一种影像引导放射治疗的定位方法

专利名称：一种影像引导放射治疗的定位方法
技术领域：
本发明涉及放射治疗技术领域，特别是涉及一种影像引导放射治疗的定位方法。
背景技术：
影像引导放射治疗(IGRT，image-guided radiotherapy)将放射治疗机与成像设备结合在一起，在治疗时采集有关的图像信息，确定治疗靶区和重要结构的位置、运动，并在必要时进行位置和剂量分布的校正；该IGRT技术可用在分次治疗摆位时和/或治疗中， 用于采集图像和/或其他信号，并利用这些图像和/或信号，引导此次治疗和/或后续分次治疗。在影响治疗效果的诸多因素中，对病人的摆位、靶区位置的确定以及治疗过程中病人的运动(不由自主的运动、脏器运动带动的靶区运动)的控制，是实施精确影像引导放射治疗的关键。因此，放射治疗前或放射治疗中，需要确定病人躺在治疗床上以后，其体位或者靶区位置和放射治疗计划影像的位置是一致的。现有的定位方法，通常在每次治疗前采集病人体位的二维(例如，X线平片)或三维(例如，锥形束CT)影像，在比较所采集影像与放射治疗计划影像后，确定病人的体位误差或靶区与治疗射野之间的位置关系，并通过图像配准方法给出需要调整病人体位或者照射野的数据。所述影像采集通常由在线影像系统(On-board imaging system)来完成，所述在线影像系统的工作模式主要可以包括一、正交KV模式；本模式一般是在放射治疗加速器的机架上，沿治疗射线的正交(垂直)方向，加装一套KV级数字诊断X线影像系统来完成影像引导工作；其采用KV级诊断X线成像系统，可以得到清晰的解剖影像，具有诊断级X线影像的空间和密度分辨率，可以很好在完成对软组织靶区和器官的在线影像引导工作。但是，对于这种KV级数字诊断X线影像系统，由于其成像射线与治疗射线成垂直正交方向，并不能反映治疗机头内部件在各治疗角度时由于重力或其他因素造成的射野改变或误差；而且，成像射线和治疗射线经过的准直器等部件和结构也不相同，虽然三维的在线影像可以较好地验证和比较每次治疗时的体位差别，但由于X线影像系统并不经过治疗机头的结构，无法验证治疗靶区及周围器官与实际治疗照射野的关系，从而影响影像引导放射治疗的定位精度。二、同源MV模式。本模式一般直接采用治疗用的MV级X射线及安装在治疗机头相对位置的数字影像板组成的在线影像验证系统；其优点是成像射线与治疗射线同源，因此也经过相同的机头结构，验证影像可以很好地反映病人的体位误差、靶区和周围器官与治疗照射野的关系等；但由于其使用的MV级射线在人体组织中的作用主要为康普顿散射效应，骨结构与软组织的吸收区别相对较小，影像的组织对比度和密度分辨率均比较差，因而其成像效果远比KV级X射线影像差，也就影响了影像引导放射治疗的定位精度。总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能够提高影像引导放射治疗的定位精度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种影像引导放射治疗的定位方法，用以提高影像引导放射治疗的定位精度。为了解决上述问题，本发明公开了一种影像引导放射治疗的定位方法，包括输入步骤输入放射治疗计划图像；成像步骤利用KV级X射线采集病人的图像数据，并根据所述图像数据获取病人图像；配准步骤将所述病人图像与放射治疗计划图像进行配准；判断步骤根据配准结果判断该两种图像位置是否一致，若是，则执行治疗步骤， 否则执行调整步骤；治疗步骤利用MV级X射线对病人进行治疗，其中，所述KV级X射线和MV级X射线源自同一个加速管；调整步骤根据配准结果调整病人的位置，并返回成像步骤。优选的，所述配准结果包括该病人图像、放射治疗计划图像两种图像的位置信息， 所述位置信息包括X、Y、Z三个方向的平移参数和旋转参数。优选的，所述成像步骤的执行时段包括放射治疗前和放射治疗中。优选的，所述成像步骤包括利用KV级X射线采集病人在一个位置下的图像数据，并根据所述图像数据生成一幅二维图像；或者，利用KV级X射线采集病人在多个位置下的图像数据，并根据所述图像数据生成多
幅二维图像。优选的，所述成像步骤包括利用KV级X射线采集病人的投影数据；对所述投影数据进行三维重建，得到三维图像。优选的，所述利用KV级X射线采集病人的投影数据的步骤，包括利用KV级X射线完全采样病人在360度上的投影数据；或者，利用KV级X射线稀疏采样病人在360度上的投影数据；或者，利用KV级X射线采样病人360度中有限角度的投影数据。优选的，所述配准步骤包括将该二维图像和病人放射治疗计划用二维或三维图像进行配准，得到的配准结果中包括X、Y两个方向的平移参数和旋转参数。优选的，所述配准步骤包括
