CN101854848A

CN101854848A - 内靶的自动相关建模

Info

Publication number: CN101854848A
Application number: CN200880113221A
Authority: CN
Inventors: S·李; Y·盛; S·萨耶赫
Original assignee: Accuray Inc
Current assignee: Accuray Inc
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-10-06
Also published as: US20160121141A1; US11235175B2; US20160121140A1; EP2200506A1; US9248312B2; JP2011500263A; US20090110238A1; US10046178B2; EP2200506A4; WO2009054879A1

Abstract

一种方法和装置，在开发患者体内的靶的运动的相关模型时，自动控制成像系统的图像获取的时间。

Description

内靶的自动相关建模

技术领域

本发明涉及放射治疗领域，并且，更具体地涉及在放射治疗中跟踪靶运动。

背景技术

病理解剖，例如肿瘤和病变，能够通过诸如外科手术的侵入性程序来治疗，但这对病人可能是有害的并且充满风险。治疗病理解剖(如肿瘤、病变、血管畸形、神经紊乱等)的一种非侵入性方法是体外放射疗法。在一类体外放射疗法中，使用外部放射源从多个角度将一序列X-射线束引导到肿瘤部位，其中病人被定位使得肿瘤位于束旋转的中心(等中心)。当放射源的角度改变时，每束都通过肿瘤部位，但是在到达肿瘤的途中会通过健康组织的不同区域。因此，肿瘤处的累积放射剂量很高，同时对健康组织的平均放射剂量很低。

术语“放射疗法”指的是出于治疗目的而非坏死目的对靶应用放射的程序。放射疗法治疗过程中使用的放射量一般大约是小于放射外科过程中使用的量的数量级。放射疗法的一般特征是每次治疗剂量低(如100-200厘戈瑞(cGy))、治疗时间短(如每次治疗10到30分钟)和超分割(如治疗30到45天)。方便起见，除非另外标注，这里使用术语“放射治疗”来表示放射外科和/或放射疗法。

在许多医学应用中，精确跟踪人体解剖中的移动靶的运动非常有用。例如，在放射外科中，由于治疗期间呼吸运动和其它患者运动，精确定位和跟踪靶的运动非常有用。已经开发出了传统的方法和系统来实现对内靶中的靶向治疗(如放射外科治疗)的跟踪，同时测量和/或补偿患者的呼吸和/或其它运动。例如，本申请的受让人共同拥有的美国专利号6144875和美国专利号6501981描述了这些传统的系统。位于加利福尼亚的Sunnyvale的Accuray公司开发的

系统能够实现上述申请中描述的方法和系统。

在相关模型(correlation model)中，这些传统的方法和系统将内脏器官运动与呼吸关联在一起。相关模型包括将外部标记的外部运动映射到通过X-射线成像获得的内脏肿瘤位置。在治疗前建立相关模型时，这些传统的方法和系统获得患者的呼吸循环中的X-射线图像。然而，这些传统的方法和系统依赖于操作员手动触发成像系统来获取图像。对于操作员来说，为相关模型手动获取呼吸循环的均匀分布的模型点是一个挑战。手动触发图像导致了患者的呼吸循环的模型点的不一致分布。具有均匀分布的模型点的相关模型提供了将外部标记的外部运动映射到内脏肿瘤位置的更加真实的模型。因此，使用传统的方法和系统，初始相关模型的质量取决于操作员猜测何时来手动触发成像系统以获取图像的能力，不像具有均匀分布的模型点的相关模型的质量那么好。

在一种传统方法中，操作员例如在显示器上手动观察外部标记运动和成像历史，来发现成像定时模式，并点击按钮以基于外部标记运动和图像历史来捕获下一个图像。操作员然后等待结果以查看图像是否是在呼吸循环的预期位置处获取的。在一些例子中，为了克服模型点的不均匀分布，操作员获取另外的图像来在预期位置得到模型点(如图像)，导致增加了不必要的成像发生。此外，在传统的方法和系统中，在操作员手动触发成像系统来获取图像的时间与成像系统实际获取图像的时间之间可能会有相当大的延迟。该延迟使得确定在呼吸循环中操作员应该何时手动触发成像系统来在呼吸周期的预期位置获取图像的手动定时过程变得复杂。

附图说明

利用随附的附图中的图来通过示例而非通过限制示出本发明。

图1示出了治疗跟踪环境的剖视图。

图2是呼吸周期期间内靶运动的示例性二维路径的图形表示。

图3是呼吸周期期间内靶运动的随时间变化的示例性路径的图形表示。

图4是与图2中显示的运动路径相关联的数据点的示例性集合的图形表示。

图5是与图3中显示的运动路径相关联的数据点的示例性集合的图形表示。

图6示出了表示呼吸循环的示例性波形的一种实施方式，该波形包括处于多个位置的多个模型点，其中每个模型点代表呼吸循环的一阶段。

图7A示出了通过手动控制图像获取的时间来手动触发图像获取的流程图。

图7B示出了通过自动控制图像获取的时间来自动触发图像获取的一种实施方式的流程图。

图8A示出了使用图7A中的方法的呼吸循环的示例性模型点。

图8B示出了使用图7B中的方法在呼吸循环的预期位置具有多个模型点的示例性波形的一种实施方式。

图9示出了用于自动建模的靶定位系统的一种实施方式的框图。

图10示出了根据发明的一种实施方式用于在客户机-服务器环境中自动建模的客户机上的独立处理线程。

图11示出了根据本发明的一种实施方式用于在呼吸循环的指定阶段自动触发图像获取的窗口。

图12示出了在窗口中呼吸循环的指定时间自动触发图像获取的两种实施方式。

图13示出了确定用于图像获取的指定时间的一种实施方式。

图14示出了建模方法的一种实施方式。

图15示出了跟踪方法的一种实施方式。

图16示出了可用于执行放射治疗的治疗系统的一种实施方式，其中在放射治疗中可执行本发明的实施方式。

图17是示出治疗传送系统的一种实施方式的示意框图。

图18示出了放射治疗过程的三维透视图。

具体实施方式

为了对本发明的一些实施方式提供良好理解，下面的描述展示了许多具体细节，如具体系统、组件、方法等等的示例。然而，即便没有这些具体细节，本发明的至少一些实施方式也可以实现，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在其它例子中，为了避免对本发明的不必要的模糊，没有详细描述或仅以简单的框图格式来展示已知的组件或方法。因此，展示的具体细节仅仅是示例性的。特定的实现方式可能与这些示例性细节不同，并且仍然预期包含在本发明的精神和范围内。

本发明的环境包括不同操作，将在下面描述。这些操作可以通过硬件组件、软件、固件或其组合来实现。

某些实施方式可实现为包括存储在机器可读介质中的指令的计算机程序产品。这些指令可用于对通用或专用处理器编程来执行所描述的操作。机器可读介质包括以机器(如计算机)可读的形式(如软件、处理应用程序)存储或传输信息的任何机制。机器可读介质可包括，但并不限于，磁存储介质(如软盘)；光存储介质(如CD-ROM)；磁光存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦可编程存储器(如EPROM和EEPROM)；闪存；电、光、声或其它形式的传播信号(如载波、红外信号、数字信号等)；或适于存储电子指令的另一类介质。

此外，一些实施方式可在分布式计算环境中实现，在该环境中，机器可读介质存储在多于一个的计算机系统中和/或由多于一个的计算机系统来运行。此外，在计算机系统之间传送的信息可通过例如在远程诊断或监控系统中连接计算机系统的通信介质进行拉或推。在远程诊断或监控中，尽管在用户和患者之间存在物理隔离，但用户可诊断或监控患者。此外，治疗传送系统可远离治疗计划系统。

在例如呼吸循环、心跳循环等等患者的周期性循环中的预期时间处自动触发成像的方法和系统的实施方式。如上所述，由于呼吸运动、心脏运动或其它患者运动，患者内的靶可能会移动。这些患者运动实际上可能是周期性的。这些运动的周期性循环可通过外部传感器来测量，如跟踪与患者相关联的内部或外部标记的跟踪传感器、心跳监视器等等。由外部传感器测量的、以前的周期性循环的历史数据，能够用于预测在一个或多个随后的循环中何时自动获取图像，以便为了开发相关模型而形成均匀分布的图像集合。相关模型可用于在治疗期间跟踪内靶的运动。

如上所述，使用手动触发，X-射线成像的结果以随机形式发生，也就是说，用户随机点击获取按钮，并且在当用户点击获取按钮和获取图像的时刻之间有随机的系统延迟。使用这里描述的自动触发实施方式，X-射线成像的结果由当前的LED信号(如表示外部标记的运动的信号)控制，并且当LED移动到预期触发位置时，触发事件发生，图像位于预期触发位置处。这里描述的实施方式提供了新的通信信道，来在周期性循环的指定时间实时自动触发成像。这里描述的实施方式还提供了新的算法，来计算用于呼吸循环中用于自动建模的预期时间。这里描述的实施方式还为用户提供了接口，来帮助用户实现以实质上均匀分布的图像(如模型点)对在呼吸循环期间的靶进行自动建模。这里描述的实施方式旨在提供一种具有最少的用户交互的机制，来实现对靶运动的自动建模，用于跟踪靶运动。这里描述的实施方式可在对现有体系结构有较小影响的情况下通过已经存在的靶定位系统来实现，或另外地，可通过新开发的靶定位系统来实现。

