超声引导的放射治疗系统的制作方法

文档序号:13985020
超声引导的放射治疗系统的制作方法

本发明涉及超声引导的放射治疗领域的系统和设备。本发明还涉及超声引导的放射治疗领域中的方法和计算机程序产品。



背景技术:

在外部放射治疗中,患者以高能辐射来处置,例如由直线加速器(“linac”)生成的高能辐射。linac可以例如安装在旋转机架上,但其也可以安装到机器人放射外科系统。通常借助于多个日常处置分段来递送外部放射治疗。可以在旋转机架的同时在单个分段连续递送辐射,这称为“体积调制弧形治疗”(VMAT),或者仅在机架不移动时进行递送辐射,而旋转机架时停止(静态调强治疗)。对于VMAT,处置时间通常在每分段2-4分钟的范围内,而对于静态调强,其通常在每分段5-15分钟的范围内。为了良好的处置结果,应在给予处置目标足够的辐射剂量同时充分避免邻近风险器官之间找到平衡点。向风险器官提供太高的辐射剂量可能会导致不必要的副作用。

描述射束方向、形状和强度的处置计划取决于患者的解剖结构和处置目标(肿瘤类型、肿瘤位置、尺寸、浸润等)。为此目的,在处置之前采集患者的体积图像。该图像被称为处置规划图像。为了采集处置规划图像,患者以与处置台上的相同的方式定位。规划图像(通常是CT图像)表示在处置之前的时间点处的患者解剖结构的“快照”。在一些情况下,为了改进目标描绘(MR或PET),采集另外的图像。

基于患者解剖结构的快照的处置计划不能解释患者体内的解剖学变化,例如,由于内部器官运动的解剖学变化。这种变化通常分为分段间和分段内变化。分段间变化的范例是体重减轻和肿瘤收缩/增长。分段内变化的范例是呼吸、膀胱充盈、肌肉放松、躺卧等等。为了监测分段内运动,可以使用在线图像,其中“在线”是指在实际放射治疗分段期间的成像。为了处理在规划图像之后发生的解剖学变化,目标定义通常由处置裕量延伸。得到的处置目标的体积和该处置裕量称为规划目标体积(PTV)。

US 2011/0075807 A1描述了在放射治疗期间监测分段内目标运动的自适应成像方法。该方法包括使用同时兆电压(MV)和千伏电压(KV)成像以确定初始3D目标位置。2D目标位置在放射治疗递送期间使用MV成像来监测,并结合被设置为估计目标是否已经移动超过3D阈值距离的目标运动的在线更新特性。



技术实现要素:

本发明的一个目的是提供一种使得能够监测放射治疗期间的分段内运动的效应的系统、方法和计算机程序产品。根据本发明的第一方面,该目的通过一种超声引导的放射治疗系统来实现,所述超声引导的放射治疗系统包括:

-放射治疗系统,其被配置用于借助于辐射射束向处置目标提供辐射处置,以及

-超声成像系统,其被配置用于在辐射处置期间采集所述处置目标和/或风险器官的3D在线图像,以及

-检测模块,其被配置用于在所述3D在线图像中检测表示所述处置目标和/或所述风险器官的部分;

-选择模块,其被配置用于在所述3D在线图像中选择通过由检测到的部分表示的所述处置目标和/或所述风险器官的视图平面;

-显示器,其被配置为显示沿着所述视图平面的所述处置目标和/或风险器官的部分的2D图像,其中,所述显示器还被配置为显示与所述处置目标和/或所述风险器官相关的处置裕量和/或实际辐射射束的轮廓。

在本发明的第二方面期间,该目的通过根据权利要求14所述的方法和根据权利要求15所述的计算机程序产品来实现。该目的还通过根据权利要求13所述的选择模块来实现。

发明人洞悉,在处理分段内运动时的主要困难之一是体积、实时患者解剖结构的全面3D评估对于临床操作者而言是不可行的。此外,用于解剖结构跟踪的自动方法可能会失败,从而导致对自动防故障的回退方法的需要。

利用根据本发明的系统和方法,通过结合处置裕量和/或实际辐射射束的轮廓沿视图平面显示图像,可以对通过处置目标和/或风险器官的2D视图平面几何结构进行自动选择。所以临床操作者一方面具有实用的、易于使用的可用监督,而另一方面他/她可以确信没有错过PTV的显著变化。

