CN103180015A - 控制到移动靶标区中的辐射聚焦的治疗设备、计算机实现方法和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

一种治疗设备（300、400、500、600），包括：用于处置受试者（306）的靶标区（304）的治疗系统（302、402），其中所述治疗系统具有用于将辐射（410）引导至所述靶标区中的能调节聚焦；用于测量所述受试者的呼吸时相的呼吸传感器（308、310、416、424）；用于控制所述治疗设备的处理器（322）；以及包含用于由所述处理器执行的机器能执行指令（340、342、344、346、348、350、352）的存储器（326、328），其中所述指令的执行令所述处理器：发送（100、206）控制信号到所述治疗系统，所述控制信号引起对所述靶标区的处置；从所述呼吸传感器接收（102、208）时间依赖性呼吸时相数据（330）；根据所述时间依赖性呼吸时相数据生成（104、210）聚焦调节控制信号；以及发送（106、212）所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

Description

控制到移动靶标区中的辐射聚焦的治疗设备、计算机实现方法和计算机程序产品

技术领域

本发明涉及用于将辐射聚焦到靶标区的焦点中的治疗设备的控制，尤其涉及使用呼吸传感器对聚焦的控制。

背景技术

使用辐射疗法或高强度聚焦超声（HIFU）对移动肿瘤的有效处置需要靶标位置的实时三维信息。需要该信息来保证针对靶标的充足剂量，并避免对周围的健康组织用药。肿瘤的所述移动在腹部器官，例如胰腺、肝和肾中是典型的。所述移动本质上是周期性的，并且是由于患者的呼吸造成。肿瘤在呼吸循环内的位移可达几个厘米，这相比于HIFU聚焦区的尺寸是相当大的。

呼吸门控是用于辐射疗法中的方法，用于补偿呼吸移动：测量呼吸信号，然后用CT扫描器在呼吸循环的不同时相采集体积图像，以对靶标的移动建立模型。处置期间，呼吸信号也被测量，并在靶标处于预定义的窗口以外时随时切换治疗光束。其他呼吸运动检测方法包括：呼吸量测定法、追踪放在患者皮肤上的外部标记物、带有应变计的皮带、躯干的立体声成像，以及躯干的飞行时间成像。

美国专利申请公开US2010/0094153Al公开一种呼吸传感器，其适于从患者一侧上的第一接触点延伸到患者相对侧上的第二接触点。呼吸信号数据被实时分析，并被用于门控CT扫描器，籍此创建时相协同的图像。

发明内容

本发明在独立权利要求中提供一种治疗设备、计算机实现方法，以及计算机程序产品。在从属权利要求书给出实施例。

现有治疗设备的困难在于，治疗或者医学成像数据的采集是根据呼吸循环的时相而被门控的。本发明的一些实施例基于受试者的呼吸时相调节治疗系统的聚焦。一些实施例使用模型，所述模型基于受试者的所述呼吸时相预测聚焦位置。

一些实施例使用集成到受试者支撑体中的作为呼吸传感器的力传感器。这样的治疗设备的使用可以具有以下优点：

1、患者便利性得以改善。不向患者连接烦扰的呼吸测量设备或皮带。

2、产品集成水平得到提高。存在较少与处置相关的附件。所述呼吸测量装置是台面的整体部分。对患者和对护士均为无缝的。

3、所述呼吸测量装置具有来自HIFU平台的原有支撑体。这样的优点在于不需要到成像软件的接口。

一些实施例组合了测量心冲击描记图信号（BCG）的力传感器、呼吸触发磁共振成像，以及磁共振引导（MR引导）的高强度聚焦超声（HIFU），该高强度聚焦超声具有针对具有因患者呼吸造成的肿瘤移动而调适到限定的HIFU疗程的焦点。其具有三个步骤。

首先，用位于所述台面的力传感器测量所述BCG（心冲击描记图）信号。所述BCG被用于检测所述患者的呼吸移动。所述BCG信号包括因所述患者的心跳和呼吸造成的施加到所述台面的力。为了测量呼吸运动，需要非常敏感的力传感器，并且将输出信号低通滤波。

其次，所测量的呼吸信号被用作在预处置阶段中感兴趣的器官的体积图像的触发器（例如可以使用MRI）。可以在呼吸循环的不同时相采集体积图像。得到一系列的体积图像，每个代表所述呼吸循环的不同时相（θ）。所述呼吸信号可以用常规方法测量。本发明的一些实施例中，使用BCG触发的MRI。接下来，将为θ的函数的呼吸时相依赖性周期矢量分配给靶标的位置。可以计算指向所述靶标的矢量，并将其用来控制聚焦的靶向。

最终，在处置阶段过程中还实时测量所述呼吸信号。现在，周期矢量提供针对每个呼吸时相的靶标位置信息。该实时靶标位置信息被用作针对相控阵换能器控制电子器件的输入，以在MR引导的HIFU中随同移动的肿瘤移动所述焦点。

所述力传感器可以一种方式被定位到所述台面，即其支撑受试者体重部分或全部。输出信号为BCG信号，并在低通滤波之后其代表所述患者呼吸信号。所述传感器可以被用作任选附件，或者其可以是所述台面的一体部分。

本文使用的“计算机可读存储介质”囊括可以存储能由计算装置的处理器执行的指令的任何有形存储介质。所述计算机可读存储介质可以被称作计算机可读永久性存储介质。所述计算机可读存储介质也可以被称作有形计算机可读介质。一些实施例中，计算机可读存储介质也可以能够存储能够被所述计算装置的所述处理器访问的数据。计算机可读存储介质的范例包括，但不限于：软盘、磁硬盘驱动、固态硬盘器、闪存、USB指状驱动器、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、光盘、磁光盘，以及所述处理器的寄存器文件。光盘的范例包括压缩盘（CD）和数字多用光盘（DVD），例如，CD-ROM、CD-RW、CD-R、DVD-ROM、DVD-RW或DVD-R盘。术语计算机可读存储介质也指能够被所述计算机装置经由网络或通信链路访问的各种类型的记录介质。例如，数据可以通过调制解调器、通过互联网，或通过局域网络被检索。

