使用直接目標配準的目標跟蹤的制作方法

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專利名稱：使用直接目標配準的目標跟蹤的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式涉及圖像引導的放射治療系統(tǒng)，以及具體地涉及在放射治療期間跟蹤移動的放射目標。
背景技術：
諸如腫瘤和病灶的病理解剖體可由諸如手術的侵入性操作來治療，但這對患者可能是有害的并且很危險。治療病理解剖體(例如腫瘤、病灶、脈管畸形、神經錯亂等)的非侵入性方法是外部射束放射療法。在外部射束放射療法的一種類型中，在將患者定位成使腫瘤位于射束的旋轉中心(等中心) 的情況下，外部放射源用于將一系列的X射線射束從多個角度對準腫瘤部位。隨著放射源的角度的改變，每個射束穿過腫瘤部位，但在其到達腫瘤的途中穿過不同區(qū)域的健康組織。結果，腫瘤處的累積的放射劑量是高的，并且對健康組織的平均放射劑量是低的。
術語"放射療法"是指其中放射被施加到目標區(qū)域用于治療目的而不是壞死目的的操作。與放射手術環(huán)節(jié)中使用的放射量相比，在放射療法治療環(huán) 節(jié)中使用的放射量通常小大約一個數量級。放射療法的典型特征在于每次治
療的低劑量(例如100-200厘戈瑞(cGy))、短的治療時間(例如，每次治療10到30分鐘)和超分級(hyperfractionation)(例如30到45天的治療)。為了方便起見，這里使用的術語"放射治療"意味著放射手術和/或放射療法，除非通過其它方式指出。
圖像引導的放射療法和放射手術系統(tǒng)包括基于機架的系統(tǒng)和基于機器人的系統(tǒng)。在基于機架的系統(tǒng)中，放射源被連接到(attached to)機架上，該機架在單個平面中圍繞旋轉中心(等中心)移動。放射源可以被剛性地連接到機架或通過裝有萬向接頭的機械裝置來連接。每次在治療期間輸送放射射束，射束的軸穿過等中心。因此治療角度被放射源的旋轉范圍和患者定位系統(tǒng)的自由度所限制。在基于機器人的系統(tǒng)中，例如由加利福尼亞的艾可瑞
公司(Accuray Incorporated of California)制造的CYBERKNIFE (射波刀⑧) 立體定向放射手術系統(tǒng)，放射源不被約束于單個旋轉平面并且具有5個或更多自由度。
在常規(guī)的圖像引導的放射治療系統(tǒng)中，通過將患者的二維(2D)治療中 x射線圖像與2D數字重建放射照片(DRR)進行比較來完成治療期間的患者跟蹤，所述2D數字重建放射照片從用于診斷和治療計劃的三維(3D)預治療成像數據中獲得。預治療成像數據可以是例如計算斷層掃描(CT)數據、磁共振成像(MRI)數據、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)數據或3D旋轉血管造影(3DRA)。通常，治療中x射線成像系統(tǒng)是立體的，從兩個或者更多不同的觀察點(例如直角)生成患者的圖像。
DRR是通過釋放(精確地投射)穿過3D成像數據的射線來模擬治療中 x射線成像系統(tǒng)的幾何結構而生成的合成的x射線圖像。然后，生成的DRR 具有與治療中x射線成像系統(tǒng)相同的尺度和觀察點，并且可以與治療中x射線成像系統(tǒng)進行比較以確定患者的位置。為了生成DRR， 3D成像數據被分成體素(體積元素)，并且每個體素被分配一個從3D成像數據獲得的衰減(損失)值。然后DRR中的每個像素的相對強度就是所投射的穿過3D圖像的每個射線的體素損失的總和。在DRR被生成之前，通過在3D成像數據上執(zhí)行 3D變換(旋轉和平移)來模擬不同的患者姿勢。
在一些圖像引導的系統(tǒng)中，在治療期間，3D變換和DRR生成被實時地反復執(zhí)行。在例如由加利福尼亞州森尼維耳市的艾可瑞公司制造的 CYBERKNIFE⑧立體定向放射手術系統(tǒng)的其它系統(tǒng)中，在治療開始之前預計算對應于期望范圍的患者姿勢的一組DRR (在每次投射中)。治療中X射線圖像與DRR的每次比較生成相似性量度，或者等價地，生成差異量度(例如交叉關聯(lián)性、平均信息量、交互信息、梯度關聯(lián)性、模式強度、梯度差異、圖像強度梯度)，所述差異量度可以被用于搜索可以對
治療中x射線圖像生成具有更高相似性量度的DRR的3D變換(或者用于直接搜索上面所述的預計算的DRR)。當相似性量度被充分地最大化(或者等價地，差異量度被最小化)時，對應于DRR的3D變換可以被用于將治療計劃的3D坐標系統(tǒng)與治療輸送系統(tǒng)的3D坐標系統(tǒng)對準，從而使放射源和患者的相對位置符合治療計劃。在預計算的DRR的情況下，最大化相似性量度可以被用于計算兩個最近的DRR之間的微分3D變換。
圖像引導的放射治療系統(tǒng)提供用于治療很多種病理解剖體(病狀)的有效的和非侵入性的解決方案。然而，某些類型的病狀呈現特別困難的治療挑戰(zhàn)。這些類型的病狀可能包括位于諸如肺、肝臟、胰腺的相對大的器官中的相對小的腫瘤，其中腫瘤的密度非常接近于周圍健康組織的密度，并且很難使用標準成像技術(例如，x射線成像)對腫瘤進行可視化。通常，這些腫瘤的直徑大約15毫米或更小，但取決于腫瘤的類型和特定的器官，較大的腫瘤可能呈現相同或相似的問題。當腫瘤由于在治療期間患者的呼吸而運動時，這種挑戰(zhàn)特別困難，必須實時或接近實時地跟蹤腫瘤。
一種處理在放射治療期間的目標區(qū)域的運動的常規(guī)方法包括放置在目標區(qū)域中或目標區(qū)域附近的基準標記的圖像跟蹤?；鶞蕵擞浀奈恢煤瓦\動與目標區(qū)域的位置和運動相關聯(lián)，從而可以實現治療射束的位置的實時校正以跟隨目標區(qū)域的運動。這個方法具有這樣的缺點，即需要侵入性手術操作來放置基準標記。
常規(guī)的圖像引導的治療系統(tǒng)試圖使用DRR和治療中x射線圖像來將病狀置于相對大的觀察區(qū)域，以試圖最大化圖像信息。然而，在上面所討論的小的、難以辨別的和移動的病狀的情況下，常規(guī)的方法可能計算復雜并且很耗時、減慢治療系統(tǒng)的成像處理功能以及呈現出對于精確的腫瘤跟蹤來說輸出數據速率太低的問題。

通過示例而非限制的方式在附圖中示出了本發(fā)明，其中
圖1A是示出了本發(fā)明的實施方式被實施的治療計劃和治療輸送過程的
概況的流程圖IB是示出了在一個實施方式中的放射目標檢測的流程圖2示出了在一個實施方式中的圖像引導的機器人放射手術系統(tǒng)；
圖3A示出了在一個實施方式中的成像和治療輸送坐標系統(tǒng)；
圖3B-3E示出了在一個實施方式中的x射線圖像和DRR的2D-2D配準；
圖4是示出了在一個實施方式中的全局的患者對準的流程圖5A和5B示出了在一個實施方式中的脊柱分割和切除；
圖6A-6C示出了在一個實施方式中的腫瘤可視化和分割；
圖6D示出了在一個實施方式中的分割工具；
圖7示出了在一個實施方式中在治療計劃系統(tǒng)中的肺部腫瘤的分割；
圖8A和8B示出了在一個實施方式中的圍繞放射目標的感興趣的區(qū)域；
圖9示出了在一個實施方式中的多個ROI的生成；
圖10A示出了在一個實施方式中在圖8A的第一投射中的2D輪廓的肺部腫瘤和感興趣的區(qū)域；
圖10B示出了在圖10A的感興趣的體積的第一投射中的治療中x射線圖像中的搜索窗口；
圖10C示出了在一個實施方式中的作為搜索窗口內的感興趣的區(qū)域的位置的函數的相似性量度的值；
圖IOD示出了在一個實施方式中的多級匹配；圖11A禾n 11B示出了在一個實施方式中的對應于正確的腫瘤檢測的偏移關聯(lián)窗口；
圖12A和12B是示出了在一個實施方式中的用于正確的目標檢測的質量量度的圖表；
圖13A和13B是示出了在一個實施方式中的用于不正確的目標檢測的質量量度的圖表；
圖14A和14B示出了在一個實施方式中的對應于不正確的目標檢測的偏移關聯(lián)窗口；
圖15A和15B示出了在一個實施方式中的搜索窗口減少；
圖16是示出了在一個實施方式中的用于目標檢測的方法的流程圖；以
及
