CN103028195A - 用于辐射治疗计划的组合成像模式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于辐射治疗计划的组合成像模式。***包括使用磁共振成像扫描仪（110）来获取病人体积的第一三维图像（510）、使用由线性加速器（205）发射的锥形射束辐射来获取病人体积的第二三维图像（530）以及基于第一图像和第二图像来生成辐射治疗计划（S450、S460）。

Description

用于辐射治疗计划的组合成像模式

技术领域

下文所述的实施例一般涉及治疗性辐射到病人的输送。更具体地，某些实施例针对辐射治疗计划的生成。

背景技术

根据常规辐射治疗，一束辐射指向位于病人内的目标体积（例如癌症肿瘤）。该辐射束根据建立的治疗计划向目标体积输送预定剂量的治疗辐射。输送的辐射通过引起细胞内的离子化或其他辐射引发的细胞损坏来杀死目标体积的细胞。

治疗计划被设计成向目标体积输送特定辐射剂量，同时保证周围的健康组织不接收不安全的剂量。治疗计划设计因此要求病人体积内的各种组织的识别（即识别目标、周围组织和危及器官）以及各种组织的电子密度（即以计算被输送到那些组织的剂量）。

可以采用计算机化断层显像（CT）成像来获取病人体积的图像以用于治疗计划目的。CT图像可以提供适合于肿瘤和器官描绘的一定水平的清晰度。此外，CT图像提供被成像组织的电子密度的良好表示。磁共振（MR）成像与CT成像相比通常提供组织类型的更清楚的区别，并且因此特别适合于肿瘤和器官描绘。然而，MR图像并未适当地表示被成像组织的电子密度。

某些常规***包括病人体积的CT图像和MR图像以及CT图像和MR图像的组合的获取。然后可以基于组合图像来设计治疗计划，基于MR数据来执行初始描绘步骤并基于CT数据来执行剂量计算步骤。还可以获取正电子发射断层显像（PET）图像并与CT图像和MR图像组合以便帮助识别恶性肿瘤。

使用前述***的机构除将用来执行设计的治疗计划的线性加速器（LINAC）之外还要求MR扫描仪和CT扫描仪。由于伴随的成本，已提出仅仅基于MR图像来设计治疗计划。根据此提议，使用MR图像来描绘组织，并且基于预定义值对每个组织类型分配电子密度。然后将所分配的电子密度用于上述剂量计算。然而，用于特定类型的组织的电子密度对于不同的病人将不同，因此以这种方式计算的用于给定病人的剂量将不如使用根据病人的CT图像确定的电子密度计算的剂量那么准确。

需要一种在解决现有***的一个或多个缺点的同时促进治疗计划的***。

发明内容

为了至少解决前述问题，某些实施例提供了用以使用磁共振成像扫描仪来获取病人体积的第一三维图像、使用由线性加速器发射的锥形射束（cone beam）辐射来获取病人体积的第二三维图像以及基于第一图像和第二图像来生成辐射治疗计划的***、方法、设备和装置。

在某些方面中，基于第一三维图像在病人体积内定义多个子区域，并基于第二三维图像来确定与多个子区域中的每一个相关联的辐射剂量。某些方面包括使用正电子发射断层显像扫描仪来获取第三三维图像，其中，治疗计划基于第一图像、第二图像和第三图像而生成。

根据某些方面，基于第一三维图像来记录病人的治疗等中心点（isocenter），并使病人的治疗等中心点与线性加速器的等中心点配准（register）。此外，在病人的治疗等中心点与线性加速器的等中心点配准的同时获取第二三维图像。

