CN102656607B - 使用计划收集来发展新的优化的目标 - Google Patents

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Abstract

一种辐射治疗系统包括采集受试者的多维数据集的诊断图像扫描器（12），所述多维数据集被重建成感兴趣对象的至少一个图像表示。一种辐射治疗系统的图像处理设备（72）包括识别感兴趣对象的表面轮廓，或者其他关键结构的分割单元（74）。掩模单元（82）基于所识别的表面轮廓确定非恒定余量并且附加所确定的非恒定余量到所识别的表面轮廓。所述非恒定余量基于各向异性运动、表面形态、位置不确定性、与其他器官的接近度、以及剂量分布的概率中的至少一个。规划处理器（70）产生辐射治疗计划，所述辐射治疗计划将治疗辐射的输送限制到与所述表面轮廓相关联的解剖体以及所附加非恒定余量。辐射输送系统（40）根据所产生的计划输送治疗辐射。

Description

使用计划收集来发展新的优化的目标
技术领域
本申请涉及用于辐射治疗规划的方法和系统。其尤其应用于在医疗图像中识别解剖特征，并且输送辐射治疗到所述解剖特征。
背景技术
辐射治疗是肿瘤学中常用的治疗技术，在该治疗中，输送高能伽马(□)辐射剂量、粒子束、或者其他辐射到患者身体以实现治疗效果，即根除癌变组织。使用多叶准直器或者其他射束整形元件对多个断层摄影辐射束或者单个辐射束进行强度调制以精确地照射靶体积，例如，癌变组织，同时限制附近的敏感的危及器官(organsatrisk)的曝光。基于肿瘤及其周围组织的一个或多个规划体积图像，例如，计算断层摄影(CT)图像等，在辐射处置之前规划(一个或多个)辐射治疗阶段(session)。计算机化的规划系统自动或者半自动地分割靶体积的边界以及健康的周围组织，这些组织中的一些是要由辐射束避开的敏感的危及器官。使用边界信息，规划系统优化强度调制参数以主要在对应于癌变体积的轮廓内输送辐射，同时在对应于危及器官的轮廓内限制曝光。为了确保靶被完全地照射，围绕所确定的靶体积的轮廓定义固定余量以应对诸如器官运动和患者位置的不确定性。也就是，通过在所有方向上以固定的余量扩大靶以提高靶被实际照射的概率。对不确定性的固定余量的依赖可能导致对癌症的不充分照射、对周围组织的不必要的照射损害、或者两者。
例如，在前列腺癌的处置规划中，确定前列腺的轮廓并且将其识别为靶体积，同时确定诸如膀胱、直肠、股骨头等器官的轮廓并且将它们识别为将被限制辐射曝光的危及器官。因为这些器官如此紧密靠近，给靶体积增加固定余量的通常方法给这些敏感器官带来了风险。而不增加余量带来了癌症将不能被彻底地根除的风险。
发明内容
本申请提供了一种用于辐射治疗规划的新的以及改进的方法和设备，其克服了上述提及的问题和其他问题。
根据一方面，提出一种用于解剖特征的图像分割的方法。该方法包括从多维数据集识别至少一个感兴趣对象的表面轮廓；基于所识别的表面轮廓和所述感兴趣对象的各向异性表面运动确定非恒定余量其中，所述非恒定余量在垂直于运动方向的方向上比在平行于运动方向的方向上更宽；并且将该非恒定余量附加到所识别的表面轮廓。
根据另一方面，提出一种用于辐射治疗的方法。该方法包括采集受试者的多维数据集并且将所述多维数据集重建成所述受试者的至少一个解剖特征的至少一个图像表示。根据用于图像分割的所述方法来分割所述图像表示。
根据另一方面，提出一种用于解剖特征的图像分割的装置，包括：用于从多维数据集识别至少一个感兴趣对象的表面轮廓的模块；用于基于所识别的表面轮廓和所述感兴趣对象的各向异性表面运动确定非恒定余量的模块，其中，所述非恒定余量在垂直于运动方向的方向上比在平行于运动方向的方向上更宽；以及用于将所述非恒定余量附加到所识别的表面轮廓的模块。
根据另一方面，提出一种图像处理设备。所述图像处理设备包括从多维数据集识别至少一个感兴趣对象的表面轮廓的分割单元以及基于所识别的表面轮廓和所述感兴趣对象的各向异性表面运动确定非恒定余量并且附加所确定的非恒定余量到所识别的表面轮廓的掩模单元，其中，所述非恒定余量在垂直于运动方向的方向上比在平行于运动方向的方向上更宽。
根据另一方面，提出一种辐射治疗系统。所述辐射治疗系统包括采集受试者的多维数据集并且从所述多维数据集产生感兴趣对象的至少一个图像表示的诊断图像扫描器，并且包括所述图像处理设备。
