CN105167788A - 双影像c臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗设备领域内的一种双影像C臂系统，由C臂环1和两组影像系统组成；？C臂环1安装在支撑轴2上，两组影像系统每组包括一个X射线源3和一个平板探测器4；X射线源3直接安装在C臂环1上，或通过安装支架6安装在C臂环1上；平板探测器4直接安装在C臂环1上，或通过微调机构5安装在C臂环1上，或通过微调机构5和横向安装支架7安装在C臂环1上；安装支架6和横向安装支架7关于C臂中心轴线相位相差180°。本发明提供的双影像C臂系统既能进行放射治疗初始摆位，又可以实现动态双目成像，还可以实现三维成像。

Description

双影像C臂系统

所属技术领域：

本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种双影像C臂系统。

背景技术：

在现有医学影像技术中，C臂影像系统主要用于术中X光成像，是骨外科、血管介入、脊柱手术等临床治疗中非常重要的工具。近些年来，放疗技术的发展，对于影像技术的要求越来越高，C臂影像成像系统也开始作为放疗的影像摆定位手段，应用于放射治疗过程中。而放射治疗发展的趋势是精确放射治疗，所谓精确放射治疗技术，是指采用现代化的计算机技术、医学影像技术、放射生物技术、放射物理技术和临床肿瘤治疗技术为手段，对肿瘤进行“精确诊断、精确定位、精确计划、精确治疗”的一种新的放射治疗技术。精确放射治疗技术能明显提高肿瘤的局部控制率，降低正常组织的并发症，从而提高治疗效果。而先进合理的影像系统是实现精确放疗的关键之一。在精确放疗系统中，理想的影像系统应该具有如下特点：能够有清晰的三维图像对比、融合，清楚地看到肿瘤的形态，实现精确配准和摆位；在治疗过程中，对于运动类肿瘤能够非常快速地成像、跟踪定位靶区位置，反馈信息，进行运动补偿，实现精确定位和跟踪。然而，传统的C臂结构仅采用一组影像系统，即一个球管和一个平板，无法在同一时间进行双目成像。此外，现有技术出现了锥形束电脑断层扫描（CBCT）影像设备，可以实现三维成像，但是由于C臂结构限制，还不能很好地应用于放疗领域，并且不能与双目成像集成使用，使得对肿瘤靶区有进行实时动态跟踪要求的某些放疗技术受到限制。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有传统C臂影像系统无法在同一时间进行双目成像的不足，提供一种既能进行放射治疗初始摆位，又可以实现动态双目成像，还可以实现三维成像的双影像C臂系统。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的双影像C臂系统，主要由C臂环1和两组影像系统组成；其特征在于所述C臂环1安装在支撑轴2上，并且具有三个自由度：绕C臂环1中心轴线的自转自由度、绕支撑轴2轴线的旋转自由度和沿支撑轴2安装面的线性移动自由度；两组影像系统每组包括一个X射线源3和一个平板探测器4；X射线源3直接安装在C臂环1上，或通过安装支架6安装在C臂环1上；平板探测器4直接安装在C臂环1上，或通过微调机构5安装在C臂环1上，或通过微调机构5和横向安装支架7安装在C臂环1上；安装支架6和横向安装支架7关于C臂中心轴线相位相差180°。

上述方案中，所述X射线源3和平板探测器4的成像面与C臂环所在纵向截面不重合。

上述方案中，所述支撑轴2安装在水平地面、天花板、机器人机械臂末端、翻转平台、旋转平台、立柱或辅助硬件设备的支撑面上。

上述方案中，所述C臂环1上配置有呼吸引导装置，引导患者平顺呼吸，使患者呼吸规律平稳，提高对于呼吸运动影响的靶区的跟踪和定位精度；C臂环1上配置有呼吸追踪装置，具体为红外呼吸追踪光学系统；C臂环1上设置有碰撞检测传感器，用于防止C臂与墙壁、其他硬件设备发生碰撞干涉。

上述方案中，所述双影像C臂系统进一步包括治疗床8，支撑轴2安装在治疗床8的支撑机构上。

上述方案中，所述双影像C臂系统进一步包括机器人加速器9，支撑轴2安装在机器人加速器9上。

上述方案中，所述双影像C臂系统配置有对射激光定位器组件。

上述方案中，所述双影像C臂系统配置有剂量验证系统，主要由数据传输模块、图像配准模块、轮廓映射模块、组织变化分析模块、四维图像建模模块、剂量重建模块和剂量评估模块组成，其中，数据传输模块与数据服务器相连，数据传输模块还分别与图像配准模块、轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量重建模块相连；图像配准模块分别与轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量评估模块相连；轮廓映射模块经患者在线组织轮廓分别与组织变化分析模块和剂量评估模块相连；组织变化分析模块与数据传输模块和四维（4D）放射治疗计划系统相连；四维图像建模模块与剂量重建模块相连；剂量重建模块与剂量评估模块相连；剂量评估模块与数据传输模块和4D放射治疗计划系统相连。

