CN101589957B - 机器人立体定向放射外科治疗中的数字化层析x射线合成成像 - Google Patents
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Abstract
某些实施例包括可以至少四个自由度而移动的支架(110)、联接在支架上的治疗性的放射源(112)、多个以彼此固定的关系而设置的放射源(116)、检测器(125)和处理器(133)，所述多个放射源以固定关系并以至少四个自由度而移动，检测器(125)基于从所述多个放射源的其中一个放射源中所发射出的放射线而获得投影图像，处理器(133)对检测器所获得的投影图像和多个其它投影图像执行数字化层析X射线合成成像，以产生横截面图像，其代表了从治疗性的放射源看去的平面。
Description
技术领域
以下描述的实施例大致涉及用于传送放射治疗的系统。更具体地说，某些实施例致力于结合这种传送使用的治疗检验系统。
背景技术
传统的放射治疗系统将一束光子、质子、中子或其它放射线引导向病人的靶区。放射线通过在细胞中引起电离或其它放射引发的细胞损伤而摧毁靶区中的细胞。
等中心放射治疗通常由集成在可旋转的台架中的治疗性的放射源进行传送。台架围绕水平轴线旋转，使得治疗性的放射源中所发射出的放射束在各个旋转角度下穿过相同体积的空间(即等中心)。因此病人的靶区在射束发射和台架旋转之前是等中心定位的。由于物理限制，等中心治疗特别适合于定位在胸部区域以上的靶区。
多关节的机器人臂通常用于传送非等中心的放射治疗。这种臂包括集成的治疗性的放射源，并提供相对于病人更为柔性的定位，以便将任何角度的治疗放射线传送到实际上定位在病人任何地方的靶区上。因此相比于等中心放射治疗期间所使用的外部位置而言，非等中心放射治疗可从更少的外部位置照射靶区。因此，为了避免照射敏感的健康结构可能需要非等中心治疗。
在等中心和非等中心治疗模式中，靶区和放射源必须在三维空间中彼此对准，从而确保传送根据治疗计划的放射线。放射线传送中的误差可能导致对肿瘤的低照射和对敏感的健康组织的高照射。定位精度在非等中心治疗的情形中可能有特别问题，因为可能需要得到高达六个自由度。所有六个自由度对于从任意方向定向(偏转、俯仰、滚动)照射靶区中的某一空间位置(x，y，z)可能都是必要的。
Elekta伽玛刀
放射治疗系统采用固定在空间中的钴-60放射源。解剖目标(例如，病人头部中的靶区)移动并与放射源的焦点对准。这种情形需要将病人的头颅刚性地固定在基于销的立体定向框架中，对病人造成极大的不舒适。基于预计算的放射计划，通过将框架重定位在系统中，可反复将病人的头颅相对于固定的放射参照框架进行重新定位。
某些放射外科治疗系统通过利用病人上的外部标记以及病人内部标记而避免这种固定框架定位。通过显示两组标记的X射线图像可建立在外部标记和内部标记之间的空间相关性。在治疗期间跟踪外部标记的位置，并基于预定的空间相关性而确定相对应的内部标记的位置。后者确定的精度由于在外部和内部标记之间的实际的相关性的差异而是有限的。
所需要的是改进机器人立体定向放射外科治疗系统中的靶位置的确定。
发明内容
为了解决前述问题，某些实施例提供了一种能够以至少四个自由度移动的支架、联接在该支架上的治疗性的放射源、多个彼此以固定关系设置的放射源、和检测器，从而基于从所述多个放射源的其中一个放射源发射出的放射线而获得投影图像，所述多个放射源可按固定关系以至少四个自由度而移动。包含的处理器对检测器所获得的投影图像和多个其它投影图像执行数字化层析X射线合成成像，从而产生了横截面图像，其代表从治疗性的放射源看去的平面。
所述多个放射源可联接在支架上，并且检测器可联接在以至少四个自由度移动的第二支架上。根据某些方面，所述多个放射源联接在以至少四个自由度移动的第二支架上，并且检测器联接在支架上。某些实施例还提供了多个联接在支架上的其它检测器，其中所述多个其它检测器将基于从所述多个放射源的其中一些放射源中各自所发射出的放射线而获得多个其它投影图像。
某些方面可包括能够以至少四个自由度而移动的第二支架和能够以至少四个自由度而移动的第三支架上，其中所述多个放射源联接在第二支架上，检测器联接在第三支架上。
其它方面可包括使治疗性的放射源通过至少四个自由度而移动到第一位置，使多个按固定关系设置的放射源通过至少四个自由度而移动到第二位置，并使检测器通过至少四个自由度而移动到第三位置的方法。在第二位置，从所述多个放射源的其中一个放射源中发射出放射线，在第三位置，利用检测器基于所发射出的放射线而获得投影图像，并对投影图像和多个其它投影图像执行数字化层析X射线合成成像，以产生横截面图像，其代表从治疗性的放射源的第一位置看去的平面。
