CN102576060B - 辐射剂量的回顾式计算和改进的处置规划 - Google Patents

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Abstract

一种组合式磁共振(MR)和辐射治疗系统(10)包括具有磁体辐射半透明区域(16)的膛型磁体(12)，所述磁体辐射半透明区域允许辐射束通过磁体径向地行进；以及分裂型梯度线圈(18)，其包括与磁体辐射半透明区域(16)对准的梯度线圈辐射半透明区域(20)。在磁体侧面设置的辐射源(24)通过磁体和梯度线圈辐射半透明区域(16、20)向检查区域(14)施用辐射剂量。剂量单元(66)基于目标体积(30)和至少一个非目标体积的处置前、处置中和/或处置后图像表示来确定向目标体积(30)和至少一个非目标体积的每个体素输送的实际辐射剂量。规划处理器(60)基于所确定的实际辐射剂量更新辐射治疗计划的至少一个剩余辐射剂量。

Description

辐射剂量的回顾式计算和改进的处置规划
技术领域
本申请涉及用于辐射治疗的改进的规划和输送的方法和系统。本发明尤其适用于能够同时进行MR成像和辐照的组合式磁共振成像(MRI)和射线治疗系统，但也可以应用于其他成像或波谱模态或其他类型的处置。
背景技术
在肿瘤学中辐射治疗是一种通用的治疗技术，其中，向患者身体输送一定剂量的高能量伽马(□)辐射、粒子束或其他辐射，以实现治疗效果，即根除癌变组织。出于若干原因，该剂量被划分(fractionate)或分布在若干个星期的时间内。由于辐射束在其到达目标的路上通过健康组织行进，所以这种划分允许处置期间被损伤的健康组织恢复，而不允许低效的癌症组织在划分之间得到修复。
为了使不希望有的损伤最小化，同时保持治疗效果，在处置之前产生治疗计划，详细规定划分安排还有最佳射束形状和方向。典型地，采集肿瘤及周围组织的静态体图像，例如计算断层摄影(CT)图像。计算机化的规划系统自动或半自动地描绘出目标体积、健康的周围组织和存在损伤风险的敏感区(例如脊髓、腺体等)、辐射遮挡或衰减组织(例如骨骼等)的轮廓。利用轮廓数据，规划系统然后确定最佳处置计划，详细规定辐射剂量分布和划分安排，还有辐射束的方向和形状。
在辐射处置之前，拍摄目标体积的图像，例如荧光检查、X射线等图像，以将目标体积位置与辐射治疗坐标系对准并检验当前治疗计划的精确度。在处置过程中，治疗计划，因为定位精确度、器官位置每天的变化、呼吸、心跳、肿瘤尺寸的增大/减小和其他生理过程，例如膀胱填充等，可能会损失精确度。为了解决这种不确定性并实现期望的治疗效果，当前的方法涉及到辐照比从静态体图像确定的目标体积稍大的体积。这种方法导致对健康组织的损伤增大，并且能够导致不必要的副作用。如果当前的治疗计划发生显著变化，例如如果目标体积的大小由于治疗而缩小，可以取消该计划并产生新的治疗计划，这可能是耗时的。
发明内容
本申请提供了克服上述问题和其他问题的新的改进的基于MRI的图像引导辐射治疗剂量规划。
根据一个方面，一种用于辐射剂量输送的方法包括产生辐射治疗计划，辐射治疗计划包括多个辐射剂量。采集目标体积和非目标体积的处置前图像表示并基于处置前图像表示确定目标体积和至少一个非目标体积的轮廓和位置。施用辐射剂量，该辐射剂量包括多个辐射束轨迹和至少一个辐射束几何性质(geometry)。基于所确定的目标体积和至少一个非目标体积的轮廓和位置、辐射束轨迹和至少一个辐射束几何性质，确定向目标体积和至少一个非目标体积的每个区域输送的实际辐射剂量。
根据另一个方面，一种磁共振引导的辐射治疗装置包括膛型磁体，其在检查区域中产生静态磁场，该磁体配置有磁体辐射半透明(translucent)区域，该磁体辐射半透明区域允许辐射束径向地通过膛型磁体行进到设置于其中的受试者体内。分裂型梯度线圈，其界定缝隙，缝隙包括与磁体辐射半透明区域对准的梯度线圈辐射半透明区域，分裂型线圈被配置成在在成像区域施加选定的磁场梯度脉冲。射频(RF)线圈被配置成在检查区域中的受试者体内诱发并操控磁共振和/或从检查区域采集磁共振数据。辐射源在膛型磁体侧面设置，定位所述辐射源以通过所述磁体和梯度线圈辐射半透明区域向膛型磁体的等中心发射辐射束，并且扫描机控制器控制梯度线圈和RF线圈以产生图像表示。
