专利名称：图像引导放射手术中的平行立体视觉几何结构的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及医学成像领域，特别是涉及图像引导放射治疗系 统中的平行立体视觉。
背景技术：
放射手术和放射性疗法系统是通过在使对周围组织和关键解剖结构(例 如脊椎骨)的放射性照射最小化的同时将规定剂量的放射线(例如X射线或
Y射线)照射到病变组织而使用外部放射束来治疗病变组织(例如肿瘤、损 伤、血管畸形、神经错乱等等)的放射治疗系统。放射手术和放射性疗法均 被设计为在不伤害健康组织和关键结构的同时使病变组织坏死。放射性疗法 的特征在于低放射剂量每次治疗和多次治疗(例如30至45天的治疗)。放 射手术的特征在于在一次或至多几次治疗中的相对较高的放射剂量。
在放射性疗法和放射手术两者中，放射剂量均被从多个角度实施到病变 组织处。由于每个放射束的角度不同，所以每个射束可以交叉于由病变组织 所占据的目标区域，同时每个射束在其往返于该目标区域的途中穿过健康组 织的不同区域。结果，目标区域中的累积放射剂量高，而到达健康组织和关 键结构的平均放射剂量低。放射性疗法和放射手术治疗系统可以分为基于框 架的和图像引导的。
在基于框架的放射手术和放射性疗法中，刚性的伸入式框架被固定于患 者以便在整个诊断成像和治疗计划阶段和后续治疗实施阶段中使患者固定 不动。所述框架在整个过程期间被固定在患者身上。图像引导放射手术和放 射性疗法(IGR)通过在治疗期间对患者移动进行跟踪和修正而消除了对伸 入式框架固定的需要。图像引导放射性疗法和放射手术系统可以分为基于台架的
(gantry-based)或基于机器人的(robotic-based)。在基于台架的系统中，放 射源附着于在单个平面上围绕旋转中心(等中心)移动的台架。每次在治疗 期间实施放射束时，射束的轴穿过所述等中心。在被称为调强放射治疗
(IMRT)系统的一些基于台架的系统中，射束的横截面被定形为使射束符 合治疗中的病变组织。在基于机器人的系统中，放射源不被限制于单个旋转 平面。
在一些图像引导系统中，治疗期间的患者跟踪可以通过将患者的2D治 疗中X射线图像(指示患者在哪里)与患者的一个或多个预治疗3D区域研 究(study)的2D参考投影(指示患者应在哪里以配合治疗计划)进行配准 来实现，并改变患者或放射源的位置以修正两组图像之间的差。所述预治疗 3D区域研究可以是计算机断层(CT)扫描、核磁共振成像(MRI)扫描、 电子发射断层扫描(PET)扫描等等。
被称为数字重构射线照片(DRR)的参照投影(参考图像)通过使用射 线跟踪算法而被生成，所述射线跟踪算法复制治疗中X射线成像系统的己知 几何结构以产生与治疗中X射线图像具有相同尺度和方位的图像。通常，治 疗中X射线系统使用两个X射线源和患者处的两个成大角度(例如90度) 的X射线照相机来形成患者的图像。这种方法使各个治疗中X射线图像对 患者移动的敏感度最大化，但是它可以如图1所示产生两个迥异的X射线图 像。在图1中，病变特征(例如骨)用两个X射线源和两个分离90度的X 射线照相机来成像。在一个照相机中，形成骨的长度和宽度的图像，而在另 一照相机中，形成骨的横截面的图像。所述两个X射线图像是迥异的，需要 在确定患者的位置并使之与预治疗计划相匹配的之前，使单独的DRR与每 个X射线图像相配准。
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在附图的图示中通过示例性而非限制性的方式来说明本发明，其中 图1示出了宽角度的X射线成像；
图2A示出了非等中心图像引导放射治疗系统的一个实施方式；
图2B示出了图像引导非等中心放射治疗的一个实施方式； 图3示出了平行立体视觉成像的一个实施方式； 图4示出了图像引导放射治疗的一个实施方式； 图5示出了平行立体视觉几何结构的一个实施方式的平面图； 图6示出了平行立体视觉几何结构的一个实施方式的另一平面图； 图7是示出了放射治疗系统中的平行立体视觉的方法的一个实施方式的 流程图；以及
图8示出了其中可以实现本发明的实施方式的系统。
具体实施例方式
在以下说明中，阐述了许多特定细节，诸如特定部件、设备、方法等等 的示例，以便提供本发明的实施方式的彻底了解。然而，对于本领域的技术 人员来说显而易见的是不需要采用这些特定细节来实践本发明的实施方式。 在其它情况下，尚未详细地描述众所周知的材料或方法以避免不必要地晦涩 本发明的实施方式。如本文所使用的术语"耦合"可以意指直接耦合或通过 一个或多个中间部件或系统而间接耦合。这里所使用的术语"X射线图像" 可以意指可视X射线图像(例如显示在视频屏上)或X射线图像的数字表 示(例如对应于X射线检测器的像素输出的文件)。这里所使用的术语"治 疗中图像(in-treatment image)"可以指在放射手术或放射性疗法程序的治疗 实施阶段期间在任何时间点所采集的图像，所述任何时间点可以包括放射源 开或闭的时刻。这里所使用的术语IGR可以指图像引导放射性疗法、图像引导放射手术或这两者。
