CN102470256A - 用于控制辐照设备的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制用来辐照运动的目标体积的辐照设备的装置，具有用于分析等效运动信号的分析装置和具有用于记录运动的目标体积的图像数据的成像装置，其中用于成像装置的控制装置被构造为用于根据对等效运动信号的分析来激活或禁用成像装置，具有用于分析由成像装置所记录的图像数据的图像分析装置，并且具有辐照设备，所述辐照设备根据对图像数据的分析被激活或禁用。此外，本发明还涉及一种用于控制根据这样的装置实施的辐照设备的方法。

Description

用于控制辐照设备的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制用来辐照运动的目标体积的辐照设备的装置以及一种用于控制用来辐照运动的目标体积的辐照设备的方法。这样的装置和方法用于避免由于目标体积的运动引起的错误辐照。

背景技术

粒子疗法是为了治疗组织、特别是肿瘤疾病而建立的方法。然而，如其在粒子疗法中采用的那样，辐照方法也应用于非治疗领域。属于此的研究工作例如有，在非生命模体或物体上进行粒子疗法的范围内的产品开发、对材料进行辐照等。

在此，将带电粒子例如质子或碳离子或其他离子加速到高能、形成粒子束并且通过高能射线传输系统传输到一个或多个辐照空间。在这些辐照空间中的一个中利用粒子束辐照具有目标体积的待辐照对象。

在此，待辐照的目标体积可能发生运动。例如在辐照患者时由于呼吸运动可能导致待辐照的肿瘤移动。这样的运动例如还可以为了研究目的借助作为模体表示的模型对象来模拟。

一种应对目标体积的运动的公知的可能性是作为概念“门控(Gating)”而公知的辐照方法。其被理解为，监视目标体积的运动并且根据监视来接通或断开用来对目标体积进行辐照的射线。以这种方式可以实现仅当目标体积位于合适的位置上时才激活射线以用于辐照。

公知多种方法，在这些方法中，记录外部的等效运动信号，该信号给出了关于目标体积的运动状态的结论。例如，可以测量腹壁的运动并且推导出位于内部的目标体积的位置。

还公知多种方法，在这些方法中直接监视目标体积的实际运动，例如通过X射线拍摄、通过荧光拍摄、超声波成像或植入的有源应答器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供用于控制辐照设备的一种装置和一种方法，其允许在对患者和辐照设备带来小的负担的情况下将辐照与运动的目标体积精确匹配。

本发明通过独立权利要求解决上述技术问题。优选的扩展是从属权利要求的特征的内容。

各个特征的前面的和后面的描述既涉及装置类别也涉及方法类别，而不在每种情况下个别明确提出这点；在此公开的各个特征也可以按照与示出的组合不同的组合。

按照本发明的用于控制用来辐照运动的目标体积的辐照设备的装置包括：

-分析装置，用于分析等效运动信号，其中等效运动信号是根据目标体积的运动而改变的信号，

-成像装置，用于记录运动的目标体积的图像数据，具有用于控制成像装置的控制装置，其中控制装置被构造为用于根据对等效运动信号的分析来激活或禁用成像装置，

-图像分析装置，用于分析由成像装置所记录的图像数据，

-具有辐照控制装置的辐照设备，其中，辐照控制装置被构造为用于根据对图像数据和/或等效运动信号的分析控制辐照过程，特别是用于激活或禁用辐照设备。

本发明基于如下认识，即，使用等效运动信号来控制辐照设备是有问题的，尽管等效运动信号的使用可以利用相对简单和低成本的手段来进行。

在此，与对目标体积直接成像并由此可以直接表示目标体积的运动或位置的成像方法相反，等效运动信号是间接表示目标体积的运动的信号。然而使用等效运动信号来控制辐照设备的前提条件是，在目标体积的位置和等效运动信号之间呈现相关性。然而通常在接受辐照治疗之前被确定的该相关性可能随时间改变。