将该三维图像和病人放射治疗计划用三维图像进行配准，得到的配准结果中包括 X、Y、Z三个方向的平移参数和旋转参数。优选的，所述KV级X射线的能量范围为从1000V到999KV，所述MV级X射线的能量范围为从3MV到20MV。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明利用KV级X射线采集病人的图像数据，而利用MV级射线对病人进行治疗； 由于所述KV级X射线和MV级X射线源自同一个加速管，且KV级X射线能够得到比较清晰的在线图像，它们经过相同的机头结构，验证影像可以很好地反映病人的体位误差、靶区和周围器官与治疗照射野的关系，因而能够从根本上解决不同源的问题，有利于通过摆位来精确确定病人体位信息、靶区位置等信息，从而能够提高影像引导放射治疗的定位精度；再者，本发明可以通过稀疏采样、有限角度采样等投影数据采集方式，得到三维图像，相对于传统的完全采样方式，能够有效降低病人在定位过程中所受辐射剂量；并且，本发明可以通过多个二维图像与放射治疗计划用三维图像进行配准，相对于传统的图像配准定位方式，能够有效降低病人在定位过程中所受辐射剂量；最后，由于在放射治疗中也可以通过切换加速管射线的能量级，来成像配准定位达到实时定位要求，因而能够实现真正的影像引导的放射治疗。


图1是本发明一种影像引导放射治疗的定位方法实施例的流程图；图2是本发明一种O-XYZ坐标系的示意图；图3是本发明一种影像引导放射治疗装置的结构示意图；图4是本发明一种采集一个位置下二维图像数据的示意图；图5是本发明一种采集两个位置下二维图像数据的示意图；图6是本发明一种完全采样投影数据的示意图；图7是本发明一种稀疏采样投影数据的示意图；图8是本发明一种有限角度采样投影数据的示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。本发明的核心构思之一在于，利用KV级X射线采集病人的图像数据，而利用MV级射线对病人进行治疗；由于所述KV级X射线和MV级X射线源自同一个加速管，它们经过相同的机头结构，验证影像可以很好地反映病人的体位误差、靶区和周围器官与治疗照射野的关系，因而能够从根本上解决不同源的问题，解决机械结构上带来的定位误差，从而能够提高影像引导放射治疗的定位精度。参照图1，示出了本发明一种影像引导放射治疗的定位方法实施例的流程图，具体可以包括输入步骤101、输入放射治疗计划图像；成像步骤102、利用KV级X射线采集病人的图像数据，并根据所述图像数据获取病
5人图像；本发明的定位方法可以应用于放射治疗前和/放射治疗后，故所述成像步骤102 的执行时段可以包括放射治疗前和放射治疗中。在实际中，所述KV级X射线的能量范围一般从1000V到999KV，所述MV级X射线的能量范围一般从3MV到20MV ；加速管可在所述KV级X射线和MV级X射线之间进行快速切换，且切换时间可以达到秒级。例如，在放射治疗前，为确认病人体位或者靶区位置和放射治疗计划图像的位置是否一致，可以通过本发明来指导摆位；又如，在放射治疗中，也可以通过切换不同能量级别的射线来成像配准定位达到实时定位要求，实现真正的影像引导放射治疗。配准步骤103、将所述病人图像与放射治疗计划图像进行配准；图像配准通常是指将不同时间、不同成像设备或不同条件下(天候、照度、摄像位置和角度等)获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程；常用的图像配准算法有很多， 本领域技术人员可以根据需要采用任一种算法，例如，基于最大交互信息的图像配准算法寸寸。为提高定位精度，本实施例可以采用6个参数来描述配准结果，参照图2所示的 O-XYZ坐标系，所述配准结果可以包括该病人图像、放射治疗计划图像两种图像的位置信息，所述位置信息可以包括X、Y、Z三个方向的平移参数和旋转参数；由于病人一般由治疗床承载，故所述6个参数用于描述治疗床的6个自由度。假设病人图像、放射治疗计划图像均为靶区图像，那么，所述图像配准的过程即是比较两种图像靶区特征点的过程，具体而言，可以确定两种图像特征点并获得相应的位置差值。判断步骤104、根据配准结果判断该两种图像位置是否一致，若是，则执行治疗步骤105，否则执行调整步骤106 ；例如，可以判断所述位置差值是否符合临床要求，也即，所述位置差值是否在临床允许的范围内，若是，则利用MV级X射线对病人进行治疗，否则，根据所述位置差值指导病人摆位。治疗步骤105、利用MV级X射线对病人进行治疗，其中，所述KV级X射线和MV级 X射线源自同一个加速管；调整步骤106、根据配准结果调整病人的位置，并返回成像步骤102。