计算机存储器是计算机可读存储介质的范例。计算机存储器是处理器能直接访问的任何存储器。计算机存储器的范例包括，但不限于：RAM存储器、寄存器，以及寄存器文件。

计算机存储设备是计算机可读存储介质的范例。计算机存储设备为任何非易失性计算机可读存储介质。计算机存储设备的范例包括，但不限于：硬盘驱动器、USB指状驱动器、软盘驱动器、智能卡、DVD、CD-ROM，以及固态硬盘驱动器。一些实施例中，计算机存储设备也可以是计算机存储器，反之亦然。

处理器为能够执行程序或机器能执行指令的电子部件。对包括“处理器”的计算装置的引用应被解读为可能包含多于一个处理器。术语计算装置还应被解读为可能指每个包括处理器的计算装置或计算机的集合或网络。许多程序具有它们的指令，这些指令由多个处理器运行，所述多个处理器可以在同一计算装置内，或者所述多个处理器甚至可以分布在多个计算装置上。

本文使用的“用户界面”是允许用户或操作员与计算机或计算机系统交互的界面。用户界面可以向所述操作员提供信息或数据和/或从所述操作员接收信息或数据。数据或信息在显示器或图形用户界面上的显示是向操作员提供信息的范例。数据通过键盘、鼠标、轨迹球、触摸板、指点杆、绘图板、操纵杆、手柄、网络摄像头、头戴式受话器、变速杆、方向盘、踏板、有线手套、跳舞毯、远程控制，以及加速计的接收都是从操作员接收信息或数据的范例。

本文使用的“医学图像数据”囊括已使用医学成像系统采集的二维或三维数据。

本文使用的“医学成像系统”囊括适于采集有关患者物理结构的信息，以及构建多套二维或三维医学图像数据的设备。医学图像数据可被用于构建可视化，所述可视化对于医师的诊断是有用的。该可视化可以使用计算机来进行。

本文使用的“磁共振（MR）数据”囊括在磁共振成像扫描过程中由磁共振设备的天线记录的通过原子自旋发射的射频信号的测量结果。磁共振数据是医学成像数据的范例。磁共振成像（MRI）图像在本文中被定义为包含在磁共振成像数据中的解剖数据的经重建的二维或三维可视化。该可视化可以使用计算机来执行。

在本发明的一方面中，本发明提供一种治疗设备。所述治疗设备包括用于处置受试者的靶标区的治疗系统。所述治疗系统具有将辐射引导至所述靶标区中的能调节聚焦。所述治疗系统实质上将辐射引导至所述靶标区中，并且具有用于对焦所述靶标区的器件。所述治疗系统可以为例如，但不限于，X射线治疗系统、带电粒子治疗系统、质子治疗系统、高强度聚焦超声系统、激光消融系统，以及低温消融系统。

所述治疗设备还包括用于测量所述受试者的呼吸时相的呼吸传感器。用所述呼吸传感器采集的数据被称作呼吸时相数据。来自所述呼吸传感器的数据可以根据时间被记录。根据时间记录的呼吸时相数据被称作时间依赖性呼吸时相数据。本文使用的呼吸传感器囊括能够测量受试者的所述呼吸时相的所有传感器。呼吸传感器为，但不限于呼吸指导机或传感器、力传感器、测量所述受试者的位置或位置改变的传感器、加速计，以及所述受试者上的基准标记。所述治疗设备还包括用于控制所述治疗设备的处理器。在本文中要理解，所述处理器等同于控制器或控制系统。此外，处理器可以指多个处理器。所述多个处理器可以在单个计算机系统或嵌入式系统内，或者所述处理器可以分布在多个计算机或嵌入式系统的集合或网络之间。

所述治疗设备还包括存储器，所述存储器包含用于由所述处理器执行的机器能执行指令。所述指令的执行引起所述处理器发送控制信号到所述治疗系统，所述控制信号引起对所述靶标区的处置。所述控制信号包含引起所述治疗系统生成局部处置所述靶标区的辐射源的命令。所述指令的执行还引起所述处理器从所述呼吸传感器接收时间依赖性呼吸时相数据。所述指令的执行还引起所述处理器根据所述时间依赖性呼吸数据生成聚焦调节控制信号。所述治疗系统具有能调节的聚焦。所述聚焦调节控制信号引起所述治疗系统的所述聚焦被调节。换言之，所述聚焦调节控制信号引起具有所述受试者内所述靶标区位置的聚焦被改变到不同的位置。所述指令的执行还引起所述处理器发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。当所述治疗系统接收所述聚焦调节控制信号时，这些控制信号引起所述治疗系统的所述聚焦被调节。所述聚焦可以被调节为使得其补偿所述靶标区的运动。该实施例是有利的，因为所述治疗系统可以连续地处置所述受试者的所述靶标区。例如，如果所述受试者正经历呼吸，所述受试者的解剖结构可能根据时间而改变。通过发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统，所述能调节的聚焦可以被用来补偿所述受试者的运动，并且然后所述靶标区可以移动，使得所述受试者的解剖结构的相同部分或所述受试者的解剖结构的期望部分得到处置。

在另一实施例中，所述指令引起所述处理器发送控制信号到所述治疗设备，所述控制信号引起所述治疗系统连续地处置所述靶标区，同时进行以下步骤：接收所述时间依赖性呼吸时相数据，生成聚焦调节控制信号，以及发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

