用于体积图像引导的适应性放射治疗的实时、在线和离线治疗剂量追踪和反馈过程的制作方法

专利名称：用于体积图像引导的适应性放射治疗的实时、在线和离线治疗剂量追踪和反馈过程的制作方法
用于体积图像引导的适应性放射治疗的 实时、在线和离线治疗剂量追踪和反馈过程
申请人根据35 U.S.C. § 119(e)的规定要求1 )于2006年5月25日 提交的美国临时专利申请序列号60/808,343和2)于2007年1月18日 提交的美国临时专利申请序列号60/881,092的优先权，它们的内容均全 文引用于此作为参考。
背景技术：
发明领域
本发明大体上涉及图像引导的放射治疗，特别地，本发明涉及体积 (volumetric )图像引导的适应性放射治疗。
相关4支术讨论
目前，在线的治疗剂量(dose)构建(construction)和估计包括入 口 (portal)的前剂量(ex-dose)重构以对传统线性加速器上的治疗剂 量进行重构。特别地，使用MV入口成像器对出射剂量(exit dose)进 行测量来估计患者体内的治疗剂量。然而，该方法还没有被用于患者治 疗剂量的构建，原因在于该剂量重构方法缺少治疗期间的患者解剖 (anatomy)信息，并且难以对散射的出射剂量进行适当校准。
过去，单一的预处理(pretreatment)计算的断层摄影(tomography) 扫描已经被用于设计放射治疗的患者治疗计划。由于诸如例如器官运 动、收缩和变形之类的患者变化的缘故，使用这样的单一预处理扫描会 导致很大的计划目标空白(target margin)以及正常组织剂量的不确定 性，这些从治疗疗程(treatment session)开始到治疗疗程结束都会发生。
发明简述
本发明的一个方面涉及一种用于放射治疗的系统，其包括生成对象 的感兴趣区域的体积图像数据的成像系统，以及根据参考计划向所述对 象的感兴趣区域发射治疗放射射束的放射源。所述用于放射治疗的系统 进一步包括处理系统，其接收并评估所述体积图像数据以及所述治疗放
9射射束的至少 一个参数以提供实时、在线或离线的评估以及所述参考计 划的在线或离线修改。
本发明的第二方面涉及一种利用放射来治疗对象的方法，其包括生 成对象的感兴趣区域的体积图像数据，以及根据参考计划向所述对象的 感兴趣区域发射治疗放射射束。所述方法进一步包括对所述体积图像数 据以及所述治疗放射射束的至少 一个参数进行评估以提供实时、在线或 离线的评估以及所述参考计划的在线或离线的修改。
本发明的第三方面涉及 一 种用于放射治疗的计划和控制系统，其包
括用于对对象的感兴趣区域的体积图像以及根据参考计划送往(direct towards )所述对象的感兴趣区域的治疗放射射束的参数进行捕捉和评估 以便提供实时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线修改 的系统。所述系统进一步包括根据体积图像和治疗放射射束的所捕捉参 数中的 一个或多个来显示信息的监视器。
本发明的第四方面涉及一种对放射治疗疗程进行计划和控制的方 法，所述方法包括对对象的感兴趣区域的体积图像以及根据参考计划送 往所述对象的感兴趣区域的治疗放射射束的参数进行捕捉和评估以便 提供实时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线修改。所 述方法进一步包括根据体积图像和治疗放射射束的所捕捉参数中的一 个或多个来显示信息。
本发明的第五方面涉及一种用于放射治疗的系统，其包括:故编程为 在对象在线时的实时时间段内根据参考计划向对象的感兴趣区域发射 治疗放射射束的放射源。所述系统进一步包括成像系统，所述成像系统 在对象在线时的实时时间段内生成所述对象的感兴趣区域的在线体积 图像数据，以及在非实时的离线时间段内生成所述对象的感兴趣区域的 离线体积图像数据。所述系统进一步包括接收并处理在线和离线体积图 像数据中的一个或多个以改变所述参考计划的处理系统。
本发明的第六方面涉及一种利用放射对对象进行治疗的方法，其包 括计划在对象在线时的实时时间段内根据参考计划向对象的感兴趣区 域发射治疗放射射束。所述方法包括在对象在线时的实时时间段内生成 所述对象的感兴趣区域的在线体积图像数据，以及在非实时的离线时间 段内生成所述对象的感兴趣区域的离线体积图像数据。所述方法进一步 包括根据在线和离线体积图像数据中的一个或多个来改变所述参考计
10划。
本发明的第七方面涉及一种形成入口图像的方法，该方法包括形成
感兴趣对象的二维图像并且将准直器(collimator)部件的图像叠加 (superimpose)在所述二维图像上。所述图像表示所述准直器部件在放 射治疗射束要被送往所述感兴趣对象时所处的位置。
本发明的 一 个或多个方面提供了以下优势提供在线和离线的治疗 剂量重构和治疗决策工具，所述治疗决策工具提供了实时、在线和离线 治疗评估以及参考计划的在线或离线的修改。
当结合附图阅读以下的描述和所附权利要求时，本发明的其它目 标、优势和特征将变得^f艮明显。


图1示意性示出了根据本发明的放射治疗系统的实施例，其采用了 剂量追踪和反馈过程以及对累积治疗剂量的自动构建、估计和评估以及 用于适应性计划优化的患者解剖和剂量反馈的可能工作流程；
图2a-c示出了要被用于图1的用于执行剂量追踪和反馈的放射治 疗系统的机载(onboard)成像系统和/或放射治疗系统的各种实施例；
图3a-b提供了形成kV入口图像的可能过程的直观表示；
图4a-b示出了具有感兴趣器官的射束方向牙见图(beam eye view) 的kV入口图像和参考图像；
图5示出了质量保证工作站上的可能图像，其示出具有用于日kV 入口图像的位置/体积追踪图的kV入口图像；
图6是用于形成图3-5中任一kV入口图像的步骤序列的流程图7示出了要用于图1-2的系统的放射治疗过程的实施例。
发明的优选实施例
根据本发明，在图1-7中示出了诸如锥形射束(cone beam)计算 机化断层摄影(CBCT)图像引导的适应性放射治疗(IGART)系统100 之类的体积图像引导的适应性放射治疗系统，以及用于对日累积治疗剂 量进行自动构建和评估的相应工作流序列，其中相同的部件由相同的附 图标记来表示。如图1所示，CBCTIGART系统100包括多个主要系统 1 )诸如x射线锥形射束计算断层摄影系统200之类的三维体积成像系统，2)兆伏成^f象系统300,包括放射治疗源，例如线性加速器302和成 像器304, 3 ) kV入口成像器处理器/软件系统400和4)治疗剂量追踪 和反々赍系统600，以下对其中的每一个进行讨论。