圖17是示出了可以實施本發(fā)明的實施方式的系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式
在以下描述中，提出了許多具體細節(jié)，例如具體的組件、裝置、方法等，以提供對本發(fā)明的實施方式的全面理解。然而，對于本領域技術人員來說顯然的是，這些具體細節(jié)不需要被應用來實施本發(fā)明的實施方式。在其它情況下，沒有詳細描述已知的材料或方法以避免不必要地模糊本發(fā)明的實施方式。在此使用的術語"x射線圖像"可以表示可視的x射線圖像(例如，顯示在顯示屏上)或者x射線圖像的數字表示(例如與x射線檢測器的像素輸出相對應的文件)。在此使用的術語"治療中x射線圖像"可以指在放射手術或者放射療法過程的治療輸送階段期間在任何點及時捕捉的圖像，所述治療輸送階段期間可以既包括放射源打開時的時期也包括放射源關閉時的時期。有時，為了便于說明，CT成像數據在此可以用作示例性的3D成像模態(tài)。可以理解的是，來自任何類型的3D成像模態(tài)的數據，例如CT數據、MRI數據、PET數據、3DRA數據等等，也可以在本發(fā)明的各種實施方式中使用。
除非在下面敘述中另外明顯指出，可以理解諸如"分割"、"生成"、"配準"、"確定"、"對準"、"定位"、"處理"、"計算"、"選擇"、"估計"、"跟蹤" 等等的術語可以指計算機系統(tǒng)或者類似電子計算裝置的行為和程序，所述類似電子計算裝置可以操作表示為在計算機系統(tǒng)的寄存器和存儲器內的物理 (例如電子)量的數據和把該數據轉換成以類似方式表示為在計算機系統(tǒng)存儲器或寄存器或者其它這樣的信息存儲、傳送或顯示裝置內的物理量的其它數據。在此描述的方法的實施方式使用計算機軟件被執(zhí)行。如果寫成符合公認標準的編程語言，被設計成執(zhí)行所述方法的指令序列可以被編譯以用于在各種硬件平臺上執(zhí)行和用于與各種操作系統(tǒng)接口。另外，本發(fā)明的實施方式沒有針對任何特定的編程語言被描述。應當理解，可以使用各種編程語言來實施本發(fā)明的實施方式。
描述了通過使用放射目標的直接配準以同步放射治療源與放射目標的運動來用于檢測和跟蹤具有在多達三個平移方向上的運動的移動放射目標的方法、設備和系統(tǒng)。本發(fā)明的實施方式使用預治療圖像增強技術(已知為
二維(2D)取輪廓)來定義圍繞放射目標(例如，肺部腫瘤)的輪廓的有限的感興趣的區(qū)域。這些感興趣的區(qū)域用與治療中x射線圖像中的有限大小的搜索窗口相匹配的有限大小的DRR中的區(qū)域表示，以定位放射目標。有限大小的DRR中的感興趣的區(qū)域和治療中x射線圖像中的搜索窗口可以減少圖像配準的計算任務并提高目標檢測的速度。減少的計算時間還可以釋放用于計算檢測質量量度的處理時間，所述檢測質量量度提供用于低對比度(low contrast)的目標的檢測的質量保證步驟。為了易于論述，可以針對諸如肺部腫瘤的特定類型的病理解剖體來描述本發(fā)明的實施方式。在可替換實施方式中，這里描述的技術可用于檢測和跟蹤在其它器官(例如，肝臟、胰腺等) 中的其它類型的病理解剖體。圖1A是示出了在一個實施方式中的治療計劃和治療輸送過程的概況的
流程圖，下面將更詳細地描述該實施方式。在圖1A中，治療計劃100起始
于從諸如CT掃描儀、MRI掃描儀等的3D成像系統(tǒng)獲取3D成像數據(操作IIO)。執(zhí)行3D成像數據的分割(操作120)以定義和識別放射目標、在治療期間要避開的關鍵結構、和/或諸如可在治療期間用于患者對準的脊柱或頭骨的骨結構的邊界。
下一個操作(操作130)是生成與在治療輸送期間使用的DRR的投射相對應的3D成像數據的2D投射中的放射目標的輪廓。二維取輪廓方法在本領域是公知的，并通常使用具有不同類型的空間算子的灰度邊緣檢測，所述空間算子例如Sobd算子和Frei-Chen算子。治療計劃(操作140)接著通過醫(yī)學物理師或其它臨床醫(yī)師來執(zhí)行以特定的均勻性和水平實現到達放射目標的指定放射劑量，同時保持到達健康組織和關鍵結構的放射劑量在指定水平以下。一旦在計劃中治療目標被實現，則在治療期間生成與期望的患者位置相對應的DRR組，并且治療計劃和DRR被保存(操作150)。在其它實施方式中，可以在放射治療期間實時生成DRR。在一個實施方式中，如果脊柱和/或其他骨結構會遮蔽或放射目標，那么可以從去除了這些結構的 3D成像數據生成DRR組以增加放射目標的可見性/對比度。這些結構的去除可以通過處理3D成像數據中的體素掩模來執(zhí)行，這在本領域是公知的。在一個實施方式中，可以從僅保留脊柱和可選地保留一些周圍組織、并去除運動假象(例如，呼吸假象)的3D成像數據中生成DRR組，這可用于增強如下所述的患者對準。
治療輸送過程200起始于治療系統(tǒng)中的全局的患者對準(預對準)(操作210)，接著是目標檢測(操作220)，目標運動與外部標記的關聯(lián)(操作 240)以及與治療計劃相一致的放射治療的輸送。如下所述，這些步驟在圖 1B中被詳述。全局的患者對準(操作210)可以使用大的感興趣的體積的DRR和X 射線圖像在包括三個平移和三個旋轉的六維中執(zhí)行，所述大的感興趣的體積可以包括用于全局對準的可識別的界標，例如基準標記和/或骨結構(例如，脊柱、頭骨)和/或模式強度變化?？商鎿Q地，可使用如上所述的那些增強的
DRR來執(zhí)行對準，所述增強的DRR包括分割的脊柱和其它數據。在不同的實施方式中，可以根據治療中成像系統(tǒng)的幾何結構通過匹配在1個投射、2 個投射、或3個或更多投射中的DRR和x射線圖像來執(zhí)行全局定位。
一旦實現了初始全局定位，則可以執(zhí)行放射目標檢測(操作220)。在一個實施方式中，如圖1B所示，目標檢測可以包括以下步驟，在后面會更詳細地描述
1. 在多個投射中定義圍繞放射目標的2D輪廓的多個感興趣的區(qū)域 (ROI)(操作221);
2. 捕獲包含放射目標的感興趣的體積的現場(live)(例如，治療中x 射線)圖像(操作222);
3. 選擇一個投射(操作223);
4. 在所選擇的投射中選擇ROI (操作224);
5. 執(zhí)行目標配準以定位放射目標(操作225);
6. 定義許多偏移關聯(lián)窗口，所述偏移關聯(lián)窗口從所選擇的ROI偏移(操作226);
7. 重復和關聯(lián)對于每個偏移關聯(lián)窗口的目標配準(操作227);
8. 根據偏移關聯(lián)結果計算質量量度(操作228);
9. 重復操作224-228直到在所選擇的投射中的所有ROI被測試(操作 229);
10. 重復操作223-229直到在所有投射中的所有ROI被測試(操作230);
11. 選擇具有最好的質量量度的ROI (操作231);12. 確定質量量度對于治療輸送是否足夠好(操作232)，以及如果質量量度足夠好，貝U:
13. 輸出用于治療輸送的所選擇的ROI的目標位置(操作233)。但是，如果質量量度不夠好，則確定目標跟蹤失敗(操作234)。
如果目標檢測成功，則之后治療輸送過程通過關聯(lián)目標的位置與患者上的外部標記(所述患者上的外部標記可以由獨立的光學跟蹤系統(tǒng)(例如，激光跟蹤系統(tǒng))進行可視化地跟蹤)并開始另一組現場圖像的捕獲而進行到操作240。操作220和240可以被重復進行，跟蹤放射目標直到形成在外部標記的移動與放射目標的被檢測的位置之間的關聯(lián)模型。操作220和240還可以被重復進行以更新關聯(lián)模型。
圖2示出了可用于實施本發(fā)明的實施方式的圖像引導的、基于機器人的放射治療系統(tǒng)200的配置，例如由加利福尼亞州森尼維耳市的艾可瑞公司制造的CYBERKNIFE⑧立體定向放射手術系統(tǒng)。在圖2中，放射治療源是安裝在機器人臂202的末端的線性加速器(LINAC) 201，所述機器人臂202具有多個(例如，5個或更多個)自由度從而定位LINAC201以利用從各個角度輸送的射束在許多平面上在圍繞患者的操作體積中照射病理解剖體(目標區(qū)域或者體積)。治療可以包括具有單個等中心、多個等中心或具有非等中心方式的射束路徑。