然而，权利要求不限于所公开的实施例，本领域的技术人员能够容易地修改在此的描述产生其它实施例和应用。

附图说明

通过考虑在附图中说明的以下说明书，实施例的构造和使用将变得显而易见，在附图中相同的参考标号指代相同的部分，并且在所述附图中：

图1是根据某些实施例的磁共振成像***的透视图；

图2是根据某些实施例的辐射治疗***的透视图；

图3是根据某些实施例的辐射治疗***的内部架构的方框图；

图4包括说明根据某些实施例的过程的流程图；以及

图5说明根据某些实施例的基于磁共振图像和锥形射束CT图像的辐射治疗计划的生成。

具体实施方式

提供以下描述是为了使得本领域的技术人员能够实现和使用所述实施例并阐明打算用于执行所述实施例的最佳模式。然而，各种修改对于本领域的技术人员来说仍将是显而易见的。

图1说明用于生成病人体积的图像的MRI***100。MRI***100包括MRI扫描仪110、操作员控制台120和工作台（table）130。MRI扫描仪110的主要部件（未示出）包括用以将病人体内的原子极化的主磁体、用于修正主磁体的磁场中的不均匀性的匀场线圈、用以激励样本并检测结果得到的信号的射频***以及用以对结果得到的信号进行定位的梯度线圈。

在操作中，并且在操作员操作控制台120的控制下，病人140被放置于工作台130上并移动至由MRI扫描仪110产生的磁场中。扫描仪110的射频***使用射频场来***地改变病人140的这样极化的原子的对准。此类操作促使原子核产生可检测信号，并且使用此信息来构造病人的被扫描体积的一个或多个图像。为了获得三维图像，梯度线圈在每个方向中提供强磁场梯度，其促使在不同的位置处的核子以不同的速度旋转并产生不同的信号。

与诸如CT或X射线的其他医学成像技术相比，磁共振图像显示出人体的不同软组织之间的良好对比。此外，不同于CT扫描或传统X射线，磁共振成像并未使用电离辐射。

操作员控制台120包括用于从操作员接收指令的输入设备122和输出设备270，其可以是用于呈现扫描仪110的操作参数并用于显示从而获取的图像的监视器。输入设备122和输出设备124耦合到处理器126和存储器128。处理器126可以执行存储在存储器128中的程序代码以执行任何操作和/或促使扫描仪110执行在此所述的任何操作。

存储器128还可以存储可执行以允许临床医生评估一个（或多个）MRI图像并识别治疗等中心点的程序代码。治疗等中心点是病人体积中的点，治疗辐射的中心射束应通过该点。例如，治疗等中心点可以包括在MRI图像中识别的肿瘤的中心点。

***100还包括激光器152、154和156。根据某些实施例，控制台120将激光器152、154和156定位为朝着病人140发射光束，如果被想象无麻烦地延伸到病人体积中，则其将全部在治疗等中心点处交叉。可以在其中每个射束拦截皮肤的点处标记病人140的皮肤（例如用纹身），以便促进治疗等中心点向线性加速器等中心点的未来配准。根据某些实施例，可以采用任何其他已知***（例如植入基准、表面摄影测量）来实现此类配准。

图2说明根据某些实施例的辐射治疗***200。辐射治疗***200包括LINAC 205、工作台245、操作员控制台260和激光器290、292和294。根据辐射治疗计划，可以使用辐射治疗***200的元件来向病人250的目标体积输送辐射。还可以使用该元件来使用锥形射束CT技术而生成目标体积的三维图像。

线性加速器 205产生并发射辐射，并且主要由治疗头210和构台215组成。治疗头210包括用于在治疗、校准和/或其他方案期间发射一个或多个辐射束的射束发射器件（未示出）。发射的辐射束可以包括电子、光子或任何其他类型的辐射。根据某些实施例，辐射束表现出超过1 MeV（即兆伏辐射）和/或在50和150 keV（即千伏辐射）之间的能量。在治疗头210内还包括射束屏蔽器件或用于对射束进行成形的准直仪（未示出）。

治疗头210耦合到构台215的凸出体（projection）。构台215在成像和/或辐射治疗之前、期间和之后可绕着构台轴220旋转。如箭头225所指示的，根据某些实施例，构台215可以顺时针或逆时针旋转。构台215的旋转用于使治疗头210绕着轴220旋转。

在成像或辐射治疗期间，从治疗头210作为发散射束（即圆锥体）来发射辐射束。该射束朝着线性加速器 205的等中心点发射。该等中心点位于射束轴230与构台轴220的交点处。由于辐射射束的发散和由上述射束成形器件进行的射束的成形，该射束可以向一定体积的射束对象250而不是仅向等中心点输送辐射。