三维体积成像系统
锥形射束计算断层摄影系统200的机械操作与传统的计算断层摄影 系统类似，区别在于通过源和检测器少于两次的旋转(优选为 一次旋转) 来获得整个体积图像。与传统的计算断层摄影中所使用的一维(l-D) 检测器不同，这可能通过使用二维(2-D)检测器来进行。
美国专利号6,842,502中描述了一种已知锥形射束计算断层摄影成 像系统的示例，其全部内容结合于此作为参考。该专利描述了包括千伏 x射线管以及具有无定形硅检测器阵列的平板成像器的锥形射束计算断 层摄影成像系统的实施例。当患者躺在治疗台上时，所述x射线管和平 板成像器绕患者一致地旋转以便拍摄多个图像，如先前所描述的那样。
如图2a-c所示，图示了要用于本发明的各种体积成像系统。虽然 以下讨论将要描述图2a的锥形射束计算断层摄影系统200和兆伏入口 成像系统300，但是该讨论可同样应用于图2b-c的扫描槽(slot)锥形 射束计算断层摄影和兆伏入口成像系统。图2a示出了壁装式锥形射束 计算断层摄影系统200和兆伏入口成像系统300，它们适于与以英国 Cmwley的Elekta的Synergy的商标销售的锥形射束计算断层摄影系统 和兆伏入口成像系统一起使用。这样的系统200和300在2007年4月 12日提交的题为 "Scanning Slot Cone-Bean Computed Tomography and Scanning Focus Spot Cone-Beam Computed Tomography"的未决的美国专 利申请序列号11/786,781中被描述，其全文结合于此以供参考。
锥形射束计算断层摄影系统200包括安装在台架(gantry) 208上的 诸如x射线管202之类的x射线源、旋转准直器204和平板成像器/检测 器206。如图2a所示，平板成像器206能够被安装于医学线性加速器 302的台架208的平的、圓形可旋转鼓(drum) 210的表面，其中x射 线管202所产生的x射射束212与放射治疗源302所产生的治疗射束306 近似正交。注意，将x射线管和成像器安装于可旋转鼓的示例在美国专 利号6,842,502中#1描述，其全文引用于此以供参考。
注意，检测器206可由半导体传感器的二维阵列所构成，所述半导体传感器均可由无定形硅(a-Si:H)和薄膜晶体管制成。对来自每个传 感器的模拟信号进行积分(integrate)并数字化。数字值被传送到数据 存储服务器102。
在来自准直器204的扇形束横贯(traverse )患者P的宽度并且以上 述方式撞击整个检测器206之后，计算机234指示鼓210进行旋转以使 得x射线源202、准直器204和检测器206绕患者P旋转到另 一位置， 以使得上述扫描过程能够被重复并且生成另一个二维投影。x射线源 202、准直器204和检测器206继续上述旋转直至获取了用于形成锥形 射束计算断层摄影图像的足够数量的二维图像。为此将需要少于两次的 旋转(预计也能够从少于360。的旋转来形成图像)。在计算机234中对 来自每个位置的二维投影进行组合以生成要以与之前所描述的锥形射 束计算断层摄影类似的方式在显示器236上显示的三维图像。
虽然准直器208的上述实施例是旋转的，但是可以如2007年4月 12日提交的题为 "Scanning Slot Cone-Bean Computed Tomography and Scanning Focus Spot Cone-Beam Computed Tomography"的未决的美国专 利申请序列号11/786,781中所描述的那样替代性地使用线性移动的准直 器，所述专利申请全文引用于此以供参考。
旋转治疗源和成像器
如图2a所示，系统300包括诸如线性源302之类的独立放射治疗x 射线源以及独立安装于旋转鼓210的检测器/成像器304。源302以高于 x射线管202的功率进行操作从而允许对躺在可移动台210 (可经由计 算机234在x、 y和z方向上进行移动)上的患者体内的目标体积进行治 疗。线性源302生成x射射束或诸如光子、质子或电子之类的粒子，所 述粒子具有从4MeV到25 MeV变动的能量。
如以上所提到的，所述粒子被用来治疗患者的特定感兴趣区域，例 如瘤。在到达所述感兴趣区域之前，粒子束通过多叶准直器308而#:成 形为具有特定的截面区域。选择所述截面区域以使得粒子束与待治疗的 感兴趣区域交互而不是与患者的健康区域交互。可通过成像器304以已 知的方式对穿过感兴趣区域的放射进行成像。
体积成像系统以及放射源和成像器的可替换实施例
13图2b示出了锥形射束计算断层摄影系统200a和兆伏入口成像系统 300a的另一实施例。在该实施例中，系统200a和300a可适于与以加利 福尼亚Palo Alto的Varian Medical Systems的Trilogy的商标出售的锥形 射束计算断层摄影系统和兆伏入口成像系统一起使用。系统200a包括 与图2a的实施例中所使用的相类似的x射线管202、旋转准直器204和 平板成像器/检测器206。与图2a的安装在鼓上的系统200不同，x射线 管202和准直器204被安装在臂214上，所述臂214通过枢轴安装到系 统300a的支架(support) 308。类似地，平板成像器206安装在臂216 上，所述臂216安装到支架308。
如图2a的实施例，图2b的x射线管202所产生的x射射束212与 放射治疗源302所产生的治疗射束304近似正交。如图2b所示，系统 300包括与之前针对图2a所描述的相似的线性源302和检测器306。因 此，线性源302生成x射射束或诸如光子或电子之类的粒子束，所述粒 子具有从4 MeV到25 MeV变动的能量以便允许对躺在可移动台210(可 经由计算机234在x、 y和z方向上进行移动)上的患者体内的目标体积 进行治疗。与图2a的安装在鼓上的系统300不同，线性源302和检测 器306利用支架308来连接。
