专利名称：用于在3d成像系统内将空间失真特征化的系统和方法
技术领域：
本发明涉及图像引导治疗领域，并且涉及创建和利用用于将成像误差特征化的体 模以便于校正这种误差的系统和方法。相关领域的描述图像引导治疗(IGT)涉及大范围的现有的和开发中的利用一种或多种成像技术 来帮助相关治疗更有效地传送的处理形式。IGT能够包括但是不限于如图像引导手术、放射 手术、放射治疗、以及其他现有的和开发中的治疗类型等的处理形式。通常，IGT利用一种 或多种成像技术来收集可表示感兴趣的组织的内部结构和/或健康状况的信息。获取的图 像数据通常由计算机系统以及相关的应用软件来操作，以便产生并显示成像区域的三维虚 拟模型或图像。图像数据能够用于在空间上更加准确地定位感兴趣的区域，以便于向感兴 趣的区域进行更为准确的和集中的治疗传送。在很多应用中，使用的IGT的安全性和有效性依赖于3D成像系统的空间准确性。 例如，某些IGT用于定位具体治疗区域或容积，并且准确地将适当的治疗传送给识别的目 标。在准确地识别所期望目标区域的空间位置中的误差将损害准确地传递适当治疗的能 力。治疗的错误导向将最大的损害预期治疗的有效性，而且在某些应用中可能存在安全性 顾虑，例如无意识地将治疗传送给非目标区域。多种成像技术能够用于IGT，然而，所有已知的成像技术都面临一定的空间失真 度。磁共振成像(MRI)利用强大的磁场，该磁场被施加到成像空间以优先地对准核磁化矢 量，通常是存在于组织中的水中的氢原子。应用射频场来改变该磁化的对准，从而在磁场中 产生MRI系统可检测的扰乱。然而，由MRI系统获得的位置数据具有来自磁场失真的空间 失真和可能存在于成像容积之中的化学移位。计算机断层扫描(CT)是另一种成像技术，其利用计算机处理、通过分析通常很多 个从不同视角获取的二维X射线图像来产生虚拟的三维图像。然而，CT成像也具有来自被 称为射束硬化的现象的失真。单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和正电子发射断层扫描(PET)是核医疗成像 技术，其利用放射性的示踪剂材料和伽马射线检测来产生三维图像，可频繁地指示生命体 内的功能过程。通常，选择用在SPECT系统中的示踪剂发射被直接检测的伽玛射线，而选择 用于PET系统中的示踪剂发射正电子，正电子使得通常在几毫米范围内的电子湮灭，导致 两个伽马光子将被发射并随后被检测到。SPECT和PET系统具有来自如伽马射线或伽马光 子的衰减和/或散射等因素的空间失真。如上所述，IGT的有效性和安全性依赖于所使用的成像技术的准确性。因此应该理解，一直存在着对更准确地成像图像容积的改进的系统和方法的需要。也存在着将现有 的、或尚待开发的成像系统中存在的空间失真特征化的需要.
