CN110381839B - 处置计划图像、分次内3D图像和分次内2D x射线图像的图像配准 - Google Patents

处置计划图像、分次内3D图像和分次内2D x射线图像的图像配准 Download PDF

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Abstract

本发明方法包括由处理装置在患者的参考图像和所述患者的运动图像之间进行第一图像配准以在所述参考图像和所述运动图像之间进行对准，其中所述参考图像和所述运动图像包括所述患者的靶位置。所述方法还包括由所述处理装置经由所述患者的参考图像的第一数字重建放射影像即第一DRR来在所述参考图像和所述患者的运动x射线图像之间进行第二图像配准。所述方法还包括基于第一配准和第二配准来跟踪所述靶位置的至少平移变化。

Description

处置计划图像、分次内3D图像和分次内2D x射线图像的图像 配准
优先权要求
本申请要求2018年1月4日提交的美国专利申请15/862,438的权益，后者要求2017年1月6日提交的美国临时申请62/443,581的权益，其全部内容通过引用而并入于此。
技术领域
本发明涉及医学图像的图像配准。
背景技术
图像引导放射治疗(IGRT)使用诸如在放射递送之前获得的处置计划图像或在处置递送期间获得的处置中图像等的图像来识别处置靶在处置室参考系内相对于处置计划图像参考系(在患者体内的直接的或者相对于患者体内的已知结构)的位置。在IGRT中，当尝试定位患者体内的靶区域(或结构)时出现挑战，其中该靶区域在放射处置过程之前或过程期间从获取处置计划图像时其所在体内的位置发生移动。图像配准提供通过比较两个或更多个图像之间的图像内容来定位体内的靶区域的能力。
附图说明
根据以下给出的详细描述以及本发明的各种实现的附图，将更全面地理解本发明。
图1A示出根据这里所描述的实施例的可以使用的放射处置系统。
图1B是根据这里所描述的实施例的放射处置系统的截面。
图2示出根据这里所描述的第一实施例的图像配准流水线。
图3A示出根据这里所描述的第二实施例的图像配准流水线。
图3B示出根据这里所描述的第三实施例的图像配准流水线。
图4示出根据这里所描述的第四实施例的图像配准流水线。
图5示出根据这里所描述的实施例的图像配准的方法。
图6示出根据这里所描述的实施例的、在发生进行放射处置时可以使用的系统。
图7示出根据这里所描述的实施例的基于机架的强度调制放射治疗系统。
图8示出根据这里所描述的实施例的螺旋放射递送系统。
具体实施方式
这里描述了用于诸如处置计划图像(例如，参考图像)、分次内图像(例如，运动图像)和分次内x射线图像(例如，运动x射线图像)等的医学图像的图像配准的方法和设备的实施例。在一个实施例中，描述了用于连续配准如下的三种成像模式的图像的两阶段图像配准方法：处置计划图像、分次内图像和分次内x射线图像。
如图1A所示的对体积成像系统(例如，medPhoton ImagingRing系统(IRS))与放射处置递送系统(例如，放射处置系统)的共同使用能够实现新的图像配准和图像跟踪机会。值得注意的是，这里所使用的术语“跟踪”既可指代在处置计划阶段跟踪处置靶(例如，确定处置靶的位置)，也可指代在处置期间跟踪处置靶(例如，主动更新处置靶的位置)。在体积成像系统(例如，1239)可以提供更好的解剖结构信息和稳健的患者对准的同时，立体x射线成像系统(例如，1210)能够实现频繁的分次内成像和跟踪。在可选实施例中，可以使用具有一体化室内诊断计算机断层成像(CT)的放射治疗装置。利用室内诊断CT，患者在室内诊断扫描仪和放射处置递送系统之间(例如，使用机器人床)进行物理移动。
如这里所使用的，医学图像的“配准”(这里也被称为“图像配准”)是指这些医学图像中出现的相应解剖学特征或其它特征(例如基准点)之间的数学关系的确定。在一个实施例中，可以利用单一模式或不同模式对患者进行多次成像。解释并比较图像集时的一个步骤是在多个图像中的不同点之间建立对应关系。图像配准是计算一个图像空间中的坐标和另一图像空间中的坐标之间的映射或变换的过程。这种变换导致不同图像集中的相同解剖结构点彼此映射，并且可用于融合图像集以使用组合成像信息来进行诊断和处置。
图像配准和融合在各种背景下(包括在组合诸如来自MR的软组织与来自CT的骨骼等的互补结构信息的情况下)可以是有用的。图像融合对于解释功能成像也是非常有用的。在功能PET或fMR图像与高分辨率解剖结构图像融合的情况下，功能特性可以与其发生的解剖结构相联系。
配准可以包括但不限于对一个或多个空间变换、对准变换或分次内变换的确定，其中这些变换在应用于医学图像中的一个或全部两个的情况下将导致相应解剖学特征的重叠。空间变换或对准变换或分次内变换可以包括刚体变换和/或可变形变换，并且在医学图像来自不同坐标系或参考系的情况下可以考虑这些坐标系或参考系的差异。
一般来说，图像配准可能涉及相似度值、或者等效地、涉及差值(例如，互相关度、熵、互信息、梯度相关度、模式强度、梯度差、图像强度梯度)的计算，其中这些值被评价以确定计划室图像中的靶的位置和处置室图像中的靶的位置之间的空间变换。可以利用其它的图像配准方法。
