CN106714906B - 用于放射治疗中的剂量计算的方法、计算机程序和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于剂量计算的方法和计算机程序，包括使用来自分次图像的信息来更新来自计划图像的轮廓信息，并且还包括把来自所述分次图像和所述计划图像的密度信息用于执行剂量计算。

Description

用于放射治疗中的剂量计算的方法、计算机程序和系统

技术领域

本发明涉及放射治疗，并且特别涉及可以例如用于放射治疗中的剂量计划的优化中的剂量计算。

背景技术

放射治疗涉及使患者内的诸如肿瘤的靶经受一个或多个辐射束。理想地，应该将特定剂量递送到靶并且使最小辐射到达周围的组织。特别是应该使对诸如心脏的关键组织或器官的辐射最小化。通常放射治疗被分配在许多分次治疗(session)中，例如一天一次并持续数天或数星期。

为了全面地计划放射治疗，患者的相关部分的3D计划图像被产生并被分割。分割(segmenting)图像是指确定各种关注区域的边界，诸如靶和周围组织、器官等的边界并且把这些边界加入到图像中。计划图像还可以基于来自图像图库(atlas)的图像。因为肿瘤和其他器官的大小和形状及其位置将通常在放射治疗的过程中改变，所以通常的做法是在放射治疗的一个或多个时间，例如，在每个放射治疗的分次治疗开始时取得分次图像(fraction image)。来自分次图像的信息用于更新放射治疗计划。这被称为自适应放射治疗计划。

剂量计划要求关于各种器官的位置以及关于其物质特性的信息，诸如密度和/或原子组成。密度信息用于剂量计划。如果使用了光子放射治疗，则密度和原子组成确定辐射的衰减。如果使用了诸如质子放射治疗的离子放射治疗，则密度和原子组成确定停止功率，其影响离子将在患者的身体内行进的距离。对于初始计划，该信息取自计划图像。分次图像通常用于确定关注区域的新边界，以正确地瞄准辐射束。

因此，计划图像应该不仅包括关于轮廓的信息，而且应该包括关于每个关注区域的物质特性的信息。当肿瘤和其他组织的几何形状在治疗期间改变时，分次图像被用来获得最新的轮廓信息。因此，分次图像可能具有比计划图像少得多的信息。这是有利的，因为它对于每个分次图像允许到患者的更低辐射剂量并且还允许利用不太昂贵的成像系统来取得分次图像。例如，扇形射束CT扫描(在本文档中被称为CT)可以用于计划图像，同时锥形射束CT(CBCT)扫描用于治疗图像。CT图像包括剂量计划所需的所有信息但是相对昂贵并且涉及到患者比例如CBCT更高的辐射剂量。CBCT另一方面不总是提供关于物质特性的可靠信息并且具体地经受诸如深拉失真的失真，其中图像的密度在图像的边缘附近被曲解。其他成像技术涉及甚至更低或没有辐射但是不提供适当的治疗计划所必需的所有信息。

在自适应治疗计划中，建立计划图像与一个或多个分次图像之间的坐标的映射的过程被称作图像配准(registration)。数个配准方法在本领域中是已知的。特别优选的是可变形图像配准方法，其考虑每个器官的个别运动以及在放射治疗期间通常发生的变形这两者。在可变形配准中，计划图像中的每个体素(voxel)被映射到分次图像中的对应体素，使得能够确定身体的对应部分的移动。术语可变形配准和弹性配准被可交换地使用。

欧洲专利申请EP 1 778 353公开了用于在治疗分次治疗之间适应放射治疗计划的可变形配准的使用。轮廓信息是通过利用与计划图像的可变形配准在分次图像中获得的并且用于更新放射治疗计划。

对于大多数关注区域来说密度在放射治疗的过程中变化很小。对于其他区域来说，密度可能在短时间帧内显著地变化。例如肠和膀胱的大小和内容将随着时间而变化。空气或液体的存在将影响密度，并且因此显著地影响器官的衰减或停止功率。用于图像配准的当前可用的方法未考虑这些改变。