发明内容
实施方式包括一种用于将医疗成像系统的空间失真特征化的方法，所述方法包 括估算期望的目标容积的轮廓和尺寸；确定期望的坐标系；确定多个控制点的期望的布 置和间隔，其中，所述期望的布置和间隔与所确定的轮廓、尺寸、以及坐标系相匹配；构建与 所述多个控制点的所确定的布置和间隔相匹配的并且配置为在基本刚性的结构中限定所 述控制点的三维体模；相对于立体定位框架固定所述体模，使得所述多个控制点限定相对 应的多个第一已知空间位置；对所述体模成像；根据成像确定第二测量的空间位置；将所 述第一已知空间位置的至少一选择的子集与相应的第二测量的空间位置相比较；以及计算 在所述第一已知空间位置和所述相应的第二测量空间位置之间的任何指示空间失真的标 记。实施方式包括，执行对所述期望的目标容积的轮廓和尺寸的估算以匹配生命体的 一部分。实施方式还包括，其中，三维体模至少部分地由快速成型工艺构建。实施方式还包括，其中，快速成型工艺包括选择性激光烧结。实施方式还包括对第二测量的空间位置的操作，以创建相对于第一已知空间位置 具有减少的空间失真的测量的空间位置的校正集。实施方式还包括构建体模，使得多个控制点以基本一致的间隔分布。实施方式包括将医疗成像系统中的空间误差特征化的系统，所述系统包括体模， 限定多个控制点，其中，所述控制点分布在三维空间中，并且相对于彼此基本是固定的；固 定装置，能够牢固地连接到所述体模并且连接到医疗成像系统的立体定位框架，使得所述 控制点能够被定位以占据所述成像系统的成像空间内的第一已知空间位置；以及分析模 块，与所述成像系统通信，以获得指示由所述成像系统确定的所述多个控制点的至少一子 集的第二被测量的空间位置的数据，其中，所述分析模块将所述第一已知空间位置与相应 的第二测量的空间位置相比较，并且对于所述多个控制点的至少所述子集，计算在所述第 一已知空间位置和所述相应的第二测量的空间位置之间的任何确定的变化的标记。实施方式还包括被配置以封闭体模的腔。实施方式还包括，其中，腔被配置以基本上流体密封的方式封闭所述体模，并且所 述腔还设置有对比材料。实施方式还包括，其中，分析模块还操作第二测量的空间位置以创建相对于第一 已知空间位置具有减少的空间失真的测量的空间位置的校正集。实施方式还包括，其中，多个控制点以基本一致的间隔分布。实施方式还包括，其中，体模是定制的以与成像系统相匹配。实施方式还包括，其中，体模是定制的以与成像系统的至少一个具体成像容积相 匹配。实施方式还包括设置有机器可执行指令的存储介质，所述机器可执行指令被配置 为使得计算机系统执行以下处理将三维低通滤波器应用到由三维结构的成像操作产生的原始图像容积；确定与所述三维结构匹配的选择的核；将所滤波的图像容积与所述选择的 核相卷积；以及对所卷积的图像查找局部极大值。实施方式还包括使得所述计算机系统执行以多种维度对图像亮度曲线进行重采 样的处理的指令。实施方式还包括使得所述计算机系统执行做出是否对前面执行的处理进行迭代 的决定的处理的指令，如果迭代，则迭代以下处理将所滤波的图像容积与所述选择的核相 卷积；对所卷积的图像查找局部极大值；以及以多种维度对图像亮度曲线进行重采样，如 果不迭代，则执行使用重采样的图像亮度曲线最后的集合的重心作为对空间坐标估算的处理。实施方式还包括使得计算机系统执行以下处理的指令将第一已知空间位置的至 少一选择的子集与相应的查找的局部最大值相比较；并且计算在第一已知空间位置和相应 的查找的局部最大值之间的任何指示空间失真的标记。实施方式还包括使得所述计算机系统执行以下处理的指令操作所述查找的局部 极大值，以创建相对于所述第一已知空间位置具有减少的空间失真的已查找的局部极大值 的校正集合。实施方式包括用于将成像系统的空间失真特征化的方法，所述方法包括估算期 望的目标容积的轮廓和尺寸；确定期望的坐标系；确定多个控制点的期望的布置和间隔， 其中，所述期望的布置和间隔与所确定的轮廓、尺寸、以及坐标系相匹配；构建与所述多个 控制点的所确定的布置和间隔相匹配的并且配置为在基本刚性的结构中限定所述控制点 的三维体模；相对于立体定位框架固定所述体模，使得所述多个控制点限定相对应的多个 第一已知空间位置；对所述体模成像；根据成像确定第二测量的空间位置；将所述第一已 知空间位置的至少一选择的子集与相应的第二测量的空间位置相比较；以及计算在所述第 一已知空间位置和所述相应的第二测量空间位置之间的任何指示空间失真的标记。