对于不使用相同成像系统且不在相同时间获取医学图像的情况，配准过程可以包括但不限于对考虑不同成像系统的成像模式、成像几何结构和/或参考系之间的差异的第一变换的确定、以及对考虑在获取时间之间可能已经发生的身体部位的潜在解剖学差异(例如，定位差异、整体移动、身体部位内的不同结构之间的相对移动、整体变形、以及身体部位内的局部变形等)的第二变换的确定。
各种图像配准方法可以与这里所描述的实施例一起使用。在一个示例中，可以使用基于点的配准。点是可以用于医学图像配准的简单几何特征。基于点的配准涉及确定两个图像中的相应点的3D坐标、以及计算使这些点最佳对准的变换。
在另一实施例中，可以使用基于表面的配准。解剖对象或结构的3D边界或表面是可用于医学图像配准的几何特征。基于表面的图像配准方法可以涉及确定两个图像中的相应表面、以及计算使这些表面最佳对准的变换。尽管基于点的配准涉及一般使少量的相应基准点对准，但是基于表面的配准涉及一般使更大量的不可获得点对应关系信息的点对准。
在另一实施例中，可以使用基于强度的配准。基于强度的配准可以涉及使用仅基于图像中的像素或体素的值的对准量度来计算两个图像之间的变换。在其它实施例中，可以使用其它的图像配准方法。
这里，术语“对准变换(例如，体积对准)”是指第一坐标系(例如但不限于患者的计划图像坐标系)和第二坐标系(处置室坐标系)之间的变换，由此对准变换例如但不限于在处置分次开始之前的患者摆位时确定第二坐标系中的靶相对于第一坐标系的位置。
这里，术语“分次内变换”是指第一坐标系和第二坐标系之间的变换，由此分次内变换在过程开始之后(例如但不限于在处置分次期间)确定第一坐标系中的靶相对于第二坐标系的位置。
术语“靶”可以是指处置区域(例如，肿瘤)附近(一定接近度内)的一个或多个基准点。在另一实施例中，靶可以是骨结构。在又一实施例中，靶可以指患者的软组织。如这里所描述的，靶可以是能够被识别并跟踪的任何定义结构或区域。
需要改进图像配准方法，以提高定位一个或多个图像中的靶的精度和计算效率，从而更精确且更高效地确定靶位置在处置室参考系中相对于处置计划图像参考系之间的空间变换。
图1A示出根据这里所描述的实施例的可以使用的放射处置系统1200。如图所示，图1A示出放射处置系统1200的配置。在所示的实施例中，放射处置系统1200包括用作放射处置源的直线加速器(LINAC)1201。在一个实施例中，LINAC 1201安装在具有多个(例如，5个或更多个)自由度的机器人臂1235的一端以对LINAC 1201进行定位，从而在患者周围的操作体积中利用从多个角度、在多个平面中递送的束来辐照病理解剖结构(例如，靶120)。处置可以涉及具有单个等中心点、多个等中心点或具有非等中心趋向的束路径。可选地，可以使用其它类型的图像引导放射处置(IGRT)系统。如以下所描述的，在一个可选实施例中，LINAC 1201可以安装在基于机架的系统上。
在处置期间，可以通过移动机器人臂1235来将LINAC 1201定位在多个不同节点(LINAC 1201停止和可以递送放射的预定义位置)处。在节点处，LINAC 1201可以将一个或多个放射处置束递送至靶。节点可以围绕患者被布置成近似球形的分布。节点的具体数量以及在各节点处施加的处置束的数量可以根据要处置的病理解剖结构的位置和类型而变化。
放射处置系统1200包括成像系统1210，该成像系统1210具有与x射线源1203A和1203B(即，成像源)以及固定x射线检测器1204A和1204B相连接的处理装置1230。可选地，x射线源1203A、1203B和/或x射线检测器1204A、1204B可以是移动的，其中在这种情况下，它们可被重新定位成保持与靶120的对准、或可选地从不同取向对靶进行成像或者获取多个x射线图像并重建三维(3D)锥形束CT。在一个实施例中，如本领域技术人员将理解的，x射线源不是点源，而是x射线源阵列。在一个实施例中，LINAC 1201用作成像源，其中LINAC电力水平降低至成像用的可接受水平。
成像系统1210可以进行诸如锥形束CT或螺旋兆伏级计算机断层成像(MVCT)等的计算机断层成像(CT)，并且成像系统功能1210所生成的图像可以是二维(2D)或三维(3D)的。两个x射线源1203A和1203B可以安装在手术室的天花板上的固定位置处，并且可以对准以将来自两个不同角度位置(例如，间隔90度)的x射线成像束投影成在机器等中心点(这里称为处置中心，其提供用于在处置期间将患者定位在处置床1206上的参考点)处相交并在穿过患者之后照射相应检测器1204A和1204B的成像平面。在一个实施例中，成像系统1210提供靶和周围感兴趣体积(VOI)的立体成像。在其它实施例中，成像系统1210可以包括多于或少于两个的x射线源、以及多于或少于两个的检测器，并且任意检测器可以是可移动的，而不是固定的。在另外的其它实施例中，x射线源和检测器的位置可以互换。如本领域技术人员所公知的，检测器1204A和1204B可以由用于将x射线转换为可见光的闪烁材料(例如，非晶硅)、以及用于将光转换为数字图像的CMOS(互补金属氧化物硅)或CCD(电荷耦合器件)成像单元的阵列制成，其中在用于将数字图像的坐标系变换为参考图像的坐标系的图像配准过程期间，可以将数字图像与参考图像进行比较。参考图像可以例如是数字重建放射影像(DRR)，其中该数字重建放射影像(DRR)是基于通过将射线投射通过CT图像来模拟x射线图像形成过程、从3D CT图像生成的虚拟x射线图像。
