CN105120953A - 具有实时磁共振监测的放射治疗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在MR引导的放疗的领域中的方法和设备，并且更具体而言涉及磁共振监测。本发明能够被用于放疗的质量保证。为此，在所述放疗之前，采集MR数据并跟踪与所述处置相关的结构。这些MR数据能够被显示给用户。此外，这些数据能够被用于计算针对要被给予的所述处置的质量因子。

Description

具有实时磁共振监测的放射治疗系统
技术领域
本发明涉及一种在MR引导的放疗的领域中的方法和设备，并且更具体地涉及对结构运动的磁共振监测。
背景技术
根据WO2009/156896A1已知一种具有实时磁共振监测的放疗系统。所描述的系统允许针对辐射的实时监测。
所描述的系统通过使用图像比较器，在放疗期间将实时监测图像与参考图像进行比较，以识别自放疗计划阶段起对象中的任意改变。该信息可以被用于对象的重新定位或者用于更新放疗计划。所更新的放疗计划调节随后施加的辐射脉冲以调整放疗计划从而适应所识别的对象运动。
US2013035588描述了使用磁共振成像的用于治疗规划的方法、系统和计算机可读介质。使用MRI针对许多个周期随时间跟踪处置区域的运动或位置。跟踪被用于与替代物运动或信号进行比较，以建立长期替代物与肿瘤对应性。目标的运动被与(通过对组织(例如皮肤或胸部)的运动或位置的测量结果确定的，或者使用导航图像确定的)替代物运动比较。比较被用于确定目标在周期中的位置变化是否导致门控处置的不准确。此外，US2013035588描述了确定的位置被用于治疗规划。位置被用于使用肿瘤空间概率密度函数的规划。
发明内容
本发明的目标是改善针对磁共振引导的放疗的质量保证。
该目标通过如权利要求1所述的磁共振引导的放疗系统来实现。
本发明的目标还通过如权利要求15中所述的方法来实现。
通常，在(MR引导的)放疗之前，从对象进行MR或CT扫描。在该阶段期间进行的扫描在这里被称为规划扫描，并且在其期间采集规划扫描的阶段在这里被称为规划阶段。基于这些规划扫描，描绘出用于处置的重要结构。结构例如能是要被处置的对象(的一部分)、肿瘤，但也能是需要被绕开的(健康的)危及器官。这些描绘被用于计算放疗计划。通过计算放疗计划，以这样的方式优化对对象的辐射剂量，使得对肿瘤的辐射剂量足够高，同时将所规划的对危及器官的辐射剂量保持在安全限制内。放疗计划例如描述了线性加速器或多叶准直器位置，以及要被递送在某个线性加速器或多叶准直器位置上的剂量。
然而，放疗期间的周期性、不规则以及形状改变的结构运动——例如由于呼吸、抖动或器官的肿胀造成的，损害放疗的有效性，并且引入了不想要的辐照。磁共振检查系统与放疗系统的组合，允许在处置期间对(软)组织的实时监测。在实时监测期间，以大于引起结构运动的动态过程的频率的数据速率频率，从结构采集MR数据，例如图像或导航器。这些过程例如能是呼吸相关的运动(0.2-1Hz)或心跳(～1Hz)。结构运动例如能够借助于门控或放疗处置的(在线)改变得到补偿：例如MR放疗系统中的对象床的移动、放疗系统的运动、多叶准直器位置的改变用以跟随小的移动，以及对放疗计划的重新计算。然而，所有这些补偿方法都在其用于补偿结构运动的能力上有限制。这可能导致不必要的毒性、处置延迟或对肿瘤的处置不足。因此，在放疗之前恰当的质量保证是重要的。
本发明的洞察在于，在实际放疗之前关于结构运动的(变化)的知识对于处置的质量保证而言是重要的。在处置之前，在本文中被称为的质量保证阶段期间，磁共振检查系统从在成像台上的对象采集扫描。这些扫描在这里被称为质量保证扫描。基于这些质量保证扫描，例如通过半自动分割，识别出一个或多个结构。通过结构跟踪软件自动跟踪结构。在质量保证与规划阶段期间的结构跟踪能够是实时的。出于效率的原因，实时跟踪是有利的。然而，对于本发明的目标的实现来讲，这并不是必须的。例如，出于门控的目的，结构运动在与在规划阶段期间相似的范围内静止就足够。为此，结构跟踪不需要是实时的，并且也能够在所有磁共振数据都被采集到之后完成。结构运动信息可以被显示给用户，用户能够将其用于质量保证。
