CN105396229B - 一种放射治疗设备的成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同时提高治疗束和成像束的图像质量且成本低廉的成像装置及方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种放射治疗设备的成像方法，包括：提供增强器并将增强器放置于探测器上方；在射线束扫描目标部位时使用所述探测器获取对应图像；以及对所述图像进行处理。

Description

一种放射治疗设备的成像装置和方法

技术领域

本发明主要涉及医疗设备领域，尤其涉及一种放射治疗设备的成像装置和方法。

背景技术

图像引导放射治疗(IGRT，Image Guided Radiotherapy)技术将X射线成像与放射治疗技术有机结合，大大提高了临床放射治疗过程中摆位的精度，显著提高了治疗效果。

IGRT装置在工作时，既可以产生千伏(KV)级的电子束，也可以产生兆伏(MV)级的电子束。其中KV级的电子束打在成像靶上，可以产生用于成像的X射线。MV级的电子束可以用于对患者体内的病灶进行放射治疗。其中KV级的电子束和MV级的电子束既可以由具有同一个放射源的IGRT装置(即，同源的IGRT装置)产生，也可以由具有不同放射源的IGRT装置产生。电子束经过目标之后被电子射野成像设备(EPID)接收，EPID采集对应的KV级投影图像和MV级投影图像，并实时验证患者摆位和射野位置。

目前的有三种IGRT技术兼顾成像和放射治疗效果。

第一种方案采用两套系统，一套KV级X射线系统用于成像，另一套MV级X射线系统用于放射治疗。这一方案的缺点在于：1)两套系统分属不同坐标系，使得摆位误差严重依赖于设备的校正周期和随机误差大小，降低了治疗效果；2)成本高：KV级的X射线球管造价不菲，并且属于易耗品；为了满足治疗中成像的需求，很多设备安装针对KV级成像优化的平板探测器的同时，还安装了针对MV级成像的平板探测器，进一步增加了图像引导放射治疗设备的总成本。

第二种方案采用同源MV设计，一般直接使用MV级X射线，结合针对MV射线优化的平板探测器在线验证图像。这一方案的缺点在于，MV级X射线在人体组织中的主要物理过程康普顿散射会降低图像的对比度，而对组织分辨能力有贡献的光电效应发生的概率则较小，这将导致治疗X射线束的成像效果比KV级X射线图像差很多，从而影响定位精度，进而降低图像引导设备的放射治疗效果。针对该方案中电子射野成像设备(EPID)图像对比度差的问题，目前通常是在传统的MV级EPID系统中，在探测器上方增加一定厚度的金属板，提高进入探测器的电子数量，同时减少低能散射线，这有利于提高图像质量。

第三种方案被业界称为同源双束的技术使得成像束与治疗束共用一个坐标系统，同源共轴的设计可以提高摆位精度。医疗上往往使用4MV以上的X射线用于病人治疗，成像效果较差；人们更倾向于使用能量更低的MV级X射线，甚至KV级X射线用于成像。可以预见，第三种方案克服了前两种方案固有的缺陷，但该方案中1)若探测器针对成像束优化，而治疗束的MV级X射线能量高，软组织对比度差，其图像质量反而不如第二种方案；或者2)若探测器针对治疗束优化，成像束的图像质量远低于第一种方案。

发明内容

本发明提供了一种同时提高治疗束和成像束的图像质量且成本低廉的成像装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种放射治疗中的成像方法，包括：提供增强器并将增强器放置于探测器上方；在射线束扫描目标部位时使用探测器获取对应图像；以及对图像进行处理。

可选地，所述提供增强器包括提供一个或多个并排放置的金属材料板，该方法进一步包括：当射线束为治疗束时，操作一个或多个金属材料板以使其基本平行于探测器的上表面；以及当射线束为成像束时，操作一个或多个金属材料板以使其基本平行于射线束方向。

