CN105413067B - 用于放疗期间的射野成像的方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种放疗设备，包括：用于沿着轴线产生电离辐射的射束的源，该射束覆盖该源的最大口径；用于将该射束校准以产生覆盖最大口径的子部分的校准射束的准直仪；在射束路径中安置的患者支撑物；在其上安装该源的可旋转机架，用于将该源绕着患者支撑物旋转因此从一系列的方向递送射束；成像装置，位于该源对面并且通过驱动构件安装在机架上，驱动构件允许成像装置在至少一个垂直于该轴线的方向上的平移运动，其中患者支撑物在该源和该成像装置之间；以及，控制单元，适配成控制驱动构件以在最大口径内移动成像装置并且保持成像装置和最大口径的子部分之间的一致。因此，EPID能够在治疗期间移动以便将辐射射束的校准场保持在EPID的边界内。这确保该图像是有效的并且防止由于更敏感的(或更少遮蔽的)部分暴露于射束而产生的对EPID的损害。

Description

用于放疗期间的射野成像的方法与设备

技术领域

本发明设法改进放疗治疗期间的射野成像(portal imaging)的现有方法。

背景技术

放疗是使用诸如高能x射线的电离辐射对诸如肿瘤的病变进行的治疗。该辐射干扰肿瘤内的细胞过程并且能够导致细胞的死亡。为了不伤害健康的组织(例如与肿瘤相邻的皮肤或器官，或者为了治疗肿瘤辐射需要穿过的组织)，将定形的辐射射束从若干不同角度瞄准以在肿瘤处交叉，因此将峰值剂量递送到肿瘤区域并且向其他地方递送更低剂量。

为了允许从若干角度递送辐射，辐射源通常安装在从可旋转机架凸出的悬臂的末端。该机架具有水平的旋转轴线，并且辐射源具有其中心轴线垂直于该旋转轴线并且与该旋转轴线交叉的视场。因此，交叉点或“等中心(isocentre)”在任何时间都保持在该源的视场内，并且辐射射束的方向绕着该等中心旋转。

为了定形该辐射射束，提供了准直仪。这些准直仪通常包含一个或 多个多叶片准直仪(MLC)，其通过移动许多长、窄的并排叶片中的每 一个使得叶片的尖端限定预期的形状来将辐射场校准成所需的形状。在 放疗之前，将通常基于放疗设备的参数和所希望的三维剂量分布计算出治疗计划，该三维剂量分布由一系列剂量片段组成，每个剂量片段由射束方向、射束形状(即具体的准直仪位置)和用量来表征。

射野图像是在被患者衰减之后通常通过在位于患者与辐射源相对的侧的底片(plate)中捕获图像而拍摄的治疗辐射的图像。因此，辐射穿过患者并且然后到达射野成像仪。虽然由于用于放疗的高能x辐射的性质，射野图像中的对比度相对差，但是该图像仍然是有用的。有可能识别患者解剖的一些特征以便确定正确的安置，辐射场的整个形状是可见的并且提供了对准直仪功能和场形状及尺寸的检查，并且衰减(即在患者之后所观测的辐射强度和向患者发射的已知辐射强度之间的差别)给出关于患者实际接收的剂量的信息。所有这些都能够与在治疗计划阶段期间期望的相比较。

射野图像最初使用端口胶片(port film)即照相底片来捕获。这些胶片将会用作场形状的记录，并且如果解剖能在该场中看到，那么它还能用于检验射束相对于患者的解剖的位置。电子射野成像装置(EPID)现在已优先于端口胶片使用一段时间了，因为它们比胶片具有更好的敏感度并且允许图像以电子方式收集和存储。EPID现在成为放疗递送的一个建立完善的部分。

因为EPID现在在现代放疗仪器上十分常见，已开发了超出最初端口胶片单个曝光使用的EPID的许多使用。这包含试图通过诸如反向投影的方法来重新计算患者剂量的射野剂量测定(portal dosimetry)(如上所述)，以便检查端到端的QA过程。另一个示例是示出MLC叶片动态移动的视频图像的捕获。使用现有的EPID硬件，所有这些使用都是可能的。