质量保证阶段期间的结构运动信息和/或结构跟踪充当针对在放疗期间的结构运动信息和/或结构跟踪的质量的表示。这对质量保证极端与放疗之间的时间予以限制。优选地，质量保证扫描是在其中对象已在处置台上的时间空档期间被采集的。
根据本发明的一个方面，在质量保证阶段之前执行额外的质量保证阶段。额外的质量保证阶段将被另外称为“初始质量保证阶段”。初始质量保证阶段可以与规划阶段组合，以将结构运动信息和/或结构跟踪的质量用于优化放疗计划。可以将在初始质量保证阶段期间获取的结构运动信息和/或关于结构跟踪质量的信息与在质量保证阶段期间取得的结构运动信息和/或关于结构跟踪质量的信息进行比较，例如以调查在放疗计划的创建期间使用的假设是否仍有效。
结构运动信息能够是结构运动自身，但也能够是由结构运动确定的统计度量(例如周期性结构运动的标准偏差或方差，结构运动的最小、平均或最大幅度，平均结构位置，针对结构位置的置信区间)。由于结构运动可能导致对某些结构的处置不足或过度处置，因此结构运动信息可以例如有助于对以下的决策：按规划递送放疗、不递送放疗或修改放疗计划以更好地适合结构运动的(变化)，以及自初始质量保证阶段起在其中的改变。要修改放疗计划的决策或不递送放疗计划的决策例如可以是在跟踪和/或跟随结构运动中的预期的软件和/或硬件问题的结果。如果预期的对结构的处置不足或过度处置在临床上可接受的范围内，则放疗计划能够被安全递送。
结构跟踪软件的结果可以被显示给用户。例如，可以为用户显示轨迹自身。这例如能借助于质心线、电影显示来完成，其中用户能够在呼吸周期上滚动。器官位置能够被示为在当前切片上的交叉线；或者被示为填充的(半)不透明交叉；或者被示为阴影(半)透明3D目标；或者被示为带有交叉线的阴影半不透明3D目标。同样，可以为用户显示与跟踪结果组合的重建的磁共振数据(例如图像、导航器)。
在实施例中的一些中，将运动分析软件与结构跟踪软件耦合，用于基于结构运动信息以及针对结构运动信息的一个或多个预设限制来计算质量因子。在一些实施例中，为用户显示质量因子以方便质量保证过程。
根据本发明的一个实施例，质量因子是基于来自初始质量保证阶段的结构运动信息与来自质量保证扫描的结构运动信息之间的比较来计算的。以此方式，能够确保在计算放疗计划时使用的假设仍是有效的。
根据一个实施例，为用户定量显示结构运动上的变化。这可以帮助识别运动的变化的来源。这可以帮助优化运动最小化技术，例如使用屏气，或者优化固定设备的定位。也能够将描述周期性结构运动的变化的度量与针对该变化的预设限制进行比较，以计算质量因子。
在一个实施例中，用户能够向结构跟踪软件提供反馈，以改善跟踪准确度。此外，在另一实施例中，用户可以在运动周期中被识别为或预期为有问题的阶段期间，请求不同类型的扫描数据，例如在对比度、分辨率或维度方面。人们例如能够在呼吸周期的大多数期间使用导航器，并在其中基于导航器的跟踪太复杂的呼吸阶段中切换到2D图像。以此方式，可以改进结构跟踪的准确度。
根据另一实施例，结构跟踪软件将结构运动信息与运动补偿硬件和/或软件中的限制进行比较，以计算质量因子。
在另一实施例中，在处置之前的结构运动信息被传到在放疗之前执行长的优化例程的优化例程，以降低放疗期间硬件的实时计算要求。
根据一个实施例，将结构运动信息与关于运动补偿硬件和/或软件的限制的信息组合，以计算在这些条件在实际处置期间保持不变时将被递送到结构的辐射剂量。放疗计划以及可能地对该放疗计划的质量度量(例如基于剂量体积直方图)被提供给用户，用户能够在所有质量度量都在预设限制以内时，授予继续放疗的许可。
在一个实施例中，在得到的放疗计划不满足预定义的质量度量的情况中，计算新的放疗计划，其并入在跟踪准确度方面的限制。
本发明的这些及其他方面将从后文描述的实施例变得明显，并将参考这些实施例得以阐明。
附图说明
图1以图解地图示了在其中本发明被使用的磁共振引导的放疗系统。
图2图示了质量保证过程的可能的工作流程。
具体实施方式
图1以图解地图示了在其中本发明被使用的磁共振引导的放疗系统。