图2c示出了扫描槽锥形射束计算断层摄影系统200c的另一实施 例。在该实施例中，系统200c包括与图2a的实施例中所使用的那些相 似的千伏x射线管202、旋转准直器204和平板成像器/检测器206。与 图2a的安装在鼓上的系统200不同，x射线管202和准直器204安装在 C型臂218的一端，而平板成像器206安装在C型臂218的另一端。C 型臂218安装到可移动基座220上以使得其能够关于图2c所示的轴A 和B进行转动(pivot)。
治疗剂量追踪和反馈系统
如图l所示，治疗剂量追踪和反馈系统600包括工作站或数据服务 器110,其包括用于对从服务器102所接收的由锥形射束计算断层摄影 系统200所生成的患者的三维体积图像执行分割/酉己准(registration)过 程的处理器。工作站110能够识别和配准每个体积图像内的每个图像数 据体积。这样的识别和配准考虑到从一个治疗疗程到另 一治疗疗程对相
同的图像数据体积进行位置追踪。
14治疗剂量追踪和反馈系统600进一步包括工作站或数据服务器 112,其包括处理器，所述处理器专用于根据参考计划502基于1)工作 站110所执行的分割/配准过程和2 )从源302所发射的放射射束在其撞 击患者时被测量并存储在服务器102中的参数来执行治疗剂量构建过 程，所述参数例如所述射束的角位置、射束能量和截面形状。这样的参 数可以采样以下形式台架208的角位置、准直器308的角方向、多叶 准直器308的叶片位置、台210的位置和放射射束的能量。 一旦图像数 据的子体积的位置和形状已知，就可以根据从源302发射的放射射束在 其撞击患者时的上述参数来确定/构建每个相同子体积所接收的治疗剂 量。对用于系统200所生成的每个体积图像的每个图像数据子体积进行 这样的确定。
所述治疗剂量追踪和反馈系统600进一步包括工作站或数据服务器 114,其包括处理器，所述处理器专用于执行适应性计划过程，其能够1) 根据离线或在线信息以实时方式对特定日的放射治疗处理进行调整或 2)根据离线信息以非实时方式对放射治疗处理进行调整。所迷调整基 于工作站112所计算的剂量与治疗计划优选的剂量相差多少。注意，术 语"实时"是指放射治疗源被激活并对患者进行治疗时的时间段。术语 "在线"指当患者处于治疗台上时，而"离线"是指当患者离开治疗台 时。
总体来说，治疗剂量追踪和反馈系统600能够根据体积图像信息和 在治疗疗程期间以实时方式测量的治疗射束参数来执行实时的治疗剂 量构建和4D适应性计划。系统600还能够以非实时的方式执行适应性 计划。这样的实时和非实时时间过程将参考图7示意性示出的过程被更 为详细地描述。注意，在可替换的实施例中，所述工作站110、 112和 114能够被组合为单个工作站，其中与工作站IIO、 112和114相关联的 过程由一个或多个处理器来执行。注意，工作站112所确定的实时治疗 剂量构建和工作站114所确定的4D适应性计划能够;故显示在质量保证 (QA)评估站116的监视器117上。如果需要，医疗人员能够根据监视 器117上所显示的信息对所计算的4D适应性计划进行改变以便使其处 于可接受的参数之内。因此，QA评估站116用作确保在未来对治疗疗 程进行实时改变的置信度的方式。在这种情形中，QA评估站116以及 治疗剂量追踪和反馈系统600可:f皮共同看作4D计划和控制系统。
15根据以上对机载锥形射束计算断层摄影系统200、兆伏成像和放射
治疗系统300、 QA评估站116和考虑中的治疗剂量追踪和反馈系统600 的描述，能够理解图1的CBCTIGART系统100的操作。特别地，之前 所描述的在线体积成像信息和实时治疗射束参数能够从系统200、 300 和400捕捉并存储在数据存储服务器102中。所述体积成像信息和治疗 射束参数接着被发送到数据监视器作业(job)控制器104,所述数据监 视器作业控制器104根据预先设计的治疗日程和协议自动为工作站 110、 112和114中每一个分配任务并且控制这些任务的完成。所述任务 被存储在临时作业队列118中，以用于根据临床优先级分派给工作站 110、 112和114中每一个。所述临床优先级能够基于物理评估/决策制 定站122上的治疗评审和评估而根据临床用户的请求120进行重新分 配。此外，所述站122还提供用于治疗/计划修改决策的命令。修改服务 器124从站122接收命令并且根据从适应性计划工作站114所创建的优 化的适应性计划来修改系统300上正在进行的治疗计划、射束或患者位 置。
如图i所示，来自服务器102的原始数据还^:发送到工作站iio。
所述工作站110专用于对锥形射束计算断层摄影系统200所生成的患者 的三维体积图像执行自动分割/配准过程。来自服务器102的原始数据还 被发送到工作站112和工作站114。工作站112根据原始数据来执行日 治疗剂量和累积治疗剂量构建/评估。工作站114根据原始数据执行适应 性计划。这三个工作站110、 112和114分别以其作业队列126、 128和 130的次序自动执行它们的任务。以上所描述的分割/配准、治疗剂量构 建/评估和适应性计划随后将针对图7示意性示出的过程进行描述。
如图1所示，yyv工作站110、 112和114所生成的分割/配准、治疗 剂量构建评估和适应性计划的信息被发送到QA评估站116,如果必要， 所述QA评估站116与临床用户进行交互来对来自以上工作站110、 112 和114的结果进行验证和修改。来自QA评估站116的输出接着被存储 在所导出数据服务器102中。
QA点116向作业执行日志(log)服务器132提供更新执行状态， 所述作业执行日志服务器132提供关于当前是否进行信息处理、处理是 否完成或者是否出现错误的信息。无论工作站112和114分别在何时完 成治疗剂量构建或适应性计划修改的任务，评估站116都提供治疗评估
16信息，其包括当前治疗状态和所完成的治疗剂量以及根据来自先前治疗
的患者和治疗数据所估计的结果参数。在QA评估站116的用户接着能 够向高优先级作业请求服务器120提供命令或新的临床日程来请求新的 信息或修改临床治疗日程。此外，用户还能够决定通过服务器124执行 新的适应性计划或执行治疗/患者位置校正。
CBCT IGART系统100执行多个过程，包括经由kV入口成像处理 器/软件400进行的kV入口成像过程和图像引导的适应性放射治疗过程 500,这二者将在以下参考图3-7进行描述。
预处理过程
