CN105792746A - 追踪体内结构的外部标记物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在放射治疗室中追踪患者的体内结构的位置的系统和方法，该系统包括：基准标记物，其具有唯一的中心点；偏移结构，其可拆卸地与基准标记物连接，所述偏移结构具有相对于中心点的唯一三维偏移坐标；安装件，其用于将偏移结构可拆卸地安装到患者上；成像单元，其测量偏移结构相对于患者的目标体内结构的位置信息；以及检测单元，其检测偏移结构的位置信息以及计算目标体内结构与中心点之间的偏移距离。

Description

追踪体内结构的外部标记物

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月19日递交的美国临时专利申请No.61/879,873的优先权，该申请的全部内容通过引用方式并入本文。

技术领域

本发明的总构思涉及利用外部标记物追踪患者的体内结构的位置的系统和方法。

背景技术

在诸如质子疗法(PT)等一些医疗应用中，期望追踪人体中目标区域的位置。对于人体解剖结构的例如因呼吸或心跳而移动的区域而言，在计算运动对治疗计划产生的影响时，重要的是将这些运动考虑在内。PT是一种癌症治疗技术，其使用高能质子来穿透患者身体，并且将能量沉积到诸如癌性肿瘤等治疗区中。可以在通称为回旋加速器和/或同步加速器的粒子加速器中产生带电质子，并且利用一系列磁体将带电质子以束线的形式引导到患者，一系列磁体引导并定形粒子束线，使得粒子在选定位置穿透患者身体并且沉积到治疗区的部位上。粒子疗法利用了带电粒子的布拉格峰性质，使得大部分能量沉积在沿着束线的行程的最后几毫米内，即沉积在通称为等中心点的点处，这与常规的调强放射治疗(即，光子)不同，在该调强放射治疗中，大部分能量沉积在行程的前几毫米内，并且辐射会超过目标区域，从而不期望地损伤健康组织。

为了追踪解剖结构的目标区域，过去使用基准标记物。基于基准的追踪由于多种原因对于患者而言难以实现。例如，通过使用骨植入基准标记物容易实现高精度，但是基准标记物植入患者体中通常痛苦且难以进行。已经使用了诸如皮肤附着标记物等微创技术，但是这样系统通常不太精确，尤其当目标区移动时，例如在患者呼吸或心跳期间。在使用选通来处置解剖结构运动的一些方法中，通过建立内部植入的基准标记物与被实时追踪的外部放置的标记物之间的关系，可以实现动态追踪。多种剂量的辐射经常被用于追踪待治疗目标区域的位置。

通过成像制导进行目标定位对于放射治疗的精确输送至关重要。核验成像、定位和目标系统与真正的辐射等中心点对准是有挑战性的。因此，需要微创的、更精确的、耗时少的以及更有效的追踪体内结构的系统和方法。

附图说明

下面的示例性实施例表示设计成用以实施本发明总构思的目标的示例性技术和结构，但是本发明总构思不限于这些示例性实施例。在附图和图示中，为清晰起见，线、实体和区域的尺寸和相对尺寸、形状、数量和质量可能被夸大。参考附图，通过阅读示例性实施例的以下详细描述，将会更容易理解和领会各种各样的其他实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明总构思的示例性实施例构造的外部基准标记物；

图2示出了根据本发明总构思的示例性实施例的等中心点设置阶段的质子疗法治疗室；

图3A和图3B示出了根据本发明总构思的示例性实施例的患者设置阶段和操作阶段的质子疗法治疗室；以及

图4示出了根据本发明总构思的示例性实施例构造的质子疗法治疗室。

具体实施方式

现在参考本发明总构思的示例性实施例，在附图和说明书中对这些实施例的实例进行了说明。为了通过参考附图来解释本发明的总构思，本文描述了示例性实施例。

本发明总构思的各个示例性实施例提供了追踪患者的体内结构的位置的系统和方法。这些系统和方法可以有助于提供精确的肿瘤定位，并且可以用于通过极小的x射线侵入将辐射束输送到目标肿瘤。

本发明总构思的实施例提供了多种肿瘤定位技术，这些肿瘤定位技术能够精确地确定肿瘤的位置，从而帮助确保有效剂量的辐射被输送到肿瘤，同时不对健康的、非癌性组织造成损伤。诸如单一立体x射线成像、千伏电压和兆伏电压CT成像、可植入基准标记物和应答器、超声成像、MRI等板上成像技术可有助于通过采集肿瘤位置信息而使得辐射束具体瞄准肿瘤区域来提高质子或其他放射疗法的疗效。还可以使用各种质子束成形技术来帮助将辐射精确地引导到待治疗的肿瘤，同时减少辐射照射周围组织。

