用于确定呼吸相位的方法和系统与流程

本公开的实施例涉及用于确定呼吸相位的方法和系统。

背景技术：

使用高能量X射线照射、电子、质子或重离子的放射疗法被常规地使用以治疗肿瘤。利用这种类型的放射疗法，病人体内的目标体积被照射，其中肿瘤至少部分地位于该目标体积内。目标体积应当被尽可能精确地限定，使得主要在目标体积内实现期望的放射治疗效果。常规地，在放射疗法之前记录病人的时间分辨的层析成像的规划数据，从而为放射疗法做好规划并用于限定目标体积。层析成像的原始数据一般利用计算机断层摄影术来记录，其中规划数据由原始数据重建。规划数据包括多个具有限定的时间分辨率的规划图像。能够由该规划数据得到病人的解剖结构和肿瘤的位置如何由于病人的呼吸而变化。肿瘤的位置随病人的呼吸循环而变化，并且具有不同的呼吸相位。由于一般来说放射疗法连续地进行，所以重要的是在规划放射疗法和限定目标体积时考虑由于病人的呼吸而导致的解剖结构的变化。

为了使解剖结构的变化与病人的呼吸循环的进程相关联并且随之与病人的不同呼吸阶段相关联，在层析成像的扫描期间借助于呼吸替代装置(surrogate)来记录病人的呼吸。呼吸替代装置是构造成记录病人的呼吸循环的扫描系统。呼吸替代装置不基于病人的图像来记录病人的呼吸循环。相反，其通过测量系统的实体部分与病人和/或与由病人由于病人的呼吸而导致的移动的直接物理互动来测量呼吸循环。例如，呼吸替代装置能够由胸部绷带或由附接至病人的胸部的换能器来实施。呼吸替代装置也能够由用于测量病人的呼吸温度的装置来实施。将呼吸替代装置附接至病人构成了附加的步骤并且可能容易遭受故障。呼吸替代装置还构成了附加的成本因素。

技术实现要素：

本因此，本发明的目的是可靠地、精确地并且低成本地确定病人的呼吸相位。该目的通过根据权利要求所述的方法和系统而实现。

下面将关于要求保护的装置和要求保护的方法描述本发明对该目的的解决方案。与此相关地提到的特征、优点或替代性实施方式被类似地应用于其他要求保护的主题，并且反之亦然。换言之，产品权利要求(例如，其涉及装置)也能够具有关于方法所描述或声明的特征。方法的相应功能特征由适当的产品模块形成。

所提出的用于确定呼吸相位的方法基于根据对病人的检查区域的螺旋扫描所接收的层析成像的原始数据，其中检查区域包括病人的躯干和/或腹部的至少一部分。然后基于层析成像的原始数据重建图像对，其中一个切片图像对包括处于沿着预定轴线在相同位置的、具有第一间隔的两个切片图像。所述位置指的是检查区域的位置。这种类型的重建使得分别能够确定切片图像对的两个切片图像的检查区域的基准位置之间的差异并且基于所述差异确定至少一个呼吸相位。所述差异各自对应于检查区域的解剖结构的变化，其中该变化发生在第一间隔期间。具体的差异表征了具体的呼吸相位。因此，具体的差异能够与具体的呼吸相位相关联。病人的不同呼吸相位因此能够被可靠地、精确地且低成本地确定。特别地，能够在没有呼吸替代装置的情况下确定呼吸相位。呼吸循环和大量的呼吸相位能够利用所提出的方法来确定。本发明还允许基于螺旋扫描确定不同的呼吸相位，其中螺旋扫描与渐进式扫描相比特别迅速。

根据本发明的另一个方面，相邻的切片图像对具有第二间隔，其中相邻的切片图像对的沿着预定轴线的位置具有对应于第二间隔的空间距离。呼吸循环的空间扫描以及与其相关的呼吸相位的确定精度能够被第二间隔的选择所影响。另外，不同的切片图像对具有沿着预定轴线的不同位置。本发明因此使得能够在呼吸相位与时间之间以及在呼吸相位与位置之间建立相关性。