一个优点在于减少了健康组织的辐射曝光。
在阅读和理解以下详细描述之后，本领域的普通技术人员将认识到本发明的其他优点。
本发明可以采用各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤布置的形式。附图仅仅为了图示优选实施例的目的，不应被解释为限制本发明。
附图说明
图1是组合式磁共振(MR)和辐射治疗系统的示意图；
图2是用于辐射治疗的方法的流程图；
图3是用于辐射剂量输送的另一种方法的流程图；
图4是用于辐射剂量输送的另一种方法的流程图；
图5是用于辐射剂量输送的另一种方法的流程图；以及
图6是用于辐射剂量输送的另一种方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，组合式磁共振(MR)和辐射治疗系统10包括主磁体12，其产生通过检查区域14的时域均匀的B0场。主磁体可以是环形或膛型磁体、C形开放磁体、其他设计的开放磁体等。磁体包括磁体辐射半透明区域16，其允许辐射束，例如伽马(□)射线、X射线、粒子束等通过磁体。在一个实施例中，主磁体12是膛型磁体。沿圆周布置磁体辐射半透明区域16，以允许辐射束径向地行进通过膛的等中心。与主磁体相邻设置的梯度磁场线圈18用于沿着相对于B0磁场的选定轴产生磁场梯度，以对磁共振信号进行空间编码，产生磁化扰相场梯度等。梯度磁场线圈18包括与磁体辐射半透明区域16对准的梯度辐射半透明区域20以允许辐射束以可预测方式通过主磁体12和梯度磁场线圈18行进到检查区域14中的受试者22，即整个辐射半透明区域16、20内的吸收是常数。磁场梯度线圈18可以包括配置成在三个正交方向上，典型地为纵向或z，横向或x以及垂直或y方向上，产生磁场梯度的线圈段。
辐射束源自于辐射源24，例如直线加速器等，辐射源24设置于主磁体12侧面并与辐射半透明区域16、20相邻。吸收器26吸收沿不希望方向行进的来自源24的任何辐射。准直器28帮助辐射束成形以将处置局限到目标体积30。在一个实施例中，准直器是可调节的准直器，例如多叶准直器(MLC)等，其调节辐射束的几何性质。MLC的叶片能够对辐射束进行保形成形，以从受试者周围辐射束的每个角位置匹配目标体积30的形状。
辐射源组件32由辐射源24、吸收器26和准直器28构成，安装在轨道系统34上，轨道系统34允许辐射源组件绕着辐射半透明区域16、20沿圆周旋转到多个位置，获得对应数量的辐射束轨迹。或者，辐射源组件能够连续移动，其截面和强度也连续地得到调节。应当认识到，也想到了其他定位系统或方法，例如，固定轨道系统、非固定轨道系统、单一轨道系统、多轨道系统、C臂等。在一个实施例中，辐射源组件能够绕膛型磁体12旋转360°；不过，在临床实践中，不需要这样宽的范围。在另一个实施例中，绕着辐射半透明区域16、20沿圆周定位多个辐射源组件，每个辐射源组件具有基本固定的轨迹。这种布置能够减少辐射治疗期的持续时间，这对于更多的或焦急的受试者而言可能是有利的。应当指出，可以用非铁磁性材料构造辐射源组件和轨道系统，以免干扰主磁体或梯度磁场线圈或被其干扰。
与检查区域相邻设置射频(RF)线圈组件40，例如全身射频线圈。RF线圈组件产生射频脉冲，用于在受检者的已对准偶极子中激励磁共振。射频线圈组件40还用于检测源自成像区域的磁共振信号。全身线圈可以是单个线圈或多个线圈元件(作为阵列一部分)。配置RF线圈组件，使其不会遮盖(obscure)辐射半透明区域16、20或与辐射半透明区域16、20相邻而半透明辐射。