在一些实施例中，可以使用锥形束CT(CBCT)成像系统来输送三维(3d)图像，以允许三维参考图像与三维当前图像之间的配准，从而提高患者定位的精度。CBCT还能够移动到特定位置且拍摄平板数字x射线图像来用于确认图像。可以集成诊断成像模式，以初始地支持学术研究先进质子疗法。

使用x射线管源和平x射线板的数字x射线通常用于对患者成像。这些系统快速成像且对于每个图像只给予患者相对低的辐射剂量。然而，用于配准(患者图像与规划图像的对准)的基准图像是来自规划CT的3D图像，因此当试图将2D图像与3D基准进行配准时会有保真度损失。可以取两个正交的x射线在两个不同视图中配准。成斜角的两个x射线能够用于产生用于配准的单个立体图像。

通过正交x射线的成像给予患者大概为质子疗法剂量的0.2％的额外剂量的辐射。

CBCT能够用于生成与用于规划的诊断CT相比具有较低软组织对比度的3D图像。来自CBCT的图像可以用于配准的目的。

通过CBCT的成像给予患者额外剂量的辐射。对于典型的双场治疗而言，CBCT输送大概为质子疗法剂量的0.7％的x射线剂量，或者与一对平面x射线相关联的剂量的大约三倍的x射线剂量。

诊断CT能够用于复现规划CT图像的保真度。通过DXCT的成像具有对患者剂量较高的缺点。在与平面x射线相关联的剂量的大约12倍时，在治疗期间，患者将接受到额外x射线剂量中质子疗法剂量的大约3％，该接受到的剂量是一个足够大而保障包含在治疗规划内的值。

在一些实施例中，每次治疗用DXCT对患者成像的替代方案是使用更保守的成像方法来用于日用，并且不经常在DXCT上对患者成像，按用于重新规划治疗的间隔来设定定时。该方法通过如下方式来实现：通过在台架上包括两个成像器或者通过将DXCT添加到治疗室中作为配件，利用患者定位子系统来将患者呈现给DXCT。轨道上CT能够与不移动的长椅一起使用。另一选项是在另一位置进行不频繁的DXCT成像。然而，如果CT与PET扫描相结合地完成来对输送的辐射的位置进行成像(参见Section0below0below)，则可能希望在患者静止于PPS上的同时进行成像。

磁共振成像将磁场发送到患者体内以重构内部结构。MRI允许在设置期间追踪患者，而无需辐射照射。另外，其能够与PET相结合使用来进行无剂量范围核验。

能够实现这样的视觉系统：其利用照相机经由来自照相机的像素坐标来定位患者。如果配准的像素变化，则能够判定患者已经移动。该外部结构能够与内部x射线图像叠放以执行患者运动追踪。

红外追踪(IR)能够用于追踪患者的外部结构或外部基准。随着IR束从外部结构回弹到传感器，然后时间能够用于创建结构的3D位置。如果患者外部结构(或者患者上的基准)移动，则患者定位系统能够相应地调节。该患者追踪能够确定患者运动，而无需额外的辐射照射。

除此之外，惯性运动单元(IMU)传感器还可以包括加速度计、磁力计、以及测量施加到传感器上的旋转力的变化的陀螺仪。所获得的向量随后能够用于运动学反解，以确定传感器的平移变化。此处，传感器能够用于检测并量化患者运动，而无需额外的辐射照射。

超声成像技术和微波成像计算提供了关于患者内部结构的信息，而无需将患者暴露于辐射。

例如，超声成像能够使用高频波(例如，1-7MHz)来检测硬组织与软组织之间的密度差。与电磁(EM)追踪、视觉系统追踪、干涉仪追踪或等同的追踪技术相结合的超声压电换能器能够创建患者内部组织的3D重构。一旦肿瘤相对于硬组织的位置经由x射线、CBCT或DXCT图像被定位，则硬组织能够由超声换能器定位，而无需额外的辐射。

微波成像使用高频波(1-5GHz)来检测各种软组织之间的介电差。在超声不能明确地区分软组织与肿瘤的情况下，微波能够因肿瘤与周围组织相比具有高含水量而起作用。该高含水量提高了介电常数，使得能够定位患者体内的肿瘤。类似于超声，能够在无辐射的情况下追踪微波换能器。

