数据组和紧靠在开始治疗之前所记录的数据组（也就是4D数字断层合成数据组）之间的解剖学偏差。例如，可以执行几何平衡，其中例如通过移动患者再定位目标体积并且由此至少部分地补偿偏差。同样，也可以进行剂量学的平衡，例如通过改变原始辐照规划或者甚至在辐照规划的完全重新计算的范围内。

替换地或附加地可以关于目标体积的位置将外部运动信号与内部数据相关联，例如从而控制跟踪方法。

然后例如可以在单个或多个片段中执行辐照。

在辐照期间可以作为整体重复步骤75至步骤79，以便检查并且必要时调整辐照。也可以在较窄的角度范围内执行步骤75至79，其中例如仅对于一至三个呼吸阶段记录断层合成图像数据。但该不完整的断层合成图像的时间系列仍然可以被用于检查目标体积的位置的一致性和/或目标体积的位置与外部信号的相关性，并且必要时调整基本模型。

即，断层造影地在每个呼吸阶段显示目标体积的可能性提供了如下方案：相对简单地实施扩展的4D-IGRT策略，例如跟踪方法，该方法使用外部信号与内部成像的目标体积的相关性。同样可以使用门控方法，其中在辐照治疗之间和/或期间显示目标体积的当前三维位置并且用于控制门控方法。

即使所介绍的成像方法对于放射治疗应用特别合适，对于其它应用也可以使用该方法，例如基于C形臂的介入应用。

附图标记列表

11            放射治疗设备

13            机架

15            治疗辐射源

17            X射线源

19            X射线探测器

21            患者

23            控制装置

25            输入端

27            重建装置

31            替代信号

A1…A6        不同的呼吸阶段

DTS1…DTS6    数字的断层合成图像

51…61        步骤51至步骤61

71…83        步骤71至步骤83

Claims (15)

1.一种用于对运动对象（21）进行时间分辨的断层合成成像的方法，包括如下步骤：

-包括X射线源（17）和X射线探测器（19）的成像装置围绕运动对象（21）运动，并且记录用于断层合成图像（DTSi）的时间系列的原始图像数据，

-从所述原始图像数据中重建断层合成图像（DTSi）的时间系列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述成像装置（17，19）运动期间将所述成像装置（17，19）的运动速度与所述运动对象（21）的运动速度相匹配。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在记录原始图像数据期间所述对象（21）以变化的速度运动，并且所述成像装置（17，19）的运动速度与变化的对象速度相匹配。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述成像装置（17，19）这样围绕所述对象（21）运动，使得X射线源（17）和X射线探测器（19）的运动位于同一平面，其中，所述成像装置（17，19）尤其围绕所述对象（21）运动360°。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述成像装置（17，19）这样运动，使得从其出发记录用于重建断层合成图像（DTSi）的时间系列的单图像的原始图像数据的角度范围在少于2秒，特别是少于1.5秒或少于1秒中被覆盖。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，从其出发记录用于重建断层合成图像（DTSi）的时间系列的单图像的原始图像数据的角度范围是35°至100°，特别是40°至70°。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述成像装置（17，19）这样长地运动，使得在断层合成图像（DTSi）的时间系列中成像对象运动的至少四个阶段，特别是至少六个阶段。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，这样记录并重建所述断层合成图像（DTSi），使得时间系列的重建的单图像具有不同的断层合成平面。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述断层合成图像（DTSi）的时间系列的两个相继的单图像的重建平面彼此成至少30°，特别是成至少40°并且最高特别是成至少50°的角度。

10.根据上述权利要求9所述的方法，其中，所述成像装置（17，19）这样运动，使得X射线探测器（19）和X射线源（17）的运动位于同一平面内。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括如下步骤：

在准备放射治疗时和/或在放射治疗期间使用所述断层合成图像（DTSi）的时间系列。

12.一种成像装置，具有：

-X射线源（17）和X射线探测器（19），

-控制装置（23），用于控制所述成像装置（17，19）的运动以及用于控制所述X射线源（17）和所述X射线探测器（19），以用于记录原始图像数据，

-重建装置（27），用于从所述原始图像数据中重建断层合成图像（DTSi）的时间系列。

13.根据权利要求12所述的成像装置，其中，所述控制装置（23）被这样构造，使得在记录所述原始图像数据的情况下将所述成像装置的运动速度与运动对象的运动速度相匹配。

14.根据权利要求12至13中任一项所述的成像装置，其中，所述成像装置被构造为用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的成像装置，其中，所述成像装置被集成在放射治疗设备（11）中，使得在该成像装置运动时治疗的辐射源（15）同样也一起运动。

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