因此,借助于本发明,可以检索关于处置目标和/或风险器官的重要信息,而不需要对患者解剖结构进行全面的3D评估。系统可以被配置为使得视图平面与辐射射束方向定期同步。这些措施可以使操作者能够更好地确定患者按照计划进行处置。如果处置目标和/或风险器官的位置不在预定限制或处置裕量内,则可以采取措施,例如,放射治疗可以(暂时)停止,患者可以重新定位以再次与处置裕量对齐。

根据本发明的实施例,选择模块被配置为基于实际辐射射束的实际方向来选择视图平面。这是有利的,因为实际的辐射射束的实际方向确定了处置目标和/或风险器官的位置和/或取向上的何种变化可能对递送的剂量具有强烈的影响。可以选择视图平面,使得那些相关的变化可能被捕获。一种可能的选项是选择视图平面,使得实际辐射射束的实际方向基本垂直于视图平面。沿着辐射射束方向的处置目标移动可能引起比垂直于该方向的移动更少的与处置计划的偏离,因为剂量中的锐利梯度可能在垂直于辐射射束的方向而不是沿着辐射射束的方向上发生。

以上实施例将确定视图平面的取向。根据本发明的一个实施例,视图平面的位置将被选择为使得在沿着视图平面的2D切片中,处置裕量的轮廓根据预定标准最佳地匹配辐射射束的截面轮廓。处置目标在这些位置处的移动可能导致对处置目标和/或风险器官的计划的剂量和递送的剂量之间的偏离。因此,在该位置监测处置目标和/或风险器官是有利的。该预定标准例如可以是骰子系数,但是也可以是3D端点的存在。3D端点是处置目标体积的点。在所有的目标点都被处置裕量或辐射射束的实际轮廓所包围的情况下,3D端点是处置目标的这样的点:如果在由处置裕量或辐射射束的实际轮廓所包围的体积内则该点是最接近处置裕量或射束轮廓的一个点。在一些目标点超过了处置裕量或束轮廓的情况下,3D端点是距离该处置裕量最远的一个点。定位视图平面以使其覆盖3D端点是有利的,因为端点的移动可能导致针对处置目标的计划剂量和对处置目标的递送的剂量之间的大的偏差。这继而来可能会影响处置结果。

根据本发明的实施例,选择模块被配置为基于关于处置目标和/或风险器官的信息来选择视图平面。例如,处置目标的部分可以是特别感兴趣的,因为在该位置处的肿瘤侵袭性较高,并且因此剂量覆盖率更重要。而且,风险器官的一些部分能够比其他部分更为关键。根据本发明的一个实施例,选择模块被配置为使得视图平面被选择为使得其包含处置目标和/或风险器官的主运动向量。特定方向的运动比其他方向上更有可能发生。例如,某些处置目标和/或风险器官的位置较大地受呼吸或肠移动的影响。定位视图平面使得该主运动被包含在视图平面中是有利的,因为该移动可以影响针对处置目标和/或风险器官的递送的剂量。

另外,3D端点能够是特别感兴趣的,并且可以选择视图平面以使得其包含3D端点。仅考虑处于辐射射束的实际轮廓中的处置目标的部分以确定3D端点是特别有利的,因为处置目标的其他部分的移动具有较小的相关性。

通过以上述方式之一选择视图平面,增加了检测到的引起与处置计划的大偏离的目标和/或风险器官运动的可能性。

根据本发明的另一个实施例,放射治疗系统包括多个准直器叶片,并且显示器被配置为显示随后的图像,并且还被配置为显示多个准直器叶片的投影并显示随后的图像,使得多个准直器叶片的取向在随后的图像中相同。该实施例是有利的,因为其使得操作者更容易评价随后的图像并理解准直器叶片行进路径。

超声引导的放射治疗系统包括检测模块,所述检测模块被配置为当在处理器上运行时令在由医学成像系统采集的一幅或多幅图像上检测处置目标。该处置目标检测可以借助于图像配准来实现,其中,在线图像可以被配准到处置目标已经被分割的规划图像。用于图像分割或检测的其它方法在图像分析领域中是已知的,并且也可以由检测模块使用以检测处置目标和/或风险器官的位置和/或取向和/或轮廓。一种可能性是与Ecabert等人的Automatic Model-Based Segmentation of the Heart in CT Images(IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING,第27卷、第9期、第1189-1201页)中描述的方法类似的方法。