圖2的治療輸送系統(tǒng)包括治療中成像系統(tǒng)，所述治療中成像系統(tǒng)可以包括x射線源203A和203B以及x射線檢測器(成像器)204A和204B。兩個 x射線源203A和203B可以安裝在操作室的天花板上的固定位置并且可以被對準以從兩個不同的角度位置(例如，分開90度)投射成像x射線射束來在機器等中心205處(其在治療期間提供用于定位治療床206上的患者的參考點)相交以及在穿過患者后照亮各自的檢測器204A和204B的成像平面。在其它實施方式中，系統(tǒng)200可以包括多于或者少于兩個的x射線源以及多于或者少于兩個的檢測器，并且任意一個檢測器是可移動的而不是固定的和 /或安裝在地面水平面以下。在另外的實施方式中，X射線源和檢測器的位置可以互換。
治療計劃
如上所述，在獲取3D成像數據之后在治療計劃100中的第一步驟是分割(操作120)。醫(yī)學圖像分割是將3D醫(yī)學圖像(例如CT、 MRI、 PET或 3DRA圖像)劃分成區(qū)域的過程，所述區(qū)域關于一個或多個特性或特征(例如，組織類型、密度)是均勻的。在放射治療系統(tǒng)(包括基于框架的放射治療系統(tǒng)和圖像引導的放射治療系統(tǒng))中，分割是治療計劃中的一個步驟，其中目標病理解剖體(例如，腫瘤或病灶)和關鍵解剖結構(例如，脊椎(spinal chord))的邊界或體積被定義并映射到治療計劃。對于在病理解剖體的治療期間獲得放射劑量的高度適形性和均勻性的同時使健康組織免于不必要的放射來說分割的精度是很關鍵的。
如上所述，分割可用于操作3D圖像數據來去除不想要的特征或假象以用于改善圖像配準。圖5A和5B示出了一個示例。圖5A示出了從未修改的 3D圖像文件中生成的在一個投射中的DRR。相反，圖5B示出了從脊柱分割和消除非脊柱的特征之后的相同的3D圖像文件中生成的DRR。在特定實施方式中，這種類型的DRR可用于增強在治療系統(tǒng)內的患者的初始全局對準(例如，當沒有使用基準標記時)。
圖6A和6B示出了分割的不同使用。圖6A示出了來自未修改的3D掃描數據的DRR，其中，脊柱607的特征與肺部腫瘤608的邊界重疊，使得很難定義腫瘤輪廓。在圖6B中，脊柱被分割并從3D掃描數據中刪除以產生具有更直觀的腫瘤的DRR。圖6C示出了腫瘤也被如何分割以用于2D輪廓生成，如下所述。
可以通過分割工具而使上述過程自動化，所述分割工具例如在可從加利福尼亞州森尼維耳市的艾可瑞公司得到的MultiPlanTM (多計劃TM)治療計劃系統(tǒng)中提供的工具。分割工具可用于操作患者的醫(yī)學圖像(例如，CT或諸如MRI、 PET等的其它圖像體積)。可替換地，可以使用其它工具。
圖6D是示出了分割工具如何允許用戶從醫(yī)學圖像的三個切割平面同時描繪感興趣的體積中的脊柱的屏幕截圖600，所述三個切割平面即軸平面 601、矢狀面602和冠狀面603。
在軸平面601上，顯示了二維輪廓。當被用戶定義時，所述輪廓可以是實線輪廓，或者所述輪廓可以是被計算機從鄰近輪廓內插的虛線輪廓。用戶可以通過調整輪廓大小、對輪廓縮放或者移動輪廓而修改輪廓。
在矢狀面602和冠狀面603上，感興趣的脊柱體積的所投射的側面輪廓 605被顯示。所有用戶定義的輪廓(例如輪廓604)的中心被連接成脊柱606 的中心軸。用戶可以通過移動或者拖拽輪廓的中心來移動、添加或去除輪廓。當輪廓的中心在矢狀面或者冠狀面上被移動時，在軸向圖像切片上定義的實際輪廓被相應移動。當用戶選擇相鄰的軸向輪廓的兩個中心點之間的任意點時，新輪廓在該位置被添加，輪廓被自動設置成內插到兩個相鄰的軸輪廓中。當用戶在兩個相鄰輪廓的區(qū)域外或者圖像邊界外拖拽和放下輪廓的中心點時，輪廓從感興趣的體積中被去除。一旦脊柱以幾何格式被描繪和存儲，脊柱被轉換成體積格式而成為僅包含與脊柱相關的體素的三維圖像體積。
在特定實施方式中的治療計劃中的下一個步驟是基于目標分割生成放射目標的2D輪廓(操作130)。圖7是示出了在前述軸平面、矢狀面和冠狀面中的肺部腫瘤701的CT圖像的屏幕截圖700 (在肺部腫瘤的情況下，當腫瘤的x射線密度非常接近于周圍組織的x射線密度時，MRI或其它非x射線成像模態(tài)可以與CT數據結合使用以使腫瘤可見)。上面關于脊柱分割所述的相同的取輪廓工具可用于分割3D圖像中的腫瘤，并對自動2D輪廓生成過程提供數據輸入，所述自動2D輪廓生成過程可用于在治療輸送期間在DRR上創(chuàng)建和疊加2D腫瘤輪廓。用于自動生成2D輪廓的方法(例如，自動邊緣檢測)在本領域是公知的，并例如在Delp & Chu在1983年發(fā)表的Edge Detection Using Contour Tracing, 47 (Center for Robotics and Integrated Manufacturing (機器人技術及集成制造中心))中被描述。
治療計劃過程終止于實際的治療計劃的形成、生成DRR并保存(例如，數字地)該計劃、DRR和2D目標輪廓以用于治療輸送的后續(xù)使用(操作140 和150)。操作140和150的細節(jié)在本領域是公知的，因此沒有詳細描述。
治療輸送
全局對準
如上所述，在治療輸送中的第一步驟是在治療輸送系統(tǒng)內的全局的患者對準(操作210)。為了幫助理解后面的全局對準(預對準)和目標檢測的描述，圖3A示出了治療輸送系統(tǒng)(例如治療輸送系統(tǒng)200)的3D坐標系統(tǒng)、治療中成像系統(tǒng)(例如在治療輸送系統(tǒng)200中的治療中成像系統(tǒng))的2D坐標系統(tǒng)和3D圖像(例如，CT、 MRI、 PET等)的3D坐標系統(tǒng)之間的關系。在圖3A中，坐標系統(tǒng)xyz (其中x垂直于并指向圖3A的平面)與預治療圖像的3D坐標相關，坐標系統(tǒng)x'y'z'(其中x'垂直于并指向圖3A的平面)與治療輸送系統(tǒng)相關，以及投射A和B與治療中成像系統(tǒng)相關，在所述治療中成像系統(tǒng)中Sa和Sb表示x射線源(諸如x射線源103A和103B)以及 Oa和OB是x射線檢測器(諸如x射線檢測器104A和104B)的成像平面的中心。在圖2中，投射A和投射B是分別從方向OASA和OBSB觀察的。這兩個2D圖像投射與DRR比較以實現圖像配準和對準，用于全局患者定位和用于這里描述的放射目標跟蹤的實施方式。
3D變換可以由圖3A中所示的從坐標系統(tǒng)xyz到坐標系統(tǒng)x，y，z，的三個平移(Ax,4y,Az)和三個旋轉(A《，A^,A《)定義。兩個3D坐標系統(tǒng)之間的3D
剛性變換(rigidtransformation)可以從基礎三角學獲得，如下<formula>formula see original document page 23</formula>
在投射A的2D坐標系統(tǒng)(x力少》中，3D剛性變換可以被分解成平面內變換(A^,A^，A^)和兩個平面外旋轉(A^,A^.)。相似地，在投射B的
2D坐標系統(tǒng)o^;;》中，分解包括平面內變換i;A^，A^，AA;)和兩個平面外
旋轉(A(^,A《.)。圖3B到3E示出了這里所述的平面內變換和平面外旋轉，
其中2D x射線圖像由平面301表示，以及2D DDR由平面302表示。注意到兩個投射的使用過于約束(over-constrain) 3D剛性變換的6個參數的解，等式(1)的3D剛性變換可以被簡化。投射A中的平移^是與投射B中的 ^相同的參數，并且投射A中的平面外旋轉&與投射B中的&相同。如果
和"，分別是投射A和投射B的幾何放大因子(例如與放射源到患者 (source-to-patient)和患者到探測器(patient-detector)的距離相關的尺度因子)，則坐標系統(tǒng)(x'y'z')和2D坐標系統(tǒng)之間的平移具有下面的關系
Ax =(aBArs - ArJ/2, 4y、a無，Az'="無. (2) 對于投射A，給出一組對應于兩個平面外旋轉(A《^,A^)的不同結合的