实施方式包括将成像系统中的空间误差特征化的系统，所述系统包括体模，限定 多个控制点，其中，所述控制点分布在三维空间中，并且相对于彼此基本是固定的；固定装 置，能够牢固地连接到所述体模并且连接到所述成像系统的立体定位框架，使得所述控制 点能够被定位以占据所述成像系统的成像空间内的第一已知空间位置；以及分析模块，与 所述成像系统通信，以获得指示由所述成像系统确定的所述多个控制点的至少一子集的第 二被测量的空间位置的数据，其中，所述分析模块将所述第一已知空间位置与相应的第二 测量的空间位置相比较，并且对于所述多个控制点的至少所述子集，计算在所述第一已知 空间位置和所述相应的第二测量的空间位置之间的任何确定的变化的标记。通过下面的结 合附图描述，本发明的这些和其他目的以及优点将变得更加明显。
图1是使成像系统(例如用于图像指导治疗的成像系统)的空间失真误差特征化 的系统的一个实施方式的示意图。图2是在成像系统中使空间失真特征化的实施方式的流程图。图3是成像空间或容积的一个实施方式的详细示意图，例如在具有期望目标区域 或容积和多个治疗路径的图像指导治疗系统中。
图4是固定在立体定位框架上的高密度网格体模的一个实施方式的立体图。图5是在图像空间内识别控制点的空间位置的计算机实施算法的实施方式的流 程图。
具体实施例方式图1示意性地示出了一种系统的实施方式，该系统用于使可能在由成像系统102 获取的图像数据中的出现的空间失真特征化。成像系统102可由众多成像技术中一种或多 种组成，所述成像技术包括但不限于MRI、CT、SPECT和PET。成像系统102可无源地监控一 种或多种类型的来自成像容积或空间的放射。成像系统102还可产生或发射场、能量和/ 或粒子并对这些用成像容积发射或产生的能量和/或粒子的交互作用进行监控。如前所述，已知的成像系统102至少存在某些空间失真度。至少在某些应用中，通 常空间失真至少是部分可重复的并且可称为依赖机器的失真。通常这样的失真依赖于给定 成像系统102的设计和结构以及成像形态的性质。在某些应用中，空间失真还可能至少部 分地依赖于被成像材料的物理特性。在一些已知的成像系统102中，空间失真可能导致给 定点的实际位置与被测出的如由成像系统102所确定的空间位置之间的差异。虽然空间失 真通常根据各个成像系统102变化，但空间失真通常能够在大约几毫米至几厘米的量级的 误差范围内变化。本文描述的实施方式便于对成像容积中的大量控制点的这类误差进行精 确识别和特征化，并便于校正任何失真或误差，以便有助于更精确地传输用于指导治疗的 图像。该系统包括三维或3D体模(phantom) 104。该体模104包括特别选择的材料，使得 通过相关成像系统102区别于周围的材料。3D体模104可包括在三维方向延伸的网格或框 架结构，该结构包括多个相互连接的固体伸长部件。邻接的伸长部件的连接或交叉限定了 多个三维地空间分布的控制点105。单个伸长部件可被看作桩或柱。单个伸长部件可以基 本笔直或可限定弯曲结构。还可以是基本笔直的部件和弯曲部件的组合。在某些实施方式中，3D体模104由中空元件构成，中空元件可以填充液体，该流体 包含可由相关成像系统102方便地区别于周围材料的造影剂或放射性材料。这些流体圆柱 的连接或交叉限定多个三维地空间分布的控制点105。单个中空伸长部件可以基本笔直或 限定弯曲结构。还可以是基本笔直部件和弯曲部件的组合。3D体模104基本具有刚性结构，因此控制点105相对于彼此基本保持在固定的时 间不变的空间位置。这允许3D体模104以高精度保持大量三维分布并具有可知空间位置 的控制点105。在某些实施方式中，给定控制点105的空间位置具有约0. Imm或100 μ或更 佳的已知精度。在某些实施方式中，3D体模104将控制点105保持在0.06mm或60 μ或更 佳的已知精度。通常，虽然优选更高精度的已知空间位置，但可以基于给定IGT的速度和成 本考虑和需要精度指示多种水平的精度。在某些实施方式中，形成3D体模104以通常符合期望的图像空间或容积120 (见 图3)的轮廓和尺寸。图像空间或容积120通常符合这样的空间容积，成像系统102将从该 空间容积中获取测量值并从该空间容积创造虚拟图像。在许多应用中，图像空间或容积120 将相对于立体定位框架108固定。3D体模104的配置和尺寸可与所关心的图像空间或容积 120相匹配。