磁共振检查系统包括主磁体10，其在检查区14内生成稳定均匀的主磁场。该主磁场引起要被检查的患者中的自旋沿主磁场的场线的部分取向。RF系统12装备有一个或多个RF天线，以将RF激励电磁场发射到检查区14中，以激励要被检查的患者的身体里的自旋。弛豫自旋发出由RF天线(尤其为RF接收线圈12的形式)拾取的在RF范围内的磁共振信号。RF系统可以被耦合到Tx/Rx开关(TRSwitch)11，其继而被耦合到RF放大器(RFamp)13。另外，提供梯度线圈16以生成时间的磁梯度场，尤其读取梯度脉冲和相位编码梯度。这些梯度场通常以相互正交的方向取向，并且为磁共振信号赋予空间编码。提供梯度放大器18(GradAmp)以激活梯度线圈从而生成场梯度编码场。由RF接收天线12拾取的磁共振信号被应用到MRI数据采集系统(MRacq)19。MRI数据采集系统19将数据提供到主计算机(HC)20，主计算机20继而将其提供到重建器(Recon)22，重建器22可以从数据重建图像。这些数据可以被显示在显示器(Disp)17上。
放疗系统(RT)32包括壳体30或其他支撑体或支撑被布置为绕对象移动或回转的辐射源的体。放疗系统32可以包含多叶准直器(MLC)。多叶准直器与辐射源绕对象的运动的组合允许借助于例如弧形治疗或强度调制辐射治疗的复杂剂量分布的递送。结构运动能够借助于运动补偿软件和/或硬件40来补偿。能够借助于硬件执行的运动补偿的范例是成像台(IM)34的移动或MLC中的叶片的移动。借助于软件的运动补偿的范例可以是，例如借助于从预先就按的放疗计划的图集的选择，借助于放疗计划计算器(RPC)36，对放疗计划的在线重新计算或更新。
结构跟踪软件(StruckTrack)50被耦合到磁共振检查系统。在跟踪之前，感兴趣的结构需要被分割。这能手动地或者通过(半)自动分割来完成。(半)自动分割例如能通过基于图集的分割、基于集群的分割、基于模型的分割、或是诸如活线的技术来执行。实际分割——其可以在第一个结构被分割之后马上开始——例如能够借助于基于配准的跟踪、基于导航器的跟踪或光流跟踪来完成。在处置之前，借助于听觉/视觉显示器(AVD)54将关于结构运动的信息显示给用户，听觉/视觉显示器(AVD)54能是在MR系统17中使用的显示器。结构运动信息能够被用于质量保证。
在实施例中的一些中，为用户显示轨迹自身。这例如能借助于质心线、电影显示来完成，其中用户能在结构的运动周期上滚动。器官位置能够被示为在当前切片上的相交线；或者被示为填充的、(半)不透明的交叉；或者被示为阴影(半)不透明的3D目标；或者被示为具有相交线的阴影半不透明3D目标。同样，可以为用户显示与跟踪结构组合的重建的磁共振数据(例如图像、导航器)。
在实施例中的一些中，由结构跟踪软件50向运动分析软件(MAS)52提供结构运动信息。运动分析软件52将结构运动信息与针对结构运动信息的一个或多个预设限制进行比较，并计算针对要被递送的处置的质量因子。结构运动信息可以是结构运动自身或是由结构运动确定的统计度量(例如周期性结构运动的标准偏差或方差，结构运动的最小、平均或最大幅度，平均结构位置，结构位置的置信区间)。该统计度量也可以由运动分析软件计算。
质量因子的值是由描述结构运动的某种特性确定的，落入由一个或多个预设限制设置的安全范围内或否。借助于听觉/视觉显示器54为用户显示质量因子，并且质量因子不需要是数字，而是例如也能是颜色。例如，在描述结构运动的特性没有落入由一个或多个预设限制设置的范围内时能够使用红色，并且在特性落入由一个或多个预设限制设置的范围内时使用绿色。
在本发明的一个实施例中，基于在初始质量保证阶段中取回的结构运动信息与在质量保证阶段中取回的结构运动信息之间的比较，计算质量因子。例如，在初始质量保证阶段期间，能够创建4DCT或MR规划，并且图像与来自呼吸设备或(一个或多个)MR导航器的运动信号相关联。图像中的目标位置能够被定义为f规划(tn)，其中tn是运动周期中的离散时间戳。在质量保证阶段期间，测量新的f处置(tn)。能够例如通过将诸如f规划(tn)与f处 置(tn)之间的差的均方根、或者简单的max(abs(f规划),abs(f处置))的度量与针对这些度量的一个或多个预设限制进行比较，来计算质量因子。
在另一实施例中，也能够在若干呼吸周期上检查f处置(tn)，以计算周期间变化。例如，能够以定量的方式向用户显示结构的质心和/或边缘位置随时间的变化。这例如能够通过在电影显示中显示在结构位置上的误差条，或者通过随时间而变化表示结构位置的线粗细来完成。误差条或线粗细的大小能够与表示运动的变化的统计度量相关。这些统计度量的范例可以是标准偏差、95％置信区间或最大变化。在另一实施例中，质量因子是基于这些统计度量以及针对这些统计度量的一个或多个预设限制来计算的。