可选地，所述增强器包括交错的金属区域和非金属区域。所述对所述图像进行处理包括：抽取金属区域图像I_black和非金属区域图像I_white；如果所述射线束为治疗束，则利用I_black对非金属区域插值，得到非金属区域插值图像P_white，将所述P_white和所述I_white加权叠加以更新非金属区域图像；如果所述射线束为成像束，则利用I_white对金属区域插值，得到金属区域插值图像P_black，将所述P_black和所述I_black加权叠加以更新金属区域图像；对更新后的图像进行边界平滑。

本发明还提供了一种放射治疗中的成像设备，包括：探测器，其在放射治疗设备的治疗头发出的射线束扫描目标部位时获取对应图像；增强器，其被放置于探测器上方；以及图像处理模块，其对图像进行处理。

附图说明

图1是本发明的EPID系统的框图。

图2是根据本发明的一个实施例的成像装置的示意图。

图3示出添加和移除增强器时的探测器能量响应曲线。

图4是根据本发明的一个实施例的增强器设计的示意图。

图5是根据本发明的另一实施例的条状或网格状的增强器的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了本发明的EPID系统。EPID系统是放射治疗中用来实时验证患者摆位和射野位置的成像系统，其包括治疗头、与治疗头相对的探测器以及置于探测器上方的增强器。其中治疗头作为射线源，生成对应的MV级射线束或KV级射线束。射线束穿过患者身体，通过增强器之后到达探测器。探测器接收射线束并产生有关病人身体内部信息的图像。图像处理单元从探测器接收多个图像并处理图像以得到相关数据。

实施例一

图2是根据本发明的一个实施例的成像装置的示意图。如图2所示，该成像装置包括成像靶2、治疗靶3、增强器8和平板探测器9。电子束1打在成像靶2或治疗靶3上生成相应的X射线4，X射线4穿过患者5到达平板探测器9。

本发明在平板探测器9上方放置增强器8，该增强器8包括一个或多个并排放置的金属材料板，该金属材料板可根据X射线束的不同而旋转到不同位置。具体而言，在治疗束中添加增强器(即，使金属材料板基本平行于探测器的上表面，较优地紧贴探测器)，提高了1MeV以上光子的能量响应；在成像束中移除增强器(即，使金属材料板旋转至与射线束方向平行)，使得120KeV以下光子的能量响应得到提高。

图3示出添加和移除增强器时的探测器能量响应曲线。从图3可见，添加增强器时MeV级电子的能量响应显著提高，而移除增强器时KeV级电子的能量响应提升较高。

根据本发明的图像引导放射治疗设备中的成像方法可包括以下步骤：

S11，提供增强器。

进一步，根据治疗束的能量选择性地确定该增强器的金属材料及其厚度。

举例而言，金属材料通常可为低原子序数的金属材料，诸如铜或铝等。其厚度可根据治疗束的能量和治疗靶材料来选择。当治疗束的能量增加时，可增大增强器的厚度，提高1MeV以上光子的能量响应。举例而言，当治疗束能量为6MV时，铜层厚度可为1mm。

S12，将所提供的增强器放置于EPID内部感光元件上方。

图4是一种增强器设计的示意图。这里，增强器包括一个或多个并排放置的金属材料板2，其中电机1控制数个金属材料板2的旋转。

优选地，各个金属材料板2之间的间距与平板探测器的像素精度相当，优选为像素精度的整数倍，以简化后续图像处理。

S13，根据电子束的类型来控制增强器以形成不同形状。

具体而言，当电子束为治疗束时，使构成增强器的金属材料板基本平行于探测器的上表面，较优地呈平面状紧贴平板探测器，提高1MeV以上光子的能量响应，如图4所示。

如上所述，当电子束为成像束时，使构成增强器的金属材料板旋转至与射线束方向平行，此时增强器用作滤线栅。如图2所示，由此滤除散射线6、7，降低散射对图像质量的影响，从而提高图像对比度。

