CN110404182A - 核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法、设备、存储介质 - Google Patents

核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法、设备、存储介质 Download PDF

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CN110404182A CN201810403289.XA CN201810403289A CN110404182A CN 110404182 A CN110404182 A CN 110404182A CN 201810403289 A CN201810403289 A CN 201810403289A CN 110404182 A CN110404182 A CN 110404182A
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    • A61N2005/1097—Means for immobilizing the patient

Abstract

本发明属于放疗及医学影像技术领域，涉及一种核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法、设备、存储介质和系统。本发明通过快速摄取不同时序内运动器官当前位置的核磁影像，基于三维重建的运动器官3D核磁影像计算不同时序内运动器官质心的位置差，通过调整放射治疗装置或治疗床的位置来弥补运动器官的位置位移与治疗射束中心的差异，从而减小运动器官的非自主运动或自主运动造成的射束偏移引起周围正常组织或危级器官的损伤；通过实现两个相邻时序的影像跟踪，解决器官实时跟踪问题，从而大大提高核磁引导放疗的精度。

Description

核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法、设备、存储介质
技术领域
本发明属于放疗及医学影像技术领域，涉及一种核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法、设备、存储介质和系统。
背景技术
放射治疗是与化疗、外科手术并列的肿瘤三大治疗方式。放疗的目的在杀死肿瘤细胞的同时避免周围正常组织及危及器官(OAR)受到损伤。但由于肿瘤组织被正常组织所包围，杀灭肿瘤的同时会损伤正常的组织；并且放射治疗过程中器官受生理运动的影响，如呼吸运动、膀胱充盈、肠胃蠕动、肿瘤的增大和减小，以及器官自身的弹性形变、分次治疗中的摆位误差等，使之无法准确定位。另外，在体部放射治疗中，通常采用的体部定位框架只能对肿瘤进行静态定位，而无法实时跟踪由于生理运动，例如呼吸等引起的肿瘤位置的变化，这样使得射线靶点不能始终对准肿瘤组织，可导致靶区照射剂量分布不均匀，甚至出现剂量的冷点或热点。目前多数情况下，放疗医师根据临床经验在肿瘤靶区外放一定的边界，以补偿呼吸运动对其位置的影响。外放边界不足，会造成肿瘤出现漏照；外放边界过大，则正常组织和器官受到了不必要的照射。因此在放疗中，如何准确确定肿瘤靶区的位置，特别是随呼吸运动位置变化幅度较大的胸腹部肿瘤，一直是困扰着临床放射肿瘤学的难题。
近年来，随着电脑技术、医学影像技术、图像处理技术的迅猛发展，以及放疗设备的不断更新，放疗技术已走向高精度，由二维普通放射治疗发展为四维图像引导下适形调强放射治疗。目前，在电脑的控制下，可以把高剂量射线紧紧围绕在肿瘤组织，而把周围的正常组织的剂量调整到最低。从而使靶区获得高剂量照射，正常组织获得尽可能少的损伤。随着对4D-CT的深入研究，4D-CT可较好地解决呼吸运动问题，反映了肿瘤的运动规律。但是，4D-CT仅限于单一的平均呼吸周期，往往含有成像伪影，而且成像剂量大；此外，由于CT的软组织分辨率低，对于软组织运动不能提供有效的信息。而核磁共振与其他影像设备相比，具有多重优势。它没有辐射价格适中，可以形成三维立体动态的图像，对软组织的对比度非常清晰。而且磁共振不仅由形态学，还具备功能学，可以形成分子影像。
发明内容
本发明的目的在于为克服上述现有技术缺陷而提供一种核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法、设备、存储介质和系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种核磁(MRI)引导的人体器官实时定位跟踪方法，适于在核磁引导放疗设备中执行，包括如下步骤：
(1)确定感兴趣对象；
(2)采集感兴趣对象第一时序内的第一核磁影像集合；
根据第一核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第一3D影像；