例如，当执行借助等效运动信号的门控方法时，这点仅当相关性一如既往成立时才得到期望的辐照成功。然而，如果在等效运动信号和目标体积的运动之间的相关性改变，则这点会导致，剂量不是如规划的那样在目标体积中沉积。

在最坏的情况下这点会导致，等效运动信号错误反映目标体积的运动并且目标体积根本没有被辐照。在辐照肺部肿瘤的情况下例如在肺部肿瘤的内部运动和外部等效参数之间发生在吸气和呼气之间的周期交替中的相移。直观来说这意味着，目标体积的极限位置不再与外部探测到的等效参数的极值一致。

此外，本发明还基于如下认识，即，使用连续或几乎连续地记录运动的目标体积的图像数据的成像装置一方面是具有优势的，因为这精确反映了目标体积的位置，但是另一方面累积多个图像数据，对其的分析是麻烦的。此外，利用X射线连续或几乎连续透射患者与高的辐照负担相关联。

成像装置可以是利用X射线工作的成像装置，其透射待辐照的目标体积。利用成像装置可以获得与目标体积的状态相关的图像数据。在此，不必一定要从图像数据中产生目标体积的影像，可能已经足够的是，在不重建影像的条件下使用图像数据，以便获得关于目标体积的状态的数据，所述数据然后被用于控制辐照过程。

本发明以优选的方式组合两种方法。分析装置分析等效运动信号。利用等效运动信号可以建立关于目标体积的运动轨迹的相当足够好的预测。基于等效运动信号触发成像装置，使得成像装置此时不再连续记录图像，而是仅在目标体积的运动周期中的特定的时刻记录图像。此时再次分析图像数据并且基于该分析例如激活或禁用辐照设备。以这种方式在运动周期期间仅在确定的时刻积累图像数据，从而总共需要分析更少的图像数据，以便控制辐照。此外成像装置仅在运动周期中的特定的时刻激活，从而对于患者总共积累更少的辐照负担。

利用成像装置所记录的图像数据，可以在通过激活或禁用辐照设备的门控方法中被用于控制辐照设备。替换地或附加地，图像数据(必要时与等效运动信号一起)也可以用来控制跟踪方法和/或再扫描方法。在跟踪方法中射线跟踪目标体积的运动，该运动例如在使用所记录的图像数据的条件下是可以跟踪的。在再扫描方法中将辐照剂量多次应用，从而通过对多次应用的辐照剂量进行平均(Ausmittelung)而降低对目标体积的可能的错误辐照。单个的再扫描过程，例如其开始时刻，可以在使用所记录的图像数据的条件下来确定。

优选地，装置还包括用于以至少10Hz，特别是至少30或100Hz，直到数kHz的采样率来记录等效运动信号的探测装置。采样率越高，可以越精确地采集等效运动信号。等效运动信号，特别是外部的等效运动信号，可以利用不同的已知的、特别是外部的传感器来记录。可以用来例如监视呼吸运动的可能的传感器是用于测量呼吸温度、呼吸量、腹壁运动、或胸廓运动的传感器。从等效运动信号中只能间接地推导出通常是位于内部的目标体积的运动。

以优选方式，图像分析装置被构造为，将所记录的图像数据与其他在前面的时刻记录的图像数据进行比较。图像分析装置优选被构造为使得图像数据在其拍摄之后紧接着被分析。根据与前面所记录的图像数据的比较，优选地可以简单确定，目标体积在记录图像数据的时刻的实际的位置如何和/或目标体积的位置是否与预计的位置相应。

作为可能的其他图像数据，例如来自于规划数据组中的图像数据是适合的。例如可以从规划CT中在相同的方向上产生DRR(英语“digital reconstructedradiogramm”(数字重建放射图像))，在该方向上成像装置也记录目标体积的透射图像数据。由此可以简单进行均衡(Abgleich)。也可以进行透射图像数据与其他的平面的照片、例如通过对应的磁共振数据组的截面的均衡。

