CN108883294B - 用于在整个放射治疗中监视结构运动的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的计算机实现的方法、执行该方法的系统或非暂态计算机可读介质。该方法可以包括利用第一模式来监视解剖特征的运动。该方法还可以包括在有限获取时间内利用第二模式来获得解剖特征的位置信息。该方法还可以包括基于所监视的来自第一模式的运动来提供在有限获取时间期间与解剖特征相关联的临床相关运动的指示。

Description

用于在整个放射治疗中监视结构运动的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于放射疗法治疗的系统和方法，并且更具体地涉及用于在整个放射疗法治疗期监视结构运动的系统和方法。
背景技术
放射疗法用于治疗哺乳动物(例如人和动物)组织中的癌症和其他疾病。在放射疗法治疗期，从外部源向患者施加高能量束以产生指向患者的靶部位的准直放射束。必须准确控制放射束的放置和剂量，以确保患者接收到规定的放射，而且束的放置应当使得束对周围健康组织(通常被称为危及器官(OAR))的损伤最小。提高束放置的准确度的一种方法是通过获取计划图像，其中对预期治疗位置中的患者获取一个或更多个图像。CT通常是最常用的主图像，但可向其补充诸如MRI、正电子发射断层扫描(PET)、超声、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)或其他医学成像模式的辅助数据集，该辅助数据集可以被记录或融合到主数据集,以有助于解剖可视化。
在一些情况下，可以获取4D计划图像。针对呼吸运动,已经研制出4D技术，其中假定呼吸可以在逐周期再现(并非总是此情况)。呼吸周期被细分为例如等间隔的10至12个区段(bin)，并且通过在许多成像周期中合并图像信息来针对每个区段产生图像。这一处理的技术已被应用于4D-CT、4D-MRI、4D-PET、4D超声和其他形模式。尽管这些技术对于主要受呼吸运动影响的靶是有用的，但它们不会将患者的解剖结构随时间的较大改变纳入考虑。它们也不与其他运动过程(如消化过程、蠕动、膀胱充盈等)主导的器官相关。
医师可以利用计划图像来识别和勾画靶(例如患病器官或肿瘤)以及OAR。勾画可以手动地执行、半自动地执行或自动地执行。治疗轮廓——通常被称为计划靶区(PTV)——被创建，其包括靶轮廓加上足够的余量以应对微观疾病以及治疗不确定性。规定了放射剂量，并且创建了治疗计划，该治疗计划最佳地将规定剂量递送至PTV，同时使到达OAR和其他正常组织的剂量最小。治疗计划可由用户手动生成或者使用优化技术自动生成。
已研制出通过若干分次(fraction)来递送处方剂量的治疗疗程，每个分次在不同的治疗期递送。例如，通常使用30分次至40分次，但是也可以使用5分次或甚至1分次，并且通常每日一次或者在某些情况下每日两次递送分次。在某些情况下，放射治疗计划可能在整个疗程中发生变化，以便在某些区域集中更多剂量。
在每个分次中，患者被安置在直线加速器的患者支承配件(通常为“诊察台”)上并且被重新定位成尽可能地接近其在计划图像中的位置。不幸的是，在实践中这是一项不可能完成的任务，因为患者并非刚体对象而且解剖构造可以移动。分次至分次运动通常被称为分次间运动，而分次本身期间发生的运动通常被称为分次内运动。图像引导放射治疗(IGRT)试图解决分次治疗间运动的问题，分次间运动在很多情况下是上述两类运动中较大的运动。与可在任何诊断扫描仪上获取的计划图像相反，IGRT图像必须在患者处于治疗位置时在治疗室中直接获取。已研制出的IGRT成像技术有锥束CT(CBCT)、超声、MRI、射野成像、共轨CT、机载kV成像，并且其他IGRT成像技术已被提出或正在研制中。在一些情况下，IGRT图像的解剖对比度较低，并且在患者体内植入基准标记以有助于靶的可见性。已经研制了一些根本不使用成像而是依赖于(例如通过植入射频(RF)信标)对有源基标记物的位置进行无图像检测的技术。通常这仍被称为IGRT，尽管严格来说并不会获得图像。一般来说，我们指的“图像”包括基准标记物的位置信息，或者收集到的关于患者的分次间状态的任何数据，例如靶或OAR位置、旋转或变形、血压、心率、体重、变形等。
IGRT指的不仅是对图像信息的收集，还有如何补偿分次间状态。首先，将IGRT图像与计划图像进行比较以找出变化。可以找到整个患者解剖结构上的完全可变形的改变，但是标准的是关注尽可能接近地匹配这些图像的全局移位和/或旋转。例如，可以考虑仅靶本身的移位和旋转，或者在某些情况下考虑骨解剖结构或OAR的移位和旋转，或它们的组合。一旦计算出移位、旋转和/或变形，则修改治疗计划以考虑这些变化。在许多情况下，完全重新计划是不切实际的，所以简单地将诊察台移位，以尽可能接近地重新对准患者。在其他情况下，执行全部或部分重新计划。IGRT工作流通常用于指代在照射患者之前的成像、计算校正以及物理地执行校正的整个过程。
每种IGRT模式都有其优点和缺点。例如，经常使用CBCT或立体kV级X射线，这是因为它们是基于X射线的因而性质与计划CT图像相似，并且可以被直接并入线性加速器中。取决于靶部位，通常利用这些模式将基准标记物置入靶中以增强可见度。3D超声也被用于IGRT，并且最近通过将MRI并入到放射治疗室中而引入了MRI成像。
IGRT补偿分次间运动而不是分次内运动。在呼吸运动占主导的某些情况下，可以使用4D相位分段IGRT技术，例如4D-CBCT。这些技术不考虑其他运动分量，并且不适用于其他分次治疗内过程占主导的器官，例如前列腺、GYN、乳房或头颈部。此外，通常希望在治疗期间的每个时间点处直接追踪靶并且即时补偿追踪到的运动。问题在于某些基于图像的IGRT技术(如CBCT或MRI)具有有限的获取时间，该时间过长以至于不能足够快地追踪靶。例如，CBCT通常需要1分钟，而MRI成像通常需要1至3分钟以进行全面3D扫描。为此，针对靶追踪已研制出实时成像模式。