在某些实施方式中，3D体模104可包括在三维地延伸的网格，该网格围绕合并的 内部容积形成，该内部容积模拟或复制已知的解剖结构和/或移植物以生成主一从成像失 真。例如，容纳有空气的鼻窦在基于MR的大脑成像中可以产生失真。对于单个病人来说， 通过对解剖结构和/或移植物的失真进行评估，可以显著提升图像指导治疗的精度。例如，图像指导治疗经常用于活体具体部位的局部处理，例如病人头部内的所关 心的区域。因此，至少在某些应用中，成像系统102不需要并可以不对整个活体的图像数据 进行显影。因此，3D体模104的配置和大小可通常与所关心的区域相适应。虽然图1示出 了通常具有圆柱形轮廓或形状的3D体模104的实施方式，但这只是一个实施方式的简单说 明。在其他实施方式中，3D体模104可具有其他形状或轮廓，包括但不限于球体、立方体、长 方体、三角体和其他几何体形状。在又一些实施方式中，3D体模104可以描述不规则几何 体，例如类似人体的轮廓。其他形状和轮廓是可能的。在多种实施方式中，给定成像系统102可以使用或能够使用一个或多个坐标系对 成像系统产生的虚拟图像进行显影。例如，给定成像系统102可使用笛卡尔坐标、球面坐标 或极坐标和/或柱面坐标。因此，至少在某些实施方式中，优选地构造3D体模104，从而以 这样的方式对控制点105进行空间定向和匹配，使其配合相关成像系统102所使用的具体 坐标系。因此，在多种实施方式中，3D体模104可具有通常沿直角坐标轴或笛卡尔坐标轴、 极坐标轴或球面坐标轴、或柱面坐标轴定位的控制点(105)。根据给定应用的需要，单个控制点105通常可均勻分布在3D体模104中或分布在 大量非均勻分布区域中。在一个非限制性实施方式中，3D体模104包括多个控制点105，控 制点105以基本均勻的分布排列并具有约8mm的点到点间隔。该实施方式可包括由聚酰胺 形成的3D体模104。已经发现这种实施方式在具有MRI技术的成像系统102中对空间失真 特征化时特别有效。如前所述，成像系统102经常与立体定位框架108组合使用。立体定位框架108 通常保持基本固定的精确的空间参考点或原点，在成像过程和处理过程中，该空间参考点 或原点可被保持。例如，在某些实施方式中，立体定位框架108可包括立体定位环，该立体 定位环被配置以使病人头部保持在相对固定的稳定位置。在一个实施方式中，包括固定装 置106，固定装置106刚性地连接至体模104与立体定位框架108。在某些实施方式中，固 定装置106与体模104的连接是基本上永久性的，在其它实施方式中，该连接可以移除或拆 卸。至少在某些应用中，通常固定装置106和立体定位框架108之间的刚性连接优选为可 移除的。这方面提供了相对于立体定位框架108刚性地固定3D体模104的优点，但是在临 时性或可移除方式中。这便于利用相同的立体定位框架108，用来对3D体模104进行成像 以及进行传送治疗，例如来自治疗源109。如前所述，当对来自图像空间或容积120的图像数据进行显影时，通常给定成像 系统102至少存在某些空间失真度。通过对3D体模104的一个或多个实施方式进行成像， 成像系统102可以对被测量的位置数据(例如多个控制点105)进行显影。该被测量位置 数据可以与控制点105的已知位置相比较，由于3D体模104包括基本刚性的结构，该结构 刚性地连接至限定已知空间参考点或零点的立体定位框架108。在一个实施方式中，由成像系统102获取的图像数据可以传送至分析模块110。分 析模块110可包括存储在计算机可读存储媒介上的机器可执行代码，其中配置该代码以使计算机系统完成本文描述的一个或多个实施方式所述的动作。分析模块110可具有3D体 模104的多个控制点105的已知位置数据。因此，给定控制点105的已知位置可包括第一已 知空间位置150 (图2)。如成像系统102所确定的相同控制点105的被测量空间位置可包 括第二被测量或被成像空间位置152(图2)。可以配置分析模块110以使多个控制点105 的每个第一已知空间位置150与第二被测量空间位置152相比较，并且使用该比较来使任 何由该比较指示的空间失真特征化。通过使用计算机处理和相关应用软件和存储器，分析模块110可快速地使分布在 图像空间120中的大量控制点150的第一和第二空间位置150、152之间的任何空间失真特 征化。