CN101443816B - 用于图像引导下辐射治疗的图像可变形配准 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于制定辐射治疗计划的系统和方法以及一种用于制定将在辐射治疗中使用的辐射治疗计划的系统和方法。使用医学图像的配准来制定辐射治疗计划。配准基于识别位于人体内部结构中的界标。

Description

用于图像引导下辐射治疗的图像可变形配准
放射治疗是使用辐射(例如X射线辐射)治疗诸如癌瘤的疾病。在向患病组织施予辐射的过程中，一些健康组织同样暴露在该辐射下。健康组织暴露在辐射下能引起与治疗有关的并发症。同样，人们期望精确且准确地描绘出患病区域的轮廓，以便将辐射主要施予至患病区域，而最小程度地施于至周围的健康组织。
所治疗区域(计划靶体积或PTV)的精确且准确轮廓包括在分次治疗(fractionatedtreatment)期间的靶运动。运动可以是患者的身体移动(摆位误差(setuperror))，或是由诸如心脏、呼吸和消化系统的生理功能引起的或者作为治疗反应的结果而引起的包括患病组织在内的内部组织的移动和变形。在常规治疗计划中，PTV基于对患者群体的统计，这样产生过大或者不精确的靶区。为了评估患者特异性的运动，拍摄一段时间内的一系列图像，以获得对患病组织及周围器官的几何结构变化的3D描述。可以进行数秒的时间采样以便例如使用4D门控成像技术监测呼吸运动，或者是进行数天和数周的时间采样，或者是这些的组合，例如使用4D门控成像技术进行每周的成像。在放射治疗中集成3D图像的时域采样通常称为图像引导下放射治疗(IGRT)或适应性放射治疗。这种调整允许将辐射施加于更精确的靶区。
为了累计4D剂量-体积直方图，需要计算危及器官和靶的体积元素之间的空间相互关系。由于缺乏灰度值的对应性，难以应用基于体素的配准方法。使三角网格变形成感兴趣对象的基于表面的方法已经成功地用于分割解剖结构。在这种方法中，调整后网格的顶点界定出对象表面之间的相应界标。这能够通过基于弹性点的配准方法估计出图像中所有体素的变形场。
如果所成像对象内部的运动并不与其表面的运动很好相关，则插入仅基于表面的运动场将产生错误的运动估计值。例如，在对肺进行成像时，来自横膈膜、心脏和胸腔的运动将产生复杂的肺叶运动。另外，根据可能附着于或并不附着于肺壁的肿瘤或感兴趣区域的位置，以及肿瘤的组织特性(例如，准固态或柔软)，肿瘤运动可以与肺和/或心脏表面非常相关或不相关。
合适的运动补偿在辐射治疗计划时是重要的，因为其允许正确的描绘器官轮廓。而且，其允许正确地计算辐射剂量。因此，需要开发一种用于辐射治疗计划的方法，其将精确地解决所成像对象的运动，以便允许开发高度精确的辐射治疗计划以及由此进行的治疗。
本发明涉及一种用于制定辐射治疗计划的系统和方法以及一种用于制定将在放射治疗中使用的辐射治疗计划的系统和方法。使用医学图像配准来制定辐射治疗计划。基于识别位于人体内部结构中的界标进行该配准。
在并入本说明书且构成其一部分的附图中，示出了本发明的各实施例，连同如上给出的本发明的大体描述和下文给出的详细描述用于说明本发明的原理。本领域技术人员应当意识到，这些示意性实施例并不意在限制本发明，而仅提供包括本发明原理的实例。
图1示出了辐射治疗计划和治疗系统的框图；
图2示出了辐射治疗计划和治疗系统的流程图。
本文公开的系统和方法提供图像配准来解决所成像对象的移动。这种系统和方法允许进行精确的辐射治疗计划和治疗。
图1示出了本发明的系统的示意性实例的框图。该系统包括图像采集部件10、辐射治疗计划部件(RTP)20、辐射治疗部件(RTT)30以及图形用户界面(GUI)40。应当领会到，图1中所示的系统仅是示意性实例，因而不应限制本公开的范围。例如，一些系统可以不包括RTT部件30和/或GUI40。在一些系统中，示为与所有三个其它部件界面连接的GUI40可以仅与一个或两个其它部件界面连接。