根据本发明的另一个方面，第二间隔比第一间隔短。因此，与基准位置的差异相比，呼吸循环以更高的频率被扫描。呼吸循环和基准相位因此能够被精确地、可靠地且快速地确定。

根据本发明的另一个方面，预定轴线由对记录层析成像的原始数据关键的CT装置的系统轴线给定。

根据本发明的另一个方面，预定轴线由病人的纵向轴线给定。另外，CT装置的关键系统轴线和病人的纵向轴线能够相互平行或彼此重合。

根据本发明的另一个方面，基准位置确定切片图像中的胸壁和/或腹壁的空间位置。基准位置因此指示检查区域的哪个解剖区域应当被用于确定所述差异。

根据本发明的另一个方面，所述差异通过对切片图像中的检查区域进行分段来确定。检查区域的应当用于确定所述差异的区段能够通过这种分段来选择。

根据本发明的另一个方面，所述差异基于切片图像中的大量的点来确定，其中所述点对应于检查区域的基准位置。特别地，所述点可以是各个像素或像素的连接组。

根据本发明的另一个方面，切片图像内的基准尺寸通过确定该切片图像内所述点的均值来确定。本发明的该方面利用特别低的计算能力就能够实现。

根据本发明的另一个方面，所述差异基于相互对应的点来确定，其中如果所述点标识出检查区域的相同解剖区域，则这些点相互对应。有利地，相互对应的点的位置彼此相减。本发明的该方面允许特别精确地确定所述差异以及随之确定呼吸相位。

根据本发明的另一个方面，所述差异被绘制成图并且针对时间和/或沿着预定轴线的位置输出。由此，建立所述差异以及病人的解剖结构的变化与时间或/或沿着预定轴线的位置的直接相关性。由于解剖结构的变化对应于呼吸相位，所以在呼吸相位与时间或/或沿着预定轴线的位置之间建立了相关性。

根据另一个方面，层析成像的原始数据与至少一个呼吸相位相关联，其中基于层析成像的原始数据对于每个呼吸相位重建至少一个规划图像。本发明因此还能够用于改进的放射疗法规划。放射疗法规划之所以得到改进是因为在层析成像的原始数据与呼吸相位之间存在特别精确和可靠的相关性。已经创造性地基于层析成像的原始数据确定了呼吸相位。

另外，所有的上述步骤都能够自动地执行。在本申请的上下文内，“自动”意指各个步骤由于要求保护的系统而独立地进行，并且各个步骤基本上不需要与操作人员的互动。操作人员最多需要确认计算结果或执行中间步骤。例如，操作人员能够为分段设定种子点。在具有“全自动”执行步骤的本发明的另一种变型中，完全不需要与操作人员的互动以执行这些步骤。特别地，要求保护的方法的所有步骤都能够“全自动”地执行。本发明的方法可以是不管各个步骤是“自动”地还是“全自动”地执行都还需要操作人员的互动的工作流程的一个组成部分。与操作人员的互动能够由操作人员例如根据通过屏幕提供的菜单手动地选择记录协议和/或临床问题来构成。

本发明还涉及一种用于确定呼吸相位的系统，其包括用于接收层析成像的原始数据的接口和处理器。该系统设计成执行上述方法及其各个方面，因为所述接口和处理器设计成执行相应的方法步骤。特别地，处理器能够编程为执行所描述的方法的其步骤。根据另一个方面，与重建相关的步骤能够由与处理器分开的重建单元来执行。与确定相关的步骤然后也能够由处理器来执行。另外，为了确定呼吸相位，系统还可以包括构造成记录层析成像的原始数据的CT装置。

本发明还涉及一种计算机程序产品，其具有计算机程序和计算机可读介质。主要基于软件的执行方案具有下述优点：即使以前使用的系统或计算机也能够通过软件升级而容易地更新，从而创新性地工作。除了计算机程序之外，这种类型的计算机程序产品还可以可选地包括附加的组成部分例如文档和/或附加的部件和硬件组成部分，例如硬件秘钥(保护器等)，以便使用软件。