作为放射治疗过程如何进行的示例，假设已经在诊所经历了先前放 射治疗疗程的患者在特定日安排有另 一疗程。所述患者在所安排的那天 到达诊所并且来到与图3a所示类似的治疗室。所述治疗室包括之前参 考图2a所描述的锥形射束计算断层摄影系统200和兆伏入口成像系统 300。所述患者躺在台IIO上并且准备由医务人员进行在线治疗疗程("在 线，，被定义为当患者定位于放射治疗处理台110上所执行的事件和过 程)。
在该时间点，用于将治疗放射应用于患者的参考治疗计划在之前已 经根据先前的放射治疗疗程针对该患者得以确定。参考治疗计划是根据 要被治疗的感兴趣区域的最可能的计划体积图像而在进行治疗之前被 设计的。所述参考治疗计划包含患者设置位置、治疗机器参数和预期的 要应用于患者各区域的日剂量和累积剂量。这样的参考计划指定患者要 对暴露于放射的(一个或多个)区域以及所述(一个或多个)区域要在 单个疗程期间从放射源接收的剂量。因此，所述参考计划将包括与多叶 准直器308所形成的射束的射束角度/台架位置、射束能量和截面区域相 关的信息。根据所述参考计划，患者被指示移动到就按照参考计划向患 者的感兴趣区域实施放射而言最优的特定位置，例如他或她的侧面。当 处于所述特定位置时，在放射治疗疗程之前执行采用kV处理器/软件400 的预处理kV入口成像过程。图3 - 6示意性示出了预处理kV入口成像 过程。特别地，所述过程包括根据患者在治疗前的锥形射束计算断层摄 影图像404来形成二维投影/放射摄影图像，其中图像404包含当患者经 所述过程的步骤406而在台210上处于特定位置时的感兴趣区域。根据所述参考计划，放射源302要被移动到一个或多个位置以当所述患者处 于特定位置时在每个位置处施加放射。在放射源302的每个位置处，多 叶准直器308的叶片(leaf)将被移动以形成期望的轮廓(outline),以 用于将放射射束形成为特定的截面形状。经步骤408,确定所述叶片在 放射源的每个位置处的位置，如图3a-b的多叶片轮廓410所示意性表 示。
接着在图3b和4-6中所示的工作站110的处理器中对患者处于特 定位置时所述感兴趣区域的锥形射束计算断层摄影图像404和叶片/轮 廓410的位置进行存储和处理。这样的处理包括经步骤412,根据锥 形射束图像404将每个轮廓410叠加在二维的投影/放射摄影图像上以形 成诸如图3b和4b所示的治疗射束方向(BEV)视图kV入口图像。注 意，所述kV入口图像能够被形成为用于静态患者解剖验证的kV数字 重构放射摄影(DRR)图像或用于动态患者解剖运动(例如呼吸运动) 验证的数字重构荧光检查(fluoroscopic) (DRF)图像。在任一种情况 下，具有相应轮廓410的每个kV入口图像(例如，图4b)与根据所要 执行的实时放射治疗计划而生成的治疗参考放射摄影图像(例如，图4a) 进行比较。所述kV入口图像的诸如瘤或器官之类的一个或多个感兴趣 区域应当被相对于参考图像的相应感兴趣区域的位置位移至少预定量， 接着采取步骤对用于日治疗疗程的实时放射治疗计划进行调整。如果所 述位移在预定量之下，则不对所述实时放射计划进行调整。
除了治疗剂量之外，kV入口图^象还可以;故构建以用于如图3a-b 所示的治疗记录和验证。此外，CBCT图像上出现的感兴趣器官被自动 分割并配准到预处理CT图像中。因此，能够创建每个感兴趣器官的曰 剂量和累积剂量体积的关系。在一些实施方式中，采用数值滤波器通过 对患者解剖变化的稳态和非稳态随机过程这二者执行参数估计而对每 个感兴趣器官中的最终治疗剂量进行估计。可实施诸如最小平方估计、 基于主成分分析(PCA)的估计和奇异值分解(SVD)分析之类的用于 才羊本估计的方法。
所述估计然后被用来提供用于治疗评估和计划修改决策的信息以 确定何时开启适应性计划修改引擎。
在线、离线图像引导的适应性放射治疗计划在完成kV成像过程之后，导致初始的放射治疗计划被修改或保留， 患者被重新定位以按照修改/原始的参考计划接受放射治疗，并且如图7 示意性示出的那样执行图像引导的适应放射治疗过程500。特别地，参 考计划502经过程504被应用到线性源302以使得源302根据参考计划 502而^l移动到参考计划502中所指定的位置，并且对从源302所发射 的放射射束在撞击患者时的参数进行格式化，所述参数例如角位置、射 束能量和射束的截面形状。这样的在线和实时参数能够采用台架208的 角位置、准直器308的角定向、多叶准直器308的叶片位置、台210的 位置和放射射束的能量的形式。过程504还能够包括按照参考计划502 将多叶准直器304的各叶片移动到期望位置以使得线性源302所生成的 放射治疗射束被准直从而按照参考计划502对患者的特定形状区域进行 放射。
一旦经过程504实施了参考计划502,就能够对参考计划502进行 改变以考虑在放射治疗疗程期间所出现的各种因素。例如，过程500可 需要(entail)使得系统100经过程506对线性源302的实时、在线机器 治疗参数及其放射输出在线进行监视。过程506需要对诸如射束角度、 射束能量和射束的截面形状之类的治疗参数进行监视。这样的参数可需 要台架位置、准直器308的角位置、多叶准直器308的叶片位置、台210 的位置、射束的能量。
以上所提到的监视过程506所获得的实时、在线信息被提供给图1 的工作站112以使得其能够在在线和离线的日剂量及累积剂量构建过程 508期间得以Y吏用。
在放射治疗射束经过程504被应用于患者的同时，经由锥形射束计 算断层摄影系统200对待治疗的感兴趣区域进行成像。三维体积图像被 用于以实时和在线的方式对各个感兴趣的单独体积进行配准和追踪。在 配准和追踪之前，必须由服务器102经过程510来确定校正参数以便应 用于体积图像。所述校正参数与以下事实相关联体积图像的刚体(rigid body)分量通常由于多种因素而没有以优选方式被定向，所述因素例如 患者在台210上的位置和准直器的角位置。基于那些因素的测量，经过 程510来确定校正参数，当其被应用到三维图像时，所述图像被重定向 到优选位置。经重定向的三维图像被存储在图1的工作站102中。工作 站102包含所存储的患者的一个或多个感兴趣区域的三维图像的库。