在另一实施例中，所述存储器还包含靶向模型。本文使用的“靶向模型”囊括这样的模型：该模型根据时间依赖性呼吸时相数据描述所述靶标区的位置。所述聚焦调节控制信号根据所述时间依赖性呼吸时相数据和所述靶向模型被生成。该实施例是有利的，因为使用了确定所述受试者内所述靶标区的位置的模型。所述时间依赖性呼吸时相数据可以被用于确定所述靶标区的所述位置。因此，所述模型可以然后被用于调节所述治疗系统的所述能调节聚焦，从而所述靶标区随着所述受试者移动得到处置。

在另一实施例中，所述治疗设备还包括用于采集所述医学成像区的时间依赖性医学图像数据的医学成像系统。时间依赖性医学图像数据是所采集的医学图像，并且是时间的函数。所述指令的执行还引起所述处理器从所述医学成像系统接收所述时间依赖性医学图像数据。所述指令的执行还引起所述处理器从所述呼吸传感器接收初步时间依赖性呼吸时相数据。所述时间依赖性医学图像数据和所述初步时间依赖性呼吸时相数据是时间相关的。所述指令还引起所述处理器根据所述时间依赖性医学图像数据和所述初步时间依赖性呼吸时相数据生成所述靶向模型。在该实施例中，医学图像数据被采集并与呼吸时相数据一起被用于制作模型。该实施例是有利的，因为所述模型可以与后来采集的时间依赖性呼吸时相数据一起被用于预测所述靶标区的所述位置。

所述靶向模型的使用允许将辐射引导至所述靶标区中，无需所述医学成像系统在所述靶标区的处置过程中采集医学图像数据。例如，所述模型可以使用所述医学成像系统被创建，并且然后所述治疗系统和所述受试者可以在随后被从所述医学成像系统移出，并且然后对所述靶标区的处置可以在没有所述医学成像系统的情况下执行。这是有利的，在于在所述靶标区的整个处置过程中不需要所述医学成像系统。在例如所述医学成像系统极其昂贵的磁共振成像的情形中，这可以减少所述处置的费用。

在另一实施例中，所述指令引起所述处理器通过配准所述时间依赖性医学图像数据中的所述靶标区的时间依赖性位置而生成所述靶标模型。该步骤可以涉及将所述医学图像数据重建为医学图像。配准医学图像或医学数据中的位置的过程是本领域熟知的，并且涉及模式识别或将模型拟合到所述图像。所述指令还引起所述处理器通过根据初步时间依赖性呼吸时相数据将矢量映射到所述靶标区的经配准的时间依赖性位置上，来生成靶标模型。该步骤中，使用矢量和所述呼吸时相数据映射所述时间依赖性位置。使用所述后来采集的时间依赖性呼吸时相数据，可以计算新矢量的所述位置。该实施例是有利的，因为其提供了构建靶向模型的有效方式。

在另一实施例中，所述指令还引起所述处理器计算所述初步时间依赖性呼吸时相数据与所述时间依赖性呼吸时相数据之间的相关性。如果所计算的相关性低于预定的相关性阈值，所述指令还引起所述处理器发送停止控制信号到所述治疗系统，所述停止控制信号引起所述靶标区的所述处置停止。在该实施例中，将被用于创建所述靶向模型的所述呼吸时相数据与在所述靶标区的处置过程中采集的所述呼吸时相数据进行比较。如果所述相关性低于所述预定的相关性阈值，这可能表明所述模型将没有精确预测所述靶标区在所述受试者内的所述位置。该情况中，停止控制信号引起所述治疗系统停止处置所述靶标区。这是有利的，因为如果所述受试者没有遵循相同的呼吸循环，或者移动了，或者存在某种其他问题，则所述受试者可能在所述靶标区的处置过程中受伤害。该实施例提供了对所述系统的安全性检查。

在另一实施例中，所述医学成像系统为磁共振成像系统。

在另一实施例中，所述医学成像系统为超声成像系统。

在另一实施例中，所述医学成像系统为计算机断层摄影系统。

在另一实施例中，所述治疗设备还包括用于支撑所述受试者的受试者支撑体。所述呼吸传感器为集成到所述受试者支撑体中的力传感器，从而所述呼吸传感器支撑所述受试者的至少一部分体重。本文使用的力传感器被理解为囊括测量力、力的改变，或连接到所述力传感器的质量的加速度的传感器。该实施例是有利的，因为使所述呼吸传感器集成到受试者支撑体中是方便的。额外地，力传感器的使用不要求所述受试者配备特殊的呼吸管或其他测量装置。

在另一实施例中，所述力传感器采集力数据。所述力数据包括心冲击描记图信号。该实施例尤其有利，因为心冲击描记图信号或数据包括有关受试者的移动以及还有呼吸循环的数据。

在另一实施例中，所述治疗设备还包括用于将所述力数据滤波成呼吸时相数据的低通滤波器。该实施例是有利的，因为所述心冲击描记图信号包含几种不同类型的数据。低通滤波器可以被用于将所述力数据滤波成呼吸时相数据。例如所述力传感器可以被用于采集所述时间依赖性呼吸时相数据，并且其也可以被用于采集所述初步时间依赖性呼吸时相数据。所述低通滤波器可以以电子方式实现，或者其可以在软件中或是通过数字信号处理芯片以数字方式实现。例如，所述力传感器可以直接发送所述呼吸时相数据到所述处理器，或者在其他实施例中，接收所述时间依赖性呼吸时相数据的所述步骤可以是从所述力传感器接收的原始数据。该情况中，数字信号处理芯片或机器能执行指令可以引起所述处理器对所述力数据进行数字滤波，以采集所述呼吸时相数据。

在另一实施例中，所述指令还引起所述处理器从所述力传感器接收时间依赖性力数据。这些指令可以与引起所述处理器从所述呼吸传感器接收时间依赖性呼吸时相数据的那些指令相同。所述指令还引起所述处理器根据所述时间依赖性力数据计算平均能量信号。如果所述平均能量高于预定的平均能量阈值，所述指令还引起所述处理器发送停止控制信号到所述治疗系统，所述停止控制信号引起所述靶标区的所述处置停止。该实施例是有利的，因为（例如通过计算实时时间依赖性力数据的RMS或均方根）计算平均能量信号，可以表明所述受试者处于移动过程中。如果所述受试者已有移动，则所述靶向模型可能不再有效。因此，该实施例可以提供检测所述靶向模型何时不再有效的手段。