提到的术语靶追踪是指——例如，以在靶经历呼吸运动的情况下小于呼吸周期或者与靶将在成像样本之间基本非对准地移动的概率相比小的间隔——足够快速地测量患者状态的变化，以准确地表示运动。还预计到除了靶本身之外，还可以追踪患者状态的其他方面，例如OAR、心率等。
实时成像模式可以使用与IGRT模式相同的基础成像技术，同时具有实现差异以提高速度，或者实时成像模式可以使用完全不同的成像技术。例如，可以在治疗本身期间使用用于实时生成CBCT图像的kV成像仪，但仅给出投影信息；必须利用智能算法来推出缺失的信息。MRI成像仪可以用于1D导航、2D平面或较粗糙的3D图像，以提高成像速度。可以直接利用超声成像和RF信标来实时地追踪靶。表面标记、表面摄像装置、ECG、EEG可以给出可用于帮助估计靶位置的部分信息。
在许多情况下，针对IGRT靶追踪使用不同的模式是有用的，在一些情况下使用相同的基础成像技术，而在其他情况下使用不同的技术。IGRT具有不需要实时因此可以使用时间预算来生成更丰富的3D信息的特点，这对于靶追踪来说是不可接受的。IGRT通常在靶足够静态的假设下运行。但是，实际上，在IGRT获取期间感兴趣的结构可能会明显地运动。在这种情况下，靶追踪阶段不再能够准确地使用在IGRT阶段获得的位置信息。例如，前列腺患者可能会咳嗽、排气或有明显的膀胱充盈，使得其前列腺位置可能在IGRT模式和靶追踪模式之间的转换期间改变。
因此，需要针对IGRT实现不同的模式并且需要不假设在IGRT期间和模式之间的转换期间不发生运动的靶追踪。
发明内容
本公开内容的某些实施方式涉及一种用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的计算机实现的方法。该方法可以包括利用第一模式来监视解剖特征的运动。该方法还可以包括在有限获取时间内利用第二模式来获得解剖特征的位置信息。该方法还可以包括基于所监视的来自第一模式的运动，提供在有限获取时间期间与解剖特征相关联的临床相关运动的指示。
本公开内容的某些实施方式涉及一种用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的系统。该系统可以包括处理器，其被配置为利用第一模式来监视解剖特征的运动，在有限获取时间内利用第二模式来获得解剖特征的位置信息，并且基于所监视的来自第一模式的运动，检测在有限获取时间期间与解剖特征相关联的临床相关运动。该系统还可以包括输出装置，其被配置成提供是否检测到临床相关运动的指示。
本公开内容的某些实施方式涉及一种非暂态计算机可读介质，在所述非暂态计算机可读介质上存储有程序指令。程序指令在由处理器执行时可以执行用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的方法。该方法可以包括利用第一模式来监视解剖特征的运动。该方法还可以包括在有限获取时间内利用第二模式来获得解剖特征的位置信息。该方法还可以包括基于所监视的来自第一模式的运动，提供在有限获取时间期间与解剖特征相关联的临床相关运动的指示。
本公开内容的另外的目的和优点将部分地在以下详细描述中阐述，并且部分地根据描述是明显的或者可以通过实践本公开内容而得知。通过所附权利要求书中特别指出的元素和组合将会实现和获得本公开内容的目的和优点。
应理解，前面的总体描述和以下详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。
附图说明
构成本说明书的一部分的附图示出了几个实施方式，并且与描述一起用于解释所公开的原理。
图1示出了根据本公开内容的一些实施方式的示例性多模式图像引导放射治疗系统。
图2是根据本公开内容的一些实施方式的在图1的多模式图像引导放射治疗系统中使用的示例性模式转换控制器的框图。
图3是根据本公开内容的一些实施方式的用于在整个放射疗法治疗期监视结构运动的示例性处理的流程图。
图4示出了根据本公开内容的一些实施方式的由图2中的模式转换控制器执行的示例性处理。
图5示出了根据本公开内容的一些实施方式的由图2中的模式转换控制器提供的示例性用户界面对话。
具体实施方式
参照附图来描述示例性实施方式。在附图中，附图标记中最左边的数字指示该附图标记首次出现的图。在任何方便的时候，在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。尽管在本文中描述了所公开的原理的示例和特征，但是在不脱离所公开的实施方式的精神和范围的情况下修改、调整和其他实现方式是可能的。此外，词语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”以及其他类似形式旨在含义等同并且是开放性的，在这些词语中的任何一个之后的一项或多项并不意味着是这样的一项或多项的穷举列表，或者不意味着仅限于列出的一项或多项。还必须注意的是，如本文和所附权利要求书中所使用的，单数形式(“a”“an”“the”)包括复数含义，除非上下文另有明确指示。