一个优点是减少了对健康组织的辐射曝光。
在阅读和理解了下述详细说明后本领域普通技术人员将知道本发明的其他的进一步的优点。
附图说明
本发明可以采用不同的部件和部件的布置，以及不同的步骤和步骤的排列的形式。附图仅仅是用于图示优选实施例的目的，而不应被解读为限制本发明。
图1是具有图像处理单元以确定非恒定余量的辐射治疗系统的图解视图；
图2是感兴趣对象的二维轴向切片以及所附加的非恒定余量；以及
图3是用于图像分割以确定非恒定余量的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，诸如辐射治疗系统的治疗系统10包括诊断成像扫描器12，诊断成像扫描器12例如计算断层摄影(CT)成像扫描器、MRI扫描器等，用于获取诊断图像以用于在规划辐射治疗协议中使用。CT成像扫描器12包括被安装在旋转机架16上的X射线源14。X射线源14产生穿过检查区域18的X射线，在检查区域中X射线与由支架20所支撑的受试者(未示出)的靶区相互作用，支架20将靶区定位在检查区域18内。布置X射线探测器阵列22以在X射线束穿过检查区域18后接收X射线束，在检查区域中，X射线与受试者相互作用，并且部分地被受试者吸收。因此，所探测到的X射线包括与受试者相关的吸收信息。
由控制器30操作CT扫描器12以执行将被辐射治疗处置的受试者的选定靶区的选定成像序列。成像序列采集靶区以及邻近组织的多维诊断成像数据集。诊断成像数据集被存储在数据缓存32中。重建处理器34从所采集的成像数据重建3D图像表示，并且所重建的图像表示被存储在诊断图像存储器36中。CT扫描器12、控制器30以及重建处理器34合起来定义了用于产生诊断图像的装置。
所描述的诊断成像系统仅是示范性的。本领域技术人员将意识到CT扫描器12可选地由诸如磁共振成像(MRI)扫描器、正电子断层摄影(PET)扫描器、单光子发射计算断层摄影(SPECT)扫描器等其他类型的诊断成像扫描器所替代。
在图示的实施例中，诊断成像设备12与治疗输送系统40相分离，但他们能够被结合到单一的外壳中。治疗输送系统可以是外部辐射治疗输送系统或者内部辐射治疗输送系统，例如，近距辐射治疗。可选地，在诊断成像前给受试者施加标志物，并且针对随后辐射治疗将标志物保持就位以在诊断图像和辐射治疗输送之间提供配准(registration)。也可以预期用于在诊断图像采集和辐射治疗之间空间配准的其他方法，例如，使用固有解剖标志物。也可预期将诊断成像扫描器与辐射治疗设备相结合以减少在诊断成像和辐射治疗之间的配准不良(misregistration)。
辐射输送系统40包括辐射输送设备42，其具有诸如线性加速器、聚焦的X射线等安装在旋转机架46上的辐射源44。机架46围绕旋转轴线48使辐射源44旋转或者步进。支架50刚性地定位受试者，使得靶区曝光于由辐射源44所产生的强度调制的辐射束52。当机架46围绕受试者使辐射源44旋转时，支架50定位并移动受试者。辐射束52具有横截面区域54，其中，强度和/或周长能够调整。在治疗期间，能够连续地施加辐射束52或者能够脉冲地开和关辐射束52。可选地，相对于源在患者的对面上设置辐射探测器系统以监测穿过患者的辐射强度。来自探测器的数据能够被重建成低分辨率投影图像以监测射束与靶之间的对准并监测剂量。由辐射控制器60操作辐射输送系统40以执行由规划处理器70所规定的选定的辐射协议。辐射输送系统40、辐射控制器60以及规划处理器70合起来定义了用于输送辐射治疗的装置。
定义了用于规划辐射治疗的装置的规划处理器70，基于来自成像设备12的所采集的感兴趣对象和关键器官的诊断图像表示来确定辐射治疗计划。感兴趣对象可以是将要从辐射输送系统40接收辐射治疗的癌肿瘤或者病变。关键结构包括必须尽可能地避免伤害的或者相对于非关键组织具有较高优先级的健康或者敏感组织，诸如脊髓等。通常，一旦定位并且识别感兴趣对象，各向同性的余量被附加到感兴趣对象的表面轮廓以扩张要被照射的区域，这增加了整个感兴趣对象被照射的概率，即对应于所附加的余量的解剖体将接收到相同的辐射剂量。余量应对与诸如肺部运动、心脏运动等的在治疗阶段期间的运动相关的，或者甚至是与诸如患者定位、直肠或者膀胱填充等在治疗阶段之间的运动相关的运动不确定性。附加各向同性的余量所带来的问题是如果感兴趣对象仅在一个方向或者甚至在两个方向经历运动，各向同性余量假设其在所有方向相等地经历运动，导致对健康组织不必要的照射。