然而，这些新的使用确实具有限制，因为目前EPID的场尺寸小于大多数MLC的场尺寸。例如，当参考等中心时，典型的MLC具有40×40cm 的场尺寸，而典型的现有技术的EPID具有在等中心处给出有效图像尺寸为26×26cm的面板，并且一些EPID还要更小(所有的尺度都参考等中心)。然而，这在获取治疗图像方面很少是问题，因为大的场尺寸是不常见的并且因此通常将落到面板上在其限制内。要是所希望的图像具有偏移的场，该面板能够被手动调整以提供相应的偏移。

US2007/0195936A1公开了一种布置，其中检查场尺寸以确保将不会超过EPID的口径，并且必要时移动MLC叶片以便将射束形状保持在 EPID面板的界限内。

发明内容

本发明因此提供了一种放疗设备，包括：用于沿轴线产生电离辐射的射束的源，该射束覆盖该源的最大口径；用于将该射束校准以产生覆盖最大口径的子部分的校准射束的准直仪；安置在射束路径中的患者支撑物；在其上安装该源的可旋转机架，用于将该源绕着患者支撑物旋转因此从一系列的方向递送射束；成像装置，位于该源对面并且经由驱动构件安装在该机架上，驱动构件允许成像装置以至少一个垂直于该轴线的方向的平移运动，其中患者支撑物在该源和该成像装置之间；以及控制单元，适配于控制该驱动构件以在最大口径内移动该成像装置并且保持成像装置和最大口径的子部分之间的一致。

因此，能够在治疗期间移动EPID以便将辐射射束的校准场保持在 EPID的边界内。这确保该图像是有效的并且防止由于更敏感的(或更少被遮蔽的)部分暴露于射束下而产生的对EPID的损害。在患者的安置上没有限制需要被放置，从而意味着她或他能够如所希望的那样安置。该治疗能够不受影响，不同于US2007/0195936A1所作出的建议。

存在能够控制EPID的移动的各种方式。一种选择是要控制单元接收包含用于至少可旋转机架的移动、准直仪的移动、源的激活以及驱动构件的移动的指令的治疗计划。换言之，沿着在时间上必需的射束形状和强度的计算，治疗计划计算机还能够对通过该治疗(一旦决定该治疗) 的射束形状和位置进行建模并且建立将被需要的EPID移动以便考虑到那个治疗。

一种备选方案是要在治疗期间实时调整EPID的位置。然后控制单元将从成像装置接收输出图像并且依赖于那个图像而调整成像装置的位置。因此，例如，如果在输出图像中，在校准射束的图像与输出图像的边缘之间的距离小于阈值，则控制单元将指令驱动构件的移动。

机架能够是可旋转的鼓状物，在这种情况下该源能够经由横向延伸到该鼓状物的臂而附连到机架，优选地射束轴线与机架的旋转轴线相符。

备选地，机架能够包括圆形路径，该源和该成像设备能够绕着该路径行进，该源的轴线指向该圆形路径的中心。

因此，实质上该放疗设备包括：布置成发射治疗辐射的射束的源和用于治疗辐射的成像装置，该源是可移动的以将该射束从多个方向指向位置，并且成像装置相对于该源是可移动的；以及，控制单元，布置成当该源移动到不同的治疗位置时协调两者的移动以确保成像装置保持在射束中。

附图说明

现在将参考附图通过示例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1和2以不同旋转状态示出常规放疗设备；

图3和4示出备选配置中的图1和2的放疗设备；

图5和6示出备选的放疗设备；

图7示出根据本发明的放疗设备；

图8示出用于图7的放疗设备的控制模式；以及

图9至11示出从图7的设备得到的射野图像。

具体实施方式

如上所述，目前EPID的场尺寸虽然大于大多数实际的剂量形状但是小于大多数MLC的最大口径。我们已经意识到，当EPID用于射野剂量测定或者用来在某些治疗条件下捕获动态MLC视频时这个限制成为一个问题。作为示例，我们建议讨论到诸如在一个胸部或肺部存在的肿瘤的偏离轴线目标的容积调制弧形治疗(VMAT)递送。然而这不是仅有的示例，并且本发明在其它上下文中是可应用的。