上述方案中，所述数据传输模块通过网络连接与数据服务器通信，获取剂量验证所需的相关数据，将验证结果存储到数据服务器；

图像配准模块图像配准模块提供刚体和形变配准方法，用于四维图像建模模块中四维CT/CBCT不同呼吸时相三维图像的配准；用于轮廓映射模块中计划CT图像与CBCT图像的形变配准；

轮廓映射模块利用患者的计划轮廓信息、数据配准模块提供的计划CT和在线CBCT图像之间的形变向量场，计算计划轮廓向CBCT图像的映射；对轮廓映射结果进行修改后，得到患者在线组织轮廓；轮廓映射模块包括以下子模块：

a）三维网格构建子模块：根据组织三维轮廓线，构建组织的三维网格表面模型；具体为：首先利用组织的原始三维轮廓线重建出组织的三维网格表面，然后利用形变场插值技术，从配准得到的形变向量场中得到每个三维网格顶点处的形变向量，并对网格顶点进行坐标变换，得到轮廓映射目标图像坐标系下的三维网格表面模型；

b）三维模块剖切子模块：利用形变后的三维网格表面模型剖切出任意平面上的三维轮廓线；具体为：根据目标图像切片所在平面，对三维网格表面模型进行剖切，计算剖切与每个三维网格的剖切位置，并通过有序连接网格剖切点，得到对应的轮廓线；

c）轮廓距离变换子模块：利用组织三维轮廓线得到其对应的三维距离图；具体为：首先根据原始轮廓线计算轮廓二值图以及轮廓距离图，轮廓距离图的图像坐标系与用于勾画轮廓线的图像一致，距离图像中位于轮廓内部的体素值为正，轮廓外部的体素值为负，其绝对值为该点到三维轮廓表面的最近距离；然后利用形变向量场对三维距离图进行形变变换，得到轮廓映射目标图像空间坐标下的轮廓距离图；最后提取距离图中每个断层图像上像素值为0的等值线，该等值线即为三维轮廓线的映射结果；

组织变化分析模块通过定量比较患者计划轮廓以及患者在线组织轮廓来分析组织器官在位置、体积和形状方面的变化，并通过数据传输模块将患者在线组织轮廓保存到数据服务器；还可同时查看和分析在多个分次下组织的形态，直观显示组织随着治疗过程的变化情况；

四维图像建模模块利用图像配准模块提供的四维CT影像不同时相之间的形变向量场，建立患者的四维图像模型；主要包括图像配准和四维运动建模两个子模块：

a）图像配准子模块对4DCT/4DCBCT中各组三维图像按照呼吸时相的顺序进行两两配准，得到相邻两组三维图像之间的形变向量场；

b）四维运动建模子模块综合利用图像配准子模块得到的各组形变向量场，依据呼吸运动的连续性、周期性特点，构建B样条运动模型或者基于PCA（主成分分析法）的运动模型，从而改善运动信息的准确度；

剂量重建模块利用四维图像模型或者三维CBCT图像重建出当前分次患者承受的剂量，主要包括电子密度标定子模块和剂量计算子模块：

a）电子密度标定子模块通过将计划CT图像配准到CBCT图像上，得到CBCT图像中体素在计划CT图像上的对应位置，然后利用处的HU值代替CBCT图像中体素处的HU值，最终生成一组模拟的HU图像用于组织电子密度的确定以及剂量计算；

b）剂量计算子模块基于已标定电子密度的CBCT进行剂量计算，估计患者在分次治疗中实际接受的剂量；

对于静止靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了治疗过程中患者体位变化对接受剂量的影响；

对于运动靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了靶区和其他有关组织在治疗过程中的实际运动情况、靶区追踪治疗的情况，从而估计出更准确的患者接受剂量，具体为：针对每一个射野,从治疗过程文件中分析针对每个射野运动补偿时准直器的运动轨迹和运动范围，并将运动轨迹分成等距离间隔的N个子弧；获取每个子弧平均位置处靶区中心的位置，并根据靶区中心位置从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据，最后根据该数据进行剂量计算；每个子弧的射线MU（放射治疗处方剂量）数，为治疗头往返多个周期运动过程中，在该子段间MU数之和；通过分别对每一个子弧进行上述剂量计算流程，得到N组三维剂量场，对进行加权求和得到对于每一个射野的三维剂量场；然后针对所有射野进行上述剂量计算、累加，最终得到整个治疗计划的剂量场；其中，从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据的操作流程为：首先根据靶区中心位置对靶区四维运动模型进行插值，得到在四维图像模型中对应的呼吸时相；然后根据与相邻两个三维图像对应时相的距离确定插值权重；最后利用这两组三维图像之间运动向量场对参考时相进行形变变换，最终得到用于该治疗子弧对应的三维图像；

剂量评估模块利用剂量重建结果分析患者计划剂量与分次治疗剂量、多个分次累加剂量之间的差异；包括剂量映射子模块和剂量分析子模块：

a）剂量映射子模块利用图像配准模块获取的计划CT图像与CBCT图像之间的形变向量场，将剂量重建模块计算的分次剂量场映射到计划CT图像坐标系下，得到分次映射剂量场；利用多个分次的映射剂量场来计算患者的累积承受剂量，用于与计划剂量进行比较；

b）剂量分析子模块对计划剂量场和重建剂量场下有关组织的照射受量进行分析和比较，对治疗计划进行调整，修正患者实际受量与计划受量的偏差；通过比较模体计划的计划剂量和重建剂量来对系统进行QA（质量保证）；提供的功能包括：等剂量线、等剂量面的对比显示，DVH（剂量体积直方图）的对比显示，剖面剂量的对比显示和差值显示，剂量场3DGamma（伽马）分析。