继续参考图1，图像处理单元72基于感兴趣对象和/或关键结构的特性、投影的运动、以及潜在误差的其他来源来确定了各向异性或者非恒定的余量，其中，图像处理单元72与规划处理器70相通信，并且还定义了用于图像处理的装置。图像处理单元包括定义了用于分割的装置的分割单元74，其自动或者半自动地根据所采集的诊断图像表示来描绘感兴趣对象以及关键结构的表面轮廓。可以预期诸如聚类、特征萃取、基于模型等已知分割方法中的任何一个。定义了用于识别的装置的识别单元76将所描绘的表面轮廓与参考数据匹配。参考数据包括对应于各种器官和/或组织类型的表面模型的数据集78，来自数据集78的相关表面模型被匹配于所描绘的感兴趣对象的轮廓。匹配技术可以包括最大似然估计、神经网络等。
非恒定余量与每个表面模型相关联。例如，表面模型包括多个区域，每个区域具有与之相关联的余量宽度。在表面模型的各个区域处的余量宽度能够取决于多个因素。因素包括感兴趣对象的形态，例如，表面是否是平的、是否是不规则的、是否具有类似卷须的突起等。由于在一个或多个方向运动而导致的边界位置的不确定性，例如肺肿瘤可以经历由于呼吸而在冠状位方向的运动；因此，垂直于行进平均方向的表面模型的区域具有较宽的关联的余量。将被照射的组织的生理功能或者附近的(关键的和非关键的)结构的功能，以及与关键结构的接近度也被考虑。因素可以取决于辐射输送系统40，例如，射束宽度、射束强度、射束散射、机架速度、机架振荡或者振动等。除了余量宽度，表面模型的每个区域也可以具有对应于输送到与该区域对应的解剖体的辐射治疗射束强度的权重因子。在一个实施例中，所述权重因子是恒定的，使得对应的余量表现得类似于阶梯函数。在另一个实施例中，权重因子是非线性的，诸如梯度函数，其中射束强度朝着与感兴趣对象相对的余量的边缘而增加或者减少。例如，能够选择权重因子以输送辐射模式，该辐射模式描绘了具有能够选择的确定性的给靶的边缘区块的规定剂量，该确定性例如99％的概率将规定剂量输送到靶的所有部分，或者95％的概率将规定剂量输送到靶的所有部分。
定义了用于变形的装置的变形单元80调整表面模型的表面以对应于感兴趣对象的表面轮廓的几何结构。定义了用于掩模的装置的掩模单元82将非恒定余量附加到感兴趣对象，并且规划处理器70基于感兴趣对象的经附加的表面轮廓以及关键结构的轮廓产生强度图。参考图2，图示了具有附加的非恒定余量86的感兴趣对象的表面模型84的示例轴向2D切片的示例。感兴趣对象的净移动在z轴方向，因此非恒定余量86更宽以应对垂直于或者基本垂直于行进方向的表面的位置不确定性。基本平行于行进方向，即在图示实施例中的y方向的表面，具有与它们相关联的更窄的非恒定余量86。强度图映射出了治疗射束的轨迹、几何结构、和/或强度以用于辐射控制器来控制辐射输送系统40。规划处理器向控制台90输出强度图。控制台90包括图形用户界面并且也包括用户输入装置，临床医生能够使用其来分别控制扫描器控制器30或者辐射控制器60以根据所产生的强度图选择扫描序列或者协议以及选择处置方案或剂量。控制台显示诊断图像、分割工具、表面模型、非恒定余量等。分割单元74、识别单元76、数据库78、变形单元80以及掩模单元82合起来定义了用于产生非恒定余量的装置。
控制台80包括图形用户界面，也包括用户输入装置，临床医生能够使用其来分别控制扫描器控制器30或者辐射控制器60以选择扫描序列或者协议以及处置方案或剂量。控制台显示诊断图像、分割工具、所述强度图、表面模型等。
参考图3，规划处理器70包括编程有计算机程序的处理器，计算机程序被存储在计算机可读介质上以执行用于辐射治疗的方法以及用于图像分割的方法。计算机可读介质可以包括光存储器、磁存储器、或者固态存储器，例如，压缩光盘(CD)、数字化通用光盘(DVD)、闪存、随机存取存储器(RAM)芯片等。