根据第一3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第一质心/中心；
(3)采集感兴趣对象第二时序的第二核磁影像集合，其中所述的第一时序与第二时序为相邻时序；
根据第二核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第二3D影像；
根据第二3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第二质心/中心；
(3)计算第一质心/中心与第二质心/中心的距离；
(4)移动放疗设备或治疗装置使第二质心/中心与第一质心/中心重合。
所述的第一核磁影像集合包含一个时序内若干张感兴趣对象不同截面的核磁影像的集合。
第一时序与第二时序的时间间隔小于1s(s为秒)，优选地，第一时序与第二时序的时间间隔小于0.5s；更优选地，第一时序与第二时序的时间间隔小于0.1s。
在所述的第一时序与第二时序的时间间隔期间，人体器官的位移小于设定阈值。
本发明还提供一种核磁引导放疗设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；
核磁共振仪以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，所述的一个或多个程序包括用于上述核磁(MRI)引导的人体器官实时定位跟踪方法的指令。
一种核磁引导放疗系统，包括核磁引导放疗设备、放射治疗装置和治疗床。
所述的放射治疗装置为X线治疗机、医用电子直线加速器、Co-60治疗机等。
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述的一个或多个程序包括指令，所述指令适于由存储器加载并执行上述核磁(MRI)引导的人体器官实时定位跟踪方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过快速摄取不同时序内运动器官当前位置的核磁影像，基于三维重建的运动器官3D核磁影像计算不同时序内运动器官质心的位置差，通过调整放射治疗装置或治疗床的位置来弥补运动器官的位置位移与治疗射束中心的差异，从而减小运动器官的非自主运动或自主运动造成的射束偏移引起周围正常组织或危级器官的损伤。通过实现两个相邻时序的影像跟踪，解决器官实时跟踪问题，从而大大提高核磁引导放疗的精度。
附图说明
图1为本发明一个优选的实施例中核磁引导放疗系统示意图。
图2为本发明一个优选的实施例中核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法流程图。
图3为本发明一个优选的实施例中第一核磁影像一个时序内通过核磁共振仪截取感兴趣对象不同截面示意图。
图4为本发明一个优选的实施例中，第一质心与第二质心位移示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本发明。
图1所示为本发明提供一种核磁引导放疗系统100，该系统包括核磁引导放疗设备110、放射治疗装置120、控制装置130和治疗床140。本发明中的核磁引导放疗设备110通过快速摄取不同时序内运动器官当前位置的核磁影像，基于三维重建的运动器官3D核磁影像计算不同时序内运动器官质心的位置差，通过用于控制治疗床或放射治疗装置中机头位置的控制装置130来调整放射治疗装置120或治疗床140的位置来弥补因运动器官位移造成的治疗射束中心的偏差，从而减小运动器官的非自主运动或自主运动造成的射束偏移引起周围正常组织或危级器官的损伤。其中，放射治疗装置120可以为X线治疗机、医用电子直线加速器、Co-60治疗机等。治疗床为140用于患者在治疗床上接受放射治疗。
一种核磁(MRI)引导的人体器官实时定位跟踪方法，如图2所示，适于在核磁引导放疗设备中执行，包括如下步骤：
确定感兴趣对象210；
其中接收放射治疗的患者部分器官或组织被描述为“感兴趣对象”。例如，在对肺部肿瘤的放射治疗期间，感兴趣对象可以由患者的呼吸运动、心跳搏动等引起特定移动。通过计算由该移动引起的位移，位移信息被发送到系统中。该系统的控制装置控制放疗设备或治疗床的移动，使用该位移信息来补偿患者身体的感兴趣对象的位移，使辐射射束的中心在感兴趣对象上的位置保持不变。
采集感兴趣对象第一时序内的第一核磁影像集合221；
其中第一核磁影像集合包含一个时序内若干张感兴趣对象不同截面的核磁影像的集合(如图3所示)；在第一时序内，从感兴趣器官的n个截面中获取n张核磁共振图像。采集第一时序内第一核磁影像所需的时间跨度为毫秒(ms)级，当前核磁共振摄片可实现在ms级时间范围内连续拍摄若干张感兴趣对象的核磁影像，因此，可以近似认为第一时序内采集的第一核磁影像是在一个时间点上完成。