在另一实施例中，所述治疗系统为集成到所述受试者支撑体中的高强度聚焦超声系统。所述高强度聚焦超声系统包括具有能调节聚焦的超声换能器。因此，所述超声换能器能够调节到所述靶标区中的超声辐射或能量。所述能调节聚焦可以经由机械手段通过定位所述超声换能器的位置的机械位置系统被聚焦，和/或所述超声换能器可以以电子方式聚焦所述超声能量。针对电子聚焦，所述超声换能器可以在所述超声换能器的表面上具有多个换能器元件。通过控制提供到每个所述元件的超声能量的能量，并且尤其是相位，所述聚焦可以得以调节。将所述高强度聚焦超声系统与力传感器组合是尤其有利的。受试者可以躺在所述受试者支撑体上，籍此将重量放在所述高强度聚焦超声系统与所述力传感器两者上。

在另一实施例中，所述治疗系统为伽马辐射处置系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为带电粒子处置系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为治疗用X射线系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为质子治疗系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为低温消融系统。本文中使用的低温消融系统囊括使用冷冻或组织温度的降低来引起消融的系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为激光处置或消融系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为射频消融或加热系统。

在另一实施例中，所述治疗系统为高强度聚焦超声系统。

在另一实施例中，所述控制信号引起在所述处理器进行以下操作时，所述治疗系统对所述靶标区的处置：从所述呼吸传感器接收所述时间依赖性呼吸时相数据，根据所述时间依赖性呼吸数据生成聚焦调节控制信号，以及发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

该实施例是尤其有利的，因为在该实施例中，所述治疗系统在所述呼吸时相数据被接收的同时，以及在调节所述聚焦调节控制信号的同时，处置所述靶标区。实质上，所述治疗系统是以连续的方式处置所述靶标区。与所述治疗系统的操作简单地通过所述时间依赖性呼吸时相数据来门控相比较，该治疗系统可以得到更快速的处置和治疗。

在另一方面中，本发明提供操作治疗设备的计算机实现方法。所述治疗设备包括用于处置受试者的靶标区的治疗系统。所述治疗系统具有用于将辐射引导至所述靶标区中的能调节聚焦。所述治疗设备还包括用于测量所述受试者的呼吸时相的呼吸传感器。所述方法包括发送控制信号到所述治疗系统的步骤，所述控制信号引起所述靶标区的处置。所述方法还包括从所述呼吸传感器接收时间依赖性呼吸时相数据。所述方法还包括根据所述时间依赖性呼吸时相数据生成聚焦调节控制信号的步骤。所述方法还包括发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统的步骤。该方法的优点已在前文讨论。

在另一方面中，本发明提供包括用于由治疗设备的处理器执行的机器能执行指令的计算机程序产品。所述计算机程序产品例如可以被存储在存储器中，并且可以是计算机可读存储介质。所述治疗设备包括用于处置所述受试者的所述靶标区的治疗系统。所述治疗系统具有用于将辐射引导至所述靶标区中的能调节聚焦。所述设备还包括用于测量所述受试者的呼吸时相的呼吸传感器。所述指令的执行引起所述处理器发送控制信号到所述治疗系统，其引起对所述靶标区的处置。所述指令的执行还引起所述处理器从所述呼吸传感器接收时间依赖性呼吸时相数据。所述指令的执行还引起所述处理器根据所述时间依赖性呼吸时相数据生成聚焦调节控制信号。所述指令的执行还引起所述处理器发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

附图说明

以下将仅以举例的方式，并且参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出图示根据本发明实施例的方法的流程图；