但是还可以利用相同的成像装置进行参考拍摄，利用该成像装置然后还可以记录由等效运动信号触发的图像数据。

该比较例如可以利用已知的来自图像配准的方法进行。这些图像配准方法可以在例如具有快速GPU的快速计算机系统中执行并且能够基本上实时进行比较。

对拍摄的图像数据的比较可以用来确定，是否可以激活辐照设备。如果确定了与规划的内部解剖结构的偏差，则不启动辐照设备。

以优选方式，图像分析装置被构造为，确定在所记录的图像数据和其他图像数据之间的区别。辐照控制装置被构造为使得仅当确定的区别低于阈值时才激活辐照设备。对于允许的偏差的阈值(或必要时还有更多的阈值)使得可以灵活调整该方法，因为通常不会预计所记录的图像数据与其他图像数据的精确一致。

辐照控制装置可以这样构造，使得根据对图像数据的分析来改变和/或调整时间窗，在该时间窗期间辐照设备是可激活的。

用于控制用来辐照运动的目标体积的辐照设备的按照本发明的方法包括以下步骤：

-分析等效运动信号，其中等效运动信号是根据目标体积的运动而改变的信号，

-根据对等效运动信号的分析来记录运动的目标体积的图像数据，

-分析所记录的图像数据，

-根据对所记录的图像数据的分析来控制辐照过程。

以优选方式，以至少10Hz的采样率来记录等效运动信号。这通常是没有问题的，因为等效运动信号通常是简单的信号，其允许高的取样率。

可以对所记录的图像数据进行分析，方法是，将所记录的图像数据与其他在前面的时刻所记录的图像数据进行比较。在所记录的图像数据与其他图像数据的比较中可以确定区别，例如通过相减。

只要确定的区别低于阈值，则这点就提示，在等效运动信号和目标体积的实际的运动之间呈现的相关性还有效。在这种情况下，可以激活辐照设备。然而如果区别高于阈值，则阻止辐照设备的激活，因为错误辐照的危险太大。

对图像数据的分析可以用于修改时间窗，在该时间窗期间激活辐照设备，也就是对“门控”施加影响。

该方法一方面可以在治疗性的处理中被采用，在该处理中对人的或动物的身体进行实际的辐照。但是，另一方面该方法还可以作为非治疗性方法被采用，例如通过仅模拟辐照或其中对人或动物的身体以外的其他对象进行辐照，如对模体进行辐照或对一般的材料进行辐照。

附图说明

以下借助附图更详细地解释具有按照从属权利要求的特征的扩展的本发明实施方式，但是并不局限于此。附图中：

图1示出了具有用于监视待辐照的目标体积的运动的不同组件的粒子治疗设备的示意图，并且

图2至图6分别示出了按照本发明的方法的不同实施方式的流程图。

具体实施方式

图1极其示意性地示出了粒子治疗设备10的构造。粒子治疗设备10被用于利用由粒子构成的射线(其在以下被称为粒子束12)辐照布置在定位装置上的身体。特别地，作为目标体积14，可以利用粒子束12辐照患者的肿瘤病变的组织。粒子束装置10也用于辐照非生命体，特别是水模体或其他模体。对水模体的辐照例如可以出于检验和验证辐照参数的目的在对患者进行辐照之前和/或之后进行。但是也可以出于研究的目的利用粒子束12辐照其他物体，特别是诸如细胞培养物或细菌培养物的实验结构。在所有情况下可以是运动的身体。目标体积通常不可见地位于目标对象18的内部并且通常准周期性地在目标对象18内部运动。

粒子治疗设备10典型地具有加速器单元16，例如同步加速器、粒子回旋加速器或为粒子束12提供为了辐照所需的能量的其他加速器。作为粒子，主要采用粒子诸如质子、π介子、氦离子、碳离子或其他元素的离子。典型地，粒子束12具有3-10mm半值宽度的射束直径。

