剂量形变误差计算方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请总体上涉及用于辐射治疗规划的方法和系统。辐射治疗是由受过培训的 医疗专业人员规划和执行将电离辐射递送给患者的处理。辐射递送的目的能够广泛地变 化。非常常见地，该治疗通过使病变组织离子化从而破坏病变组织来用于处置疾病，例如， 癌症。辐射治疗规划的中心目的是控制辐射递送以使到在患者的身体之内的靶区（即，病 变组织）的辐射暴露最大化，同时使到在患者的身体之内的非靶区（即，健康组织）的辐射 暴露最小化。
【背景技术】
[0002] 如通常所实施的，辐射治疗以患者的身体的详细的三维成像扫描（例如，计算机 断层摄影（CT)扫描）开始。受过培训的医疗专业人员常常基于成像数据来指定辐射治疗 计划的若干特性。例如，使用成像数据，医疗专业人员能够识别在患者的身体之内的特定的 靶区和非靶区。专业人员还能够指定要被递送到靶区（即，足以破坏病变组织）的最小辐 射剂量，要被递送到各个非靶区（即，限制损伤健康组织）的最大辐射剂量以及辐射治疗的 若干其他期望的特性。
[0003] 在许多情况下，利用辐射治疗进行处置的患者将已经经历一个或多个在前的辐射 治疗处置。然后期望医疗专业人员知道已经被递送到患者的身体的各个区域的辐射剂量， 以更好地为当前提出的处置做准备。在患者已经接收多于一个辐射治疗递送的情况下，尤 其在要求高准确度的临床环境中，这能够是特别困难的。甚至在单个辐射递送期期间，确定 已经被递送的辐射剂量也能够是有用的，以帮助维持对辐射递送的质量控制，来补偿在递 送期间的患者运动以及也许补偿其他原因。
[0004] 辐射剂量计算以成像数据开始，所述成像数据识别在先前的辐射治疗期中的每一 个中被递送到患者的辐射剂量。该成像数据被存储在3D逐体素基础或2D逐像素基础上。 下面的讨论假设成像数据是三维的，但是该理念也同样很好地应用于二维环境。
[0005] 对于每个在前的辐射递送期，成像数据通常包括对于每个体素的至少两个数据 点。第一数据点是结构数据点，其表示相对于在成像数据中的其他结构被定位在体素处的 结构的相对密度。因此，表示致密结构的体素典型地比表示更小致密结构的体素在成像数 据中显得更暗。相似密度值的邻近体素集合表示相同的结构。以这种方式，成像数据向医 疗专业人员示出骨骼（高密度）、器官（例如，心脏或肝脏（中等密度））、间质区（低密度） 以及在患者的身体内部的其他区域的位置和取向。第二体素数据点是辐射剂量数据点，其 表示在由在前的辐射递送期的空间中被递送到体素的点的辐射剂量。以这种方式，对于每 个在前的辐射递送期，成像数据反映结构体素网格和辐射剂量体素网格。当被组合时，这两 个网格向医疗专业人员示出在先前的辐射治疗期中被递送到患者的辐射剂量分布。
[0006] 在规划未来的辐射递送期中，关于其自身的这样的成像数据显然能够是有用的。 然而，如果能够将辐射剂量值"变换"或"映射"到患者的当前的成像数据集，所述成像数据 集用于规划下一辐射递送治疗，则能够加强其有用性。即，在一个或多个先前的辐射递送与 当前正被规划的辐射递送之间已经经过的时间中，患者的内脏器官的位置和取向将已经改 变。例如，由患者的呼吸、心脏跳动、体重增加或减轻、消化过程以及其他生理过程引起这样 的移动。另外，在辐射递送期之间，靶肿瘤或其他靶区域的尺寸可以响应于在前的处置而很 好地收缩或尽管进行处置但生长。来源于这些和其他考虑的形变常常能够是显著的，尤其 给出正在被使用的成像数据的高准确度。因此，在逐体素的基础上，变换处理的目的是识别 在两个成像数据集之间的在解剖结构上"对应"体素的位置差异。当具有多于一个在前的 辐射递送期，必须将其进行组合以便得到患者的辐射轮廓的完全理解时，由移动或其他形 变引起的变换困难成倍地增加。
[0007] 具有本领域已知的若干这样的变换处理，例如，相对简单的刚性变换和更加复杂 的可形变的图像变换，所述可形变的图像变换采用位移矢量场（DVF)。如果在两个成像数 据集之间的形变或差异是显著的，那么采用可形变的DVF图像变换是更加准确的。相同的 DVF变换能够应用于成像数据集的两个网格：结构网格和辐射剂量网格。因此，适当的DVF 变换能够应用于两个或更多个不同的数据集，以便将数据集中的每个变换到共同的参考坐 标框架。