图2示出图示根据本发明另一实施例的方法的流程图；

图3图示根据本发明实施例的治疗设备；

图4图示根据本发明另一实施例的治疗设备；

图5图示根据本发明另一实施例的治疗设备；

图6图示根据本发明另一实施例的治疗设备；

图7a示出时间依赖性呼吸时相数据的图；

图7b靶标区704根据时间的位置；

图7c矢量被分配给所述靶标区704的独立位置；

图7d图示所述靶向模型的使用；

图8示出所述力传感器的另一图示；

图9示出使用力传感器获取的时间依赖性呼吸时相数据900；

图10示出心冲击描记图数据的均方根。

附图标记列表

300  治疗设备

302  治疗系统

304  靶标区

306  受试者

308  第一呼吸传感器

310  第二呼吸传感器

312  受试者支撑体

314  医学成像系统

316  成像区

318  计算机系统

320  硬件接口

322  处理器

324  用户接口

326  存储设备

328  存储器

330  时间依赖性呼吸时相数据

332  时间依赖性医学图像数据

334  初步时间依赖性呼吸时相数据

336  时间依赖性医学图像

338  靶标模型

340  治疗设备控制模块

342  呼吸时相数据分析模块

344  聚焦调节控制信号生成模块

346  靶标模型生成模块

348  医学图像重建模块

350  图像配准模块

352  矢量映射模块

400  治疗设备

402  高强度聚焦超声系统

404  超声换能器

406  超声换能器电源

407  机械定位系统

408  流体填充腔

410  超声的路径

412  超声窗口

414  硅胶垫片

416  力传感器

418  机械适配器

420  刚性支撑体

422  反作用力矢量

424  呼吸指导机

500  治疗设备

502  磁体

504  磁场梯度线圈

506  磁场梯度线圈电源

508  射频线圈

510  射频收发器

600  治疗设备

602  滑轨车

700  时间轴

702  时间依赖性呼吸时相数据轴

704  靶标区的位置

706  针对不同呼吸时相靶标区的矢量映射位置

708  超声换能器

710  在t₀时的靶标区位置

711  针对时间t₀的矢量

712  聚焦超声在t₀的路径

714  在t₇时的靶标区位置

715  针对时间t₇的矢量

716  聚焦超声在t₇的路径

900  时间依赖性呼吸时相数据

1000 平均能量信号

具体实施方式

这些图中相似标号的元件为等同的元件或者执行相同的功能。如果功能等同，前文已被讨论的元件将不必须在后面进行讨论。

图1示出图示根据本发明实施例的方法的流程图。步骤100中，控制信号被发送到所述治疗系统。所述控制信号令所述治疗系统开始对受试者的所述靶标区的处置。步骤102中，从呼吸传感器接收时间依赖性呼吸时相数据。步骤104中，所述时间依赖性呼吸时相数据被用于生成聚焦调节控制信号。步骤106中，所述聚焦调节控制信号被发送到所述治疗系统。所述聚焦调节控制信号令所述治疗系统调节其聚焦到不同位置。步骤102、104和106可以被重复地进行。这实现对所述靶标区的连续处置。在所述靶标区的所述处置完成之后，所述方法结束108。

图2示出图示根据本发明另一实施例的方法的流程图。步骤200中，从医学成像系统接收时间依赖性医学图像数据。步骤202中，从呼吸传感器接收初步时间依赖性呼吸时相数据。步骤204中，使用所述时间依赖性医学图像数据和所述初步时间依赖性呼吸时相数据生成靶向模型。步骤206中，控制信号被发送到所述治疗系统。图2的步骤206等同于图1的步骤100。步骤208中，从所述呼吸传感器接收时间依赖性呼吸时相数据。步骤208等同于图1的步骤102。步骤210中，根据所述时间依赖性呼吸时相数据和所述靶向模型生成聚焦调节控制信号。在步骤204中生成的所述靶向模型被用于步骤210，以生成所述聚焦调节控制信号。这例如可以通过以下操作来完成：使用所述靶向模型预测所述靶标区的所述位置，并且然后生成聚焦调节控制信号，所述聚焦调节控制信号将所述治疗系统的所述能调节聚焦调节到所述受试者的所述靶标区上。

最后在步骤212中，所述聚焦调节控制信号被发送到所述治疗系统。步骤208、210和212可以被重复许多次，例如在靶标区的处置过程中，所述呼吸时相数据可以被连续地接收。这可以令所述系统连续地生成聚焦调节控制信号，以及连续地或周期性地将它们发送到所述治疗系统。当所述靶标区完成时，执行步骤214。步骤214中，所述靶标区的所述处置结束。这可以通过发送控制信号到所述治疗系统来实现，所述控制信号作引起对所述受试者的所述靶标区的所述处置终止。

图3示出根据本发明实施例的治疗设备300。所示为用于处置受试者306的靶标区304的治疗系统302。所述治疗系统302被示为箱体，并且代表许多不同类型的治疗系统。例如，所述治疗系统可以为但不限于：伽马辐射处置系统、带电粒子处置系统、治疗用或lineac X射线治疗系统、质子治疗系统、低温消融系统、激光处置系统、射频消融系统、射频加热系统，以及高强度聚焦超声系统。

图3中所示的是第一呼吸传感器308和第二呼吸传感器310。所述第一呼吸传感器308代表随着受试者306呼吸，跟踪由所述受试者306的运动或施加的力的呼吸传感器。所述第一呼吸传感器可以为但不限于：力传感器、加速计、运动传感器，以及应变计。

图3中还示出的是第二呼吸传感器310。所述第二呼吸传感器310代表监测进出所述受试者306的气流，以确定所述受试者306的呼吸时相的一类呼吸传感器。例如所述第二呼吸传感器可以为但不限于：呼吸指导机（advisor）、气流传感器，以及麻醉呼吸装置。

图3中还示出的是任选的医学成像系统314。所述医学成像系统314用于从成像区316采集医学图像数据。所述受试者306可以部分或完全处于所述医学成像区316内。所述医学成像系统314采集显示解剖学或包含所述受试者306的解剖学数据的所述医学数据，并且可以被用于随着所述受试者306呼吸，识别所述靶标区304的所述位置。如前面所提及的，所述医学成像系统314在该实施例中是任选的。所述医学成像系统还涉及的元件，例如用于采集或处理医学图像数据的控制软件也是任选的。所述治疗系统302、所述第一呼吸传感器308、所述第二呼吸传感器310，以及所述医学成像系统314均被示为被连接到所述计算机系统318的硬件接口320。所述硬件接口320被连接到所述计算机系统318的处理器322。所述硬件接口320允许处理器322发送和接收控制信号到所述治疗设备300的部件。所述硬件接口320使得所述处理器322能够控制所述治疗设备300。所述处理器322也被示为被连接到计算机存储设备326、计算机存储器328，以及用户接口324。

所述计算机存储设备326被示为包含时间依赖性呼吸时相数据330。这是使用所述第一呼吸传感器308和/或所述第二呼吸传感器310采集的呼吸时相数据。针对本发明的实施例，所述第一呼吸传感器308和所述第二呼吸传感器310中的任一个或两者均可以存在。类似地，所述时间依赖性呼吸时相数据330可以包括来自所述第一呼吸传感器308和所述第二呼吸传感器310中的一个或两者的数据。所述计算机存储设备326被示为还包含时间依赖性医学图像数据332。所述计算机存储设备326还被示为包含初步时间依赖性呼吸时相数据334。所述时间依赖性医学图像数据332和所述初步时间依赖性呼吸时相数据334可以被用于构建靶标模型338。在一些实施例中，所述时间依赖性医学图像数据332和所述初步时间依赖性呼吸时相数据334可以不存在。这可以是因为它们已经从存储设备中被删除，或者因为靶标模型338可能已经存在。一些实施例中，所述时间依赖性医学图像数据已被重建成也位于所述计算机存储设备326中的时间依赖性医学图像336。示为在所述计算机存储设备326中的数据代表如果所述数据已被使用之后，所述数据可以不需要被保留在所述计算机存储设备326或计算机存储器328中。一些情况中，在靶标模型338已被创建之后，原始数据可以被删除。