除非如根据以下讨论中明确指明，否则将认识到诸如"处理"、"生成"、 "确定"、"计算"、"定位"、"跟踪"等等术语可以指计算机系统、或类似电 子计算设备的动作和处理，所述计算机系统、或类似电子计算设备的动作和 处理操纵被表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(或电子)量的数 据并将该数据转换成被同样地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它此 类信息存储、传送和显示设备内的物理量的其他数据。在此所述的方法的实 施方式可以使用计算机软件来实现。如果以符合认可标准的编程语言来编 写，则被设计为实现所述方法的指令序列可以被编译以用于各种硬件平台上 的执行和用于与各种操作系统的对接。另外，并没有参照任何特定编程语言 来描述本发明的实施方式。应认识到可以用各种编程语言来实现本发明的实 施方式。
描述多种方法和装置，该方法和装置用于通过使用平行立体视觉几何结
构来将患者的治疗中位置与预治疗3D区域研究相配准，从而在图像引导放 射线治疗和/或放射治疗期间跟踪患者移动。在本发明的实施方式的以下说明 中，可以将X射线成像用作用于2D治疗中成像的示例性成像模式。同样地， 可以将CT扫描用作用于3D预治疗诊断和治疗计划研究的示例性成像模式。 本领域的技术人员可以理解，其它3D成像模式(例如MRI、 PET、 3D超声 波)及其它2D成像模式(例如荧光检查)也可以在其它实施方式中起到相 同的作用。
图2A示出了图像引导、基于机器人的放射治疗系统200的结构(例如 由加利福尼亚州艾可瑞(Accuray)公司制造的射波刀⑧(CyberKnife )放 射治疗系统)，在该结构中，可以实践本发明的实施方式。在图2A中，所述 放射治疗源是线性加速器(LINAC) 211，该线性加速器(LINAC) 211被安 装在具有多个(例如5个或以上)自由度的机器臂213 (图4中所示)的末端上，以定位LINAC211，从而在患者209周围的手术区域中利用在多个平 面中多个角度实施的X射线治疗射束(例如射束212A、 212B、 212C)来照 射患者209中的病变组织(目标区或区域)。治疗可以涉及具有单个等中心、 多个等中心、或具有非等中心通路的射束路径。图2B示出了一个实施方式 中的非等中心放射治疗。在图2B中，例如通过放射治疗射束216、 217、 218 和219来治疗在脊椎骨215周围生长的病变组织(例如肿瘤)，所述放射治 疗射束216、 217、 218和219的每一个均在不汇聚于目标内的单个点或等中 心的情况下贯穿病变目标区域214。
回到图2A，成像系统200可以包括X射线源201A和201B以及X射 线成像器(检测器)206A和206B。所述两个X射线源201A和201B可以 安装在手术室的天花板207上的固定位置并且可以被调整成从两个不同的位 置投射成像X射线束202A和202B，使得射束202A的成像轴203A基本上 与射束202B的成像轴203B平行，且射束202A的射线204A与射束202B 的射线204B交叉于成像中心(机器等中心)M处，所述成像中心(机器等 中心)M提供用于在治疗期间定位LINAC 211和治疗床210上的患者209 的参考点。穿过患者209之后，成像X射线束202A和202B可以照亮X射 线成像器206A和206B的各个成像表面，所述X射线成像器206A和206B 可以安装在手术室的地板208处或附近并且基本上相互平行(例如在5度的 范围内)。X射线成像器206A和206B可以基本上共面，使得X射线成像器 206A和206B的成像表面形成单个成像平面。在一个实施方式中，X射线成 像器206A和206B可以替换为单个X射线成像器206 (图4中所示)，其具 有大到足以采集由X射线束202A和202B两者产生的图像的单个成像平面。 如下文更详细地描述的，可以配置放射治疗系统200，使得射线204A以基 本小于90度的角度(例如45度或以下)与射线204B相交。在一个实施方 式中，可以校准X射线束202A和202B和/或确定其形状，以便只放射能够照亮X射线成像器的那部分射束，诸如X射线束205A和205B。
在其它实施方式中，放射治疗系统200可以包括多于或少于两个的X射线源以及及多于或少于两个的检测器，且所述检测器和/或所述源中的任何一个都是可移动的而非固定的。在另外的其它实施方式中，X射线源和检测器的位置可以互换或旋转(例如壁式安装，使得射束202A和202B基本水平)。
X射线成像器206A和206B可以由将X射线转换成可见光的闪烁材料(例如非晶硅)和将所述光转换成数字图像的CMOS (互补金属氧化硅)或CCD (电荷耦合器件)成像单元(像素)阵列制成，所述数字图像可以由如下文中更详细地描述的数字处理系统来处理。