本发明的双影像C臂系统用于放射治疗时患者的初始摆位方法为：

A.开启对射激光定位器，显示虚拟等中心；

B.移动患者支撑治疗床，使得患者靶区中心在虚拟等中心靠近。

本发明的C臂环绕其C臂环中心轴线的自转角度大于220°，当启用两组成像系统中任意一组X射线源和平板探测器，可实现CBCT三维成像；当同时采用两组成像系统进行拍片时，即可实现双平片成像。

实现CBCT三维成像摆位的方法为：

A.直接控制治疗床，进行初步摆位；

B.利用C臂旋转（扫描时间±30秒，旋转范围±110°，1分钟内完成整个220°）均匀间隔采集图像；

（a）C臂首先进行旋转加速，当速度稳定后向影像跟踪系统发送当前角度（初稳角度）、速度和备妥信号，影像跟踪系统即可采集到一系列间隔相同角度的确切度数点的图像（放射治疗计划（TPS）采集图像的间隔时间是一定的，那么以后每一次采集图像的角度即可通过初稳角度、速度和时间计算而得）；

（b）影像系统利用采集到的一系列不同角度对应的图像重建三维模型，与治疗前CT定位数字重建影像（DRR）进行图像融合配准比对；

（c）图像融合配准比对后若未达到要求，存在较大偏差时，由医技人员进入治疗室调整；小偏差则由TPS向集成控制系统发送六维治疗床微调参数（包括：床在X,Y,Z方向的移动和转动）或加速器治疗头微调参数（治疗头在X,Y,Z方向的移动和转动），当摆位达到TPS治疗要求后，整个摆位过程自动完成。

实现双目成像快速定位的方法为：

A．在治疗过程中，集成控制系统控制C臂，并向影像系统发送备妥信号，进行两套X射线成像系统的图像采集；

B.探测板获取患者靶区两幅相交二维图像，由二维图像聚算出靶区标志的三维坐标，并与治疗初始时的CBCT三维图像进行对应性配准；

C．若配准发现靶区有小范围偏移，则将治疗头做相应X、Y、Z方向的移动调整；若偏移范围较大，则立即存储治疗相关数据并停止治疗，由医生重新回到治疗室调整，即重复病人刚进治疗时的摆位，待摆位完成后，取出停止前存储的治疗相关数据，继续治疗，并在治疗过程中不断快速定位。

通过本发明的影像系统获取患者靶区的位置与摆位时的偏差，反馈给控制系统，经过剂量验证系统计算，可及时修正治疗床或治疗机器人的位置，实现靶区的精确校准、追踪与治疗。

本发明所述方案的有益效果为：

1.当平板探测器距离C臂环中心的径向距离可调时，两组成像系统的焦平距和成像中心可以根据肿瘤患者部位的形态进行调节，避免三维成像时探测平板和治疗床的干涉。

2.C臂影像系统配备两组组X射线源和探测板，增加了C臂的灵活性；同时，C臂的自由度相对于现有自由度只保留至多三个自由度，即C臂沿安装面的线性移动、C臂绕C臂基座轴线旋转、C臂绕C臂环中心轴线自转，结构简单、容易加工。

3.C臂影像系统同时可以实现三维成像和二维定位的功能，增强了C臂的功能，扩大其适用范围，在治疗过程中都以C臂图像作为配准基准，可以减小累计误差。

4.呼吸引导装置配置于C臂上，引导患者规律呼吸，提高运动靶区的定位精度和图像质量。

5.C臂安装于机器人，或安装于治疗床支撑机构，或安装于加速器安装架，成为一体式结构，灵活度大，便于集成控制和零位调整。

综上所述，本发明克服了现有传统C臂影像系统无法在同一时间进行双目成像的不足，提供的双影像C臂系统既能进行放射治疗初始摆位，又可以实现动态双目成像，还可以实现三维成像。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明安装支架的结构示意图。

图3是本发明安装于天花板的示意图。

图4是本发明实施例五的结构示意图。

图5是本发明实施例六的结构示意图。

图6是本发明配置的剂量验证系统的组成示意图。

附图中，各数字的含义为：1：C臂环；2：支撑轴；3：X射线源；4：平板探测器；5：微调机构；6：安装支架；7：横向安装支架；8：治疗床；9：机器人加速器。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例一

本例的双影像C臂系统，如图1所示，由C臂环1和两组影像系统组成；C臂环1安装在支撑轴2上，并且具有三个自由度：绕C臂环1中心轴线的自转自由度、绕支撑轴2轴线的旋转自由度和沿支撑轴2安装面的线性移动自由度；两组影像系统每组包括一个X射线源3和一个平板探测器4；X射线源3通过安装支架6安装在C臂环1上；平板探测器4通过微调机构5安装在C臂环1上；安装支架6和横向安装支架7关于C臂中心轴线相位相差180°。