所述计算机存储器328被示为包含治疗设备控制模块340。所述治疗设备控制模块包含允许所述处理器322操作和控制所述治疗设备300的机器能执行指令。一些实施例中，所述计算机存储器328具有呼吸时相数据分析模块342。所述呼吸时相数据分析模块包含用于分析呼吸时相数据的计算机能执行指令。例如，所述呼吸时相数据分析模块可以包含用于对所述呼吸时相数据330、334进行数字滤波的代码。所述呼吸时相数据分析模块342也可以包含用于将所述时间依赖性呼吸时相数据330与所述初步时间依赖性呼吸时相数据334进行比较的计算机能执行指令。

所述计算机存储器328被示为还包含聚焦调节控制信号生成模块344。所述聚焦调节控制信号生成模块包含使用所述时间依赖性呼吸时相数据来生成聚焦调节控制信号的计算机能执行代码。一些实施例中，这是使用所述靶标模型338来实现的。一些实施例中，所述计算机存储器328还包含医学图像重建模块348。所述医学图像重建模块348包含允许所述处理器将时间依赖性医学图像数据332重建为时间依赖性医学图像336的计算机能执行代码。

在一些实施例中，所述计算机存储器328还包含图像配准模块350。所述图像配准模块包含本领域已知用于在所述时间依赖性医学图像336上执行图像配准的计算机能执行代码。例如，所述图像配准模块350可以识别特定的解剖学结构，其允许对根据时间或呼吸时相的所述靶标区304的识别。一些实施例中，所述计算机存储器328还包含矢量映射模块352。所述矢量映射模块352可以允许靶标模型生成模块346使用所述初步时间依赖性呼吸时相数据334和经配准的时间依赖性医学图像创建靶标模型338。

图4示出根据本发明的可替换实施例的治疗设备400。该实施例将高强度聚焦超声系统402与力传感器416组合，两者均并入所述受试者支撑体312。所述高强度聚焦超声系统402被集成到所述受试者支撑体312中。所述高强度聚焦超声系统包括被连接到超声换能器电源406的超声换能器404。所述超声换能器404可以包含多个换能器元件。该情况中，所述超声换能器电源能够控制供应到单个超声换能器元件的电力的幅值和/或时相。这允许对所述超声换能器404的所述聚焦的电子控制。所述超声换能器404也可以使用机械定位系统被定位，以机械地移动所述超声换能器404。

因此，该实施例中有两种不同的方式控制所述超声换能器404的聚焦的位置。所述超声换能器404被示为浸入在流体填充腔408中。所述流体填充腔408被填充有能够将来自所述超声换能器404的超声能量或超声波传导到所述超声窗口412的流体。虚线410示出聚焦超声到位于所述受试者306中的所述靶标区304的路径。所述聚焦超声410被示为穿过所述流体填充腔408并且穿过超声窗口412。该实施例中，存在将所述受试者306以超声方式耦合到所述超声窗口412的任选的硅胶垫片414。

图4中还示出力传感器416。所述力传感器416与机械适配器418和刚性支撑体420相接触。所述刚性支撑体420是将所述力传感器416连接到所述受试者支撑体312的支撑体。所述机械适配器418提供所述受试者306可以施加力到其上的表面。所述机械适配器418继而在所述力传感器416上施加力。所述力传感器416可以测量所述受试者306的绝对力、力的改变，或者其可以测量所述机械适配器418的加速度。所述矢量422是反作用力矢量，所述反作用力矢量是平衡由机械适配器418施加在所述力传感器416上的力的力矢量。

图4中还示出任选的呼吸指导机424。所述呼吸指导机424也是与所述力传感器416一样的呼吸传感器。所述呼吸指导机424可以监测所述受试者306的呼吸，并且提供补充数据。所述高强度聚焦超声系统402、所述力传感器416和所述呼吸指导机424均被示为被连接到计算机系统318的所述硬件接口320。图3中所示的所述计算机系统318等同于图4中所示的所述计算机系统318。所述各个部件将数据存储在所述计算机存储设备326中，并且存储在所述计算机存储器328中的机器能执行指令也是等同的。图4中可注意到，所述图像分析和数据中的许多在所述计算机存储设备326和计算机存储器328是没有的。在该实施例中，所述靶标模型338是预先存在的。这允许无需使用如图3中所示的医学成像系统314而在所述受试者306上进行治疗。

图5示出根据本发明另一实施例的治疗设备500。图5中所示的实施例等同于图4中所示的实施例，除了在该实施例中，磁共振成像系统被并入所述治疗设备500中。图4中未示出的额外的部件得以被讨论。该实施例中，存在用于在成像区316内生成均匀磁场的磁体502。该范例中，示出圆柱形超导磁体的横截面视图。其他磁体样式和类型是本领域已知的，并且也可应用于本发明。所述受试者支撑体312、高强度聚焦超声系统402和力传感器416均被示为处于圆柱形磁体502的膛内。磁场梯度线圈504也在所述磁体的所述膛内。所述磁场梯度线圈504实际上是用于在所述成像区316内对磁自旋进行空间编码的三个独立的线圈系统。被连接到所述磁场梯度线圈504的是磁场梯度线圈电源506。所述磁场梯度线圈电源506供应用于激励所述磁场梯度线圈504的电流。

毗邻所述成像区316的是射频线圈508。所述射频线圈508被连接到射频收发器510。所述射频收发器510被用于使用所述射频线圈508采集磁共振数据。要理解，所述射频线圈508可以代表单个的发射和接收线圈。类似地，所述射频收发器510也代表独立的发射器和接收器。所述高强度聚焦超声系统402、所述力传感器416、所述任选的呼吸指导机424、所述磁场梯度线圈电源506，以及所述射频收发器510均被示为被连接到计算机系统318的硬件接口320。与图4相似，所述计算机系统318以及所述计算机存储设备326和所述计算机存储器328的内容物均等同于图3中所示的那些。