在一个实施方式中，用于图像引导放射治疗系统中的平行立体视觉的方法包括利用具有基本平行的成像轴的两个或更多个成像X射线源来对成像区域中的三维(3D)特征进行成像，确定3D特征在成像区域内的位置，以及通过将所述3D特征与成像区域的3D预治疗区域研究相配准来跟踪成像区域内的3D特征。对3D特征进行成像可以包括生成成像区域的基本平行的X射线图像，所述基本平行的X射线图像至少包括第一 X射线图像和第二 X射线图像。第一 X射线图像可以包括对应于成像区域内的3D特征的图像特征。第二X射线图像也可以包括对应于成像区域内的3D特征的图像特征，且第二 X射线图像中的图像特征可以基本上类似于第一 X射线图像中的图像特征。确定3D特征在成像区域内的位置可以包括使第一图像特征与第二图像特征相匹配以获得一对匹配的图像特征，并根据所述一对匹配图像特征在成像平面中的平面坐标来确定3D特征在成像区域内的位置。
图3示出了在例如放射治疗系统200中的平行立体视觉成像。在图3中，通过在成像中心M处成0角的两个X射线成像器206A和206B以及两个X射线源201A和201B来形成位于成像中心M附近的3D解剖特征301 (例如类似于图1的骨的骨)的图像，所述e角基本上小于90度(例如小于45度)。
14解剖特征301的图像被投影在X射线成像器206A和206B中。然而，与图1所示的投影不同，这两个投影非常相似。X射线成像器206A中的图像302被拉长，而X射线成像器206B中的图像303被縮短。然而，两个图像均包含特征，该特征将图像标识为具有相同解剖对象、特征的那些图像，所述解剖对象、特征可以被医学成像领域中已知的特征识别算法(参见例如Murphy等人的美国专利No. 5,901,199)来识别、提取和匹配。随着角度e被减小，在X射线成像器206A和X射线成像器206B中产生类似投影的3D特征方位的范围将增大，增加了可以被识别、提取和匹配的图像特征的数目。图像特征可以是解剖边缘、形状、图像梯度、轮廓、对象表面、对象片段或类似的解剖特征。图像特征也可以通过由诸如例如在患者身体中放置和成植入基准标记的人工手段来产生。
图4示出了在例如图像引导放射治疗系统400中的平行立体视觉几何结构。在图4中，LINAC211被安装在机器臂213上，并被定位为向治疗区域中的点P施加放射束220。为了保证点P与病变组织内的期望点重合，可以将患者的治疗中位置与用于治疗计划的患者预治疗3D扫描(例如CT扫描)相配准。如下所述，平行立体视觉几何结构使得能够在不使用DRR的情况下将2D治疗中X射线图像直接转换成3D治疗中位置数据。
在图4中，X射线源401A从具有射束轴AC的点A投射X射线束和射线402A，该射线402A穿过成像中心M,并与成像平面406相交于成像平面406的右半面中的右圏像中心Or。同样地，X射线源401B从具有射束轴BD的点B投射X射线束和射线402B，该射线402B以与所述射线402A成角e穿过成像中心M，并与成像平面406相交于成像平面406的左半面中的左图像中心Op从点M到成像平面的垂直投影(垂直于成像平面406)可以限定成像平面中的原点O和成像轴OM。X射线源401A还投射射线403A，该射线403A穿过点P，并与成像器406的成像平面相交于点PR，所述点PR
15可以由其在x坐标方向上偏离成像轴OM的位移&以及其在y坐标方向上偏离成像轴OM的位移v^来限定。同样地，X射线源401B投射射线403B，该射线403B穿过点P，并与成像器406的成像平面相交于点Pp所述点Pl可以由其在x坐标方向上偏离成像轴Om的位移&以及其在y坐标方向上偏离成像轴OM的位移化来限定。点P的位置可以由关于原点O的坐标《、1)/和；来限定，其中；限定成像平面406之上的高度，且《和v限定点P在成像平面406中的垂直投影E的位置。X射线束所对的成像区域中的每个点以这样的方式被投影，使得成像区域的一个X射线图像被投影到左半面上(左图像)，且基本类似的另一图像被投影到右半面上(右图像)。特别地，成像区域内的3D解剖特征可以在左图像和右图像中被投影为基本类似的图像特征(例如拐角、端点、曲边)。放射治疗系统400还可以由X射线源401A与401B之间的间隔6和由成像平面406以上的X射线源401A和401B的各自高度A和(Xr来限定，其中射束轴AC和BD垂直于通过成像平面406的原点O的线段CD。
图5在X-Z平面中示出了放射治疗系统400中的成像系统的几何结构。在图5中，三角形ACPr与三角形PEPr相似，且三角形BDPl与三角形PEPl相似。相似三角形具有相似的比，因此
<formula>formula see original document page 16</formula>其中上划线表示线段。因此，且6 / 2 + x丄jc￡ + a:
(4)
对于化=化=3的情况(对于^#化，可以如本领域中已知的那样计算校准因数)，可以将等式(1)和(2)相加，
相减，
a 2
、—x丄二 、 — & — ^
(5)
(6)
使Z = xr + xl，且A-Xr-Xl
可『旦
守;
6 + 2:
(7)
和
△
x =.
