CN104540549B - 用于对要使用Mrgrt处置的损伤进行准确的平面内跟踪的3D成像方法 - Google Patents
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Abstract
当监测靠近要被辐照的目标体积的(一个或多个)风险器官(OAR)的位置时，识别围绕目标体积的LINAC辐射束源位置，并且识别垂直于辐射束的平面。在平面内指定第一相位编码方向，并且指定第二相位编码方向垂直于所述第一相位编码方向。指定读出方向平行于所述辐射束，并且生成所述目标体积和任何(一个或多个)OAR的MR图像。确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置，并且基于所确定的所述目标体积的位置来控制所述LINAC源与所述感兴趣的体积和所述目标体积之间的准直器，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离任何(一个或多个)OAR。
Description
技术领域
本申请具体应用于磁共振图像引导辐射治疗(MRgRT)系统。然而，应认识到，所描述的技术也可以应用于其他多模态成像治疗处置系统、其他医学场合或其他临床技术。
背景技术
线性加速器(LINAC)通常被使用在辐射治疗中以处置良性肿瘤和恶性肿瘤。LINAC通过使用调谐腔波导来加速电子来操作，以使用射频(RF)功率来创建驻波。波导可以被安装在辐射束方向上或在到辐射束方向的角度处，在这种情况下，采用偏转磁体以将束偏转向目标物体或患者。常规医用级LINAC使用在4MeV与25MeV之间的电子束来提供具有多个电子能量级的X射线输出，多个电子能量级包括当电子被指向高密度目标(例如，钨)处时出现的电子能量级。
当将辐射束瞄准移动的器官上时，同时对处置体积进行并发实时MR成像，不期望常规磁共振MR成像对主场不均匀性敏感。实时高分辨率成像是慢的并且患者磁化性引发的失真出现在读出方向上。
发明内容
本申请涉及新的且改进的系统和方法，所述新的且改进的系统和方法方便在组合的MR-LINAC系统中改进MR成像的效率，所述新的且改进的系统和方法克服了以上提到的问题和其他问题。
根据一个方面，一种方便监测正在被辐照的目标体积的位置的系统，包括磁共振(MR)扫描器、(线性加速器)LINAC设备和处理器，所述处理器被配置为执行存储在存储器中的计算机可执行指令，所述指令包括识别围绕目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置，并且识别由垂直于由所述LINAC源发射的辐射束的平面在一个面处定义的感兴趣的成像体积，所述感兴趣的体积包括所述目标体积和任何(一个或多个)风险器官(OAR)。所述指令还包括指定第一相位编码方向平行于所述平面，指定第二相位相位编码方向平行于所述平面，所述第二相位相位编码方向垂直于所述第一相位相位编码方向，并且指定读出方向，所述读出方向平行于所述辐射束。额外地，所述指令包括对所述感兴趣的体积进行成像，确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置，并且基于所确定的所述目标体积的位置来控制所述LINAC源与所述感兴趣的体积之间的准直器，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离任何(一个或多个)OAR。
根据另一方面，一种工作站包括处理器，所述处理器被配置为识别围绕目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置，并且识别垂直于由所述LINAC源发射的辐射束的成像平面。所述处理器还被配置为指定第一相位编码方向平行于所述成像平面，指定第二相位编码方向不同于所述第一相位编码方向并且平行于所述成像平面，指定读出方向，所述读出方向平行于辐射束，并且呈现包括所述目标体积的感兴趣的体积的图像，包括在第一方向和第二方向上进行相位编码并且在所述读出方向上进行读出。额外地，所述处理器被配置为确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置，并且基于所确定的所述感兴趣的体积的位置来控制所述LINAC源，以将所述辐射束维持在所述目标体积并远离任何(一个或多个)OAR。