附图说明

将参照附图所示的示例性实施方式更详细地在下文中描述和说明本发明，在附图中：

图1示出了用于确定呼吸相位的方法的流程图；

图2示出了检查区域的两个纵向区段；

图3示出了检查区域的切片图像对；

图4示出了具有多个呼吸相位的差异呼吸曲线；

图5示出了用于确定呼吸相位的系统；以及

图6示出了用于利用CT装置确定呼吸相位的系统。

具体实施方式

图1示出了用于确定呼吸相位的方法的流程图。这里示出的实施方式包括基于病人3的检查区域17的螺旋扫描利用CT装置1记录IMG层析成像的原始数据。层析成像的原始数据被四维地构建，其到目前为止具有三个空间维度和一个时间维度。层析成像的原始数据基于大量X射线投射，其中各个X射线投射是二维的。由于X射线投射以不同的投射角在不同的时刻被记录，所以它们形成四维数据记录。然而，检查区域17的相应高扫描允许以在不同时刻的切片图像的形式重建检查区域17的相同区段。切片图像能够显示为二维图像。由于切片图像具有有限的切片厚度，所以它们也是三维的。层析成像的原始数据还可以在存储或传输之前被预处理，例如层析成像的原始数据可以先被过滤。层析成像的原始数据因此也被称为4D CT数据记录。

由于因病人3的呼吸导致的解剖结构的变化是周期性的，所以检查区域17的规划图像也能够被重建，其中对于给定的规划图像，相关联的呼吸相位必须是已知的。因此，规划图像能够以重建的方式使用，首先各个呼吸相位被确定并与层析成像的原始数据相关联。下面所描述的方法允许容易地且可靠地确定呼吸相位，因此还改进了放射医疗规划。

由于层析成像的原始数据具有允许检查区域17的相同区段在不同时刻被重建的时间分辨率，所以螺旋扫描必须低节距(pitch)地进行。在螺旋模式下，节距被定义为X射线源8的每旋转下检查台6的进给率与光束准直之比。光束准直由X射线2沿着系统轴线5的范围(extent)来给定。如果X射线检测器9完全被X射线2照亮，则光束准直由X射线检测器9的沿着系统轴线5的检测范围的范围给定。在本发明的不同实施方式中，节距可以是最多为0.5或者最多为0.25或者最多为0.1。层析成像的原始数据优选地以最多为0.1的特别低的节距被记录，因为这样的话时间分辨率特别高。记录单元22的旋转时间在0.09的节距下为0.5秒。

然后进行层析成像的原始数据(具体是通过接口16)的接收(REC)。另外，切片图像对的重建(PIC)基于层析成像的原始数据发生，其中切片图像对均包括处于沿着预定轴线相同位置的、具有第一间隔dt_1的两个切片图像。第一间隔dt_1必须足够大，以使由于病人3的呼吸移动而发生解剖结构的清晰变化。例如，第一间隔dt_1可以等于记录单元22的旋转时间，并且最多为2秒，最多为1秒或者最多为0.5秒。另外，如果第一间隔dt_1对于所有的切片图像对是相同的，则是有利的。

切片图像能够利用常规的重建算法，例如利用Feldkamp算法或者通过迭代重建而重建。切片图像对的切片图像优选地具有相同的切片厚度。如果所有切片图像对的切片图像都具有相同的切片厚度，则是特别有利的。例如，切片厚度可以是最多5毫米、最多2.5毫米或最多1毫米。较低的切片厚度增加了能够确定呼吸相位的空间分辨率。

切片图像优选地重建为使得切片图像的平面垂直于预定轴线地定向。在这里更详细描述的示例中，预定轴线由对于记录层析成像的原始数据关键的CT装置1的系统轴线5给定。另外，预定轴线由病人3的纵向轴线给定。

切片图像的重建优选地发生为完全重建。切片图像然后各自基于源自于至少180°+α的X射线源8的角度区间内的层析成像的原始数据，其中α是X射线2在X射线源8的旋转平面内的开度角。X射线2的设计可以是扇形、锥形或金字塔形。角度区间包括大量投射角。特别地，切片图像各自可以基于源自于严格为180°+α的X射线源8的角度区间内的层析成像的原始数据。在这种情况下，完全重建以最优高时间分辨率发生，因此能够尽可能精确地确定由于病人3的呼吸而导致的解剖结构的变化。