支撑轴2安装在水平地面上。

C臂环1上配置有呼吸引导装置，引导患者平顺呼吸，使患者呼吸规律平稳，提高对于呼吸运动影响的靶区的跟踪和定位精度；C臂环1上配置有呼吸追踪装置，具体为红外呼吸追踪光学系统；C臂环1上设置有碰撞检测传感器，用于防止C臂与墙壁、其他硬件设备发生碰撞干涉。

实施例二

本例的双影像C臂系统，如图2所示，除平板探测器4通过微调机构5和横向安装支架7安装在C臂环1上外，其余同实施例一。

实施例三

本例的双影像C臂系统，如图3所示，除支撑轴2安装在天花板上外，其余同实施例二。

实施例四

本例的双影像C臂系统，除X射线源3和平板探测器4直接安装在C臂环1上外，其余同实施例一。

实施例五

本例的双影像C臂系统，如图4所示，除支撑轴2安装在治疗床8的支撑机构上外，其余同实施例二。

治疗床8为机器人治疗床。

实施例六

本例的双影像C臂系统，如图5所示，除支撑轴2安装在机器人加速器9上外，其余同实施例二。

机器人加速器9为机器人机械臂末端配置直线加速器，直线加速器前端配置可变野准直器或多叶准直器。

机器人治疗床8、C臂环1和机器人加速器9放射治疗头的空间方位可为0度摆位，即一字型摆位，也可为45°摆位，即治疗床8位于C臂环1与机器人加速器9放射治疗头连线的45°方位。

实施例七

本例的双影像C臂系统除配置有对射激光定位器组件和剂量验证系统（如图6所示）外，其余同实施例二。

其中的剂量验证系统如图6所示，主要由数据传输模块、图像配准模块、轮廓映射模块、组织变化分析模块、四维图像建模模块、剂量重建模块和剂量评估模块组成，其中，数据传输模块与数据服务器相连，数据传输模块还分别与图像配准模块、轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量重建模块相连；图像配准模块分别与轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量评估模块相连；轮廓映射模块经患者在线组织轮廓分别与组织变化分析模块和剂量评估模块相连；组织变化分析模块与数据传输模块和四维（4D）放射治疗计划系统相连；四维图像建模模块与剂量重建模块相连；剂量重建模块与剂量评估模块相连；剂量评估模块与数据传输模块和4D放射治疗计划系统相连。

数据传输模块通过网络连接与数据服务器通信，获取剂量验证所需的相关数据，将验证结果存储到数据服务器；

图像配准模块图像配准模块提供刚体和形变配准方法，用于四维图像建模模块中四维CT/CBCT不同呼吸时相三维图像的配准；用于轮廓映射模块中计划CT图像与CBCT图像的形变配准；

轮廓映射模块利用患者的计划轮廓信息、数据配准模块提供的计划CT和在线CBCT图像之间的形变向量场，计算计划轮廓向CBCT图像的映射；对轮廓映射结果进行修改后，得到患者在线组织轮廓；轮廓映射模块包括以下子模块：

a）三维网格构建子模块：根据组织三维轮廓线，构建组织的三维网格表面模型；具体为：首先利用组织的原始三维轮廓线重建出组织的三维网格表面，然后利用形变场插值技术，从配准得到的形变向量场中得到每个三维网格顶点处的形变向量，并对网格顶点进行坐标变换，得到轮廓映射目标图像坐标系下的三维网格表面模型；

b）三维模块剖切子模块：利用形变后的三维网格表面模型剖切出任意平面上的三维轮廓线；具体为：根据目标图像切片所在平面，对三维网格表面模型进行剖切，计算剖切与每个三维网格的剖切位置，并通过有序连接网格剖切点，得到对应的轮廓线；

c）轮廓距离变换子模块：利用组织三维轮廓线得到其对应的三维距离图；具体为：首先根据原始轮廓线计算轮廓二值图以及轮廓距离图，轮廓距离图的图像坐标系与用于勾画轮廓线的图像一致，距离图像中位于轮廓内部的体素值为正，轮廓外部的体素值为负，其绝对值为该点到三维轮廓表面的最近距离；然后利用形变向量场对三维距离图进行形变变换，得到轮廓映射目标图像空间坐标下的轮廓距离图；最后提取距离图中每个断层图像上像素值为0的等值线，该等值线即为三维轮廓线的映射结果；

组织变化分析模块通过定量比较患者计划轮廓以及患者在线组织轮廓来分析组织器官在位置、体积和形状方面的变化，并通过数据传输模块将患者在线组织轮廓保存到数据服务器；还可同时查看和分析在多个分次下组织的形态，直观显示组织随着治疗过程的变化情况；

四维图像建模模块利用图像配准模块提供的四维CT影像不同时相之间的形变向量场，建立患者的四维图像模型；主要包括图像配准和四维运动建模两个子模块：

a）图像配准子模块对4DCT/4DCBCT中各组三维图像按照呼吸时相的顺序进行两两配准，得到相邻两组三维图像之间的形变向量场；

b）四维运动建模子模块综合利用图像配准子模块得到的各组形变向量场，依据呼吸运动的连续性、周期性特点，构建B样条运动模型或者基于PCA（主成分分析）的运动模型，从而改善运动信息的准确度；