为了采集受试者的磁共振数据，将受试者放在检查区域14内部，优选在主磁场的等中心处或附近。扫描控制器42控制梯度控制器44，梯度控制器44令梯度线圈在整个成像区域内施加选定的磁场梯度脉冲，这可能适于选定的磁共振成像或波谱序列。扫描控制器42还控制至少一个RF发射机46，RF发射机46令RF线圈组件产生磁共振激励并操控B1脉冲。扫描控制器还控制连接到全身或局部RF线圈的RF接收机48，以接收从那里产生的磁共振信号。
将从接收机48接收的数据暂时存储在数据缓存器50中并由磁共振数据处理器52处理。磁共振数据处理器能够执行现有技术中已知的各种功能，包括图像重建、磁共振波谱术等。重建的磁共振图像、波谱读数、和其他经处理的MR数据被存储在图像存储器56中并显示于图形用户界面58上。图形用户界面58还包括用户输入装置，临床医生能够使用用户输入装置控制扫描控制器42以选择扫描序列和规程等。
在接受辐射治疗之前，规划处理器60自动地或由用户引导，产生划分的辐射治疗计划；每个治疗计划包括多个部分或辐射剂量。每个辐射剂量包括处方辐射剂量、多个辐射束轨迹和至少一个辐射束几何性质(截面)。以Gray(Gy)为单位测量辐射治疗中使用的辐射量，且辐射量根据被处置肿瘤的类型、尺寸和阶段而改变。例如，可以将授权60Gy的辐射剂量的辐射治疗计划划分成30个2Gy的辐射剂量计划，每个辐射剂量计划在总共六个星期中每星期的五天中执行。在每个治疗期中，在多个，例如20个轨迹上分布辐射，沿着轨迹输送治疗期剂量的相同或不同部分。典型地，用于成年人的辐射剂量计划为1.8-2.0Gy，用于儿童的为1.5-1.8Gy。
为了确定辐射束轨迹和几何性质，检测单元62通过利用图像处理技术和/或描述体积的模型从高分辨率3D图像确定目标体积30和非目标体积的轮廓来检测目标体积30和非目标体积，下文将详细描述。图像处理技术可以包括自动或半自动分割、边缘检测、主成分分析等的任意组合，可以与描绘体积的形状、纹理、运动等的模型结合以进一步增强检测。在检测单元62自身之内的存储器中存储确定的轮廓供将来使用。在一个实施例中，高分辨率3D图像表示是从组合式MR和辐射治疗系统10采集的MR图像表示，并且是从用于轮廓描绘的图像存储器56检索的。或者，可以利用其他成像模态，例如计算断层摄影(CT)、X射线、X射线荧光检查、超声等采集高分辨率3D图像表示。
规划处理器60使用所确定的轮廓产生个体辐射剂量并将它们存储在处理器自身内的存储器中。特定非目标体积，例如辐射阻挡或衰减组织和敏感组织，像组织、器官、腺体等，应当避免接收辐射。规划处理器确定使目标体积的辐射曝光量最大化同时保持非目标体积免于不希望损伤的射束轨迹。令人遗憾的是，由于很多生理变化，例如呼吸、膀胱体积、肺的膨胀/收缩、体重增加/减少、肿瘤尺寸、器官位置的每天变化等，这些体积的位置和形状可能每天发生波动。作为辐照稍大区域或产生全新辐射治疗计划进行过补偿的替代，可以通过在每次处置之后确定输送给目标和非目标体积的每个部分的剂量来更新当前辐射治疗计划。可以基于输送的辐射剂量改变后续辐射剂量或所有后续剂量。
参考图2，在一个方面中，在输送辐射剂量之后，基于处置前图像确定输送给目标30和非目标体积的每个体素的实际剂量。在施用辐射剂量之前，扫描机控制器42控制MR系统以采集目标体积30和非目标体积的3D处置前图像表示。处置前图像可以是低分辨率3D图像表示，检测单元62从其确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置。规划处理器60将当前的目标体积30位置与辐射源组件32的坐标系对准。任选地，可以使用手术植入的标记物和/或界标以简化对准。辐射控制器64控制辐射源组件32，即其旋转位置、MLC28的叶片和辐射源24，以在根据当前辐射剂量的射束轨迹和几何性质下施用处置。处置之后，剂量单元66使用当前射束轨迹、当前射束几何性质和从处置前图像表示确定的轮廓和/或位置确定输送给目标体积30和非目标体积的每个体素的实际辐射剂量。规划处理器60根据输送给目标体积30和非目标体积的实际辐射更新剩余的辐射治疗计划，即至少一个或全部后续辐射剂量。