本公开内容的实施方式可以包括图像引导放射治疗系统。该放射治疗系统可以包括高能束源和控制放射应用的控制中心。通常，在常规(例如每日)基础上以一系列单独剂量递送放射治疗——通常称为“治疗分次”或仅“分次”。为了应对在分次之间解剖特征(例如器官、肿瘤、肿瘤床、腺体、关键解剖结构或其他病变)的位置或形状的变化即“分次间运动”，可以紧接在治疗之前获取基于图像的位置信息，然后确定解剖特征的当前位置和/或形状。然后，利用该位置信息，以根据需要调整治疗计划。位置信息可以包括一个或更多个计算机断层扫描(CT)图像、CBCT图像、X射线图像(例如荧光镜X射线图像序列)、放射治疗射野图像、射野图像的立体对、X射线图像的立体对、磁共振成像(MRI)图像、正电子发射断层扫描(PET)图像、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)图像、超声图像或其他合适的医学图像。在一些实施方式中，位置信息可以包括来自摄像装置的表面表示、患者外表面上的标记的位置或植入患者体内的信标的位置。高分辨率位置信息(如3D软组织图像)可能需要一定量的时间。有时，在该时间段内可能会发生未反映在所获取的位置信息中的显著移动。
为了监视和检测分次期间患者的移动(称为“分次内运动”)，可以在分次期间执行靶追踪。对于分次内监视来说，实时图像可能是优选的，其中，“实时”的定义取决于需要；对于呼吸靶(例如肺部)，其必须非常快，<500ms并且理想的是<50ms，但是对于较缓慢移动的靶(例如前列腺)，其可以松弛至2秒或者甚至在某些情况下可以长达30秒。例如，可以使用二维(2D)超声或MRI图像以及具有时效的三维(3D)超声或MRI图像，以在放射治疗期间实时追踪分次内运动，因为这些图像可以被实时获取并提供关于器官运动的实时信息，同时不会使患者在监视过程期间暴露于额外的放射。还可以使用其他成像方法，例如基准标记的千伏平面成像和RF信标。也可以与算法一起使用表面标记、表面摄像装置、EEG和ECG，以根据实时数据估计靶位置。
根据本公开内容，为了监视在通过第一模式获取位置信息的时段中可能的结构运动，可以扩展第二模式，以监视在该时段中或者至少该时段的一部分中的运动。第一模式与第二模式交叠的时段被称为“转换时段”或“交叠时段”。然而，这两种模式的两个检测系统通常可能不会进行通信。因此，本公开内容提供了用于监视在转换时段中结构的移动的系统和方法。
根据本公开内容，模式是指成像装置和成像协议，在一些情况下具有附加的计算方案，以测量患者的状态，例如靶或OAR的位置、靶或OAR的形状、患者解剖结构的变形、心率、呼吸相位、患者胸部或腹部的位移或者患者的可以在分次间或分次内改变的任何其他方面。在一些情况下，两种不同的成像模式可以使用MRI作为成像装置，但是具有诸如3D对2D的不同成像协议，或者使用超声作为成像装置，但是具有诸如经腹和经会阴的不同成像协议。在其他情况下，两种不同的成像模式可以完全使用不同的成像装置，例如CBCT和超声。
根据一些实施方式，在放射治疗期开始之前，可以执行非实时模式，以获得患者的图像或患者的靶解剖区域。在放射疗法治疗期间，可以利用实时模式来执行对靶解剖区域的实时监视。根据一些实施方式，可以使用转换时段，在的转换时段中两种成像模式都开启。通过使两种成像模式都开启，所公开的系统和方法可以监视在转换时段中靶解剖区域内的结构运动。因此，可以在自从这两种模式处于转换时段中以来利用这两种成像模式获得的图像之间建立正确的映射。如果在转换期间没有检测到临床相关移动，则可以随后关闭非实时模式，仅保持实时模式开启并且因此完成转换。临床相关运动被定义为将会足以将递送至患者的剂量改变得超出医师认为可接受的剂量的运动，并且在一些实施方式中可被定义为由医师限定的最大可允许距离或针对特定患者使用的治疗余量。
以下描述涉及示例性实施方式，其中，CBCT为示例性非实时模式，并且超声为示例性实时模式。然而，设想，可以使用成像模式的其他组合。例如，非实时成像模式可以是CT、CBCT、3D或4D MRI、PET、SPECT、基准标记的kV平面X射线图像等中的任何模式。实时成像模式可以是超声成像、2D MRI、CT、基准标记的kV平面x射线图像、电磁成像、RF信标、表面成像，以及它们的组合。
图1示出了根据本公开内容的一些实施方式的示例性多模式图像引导放射治疗系统100。多模式图像引导放射治疗系统100可以包括放射疗法治疗递送系统，其另外具有线性加速器(未示出)、机架102、与线性加速器连接的放射源106、患者支承装置108和源控制器116，该放射疗法治疗递送系统被配置为：递送高能量X射线束，以治疗包含例如肿瘤或微观疾病的感兴趣的解剖区域。
机架102可以被构造成可围绕中心水平轴线旋转。在一些实施方式中，机架102的一部分可以隐藏在机架102突出穿过的壁或假壁或盖板之后。机架102可以承载放射源106。放射源106可以产生适于治疗目的的高能量X射线束，并且X射线束可以被引向患者支承装置108的中心水平轴。来自线性加速器的电子束可以被引导到X射线靶上以在适当方向上产生高能量X射线束。如果需要，可以例如使用平坦化过滤器对放射束进行过滤。在其他实施方式中，放射束可以是未经过滤的。在另外的实施方式中，可以通过块准直器和/或多叶准直器准直放射束，以产生待施加到感兴趣的解剖区域的治疗束。治疗源控制器116可以被配置成通过调制一个或更多个准直器来控制来自放射源106的治疗束的发射。
患者支承装置108可以设置成恰好在中心水平轴的下方，以供患者躺在上面。可以将患者定位成使解剖特征位于中心水平轴和治疗束的中心轴的交点——通常被称为“等中心”的点处。患者台108可以由合适的马达驱动，以允许在所有六个自由度(三个平移和三个旋转)上进行调整，以便相对于等中心精确地定位患者。治疗室可以设置有低功率激光标记，其可以从各个方向(例如三个正交方向)会聚到等中心，以帮助对患者进行定位。
放射治疗系统100还可以包括CBCT成像系统，其另外具有诊断源120、平板成像仪124、诊断源控制器128、成像仪控制器130和机架控制器132，该CBCT成像系统被配置为通常在放射治疗分次之前获取患者的CBCT图像。