DRR，使用相似性量度，2D平面內變換(A^,A^,A^)可以由2D到2D圖像比較而估計出，并且兩個平面外旋轉"《^,A^j可以通過將x射線圖像與這組DRR圖像進行匹配而計算出，如下所述。相似地，可以使用相同的過程來解決投射B的2D平面內變換(Ax^4ys，A(^)和平面外旋轉 (A《fl,A《.)。如下所述，所述平面內變換和平面外旋轉可以通過在x射線
圖像與這組DRR圖像之間進行配準來獲得，這對于投射A和投射B來說是獨立的。當識別出具有匹配的平面外旋轉的DRR圖像時，所述平面內旋轉和平面外旋轉具有下面的關系M,AA, A《.,. (3) 如果平面外旋轉0 .在投射A的參考DRR圖像組中被忽略，那么當
V 少
很小的時候(例如小于5° )，平面內變換可以被AO^，A力，A^)近似地描述。一旦作出這樣的簡化假設，并給出對應于各種平面外旋轉A/^的參考 DRR圖像組，可以通過本領域已知的一個或多個搜索方法來找到平面內變換(A^，A^，A^)和平面外旋轉A^ 。這些方法通常使用相似性量度的計
算，隨后通過梯度搜索算法的應用來最大化治療中x射線圖像與所選擇的 DRR之間的相似性。相似性量度的示例包括(但不限于)標準化的橫截面、差異圖像的平均信息量、交互信息、梯度相關性、模式強度和梯度差異?？?以對投射B作出相應的簡化。
給出投射A中的結果(A^，A凡，A^，A^)和投射B中的結果
(A^，Ay,，AA,A^J，在3D圖像坐標系統(tǒng)中的3D剛性變換的近似可以使用下面的表達式獲得
Ax = (- a A + asAxs )/2, Ay = (a九-aBAy J/ V^,
A《=(AK)/2, A & )/我
(4)
因此，需要將治療輸送系統(tǒng)中的患者的3D坐標系統(tǒng)與3D治療計劃的坐標系統(tǒng)對準的3D變換完全可以通過兩組四個參數(Ax, ， Aj,， △ &, A《」和
(A^，A^，A^，A6j來定義。
全局對準的過程(操作210)在圖4中示意性地示出。該過程起始于獲取治療中x射線圖像(操作401)。在操作402中，如上所述，x射線圖像與 DRR組進行比較和配準，所述DRR組從3D掃描數據中創(chuàng)建并從治療計劃系統(tǒng)中輸入。配準的結果是2組2D變換參數，所述2組2D變換參數用在操作403中以計算在操作404中所需要的3D變換來使得患者對準。
全局對準過程的一個結果是在后續(xù)的目標檢測的操作(操作220)中，搜索限于在每個投射中的2個平面內平移(x， y)，因為6D全局對準過程消除了平面內和平面外旋轉誤差。應當理解，上面描述的幾何變換可以通過計算用于每對成像投射的變換來被應用到具有多于2個成像投射(例如3個或更多)的成像系統(tǒng)。
目標檢測
再次參考圖1B，目標檢測(操作220)起始于操作221，即對應于治療中成像系統(tǒng)的多個投射中的多個感興趣的區(qū)域(ROI)的定義，所述ROI圍繞治療計劃期間創(chuàng)建的放射目標的2D輪廓。對于肺部腫瘤的示例性的情況，該過程在圖8A、 8B和9中示出。圖8A和8B分別示出了在兩個投射(例如，投射A和B)中的DRR800A和800B，該DRR 800A和800B被選擇用于在上面所述的全局患者對準后的直接目標配準。在示出的示例中，DRR已經從3D圖像數據中被合成，并且去除脊柱以增強腫瘤的對比度。在圖8A中， 2D腫瘤輪廓801A已經被疊加在DRR 800A上，并且在投射A中的初始ROI 802A已經圍繞腫瘤輪廓801A被生成。相似地，在圖8B中，2D腫瘤輪廓已經被疊加在DRR 800B上，并且在投射B中的初始ROI 802B已經圍繞腫瘤輪廓801B被生成。這些初始ROI可以被選擇以很接近地符合它們各自的 DRR的在水平和垂直尺寸上的腫瘤輪廓的尺寸，使得ROI包括腫瘤輪廓和腫瘤輪廓外的一些組織。
在定義初始ROI之后，可以定義包括比初始ROI更多面積和比初始ROI 更少面積的另外的ROI，以提供用于更好的腫瘤檢測的機會。例如，如果腫瘤的邊界沒有被正常定義(ill-defmed)，和/或難以使用任何普通3D成像技術來成像，則在治療計劃階段生成的腫瘤的2D輪廓可能包括多于或少于所有腫瘤的部分。結果，不同大小的ROI可以產生更好的腫瘤檢測和/或治療。
這些不同大小的ROI在圖9中示出，其中，除了基于輪廓的ROI 802之外，還定義了較大的ROI 803和較小的ROI 804。在其它實施方式中，根據臨床醫(yī)師的判斷可以使用大于或小于3個的R01。在一個實施方式中，根據腫瘤的大小，ROI之間的步長可以從大約1 mm到大約5 mm之間變化。然而，可以根據臨床醫(yī)師的判斷選擇任何步長。
在目標檢測的下一個步驟中，即操作222，在治療中成像系統(tǒng)的多個投射中捕獲患者的現場圖像。在操作223中，選擇投射中的一個。在操作224 中，選擇ROI中的一個來用于目標檢測。在操作225中，通過將所選擇的 ROI (包含目標的DRR圖像)疊加在相應的治療中x射線圖像(反映了如上所述的患者的全局地預對準)上并執(zhí)行在治療中x射線圖像中的搜索窗口內的搜索來執(zhí)行目標配準以檢測目標位置。在一個實施方式中，搜索算法可以與用于全局對準的搜索算法相同(例如，計算相似性量度和梯度搜索以最大化相似性)，但約束于搜索窗口的面積。在其它實施方式中，搜索可以是在搜索窗口內的用于最大化相似性量度的確定性的搜索(例如，光柵搜索)。另夕卜，搜索可以使用如下所述的多級匹配以加快配準過程。圖10A-10C示出了該過程。
圖10A是顯示了 2D輪廓801A和感興趣的區(qū)域802A的圖8A的被分割的DRR 800A的再現(reproduction)。圖10B示出了具有搜索窗口 803A的在投射A中的相應的治療中x射線圖像810A。在一個實施方式中，搜索窗口 803A的面積可以被選擇為在感興趣的區(qū)域802A的面積的2到4倍的范圍內。在其它實施方式中，搜索窗口的面積可以由臨床醫(yī)師基于經驗和/或臨床數據而確定為更大或更小。
可以通過疊加治療中x射線圖像810A的搜索窗口 803A中的感興趣的區(qū)域802A、移動搜索窗口 803A中的感興趣的區(qū)域802A (如由圖10B中的搜索窗口 803A中的感興趣的區(qū)域802A的幾個示例位置所示的)并搜索使感興趣的區(qū)域802A和與感興趣的區(qū)域802A疊加的搜索窗口 803A的部分之間的相似性量度最大化的位置來執(zhí)行目標檢測。如圖IOC所示，感興趣的區(qū) 域在搜索窗口內的移動描述了相似性量度表面804A，當感興趣的區(qū)域802A 與治療中x射線圖像中的腫瘤完全對準時，所述相似性量度表面804A具有最大值805A。可以使用多級搜索來減少搜索將困于相似性表面804A的局部最大化而沒找到搜索窗口中的全局最大化的可能性。如圖IOD所示，示例性的多級搜索開始于低分辨率的搜索級別809，并進行到較高的分辨率級別 808、 807和806。在最低的分辨率級別809，所選擇的ROI和搜索窗口的尺寸通過子采樣而被減少一個尺度因子。當相似性量度在最低分辨率被最大化時，結果被傳送到下一個較高的分辨率級別，在較高的分辨率級別中相似性量度被再次最大化等等，直到相似性量度在最高的分辨率級別被最大化。圖 10D示出了具有4個分辨率級別的一個實施方式，其中在每個連續(xù)的級別，分辨率被加倍。其它實施方式可以使用多于或少于4個的級別以及在每個級別使用不同的分辨率因子。
一旦相似性量度被最大化，可以確定質量量度。在操作226中，第一組偏移關聯(lián)窗口圍繞目標的額定位置被定義，所述目標的額定位置由操作225 中的前述搜索算法來確定。每個偏移關聯(lián)窗口偏離額定目標位置不同的量，使得每個偏移關聯(lián)窗口包含目標和周圍組織的不同部分。在操作227中，每個偏移關聯(lián)窗口在治療中x射線圖像中被配準(例如，如在操中一樣)以找到在相應的治療中x射線圖像中的偏移關聯(lián)窗口的第二個匹配組。圖IIA示出了在DRR 800A中定義的第一組偏移關聯(lián)窗口 815A。在圖11B中，同一組偏移關聯(lián)窗口 815A被疊加在治療中x射線圖像810A中。