在治疗期间，可以操作线性加速器205，使得从而发射的每个治疗射束表现出期望的强度（例如在监视器单元（MU）中表示的）和孔径（即至少部分地由上述准直仪确定的横截面形状），并且从期望的构台角度输送。射束的强度、孔径和构台角度由治疗计划指定，并且控制软件可以将线性加速器205配置成通过在期望的时刻从期望的角度输送期望强度和形状的射束来自动地执行此类治疗计划。

工作台245在成像和/或辐射治疗期间支撑射束对象250。工作台245可以是可调整的以帮助将射束对象250的治疗等中心点定位于线性加速器205的等中心点处。工作台245还可以用来支撑被用于此类定位、用于校准和/或用于检验的器件。

激光器280、282和284可以发射射束，该射束如果不受阻碍的话在线性加速器205的等中心点处交叉。激光器280、282和284可以共享与***100的激光器152、154和156相同的相对定位。因此，如果如上所述用纹身标记的病人被设置为使得来自激光器280、282和284的射束拦截纹身，则治疗等中心点将位于线性加速器205的等中心点处。将基于物理特征（即纹身）的这两个位置的对准称为配准。

成像设备235可以在辐射治疗之前、期间和/或之后获取图像。例如，成像设备235可以用来获取图像，该图像用来生成治疗计划、并用于目标体积位置及将向其输送辐射的内部病人门静脉（portal）的检验和记录。

可以以任何方式将成像设备235附着于构台215，包括经由可延伸和可缩回的外壳240。构台215的旋转可以促使治疗头210和成像设备235绕等中心点旋转，使得等中心点在旋转期间保持位于治疗头210与成像设备235之间。

成像设备235可以包括用以基于接收到的兆伏光子辐射来获取图像的任何***。在线性加速器205能够经由射束线改性或其他技术（例如经由用于发射千伏辐射的单独可旋转头）来产生千伏光子辐射的情况下，成像设备235还可以基于此类千伏辐射来获取图像。在某些实施例中，成像设备235是使用闪烁器层和以二维阵列部署的固态非晶硅光电二极管的平板成像设备。在操作中，闪烁器层接收光子并与接收到的光子的强度成比例地产生光。光电二极管的阵列接收光并将接收到的光的强度记录为存储电荷。

在其他实施例中，成像设备235在不要求闪烁器层的情况下将接收到的光子转换成电荷。该光子直接被非晶硒光电导体的阵列吸收。光电导体将光子直接转换成存储的电荷。成像设备235还可以包括CCD或基于管的照相机（tube-based camera）。此类成像设备235可以包括不透光外壳，在其内部设置了闪烁器、反射镜和照相机。

由成像设备235产生（develop）和存储的电荷表示由从治疗头210发射的射束产生的辐射场的每个位置处的辐射强度。由于对象250位于治疗头与成像设备235之间，所以特定位置处的辐射强度表示组织沿着治疗头210中的辐射源与特定位置之间的发散线的衰减特性。由成像设备235获取的辐射强度组因此可以包括这些组织的二维投影图像。

操作员控制台260包括用于从操作员接收指令的输入设备265和输出设备270，其可以是用于呈现线性加速器 205和成像设备235的操作参数的监视器，用于接收指令和/或获取图像的接口。输出设备270还可以呈现二维投影图像、基于根据三维图像确定的多个二维投影图像和/或二维“切片”图像构造的三维兆伏（或千伏）锥形射束图像。

输入设备265和输出设备270耦合到处理器275和存储器280。处理器275可以执行程序代码以执行在此所述的任何操作和/或促使线性加速器 205执行在此所述的任何操作。

根据某些实施例，存储器280可以存储用以生成和/或修改治疗计划的程序代码。此类代码可以包括由西门子医疗解决方案（Siemens Medical Solutions®）出售的SyngoRT™套装或KONRAD^TM治疗计划***。因此，存储器280还可以依照任何当前或此后已知的格式来存储辐射治疗计划。该治疗计划可以包括可由***200的元件自动地执行以提供辐射治疗部分的脚本。每个治疗计划的每个部分可以要求相对于治疗头210以特定的方式对病人进行定位。