19一旦确定了校正参数，分割可变形的(segmentation-deformable )器 官配准工作站110经过程512从服务器102接收校正参数和系统200所 生成的体积图像。工作站IIO执行过程512以便将体积图像上所出现的 患者解剖元素与关联于参考计划的参考计划体积图像上的那些元素进 行匹配。图像配准结果被用来将临床医生共同描绘的计划体积图像上的 预处理的器官轮廓映射到治疗体积图像上的对应点。适用于该过程的配 准方法是十分标准化的，例如有限元方法和图像近似度最大化方法。然 而，已经执行了许多修改来对这些方法进行优化以用于放射治疗中感兴 趣器官和CBCT图像的特定应用，例如以下出版物中所描述的1 )Liang J.等, "Reducing Uncertainties in Volumetric Image Based Deformable Organ Registration" , Med Phys, 30(8), 2003, pp.2116-2122, 2)ChiY.等， "Sensitivity Study on the Accuracy of Deformable Organ Registration Using Linear Biomechical Models" , Med Phys, 33: (2006), pp.421-33, 3 ) Zhang T.等,"Automatic Delineation of Online Head and Neck CT Images: Towards Online Adaptive Radiotherapy", International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, 68(2), (2007)pp.522-30和4 ) Yan D.等,"A Model to Accumulate Fractionated Dose in a Deforming Organ ，，， International Journal of Radiation Oncology, Biology Physics, 44(3): (1999): pp.665-675,在此将其全部内容并入作为参考。
一旦体积图像中的每个点都被追踪，该信息就被发送给工作站112, 其还经过程506接收参数。在工作站112,执行在线的日剂量和累积剂 量构建过程508。日剂量构建过程需要为实时治疗对经过程512所追踪 的体积图像内的每个图像数据体积接收的剂量进行计算和构建。在某日 的治疗疗程完成之后，将每个图像数据体积的日剂量存储在服务器102 中。每个图像数据体积的日剂量能够与从先前的治疗疗程所计算/构建的 相同图像数据体积的日剂量相结合，以使得经过程508确定每个图像数 据体积随时间的累积剂量并将其存储在服务器102中。构建日治疗剂量 和累积治疗剂量的进一步细节在以下出版物中进行了讨论1) Yan D. 等, "A Model to Accumulate Fractionated Dose in a Deforming Organ", International Journal of Radiation Oncology, Biology Physics, 44(3): (1999) pp.665-675 ， 2 ) Yan D.等，"Organ/Patient Geometric Variation in External Beam Radiotherapy and Its Effect" , Medical Physics, 28(4), (2001),
20pp.593-602和3 ) Lockman D.等, "Estimating the Dose Variation in a Volume of Interest with Explicit Consideration of Patient Geometric Variation" , Medical Physics, 27:(2000), pp.2100國2108,在此将其全部内 容并入作为参考。
如图7所示，工作站114分别在患者器官配准和治疗剂量构建过程 512和508之后执行治疗评估514。治疗评估有两个目的，(a)确定当 前实施的治疗是否与先前针对治疗质量保证所计划的相同；和(b)通 过包括所观察和量化的患者解剖/剂量变化对正在进行的治疗计划进行 修改，从而对治疗结果进行优化。这样的治疗评估514能够被实时、在 线和离线地执行。
最终的治疗剂量和结果估计被用来提供用于治疗评估和计划修改 决策的信息以确定何时经图7的过程514开启适应性计划修改引擎。数 值滤波器被用来通过对患者解剖变化的稳态和非稳态随机过程这二者 执行参数估计来对每个感兴趣器官中的最终治疗剂量进行估计。实施诸 如最小平方估计(LSE)、基于主成分分析(PCA)的估计和奇异值分 解(SVD)估计之类的用于样本估计的方法。将这些滤波器用于不同治 疗位置的器官几何学和剂量估计在以下文档中进行了详细讨论1 ) Yan D.等,"Organ/Patient Geometric Variation in External Beam Radiotherapy and Its Effect" , Medical Physics, 28(4), (2001), pp.593國602， 2 )Lockman D. 等, "Estimating the Dose Variation in a Volume of Interest with Explicit Consideration of Patient Geometric Variation" , Medical Physics, 27:(2000), pp.2100-2108, 3 ) Sohn M.等，"Modeling Individual Geometric Variation Based on Dominant Eigenmodes of Organ Deformation: Implementation and Evaluation" , Phys Med Biol, 50: (2005) pp.5893-908和4 ) Yan D.等， "Image-Guided/Adaptive Radiotherapy" , Medical Radiology-Radiation Oncology, Volume: New Technologies in Radiation Oncology, Edited by W. Schlegel, T. Bortfeld and AL Grosu, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Hong Kong, (2005) ISBN 3國540國00321-5，在此将其全部内容并 入作为参考。
