CN102600560B - 一种分次放射治疗间的快速影像定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分次放疗间的快速影像定位系统及方法。系统包括：放射治疗设备，可移动的三维治疗床，与治疗床相连接的CT机和影像匹配工作站和影像匹配加速卡，影像匹配加速卡通过高速的数据接口和影像匹配工作站相连接。由于采用超大规模集成电路(VLSI)设计，进行多路的影像匹配并行化处理，在硬件中实现快速的影像匹配定位算法；并将影像匹配加速卡的计算结果反馈到移动治疗床的位置控制系统，通过消除当前CT机断层影像中病灶中心位置与治疗计划断层影像中的靶区中心位置的三维坐标偏差值，使得病人病灶中心位置移动至放疗设备焦点，完成分次放疗间的快速影像定位。减少了定位的验证时间，精确地设置了射野，给予了病灶靶区更精确的剂量。
Description
【技术领域】
本发明涉及放疗设备的快速影像定位领域，特别涉及一种分次放射治疗间的直接应用病灶影像的快速影像匹配定位系统及方法。
【背景技术】
放疗是治疗癌症(病灶)最有效的手段之一，随着三维适形放疗(3D conformal radiotherapy)和调强放疗(IMRT)的发展，对于放疗过程的精确性要求越来越高，其中一个重要环节就是尽量减少临床靶区(CTV)和计划靶区(PTV)的差别。近年来影像引导动态追踪放疗(IGRT)技术的提出和应用正是为了解决这一难题。临床靶区和计划靶区的差别主要反映在放疗过程的两个环节，一是分次放疗间的病灶位置的变化，二是分次放疗中病灶位置的运动和形状的改变。分次放疗间的病灶位置的变化主要来自以下因素：放疗师在治疗床上安置病人的技巧、消化器官和泌尿器官的不同充盈状况、体重的变化、或者甚至病人的神志状态。不仅在分次放疗间，病灶的位置会产生变化，同时在放疗的分次治疗过程中，病灶的位置和形状也会产生变化，其主要来自以下因素：正常的呼吸、心跳、和胃肠等能蠕动的器官的运动，和病人的不自主运动，例如咳嗽等。
对于分次放疗间的病灶位置的确定，临床可以采用病人体表的标记定位、体内植入标记、正交的KV级前后(AP)和侧位(LR)的X射线影像，参考治疗计划的相应标记和影像进行二维配准，得到控制病人治疗床的三维空间坐标和旋转坐标，从而这些信息反馈下载到治疗床的位置和方向控制系统，对治疗床的空间位置进行调整。但是由于体表标记和植入标记都不是直接的病灶，同时目前KV级前后(AP)和侧位(LR)的X射线影像的二维影像匹配是基于骨结构特征的，所以都不是直接的对于病灶本身的定位。而利用机载影像处理器(OBI)的CT的三维成像，使得放疗师可以直接利用病灶本身的解剖学特性，参考治疗计划中的三维影像进行三维影像匹配定位，或二维影像匹配定位，直接对病灶本身进行定位，但是机载影像处理器实现上复杂度较高，同时利用机载影像处理器的CT三维成像精度，相对于治疗计划CT影像的精度较差。
本发明直接利用治疗计划用的CT机或者与其精度相当的CT机，进行扫描断层影像成像，直接对于病灶影像进行快速匹配定位，具有定位精度高的优点；本发明中，应用超大规模集成电路(VLSI)技术，体系结构上采用多路并行化影像匹配处理技术，在场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)等硬件上实现影像的快速匹配定位算法，因此具有影像匹配定位速度快的优点。
【发明内容】
本发明提供了一种快速影像定位系统及方法。以解决现有影像定位系统及方法在分次放射治疗间直接对于病灶影像进行定位时会出 现不精确和速度慢的技术问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种分次放射治疗间的快速影像定位系统，包括：放射治疗设备，可移动的三维治疗床，与治疗床相连接的CT机和影像匹配工作站，其特征是，还包括影像匹配加速卡，所述的影像匹配加速卡通过高速的数据接口和影像匹配工作站相连接。