根据另一方面，一种监测正在被辐照的目标体积的位置的方法包括：识别围绕目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置，识别由垂直于由所述LINAC源发射的辐射束的平面在一个面处定义的感兴趣的成像体积，所述感兴趣的体积包括所述目标体积和任何(一个或多个)风险器官(OAR)，指定第一相位编码方向平行于成像平面，并且指定第二相位编码方向平行于成像平面，所述第二相位编码方向垂直于所述第一相位编码方向。所述方法还包括指定读出方向，所述读出方向平行于所述辐射束，对所述感兴趣的体积进行成像，确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置，并且基于所确定的所述感兴趣的体积的位置来控制所述LINAC源与所述感兴趣的体积之间的准直器，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离任何(一个或多个)OAR。
在阅读并理解下文详细描述后，本领域的普通技术人员将认识到本主题创新的更进一步的优点。
附图说明
本创新可以采取各种部件和部件的布置，以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示各个方面的目的，并且不应被解释为对本发明的限制。
图1图示了方便在被链接到LINAC位置传感器的输出的方向上进行相位编码的系统，使得在垂直于束方向的平面中执行相位编码。
图2图示了跟踪风险器官(OAR)和/或感兴趣的体积的运动以便在保持将束聚焦在目标上的同时保护OAR的方法，所述感兴趣的体积例如利用诸如LINAC束等的辐射束瞄准的损伤或肿瘤。
图3图示了垂直于LINAC辐射束的成像平面。
图4是组合的MR-LINAC成像和治疗设备的图示，所述组合的MR-LINAC成像和治疗设备例如可以连同本文描述的系统和方法被采用。
图5A和5B各自图示了使用k空间数据的全集生成的MR图像，和使用k空间数据的精简集生成的精简MR图像。
具体实施方式
本主题创新通过解决用于改进在辐射治疗期间使用磁共振成像的患者运动监测的临床需要来克服前面提到的问题。监测横向于线性加速器(LINAC)束的平面中的运动以识别目标运动。为了最小化横向平面中的失真，在平面内的两个正交方向上执行相位编码，并且在读出方向(例如，LINAC束的方向)上执行频率编码。根据期望的监测方向能够选择两个相位编码方向的相对取向。
图1图示了一种方便在被链接到LINAC位置传感器12的输出的方向上进行相位编码的系统10，使得在垂直于束方向的平面中执行相位编码。为了这个目的，所述系统包括LINAC位置传感器12，LINAC位置传感器12监测和/或感测在辐射处置过程期间由LINAC设备14发射的LINAC辐射束的位置。LINAC设备被耦合到磁共振(MR)扫描器16和/或与磁共振(MR)扫描器16集成，磁共振(MR)扫描器16采集由原始数据18，原始数据18通过重建处理器20被重建成图像数据24(例如，患者图像)，重建处理器20可以被集成到MR扫描器的工作站22或可以与MR扫描器的工作站22分开。例如，MR扫描器将原始MR数据发送到重建处理器，所述重建处理器将原始数据重建成MR图像，所述MR图像被存储在存储器中。分割模块25自动地分割MR图像以提供用于将辐射束保持在目标体积上并远离风险器官或其他感兴趣的体积的信息。
所述工作站包括处理器26和存储器28，其中，处理器26执行用于执行本文描述的方法、技术、协议等的各种功能、模块、指令、例程等，存储器28存储用于执行本文描述的方法、技术、协议等的各种功能、模块、指令、例程等。例如，所述存储器存储所采集的MR数据和所重建的MR图像数据。额外地，所述存储器存储控制模块30，控制模块30控制LINAC束的位置和旋转以及MR设备。MRA方向确定模块32接收来自LINAC位置传感器12的LINAC束位置信息并识别或指定两个相位编码方向，所述两个相位编码方向位于垂直于LINAC束的平面内。所述方向确定模块还识别或指定读出方向，所述读出方向平行于LINAC束方向。