如果在操作225中的初始目標檢測是正確的，則在治療中x射線圖像中的匹配的偏移關聯(lián)窗口組將匹配具有小的移動或沒有移動的第一組偏移關聯(lián)窗口的位置。SP，當實現了最好的匹配時，每個匹配的偏移關聯(lián)窗口的最終位置將接近第一組偏移關聯(lián)窗口的初始位置。相反，如果初始目標檢測是不正確的，則當實現了最好的匹配時，匹配的偏移關聯(lián)窗口的最終位置可能明顯不同于第一組偏移關聯(lián)窗口的初始位置。
初始位置與最終位置之間的差異可以被特征化為第一組偏移關聯(lián)窗口
與匹配的偏移關聯(lián)窗口組之間的在治療中x射線圖像的x和y坐標中的位移。然后，在操作228中，對于25個不同的偏移關聯(lián)窗口的示例，質量量度例如被計算為x和y方向上的平均位移，如圖12A和12B所示。在圖12A和 12B中，偏移關聯(lián)窗口的位移落入具有近似等于O的平均值的范圍內。在實踐中，基于臨床醫(yī)師的經驗和/或臨床數據來選擇使用的偏移關聯(lián)窗口的數量和每個窗口的位移。在其它實施方式中，可以使用不同的質量量度(例如，絕對(absolute)或平方距離的和)。
通過圖13A和13B的圖表示出了錯誤的或不適當的腫瘤檢測，其中偏移關聯(lián)窗口的x和y位移是非常(highly)可變和不規(guī)則的。這個結果在圖 14A和14B中示出，其中偏移關聯(lián)窗口 816A、 817A和818A的最終位置明顯不同于在DRR 800A和治療中x射線圖像810A中的它們的初始位置。
在確定了所選擇投射中的所選擇的ROI的質量量度之后，過程在操作 229中詢問是否在所選擇投射中的所有的ROI都被測試了，以及如果沒有，則重復操作224-228。如果在所選擇投射中的所有ROI都被測試了，則過程在操作230中詢問是否所有投射都被測試了。如果沒有則重復進行操作 223-229直到所有投射被測試。
通常，治療中x射線圖像的質量在感興趣的體積的每個投射中不相同，因為x射線穿越具有不同的解剖結構的不同路徑。結果，由上述質量量度確定的在每個投射中的腫瘤檢測的質量在一個投射中可能更高。因此，操作227 和228可以包括另外的步驟。在一個實施方式中，在一個投射中的高質量的目標檢測可用于通過約束在其它投射中的搜索窗口來改善在另一個投射中的目標檢測。圖15A示出了在感興趣的體積的第一投射中的治療中X射線圖
像850A，其中，腫瘤851A位于搜索窗口 852A內，所述搜索窗口 852A具有由上述偏移關聯(lián)質量量度確定的正確的腫瘤檢測。結果，腫瘤851A的x 和y坐標被很好地定義。圖15B示出了在第二投射中的感興趣的體積的治療中x射線，其中假設初始搜索不正確地檢測了腫瘤851B (在第二投射中的腫瘤851A的投射)并產生了低的質量量度。因為圖像850A和850B共享相同的x軸(見圖3A和上面的論述)，腫瘤851B的x坐標由腫瘤851A的x 坐標定義，并且被約束的搜索窗口 852B可以在圖像850B中被定義，用于限制在圖像850B的x軸中的搜索并允許最優(yōu)化在圖像850B的y軸的搜索。
在特定實施方式中，在不同投射中的操作可以并行執(zhí)行。圖16是示出了用于目標檢測的方法500的一個實施方式的流程圖。在操作501中，一個或多個ROI在對應于患者的全局預對準的投射中的DRR中生成(即操作 210)，其中每個ROI關于放射目標的2D輪廓被定義。在操作502中，將在 DRR中的ROI與治療輸送系統(tǒng)的每個投射中的相應的治療中x射線圖像相匹配。操作502包括操作503和504。
在操作503中，根據搜索算法在每個投射中的治療中x射線圖像中的搜索窗口內移動ROI以最大化相似性量度。在操作504中，確定用于在每個投射中的目標檢測的質量量度。操作504包括操作505到509。操作505生成在所選擇的DRR中的第一組偏移關聯(lián)窗口。在操作506中，第一組偏移關聯(lián)窗口在相應的治療中x射線圖像中被配準以找到在相應的治療中x射線圖像中的與第一組偏移關聯(lián)窗口相匹配的第二組偏移關聯(lián)窗口，使得第一和第二組偏移關聯(lián)窗口形成偏移關聯(lián)窗口的匹配對。操作507確定來自第一組偏移關聯(lián)窗口和第二組偏移關聯(lián)窗口的偏移關聯(lián)窗口的匹配對之間的位移。操作508為VOI的每個投射中的腫瘤檢測分配質量量度。方法繼續(xù)到操作509，選擇在第一投射中具有最高質量量度的ROI以限
制在第二投射中的搜索窗口。接著，操作510在第二投射中的有限的搜索窗口內搜索以最大化在第二投射中的腫瘤檢測的質量。在操作511中，選擇在每個投射中的下一個ROI并且方法在操作501處重復。
在一個實施方式中，方法包括分割和從感興趣的體積(VOI)的3D 成像數據中去除骨結構，以使從3D成像數據中生成的DRR中的放射目標可見；將DRR與治療中x射線圖像匹配；選擇包括放射目標的2D輪廓的DRR 中的感興趣的區(qū)域；以及在匹配的治療中x射線圖像中的搜索窗口內搜索以將ROI與在匹配的治療中x射線圖像中的相應的ROI相匹配。
圖17示出了系統(tǒng)1300的一個實施方式，所述系統(tǒng)1300可用于執(zhí)行實施本發(fā)明的實施方式中的放射治療。如下所述以及如圖17所示，系統(tǒng)1300 可以包括診斷成像系統(tǒng)1000、治療計劃系統(tǒng)2000以及治療輸送系統(tǒng)3000。
診斷成像系統(tǒng)1000可以是能夠產生患者的醫(yī)學診斷圖像的任何系統(tǒng)，所述醫(yī)學診斷圖像可以被用于隨后的醫(yī)學診斷、治療計劃和/或治療輸送。例如，診斷成像系統(tǒng)1000可以是計算斷層掃描(CT)系統(tǒng)、磁共振成像(MRI) 系統(tǒng)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)等等。為了便于討論，有時關于CT成像模態(tài)來討論診斷成像系統(tǒng)IOOO。然而，諸如上面所述的那些成像模態(tài)的其它的成像模態(tài)也可以被使用。
診斷成像系統(tǒng)1000包括成像源1010，用來產生成像射束(例如，x 射線、超聲波、無線電頻率波等)；和成像檢測器1020，用來檢測和接收由成像源IOIO產生的射束，或者由來自成像源的射束激發(fā)的次級射束或發(fā)射 (例如，在MRI或PET掃描中)。在一個實施例中，診斷成像系統(tǒng)1000可包括兩個或更多診斷x射線源和兩個或更多相應的成像檢測器。例如，兩個 x射線源可布置在要被成像的患者周圍，以彼此成角度(例如，90度、45 度等)的方式被固定，并且穿過患者對準成像檢測器，該成像檢測器可沿直徑方向與X射線源相對。也可使用單個大的成像檢測器或多個成像檢測器，這些檢測器將由每個X射線成像源照亮?？商鎿Q地，可使用其它數量和配置的成像源和成像檢測器。
成像源1010和成像檢測器1020可以耦合到數字處理系統(tǒng)1030以控制成像操作和處理圖像數據。診斷成像系統(tǒng)1000包括總線或其它裝置1035，用來在數字處理系統(tǒng)1030、成像源1010和成像檢測器1020之間傳送數據和命令。數字處理系統(tǒng)1030可包括一個或多個通用處理器(例如微處理器)，諸如數字信號處理器(DSP)的專用處理器，或諸如控制器或現場可編程門陣列(FPGA)的其它類型的裝置。數字處理系統(tǒng)1030也可包括其它組件(未示出)，例如存儲器、存儲裝置、網絡適配器等。數字處理系統(tǒng)1030可配置成以標準的格式產生數字診斷圖像，例如以DICOM (醫(yī)學中的數字成像和通信)格式。在其它實施方式中，數字處理系統(tǒng)1030可生成其它標準或非標準數字圖像格式。數字處理系統(tǒng)1030可在數據鏈路1500上傳輸診斷圖像文件(例如前述DICOM格式的文件)到治療計劃系統(tǒng)2000，該數據鏈路 1500可以是例如直接鏈路、局域網(LAN)鏈路或諸如因特網的廣域網 (WAN)鏈路。此外，在系統(tǒng)之間被傳送的信息可以進(pull)出(push) 連接系統(tǒng)的通信介質，例如在遠程診斷或治療計劃配置中。在遠程診斷或治療計劃中，用戶可將本發(fā)明的實施方式來用于診斷或治療計劃，盡管在系統(tǒng) 用戶與患者之間存在物理間隔。