如流程图中所描述的，用于图像分割以及辐射治疗的方法包括采集多维数据集100，例如，来自诊断图像扫描器的图像或者投影数据。数据集被重建成将被研究的解剖特征的图像表示102。识别解剖特征的表面轮廓104。例如，能够分割并且加亮肿瘤边界。将表面模型匹配于表面轮廓106。所述匹配基于形态、位置、运动、先前处置结果、感兴趣对象的功能性等。将表面模型拟合到解剖特征的几何结构108。每个表面模型具有与其相关联的非恒定余量。基于表面模型以及相关联的非恒定余量以及如先前所述的其他因素，确定用于解剖特征的非恒定余量110。基于通常患者特异性的因素调整或者优化关联的非恒定余量。将非恒定余量附加到解剖特征的表面模型112，并且根据其产生辐射治疗计划114。实施辐射治疗计划并且输送辐射治疗，例如，伽马辐射，到对应于经附加的表面模型的患者解剖体116。
在另一个实施例中，对后续的图像表示进行模拟，例如，经由蒙特卡洛方法等，使用经附加的表面模型以及描述解剖特征的变形和/或功能变化的概率的统计来进行模拟。针对根据后续的图像表示而产生的多个辐射治疗计划确定肿瘤控制概率(TCP)以及正常组织控制概率(NTCP)。基于TCP/NTCP比率对辐射治疗计划排序，并且选择最好的计划。
在另一个实施例中，余量的厚度对于器官是均匀的。在正常临床实践中，统计数据、器官位置的散布(spreading)以及功能特性是不可用的或者计算非常密集难以使用。为了日常使用，描绘器官并且将一些感兴趣区域(ROI)与预先定义的模型相匹配，然后在目标函数中使用这些区域。描述ROI。将ROI的相关轮廓与模型相匹配。每个模型的表面具有不同的区块，对于每个区块，定义到实际边界的距离以及权重因子。扩张表面模型的轮廓。沿着经扩张的轮廓利用他们的权重因子定义利用器官轮廓的目标函数。利用(人造)的后继的图像的计划收集，确定模型每个区块的到实际边界的距离以及权重因子。通过器官功能架构(串行或者并行)以及所使用的目标函数的类型(生物或者物理的约束)确定针对单一目标函数的区块组合。
在另一个实施例中，规划处理器70基于所附加的非恒定余量预期地产生适应性的辐射治疗计划。CT扫描器12采集感兴趣对象的规划图像，并且通过用于产生非恒定余量的装置根据规划图像确定非恒定余量。规划处理器根据经附加的感兴趣对象产生辐射治疗计划。所产生的治疗计划包括多个辐射处置阶段，在每个阶段之前，CT扫描器12，或者其他诊断成像模态采集感兴趣对象的引导图像以对准患者以及以监控处置的过程。规划处理器将当前感兴趣对象的形态、位置等与先前所确定的值比较，诸如从规划图像或者从先前所采集的引导图像所确定的。如果该差值达到预先选定的阈值，根据当前表面轮廓更新非恒定余量。如此，规划处理器在治疗计划期间适应性地更新非恒定余量。因此，更新当前处置阶段和/或剩余辐射治疗计划以应对在经附加感兴趣对象中的变化。经升级的方面包括辐射剂量、射束轨迹、射束几何结构、和/或处置阶段进度；不过，也可以预期其他方面。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解了上述详细描述的基础上可以进行修改和变更。旨在将本发明解读为包括所有这样的修改和变更，只要其涵盖在所附权利要求书或其等同替代的范围内。

Claims (17)

1.一种用于解剖特征的图像分割的方法，包括：
从多维数据集识别至少一个感兴趣对象的表面轮廓；
基于所述表面轮廓从表面模型数据库中识别表面模型；
基于所识别的表面轮廓、所述感兴趣对象的各向异性表面运动和所述表面模型确定非恒定余量，其中，所述非恒定余量在垂直于运动方向的方向上比在平行于运动方向的方向上更宽；并且
将所述非恒定余量附加到所识别的表面轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述感兴趣对象的表面形态确定所述非恒定余量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面模型包括定义所述表面模型的表面的多个表面元，每个表面元描述了所述非恒定余量的对应于该表面元的部分的宽度以及权重因子。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，识别表面模型的步骤还包括：
将表面模型匹配于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓；并且
