旋转成像和跟踪系统中的在线角度选择的制作方法
本专利说明书涉及旋转成像和跟踪系统，特别地涉及用于旋转成像和跟踪系统的角度选择。
背景技术：
诸如肿瘤和病变等的病理解剖可以通过诸如外科手术等的侵入性过程来处置，这对患者而言可能是有害的并且充满风险的。用以处置病理解剖(例如，肿瘤、病变、血管畸形、神经障碍等)的非侵入性方法是外部束放射治疗，其中该外部束放射治疗通常使用放射处置源(例如，直线加速器(linac))来产生诸如x射线等的放射束。在一种类型的外部束放射治疗中，放射处置源(这里也称为治疗放射源)从多个角度将一系列x射线束引导到肿瘤部位，其中患者被定位成使得肿瘤位于束的旋转中心(等中心点)。随着治疗放射源的角度改变，每个束穿过肿瘤部位，但在进出肿瘤的途中穿过健康组织的不同区域。作为结果，肿瘤处的累积放射剂量高，而健康组织的累积放射剂量相对较低。
术语“放射外科手术”是指如下的过程，其中与用较大数量的处置阶段(也称为处置分割或者简称为分割)而针对各分割递送较低剂量相比，以足以用较少处置阶段处置病理的剂量对靶区域施加放射。区别于放射治疗，放射外科手术的特征通常在于针对各分割或处置阶段的相对高放射剂量(例如，500～2000厘戈瑞)、针对各分割的延长处置时间(例如，各处置为30～60分钟)、以及低分割(例如，1～5次分割)。放射治疗的特征通常在于针对各分割或处置阶段的低剂量(例如，100～200厘戈瑞)、较短分割时间(例如，各处置为10～30分钟)、以及超分割(例如，30～50次分割)。为方便起见，除非另有说明，否则术语“放射处置”在这里用于表示放射外科手术和/或放射治疗(也称为x射线治疗和放射治疗)。
图像引导放射治疗(igrt)系统包括基于机架的系统以及基于机器人臂的系统。在基于机架的系统中，机架使治疗放射源围绕穿过等中心点的轴旋转。基于机架的系统包括c形臂机架，其中治疗放射源以类似悬臂的方式安装在穿过等中心点的轴上并绕该轴旋转。基于机架的系统还包括具有大致圆环形状的环形机架，其中患者的身体延伸穿过环/圆环的孔，并且治疗放射源安装在环的周边并围绕穿过等中心点的轴旋转。基于机器人臂的系统包括治疗放射源安装至的机器人臂。
与各放射治疗系统相关联的是用以提供处置中图像(这里称为跟踪图像)的成像系统，其中处置中图像用于设置并在一些示例中引导放射递送过程，并且跟踪处置中靶运动。射野成像系统将检测器放置成与治疗放射源相对以对患者进行成像从而获得摆位和处置中图像，而其它方法利用不同、独立的图像放射源和检测器以获得患者摆位和处置中图像。跟踪以某些角度生成的图像可能比跟踪以其它角度生成的图像更适合于靶跟踪。然而，可能难以确定哪些角度将产生最佳靶跟踪性能。
附图说明
图1示出根据实施例的放射处置环境。
图2示出根据本发明的一个实施例的选择供处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法。
图3a示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第一方法。
图3b示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第二方法。
图3c示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第三方法。
图3d示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第四方法。
图4示出根据本发明的一个实施例的选择供处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法。
图5示出根据本发明的一个实施例的选择供处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法。
图6a示出根据本发明的一个实施例的选择供移动靶的处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法。
图6b示出根据本发明一个实施例的基于运动模型来确定角度的跟踪质量度量值的方法。
图7示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的方法。
图8示出根据本发明的一个实施例的旋转成像装置在处置阶段期间使用角度的集合的方法。
图9a示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的第一方法。
图9b示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的第二方法。
图9c示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的第三方法。
图10a示出根据一个实施例的基于机架的图像引导放射处置(igrt)系统的轴向剖视图。
图10b示出根据一个实施例的图10a的基于机架的igrt递送系统的侧向剖视图。
图10c示出根据一个实施例的图10a～10b的基于机架的igrt递送系统的立体图。
图11示出根据一个实施例的基于机架的igrt递送系统的立体图、以及与该基于机架的igrt递送系统一体和/或连接至该基于机架的igrt递送系统的计算机系统的示意图。
图12示出根据一个实施例的基于机器人臂的igrt递送系统的立体图。
图13示出根据一个实施例的针对72个测试角度的示例性跟踪质量度量值。
图14示出根据一个实施例的示例性患者以及可用于成功跟踪患者体内的靶的角度和不能用于成功跟踪靶的角度。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于选择成像系统为了在处置阶段期间生成靶的跟踪图像而要使用的角度(称为成像角度)的方法和系统。具有可移动成像装置的成像系统可以能够从许多不同角度生成跟踪图像。然而，为了靶跟踪目的，一些角度可能优于其它角度。例如，在一些成像角度处，待处置的靶可能是不可发现的，以及/或者可能是不可区别于与其它结构的。在其它成像角度，靶跟踪算法可能错误地将非靶结构识别为靶。用于生成跟踪图像的最佳角度的选择是重要的，并且可以在处置阶段中产生重要的影响。图像角度选择对于图像引导放射治疗而言可能尤其重要。
在一个实施例中，处理装置确定多个角度，其中成像装置可以从这多个角度生成跟踪图像。处理装置生成患者的三维处置计划图像的多个投影，诸如患者的计算机断层成像(ct)扫描、患者的磁共振成像(mri)扫描、或者基于另一三维成像模式的患者的三维图像等。三维处置计划图像包括所描绘的靶，其中多个投影中的各投影具有与可拍摄跟踪图像的多个角度其中之一相对应的角度。对于多个角度中的各角度，处理装置基于以该角度生成的投影的分析来确定用于跟踪靶的跟踪质量度量的值。处理装置选择具有满足一个或多个跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值的多个角度的子集。所选择的角度可以与用于生成跟踪图像的最佳角度相对应，其中该跟踪图像可以用于在处置阶段期间跟踪靶。在一个实施例中，子集中的至少第一角度与子集中的第二角度具有至少15度的间隔。
在一个实施例中，处理装置确定具有满足一个或多个跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值的角度的集合。处理装置可以是包括机架的放射治疗设备(这里也称为图像引导放射处置(igrt)设备)的组件，其中该机架在处置阶段期间以大于每分钟一次旋转的速度旋转。在处置阶段的对准期或处置期期间，可以进行多个操作以跟踪靶。可以从用于机架的第一次旋转的角度的集合中选择至少第一角度和第二角度。然后，安装到机架的成像装置可以在机架的第一次旋转期间从第一角度生成靶的第一跟踪图像。随后，成像装置可以在机架的第一次旋转期间从第二角度生成靶的第二跟踪图像。处理装置可以基于第一跟踪图像和第二跟踪图像来进行靶跟踪。
现参考附图，图1示出可以应用如这里所讨论的一个或多个实施例的放射处置环境100。放射处置环境100包括参考成像系统102和igrt递送系统104。参考成像系统102通常包括高精度体积成像系统，诸如计算机断层成像(ct)系统或核磁共振成像(mri)系统等。鉴于许多临床环境中的成本和工作流程考虑因素，参考成像系统102通常是用于临床或医院环境中的各种不同目的的通用工具，并且不专门用于igrt递送系统104。相反，参考成像系统102通常位于其自己单独的一间或一室中，并且与igrt递送系统104相比单独地且更一般化地购买、安装和/或维护。因此，对于图1的示例，参考成像系统102被示出为与igrt递送系统104不同。值得注意的是，对于不在本教导范围之外的其它放射处置环境，参考成像系统102可被认为是igrt递送系统104的一体组件。
处置计划系统118从参考成像系统102接收成像数据，并且进行一个或多个处置计划操作。处置计划系统118包括处理装置170，以生成和修改处置计划和/或模拟计划。处理装置170可以表示一个或多个通用处理器(例如，微处理器)、诸如数字信号处理器(dsp)等的专用处理器、或者诸如控制器或现场可编程门阵列(fpga)等的其它类型的装置。处理装置170可被配置为执行用于进行这里所讨论的模拟生成操作和/或处置计划操作的指令。
处置计划系统118还可以包括系统存储器177，其中该系统存储器177可以包括随机存取存储器(ram)或通过总线而连接至处理装置170的其它动态存储装置，以存储处理装置170所要执行的信息和指令。系统存储器177还可以用于在处理装置170执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。系统存储器177还可以包括只读存储器(rom)和/或连接至总线的其它静态存储装置，以存储处理装置170所用的静态信息和指令。
处置计划系统118还可以包括存储装置180，其中存储装置180表示连接至总线以存储信息和指令的一个或多个存储装置(例如，磁盘驱动器、光盘驱动器、固态驱动器等)。存储装置180可以用于存储用于进行这里所讨论的处置计划步骤(诸如用以选择成像角度的集合的处置计划操作等)的指令。
处理装置170还可以连接至诸如阴极射线管(crt)或液晶显示器(lcd)等的显示装置，以向用户显示信息(例如，voi的2d或3d表示)。诸如键盘等的输入装置可以连接至处理装置170，以将信息和/或命令选择通信至处理装置170。一个或多个其它用户输入装置(例如，鼠标、追踪球或光标方向键)也可用于通信方向信息，以选择处理装置170所用的命令并控制显示器上的光标移动。
处置计划系统118可以与igrt递送系统104共享其数据库(例如，存储器180中所存储的数据)，使得可以不必在处置递送之前从处置计划系统118导出。处置计划系统118可以经由数据链路而链接至igrt递送系统104，其中该数据链路可以是直接链路、lan链路或wan链路。应当注意，在数据链路被实现为lan或wan连接的情况下，参考成像系统102、处置计划系统118和/或igrt递送系统104中的任一个可以处于分散位置，使得系统可以在物理上彼此远离。可选地，参考成像系统102、处置计划系统118和/或igrt递送系统104中的任一个可以在一个或多个系统中彼此一体化。