图像采集部件10可以是任何成像系统，例如，CT系统、X射线系统、核成像系统、超声系统、MR系统或其任意组合。优选地，该系统允许收集门控成像信息并将其传递至RTP部件20。在一些实施例中，图像采集部件10定位成远离RTP部件20或其它部件。在这点上，从图像采集部件10收集的信息可以经由网络连接或经由数据存储介质传送至其它部件。此外，图像采集可以发生在与制定辐射治疗计划相同的相对时间帧内，或者图像采集可以发生在制定辐射治疗计划之前的任意时间。附加地，可以使用任意的图像采集方法。例如，在Pan等人在MedPhys(31(2)：333-340页(2004))中公开了获得4DCT数据的方法，该文献的全部公开内容以引用方式并入本文中。
RTP部件20可以是通用处理器和专用处理器，其中RTP软件装载或嵌入该处理器中。RTT部件30可以是任何治疗递送设备，例如，线性加速器。GUI40可以包括任何的输入和/或输出设备或其任意组合。例如，GUI可以包括监视器、键盘、数据存储设备、数据存储访问设备、数据网络或任何其他部件，其用于帮助辐射治疗技师与其它部件交相以采集图像数据、计划辐射治疗和/或向受试者递送辐射治疗。
图2示出了一种递送辐射治疗的方法。应当领会到，该方法可以限于形成辐射治疗计划或者辐射治疗的一部分。所示的实施例开始于100处的成像数据采集。这可以使用上述的图像采集部件10来完成。图像数据优选是4DCT数据。随后图像数据传递至RTP部件20，其中将该数据分割成不同结构。如110处所示，对例如肿瘤和/或危及器官的结构的分割可以使用基于模型的分割或替代分割方法来实现。如果使用基于模型的分割时直接地或者在分割的三角化之后，用三角表面网格表示感兴趣的结构。分割方法公开在2006年3月7日授权的题为“ImageSegmentation”的美国专利号No.7010164和2005年11月9日提交的题为“AutomatedStoolRemovalMethodforMedicalImaging”共同未决美国专利申请号No.60/597087，所述文献的全部公开内容以引用方式并入本文中。
感兴趣体积表面上的界标由三角表面网格的顶点给出。仅基于三角表面网格计算体积变形场的方法公开在2005年6月8日提交的题为“PointSubselectionForFastDeformablePoint-BasedImaging”的共同未决美国专利申请60/595122中，所述文献的全部公开内容以引用方式并入本文中。
如在120处所示，随后识别感兴趣体积内的界标。对感兴趣体积内界标的识别可以使用模板匹配算法、自动血管树提取算法、自动标记检测算法中的任意一种或其任意组合来实现。使用模板匹配算法的方法公开在Roesch等人在MICCAI2002ComputerScience2489(2002)的讲稿“3DRespiratoryMotionCompensationbyTemplatePropagation”中，所述文献的全部公开内容以引用方式并入本文中。在这种方法中，在由相应的表面网格界定的感兴趣体积内识别具有相似灰度值特征的点。诸如此类的方法通常是快速的，因为将其搜索限制在感兴趣体积中。
自动血管树提取算法公开在Buelow等人在NICCAI2004上的“AGeneralFrameworkForTreeSegmentationandReconstructionFormMedicalVolumeData”才，所述文献的全部公开内容以引用方式并入本文中。在这种方法中，提取相应结构中的一级血管分叉。使用血管树拓扑，可以在图像数据集和用作相应界标的对应坐标中识别相应的分叉。诸如此类的方法主要应用于识别肺或肝中的界标。
如果使用标记进行患者摆位校准，例如，用于前列腺的金标，那么可以使用自动检测算法识别感兴趣体积内的附加相应点。此外，可以使用这些方法的组合，或者也可以使用其他界标识别算法和/或方法。
在130处，使用分割和界标识别建立变形场。变形场的形成允许图像的配准，如在140处所示。变形场的形成以及图像的随后配准的一个实例公开在2006年3月28日提交的题为“MethodandDeviceforPlanningRadiationTherapy”的共同未决美国专利申请号No.10/573730以及2005年11月9日提交的题为“AutomatedStoolRemovalMethodforMedicalImaging”的共同未决美国专利申请号No.60/597087中，所述文献的全部公开内容以引用方式并入本文中。