根据给定应用的需求，分析模块110可分析全部或基本上全部的包括3D体模104的 控制点105。在某些应用中，分析模块110可仅分析全部多个控制点105中的一个选定子 集。可以理解，可基于具体应用的需要和需求来选择控制点105的选定子集的具体边界/ 参数。在某些实施方式中，成像系统102和分析模块110之间的通讯是双向的。在这些 实施方式中，可进一步配置分析模块110以提供校正信息，从而对任何被识别的空间失真 进行调整和校正。因此，在某些实施方式中，分析/校正模块Iio可从成像系统120中获取 图像数据，对于任何已指示的空间失真分析该数据，并且将返回数据和/或命令提供至成 像系统102。因此，在某些实施方式中，成像系统102可配合分析/校正模块110提供已校 正的数据112。可以理解，在某些实施方式中，分析/校正模块110与成像系统102在物理上可以 是结合为一体的。在某些实施方式中，分析/校正模块110与成像系统102可以是物质上 分离但可以相互通讯的。还可以理解，分析/校正模块110的操作不需要与来自成像系统 102的图像数据的产生或通讯同时发生。因此，相对于成像系统102的操作，通过如本文所 述的多个实施方式实施的分析和校正过程可在线下进行，或可至少部分地与其同时发生。 在某些实施方式中，空间失真的分析与图像数据的产生基本同时或同时发生。在某些实施方式中，成像系统102和分析/校正模块110之间的通讯可以是从成 像系统102至分析/校正模块110单向的通讯。因此，在某些实施方式中，已校正数据112 可从分析/校正模块110获取，但不一定提供至成像系统102本身。因此，当成像系统102 仅提供“原始数据”或具有空间失真的数据时，已校正数据112可以被提供给临床医生或其 它用户使用。在其他实施方式中，分析模块110可以仅为给定成像系统102中出现的任何空间 失真提供分析。例如，在某些实施方式中，分析模块110可产生并传输校正因子114，该校正 因子114指明了一个或多个控制点105的第一已知空间位置150和第二被测量或被成像空 间位置152之间的任何差异的量级和方向。基于给定的应用需要，校正因子114可被临床 医生或其它用户或其它以计算机为基础的系统利用。因此，至少在某些实施方式中，成像系 统102和分析模块110都不需要必须提供图像空间120的最终的已校正的图像数据112。图2示出了在成像系统中使空间失真特征化的方法的实施方式的流程图。方法 200开始于起始方框202，起始方框202通常描述成像系统102和立体定位框架108的安装 和初始校准。起始方框202可包括立体定位框架108进行校准和定位以便精确限定空间参 考点或零点。
在方框204中，对期望的成像容积120进行估算。方框204可包括建立期望的成 像容积120的总体轮廓和尺寸。在方框206中，期望的坐标系被确定。方框206中的期望 坐标系经常基于相关成像系统102的特征和设计来确定。在许多应用中，虽然笛卡尔坐标 被临床医生和其他用户广泛应用和理解，但也可以使用球面和柱面坐标系。在方框210中，期望的控制点间隔被确定。各个控制点105之间的期望间隔可基 于相关成像系统102的成像技术以及其具体的操作参数变化。期望的控制点105间隔还可 以依靠随后被成像的病人组织的材料性质而变化。方框210还包括确定控制点是否被期望 的基本均勻或非均勻地间隔。例如，在某些应用中，由成像系统102限定的图像空间120可 基本大于所关心的实际区域或容积，例如处理容积或区域122 (图3)。因此，至少在某些应 用中，可以更加及时有效地以非均勻方式分配控制点105。例如，可以在全部图像空间120 的一部分内更加紧密的对控制点105进行间隔，以获取在较大图像空间120内的所关心的 较小区域122中的空间失真的更多精确特征。这可以简化3D体模104的构建并且减少在 不太关心的区域内特征化空间失真所需的处理开支。在方框212中，3D体模104的三维模型被创造。方框212可包括使用数字设计工 具，例如计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)。在方框212中，基于方框212中显影的三维模形构建3D体模104，以便对选定的具 有第一已知空间位置和其相关位置的多个控制点105进行限定。