诊断源120可以被支承在机架上，在一些实施方式中，其被定位成与治疗源106成90度。诊断源120可以被配置成朝向等中心发射适于产生人体组织的高对比度图像的、能量高达约125keV的低能量诊断束。放射源106和诊断源120二者都可以被布置成在机架120上旋转，使得在旋转时诊断源120在放射源106之前。
在一些实施方式中，由于机架可围绕患者旋转以允许从多个方向进行照射，因此可以使用该旋转，以允许诊断源120产生CBCT重建。在一些实施方式中，诊断源120被定位在机架上与治疗源成90度，使得利用与相应源相对的每个源的相关联的成像面板，机架上的物品被间隔开并且通路被最大化。
平板成像仪124也可以直接与诊断源120相对地设置在机架102上，以获得患者的二维X射线图像。诊断源控制器128可以被配置成控制并触发诊断束。成像仪控制器130可以触发平板成像仪124，并且读取图像连同机架角度，并且将该图像和角度数据配对在一起。放射治疗系统100还可以包括机架控制器132，其配置成根据需要引导马达来旋转机架102。在一些实施方式中，放射源106和诊断源120可以被组合成一个源单元，并且源控制器116和诊断源控制器128也可以被组合。
在一些实施方式中，放射治疗系统100可以集成有MRI扫描仪。在其他实施方式中，其可以生成安装在房间中的立体图像。在其他实施方式中，系统可以是非各向同性的，并且机架可以是能够从任何非共面角度进行照射的机器人平台。替代X射线，可以使用粒子(如电子、质子或其他粒子)来照射患者。
与一些实施方式一致，放射治疗系统100除了其他部件外还可以包括超声成像系统，其具有超声探头142和超声控制器144，该超声成像系统被配置成通常在放射治疗分次期间获取患者的实时超声图像。
根据一些实施方式，超声探头142可以是二维探头，其可以通过马达(未示出)以三维方式移动。二维探头可以安装在壳体(未示出)内部并且能够在马达的控制下在壳体内以不同角度进行扫描。在一些实施方式中，可以在探头把手上粘附追踪标记，使得探头的位置可以被追踪装置(例如红外光学摄像装置)检测到。在所公开的实施方式中，超声探头142可以是适于获取二维或三维超声图像的任何类型的超声探头。
超声控制器144可以被配置成控制超声探头142的运动。由于机动扫描探头基本上是根据壳体内的特定自由度来移动的二维探头，因此可以根据参数X来量化其在壳体内的位置。参数X可以由超声控制器144通过与马达的接口来控制。例如，超声控制器144可以命令马达将二维探头移动到壳体内的特定位置，使得可以在固定位置X处获取二维帧。在其他情况下，超声控制器142可以命令马达在壳体内不断移动探头，以便在不断改变X的同时获取图像。
放射治疗系统100还可以包括与控制器进行通信的一个或更多个计算机，所述控制器包括源控制器116、诊断源控制器128、成像仪控制器132、机架控制器134和超声控制器144。设想，可以以不同方式例如通过进一步细分不同的功能和/或通过合并功能来布置控制功能。在一些实施方式中，治疗源控制器116、诊断源控制器128、成像仪控制器132和机架控制器134可以连接到一个计算机160，并且超声控制器144可以连接到单独的计算机180。在一些实施方式中，计算机160和计算机180彼此可能不会自动通信。设想，可以针对控制器实现各种已知的架构配置。
计算机160可以被配置成接收并处理由平板成像仪124获取的2D图像。计算机160可以存储每个2D图像连同从机架控制器134导出的获得该图像的旋转角度。计算机160可以处理2D图像，以重建3D的CBCT图像。计算机160可以基于2D图像或3D图像来检测定位误差并调整从该旋转角度发射治疗束时将会需要的多叶准直器的准直器设置。计算机160还可以提供在开始放射治疗分次之前提示对患者台108的位置或患者的位置进行调整的输出。计算机160可以向操作者显示2D和/或3D图像。
计算机180可以被配置成接收并处理由超声探头142获取的超声图像。例如，计算机180可以根据通过扫描处理获得的图像帧来重建3D超声图像。可以对3D超声图像进行分析，以检测某些解剖特征的运动。计算机180可以向操作者显示2D和/或3D超声图像，使得操作者可以在屏幕上监视分次内运动。
放射治疗系统100还可以包括模式转换控制器200，其被配置成监视在转换时段中的结构运动。例如，模式转换控制器200可以被配置成监视在CBCT成像期间使用超声成像时的移动。模式转换控制器200可以被实现为单独的控制器或者实现为计算机160或计算机180的一部分。
在一些实施方式中，超声成像系统和CBCT成像系统可以在分次开始之前开启并且可以通知模式转换控制器200。如果存在两个成像系统都开启并且执行成像扫描的预定交叠时间段，则可以在超声成像系统开启之前、同时或之后开启CBCT成像系统。模式转换控制器200可以监视在交叠时间段期间解剖特征例如前列腺或器官内的肿瘤组织的运动。模式转换控制器200可以编程有特定标准，以确定运动是否是临床相关的。例如，如果解剖特征移出要通过放射疗法治疗的预定区域，则运动是临床相关的。
如果在交叠时间段中模式转换控制器200检测到临床相关运动，则控制器200可以向操作者提供输出，提示操作者停止正在进行的CBCT扫描并且重新启动它。如果CBCT扫描被重新启动，则新的交叠时间段开始并且模式转换控制器200可以继续监视临床相关运动。如果模式转换控制器200在接收到CBCT扫描已经完成的通知的时间之前没有检测到临床相关运动，则模式转换控制器200可以确定整个交叠时间段在临床上是等效的(例如，该区域中的解剖特征在临床上是静态的)，并且认为这两种成像模式在该时间段中是一致的。因此，模式转换控制器200可以允许以超声成像系统作为监视机构开始分次。