IGRT递送系统1200还包括辅助成像系统1239。成像系统1239是锥形束计算机断层成像(CBCT)的成像系统，例如，medPhoton ImagingRing系统。可选地，可以使用其它类型的体积成像系统。辅助成像系统1239包括附接至臂和轨道系统(未示出)的可旋转机架1240(例如，环)，其中臂和轨道系统使可旋转机架1240沿着一个或多个轴(例如，沿着从处置床1206的头部延伸至脚部的轴)移动。成像源1245和检测器1250安装到可旋转机架1240。可旋转机架1240可以围绕从处置床的头部延伸至脚部的轴360度旋转。因此，成像源1245和检测器1250可以以多个不同角度定位。在一个实施例中，成像源1245是x射线源，并且检测器1250是x射线检测器。在一个实施例中，辅助成像系统1239包括可单独旋转的两个环。成像源1245可以安装到第一环，并且检测器1250可以安装到第二环。在一个实施例中，可旋转机架1240在放射处置递送期间置于处置床的脚部，以避免与机器人臂1202的碰撞。
如图1A所示，图像引导放射处置系统1200还可以与处置递送工作站150相关联。处置递送工作站可以远离放射处置系统1200地位于与放射处置系统1200和患者所在的处置室不同的房间中。如这里所述，处置递送工作站150可以包括处理装置(其可以是处理装置1230或其它处理装置)和存储器，其中处理装置和存储器根据基于一个或多个图像配准的靶运动检测来修改到患者1225的处置递送。
在一些实施例中，可以使用具有螺旋递送的机架系统来使成像系统1210旋转。例如，可以使用机架系统以不同的角度获取两个、三个或更多个图像(例如，x射线图像)。放射处置递送系统还可以包括位于患者周围的旋转成像系统109。
在一个实现中，系统1200联接至无框架机器人放射外科手术系统(例如，处置递送系统)。在另一实现中，系统1200联接至基于机架的LINAC处置系统，其中，例如，LINAC 1201联接至基于机架的系统中的机架。可选地，系统1200可以与其它类型的放射处置系统(例如，如以下所讨论的螺旋递送系统)一起使用。
图1B示出图像引导放射处置(IGRT)系统700的配置。一般来说，IGRT系统700可以与图1A的放射处置系统1200相对应。
如图1B所示，IGRT系统700可以包括两个千伏(kV)级成像源702A和702B，其可以安装在手术室的天花板720上的轨道722A和722B上，并且可以对准以将来自两个不同位置的成像x射线束704A和704B投影成使得束704A的射线712A与束704B的射线712B在成像中心726(即，等中心点)处相交，该成像中心726提供了用于在处置期间将用以生成处置束716A、716B和716C的LINAC 708以及患者710定位在处置床714上的参考点。在穿过患者710之后，成像x射线束704A和704B可以照射x射线检测器724A和724B的相应成像表面，其中x射线检测器724A和724B可以安装在手术室的地板718上或附近并且彼此基本上平行(例如，在5度内)。kV级成像源702A和702B可以基本上共面，使得kV级成像源702A和702B的成像表面形成单个成像平面。在一个实施例中，kV级成像源702A和702B可以用单个kV级成像源替代。一旦已经生成患者714的x射线图像，LINAC 708就可以旋转以从不同角度生成处置束716。在LINAC 708旋转至不同角度的同时，kV级成像源702A和702B就可以沿着轨道722A和722b移动以从新角度生成患者710的x射线图像。
图2示出根据这里所描述的第一实施例的图像配准流水线200。在第一阶段中，使参考图像202(例如，处置计划图像，诸如MRI、PET、CT或超声等)与运动图像204(例如，分次内3D图像，诸如kV CBCT、MV CBCT或MVCT等)配准以实现处置计划期间的患者位置和处置递送期间的日常患者位置之间的全局患者对准。在一个实施例中，配准206是采用3D刚性变换(例如，仅平移)、六维(6D)刚性变换(例如，平移和旋转)、或非刚性变换的3D到3D图像配准。应当注意，这些是可以使用的各种类型的变换的非限制性示例，并且在可选实施例中，可以使用其它变换。例如，3D刚性(平移)加上旋转角度(滚动)的四维(4D)变换。
在第二阶段，可以使用根据参考图像202生成的DRR 210来使参考图像202与运动x射线图像208(例如，分次内2D X射线图像)配准，以进行2D/3D图像配准212。因此，分次内x射线图像变得隐式地与分次内3D图像配准。
在一个实施例中，DRR是通过将射线投射(数学投影)通过3D成像数据以模拟处置中x射线成像系统的几何结构而生成的合成x射线图像。然后，所得到的DRR具有与处置室x射线成像系统相同的比例和姿势，并且可以与来自处置室x射线成像系统的图像进行比较以确定患者的位置或患者体内的处置靶相对于处置计划图像参考系的位置。为了生成DRR，将3D成像数据划分为体素(体积元素)，并且为各体素分配由3D成像数据获得的衰减(损失)值。然后，DRR中的各像素的相对强度是通过3D图像投射的各射线的体素损失的总和。