图1示出这种情况。可旋转机架10设置在直立方位，可能凹陷在墙壁中或通过假墙凸出。它是以鼓状物的形式绕水平轴线可旋转的；图1 是沿着那个轴线的视图。机架10承载着辐射源12，其能够绕中心轴线 14发射治疗电离辐射的校准射束，中心轴线14与机架10旋转围绕的水平轴线交叉。因为机架10旋转并且使源12伴随(carry around)，射束的中心轴线14扫描垂直平面并且从所有可能的方向接近交叉点(通常称为等中心)。这形成放疗治疗的基础；通过将肿瘤或其他病变放在等中心处并且从一系列的方向照射该肿瘤，剂量能够递送到该肿瘤，该剂量远远大于递送到围绕该肿瘤的组织的剂量。

通过将患者18放在患者支撑物20上而使肿瘤16相对于该射束安置。这个患者支撑物与机架是分离的，通常支撑在机架前的地面上。许多现代的患者支撑物提供在六个轴线，即三个平移轴线和三个旋转轴线，的调整。以这种方式，在已帮助患者18到该支撑物上后，他们的位置能够经由患者支撑物20来调整以便如所希望的那样定位该肿瘤。当然，患者支撑物20的运动范围将会强加一些限制。

EPID 22也由机架10承载，在直径上定位于辐射源12对面以便从在被患者18衰减之后的辐射射束捕获图像，如上所描述的。在机架旋转时，这个EPID将与机架一起旋转以便保持它相对于辐射源12的位置。备选地，EPID能够由分离的结构承载，该结构布置成在与该源相对的适当位置支撑EPID，但将它安装在相同的机架上可能会更容易并且更精确。

图1图示如上面所概述的情况，其中肿瘤16在患者内18显著地偏离中心。由于患者在患者支撑物20上，则肿瘤远离中心轴线14。然而射束能够校准以对此进行补偿，因此产生偏离轴线射束24，其将递送辐射到肿瘤16。这个偏离轴线射束24将与EPID 22错开，如果在它的平常或默认位置26的话(以虚线示出)，所以EPID 22被手动调整到如所示的适当位置。

然而，由于机架旋转(图2)并且患者18在患者支撑物20上保持固定，患者16距离中心轴线14的偏移度将改变。在几何上考虑，从等中心到肿瘤将存在向量28，并且当中心轴线14垂直于向量28(与图1中一样)时，则如沿着中心轴线观看的偏移将处于最大值。同样地，在90°旋转(与图2中一样)后，中心轴线14将平行于向量28并且偏移将处于最小值，可能为零。这意味着在其偏移位置的EPID 22将不再捕获射束24的图像，如图2中所示。另外，在图1和2所示的状态间的旋转中的某个点处，射束14将离开活动的成像区域并且撞击EPID 22的边缘；这可损害通常比成像面板自身辐射敏感高得多并且不意味着暴露到治疗射束的邻近电子组件。

因此，虽然实际的场尺寸(投射到等中心)可能要小于EPID 22的 26×26cm的口径，但在机架旋转时，射束的偏移位置可跨准直仪的整个 40×40cm的射束口径追踪。因此，如果EPID正用来收集射野剂量测定数据，那么将丢失一些数据并且这将危害精确地计算射野剂量的能力，以及潜在地引起对EPID的损害。

图3和4示出备选方案，用来经由患者支撑物20的调整(或以别的方式)将患者偏离轴线安置。因此，肿瘤在等中心处或更近于等中心放置。如图3中所示，这意味着等中心和肿瘤16之间的距离小，并且EPID 22不需要被偏移。如图4中所示，机架10的旋转使射束24仍然留在EPID 22的有效口径内。然而，这提高了绕患者支撑物20旋转的辐射头12与偏离轴线患者支撑物20之间碰撞的风险。在逆时针方向超出图4所示的任何进一步旋转都将导致碰撞和对患者的可能伤害，以及对设备的损害。因此，这种治疗可能必须围绕该头的旋转移动的有限范围来计划以便防止碰撞。这在治疗计划的界限内是可能的，但可导致次优的治疗计划。备选地，治疗能够被中断以便重新安置患者和/或成像面板，但这将延长治疗过程(treatment session)的持续时间，这对于患者和医院来说是不希望的。