参考图3，在第二方面中，在输送辐射剂量之后，基于处置前图像和处置后图像确定输送给目标30和非目标体积的每个体素的实际剂量。在施用辐射剂量之后，扫描机控制器42控制MR系统以采集目标体积30和非目标体积的处置后图像表示。检测单元62确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置。剂量单元66基于当前射束轨迹、当前射束几何性质以及确定的在处置前和处置后图像表示之间轮廓和/或位置的改变，来确定输送给目标体积30和非目标体积的每个体素的实际辐射剂量。通过比较处置前和处置后图像表示中的目标30和非目标体积的位置，能够改进所确定的实际剂量的精确度。规划处理器60根据输送给目标体积30和非目标体积的实际辐射更新剩余的辐射治疗计划，即至少一个或全部后续辐射剂量。
参考图4，在第三方面中，在输送辐射剂量之后，基于处置前图像和运动模型确定输送给目标30和非目标体积的每个体素的实际剂量。在施用辐射剂量之前，扫描机控制器42控制MR系统以采集目标体积30和非目标体积的3D处置前图像表示，并从外部传感器68，例如呼吸传感器、ECG传感器等采集运动信号。检测单元62确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置并基于来自外部传感器的信号确定用于运动模型的参数。运动模型预测处置期间的目标30和非目标体积的位置。规划处理器60将当前的目标体积30位置与辐射源组件32的坐标系对准。任选地，可以使用手术植入的标记物和/或界标以简化对准。辐射控制器64控制辐射源组件32，即其旋转位置、MLC28的叶片和辐射源24，以在根据当前辐射剂量的射束轨迹和几何性质下施用处置。处置之后，剂量单元66使用当前射束轨迹、当前射束几何性质以及从处置前图像表示和所确定的运动模型确定的轮廓和/或位置，来确定输送给目标体积30和非目标体积的每个体素的实际辐射剂量。通过预测处置期间的目标30和非目标体积的位置，可以改善所确定的实际剂量的精确度。规划处理器60根据输送给目标体积30和非目标体积的实际辐射更新剩余的辐射治疗计划，即至少一个或全部后续辐射剂量。
参考图5，在第四方面中，在输送辐射剂量之后，基于处置前图像和多个3D处置中图像确定输送给目标30和非目标体积的每个体素的实际剂量。在施用辐射剂量之前，扫描机控制器42控制组合式MR和辐射治疗系统10以采集目标体积30和非目标体积的3D处置前图像表示。检测单元62确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置，规划处理器60利用其将当前目标体积30的位置与辐射源组件32的坐标系对准。任选地，可以使用手术植入的标记物和/或界标以简化对准。辐射控制器64控制辐射源组件32，即其旋转位置、MLC28的叶片和辐射源24，以在根据当前辐射剂量的射束轨迹和几何性质下施用处置。在处置期间，扫描机控制器42控制组合式MR和辐射治疗系统10以采集目标体积30和非目标体积的多个3D处置中图像表示。在处置之后，检测单元62从处置中图像表示确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置。剂量单元66使用当前射束轨迹、当前射束几何性质和从处置前和处置中图像表示确定的轮廓和/或位置，来确定输送给目标体积30和非目标体积的每个体素的实际辐射剂量。通过定期监测处置期间的目标体积30和非目标体积的实际位置，可以改善所确定的实际剂量的精确度。3D处置中图像表示的更慢的时间尺度能够解决呼吸运动的问题。规划处理器60根据输送给目标体积30和非目标体积的实际辐射更新剩余的辐射治疗计划，即至少一个或全部后续辐射剂量。