图6示出根据本发明实施例的治疗设备600的实施例。该图中没有示出全部细节。该图图示治疗设备600是如何可以被集成到常规磁共振成像系统中的。该图中所示的为圆柱形磁体502。带有所述力传感器416的所述受试者支撑体312使用滑轨车602被放到所述磁体502中。治疗系统在该图中未示出。图4和图5中所示的高强度聚焦超声系统402可以被集成到所述受试者支撑体312中。可替换地，如前文所提及的其他类型的治疗系统也可以被集成到该图中所示的所述治疗设备600中。所述滑轨车602可以被用于将所述受试者支撑体312插入所述磁体502或从所述磁体502移除。该图图示两件事：第一其图示本发明是如何可以被集成到常规磁共振成像系统中的。

图6还图示图3的实施例是如何可以独立于成像系统被操作的。例如，如图4中所示的治疗设备400的实施例的受试者支撑体可以被插入到所述磁体502中。可以在所述受试者306和所述受试者支撑体312处于所述磁体502内时生成靶标模型338，并且操作所述磁共振成像系统。在已生成所述靶标模型338之后，所述受试者支撑体312可以被从所述磁体502移除。所述处置可以如图4中的实施例所示的继续进行。由于所述受试者支撑体312和所述受试者306已被从所述磁体502移除，因此磁共振成像系统可以被用于其他用途。

图7a至图7d图示了可以如何构建并使用靶标模型。图7a具有时间轴700和时间依赖性呼吸时相数据轴702。该图中，从所述呼吸传感器采集的数据被根据时间进行绘图。所述数据点被标记T0-T12。图7b中，所述靶标区的位置704根据时间在三维空间被绘图。所述靶标区的所述位置也被标记T0-T12。图7c中，矢量被分配给所述靶标区704的独立位置。将矢量706分配到所述靶标位置704实质上创建了所述靶向模型。最终在图7d中，图示所述靶向模型的使用。该图中，在各个时间显示由超声换能器708对受试者的所述处置。该情况中，所述超声换能器708为相控阵换能器。换言之，所述超声换能器是用多个换能器元件构建的。该图还示出在T0时的靶标区位置710，以及在T7时的靶标区位置714。所述矢量711识别在T0时的靶标区预测位置。所述矢量715预测在T7时的靶标区位置。虚线712示出在时间T0聚焦超声到所述靶标区710的路径。虚线716示出在时间T7聚焦超声到所述靶标区714的路径。为了确定创建矢量的中间时刻时的靶标区位置，可以通过在两个矢量之间插值来计算中间矢量。

图7中图示的这种靶向模型可以补偿周期性呼吸移动，所述周期性呼吸移动足够恒定到以可靠的方式获得靶标位置。为了确保在预处置和处置期过程中的恒定呼吸，建议步骤如下：

1、呼吸测量可以在患者被安放在台面上之后立即开始。

2、可以分析呼吸信号，并且系统在患者呼吸稳定时告知操作员。

3、可以针对当前处置期生成并存储“正常”呼吸信号。所述“正常”信号可以为一套参数、拟合曲线或其他模型。

4、可以在处置过程中监测呼吸，并且持续将所述呼吸与所述“正常”呼吸进行比较，以确定所述靶标在所述呼吸循环的不同时相以相似的方式移动。

5、如果检测到太低的相关性，暂停超声处理，并且可以建议所述患者用可视呼吸指导机或其他方法恢复正常呼吸。如果所述患者不能够恢复正常呼吸，在允许所述超声处理继续之前再次执行靶标移动分析。

图8示出前文在图3和图4中所示实施例中描述的所述力传感器416另外的图示。该实施例中，存在用于支撑受试者306的受试者支撑体312。存在与所述受试者306和所述力传感器416相接触的机械适配器418。所述受试者306在所述机械适配器418上施加力。随着所述受试者306呼吸，施加在所述机械适配器418上的力改变。所述机械适配器418然后将力传输到所述力传感器416。所述力传感器416被支撑在所述机械适配器和所述刚性支撑体420之间。所述刚性支撑体420将力传输到所述受试者支撑体312。

图9示出使用如图4、5和8中图示的力传感器采集的时间依赖性呼吸时相数据900。图9中所示的所述数据为使用心冲击描记图信号采集的呼吸时相数据，所述心冲击描记图信号经过低通滤波器处理。数据是使用图8中所示的装置在3特斯拉磁场中采集的。

图10示出如在图9中采集的心冲击描记图数据，但在该情况中，计算了所述信号的均方根。这是平均能量信号1000。图10中所示的所述信号可以被用于检测所述受试者的整体运动或移动。通过以此方式在所采集的数据上放置足够的阈值或多个阈值，可以检测受试者的运动并将其用于中断所述靶标区的处置。数据是使用图8中所示的装置在3特斯拉磁场中采集的。

尽管已在附图和前文的描述中举例说明并详细描述了本发明，这种举例说明和描述应被认为是阐释性或示例性的并且不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容以及所附权利要求书，可以理解并实现对所公开实施例的其他变型。权利要求书中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单一处理器或其他单元可以实现权利要求书中记载的几个项目的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施这一仅有事实并不指示不能有利地组合这些措施。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供，或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线通信系统。权利要求书中的任何附图标记不应被解读为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种治疗设备（300、400、500、600），包括：