在常见的临床实践中，对参考成像系统102所生成的预先获取的处置计划图像106进行处置计划。预先获取的处置计划图像106通常是基本上提前(例如，提前一到两天)获取的、患者将经历的一次或多次放射处置分割的高分辨率三维ct扫描图像。预先获取的处置计划图像106也可以是四维ct扫描图像。如图1所示，通过说明预先获取的处置计划图像106的(i,j,k)坐标系(其与igrt递送系统104的处置间所示的(x,y,z)处置间坐标系相对)，在处置计划图像106坐标系和处置间坐标系之间一般不存在预先存在或固有的对准或配准。
在处置计划过程期间，医生在处置计划图像内建立坐标系(例如，处置计划图像106中的i,j,k)，这里也可将该坐标系称为计划图像坐标系或计划图像参考系。在规定放射处置源108在各处置分割或阶段期间所要施加的高能处置放射束的各种取向、大小、持续时间等的计划图像坐标系中演绎放射处置计划。将治疗放射线准确地递送至靶包括使计划图像坐标系与处置间坐标系对准，因为整个递送和跟踪系统(如果存在的话)被校准到处置间坐标系。应当理解，这种对准不需要是精确的，并且还应当理解，可以使用床调节或束递送调节来解决两个坐标系之间的对准中的偏移。
因此，紧挨在每次处置分割(也称为处置阶段)之前，在成像装置110的精确图像引导下，根据以下进一步描述的一个或多个实施例，患者被物理定位成使得(例如但不限于由医生在ct图像或计划图像上创建处置计划时定义的)计划图像坐标系被定位成初始与处置间坐标系对准(以下称为初始处置对准或初始处置位置)。这种对准通常称为患者摆位。根据靶体积的位置，靶体积可以在位置和取向上发生变化，以及/或者可以由于患者移动和/或诸如呼吸等的生理周期而经历体积变形。
如这里所使用的，术语“处置中对准变化”或“处置中位置变化”用于指代靶体积的当前状态不同于初始处置对准的位置、取向和/或体积形状的变化。由于处置计划坐标系和处置间坐标系之间的已知关系，术语“处置中对准变化”还可以用于指代靶体积的当前状态不同于处置计划坐标系的位置、取向或体积形状的变化。更一般地，术语“初始处置对准”或“初始处置位置”在这里是指在处置分割一开始进行患者摆位时的患者身体部位的特定身体姿势或布置(包括位置、取向和体积形状)。
igrt递送系统104包括放射处置(mv)源108，该放射处置(mv)源108对定位在处置床tc上的患者p的靶体积选择性地施加高能x射线处置放射线。在一种常见场景中，放射处置(mv)源108是产生治疗放射线的直线加速器(linac)(其可以称为“mv源”)。放射处置源108在系统控制器114(更具体地为其处置放射控制子系统128)的控制下施加处置放射线。系统控制器114可以是包括诸如以上参考处理装置170所讨论的处理装置的计算装置。系统控制器114还可以包括与系统存储器177和存储装置180相似的系统存储器和存储装置。系统控制器114还包括检测器控制器122、床位置控制器124和成像装置控制器126，其各自被编程且配置为实现这里进一步描述的一个或多个功能。一个或多个成像装置110在成像装置控制器126的控制下选择性地发射相对低能量(例如，kv级)的x射线成像放射线，其中该成像放射线由一个或多个成像检测器112捕获。
对于一个实施例，成像装置110包括单个x射线成像源。在其它实施例中，成像装置110包括可用于产生二维立体定向x射线图像的一对x射线成像源。成像装置110还可以包括处于固定位置的一对x射线成像源以及位于可旋转机架上的单个x射线成像源。优选地，成像装置110各自的特征在于(a)相对于处置间的(x,y,z)坐标系的固定、预定、不移动的几何形状，或者(b)在成像装置100可动态移动的情况下可精确测量和/或可精确确定的、相对于处置间的(x,y,z)坐标系的几何形状。放射处置源108还应具有可精确测量和/或可精确确定的、相对于处置间的(x,y,z)坐标系的几何形状。
igrt递送系统104的成像系统包括用于产生相对低强度的低能成像放射线的一个或多个独立成像装置110(其各自可被称为“kv源”)。处置中图像可以包括在多个不同视点(例如，从多个不同角度)获取的多个二维图像(通常是x射线图像)，并且可以与从三维处置前图像信息(例如，从ct扫描或mri扫描)获得的二维drr进行比较。drr是通过将假想的x射线投射通过3d成像数据而生成的合成x射线图像，其中假想的x射线的方向和取向模拟处置中x射线成像系统的几何形状。然后，得到的drr具有与处置中x射线成像系统大致相同的比例和视点，并且可以与处置中x射线图像进行比较以确定靶的位置和取向，然后使用该位置和取向来引导放射线向靶的递送。
处置期间的靶或靶体积跟踪可以通过将处置中跟踪图像与处置前图像信息进行比较来完成。处置前图像信息可以包括例如计算机断层成像(ct)数据、锥形束ct数据、磁共振成像(mri)数据、正电子发射断层成像(pet)数据或3d旋转血管造影(3dra)数据、以及从这些成像模式获得的任何信息(例如但不限于数字重建放射影像或drr)。
床定位器130由床位置控制器124致动以定位处置床tc。基于非x射线的位置感测系统134可以使用不涉及电离放射的一种或多种方法(诸如基于光学或基于超声的方法)，来感测策略性地贴附至患者的外部标记的位置和/或移动以及/或者感测患者皮肤表面本身的位置和/或移动。
在一个实施例中，igrt递送系统104是基于机架的igrt递送系统。在另一实施例中，igrt递送系统104是基于机器人臂的igrt递送系统。igrt递送系统104还包括操作员工作站116。
还可以提供基于非x射线的位置感测系统134。通过示例而非限制的方式，这种基于非x射线的位置感测系统134可以包括以某种方式贴附至患者胸部的、响应于呼吸而移动的外部标记(可以使用用于监测呼吸的其它机构)，并且包括如上所述可以精确地确定靶位置的平面(mono)或立体x射线成像系统。系统134将外部标记的运动与根据成像装置110所生成的平面或立体跟踪图像而确定的靶运动进行关联。因此，基于非x射线的位置感测系统134允许系统控制器114监测外部标记运动，使用相关模型来实时(例如，～60hz)精确地预测靶将位于何处，并将处置束引导至靶。随着移动靶的处置进展，可以获得额外的x射线图像并使用这些额外的x射线图像来验证和更新相关模型。
根据一个实施例，包括处理装置120的系统控制器114被配置且编程为在处置相对静止的靶体积(例如但不限于脑、脊柱或前列腺肿瘤)时从基于非x射线的位置感测系统134和/或成像检测器112接收信息，根据该信息来计算处置中对准变化，并以持续补偿处置中对准变化的方式控制处置放射源108。在靶体积由于呼吸而移动的情况下，与患者的呼吸周期相比以相对缓慢的速率(例如，每15秒一次)更新来自成像检测器112的信息更丰富的数据，以保持相当低的x射线成像剂量水平。可以基本上实时地(例如，每秒30次)更新来自基于非x射线的位置感测系统134的信息较不丰富的数据。一个或多个x射线感测的内部靶体积(具有或不具有基准点)与一个或多个非x射线感测的外部标记之间的相关模型可以用于实时地确定处置中对准变化。可以以各x射线成像间隔更新(校正)相关模型以保持准确性。有利地，根据这里描述的一个或多个实施例的明智的成像装置110角度选择策略可用于改进靶跟踪准确性。
应当理解，基于非x射线的位置感测系统134(诸如
应当理解，通过示例而非限制的方式呈现了图1的典型放射处置环境。实施例适用于各种其它放射处置环境配置，并且这些实施例中的一个或多个实施例适用于放射处置系统的特定上下文之外的一般医学成像环境。因此，例如，虽然一个或多个实施例在应用于放射处置环境的上下文中时特别有利(其中参考成像系统102与igrt递送系统104物理分离、不具有公共坐标系、以及/或者不具有体积图像配准的其它固有手段)，但是本教导的范围不限于此。相反，实施例还可以有利地应用于放射处置环境的上下文中，其中参考成像系统与放射处置递送系统物理地一体化，或者具有与放射处置递送系统的其它固有连接，诸如基于轨道的患者移动系统。
如这里所使用的，图像的“配准”是指这些图像中出现的相应解剖学特征或其它(例如基准)特征之间的数学关系的确定。配准可以包括但不限于一个或多个空间变换的确定，其中这一个或多个空间变换在应用于这些图像中的一个或两个图像的情况下将导致相应解剖学特征的重叠。空间变换可以包括刚体变换和/或可变形变换，并且在图像来自不同坐标系或参考系的情况下可以考虑这些坐标系或参考系中的差异。对于不使用相同成像系统且不在相同时间获取图像的情况，配准过程可以包括但不限于考虑成像模式之间的差异、成像几何形状和/或不同成像系统的参考系的第一变换的确定、以及考虑在获取时间之间可能已经发生的身体部位的潜在解剖学差异(例如，定位差异、整体移动、身体部位内的不同结构之间的相对移动、整体变形、以及身体部位内的局部变形等)的第二变换的确定。
在一些实施例中，至少一个成像装置110安装到可旋转机架。处置放射源108可以安装到或者可以不安装到可旋转机架。至少一个成像装置110可以从多个不同角度生成靶的跟踪图像。在一个实施例中，如以下更详细讨论的，处置计划系统118和/或igrt递送系统104确定可用于通过成像装置110生成跟踪图像的角度的集合。如以下还讨论的，在实施例中，igrt递送系统可以基于跟踪在所确定的角度集中的一个或多个角度处拍摄的图像来进行靶跟踪。
图2～6是示出选择角度以供处置阶段期间使用的各种方法的流程图。图2～6的方法可以在处置之前进行，并且可被称为处置前角度选择方法。该方法可以由如下的处理逻辑进行，其中该处理逻辑可以包括硬件(例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等)、软件(例如，在处理装置上运行以进行硬件模拟的指令)或其组合。在实施例中，图2～6的方法可以由处置计划系统(例如，图1的处置计划系统118)的处理逻辑和/或igrt递送系统(例如，图1的igrt递送系统104)的处理逻辑进行。在选择角度之后，作为igrt递送系统的组件的成像装置可以使用所选择的角度的子集来生成跟踪图像并在处置阶段期间跟踪靶。
图2示出根据本发明的一个实施例的选择供处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法200。方法200可以以在块205处生成患者的三维处置计划图像开始。在一个实施例中，如图所示，三维处置计划图像是患者的计算机断层成像(ct)扫描。ct扫描可以是三维(3d)ct扫描或四维(4d)ct扫描。也可以使用其它三维处置计划图像或使用其它图像模式的4d处置计划图像。将参考ct扫描来讨论方法200。然而，应当理解，可以使用任何其它三维或四维处置计划图像来进行方法200。例如，在块205处，可以生成mri图像而不是ct扫描图像。mri图像可以是3dmri图像(也称为3dmri扫描)或4dmri图像(也称为4dmri扫描)。
一旦生成ct扫描，医生和/或技术人员可在块210处描绘ct扫描内的靶。这可以包括在ct扫描的多个不同切片中描绘靶。在已经描绘靶之后，靶位置和形状在ct扫描的3d空间中是已知的。此外，还可以描绘另外结构，诸如脊柱、心脏、肝脏、肱骨、以及纵隔等。所描绘的另外结构可以是患者体内的致密结构。块205和210的操作可能已经在一些实施例中进行，并且可能不是方法200的一部分。在这样的实施例中，方法200可以以接收已经描绘了靶和/或另外结构的预生成的ct扫描开始。