然而，附属权利要求并不局限于所公开的实施例，本领域中的技术人员可以很容易地修改这里的细节描述，以创造其它实施例和应用。
附图说明
考虑到以下附图中所示的说明书将很容易领会实施例，在附图中相似的标号指示相似的部件，其中：
图1是根据某些实施例的治疗室的透视图；
图2是根据某些实施例的治疗室的透视图；
图3是根据某些实施例的处理步骤的流程图；
图4是根据某些实施例的治疗室的透视图；且
图5是根据某些实施例的治疗室的透视图。
具体实施方式
以下细节描述提供给本领域中的技术人员，以制作并使用某些实施例，并阐述了由本发明人所设想的用于执行某些实施例的最佳模式。然而，各种变体对于本领域中的技术人员将仍是易于领会的。
图1是根据某些实施例的治疗室100的透视图。第一支架110、第二支架120和操作员控制台130定位在治疗室100中。治疗室100的元件在某些实施例中可用于检验病人位置，并对这种病人执行机器人立体定向放射外科治疗。更具体地说，某些实施例包括执行数字化层析X射线合成成像，以检验病人位置，并根据治疗计划朝着病人发射治疗的放射束。
第一支架110可包括多关节的机器人臂，其可在所示箭头指示的方向上移动。多关节的机器人臂的示例包括，但不局限于，例如使用在Accuray
的Cyberknife
系统中的机器人臂。这种运动在某些实施例中可反映至少四个自由度。在某些实施例中，治疗性的放射源112联接在第一支架110上。第一支架110的运动因此导致了相应的放射源112的运动。
在放射源112和第一支架110之间的所示联接提供了放射源112相对于支架110的旋转。在某些实施例中，这种联接可包括球形接头或其它类型的联接，以便提供放射源112相对于支架110的其它类型的运动。
治疗性的放射源112可包括线性加速器，以发射具有各种能量的光子放射束或电子放射束。治疗性的放射源112还可以包括或可选地包括放射性同位素源、钴-60放射源、或其它已知的非线性加速器源。
治疗性的放射源112可包括射束-屏蔽装置，或准直仪，用于射束整形，并用于屏蔽对射束敏感的表面。根据治疗计划可旋转准直仪，并可定位准直仪的各种元件。因此准直仪可控制射束的横截面形状。这种准直仪在放射源112发射呈现显著几何发散特性的射束的情况下可能特别有用。然而，在某些实施例中，放射源112发射出基本柱状的射束。
支架114联接在支架110上或放射源112上。支架114包括放射源116的阵列。放射源116可包括任何已知的发射千伏电压放射线或其它成像放射线的放射源。在某些实施例中，放射源116采用基于阴极放射线发射的碳纳米管。放射源116固定在支架114上，使得各个放射源116设置成与各个其它放射源116是固定的关系。此外，在某些实施例中，各个放射源116相对于由放射源112发射出的射束设置成固定关系。因此第一支架110的运动可能造成放射源112、支架114和放射源116的运动，同时保持其之间相对的固定关系。
第二支架120可包括多关节的机器人臂，其可在其上所示箭头指示的方向上移动。在某些实施例中，第二支架120的运动可反映至少四个自由度。第二支架120联接在检测器125上。根据所示的实施例，检测器125到支架120的联接提供了检测器125相对于第二支架120的滚动、俯仰和偏转运动。
检测器125可获得在放射治疗之前、期间和/或之后的投影图像。例如，检测器125可用于获得投影图像，以用于检验和记录靶区位置和病人内部射入口，放射线传送至该射入口。检测器125可包括任何基于接收的放射线而获得图像的系统。
在某些实施例中，检测器125是一种平板成像装置，其使用闪烁体层和以二维阵列部署的固态无定形硅氧光电二极管。在运转过程中，闪烁体层接收光子，并按所接收的光子强度成比例地产生光。光电二极管阵列接收光并记录所接收的光的强度作为储存的电荷。储存的电荷因此包括所获得的代表放射束所产生的放射场的各个位置上的强度的图像。放射场的边界通过放射束与闪烁体层表面的物理交会部来确定。
检测器125可包括其它类型的成像装置。例如，在不使用闪烁体层的条件下，还可将引入的放射线转换并储存为电荷。在这种成像装置中，放射线直接被无定形的硒光电导体阵列所吸收。光电导体将放射线直接转换成储存的电荷，其包括获得的放射场的图像。
操作员控制台130包括用于接收来自操作员的指令的输入装置131和输出装置132，输出装置132可以是监视器，其用于呈现放射源112的操作参数、检测器125所获得的图像、用于治疗计划的CT图像、数字化层析X射线合成成像的横截面图像、用于接收操作员指令和/或操作员警告的界面。根据某些实施例，输出装置132可呈现警告，以便在交付治疗之前或期间通知操作员定位错误。