治療計劃系統(tǒng)2000包括處理裝置2010以接收和處理圖像數據。處理裝置2010可以表示一個或者多個通用處理器(例如微處理器)、諸如數字信號處理器(DSP)的專用處理器、或諸如控制器或者現場可編程門陣列(FPGA) 的其它類型的裝置。處理裝置2010可以被配置成執(zhí)行用于進行這里所述的治療計劃和/或圖像處理操作的指令，例如這里所述的脊柱分割工具。
治療計劃系統(tǒng)2000也可以包括通過總線2055耦合到處理裝置2010的系統(tǒng)存儲器2020，以用于存儲要被處理裝置2010執(zhí)行的信息和指令，所述
系統(tǒng)存儲器2020可以包括隨機存取存儲器(RAM)或者其它動態(tài)存儲裝置。系統(tǒng)存儲器2020也可以被用于在處理裝置2010執(zhí)行指令期間存儲臨時變量或者其它中間信息。系統(tǒng)存儲器2020也可以包括只讀存儲器(ROM)禾口/ 或其它耦合到總線2055的靜態(tài)存儲裝置以用于存儲處理裝置2010的靜態(tài)信息和指令。
治療計劃系統(tǒng)2000也可以包括存儲裝置2030，該存儲裝置2030表示耦合到總線2055以用于存儲信息和指令的一個或多個存儲裝置(例如磁盤驅動器或者光盤驅動器)。存儲裝置2030可以被用于存儲指令，以用于執(zhí)行這里討論的治療計劃步驟和/或用于存儲這里討論的3D成像數據和DRR。
處理裝置2010也可以被耦合到顯示裝置2040以用于將信息(例如VOI 的2D或3D表示)顯示給用戶，所述顯示裝置2040諸如陰極射線管(CRT) 或液晶顯示器(LCD)。諸如鍵盤的輸入裝置2050可以被耦合到處理裝置 2010以用于將信息和/或命令選擇傳送到處理裝置2010。一個或多個其它的用戶輸入裝置(例如鼠標、跟蹤球或光標方向鍵)也可以被用于傳送方向信息，從而選擇處理裝置2010的命令和控制顯示器2040上的光標移動。
可以理解的是，治療計劃系統(tǒng)2000只表示治療計劃系統(tǒng)的一個示例，該治療計劃系統(tǒng)可以具有不同的配置和機構，其可以包括比治療計劃系統(tǒng) 2000更多或者更少的組件以及可以用于本發(fā)明。例如，一些系統(tǒng)通常具有多個總線，例如外圍總線、專用緩存總線等。治療計劃系統(tǒng)2000也可以包括 MIRIT (醫(yī)學圖像查看和導入工具)以支持DICOM導入(所以圖像可以被融合并且目標在不同的系統(tǒng)上被描繪以及然后被導入到治療計劃系統(tǒng)中以用于計劃和劑量計算)、允許用戶進行治療計劃的擴展的圖像融合能力以及觀察在各種成像模態(tài)(例如MRI、 CT、 PET等)中的任何一種上的劑量分配。治療計劃系統(tǒng)在本領域是公知的，因此不做詳細討論。治療計劃系統(tǒng)2000可以與諸如治療輸送系統(tǒng)3000的治療輸送系統(tǒng)共享其數據庫(例如存儲在存儲裝置2030中的數據)，從而在治療輸送之前不需要從治療計劃系統(tǒng)中導出。治療計劃系統(tǒng)2000可以通過數據鏈路2500被鏈接到治療輸送系統(tǒng)3000，所述數據鏈路2500可以是上面關于數據鏈路1500 所述的直接鏈路、LAN鏈路或者WAN鏈路。應該注意的是，當數據鏈路 1500和2500被實施為LAN或WAN連接時，斷成像系統(tǒng)1000、治療計劃系統(tǒng)2000和/或治療輸送系統(tǒng)3000中的任何一個可以位于分散的位置從而使得系統(tǒng)可以在物理上相互遠離?？商鎿Q地，診斷成像系統(tǒng)1000、治療計劃系統(tǒng)2000和/或治療輸送系統(tǒng)3000中的任何一個可以在一個或者多個系統(tǒng)中相互集成。
治療輸送系統(tǒng)3000包括療法和/或手術放射源3010，以根據治療計劃給予目標體積規(guī)定的放射劑量。治療輸送系統(tǒng)3000也可以包括成像系統(tǒng)3020 以捕獲用于上述與診斷圖像配準或關聯(lián)的患者體積(包括目標體積)的治療內圖像從而關于放射源定位患者。成像系統(tǒng)3020可以包括上述成像系統(tǒng)中的任何一個。治療輸送系統(tǒng)3000也可以包括數字處理系統(tǒng)3030以控制放射源3010、成像系統(tǒng)3020和諸如治療床3040的患者支撐裝置。數字處理系統(tǒng) 3030可以被配置成根據兩個或者多個立體投射，利用在診斷成像系統(tǒng)1000 中由數字處理系統(tǒng)1030生成的數字重建放射照片(例如來自分割的3D成像數據的DRR)和/或在治療計劃系統(tǒng)2000中由處理裝置2010生成的DRR，來配準來自成像系統(tǒng)3020的2D放射照片圖像。數字處理系統(tǒng)3030可以包括一個或者多個通用處理器(例如微處理器)、諸如數字信號處理器(DSP) 的專用處理器、或諸如控制器或者現場可編程門陣列(FPGA)的其它類型的裝置。數字處理系統(tǒng)3030也可以包括諸如存儲器、存儲裝置、網絡適配器等等的其它組件(未示出)。數字處理系統(tǒng)3030可以通過總線3045或其它類型的控制和通信接口耦合到放射源3010、成像系統(tǒng)3020以及治療床3040。
數字處理系統(tǒng)3030可以實施方法(例如上面所述的方法1200)以將從成像系統(tǒng)3020獲得的圖像與預操作治療計劃圖像配準，從而將患者在治療輸送系統(tǒng)3000內的治療床3040上對準，以及從而精確地關于目標體積定位放射源。
治療床3040可以耦合到具有多個(例如5個或者更多)自由度的另一個機器人臂(未示出)。床臂可以具有5個旋轉自由度和一個基本垂直的線性自由度?？商鎿Q地，床臂可以具有6個旋轉自由度和一個基本垂直的線性自由度或者至少4個旋轉自由度。床臂可以被垂直安裝到柱或者壁上，或者水平安裝到基座、地板或者天花板上?？商鎿Q地，治療床3040可以是另一個機械機構的組件，例如由加利福尼亞州的艾可瑞公司開發(fā)的Axum (阿克蘇姆⑧)治療床，或者是本領域的普通技術人員所公知的另外類型的常規(guī)
治療臺o
可替換地，治療輸送系統(tǒng)3000可以是另一類型的治療輸送系統(tǒng)，例如，基于機架的(等中心的)強度可調制的放射療法(IMRT)系統(tǒng)。在基于機架的系統(tǒng)中，放射源(例如，LINAC)以此種方式安裝在機架上，即所述放射源在對應于患者的軸向切片的平面中旋轉。然后，放射在旋轉的圓形平面上從多個位置被輸送。在IMRT中，放射射束的形狀由多葉式準直器來定義，所述多葉式準直器允許部分射束被封鎖，從而入射到患者上的剩余射束具有預定義的形狀。結果的系統(tǒng)生成任意成形的放射射束，該放射射束在等中心互相相交以將劑量分配輸送到目標區(qū)域。在IMRT計劃中，最優(yōu)化算法選擇主要射束的子集，并確定患者應該被每個子集照射的時間量，從而最好地滿足指定的劑量約束條件。在一個特定實施方式中，基于機架的系統(tǒng)可以具有裝有萬向接頭的放射源頭部件。
應當注意，這里描述的方法和設備不限于僅用于醫(yī)學診斷成像和治療。在替代實施例中，這里的方法和設備可用于醫(yī)學技術領域之外的應用，例如工業(yè)成像和材料的非破壞性測試(例如，汽車工業(yè)中的電機組、航空工業(yè)中的飛機機身、建筑業(yè)中的焊接和石油工業(yè)中的鉆孔巖心)以及地震勘測。在這樣的應用中，例如，"治療"可廣泛地指由治療計劃系統(tǒng)控制的操作的實現，例如射束(例如，放射的、聲學的等等)的應用，以及"目標"可以指非解剖對象或區(qū)域。
本發(fā)明的實施方式包括這里描述的各種操作。這些操作可以通過硬件組件、軟件、固件或它們的組合來執(zhí)行。這里描述的在各種總線上提供的任何信號可以與其它信號時分復用并在一個或多個公共總線上提供。另外，電路組件或塊之間的互連可以被顯示為總線或單獨的信號線。每個總線可以可替換地為一個或多個單獨的信號線，以及每個單獨的信號線可以可替換地為總線。