在块215处，处理逻辑确定成像装置(例如，图1的成像装置110)可以生成跟踪图像的多个角度。成像装置可以安装到可旋转机架，该可旋转机架可以绕轴旋转360度。可以从成像装置的任何可能角度拍摄图像。在一些实施例中，放射处置源也安装到可旋转机架。根据操作模式，可旋转机架可以在处置阶段期间连续旋转，并且可以在旋转的同时从任何可能角度生成跟踪图像。可选地，可旋转机架可以旋转到特定角度并且在这些角度处停止以在处置阶段期间拍摄跟踪图像。
在块218处，处理逻辑分析所确定的各角度。角度的分析可以包括在块220处生成患者的ct扫描的多个投影。针对成像装置可以定位的不同角度生成各投影。在一个实施例中，针对1度到360度的角度生成360个投影。因此，可以针对每1度角度间隔生成投影。可选地，可以例如以每5度角度间隔(例如，5度、10度、15度等)、每10度角度间隔、以及每0.5度角度间隔等生成投影。如以下参考图3a～3d所讨论的，可以生成多种不同类型的投影。可以生成的投影的一些示例包括数字重建放射影像(drr)、几何投影、以及一条或多条射线的射线踪迹等。drr是基于通过将射线投射通过ct图像来模拟x射线图像形成过程而从3dct图像生成的虚拟x射线图像。可以将任意投影投影到虚拟检测器平面上。
角度的分析还可以包括在块225处分析以各个角度生成的投影。所进行的分析可以取决于所生成的投影的类型和/或要应用的跟踪质量度量标准。以下参考图3a～6来描述可进行的不同分析的一些示例。基于该分析，处理逻辑确定用于以生成投影的各角度跟踪靶的跟踪质量度量值。角度的跟踪质量度量值表示靶跟踪算法将能够基于以该角度生成的图像成功跟踪靶的置信度。换句话说，跟踪质量度量值是作为使得能够对角度进行评级并且能够选择最佳角度的跟踪成功概率的代理的值(例如，数字)。在一个实施例中，较高跟踪质量度量值表示可以从一个角度跟踪靶的较高置信度，并且较低跟踪质量度量值表示可以从一个角度跟踪靶的较低置信度。可以使用多个不同输入来计算角度的跟踪质量度量值。这些输入可以单独或组合使用以计算跟踪质量度量值。在使用多个输入的情况下，可以对或者可以不对输入进行加权。以下参考图3a～6讨论了不同跟踪质量度量值(以及跟踪质量度量值的输入)的示例。
在块228处，处理逻辑选择生成投影的角度的子集。可以基于与这些角度相关联的跟踪质量度量值来选择角度以包括在子集中。被选择包括在子集中的角度具有满足跟踪质量度量标准(或多个跟踪质量度量标准)的跟踪质量度量值。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括跟踪质量度量阈值。与满足或超过跟踪质量度量阈值的跟踪质量度量值相关联的角度可以包括在子集中，而与低于阈值的跟踪质量度量值相关联的角度不可包括在子集中。跟踪质量度量阈值可以是固定阈值或可变阈值。对于可变阈值，可以基于针对特定患者计算出的跟踪质量度量值来确定阈值。例如，如果最高跟踪质量度量值是0.6，则阈值可以是0.5。对于固定阈值，可以在不考虑针对特定患者计算出的跟踪质量度量值的情况下确定阈值。在一些情况下，这可能导致不存在满足跟踪质量度量标准的角度。
在块230处，处理逻辑可以基于其关联的跟踪质量度量值来对角度进行排序。要用于跟踪目的的角度的子集可以是具有最高跟踪质量度量值的这些角度。因此，可以为了生成图像的目的而确定最佳角度以在患者的处置阶段期间跟踪靶。
在一些情况下，处理逻辑可以判断为在子集中，具有满足一个或多个跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值的角度的数量不足。可用角度数量不足的一个可能原因是靶与处置等中心点之间的大距离。因此，如果子集中的角度的数量不足，则处理逻辑可以输出患者被重新定位以使靶更接近处置等中心点的建议。例如，处理逻辑可以建议患者被重新定位在距左侧4cm的位置处。可以通过将患者物理地重新定位在处置床上或者通过垂直和/或横向地自动移动处置床来进行患者重新定位。在重新定位之后，可以重复方法200以确定多个角度的新子集。
图3a～3d示出用于计算成像装置的可能角度的跟踪质量度量值的各种方法。可以在方法200的块218处进行这些方法中的任一方法以确定不同角度的质量度量值。另外或可选地，可以组合这些方法中的两个或更多个以基于不同方法确定各角度的多个质量度量值或确定单个组合质量度量值。如果使用多种方法，则可以对利用这些方法中的各方法输出的质量度量值进行相等或不等的加权，以计算最终的组合质量度量值。
图3a示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第一方法300。在方法300的块302处，处理逻辑选择角度。所选择的角度与可用于生成跟踪图像的成像装置的角度相对应。在块304处，处理逻辑针对所选择的角度生成靶区域drr。靶区域drr是通过投射或追踪刚好通过ct扫描或其它处置计划图像(例如，mri图像)中的靶的射线而生成的drr。可以通过沿各条射线对ct值进行求和来计算drr像素值。在块306处，针对所选择的角度生成标准drr。标准drr与靶区域drr的不同之处在于，通过ct扫描的所有区域(或其它处置计划图像)追踪射线以生成标准drr。对于标准drr和靶区域drr这两者，射线可以追踪到虚拟检测器平面上。虚拟检测器平面的各像素可以与通过ct扫描数据(或其它处置计划图像数据)而追踪的射线相对应。像素的像素值可以基于相关射线的ct值的聚合。
在块308处，处理逻辑使用靶跟踪算法以使用靶区域drr来在标准drr中搜索靶。靶跟踪算法可以是将用于在处置患者的处置阶段期间跟踪靶的相同靶跟踪算法。然而，在处置期间，靶跟踪算法可以在诸如x射线图像等的跟踪图像中找到靶。
在一个实施例中，如在以下的示例中所描述并在块310处所指示的，靶跟踪算法基于靶区域drr和标准drr之间的相似度值来进行模式匹配。在这样的示例中，靶跟踪算法根据靶区域drr确定诸如靶形状等的特征或模式。靶跟踪算法计算来自靶区域drr的靶的第一模式与标准drr中的靶的多个候选位置中的各候选位置的模式之间的相似度值。来自靶区域drr的第一模式与来自标准drr的另外模式之间的最大相似度值表示靶在标准drr中的位置。在一些实施例中，跟踪质量度量值可以与第一模式和来自标准drr的最接近模式之间的相似程度成比例。
候选位置的相似度值可以基于候选位置处的靶区域drr的相似度值的组合。“相似度值”或“相似度测度”是反映两个图像彼此相似的程度的数字。例如，两个图像之间的多个互相关度中的一个互相关度或组合可以用于计算相似度值。用于定位靶的一个实施例通过在靶区域drr的跟踪区域上组装相似度图来进行。相似度图包含图像中所考虑的各候选位置处的drr的相似度值。可以使用但不限于互相关度、熵、互信息、梯度相关度、模式强度、梯度差或图像强度梯度方法来计算如上所述的相似度值。可以对所计算出的值进行归一化，使得所得到的相似度值是范围在0和1或者-1和1之间的数字。可以使用最高相似度值以生成所选择的角度的跟踪质量度量值。
在一些情况下，可能无法基于靶区域drr将靶定位在标准drr中。例如，如果靶被骨结构或诸如心脏或膈膜等的其它致密结构遮挡，则可能无法定位靶。不能定位靶可能导致不能满足跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值。
在一些实施例中，跟踪质量度量值是置信度值。跟踪质量度量值可以基于候选位置的最高相似度值。跟踪质量度量值还可以基于候选位置的最高相似度值和其它候选位置的其它相似度值之间的差。如果最高相似度值和其它相似度值之间的差低于差阈值，则这表示在所选择的角度中，患者体内存在与靶相似的其它结构。这种类似的结构可能在处置期间混淆跟踪算法，因此导致置信度值降低。另外，靶在标准drr中的实际位置是已知的。如果由靶跟踪算法确定的位置与已知位置不同，则还可以降低跟踪质量度量值。
在块312处，处理逻辑记录靶跟踪算法的结果。这可以是诸如置信度值等的单个跟踪质量度量值。靶跟踪算法的结果可以可选地包括诸如二进制成功/失败值和置信度值等的多个值。
在块314处，处理逻辑判断是否存在仍需要确定跟踪质量度量值的任何另外角度。如果是，则该方法返回至块302，并选择新的角度。否则该方法结束。
图3b示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第二方法320。在方法320的块322处，处理逻辑选择角度。所选择的角度与可用于生成跟踪图像的成像装置的角度相对应。在块324处，处理逻辑针对所选择的角度生成drr(例如，标准drr)。在块325处，处理逻辑基于drr来计算所选择的角度的一个或多个质量度量值。可以使用多种不同的技术来计算质量度量值，其中一些技术在这里进行描述。然而，本发明不限于仅这里描述的用于计算跟踪质量度量值的这些技术。如果确定了多个质量度量值，则可以将这些值组合成组合质量度量值。组合质量度量值可以基于不同质量度量值的加权或非加权组合。
在一个实施例中，在块326处，处理逻辑确定靶和靶周围的区域之间的对比度。靶的位置是已知的，因为在用于生成drr的ct扫描(或其它处置计划图像)中描绘了靶。对比度可以是靶和背景(周围区域)之间的强度差。因此，可以计算靶内部的第一区域和靶外部的第二区域之间的对比度而无需首先定位该靶。
存在可以单独或组合使用以计算跟踪质量度量值(或跟踪质量度量值的输入)的多个不同对比度值。可以确定的一个对比度值是亮度对比度、即靶和其背景(周围区域)之间的强度差除以背景的强度。可以计算的另一对比度值是对比度噪声比(cnr)。通过将亮度对比度除以整体图像噪声的标准偏差来计算cnr。噪声图像一般需要较大对比度以提供靶的相似可见性。可以计算的其它类型的对比度包括weber对比度、michelson对比度和均方根(rms)对比度。
较高对比度值表示在处置期间找到靶的概率增加。因此，较高对比度值是优选的。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括最小可接受对比度和/或最小可接受对比度噪声比。可以基于以多个不同角度针对drr计算出的对比度的组合(例如，平均值)来确定最小可接受对比度。在一个实施例中，具有低于最小可接受对比度(和/或低于最小可接受对比度噪声比)的对比度值的角度不能满足一个或多个跟踪质量度量标准。
在一个实施例中，在块328处，处理逻辑确定靶的边缘。可以容易地确定靶的边缘，这是因为靶的位置在ct扫描(或其它处置计划图像)中描绘出，因此是已知的。在块330处，处理逻辑确定靶边缘的边缘强度。可以通过计算边缘处的图像亮度和/或其它图像特性的变化来确定边缘强度。在一个实施例中，计算边缘处的图像亮度变化的一阶导数。也可以使用其它数学技术来计算边缘强度。较高边缘强度表示在处置阶段期间找到靶的可能性较高。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括最小可接受边缘强度。在一个实施例中，具有低于最小可接受边缘强度的边缘强度值的角度不能满足跟踪质量度量标准。