在一个实施方式中，方框 214使用一种或多种快速原型技术，例如选择性激光烧结(SLS)。在一个实施方式中，方框214使用附加的制造技术，其利用高能量激光通过空间 高精度控制方式选择性地熔化聚酰胺塑料的相对小的颗粒或粉末。在一个实施方式中，通 过随后根据方框212中显影的3D体模模型的轮廓和尺寸扫描粉末状聚酰胺的床体的横截 面，方框214选择性地熔化粉末化聚酰胺。由于扫描每个横截面，因而粉末聚酰胺熔化以形 成3D体模104的层或面。可额外的聚酰胺粉末至每个扫描的横截面并且以自下向上或端 到端的方式构造3D体模104。基于方框212中开发的精确的三维模型的选择性激光烧结过程的组合生成具有 以高精度布置的大量控制点105的3D体模104。如前所述，在某些实施方式中，控制点105 的定位精度为100μ或以上。在某些实施方式中，控制点105的定位精度为60μ或以下。 在其他实施方式中，可以利用其它快速原型技术，包括但不限于熔化沉积建模(FDM)和/或 连续平板印刷(SLA)。还可以理解，包括聚酰胺的3D体模104仅仅是一个非限制性实例并 且其他实施方式可依靠给定应用的需求使用除前述的聚酰胺之外的其它材料或替代物。在方框216中，3D体模104固定在成像空间120中，例如通过固定装置106至3D 体模104和立体定位框架108的连接。因为立体定位框架108限定已知和已校准的空间参 考点或零点，并且因为控制点105的相对位置也是固定和已知的，所以每个单个控制点105 的真实的空间位置是在高精度下是已知的。方框216还包括用一个或多个成像系统102对 3D体模104的成像以获取第二被测量或被成像的位置数据152。在方框218中，利用计算机执行的算法在图像空间120内自动探测体模控制点 105。如前所述，采用方法200的实施方式的装置可包括机器可执行代码，存储在计算机可 读存储媒介中并被配置以使计算机执行本文描述的过程。在方框218中，3D低通滤波器被应用至原始图像容积。确定和使用具体设计以匹配形成控制点105的网格交叉点的结构的卷积核。因此对每个体模104的几何形状和尺寸 来说，卷积核是定制的。对于包括由直线排列的桩或柱形成的矩形网格阵列的实施方式，优 选地被使用的核通常具有三维加号的形状。可以为控制点105的其他构造选择和使用其他 核。卷积的目的是增加图像交叉点中的像素的亮度。卷积后的交叉点比周围网格更加明亮 约 50%。随后找到卷积图像集合在x、y和ζ方向上的控制点105的局部最大值。找到这些 最大值可以为网格交叉(例如，各个控制点105的空间位置)的坐标提供士0.5像素或更 大精度的初始估算。为了改善估算，用补零法对x_y，x-z和y_z平面中的穿过每个局部最 大值的图像亮度曲线进行重新取样。用三条重新取样的曲线的重心作为网格交叉的坐标的 新估算值。通过将本文描述的自动探测程序的实施方式的获取的间距和用高精度卡尺获取 的测量值进行比较，可以用实验的方法确定这些用于识别多个控制点105的被测量第二坐 标的实施方式的精度。获取的精度是意想不到的确定结果。在方框220中，对成像系统的第二已指示或被测量空间位置与控制点105的至少 一个子集的第一已知空间位置进行了比较。方框220可返回在适当坐标系中被分解为三维 中每一个的任何被探测失真的量级和方向。方框220还可以返回任何被探测失真的量级和 方向作为在适当坐标系中的失真矢量。方框220可返回结果作为多个单个空间失真的标 记。方框220还可以返回结果作为多个单个空间失真的一个或多个复合或广义的失真标 记。在方框222中，可对来自图像系统102的原始图像数据进行任何已指示的调整或 校正，以获得已校正或已标准化的图像数据112。如前所述，方框222的该校正可由分析/ 校正模块110、成像系统102或单独的组件或步骤执行。由于大量控制点105和相应的大 量可能的空间失真数据，通常本文所述的计算和校正强烈地优选由计算机执行的处理来进 行。图3示意性地示出了图像空间或容积120的一个实施方式的更多细节。如前所述， 立体定位框架108为形成于图像空间120中的位置测量值限定空间参考点和零点。在该实 施方式中，用户对图像空间120内的子集或较小区域122愈发感兴趣。在一个实施方式中， 子集或较小区域122对应于形成较大全部图像空间120的子集或较小区域的处理空间122。 