在一个实施例中，用户能够高亮显示结构的运动的可能的跟踪问题，并为系统提供关于结构的位置和形状的反馈。该信息被系统用于重新定义被用于在跟踪期间分割结构的特性/纹理/模型。
在另一实施例中，用户能够请求软件在周期中预期或识别出跟踪问题的(一个或多个阶段)时，采集(例如在分辨率、维度或对比度方面)不同扫描类型的图像。例如能在呼吸周期的大部分期间使用导航器，并借助于扫描交错在呼吸周期的较困难的部分时切换到2D图像。
在另一实施例中，一个或多个预设限制是由运动补偿软件和/或硬件40的限制确定的。这些限制例如是控制成像台、放疗系统和多叶准直器的补偿运动的控制电路的延迟。这样的限制的另一范例是要计算新的放疗计划所需要的时间，或者要从预先计算的放疗计划的图集识别出最佳放疗计划所需要的时间。
在另一实施例中，在处置之前，将结构运动信息在放疗之前传到优化例程，以降低放疗期间的实时计算要求。这能够以与本领域已知的4DCT处置规划相似的方式来完成，例如通过计算图集查找表，其中器官位置作为到表中的关键。
在另一实施例中，如果结构运动速度与初始质量保证阶段的不同，则能够重新计算硬件参数(例如，用于对波束的预测性定位的多叶准直器移动命令)，以优化硬件速度设置。
在一个实施例中，其中结构运动信息被提供到放疗计划计算器36，以计算在放疗计划将按规划提供的情况中对结构的剂量，考虑到运动补偿软件和/或硬件中的局限以及结构的运动。能使用针对利用GPU的并行计算的快速方法，例如蒙特卡罗法。也能基于结构的运动周期汇中的不确定性和跟踪信号中的噪声，使用更简单的对图像上的剂量面积的涂抹。在另一实施例中，质量因子是基于该放疗计划来计算的。例如，计算质量、诸如剂量-体积直方图的度量(参数)或来自伽马分析的结构，并将其与针对这些参数的一个或多个预设限制进行比较。
在另一实施例中，在质量保证阶段中计算新的放疗计划。这例如能以如下方式完成。在利用基于蒙特卡罗法的射线模拟创建原始规划时，组织是从不交叠的封闭形状形成的，并且OBB树被用于利用有限数目的鳞状形状的顶点(出于模拟的目的为计算有效的)将世界体积划分成足够小的立方体。在模拟期间，只要射线侵入立方体或其剂量被沉积到立方体中，即将其ID与该立方体相关联。在质量保证阶段期间，当检测到微小的器官移动时(与规划相比较)，并且新的器官位置在(预先)生成的规划图集中不可获得时，即触发重新计算。重新计算移除了穿过旧的与新的器官形状立方体的联集的模拟射线的效果。其然后在新的位置重新增加器官，并重新模拟被移除的射线。这得到经更新的放疗计划，其可以被显示给用户。
图2图示质量保证过程的可能的工作流程。在质量保证过程期间，执行结构跟踪(StruckTrack)1。结构跟踪结果可以被传到优化例程，以降低实时计算要求(Optim)2，或者被传到运动分析软件以计算针对放疗的质量因子(MAS)3，或者结构被显示给用户(DispRes)4。这些显示的结果可以继而被用户用于向系统提供反馈(ManFB)5，以改善结构跟踪。例如，用户能够请求软件采集不同扫描类型的图像。基于所显示的结果，用户也可以提供对开始放疗的允许(RT)6。
对开始放疗6的允许也可以基于由运动分析软件3计算的质量因子来提供。此外，质量因子可以被用于计算新的剂量规划(CalcDose)7a和/或用于重新计算针对运动补偿硬件的参数(Recalc)7b。
尽管已在附图和前文的描述中详细说明和描述了本发明，但要将这样的说明和描述视为说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例并且能够被用于在MR引导的治疗领域内的各种应用中为质量保证安排时间。

Claims (14)

1.一种磁共振引导的放疗系统，包括：
-磁共振检查系统，其被配置为采集磁共振信号以对结构运动进行监测；
-放疗系统(32)，其被配置为基于所述结构运动和放疗计划来在对象上执行放疗，其中，所述放疗计划基于在初始质量保证阶段期间确定的结构运动信息而被优化，并且其中，结构运动信息是所述结构运动自身或通过所述结构运动确定的统计度量；
其特征在于：