治疗评估的第 一任务与工作站112经过程514执行的治疗实施和计 划比较相关。如果所述比较示出特定图像子体积的日治疗剂量或累积治 疗剂量与相应子体积的日计划剂量和累积计划剂量处于特定容限
21(tolerance )之夕卜(参见Yan D.等，"A New Model foi 'Accept Or Reject' Strategies in On-Line and Off-Line Treatment Evaluation" , International Journal of Radiation Oncology, Biology Physics， 31(4): (1995) pp.943-952, 其全文结合于此以供参考)，于是这意味着当前实施的参考计划需要在 当前的治疗疗程期间进行修订。注意，能够对以上所描述的感兴趣子体 积的日剂量和累积剂量在诸如图7的监视器117上以与图5底部所示的 图类似的方式进行及时追踪/显示。
除了对剂量进行比较，通过经先前图6所描述的过程形成kV入口 图像来测试要关于治疗射束进行治疗的感兴趣区域的定位。如果实时的 kV入口图像与参考入口图像相比较并且发现所述实时kV入口图像的感 兴趣子体积相对于参考入口图像中的相应子体积在位置上位移或者在 形状上变形处于特定容限之外，则所述参考计划在该实例中也需要被改 变，例如调整多叶准直器的叶片。注意，以上所描述的感兴趣子体积的 位置能够如图5底部的图所示的那样被及时追踪/显示，其中从一个曰治 疗疗程到另 一 日治疗疗程对特定子体积的x、 y和z位置进行追踪。
如果以上所述的比较处于相应容限之外，则在在线或离线的适应性 计划优化过程516中执行参考治疗计划的修订。适应性计划优化与传统 的放射治疗计划有所不同，其中仅使用预处理计算断层摄影图像数据。 而适应性计划旨在利用来自患者解剖/剂量追踪的个体治疗历史作为反 馈以对治疗控制参数进行优化。适应性计划优化技术的示例在以下出版 物中有所描述1) Yan D.等，"An Off-Line Strategy for Constructing a Patient-Specific Planning Target Volume for Image Guided Adaptive Radiotherapy of Prostate Cancer" , International Journal of radiation Oncology, Biology Physics, 48(1), (2000) pp.289-302， 2 ) Birkner M.等，
"Adapting Inverse Planning to Patient and Organ Geometrical Variation: Algorithm and Implementation" , Med Phys, 30(10): (2003), pp. 2822-2831 ， 3 ) Yan D.等，"On-Line Adaptive Strategy for Dose Per Fraction Design", Proceeding ， Xlllth International Conference on The Use of Computers in Radiotherapy, Heidelberg, Germany(2000), pp.518-520和4 ) Yan D.等，
"Strategies for Off-Line and On-line Image Feedback Adaptive Radiotherapy",编辑BK Paliwal, DE Herbert, JF Fowler, MP Mehta, Biological & Physical Basis of IMRT & Tomotherapy, AAPM SymposiumProceeding No. 12, 2002, pp. 139-50。
注意，以上关于图7所描述的过程能够包括通过捕捉来自系统200 的数据体积图像数据和在生成治疗射束期间的治疗射束参数信息而获 得的实时数据/信息。这样的实时信息能够经过程506、 508、 510、 512 来处理并且在过程514中 f皮用来确定是否应当"实时"修订治疗计划。 如果确定了建议进行修订，则所述实时数据/信息能够与根据先前的治疗 疗程所确定的感兴趣体积的位置/形状信息和之前的剂量信息(离线信 息)结合使用来重新制定治疗计划。
虽然以上描述论证了 "实时"数据/信息如何能够被用来通过图7 的过程对治疗计划进行修订，但是该描述可同样应用于非实时的适应性 治疗。在这种情况下，过程506、 508、 510和512使用来自先前治疗疗 程的离线信息并且过程514确定未来将要使用的治疗计划是否应当寻皮 "实时"修改。
总体而言，系统100和过程500提供了体积图像引导的适应性放射 治疗，其能够实时、在线和离线执行以用于剂量构建和反馈。因此，它 们为图像引导的实时、在线和离线放射治疗提供了所有可能的反馈信 息。因此，系统100和过程500能够完全地利用个体治疗信息，所述治 疗信息主要包括在先前治疗中所实施的患者剂量，当前治疗中的患者解 剖以及为剩余治疗实施所估计的患者解剖。
以上讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员 ;[艮容易认识到，根据这些讨论和附图以及权利要求，能够在不偏离以下 权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下对其进行各种变化、修 改和改变。
权利要求
1. 一种用于放射治疗的系统，包括成像系统，生成对象的感兴趣区域的体积图像数据；放射源，根据参考计划向所述对象的感兴趣区域发射治疗放射射束；以及处理系统，其接收并评估所述体积图像数据以及所述治疗放射射束的至少一个参数以提供实时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线的修改。