在一个实施例中，在处置递送分次的开始处获取CBCT图像(例如，运动图像204)以在处置计划图像(例如，202)和CBCT(例如，204)之间进行全局患者对准(平移和旋转)。后续2D x射线图像(例如，208)可以与计划图像(202)配准并且用于跟踪靶位置的平移变化，同时通过计划图像(202)到CBCT(204)的配准206实现保持全局旋转患者对准。通过分次内3D成像实现的3D全局患者对准可以提供更高的用户置信度，并且可能比现有解决方案更灵活且可靠。
图3A示出根据这里所描述的第二实施例的图像配准流水线300。在图3A所示的实施例中，使参考图像302(例如，计划图像)与运动图像304(例如，分次内图像)配准以实现计划患者位置和日常患者位置之间的全局患者对准。在一个实施例中，配准306是采用3D刚性变换(例如，仅平移)、六维(6D)刚性变换(例如，平移和旋转)、或非刚性变换的三维(3D)到3D图像配准。应当注意，这些是可以使用的各种类型的变换的非限制性示例，并且在可选实施例中，可以使用其它变换。例如，3D刚性(平移)加上旋转角度(滚动)的四维(4D)变换。
在第二配准阶段，根据分次内3D图像(304)生成DRR 310，并且经由DRR 310进行分次内3D图像(304)和分次内2D x射线图像(310)之间的2D/3D图像配准312。根据分次内3D图像(304)生成DRR 310可以得到各种益处。一个这样的示例是，与典型处置计划CT扫描(特别是在下上方向)相比，分次内CBCT图像的空间分辨率可以非常高。高分辨率DRR可以提高跟踪算法(最显着的是基准点和骨架跟踪模式)的准确度和可靠性。可选地，可以使用其它跟踪技术。另一益处可以是，根据分次内CBCT扫描产生的DRR可以反映日常患者姿势和变形，从而改进跟踪。例如，胸腔外观可能由于轻微的日常固定差异而变化。脊柱姿势是日常患者变化的另一示例。
在一个实施例中，可以根据参考图像302生成增强(例如，变形的)参考图像309。可以通过以这里称为可变形图像配准(DIR)的概念组合参考图像302和运动图像304的各个(例如，一个或多个)特征来生成增强参考图像309。在DIR中，假设图像之间的变换是弹性的，从而使得能够对由诸如日常变化、患者位置、固定和呼吸阶段等的因素引起的解剖结构差异进行对准。可以根据增强参考图像309生成DRR 311，并且可以在增强参考图像309和运动x射线图像308之间执行2D/3D图像配准313。因此，运动x射线图像308变得隐式地与运动图像304配准。参考图3B来描述用于描述DIR和增强参考图像309的更多详情。
跟踪靶的形状或外观可以在处置过程中(例如，作为对治疗的响应)改变。在两个或三个SBRT分次之后，根据分次内图像生成的肺部靶DRR可以(例如，与计划图像相比)提供更好的外观匹配。在另一实施例中，在进行计划CT的时间和处置患者的时间之间基准点布置可能变化。这种基准点迁移可能影响递送处置计划的准确度。由这种图像生成的分次内3D图像和DRR可以用于检测基准点迁移并修改跟踪算法以考虑基准点群的变化。
在一个实现中，在处置分次开始处获取CBCT图像(例如，运动图像304)以进行全局患者对准。使CBCT图像与处置计划图像(例如，参考图像302)配准以实现平移和旋转患者对准。使后续的2D x射线图像(例如，运动x射线图像308)与CBCT配准以实现针对CBCT对准的“相对”跟踪。2D x射线跟踪可以涉及平移校正和旋转校正这两者。由于计划3D图像和分次内3D图像已经配准的事实，因此隐式地实现了2D x射线图像和计划图像之间的配准。
图3B示出根据这里所描述的第三实施例的图像配准流水线301。在图3B所示的实施例中，使参考图像303(例如，计划图像)与运动图像305(例如，分次内图像)配准以实现计划和日常患者位置之间的全局患者对准。在一个实施例中，配准307是采用3D刚性变换(例如，仅平移)、六维(6D)刚性变换(例如，平移和旋转)、或非刚性变换的三维(3D)到3D图像配准。应当注意，这些是可以使用的各种类型的变换的非限制性示例，并且在可选实施例中，可以使用其它变换。例如，3D刚性(平移)加上旋转角度(滚动)的四维(4D)变换。
在第二阶段，可以根据参考图像303生成增强(例如，变形的)参考图像309。可以通过以这里称为可变形图像配准(DIR)的概念组合参考图像303和运动图像305的各个特征来生成增强参考图像309。在DIR中，假设图像之间的变换是弹性的，从而使得能够对由诸如日常变化、患者位置、固定和呼吸期等的因素引起的解剖结构差异进行对准。
在一个实施例中，DIR算法使用非参数非刚性变换来表示变形场。其假设变换没有特定参数化；相反，其显式地估计进行了平滑度正则化的变形场。这种方法允许估计甚至复杂的器官变形。一个DIR示例优化相似性标准——局部归一化相关系数(NCC)，其中īref是参考图像邻域片，以及Imov是“移动”的图像邻域片。īref和īmov是体积片的均值。
可以在小的邻域片上定义相似性标准，这可以允许即使在存在强度不均匀性和伪影的情况下也进行稳健的图像匹配。可以在多分辨率、由粗到细的方案中在整个图像域上迭代地优化图像相似性标准。可以在每次迭代时使用平滑算子对估计的变形场进行正则化。在一个实施例中，应用使用3～4个分辨率级别并且在各级别使用多达500次迭代。值得注意的是，尽管为了清楚起见在此描述了一种DIR算法，但是这里所描述的实施例可以使用任何其它DIR算法。
在一个实施例中，根据增强参考图像生成DRR 311，并在增强参考图像309和运动x射线图像315之间进行2D/3D图像配准313。因此，运动x射线图像315变得隐式地与运动图像305配准。