图2是根据本公开内容的一些实施方式的在图1中的多模式图像引导放射治疗系统中使用的示例性模式转换控制器200的框图。如图2所示，模式转换控制器200可以包括处理器221、存储器222、图像数据库225、存储装置226、用户接口227、通信接口228和显示器229。设想，模式转换控制器200可以包括更多或更少的组件，或者可以组合某些组件。
处理器221可以是处理装置，包括一个或更多个通用处理装置，例如微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、加速处理单元(APU)等。更特别地，处理器221可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、实现其他指令集的处理器或实现指令集的组合的处理器。处理器221还可以是一个或更多个专用处理装置，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、芯片上系统(SoC)等。如本领域技术人员将理解的，在一些实施方式中，处理器221可以是专用处理器，而不是通用处理器。处理器221可以包括一个或更多个已知的处理装置，例如来自由IntelTM制造的PentiumTM、CoreTM、XeonTM或ItaniumTM系列、由AMDTM制造的TurionTM、AthlonTM、SempronTM、OpteronTM、FXTM、PhenomTM系列的微处理器或者由Sun微系统公司制造的各种处理器中的任何处理器。处理器112还可以包括图形处理单元，例如来自由NvidiaTM制造的
Figure BDA0001696660910000111
系列的GPU；由IntelTM制造的IrisTM系列或者由AMDTM制造的RadeonTM系列的GMA。处理器221还可以包括加速处理单元，例如由AMD TM制造的Desktop A-4(6，8)系列，由IntelTM制造的Xeon PhiTM系列。所公开的实施方式可以包括另外被配置成满足如下计算要求的任何类型的处理器：识别、分析、维护、生成和/或提供大量成像数据或操纵这种成像数据以定位和跟踪靶或者操纵与所公开的实施方式一致的任何其他类型的数据。另外，术语“处理器”可以包括多于一个处理器，例如多核设计或者每个具有多核设计的多个处理器。
处理器221可以通信地耦接至存储器222并且被配置成执行存储在其上的计算机可执行指令。存储器222可以包括只读存储器(ROM)、闪存、随机存取存储器(RAM)、静态存储器等。在一些实施方式中，存储器222可以存储计算机可执行指令例如一个或更多个模式转换控制程序223或图像处理程序224，以及在执行计算机程序时使用或生成的数据例如图像数据。处理器221可以执行模式转换控制程序223，以监视在如关于图1所描述和示出的CBCT成像系统和超声成像系统之间的转换时间段中的结构运动。
处理器221还可以发送或接收来自存储器222的图像数据，并且执行图像处理程序224，以实现包括图像重建、图像配准、图像分割、特征识别、图像渲染等的图像处理任务。例如，处理器221可以执行图像分割和识别，以从CBCT图像或超声图像中识别解剖特征。然后处理器221可以跟踪解剖特征的运动并且确定运动是否是临床相关的。在一些实施方式中，处理器221还可以执行图像配准，以配准以不同成像模式获取的医学图像(例如配准CBCT图像与超声图像)。
模式转换控制器200可以可选地包括图像数据库225。本领域技术人员将理解，图像数据库225可以包括以中心或分布方式定位的多个装置。处理器221可以与图像数据库225通信，以将图像读取到存储器222中或将分割的图像从存储器222存储到医学图像数据库225。在一些实施方式中，图像数据库225可以包括由图1中的CBCT成像系统和超声成像系统捕获的医学图像。
存储装置226可以是可用于存储与由处理器221执行的处理任务相关联的数据的附加存储装置。在一些实施方式中，存储装置226可以包括非暂态机器可读存储介质。虽然实施方式中的机器可读存储介质可以是单个介质，但是术语“非暂态机器可读存储介质”应被认为包括存储一组或更多组计算机可执行指令或数据的单个介质或多个介质(例如，集中式数据库或分布式数据库和/或相关联的缓存和服务器)。术语“非暂态机器可读存储介质”还应被认为包括能够存储或编码用于由机器执行的指令集并且使机器执行本公开内容的方法中的任何一个或更多个的任何介质。相应地，术语“非暂态机器可读存储介质”应被认为包括但不限于固态存储器、光学和磁性介质。
用户接口227可以被配置成允许由模式转换控制器200接收和/或发送数据。用户接口227可以包括允许模式转换控制器200与用户通信的一个或更多个数字和/或模拟通信装置。例如，用户接口227可以包括键盘、鼠标、麦克风、点击器和/或触摸屏，用于放射治疗系统100的操作者向模式转换控制器200提供输入。在某些实施方式中，用户接口227可以包括平板型装置、手机或任何无线装置。
通信接口228可以包括例如网络适配器、电缆连接器、串行连接器、USB连接器、并行连接器、高速数据传输适配器(例如，诸如光纤、USB3.0、thunderbolt等)、无线网络适配器(例如，诸如WiFi适配器)、电信适配器(例如3G、4G/LTE等)等。通信接口228可以包括允许模式转换控制器200经由网络230与其他机器和装置例如远程定位组件通信的一个或更多个数字和/或模拟通信装置。网络230可以提供局域网(LAN)、无线网络、云计算环境(例如软件即服务、平台即服务、基础设施即服务等)、客户端服务器、广域网(WAN)等的功能。