除了标准换能器之外，本发明总构思的实施例也可以配备治疗专用探头。例如，前列腺治疗可能涉及到填充了盐水的直肠球囊的插入。小EM追踪微波探头可以插入带该球囊内以实时地定位肿瘤。除了装置可能正追踪内部硬组织而不是肿瘤本身之外，这些技术能够与超声波一起使用。

对于一些普通的应用而言，3D追踪超声探头能够放置在患者体外靠近肿瘤的位置。一旦x射线图像被采集到，该探头(或探头阵列)可以追踪硬组织的位置并且提供肿瘤的追踪，而无需额外的辐射照射。

图1示出了根据本发明总构思的示例性实施例构造的外部基准标记物。虽然本发明总构思设想了使用患者的任何三维表面来追踪肿瘤的位置，但一些实施例使用外部基准标记物(诸如图1所示的示例性基准标记物)来辅助位置计算。

如图1所示，本发明总构思的示例性实施例可以包括外部基准标记物10，其构造为提供确定与图像引导系统的等中心点一致的辐射等中心点14的精确高效装置。基准标记物10可以包括偏移结构，在该实施例中，偏移结构包括经由拆卸部件可拆卸地附接在基准标记物上的多个可拆卸指形件12。拆卸部件可以采用根据合理的工程判断而选定的各种形式，例如机械和/或磁互锁结构，以沿合适的取向将偏移结构12和标记物10彼此精确地定位和紧固。指形件12的形状和尺寸被构造成向基准标记物10的中心点14提供唯一的三维偏移基准，中心点14能够映射到质子输送系统的等中心点。除了如本文图示的‘指形件’构造之外，其他可以利用合理的工程判断来选择各种其他形状和尺寸，以表示并确定与标记物10的等中心点14对应的真正辐射等中心点。

如图2所示，在等中心点设置阶段，基准标记物10可以放置在质子疗法治疗室200内的患者床20上。患者床可以包括安装结构或容器，以接纳基准标记物10，从而使等中心点与患者床的预定位置相关。治疗室可以包括台架26，台架26用于绕着定位在患者床20上的患者旋转质子束喷嘴24。图2的示例性治疗室环境包括定位在质子束喷嘴24上的检测单元25(诸如但不限于红外检测器25)，以检测标记物10和指形件12相对于标记物的等中心点的相对位置信息。还可以在治疗室中设置可选的照相机单元22来检测各部件的位置信息。

如图3A和图3B所示，通过检测基准标记物10确定了辐射等中心点后，患者30可以躺在床20上，并且可以将偏移结构(例如，可拆卸的指形件)12放置在患者身上。可以提供各种安装件来将可拆卸的指形件12定位且紧固到患者的所需位置。非限制性实例包括安装带，该安装带具有根据需要来接纳并定向偏移结构的电/机械互锁设备。在不脱离本发明总构思的宽泛范围的情况下，可以根据合理的工程判断来配备用于将偏移结构12放置在患者身上的各种其他安装件。

偏移结构安装到患者身上后，可以获取x射线或患者的其他图像，以确定肿瘤32相对于偏移结构12的位置信息。检测单元可以包括处理器，处理器具有计算模块，计算模块包括各种电子部件、开关和/或固态模块，该处理器构造为比较并操纵肿瘤32和偏移结构12的位置信息，以便确定肿瘤和偏移结构12的三维坐标，从而确定肿瘤与偏移结构之间的偏移坐标(例如，h、d、w)，使操作员或机器人能够将患者床和/或喷嘴移动与偏移坐标h、d、w对应的合适量，使得基于偏移结构12相对于质子输送系统的等中心点的位置，肿瘤32的等中心点能够与质子疗法系统的辐射等中心点14(参见例如图1)对准。值得注意的是，偏移坐标‘h’和‘d’在图3A中以2维的形式显示，但应当理解的是，还可以设置第三维度‘w’(进出页面的维度)来提供肿瘤32和偏移结构12之间相对于等中心点14的真正3维偏移坐标。

由于检测单元25(例如，红外检测器)定位在质子束喷嘴24上，所以可以测量患者与喷嘴24之间的气隙，使得无需治疗助手进入治疗室来检查并核验气隙。

而且，本发明总构思的实施例能够通过一系列CT(例如，荧光检查镜)获得选通模式(gatingpattern)，该选通模式能够与在患者呼吸或者其他解剖结构运动期间外部基准标记物(或患者的其他三维表面)的运动模式进行比较和/或根据外部基准标记物的运动模式进行预测。