在实际中，可以通过计算机控制系统，根据所述位置差值来平移或旋转承载病人的治疗床，以实现病人位置的调整。为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下以一种具体的影像引导放射治疗装置为例进行详细说明。参照图3，示出了本发明一种影像引导放射治疗装置的结构示意，可以包括机架 301、KV/MV同源双束加速管302、多叶准直器303、治疗床304、成像屏305和计算机系统 306 ；其中，所述加速管302和成像屏305相对180度安装在机架上，所述准直器303安装在加速管机头前端，所述治疗床304安装在机架外部，所述计算机系统306，则用于控制加速管302、准直器303、治疗床304和成像屏305 ；CN 102232835 A
说明书
5/6页以图2中的O-XH坐标系为例，所述治疗床304可以具有六个自由度；而且，所述计算机系统306可以显示治疗床304的坐标信息，以方便指导病人摆位；另外，所述成像屏305可设置为伸缩结构，在实际中可以根据工作状态需要伸出或者缩进；例如，其工作状态可以包括κν模式下的伸出状态和MV模式下的缩进状态；也即，在KV模式下，可将所述成像屏305伸出以进行定位操作，而在MV模式下，可将所述成像屏305缩进，以利用所述装置进行治疗工作；在具体实现中，可在计算机系统306中设置一专门的模块来所述伸出状态和缩进状态，本发明对此不加以限制；再者，所述成像屏305可以跟随加速管302机头同步进行360度内任意角度旋转。当然，本领域技术人员可以根据实际需要，设置所述成像屏205的其它工作状态， 例如，在KV模式下缩进，或者，在MV模式下伸出等等，本发明对此不加以限制。在应用该装置实现本发明的定位时，具体可以包括以下实现情形情形一、在放射治疗前，采用图4所示方法采集病人在一个位置下的图像数据，并根据所述图像数据生成一幅二维图像；将该二维图像和病人放射治疗计划用二维或三维图像进行配准，得到的配准结果中包括X、Y两个方向的平移参数和旋转参数；根据所述配准结果，指导病人摆位，并在符合临床要求后实施放射治疗。情形二、在放射治疗前，采用图5所示方法采集病人在两个位置下的图像数据，并根据所述图像数据生成两幅二维图像；其中，所述两幅图像的位置夹角可以为360度内正交或非正交的任意角度；将此情形下获取的二维图像和病人放射治疗计划用三维图像进行配准，得到的配准结果中可以包括X、Y和Z三个方向的平移参数和旋转参数；根据所述配准结果，指导病人摆位，并在符合临床要求后实施放射治疗。可以理解，本情形还可以生成的二维图像的数目还可以为大于2的任意数目，且这些图像的位置夹角可以为360度内正交或非正交的任意角度，本发明对此不加以限制。因而，相对于现有技术，将采集得到的三维图像和病人放射治疗计划用三维图像进行配准，本发明利用两幅或多幅二维图像和三维图像配准得到图像六个自由度的配准参数，能够在保证定位精度的同时，减少摆位时间，并且能够有效降低病人在定位过程中所受辐射剂量。情形三、在放射治疗前，采样病人在圆扫描轨道内的投影数据，并对所述投影数据进行三维重建，得到三维图像；将该三维图像和病人放射治疗计划用三维图像进行配准，得到的配准结果中包括 X、Y、Z三个方向的平移参数和旋转参数；根据所述配准结果，指导病人摆位，并在符合临床要求后实施放射治疗。其中，所述投影数据的采集方式具体可以包括1)采用图6所示方法，利用KV级X射线完全采样病人在360度上的投影数据；2)采用图7所示方法，利用KV级X射线稀疏采样病人在360度上的投影数据；
3)采用图8所示方法，利用KV级X射线采样病人360度中有限角度的投影数据， 其中，所述有限角度可以为360度的任意子集，如0度 30度，30度 60度等，本发明对此不加以限制。在人体受到放射线的照射时，随着射线作用剂量的增大，有可能随机地出现某些有害效应，尤其是三维锥束CT会给病人带来额外剂量；而所述稀疏采样、有限角度采样能够有效降低病人在定位过程中所受辐射剂量。情形四、在放射治疗中，将加速管能级从MV级切换到KV级，采用图4所示方法得到病人二维图像；将该图像和病人放射治疗计划用二维/三维图像或者放射治疗前采集的二维或三维图像进行配准，并根据配准结果指导病人摆位，符合临床要求后继续实施放射治疗。情形五、 在放射治疗中，将加速管能级从MV级切换到KV级，采用图5所示方法得到病人的两幅正交或者非正交二维图像，或者多幅任意角度二维图像；将该二维图像和病人放射治疗计划用二维/三维图像或者放射治疗前采集的二维或三维图像进行配准，并根据配准结果指导病人摆位，符合临床要求后继续实施放射治疗。