[0008] 在变换翘曲处理期间能够产生至少两个不同种类的误差：与计算DVF相关联的误 差（"DVF计算误差"）和与将DVF应用于辐射剂量网格相关联的误差（"剂量翘曲误差")。 具有已知的方法来单独地计算每个类型的误差。例如，使用诸如测量骰子相似性得分或对 "真"外形的传播外形的一致性的豪斯多夫（Housdorf)距离的方法能够确定几何的DVF计 算误差。而且，已经描述了用于基于剂量梯度来确定通过图像体积的DVF所要求的空间准 确度的方法。参见例如 Nahla K. Saleh-Sayah 等人的 "A Distance to Dose Difference Tool for Estimating the Required Spatial Accuracy of a Displacement Vector Field"（Medical Physics，卷 38,期号 5,第 2318-2323 页（2011 年 5 月））。例如，通过 翘曲剂量网格和感兴趣区域两者以及计算翘曲之前和之后的感兴趣区域的剂量体积直方 图（DVH)能够确定剂量翘曲误差。然后，在DVH中的差异能够提供哪个结构可以具有更多 剂量翅曲误差的指不。在 Martin J. Murphy 等人的 "A Method to Estimate the Effect of Deformable Image Registration Uncertainties on Daily Dose Mapping" （Medical Physics，卷39,期号2,第573-580页（2012年2月））中能够找到基于相同理念的更加全 面的方法。
【发明内容】
[0009] 确定总的剂量变换误差，以有效的方式组合DVF计算误差与剂量翘曲误差两者已 经证明是困难且难懂的。本公开提供了用于计算总的剂量变换误差的方法。所述误差可以 对应于一个单个辐射剂量网格的变换翘曲或者对应于使用多于一个经变换的辐射剂量网 格而累积的剂量。
[0010] 提供了一种用于确定辐射剂量变换误差的方法和系统，其中，在由至少一个固定 图像数据集和至少一个移动图像数据集记录的一个或多个成像结构中具有形变。自动或半 自动地识别在固定图像中和在移动图像中的对应界标点。获得固定图像辐射剂量网格和移 动图像辐射剂量网格，其中，所述移动图像辐射剂量网格包括实际移动图像点剂量，所述实 际移动图像点剂量表示在移动图像辐射剂量网格中的界标点处的辐射剂量水平。确定固定 图像与移动图像之间的变换矩阵，并且将所述变换矩阵应用于移动图像数据集以生成翘曲 辐射剂量网格。所述翘曲辐射剂量网格包含翘曲点剂量，所述翘曲点剂量表示在固定图像 福射剂量网格中的界标点处的翘曲福射剂量网格中的福射剂量水平。确定在对应界标点处 的实际点剂量与翘曲点剂量之间的差异，以便生成剂量误差。
[0011] 在一个实施方式中，这些方法可以至少自动或半自动地识别在固定图像数据集与 移动图像数据集之间的对应界标点。识别在固定图像数据集和移动图像数据集中的一个中 的第一感兴趣区域和在固定图像数据集和移动图像数据集中的另一个中的第二感兴趣区 域，使得第一感兴趣区域自动对应于第二感兴趣区域。生成第一表面网孔以近似第一感兴 趣区域，并且生成第二表面网孔以近似第二感兴趣区域，其中，第一表面网孔和第二表面网 孔包括相等数目的顶点。识别在第一感兴趣区域中的至少一个顶点和在第二区域中的至少 一个顶点作为自动对应界标点。
[0012] 也提供了合并所述方法的辐射治疗规划系统。
[0013] 对于本领域普通技术人员来说，在阅读以下对若干实施例的详细描述之后，很多 优点和益处将变得明显。本发明可以采取各种部件和部件布置，以及各种处理操作和处理 操作的安排的形式。附图仅是出于图示许多实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限 制。
【附图说明】
[0014] 图1示意性地图示了典型的辐射治疗递送系统100 ;
[0015] 图2图示了用于确定归因于一个单个辐射剂量网格的变换翘曲的总的剂量变换 误差的方法200 ;
[0016] 图3A和图3B图示了用于确定归因于多于一个辐射剂量网格的累积的变换翘曲的 总的剂量变换误差的方法300 ;并且
[0017]