如上所述，开发了一种相关模型，将内脏器官的运动与呼吸关联在一起。相关模型包括将一个或多个外部标记映射到通过实时X-射线成像获得的内靶位置(如肿瘤位置)。然而，这里描述的实施方式并不是通过手动触发对每个X-射线图像的获取来添加模型点的方式手动创建相关模型，并且也不是手动控制X-射线图像获取的时间来在呼吸波形的预期位置获取模型点，其中呼吸波形表示下一模型点的周期性循环。相反，在一些实施方式中，通过自动触发对每个X-射线图像的获取来添加模型点，并通过自动控制X-射线图像获取的时间来在呼吸波形的预期位置获取模型点的方式自动创建相关模型，其中呼吸波形表示下一模型点的周期性循环。在一实施方式中，该方法和系统控制呼吸波形中下一X-射线图像的时间和模型点的位置(如呼吸循环中的阶段)。在另一实施方式中，操作员指定呼吸波形中模型点的预期位置(如呼吸循环中的阶段)，并且该方法和系统控制下一X-射线成像的时间来在所述预期位置获取模型点。尽管下面描述的实施方式中的一些旨在控制为呼吸波形(如呼吸循环)中的模型点自动获取图像的时间，然而在其它实施方式中，能够为其它类型的波形，如患者的心跳循环、或患者的其它周期性运动的其它波形，来执行自动图像获取。

在一实施方式中，该方法和系统被描述为，在治疗前自动获取患者的内靶的预处理图像，并使用预处理图像生成将外部标记的运动映射到靶的靶位置的相关模型。在一实施方式中，提出了一种方法和系统，来标识诸如内脏器官的靶的运动和患者的呼吸(或其它运动，例如心跳)之间的关系。这些运动可包括线性运动、非线性运动和不对称运动。在一实施方式中，该方法和系统可便于分别对在吸气和呼气期间沿着不同路径运动的靶的运动路径进行建模。自动触发预处理图像的一实施方式包括自动确定患者的周期性循环，自动确定周期性循环中获取预处理图像的指定时间，并自动向成像系统发送命令以在所述指定时间获取预处理图像。

在一实施方式中，生成相关模型包括获取数据点，该数据点表示与患者相关联的外部标记随着时间推移的位置。在一实施方式中，外部标记定义了患者的呼吸循环期间外部标记的运动的外部路径。数据点对应于预处理图像。该方法和系统基于数据点和预处理图像标识靶的运动的路径，并使用靶的运动的路径开发相关模型。

该方法和系统可考虑呼吸或内部对象的位置、速度和/或方向来开发一个或多个相关模型。该方法和系统还可使用靶位置已知的时间的数据点。可以在监控靶位置的同时监控呼吸。可以在所关心的时间获得有关呼吸的位置和速度/方向的信息。相关模型一旦建立，可以与呼吸监控系统一起用于定位和跟踪靶的内部运动，靶例如是器官、部位、病变、肿瘤等等。

图1示出了治疗跟踪环境的剖视图。治疗跟踪环境描述了患者内的内靶10、线性加速器(LINAC)20和外部标记25的相应运动。示出的治疗跟踪环境例如表示患者胸部，或是在患者的呼吸循环期间内脏器官可能运动的患者的其它部位。通常，将根据吸气间隔和呼气间隔来描述患者的呼吸循环，尽管可以使用其它指定和/或描绘来描述呼吸循环。

在一实施方式中，LINAC 20在一个或多个维度上运动来定位并定向它自己，以向靶10传送放射束12。尽管描述了实质上平行的放射束12，但LINAC 20可在多个维度上围绕患者运动，来从多个不同位置和角度投射放射束12。例如，当患者呼吸时，LINAC 20跟踪靶10的运动。一个或多个外部标记25被固定或布置到患者的外部30上以便监控患者的呼吸循环。在一实施方式中，外部标记25可以是附加到患者穿着的背心上的设备，如光源(如发光二极管(LED))或金属扣。另外地，外部标记25可以另一种方式附加到患者的衣服或皮肤上。

当患者呼吸时，跟踪传感器32跟踪外部标记25的位置。例如，跟踪传感器可跟踪外部标记25在吸气间隔期间的向上运动以及外部标记25在呼气间隔期间的向下运动。如下面所述，外部标记25的相对位置与靶10的位置相关联，因此LINAC 20可相对于外部标记25的位置和相关联的靶10位置运动。在另一实施方式中，可使用其它类型的外部或内部标记代替示出的外部标记25，或者除了示出的外部标记25以外，可使用其它类型的外部或内部标记。

作为一个例子，在指定的四个位置D₀、D₃、D₅、D₇显示描述的靶10。第一位置D₀可大约对应于吸气间隔的开始。第二位置D₃可对应于吸气间隔期间的时间。第三位置D₅可大约对应于吸气间隔的结束和呼气间隔的开始。第四位置D₇可对应于呼气间隔期间的时间。靶10运动路径上的另外的位置将参考下面的图来详细地图形化显示并描述。当患者呼吸时，靶10可沿着患者体内的路径运动。在一实施方式中，靶10的路径是不对称的，因为靶10在吸气和呼气间隔期间沿不同路径运动。在另一实施方式中，靶10的路径至少部分是非线性的。靶10的路径可受到靶10的大小和形状、靶10周围的器官和组织、患者呼吸的深度和浅度等的影响。

类似地，在对应于靶10的位置的第一位置D₀、第二位置D₃、第三位置D₅和第四位置D₇显示外部标记25。通过将外部标记25的位置关联到靶10，可从外部标记25的位置获得靶10的位置，尽管外部标记25可在实质上与靶10的路径和方向不同的方向或路径上运动。在对应于靶10的位置的第一位置D₀、第二位置D₃、第三位置D₅和第四位置D₇还显示LINAC 20。采用这种方式，当靶10的位置关联到外部标记25的感测位置时，LINAC 20的运动可实质上与靶10的运动同步。

图2是在呼吸周期期间内靶10的运动的示例性二维路径的图形表示35。横坐标表示在第一维度(x)中靶10的位移(如以毫米表示)。纵坐标表示在第二维度(z)中靶10的位移(如以毫米表示)。靶10可类似地在第三维度(y)中移动。如图表35所示，靶10运动的路径是非线性的。此外，运动的路径在吸气周期和呼气周期期间是不同的。作为例子，吸气路径可对应于图表35中x方向上从0到25之间的上面部分，其中在吸气和呼气之间的时刻0是起始参考位置D₀，25是最大位移位置D₅。对应的呼气周期可是图表35中D₅和D₀之间的下面部分。在描述的实施方式中，位移位置D₃大致位于D₀和D₅之间的吸气路径上。类似地，位移位置D₇大致位于D₅和D₀之间的呼气路径上。在图4中和另外的位移点一起显示这些位移点。

图3是呼吸周期期间内靶10随时间变化的运动的示例性路径的图形表示40。图表40显示随着时间的推移(如以秒表示)靶10在x方向(虚线)和z方向(实线)上的位移(如以毫米表示)。图表40还显示例如外部标记10的位移(以毫米表示)来标识呼吸周期(虚线)。在描述的实施方式中，外部标记25在x方向上的最大位移(约30毫米)大于靶10在x方向上的最大位移(约25毫米)，或z方向(约8毫米)。然而，靶10在不同方向上的最大位移并不必然与和呼吸循环相关联的外部标记25的最大位移相对齐。此外，靶10在一个方向上的最大位移并不必然与另一方向上的最大位移相对齐。例如，外部标记25的最大位移发生在大约1.75秒，而内脏器官10在x和z方向上的最大位移可分别发生在大约2.0和1.5秒。这些未对齐的情况在吸气和呼气路径中都可能发生。

图4是与图2中显示的运动的路径相关联的数据点D₀-D₉的示例性集合的图形表示45。特别地，数据点D₀-D₉叠加在靶10的运动的路径上。数据点D₀-D₉对应于呼吸周期期间的不同时间点。在示出的实施方式中，一个数据点，数据点D₀，指定吸气间隔之前靶10的初始参考位置。四个数据点D₁-D₄指定吸气间隔期间靶10的运动。数据点D₅指定吸气和呼气间隔之间的时刻。数据点D₆-D₉指定呼气间隔期间靶10的运动。下表为每个数据点D₀-D₉提供了大致坐标。可在其它方向上为外部标记25的位移或靶10的位移提供类似坐标。

数据点 (x，z)(毫米)

D₀ (0，1)

D₁ (2，3)

D₂ (8，5)

D₃ (14，7)

D₄ (24，8)

D₅ (25，7)

D₆ (23，5)

D₇ (16，2)

D₈ (8，0)

D₉ (1，0)

表1.数据点坐标

图5是与图3中显示的运动的路径相关联的数据点D₀-D₉的示例性集合的图形表示50。数据点D₀-D₉以叠加在靶10和外部标记25的运动的路径上的竖线表示。下表提供了与每个数据点D₀-D₉相对应的大致时间，以及为外部标记25提供了大致位移值r。

数据点时间(秒) r(毫米)