因此，该治疗能够关于在机器上远离等中心放置的肿瘤来计划，以允许患者被安置在中心，避免碰撞的风险，并且允许该源的完整360°旋转的使用，但是EPID将不可用。备选地，肿瘤能够被安置在中心，但完整的旋转范围可能不可用，因此该治疗可能是次优的。在进一步的备选方案中，根据US2007/0195936A1，MLC叶片位置被调整以确保EPID受到保护并且是可用的，但是这同样将影响治疗并且使其成为次优。

图5和6图示进一步类型的放疗设备。目前致力于将MRI扫描与放疗集成；目前，CT扫描(通常为锥形射束CT)只通过将低能诊断源连同相对的检测器添加到机架而容易地集成，通常位于远离治疗射束和 EPID 90°的位置。MRI扫描的集成更复杂，因为需要找到一种考虑MRI 系统所需的大量磁体的设计，虽然一旦将此实现，则存在益处，因为向患者给予的电离辐射的背景剂量相比于CT扫描得以降低。图5和6示出这种系统；患者50(未在图6中示出)躺在能够纵向移入和移出孔54的患者支撑物52上。一对主磁体线圈56、58围绕孔54同心地布置，沿着孔54的中心轴线60纵向隔开，使得每个线圈从孔54的相应末端向孔的中心延伸。在两个线圈之间在孔的那个中心处留下间隙62，并且旋转机架64装备在那个间隙62内并且能够绕着孔54旋转。治疗源66被安装在机架64上并且因此可与机架64一起绕着孔54旋转；准直仪68被提供在源66内，使得放疗剂量能够以其他的已知方式递送到患者50。EPID(未示出)安装在机架64上，与源66相对并且以与图1至4的设备的源相对应的方式来使用。

这种类型的设备呈现附加的困难，因为要是目标偏移了，通常将不可能如图3和4示出的那样偏移患者，因为患者必须位于所限定的孔54 之内并且不能显著地移位。因此，仅有的选择是要通过使用准直仪68来偏移射束，从而导致关于图1和2所图示的困难。

这两个问题均能够使用图7的设备结合图8的控制模式来解决。图7 示出与图1至4相同的一般类型的放疗设备，虽然本发明还可通过进行对应的改变而应用到图5和6所示类型的设备。因此，患者100被支撑在绕水平轴线106可旋转的机架104前面的患者支撑物102上。实践中，机架104采用保持(rest)在其在多个支撑轮108上的圆形面上的圆柱鼓状物的形式，并且由与该鼓状物的边缘接合的电机(未示出)驱动旋转。该鼓状物因此绕着其中心旋转，轴线106穿过该中心。

放疗源110被安装在该鼓状物上，通过机架臂114从其前面112偏离。源110向着旋转轴线106瞄准，因此限定旋转轴线106与源110所发射的射束的中心轴线相交的等中心。准直仪布置116被包含在放射源 110中，以便如所希望的那样定形该射束并且允许建立所需的剂量分布。

还将EPID 118经由从机架104的前面112横向延伸的机架臂120安装在机架104上，以便将EPID 118通常相对于源110放置，其中患者100 和患者支撑物102位于它们之间。这允许EPID 118捕获如由患者100所衰减的射束的图像。EPID 118经由允许EPID 118相对于机架臂120x-y 运动的一系列伺服控制链接122而连接到其机架臂120。链接122的两个平移轴线布置成横向于射束方向，从而平移EPID 118的效果是要跨射束场对其扫描。机架臂120和/或链接122还可以能够在z-方向，即向着或远离源110，移动EPID 118。然而，为了本发明的目的，我们主要关心在x和y方向的移动，在z方向的运动除了其对在射束口径内的有效图像尺寸的影响之外，原则上与本发明无关。