显示器229可以是适于向用户显示信息的任何显示装置。例如，图像显示器229可以是LCD、CRT或LED显示器。在一些实施方式中，显示器229可以向用户提供一个或更多个用户界面对话窗口，以供用户例如通过按下窗口中的按钮或复选框来作出选择。在一些实施方式中，显示器229可以与用户接口227集成。例如，显示器229可以是可以接收由用户的手指提供的用户输入的触摸屏显示器。
在一些实施方式中，显示器229还可以显示由图1中的CBCT成像系统和超声成像系统获取的医学图像中的一个或多个。例如，显示器229可以为用户示出由处理器221分割的、具有或不具有突出显示的解剖特征的医学图像。在一些实施方式中，显示器229可以将临床相关运动的预定标准叠加在医学图像顶部上，使得用户可以看到运动是否以及何时变成临床相关的。在一些实施方式中，显示器229还可以显示通过不同成像模式获取的配准图像，例如配准的CBCT和超声图像。
图3是根据本公开内容的一些实施方式的用于在整个放射疗法治疗期监视结构运动的示例性处理300的流程图。
在步骤310处，当系统确定患者被正确定位在患者台108上时，处理300可以开始。可替选地，处理300可以由用户启动。在某些实施方式中，可以通过使用限制装置来固定患者的位置。
在步骤320处，可以使用第一成像模式来启动对患者上的靶区域的监视。第一成像模式可以是可以实时获取和重建图像的实时成像模式(例如2D或3D超声成像等)。例如，操作者可以启动超声成像，以通过计算机180监视患者或患者的靶解剖区域。超声成像可以提供对解剖区域中的解剖特征的位置和/或形状的实时跟踪。在超声成像系统开启之后，操作者可以向模式转换控制器200通知超声成像被启动。在一些实施方式中，可以由计算机180自动提供通知。
在步骤330，可以使用第二成像模式来启动靶区域的成像扫描。第二成像模式可以是实时成像模式或非实时成像模式(例如，CBCT、3D MRI等)。例如，操作者可以通过计算机160启动CBCT扫描，并且向模式转换控制器200通知：CBCT系统开启。CBCT扫描通常基于可以检测位置误差来提供高分辨率的3D图像。可以在递送放射疗法治疗之前，基于CBCT图像来调整与放射源相关联的准直器的位置和/或患者位置。在一些实施方式中，可以由计算机160自动提供通知。虽然在图3中在步骤330之前示出步骤320，设想步骤330可以与步骤320同时发生或者在步骤320之后发生。
在步骤340处，可以监视某些解剖特征(例如诸如前列腺、乳房、肺的器官或任何器官中的肿瘤)，以确定是否发生了解剖特征的临床相关运动。在一些实施方式中，步骤340可以使用在前面的步骤中获得的成像数据。图像可以由操作者手动地分割或者由处理器221自动地分割。例如，图像可以被分割成与静态背景和不同运动对象对应的区域。可以基于所分割的图像来检测解剖特征的运动。例如，可以基于所分割的图像来确定解剖特征的位置和/或形状，并且将其与步骤330之前或步骤330的开始处捕获的参考图像中的解剖特征的位置和/或形状相比较。在一些实施方式中，处理器221还可以实现其他运动检测和识别方法例如基于相关性的匹配方法、基于特征的方法、光流技术、基于变化的运动对象检测方法以及用于视频处理的任何其他合适的运动检测或估计方法。
在步骤350处，处理器221可以确定是否检测到临床相关的运动量。处理器221还可以将如上所述确定的运动和与临床相关运动对应的预定标准进行比较。在一些实施方式中，预定标准可以限定运动的空间边界，使得如果运动超过空间边界则运动变成临床相关的。在一些实施方式中，预定标准可以包括与解剖特征的平移、旋转、缩放和变形中的一个或更多个对应的阈值。如果解剖特征的参数超过相应的阈值，则该运动变成临床相关的。
如果检测到临床相关运动(步骤350：是)，则处理300可以进行到步骤360。在步骤360处，模式转换控制器200可以例如经由显示器229向操作者提供临床相关运动的指示。例如，显示器229可以示出解剖特征已经移出由预定标准设定的边界。标准取决于靶和治疗余量，但是对于前列腺治疗，异常标准可以是3mm或5mm或者前列腺移出治疗计划中限定的PTV。可替选地或另外地，可以由显示器229上的对话窗口或通过可听信号来提供指示。在接收到该指示时，操作者可以经由计算机160关闭CBCT，并且处理300可以返回到步骤330以重新启动新的CBCT扫描。在一些其他实施方式中，该指示可以被自动地提供给计算机160，计算机160可以自动关闭CBCT。在一些实施方式中，操作者可以记录临床相关运动，但是不停止和重新启动CBCT扫描。
如果没有检测到临床相关运动(步骤350：否)，则处理300可以进行到步骤370，在步骤370处确定第二成像模式(例如CBCT)是否仍然开启。在一些实施方式中，模式转换控制器200可以在CBCT扫描完成并且CBCT系统关闭时接收到通知。该通知可由操作者提供或由计算机160自动提供。
如果CBCT扫描正在进行(步骤370：否)，则其仍处于转换时间段内。因此，处理300可以返回到步骤340以监视解剖特征的运动。如果CBCT扫描已成功完成其扫描(步骤370：是)，则处理300可以继续进行至380。在步骤370期间，处理器221可以确定交叠时间段在临床上是等效的并且因此两个成像模式一致。根据该公开，如果可以在与每个相应系统相关联的坐标中引用公共物理位置(例如，可以在CBCT图像中的位置与超声中的位置之间建立映射)，则可以认为两种模式一致。
在一些实施方式中，在步骤370之后，计算机160可以向操作者通知可能需要调整患者或患者台108的位置以补偿通过CBCT扫描检测到的任何分次间运动。例如，患者台108可能需要移位或旋转。CBCT扫描也可以用于修改放射疗法治疗计划的其他方面，诸如孔径变形、孔径旋转、孔径移位和剂量测定重新计划。在步骤380处，可以由操作者执行调整或者通过患者台108的控制自动进行调整。一旦调整完成，处理300可以进行到步骤390以开始放射疗法治疗。第一种成像模式可以继续开启，以监视任何分次内运动。