利用螺旋扫描，X射线源8的沿着预定轴线的位置在重建体积内是时间t的恒定差异函数。对于基于顺序记录的层析成像的原始数据，相比之下，X射线源8的相应位置不是恒定差异的。因此，沿着预定轴线的时间相关位置在下文中也称为z位置s_z(t)，其中时间t是变量。然而，由于高等级的扫描，多个时刻也能够与z位置s_z(t)相关联。因此，相同但不同时刻第一z位置s_z1与切片图像对的两个切片图像相关联。这种相关性也在图2中示出，其示出了检查区域17的两个纵向区段。这些纵向区段基于层析成像的原始数据。图2中在第一z位置s_z1处突出显示的两个区域对应于图3所示的两个切片图像。图3所示的第一切片图像对的两个切片图像也称为第一切片图像18和第二切片图像19。

相邻的切片图像对优选地具有第二间隔dt_2，其中相邻的切片图像对的z位置s_z(t)具有对应于第二间隔dt_2的空间距离。如果所有的第二间隔dt_2都相同，则是特别有利的。如果第二切片图像对的z位置s_z(t)与其他切片图像对相比距第一切片图像对的距离最小，则第一切片图像对与第二切片图像对相邻。所述节距给定了在时刻与能够与切片图像相关联的z位置s_z(t)之间的直接相关性。结果，与其他切片图像对相比，相邻的第二切片图像对还具有关于第一切片图像对的最小第二间隔dt_2。

第二间隔dt_2可以指的是相邻的切片图像对的第一切片图像的间隔或者指的是相邻的切片图像对的第二切片图像的间隔或者指的是这些间隔的平均值。例如，第一切片图像对的第一切片图像18具有第一z位置s_z1＝s_z(t1)和第一时刻t1。第一切片图像对的第二切片图像19然后也具有第一z位置s_z1＝s_z(t2)＝s_z(t1+dt_1)和第二时刻t2＝t1+dt_1。相邻的第二切片图像对的第一切片图像具有第二z位置s_z2＝s_z(t3)＝s_z(t1+dt_2)和第三时刻t3＝t1+dt_2，并且相邻的第二切片图像对的第二切片图像具有第二位置s_z2＝s_z(t4)＝s_z(t2+dt_2)和第四时刻t4＝t2+dt_2。

通常，dt_1和dt_2不相等。第二间隔dt_2优选地比第一间隔dt_1短，因为足够长的第一间隔dt_1导致切片图像对的两个切片图像之间在解剖结构方面的变化变得可见。另外，足够短的间隔dt_2意味着能够确定尽可能多的差异dH。因此，能够特别精确地确定病人3的呼吸循环和各个呼吸相位。另外，呼吸循环和呼吸相位的精确确定意味着能够特别精确地发生层析成像的原始数据与呼吸相位之间的相关性。结果，能够重建特别精确和可靠的规划图像。例如，第二间隔dt_2最多为第一间隔dt_1的0.5或者最多为0.25或者最多为0.1。

然后在切片图像对的两个切片图像中分别进行检查区域17的基准位置20、21之间的差异dH的第一确定DET-1，并且基于差异dH进行呼吸相位的第二确定DET-2。图3还示出了借助于切片图像对的基准位置之间的差异dH的第一确定DET-1。图4示出了借助于具有多个呼吸循环的差异呼吸曲线25的第二确定DET-2。

检查区域17的基准位置优选地指的是切片图像中的胸壁和/或腹壁的空间位置。第一基准位置20在第一切片图像对的第一切片图像18中确定，并且第二基准位置21在第一切片图像对的第二切片图像19中确定。特别地，能够将基准位置的差异dH确定为沿着预定轴线从位置的差异dH。在图3所示的示例中，在沿着切片图像的纵轴的基准位置中确定差异dH。另外，能够通过对切片图像中的检查区域17进行分段来确定差异dH。例如，使用以区域为导向的分段算法或基于边缘的分段算法来进行分段。