一些實施方式可被實施作為計算機程序產品，該計算機程序產品可包括存儲在機器可讀介質上的指令。這些指令被用于給通用或專用處理器編程來執(zhí)行所描述的操作。機器可讀介質包括用于以機器(例如，計算機)可讀形式(例如，軟件、處理應用)存儲或傳輸信息的任何機構。機器可讀介質可
包括但不限于磁存儲介質(例如，軟盤)，光存儲介質(例如，CD-ROM)，磁光存儲介質，只讀存儲器(ROM)，隨機存取存儲器(RAM)，可擦可編程存儲器(例如，EPROM和EEPROM)，閃存，電的、光的、聲的或其它形式的傳播信號(例如，載波、紅外信號、數字信號等)，或其它類型的適合存儲電子指令的介質。
另外，一些實施方式可以在分布式計算環(huán)境中實施，其中，機器可讀介質存儲在多于一個的計算機系統(tǒng)上和/或被多于一個的計算機系統(tǒng)所執(zhí)行。另外，在計算機系統(tǒng)之間傳送的信息可以進(pull)出(push)例如在遠程診斷或監(jiān)視系統(tǒng)中連接計算機系統(tǒng)的通信介質。在遠程診斷或監(jiān)視中，用戶可以診斷或監(jiān)視患者，盡管在用戶與患者之間存在物理間隔。另外，治療輸送系統(tǒng)可以遠離治療計劃系統(tǒng)。
雖然在這里以特定的順序示出并描述了方法的操作，但每個方法的操作順序可以改變從而某些操作可以以相反的順序執(zhí)行或者某些操作可以至少部分地與其它操作同時執(zhí)行。在另一實施方式中，不同的操作的指令或子操作可以是間歇的和/或交互的方式。另外，一些操作可以在特定方法的反復
(iteration)期間被重復。
在前述說明書中，已經參考特定的示例性實施方式描述了本發(fā)明。然而，明顯的是，可以在不偏離如所附權利要求中闡述的本發(fā)明的寬泛的精神和范圍的情況下對本發(fā)明作出各種修改和改變。因此，本說明書和附圖被認為是說明性意義的而不是限制性意義的。
權利要求
1、一種方法，該方法包括使用目標的直接配準來檢測所述目標，所述目標具有在多達三個平移方向上的運動；以及跟蹤所述目標以使治療射束與所述目標的運動同步。
2、根據權利要求1所述的方法，該方法還包括預對準在治療輸送系統(tǒng) 中的患者，其中一個或多個數字重建放射照片與相應的X射線圖像相匹配。
3、根據權利要求1所述的方法，其中檢測所述目標包括生成所述目標的二維輪廓；生成在所述一個或多個數字重建放射照片中的每一個數字重建放射照片中的感興趣的區(qū)域，其中所述感興趣的區(qū)域包括所述目標的二維輪廓；以及將在所述數字重建放射照片中的感興趣的區(qū)域與相應的x射線圖像相匹配。
4、根據權利要求3所述的方法，其中匹配所述感興趣的區(qū)域包括根據搜索算法而在所述相應的x射線圖像中的搜索窗口內移動感興趣的區(qū)域以最大化相似性量度。
5、根據權利要求4所述的方法，該方法還包括確定用于在每個二維投射中的目標檢測的質量量度，包括在所選擇的數字重建放射照片中生成第一多個偏移關聯(lián)窗口；在相應的x射線圖像中配準所述第一多個偏移相關窗口以在所述相應的 x射線圖像中找到與所述第一多個偏移關聯(lián)窗口相匹配的第二多個偏移關聯(lián)窗口，其中所述第一多個偏移關聯(lián)窗口和所述第二多個偏移關聯(lián)窗口包括多個偏移關聯(lián)對；確定多個偏移關聯(lián)對中的每對偏移關聯(lián)對之間的位移；以及分配用于在感興趣的體積的每個二維投射中的目標檢測的質量量度。
6、根據權利要求5所述的方法，該方法還包括在第一投射中的數字重建放射照片中選擇具有最高質量量度的感興趣的區(qū)域以在第二投射中生成有限的搜索窗口；以及在所述第二投射中的有限的搜索窗口內搜索以最大化在所述第二投射中的質量量度。
7、根據權利要求6所述的方法，該方法還包括計算在所述第一投射和所述第二投射中的對應于感興趣的區(qū)域的位置的三維平移以確定在參考的三維治療框架中的所述目標的位置。
8、根據權利要求7所述的方法，該方法還包括跟蹤具有在所述目標的位置與外部呼吸標記之間的關聯(lián)模型的目標以與所述目標的移動同步地輸送治療。
9、根據權利要求4所述的方法，其中所述搜索算法包括多級梯度搜索算法。
10、根據權利要求1所述的方法，該方法還包括預對準在治療坐標系統(tǒng) 中的患者，其中預對準所述患者包括將所述患者的被分割的脊柱的兩個二維投射與在兩個相應的投射中的所述患者的二維治療中x射線圖像相匹配。
11、根據權利要求1所述的方法，該方法還包括預對準在治療坐標系統(tǒng) 中的患者，其中預對準所述患者包括將所述患者的被分割的脊柱的三個或更多二維投射與在三個或更多相應的投射中的患者的二維治療中X射線圖像相匹配。
12、根據權利要求2所述的方法，其中所述一個或多個數字重建放射照片包括基準標記，并且其中預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者包括將一個或多個二維投射中的基準標記與在一個或多個相應的投射中的患者的二維治療中x射線圖像相匹配。
13、根據權利要求3所述的方法，其中所述一個或多個數字重建放射照片從三維成像數據中獲得，并且其中所述三維成像數據包括用于治療計劃的計算斷層掃描圖像數據、磁共振圖像數據、正電子發(fā)射斷層掃描圖像數據以及3D旋轉血管造影圖像數據中的一者或多者。
14、根據權利要求7所述的方法，該方法還包括使所述目標和治療源之間的相對位置符合治療計劃；以及根據所述治療計劃將治療輸送到所述目標。
15、一種制造的產品，該產品包括機器可存取介質，所述機器可存取介質包括數據，該數據當被機器存取時使得所述機器執(zhí)行以下操作使用目標的直接配準來檢測所述目標，所述目標具有在多達三個平移方向上的運動；以及跟蹤所述目標以使治療射束與所述目標的運動同步。
16、根據權利要求15所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據預對準在治療輸送系統(tǒng)中的患者，其中一個或多個數字重建放射照片包括與相應的X射線圖像相匹配的目標。
17、根據權利要求15所述的制造的產品，其中檢測所述目標包括生成所述目標的二維輪廓；生成在一個或多個數字重建放射照片中的每一個數字重建放射照片中的感興趣的區(qū)域，其中所述感興趣的區(qū)域包括所述目標的二維輪廓；以及將在所述數字重建放射照片中的感興趣的區(qū)域與相應的x射線圖像相匹配。
18、根據權利要求17所述的制造的產品，其中匹配感興趣的區(qū)域包括根據搜索算法而在所述x射線圖像中的搜索窗口內移動感興趣的區(qū)域以最大化相似性量度。
19、根據權利要求18所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據-確定用于在每個二維投射中的目標檢測的質量量度，包括在所選擇的數字重建放射照片中生成第一多個偏移關聯(lián)窗口；在相應的治療中x射線圖像中配準所述第一多個偏移關聯(lián)窗口以在所述相應的治療中x射線圖像中找到與所述第一多個偏移關聯(lián)窗口相匹配的第二多個偏移關聯(lián)窗口，其中所述第一多個偏移關聯(lián)窗口和所述第二多個偏移關聯(lián)窗口包括多個偏移關聯(lián)對；確定多個偏移關聯(lián)對中的每對偏移關聯(lián)對之間的位移；以及分配用于在感興趣的體積的每個二維投射中的目標檢測的質量量度。
20、根據權利要求19所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據在第一投射中的數字重建放射照片中選擇具有最高質量量度的感興趣的區(qū)域以在第二投射中生成有限的搜索窗口；以及在所述第二投射中的有限的搜索窗口內搜索以最大化在所述第二投射中的質量量度。
21、根據權利要求20所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據計算在所述第一投射和所述第二投射中的對應于感興趣的區(qū)域的位置的三維平移以確定在參考的三維治療框架中的所述目標的位置。
22、根據權利要求21所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據跟蹤具有在所述目標的位置與外部呼吸標記之間的關聯(lián)模型的目標以與所述目標的移動同步地輸送治療。