如前所述，在块324处生成drr的ct扫描(或其它处置计划图像)包括所描绘的靶，并且还可以包括诸如脊柱、心脏、以及膈膜等的一个或多个另外的描绘结构。在一个实施例中，在块332处，处理逻辑判断drr中的靶和另外描绘结构之间是否重叠。描绘结构之间的重叠可以表示靶或靶的一部分在跟踪从该角度拍摄的图像时可能不可见，并且可能导致处置期间所使用的靶跟踪算法不能找到靶。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括靶和另外描绘结构之间的最大可接受重叠。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括靶和另外描绘结构之间的最小可接受距离。在一个实施例中，描绘靶和另外描绘结构之间的重叠导致角度的跟踪质量度量值不能满足跟踪质量度量标准。
在块334处，处理逻辑记录一个或多个质量度量值的结果。这些跟踪质量度量值各自可以是组合跟踪质量度量值的输入。在块336处，处理逻辑判断是否存在仍未确定跟踪质量度量值的任何另外角度。如果是，则该方法返回至块322，并选择新的角度。否则该方法结束。
图3c示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第三方法340。在方法340的块342处，处理逻辑选择角度。所选择的角度与可用于生成跟踪图像的成像装置的角度相对应。在块344处，处理逻辑以所选择的角度在ct扫描或其它处置计划图像中追踪通过靶的射线。在一个实施例中，射线通过靶的质心。在块346处，随着射线穿过ct扫描，处理逻辑累积射线的ct值。
在块348处，处理逻辑基于ct值或者另一3d或4d处置计划图像的值的累积来生成有效深度值。有效深度值表示射线穿过的材料的总累积密度。较高的有效深度值表示射线穿过致密材料，而较低的有效深度值表示射线穿过较不致密的材料。因此，在实施例中优选较低的有效深度值。射线的有效深度值可以是角度的跟踪质量度量值。可选地，射线的有效深度值可以是跟踪质量度量值的一个输入。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括最大可接受有效深度值。在一个实施例中，高于最大可接受有效深度值的有效深度值导致跟踪质量度量值不能满足一个或多个跟踪质量度量标准。
在一些实施例中，以所选择的角度追踪通过靶的多条射线，并且可以针对各射线确定有效深度值。例如，可以对从通过靶的两条射线到通过靶的所有射线的任何位置进行射线追踪。然后可以在数学上组合有效深度值以确定组合有效深度值。在一个实施例中，对多条射线的有效深度值进行平均以计算平均有效深度值。在一个实施例中，计算中值有效深度值。组合有效深度值、平均有效深度值和/或中值有效深度值可以用作跟踪质量度量值或者用作跟踪质量度量值的输入。然后可以针对角度记录一个或多个有效深度值和/或跟踪质量度量值。
在块350处，处理逻辑判断是否存在仍需要确定跟踪质量度量值的任何另外角度。如果是，则该方法返回至块342，并选择新的角度。否则该方法结束。
图3d示出根据本发明的一个实施例的确定旋转成像装置的角度的跟踪质量度量值的第四方法360。方法360可以用于基于跟踪植入靶中的基准点来确定跟踪靶的跟踪质量度量值。靶可以具有已经植入靶中的多个基准点。在三维空间中成角度地跟踪靶可以是最佳的，其中各基准点在以这些角度拍摄的图像中是可单独查看的。
在方法360的块362处，处理逻辑选择角度。所选择的角度与可用于生成跟踪图像的成像装置的角度相对应。在块364处，处理逻辑将基准点的位置从ct扫描(或其它处置计划图像)的3d空间以所选择的角度投影到2d虚拟检测器平面上。投影可以是基准点的几何投影。
在块366处，处理逻辑判断任何基准点是否与靶中的任何其它基准点重叠。在一个实施例中，基准点重叠跟踪质量度量标准是基于任何两个基准点之间是否存在重叠的二元标准。如果基准点之间存在重叠，则对于角度而言可能不满足基准点重叠跟踪质量度量标准。在一个实施例中，跟踪质量度量标准可以是基于基准点之间的允许重叠量的数值。基准点之间的较大重叠可能导致较差的跟踪结果，因此可能导致较低的跟踪质量度量值。
在块368处，处理逻辑确定基准点之间的间隔量。可以确定各基准点之间的间隔量。例如，如果存在三个基准点，则可以确定第一基准点和第二基准点、第二基准点和第三基准点、以及第一基准点和第三基准点之间的间隔值。可选地，可以计算几何投影中的最接近基准点之间的间隔值。基准点之间的较高间隔量可以得到更好的跟踪结果，因此在实施例中可以是优选的。针对一角度的基准点之间的最小间隔可以用作该角度的跟踪质量度量值。可选地，可以至少部分地基于基准点之间的最小间隔、平均间隔、以及重叠量等来计算跟踪质量度量值。
在块369处，处理逻辑记录一个或多个质量度量值的结果。在块370处，处理逻辑判断是否存在仍要确定跟踪质量度量值的任何另外角度。如果是，则该方法返回至块364，并选择新的角度。否则该方法结束。
图4示出根据本发明的一个实施例的选择供处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法400。在特定实施例中，方法400基本上与方法200类似。具体地，方法400的实施例对应于针对可移动处置床的多个不同床位置进行方法200的操作、并且基于多个床位置处的角度的跟踪质量度量值的组合结果来选择角度的子集。
在块415处，处理逻辑确定成像装置(例如，图1的成像装置110)可以生成跟踪图像的多个角度。成像装置可以安装到可旋转机架，该可旋转机架可以绕轴旋转360度。可以从成像装置的任何可能角度拍摄图像。
在块418处，处理逻辑分析针对处置床的第一床位置的多个角度。在块420处，角度的分析包括针对第一床位置生成患者的处置计划图像的第一多个投影。针对成像装置可以定位的不同角度生成各投影。在一个实施例中，针对1度到360度的角度生成360个投影。因此，可以针对每1度角度间隔生成投影。可选地，可以例如以每5度角度间隔(例如，5度、10度、15度等)、每10度角度间隔、以及每0.5度角度间隔等生成投影。如以上参考图3a～3d所讨论的，可以生成多种不同类型的投影。可以生成的投影的一些示例包括数字重建放射影像(drr)、几何投影、以及一条或多条射线的射线踪迹等。
角度的分析还可以包括在块425处分析针对第一床位置以各个角度生成的投影。所进行的分析可以取决于所生成的投影的类型。以上参考图3a～3d描述了可以进行的不同分析的示例。基于该分析，处理逻辑确定用于针对第一床位置并且以生成投影的各角度跟踪靶的跟踪质量度量值。
在块428处，处理逻辑分析针对处置床的第二床位置的多个角度。在一个实施例中，第一床位置和第二床位置表示可在患者的处置阶段期间使用的床位置的两个相对极端。
在块430处，角度的分析包括针对第二床位置生成患者的处置计划图像的第二多个投影。角度的分析还可以包括在块435处分析针对第二床位置以各个角度生成的投影。所进行的分析可以取决于所生成的投影的类型。以上参考图3a～3d描述了可以进行的不同分析的示例。基于该分析，处理逻辑确定用于针对第二床位置并且以生成投影的各角度跟踪靶的跟踪质量度量值。
在一些实施例中，还可以针对另外床位置进行多个角度的另外分析。对于每个这样的床位置，可以在多个角度中的各角度处确定不同的跟踪质量度量值。
在块440处，处理逻辑选择生成投影的角度的子集。可以基于与多个不同床位置处的角度相关联的质量度量值来选择角度以包括在子集中。被选择包括在子集中的角度具有满足所考虑的不同床位置中的各床位置处的跟踪质量度量标准(或多个跟踪质量度量标准)的跟踪质量度量值。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括跟踪质量度量阈值。与满足或超过跟踪质量度量阈值的跟踪质量度量值相关联的角度可以包括在子集中，而与低于阈值的跟踪质量度量值相关联的角度不可包括在子集中。跟踪质量度量阈值可以是固定阈值或可变阈值。
然后，处理逻辑可以基于其相关联的跟踪质量度量值来对角度进行排序。要用于跟踪目的的角度的子集可以是多个不同床位置处的具有最高跟踪质量度量值的角度。因此，可以为了生成图像的目的而确定最佳角度以在患者的处置阶段期间可以使用的可能床位置的范围内、在该处置阶段期间跟踪靶。
图5示出根据本发明的一个实施例的选择供处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法500。在特定实施例中，方法500基本上与方法200类似。具体地，方法500的实施例对应于针对4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的多个不同时间进行方法200的操作、并且基于多个不同时间片段的角度的跟踪质量度量值的组合结果来选择角度的子集。
在块515处，处理逻辑确定成像装置(例如，图1的成像装置110)可以生成跟踪图像的多个角度。成像装置可以安装到可旋转机架，该可旋转机架可以绕轴旋转360度。可以从成像装置的任何可能角度拍摄图像。
在块518处，处理逻辑分析针对4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的第一时间的多个角度。在块420处，角度的分析包括在第一时间生成患者的ct扫描(或其它3d处置计划图像)的第一多个投影。针对成像装置可以定位的不同角度生成各投影。在一个实施例中，针对1度到360度的角度生成360个投影。因此，可以针对每1度角度间隔生成投影。可选地，可以例如以每5度角度间隔(例如，5度、10度、15度等)、每10度角度间隔、以及每0.5度角度间隔等生成投影。如以上参考图3a～3d所讨论的，可以生成多种不同类型的投影。可以生成的投影的一些示例包括数字重建放射影像(drr)、几何投影、以及一条或多条射线的射线踪迹等。drr是基于通过将射线投射通过ct图像(或其它3d处置计划图像)来模拟x射线图像形成过程而从3dct图像(或其它3d处置计划图像)生成的虚拟x射线图像。可以将任意投影投影到虚拟检测器平面上。
角度的分析还可以包括在块525处分析针对第一时间以各个角度生成的投影。所进行的分析可以取决于所生成的投影的类型。以上参考图3a～3d描述了可以进行的不同分析的示例。基于该分析，处理逻辑确定用于针对第一时间并且以生成投影的各角度跟踪靶的跟踪质量度量值。
在块528处，处理逻辑分析针对4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的第二时间的多个角度。在一个实施例中，第一时间和第二时间表示靶在针对患者的处置阶段期间可以实现的位置和/或旋转的两个相对极端。靶可在处置阶段期间经历运动。4dct扫描可以捕获靶在一段时间内的运动，并且所捕获的运动可以与靶在处置阶段期间可能也会经历的运动相对应。因此，识别并选择在整个靶运动中最佳的角度可能是有益的。靶可能经历的一些类型的运动是周期性运动。例如，位于患者肺部区域的靶可能随着患者的吸气和呼气而移动、改变形状和/或旋转。
在块530处，角度的分析包括针对4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的第二时间生成患者的ct扫描(或其它处置计划图像)的第二多个投影。角度的分析还可以包括在块535处分析针对4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的第二时间以各个角度生成的投影。所进行的分析可以取决于所生成的投影的类型。以上参考图3a～3d描述了可以进行的不同分析的示例。基于该分析，处理逻辑确定用于针对第二时间并且以生成投影的各角度跟踪靶的跟踪质量度量值。