处理空间122可空间地对应于用于来自治疗源109的任何多种治疗形式的未来目标位置。 处理可包括一个或多个加速质子治疗、电离辐射、红外线照射、激光等等。图3还示出了使 处理空间122交叉并对治疗经由不同的空间途径的传送进行示意性指示的第一和第二处 理路径124a、124b。因此，实施方式不但可提供图像空间120中所关心的处理空间或容积 122的空间失真的特征化，还可以提供穿过图像空间120的一个或多个处理路径124。图4示出了刚性连接至固定装置106并因此连接至固定的立体定位框架108的3D 体模104的一个实施方式的更多细节。在某些实施方式中，包括体模104的材料至少对于 成像系统102的一些实施是不可见的。例如，通常聚酰胺材料对基于MRI、SPECT和PET的 成像系统102是不可见的。因此，一个实施方式还包括被配置以封闭体模104的腔130。图4中的腔130示 出为透明的以便于观察体模104，然而腔130被配置以流体密封的方式封闭体模104。优选地，由图像系统102可见的对比材料132填满腔130。对比材料132可包括硫酸铜溶液或 矿物油，用于基于MRI的成像系统102。对比材料132可包括伽马射线或正电子发射物质， 用于基于SPECT或PET的成像系统102。对比材料132允许成像系统102 “看见”体模104 和可见对比材料132的边界并因此在图像空间120中识别控制点105的位置。在一个实施方式中，腔130还包括一个或多个访问端口 134。访问端口 134提供通 道以引导对比材料132。访问端口还便于从腔130中清除收集的空气和气泡。当需要相对 于立体定位框架108改变网格控制点105的位置时，访问端口 134还提供向体模104的访 问。例如，在基于框架的图像引导处理(是图像引导治疗的最精确形式)中，图像和处 理空间均参考立体定位框架108。可优选地参考相同立体定位框架108来表示已通过体模 104识别的任何空间失真的位置。在实践中，一旦将体模104放置于腔130中，腔130就被 牢固地连接至立体定位框架108。该系统可以访问计量实验室以精确测量控制点105相对 于立体定位框架108的基准点的网格位置。虽然上述基准点可根据立体定位框架108的具 体实施进行变化，但仍可被看作是立体定位框架108的坐标系。根据本文描述的实施方式的以可获得的空间精度形成3D体模104的合适的材料 和加工方法以前还没有被利用过。对依靠相应的大量参考数据获取的作为结果的大量数据 进行分析的合适的方法也没有被利用过。空间失真的问题已经存在，但适合的解决方案早 先已证明是难懂的。早先的尝试已经没有能力为给定应用(如所公开的实施方式)提供精 度和专属性。参考图像指导治疗背景中的成像系统102可以理解，本文所述和所示的实施 方式可以有利地用于各种各样的成像系统。尽管本发明优选的实施方案显示、描述和指出了本发明的如应用到这些特殊的实 施方案中的新颖特征，但应该理解以被描述的设备的各种细节的形式进行的省略、替换和 改变可由本领域的普通技术人员在不背离本发明的范围的情况下做出。因此，本发明的范 围不局限于上面的描述，而是由附加的权利要求书来限定。
权利要求
一种用于将医疗成像系统的空间失真特征化的方法，所述方法包括估算期望的目标容积的轮廓和尺寸；确定期望的坐标系；确定多个控制点的期望的布置和间隔，其中，所述期望的布置和间隔与所确定的轮廓、尺寸、以及坐标系相匹配；构建与所述多个控制点的所确定的布置和间隔相匹配的并且配置为在基本刚性的结构中限定所述控制点的三维体模；相对于立体定位框架固定所述体模，使得所述多个控制点限定相对应的多个第一已知空间位置；对所述体模成像；根据成像确定第二测量的空间位置；将所述第一已知空间位置的至少一选择的子集与相应的第二测量的空间位置相比较；以及计算在所述第一已知空间位置和所述相应的第二测量空间位置之间的任何指示空间失真的标记。
2.如权利要求1所述的方法，其中，执行对所述期望的目标容积的所述轮廓和尺寸的 估算以匹配生命体的一部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述三维体模至少部分地由快速成型工艺构建。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述快速成型工艺包括选择性激光烧结。