S14，使用平板探测器采集图像。

优选地，可对平板探测器所获取的图像进行优化处理。

该处理可在图1中所示的图像处理单元中进行，可包括以下步骤：

(1)对图像进行处理以滤除构成增强器的金属材料板之间的二维边界轮廓，从而平滑构成增强器的金属材料板之间边界的阶跃变化。

在本实施方式中，构成增强器的金属材料板之间的边界轮廓可预先提取。边界轮廓由构成增强器的金属材料板之间的边界形状定义，可通过在不放置患者的情况下使金属材料板基本平行于探测器的上表面并产生X射线，对探测器所获得的图像取一阶导数来获取金属材料板之间的边界轮廓。

(2)对上述图像滤波，平滑边界。举例而言，可对图像进行二维中值滤波。

实施例二

根据本发明的另一实施例，设计了一种包括交错的金属区域和非金属区域的增强器，例如，条状或网格状的增强器，如图5所示。金属区域(即，黑色区域)和非金属区域(即，白色区域)填充不同的材料。与以上所述的添加/移除增强器的方法不同，该增强器始终以基本平行于平板探测器的方位被布置，较优地其可呈平面状紧贴平板探测器。利用不同材料对不同能量的X射线响应不同，从而提高相应场合的图像质量。在治疗束和成像束两种不同模式下对金属区域图像I_black和非金属区域图像I_white进行不同处理，从而得到分别适合于治疗束和成像束的图像。

该实施例的方法包括以下步骤：

S21，选择增强器的金属区域和非金属区域的材料及厚度。

举例而言，金属区域的材料由于能够使探测器接收的电子变多且噪音减少故能够提高1MeV以上光子的信噪比，优选为低原子序数的金属材料，诸如铜、铝等材料。非金属区域能够提高120KeV以下电子的对比度；优选地，该非金属区域不填充材料或填充基质材料。

与实施例一相同，当治疗束的能量增加时，可增大增强器的厚度，由此有助于提高1MeV以上光子的能量响应。

S22，设计增强器的金属区域和非金属区域的宽度比α。

α的值可根据放射治疗的实际需求来选择。α越大，金属区域越大，对于治疗束越优化；α越小，非金属区域面积越大，对于成像束越优化。

S23，将增强器安装于EPID内部感光元件上方。

S24，放射电子束并根据电子束的类型对探测器所获得的图像进行处理。

(1)若X射线为治疗束，则利用金属区域的高信噪比对图像作以下处理：

a)抽取金属区域图像I_black和非金属区域图像I_white；

b)治疗束下I_black图像质量高，保持不变；利用I_black信息对非金属区域图像插值，得到具有较高信噪比的非金属区域插值图像P_white；

c)通过一定权重将插值图像P_white和实际图像I_white叠加，更新非金属区域图像；

d)对更新后的图像进行边界平滑，提高图像质量。

(2)若X射线为成像束，利用非金属区域的高对比度对图像作以下处理：

a)抽取金属区域图像I_black和非金属区域图像I_white；

b)成像束下I_white对比度高，保持不变；利用I_white信息对金属区域插值，得到具有较高对比度的金属区域插值图像P_black；

c)通过一定权重将插值图像P_black和实际图像I_black叠加，更新金属区域图像；

d)对更新后的图像进行边界平滑，获得的图像质量提高。

步骤c)中的权重可根据具体需求来选择，对插值图像的较大权重可以提高图像的对比度和信噪比，而对实际图像的较大权重可以提高图像的分辨率。例如，如果图像的分辨率足以达到要求，则可直接使用插值图像进行后续处理。如果图像的分辨率不够，则可增大实际图像的权重。

虽然本实施例所描述的增强器是条状或网格状，但本领域技术人员应领会，其它非金属区域和金属区域交替的图案也可实现本发明所要达到的技术效果，只要非金属区域和金属区域的面积比能够达到对治疗束和成像束下所要求的图像质量即可。

以上描述的本发明的方案具有如下优势：

一、可在同等剂量水平下提高治疗束的图像质量，而不需要改变治疗靶的设计结构或者更换针对治疗束优化的探测器。

二、可在同等剂量水平下提高成像束的图像质量，而不需要更换或新增针对成像束优化的探测器。

三、将本发明应用于同源双束治疗头中，能显著提高成像质量，且制造成本低廉。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种放射治疗设备的成像方法，包括：