图4示出根据这里所描述的第四实施例的图像配准流水线400。在图4所示的实施例中，参考图像402(例如，计划图像)与运动图像404(例如，分次内图像)配准以实现计划和日常患者位置之间的全局患者对准。在一个实施例中，配准406是采用3D刚性变换(例如，仅平移)、六维(6D)刚性变换(例如，平移和旋转)、或非刚性变换的三维(3D)到3D图像配准。应当注意，这些是可以使用的各种类型的变换的非限制性示例，并且在可选实施例中，可以使用其它变换。例如，3D刚性(平移)加上旋转角度(滚动)的四维(4D)变换。
在一个实施例中，在第二配准阶段，可以针对参考图像402生成第一DDR 408，并且可以针对运动图像404生成第二DRR 410。可以在分次内x射线图像(例如，运动x射线图像414)和计划图像(例如，参考图像402)之间进行第一2D/3D配准412，并且可以在分次内x射线图像(例如，运动x射线图像414)和分次内图像(例如，运动图像404)之间进行第二2D/3D配准416。与两种3D成像模态的配准可以提供额外的配准置信水平(例如，跟踪置信度和质量保证)。
可以更准确地进行的质量保证的一个示例是检查基准点迁移。在计划CT获取日和处置日之间发生基准点迁移的情况下，使用来自计划CT和分次内3D图像两者的DRR的同步(例如，并发)跟踪可以揭示由于基准点迁移而引起的基准点差异。对基准点迁移的检查也可以适用于针对图2、3A和3B所描述的实施例。
在一个实施例中，在处置分次开始处获取CBCT图像(例如，运动图像404)以进行全局患者对准。使CBCT图像(404)与计划图像(例如，参考图像402)配准以实现平移和旋转患者对准。使后续的2D x射线图像(例如，运动x射线图像414)与根据CBCT(404)产生的DRR(410)配准以实现针对CBCT对准的(平移的和旋转的)“相对”跟踪。另外，作为跟踪质量保证的手段，2D x射线图像(414)可以与根据计划图像(402)产生的DRR(408)配准(平移和旋转)。
在第二实施例中，在处置分次开始处获取CBCT图像(404)以进行全局患者对准。使CBCT图像(404)与计划图像(402)配准以实现平移和旋转患者对准。使后续的2D x射线图像(414)与根据计划CT(402)产生的DRR(408)配准(平移和旋转)。另外，作为跟踪质量保证的手段，2D x射线图像(414)与根据CBCT图像(404)产生的DRR(410)配准(平移和旋转)。应当注意，这里所描述的操作和系统可以自动地(例如，无需人为干预)确定这里所描述的哪些类型的图像配准在给定背景中最适合，并自动应用所选择的配准。可以基于任何数量的因素来选择合适的配准，包括但不限于：图像分辨率；图像清晰度；靶、非靶、或基准点可视性；处理速度等。
图5是根据这里所描述的实施例的图像配准的示例性方法500的流程图。一般来说，方法500可以由如下的处理逻辑进行，其中该处理逻辑可以包括硬件(例如，处理装置、电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码、装置的硬件等)、软件(例如，在处理装置上运行或执行的指令)或其组合。在一些实施例中，方法500可以由图1的放射处置系统1200的处理逻辑进行。
如图5所示，方法500可以在块502处以在患者的参考图像和患者的运动图像之间进行第一图像配准的处理逻辑开始。在一个实施例中，参考图像和运动图像包括患者的靶位置。在一个实施例中，第一图像配准可以用于在参考图像和运动图像之间进行对准。在一个实施例中，参考图像和运动图像是三维(3D)图像。在另一实施例中，参考图像是以下各项其中之一的3D计划图像：千伏级计算机断层成像(kV-CT)图像、磁共振成像(MRI)图像、千伏级锥形束计算机断层成像(kV-CBCT)图像、兆伏级计算机断层成像(MVCT)图像、以及任何其它类型的图像。运动图像可以是以下各项其中之一：千伏级锥形束计算机断层成像(kV-CBCT)图像、兆伏级锥形束计算机断层成像(MV-CBCT)图像、兆伏级计算机断层成像(MVCT)图像、以及任何其它类型的图像。
在块504处，处理逻辑经由患者的参考图像的第一数字重建放射影像(DRR)来在该参考图像和患者的运动x射线图像之间进行第二图像配准。在一个实施例中，处理逻辑可以进行第二配准以跟踪患者的靶位置的平移变化。运动x射线图像可以是立体x射线对图像、旋转单目镜二维(2D)x射线图像、C形臂术中图像、或任何其它类型的图像。
块506处的处理逻辑可以基于第一配准和第二配准来跟踪靶位置的至少平移变化。在一个实施例中，如这里所述，参考图像、运动图像和运动x射线图像由螺旋放射递送系统的成像源或相对于患者处于不同位置处的一个或多个成像源生成。在一个实施例中，处理流程可以在块506处结束。在另一实施例中，处理流程可以继续至块508。应当注意，块508～512以及这里所描述的所有其它处理步骤可以按与这里所描述的顺序不同的各种顺序进行。
继续至块508，处理逻辑可以生成运动图像的第二DRR，经由第二DRR在运动图像和运动x射线图像之间进行第三图像配准(块510处)，并且基于第三配准来跟踪靶位置的至少平移变化(块512)。在另一实施例中，处理逻辑可以基于第一配准和第二配准在发起处置递送之前调整初始患者对准期间的患者的位置。在另一实施例中，处理逻辑可以基于第一配准和第二配准来修改与患者相关联的处置递送。