在待辐照的目标体积14中示意性表示等能量层和目标点，其在按照光栅扫描方法的辐照时被连续扫描。作为扫描方法，优选使用光栅扫描方法，其中粒子束12从目标点被传输到目标点而无需一定要在从一个目标点到下一个目标点过渡时断开。也可以采用其他的扫描方法。本发明的实施方式本身可以在完全不同的辐照方法中应用，如在利用治疗性的X射线、利用电子束或利用粒子束进行辐照时，其利用被动的射线施加(即，粒子束12的扩张和其成型)被应用。

此处示出的粒子束12在其侧边伸展上借助扫描磁铁30影响，即，在其位置上垂直于射线延伸方向，也称为x和y方向上偏转。

为了探测目标体积14的运动，设置探测装置32，利用该探测装置可以记录外部的等效运动信号。例如这可以是腹带，从腹带的拉伸可以记录信号曲线，该信号曲线允许推导出患者的呼吸周期的曲线并且由此间接推导出随着呼吸一起运动的肿瘤的位置。

为了探测目标体积14的运动24，还设置透视装置，包括射线源20和射线探测器22，其可以生成目标体积14的连续的或单个的X射线照片。

辐照设备10还具有流程控制器36和用于监视射线参数的探测器34。流程控制器36、也就是设备的控制系统，控制设备的各个组件，例如加速器16、扫描磁铁30，并且收集测量数据，诸如用于监视射线参数的探测器34的数据。通常，基于利用辐照规划装置38确定并提供的辐照规划40进行控制。流程控制器36特别被构造用于接通或断开粒子束12。

在流程控制器中还集成了分析装置46，利用该分析装置可以分析利用探测装置32所记录的等效运动信号。分析装置46例如可以借助等效运动信号确定门控窗。

此外，在流程控制器36中集成了图像分析装置42，利用该图像分析装置分析透视装置的图像数据并且可以与其他图像数据进行比较。在流程控制器36中还集成了控制装置44，利用该控制装置控制透视装置，也就是利用该控制装置启动对图像数据的记录。

在此处示出的粒子治疗设备10中可以执行本发明的实施方式。可能的实施方式根据后面的附图详细解释。

图2借助示意性流程图示出了，可以如何采用外部的等效运动信号，以便控制成像装置，例如透视装置。

该实施方式和后面的实施方式将借助涉及门控方法的例子详细解释地演示。然而本方法的其他实施方式可以以类似方式涉及跟踪方法(射线跟踪目标体积的运动)或涉及再扫描方法(直接先后多次应用辐照剂量以通过平均来减少对目标体积的可能的错误辐照)。

在第一步骤中直接在接受辐照治疗的开始之前利用透视装置生成透视数据组作为参考数据组，其对目标体积的整个运动周期完整成像(步骤50)。可以进行与规划数据组的比较，以便将目标体积的如其直接在辐照开始之前呈现的运动周期，与如其在规划时呈现的运动周期进行均衡。与此并行地可以记录外部等效运动信号。可以确定在等效运动信号和运动周期之间的相关性或者修改已经在规划阶段中确定的相关性并与当前的情形进行匹配。

然后开始接受辐照治疗(步骤52)。在接受辐照治疗期间记录等效运动信号(步骤54)。从等效运动信号中确定门控窗(即，时间窗，在该时间窗期间原则上可以进行目标体积的辐照)的开始(步骤56)。该门控窗位于目标体积的运动周期的哪个位置上，通常已经在规划期间就确定了并且必要时在步骤50中检验和/或与当前的情形匹配。