剂量重建模块利用四维图像模型或者三维CBCT图像重建出当前分次患者承受的剂量，主要包括电子密度标定子模块和剂量计算子模块：

a）电子密度标定子模块通过将计划CT图像配准到CBCT图像上，得到CBCT图像中体素在计划CT图像上的对应位置，然后利用处的HU值代替CBCT图像中体素处的HU值，最终生成一组模拟的HU图像用于组织电子密度的确定以及剂量计算；

b）剂量计算子模块基于已标定电子密度的CBCT进行剂量计算，估计患者在分次治疗中实际接受的剂量；

对于静止靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了治疗过程中患者体位变化对接受剂量的影响；

对于运动靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了靶区和其他有关组织在治疗过程中的实际运动情况、靶区追踪治疗的情况，从而估计出更准确的患者接受剂量，具体为：针对每一个射野,从治疗过程文件中分析针对每个射野运动补偿时准直器的运动轨迹和运动范围，并将运动轨迹分成等距离间隔的N个子弧；获取每个子弧平均位置处靶区中心的位置，并根据靶区中心位置从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据，最后根据该数据进行剂量计算；每个子弧射线照射机器跳数（MU），，为治疗头往返多个周期运动过程中，在该子段间MU数之和；通过分别对每一个子弧进行上述剂量计算流程，得到N组三维剂量场，对进行加权求和得到对于每一个射野的三维剂量场；然后针对所有射野进行上述剂量计算、累加，最终得到整个治疗计划的剂量场；其中，从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据的操作流程为：首先根据靶区中心位置对靶区四维运动模型进行插值，得到在四维图像模型中对应的呼吸时相；然后根据与相邻两个三维图像对应时相的距离确定插值权重；最后利用这两组三维图像之间运动向量场对参考时相进行形变变换，最终得到用于该治疗子弧对应的三维图像；

剂量评估模块利用剂量重建结果分析患者计划剂量与分次治疗剂量、多个分次累加剂量之间的差异；包括剂量映射子模块和剂量分析子模块：

a）剂量映射子模块利用图像配准模块获取的计划CT图像与CBCT图像之间的形变向量场，将剂量重建模块计算的分次剂量场映射到计划CT图像坐标系下，得到分次映射剂量场；利用多个分次的映射剂量场来计算患者的累积承受剂量，用于与计划剂量进行比较；

b）剂量分析子模块对计划剂量场和重建剂量场下有关组织的照射受量进行分析和比较，对治疗计划进行调整，修正患者实际受量与计划受量的偏差；通过比较模体计划的计划剂量和重建剂量来对系统进行QA（质量保证）；提供的功能包括：等剂量线、等剂量面的对比显示，DVH（剂量体积直方图）的对比显示，剖面剂量的对比显示和差值显示，剂量场3DGamma（伽马）分析。

本例的剂量验证系统用于在线剂量验证的步骤如下：

A.利用非刚体配准方法将用于患者摆位的3DCBCT图像配准到计划CT，得到计划CT到3DCBCT的形变向量场，其中形变向量场记录了计划CT中每一点P _i 到3DCBCT中对应点的形变向量；

B.利用上述形变向量场将计划CT上的有关组织轮廓映射到3DCBCT上，得到患者在线组织轮廓信息：

a)针对每一个有关组织，构建在空间中包括该组织的三维蒙版图像；蒙版图像的中每一个体素的值表示轮廓包容关系，当该体素位于封闭轮廓线内部时取值为1；当该体素位于封闭轮廓线外部时取值为0；

b)利用MarchingCube等值面提取方法提取体素值为1的三维等值表面模型；

c)利用步骤A获取的形变向量场，对三维等值表面模型的各个顶点进行变换，得到形变后的三维轮廓表面模型；

d)针对目标3DCBCT的每一层二维轴位图像，利用与该二维图像位置吻合的平面对形变后的三维等值表面模型进行剖切，得到三维表面模型与该平面相交的点或者重合的直线；将这些点和直线按照顺序进行连接，得到对应于该二维轴位图像的形变后组织的轮廓线；

e)综合目标3DCBCT所有二维轴位图像上的轮廓线，即为通过轮廓映射得到的患者在线组织轮廓信息；

C.计算3DCBCT图像到计划CT图像的形变向量场，形变向量场记录了3DCBCT中每一点P _i 到计划CT中对应点的形变向量；利用计划CT的HU值与电子密度的转换关系，根据3DCBCT每个体素在计划CT中对应位置处的HU值计算该体素的电子密度，从而得到3DCBCT图像对应的组织电子密度图；计算形变向量场时，首先对步骤A得到的计划CT图像到该3DCBCT图像的形变向量场DF进行求逆计算；然后利用图像配准方法以该逆变换作为初始值将计划CT配准到3DCBCT，得到3DCBCT图像到计划CT准确的形变向量场；