相位编码模块34对成像平面(即，所识别的平面，其垂直于LINAC束)中的相位编码方向进行编码，并且频率编码模块36对读出方向进行频率编码。备选地，通过独立于MR系统的控制器能够设置和/或检测LINAC位置，该LINAC控制器借助于数字接口与MR系统进行通信，以使LINAC位置可用于设置MR切片取向和编码方向。如本领域的技术人员将认识到的，通过LINAC控制器、MR控制器、控制LINAC和MR扫描器两者的主控制器、前述的组合或用于执行本文描述的各种方法、功能、协议等的任何其他适当的控制器能够执行LINAC位置控制、检测等。在一个实施例中，对所描述的系统的控制跨在LINAC控制器、MR控制器、主控制器等中的一个或多个而分布。
当在平面中的两个相位编码方向垂直于辐射束方向的情况下执行3D成像技术时，主场不均匀性，包括患者磁化性效应，不会引起平面内的图像信息的空间失真。能够准确地校正由梯度非线性引起的任何失真。将成像方向自动地链接到LINAC机架14的已知位置确保合适的相位编码方向被识别出。为了提高帧速率，最小化相位编码步骤的数量。使用常规笛卡儿采样方案，通过执行具有在两个相位编码方向中的预备梯度的适当组合的一个MR轮廓对k空间中的每个点进行采样。k空间涉及MR图像的2D或3D傅里叶变换。围绕k空间的中间的数据(即，中心k空间数据)主要地包含图像的对比信息，而在图像的外围的数据包含在图像中的边界上的信息。通过省略生成的中心和/或外围k空间数据点38中的一些，提高帧速率，但可能降低图像质量。
本申请认识到，图像不需要取悦于人眼或适合于诊断疾病状况，但是相反图像应当使得能够对移动器官进行跟踪。因此，一个图像质量优先考虑是图像可由自动分割程序分割。因为k空间的外围区域最强烈地贡献于图像中的边缘和轮廓，所以中心k空间样本的数量(中心k空间样本贡献于图像中的对比信息)能够被减少，在一些情况下被减少至零。额外地少于外围k空间轮廓中的全部能够被用于提供允许自动分割程序来分割图像的轮廓或边缘定义的最小水平。所生成的k空间样本被存储或被缓冲在存储器28中。在一个实施例中，诸如通过使用2D射频(RF)激励来限制图像体积，使得不需要对来自切片中的不相关区域的信息进行相位编码。使用两个或更多个RF发送链(每个发送链包括由MR系统控制的发送线圈、RF功率放大器和波形发生器)，(例如，发送-感测)能够更有效地完成2D RF激励，这通过感测模块40来执行。通过额外地使用接收感测编码能够进一步减少采集的数据点。在另一实施例中，能够在校正切片图像中在读出方向上的失真的情况下执行多切片成像。这能够使用诸如通过Dixon校正模块42执行的Dixon校正技术来完成。在该实施例中，相位编码方向是沿着其中目标运动的测量是最关键的方向的。
通过采用2D射频RF激励模块44(例如，变焦成像)能够减少相位编码步骤的数量。这样的激励在RF发送系统是n通道多能力(Multix-capable)(例如，其中n≥2)的情况下能够更有效地被执行。有限的背向褶皱和/或鬼影是可接受的，只要能够将要被跟踪的器官与不想要的信息唯一地区分开。实际处置序列之前的学习阶段能够被用于自动选择合适的相位编码方向、视场和需要描画要被跟踪的器官的k空间填充。在该学习阶段期间获得的成像参数能够被存储在患者数据库中，以在后续处置过程期间被再次使用。学习阶段确定怎样能够在不降低分割模块可靠地分割目标和任何(一个或多个)OAR的能力的情况下生成少的MR轮廓。在平行于辐射束的方向上获得的图像信息能够被用于评估沿着束的辐射吸收，这使得能够准确确定由肿瘤和由其他组织见到的辐射剂量。
如以上所陈述的，系统10包括处理器26和存储器28，其中，处理器26执行用于执行本文描述的各种功能、方法、流程等的计算机可执行指令(例如，例程、程序、算法、软件代码等)，存储器28用于执行本文描述的各种功能、方法、流程等的存储计算机可执行指令(例如，例程、程序、算法、软件代码等)。额外地，如本领域技术人员将理解的，如本文所使用的“模块”指代计算机可执行指令、软件代码、程序、例程或用于执行所描述的功能的其他计算机可执行单元等的集合。