治疗系统（302、402），其用于处置受试者（306）的靶标区（304），其中，所述治疗系统具有用于将辐射（410）引导至所述靶标区中的能调节聚焦；

呼吸传感器（308、310、416、424），其用于测量所述受试者的呼吸时相；

处理器（322），其用于控制所述治疗设备；以及

存储器（326、328），其包含供所述处理器执行的机器能执行指令（340、342、344、346、348、350、352），其中，所述指令的执行引起所述处理器：

-发送（100、206）控制信号到所述治疗系统，所述控制信号引起对所述靶标区的处置，

-从所述呼吸传感器接收（102、208）时间依赖性呼吸时相数据（330），

-根据所述时间依赖性呼吸时相数据生成（104、210）聚焦调节控制信号，并且

-发送（106、212）所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

2.如权利要求1所述的治疗设备，其中，所述存储器还包含靶向模型（338），其中，所述靶向模型根据所述时间依赖性呼吸时相数据描述所述靶标区的位置，并且其中，所述聚焦调节控制信号根据所述时间依赖性呼吸时相数据和所述靶向模型来生成。

3.如权利要求2所述的治疗设备，其中，所述治疗设备还包括用于采集医学成像区的时间依赖性医学图像数据的医学成像系统（314、502、506、508、510），其中，所述指令的执行还引起所述处理器：

-从所述医学成像系统接收（200）所述时间依赖性医学图像数据（332）；

-从所述呼吸传感器接收（202）初步时间依赖性呼吸时相数据（334），其中，所述时间依赖性医学图像数据和所述初步时间依赖性呼吸时相数据是时间相关的；并且

-根据所述时间依赖性医学图像数据和所述初步时间依赖性呼吸时相数据生成（204）所述靶向模型。

4.如权利要求3所述的治疗设备，其中，所述指令引起所述处理器通过以下方式生成靶标模型：

-配准所述时间依赖性医学图像数据中的所述靶标区的时间依赖性位置（704），并且

-根据所述初步时间依赖性呼吸时相数据将矢量（706）映射到所述靶标区的经配准的时间依赖性位置上。

5.如权利要求3或4所述的治疗设备，其中，所述指令还引起所述处理器：

-计算所述初步时间依赖性呼吸时相数据与所述时间依赖性呼吸时相数据之间的相关性，

-在所计算的相关性低于预定相关性阈值时，发送停止控制信号到所述治疗系统，所述停止控制信号引起对所述靶标区的所述处置停止。

6.如权利要求3、4或5所述的治疗设备，其中，所述医学成像系统为以下的任意一种：磁共振成像系统、超声成像系统，以及计算机断层摄影系统。

7.如前述权利要求中任一项所述的治疗设备，其中，所述治疗设备还包括用于支撑所述受试者（312）的受试者支撑体，其中，所述呼吸传感器为集成到所述受试者支撑体中的力传感器，从而所述呼吸传感器支撑所述受试者的至少一部分体重。

8.如权利要求7所述的治疗设备，其中，所述力传感器采集时间依赖性力数据，其中，所述时间依赖性力数据包括心冲击描记图信号。

9.如权利要求7或8所述的治疗设备，其中，所述治疗设备还包括用于将所述力数据滤波成呼吸时相数据的低通滤波器。

10.如权利要求6至9中任一项所述的治疗设备，其中，所述指令还引起所述处理器：

-从所述力传感器接收时间依赖性力数据；

-根据所述时间依赖性力数据计算平均能量信号（1000）；并且

-在所述平均能量信号高于预定平均能量阈值时，发送停止控制信号到所述治疗系统，所述停止控制信号引起对所述靶标区的所述处置停止。

11.如权利要求7至10中任一项所述的治疗设备，其中，所述治疗系统为集成到所述受试者支撑体中的高强度聚焦超声系统，其中，所述高强度聚焦超声系统包括具有能调节聚焦的超声换能器。

12.如权利要求1至10中任一项所述的治疗设备，其中，所述治疗系统为以下的任意一种：伽马辐射处置系统、带电粒子处置系统、治疗型X射线系统、质子治疗系统、低温消融系统、激光处置系统、射频消融系统，以及高强度聚焦超声系统。

13.如前述权利要求中任一项所述的治疗设备，其中，在所述处理器进行以下操作时，所述控制信号引起所述治疗系统引起对所述靶标区的处置：

-从所述呼吸传感器接收所述时间依赖性呼吸时相数据，

-根据所述时间依赖性呼吸数据生成所述聚焦调节控制信号，并且

-发送所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

14.一种操作治疗设备（300、400、500、600）的计算机实现方法，其中，所述治疗设备包括用于处置受试者（306）的靶标区（304）的治疗系统（302、402），其中，所述治疗系统具有用于将辐射（410）引导至所述靶标区中的能调节聚焦，其中，所述治疗设备还包括用于测量所述受试者的呼吸时相的呼吸传感器（308、310、416、424），其中，所述方法包括以下步骤：

-发送（100、206）控制信号到所述治疗系统，所述控制信号引起对所述靶标区的处置，

-从所述呼吸传感器接收（102、208）时间依赖性呼吸时相数据（330），

-根据所述时间依赖性呼吸时相数据生成（104、210）聚焦调节控制信号，并且

发送（106、212）所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

15.一种计算机程序产品，其包括用于由治疗设备（300、400、500、600）的处理器（322）执行的机器能执行指令（340、342、344、346、348、350、352），其中，所述治疗设备包括用于处置受试者（306）的靶标区（304）的治疗系统（302、402），其中，所述治疗系统具有用于将辐射引导至所述靶标区中的能调节聚焦，其中，所述设备还包括用于测量所述受试者的呼吸时相的呼吸传感器（308、310、416、424），其中，所述指令的执行引起所述处理器：

-发送（100、206）控制信号到所述治疗系统，所述控制信号引起对所述靶标区的处置，

-从所述呼吸传感器接收（102、208）时间依赖性呼吸时相数据（330），

-根据所述时间依赖性呼吸数据生成（104、210）聚焦调节控制信号，并且

-发送（106、212）所述聚焦调节控制信号到所述治疗系统。

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