在一些实施例中，还可以针对4dct扫描或其它4d处置计划图像的另外时间进行多个角度的另外分析。对于每个这样的时间片段，可以在多个角度中的各角度处确定不同的跟踪质量度量值。
在块540处，处理逻辑选择生成投影所用的角度的子集。可以基于与4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的多个不同时间处的角度相关联的质量度量值来选择角度以包括在子集中。被选择包括在子集中的角度具有满足所考虑的各时间的跟踪质量度量标准(或多个跟踪质量度量标准)的跟踪质量度量值。在一个实施例中，跟踪质量度量标准包括跟踪质量度量阈值。与满足或超过跟踪质量度量阈值的跟踪质量度量值相关联的这些角度可以包括在子集中，而与低于阈值的跟踪质量度量值相关联的这些角度不可包括在子集中。跟踪质量度量阈值可以是固定阈值或可变阈值。
然后，处理逻辑可以基于其相关联的跟踪质量度量值来对角度进行排序。要用于跟踪目的的角度的子集可以是4dct扫描(或其它4d处置计划图像)的多个时间处的具有最高跟踪质量度量值的角度。因此，可以为了生成图像的目的而确定最佳角度以在靶在处置阶段期间可能经历的周期运动的不同阶段跟踪该靶。
图6a示出根据本发明的一个实施例的选择供移动靶的处置期间所要使用的旋转成像装置使用的角度的集合的方法600。在一个实施例中，在方法200的块228之后进行方法600。
在方法600的块605处，处理逻辑生成靶的运动模型。运动模型可以用于周期运动(例如，随呼吸发生的运动)或用于准静态运动。准静态运动是以可预测情景性方式缓慢发生的运动。可能经历准静态运动的靶的一个示例是前列腺。可以基于与特定类型的靶一般如何移动有关的统计信息来生成运动模型。例如，可以基于与如何检测到许多患者的前列腺移动有关的统计信息来生成用于前列腺运动的统计运动模型。运动模型可以可选地或另外基于附加信息，诸如基于示出靶的运动的患者的4dct扫描或4d磁共振成像(mri)图像。
在块610处，处理逻辑根据运动模型来估计靶的未来运动。在块615处，处理逻辑基于对ct扫描或其它处置计划图像中的靶应用估计未来运动来确定靶的估计未来位置和取向(以及可能的大小和/或形状)。在块620处，处理逻辑针对多个角度中的各角度确定用于跟踪具有估计未来位置和取向的靶的第二跟踪质量度量值。在块630处，处理逻辑确定具有满足一个或多个跟踪质量标准的跟踪质量度量值的角度的子集中的第二子集。第二子集可以是可包括子集中的少于全部的角度的另一子集。第二子集包括第二跟踪质量度量值也满足跟踪质量度量标准的角度。
图6b示出根据本发明一个实施例的基于运动模型来确定角度的跟踪质量度量值的方法650。例如，可以在方法200的块218处进行方法650。
在方法650的块655处，处理逻辑生成靶的运动模型。运动模型可以用于周期运动(例如，随呼吸发生的运动)或用于准静态运动。可以基于与特定类型的靶一般如何移动有关的统计信息来生成运动模型。例如，可以基于与如何检测到许多患者的前列腺移动有关的统计信息来生成用于前列腺运动的统计运动模型。运动模型可以可选地或另外基于附加信息，诸如基于示出靶的运动的患者的4dct扫描或患者的其它4d处置计划图像。
在块658处，处理逻辑可以基于靶的位置极端来确定多个角度的跟踪质量度量值。在一个实施例中，在块660处，处理逻辑针对多个角度中的各角度根据运动模型来估计靶的第一位置和第二位置。第一位置和第二位置可以处于运动模型的两个极端。例如，如果运动模型用于肺中的靶的运动，则第一位置可以处于完全吸气，并且第二位置可以处于完全呼气。
在一个实施例中，在块665处，处理逻辑针对多个角度中的各角度确定第一位置的第一跟踪质量度量值和第二位置的第二跟踪质量度量值。在块670处，处理逻辑然后可以针对多个角度中的各角度，基于第一位置的第一跟踪质量度量值和第二位置的第二跟踪质量度量值来确定组合跟踪质量度量值。在一个实施例中，组合跟踪质量度量值是两个跟踪质量度量值的平均值。在一个实施例中，将组合跟踪质量度量值维持为两个单独的跟踪质量度量值，并且将这些跟踪质量度量值中的各跟踪质量度量值单独地与跟踪质量度量标准进行比较。
在一个实施例中，在块680处，处理逻辑基于多个角度中的各角度处的运动灵敏度来确定跟踪质量度量值。在一个实施例中，在块685处，处理逻辑针对多个角度中的各角度确定靶运动的灵敏度。确定针对角度的运动灵敏度可以包括确定以该角度可检测到的运动量。例如，处理逻辑可以确定靶运动的主轴。与运动的主轴大致正交的这些角度可以检测靶的最大运动量。例如，在从左右成像角度而不是前后成像角度生成的图像中，具有显著前后运动的靶的运动可以是最明显的。
在块690处，处理逻辑然后可以针对多个角度中的各角度，基于以该角度的靶运动的灵敏度(例如，基于以该角度可检测到的运动量)来确定跟踪质量度量值。较高的运动灵敏度(较高的可检测运动量)可以表示在处置期间更可能从一个角度捕获靶运动，从而提高靶跟踪准确性。因此，较高的运动灵敏度可以得到较高的跟踪质量度量值。
这里已经参考图2～6b讨论了许多不同的跟踪质量度量值以及跟踪质量度量值的输入。然而，应当理解，实施例不限于这里描述的这些跟踪质量度量值和输入。这些跟踪质量度量值和/或跟踪质量度量值的输入可以以任何组合组合在一起以及/或者与其它输入和/或度量组合。例如，可以单独地或结合这里讨论的任何其它跟踪质量度量值的输入而使用的跟踪质量度量值的输入可以基于与角度相关联的投影的视场(fov)。由于靶相对于处置等中心点的位置，不同角度的投影的fov可以变化。更大的fov提供更多的信息，因此可能更可取。因此，一种跟踪质量度量标准可以是fov大小阈值。如果与特定角度相关联的投影的fov低于fov大小阈值，则该角度的跟踪质量度量值可以减小，以及/或者跟踪质量度量值可能不能满足跟踪质量度量标准。
图7～9c是示出选择供处置阶段的对准期或处置期期间使用的角度的各种方法的流程图。因此，在实施例中，图7～9c的方法可以用于处置中角度选择。方法可以由如下的处理逻辑进行，其中该处理逻辑可以包括硬件(例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等)、软件(例如，在处理装置上运行以进行硬件模拟的指令)或其组合。图7～9c的方法可以由处置计划系统(例如，图1的处置计划系统118)的处理逻辑和/或igrt递送系统(例如，图1的igrt递送系统104)的处理逻辑进行。
图7～9c的方法例如可以由如下的igrt递送系统进行，其中该igrt递送系统包括可以绕处置床(和患者)旋转360度(例如，以360度的弧度)的旋转成像装置。在一些实施例中，旋转成像装置安装到可旋转机架，其中放射处置源也安装到该可旋转机架。在其它实施例中，旋转成像装置安装到可旋转机架或环，其中该可旋转机架或环不包括安装至其上的放射处置源。在一个实施例中，igrt递送系统是诸如图10a～10c所示的基于机架的igrt递送系统。图10a～10c中的基于机架的igrt递送系统是一种类型的螺旋递送放射治疗设备。对于螺旋递送放射治疗设备，用于保持患者的处置床可以移动通过如下的旋转机架，其中成像装置和放射处置源在处置期间安装到该螺旋机架。在一个实施例中，igrt递送系统是诸如图12所示的基于机器人臂的igrt递送系统。
在一些实施方式中，方法200～650中的一种或多种方法可以在处置阶段之前(例如，在处置计划期间)进行，并且图7～9c中的一个或多个图的方法可以在已经进行方法200～650中的一种或多种方法之后的处置阶段进行。可选地，图7～9c中的一个或多个图的方法例如可以在不首先进行方法200的情况下进行。
处置阶段的对准期涉及使患者针对igrt递送系统对准。可以将患者放置到处置床上，并且可以通过成像装置以各个角度拍摄患者的一个或多个图像。如果要使用运动模型来跟踪靶，则对准期还可以包括基于从各个角度拍摄的跟踪图像来生成运动模型、以及/或者基于跟踪图像来更新先前生成的运动模型。例如，可以以第一角度拍摄患者的第一系列图像以从第一角度捕获周期运动的不同阶段，并且可以以第二角度拍摄第二系列图像以从第二角度捕获周期运动的不同阶段。然后可以使用这些图像来生成或更新运动模型。
图7示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段的对准期或处置期期间使用的角度的集合的方法700。
在方法700的块705处，处理逻辑确定跟踪质量度量值满足跟踪质量度量标准的角度的集合。在一个实施例中，在块705处进行方法200～650中的一种或多种方法以确定角度的集合。可选地，方法200～650中的一种或多种方法可以先前已经在处置计划期间执行过。在这种情况下，确定角度的集合可以包括接收包括角度的集合的列表、以及/或者查看该列表。另外或可选地，角度的集合可以至少部分地基于在患者的先前处置阶段中成功使用的角度。例如，处理逻辑可以构建在患者的各个处置阶段期间已成功使用的角度的直方图。该信息可以用于调整角度集合中的角度的跟踪质量度量值。例如，在一些实施例中，处理逻辑可以使在先前处置阶段中成功使用的角度的跟踪质量度量值增加。处理逻辑还可以以其它方式使已经成功的角度比角度集合中的其它角度有利。
在块710处，处理逻辑开始靶的处置阶段(也称为处置分割)的对准期或处置期。在一些实施例中，方法700可以在对准期期间进行，并且处置期期间再次进行。
在块715处，处理逻辑从用于成像装置安装至的可旋转机架的第一次旋转的角度集合中选择第一角度。在一个实施例中，第一角度是角度集合中的具有最高跟踪质量度量值的角度。在一个实施例中，第一角度是角度集合中的、在第一角度范围(例如，30～60度)内并且在该角度范围中具有最高跟踪质量度量值的角度。在块720处，安装到可旋转机架的成像装置在机架的第一次旋转期间从第一角度生成靶的第一跟踪图像。
在块725处，处理逻辑从用于成像装置安装至的可旋转机架的第一次旋转的角度集合中选择第二角度。在一个实施例中，第二角度与第一角度间隔至少15度(例如，第一角度可以是15度，而第二角度可以是30度或更多)。在另一实施例中，第二角度与第一角度间隔至少30度。在另一实施例中，第二角度与第一角度间隔约70～110度(在一个实施例中，例如间隔约90度)。在一个实施例中，第二角度具有角度集合中的第二高跟踪质量度量值。在一个实施例中，第二角度具有与第一角度间隔至少角度间隔阈值(例如，间隔至少15度、至少30度、至少60度等)的角度的集合的子集中的最高跟踪质量度量值。
在块730处，安装到可旋转机架的成像装置在机架的第一次旋转期间从第二角度生成靶的第二跟踪图像。
在块735处，处理逻辑可以基于第一跟踪图像和第二跟踪图像来进行靶跟踪。在一些情况下，进行靶跟踪可以包括使用跟踪图像来生成或更新靶的运动模型。还可以选择并使用另外角度以在可旋转机架的第一次旋转期间生成靶的另外跟踪图像。另外或可选地，可以在可旋转机架的未来旋转期间使用第一角度和第二角度和/或不同角度以生成另外跟踪图像。这些另外跟踪图像可用于继续跟踪靶。例如，可以选择并在可旋转机架的每次旋转时使用两个角度(例如，可选地间隔约90度)。在另一示例中，可以选择并在可旋转机架的每次旋转时使用三个角度(例如，可选地间隔约60度)。在另一示例中，可以选择并在可旋转机架的每次旋转时使用多于三个角度。