所述存储器可以是其上存储控制程序的计算机可读介质，例如磁盘、硬盘驱动器等。普通形式的非暂态计算机可读介质包括，例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁性存储介质、CD-ROM、DVD或任何其他光学介质、RAM、ROM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、其变型、其他存储芯片或盒或处理器能够从其中读取和执行的任何其他有形介质。在该上下文中，本文描述的系统可以被实施在以下项上或被实施为以下项：一个或多个通用计算机、(一个或多个)专用计算机、编程的微处理器或微控制器和外围集成电路元件、ASIC或其他集成电路、数字信号处理器、硬连线电子器件或诸如分立元件电路的逻辑电路、诸如PLD、PLA、FPGA、图形卡CPU(GPU)或PAL等的可编程逻辑设备上。
还将理解，工作站、MR扫描器和LINAC设备每个包括换能器，所述换能器用于与彼此双向通信并且用于与系统的其他部件进行通信。例如，工作站接收来自MR扫描器的原始MR数据、来自重建处理器(如果没有集成到工作站)的经重建的图像数据、来自LINAC位置传感器的LINAC位置信息等，并且将控制信号发送到MR扫描器、LINAC设备等。工作站还包括显示器46和输入设备48(例如，键盘、鼠标、触控笔、扩音器、触摸板、触摸屏等中的一个或多个)，其中，显示器46用于呈现信息(例如，MR图像和/或关于本文所述的系统和方法的任何其他信息)，经由输入设备48用户将信息和/或命令输入到工作站中。
还将理解，MR扫描器包括主磁体组件50，主磁体组件50定义将对象放置到其中以用于在辐射治疗期间进行成像的膛。主磁体组件产生沿着孔径的纵轴取向的基本上恒定的主磁场。尽管可以采用圆柱形主磁体组件，但是应当理解也预期到其他磁体布置，例如垂直场，开放式磁体、非超导磁体和其他配置。梯度线圈52在膛中产生磁场梯度以用于对磁共振信号进行编码、以用于产生磁化-损坏场梯度等。梯度控制器54，其被描绘为被存储在存储器28中，但其也可以驻存在MR扫描器其自身中，控制在MR数据采集期间由线圈生成的梯度。
图2图示了跟踪风险器官(OAR)和/或感兴趣的体积的运动以便在保持将束聚焦在目标上的同时保护OAR的方法，所述感兴趣的体积例如利用诸如LINAC射束等的辐射束瞄准的损伤或肿瘤。在80处，针对当前辐射步骤确定LINAC束位置和/或角度。例如，通过LINAC位置传感器能够监测LINAC源和/或束位置。在82处，识别出在感兴趣的体积中并且垂直于LINAC束的平面。更具体地，确定包含其中反面平行于所识别的平面的目标的体积。在84处，指定在所识别的平面内的两个相位编码方向。两个相位编码方向垂直于彼此。在86处，指定读出方向，所述读出方向平行于LINAC束并且因此垂直于两个相位编码方向。
在88处，一旦已经指定相位编码和读出方向，就例如使用磁共振成像器等重复地执行成像序列。在90处，根据所采集的扫描数据重复地重建包含任何(一个或多个)OAR的体积和目标体积的图像。在91处，分割目标和每个OAR以定义其各自的边界。在92处，根据所分割的经重建的图像数据来确定目标和OAR和/或其边界相对于目标体积的定位或位置。可以通过处理器等自动地或者半自动地做出这样的确定，以监测引起LINAC束未对准目标的患者运动或其他事件。在94处，控制LINAC源上的准直器来调整束方向以在治疗递送期间实时地将LINAC束维持在目标体积上并且避开(一个或多个)OAR。在96处，切断LINAC辐射束，并且将LINAC机架旋转到后续步骤。所述方法回到80并且其被迭代直到已经完成了辐射处置的全部步骤。
图3图示了垂直于LINAC辐射束112的成像平面110，成像平面110定义包含目标116和一个或多个OAR 118的图像体积114的上表面。相位编码方向120、122被定义垂直于彼此并且垂直于LINAC辐射束。读出方向124还被图示为平行于LINAC束并且垂直于相位编码方向。
图4是组合的MR-LINAC成像和治疗设备130的图示，组合的MR-LINAC成像和治疗设备130例如可以连同本文描述的系统和方法被采用。组合的设备130包括LINAC辐射治疗系统14，LINAC辐射治疗系统14关于MR扫描器16旋转并且将辐射束112聚焦到检查区域132中，以精确地辐照感兴趣的体积134中的目标116。