发明内容

因此本发明的目标是提供将考虑可能在放射治疗的过程中发生的组织密度的变化的剂量计算方法。

这个目标是根据本发明通过根据权利要求1的方法以及根据权利要求11的计算机程序产品来实现的。本发明还涉及将根据本发明的计算机程序产品包括在程序存储器中的用于剂量计算的系统。

因此，如本领域中常见的，可以基于来自分次图像的最新的位置信息进行剂量计划。位置信息可以包括关于患者的身体中的器官或组织的大小、位置和轮廓的信息。根据本发明剂量计划还可以考虑，在一些情况下分次图像将在图像的一些区域中具有比计划图像更正确的物质特性信息。另一方面，并且如先前提及的，计划图像可能在一些其他区域中具有更正确的物质特性信息。因此，根据本发明，物质特性信息可以取自分次图像和计划图像这两者，或者取自与这些图像中的每一个相关的信息，而不是仅依靠计划图像以得到物质特性信息。优选地，定义图像的不同区域并且确定一些区域应该使用来自计划图像的物质特性信息并且其他区域应该使用来自分次图像的物质特性信息。体素或区域的物质特性信息通常包括密度并且还可以包括该区域的原子组成。

根据一个实施例执行剂量计算的步骤包括

a.基于第一计算基础和第二计算基础创建合成计算基础，所述创建包括

b.至少确定合成计算基础的第一区域，其用于根据所述第二计算基础结合物质特性信息，

c.产生所述合成计算基础，包括基于所述第二计算基础的所述第一区域中的物质特性信息以及基于所述第一计算基础的至少第二区域中的物质特性信息。

这可能实际上涉及基于合成计算基础创建合成图像。它还可能涉及创建表示合成计算基础的数据集。可替选地合成计算基础可以包括第一计算基础、第二计算基础以及针对每个区域确定物质特性信息应该分别取自第一计算基础或第二计算基础的信息。

剂量计算的结果可以用于治疗计划。该方法对于如上面所定义的自适应治疗计划来说是特别有用的。本发明的系统和方法可以独立于所提供的放射治疗的类型被使用，但是对于诸如质子治疗或电子治疗的离子治疗来说将是特别有用的，因为组织的密度直接影响离子在患者身体内行进的距离，该距离确定哪些部分将受辐射影响。

可以从图像存储器获得或者可以现场获取计划图像和分次图像。通常，计划图像将已在放射治疗的早期阶段取得然而分次图像将在接近于配准并且接近于放射治疗的分次治疗的时间点取得。计划图像还可以取自图像图库，并且优选地，适合于个别患者。配准优选地使用可变形配准方法来执行。

能够基于用于分段以及用于各种区域的命名的标准针对身体的每个部分或者针对每个条件来制定密度信息应该分别取自计划图像和取自分次图像的关注区域的一般规格。在这种情况下，可以自动地做出对应该分别基于第一计算基础和第二计算基础的物质特性信息的选择。还可以针对个别患者或治疗计划制定该规格。

通常，那些基本稳定的特性，即在初始计划的时间与分次递送的时间之间预期不变化的图像的各部分中的物质特性信息，可以取自计划图像。另一方面，在初始计划与分次的递送之间的时间段中特性会显著改变以至于将影响放射治疗的关于区域和器官的信息，应该取自分次图像。这个时间段可以是从数小时到数月。这些区域例如是胃、肠、膀胱、子宫、肺和舌头。还能够使用从计划图像和分次图像这两者得到的物质特性信息，例如作为两个图像中的对应体素的加权平均值。通常，物质特性包括关注区域的密度，但是可以替选地或者另外使用诸如原子组成的其他特性。