根据第一核磁影像集合进行三维重建，得到感兴趣对象的第一3D影像222；
通过三维重建技术，将第一核磁影像集合中若干张2D核磁影像重建得到感兴趣对象的质心。其中，三维重建过程中可选用的算法为卷积网格化算法、矩阵反演网格化算法或最相邻近点网格化算法(詹应键2005年，华中科技大学，硕士毕业论文：《磁共振图像采集与图像重建算法研究》)。
根据第一3D影像，确定感兴趣对象的质心或中心，标记为第一质心或第一中心A223；
在一个示例性实施例中，可以采用如下方法计算质心：
其中，r0为质心，
ρi为质量密度或者氢离子密度，如果没有给出该值，可设置默认均匀模体，值为1；
ri为计算点到参考点的距离。
采集感兴趣对象第二时序的第二核磁影像集合231；其中第一时序与第二时序为相邻时序；
采集第二时序内第二核磁影像所需的时间跨度为毫秒(ms)级，当前核磁共振摄片可实现在ms级时间范围内连续拍摄若干张感兴趣对象的核磁影像；因此，可以认为第一时序内第一核磁影像是在一个时间点上完成。
其中，第一时序与第二时序的时间间隔小于1s，优选地，第一时序与第二时序的时间间隔小于0.5s；更优选地，第一时序与第二时序的时间间隔小于0.1s。从而可以避免因时间间隔过长造成运动器官位移偏移过大，导致后面步骤中治疗床或放疗装置位移补偿失去意义。
在本发明的另一个实施方式中，在第一时序与第二时序的时间间隔期间，人体器官的位移小于设定阈值。从而避免运动器官位移偏移过大，导致后面步骤中治疗床或放疗装置位移补偿失去意义。
根据第二核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第二3D影像232；
通过三维重建技术，将第一核磁影像集合中若干张2D核磁影像重建得到感兴趣对象的质心。其中，三维重建过程中可选用的算法为卷积网格化算法、矩阵反演网格化算法或最相邻近点网格化算法。
根据第二3D影像，计算感兴趣对象的质心/中心，标记为第二质心/中心A’233；
计算第一质心/中心与第二质心/中心的距离240，如图4所示的一个示例性实施例中，第一质心/中心A与第二质心/中心A’的位移偏差为x；
移动放疗设备或治疗床使第二质心与第一质心重合250。
在本实施例的一个实施方式中，通过控制装置例如机械臂来移动放疗装置的机头，使机头的位移与器官运动的位移大小及方向相反，从而抵消因器官运动造成靶区与治疗射束中心的偏移。
在本实施例的另一个实施方式中，例如通过机械装置控制放疗床的位置，使放疗床的位移与器官运动的位移大小及方向相反，从而抵消因器官运动造成靶区与治疗射束中心的偏移。
因为，人体运动器官的运动是以秒计算的，通常为若干厘米/秒，而目前核磁共振仪的摄片速度及治疗设备的运动速度可以在毫秒级的时间进行响应。因此，分别采集感兴趣对象在第一时序、第二时序的核磁共振影像造成的时间延误及计算第一、第二质心/中心的计算时间与人体器官运动时间相比是可以忽略不计的。
本发明上述实施例通过快速摄取相邻时序内运动器官位置的核磁影像，基于三维重建的运动器官3D核磁影像计算不同时序内运动器官质心的位置差，通过调整放射治疗装置或治疗床的位置来弥补运动器官的位置位移与治疗射束中心的差异，从而减小运动器官的非自主运动或自主运动造成的射束偏移引起周围正常组织或危级器官的损伤。通过实现两个相邻时序的影像跟踪，解决器官实时跟踪问题，从而大大提高核磁引导放疗的精度。
本实施例中的核磁引导放疗设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；
核磁共振仪以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，所述的一个或多个程序包括用于核磁(MRI)引导的人体器官实时定位跟踪方法的指令，该方法包括如下步骤：
(1)确定感兴趣对象；
(2)采集感兴趣对象第一时序内的第一核磁影像集合；
根据第一核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第一3D影像；
根据第一3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第一质心/中心；
(3)采集感兴趣对象第二时序的第二核磁影像集合，其中所述的第一时序与第二时序为相邻时序；
根据第二核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第二3D影像；
根据第二3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第二质心/中心；
(3)计算第一质心/中心与第二质心/中心的距离；
(4)移动放疗设备或治疗装置使第二质心与第一质心重合。
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其中一个或多个程序包括指令，该指令适于由存储器加载并执行上述核磁(MRI)引导的人体器官实时定位跟踪方法，该方法包括如下步骤：