D.利用3DCBCT图像对应的组织电子密度图计算患者当前分次承受的照射剂量；

E.利用不同分次采集的3DCBCT图像以及计算的照射剂量进行患者多个分次照射剂量的形变累加；照射剂量的形变累加需要选取某一组图像作为参考图像，其中参考图像为计划CT或者任意分次采集的3DCBCT；形变累加时，首先利用形变向量场计算参考图像中每一个体素在其他分次3DCBCT图像中的对应位置，并利用三次插值方法获取该位置处的剂量，最后对插值得到的剂量进行累加得到某个体素位置处的形变累加剂量；

F.定量分析有关组织的几何变化情况以及由其引起的照射剂量变化；几何变化包括组织体积和重心位置的变化、变化前后轮廓区域的重合率；对于照射剂量变化的分析，可以分析单个分次照射剂量和多个分次累加剂量的变化情况；剂量的变化包括组织承受最大、最小、平均、中值剂量以及剂量-体积关系的变化；综合考虑多个分次的组织变化情况，计算各项指标随着分次治疗的变化曲线和变化率。

本例的剂量验证系统用于包含运动信息的剂量重建的步骤如下：

A.利用4DCBCT数据建立包含组织运动信息的四维图像模型；四维图像模型包含不同呼吸时相下的多组三维CBCT以及不同时相间组织器官的运动信息；

a)对4DCBCT中各组三维图像按照呼吸时相的顺序进行两两配准，得到相邻两组三维图像之间的形变向量场；

b)综合利用各组形变向量场，依据呼吸运动的连续性、周期性等特点，构建B样条运动模型或者基于PCA的运动模型，改善运动信息的准确度；

B.基于轮廓线形变映射的4DCBCT上有关组织轮廓线的自动勾画：

a)利用非刚体配准方法将4DCBCT中每一组3DCBCT图像配准到计划CT，得到计划CT到3DCBCT的形变向量场，其中形变向量场记录了计划CT中每一点P _i 到每一组3DCBCT中对应点的形变向量；

b)利用上述形变向量场将计划CT上的有关组织轮廓映射到每一组3DCBCT上，得到患者在线组织轮廓信息；

C.计算4DCBCT中每一组3DCBCT图像到计划CT的形变向量场，其中形变向量场记录了3DCBCT中每一点P _i 到计划CT中对应点的形变向量；利用计划CT的HU值与电子密度转换关系，根据3DCBCT每个体素在计划CT中对应位置处的HU值计算该体素的电子密度，从而最终得到4DCBCT中每一组3DCBCT图像对应的组织电子密度图；计算每一组3DCBCT图像到计划CT的形变向量场时，首先对步骤B得到的计划CT图像到该3DCBCT图像的形变向量场进行求逆计算，然后利用图像配准方法以该逆变换作为初始值将计划CT配准到3DCBCT，得到3DCBCT图像到计划CT的准确形变向量场；

D.根据治疗过程中记录的治疗日志文件，计算包含运动肿瘤追踪信息的验证剂量：

a)针对每一个射野B_i，从治疗日志文件中分析得到动态追踪运动靶区进行治疗时准直器的运动轨迹和运动范围，并将运动轨迹分成等距离间隔的N个子段，其中N可由医生根据需要进行选择；

b)根据治疗日志文件获取每个子段平均位置处靶区中心的位置,并根据靶区中心位置从4D图像模型中插值获取对应的三维CT影像数据I_i和组织电子密度图；

i.根据步骤B得到的每一组3DCBCT上的靶区轮廓线，计算随着患者呼吸时相靶区中心位置的运动曲线；

ii.计算每个子段平均位置处靶区中心位置在靶区中心运动曲线上的对应位置，即确定当前子段对应的患者呼吸时相t；

iii.从4DCBCT中找出与患者呼吸时相t相邻的两组3DCBCT，分别为t _i 和t _j ，其中t _i≤ t _≤ t _j ；根据呼吸时相的位置关系，利用线性插值方法，从两组3DCBCT对应的组织电子密度图插值，得到该治疗子段对应的三维CT影像数据I_i和组织电子密度图；

c)利用图像I_i计算准直器在该子段运动时患者承受的剂量，其中剂量计算MU数为准直器往返运动追踪靶区过程中在该子段内剂量出束MU之和；

d)利用上述方法，分别对射影B_i的每一个子段进行上述剂量计算，得到N组三维剂量场D_i，然后选择某一组图像作为参考图像，对N组三维剂量场D_i进行形变累加；参考图像可以是计划CT或者4DCBCT中某一组3DCBCT或者在多组参考图像上进行形变累加；

e)然后针对所有射野进行上述剂量计算、累加，最终得到整个治疗计划的剂量场；

E.采用伽马分析和剂量-体积直方图方法，比较不同情况下有关组织的承受剂量，并提供多种定量分析数据，来确定是否需要进行计划调整；比较单个分次的计划剂量和形变累加剂量；或者比较多个分次计划剂量的累加剂量，以及多个分次的形变累加剂量的累加剂量。

本例的剂量验证系统用于影像引导立体定向手术/放疗的剂量重建的步骤如下：

A.分析治疗过程的日志文件，根据治疗过程中患者体位变化情况将整个治疗过程分成多个治疗阶段：

a)治疗开始阶段，采集患者的3DCBCT影像CBCT₀，通过对CBCT₀和计划CT进行配准实施患者的初始摆位后开始治疗过程；

b)分析治疗过程日志文件，每发生一次患者体位变化则结束上一阶段的治疗过程，开始新的一个治疗阶段。如果治疗日志文件记录了N次体位变化，那么整个治疗过程将分成N+1个治疗阶段。如果若在治疗过程中患者体位没有发生变化，那么只有一个治疗阶段；