门控窗的开始还不触发治疗射线的入射。取而代之，在门控窗的开始利用透视装置记录透射图像，该透射图像反映了在门控窗的开始目标体积的位置(步骤58)。

将透射图像直接在拍摄之后与透视数据组比较，从而可以确定，目标体积是否位于运动周期中期望的位置上(步骤60)。

如果比较得到肯定结果，即，如果目标体积大约位于如下位置上，即，根据规划时的假定该目标体积应当位于该位置上，则接通治疗射线(步骤62)。即，在这种情况下确定，可以利用必须的精度对目标体积进行辐照。

然而，如果在比较时确定，目标体积与理想位置偏离太远，这意味着，从等效运动信号中不能正确确定门控窗。由此可以在导致对目标体积的错误辐照之前中断辐照(步骤64)。理想地，确定对于允许的偏差的一个或多个阈值，因为通常没有期望待比较的图像数据的精确一致。

只要达到了门控窗的结束(步骤66)，则中断辐照(步骤68)。替换地，只要整个目标体积已经被辐照，则中断辐照。

理想地，在门控窗的结束时生成另一个透射图像(步骤70)，使得目标体积的位置与透视数据组相比也可以在门控窗的结束时被控制(步骤72)。如果该比较得到肯定结果，则继续辐照，即，确定下一个门控窗并且重复所述算法一直到辐照或者结束或者被中断。如果比较得到否定结果，则中断辐照治疗(步骤64)。

图3示出了稍微修改的方法的示意性流程图。

在修改的方法中，在门控窗的开始被记录的透射图像，不与参考照片相比较，而是与在前面的门控窗期间被记录的前面的透射图像相比较(步骤60′)。第一门控窗的透射图像可以(如果期望的话)与规划数据组或与参考透视数据组如图2那样进行比较。同样步骤72被步骤72′代替，从而在门控窗的结束时被记录的透射图像与前面的相应的透射图像进行比较。

通过从门控窗到门控窗的透射图像的比较可以简单确定目标体积的位置与等效运动信号相比的逐渐位移，即，所谓的漂移。如果例如要辐照肺部肿瘤，则可以发生，肿瘤运动具有相对于等效运动信号的漂移，例如由于患者的肌肉的逐渐进行的放松所引起。

此时可以探测肿瘤运动的该漂移，也不持续激活透视装置。与之并行地，可以检验，肿瘤运动的逐渐改变是否尚通过初始的规划所覆盖，例如关于安全性边界、与待保护的器官的重叠等。

图4示出了与图2相比稍微修改了的方法。在这种情况下，在辐照开始之前，替代参考拍摄，利用透视装置从规划数据组中、通常是三维或四维CT数据组中，产生一个或多个DRR，并且具体来说从虚拟的方向，该方向相应于透视装置的图像记录方向(步骤50″)。在门控窗的开始利用透视装置所记录的透射图像然后与所述或与相应的DRR进行比较(步骤60″)。这对于在门控窗的结束时被记录的透视图像同样成立(步骤72″)。替换地或附加地，还可以进行透射图像数据与其他的平面照片、例如通过对应的磁共振数据组的截面的均衡。

示出的实施方式还可以互相组合，例如从门控窗到门控窗交替地、或者借助两个分析计算机平行地、或者每个门控窗串行地，采用不同的实施方式。

图5示出了另一种修改。在实施例中示出的、所记录的透射图像与其他照片的比较也可以这样构造，使得所记录的透射图像与多个在不同时刻记录的照片比较，例如与所有之前记录的透射图像或与多个DRR比较(步骤60″′和步骤72″′)。以这种方式特别可以探测，门控窗是否位移。

如果确定了这样的漂移，则可以主动地调整在辐照规划中预定的门控窗(步骤64′)。这点例如可以通过如下进行，即，调整并移动外部的等效运动信号的触发时刻。这提供如下优点，即，辐照不必被中断或者在最坏的情况下甚至被中止。在门控窗的结束时记录的透射图像提供如下可能性，即，也调整门控窗的宽度，即各个辐照窗的长度。