EPID 118在y方向(即，平行于旋转轴线106)的移动将通常呈直线。其在x方向上(即，在图7中垂直于旋转轴线106和射束轴线两者，进入或离开纸面)的移动理想地沿着以旋转轴线106为中心的圆形路径，以便保持与源110的固定距离。然而，为了便于制造，很可能以直线的移动将是对圆形移动的良好首次近似，特别是对于更小的平移移动。很可能用来说明圆形和线性移动之间的差别的图像的校正将会是直接的。

图8示出用于图7的设备的控制模式。医师准备处方124，其设置出要递送到患者的剂量和剂量分布。单独的文档126设置出由要使用的设备强加的递送限制，例如准直仪的分辨率、准直仪移动和机架移动的速度、射束的剂量特性等。治疗计划计算机128根据已知的计算方法处理处方和机器特性，以产生治疗计划130。这设置出一系列的机架移动、准直仪移动、射束强度等，该装置随后能够遵循它们以创建对应于处方的患者中的剂量分布。这个治疗计划130然后被传送到设备控制单元132。该控制单元132布置成控制机架驱动电机134、辐射源136以及多叶片准直仪(MLC)驱动138。因此，一旦由临床医师启动，设备控制单元132 能够递送放射治疗。

实践中，设备控制单元132可包括若干子模块，每个子模块专心于该设备的不同功能方面，它们可如所需那样分布在设备周围。

图8还示出从设备控制单元132到EPID链接122(图7)的伺服驱动电机140的链路，因此允许设备控制单元控制EPID 118的x-y位置。这允许设备控制单元132调整EPID在射束口径内的位置以便将射束保持在EPID的边界内，从而获取所衰减射束的精确图像并且还保护EPID免受射束。能够以两种方式的一种来进行这个控制。

第一种方式是要预测必需的EPID移动并且相应地对它进行调整。因此，治疗计划计算机128能够使用其在治疗期间准直仪位置的先验知识来计算治疗期间EPID 118在每个点处的所需位置。这能够使用简单的射线投射方法来进行，以确定射束将落入包含EPID的平面的位置，或者确定EPID位置和MLC叶片及位置之间的相关，根据两者中任一均能够确定治疗期间每个准直仪形状的必需EPID位置。如果在治疗期间要求很大或不常见使得EPID不能适应它的准直仪形状，那么系统能够发出警告给临床医师或者能够将EPID尺寸作为设备限制合并到文档126内并且然后必要时计算或重新计算治疗计划。以这种方式确定的治疗期间的EPID位置然后能够合并到治疗计划130中并且传送到设备控制单元132。在治疗期间，设备控制单元132然后能够如所需的那样控制EPID驱动电机140 以便实现这个计划。考虑到对所计划准直仪位置的任何调整，当然可需要对所计划EPID位置的调整，例如以补偿目标的移动。

当然，能够通过治疗计划计算机128内的单独模块、或通过不同的计算元件或通过设备控制单元132进行EPID位置计算。在后者的情况下，必需的EPID位置能在作用于包含在治疗计划中的准直仪位置的同时实时计算。

EPID驱动电机的备选控制机制是反应式反馈方法，其使用从EPID 获取的图像以便确定必需的移动。这在图9至11中示出。图9示出从EPID 获取的图像150；在EPID中的主要特征是如由多叶片准直仪定形的射束的形状152。在这个轮廓152之外，除了任何不可避免的泄露外图像基本是暗的；在这个轮廓内将存在与患者的衰减有关的信息，但是为了清晰的目的，从图9至11中省略了这个细节。在图9中，射束形状152在EPID 口径154中心并且没有动作需要被采取。