2. 如权利要求l所述的系统，其中所述成像系统包括 x射线源，用于向所述对象发射x射线；以及检测器，用于接收穿过所述对象的感兴趣区域的x射线并生成信号 以生成所述对象的所述感兴趣区域的所述体积图像数据。
3. 如权利要求2所述的系统，其中所述成像系统包括锥形射束计 算断层摄影系统，其中所述检测器在扇形x射线通过所述对象的所述感 兴趣区域后接收它们，所述检测器为所述接收的扇形x射线中每一个生 成成像信号；以及计算机，被连接到所述检测器以便接收所述接收的扇形x射线中每 一个的所述成像信号，其中所述x射线源、所述槽和所述检测器绕所述 对象进行旋转以使得由所述计算机重构多个成像信号以由其生成三维 的锥形射束计算断层摄影图像。
4. 如权利要求3所述的系统，其中所述x射线源包括kVx射线源。
5. 如权利要求l所述的系统，其中所述治疗放射具有从4 MeV到 25 Mev变动的能量。
6. 如权利要求1所述的系统，其中所述参考计划指定所述对象的 要暴露于所述治疗放射射束的区域以及所述区域要在单个治疗疗程期 间从所述放射源接收的剂量。
7. 如权利要求1所述的系统，其中从包括所述治疗放射射束的角 度、所述治疗放射射束的能量和所述治疗放射射束的截面形状的组中选 择所述治疗放射射束的所述至少 一个参数。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述处理系统包括用于对所述 体积图像数据执行分割/配准过程的工作站。
9. 如权利要求1所述的系统，进一步包括用于将所述体积图像数据与从先前体积图像所取得的存储的体积图像进行比较，以使得相对于 所述存储的体积图像的对应子体积对所述体积图像的每个子体积的移 动和形状变化进行追踪的工作站。
10. 如权利要求9所述的系统，进一步包括用于为用于将所述体积图像数据与所述存储的体积图像进行比较的所迷工作站所追踪的每个 子体积构建所接收的治疗剂量的工作站。
11. 如权利要求10所述的系统，进一步包括用于将所述构建的治 疗剂量与所述参考计划所指定的优选治疗剂量进行比较的工作站。
12. 如权利要求11所述的系统，其中如果所述构建的治疗剂量和 所述优选治疗剂量处于特定容限之内，则保留所述参考计划。
13. 如权利要求11所述的系统，其中如果所述构建的治疗剂量和 所述优选治疗剂量处于特定容限之外，则改变所述参考计划。
14. 如权利要求13所述的系统，其中根据所述参考计划的所述实 时评估对所述参考计划进行改变。
15. 如权利要求13所述的系统，其中根据离线信息对所述参考计 划进行改变。
16. 如权利要求14所述的系统，其中根据离线信息对所述参考计 划进4亍改变。
17. 如权利要求l所述的系统，进一步包括用于为所述感兴趣区域 中的每个子体积构建所接收的治疗剂量的工作站。
18. 如权利要求17所述的系统，进一步包括将所述构建的治疗剂 量与所述参考计划所指定的优选治疗剂量进行比较的工作站。
19. 如权利要求18所述的系统，其中如果所述构建的治疗剂量和 所述优选治疗剂量处于特定容限之内，则保留所述参考计划。
20. 如权利要求18所述的系统，其中如果所述构建的治疗剂量和 所述优选治疗剂量处于特定容限之外，则改变所述参考计划。
21. 如权利要求20所述的系统，其中根据所述参考计划的所述实 时评估对所述参考计划进行改变。
22. 如权利要求20所述的系统，其中根据离线信息对所述参考计 划进4亍改变。
23. 如权利要求21所述的系统，其中根据离线信息对所述参考计 划进行改变。
24. —种利用放射来治疗对象的方法，包括 生成对象的感兴趣区域的体积图像数据；根据参考计划向所述对象的所述感兴趣区域发射治疗放射射束；以及对所述体积图像数据以及所述治疗放射射束的至少 一个参数进行 评估以提供实时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线的修改。
25. 如权利要求24所述的方法，其中所述生成体积图像数据包括 向所述对象发射x射线；以及检测穿过对象的所述感兴趣区域的x射线并生成信号来生成所述对 象的所述感兴趣区域的所述体积图像数据。
26. 如权利要求24所述的方法，其中所述参考计划指定所述对象 的要暴露于所述治疗放射射束的区域以及所述区域要在单个治疗疗程 期间从所述放射源接收的剂量。
27. 如权利要求24所述的方法，其中从包括所述治疗放射射束的 角度、所述治疗放射射束的能量和所述治疗放射射束的截面形状的组中 选择所述治疗放射射束的至少 一个参数。
28. 如权利要求24所述的方法，其中所述评估包括对所述体积图 像数据执行分割/配准过程。
29. 如权利要求24所述的方法，进一步包括将所述体积图像数据 与从先前体积图像所取得的存储的体积图像进行比较，以使得相对于所 述存储的体积图像的对应应子体积对所述体积图像数据的每个子体积 的移动和形状变化进行追踪。
30. 如权利要求29所述的方法，进一步包括为所追踪的每个子体 积构建所接收的治疗剂量。
31. 如权利要求30所述的方法，进一步包括将所述构建的治疗剂 量与所述参考计划所指定的优选治疗剂量进行比较。
32. 如权利要求31所述的方法，其中如果所述构建的治疗剂量和 所述优选治疗剂量处于特定容限之内，则保留所述参考计划。
33. 如权利要求31所述的系统，其中如果所述构建的治疗剂量和 所述优选治疗剂量处于特定容限之外，则改变所述参考计划。
34. 如权利要求33所述的系统，其中根据所述参考计划的所述实时评估对所述参考计划进行改变。
35. 如权利要求33所述的系统，其中根据离线信息对所述参考计 划进行改变。
36. 如权利要求34所述的系统，其中根据离线信息对所述参考计 划进行改变。
37. —种用于放射治疗的计划和控制系统，包括用于对对象的感兴趣区域的体积图像以及根据参考计划送往所述 对象的所述感兴趣区域的治疗放射射束的参数进行捕捉和评估，以便提 供实时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线的修改的系 统；以及用于根据所述体积图像和所述治疗放射射束的捕捉的参数中的一 个或多个来显示信息的监视器。
38. 如权利要求37所述的计划和控制系统，进一步包括识别并配 准所述体积图像内的每个图像数据子体积的处理器。