输入装置131和输出装置132联接在处理器133和存储器134上。处理器133可执行程序代码，以执行这里所述的任何确定过程和发生过程，和/或造成线性加速器110执行这里所述的任何处理步骤。例如，处理器133可对检测器125所获得的投影图像和多个其它投影图像执行数字化层析X射线合成成像，以产生横截面图像，其代表了从治疗性的放射源112看去的平面。所关心的这种平面通常垂直于治疗射束的中心轴。
根据某些实施例，存储器134还可储存产生和/或修改治疗计划的程序代码。因此，存储器134还可根据任何现有或之后知晓的格式而储存放射治疗计划。治疗计划可包括通过治疗室100的元件自动执行的脚本，以提供治疗部分。各个治疗计划的各个部分的各个射束可能需要以特定的方式相对于病人定位放射源112。
根据某些实施例，硬件环境可包括比图1中所显示的元件更少或更多的元件。出于清晰起见，例如，图1不包括用于在治疗之前和期间支撑病人的元件。因此图2显示了包括工作台140的治疗室100。工作台140可调整以帮助靶区相对于放射源112的定位。
未显示的元件可能需要提供交流功率、RF功率、冷却、液压、真空和/或其它操作支架110、源112、源116、支架120、检测器125和工作台140所需要的系统。另外，实施例并不局限于所显示的元件和/或环境。
根据某些实施例，病人放置在工作台140上，并且第一支架110使放射源112移动到由治疗计划所指示的治疗位置。这种运动还使放射源116通过其与放射源112的联接而移动到特殊位置。第二支架120又使检测器125移动到面向治疗性的放射源112，并位于病人背离治疗性的放射源112对面的位置。
各个放射源116连续朝着检测器125发射出放射线。检测器125基于各个连续的发射而获得投影图像。更具体地说，检测器125形成并储存电荷，其代表了由各个连续发射所产生的放射场的各个位置处的放射强度。因为病人定位在源116和检测器125之间，所以特殊位置的放射强度代表了组织沿着发射源116和特殊位置之间的发散的线的衰减特性。因此一组由检测器125响应于特殊发射而获得的放射强度可包括这些组织的二维投影图像。
这种投影图像在单独用于确定特定的内靶位置时具有局限性。具体地说，病人中靶区将可能被定位在靶和放射源116之间的结构和定位在靶和检测器125之间的结构所遮挡。因此计算机系统130的处理器133对投影图像执行数字化层析X射线合成成像，以产生靶区的横截面图像。横截面图像代表了从特定的透视角度(例如，放射源112的透视角度)观察的病人的特定的平面。
图3是根据某些实施例的处理过程的流程图。这里所述的处理过程300和其它处理过程可利用任何合适的硬件、软件或手动方式的组合来执行。体现这些处理过程的软件可通过任何介质，包括固定磁盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、ZipTM磁盘、磁带或信号来进行储存。这些处理过程的示例将参照治疗室100的元件在下面进行描述，但实施例并不局限于此。
在已经将病人放置于治疗台上并等待治疗之后可执行处理过程300。在S302中，使治疗性的放射源通过至少四个自由度而移动到第一位置。在S302的一个示例中，第一支架110使放射源112移动到由治疗计划所指定的治疗位置。
治疗计划可限定多个治疗部分，其各包括一个或多个要被传送的离散的射束。对于各个射束，治疗计划可规定放射源112的位置和传送角度以及与射束轴线正交的所需靶区的横截面图像。基于用于产生治疗计划的CT图像可产生横截面图像。
在S304中，可使以固定关系设置的多个放射源移动。这些放射源通过至少四个自由度而移动到第二位置。继续当前示例，放射源112在S302中的运动造成放射源116运动到由放射源116到放射源112的固定关系所指定的特殊位置上。因此，在当前示例中，S302和S304是同时发生的。
接下来，在S306中，检测器通过至少四个自由度而移动到第三位置。根据S306的一个示例，第二支架120使检测器125移动到面向治疗性的放射源112，并位于病人背离治疗性的放射源112对面的位置。检测器125可定位成使得治疗性的放射源112的射束轴线与检测器125的进入表面正交。
在S308中，从多个放射源的其中一个放射源中发射出放射线。放射线可从第二位置从其中一个放射源116中发射出来，放射源116在S304中移动到该第二位置。接下来，在S310中，基于所发射的放射线获得投影图像。检测器125可形成、储存并输出与所发射的放射线相对应的投影图像。投影图像可包括一组二维的放射强度，其代表了放射源116和检测器125之间的组织的衰减特性。