应当注意，这里所描述的实施例可以与各种类型的计划图像类型一起使用，包括诊断kV-CT、MRI、kV-CBCT和MVCT。这里所讨论的方法可以与基于MR的计划一起使用(例如，在无CT用于或可用于处置计划的情况下)。这里所讨论的实施例还可以与各种类型的分次内3D图像一起使用，包括kV-CBCT、MVCT、MVCBCT以及室内螺旋/诊断kV-CT。这里所讨论的实施例可以与各种类型的分次内2D成像系统一起使用，包括立体x射线对、旋转单目镜2D x射线成像器、以及(外科手术和介入性引导应用中所使用的)C形臂术中成像系统。尽管有时与机器人外科手术系统相关地描述了实施例，但在可选实施例中，这里所讨论的方法可以与诸如螺旋递送系统和基于机架的系统等的其它类型的处置递送系统一起使用。另外，尽管有时与medPhoton ImagingRing系统(IRS)相关地描述了实施例，但在可选实施例中，这些方法可以与其它类型的体积成像系统一起使用。
图6示出计算机系统600的示例性机器，其中在计算机系统600内，可以执行用于使机器进行这里所讨论的任何一种或多种方法的指令集。在可选实现中，机器可以连接(例如，联网)至LAN、内联网、外联网和/或因特网中的其它机器。机器可以以客户端-服务器网络环境中的服务器或客户机的能力运行，作为对等(或分布式)网络环境中的对等机运行、或者作为云计算基础设施或环境中的服务器或客户机运行。
机器可以是个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、web设备、服务器、网络路由器、交换机或桥、或能够执行用于指定该机器所要采取的动作的指令集(序列或以其它方式)的任何机器。此外，虽然示出单个机器，但术语“机器”也应被视为包括单独或联合执行一个(多个)指令集以进行这里所讨论的任何一种或多种方法的任何机器集合。
示例性计算机系统600包括经由总线630彼此通信的处理装置602、主存储器604(例如，只读存储器(ROM)、闪速存储器、诸如同步DRAM(SDRAM)或Rambus DRAM(RDRAM)等的动态随机存取存储器(DRAM)等)、静态存储器606(例如，闪速存储器、静态随机存取存储器(SRAM)等)、以及数据存储装置618。
处理装置602表示例如微处理器或中央处理单元等的一个或多个通用处理装置。更具体地，处理装置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、或用于实现其它指令集的处理器、或用于实现指令集的组合的处理器。处理装置602还可以是诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或网络处理器等的一个或多个专用处理装置。处理装置602被配置为执行用于进行这里所讨论的操作和步骤的指令626。
计算机系统600还可以包括用以通过网络620来进行通信的网络接口装置608。计算机系统600还可以包括视频显示单元610(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置612(例如，键盘)、光标控制装置614(例如，鼠标)、图形处理单元622、信号生成装置616(例如，扬声器)、图形处理单元622、视频处理单元628和音频处理单元632。
数据存储装置618可以包括机器可读存储介质624(也称为计算机可读介质)，其中该机器可读存储介质624上存储了用于体现这里所描述的任何一种或多种方法或功能的一个或多个指令集或软件626。在由同样构成机器可读存储介质的计算机系统600、主存储器604和处理装置602执行期间，指令626可以完全或至少部分地存在于主存储器604和/或处理装置602内。
在一个实现中，指令626包括用以实现与这里的公开相对应的功能的x射线运动部件699。虽然机器可读存储介质624在示例性实现中被示出为单个介质，但术语“机器可读存储介质”应被视为包括用于存储一个或多个指令集的单个介质或多个介质(例如，集中或分布式数据库、以及/或者相关联的缓存器和服务器)。术语“机器可读存储介质”也应被视为包括能够存储供机器执行的指令集或对其进行编码、并使机器执行本发明的任何一种或多种方法的任何介质。因此，术语“机器可读存储介质”应被视为包括但不限于固态存储器、光学介质和磁性介质。
图7示出根据本发明的实施例的基于机架的强度调制放射治疗(IMRT)系统709。在基于机架的系统709中，具有头部组件701的放射源(例如，LINAC 1201)安装在机架703上。在一个实施例中，可以从(例如，围绕旋转轴的)圆形旋转平面上的多个位置递送放射束160。在一个实施例中，系统709包括处置成像系统，其可以包括kV级成像源705和x射线检测器707。kV级成像源705可以用于通过将入射在x射线检测器707上的一系列x射线束引导至患者的ROI处来生成ROI的x射线图像，其中x射线检测器707与kV级成像源705相对以对患者进行成像从而进行摆位、并生成处置中图像。所得到的系统生成任意形状的放射束760，其中该放射束760在等中心点处彼此相交，以向靶位置递送剂量分布。在一个实现中，基于机架的系统700可以是基于c形臂的系统。