在优选实施例中计划图像是扇形射束CT图像并且分次图像是CBCT图像。还能够使用其他成像技术，例如对于计划图像使用MR图像并且对于分次图像使用CBCT图像。优选地可变形配准方法用于配准图像，因为这将使得能够适应于在组织和器官中已发生的任何几何改变。

附图说明

将仅通过示例并且参考附图在下文中更详细地描述本发明，其中

图1图示可以应用本发明方法的系统，以及

图2是根据本发明的优选实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地图示可以执行根据本发明的方法的系统的实施例。该系统包括第一成像设备1，第一成像设备1获取用于产生计划图像的数据，计划图像适合作为用于创建初始放射治疗计划的开始点。这些成像设备在本领域中是众所周知的并且将不在这里更详细地讨论。该系统还包括第二成像设备3，第二成像设备3用于获取用于产生分次图像的数据，分次图像适合于与计划图像配准以更新放射治疗计划。在本发明的环境中，第一成像设备通常是但不限于是CT成像设备并且第二成像设备可以是CBCT成像设备。如将在下面讨论的，可以使用其他类型的成像设备。另外，计划图像可以取自另一源，诸如图像图库(imageatlas)。

第一成像设备1和第二成像设备3连接到计算机5，该计算机5被布置成使用来自计划图像和分次图像的信息来更新放射治疗计划以基于初始放射治疗计划创建更新的治疗计划。计算机5可以是与用于根据本领域中众所周知的算法来确定初始放射治疗计划的处理器相同的处理器，或者可以按照某种其他方式提供初始计划。为了执行更新，计算机5包括将在下面更详细地讨论的处理装置7。计算机5还包括数据存储器9和程序存储器11。数据存储器9被布置成至少保持下述内容以由处理器7使用：计划图像、分次图像以及初始放射治疗计划。可以在线或离线执行计划的自适应，也就是说，在分次n取得的分次图像可以分别在相同分次(分次n)之前用于计划，或者在下一个分次(分次n+1)之前用于计划。

此外，数据存储器9优选地保持用于识别物质特性信息应该分别取自计划图像和分次图像的图像的各部分的信息。可替选地，这可以根据计算机程序直接控制，或者可以手动地输入或者以某种其他方式提供信息。将在下面更详细地讨论其如何实施。如将在下面更详细地讨论的，还可能存在物质特性信息应该基于来自计划图像和分次图像这两者的数据的区域。程序存储器11被布置成保持用于控制初始放射治疗计划的更新以产生更新的治疗计划的计算机程序。

应该注意的是，尽管成像系统1、3以及计算机5在图1中被示出为系统的部分，然而除了使计划图像和一个或多个分次图像可用于计算机，它们不必被放置在同一位置中或者以任何方式彼此集成。这能够以包括有线或无线连接的本领域中已知的任何方式或者通过使用移动存储器单元来实现。

图2是根据本发明的一个实施例的更新治疗计划的方法的流程图。在第一步骤S1，从相应的成像系统1、3或者从计算机5中的存储器获得计划图像和分次图像。通常，计划图像和分次图像已分别使用两个不同的成像系统在不同的时间取得，并且输入到数据存储器9中。还可以直接从相应的成像设备或者从一些其他源提供计划图像和分次图像中的一个或这两者。计划图像已优选地被事先分割(segment)，以标识图像中不同的器官、组织等。通常，通过分割来至少识别要治疗的区域，即肿瘤。

在步骤S2，计划图像和分次图像使用本领域中已知的配准方法彼此配准。这种图像配准在本领域中是已知的并且是指定义把一个图像的元素映射到另一个图像中的对应元素所必需的一个图像的元素的位移。优选地，使用可以用于考虑不同器官的位置、大小或形状可能发生的任何类型的改变的可变形配准方法。结果是，必须对图像中的一个做出表示变形的位移图，以使它与另一个图像相匹配。在本发明的环境中，优选地与分次图像配准所需的计划图像的变形将用作后续步骤中的用于第一剂量计算基础。