图5A和5B各自图示了使用k空间数据的全集生成的MR图像150和使用k空间数据的精简集生成的精简MR图像160。应指出，精简MR图像160不具有MR图像150的照片质量，但是器官的边缘对于分割仍是可识别的。为了提高成像速度，当重建MR图像160时仅k空间的一部分利用数据被填充。当采用体积成像时，k空间的点单独地被读出并且不在直线上，这允许对采样密度的调节。在收集k空间的边界区域中的数据点中的许多或全部的同时，能够消除来自k空间的中心区域的数据点中的一些或全部。来自k空间的边界区域的数据点最强烈地贡献于边缘。因为MR图像正在被用于监测目标器官的移动，所以图像区分出目标的轮廓并且不需要是高分辨率的。
已经参考若干实施例描述了本创新。其他人在阅读和理解前述详细说明后可以做出修改和变化。本创新旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围内。
Claims (20)
1.一种方便监测正在被辐照的目标体积的位置的系统(10)，包括：
磁共振(MR)扫描器(16)；
线性加速器(LINAC)设备(14)；以及
处理器(26)，其被配置为执行存储在存储器(28)中的计算机可执行指令，所述指令包括：
识别围绕所述目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置；
识别由垂直于由所述线性加速器(LINAC)辐射束源发射的辐射束的平面在一个面处定义的感兴趣的成像体积，所述感兴趣的成像体积包括所述目标体积和至少一个风险器官(OAR)；
指定第一相位编码方向平行于所述平面；
指定第二相位编码方向平行于所述平面，所述第二相位编码方向垂直于所述第一相位编码方向；
指定读出方向，所述读出方向平行于所述辐射束；
对所述感兴趣的成像体积和所述目标体积进行成像，包括在第一方向和第二方向上进行相位编码并且在所述读出方向上进行频率编码；
确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置；并且
基于所确定的所述目标体积的位置来控制所述线性加速器(LINAC)辐射束源与所述感兴趣的成像体积之间的准直器，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离所述风险器官(OAR)。
2.根据权利要求1所述的系统，所述指令还包括：
当对所述感兴趣的体积进行成像时收集少于全部的中心k空间数据点。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的系统，所述指令还包括：
分割所述目标体积和所述风险器官(OAR)以识别所述目标体积和所述风险器官(OAR)的边界。
4.根据权利要求1或2中的任一项所述的系统，所述指令还包括：
当对所述感兴趣的成像体积进行成像时在k空间的中心区域中收集少于外围k空间数据点的中心区域k空间数据点。
5.根据权利要求1或2中的任一项所述的系统，所述指令还包括：
执行2D射频RF激励以减少相位编码步骤的数量。
6.根据权利要求1或2中的任一项所述的系统，所述指令还包括：
生成至少一幅测试图像并且确定k空间数据的最小可接受量，所述k空间数据的最小可接受量能够被用于允许对对象的所述目标体积和所述风险器官(OAR)的边界进行监测并且允许存储定义成像序列的一个或多个参数，所述成像序列用于生成所述测试图像以供将来用于所述对象上。
7.一种工作站，包括处理器，所述处理器被配置为：
识别围绕目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置；
识别垂直于由所述线性加速器(LINAC)辐射束源发射的辐射束的成像平面；
指定第一相位编码方向平行于所述成像平面；
指定第二相位编码方向不同于所述第一相位编码方向并且平行于所述成像平面；
指定读出方向，所述读出方向平行于所述辐射束；
对包括所述目标体积的感兴趣的体积进行成像，包括在第一方向和第二方向上进行相位编码并且在所述读出方向上进行读出；
确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置；并且
基于所确定的所述目标体积的位置来控制所述线性加速器(LINAC)辐射束源，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离至少一个器官(OAR)。