在图3所示的示例中，在切片图像中在躯干的长度L上对差异dH进行均化。差异dH能够基于切片图像中的大量的点来确定，其中所述点对应于检查区域17的基准位置。特别地，这些点能够标记检查区域17的区段的轮廓。在不同的实施方式中，这些点能够通过用户交互自动地或半自动地确定，或者甚至手动地确定。点可以形成为各个像素或形成为像素的连接组。另外，能够通过确定切片图像内的点的均值而在该切片图像内确定基准尺寸。均值指的是点的位置、特别是沿着预定轴线的位置的均值。在图3所示的示例中，点的均值能够沿着切片图像的纵轴确定。在均化期间减少图像值的信息内容。均化例如涉及算术平均数、几何平均数、调和平均数、平方平均数或者甚至中位数的计算。

差异dH也能够通过首先对各个切片图像的点进行均化并且然后将均值彼此相关(具体是从一个减去另一个)来确定。另外，还能够确定切片图像对的切片图像中的相互对应的点，其中如果所述点标识出检查区域17的相同的解剖区域，那么这些点相互对应。特别地，解剖区域可以是病人3的胸壁或腹壁的具体区段。相互对应的点的位置然后能够彼此相关，具体是从一个减去另一个。

如图4所示，差异dH能够绘制成图并且对时间t输出。差异dH以厘米为单位对以秒为单位的时间t绘图。输出SHW一般通过输出单元、例如通过屏幕11发生。第一基准位置20与第二基准位置21之间的差异dH能够与第一时刻t1或第二时刻t2或者t1和t2的均值相关联。重要的是，这种相关联对于所有的差异dH以相同的方式发生，因此在差异dH与时间t之间存在物理上权宜的相关性。由于在差异dH与z位置s_z(t)之间也存在直接相关性，所以差异dH也能够对z位置s_z(t)绘图。差异dH的这种相关联产生了差异呼吸曲线25。由于该差异呼吸曲线25看上去平滑和/或能够被差异化，所以差异dH能够彼此关联。特别地，能够确定所绘制的差异dH的正进行的方式，或者能够使函数适于所绘制的差异dH。特别地，多项式函数适于所绘制的差异dH。

为了图示在具体的z位置s_z(t)下对层析成像的原始数据所确定的呼吸相位之间的相关性，在图4中，差异呼吸曲线25与检查区域17的纵向区段相覆盖。差异呼吸曲线25能够被认作是病人3的初始呼吸曲线的衍生物，其中本示例性实施方式中的初始呼吸曲线由病人3的躯干的高度给定。这样的结果是差异呼吸曲线25从正值到负值的变化意味着初始呼吸曲线的梯度从正值变化至负值，因此最大吸气的呼吸相位处于该z位置s_z(t)。差异呼吸曲线25中的下降沿的通过零的时刻因此对应于最大吸气的时刻。这些时刻通过图4中的填充圆来突出显示。另外，差异呼吸曲线25中的上升沿的通过零的时刻对应于最小吸气的时刻。

优选地，至少吸气26和呼气27的呼吸相位被确定。图4例如确定了对于呼吸循环，吸气26的呼吸相位和呼气27的呼吸相位。将各个呼吸循环分成进一步的呼吸相位是有利的。例如，每个呼吸循环能够在差异呼吸曲线25内被分成N＝5、10、15或20个呼吸循环。具体地，这种分隔能够基于最大吸气和/或最小吸气的时刻进行。特别地，呼吸循环能够分隔成使得相邻的呼吸相位各自具有彼此相同的间隔。

另外，层析成像的原始数据能够与呼吸相位相关联，其中至少一个规划图像基于对于每个呼吸相位的层析成像的原始数据而重建。特别地，这种相关联能够通过基于相位的方法以及通过基于幅值的方法来进行。利用基于相位的方法，层析成像的原始数据被选择用于重建，使得病人3的呼吸循环被等间隔地扫描。然后，呼吸相位被确定为使得它们随时间是等距的。因此，规划数据被重建为使得相邻的规划图像各自具有相同的彼此间隔。利用基于幅值的方法，层析成像的原始数据被选择用于重建，使得病人3的呼吸循环的幅值被等距地扫描。相邻的规划图像然后具有不同的彼此间隔。