在步骤S3，基于分次图像确定用于第二剂量计算基础，包括位置信息和物质特性信息这两者。如何做这件事对于技术人员而言是众所周知的。

在步骤S4，在步骤S2获得的用于第一剂量计算基础以及在步骤S3获得的用于第二剂量计算基础用作剂量计算的输入数据。按照其最精致的形式，这将涉及创建合成图像，该合成图像的一些部分基于第一剂量计算基础，即基于已变形的计划图像，并且一些部分基于第二剂量计算基础，即基于从分次图像获得的信息。替代实际地创建图像，可以创建合成剂量计算基础，包括根据将在下面讨论的选择准则从第一剂量计算基础或第二剂量计算基础取得的每个体素的数据。还能够保持第一剂量计算基础和第二剂量计算基础，并且当进行剂量计算时对每个体素从适当的一个取得输入。基于图像的分割确定用于剂量哪一个计算基础被用于针对图像的哪一部分的物质特性信息。如上面提及的，分割牵涉确定图像中的器官或其他区域的边界。

基于分割能够设定用于确定特性信息应该分别取自第一计算基础或第二计算基础的一个或多个器官或区域的选择准则。这可以单独地为每个体素、区域或器官选择。在实践中，每个区域或器官的默认值可以使用来自第一计算基础的物质特性信息。然后必须指示物质特性信息应该取自第二计算基础的区域。当然还能够使用第二计算基础作为物质特性信息的默认源，并且指示物质特性信息应该从第一计算基础为之取得的区域，或者针对每个体素或区域指示要使用哪一个计算基础。还可以针对个别情况手动地控制选择。在典型情况下，可以确定的是，对于在被识别为例如胃或直肠的区域内的图像的所有部分，密度信息应该取自用于第二计算基础，即基于分次图像，而对于所有其他区域，密度信息应该取自变形的计划图像。

当然，可以按照任意顺序执行步骤S2和S3。另外，可以与该方法相关联地或者在单独的过程中执行分割。

在步骤S4的实施例中，一些部分可以取自第一计算基础，并且其他部分取自第二计算基础，然而针对一些其他部分，应该基于第一计算基础和第二计算基础这两者来确定物质特性。例如，如果默认物质特性信息取自第一计算基础并且第二计算基础被用于胃区域，则可以期望在胃与周围组织之间的边缘区域中使用中间值。可以针对每个体素分别计算这种中间值作为计划图像和分次图像中的值之间的平均值或加权平均值。又一个替选方案将是使用取决于特定体素或区域中的物质特性值的函数。这种函数可能是例如“如果分次图像中的特定体素或体素组的密度低于阈值，则应该使用来自第二计算基础的密度值，否则应该使用来自第一计算基础的值”。在这个示例中，这些值应该基于针对具有低于阈值的密度值的体素的第二计算基础并且基于针对具有高于阈值的密度值的体素的第一计算基础。阈值可以是例如0.1g/cm³，意味着具有更低密度的一切可能是空气并且在计算中应该像例如空气一样对待。

在作为可选步骤的步骤S5，在步骤S4创建的剂量合成计算基础用于更新初始放射治疗计划的过程中，其中考虑来自合成图像的一些区域中的第一剂量计算基础(即，计划图像)以及来自合成图像的其他区域中的第二剂量计算基础(即，分次图像)的物质特性信息。如上所述，不需要创建合成图像。

以后的更新可以基于初始放射治疗计划，或者更新的治疗计划可以代替初始放射治疗计划。

还将能够使用来自多于两个图像的信息来产生合成图像。例如，来自在不同的时间取得的分次图像的信息能够应用于配准之前的计划图像。可替选地，能够使用不同的成像技术来获得分次图像，以根据每个图像的属性提供来自每个图像的优化信息，以利用不同的成像技术的不同的特性。在这种情况下，应该针对两个或更多个分次图像中的每一个执行以上步骤S3，以为分次图像中的每一个创建第二计算基础的实例。合成图像能够包括基于一些区域中的计划图像(第一计算基础)的物质特性信息，同时能够在合成图像的一个或多个其他区域中使用基于分次图像中的每一个的物质特性信息。