l一-
2
6 + 2
(8)
图6在X-Y平面中示出了放射治疗系统400中的成像系统的几何结构c在图6中，点F是点Pt在《轴上的投影，且点G是点Pr在《袖上的投影。三角形AGPr与三角形AEP相似，且三角形BFPl与三角形PEP相似。因此:
(9)
且，
SF 朋
因此，对于y,存在两个无关解:
F 丄 ￡尸
一 (6/2 + x)乂、2 + ^)A
(10)
(11)
和可以对等式(11)禾B (12)求平均值，
"Alii2
并对V求解，
(12)
(13)
(14)
少《 少i
因此，可以根据点P^和PR的平面坐标来计算点P的3D坐标。点Pl和Pn可以称为对应于3D特征点的共轭点对。成像区域中的任何3D特征可以根据许多3D特征点来限定，所述许多特征点可在例如成像平面406中被投影成相同数目的共轭点对。
在一个实施方式中，可以将特征提取和识别算法应用于左图像和右图像以便从每个图像提取基本相似的图像特征。特征识别算法是本领域中已知的(参见例如J. B. A. Maintz, M. A. Viergever, "A Survey of Medical ImageRegistration" MWca//麵ge爿加/，i (1998), Copyright Oxford University Press,Vol. 2, No. 1， pp. 1-37)，因此将不再详细描述。特征提取之后，可以将相似性度量应用于从每个图像提取的特征，并匹配成为图像特征对。用于将2DX
4
射线图像与DRR相配准的相似性度量和匹配算法可以用来匹配所提取的特
征。相似性度量和匹配算法在本领域中是已知的(参见例如G. P. Pemey， J.Weese， "A comparison of similarity measures for use in 2D-3D medical imageregistration,"7hms. Med /mag" vol. 17, pp. 586-595, Aug., 1998)，因此将
不再详细描述。
如上所述，图像特征可能不是全等的，但通常会基本上相似，因此可以使诸如解剖特征的拐角、端点和曲边等特征匹配。 一旦已匹配出图像特征对，可以将所匹配的特征分解成共轭图像点对(例如，渚如点Pl和Pr)。当己经确定了一个或多个匹配图像特征的共轭图像点对时，可以使用以上导出的等
式(7)、 (8)和(14)将共轭图像点对的平面坐标映射到成像区域中的3D 特征点(诸如点P)，以确定3D特征在成像区域中的位置。在一个实施方式 中，可以使用本领域中已知的3D变换算法直接将3D特征的位置与3D预治 疗扫描数据(例如，诸如数字化CT扫描数据)相配准。然后可以用3D到 3D的配准结果来确定诊断成像和/或治疗计划期间的患者的治疗中位置和患 者的预治疗位置之间的差，并通过重新定位患者和/或修改放射治疗源(例如 LINAC211)的位置来修正所述差。
因此，在如图7所示的一个实施方式中，用于在图像引导放射治疗系统 中使用平行立体视觉几何结构的方法700包括使用具有基本平行的成像轴 的两个或更多个成像X射线源来对成像区域内的3D特征进行成像(步骤 701);确定3D特征在成像区域内的位置(步骤702);以及通过将3D特征 与成像区域的3D预治疗区域研究相配准来跟踪成像区域内的3D特征(步 骤703)。
图8示出了可以用于执行放射治疗的系统的一个实施方式，在该实施方 式中可以实现本发明的特征。如下所述和图8所示，系统800可以包括诊断 成像系统1000、治疗计划系统2000和治疗实施系统3000。
诊断成像系统1000可以是能够根据患者身体中的感兴趣区域(VOI) 的3D区域研究来生成医学诊断图像的任何系统，其可以用于随后的医学诊 断、治疗计划和/或治疗实施。例如，诊断成像系统IOOO可以是计算机断层 (CT)系统、核磁共振成像(MRI)系统、电子发射断层扫描(PET)系统、 超声系统等等。为了便于讨论，诊断成像系统1000可以偶尔在下文中根据 CT成像模式来讨论。但是，也可以使用诸如上述那些的其它成像模式。
诊断成像系统1000包括生成成像射束(例如X射线、超声波、射频波 等等)的成像源IOIO和检测并接收由成像源IOIO生成的射束或由来自成像源的射束激发的二次射束或发射(例如在MR1或PET扫描中)的成像检测 器1020。在一个实施方式中，诊断成像系统1000可以包括一个或多个诊断 X射线源和一个或多个相应的成像检测器(例如锥形射束CT扫描仪)，该成 像检测器能够以小的角增量生成2D射线图像，该2D射线图像可以用来构 造3D图像。例如，可以在将被成像的患者周围设置两个X射线源，相互之 间以有一定间角(例如90度、45度等等)固定并穿过患者身体而指向可能 直接与X射线源相对的成像检测器。还可以使用将被每个X射线成像源照 射的单个大型成像检测器、或多个成像检测器。可选择地，可以使用其它数 目和结构的诊断成像源和成像检测器。