8.根据权利要求7所述的工作站，其中，所述处理器还被配置为：
当对所述感兴趣的体积和所述目标体积进行成像时收集少于全部的中心k空间数据点。
9.根据权利要求7-8中的任一项所述的工作站，其中，所述处理器还被配置为：
分割所获得的图像；
确定所述目标体积相对于所述辐射束的分割边界；并且
控制所述辐射束以保持在所述目标体积上。
10.根据权利要求7-8中的任一项所述的工作站，其中，所述处理器还被配置为：
当对所述感兴趣的体积进行成像时在k空间的中心区域中收集少于外围k空间数据点的中心区域k空间数据点。
11.根据权利要求7-8中的任一项所述的工作站，其中，所述处理器还被配置为：
执行2D射频RF激励以减少相位编码步骤的数量。
12.根据权利要求7-8中的任一项所述的工作站，其中，所述处理器还被配置为：
生成至少一幅测试图像并且确定k空间数据的最小可接受量，以生成允许对对象的所述目标体积和所述风险器官(OAR)的边界的可靠分割的图像并且存储定义成像序列的一个或多个参数，所述成像序列用于生成所述测试图像以供将来用于所述对象上。
13.根据权利要求7-8中的任一项所述的工作站，其中，所述成像是使用磁共振(MR)成像设备被执行的。
14.一种监测正在被辐照的目标体积的位置的方法，包括：
识别围绕目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置；
识别由垂直于由所述线性加速器(LINAC)辐射束源发射的辐射束的平面在一个面处定义的感兴趣的体积，所述感兴趣的体积包括所述目标体积和至少一个风险器官(OAR)；
指定第一相位编码方向平行于所述平面；
指定第二相位编码方向平行于所述平面，所述第二相位编码方向垂直于所述第一相位编码方向；
指定读出方向，所述读出方向平行于所述辐射束；
对所述感兴趣的体积进行成像；
确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置；
基于所确定的所述目标体积的位置来控制所述线性加速器(LINAC)辐射束源与所述感兴趣的体积之间的准直器，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离所述风险器官(OAR)。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
当对所述感兴趣的体积和所述目标体积进行成像时收集少于外围k空间数据点的中心k空间数据点。
16.根据权利要求14-15中的任一项所述的方法，还包括：
分割所获得的图像；
确定所述目标体积相对于所述辐射束的分割边界；并且
控制所述辐射束以保持在所述目标体积上。
17.根据权利要求14-15中的任一项所述的方法，还包括：
执行2D射频RF激励以减少相位编码步骤的数量。
18.根据权利要求14-15中的任一项所述的方法，还包括：
生成至少一幅测试图像并且确定k空间数据的最小可接受量，所述k空间数据的最小可接受量能够被用于允许对对象的所述感兴趣的体积的边界进行监测并且允许存储定义成像序列的一个或多个参数，所述成像序列被用于生成所述测试图像以供将来用于所述对象上。
19.根据权利要求14-15中的任一项所述的方法，其中，所述成像是使用磁共振(MR)成像设备被执行的。
20.一种监测正在被辐照的目标体积的位置的装置，包括：
用于识别围绕目标体积的线性加速器(LINAC)辐射束源的位置的模块；
用于识别由垂直于由所述线性加速器(LINAC)辐射束源发射的辐射束的平面在一个面处定义的感兴趣的体积的模块，所述感兴趣的体积包括所述目标体积和至少一个风险器官(OAR)；
用于指定第一相位编码方向平行于所述平面的模块；
用于指定第二相位编码方向平行于所述平面的模块，所述第二相位编码方向垂直于所述第一相位编码方向；
用于指定读出方向的模块，所述读出方向平行于所述辐射束；
用于对所述感兴趣的体积进行成像的模块；
用于确定所述目标体积相对于所述辐射束的位置的模块；
用于基于所确定的所述目标体积的位置来控制所述线性加速器(LINAC)辐射束源与所述感兴趣的体积之间的准直器，以将所述辐射束维持在所述目标体积上并远离所述风险器官(OAR)的模块。
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