5.如权利要求1所述的方法，其中，还包括对所述第二测量的空间位置的操作，以创建 相对于所述第一已知空间位置具有减少的空间失真的测量的空间位置的校正集。
6.如权利要求1所述的方法，包括构建所述体模，使得所述多个控制点以基本一致的 间隔分布。
7.一种将医疗成像系统中的空间误差特征化的系统，所述系统包括体模，限定多个控制点，其中，所述控制点分布在三维空间中，并且相对于彼此基本是 固定的；固定装置，能够牢固地连接到所述体模并且连接到医疗成像系统的立体定位框架，使 得所述控制点能够被定位以占据所述成像系统的成像空间内的第一已知空间位置；以及分析模块，与所述成像系统通信，以获得指示由所述成像系统确定的所述多个控制点 的至少一子集的第二被测量的空间位置的数据，其中，所述分析模块将所述第一已知空间 位置与相应的第二测量的空间位置相比较，并且对于所述多个控制点的至少所述子集，计 算在所述第一已知空间位置和所述相应的第二测量的空间位置之间的任何确定的变化的 标记。
8.如权利要求7所述的系统，还包括被配置以封闭所述体模的腔。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述腔被配置以基本上流体密封的方式封闭所述 体模，并且所述腔还设置有对比材料。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述分析模块还操作所述第二测量的空间位置， 以创建相对于所述第一已知空间位置具有减少的空间失真的测量的空间位置的校正集。
11.如权利要求7所述的系统，其中，所述多个控制点以基本一致的间隔分布。
12.如权利要求7所述的系统，其中，所述体模是定制的以与所述成像系统相匹配。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述体模是定制的以与所述成像系统的至少一 个具体成像容积相匹配。
14.设置有机器可执行指令的存储介质，所述机器可执行指令被配置为使得计算机系 统执行以下处理将三维低通滤波器应用到由三维结构的成像操作产生的原始图像容积； 确定与所述三维结构匹配的选择的核； 将所滤波的图像容积与所述选择的核相卷积；以及 对所卷积的图像查找局部极大值。
15.如权利要求14所述的存储介质，还包括使得所述计算机系统执行以多种维度对图 像亮度曲线进行重采样的处理的指令。
16.如权利要求15所述的存储介质，还包括使得所述计算机系统执行做出是否对前面 执行的处理进行迭代的决定的处理的指令，如果迭代，则迭代以下处理将所滤波的图像容积与所述选择的核相卷积； 对所卷积的图像查找局部极大值；以及以多种维度对图像亮度曲线进行重采样，如果不迭代，则执行使用重采样的图像亮度 曲线最后的集合的重心作为对空间坐标估算的处理。
17.如权利要求14所述的存储介质，还包括使得所述计算机系统执行以下处理的指令将第一已知空间位置的至少一选择的子集与相应的查找的局部最大值相比较；以及 计算在所述第一已知空间位置和所述相应的查找的局部最大值之间的任何指示空间 失真的标记。
18.如权利要求17所述的存储介质，还包括使得所述计算机系统执行以下处理的指令操作所述查找的局部极大值，以创建相对于所述第一已知空间位置具有减少的空间失 真的已查找的局部极大值的校正集合。
全文摘要
用于将由成像系统(102)确定的位置数据中的空间失真特征化的系统和方法(200)，例如在图像指导治疗中所利用的。三维体模(104)是为给定成像系统(102)的期望成像空间形成(204、206、210、212、214)的定制品。体模(104)包括大量控制点(105)，以已知的高精度刚性地固定在空间中。体模(104)被固定至限定已知校准参考点或零点的立体定位框架(108)并被成像(216)。为体模(104)定制的算法确定控制点(105)的空间位置。对控制点(105)的至少一子集的已知和确定的空间位置之间进行对比(220)。该对比(220)产生标记以用于观察到的任何确定的空间失真。
文档编号A61B19/00GK101951853SQ200980106040
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月20日 优先权日2008年2月22日
发明者大卫·斯科特·吉特勒, 罗伯特·D·波尔斯坦恩, 芭芭拉·安·霍尔斯侯瑟尔 申请人:洛马林达大学医学中心