成像源IOIO和成像检测器1020可以耦合到数字处理系统1030，该数字 处理系统1030用于控制成像操作和处理图像数据。诊断成像系统1000包括 用于在数字处理系统1030、成像源IOIO和成像检测器1020之间传输数据和 命令的总线和其它装置1035。数字处理系统1030可以包括一个或多个通用 处理器(例如微处理器)、诸如数字信号处理器(DSP)的专用处理器、或 诸如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)的其它类型设备。数字处理系统 1030还可以包括诸如存储器、存储设备、网络适配器等其它部件(未示出)。 数字处理系统1030可以被配置为以诸如DICOM(医学数字成像和通信标准) 格式的标准格式来生成数字诊断图像。在其它实施方式中，数字处理系统 1030可以生成其它标准或非标准的数字图像格式。数字处理系统1030可以 通过数据链路1500将诊断图像文件(例如上述DICOM格式文件)发送到 治疗计划系统2000，所述数据链路1500可以是例如直连链路、局域网(LAN) 链路或广域网(WAN)链路，诸如因特网。另外，在诸如远程诊断或治疗计 划结构中，可以通过连接系统的通信介质来拉或推在系统之间传输的信息。 在远程诊断或治疗计划中，尽管系统用户与患者之间存在物理间隔，但用户 可以利用本发明的实施方式来进行诊断或治疗计划。
20治疗计划系统2000包括接收并处理图像数据的处理设备2010。处理设 备2010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)的专用处理器、或诸如控制器、专用集成电路(ASIC)或现场 可编程门阵列(FPGA)的其它类型设备。处理设备2010可以被配置为执行 用于执行本文所讨论的治疗计划操作的指令。
治疗计划系统2000还可以包括系统存储器2020 (可以包括随机存取存 储器(RAM))或其它动态存储设备，所述系统存储器2020通过总线2055 而耦合到处理设备2010，用于存储将由处理设备2010来执行的信息和指令。 系统存储器2020还可以用来存储处理设备2010执行指令期间的临时变量或 其它中间信息。系统存储器2020还可以包括耦合到总线2055的只读存储器 (ROM)和/或其它静态存储设备，所述只读存储器(ROM)和/或其它静态 存储设备用于存储用于处理设备2010的静态信息和指令。
治疗计划系统2000还可以包括用于存储信息和指令的耦合到总线2055 的存储设备2030，表示一个或多个存储设备(例如磁盘驱动器或光盘驱动 器)。存储设备2030可以用来存储用于执行本文所述治疗计划步骤的指令。 处理设备2010还可以被耦合到用于向用户显示信息(例如VOI的2D 或3D表示)的显示设备2040，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)。 诸如键盘的输入设备2050可以被耦合到处理设备2010以用于向处理设备 2010传输信息和/或命令选择。还可以使用一个或多个其它用户输入设备(例 如鼠标、轨迹球或光标方向键)来传输方向信息、选择用于处理设备2010 的命令并控制显示器2040上的光标移动。
将认识到，治疗计划系统2000仅表示治疗计划系统的一个示例，所述 治疗计划系统可以具有许多不同的配置和结构，可以包括比治疗计划系统 2000更多的部件或更少的部件且可以与本发明一起使用。例如， 一些系统常 常具有多个总线，诸如外围总线、专用高速缓存总线等等。治疗计划系统2000还可以包括MIRIT (医学图像检查和导入工具)以支持DICOM导入(因此 可以融合图像，并且目标可以被绘制在不同的系统上，随后被导入治疗计划 系统以用于计划和剂量计算)、扩展成像融合能力，该扩展成像融合能力允 许用户在各种成像模式(例如MRI、 CT、 PET等等)中的任何一个上进行 治疗计划和查看剂量分布。治疗计划系统在本领域中是己知的，因此，没有 提供更多详细讨论。
治疗计划系统2000可以与诸如治疗实施系统3000的治疗实施系统共享 其数据库(例如存储在存储设备2030中的数据)，因此可以不需要在治疗实 施之前从治疗计划系统导出。治疗计划系统2000可以经由数据链路2500而 链接到治疗实施系统3000，所述数据链路2500可以是如上文关于数据链路 1500所讨论的直连链路、LAN链路或WAN链路。应注意的是，当数据链 路1500和2500被实现为LAN或WAN连接时，诊断成像系统1000、治疗 计划系统2000和/或治疗实施系统3000中的任何一者可以位于分散的位置， 使得系统可以在物理上相互远离。可选择地，诊断成像系统IOOO、治疗计划 系统2000和/或治疗照射系统3000中的任何一者可以在一个或多个系统中相 互集成。