B.分析治疗过程的日志文件，获取每个治疗阶段剂量重建所需要的患者CBCT数据：

a)对应开始治疗阶段，使用初始摆位影像CBCT₀进行剂量重建；

b)若患者体位变化超出系统可修正范围，那么需要对患者进行再次摆位。再次摆位之后，系统利用再次摆位获取图像CBCT_i进行剂量重建；

c)如果在治疗过程中患者体位发生变化且在可修正范围内，那么根据治疗日志文件记录的体位变化量对上一次摆位获取的CBCT数据CBCT_i进行空间刚体变换，利用空间变换后的CBCT_i进行剂量重建；

C.分析治疗过程的日志文件，获取每个治疗阶段中的射野信息，并利用步骤2获取的对应的CBCT进行剂量重建（不限制CBCT剂量计算的方法）。

D.根据每个治疗阶段对应CBCT与计划CT之间的刚体变换，将CBCT空间下的剂量映射到计划CT坐标系下进行剂量累加，得到整个治疗阶段的剂量重建结果。

E.采用伽马分析和剂量-体积直方图方法比较计划剂量和重建剂量；可以比较单个分次的计划剂量和重建剂量；或者比较多个分次计划剂量的累加剂量以及多个分次的重建剂量的累加剂量等。

Claims (9)

1.一种双影像C臂系统，主要由C臂环（1）和两组影像系统组成；其特征在于所述C臂环（1）安装在支撑轴（2）上，并且具有三个自由度：绕C臂环（1）中心轴线的自转自由度、绕支撑轴（2）轴线的旋转自由度和沿支撑轴（2）安装面的线性移动自由度；两组影像系统每组包括一个X射线源（3）和一个平板探测器（4）；X射线源（3）直接安装在C臂环（1）上，或通过安装支架（6）安装在C臂环（1）上；平板探测器（4）直接安装在C臂环（1）上，或通过微调机构（5）安装在C臂环（1）上，或通过微调机构（5）和横向安装支架（7）安装在C臂环（1）上；安装支架（6）和横向安装支架（7）关于C臂中心轴线相位相差180°。

2.根据权利要求1所述的双影像C臂系统，其特征在于所述X射线源（3）和平板探测器（4）的成像面与C臂环所在纵向截面不重合。

3.根据权利要求1所述的双影像C臂系统，其特征在于所述支撑轴（2）安装在水平地面、天花板、机器人机械臂末端、翻转平台、旋转平台、立柱或辅助硬件设备的支撑面上。

4.根据权利要求1所述的双影像C臂系统，其特征在于所述C臂环（1）上配置有呼吸引导装置，引导患者平顺呼吸，使患者呼吸规律平稳，提高对于呼吸运动影响的靶区的跟踪和定位精度；C臂环（1）上配置有呼吸追踪装置，具体为红外呼吸追踪光学系统；C臂环（1）上设置有碰撞检测传感器，用于防止C臂与墙壁、其他硬件设备发生碰撞干涉。

5.根据权利要求1所述的双影像C臂系统，其特征在于所述双影像C臂系统进一步包括治疗床（8），支撑轴（2）安装在治疗床（8）的支撑机构上。

6.根据权利要求1所述的双影像C臂系统，其特征在于所述双影像C臂系统进一步包括机器人加速器（9），支撑轴（2）安装在机器人加速器（9）上。

7.根据权利要求6所述的双影像C臂系统，其特征在于所述双影像C臂系统配置有对射激光定位器组件。

8.根据权利要求6所述的双影像C臂系统，其特征在于所述双影像C臂系统配置有剂量验证系统，主要由数据传输模块、图像配准模块、轮廓映射模块、组织变化分析模块、四维图像建模模块、剂量重建模块和剂量评估模块组成，其中，数据传输模块与数据服务器相连，数据传输模块还分别与图像配准模块、轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量重建模块相连；图像配准模块分别与轮廓映射模块、四维图像建模模块和剂量评估模块相连；轮廓映射模块经患者在线组织轮廓分别与组织变化分析模块和剂量评估模块相连；组织变化分析模块与数据传输模块和四维放射治疗计划系统相连；四维图像建模模块与剂量重建模块相连；剂量重建模块与剂量评估模块相连；剂量评估模块与数据传输模块和四维放射治疗计划系统相连。

9.根据权利要求8所述的双影像C臂系统，其特征在于所述数据传输模块通过网络连接与数据服务器通信，获取剂量验证所需的相关数据，将验证结果存储到数据服务器；

图像配准模块图像配准模块提供刚体和形变配准方法，用于四维图像建模模块中四维CT/CBCT不同呼吸时相三维图像的配准；用于轮廓映射模块中计划CT图像与CBCT图像的形变配准；