在另一种实施方式(图6)中，射线的接通和断开(步骤62)通过等效运动信号触发，并且具体来说不取决于透射图像的各个当前的比较(步骤60″″)。然而透射图像被用于检验有效性，即，存在的门控窗与来自于规划阶段的照片相比是否尚有效。然后或者可以中断在下一个门控窗期间要进行的下一个射线激活、或者调整门控窗(步骤64″″)。但是如果目标体积的位置合适，则实施下一个门控窗，而无需修改门控窗或中断辐照。对于在门控窗的结束时被记录的透射图像也同样成立(步骤72″″)。

在另一种构造中可以在确定偏差期间这样控制透视装置，使得连续地进行或进行至少多个透视拍摄，使得可以基于目标体积的内部的运动数据重新确定对于外部的运动探测的门控窗。

附图标记列表

10    粒子治疗设备

12    粒子束

14    目标体积

16    加速器单元

18    目标对象

20    射线源

22    射线探测器

24    运动

30    扫描磁铁

32    探测装置

34    探测器

36    流程控制器

38    辐照规划装置

40    辐照规划

42    图像分析装置

44    控制装置

46    分析装置

50-72 各个步骤

Claims (12)

1.一种用于控制用来辐照运动的目标体积(14)的辐照设备(10)的装置，包括：

-分析装置(46)，用于分析等效运动信号，其中，所述等效运动信号是根据所述目标体积(14)的运动而改变的信号，

-成像装置(20，22)，用于记录所述运动的目标体积(14)的图像数据，具有用于控制所述成像装置(20，22)的控制装置(44)，其中，所述控制装置(44)被构造为用于根据对所述等效运动信号的分析来激活或禁用所述成像装置(20，22)，

-图像分析装置(42)，用于分析由所述成像装置(20，22)所记录的图像数据，

-具有辐照控制装置(36)的辐照设备(10)，其中，所述辐照控制装置(36)被构造为用于根据对所述图像数据和/或等效运动信号的分析来控制辐照过程，特别是用于激活或禁用所述辐照设备(10)。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括探测装置(32)，用于以至少10Hz的采样率记录等效运动信号。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述图像分析装置(42)被构造用于，将所记录的图像数据与其他在前面的时刻记录的图像数据进行比较。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述图像分析装置(42)被构造用于，确定在所记录的图像数据和其他图像数据之间的区别，并且其中，所述辐照控制装置(36)被构造用于，仅当所确定的区别低于阈值时才激活所述辐照设备(10)。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述图像分析装置(42)被构造用于，对于所述比较使用规划图像数据，作为其他图像数据。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述图像分析装置(42)被构造用于，对于所述比较使用利用所述成像装置(20，22)所记录的图像数据，作为其他图像数据。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述辐照控制装置(36)被构造用于，根据对图像数据的分析来调整时间窗，在该时间窗期间所述辐照设备(10)是可激活的。

8.一种用于控制用来辐照运动的目标体积(14)的辐照设备(10)的方法，包括以下步骤：

-分析等效运动信号，其中，所述等效运动信号是根据所述目标体积(14)的运动而改变的信号，

-根据对等效运动信号的分析来记录所述运动的目标体积(14)的图像数据，

-分析所记录的图像数据，

-根据对所记录的图像数据的分析来控制辐照过程，和/或根据对等效运动信号的分析来控制辐照过程。

9.根据权利要求8所述的方法，附加地包括：

-利用至少10Hz的采样率来记录和/或分析所述等效运动信号。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，对所记录的图像数据进行分析，方法是，将所记录的图像数据与其他在前面的时刻记录的图像数据、特别是与来自于规划数据组的图像数据进行比较。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所记录的图像数据与其他图像数据的比较中可以确定区别，并且仅当所确定的区别位于容差范围之内时才激活所述辐照设备(10)。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，根据对所述图像数据的分析来修改时间窗，在该时间窗期间激活所述辐照设备(10)。

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