治疗实施系统3000包括治疗和/或外科放射源3010，用于依照治疗计划 来施加规定放射剂量到目标区域。治疗实施系统3000还可以包括成像系统 3020，用于采集患者区域(包括目标区域)的治疗中图像，用来与上述诊断 图像相配准或与之关联，以相对于放射源定位患者。成像系统3020可以包 括上述成像系统中的任何一者。治疗实施系统3000还可以包括数字处理系 统3030 (用于控制放射源3010)、成像系统3020和患者支撑设备，诸如治 疗床3040。数字处理系统3030可以被配置为根据来自成像系统3020的2D 射线图像、根据两个或更多立体投影来识别和/或提取解剖特征，并确定VOI 内的解剖特征的3D坐标以与由治疗计划系统2000中的处理设备2010生成
22的3D扫描数据相配准。数字处理系统3030可以包括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)的专用处理器、或诸如控 制器、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的其它类型设 备。数字处理系统3030还可以包括诸如存储器、存储设备、网络适配器等 等其它部件(未示出)。数字处理系统3030可以通过总线3045或其它类型 的控制和通信接口而耦合到放射源3010、成像系统3020和治疗床3040。
数字处理系统3030可以实施方法(例如，诸如上述方法700)来将从成 像系统3020获得的图像与手术前治疗计划图像进行配准，以使治疗实施系 统3000内的治疗床3040上的患者对准，并精确地确定放射源关于目标区域 的位置。
治疗床3040可以耦合到具有多个(例如5个或以上)自由度的另一机 器臂(未示出)。床臂可以具有五个转动自由度和一个基本垂直的线性自由 度。可选择地，所述床臂可以具有六个转动自由度和一个基本垂直的线性自 由度或至少四个转动自由度。床臂可以垂直地安装到栏杆或墙壁、或者水平 地安装到底座、地板、或天花板。可选择地，治疗床3040可以是另一机械 机构的部件，诸如由加利福尼亚州的艾可瑞(Accuray)公司开发的阿克苏 姆⑧(Axum )治疗床，或者可以是本领域的技术人员已知的另一种类型的 常规治疗台。
应注意的是本文所述的方法和装置不限于用于医学诊断成像和治疗。在 可选实施方式中，本文的方法和装置可以用于医学技术领域之外的应用，诸 如材料的工业成像和无损试验(例如汽车工业中的电动机机座、航空工业中 的飞机机架、建筑工业中的焊接和石油工业中的钻井岩心)及地震勘测。在 此类应用中，例如，"治疗"可以泛指放射束的应用。
通过前述说明将显而易见的是本发明的方法可以至少部分地在软件中 体现。也就是说，可以在计算机系统或其它数据处理系统中响应于其处理器来执行所述技术，所述处理器例如为处理设备2010或数字处理系统3030， 执行包含在诸如系统存储器2020的存储器中的指令序列。在各种实施方式 中，可以与软件指令结合着使用硬件电路以实现本发明。因此，所述技术不 限于硬件电路和软件的任何特定组合或数据处理系统所执行的指令的任何 特定源。另外，在本说明书中，各种功能和操作均被描述为由软件代码来执 行或引起以简化说明。然而，本领域的技术人员将认识到此类表达的意思是 所述功能是由诸如处理设备2010或数字处理系统3030的处理器或控制器执
行代码而引起的。
可以用机器可读介质来存储软件和数据，所述软件和数据在被数据处理 系统执行时促使系统执行本发明的各种方法。这种可执行软件和数据可以存 储在不同位置，包括例如系统存储器2020和存储设备2030或能够存储软件 程序和/或数据的任何其它设备。
因此，机器可读介质包括以机器(例如计算机、网络设备、个人数字助 理、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何设备等等)可访问的形式 提供(即存储和/或发送)信息的任何机构。例如，机器可读介质包括可记录 /非可记录介质(例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘 存储媒介、光存储媒介、闪速存储设备等等)以及电学、光学、声学或其它 形式的传播信号(例如载波、红外信号、数字信号等等)等等。
应认识到，本说明书自始至终对"一个实施方式"或"实施方式"的参 考意指结合所述实施方式而描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至 少一个实施方式中。因此，强调了并应认识到，在本说明书的不同部分中对 "实施方式"或"一个实施方式"或"可选实施方式"的两次或更多次参考 不一定全部指示相同的实施方式。此外，可以以在本发明的一个或多个实施 方式中适当地组合所述特定特征、结构或特性。另外，虽然以根据多个实施 方式描述了本发明，但本领域技术人员将认识到本发明不限于所述实施方式。在不脱离随附权利要求的范围的情况下，可以在有修改和变更的情况下 实践本发明。因此，说明书和附图应被视为说明性的，而不是对本发明的限制。
权利要求
1、一种图像引导放射治疗系统中的方法，该方法包括利用具有基本平行的成像轴的两个或更多个治疗中成像X射线源来对成像区域中的3D特征进行成像；以及确定所述3D特征在所述成像区域内的位置。