参考图6，在第五方面中，在输送辐射剂量之后，基于处置前图像和多个2D/1D处置中图像确定输送给目标30和非目标体积的每个体素的实际剂量。2D处置中图像之间的更短时间间隔，以及1D导航器脉冲之间的甚至更短的时间间隔，能够解决体积的更快脉冲式运动问题。在施用辐射剂量之前，扫描机控制器42控制组合式MR和辐射治疗系统10以采集目标体积30和非目标体积的3D处置前图像表示。检测单元62确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置，规划处理器60利用其将当前目标体积30的位置与辐射源组件32的坐标系对准。任选地，可以使用手术植入的标记物和/或界标以简化对准。辐射控制器64控制辐射源组件32，即其旋转位置、MLC28的叶片和辐射源24，以在根据当前辐射剂量的射束轨迹和几何性质下施用处置。在处置期间，扫描机控制器42控制组合式MR和辐射治疗系统10以采集目标体积30和非目标体积的多个2D/1D处置中图像表示。在处置之后，检测单元62从2D/1D处置中图像表示确定目标体积30和非目标体积的轮廓和位置。剂量单元66使用当前射束轨迹、当前射束几何性质和从处置前和处置中图像表示确定的轮廓和/或位置，来确定输送给目标体积30和非目标体积的每个体素的实际辐射剂量。通过以更高的时间分辨率监测处置期间的目标体积30和非目标体积的实际位置，可以改善所确定的实际剂量的精确度。规划处理器60根据输送给目标体积30和非目标体积的实际辐射更新剩余的辐射治疗计划，即至少一个或全部后续辐射剂量。或者，检测单元62基于2D/1D处置中图像表示确定运动模型，并且运动模型用于确定实际辐射剂量。
在一个实施例中，规划处理器60自动更新剩余的辐射治疗计划，即至少一个或全部后续辐射剂量。在另一个实施例中，在用户指导下，例如由医师或临床医生更新辐射计划。医师在图形用户界面58上检验目标30和非目标体积的轮廓和位置的检测。在图形用户界面58上显示在确定治疗计划时使用的高分辨率图像表示、处置前图像表示、处置中图像表示和处置后图像表示，描绘出体积的轮廓和位置。利用输入装置，医师能够识别目标体积30和非目标体积，即敏感组织、器官等。
在另一个实施例中，规划处理器60配准目标30和非目标体积的所有图像表示并在图形用户界面58上显示配准的图像表示，供医生评估。基于在治疗计划期间所有时间点体积发生的变化，医师然后能够选择是继续当前治疗计划、更新治疗计划的剩余辐射剂量，还是取消治疗计划。或者，规划处理器60将输送给目标体积30和非目标体积的每个体素的实际辐射剂量显示为配准到在确定治疗计划时使用的高分辨率图像表示、处置前图像表示、处置中图像表示或处置后图像表示之一的彩色图的强度，供医生进行评估。
在另一个实施例中，向受试者22体内引入增强对比度的药剂，例如基于钆(Gd)、基于超顺磁铁氧化物(SPIO)和基于超小SPIO(USPIO)、基于锰(Mn)的药剂等，以改善MR图像表示的对比度。对比度增强药剂能够改善轮廓检测和模型参数的精确度。在采集用于产生辐射治疗计划的高分辨率体图像表示之前施用对比度增强药剂，并在采集用于更新辐射治疗计划的处置前图像表示之前施用对比度增强药剂。
已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上详细描述之后可能想到修改和变更。应当将本发明解释为包括所有这样的修改和变更，只要它们在所附权利要求或其等价要件的范围之内。

Claims (6)

1.一种磁共振(MR)引导的辐射治疗装置，包括：
膛型磁体(12)，其在检查区域(14)中产生静态磁场，所述磁体配置有磁体辐射半透明区域(16)，所述磁体辐射半透明区域(16)允许辐射束径向地通过所述膛型磁体行进到设置于其中的受试者体内；