轮廓映射模块利用患者的计划轮廓信息、数据配准模块提供的计划CT和在线CBCT图像之间的形变向量场，计算计划轮廓向CBCT图像的映射；对轮廓映射结果进行修改后，得到患者在线组织轮廓；轮廓映射模块包括以下子模块：

a）三维网格构建子模块：根据组织三维轮廓线，构建组织的三维网格表面模型；具体为：首先利用组织的原始三维轮廓线重建出组织的三维网格表面，然后利用形变场插值技术，从配准得到的形变向量场中得到每个三维网格顶点处的形变向量，并对网格顶点进行坐标变换，得到轮廓映射目标图像坐标系下的三维网格表面模型；

b）三维模块剖切子模块：利用形变后的三维网格表面模型剖切出任意平面上的三维轮廓线；具体为：根据目标图像切片所在平面，对三维网格表面模型进行剖切，计算剖切与每个三维网格的剖切位置，并通过有序连接网格剖切点，得到对应的轮廓线；

c）轮廓距离变换子模块：利用组织三维轮廓线得到其对应的三维距离图；具体为：首先根据原始轮廓线计算轮廓二值图以及轮廓距离图，轮廓距离图的图像坐标系与用于勾画轮廓线的图像一致，距离图像中位于轮廓内部的体素值为正，轮廓外部的体素值为负，其绝对值为该点到三维轮廓表面的最近距离；然后利用形变向量场对三维距离图进行形变变换，得到轮廓映射目标图像空间坐标下的轮廓距离图；最后提取距离图中每个断层图像上像素值为0的等值线，该等值线即为三维轮廓线的映射结果；

组织变化分析模块通过定量比较患者计划轮廓以及患者在线组织轮廓来分析组织器官在位置、体积和形状方面的变化，并通过数据传输模块将患者在线组织轮廓保存到数据服务器；还可同时查看和分析在多个分次下组织的形态，直观显示组织随着治疗过程的变化情况；

四维图像建模模块利用图像配准模块提供的四维CT影像不同时相之间的形变向量场，建立患者的四维图像模型；主要包括图像配准和四维运动建模两个子模块：

a）图像配准子模块对4DCT/4DCBCT中各组三维图像按照呼吸时相的顺序进行两两配准，得到相邻两组三维图像之间的形变向量场；

b）四维运动建模子模块综合利用图像配准子模块得到的各组形变向量场，依据呼吸运动的连续性、周期性特点，构建B样条运动模型或者基于主成分分析的运动模型，从而改善运动信息的准确度；

剂量重建模块利用四维图像模型或者三维CBCT图像重建出当前分次患者承受的剂量，主要包括电子密度标定子模块和剂量计算子模块：

a）电子密度标定子模块通过将计划CT图像配准到CBCT图像上，得到CBCT图像中体素 ，然后利用处的HU值代替CBCT图像中体素处的HU值，最终生成一组模拟的HU图像用于组织电子密度的确定以及剂量计算；

b）剂量计算子模块基于已标定电子密度的CBCT进行剂量计算，估计患者在分次治疗中实际接受的剂量；

对于静止靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了治疗过程中患者体位变化对接受剂量的影响；

对于运动靶区的分次剂量重建，剂量计算子模块考虑了靶区和其他有关组织在治疗过程中的实际运动情况、靶区追踪治疗的情况，从而估计出更准确的患者接受剂量，具体为：针对每一个射野,从治疗过程文件中分析针对每个射野运动补偿时准直器的运动轨迹和运动范围，并将运动轨迹分成等距离间隔的N个子弧；获取每个子弧平均位置处靶区中心的位置，并根据靶区中心位置从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据，最后根据该数据进行剂量计算；个子弧的射线照射机器跳数，为治疗头往返多个周期运动过程中，在该子段间跳数之和；通过分别对每一个子弧进行上述剂量计算流程，得到N组三维剂量场，对进行加权求和得到对于每一个射野的三维剂量场；然后针对所有射野进行上述剂量计算、累加，最终得到整个治疗计划的剂量场；其中，从四维图像模型中插值获取对应的三维图像数据的操作流程为：首先根据靶区中心位置对靶区四维运动模型进行插值，得到在四维图像模型中对应的呼吸时相；然后根据与相邻两个三维图像对应时相的距离确定插值权重；最后利用这两组三维图像之间运动向量场对参考时相进行形变变换，最终得到用于该治疗子弧对应的三维图像；

剂量评估模块利用剂量重建结果分析患者计划剂量与分次治疗剂量、多个分次累加剂量之间的差异；包括剂量映射子模块和剂量分析子模块：

a）剂量映射子模块利用图像配准模块获取的计划CT图像与CBCT图像之间的形变向量场，将剂量重建模块计算的分次剂量场映射到计划CT图像坐标系下，得到分次映射剂量场；利用多个分次的映射剂量场来计算患者的累积承受剂量，用于与计划剂量进行比较；

b）剂量分析子模块对计划剂量场和重建剂量场下有关组织的照射受量进行分析和比较，对治疗计划进行调整，修正患者实际受量与计划受量的偏差；通过比较模体计划的计划剂量和重建剂量来对系统进行质量保证；提供的功能包括：等剂量线、等剂量面的对比显示，剂量体积直方图的对比显示，剖面剂量的对比显示和差值显示，剂量场3D伽马分析。