(1)确定感兴趣对象；
(2)采集感兴趣对象第一时序内的第一核磁影像集合；
根据第一核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第一3D影像；
根据第一3D影像，确定感兴趣对象的质心，标记为第一质心/中心A；
(3)采集感兴趣对象第二时序的第二核磁影像集合，其中所述的第一时序与第二时序为相邻时序；
根据第二核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第二3D影像；
根据第二3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第二质心/中心A’；
(3)计算第一质心/中心与第二质心/中心的距离；
(4)移动放疗设备或治疗装置使第二质心与第一质心重合。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应当理解，这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被该机器执行时，该机器变成实践本发明的设备。
以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在计算机可读介质的范围之内。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法，适于在核磁引导放疗设备中执行，其特征在于：包括如下步骤：
(1)确定感兴趣对象；
(2)采集感兴趣对象第一时序内的第一核磁影像集合；
根据第一核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第一3D影像；
根据第一3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第一质心/中心；
(3)采集感兴趣对象第二时序的第二核磁影像集合，其中所述的第一时序与第二时序为相邻时序；
根据第二核磁影像进行三维重建，得到感兴趣对象的第二3D影像；
根据第二3D影像，确定感兴趣对象的质心/中心，标记为第二质心/中心；
(3)计算第一质心/中心与第二质心/中心的距离；
(4)移动放疗设备或治疗装置使第二质心/中心与第一质心/中心重合。
2.根据权利要求1所述的核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法，其特征在于：所述的三维重建的算法为卷积网格化算法、矩阵反演网格化算法或最相邻近点网格化算法。
3.根据权利要求1所述的核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法，其特征在于：所述的第一核磁影像集合包含一个时序内若干张感兴趣对象不同界面的核磁影像的集合。
4.根据权利要求1所述的核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法，其特征在于：第一时序与第二时序的时间间隔小于1s，优选地，第一时序与第二时序的时间间隔小于0.5s；更优选地，第一时序与第二时序的时间间隔小于0.1s。
5.根据权利要求1所述的核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法，其特征在于：在所述的第一时序与第二时序的时间间隔期间，人体器官的位移小于设定阈值。
6.一种核磁引导放疗设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；
核磁共振仪以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，所述的一个或多个程序包括用于上述权利要求1-5中任一所述的核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法的指令。
7.一种核磁引导放疗系统，包括核磁引导放疗设备、放射治疗装置、控制装置和治疗床。
8.根据权利要求7所述的核磁引导放疗系统，其特征在于：所述的放射治疗装置为X线治疗机、医用电子直线加速器、Co-60治疗机。
9.根据权利要求7所述的核磁引导放疗系统，其特征在于：所述的控制装置用于控制治疗床或放射治疗装置中机头的位置。
10.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述的一个或多个程序包括指令，所述指令适于由存储器加载并执行上述权利要求1-5中任一所述的核磁引导的人体器官实时定位跟踪方法。
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