在具有自动处置目标检测以及处置目标位置的有限时间历史的另一实施例中,图像引导的放射治疗系统被配置为选择视图平面,使得包含来自两个不同时间点的处置目标表面的两个3D端点。可以配置图像引导的放射治疗系统,使得在主运动向量的端部处选择两个时间点。

超声引导的放射治疗系统也可以被配置为选择多个视图平面。如果处置目标中的多个位置处出现端点(所述处置目标不被沿着视图平面采集的单个图像覆盖),则这也是有利的。

根据本发明的另一个实施例,显示器还被配置为可视化实际视图平面的取向,使得操作者可以认识到视图平面的取向。取向可以例如相对于3D在线图像或相对于人体解剖学的可视化来示出。

所有这些实施例都可以在计算机程序产品中实施,所述计算机程序产品包括执行本发明的方法步骤的可执行代码。

参考下文描述的实施例,本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得到阐述。

附图说明

图1示意性地示出了超声成像系统,并且

图2示出了根据本发明的超声引导的放射治疗系统,并且

图3示出了如何选择视图平面的范例,并且

图4示出了3D端点的图示,并且

图5示出了3D端点的另一图示,并且

图6示意性地示出了用于在放射治疗期间帮助验证处置目标和/或风险器官的分段内运动是否保持在预设限制内的方法。

具体实施方式

首先参考图1,以框图形式示出了具有阵列换能器探头的超声诊断成像系统。在图1中,CMUT换能器阵列10’被提供在超声探头10中,以用于发送超声波并接收回波信息。换能器阵列10’可以备选地包括由诸如PZT或PVDF的材料形成的压电换能器元件。换能器阵列10’是换能器元件的一维或二维阵列,其能够在2D平面或三维中扫描以进行3D成像。换能器阵列耦合到探头中的微型波束形成器12,其通过CMUT阵列单元或压电元件来控制信号的发送和接收。微型波束形成器能够进行由换能器元件的组或“片”接收的信号的至少部分波束形成,如美国专利5997479(Savord等人)、6013032(Savord)和6623432(Powers等人)中所描述的。微型波束形成器通过探头线缆耦合到在发送和接收之间切换的发送/接收(T/R)开关16,并且当不使用微型波束形成器并且直接由主系统波束形成器操作换能器阵列时保护主波束形成器20免受高能发送信号影响。在微型波束形成器12的控制下,从换能器阵列10发送的超声波束由通过T/R开关耦合到微波束形成器的换能器控制器18和接收来自用户接口或控制面板38的用户操作的输入的主系统波束形成器20来引导。由换能器控制器控制的功能之一是波束被操纵和聚焦的方向。波束可以在换能器阵列正前方(正交于换能器阵列)被操纵,或者针对更宽的视场在不同的角度处被操纵。换能器控制器18可以被耦合以控制用于CMUT阵列的DC偏置控制45。DC偏置控制45设置施加到CMUT单元的(一个或多个)DC偏置电压。

在接收上由微型波束形成器12产生的部分波束形成信号被耦合到主波束形成器20,在主波束形成器20中,来自个体换能器元件片的部分波束形成信号被组合成完全波束形成信号。例如,主波束形成器20可以具有128个通道,所述通道中的每个接收来自几十个或数百个CMUT换能器单元或压电元件的片的部分波束形成信号。以这种方式,由换能器阵列的数千个换能器元件接收的信号可以有效地贡献于单个波束形成信号。

波束形成信号被耦合到信号处理器22。信号处理器22可以以各种方式处理接收到的回波信号,诸如带通滤波、抽取、I和Q分量分离以及谐波信号分离,其用于分离线性和非线性信号,从而使得能够识别从组织和微泡返回的非线性(基频的高次谐波)回波信号。信号处理器也可以执行额外的信号增强,例如散斑减少、信号复合和噪声消除。信号处理器中的带通滤波器可以是跟踪滤波器,随着从增加的深度接收回波信号,其通带从较高频带滑动到较低频带,从而拒绝来自这些频率缺乏解剖信息的较大的深度的较高频的噪声。