图4示出了根据本公开内容的一些实施方式的由图2中的模式转换控制器200执行的示例性处理400。图5示出了根据本公开内容的一些实施方式的与图4中的处理400对应的由图2中的模式转换控制器提供的示例性用户界面对话510至580。因此，以下需要参照图4和图5。
在步骤405处，系统可以是空闲的。在此期间，患者可以被定位在患者台108上。在步骤410处，模式转换控制器可以使用例如超声成像来捕获患者的参考图像。UI对话510可以显示在显示器229上，示出“捕获参考……”。在捕获参考图像之后，系统可以回到空闲(步骤405)或者进行到准备阶段。
从时间点tp开始，模式转换控制器200可以在步骤420处准备放射治疗期的监视。因此，可以在显示器229上显示UI对话520，示出“准备监视组件……”。在一个实施方式中，作为步骤420的一部分，模式转换控制器200可以检查超声系统是否开启。如果准备失败(步骤430)，则可以在显示器229上呈现UI对话530，要求操作者在三个选项中进行选择：再次扫描，重试或退出。如果操作者在UI对话530上选择“再次扫描”，则处理400可以回到步骤420以捕获另一参考扫描。
在时间点t0处，模式转换控制器200可以接收第一监视样本。在步骤440处，模式转换控制器200可以指示操作者执行CBCT扫描，并且然后等待CBCT扫描完成的通知。可以在显示器229上呈现UI对话540，指示用户执行CBCT扫描，并且然后按下指示扫描完成的按钮tC_U。如果在CBCT扫描期间，解剖特征(例如前列腺)移动并且如果模式转换控制器200确定该运动是临床相关的(步骤450)，则可以在显示器229上呈现UI对话550，指示用户按下t0并且然后在时间点t0'再次执行CBCT扫描。如果在CBCT成像和超声成像两者均开启的时间段中发生临床相关运动，则由这两个成像系统获取的图像不能相互正确地配准。因此，需要通过重新启动CBCT扫描来重新开始交叠时间段。
在步骤460处，模式转换控制器200可以不断验证监视样本例如由图1中的超声成像系统获取的超声图像，直到用户按下UI对话560上的tC_U按钮。如果在步骤460期间，模式转换控制器200检测到临床相关运动，则处理400可以转到步骤450，并且让用户重新启动新的CBCT扫描。如果在用户按下tC_U按钮时没有检测到临床相关运动，则可以在显示器229上呈现UI对话570，以指示用户重建CBCT图像，执行匹配，并且根据需要移动患者台以调整患者位置。在步骤470处，模式转换控制器200可以等待用户提供在时间点tU处已经完成调整的通知。用户可以按下UI对话570上的tU按钮。
在步骤480处，模式转换控制器200可以等待来自放射治疗递送系统和超声成像系统的完全就绪响应。可以在显示器229上呈现UI对话580，以指示用户按下“利用手动选通继续”以提供完全就绪响应。一旦UI对话580上的按钮被按下，则处理400可以在步骤490处继续进行放射治疗和超声监视。
虽然图4和图5被公开为需要用户手动提供与成像系统有关的通知，以及需要用户启动成像扫描，但是设想所公开的实施方式仅是示例性的。在一些其他实施方式中，这些通知中的至少一些可以从计算机160和/或计算机180中自动接收。在一些实施方式中，可以利用从模式转换控制器200向计算机160和/或计算机180发送的控制信号来自动启动成像扫描例如CBCT扫描或超声监视。
本文描述了各种操作或功能，其可以被实现或限定为软件代码或指令。这样的内容可以是直接可执行的(“目标”或“可执行”形式)源代码或差异代码(“增量”或“补丁”代码)。本文描述的实施方式的软件实现可以经由其上存储有代码或指令的制品或者经由操作通信接口以通过通信接口发送数据的方法来提供。机器或计算机可读存储介质可以使机器执行所描述的功能或操作，并且包括以机器(例如计算装置、电子系统等)可访问的形式存储信息的任何机构，例如可记录/非可记录介质(例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置等)。通信接口包括：以硬连线、无线、光学等中的任一个与介质接口以与另一装置通信的任何机构，例如存储器总线接口、处理器总线接口、因特网连接、磁盘控制器等。通信接口可以通过提供配置参数和/或发送信号来配置，以准备通信接口来提供描述软件内容的数据信号。通信接口可以经由发送到通信接口的一个或更多个命令或信号来访问。
本发明还涉及用于执行本文的操作的系统。该系统可以针对所需目的而专门构建，或者它可以包括通过计算机中存储的计算机程序来选择性启动或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以被存储在计算机可读存储介质中，计算机可读存储介质例如但不限于：包括软盘、光盘、CDROM和磁光盘的任何类型的盘；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；EPROM；EEPROM；磁卡或光卡，或适于存储电子指令的任何类型的介质，每个耦接至计算机系统总线。
除非另外指明，否则在本文中示出和描述的本发明的实施方式中的操作的执行或实现的顺序不是必需的。即除非另外指明，否则操作可以以任何顺序执行，并且本发明的实施方式可以包括比本文中公开的操作更多或更少的操作。例如，预期在另一操作之前、同时或之后执行或实现特定操作在本发明的各方面的范围内。