在一个实施例中，为了进行靶跟踪，处理逻辑应用靶跟踪算法，其中该靶跟踪算法在以成像角度拍摄的跟踪图像和从患者的ct扫描或其它处置计划图像的相应角度生成的drr之间进行图像配准。基于图像配准，靶跟踪算法可以确定靶的位置以及靶的形状。
在一个实施例中，处理逻辑应用靶跟踪算法来确定跟踪图像(例如，从处置间参考系中的成像装置获取的实时x射线)所表示的第一参考系中的靶相对于选自第二图像(例如，drr)的补片模板所表示的第二参考系的位置，其中靶的位置和形状在第二参考系中是已知的或定义好的。基于模板补片的感知能力来选择模板补片，以将第一图像中的靶的特征与附近的结构区分开。通过计算模板补片和靶的多个假想或候选位置中的各位置之间的相似度值来找到第一图像中的靶的位置。相似度值的最大值表示第一图像中的靶的位置。
候选位置的相似度值可以基于候选位置处的各模板补片的相似度值的组合。“相似度值”或“相似度测度”是反映两个图像彼此相似的程度的数字。例如，两个图像之间的多个互相关度中的一个互相关度或组合可以用于计算相似度值。可以根据与模板补片之间的靶有关的信息内容的相对重要性来对相似度值的这种组合进行加权。在一个实施例中，候选位置的相似度值或补片级相似度值是候选位置处的模板补片的相似度值或补片级相似度值的加权和。例如，所应用的加权可以是补片中的像素值的标准偏差。因此，在计算模板级相似度值时，具有较高标准偏差的补片被赋予较大的权重。可以使用补片级相似度值的其它数值组合和/或权重来计算模板级相似度值。
用于定位靶的一个实施例通过首先在各补片的跟踪区域上组装补片级相似度图来进行。各补片级相似度图包含图像中所考虑的各候选位置处的补片的相似度值。然后根据补片级相似度图在模板中的空间关系来组合这些补片级相似度图，以产生全局相似度图。补片级相似度图的组合可以是各补片级相似度图中的相似度值的加权和。
在用于定位靶的可选实施例中，在前进到下一候选位置之前确定候选位置的模板级相似度值。因此，在该可选方法中，不使用补片级相似度图。作为替代，随着模板从一个候选位置移动到另一个候选位置，用模板级相似度值来填充全局相似度图中的候选位置。
可以使用但不限于互相关度、熵、互信息、梯度相关度、模式强度，梯度差或图像强度梯度方法来计算如上所述的相似度值。可以对所计算出的值进行归一化，使得所得到的相似度值是范围在0和1或者-1和1之间的数字。
图8示出根据本发明的一个实施例的旋转成像装置在患者处置的处置阶段的处置期期间使用角度的集合的方法800。在块805处，处理逻辑确定作为供处置阶段期间使用的候选的角度的集合来生成跟踪图像。可以基于所接收到的包括该组角度的列表(例如，将角度从最高跟踪质量度量值到最低跟踪质量度量值进行评级的有序列表)来确定该组角度。可选地或另外，可以通过进行方法200～650中的一种或多种方法的操作来确定角度的集合。
在块810处，处理逻辑从用于机架的第一次旋转的角度的集合中选择第一角度。第一角度可以是具有最高跟踪质量度量值的角度，或者可以是旋转范围(例如，0～90度角度)内具有最高跟踪质量度量值的角度。在块815处，处理逻辑使成像装置(例如，x射线源和检测器对)在机架的第一次旋转期间从所选择的角度生成靶的跟踪图像。在块820处，处理逻辑尝试至少部分地基于跟踪图像来进行靶跟踪。在一个实施例中，在处置阶段的处置期和/或对准期期间可能已经拍摄了一个或多个先前图像。在这种情况下，可以基于第一图像以及一个或多个先前图像来进行靶跟踪。
在块825处，处理逻辑使用第一跟踪图像来判断跟踪是否成功。如果在第一张图像中成功识别出靶，则跟踪可能是成功的。如果跟踪成功，则方法继续至块830。
在块830处，处理逻辑判断处置阶段是否完成。如果处置阶段完成，则方法结束。如果处置阶段未完成，则方法返回至块810，并且选择另一角度，然后使用该另一角度来生成另一跟踪图像。可以在旋转机架的第一次旋转期间或在可旋转机架的后续旋转期间生成其它跟踪图像。
如果在块825处判断为跟踪不成功，则方法进入块835。如果靶跟踪算法无法识别跟踪图像中的靶，则跟踪可能不成功。在块835处，处理逻辑确定应当拍摄下一跟踪图像的时间窗口。可以进行靶跟踪以更新靶的运动模型。如果靶跟踪对于最近的跟踪图像而言并不成功，则运动模型可以继续依赖于较旧的跟踪图像。然而，随着时间的推移，在没有更新的跟踪图像的情况下，运动模型的准确性可能降低。时间窗口的大小可以取决于运动模型的准确性随时间降低得多快。例如，如果靶易进行准静态运动，则运动模型的准确性可能会迅速降低。如果靶易进行周期运动，则运动模型的准确性可能会较缓慢地降低。
准静态运动模型(也称为情景性运动模型)将靶建模为在其最后查看位置处具有静态位置。每次对靶进行成像时，靶位置更新为新观察的位置，然后假定保持在该位置处直到检测到新位置为止。准静态运动模型的典型成像时间窗口可以在约1～30秒之间，这取决于剂量递送速率和其它临床因素，诸如情景性运动的预期幅度、情景性运动的预期概率、以及处置靶距高度敏感或处于危险中的器官的距离。
周期运动模型(也称为定期运动模型)将靶建模为通过诸如由呼吸或跳动的心脏引起的周期运动而连续移动。对于周期运动模型，时间窗口可以是约5～120秒的量级。时间窗口可以根据患者特征而变化。例如，对于一些患者，时间窗口可以是约15～60秒，而对于其它患者，时间窗口可以是约90～120秒。在一个示例中，如果患者非常规律地呼吸、放松、并且不自发地移动或咳嗽，则运动模型可以在整个处置期间使用非常小的调整，因此可以使用约90～120秒的窗口。
在块840处，处理逻辑判断在该时间窗口内是否可使用角度集合中的另一角度。旋转机架可以以预定速度旋转。例如，可旋转机架可以以每分钟2次旋转、每分钟5次旋转、每分钟10次旋转、每分钟15次旋转、每分钟20次旋转或更快的速度旋转。角度集合中的可用角度的数量可以根据旋转的速度和时间窗口的大小而变化。
例如假定：时间窗口是2秒；在对于最新跟踪图像的跟踪失败的情况下，成像装置处于5度的角度；旋转机架以每分钟5次旋转的速度旋转；以及角度集合中的下一个角度为38度。在每分钟5次旋转的旋转速度下，旋转机架每秒旋转30度。因此，在时间窗口内可使用角度集合中的处于38度的下一个角度。另一方面，如果下一个角度为80度，则该下一个角度将在时间窗口之外。如果角度在时间窗口中可用，则方法继续至块845并在块845处继续处置，并且方法返回至块810以选择另一角度。否则，方法进入块850。
在许多情况下，时间窗口内将可使用多个角度。例如，在每分钟10次旋转的旋转速度下，成像装置每6秒扫描全部360度。因此，在该旋转速度下，6秒的时间窗口将使角度集合中的所有角度都可用。如果多个角度可用，则处理逻辑在块810处选择在时间窗口内可用的可用角度其中之一。在一个实施例中，选择具有最高跟踪质量度量值的角度。在一个实施例中，选择时间上的下一个角度。在一个实施例中，基于各角度将何时可用以及这些角度的跟踪质量度量的组合来选择下一个角度。在一个实施例中，还考虑了成功跟踪到靶的最后跟踪图像的角度。例如，可能优选选择与最后成功跟踪图像的角度相隔90度的角度。在一些实施例中，考虑多个先前跟踪图像以选择下一个成像角度。例如，如果存在覆盖大部分患者呼吸期的图像，则系统可以选择将以与尚未生成最近图像的呼吸期相对应的角度拍摄的下一个图像。
在块850处，中断治疗。这可以包括停止可旋转机架的旋转和/或停止放射处置束的递送。在中断期间，可以生成靶的一个或多个另外跟踪图像，直到靶被成功定位为止。另外，可以更新靶的运动模型。然后可以继续处置，并且方法可以从块810重新开始。
图9a～9c示出选择可以拍摄跟踪图像的角度的集合的各种方法。这些方法可以在方法800的块805和/或方法700的块705处单独地或组合地使用。
图9a示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的第一方法900。在方法900的块905处，处理逻辑在处置计划期间接收具有满足一个或多个跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值的候选角度的初始列表。在块910处，处理逻辑使成像装置从候选角度的初始列表中的一个或多个角度生成靶的处置前图像。这些处置前图像可以在处置阶段的对准期期间生成。在块915处，处理逻辑基于处置前图像来确定处置阶段所用的候选角度的初始列表的子集。例如，处理逻辑可以对候选角度中的10％～50％进行采样并更新这些采样角度的跟踪质量度量值。处理逻辑可以另外基于对采样角度的改变来对非采样角度的改变进行插值。
图9b示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的第二方法920。在方法900的块925处，处理逻辑在患者体内进行靶的ct扫描或mri扫描。在块930处，处理逻辑在ct扫描或mri扫描中接收靶的描绘。
在块935处，处理逻辑从多个角度生成靶的x射线图像。在块940处，处理逻辑针对多个角度中的各角度，基于以该角度生成的x射线图像的分析来确定用于跟踪靶的跟踪质量度量值。除了使用x射线而不是标准drr来生成跟踪质量度量值之外，可以使用任何上述技术来确定跟踪质量度量值。在块945处，处理逻辑然后选择具有满足一个或多个跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值的多个角度的子集。
图9c示出根据本发明的一个实施例的选择供旋转成像装置在处置阶段期间使用的角度的集合的第三方法950。在方法950的块955处，处理逻辑在处置计划期间接收具有满足一个或多个跟踪质量度量标准的跟踪质量度量值的候选角度的初始列表。在块960处，处理逻辑从两个或更多个候选角度生成靶的多个x射线图像。在块965处，处理逻辑从多个图像生成靶的运动模型。在一些实施例中，运动模型还可以至少部分地基于用于描述特定类型的靶可能如何随时间移动的一般统计运动模型。在块970处，处理逻辑针对候选角度列表中的各角度确定以该角度的运动灵敏度。然后，处理逻辑确定对运动模型中所表示的靶的运动最灵敏的处置阶段的候选角度的初始列表的子集。
图10a～10c示出根据一个或多个实施例的能够执行以上针对图1的igrt递送系统104所述的功能的igrt递送系统1000。igrt递送系统1000可以是在各个实施例中的方法200～950中提及的igrt递送系统。图10a示出根据一个实施例的基于机架的图像引导放射处置(igrt)系统100的轴向剖视图。图10b示出根据一个实施例的基于机架的igrt递送系统1000的侧向剖视图。图10c示出根据一个实施例的igrt递送系统1000的可旋转机架结构的立体图。
igrt递送系统1000包括机架框1002，其中在该机架框1002内，设置有被配置为围绕穿过等中心点1016的旋转轴1014旋转的可旋转机架结构1004。在所示的示例中，可旋转机架结构1004沿顺时针方向1099旋转。然而，可旋转机架结构也可以沿逆时针方向旋转。与igrt递送系统1000相关联的是虚平面(这里也被称为横向等中心平面1017)，其中该虚平面与旋转轴1014正交并且穿过等中心点1016。机架框1002、等中心点1016、旋转轴1014和横向等中心平面1017可以相对于安装有igrt递送系统1000的处置室(未示出)是固定且不动的。如这里所使用的，等中心点或机器等中心点是处置间(处置室)中的物理点。处置中心是医生在处置计划期间定义的靶体积内的点，通常位于处置前处置计划图像参考系(例如，处置前ct图像参考系)内。对于等中心处置，处置中心可以在上述的摆位过程期间与机器等中心点对准。