调整所述表面模型的表面以对应于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓的几何结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述匹配的步骤基于所述感兴趣对象的位置、形态、运动或功能性中的至少一个。
6.一种用于解剖特征的图像分割的装置，包括：
用于从多维数据集识别至少一个感兴趣对象的表面轮廓的模块；
用于基于所述表面轮廓从表面模型数据库中识别表面模型的模块；
用于基于所识别的表面轮廓、所述感兴趣对象的各向异性表面运动和所述表面模型确定非恒定余量的模块，其中，所述非恒定余量在垂直于运动方向的方向上比在平行于运动方向的方向上更宽；以及
用于将所述非恒定余量附加到所识别的表面轮廓的模块。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，基于所述感兴趣对象的表面形态确定所述非恒定余量。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述表面模型包括定义所述表面模型的表面的多个表面元，每个表面元描述了所述非恒定余量的对应于该表面元的部分的宽度以及权重因子。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，用于识别表面模型的所述模块还包括：
用于将表面模型匹配于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓的模块；以及
用于调整所述表面模型的表面以对应于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓的几何结构的模块。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述匹配基于所述感兴趣对象的位置、形态、运动或功能性中的至少一个。
11.一种辐射治疗系统(10)，包括：
诊断成像扫描器(12)；
辐射输送系统(40)；以及
被编程以执行根据权利要求1-5之一所述的方法的辐射治疗规划处理器(70)。
12.一种图像处理设备(72)，包括：
分割单元(74)，其从多维数据集识别至少一个感兴趣对象的表面轮廓；
识别单元(76)，其基于所识别的表面轮廓识别选自表面模型数据库(78)的表面模型；以及
掩模单元(82)，其基于所识别的表面轮廓、所述感兴趣对象的各向异性表面运动和所述表面模型确定非恒定余量并且将所确定的非恒定余量附加到所识别的表面轮廓，其中，所述非恒定余量在垂直于运动方向的方向上比在平行于运动方向的方向上更宽。
13.根据权利要求12所述的图像处理设备(72)，其中，所述非恒定余量还基于表面形态、位置不确定性、与其他器官的接近度以及剂量分布的概率中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的图像处理设备(72)，其中，所述表面模型包括定义所述表面模型的表面的多个表面元，每个表面元描述了所述非恒定余量的对应于该表面元的部分的宽度以及权重因子。
15.根据权利要求12所述的图像处理设备(72)，还包括：
变形单元(80)，其将所述表面模型匹配于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓并且调整所述表面模型的表面以对应于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓的几何结构。
16.根据权利要求15所述的图像处理设备(72)，其中，基于所述感兴趣对象的位置、形态、运动或功能性中的至少一个将所述表面模型匹配于所述至少一个感兴趣对象的所述表面轮廓。
17.根据权利要求12所述的图像处理设备(72)，还包括：
规划处理器(70)，其根据经分割的图像表示产生辐射治疗计划，所述辐射计划将治疗辐射的输送限制到解剖特征的所识别的表面轮廓以及所附加的非恒定余量内；以及
辐射输送系统(40)，其根据所产生的辐射治疗计划输送治疗辐射。
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