23、根據權利要求18所述的制造的產品，其中所述搜索算法包括多級梯度搜索算法。
24、根據權利要求15所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者，其中預對準所述患者包括將所述患者的被分割的脊柱的兩個二維投射與在兩個相應的投射中的所述患者的二維x射線圖像相匹配。
25、根據權利要求15所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者，其中預對準所述患者包括將所述患者的被分割的脊柱的三個或更多二維投射與在三個或更多相應的投射中的患者的二維X射線圖像相匹配。
26、根據權利要求16所述的制造的產品，其中所述一個或多個數字重建放射照片包括基準標記，并且其中預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者包括將一個或多個二維投射中的基準標記與在一個或多個相應的投射中的患者的二維治療中X射線圖像相匹配。
27、根據權利要求17所述的制造的產品，其中所述一個或多個數字重建放射照片從三維成像數據中獲得，并且其中所述三維成像數據包括用于治療計劃的計算斷層掃描圖像數據、磁共振圖像數據、正電子發(fā)射斷層掃描圖像數據以及3D旋轉血管造影圖像數據中的一者或多者。
28、根據權利要求21所述的制造的產品，其中所述機器可存取介質還包括使得所述機器執(zhí)行以下操作的數據使所述目標和治療源之間的相對位置符合治療計劃；以及根據所述治療計劃將治療輸送到所述目標。
29、一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括治療輸送系統(tǒng)，該治療輸送系統(tǒng)包括第一處理裝置、成像系統(tǒng)和放射治療源，其中，所述第一處理裝置被配置為控制所述成像系統(tǒng)來檢測和跟蹤目標，該目標具有在多達三個平移方向上的運動。
30、根據權利要求29所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括-治療計劃系統(tǒng)，該治療計劃系統(tǒng)包括第二處理裝置和顯示裝置，其中所述第二處理裝置被配置為從感興趣的體積的三維成像數據中分割和去除脊柱以使目標可見，根據在所述三維成像數據的一個或多個二維投射中的三維成像數據生成多個數字重建放射照片，其中每個數字重建放射照片包括所述目標的二維輪廓和圍繞所述二維輪廓的感興趣的區(qū)域，以及在所述顯示裝置上顯示所述多個數字重建放射照片。
31、根據權利要求30所述的系統(tǒng)，其中為了檢測所述目標，所述第一處理裝置被配置為在相應的X射線圖像中的搜索窗口中匹配多個數字重建放射照片中的數字重建放射照片的感興趣的區(qū)域。
32、根據權利要求31所述的系統(tǒng)，其中為了匹配所述感興趣的區(qū)域，所述第一處理裝置被配置為根據搜索算法而在所述相應的x射線圖像中的搜索窗口內移動感興趣的區(qū)域以最大化相似性量度。
33、根據權利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為確定用于在每個二維投射中的目標檢測的質量量度，其中所述第一處理裝置被配置為在所述數字重建放射照片中生成第一組偏移關聯(lián)窗口；在相應的x射線圖像中配準所述第一組偏移關聯(lián)窗口以在所述相應的治療中x射線圖像中找到一組匹配的偏移關聯(lián)窗口；確定匹配的偏移關聯(lián)窗口對之間的位移；以及分配用于在所述感興趣的體積的每個二維投射中的目標檢測的質量量度。
34、根據權利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為在第一投射中的數字重建放射照片中選擇具有最高質量量度的感興趣的區(qū) 域以在第二投射中生成有限的搜索窗口，以及在所述第二投射中的有限的搜索窗口內搜索以最大化在所述第二投射中的質量量度。
35、根據權利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為計算在所述第一投射和所述第二投射中對應于感興趣的區(qū)域的位置的三維平移以確定在參考的三維治療框架中的所述目標的位置。
36、根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為跟蹤具有在所述目標的位置與外部呼吸標記之間的關聯(lián)模型的目標以與所述目標的移動同步地輸送治療。
37、根據權利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述治療輸送系統(tǒng)還包括患者定位系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為通過將所述患者的被分割的脊柱的兩個二維投射與在兩個相應的投射中的所述患者的二維x射線圖像相匹配來預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者。
38、根據權利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述治療輸送系統(tǒng)還包括患者定位系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為通過將所述患者的被分割的脊柱的三個或更多二維投射與在三個或更多相應的投射中的所述患者的二維x 射線圖像相匹配來預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者。
39、根據權利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述治療輸送系統(tǒng)還包括患者定位系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為通過將在患者中的包括基準標記的一個或多個二維投射與在一個或多個相應的投射中的患者的x射線圖像相匹配來預對準在治療坐標系統(tǒng)中的患者。
40、根據權利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述三維成像數據包括用于治療計劃的計算斷層掃描圖像數據、磁共振圖像數據、正電子發(fā)射斷層掃描圖像數據以及3D旋轉血管造影圖像數據中的一者或多者。
41、根據權利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置還被配置為使所述目標和所述治療源之間的相對位置符合治療計劃；以及根據所述治療計劃將治療從所述治療源輸送到所述目標。
42、根據權利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置和所述第二處理裝置是相同的處理裝置。
43、根據權利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述第一處理裝置和所述第二處理裝置是不同的處理裝置。
44、一種設備，該設備包括用于使用目標的直接配準來跟蹤所述目標的裝置，所述目標具有在多達三個平移方向上的運動；以及用于使治療源與所述目標的運動同步的裝置。
45、根據權利要求44所述的設備，該設備還包括用于使所述目標的運動與外部標記相關聯(lián)的裝置；以及用于使治療與放射目標的運動相一致的裝置。
全文摘要
一種用于使用2D取輪廓和適應性開窗而在圖像引導的放射治療期間直接跟蹤放射目標的系統(tǒng)、方法和設備。
文檔編號A61N5/10GK101553281SQ200780040628
公開日2009年10月7日申請日期2007年10月11日優(yōu)先權日2006年11月2日
發(fā)明者C·R·莫勒, G·庫杜瓦利, M·A·科爾, R·D·卡恩, 傅東山, 母治平, 柏王, 王宏武申請人:艾可瑞公司

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