2、 根据权利要求1所述的方法，该方法还包括通过将所述3D特征与所述成像区域的3D预治疗区域研究相配准来跟踪所述成像区域内的所述3D特征。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中对所述3D特征进行成像包括生成所述成像区域的第一 X射线图像，该第一 X射线图像包括对应于所述成像区域内的所述3D特征的第一图像特征；以及生成基本平行于所述第一 X射线图像的第二 X射线图像，该第二 X射线图像包括对应于所述成像区域内的所述3D特征的第二图像特征，其中所述第二图像特征基本上类似于所述第一图像特征。
4、 根据权利要求3所述的方法，其中确定所述3D特征的位置包括使所述第一图像特征与所述第二图像特征相匹配以获得一对匹配的图像特征；以及由所述一对匹配的图像特征的平面坐标来确定所述3D特征在所述成像区域内的位置。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中所述3D特征包括多个特征点，并且其中生成所述第一 X射线图像和所述第二 X射线图像包括对于每个特征点通过从第一 X射线源投射第一 X射线穿过所述成像区域中的所述特征点而在成像平面中生成第一图像点，所述第一图像点在所述成像平面中具有第一组平面坐标，该第一组平面坐标由在第一方向上偏离成像轴的第一位移和在第二方向上偏离所述成像轴的第二位移所限定；以及通过从第二 X射线源投射第二 X射线穿过所述成像区域中的所述特征点而在所述成像平面中生成第二图像点，所述第二图像点在所述成像平面中具有第二组平面坐标，该第二组平面坐标由在所述第一方向上偏离所述成像轴的第三位移和在所述第二方向上偏离所述成像轴的第四位移所限定，所述第一图像点和所述第二图像点构成了对应于所述特征点的共轭图像点对。
6、 根据权利要求3所述的方法，其中所述第一X射线图像中的所述第一图像特征包括第一组多个图像点，而所述第二X射线图像中的基本类似于所述第一图像特征的所述第二图像特征包括第二组多个图像点，并且其中匹配所述图像特征包括计算所述第一图像特征与所述第二图像特征之间的相似性度量以及将所述第一组多个图像点与所述第二组多个图像点匹配于多个共轭图像点对中。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中确定所述3D特征在所述成像区域中的位置包括将所述多个共轭图像点对映射到所述成像区域内的所述3D特征的多个特征点。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中所述成像区域内的3D特征包括基准标记、曲边、拐角和端点中的一者。
9、 一种系统，该系统包括立体成像系统，该立体成像系统包括用于对成像区域内的3D特征进行成像的具有第一成像轴的第一成像设备和具有第二成像轴的第二成像设备，所述第二成像轴基本平行于所述第一成像轴；以及与所述成像系统相耦合的处理设备，其中所述处理设备被配置为确定所述3D特征在所述成像区域内的位置。
10、 根据权利要求9所述的系统，其中所述处理设备还被配置为通过将所述3D特征与所述成像区域的3D预治疗区域研究相配准来跟踪所述成像区域内的所述3D特征。
11、 根据权利要求9所述的系统，其中为了对所述3D特征进行成像，所述成像系统被配置为生成所述成像区域的基本平行的X射线图像，所述基本平行的X射线图像包括第一 X射线图像和第二 X射线图像，所述第一 X射线图像包括对应于所述成像区域内的3D特征的第一图像特征，所述第二X射线图像包括对应于所述成像区域内的所述3D特征的第二图像特征，其中所述第二图像特征基本类似于所述第一 图像特征。
12、 根据权利要求9所述的系统，其中为了确定所述3D特征的位置，所述处理设备被配置为使所述第一图像特征与所述第二图像特征相匹配以获得一对匹配的图像特征，并由所述一对匹配的图像特征的平面坐标来确定所述3D特征在所述成像区域内的位置。
13、 根据权利要求9所述的系统，其中所述3D特征包括多个特征点，并且其中为了生成基本平行的X射线图像，所述处理设备还被配置为对于每个特征点通过从第一 x射线源投射第一 x射线穿过所述成像区域中的所述特征点而在成像平面中生成第一图像点，所述第一图像点在所述成像平面中具有第一对平面坐标，该第一对平面坐标由在第一方向上偏离成像轴的第一位移和在第二方向上偏离所述成像轴的第二位移所限定；以及通过从第二 X射线源投射第二 X射线穿过所述成像区域中的所述特征点而在所述成像平面中生成第二图像点，所述第二图像点在所述成像平面中具有第二对平面坐标，该第二对平面坐标由在所述第一方向上偏离所述成像轴的第三位移和在所述第二方向上偏离所述成像轴的第四位移所限定，所述第一图像点和所述第二图像点构成了对应于所述特征点的共轭图像点对。
14、 根据权利要求13所述的系统，其中所述第一X射线和所述第二X射线在所述特征点处成小于大约四十五度的角。