D₀ 0.0 1

D₁ 0.4 6

D₂ 0.81 6

D₃ 1.1 22

D₄ 17 30

D₅ 2.4 28

D₆ 2.8 23

D₇ 3.2 14

D₈ 3.7 5

D₉ 4.0 0

表2.数据点时间

图6示出了表示呼吸循环的示例性波形的一种实施方式，其中该波形包括位于多个位置处的多个模型点，每个模型点表示呼吸循环的一个阶段。呼吸循环波形在预期位置601处包括八个模型点。八个模型点中的每个都表示呼吸循环600的不同阶段。线上面的模型点表示吸气或呼气，线下面的模型点表示与线上面的模型点相反的状态。应该注意到，最大和最小模型点之间的距离表示呼吸循环的幅度。在一实施方式中，预期位置601由操作员选择，系统在预期时间602处自动触发图像获取，来在预期位置601处为每个模型点获得图像。例如，操作员可指定四个预期位置601(0)、601(2)、601(4)和601(6)，相应地，系统确定在时间602(0)、602(2)、602(4)和6012(6)处为在预期位置601(0)、601(2)、601(4)和601(6)处的模型点获取图像。在另一实施方式中，预期位置601由系统自动选择，并且系统在预期时间处自动触发图像获取。在这些实施方式中，系统试图通过在预期时间处自动触发图像获取来实现呼吸循环600中模型点的理想分布。

应该注意到，尽管图6示出并描述了八个模型点，然而，在其它实施方式中，可使用多于或少于八个的模型点，例如，在一实施方式中，可使用三个模型点来创建相关模型。

模型点表示呼吸循环600中X-射线图像在指定时间处被获取的不同阶段。应该注意到，每个模型点的图像并不必然在同一呼吸循环内被获取，但是呼吸循环600的模型点表示在呼吸循环的预期位置处图像应该被获取的不同阶段。类似地，指定时间602表示呼吸循环中图像应该被获取的时间，该时间可位于一个或多个不同呼吸循环中。例如，预期位置601(0)处的第一模型点可在第一呼吸循环期间的时间602(0)处被获取，预期位置601(1)处的第二模型点可在第二呼吸循环期间的时间602(1)处被获取。

在一实施方式中，操作员点击按钮，例如用户接口中的“获取”按钮，则系统自动控制X-射线图像获取以在预期位置处添加模型点的时间。模型点由系统自动选择。在另一实施方式中，操作员通过点击模型点来选择呼吸循环600中的预期位置，并点击用户接口中的按钮(如“获取”按钮)，则系统自动控制X-射线图像获取以在用户选择的预期位置处添加模型点的时间。在另一实施方式中，用户接口提供了图像在呼吸循环中的何处被获取的视觉反馈。

在一实施方式中，使用随着时间的推移与患者相关联的外部标记位置的多个数据点，例如根据图1中的跟踪传感器32和外部标记25所描述的那样，来确定呼吸循环600。外部标记的位置定义了外部标记运动的外部路径，其可被用于定义呼吸循环。在预期位置601处的模型点对应于波形中的数据点。包含跟踪传感器32的运动跟踪系统跟踪一个或多个外部标记的运动并确定一个或多个外部标记25的位置。一个或多个外部标记的运行可用于定义患者的呼吸循环600。呼吸循环600然后能够用于确定预期位置(如呼吸循环的不同阶段)，在该预期位置处图像应该被获取，来以实质上均匀分布的模型点生成相关模型。使用预期位置处的数据点和图像(如模型点)，标识出了患者体内靶运动的路径，并且基于靶运动的路径开发出了相关模型。为了开发该相关模型，可使用多种类型的曲线拟合逼近。在一实施方式中，使用对靶运动的路径的多项式近似来开发相关模型，如在由本申请的受让人共同拥有的2005年9月29日提交的申请号11/239789和11/240593中所描述的那样。在一实施方式中，多项式近似是二次多项式。另外地，可使用其它类型的近似来开发相关模型。

在一实施方式中，相关模型是线性相关模型。在这种实施方式中，使用两个模型点来确定线性相关模型的原点和主轴。线性的靶运动使用这类模型。在另一实施方式中，相关模型是曲线相关模型。当靶沿着弧来回运动，即作曲线运动时使用曲线相关模型。一般，使用四个或更多模型点来建立这类模型。在另一实施方式中，相关模型是双曲线相关模型。当靶沿着弧运动并在例如由于呼吸而导致的吸气和呼气期间使用不同路径时，使用双曲线相关模型。通过两种曲线路径来表示靶的运动，以区分吸气和呼气期间发生的模型点。一般，使用七个或更多模型点来建立这类模型。另外地，相关模型可是本领域普通技术人员已知的其它类型的模型。应该注意到，模型类型可在每个外部标记之间变化。

在一实施方式中，呼吸循环600的波形表示由于呼吸导致的一个或多个外部标记(如标记LED)的运动。波形中的波峰和波谷表示患者呼吸循环的两端，例如开始吸气/呼气和结束吸气/呼气。波峰可在一种波形中对应吸气顶点(full inspiration)并在另一种波形中对应呼气顶点(full expiration)，取决于一个或多个外部标记中的每个标记的运动。治疗传送系统(包括成像系统)获取的每个X-射线图像向相关模型添加模型点。为了创建精确且健壮的模型，模型点应该均匀分布并覆盖呼吸运动的整个范围。为了使模型点分布均匀，X-射线图像获取的时间根据呼吸运动自动控制，并由一个或多个外部标记监控。在一实施方式中，获取三个图像来开发相关模型；更具体地，使用两个图像构建相关模型，并使用一个图像确认开发的相关模型。在另一实施方式中，一次获取十五个图像并存储到模型数据集合中来开发相关模型。另外地，可使用其它数量的图像开发相关模型。在一实施方式中，当获取另外的图像时，更新模型数据集合，更新后的模型数据集合可用于更新相关模型。在一实施方式中，使用先进先出(FIFO)方法来更新数据集合。另外地，可使用其它类型的方法来开发并更新相关模型。

在一实施方式中，如图6示出的那样，在八个指定时间602，获取八个不同位置601处的八个图像。执行对八个图像的获取可保证相关模型的精确性，即使在不同的条件下，如靶的移动超过20毫米(mm)、靶的移动被怀疑实际上很复杂，靶的移动位于呼吸运动阶段之外等等。图6示出了在呼吸循环600中X-射线图像何时实质上均匀分布。例如，预期位置601(2)和602(6)处的模型点(如X-射线图像)是在吸气顶点和呼气顶点时获取的模型点，预期位置601(0)和601(4)处的模型点是在吸气和呼气的中点获取的模型点。其余在预期位置601(1)、601(3)、601(5)和601(7)处的模型点是在呼吸循环600的顶模型点和中点模型点之间的一半幅度处获取的模型点。预期位置601(0)-601(7)处的模型点实质上均匀分布在呼吸循环600中。

图7A示出了通过手动控制图像获取的时间来手动触发图像获取的流程图。方法700包括手动控制在呼吸循环的预期位置获取图像的时间的不同操作。操作701：成像系统从靶定位系统(TLS)接收触发成像的消息。可响应于用户接口上的操作，如操作员点击用户接口上用于获取图像的按钮，将该消息发送给成像系统。操作702：成像系统准备两个成像器并等待。操作703：方法700然后确定两个成像器是否都准备好。如果两个成像器都没有准备好，方法700返回操作702。操作704：当两个成像器都准备好时，成像系统记录时间戳并触发成像器来获取图像。时间戳可被发送回TLS。

图7B示出了通过自动控制图像获取的时间来自动触发图像获取的一实施方式的流程图。方法750包括自动控制在呼吸循环的预期位置获取图像的时间的不同操作。操作751：成像系统从TLS接收触发成像的消息。如上所述，可响应于用户接口上的操作，将该消息发送给成像系统。然而，与操作751不同的是，像下面所描述的，成像系统并不获取图像，直到接收到基于呼吸循环中的指定的时间的单独的触发信号(或命令)。操作752：成像系统准备两个成像器并等待。操作753：方法750然后确定两个成像器是否都准备好。如果两个成像器都没有准备好，方法750返回操作752。操作754：当两个成像器都准备好时，方法750等待触发信号(或命令)，并确定是否发生触发信号超时。操作755：如果没有发生触发信号超时，方法750确定触发信号是否来自TLS。如果没有接收到触发信号，方法750的操作返回操作754来确定操作754中是否发生触发超时。操作756：然而，如果操作755中接收到触发信号，成像系统记录时间戳并触发成像器来获取图像。时间戳可被发送回TLS。操作756：然而，如果确定操作754中发生了触发超时，成像系统记录时间戳并触发成像器来获取图像。当超时发生时，成像器仍然获取图像，但并不在指定的时间处。在这个实施方式中，通过TLS和成像系统之间的通信信道在预期时间处实时发送触发信号(或命令)，其中预期时间由TLS确定。TLS计算在呼吸循环中为了自动建模而获取图像的预期时间。方法750为用户提供了一种在最少的用户交互下，获取用于相关模型的实质上均匀分布的模型点的自动机制。

图8A示出了使用图7A的方法的呼吸循环800的示例性模型点。呼吸循环800包括位于实际位置801处的多个模型点。实际位置801处的模型点表示在呼吸循环800中使用手动计时过程来实际获取图像的位置。由于手动控制图像获取的时间，模型点并不均匀分布在呼吸循环800中。同样，应该注意到，在这个例子中，多于八个模型点被添加到模型数据集合中，以试图在呼吸循环的指定阶段获得模型点，导致增加了不必要的成像发生。同样，由于手动控制图像获取的时间，操作员手动触发成像系统的时刻与成像系统实际获取图像的时刻之间的延迟导致了并未像图6示出的那样在预期位置601处而是在其它位置处获取模型点。该延迟使得确定在呼吸循环中操作员应该何时手动触发成像系统来获取图像的猜测过程变得复杂。