图8示出根据本发明的实施例的螺旋放射递送系统800。螺旋放射递送系统800可以包括安装到环形机架820的直线加速器(LINAC)810。LINAC 810可以用于通过将电子束引导朝向x射线发射靶来生成窄的强度调制笔形束(即，处置束)。处置束可以向靶区域(即，肿瘤)递送放射。环形机架820大致具有圆环(toroidal)形状，其中患者830延伸穿过环/圆环的孔，并且LINAC 810安装在环的周边并且围绕穿过中心的轴旋转，以利用从患者周围的一个或多个角度递送的束来辐照靶区域。在处置期间，患者830可以在处置床840上同步地移动通过机架的孔。
螺旋放射递送系统800包括处置成像系统，其可以包括kV级成像源850和x射线检测器870。kV级成像源850可以用于通过将入射在x射线检测器870上的一系列x射线束引导至患者830的感兴趣区域(ROI)处来生成ROI的x射线图像，其中x射线检测器870与kV级成像源850相对以对患者830进行成像从而进行摆位、并生成处置中图像。处置成像系统还可以包括准直器860。在一个实施例中，准直器860可以是可变孔径准直器。在另一实施例中，准直器860可以是多叶准直器(MLC)。MLC包括用于容纳多个叶的壳体，其中这多个叶可移动地调整MLC的孔径以实现成像x射线束的成形。在另一实施例中，可变孔径准直器860可以是包含梯形块的虹膜准直器，其中这些梯形块以与照相机虹膜类似的方式沿着框架移动以产生用于实现成像x射线束的成形的可变大小的孔径。kV级成像源850和x射线检测器870可以相对于LINAC 810正交(例如，相隔90度)地安装在环形机架820上，并且可以对准以将成像x射线束投影在靶区域上并在穿过患者130之后照射检测器870的成像平面。在一些实施例中，LINAC 810和/或kV级成像源850可以以类似悬臂的方式安装到C形臂机架，其中C形臂机架使LINAC 810和kV级成像源850围绕穿过等中心的轴旋转。本发明的方面还可用于诸如以下的其它这类系统：基于机架的LINAC系统、与放射治疗和放射外科手术相关联的静态成像系统、使用一体化图像引导的质子治疗系统、介入性放射学以及术中x射线成像系统等。
螺旋放射递送系统800还包括辅助成像系统801。成像系统801是CBCT成像系统，例如，medPhoton ImagingRing系统。可选地，可以使用其它类型的体积成像系统。辅助成像系统801包括附接至臂和轨道系统(未示出)的可旋转机架807(例如，环)，其中臂和轨道系统使可旋转机架807沿着一个或多个轴(例如，沿着从处置床840的头部延伸至脚部的轴)移动。成像源803和检测器805安装到可旋转机架807。可旋转机架807可以围绕从处置床的头部延伸至脚部的轴360度旋转。因此，成像源803和检测器805可以以多个不同角度定位。在一个实施例中，成像源803是x射线源，并且检测器805是x射线检测器。在一个实施例中，辅助成像系统801包括可单独旋转的两个环。成像源803可以安装到第一环，并且检测器805可以安装到第二环。
从前面的描述中显而易见的是，本发明的各方面可以至少部分地以软件实现。也就是说，该技术可以在响应于处理装置625、640或602(参见图6)的、例如执行存储器中所包含的指令的序列的计算机系统或其它数据处理系统中执行。在各种实现中，硬件电路可以与软件指令结合使用以实现本发明。因此，技术不限于硬件电路和软件的任何特定组合或数据处理系统所执行的指令的任何特定源。另外，在整个说明书中，各种功能和操作可被描述为由软件代码执行或推进以简化描述。然而，本领域技术人员将认识到这种表达的含义是这些功能是由于处理装置625、640或602执行代码而得到的。
可以使用机器可读介质来存储软件和数据，其中这些软件和数据在由通用或专用数据处理系统执行时使该系统进行本发明的各种方法。该可执行软件和数据可以存储在各种地方，包括例如系统存储器以及能够存储软件程序或数据至少之一的存储装置或任何其它装置。因此，机器可读介质包括以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何装置等)可访问的形式提供(即，存储)信息的任何机构。例如，机器可读介质包括可记录/不可记录介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储器装置等。机器可读介质可以是非暂时性计算机可读存储介质。
除非从前面的讨论中明显说明，否则应当理解，诸如“接收”、“定位”、“进行”、“发射”或“使”等的术语可以是指计算机系统或类似电子计算装置的动作和处理，其中该计算机系统或类似电子计算装置操纵表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(例如，电子)量的数据并将该数据变换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或者其它这类信息存储或显示装置内的物理量的其它数据。可以使用计算机软件来实现这里所描述的方法的实现。如果用符合公认标准的编程语言编写，则可以编译被设计为实现这些方法的指令的序列，以在各种硬件平台上执行并且与各种操作系统相配合。另外，不参考任何特定编程语言来描述本发明的实现。应当理解，可以使用各种编程语言来实现本发明的实现。