所述的影像匹配加速卡包括一块或多块片外的高速大容量的内存、一块或多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)，所述片外的高速大容量的内存用于存放治疗计划中的断层扫描影像数据；所述可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)用于存放分次放射治疗间CT机获取的断层扫描影像数据。
所述可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)采用超大规模集成电路(VLSI)并行化处理结构。
所述的可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)包括：与影像匹配工作站进行高速数据传输的接口；存放分次放疗间CT机获取断层扫描影像数据的片上内存；缓存治疗计划断层扫描影像数据的多个片上内存和进行多路并行影像匹配定位的处理单元。
一种分次放射治疗间的快速影像定位方法，包括以下步骤：
一、在分次放射治疗前，在病人体表做标记，用CT机获取治疗计划影像，将治疗计划的N层断层影像数据传输并存储于影像匹配加速卡上的片外存储器中；
二、核对标记，将病人放置在放疗设备的移动治疗床上；
三、利用CT机对移动治疗床上病人的病灶进行扫描，得到分次 治疗间的n层CT断层影像，传输并存储于所述影像匹配加速卡的片内存储器中，其中n≤N；
四、将存储于所述影像匹配加速卡的片内存储器中的n层CT断层影像数据与存储于影像匹配加速卡上的片外存储器中的N层断层影像数据数据中的第1至n层，第2至n+1层，第3至n+2层…第N-n+1至N层进行匹配；
五、匹配结果生成匹配相似度最高的治疗计划n层断层影像B，计算出当前CT断层影像A和治疗计划n层断层影像B的三个坐标的偏差值：Δx、Δy和Δz；
六、利用三个坐标的偏差值：Δx、Δy和Δz对治疗床进行补偿定位。
所述影像匹配加速卡的片外存储器为多块片外的高速大容量的内存，所述影像匹配加速卡的片内存储器为多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中的存储器单元；所述步骤三得到分次治疗间的n层CT断层影像，并存储于所述影像匹配加速卡上FPGA或ASIC的片内的存储器中；所述步骤四中将存储于影像匹配加速卡上的多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中的n层治疗计划的CT断层影像数据与存储于所述影像匹配加速卡的多块片外的高速大容量的内存中的N层断层影像数据数据中的第1至n层，第2至n+1层，第3至n+2层…第N-n+1至N层分组后再同时进行匹配。
在采用了上述技术方案后，由于增加了影像匹配加速卡，影像匹配加速卡通过高速的数据接口和影像匹配工作站相连接，大大提供了 影像定位系统的定位精度和速度。解决了现有影像定位系统不精确和速度慢的技术问题。另外，由于影像匹配定位的超大规模集成电路(VLSI)并行化处理结构，其电路实现在影像匹配加速卡上的场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中。并行化影像匹配处理结构的工作原理是：治疗计划中的断层影像数据在匹配定位前已传输至并存储于影像匹配加速卡上的多块片外存储器中，其中部分治疗计划的断层影像数据被高速缓存于FPGA或者ASIC中的片内存储器中；当前CT机获取的断层影像数据传输至影像匹配加速卡后，也被存储于FPGA或者ASIC中的片内存储器中；并且分多路并行地在多个匹配处理器单元中逐层与治疗计划中的断层影像数据进行匹配得到匹配结果；得到的匹配结果包括相似度、当前CT机的断层影像中病灶中心位置与治疗计划的断层影像病灶中心位置的三维坐标偏差值；每次匹配的匹配结果传输到匹配结果生成器中，比较得到相似度最高的上面所述的三维坐标偏差值，并将匹配结果生成器中得到的三维坐标偏差值经过高速数据接口传输到影像匹配工作站；进而反馈到移动治疗床的位置控制系统，调整移动治疗床，使得当前CT机的断层影像中病灶中心位置移动至放疗设备的焦点位置。