操作员控制台260可以在除治疗***200之外的房间中，以便保护其操作员免受辐射。例如，可以对治疗***200进行严密地（heavily）屏蔽，诸如混凝土穹顶，以便保护操作员免受由线性加速器 205产生的辐射。

图3是根据某些实施例的治疗***300的元件的方框图。可以用硬件、软件和/或固件的任何适当组合来实现所说明的元件。可以用一个或多个单独计算***来实现操作员控制台260。

如所示，操作员控制台260包括用于与治疗***200的其他元件对接的多个元件。具体地，操作员控制台260包括准直仪接口261、射束接口262、构台接口263、工作台接口264以及成像设备接口266。操作员控制台260可以通过接口并基于从处理器275接收到的指令来控制各种元件。

准直仪接口261可以用来控制准直仪300的打开、关闭和旋转。射束接口262可以基于期望的射束特性来控制线性加速器 205的射束控制元件207。特别地，射束接口262可以控制用于控制注入器电流的触发信号和RF功率信号以生成具有特定能量的治疗射束或成像射束。

接口261、262、263、264和266可以包括专用硬件和/或软件接口，并且接口261、262、263、264和266中的一个或多个可以由单个接口来实现。例如，接口261至263可以由单个以太网接口来实现，并且接口264和266可以由用于与工作台245和成像设备235对接的专有接口来实现。

根据某些实施例，处理器275执行存储在存储器280中的处理器可执行程序代码以提供操作。存储器280可以包括任何有形介质，包括但不限于固定盘（fixed disk）、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、闪速驱动器或磁带。根据某些实施例，该程序代码可以包括用以如上所述地生成一个或多个治疗计划285的治疗计划应用281、以及用以执行治疗计划285中的一个的***控制应用282。

如下文将描述的，治疗计划可以基于存储器280的磁共振图像283和锥形射束CT图像284生成。例如，MRI扫描仪110可以获取病人体积的三维磁共振图像，其然后被存储在存储器280中。接下来，***200可以获取病人体积的锥形射束CT图像并将锥形射束CT图像存储在存储器中。然后可以基于两个图像针对病人体积生成治疗计划。下面将提供此类过程的附加细节。根据某些实施例，包括处理器（例如专用计划***）的单独计算机***可以执行程序代码以如在此所述地生成治疗计划。

治疗计划285可以符合任何当前或此后已知的格式。治疗计划285可以包括可由线性加速器205和治疗工作台245自动地执行以提供辐射治疗部分的脚本。每个治疗计划285可以要求相对于治疗头210以特定方式对病人进行定位。

根据某些实施例的硬件环境可以包括比图1至3所示的那些更少或更多的元件。另外，实施例不限于所说明的设备和/或所说明的环境。

图4是根据某些实施例的过程400的流程图。过程400和在此所述的其它过程可以使用硬件、软件或手动装置的任何适当组合来执行。体现这些过程的软件可以用任何有形介质来存储，包括但不限于固定盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、闪速驱动器或磁带。下面将相对于***100和200的元件来描述这些过程的示例，但是实施例不限于此。

最初，在S410处，使用磁共振成像扫描仪来获取病人体积的三维图像。在S410处采用采用磁共振成像的基本原理的任何***。如上所述，通过施加强磁场、选择性地激活射频场并检测从病人体积发射的结果得到的信号来获取图像。提供磁场梯度以产生三维位置信息。可以将所获取的三维图像存储在存储器128中以便稍后传输至治疗计划***。

在S420处基于在S410处获取的三维图像来记录病人的治疗等中心点。在某些实施例中，临床医生操作控制台120以评估三维图像以识别治疗等中心点。此类评估可以包括对三维图像的二维切片的检查。在一个示例中，临床医生在三维图像中对肿瘤进行定位并选择肿瘤的中心作为治疗等中心点。然后在S430处记录（即保存）此位置以供使用。

具体地，该位置在S430处用来使治疗等中心点与线性加速器的等中心点配准。S430处的配准一般包括将治疗等中心点放置在与线性加速器等中心点相距已知距离和方向处。根据某些实施例，并且如上所述，将激光器152、154和156定位为朝着病人140发射光束，如果被想象无麻烦地延伸到病人体积中，则其将全部在治疗等中心点处交叉。纹身被放置在其中每个射束拦截病人的皮肤的点上。