在S312中对投影图像和多个其它投影图像一起执行数字化层析X射线合成成像，以产生横截面图像。横截面图像代表从第一位置的治疗性的放射源看去的平面。
在S312之前可连续执行S308和S310数次，以便获得多个其它投影图像。例如，在S308中可从其中一个放射源116中发射出放射线，并在S310中可获得相应的投影图像，可从其中另一个放射源116中发射出放射线并可在S310中获得另一个相应的投影图像等等，直到已经从所述多个放射源的其中各个放射源中发射出放射线，并已经获得相应的投影图像为止。
已经研究出了各种数字化层析X射线合成成像重建算法，其包括滤波反投影算法。例如，在反投影之前可利用Ram-Lak滤波器对投影图像进行滤波。这种算法在放射源沿着弧形段而定位时特别适合于数字化层析X射线合成成像重建，如同传统的等中心层析X射线合成成像的情形那样。
根据某些实施例，可将放射源116设置成圆形的形态、椭圆的形态、三角形的形态、正方形的形态、直线的形态和/或沿着任意多边形的侧边。因为这种形态下的放射源116可能不会沿着从公共点对向(subtended)的弧边而行进，所以可采用更一般的层析X射线合成成像重建的方法。例如，S312可包括迭代重建方法，例如代数重建技术(ART)、联合代数重建技术(SART)、联合迭代重建技术(SIRT)或有序子集最大期望值(OSEM)算法。更一般地说，任何基于测量的投影值而求解成像视场中的三维象素的值的方法都适合于层析X射线合成成像重建。这种方法包括优化和/或回归技术，并且可应用于最大化某些特征(例如，统计的可能性、统计熵)和/或最小化其它特征(例如，残差平方和)。
在S310中获得的投影图像可基于检测器125的特征和/或基于放射源116之间的固定关系而进行校正或变换。在后一方面，可修改投影图像，以考虑所发射出的射束的不同部分行进而到达检测器125的不同距离。
处理过程300因此可提供重建的部分截面图像，其与特定的传送角度下的放射源的主射束轴线正交。如果获取的投影图像的几何形状包括靶时，那么重建的图像可包括靶区。同单独的二维投影图像相比，数字化层析X射线合成成像由于减少了对下层和上层结构的影响而提供了对深度分辨组织边界的改进的描绘。
之后可将重建的部分截面图像与基于治疗计划所产生的预期的横截面图像进行比较。例如，将三维的CT图像装载到治疗计划系统中，并基于该图像产生治疗计划。针对治疗计划的各个治疗部分的一个或多个治疗射束确定传送矢量。对于各个传送矢量，利用发散的虚源-检测器模型(例如，用于数字化重建放射照相(DRR)的模型)可产生一组投影图像。这组投影图像模拟了上面关于处理过程300所述的投影图像。之后通过对这组针对特定的传送矢量而产生的投影图像应用数字化层析X射线合成成像，从而产生用于特定的传送矢量的预期的横截面图像。
如果横截面图像的比较满足预定的准则，那么治疗性的放射源112可在S312之后根据治疗计划而传送放射束。在某些示例中，流程在传送放射束之后返回至S302。然后可使治疗性的放射源112、源116和检测器125移动到由治疗计划在S302，S304和S306中所指定的新的位置，以便传送下一个治疗部分。
实施例并不局限于其中S302和S304同时发生的实施例。例如，图4显示了一个实施例，其包括联接在治疗性的放射源112上的活动支架110和联接在检测器125上的活动支架120，如上面参照图1所述。
图4还显示了联接在放射源116上的分开的活动支架150。活动支架150还可包括可通过至少四个自由度而移动的多关节的机器人臂。图4的放射源116以彼此相对固定的关系进行设置。放射源116可联接在支架150上，从而提供源116相对于支架150的滚动、俯仰和偏转运动。
因此，图4的放射源116可独立于治疗性的放射源112和检测器125而移动。因此，可同时或连续地执行S302和S304。
图5显示了其中治疗性的放射源112和检测器125二者都联接在第一支架110上的一个实施例。图中显示放射源116联接在支架120上。如果用于执行处理过程300，那么支架110的运动将造成S302和S306同时发生。另外，在传送治疗放射线之前使检测器125移出治疗性的放射源112的射束路径之外可能是必需的或必要的。
尽管相对于图1交换了源116和检测器125的位置，但图5的实施例可提供重建的部分截面图像，其与特定传送角度下的放射源112的主射束轴线正交。
这里仅仅出于解释性的目的而描述了若干实施例。因此，本领域中的技术人员应从本说明书中认识到可利用各种改型和变体来实践其它实施例。
Claims (13)
1.一种用于机器人立体定向放射外科治疗的装置，其特征在于包括：
能够以至少四个自由度而移动的支架(110)；
联接在所述支架上的治疗性的放射源(112)；