-所述磁共振检查系统还被配置为在所述放疗之前的质量保证阶段期间进行监测，其中，所述质量保证阶段是这样的阶段：给定所述结构运动，确定所述放疗计划是否能够被安全地递送到所述对象，
-其中，所述磁共振引导的放疗系统还包括：
-结构跟踪软件(50)，其被配置为基于针对在所述质量保证阶段期间的监测而采集的所述磁共振信号来进行结构跟踪，
其中，所述结构跟踪软件被配置为将结构运动信息提供给运动分析软件，
-运动分析软件(52)，其被配置为基于在所述初始质量保证阶段期间取回的结构运动信息与在所述质量保证阶段期间取回的结构运动信息之间的比较来计算针对所述放疗的质量因子，其中，所述比较的结果被与针对所述结果的至少一个预设限制进行比较。
2.如权利要求1所述的磁共振引导的放疗系统，其中，所述磁共振引导的放疗系统被配置为对所述结构运动进行实时监测与跟踪。
3.如权利要求1-2中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，包括：
-听觉和/或视觉显示器(54)，其被配置为显示结构运动信息。
4.如权利要求3所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为以定量的方式显示结构运动的变化。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为基于结构运动的所述变化与针对该变化的预设限制之间的比较来计算所述质量因子。
6.如权利要求1-5中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其中，至少一个预设限制是基于运动补偿软件和/或硬件中的局限来确定的。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为基于在所述初始质量保证阶段期间取回的结构运动信息与在所述质量保证阶段期间取回的结构运动信息之间的比较来重新计算针对所述运动补偿硬件的参数。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为将在所述质量保证阶段期间取回的结构运动信息提供给放疗计划计算器(36)，以计算在对象将按规划被辐照的情况下被递送到所述对象的剂量。
9.如权利要求8所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为基于在对象将按规划被辐照的情况下被递送到所述对象的所述剂量的至少一个质量度量以及针对所述质量度量的至少一个预设限制来计算针对所述放疗的所述质量因子。
10.如权利要求1-9中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其中，结构运动信息被提供到所述放疗计划计算器(36)以计算新的放疗计划。
11.如权利要求3-10中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为接收来自用户的反馈。
12.如权利要求1-11中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为在周期性运动的情况下，在一个运动周期期间，交错至少两种扫描类型。
13.如权利要求1-12中的任一项所述的磁共振引导的放疗系统，其被配置为通过将结构运动信息传到优化例程来降低实时计算要求。
14.一种用于在放疗之前的质量保证阶段期间的质量保证的方法，包括以下步骤：
-确定在初始质量保证阶段期间的结构运动信息，其中，结构运动信息是所述结构运动自身或通过所述结构运动确定的统计度量，
-基于在初始质量期间确定的结构运动信息来对放疗计划的优化，
-采集磁共振信号以在质量保证阶段期间对结构运动进行监测，其中，所述质量保证阶段是这样的阶段：给定所述结构运动，确定放疗计划是否能够被安全地递送到所述对象，
-基于在所述质量保证阶段期间采集的所述磁共振信号进行结构跟踪，
-基于在所述初始质量保证阶段期间取回的结构运动信息与在所述质量保证阶段期间取回的结构运动信息之间的比较来计算针对所述放疗的质量因子，其中，所述比较的结果被与针对所述结果的至少一个预设限制进行比较。
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