图8B示出了使用图7B的方法在呼吸循环850的预期位置处具有多个模型点的示例性波形的一实施方式。在指定时间852实际位置851处呼吸循环850包括多个模型点。实际位置851处的模型点表示在呼吸循环850中使用自动计时处理来实际获取图像的位置。在这个实施方式中，在指定时间852实际位置851处获取模型点。例如，实际位置851(0)-851(7)处的模型点分别在指定时间852(0)-852(7)被获取。在这个实施方式中，模型点的实际位置851对应于预期位置601(图6中示出)，指定时间852对应于预期时间602(图6中示出)。由于自动控制图像获取的时间，模型点的分布在呼吸循环850中实质上均匀分布，这与呼吸循环800中的模型点不同。同样，应该注意到，在这个实施方式中，只有八个模型点被添加到模型数据集合中，不需要更多另外的图像来在呼吸循环的指定阶段获得模型点，这与图8A中的例子不同，因为在指定阶段的指定时间852处获取了八个图像。因此，没有增加不必要的成像发生。同样，由于自动控制图像获取的时间，操作员触发成像系统的时刻与成像系统实际获取图像的时刻之间的延迟变得无关，因为系统自动控制在呼吸循环850中的预期位置处图像获取的时间。系统自动控制在指定时间处图像获取的时间，来在呼吸循环600中的预期时间602预期位置601(图6中示出)处获得模型点。通过自动控制时间，系统能够消除操作员作出的确定在呼吸循环中操作员应该何时手动触发成像系统来获取图像的猜测。

图9示出了用于自动建模的靶定位系统900的一实施方式的框图。靶定位系统900包括用户接口901、处理设备902、数据储存设备903和运动跟踪系统904。用户接口906、数据储存设备903和运动跟踪系统904分别通过接口906、907和908耦合到处理设备902。靶定位系统900通过接口909耦合到成像系统905。成像系统905包括一个或多个成像源910、一个或多个对应的成像探测器911和成像控制器912。成像源910、成像探测器911和成像控制器912分别通过诸如总线之类的通信信道(未示出)互相耦合。

用户接口901可包括显示器，例如图16中描述的显示器538，一个或多个输入设备，例如键盘、鼠标、跟踪球或类似设备，来通信信息、为处理设备902选择命令、控制显示器上的光标运动等等。用户接口901配置为帮助用户实现在最少的用户交互下获得呼吸循环期间具有实质上均匀分布的靶的图像的自动建模。在一实施方式中，用户接口901是包括“获取”按钮的图形用户接口(GUI)。一旦选择了“获取”按钮，用户接口901向处理设备902发送获取命令。相应地，处理设备902自动确定获取图像的呼吸循环的阶段，并自动触发成像系统905来在确定的指定时间处获取图像。在另一实施方式中，用户接口901提供带有呼吸循环的通用图形的窗口，以及多个输入设备(如无线输入按钮)，来选择呼吸循环的阶段(如位置)。通用图形可像图6中的波形和模型点那样显示。相应地，处理设备902在呼吸循环的指定阶段自动获取模型点(如图像)。可为呼吸循环的其它阶段重复上述操作。在另一实施方式中，用户接口901提供了一个或多个外部标记、图像被获取的呼吸循环的实际位置等的位置数据的视觉反馈。在另一实施方式中，用户接口901包括一按钮，在呼吸循环的实质上均匀分布的阶段自动获取图像，并基于自动获取的图像自动开发相关模型。另外地，用户接口901可包括与上面描述的那些相比更多或更少的用户接口机制，以允许用户在指定时间自动获取图像时与靶定位系统900交互。

在一实施方式中，成像源910生成成像束(如X-射线、超声波、射频波等)，成像探测器911探测并接收成像束。另外地，成像探测器911可探测并接收来自成像源(如在MRI或PET扫描中)的第二成像束或由成像束激发的发射。在一实施方式中，诊断成像系统510可包括两个或更多诊断成像源910以及两个或更多对应的成像探测器911。例如，两个X-射线源910可放置在患者周围来成像，固定在不同的角度(如90度、45度等)并通过患者指向相应的成像探测器911，X-射线源可与成像源911处于径向相对位置。每个X-射线成像源911也可照射单个大成像探测器911或多个成像探测器911。另外地，可使用其它数量和配置的成像源910和成像探测器911。

成像源910和成像探测器911耦合到图像控制器912，其在成像系统905内控制成像操作并处理图像数据。在一实施方式中，处理设备516与成像源512和成像探测器514通信。处理设备516的实施方式可包括一个或多个通用处理器(如微处理器)、专用处理器如数字信号处理器(DSP)或其它类型的设备，例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。处理设备516还可包括其它组件(未显示)，例如存储器、储存设备、网络适配器等等。在一实施方式中，处理设备516生成标准格式的图像(如诊断和/或治疗内图像)，标准格式例如是医学数字影像和通讯(DICOM)格式。在其它实施方式中，处理设备516可生成其它标准或不标准的数字图像格式。

运动跟踪系统904配置为跟踪并补偿靶10相对于LINAC 20的放射源(图9中未示出)的运动。运动跟踪系统904包括一个或多个跟踪传感器32，跟踪一个或多个外部标记25的位置。例如，跟踪传感器32可跟踪吸气间隔期间外部标记25的向上运动，和呼气间隔期间外部标记25的向下运动。外部标记25的相对位置与靶10的位置相关联，使得LINAC 20可相对于外部标记25的位置和靶10的相关联的位置运动。在另一实施方式中，可使用其它类型的外部或内部标记代替示出的外部标记25，或者除了示出的外部标记25以外，可使用其它类型的外部或内部标记。

作为一个例子，像图1中示出和描述的那样，在指定的四个位置D₀、D₃、D₅、D₇显示描述的靶10。当患者呼吸时，靶10可沿着患者体内的路径运动。在一实施方式中，靶10的路径是不对称的，因为靶10在吸气和呼气间隔期间沿不同路径运动。在另一实施方式中，靶10的路径至少部分是非线性的。靶10的路径可能受到靶10的大小和形状、靶10周围的器官和组织、患者呼吸的深度和浅度等的影响。通过将外部标记25的位置关联到靶10，可从外部标记25的位置获得靶10的位置，尽管外部标记25可在实质上与靶10的路径和方向不同的方向或路径上运动。在对应于靶10的位置的第一位置D₀、第二位置D₃、第三位置D₅和第四位置D₇还显示LINAC 20，如图1中描述和示出的那样。采用这种方式，当靶10的位置关联到外部标记25的感测位置时，LINAC 20的运动可实质上与靶10的运动同步。

使用运动跟踪系统904跟踪靶10的位置可用多种方式来执行。一些示例性跟踪技术包括现有技术中已知的基准跟踪、软组织跟踪和骨架结构跟踪；相应地，并没有提供具体的讨论。

在一实施方式中，运动跟踪系统904是由位于加利福尼亚的Sunnyvale的Accuray公司开发的

呼吸跟踪系统。另外地，也可使用其它运动跟踪系统。

在一实施方式中，与治疗传送系统900的处理设备902一起使用运动跟踪系统904来向靶传送放射束，其中靶周围的组织在治疗传送期间随呼吸运动。运动跟踪系统904跟踪放置在患者上的一个或多个外部标记(图9未示出)的运动。运动跟踪系统904还配置为在刚要治疗传送前或治疗传送期间补偿靶的运动。在补偿靶的运动时，运动跟踪系统904确定随着时间的推移一个或多个外部标记的运动。一个或多个外部标记的运动可发送到处理设备902用于处理，并发送到储存设备903以存储在用于相关模型的数据集合中。在一实施方式中，包括放射源106的LINAC 20运动，以补偿由TLS 900确定的靶10的运动。例如，LINAC 20可以基于运动跟踪系统904或处理设备902所作的计算来运动，使源轴(SAD)保持固定。可选地，LINAC 20是静态的，运动跟踪系统904为SAD确定不同的值。

在一实施方式中，数据储存设备903存储所监控的外部标记的多个位移点。位移点表示患者的呼吸循环期间外部标记的运动。处理设备902确定对应于呼吸循环的第一阶段的呼吸循环中的指定时间，以基于存储的位移点获取靶的图像。处理设备902还自动触发成像系统905，以在呼吸循环的第一阶段获取靶的图像。处理设备902还确定与第一指定时间相同的呼吸循环或随后的呼吸循环中另外的指定时间，来获取对应于呼吸循环的其它阶段的靶的另外的图像，并自动触发成像系统来在指定时间获取靶的另外的图像，以获得对应于呼吸循环的其它阶段的模型点。除了存储位移点外，储存设备903可配置为存储成像系统905获取的图像的图像数据。处理设备902使用图像和位移点来生成相关模型。

应该注意到，在上面的实施方式中，呼吸循环的不同阶段实质上是均匀分布的，并且因为由处理设备902自动控制图像获取的时间，作为用于模型相关的模型点的获取的图像实质上是均匀分布的，导致产生了与具有实质上分布不均的模型点的相关模型相比更好的相关模型。