一旦对图像进行了配准，可以建立辐射治疗计划(RTP)，如在150处所示。辐射治疗计划允许进行精确的器官轮廓勾画和剂量计算。可以对每个数据集确定剂量计算，随后按序累计成单一数据集。这样允许全量得以正确的分布，并且可以允许进一步优化治疗计划。一旦已经建立RTP，就可以进行辐射治疗会话(RTT)，如在160处所示。或者，所述过程可以循环回去并且获取另一些图像以便进一步制定RTP。同样，RTP和RTT可以发生在不同时刻和/或不同位点。因此，如图2中所示的方法可以独立包含在100-150循环中，由此允许在不同的时间和/或位置处进行RTT。在这种情况下，可以根据需要使用附加图像采集数据和随后的处理而周期性更新RTP。
对于包括RTT的方法而言，所述过程可以在RTT之后就完成，或者例如在分次治疗的情况下，该过程可以循环回去。在允许治疗循环的方法中，在160处的RTT之后，所述过程可以返回至RTP150，其将用于下一分次(nextfraction)的RTT。在这种情况中，下一分次的RTT可以使用与上一分次施加相同的剂量分布，或者可以与初始RTP中建立的不同。例如，第一分次的治疗可以是全量，而第二分次可以是全量的一部分。在其他方法中，在RTT之后，所述过程返回到图像采集阶段，并且通过随后处理，改进或者重新定义RTP。一些方法可以选择返回到RTP还是返回到图像采集，这取决于特定的分次数(例如，每隔一分次或每三分次)、特定的时间周期(例如，每五天)、靶尺寸和/或形状的预计或实际变化、技师或医生的期望或者任何其他基础。
已经参考一个或多个优选实施例描述了本发明。应当清楚的是，他人在阅读并理解本说明书后将会想到各种修改和变更。期望包括落入权利要求书及其等价内容范围内的所有这种修改和变更。

Claims (13)

1.一种对用于图像引导下辐射治疗的图像进行可变形配准的方法，包括：
输入采集到的医学图像；
将所述医学图像分割成各人体内部结构；
识别位于一个或多个所述人体内部结构内的界标；
基于所识别的界标将变形场施加至所述医学图像上；
基于所施加的变形场配准所述医学图像以生成经配准的医学图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述医学图像是4DCT图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用模板匹配算法识别所述界标。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用自动提取血管树算法识别所述界标。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用位于一个或多个所述人体内部结构中的标记识别所述界标。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括用户交互以核对所述分割、识别界标或配准图像步骤中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述人体内部结构包括一个或多个靶区和一个或多个危及器官。
8.一种辐射治疗计划仪器，包括：
用于输入采集到的医学图像的装置；
用于将所述医学图像分割成各人体内部结构的装置；
用于识别位于至少一个所述人体内部结构中的界标的装置；
用于基于所识别的界标将变形场施加于所述医学图像的装置；
用于基于所施加的变形场配准所述医学图像的装置；以及
用于基于所配准的医学图像建立辐射剂量分布的装置。
9.根据权利要求8所述的辐射治疗计划仪器，其中，用于识别界标的所述装置使用模板匹配算法。
10.根据权利要求8所述的辐射治疗计划仪器，其中，用于识别界标的所述装置使用自动提取血管树算法。
11.根据权利要求8所述的辐射治疗计划仪器，其中，用于识别界标的所述装置包括使用位于一个或多个感兴趣区域中的标记。
12.根据权利要求8所述的辐射治疗计划仪器，还包括用于识别并不位于该人体内部结构之一中的界标的装置。
13.根据权利要求8所述的辐射治疗计划仪器，其中，所述医学图像是4DCT图像。
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