15、 根据权利要求12所述的系统，其中所述第一X射线图像中的所述第一图像特征包括第一组多个图像点，而所述第二 X射线图像中的基本类似于所述第一图像特征的所述第二图像特征包括第二组多个图像点，并且其中为了匹配所述图像特征，所述处理设备被配置为计算所述第一图像特征与所述第二图像特征之间的相似性度量，并将所述第一组多个图像点与所述第二组多个图像点匹配于多个共轭图像点对中。
16、 根据权利要求15所述的系统，其中为了确定所述3D特征在所述成像区域内的位置，所述处理设备被配置为将所述多个共轭图像点对映射到所述成像区域内的所述3D特征的多个特征点。
17、 根据权利要求9所述的系统，其中所述成像区域中的3D特征包括基准标记、曲边、拐角和端点中的一者。
18、 一种包括机器可访问介质的产品，所述机器可访问介质包括数据，当该数据被机器访问时，促使所述机器执行以下操作利用具有基本平行的成像轴的两个或更多个治疗中成像x射线源来对成像区域中的3D特征进行成像；以及确定所述3D特征在所述成像区域内的位置。
19、 根据权利要求18所述的产品，其中所述机器可访问介质还包括促使机器执行以下操作的数据，所述操作包括将所述3D特征与所述成像区域的3D预治疗区域研究相配准来跟踪所述成像区域内的所述3D特征。
20、 根据权利要求18所述的产品，其中对所述特征进行成像包括生成所述成像区域的第一 X射线图像，该第一 X射线图像包括对应于所述成像区域内的3D特征的第一图像特征；以及生成基本平行于所述第一 X射线图像的第二 X射线图像，该第二 X射线图像包括对应于所述成像区域内的所述3D特征的第二图像特征，其中所述第二图像特征基本上类似于所述第一图像特征。
21、 根据权利要求20所述的产品，其中确定所述特征的位置包括使所述第一图像特征与所述第二图像特征相匹配以获得一对匹配的图像特征；以及由所述一对匹配的图像特征的平面坐标来确定所述3D特征在所述成像区域内的位置。
22、 根据权利要求18所述的产品，其中所述3D特征包括多个特征点，并且其中生成所述第一 X射线图像和所述第二 X射线图像包括对于每个特征点通过从第一 X射线源投射第一 X射线穿过所述成像区域中的所述特征点而在成像平面中生成第一图像点，所述第一图像点在所述成像平面中具有第一组平面坐标，该第一组平面坐标由在第一方向上偏离成像轴的第一位移和在第二方向上偏离所述成像轴的第二位移所限定；以及通过从第二 X射线源投射第二 X射线穿过所述成像区域中的所述特征点而在所述成像平面中生成第二图像点，所述第二图像点在所述成像平面中具有第二组平面坐标，该第二组平面坐标由在所述第一方向上偏离所述成像轴的第三位移和在所述第二方向上偏离所述成像轴的第四位移所限定，所述第一图像点和所述第二图像点构成了对应于所述特征点的共轭图像点对。
23、 根据权利要求18所述的产品，其中第一X射线图像中的第一图像特征包括第一组多个图像点，而第二X射线图像中的基本类似于所述第一图像特征的第二图像特征包括第二组多个图像点，并且其中匹配所述图像特征包括计算所述第一图像特征与所述第二图像特征之间的相似性度量以及将所述第一组多个图像点与所述第二组多个图像点匹配于多个共轭图像点对中。
24、 根据权利要求23所述的产品，其中确定所述3D特征在所述成像区域中的位置包括将所述多个共轭图像点对映射到所述成像区域内的所述3D特征的多个特征点。
25、 根据权利要求18所述的产品，其中所述成像区域内的所述3D特征包括基准标记、曲边、拐角和端点中的一者。
26、 一种设备，该设备包括用于利用具有基本平行的成像轴的两个或更多个治疗中成像x射线源 来对成像区域中的3D特征进行成像的装置；以及用于确定所述3D特征在所述成像区域内的位置的装置。
27、 根据权利要求26的所述设备，该设备还包括用于通过将所述3D特 征与所述成像区域的3D预治疗区域研究相配准来跟踪所述成像区域内的所 述3D特征的装置。
28、 根据权利要求26的所述设备，其中对所述3D特征进行成像包括 用于生成成像区域的第一 X射线图像的装置，所述第一 X射线图像包括对应于所述成像区域内的3D特征的第一图像特征；以及用于生成基本平行于所述第一 X射线图像的第二 X射线图像的装置， 所述第二 X射线图像包括对应于所述成像区域内的所述3D特征的第二图像 特征，其中所述第二图像特征基本上类似于所述第一图像特征。
29、 根据权利要求28的所述设备，其中确定所述3D特征的位置包括 用于使所述第一图像特征与所述第二图像特征相匹配以获得一对匹配的图像特征的装置；以及用于由所述一对匹配的图像特征的平面坐标来确定所述3D特征在所述 成像区域内的位置的装置。
30、 根据权利要求28的所述设备，该设备还包括用于将所述3D特征的 位置与所述成像区域的3D扫描相配准的装置。
全文摘要
本发明公开了一种图像引导放射治疗系统中的方法和设备，用于确定患者的治疗中3D位置，并将患者的3D治疗中位置与患者的预治疗3D扫描相配准。
文档编号A61B6/02GK101478918SQ200780023456
公开日2009年7月8日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年6月28日
发明者M·博杜鲁瑞 申请人:艾可瑞公司