图5示出了用于确定呼吸相位的系统。该系统包括接口16，接口16用于基于病人3的检查区域17的螺旋扫描接收层析成像的原始数据，其中检查区域17包括病人3的躯干和/或腹部的至少一部分。另外，该系统包括处理器15，其中处理器15构造成至少执行以下步骤：

–基于层析成像的原始数据重建PIC切片图像对，其中切片图像对包括位于沿着预定轴线在相同位置的、具有第一间隔dt_1的两个切片图像；

–分别在切片图像对的两个切片图像中进行检查区域17的基准位置之间的差异dH的第一确定DET-1，并且基于差异dH进行至少一个呼吸相位的第二确定DET-2。

另外，用于确定呼吸相位的系统可以具有具体构造成执行重建PIC的步骤的重建单元14。因此，处理器15可以不执行重建PIC的步骤。该系统还可以具有多个处理器15，处理器15构造成执行所提出的方法的步骤，特别是确定步骤。在本发明的另外的实施方式中，处理器15还能够构造成执行上述其他方法步骤。另外，层析成像的原始数据能够存储在服务器23上，因此层析成像的原始数据能够通过网络24传输至设计成用于确定呼吸相位的客户端的系统。在这里示出的示例中，客户端由计算机12来实施。计算机程序存储在该客户端上，该计算机程序具有用于执行确定呼吸相位的方法的程序段。在本发明的另一个实施方式中，用于确定呼吸相位的系统包括客户端和服务器23。

图6示出了利用CT装置1进行规划图像的重建的系统。这里示出的CT装置1具有记录单元22，记录单元22包括X射线管形式的X射线源8和具有多个线的线检测器形式的X射线检测器9。记录单元22在层析成像的原始数据的记录期间绕系统轴线5旋转，并且X射线源8在记录期间发射X射线2。在这里示出的示例中，病人3在层析成像的原始数据的记录期间躺在检查台6上。检查台6连接至台基座4，使得基座支撑有病人3的检查台6。检查台6设计成使病人3沿记录方向移动经过记录单元22中的开口10。通常，记录装置由系统轴线5给定，记录单元22在层析成像的原始数据的记录期间绕系统轴线5旋转。利用螺旋扫描，检查台6在记录单元22绕病人3旋转并且记录层析成像的原始数据的同时连续地移动经过开口10。X射线2因此描绘出病人3的表面上的螺旋线。

在这里示出的示例中，接口16设计成计算机12的一部分。接口16是通常已知的硬件或软件接口，例如硬件接口PCI总线、USB或法尔接口。计算机12连接至屏幕11形式的输出单元并且连接至输入单元7。屏幕11设计成显示不同的信息项，特别是切片图像。输入单元7能够用来启动具有程序段的计算机程序，所述程序段用于确定呼吸相位或者选择用于执行确定呼吸相位的方法的参数。输入单元7例如是键盘、鼠标、所知的触屏或用于语音输入的麦克风。

另外，这里示出的系统的计算机12包括重建单元14。该系统还具有处理器15。处理器15能够与计算机可读介质13协作，特别是为了通过具有程序代码的计算机程序来执行用于确定呼吸相位的方法。另外，计算机程序能够可获得地存储在计算机可读介质13上。特别地，计算机可读介质13可以是CD、DVD、蓝光盘、记忆棒或硬盘。重建单元14可以具有硬件形式的组成部分和/或软件形式的组成部分。例如，重建单元14可以设计成所知的FPGA(“现场可编程门阵列”的首字缩写)或者包括算术逻辑单元。处理器15能够设计成微处理器并且具有多个芯。特别地，处理器15能够被编程为执行具体的步骤。处理器15然后构造成执行以软件形式实施的具体命令。