彼此以固定关系设置的多个放射源(116)，所述多个放射源能够以固定关系按至少四个自由度而移动；
检测器(125)，其基于所述多个放射源的其中一个放射源所发射出的放射线而获得投影图像；和
处理器(133)，其对由所述检测器所获得的投影图像和多个其它投影图像执行数字化层析X射线合成成像，从而产生代表从所述治疗性的放射源看去的平面的横截面图像，其中，所述检测器基于从所述多个放射源的其它放射源各自发射出的放射线而获得所述多个其它投影图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个放射源联接在所述支架上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：
第二支架(120)，其能够以至少四个自由度而移动，其中所述检测器联接在所述第二支架上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第二支架(120)，其能够以至少四个自由度而移动，其中所述检测器联接在所述第二支架上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第二支架(120)，其能够以至少四个自由度而移动，其中所述多个放射源联接在所述第二支架上，并且
所述检测器联接在所述支架上。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
多个联接在所述支架上的其它检测器，
其中所述多个其它检测器基于从所述多个放射源的其中一些放射源各自发射出的放射线而获得所述多个其它投影图像。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
第二支架(150)，其能够以至少四个自由度而移动，其中所述多个放射源联接在所述第二支架上；和
第三支架(120)，其能够以至少四个自由度而移动，其中所述检测器联接在所述第三支架上。
8.一种用于操作按权利要求1到7中任一项所述的装置的方法，包括：
使治疗性的放射源(112)通过至少四个自由度而移动到第一位置；
使多个以固定关系设置的放射源(116)通过至少四个自由度而移动到第二位置；
使检测器(125)通过至少四个自由度而移动到第三位置；
在所述第二位置从所述多个放射源的其中一个放射源中发射出放射线；
在所述第三位置利用所述检测器基于所发射出的放射线而获得投影图像；和
对所述投影图像和多个其它投影图像执行数字化层析X射线合成成像，从而产生代表从所述治疗性的放射源的所述第一位置看去的平面的横截面图像，其中，所述检测器基于从所述多个放射源的其它放射源各自发射出的放射线而获得所述多个其它投影图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述治疗性的放射源和所述多个放射源联接在相同的支架(110)上，并且使所述治疗性的放射源移动的步骤和使所述多个放射源移动的步骤是同时发生的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述第二位置从多个其它放射源的其中一些放射源中各自发射出放射线；和
基于在所述第二位置从所述多个其它放射源的所述其中一些放射源中各自所发射出的放射线而利用所述检测器获得所述多个其它投影图像。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述治疗性的放射源和所述检测器联接在相同的支架(110)上，并且使所述治疗性的放射源移动的步骤和使所述检测器移动的步骤是同时发生的。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使所述检测器通过至少四个自由度而移动到第三位置包括：
使多个其它检测器通过至少四个自由度而移动，
其中所述多个其它检测器联接在相同的支架上，且
所述方法还包括：
在所述第二位置从所述多个其它放射源中的一些其它放射源中发射出放射线；且
基于在所述第二位置从所述多个其它放射源中的所述一些放射源中各自所发射出的放射线而利用所述多个其它检测器获得所述多个其它投影图像。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述治疗性的放射源联接在第一支架(110)上，所述多个放射源联接在第二支架(150)上，并且所述检测器联接在第三支架(120)上，且
其中所述治疗性的放射源、所述多个放射源和所述检测器是彼此独立地移动的。
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