可旋转机架结构1004包括一个或多个梁构件1006，其各自在被大致设置在横向等中心平面1017的相对侧的第一环构件1008和第二环构件1009之间延伸。注意，梁构件的两端可以相隔或者可以不相隔180度。通过使源和检测器偏移，视场可以增大。第一环构件1008一般与可旋转机架结构1004的第一端(朝向图10b的左侧)相对应，而第二环构件1009一般与可旋转机架结构1004的第二相对端(朝向图10b的右侧)相对应。第一环构件1008和第二环构件1009通过机架框1002的相应端以允许和促进可旋转机架结构1004围绕旋转轴1014旋转、同时保持旋转轴1014高度稳定且静止的方式支撑在可旋转机架结构1004的相应端处。本领域技术人员将理解，可以使用允许这种旋转的各种不同机械支撑方案中的任一种(例如，抗摩擦套筒、滑动轴承、滚柱轴承等)。本领域技术人员将理解，根据正在使用的特定材料和其它设计考虑因素，可以使机架框1002在其相应端处比图10b中示意性所示基本上更厚或者以其它方式加强，以确保这种机械稳定性。
可旋转机架结构1004可以包含围绕旋转轴1014间隔约180度的两个梁构件1006，这(例如但不限于)有助于(例如，通过将适当的平衡重量施加到相对的梁构件1006)促进旋转平衡。本领域技术人员将理解，如这里所使用的术语“梁构件”可以包括各种不同类型的结构构件(例如，实心杆、空心杆、平行或同心杆的组装件、桁架式结构等)，其中这些结构构件可以在结构上从一个位置延伸到另一个位置，并且可以沿着这些结构构件固定地或可移动地安装或定位一个或多个实体物品(例如，linac、linac组装件、成像源、以及成像探测器等)。
可移动地安装在一个梁构件1006上的是诸如但不限于直线加速器(linac)或紧凑型质子源等的放射处置源1010(也称为治疗放射头)，其中放射处置源1010上包括诸如多叶准直器(mlc)等的端准直器1012、并且提供治疗放射束1003。放射处置源1010通过连接装置1007而安装到梁构件1006，其中该连接装置1007被配置为并适于实现以下进一步描述的平移和旋转功能。
在一个实施例中，放射处置源1010包括紧凑型轻质linac，诸如没有偏转磁铁的紧凑配置的x波段或c波段linac。这允许如下的紧凑型系统设计，其中所有移动组件都在固定表面覆盖物(例如，孔屏蔽物)后面，从而消除了与患者碰撞的风险并且实现更高的旋转速度。在其它可选实施例中，紧凑型加速器可包括偏转磁铁。
放射处置源1010可以是配置有不同辅助准直系统1012的linac，包括固定锥体、可变孔径准直器，诸如iris可变孔径准直器(accurayincorporated，sunnyvale，ca)等的可变孔径准直器、二元准直器、或mlc等。
可旋转机架结构1004和放射处置源1010的尺寸设计成允许存在中心孔1018。中心孔1018可以是下面这样的开口，其中该开口足以允许患者p被定位成穿过其中，而不可能在机架使放射头1010围绕患者p旋转时被放射处置源1010或其它机械组件无意间接触。处置床1022被提供用于支撑患者p。处置床1022可以连接至自动化患者定位系统(未示出)，以将患者p移动到治疗位置并且以三个或更多个自由度(例如，三种正交平移，一种与旋转轴1014平行的平移、两种与旋转轴1014正交的平移，加上可选的一种或多种旋转)操纵该患者。本领域技术人员将理解，许多床可以根据本发明的实施例来使用。
根据一个实施例，提供圆柱形孔屏蔽物1020以对中心孔1018的边界进行划线。除了防止患者的手或其它身体部位意外地移动成与移动部件碰撞之外，孔屏蔽物1020还可以减少患者考虑到装置中的大移动部件时可能感觉到的恐吓感。孔屏蔽物1020提供用以使机架旋转速度最大化、同时仍满足所有法规安全要求的能力。孔屏蔽物1020应当由对治疗和成像放射基本上透明的材料形成，并且可选也可以是视觉不透明的。
根据一个实施例，放射处置源1010以允许和促进以下各项的方式安装到梁构件1006：(i)放射处置源1010沿梁构件1006(即，以第一环构件1008和第二环构件1009之间端对端的方式)平移，(ii)放射处置源1010围绕第一枢轴m1(这里称为主要枢轴)枢转，以及(iii)放射处置源1010围绕与m1成直角的第二轴m2(这里称为辅助枢轴)枢转。优选地，轴m1和m2各自穿过放射处置源1010的质心(com)，并且质心沿治疗放射束1003的轴。总体地，围绕轴m1的主要枢转和围绕轴m2的辅助枢转可被认为是放射处置源1010的万向节运动。
本领域技术人员将理解，igrt递送系统1000还包括多个各种类型的致动器(未示出)，用于实现本发明的上下文中所描述的机械功能。因此，例如，igrt递送系统1000包括用以实现以下各项的相应致动装置(未示出)：可旋转机架结构1004围绕旋转轴1014的旋转、放射处置源1010沿着梁构件1006的轴向平移、放射处置源1010的m1枢转、以及放射处置源1010的m2枢转。igrt递送系统1000还包括诸如可以在一个或多个可编程计算机上实现的一个或多个处理装置和/或控制单元，用于控制各种致动器并在必要时相对于所列举的各种放射源和检测器发送信号以实现本发明的上下文中所描述的功能。
有利地，如这里所讨论的，由于放射处置源1010的轴向平移、m1枢转和m2枢转的组合而提供的可能性，igrt递送系统1000促成了各种放射处置递送计划。同时，由于可旋转机架结构1004的环式机械性质(其可以更特别地被引用为“筒式”机械性质)，与放射处置源支撑件具有类似悬臂的性质的方法相比可以提供更大程度的机械稳定性。一般而言，除了积极地影响可实现倾斜角度(即，在治疗放射束等中心的情况下的治疗放射束1003与横向等中心平面1017之间的角度)的范围之外，环构件之间的端到端距离增加将对装置的机械稳定性产生影响。
短语“使机架旋转”或“机架旋转”是指可旋转机架结构1004的旋转。有利地，igrt递送系统1000存在许多可能的操作模式。可旋转机架结构1004(以及因此安装至其上的放射处置源1010)可以在处置期间持续旋转。可选地，可旋转机架结构1004可以旋转至特定角度并停在该特定角度。放射处置源1010可以在不相对于轴倾斜的情况下绕患者旋转。在这种情况下，放射处置源1010可以在有无不规则场成形以及有无调制的情况下处理离散的固定机架旋转角度(共面束)的集合，从而实现共面静态束crt和imrt。对于每个固定的机架旋转角度，放射处置源1010可以以倾斜角度相对于轴倾斜，从而实现非共面crt和imrt。可选地，放射处置源1010可以配置有二元准直器或mlc，并在不相对于轴倾斜地连续旋转的同时递送放射线。通过将放射处置源1010旋转与经由中心孔1018的患者移动相结合(这可以例如通过处置床1022的直线平移来实现)，实现序列或螺旋断层治疗。可选地，放射处置源1010可以配置有mlc，并在不相对于轴倾斜地旋转机架的同时递送放射线。
在机架旋转期间，机架旋转速度、剂量率、mlc形状和准直器角度可以变化，因此也能够实现传统共面旋转弧形治疗。通过随着机架角度变化使放射处置源1010相对于轴倾斜，可以利用多次非共面旋转来递送旋转弧形治疗以使束位置的数量、由这些位置覆盖的立体角、以及强度或注量调制程度最大化，以实现最高可能处置计划质量。在一种方法中，倾斜角保持恒定，而机架角度变化。在另一种方法中，倾斜角度变化，而机架角度也变化(称为锥形非共面旋转弧形治疗和锥形螺旋旋转弧形治疗)。这种方法可以与机架旋转期间的处置床1022的移动相结合，以提供这里所述的锥形非共面断层治疗或锥形螺旋非共面断层治疗。由于能够使用机架旋转(0到360度之间)实现许多取向并且通过改变倾斜角度(在系统的最大限度内，例如可以是-30～+30度或-45～+45度)将源移出平面，因此可以通过设置适当的机架旋转和倾斜角度来容易地且快速地进行具有平行相对场的乳房处置。
可旋转机架结构1004还设置有在环构件1008和1009之间延伸的附加梁构件1060。附加梁构件1060各自设置有一个(或多个)成像装置(例如，kv源)1052和/或一个(或多个)成像检测器(例如，kv检测器)1054，并且被配置为使得各成像装置1052与大致和等中心点相对的相关成像检测器1054配对。各成像装置1052通过相应的连接装置1056而连接至其相应的梁构件1006，并且各成像检测器1054通过相应的连接装置1058而连接至其相应的梁构件1006，连接装置1056和1058被配置为且适于实现这里进一步描述的功能(例如，固定、平移和/或旋转)。梁构件1060被设置成相对于彼此以及放射处置源1010成合适的角度以实现期望成像功能，其中在与成像装置围绕患者的旋转相结合时，期望成像功能可以包括标准x射线成像或立体成像。在一个实施例中，成像装置1052与放射头1010正交地安装在机架上。这使得该成像装置1052能够在放射处置源1010向靶递送放射束的同时生成靶的图像。
利用一个或多个成像装置1052，系统可以在机架旋转期间获取x射线图像。由于能够实现由机架旋转角度和倾斜角度定义的任何取向，因此可以通过适当地调整旋转角度和倾斜角度来处理所有旋转偏移。示出两个成像装置1052。然而，应当理解，igrt递送系统1000可以替代地包括单个成像装置1052。利用两个或更多个kv成像系统，系统可以以任何机架旋转角度同时获取立体x射线图像。利用一个kv成像系统，系统可以以(例如间隔90度的)不同机架旋转角度非同时地获取立体x射线图像。x射线图像可以例如通过将x射线图像与由计划ct图像生成的数字重建放射影像(drr)进行配准而用于患者摆位。如果使用两个成像装置1052，则该成像装置1052可以大致彼此垂直地安装。
能够生成处置内图像允许分割内(例如，处置中)靶运动跟踪。分割内运动跟踪和校正有助于实现更好的处置计划和这些处置计划的准确递送。用于使靶运动与身体的解剖特征(例如但不限于外胸壁或移动中的骨结构)的运动相关联的系统也可以包括在本发明的实施例中。例如，肺肿瘤将随着呼吸周期性地移动，并且肿瘤位置可以与(例如但不限于)患者呼吸时的胸壁的运动相关联。
图11示出根据一个实施例的基于机架的igrt递送系统1100的立体图、以及与该基于机架的igrt递送系统1100一体和/或连接至该基于机架的igrt递送系统1100的计算机系统1150的示意图。计算机系统1050使用一个或多个总线、网络或其它通信系统1160，包括有线和/或无线通信系统。计算机系统1150可以与igrt递送系统1100协同操作，以实现这里所述的一个或多个实施例的方法。根据一个或多个实施例的图像引导放射处置的方法可以用机器可读代码(即，软件或计算机程序产品)实现，并且可以在诸如但不限于计算机系统1150的计算机系统上进行。计算机系统1150可以包括处理装置(例如，通用或专用处理装置)1152、随机存取存储器1153、以及非易失性存储器1154(例如，机电硬盘驱动器、固态驱动器等)。计算机系统1150还可以包括各种输入/输出装置，诸如显示监视器1155、鼠标1161、键盘1163、以及能够相对于诸如磁带、光盘(cd)、数字通用盘(dvd)、蓝光盘(bd)、存储器、硬盘驱动器等的非暂时性计算机可读存储介质1158读取和写入数据和指令的其它i/o装置1156。