在替选实施例中MR图像用作计划图像并且CBCT图像用作分次图像。MR提供关于物质特性以及高分辨率和对比度的有用信息但是经受几何变形，这意味着轮廓可能未被正确地表示。MR的另一缺点是可能难以区分例如空气和骨。通常，因此，如果这种待定区域位于靠近皮肤，则其被解释为骨，而进一步进入身体中则其将被解释为空气。然而在头部中，存在邻近骨的包括空气的数个区域，这些区域不能够使用MR成像来正确地标识。如果MR用于计划图像，则一个选项将是使用来自图像的中心部分的规划图像的信息以及用于关于患者的轮廓的信息并且用于包括骨骼和/或空气的区域的治疗图像。

Claims (12)

1.一种用于放射治疗的剂量计算的方法，其中涉及

a.提供身体的要经受放射治疗的部分的计划图像，

b.提供相同部分的分次图像，以及

c.把所述计划图像与所述分次图像配准(S2)以产生所述计划图像的变形场，并且使用该变形场来获得第一计算基础，该第一计算基础包括与所述部分相关的第一位置信息和第一物质特性信息，所述方法包括以下步骤

d.基于所述分次图像获得第二计算基础(S3)，该第二计算基础包括与所述部分相关的第二位置信息和第二物质特性信息，以及

e.基于所述第一计算基础和所述第二计算基础，并且使用来自所述第一计算基础和所述第二计算基础的物质特性信息来执行(S5)剂量计算。

2.根据权利要求1的方法，其中，使用来自所述第一计算基础的所述身体的所述部分的至少第一区域中的物质特性信息以及来自所述第二计算基础的所述身体的所述部分的至少第二区域中的物质特性信息来执行所述剂量计算。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，执行剂量计算的步骤包括

f.基于所述第一计算基础和所述第二计算基础产生(S4)合成计算基础，所述产生包括：

g.确定所述合成计算基础的至少第一区域，其用于根据所述第二计算基础来结合物质特性信息，以及

h.产生所述合成计算基础，该合成基础包括基于所述第二计算基础的所述第一区域中的物质特性信息以及基于所述第一计算基础的至少第二区域中的物质特性信息。

4.根据权利要求3的方法，其中，产生(S4)所述合成计算基础的步骤使用所述至少第一区域中的来自所述分次图像和所述计划图像这两者的物质特性来执行。

5.根据权利要求3的方法，其中，所述第一区域中的物质特性信息在至少一个体素中使用来自所述分次图像和所述计划图像的组合信息来计算。

6.根据权利要求3的方法，其中，所述第一区域包括下列之一的至少一部分：胃、肠、膀胱、子宫、肺、舌头。

7.根据权利要求1的方法，其中，所述配准(S2)使用可变形配准方法来执行。

8.根据权利要求1的方法，其中，所述物质特性信息包括关注区域的密度和/或原子结构。

9.根据权利要求1的方法，其中，所述计划图像使用扇形射束CT来获取。

10.根据权利要求1的方法，其中，所述分次图像使用锥形射束CT来获取。

11.一种计算机可读存储器，所述计算机可读存储器存储有计算机可读代码，当所述计算机可读代码由计算机执行时，将使所述计算机执行根据权利要求1-10中的任一项所述的方法。

12.一种用于为放射治疗执行剂量计算的计算机系统(5)，该系统包括处理装置(7)和存储器(11)，该存储器(11)存储有计算机可读代码，当所述计算机可读代码被执行时，将控制所述处理装置(7)来执行根据权利要求1-10中的任一项所述的方法。