【附图说明】
图1是影像匹配加速卡的元器件组成示意图和影像匹配加速卡中FPGA/ASIC中的超大规模集成电路的模块结构示意图；
图2是一种分次放射治疗间的直接对于病灶进行影像精确定位系统的示意图；
图3是分次放射治疗开始时，治疗计划的断层影像数据传输并存储于影像匹配加速卡上的片外存储器和片内的高速缓存RAM中的示意图；
图4是当前的CT断层影像数据传输并存储于影像匹配加速卡上的片内的高速缓存RAM中，以并行处理方式和三路治疗计划的断层影像数据同时进行影像匹配，并将匹配结果输出到匹配结果生成器中的示意图；
图5是当前CT机获取的n层扫描断层影像和治疗计划M层扫描断层影像，以三路并行处理方式进行每n层影像匹配的过程示意图；
图6是匹配结果生成器计算最终的匹配结果，并经过高速数据接口输出到影像匹配工作站的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
一种分次放射治疗间的快速影像定位系统，包括：放射治疗设备，可移动的三维治疗床，与治疗床相连接的CT机和影像匹配工作站和影像匹配加速卡，影像匹配加速卡通过高速的数据接口和影像匹配工作站相连接，影像匹配加速卡包括一块或多块片外的高速大容量的内存、一块或多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)，片外的高速大容量的内存用于存放治疗计划中的断层扫描影像数据；可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)用于存放分次放射治疗间CT机获取的断层扫描影像数据，可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)采用超大规模集成电路(VLSI) 并行化处理结构。可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)包括：与影像匹配工作站进行高速数据传输的接口；存放分次放疗间CT机获取断层扫描影像数据的片上内存；缓存治疗计划断层扫描影像数据的多个片上内存和进行多路并行影像匹配定位的处理单元。
一种分次放射治疗间的快速影像定位方法，包括以下步骤：
一、在分次放射治疗前，在病人体表做标记，用CT机获取治疗计划影像，将治疗计划的N层断层影像数据传输并存储于影像匹配加速卡上的片外存储器中；
二、核对标记，将病人放置在放疗设备的移动治疗床上；
三、利用CT机对移动治疗床上病人的病灶进行扫描，得到分次治疗间的n层CT断层影像，传输并存储于所述影像匹配加速卡的片内存储器中，其中n≤N；
四、将存储于所述影像匹配加速卡的片内存储器中的n层CT断层影像数据与存储于影像匹配加速卡上的片外存储器中的N层断层影像数据数据中的第1至n层，第2至n+1层，第3至n+2层…第N-n+1至N层进行匹配；
五、匹配结果生成匹配相似度最高的治疗计划n层断层影像B，计算出当前CT断层影像A和治疗计划n层断层影像B的三个坐标的偏差值：Δx、Δy和Δz；
六、利用三个坐标的偏差值：Δx、Δy和Δz对治疗床进行补偿定位。
影像匹配加速卡的片外存储器为多块片外的高速大容量的内存，影像匹配加速卡的片内存储器为多块场可编程阵列器件(FPGA) 或者专用集成电路(ASIC)中的存储器单元；步骤三得到分次治疗间的n层CT断层影像，并存储于所述影像匹配加速卡上FPGA或ASIC的片内的存储器中；步骤四中将存储于影像匹配加速卡上的多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中的n层治疗计划的CT断层影像数据与存储于所述影像匹配加速卡的多块片外的高速大容量的内存中的N层断层影像数据数据中的第1至n层，第2至n+1层，第3至n+2层…第N-n+1至N层分组后再同时进行匹配。
具体的为：在分次放射治疗前，在病人体表做标记，然后用CT机获取治疗计划影像；