然后病人移动至包括线性加速器（例如线性加速器 205）和激光器（例如激光器280、282和284）的治疗室，其被定位为使得其射束在线性加速器 205的等中心点处交叉。病人被放置为使得来自激光器280、282和284的射束拦截纹身，以便使治疗等中心点与线性加速器 205的等中心点配准。如本领域中已知的，可以执行用以对配准进行细微调整的附加步骤（例如门静脉成像等）。

接下来，在步骤S440处，使用由线性加速器发射的锥形射束辐射来获取病人体积的第二三维图像。根据某些实施例，病人在S440期间仍处于在S430处确定的位置。虽然在S440处可以使用千伏辐射，诸如在常规CT扫描中，但兆伏辐射更适合于获取表示电子密度的图像，因为此类成像主要基于Compton交互。相反，千伏成像起因于Compton和光电交互的混合物。

如所已知的，三维锥形射束CT图像的获取包括使构台215旋转至病人体积周围的各种位置，并且在每个位置处发射辐射以获取病人体积的二维投影图像。将重构算法应用于所获取的投影图像以生成三维锥形射束CT图像。

鉴于线性加速器 205的成像几何结构，和成像设备235的有限尺寸，投影图像的视场可能未足够大以包括整个病人，并且结果重构的图像将被截断。然而，剂量计算要求射束将与之相交互的所有组织的电子密度。

因此，在某些实施例中，S440在扩展的视场获取模式下继续进行，如本领域中所已知的。一般地，成像设备的成像面板横向地偏移，并且如上所述地获取投影图像。线性加速器的成像面板被定位为使得从线性加速器发射的锥形射束辐射的中心射线在投影图像的获取期间不与成像面板的中心交叉。

三维磁共振图像促进组织的描绘，三维锥形射束CT图像提供电子密度信息，并且由于在S430处的配准，可以使图像在空间上彼此相关。因此，如下文相对于S450和S460将描述的，根据某些实施例，三维磁共振图像和三维锥形射束CT图像可以用来生成治疗计划。实施例不限于S450和S460。

在S450处基于第一三维图像来定义病人体积内的多个子区域。可以由临床医生操作控制台120、控制台260或任何其他计算设备来定义该区域。例如，显示第一三维图像和/或其切片且临床医生（或自动化算法）使用显示的图像来定义病人体积的各种子区域。

图5示出根据某些实施例的可以在S450处显示的三维磁共振图像的切片510。如上所述，磁共振图像表现出人体的不同软组织之间的良好对比。此对比促进如图像520中所示的区域522、524、526和528的定义。在本示例中，区域522表示治疗目标且区域524、526和528表示危及器官（即视神经和交叉）。

接下来，在S460处，基于第二三维图像来确定与所述多个子区域中的每一个相关联的辐射剂量。例如，可以将第二三维图像传送至执行S450的计算设备，或者如在图2和3的示例中，控制台260可以操作以执行S450和S460。

继续本示例，图5的图530是在S440处获取的三维锥形射束CT图像的切片。轮廓532、534、536和538以图形方式覆盖到图像530上以说明在S450处定义的子区域。S430的配准促进轮廓在图像530上的准确定位。此外，可以采用基于特征的配准来保证两个图像数据集的适当对准。

图像540说明对应于病人体积内的给定一个或多个治疗射束的所计算的剂量。剂量计算使用图像530的电子密度信息，并相对于子区域532、534、536和538来执行。最后，图像550说明在磁共振图像510上所计算的剂量信息的覆盖。现在已知剂量和感兴趣区域，临床医生可以使用图像550和/或540来生成治疗计划，如在本领域中已知的。

应注意的是上述过程消除了用于获得电子密度数据的单独CT扫描仪的需要。另外，当使用兆伏辐射来获取锥形射束CT图像时，上述过程提供比使用常规CT图像来计算剂量的***更准确的剂量计算。