经处理的信号被耦合到B模式处理器26和多普勒处理器28。B模式处理器26采用接收到的超声信号的幅度的检测,以用于对身体中的结构(诸如器官的组织和身体中的血管)进行成像。可以以谐波图像模式或基本图像模式或两者的组合来形成身体的结构的B模式图像,如在美国专利6283919(Roundhill等人)和美国专利6458083(Jago等)中所描述的。

由B模式和多普勒处理器产生的结构和运动信号被耦合到扫描转换器32和多平面重新格式化器44。扫描转换器以空间关系布置回波信号,根据该空间关系它们以期望的图像格式被接收。例如,扫描转换器可将回波信号布置成二维(2D)扇形格式或金字塔三维(3D)图像。扫描转换器可以将B模式结构图像与对应于具有其多普勒估计的速度额图像场中的点处的运动的颜色交叠,以产生描绘图像场中的组织的运动和血流的彩色多普勒图像。多平面重新格式化器将将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收到的回波转换成该平面的超声图像,如在美国专利6443896(Detmer)中描述的。体积绘制器42将3D数据集的回波信号转换为如从给定参考点查看的投影3D图像,如在美国专利6530885(Entrekin等人)中所描述的。2D或3D图像从扫描转换器32、多平面重新格式化器44和体积绘制器42耦合到图像处理器30,以用于进一步增强、缓冲和临时存储以在图像显示器40上显示。

量化处理器可以从用户控制面板38接收输入,诸如其中要进行测量的图像的解剖结构中的点。来自量化处理器的输出数据被耦合到图形处理器36,以用于在显示器40上与图像一起再现测量图形和值。图形处理器36还可以生成用于与超声图像一起显示的图形交叠。这些图形交叠可以包含标准识别信息,例如患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等。为了这些目的,图形处理器接收来自用户接口38的输入,诸如患者姓名。用户接口还耦合到发送控制器18,以控制来自换能器阵列10’的超声信号的生成,并且由此控制由换能器阵列和超声系统产生的图像。用户接口还耦合到多平面重新格式化器44,以选择和控制可以用于在MPR图像的图像场中执行量化测量的多个多平面重格式化(MPR)图像的平面。

图2示出了根据本发明的超声引导的放射治疗系统,其包括超声成像系统和放射治疗系统。

放射治疗系统232包括壳体230或支撑辐射源的其他支撑物或主体,所述辐射源被布置成围绕对象移动或旋转。放射治疗系统232可以包含多叶准直器(MLC)420(图4)。多叶准直器与对象周围的辐射源的运动的组合允许借助于例如VMAT或静态调强放射治疗来递送复合的剂量分布。如果处置目标运动和/或风险器官的运动超过预先设定的限制或处置裕量,则放射治疗可以由操作者暂停或停止。放射治疗系统被配置为加载处置计划。在处置分段之前,患者210与放射治疗系统对齐,使得他的位置和取向与规划阶段的位置和取向匹配。超声引导的放射治疗系统被配置为根据处置计划来递送辐射射束。

超声系统被配置为采集3D在线图像。超声系统的换能器矩阵10”被定位为使得其位置相对于患者是固定的。备选地,可以跟踪超声系统的位置,例如,借助于光学标记的使用。而且,超声图像可以与规划CT图像进行配准。以这些方式,超声成像系统的位置可以与放射治疗系统匹配。

检测模块216被配置用于检测由超声系统212采集的3D在线图像上的处置目标和/或风险器官。该检测例如可以通过将3D在线图像与规划图像配准来实现,在所述规划图像上已经划定了处置目标和风险器官。检测还可以借助于其他检测或分割方法来实现,例如借助于基于图谱的方法,或者通过与Ecabert等人的Automatic Model-Based Segmentation of the Heart in CT Images(IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING,第27卷、第9期、第1189-1201页)中描述的方法类似的方法。此外,可以要求操作者提供处置目标和/或风险器官的第一描绘,其然后由系统用于在随后的图像中检测目标。

根据处置计划控制其位置和取向并由此控制处置射束的方向放射治疗系统232的控制器220向选择模块254提供辐射射束的实际方向的信息。处置目标和/或风险器官的沿着视图平面的2D图像在显示器256上显示给操作者。