在分次放射治疗间，首先核对标记，然后将病人放置在放疗设备1的移动治疗床3上；利用CT机2对移动治疗床上病人的病灶进行扫描，得到分次治疗间的CT断层影像A，所述断层影像A为n层断层影像，n大于等于1，如图5中的A所示；
在分次放射治疗开始时，将治疗计划的断层影像数据传输并存储于影像匹配加速卡上的多路片外存储器中，如图3所示的存储器1、存储器2和存储器3，同时将部分治疗计划的断层影像数据存储于FPGA/ASIC中的片内RAM中，如图3所示的RAM1、RAM2和RAM3中；
将当前CT断层影像A传输至FPGA/ASIC中的片内RAM中，如图3中的RAM；然后加速卡控制器将RAM中的影像数据分多路并行与存储治疗计划断层影像数据进行匹配处理，如图4中RAM中的影像数据分3路与RAM1、RAM2和RAM3中影像数据，在匹配处理器1、在匹配处理器2和在匹配处理器3中进行匹配处理；得到的匹配结果，包括匹配相似度和三个坐标的偏差值输出到匹配结果生成器中；上述匹配 过程反复执行，即存储器1、存储器2和存储器3的影像数据通过DDRRAM控制器和DMA控制器不断地传输到片内高速缓存RAM1、RAM2和RAM3，直到所有的存储器1、存储器2和存储器3的影像数据全部传输至片内进行匹配；RAM中的影像数据和所有治疗计划的影像数据匹配结束，匹配结果生成器计算出匹配相似度最高的治疗计划n层断层影像B，同时计算出当前CT断层影像A和治疗计划n层断层影像B的三个坐标的偏差值：Δx、Δy和Δz；如图6，上述的三个偏差值通过片内的高速数据接口传输至影像匹配工作站；
影像匹配工作站将当前CT断层影像A和治疗计划n层断层影像B的三个坐标的偏差值反馈给移动治疗床的位置控制系统，通过调整移动治疗床的位置，消除当前CT断层影像和A和治疗计划n层断层影像B的三个坐标的偏差值，使得当前CT断层影像的靶区中心和放疗设备的焦点中心完全重合。
图中各标识的含义为：1放疗设备，伽玛刀和直线加速器、2影像匹配定位CT机、3移动三维治疗床、4影像匹配工作站、5影像匹配加速卡。
Claims (2)
1.一种分次放射治疗间的快速影像定位方法，包括以下步骤：
一、在分次放射治疗前，在病人体表做标记，用CT机获取治疗计划影像，将治疗计划的N层断层影像数据传输并存储于影像匹配加速卡上的片外存储器中；
二、核对标记，将病人放置在放疗设备的移动治疗床上；
三、利用CT机对移动治疗床上病人的病灶进行扫描，得到分次治疗间的n层CT断层影像，传输并存储于所述影像匹配加速卡的片内存储器中，其中n≤N；
四、将存储于所述影像匹配加速卡的片内存储器中的n层CT断层影像数据与存储于影像匹配加速卡上的片外存储器中的N层断层影像数据数据中的第1至n层，第2至n+1层，第3至n+2层…第N-n+1至N层进行匹配；
五、匹配结果生成匹配相似度最高的治疗计划n层断层影像B，计算出当前CT断层影像A和治疗计划n层断层影像B的三个坐标的偏差值：△x、△y和△z；
六、利用三个坐标的偏差值：△x、△y和△z对治疗床进行补偿定位。
2.如权利要求1所述的分次放射治疗间的快速影像定位方法，其特征是：所述影像匹配加速卡的片外存储器为多块片外的高速大容量的内存，所述影像匹配加速卡的片内存储器为多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中的存储器单元；所述步骤三得到分次治疗间的n层CT断层影像，并存储于所述影像匹配加速卡上FPGA或ASIC的片内的存储器中；所述步骤四中将存储于影像匹配加速卡上的多块场可编程阵列器件(FPGA)或者专用集成电路(ASIC)中的n层治疗计划的CT断层影像数据与存储于所述影像匹配加速卡的多块片外的高速大容量的内存中的N层断层影像数据数据中的第1至n层，第2至n+1层，第3至n+2层…第N-n+1至N层分组后再同时进行匹配。
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