在另一实施方式中，在处理设备902或图像控制器912的控制下，成像系统905通过在治疗期间自动获取靶的图像来周期性地生成关于靶的位置数据，并且运动跟踪系统904连续生成治疗期间关于一个或多个外部标记的外部运动的位置数据。关于靶的位置数据和关于外部标记的外部运动的位置数据被用于更新相关模型。对治疗期间图像的图像获取时间还可由处理设备902自动控制，使得在呼吸循环的指定时间(对应于指定阶段)获取图像。在一实施方式中，使用成像系统905在指定时间获取的预处理图像以及运动跟踪系统904获取的位移点在刚要治疗前生成相关模型。在治疗期间，使用相关模型确定靶的当前位置。可获取另外的图像或位移点，并且基于另外的图像和位移点更新相关模型。

在一实施方式中，为了在指定时间自动获取图像，处理设备902通过接口909向成像系统905发送触发命令或信号。除了由处理设备902向成像系统905发送的命令或信号外，触发命令可以是为图像获取而准备成像源910的命令。一旦成像系统905准备好获取图像，成像系统905等待接收触发命令或信号来实际获取图像。通过使用触发命令或信号，处理设备210能够自动控制由成像系统905在呼吸循环的指定时间执行图像获取的时间。

处理设备210还配置为基于相关模型产生靶的靶位置，并将与靶位置相关联的位置信号通过接口914发送给束生成器控制器913，其控制LINAC 20的放射源以将束引向靶。采用这种方式，当靶10的位置与外部标记25的感测位置相关联时，LINAC 20的运动可实质上与靶10的运动同步。

在另一实施方式中，处理设备902是运动跟踪系统904的一部分，并且与成像系统905通过接口连接，以自动控制图像获取的时间，就像上面描述的那样。另外地，可使用处理设备902、运动跟踪系统904和成像系统905的其它配置。

图10示出了根据本发明的一个实施方式用于在客户机-服务器环境下自动建模的客户机1002中的独立处理线程1000。在客户机1002中的独立线程1000上运行自动建模客户应用，以提供对图像获取的时间的自动控制。服务器1001，其可能是靶定位系统900，与客户机1002通过接口连接，客户机可能是成像系统905。服务器1001和客户机1002通过诸如上面描述的接口909那样的接口与通信1003交互。例如，服务器1001向客户机1002发送消息，来在呼吸循环中的指定时间自动获取一个或多个图像。客户机1002响应通信1003中的消息，图像控制器912向成像器A 910(A)和成像器B 910(B)发送释放信号(或命令)1004，例如像关于图7B的操作752描述的那样。成像器910(A)和910(B)准备获取图像，并且当成像器910(A)和910(B)中的每个准备好时，向图像控制器912发送准备/等待信号(1005(A)和1005(B))，以指示成像器910(A)和910(B)中的每个准备好获取图像。与如上所述的方法700不同的是，成像器910(A)和910(B)不在此时获取图像，而是等待直到从成像控制器912接收到独立触发信号1007。如这里所述，独立触发信号1007允许在呼吸循环的指定时间执行图像获取。在这个实施方式中，客户机1002接收窗口选通信息1006来确定何时发出触发信号1007。窗口选通信息1006可包括外部标记分析(如LED分析)，其包含成像窗口以允许图像控制器912在成像窗口内发出触发信号1007。通过在成像窗口内成像，可在呼吸循环的指定位置获取图像。响应于触发信号1007，成像器910(A)和910(B)记录当前时间戳1009(A)和1009(B)，并执行图像获取1010(A)和1010(B)来在指定时间获取图像。成像器910(A)和910(B)还将事件1008(A)和1008(B)登记在图像控制器912中，作为独立线程1000的一部分。

独立线程1000，包括触发信号1007，用于自动控制在指定时间由成像器910(A)和910(B)进行的图像获取的时间。通过自动控制时间，可在呼吸循环的实质上均匀分布的阶段获取图像。

在另一实施方式中，服务器1001确定窗口选通信息1006，并且服务器向客户机1002发送在其中获取图像的成像窗口的窗口选通信息1006。在另一实施方式中，图像控制器912接收外部标记的原始数据并确定成像窗口以在呼吸循环的指定时间获取图像。

尽管将服务器1002描述为靶定位系统900，然而另外地，服务器1002可是运动跟踪系统904，或是能够为客户机1002确定窗口选通信息1006的其它系统。

图11示出了根据本发明的一种实施方式在呼吸循环的指定阶段自动触发图像获取的窗口。当两个成像器910(A)和910(B)都准备好时，例如像图7B的操作753那样，可使用外部标记分析1107来确定窗口选通信息1006，正如上面描述的那样，用于基于外部标记分析1107触发图像获取1111。窗口选通信息1006用于确定成像窗口(如窗口1101-1103)以在呼吸循环的指定阶段1108触发图像获取。窗口选通信息1006还可包括分别关于好窗口1112和坏窗口1113(未全部标记)的信息，其指示对于基于外部标记分析1107获取图像来说，窗口是好窗口还是坏窗口。外部标记分析1107包括关于三个外部标记的位置数据。关于三个外部标记的位置数据定义了呼吸循环1104-1106。使用位置数据，系统(如处理设备902)能自动选择获取图像的指定阶段1108，或者系统能允许用户选择指定阶段1108。一旦选择了指定阶段1108，系统确定成像器910(A)和910(B)将获取指定阶段1108的图像的窗口1101-1103。由于成像器910(A)和910(B)都准备好，成像器910(A)和910(B)能在窗口1103中接收触发信号，并且每个都在窗口1103中获取图像(如图像获取1109)，窗口1103指定为指定阶段1108的好窗口1112。如果在窗口1103中没有获取图像，成像器910(A)和910(B)能在窗口1104中接收触发信号，并且每个都在窗口1104中获取图像(如图像获取1110)，窗口1104指定为指定阶段1108的好窗口1112。类似地，如果在窗口1104中没有获取图像，可在窗口1105中获取图像，窗口1105也指定为指定阶段1108的好窗口1112。窗口1103-1105中的每个表示指定阶段1108的好窗口1112。因此，能在呼吸循环的指定时间和位置自动获取图像。

图12示出了窗口1201中在呼吸循环的指定时间自动触发图像获取的两种实施方式。如上所述，当两个成像器910(A)和910(B)都准备好时，使用外部标记分析1207确定在其中获取图像的窗口1201。在一实施方式中，对外部标记分析1207进行采样的频率实质上高于呼吸循环的频率，以允许采样1202表示关于何时触发成像器910(A)和910(B)的实时或接近实时信息。对采样的每次更新表示触发成像器910(A)和910(B)的潜在点。根据采样1202的模式，能够使用更新的采样1202估计预期阶段(如窗口1201)。如果在采样1202的当前位置希望获取图像(如在窗口1201内)，成像消息被发送到成像器910(A)和910(B)来触发X-射线成像。

在另一个实施方式中，外部标记分析1208的采样频率低于外部标记分析1207的采样频率。由于外部标记分析1208的采样频率较低，因此不用预测图像获取的时间。例如，使用外部标记分析1208的模式，可通过对采样1208进行差值来预测窗口1201，以确定触发图像获取的窗口1201。应该注意到，在这些实施方式中，X-射线发射不是触发后的即时反应，而是延迟反应触发。使用采样1203预测在采样1208之间获取图像的时间。该预测基于外部标记分析1208中示出的所估计的呼吸周期，以及上次采样1203后的名义上的延迟。使用预测允许了呼吸循环期间在指定时间(如窗口1201)的自动图像获取，而不管外部标记的采样频率是否实时或少于实时更新。

在一实施方式中，历史数据1302表示在历史数据窗口中，该历史数据窗口配置为按时间适应地向前运动。历史数据每次更新时(如LED运动的每次采样)，系统通过重新估计历史数据1302来更新历史数据窗口。

图13示出了确定用于图像获取的指定时间的一实施方式。在这种实施方式中，通过(1301)：第一，收集在最新的采样1303之前的历史采样数据1302(如10-12秒)，第二，将采样数据均匀分布到运动范围的五个区域1301，来确定模型度量。五个区域1301表示在呼吸循环的那部分期间运动(如LED运动波形)的范围(r)，并且五个区域1301根据最小值和最大值在0到100之间定标，其中分配0为最小值，且分配100为最大值。在这种实施方式中，区域I在80和100之间，区域II在60和80之间，区域III在40和60之间，区域IV在20和40之间，区域V在0和20之间。接下来，使用导数r`将运动的范围区分为吸气和呼气，r`(+)和r`(-)分别表示吸气和呼气，或与此相反。最新的采样1303然后能被分成下表中的八个模型度量区域：

1)I(r`≈0)

2)II(r`(+)) 6)II(r`(-))

3)III(r`(+)) 7)III(r`(-))

4)IV r`(+) 8)IV(r`(-))

5)V(r`≈0)