本发明的实施方式可以利用计算机可执行指令来实现。计算机可执行指令可以被组织成一个或更多个计算机可执行组件或模块。本发明的各方面可以利用任何数目和组织的这样的组件或模块来实现。例如，本发明的各方面不限于在附图中示出并且在本文中描述的特定计算机可执行指令或特定组件或模块。本发明的其他实施方式可以包括具有比本文所示出和描述的功能更多或更少的功能的不同的计算机可执行指令或组件。
已经详细描述了本发明的各方面，将明显的是，在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的各方面的范围的情况下，可以进行修改和变型。由于在不脱离本发明的各方面的范围的情况下可以对上述结构、产品和方法进行各种改变，所以意图是上述描述中包含的和附图中所示的所有内容应被解释为说明性的而不是限制性意义上的。

Claims (20)

1.一种用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的设备，所述设备包括：
处理器，所述处理器被配置成：
利用第一模式来监视所述解剖特征的运动；
在有限获取时间内利用第二模式发起扫描以获得所述解剖特征的位置信息；以及
响应于基于所监视的来自所述第一模式的运动在所述有限获取时间期间检测到与所述解剖特征相关联的临床相关运动，结束所述扫描。
2.根据权利要求1所述的设备，所述处理器还被配置成：基于利用所述第二模式获得的所述位置信息来修改所述放射治疗的治疗计划。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述修改包括以下中的至少一个：患者台移位、患者台旋转、孔径变形、孔径旋转、孔径移位以及剂量测定重新计划。
4.根据权利要求1所述的设备，所述处理器还被配置成：当所监视的运动超过预定标准时，检测所述临床相关运动。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述预定标准包括与目标区域中的所述解剖特征的平移、旋转、缩放和变形中的一个或更多个对应的阈值。
6.根据权利要求1所述的设备，所述处理器还被配置成：如果在所述有限获取时间期间检测到所述临床相关运动，则在新的有限获取时间内利用所述第二模式获得所述解剖特征的新的位置信息。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一模式是实时模式，并且所述第二模式是非实时模式。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一模式是以下之一：超声成像、二维磁共振成像(MRI)、X射线成像、基准标记的千伏平面成像、监视摄像装置和RF信标。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二模式是以下之一：计算机断层扫描(CT)、锥束计算机断层扫描(CBCT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)、基准标记的千伏平面成像、超声成像、监视摄像装置和RF信标。
10.根据权利要求1所述的设备，所述第一模式是超声成像，并且所述第二模式是锥束计算机断层扫描(CBCT)。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，通过接收与所述第二模式的使用的开始或结束对应的通知来估计所述有限获取时间的开始或结束。
12.一种用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的系统，所述系统包括：
处理器，被配置成：
利用第一模式来监视所述解剖特征的运动；
在有限获取时间内利用第二模式发起扫描以获得所述解剖特征的位置信息；并且
响应于基于所监视的来自所述第一模式的运动在所述有限获取时间期间检测到与所述解剖特征相关联的临床相关运动，结束所述扫描；以及
输出装置，被配置为提供所述临床相关运动的指示。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，当所监视的运动超过预定标准时，检测所述临床相关运动。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一模式是实时模式，并且所述第二模式是非实时模式。
15.根据权利要求12所述的系统，所述第一模式是超声成像，并且所述第二模式是锥束计算机断层扫描(CBCT)。
16.根据权利要求12所述的系统，还包括用户接口，所述用户接口被配置成接收与所述第二模式的使用的开始或结束对应的通知，并且其中，基于所述通知来估计所述有限获取时间的开始或结束。
17.一种其上存储有程序指令的非暂态计算机可读介质，所述程序指令在由处理器执行时执行用于在整个放射治疗期监视解剖特征的运动的方法，所述方法包括：
利用第一模式来监视所述解剖特征的运动；
在有限获取时间内利用第二模式发起扫描以获得所述解剖特征的位置信息；以及
响应于基于所监视的来自所述第一模式的运动在所述有限获取时间期间检测到与所述解剖特征相关联的临床相关运动，结束所述扫描。
18.根据权利要求17所述的非暂态计算机可读介质，其中，当所监视的运动超过预定标准时，检测所述临床相关运动。
19.根据权利要求17所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述第一模式是实时模式，并且所述第二模式是非实时模式。
20.根据权利要求17所述的非暂态计算机可读介质，其中，通过接收与所述第二模式的使用的开始或结束对应的通知来估计所述有限获取时间的开始或结束。
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