图4示出了根据本发明总构思的另一示例性实施例构造的质子疗法治疗室200a。如图4所示，检测单元25可以在空间上浮动，以实现检测单元25的定位灵活性。例如，在一些实施例中，检测单元可以是确定基准标记物10、12的位置信息的红外检测器25，并且可以使用照相机单元22来捕获红外检测器的位置信息。因此，x射线单元捕获了肿瘤相对于标记物12的位置后，可以计算基准标记物相对于肿瘤的位置，从而获知各部件所在的位置。

应注意的是，简化的图解和附图没有示出了各个部件的全部各种连接和组件，然而，基于本文提供的图示部件、图和说明，利用合理的工程判断，本领域技术人员将理解如何实现这些连接和组件。

许多变型例、修改例和额外实施例是可能的，并且因此，所有这样的变型例、修改例和实施例应视为在本发明总构思的精神和范围内。例如，可以使用超声、微波或其他已知或以后开发的技术来替代IR(红外)以实现相同或相似的结果。可以将微波换能器放置在患者身体上，以利用微波来获得相对于肿瘤的位置信息。

另外，除非存在清楚的相反指示，否则不管本申请的任何部分的内容，都不要求在本文的任何权利要求或者要求优先权的任何申请中包含任何特别描述或图示的动作或元件、这些动作的任何特定的顺序或者这些元件任何特定的相互关系。此外，任何动作可以重复，任何动作可以由多个实体执行，和/或任何元件可以是可复制的。

虽然已经通过多个示例性实施例的描述来说明了本发明总构思，但是本申请人的目的并不是将本发明的构思限制或以任何方式限定为这样的描述和图示。相反，本文的说明书、附图和权利要求应视为本质上是示例性的，而不是限制性的，并且在理解了上述说明和附图后，额外的实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种在放射治疗室中追踪患者的体内结构的位置的系统，所述系统包括：

基准标记物，其具有唯一的中心点；

偏移结构，其可拆卸地与所述基准标记物连接，所述偏移结构具有相对于所述中心点的唯一三维偏移坐标；

安装件，其用于将所述偏移结构可拆卸地安装到所述患者上；

成像单元，其测量所述偏移结构相对于所述患者的目标体内结构的位置信息；以及

检测单元，其检测所述偏移结构的位置信息且计算所述目标体内结构与所述中心点之间的偏移距离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述放射治疗室是质子疗法治疗室，并且所述检测单元安装到所述质子疗法治疗室的质子束喷嘴上，使得所述检测单元检测所述质子束喷嘴与所述患者之间的气隙。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括检测所述检测单元相对于所述偏移结构的位置信息的照相机单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测单元是红外检测器、超声检测器、照相机单元和微波检测器中的一者。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括用于获取所述患者运动期间的选通模式以及将所述选通模式与所述偏移结构的对应运动进行比较的装置。

6.一种在放射治疗室追踪患者的体内结构的位置的方法，包括：

提供具有唯一中心点的基准标记物；

将偏移结构安装到所述基准标记物上，所述偏移结构具有相对于所述中心点的唯一三维偏移坐标；

使所述基准标记物的唯一中心点与治疗室的放射等中心点相协调；

将所述偏移结构安装到患者上；

测量所述偏移结构相对于所述患者的目标体内结构的位置信息；

测量所述偏移结构的位置信息；以及

基于所述偏移结构的位置信息来计算所述目标体内结构与所述中心点之间的偏移距离。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述放射治疗室是质子疗法治疗室，所述方法还包括：

将所述检测单元安装到所述质子疗法治疗室的质子束喷嘴上；以及

利用所述检测单元来检测所述质子束喷嘴与所述患者之间的气隙。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括检测所述检测单元相对于所述偏移结构的位置信息。

9.一种在放射治疗室中追踪患者的体内结构的位置的系统，所述系统包括：

成像单元，其测量患者外部三维结构与患者体内结构之间相对于所述治疗室的辐射等中心点的偏移坐标；以及

检测单元，其检测所述三维结构的位置信息并且利用所述三维结构的位置信息来计算目标体内结构与所述等中心点之间的偏移距离。

10.一种在放射治疗室中追踪患者的体内结构的位置的方法，包括：

测量患者外部三维结构与患者体内结构之间相对于所述治疗室的辐射等中心点的偏移坐标；

检测所述三维结构的位置信息；以及

利用所述三维结构的位置信息来计算目标体内结构与所述等中心点之间的偏移距离。