应当注意，这里描述的方法和设备不限于仅用于医学诊断成像和处置。在可选实现中，这里的方法和设备可用于医疗技术领域之外的应用，例如工业成像和材料的非破坏性测试。在这样的应用中，例如，“处置”一般可以是指由处置计划系统控制的操作的实现，诸如束(例如，放射束、声束等)的应用，并且“靶”可以是指非解剖对象或区域。
在前面的说明书中，已经参考具体典型实现描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离所附权利要求中所阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性意义而非限制性意义。

Claims (14)

1.一种用于在图像中进行跟踪的方法，包括：
通过处理装置在患者的参考图像和所述患者的运动图像之间进行第一图像配准以在所述参考图像和所述运动图像之间进行对准，其中所述参考图像和所述运动图像包括所述患者的靶位置；
通过所述处理装置经由所述运动图像的第一数字重建放射影像(DRR)来在所述患者的运动x射线图像和所述运动图像之间进行第二图像配准；以及
基于所述第一图像配准和所述第二图像配准来跟踪所述靶位置的至少平移变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述运动图像具有比所述参考图像更高的空间分辨率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考图像是以下各项其中之一：千伏级计算机断层成像(kV-CT)图像、磁共振成像(MRI)图像、千伏级锥形束计算机断层成像(kV-CBCT)图像、以及兆伏级计算机断层成像(MVCT)图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述运动图像是以下各项其中之一：千伏级锥形束计算机断层成像(kV-CBCT)图像、兆伏级锥形束计算机断层成像(MV-CBCT)图像、兆伏级计算机断层成像(MVCT)图像、以及螺旋kV-CT图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一DRR与日常患者姿势和变形相对应。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述第一DRR来检测与所述患者相关联的基准点迁移；以及
修改与对所述患者的处置递送相关联的跟踪算法以考虑所述基准点迁移。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
经由增强参考图像的第二DRR在所述患者的所述运动x射线图像和所述增强参考图像之间进行第三图像配准；以及
基于所述第三图像配准来跟踪所述靶位置的至少平移变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过使所述参考图像的一个或多个特征与所述运动图像的一个或多个特征组合来生成所述增强参考图像。
9.一种用于在图像中进行跟踪的系统，包括：
存储器；以及
处理装置，其可操作地与所述存储器连接以：
在患者的参考图像和所述患者的运动图像之间进行第一图像配准以在所述参考图像和所述运动图像之间进行对准，其中所述参考图像和所述运动图像包括所述患者的靶位置；
经由所述运动图像的第一数字重建放射影像(DRR)来在所述患者的运动x射线图像和所述运动图像之间进行第二图像配准；以及
基于所述第一图像配准和所述第二图像配准来跟踪所述靶位置的至少平移变化。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述运动图像是以下各项其中之一：千伏级锥形束计算机断层成像(kV-CBCT)图像、兆伏级锥形束计算机断层成像(MV-CBCT)图像、兆伏级计算机断层成像(MVCT)图像、以及螺旋kV-CT图像。
11.根据权利要求9所述的系统，所述处理装置还用于：
基于所述第一DRR来检测与所述患者相关联的基准点迁移；以及
修改与对所述患者的处置递送相关联的跟踪算法以考虑所述基准点迁移。
12.一种非暂时性计算机可读介质，其包括在由处理装置执行时使所述处理装置进行以下操作的指令：
通过处理装置在患者的参考图像和所述患者的运动图像之间进行第一图像配准以在所述参考图像和所述运动图像之间进行对准，其中所述参考图像和所述运动图像包括所述患者的靶位置；
通过所述处理装置经由所述运动图像的第一数字重建放射影像(DRR)来在所述患者的运动x射线图像和所述运动图像之间进行第二图像配准；以及
基于所述第一图像配准和所述第二图像配准来跟踪所述靶位置的至少平移变化。
13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，所述处理装置还用于：
经由增强参考图像的第二DRR在所述患者的所述运动x射线图像和所述增强参考图像之间进行第三图像配准；以及
基于所述第三图像配准来跟踪所述靶位置的至少平移变化。
14.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述参考图像、所述运动图像和所述运动x射线图像由螺旋放射递送系统的成像源或相对于所述患者处于不同位置处的一个或多个成像源生成。
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