与在上述背景技术中提到的***相反，某些实施例仅要求包括目标和危及器官的子区域的定义。不需要定义诸如骨的附加组织。此外，提供了实际电子密度信息而不是默认值以用于剂量计算。

在某些实施例中，使用正电子发射断层显像（PET）来获取另一三维图像。PET成像包括由在生物活性分子上被引入人体中的正电子发射放射性核素（示踪物）间接地发射的伽玛射线对的检测。所检测的对被用来构造病人体积内的示踪物浓度的三维图像。根据所使用的示踪物，该浓度可以表示组织代谢活动。在S450处与三维磁共振图像相组合地使用此PET图像以帮助定义子区域。

根据某些实施例，在通常在治疗计划生成前面的冲突测试期间执行S440。在这方面，在磁共振成像之后，临床医生可以能够估计在辐射治疗期间应如何对病人进行定位以及治疗工作台的位置。因此，可以通过使构台完全绕病人和工作台旋转来执行冲突测试以确定任何构台角度是否由于潜在冲突而不可使用。通过在此类测试期间执行S440，可以在体验在此所述的益处的同时基本上保持常规治疗工作流程。

本领域的技术人员将理解的是在不脱离权利要求的范围和精神的情况下可以配置上述实施例的各种改写（adaptation）和修改。因此，应理解的是，除如在在此具体描述的之外，可以实施权利要求。

Claims (13)

1.一种方法，包括：

使用磁共振成像扫描仪（110）来获取病人体积的第一三维图像（510）；

使用由线性加速器（205）发射的锥形射束辐射来获取病人体积的第二三维图像（530）；以及

基于第一图像和第二图像来生成辐射治疗计划（S450、S460）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，生成辐射治疗计划包括；

基于第一三维图像在病人体积内定义（S450）多个子区域（522、524、528）；以及

基于第二三维图像来确定（S460）与所述多个子区域中的每一个相关联的辐射剂量。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

使用正电子发射断层显像扫描仪来获取第三三维图像，

其中，基于第一图像和第二图像来生成辐射治疗计划包括基于第一图像、第二图像和第三图像来生成辐射治疗计划。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，由线性加速器发射的锥形射束辐射包括兆伏辐射。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，由线性加速器发射的锥形射束辐射包括千伏辐射。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用由线性加速器发射的锥形射束辐射来获取病人体积的第二三维图像包括；

通过将线性加速器的成像面板（235）定位为使得从线性加速器发射的锥形射束辐射的中心射线不与成像面板的中心交叉来获取至少一个投影图像。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于第一三维图像来记录病人的治疗等中心点；以及

使病人的治疗等中心点与线性加速器的等中心点配准，

其中，在使病人的治疗等中心点与线性加速器的等中心点配准的同时获取第二三维图像。

8.一种***，包括：

磁共振成像扫描仪（110），其用以获取病人体积的第一三维图像（510）；

线性加速器（205），其用以发射锥形射束辐射以获取病人体积的第二三维图像（530）；以及

第一计算设备（260），其用以基于第一图像和第二图像来生成辐射治疗计划。

9.根据权利要求8所述的***，其中，辐射治疗计划的生成包括：

基于第一三维图像在病人体积内定义（S450）多个子区域；以及

基于第二三维图像来确定（S460）与所述多个子区域中的每一个相关联的辐射剂量。

10.根据权利要求8所述的***，还包括：

正电子发射断层显像扫描仪，其用以获取第三三维图像，

其中，辐射治疗计划的生成包括基于第一图像、第二图像和第三图像来生成辐射治疗计划。

11.根据权利要求8所述的***，其中，由线性加速器发射的锥形射束辐射包括兆伏辐射。

12.根据权利要求8所述的***，其中，使用由线性加速器发射的锥形射束辐射来获取病人体积的第二三维图像包括；

通过将线性加速器的成像面板（235）定位为使得从线性加速器发射的锥形射束辐射的中心射线不与成像面板的中心交叉来获取至少一个投影图像。

13.根据权利要求8所述的***，还包括：

第二计算设备，其用以基于第一三维图像来记录病人的治疗等中心点，

其中，在使病人的治疗等中心点与线性加速器的等中心点配准的同时获取第二三维图像。

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