表3.模型度量区域

八个模型度量区域对应于呼吸循环的八个阶段。在一实施方式中，为呼吸循环的八个阶段中的每个获取图像。

一旦在操作1301中确定了模型度量区域，系统在操作1302中确定最新的LED读数(如最新的采样1303)，并在操作1303中使用r和r`确定它属于八个模型度量区域中的哪一个。接下来，操作1304，系统确定最新的采样1303的当前位置是否是相关模型的预期模型点。如果当前位置不是预期模型点，系统返回操作1302中获得最新的LED读数。操作1305，然而，如果当前位置是预期模型点，系统发送触发消息(如触发信号或命令)来自动触发成像器910(A)和910(B)去获取图像。

应该注意到，尽管描述的实施方式使用了五个区域，然而另外地，可使用更多或更少的区域来将运动范围分成不同的模型度量区域。同样，在另一实施方式中，如上所述，针对延迟响应触发，系统可确定在采样点之间获取图像的延迟。

图14示出了建模方法150的一实施方式。在一实施方式中，建模方法150可结合例如图16中的治疗系统500之类的治疗系统来实现。此外，描述的建模方法150可用硬件、软件和/或固件在治疗系统500中来实现，治疗系统500例如是治疗计划系统530或治疗传送系统550。尽管就治疗系统500描述了建模方法150，可以在另一系统中或独立于治疗系统500来实现建模方法150的实施方式。在一实施方式中，描述的建模方法150用硬件、软件和/或固件在例如图16中的治疗计划系统530之类的治疗计划系统中来实现。尽管就治疗计划系统530描述了建模方法150，可以在另一系统中或独立于治疗计划系统530来实现建模方法150。

操作155：示出的建模方法150开始，并且治疗计划系统530获取外部标记25的位置的初始数据集合。作为操作155的部分，治疗计划系统530还自动获取155靶10的一个或多个图像。应该注意到，如这里描述的，这些图像是在呼吸循环的指定时间(对应于指定阶段)自动获取的。可根据这些图像获得靶10的位置。还可相对于外部标记25的位置确定靶10的位置。

操作160：治疗计划系统530随后使用数据集合和图像来像上面所述的那样开发线性相关模型。操作165：治疗计划系统530还使用数据集合和图像来像上面所述那样开发非线性多项式相关模型。操作170：治疗计划系统530还使用数据集合和图像来像上面所述那样开发多-多项式相关模型(multi-poly correlation model)。操作175：治疗计划系统530还使用数据集合和图像来开发多线性相关模型。多线性相关模型包括吸气的线性模型和呼气的线性模型。尽管示出的建模方法150开发了多种类型的相关模型，建模方法150的其它实施方式可开发更少或更多的相关模型，其包括这里描述的一些或所有相关模型。不同类型的相关模型对于本领域普通技术人员来说是已知的，且没有包括关于这些类型的相关模型的另外的细节，以便使得本发明的实施方式不难理解。

治疗计划系统530维持这些相关模型，并且，在某些实施方式中，监控或获取新数据和/或图像。当接收到新数据或图像时，操作180，治疗计划系统更新数据集合和或图像，操作185，并可基于新信息迭代开发新模型。采用这种方式，建模方法150可实时维护相关模型。

应该注意到，方法150还可用关于图16描述的治疗传送系统550、或关于图9描述的靶定位系统来执行。

作为另一实施方式中方法的部分，治疗计划系统530确定外部标记25的位移是否在不同相关模型的边界内。例如，以上描述的相关模型中的许多相关模型的位移范围在大约0和30毫米之间。患者吸气或呼气的方式可能将外部标记25运动到相关模型范围之外。如果外部标记25的位移不在相关模型的范围内，那么治疗计划系统530可选择线性相关模型外插到模型边界外。另外地，治疗计划系统530可选择另一相关模型，如多线性相关模型，并从选择的相关模型确定靶10的估计的位置。

图15示出了跟踪方法250的一实施方式。在一实施方式中，跟踪方法250结合例如图16中的治疗系统500之类的治疗系统来实现。此外，描述的跟踪方法250可用硬件、软件和/或固件在治疗系统500中实现。尽管就治疗系统500描述了跟踪方法250，可以在另一系统中或独立于治疗系统500来实现跟踪方法250。

操作255：示出的跟踪方法250开始，并且治疗系统500执行校准来初始化模型开发和选择。在一实施方式中，这种校准包括在治疗传送之前执行建模方法150。在另一实施方式中，多次执行建模方法150来建立历史数据。

操作260：当跟踪系统500被校准后，跟踪系统500基于选择的相关模型获得靶10的靶位置。如上所述，靶10的靶位置可与外部标记25的已知位置相关，并由相关模型中的一个得到。操作265：跟踪系统随后发送指示靶位置的位置信号到束生成器控制器913(如图9的束生成器控制器)。在一实施方式中，治疗系统500传送位置信号到治疗传送系统，例如图16的治疗传送系统550。操作270：治疗传送系统550然后移动并定位束生成器，例如图16的放射源552。下面将更详细地描述治疗传送系统550和放射源552。

操作275：治疗计划系统530继续在呼吸循环的随机阶段或指定阶段获取外部标记25的新数据点和靶10的新图像。在一实施方式中，治疗计划系统530可根据建模方法150重复开发模型，并选择模型，就像上面描述的一样。在另一实施方式中，治疗计划系统530可选择并使用一种模型来获得多个靶位置。跟踪方法250可继续用这种方式开发一个或更多模型，选择模型，并根据选择的模型在治疗过程期间传送治疗。

图16示出了治疗系统500的一实施方式，该系统可用于执行实现了本发明的特性的放射治疗。描述的治疗系统500包括诊断成像系统510、治疗计划系统530和治疗传送系统550。在另一实施方式中，治疗系统500可包括更少或更多的组件系统。

诊断成像系统510表示能够产生患者内的感兴趣体积(volume ofinterest，VOI)的医学诊断图像的任何系统，这些图像可用于随后的医学诊断，治疗计划和/或治疗传送。例如，诊断成像系统510可是计算机断层扫描(CT)系统、磁共振成像(MRI)系统、正电子发射断层(PET)系统、超声系统、或另一类似成像系统。为了便于讨论，这里指的任何具体的特定成像系统，例如CT X-射线成像系统，一般表示诊断成像系统510，并且除非另外标注，不排除其它成像形态。在一实施方式中，诊断成像系统510与图9和14中的成像系统905类似。在另一实施方式中，诊断成像系统510和成像系统905是相同的成像系统。

示出的诊断成像系统510包括成像源512、成像探测器514和处理设备516。成像源512、成像探测器514和处理设备516分别通过诸如总线之类的通信信道518互相耦合。在一实施方式中，成像源512生成成像束(如X-射线、超声波、射频波等)，成像探测器514检测并接收成像束。另外地，成像探测器514可探测并接收来自成像源(如在MRI或PET扫描中)的第二成像束或由成像束激发的发射。在一实施方式中，诊断成像系统510可包括两个或更多诊断成像源512以及两个或更多对应的成像探测器514。例如，两个X-射线源512可放置在患者周围来成像，固定在不同的角度(如90度、45度等)并通过患者指向相应的成像探测器514，X-射线源可与成像源514径向相对。每个X-射线成像源514也可照射单个大成像探测器514或多个成像探测器514。另外地，可使用其它数量和配置的成像源512和成像探测器514。

成像源512和成像探测器514耦合到处理设备516，其在诊断成像系统510内控制成像操作并处理图像数据。在一实施方式中，处理设备516可与成像源512和成像探测器514通信。处理设备516的实施方式可包括一个或多个通用处理器(如微处理器)、专用处理器如数字信号处理器(DSP)或其它类型的设备，例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。处理设备516还可包括其它组件(未显示)，例如存储器、储存设备、网络适配器等等。在一实施方式中，处理设备516生成标准格式的数字诊断图像(这里也称为预处理图像)，标准格式例如是医学数字影像和通讯(DICOM)格式。在其它实施方式中，处理设备516可生成其它标准或不标准的数字图像格式。

另外地，处理设备516可通过数据链路560将诊断图像文件，例如DICOM文件，传输到治疗计划系统530。在一实施方式中，数据链路560可以是直接链路、局域网(LAN)链路、广域网(WAN)链路例如因特网，或另一类型的数据链路。此外，在诊断成像系统510和治疗计划系统530之间传送的信息可通过数据链路560，例如远程诊断或治疗计划配置的数据链路，进行拉或推。例如，用户可利用本发明的实施方式来远程诊断或计划治疗，尽管在系统用户和患者之间存在物理隔离。

示出的治疗计划系统530包括处理设备532、系统存储器设备534、电子数据储存设备536、显示器设备538和输入设备540。处理设备532、系统存储器534、储存器536、显示器538和输入设备540可通过一个或多个诸如总线之类的通信信道542互相耦合。

处理设备532接收并处理图像数据。处理设备532还处理治疗计划系统530内的指令和操作。在某些实施方式中，处理设备532可包括一个或多个通用处理器(如微处理器)、专用处理器例如数字信号处理器(DSP)、或其它类型的设备，例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。

特别地，处理设备532可配置为运行指令来执行这里讨论的操作。例如，处理设备532可配置为自动控制图像获取的时间、自动确定指定时间、并在指定时间自动触发成像系统来获取图像。处理设备532还可配置为运行指令来执行其它操作，例如处理设备532可识别患者体内靶的运动的非线性路径，并开发非线性运动路径的非线性模型。在另一实施方式中，处理设备532可基于多个位置点和多个方向指示符开发非线性模型。在另一实施方式中，处理设备532可生成多个相关模型，并选择相关模型中的一个来获得靶的位置。此外，处理设备532可便利与这里描述的操作相关的其它诊断、计划和治疗操作。