随着治疗进行，旋转机架和调整准直仪形状，射束形状152可适当地移动，如图10所示。设备控制单元132因此监视图像150以检测射束形状152何时到达在图像边缘周围的预定界限156的边缘。图10示出射束形状152已经移动到足够在158处达到界限156的边缘。设备控制单元132因此指令EPID链接122的伺服驱动电机140以适当方向移动EPID 以将射束形状152带回图像中心，如图11所示。以这种方式，创建负反馈环，其用作将射束形状152保持在图像150的边界内，从而响应于射束形状的总运动(例如跟随绕着偏移目标的旋转)以及使它朝向边缘的射束形状的改变(例如由于准直仪形状的重新配置)。

如图9至11所图示的，界限156相当窄。实践中，界限尺寸的选择将是多个因素间的平衡，其将由技术人员进行评估。窄界限将降低EPID 移动的次数，因此降低了EPID驱动电机上的磨损并且(可能)降低针对位置校正图像的复杂度，但在启动移动中将需要更快的EPID移动和更低的延迟。同样地，更大的界限意味着EPID驱动电机无需同样迅速地反应或同样快速地移动，但提高了很大的射束形状引起问题的可能性，如果它们在两侧或多侧上接近界限的话。一种可能性是根据射束形状多大所选择的可变界限，其中更小的射束形状暗示更大的界限以及大的射束形状提示界限尺寸的松弛。

在任一情况下，在治疗期间EPID位置被理想地记录，例如结合从它获得的图像。这然后允许图像被针对EPID偏移进行校正。备选地，图像能通过在它们被捕获时将它们相对于(假定(say))简单背景偏移对应于EPID偏移的量而进行实时处理。所保存的图像集合然后处于可比较的格式以用于后来的分析。

因此，本发明允许EPID用于实时诊断的目的，而不管治疗的类型，并且无需进行对治疗计划的潜在有害的调整。当然将理解，可在不脱离本发明的保护范围的情况下对上述实施例作出许多改变。

Claims (8)

1.一种放疗设备，包括：

用于沿轴线产生电离辐射的射束的源，所述射束覆盖所述源的最大口径；

用于将所述射束校准以产生覆盖所述最大口径的子部分的校准射束的准直仪；

在所述射束的路径中可安置的患者支撑物；

在其上安装所述源的可旋转机架，用于将所述源绕所述患者支撑物旋转因此从一系列的方向递送所述射束；

成像装置，位于所述源对面并且经由驱动构件安装在所述机架上，所述驱动构件允许所述成像装置在至少一个垂直于所述轴线的方向上的平移运动，其中所述患者支撑物在所述源和所述成像装置之间；

控制单元，适配于控制所述驱动构件以在所述最大口径内移动所述成像装置并且保持所述成像装置和所述最大口径的所述子部分之间的一致。

2.如权利要求1所述的放疗设备，其中所述控制单元接收治疗计划，所述治疗计划包含用于以下的指令：

i．所述可旋转机架的移动

ii．所述准直仪的移动

iii．所述源的激活，以及

iv．所述驱动构件的移动。

3.如权利要求1所述的放疗设备，进一步适配于分析来自所述成像装置的输出图像，并且如果在所述输出图像中所述校准射束的图像和所述输出图像边缘之间的距离小于阈值则指令所述驱动构件的移动。

4.如前述权利要求中任一项所述的放疗设备，其中所述机架是可旋转鼓状物。

5.如权利要求4所述的放疗设备，其中所述源经由横向延伸到所述鼓状物的臂附连到所述机架。

6.如权利要求4所述的放疗设备，其中所述射束轴线与所述机架的旋转轴线垂直。

7.如权利要求4所述的放疗设备，其中所述机架包括圆形路径，所述源和所述成像装置能够绕着所述圆形路径行进，所述源的所述轴线指向所述圆形路径的中心。

8.一种放疗设备，包括：

布置成发射治疗辐射的射束的源和用于所述治疗辐射的成像装置，所述源是可移动的以将所述射束从多个方向指向位置，并且所述成像装置相对于所述源在垂直于射束轴的至少一个方向上是可移动的，以及

控制单元，布置成协调两者的移动以确保在所述源移动到不同的治疗位置时所述成像装置保持在所述射束中。

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