图3示出了能够如何选择视图平面的范例。辐射射束315由放射治疗系统232递送到处置目标320,使得处置目标加上预定的处置裕量318被辐照。处置裕量318被确定为使得器其通常将充分补偿分段内运动。可以定义与放射治疗系统一起旋转的坐标系330。由此,x轴平行于射束方向325。放射治疗系统232的位置和取向确定辐射射束315的方向。选择模块254使用关于放射治疗系统232的位置和取向的信息来选择基本上垂直于辐射射束315的方向325的视图平面310。因此,视图平面与辐射射束之间的角度α优选在80和100度之间,并且更优选在85和95度之间。由此,确定视图平面的取向。该取向基本上平行于YZ平面。对于平面的x坐标,只要所得的视图平面包含处置目标和/或风险器官(的部分),就可以选择任何值。然后,超声引导的放射治疗系统被配置为沿着视图平面根据在线3D图像绘制处置目标和/或风险器官的图像,这可以在超声引导的放射治疗系统的显示器256上示出给操作者。显示器还可以被配置为指示视图平面相对于3D在线图像或患者解剖结构的取向。

根据本发明的实施例,选择x坐标使得视图平面包含处置目标的质心。备选地,选择模块被配置为选择视图平面,使得在沿着视图平面的2D切片中,根据预定标准,处置裕量的轮廓最佳匹配辐射射束的截面轮廓。这样的预定标准的一个可能的范例可以是3D端点的存在。视图平面的x坐标可以基于处置目标的一个或多个端点的位置来确定。图4示出了端点的解释。端点410a或410b是处置目标320的点,如果在由预定的处置裕量318包围的体积内则该点最靠近处置裕量410a或者如果超过由预定的处置裕量318包围的体积则该点离处置裕量410b最远。在3D端点由辐射射束的实际轮廓确定的情况下,当实际辐射射束的实际方向和/或形状改变时,3D端点可以改变。相反,如果基于处置裕量确定3D端点,则其不受实际辐射射束的实际方向和/或形状的影响。

图4还示出了本发明的另一实施例。根据该实施例,放射治疗系统包括多个准直器叶片,并且显示器被配置为显示随后的图像,并且还被配置为显示多个准直器叶片420的投影并显示随后的图像,使得多个准直器叶片的取向在随后的图像中是相同的。该实施例是有利的,因为其使得操作者更容易评价随后的图像。因此,在该实施例中,描述YZ平面(图3)中的旋转的平面内角度β(图4)对于随后的图像而言将是相同的。

图5示出了3D端点的另一个范例。在该图中,示出了处置目标320和风险器官510。在该图中,处置目标320的仅部分被辐射射束420的轮廓所覆盖。根据本发明的实施例,将仅考虑在辐射射束520的实际轮廓内的处置目标的体积来确定3D端点。

在上述大多数实施例中,位置和/或取向由实际辐射射束的方向和/或形状确定。根据其他实施例,视图平面的位置和/或取向是关于处置目标和/或风险器官的确定的信息。例如,视图平面可以被定位成使得处置目标的质心位于视图平面内。而且,例如,选择模块可以被配置为选择视图平面,使得处置目标和/或风险器官的主运动向量被包含在视图平面中。该主运动向量可以例如基于先前的知识来确定,例如,呼吸或肠相关运动的方向可能是已知的。备选地,超声引导的放射治疗系统可以被配置为存储处置目标位置的时间历史(例如,在最后5秒或更长的时间内)。可以从这些位置提取主运动向量。

图6示意性地示出了用于帮助验证放射治疗期间处置目标和/或风险器官的分段内运动是否保持在预设限制内的方法,其中,所述方法包括以下步骤:

-控制放射治疗系统借助于辐射射束向处置目标提供辐射处置,其中,辐射射束从不同的方向提供给处置目标600,并且

-借助于超声在辐射处置期间采集处置目标的3D在线图像610,并且

-在3D在线图像上检测处置目标和/或风险器官620,并且

-选择通过检测到的处置目标和/或风险器官的视图平面630,并且

-显示沿着视图平面的包括处置目标和/或风险器官的部分的图像的2D切片,并且显示与处置目标和/或风险器官相关的处置裕量和/或实际辐射射束的轮廓640。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明,但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的;本发明不限于所公开的实施例,并且可以用于图像引导的放射治疗领域的分段内运动监督。

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