分裂型梯度线圈(18)，其界定缝隙，所述缝隙包括与所述磁体辐射半透明区域(16)对准的梯度线圈辐射半透明区域(20)，所述分裂型梯度线圈被配置成在成像区域中施加选定的磁场梯度脉冲；
射频(RF)线圈(40)，其被配置成在所述检查区域(14)中的受试者(22)中诱发并操控磁共振和/或从所述检查区域采集磁共振数据；
在所述膛型磁体侧面设置的辐射源(24)，定位所述辐射源以发射所述辐射束通过所述磁体和梯度线圈辐射半透明区域(16、20)到达所述膛型磁体的等中心；
扫描机控制器(42)，其控制所述梯度线圈(18)和射频线圈(40)以产生图像表示；
规划处理器(60)，其产生辐射治疗计划，所述辐射治疗计划包括多个辐射剂量；
检测单元(62)，其从处置前MR图像表示和在施用辐射剂量期间采集的多个处置中MR图像表示，确定目标体积(30)和至少一个非目标体积的轮廓和位置；
辐射控制器(64)，其控制辐射源组件(32)以向所述目标体积(30)施用辐射剂量，所述辐射剂量包括多个辐射束轨迹和至少一个辐射束几何性质，所述辐射源组件(32)至少包括所述辐射源(24)；以及
剂量单元(66)，其基于从所述处置前MR图像表示所确定的所述目标体积和所述至少一个非目标体积的轮廓和位置与从所述多个处置中MR图像表示所确定的所述目标体积和所述至少一个非目标体积的轮廓和位置之间的变化、所述辐射束轨迹和所述至少一个辐射束几何性质，确定向所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的每个体素输送的实际辐射剂量。
2.根据权利要求1所述的磁共振引导的辐射治疗装置，其中，在施用所述辐射剂量之前，所述规划处理器(60)将所确定的所述目标体积(30)的位置与所述辐射源组件(32)的坐标系对准。
3.根据权利要求2所述的磁共振引导的辐射治疗装置，其中，所述规划处理器(60)基于所确定的实际辐射剂量更新所产生的辐射治疗计划的至少一个剩余辐射剂量。
4.根据权利要求2和3中的任一项所述的磁共振引导的辐射治疗装置，其中
所述检测单元(62)从处置后MR图像表示确定所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的轮廓和位置；并且
所述剂量单元(66)被进一步配置成基于从所述处置前MR图像表示和所述处置后MR图像表示确定的所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的轮廓和位置、所述辐射束轨迹和所述至少一个辐射束几何性质，确定向所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的每个区域输送的实际辐射剂量。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的磁共振引导的辐射治疗装置，还包括：
产生运动信号的外部传感器(68)；
其中，所述剂量单元(66)基于从所述处置前MR图像表示确定的所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的轮廓和位置，确定运动模型；并且
所述剂量单元(66)被进一步配置成基于所确定的所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的轮廓和位置、所述辐射束轨迹和所述至少一个辐射束几何性质以及所确定的运动模型，确定向所述目标体积(30)和所述至少一个非目标体积的每个区域输送的实际辐射剂量。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的磁共振引导的辐射治疗装置，其中，所述多个处置中MR图像表示是所述目标体积(30)和至少一个非目标体积的三维(3D)、二维(2D)和一维(1D)图像表示中的至少一种。
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