另外，可能存在经由一个或多个总线、网络或其它通信系统1160到其它计算机和装置的连接，诸如可能存在于这些装置的网络(例如，互联网1159)上。用以控制这里所述的图像引导放射处置操作的软件可被实现为程序产品并存储在诸如非暂时性计算机可读存储介质1158、外部非易失性存储装置1162或其它有形存储介质等的有形存储装置上。
基于机架的igrt1000、1100可以用于共面旋转弧形治疗以及非共面旋转弧形治疗(例如，螺旋递送)。在一个实施例中，锥形非共面旋转弧形治疗可以由基于机架的igrt1000、1100进行。对于锥形非共面旋转弧形治疗，放射处置源1010沿着梁构件1006以离散步轴向平移，其中每一步都会发生机架旋转。在各个离散机架角度处可以存在治疗放射束的离散发射，或者随着机架角度连续变化可以存在治疗放射束的连续发射，其各自都在本教导的范围内。在一个实施例中，锥形螺旋非共面旋转弧形治疗和其它类型的螺旋旋转弧形治疗可以由基于机架的igrt1000、1100进行。对于锥形非共面旋转弧形治疗，随着机架旋转，放射处置源1010沿着梁构件1006平移。在各个离散机架角度处可以存在治疗放射束的离散发射(相应地存在放射处置源1010的离散平移前进)，或者随着机架角度连续变化可以存在治疗放射束的连续发射(相应地存在放射处置源1010的连续平移前进)，其各自都在本教导的范围内。锥形螺旋非共面旋转弧形治疗可以跨越与锥形非共面旋转弧形治疗相同的锥形三维体积，但是以连续或螺旋的方式这样做。
可以使用基于机架的igrt递送系统1000、1100来适应各种各样的放射治疗概况和策略。这种可能性包括但不限于：具有矩形场成形和1d(使用mlc的楔形件或虚拟楔形件)强度调制的单个或平行相对的静态束；具有矩形场成形和1d调制的静态束；具有矩形场成形和1d调制的共面旋转处置(“弧形治疗”)；具有不规则场成形和1d调制的共面或非共面束(“适形放射治疗”或crt)；具有不规则场成形和2d调制的共面或非共面束(“强度调制放射治疗”或imrt)；以及具有与床移动和2d调制相结合地使用窄束的共面旋转的断层治疗(螺旋的或序列的)。这种可能性还包括旋转弧形治疗(也称为强度调制弧形治疗(imat))，其中该旋转弧形治疗包括具有机架旋转速度、剂量率、mlc位置、以及在一些情况下在旋转期间变化的准直器角度的一个或多个共面旋转、不规则场成形和2d调制，并且包括考虑到处置期间针对mlc运动的实际约束而增加可实现的强度调制程度的多次旋转。
基于机架的igrt递送系统1000、1100的一个益处是实现具有多个非共面旋转的旋转弧形治疗以使束位置的数量、这些位置所覆盖的立体角、以及治疗放射束的强度或注量调制的程度最大化，以实现最高可能处置计划质量。在实施例中，基于机架的igrt递送系统1000、1100可以以每分钟1～50次旋转或更快的速率旋转机架。在一些实施例中，机架可以可选地比每分钟1次旋转更慢地旋转。在一个实施例中，机架以每分钟1～10次旋转的速度旋转。在一个实施例中，机架以每分钟约3～6次旋转的速度旋转。机架旋转得越快，选择成像角度的自由度就越大。例如，如果机架使其旋转速度加倍，则提供相同时间采样所需的良好成像角度的数量减半。在一个实施例中，机架以每分钟约5次旋转的速度旋转。基于机架的igrt递送系统1000、1100的另一个益处是使用用于患者摆位和分割内运动跟踪和校正的图像引导来准确地递送处置计划。基于机架的igrt递送系统1000、1100的另一个益处是增加的刚性，这使得旋转速度更高、输送精度更高(放射束位置和取向的误差更小)，以及3d重建图像质量更好(旋转期间的成象系统几何形状的误差更小)。
图12示出根据一个实施例的基于机器人臂的igrt递送系统1200的立体图。在所示的实施例中，igrt递送系统1200包括用作放射处置源的直线加速器(linac)1201。linac1201安装在具有多个(例如，5个或更多个)自由度的机器人臂1202的一端以对linac1201进行定位，以利用从多个角度、在许多平面中、在患者周围的操作体积中递送的束来照射病理解剖结构(例如，靶1220)。处置可能涉及具有单个等中心点、多个等中心点或具有非等中心点趋向的束路径。
在处置期间，可以通过移动机器人臂1202将linac1201定位在多个不同节点(机器人停止和可以递送放射的预定位置)处。在节点处，linac1201可以将一个或多个放射处置束递送至靶1220。节点可以围绕患者被布置成近似球形的分布。节点的特定数量以及在各节点处施加的处置束的数量可以根据要处置的病理解剖结构的位置和类型而变化。例如，节点的数量可以在50～300、或者更优选地在15～100个节点之间变化，并且束的数量可以在1100～3200之间、或者更优选地在50～300之间变化。
根据本发明的一个实施例，基于机器人臂的igrt递送系统1200包括成像系统1210，该成像系统1210具有与成像源1203a和1203b(也称为成像装置)以及检测器1204a和1204b相连接的处理装置1230。成像源1203a～1203b可以是x射线源，并且检测器1204a～1204b可以是x射线检测器。成像源1203a～1203b和/或成像检测器1204a～1204b可以具有成固定预定角度的固定位置。在一个实施例中，成像源1203a～1203b近似正交(例如，具有约90度的角度间隔)以促进立体成像。可选地，成像源1203a、1203b和/或成像检测器1204a、1204b可以是移动的，在这种情况下，它们可被重新定位成保持与靶1220的对准。
两个成像源1203a和1203b可以安装在手术间的天花板上的固定位置，并且可以对准以将来自两个不同角度位置(例如，间隔90度)的x射线成像束投影成在机器等中心点(这里称为处置中心，其提供用于在处置期间将患者定位在处置床1206上的参考点)处相交并在穿过患者1225之后照射相应检测器1204a和1204b的成像平面。因此，成像系统1210提供靶1220和周围感兴趣体积(voi)的立体成像。
在一些实施例中，基于机器人臂的igrt递送系统1200包括辅助成像系统1239。辅助成像系统1239可以包括附接至机器人臂(未示出)的可旋转机架1240(例如，环)。机器人臂可以使可旋转机架1240沿着一个或多个轴(例如，沿着从处置床1206的头部延伸至脚部的轴)移动。成像源1245和检测器1250被安装到可旋转机架1240。可旋转机架1240可以围绕从处置床的头部延伸至脚部的轴旋转360度。因此，成像源1245和检测器1250可以以多个不同角度定位。在一个实施例中，成像源1245是x射线源，并且检测器1250是x射线检测器。在一个实施例中，辅助成像系统1239包括可单独旋转的两个环。成像源1245可以安装到第一环，并且检测器1250可以安装到第二环。在一个实施例中，可旋转机架1240在放射处置递送期间置于处置床的脚部，以避免与机器人臂1202的碰撞。
如本领域技术人员所公知的，检测器1204a、1204b、1250可以由用于将x射线转换为可见光的闪烁材料(例如，非晶硅)、以及用于将光转换为数字图像的cmos(互补金属氧化物硅)或ccd(电荷耦合器件)成像单元的阵列制成，其中在用于将数字图像的坐标系变换为参考图像的坐标系的图像配准过程期间，可以将数字图像与参考图像进行比较。参考图像可以例如是数字重建放射影像(drr)。
图13示出根据一个实施例的72个测试角度的示例性跟踪质量度量值。图13另外示出示例性跟踪质量度量阈值。具有高于跟踪质量度量阈值的跟踪质量度量值的角度可以包括在候选角度的集合中以用于处置阶段期间的图像跟踪，而低于跟踪质量度量阈值的角度不可包括在该集合中。在该示例中，良好的候选图像对(各图像具有超过0.8或80％的跟踪质量度量值或置信度值)是45度和135度，这导致两个连续的正交图像。
图14示出根据一个实施例的示例性患者1405以及可用于成功跟踪患者体内的靶1410的角度1425和不能用于成功跟踪靶1410的角度1430。如图所示，对于角度1430，患者的脊柱1415挡住靶1410。因此，在以角度1430拍摄的x射线图像中，可能无法辨别靶1410。角度1430覆盖了本示例中应当避免的约120度的旋转。然而，在角度1425处，脊柱1415不与靶1410重叠，因此角度1425可以包括在候选角度的集合中，以用于在处置阶段期间跟踪靶1410。在该示例中，角度1425相当于可用于成像的约240度的旋转。
从前面的描述中显而易见的是，本发明的各方面可以至少部分地以软件实现。也就是说，该技术可以响应于其处理器(诸如图1中的系统控制器114的处理装置120和/或处置计划系统118的处理装置170等)而在计算机系统或其它数据处理系统中执行，例如执行存储器中所包含的指令的序列。在各种实施例中，硬件电路可以与软件指令结合使用以实现本发明的实施例。因此，技术不限于硬件电路和软件的任何特定组合。另外，在整个说明书中，各种功能和操作可被描述为由软件代码执行或推进以简化描述。然而，本领域技术人员将认识到这种表达的含义是这些功能是由于诸如处理装置120或170等的处理装置执行代码而得到的。
可以使用计算机可读介质来存储软件和数据，其中这些软件和数据在由通用或专用处理装置执行时使处理装置执行本发明的各种方法。该可执行软件和数据可以存储在各种地方，包括例如系统存储器以及能够存储软件程序和/或数据的存储装置或任何其它这种装置。因此，计算机可读介质包括以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何装置等)可访问的形式提供(即，存储)信息的任何非暂时性机构。例如，计算机可读介质包括可记录/不可记录介质，诸如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储器装置等。
除非从前面的讨论中明显说明，否则应当理解，诸如“确定”、“计算”、“生成”、“比较”、“选择”或“接收”等的术语可以是指计算机系统或类似电子计算装置的动作和处理，其中该计算机系统或类似电子计算装置操纵表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(例如，电子)量的数据并将其变换为类似地表示为计算机系统的存储器或寄存器或者其它这类信息存储器或显示装置内的物理量的其它数据。可以使用计算机软件、固件、硬件或其组合来实现这里描述的方法的实施例。如果用符合公认标准的编程语言编写，则可以编译被设计为实现这些方法的指令的序列，以在各种硬件平台上执行并且与各种操作系统相配合。另外，没有参考任何特定编程语言描述本发明的实施例。应当理解，可以使用各种编程语言来实现本发明的实施例。
应当注意，这里描述的方法和设备不限于仅用于医学诊断成像和处置。在可选实施例中，这里的方法和设备可用于医疗技术领域之外的应用，例如工业成像和材料的非破坏性测试。在这样的应用中，例如，“处置”一般可以是指由处置计划系统控制的操作的实现，诸如束(例如，放射束、声束等)的应用，并且“靶”可以是指非解剖对象或区域。
在前面的说明书中，已经参考具体示例描述了本发明的实施例。然而，显而易见的是，在不脱离所附权利要求中所阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性意义而非限制性意义。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！