情形六、在放射治疗中，将加速管能级从MV级切换到KV级，采用图6-图8中任一投影数据的采集方式，得到病人的三维图像；将该三维图像和病人放射治疗计划用二维/三维图像或者放射治疗前采集的二维或三维图像进行配准，并根据配准结果指导病人摆位，符合临床要求后继续实施放射治疗。本发明可以应用于影像引导放射治疗中，用于在放射治疗前指导病人摆位，或者， 在放射治疗中通过摆位来确定靶区位置，以及控制病人运动，能够得到好的定位精度；另外，对于三维锥束CT来说，相对于现有技术，仅仅进行一次CT扫描，来进行最初摆位误差的纠正，纠正后没有进一步验证；多个射野的体位误差以及治疗射野在不同治疗角度时的实际设置，如多叶准直器(Multi-leafcollimator，MLC)各叶片在实际治疗时的到位精度和误差等信息都无法得到跟踪和验证；本发明能够通过实时切换不同能量级，来跟踪和验证所述信息。以上对本发明所提供的一种影像引导放射治疗的定位方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种影像引导放射治疗的定位方法，其特征在于，包括 输入步骤输入放射治疗计划图像；成像步骤利用KV级X射线采集病人的图像数据，并根据所述图像数据获取病人图像；配准步骤将所述病人图像与放射治疗计划图像进行配准；判断步骤根据配准结果判断该两种图像位置是否一致，若是，则执行治疗步骤，否则执行调整步骤；治疗步骤利用MV级X射线对病人进行治疗，其中，所述KV级X射线和MV级X射线源自同一个加速管；调整步骤根据配准结果调整病人的位置，并返回成像步骤。
2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述配准结果包括该病人图像、放射治疗计划图像两种图像的位置信息，所述位置信息包括X、Y、Z三个方向的平移参数和旋转参数。
3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述成像步骤的执行时段包括放射治疗前和放射治疗中。
4.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述成像步骤包括利用KV级X射线采集病人在一个位置下的图像数据，并根据所述图像数据生成一幅二维图像； 或者，利用KV级X射线采集病人在多个位置下的图像数据，并根据所述图像数据生成多幅二维图像。
5.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述成像步骤包括 利用KV级X射线采集病人的投影数据；对所述投影数据进行三维重建，得到三维图像。
6.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述利用KV级X射线采集病人的投影数据的步骤，包括利用KV级X射线完全采样病人在360度上的投影数据； 或者，利用KV级X射线稀疏采样病人在360度上的投影数据； 或者，利用KV级X射线采样病人360度中有限角度的投影数据。
7.如权利要求4所述的定位方法，其特征在于，所述配准步骤包括将该二维图像和病人放射治疗计划用二维或三维图像进行配准，得到的配准结果中包括X、Y两个方向的平移参数和旋转参数。
8.如权利要求5所述的定位方法，其特征在于，所述配准步骤包括将该三维图像和病人放射治疗计划用三维图像进行配准，得到的配准结果中包括X、Y、 Z三个方向的平移参数和旋转参数。
9.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述KV级X射线的能量范围为从1000V 到999KV，所述MV级X射线的能量范围为从3MV到20MV。
全文摘要
本发明提供了一种影像引导放射治疗的定位方法，包括输入步骤输入放射治疗计划图像；成像步骤利用KV级X射线采集病人的图像数据，并根据所述图像数据获取病人图像；配准步骤将所述病人图像与放射治疗计划图像进行配准；判断步骤根据配准结果判断该两种图像位置是否一致，若是，则执行治疗步骤，否则执行调整步骤；治疗步骤利用MV级X射线对病人进行治疗，其中，所述KV级X射线和MV级X射线源自同一个加速管；调整步骤根据配准结果调整病人的位置，并返回成像步骤。本发明用以提高影像引导放射治疗的定位精度。
文档编号A61B6/00GK102232835SQ201010157680
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者刘亚强, 吴朝霞, 康克军, 王石, 陈志强 申请人:清华大学