在一实施方式中，处理设备532配置为执行处理设备902的操作，正如上面描述的那样，例如自动控制成像系统905来在呼吸循环的指定时间获取图像以自动生成相关模型。

在一实施方式中，系统存储器534可包括随机存取存储器(RAM)或其它动态存储设备。如上所述，系统存储器534可通过通信信道542耦合到处理设备532。在一实施方式中，系统存储器534存储由处理设备532运行的信息和指令。系统存储器534还可用于在处理设备532执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。在另一实施方式中，系统存储器534还可包括只读存储器(ROM)或其它静态存储设备来存储处理设备532的静态信息和指令。

在一实施方式中，储存器536表示为一个或多个大容量储存设备(如磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等)来存储信息和指令。储存器536和/或系统存储器534还可称为机器可读介质。在具体的实施方式中，储存器536可存储指令来执行这里讨论的建模操作。例如，储存器536可存储用于获取并存储数据点、获取和存储图像、识别非线性路径、开发线性和/或非线性相关模型、从多个模型中选择相关模型等的指令。在另一实施方式中，储存器536可包括一个或多个数据库。在一实施方式中，在图9的储存设备903中存储的数据存储在系统存储器534或储存器536中。

在一实施方式中，显示器538可以是阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、或另一类型的显示设备。显示器538向用户显示信息(如VOI的二维或三维表示)。输入设备540可包括一个或多个用户接口设备，例如键盘、鼠标、跟踪球或类似设备。输入设备540还可用于通信方向信息，来选择用于处理设备532的命令、控制显示器538上的光标运动等等。在一实施方式中，显示器538和输入设备540是上面根据图9描述的用户接口901的部分。

尽管这里描述了治疗计划系统530的一实施方式，但是描述的治疗计划系统530仅仅表示为示例性治疗计划系统530。治疗计划系统530的其它实施方式可包括许多不同的配置和体系结构，并且可包括更少或更多的组件。例如，其它实施方式可包括多种总线，例如外围总线或专用高速缓存总线。此外，治疗计划系统530还可包括医学图像查看和导入工具(MIRIT)来支持DICOM导入，因此图像能够融合且靶在不同系统中描述，并且然后导入到治疗计划系统530用于计划和剂量计算。在另一实施方式中，治疗计划系统530还可包括扩展的图像融合能力，允许用户在多种成像形态的任何一个中计划治疗并查看剂量分布，成像形态例如是MRI、CT、PET等。此外，治疗计划系统530可包括传统治疗计划系统的一个或多个特性。

在一实施方式中，治疗计划系统530可与治疗传送系统550共享储存器536上的数据库，因此治疗传送系统550可在治疗传送前或治疗传送期间访问该数据库。治疗计划系统530可通过数据链路570链接到治疗传送系统550，数据链路570可是直接链路、LAN链路、WAN链路，如上面讨论的数据链路560那样。当实现LAN、WAN或其它分布式连接时，治疗系统500的任何组件可位于不同位置，使得各系统510、530、550物理上可互相相距很远。另外地，诊断成像系统510、治疗计划系统530或治疗传送系统550的功能性特性的一些或全部可在治疗系统500内互相集成。

示出的治疗传送系统550包括放射源552、成像系统905、处理设备902和治疗床558。放射源552、成像系统905、处理设备902和治疗床558可通过一个或多个通信信道560互相耦合。治疗传送系统550的例子参考图17更详细地显示和描述。

在一实施方式中，放射源552是治疗的或外科的放射源552，其根据治疗计划来向靶施加指定的放射剂量。例如，靶可以是内脏器官、肿瘤或部位。为了方便，这里指的靶表示器官、肿瘤、部位或治疗计划对象的其它描述的体积中的全部或部分。

在一实施方式中，治疗传送系统550的成像系统905捕获患者体积(包括靶体积)的内部处理图像，以与上面描述的诊断图像配准或与其相关联，以便相对于放射源定位患者。与诊断图像系统510类似，治疗传送系统550的成像系统905可包括一个或多个源和一个或多个探测器，以及处理设备，正如上面根据图9描述的那样。

治疗传送系统550还可包括图9中描述的处理设备902，来控制放射源552、成像系统905和治疗床558，治疗床表示任何患者支持设备。处理设备902可包括一个或多个通用处理器(如微处理器)、专用处理器例如数字信号处理器(DSP)、或其它设备，例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。此外，处理设备902可包括其它组件(未显示)，例如存储器、储存设备、网络适配器等等。

图17是示出治疗传送系统550的一实施方式的结构框图。如上所述，描述的治疗传送系统550包括形式为线性加速器(LINAC)20的放射源552和治疗床558。治疗传送系统550还包括多个成像X-射线源910和探测器911。两个X-射线源910可名义上对齐来从至少两个不同角度的位置(如由90度、45度等分开)投射成像X-射线束通过患者，并通过治疗床558上的患者指向相应的探测器911。在另一实施方式中，每个X-射线成像源910可用于照射单个大成像器。另外地，可使用其它数量和配置的成像源910和探测器911。描述的治疗传送系统550可包括运动跟踪系统904，其如上面根据图9描述的那样跟踪外部标记25的运动。在一实施方式中，治疗传送系统550可是图像指导的、基于机器人的放射治疗系统(如用于执行放射外科)，例如由位于加利福尼亚的Sunnyvale的Accuray公司开发的

系统。

在示出的实施方式中，LINAC 20设置在机器臂590上。机器臂590可具有多个(如5个或更多)自由度，以便合适地定位LINAC 20来用从患者周围的操作体积的多个角度获得的束照射靶，例如病理解剖。以治疗传送系统550实现的治疗可包括具有单个等中心(收敛点)、多个等中心、或没有任何特定等中心的束路径(即，束只需与病理靶体积相交而不必在靶内的单点或等中心收敛)。此外，可在治疗计划期间确定的单个期间(单片段)或少量期间(亚片段)内传送治疗。在一实施方式中，治疗传送系统550根据治疗计划传送放射束，而无需将患者固定到坚硬的外部框架来把靶体积的内操作位置与在预操作治疗计划阶段期间的靶体积的位置配准。

如上所述，处理设备902可执行算法，将从成像系统905获得的图像与从诊断成像系统510获得的预操作治疗计划图像配准，以便对准在治疗传送系统550的治疗床558上的患者。此外，这些图像可用于关于靶体积或靶精确定位放射源552。

在一实施方式中，治疗床558可耦合到具有多个自由度的第二机器臂(未显示)。例如，第二臂可具有五个自由旋转度和一个实质上竖直的、线性自由度。另外地，第二臂可具有六个自由旋转度和一个实质上竖直的、线性自由度。在另一实施方式中，第二臂可具有至少四个自由旋转度。此外，第二臂可竖直地安装到支柱或墙上，或水平地安装到底座、地板或天花板上。另外地，治疗床558可是另一机构中的组件，例如由位于加利福尼亚的Sunnyvale的Accuracy公司开发的治疗床。在另一实施方式中，治疗床558可是另一类治疗台，包括传统的治疗台。

尽管上面描述了示例性的治疗传送系统550，治疗传送系统550可以是另一类治疗传送系统。例如，治疗传送系统550可是基于扫描架(等中心)的调强放射治疗(IMRT)系统，其中放射源552(如LINAC 20)安装在扫描架上，并能够在对应于患者的轴向层面的平面中旋转。可在旋转圆面上的一些位置传送放射。在另一实施方式中，治疗传送系统550可是立体定向框架系统，例如瑞典的Elekta的

图18示出了放射治疗过程的三维透视图。特别地，图18描述了引向靶10的一些放射束。在一实施方式中，靶10可表示为内脏器官、患者内的部位、诸如肿瘤或病变之类的病理解剖，或患者的另一类对象或区域。在这里，靶10还可指靶部位、靶体积等等，但是除非另外指出，这些指示中的每个一般都指的是靶10。

示出的放射治疗过程包括第一放射束12、第二放射束14、第三放射束16和第四放射束18。尽管显示了四个放射束12-18，其它实施方式可包括更少或更多的放射束。方便起见，除非另外指出，对放射束12的引用是代表所有放射束12-18。此外，放射束12-18的应用的治疗顺序可与它们各自的序号无关。

在一实施方式中，四个放射束12表示基于共形计划的束传送，其中放射束12通过或终止于靶10内的不同点。在共形计划中，一些放射束12在三维空间的同一点可能相交或收敛也可能不相交或收敛。也就是说，放射束12可能是非等中心的，因为它们不必在单个点或等中心收敛。然而，放射束12可能全部或部分在靶10处与一个或多个其它放射束12相交。

在另一实施方式中，每个放射束12的强度可由束权重确定，束权重可由操作员或治疗计划软件确定。束权重可至少部分取决于传送到靶10的总预定放射剂量，以及放射束12的一些或全部传送的累积放射剂量。例如，如果为靶10设定3500cGy的总预定剂量，则治疗计划软件可为每个放射束12自动预先设定束权重，以便平衡共形性和同质性和来实现预定的剂量。共形性是放射剂量匹配(相一致)靶10(如肿瘤)的形状和扩展的程度，目的是为了避免伤害关键的邻近结构。同质性是在靶10的体积内放射剂量的一致性。同质性可用剂量体积柱状图(DVH)表示，其理想情况可是矩形函数，其中在靶10的体积上预定剂量是100％，在其它地方是0。