提供增强器并将增强器放置于探测器上方；

在射线束扫描目标部位时使用所述探测器获取对应图像；以及

对所述图像进行处理；

其中：

所述提供增强器包括提供一个或多个并排放置的金属材料板，所述方法进一步包括：当所述射线束为治疗束时，操作所述一个或多个金属材料板以使其基本平行于所述探测器的上表面；以及当所述射线束为成像束时，操作所述一个或多个金属材料板以使其基本平行于所述射线束方向；或者

所述增强器包括多个金属区域和多个非金属区域，所述多个金属区域和所述多个非金属区域是交错布置的，并且所述方法进一步包括根据所述射线束的类型对所述探测器获取的图像进行处理，所述射线束的类型包括治疗束和成像束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述图像进行处理包括：

从所述图像滤除掉所述一个或多个金属材料板的边界轮廓；以及

对所述图像进行滤波。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供增强器包括：

根据治疗束的能量来选择所述一个或多个金属材料板的材料和厚度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个并排放置的金属材料板之间的间隔为所述探测器的像素精度的整数倍。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属材料板的材料为低原子序数的金属材料。

6.根据权利要求5所示的方法，其特征在于，所述金属材料板的材料包括铜或铝。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属区域和非金属区域呈条状或网格状。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述图像进行处理包括：

抽取金属区域的图像I_black和非金属区域的图像I_white；

如果所述射线束为治疗束，则：

利用I_black对非金属区域的图像插值，得到非金属区域的插值图像P_white；

将所述P_white和所述I_white加权叠加以更新非金属区域的图像；

如果所述射线束为成像束，则：

利用I_white对金属区域的图像插值，得到金属区域的插值图像P_black；

将所述P_black和所述I_black加权叠加以更新金属区域的图像；

对更新后的图像进行边界平滑。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属区域的材料包括铜或铝，所述非金属区域不填充材料或填充基质材料。

10.一种放射治疗设备成像单元，包括：

探测器，其在所述放射治疗设备的治疗头发出的射线束扫描目标部位时获取对应图像；

增强器，其被放置于所述探测器上方；以及

图像处理模块，其对所述图像进行处理；

其中：

所述增强器包括一个或多个并排放置的金属材料板，其中，所述一个或多个金属材料板是可操作地以使得当所述射线束为治疗束时所述金属材料板平行于所述探测器的上表面并且当所述射线束为成像束时所述金属材料板基本平行于所述射线束方向；或者

所述增强器包括多个金属区域和多个非金属区域，所述多个金属区域和所述多个非金属区域是交错布置的，并且所述图像处理模块进一步根据所述射线束的类型对所述探测器获取的图像进行处理，所述射线束的类型包括治疗束和成像束。

11.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述图像处理模块被进一步配置成：

从所述图像滤除掉所述一个或多个金属材料板的边界轮廓；以及

对所述图像进行滤波。

12.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述一个或多个金属材料板的材料和厚度是选择性地根据治疗束的能量来确定的。

13.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述一个或多个并排放置的金属材料板之间的间隔为所述探测器的像素精度的整数倍。

14.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述金属材料板的材料为低原子序数的金属材料。

15.根据权利要求14所述的成像单元，其特征在于，所述金属材料板的材料包括铜或铝。

16.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述金属区域和非金属区域呈条状或网格状。

17.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述图像处理模块被配置成：

抽取金属区域图像I_black和非金属区域图像I_white；

如果所述射线束为治疗束，则：

利用I_black信息对非金属区域插值，得到非金属区域插值图像P_white；

将所述P_white和所述I_white加权叠加以更新非金属区域图像；

如果所述射线束为成像束，则：

利用I_white信息对金属区域插值，得到金属区域插值图像P_black；

将所述P_black和所述I_black加权叠加以更新金属区域图像；

对更新后的图像进行边界平滑。

18.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述金属区域的材料包括铜或铝。

19.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述非金属区域不填充材料或填充基质材料。

20.根据权利要求10所述的成像单元，其特征在于，所述成像单元为电子射野成像装置。