39. 如权利要求37所述的计划和控制系统，进一步包括根据所述 体积图像和所述治疗放射射束的所述捕捉的参数来构建治疗剂量的处 理器。
40. 如权利要求39所迷的计划和控制系统，其中所述治疗剂量是 曰治疗剂量。
41. 如权利要求39所述的计划和控制系统，其中所述治疗剂量是 累积治疗剂量。
42. 如权利要求38所述的计划和控制系统，进一步包括用于根据 所述体积图像和所述治疗放射射束的所述捕捉的参数为所述图像数据 体积中每一个构建治疗剂量的第二处理器。
43. 如权利要求42所述的计划和控制系统，其中所述治疗剂量是 曰治疗剂量。
44. 如权利要求42所述的计划和控制系统，其中所述治疗剂量是 累积治疗剂量。
45. 如权利要求37所述的计划和控制系统，进一步包括执行4D适 应性计划过程的处理器，所述4D适应性计划过程根据所述实时评估以 实时方式对特定日的放射治疗进行调整。
46. 如权利要求37所述的计划和控制系统，其中所述处理器根据所述感兴趣区域内的对象的实时位置或形状与所述对象的计划位置或 形状之间的比较来对所述治疗进行调整。
47. 如权利要求37所述的计划和控制系统，其中所述处理器根据 所述感兴趣区域内的对象的实时治疗剂量与所述对象的计划治疗剂量 之间的比较来对所述治疗进行调整。
48. 如权利要求42所述的计划和控制系统，进一步包括用于执行 4D适应性计划过程的第三处理器，所述4D适应性计划过程根据所述实 时评估以实时方式对特定日的放射治疗进行调整。
49. 如权利要求48所述的计划和控制系统，其中所述第三处理器 根据图像数据的所述子体积的实时位置或形状与图像数据的对应子体 积的计划位置或形状之间的比较来对所述治疗进行调整。
50. 如权利要求48所述的计划和控制系统，其中所述第三处理器 根据所述治疗剂量与计划治疗剂量之间的比较来对所述治疗进行调整。
51. —种对放射治疗疗程进行计划和控制的方法，所述方法包括 对对象的感兴趣区域的体积图像以及根据参考计划送往所述对象的所述感兴趣区域的治疗放射射束的参数进行捕捉和评估，以便提供实 时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线的修改；以及根据所述体积图像和所述治疗放射射束的所述捕捉的参数中的一 个或多个来显示信息。
52. 如权利要求51所述的方法，进一步包括根据所述实时评估对 放射治疗疗程进行计划和控制。
53. 如权利要求51所述的方法，进一步包括对所述体积图像内的 每个图像数据子体积进行识别和配准。
54. 如权利要求51所述的方法，进一步包括根据所述体积图像和 所述治疗放射射束的所述捕捉的参数来构建治疗剂量。
55. 如权利要求53所述的方法，进一步包括根据所述体积图像和 所述治疗放射射束的所述捕捉的参数为所述识别和配准的图像数据子 体积中每一个构建治疗剂量。
56. 如权利要求51所述的方法，进一步包括执行4D适应性计划过放射治疗进行调整。
57. 如权利要求56所述的方法，其中所述执行包括根据所述感兴趣区域内的对象的实时位置或形状与所述对象的计划位置或形状之间 的比较来对所述治疗进行调整。
58. 如权利要求56所述的方法，其中所述执行包括根据所述感兴 趣区域内的对象的实时治疗剂量与所述对象的计划治疗剂量之间的比 较来对所述治疗进行调整。
59. 如权利要求51所述的方法，其中根据离线信息对所述参考计 划进行改变。
60. 如权利要求56所述的方法，其中根据离线信息对所述参考计 划进行改变。
61. —种用于放射治疗的系统，包括放射源，被编程为在对象在线时的实时时间段内根据参考计划向所 述对象的感兴趣区域发射治疗放射射束；成像系统，用于在所述对象在线时的所述实时时间段内生成所述对 象的所述感兴趣区域的在线体积图像数据，并且在非实时的离线时间段 内生成所述对象的所述感兴趣区域的离线体积图像数据；以及处理系统，接收并处理所述在线和离线体积图像数据中的一个或多 个以改变所述参考计划。
62. 如权利要求61所述的系统，其中所述处理系统对所述在线体 积图像数据进行处理以改变所述参考计划。
63. 如权利要求61所述的系统，其中所述处理系统对所述离线体 积图像数据进行处理以改变所述参考计划。
64. 如权利要求62所述的系统，其中所述处理系统对所述离线体 积图像数据进行处理以改变所述参考计划。
65. —种利用放射对对象进行治疗的方法，包括计划在对象在线时的实时时间段内根据参考计划向对象的感兴趣 区域发射治疗放射射束；在所述对象在线时的所述实时时间段内生成所述对象的所述感兴 趣区域的在线体积图像数据，以及在非实时的离线时间段内生成所述对 象的所述感兴趣区域的离线体积图像数据；以及根据所述在线和离线体积图像数据中的一个或多个来改变所述参 考计划。
66. 如权利要求65所述的方法，其中所述改变基于所述在线体积图像数据。
67. 如权利要求65所述的方法，其中所述改变基于所述离线体积 图像数据。
68. 如权利要求66所述的方法，其中所述改变基于所述离线体积图像数据。
69. —种形成入口图像的方法，所述方法包括 形成感兴趣对象的二维图像；将准直器部件的图像叠加在所述二维图像上，其中所述图像表示所 述准直器部件在放射治疗射束要被送往所述感兴趣对象时所处的位置。
70. 如权利要求69所述的方法，其中根据体积图像形成所述二维图像。
71. 如权利要求69所述的方法，进一步包括确定所述准直器部件 在所述放射治疗射束要被送往所述感兴趣对象时所处的位置。
72. 如权利要求69所述的方法，其中所述感兴趣对象在治疗疗程 期间显著改变位置和形状并且所述二维图像是荧光检查图像。
73. 如权利要求69所述的方法，其中所述感兴趣对象在治疗疗程 期间不显著改变其位置和形状并且所述二维图像是射线摄影图像。
全文摘要
一种利用放射来治疗对象的方法，包括生成对象的感兴趣区域的体积图像数据以及根据参考计划向所述对象的感兴趣区域发射治疗放射射束。所述方法进一步包括对所述体积图像数据以及所述治疗放射射束的至少一个参数进行评估以提供实时、在线或离线的评估以及所述参考计划的在线或离线的修改。
文档编号A61B5/05GK101489477SQ200780027640
公开日2009年7月22日 申请日期2007年5月24日 优先权日2006年5月25日
发明者A·马丁内斯, 蒂 阎 申请人:威廉博蒙特医院