与当前已知的限于手动控制图像获取时间的方法相比，上面描述的方法提供了许多优点。当然，第一个优点是这种方法自动控制图像获取的时间获得实质上均匀分布的模型点，来开发与使用实质上不均匀分布的模型点开发的相关模型相比更好的相关模型。第二个优点是这种方法能自动确定呼吸循环中对应于呼吸循环中的指定阶段的指定时间。

总之，提出了在呼吸循环的指定时间(对应于指定阶段)自动获取靶的图像的方法和系统。上述方法和系统能检测并识别在呼吸的吸气和呼气阶段期间患者的内脏器官是否分别沿着不同路径运动(在患者呼吸期间)。上述方法允许使用自动获取的图像构建相关模型，其能精确估计内脏器官的位置，其中内脏器官在呼吸的吸气和呼气阶段期间进行曲线运动，或沿着不同路径运动，或两种运动都进行。还能使用上面描述的曲线模型通过选择合适的参数拟合模型，例如作为例子的高阶多项式拟合方法，来拟合器官的任何其它类型的非线性运动。上面描述的方法允许出于向病变和肿瘤传送治疗性放射的目的，定位随呼吸(或其它患者运动)运动的内部病变和/或肿瘤。

尽管根据患者的呼吸运动描述了上述方法和系统，然而其它实施方式可跟踪在患者的任何其它类型的运动例如心跳期间内脏器官的不对称的、曲线(或非线性)运动。同样，尽管下面描述的一些实施方式旨在控制为呼吸波形(如呼吸循环)的模型点自动获取图像，然而在其它实施方式中，可为任何其它波形例如患者的心跳循环，或患者的其它周期性运动的其它波形执行自动图像获取。例如，本方法和系统能确定心跳循环、或患者运动的其它周期性循环的指定时间或阶段，而不是确定呼吸循环的指定时间或阶段。

尽管根据具体实施方式具体显示和描述了自动相关法和系统，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上作很多改变。

应该注意到，这里描述的方法和装置不限于仅在医学诊断成像和治疗中使用。在另外的实施方式中，这里的方法和装置可用于医学技术领域之外的应用，例如对材料(如汽车工业中的马达、航空工业中的机身、建筑工业中的焊接处，以及石油工业中的钻孔岩心)的工业成像和非破坏测试以及地震勘测。在这些应用中，例如，“治疗”一般可指由治疗计划软件控制的操作的实现，例如束(如放射、声等)的应用。

尽管用特定顺序显示和描述了这里的方法的操作，然而每种方法的操作的顺序可以改变，因此某些操作可以相反的顺序执行，或者某些操作可至少部分与其它操作并行执行。在另一实施方式中，不同操作的指令或子操作可使用间断的和/或另外的方式。

在上述说明中，根据具体示例性实施方式描述了本发明。然而，很明显地，在不脱离附加的权利要求中设定的本发明的更广的精神和范围的情况下，可以进行多种修改和改变。相应地，说明和附图是示例性的，而并非限制性的。

Claims

1.一种方法，包括：

自动触发靶的多个预处理图像的图像获取，所述多个预处理图像中的每个在指定时间获取；和

使用所述多个预处理图像生成将外部标记的运动映射到所述靶的靶位置的相关模型。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述自动触发多个预处理图像中的每个包括：

选择周期性循环中获取图像的预期阶段；

自动确定所述靶是否在所述周期性循环的所述预期阶段中；和

当所述靶在所述周期性循环的所述预期阶段中时向成像系统发送命令来获取预处理图像。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述选择由用户执行。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述自动触发包括在周期性循环的实质上均匀分布的点自动触发图像获取，并且其中所述自动触发多个预处理图像中的每个包括：

获得在一个或多个之前的周期性循环中所述靶的运动的历史数据；

根据所述靶的运动的幅度将所述历史数据分成多个区域；

区分所述历史数据的吸气运动和呼气运动；

使用所述多个区域和所区分的吸气和呼气运动建立多个模型度量区域，其中所述多个模型度量区域对应所述周期性循环的多个阶段；

通过将当前采样归入所述多个模型度量区域中的一个区域来确定所述靶运动的所述当前采样是否在所述周期性循环的预期阶段；和

当所述当前采样在所述周期性循环的预期阶段时，向成像系统发送成像命令来获取预处理图像。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述获得包括获取多个数据点，该多个数据点表示随着时间的推移与患者相关联的外部标记的对应的多个位置，其中所述外部标记的所述多个位置定义了所述外部标记的运动的外部路径，并且该运动的外部路径定义了患者的所述周期性循环。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述生成相关模型包括：

基于所述周期性循环的实质上均匀分布的点处的多个数据点和多个预处理图像标识所述靶的运动的路径；和

使用所述靶的运动的路径开发所述相关模型。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述相关模型获得所述靶的靶位置；

向束生成器控制器发送与所述靶位置相关联的位置信号；和

控制所述束生成器控制器将束引向所述靶。

8.如权利要求5所述的方法，还包括响应于新数据点的获取而更新所述相关模型。

9.如权利要求1所述的方法，还包括：

通过在治疗期间自动获取所述靶的另外的图像而周期性地生成关于所述靶的位置数据；和

在治疗期间连续生成关于所述外部标记的外部运动的位置数据。

10.一种装置，包括：

数据储存设备，存储外部标记的多个位移点，该多个位移点表示所述外部标记在周期性循环期间的运动；和

耦合到所述数据储存设备的处理设备，该处理设备确定所述周期性循环中的指定时间，该指定时间对应所述周期性循环的第一阶段，在其中基于所述多个位移点获取靶的图像，并且所述处理设备传输信号以自动触发成像系统来在所述周期性循环的第一阶段获取所述靶的图像。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述处理设备配置为选择所述周期性循环的第一阶段，自动确定所述靶是否位于所述周期性循环的第一阶段，并且当所述靶位于所述周期性循环的第一阶段时发送信号来自动触发所述成像系统以获取所述靶的图像。

12.如权利要求10所述的装置，其中所述处理设备配置为允许用户选择所述周期性循环的第一阶段，自动确定所述靶是否位于所述周期性循环的第一阶段，并且当所述靶位于所述周期性循环的第一阶段时发送信号来自动触发所述成像系统以获取所述靶的图像。

13.如权利要求10所述的装置，还包括耦合到所述处理设备的所述成像系统，其中所述成像系统配置为从所述处理设备接收信号，并且当所述成像系统接收到该信号时获取所述靶的图像。

14.如权利要求10所述的装置，其中所述处理设备配置为确定所述周期性循环的第二指定时间，该第二指定时间对应于所述周期性循环的第二阶段，在该第二指定时间将获取所述靶的第二图像，并且所述处理设备被配置为在所述周期性循环的第二阶段触发所述成像系统来获取所述靶的第二图像。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述数据储存设备配置为存储所述靶的图像和所述靶的第二图像。

16.如权利要求14所述的装置，其中所述处理设备配置为基于所述图像、所述第二图像和所述多个位移点生成相关模型。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述处理设备配置为标识所述靶的运动的路径来生成所述相关模型。

18.如权利要求10所述的装置，其中所述处理设备包括：

第一接口，向所述成像系统发送命令来在所述周期性循环期间的指定时间自动触发所述成像系统以获取所述靶的图像；

第二接口，接收由运动跟踪系统测量的所述外部标记的多个位移点。

19.一种装置，包括：

用于接收表示随着时间的推移与患者相关联的外部标记对应的多个位置的多个数据点的设备，其中所述外部标记的多个位置定义了所述外部标记的运动的外部路径，该运动的外部路径定义了患者的周期性循环；和

用于基于所述多个数据点在所述周期性循环的指定时间自动触发成像系统来获取患者体内的所述靶的图像的设备。

20.如权利要求19所述的装置，还包括：

用于使用所述多个数据点生成在所述周期性循环期间均匀分布的模型点的设备；和

用于使用所述均匀分布的模型点生成相关模型的设备。

21.如权利要求20所述的装置，其中所述用于自动触发的设备减少了被获取来生成所述相关模型的图像的数量。

22.如权利要求20所述的装置，其中所述用于自动触发的设备减少了生成所述相关模型的时间的量。

23.一种系统，包括：

运动跟踪系统，跟踪与患者相关联的外部标记的运动，所述外部标记的运动表示患者的周期性循环；

成像系统，获取患者体内的靶的图像；以及

耦合到所述运动跟踪系统和所述成像系统的靶定位系统，该靶定位系统自动触发所述成像系统来在指定时间触发对图像的获取。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述靶定位系统配置为基于所述外部标记的运动确定所述周期性循环、自动选择所述周期性循环的一阶段、确定所述靶何时位于所述周期性循环的所选择的阶段、并且当所述靶位于所述周期性循环的所选择的阶段时自动触发所述成像系统的图像获取。

25.如权利要求23所述的系统，其中所述靶定位系统配置为基于所述外部标记的运动确定所述周期性循环、允许用户选择所述周期性循环的一阶段、确定所述靶何时位于所述周期性循环的所选择的阶段、并且当所述靶位于所述周期性循环的所选择的阶段时自动触发所述成像系统的图像获取。