CN110461415A - 图像引导式辐射治疗 - Google Patents

Abstract

为了将图像引导式辐射治疗处置递送到包括在患者身体的区域中的移动结构，根据第一成像模式采集所述患者身体的区域在所述结构的运动的不同阶段中的一系列第一图像。所述一系列第一图像与患者身体在所述靶结构的所述运动的实质上相同的阶段中的一系列第二图像相关联，所述第二图像以第二成像模式来采集。在所述处置期间，第三图像在所述辐射治疗处置期间使用所述第二成像模式采集，并且所述辐射治疗处置的继续基于与基于所述第三图像和与所述第一图像相关联的第二图像之间的比较所选择的第一图像之一有关的数据来规划。

Description

图像引导式辐射治疗

技术领域

本发明总体上涉及图像引导式辐射治疗。更具体地，本发明涉及一种用于递送图像引导式辐射治疗处置的处置系统和一种用于操作系统的方法。此外，本发明涉及一种用于准备图像引导式辐射治疗处置的系统和方法。此外，本发明涉及一种用于执行方法的计算机程序。

背景技术

在外部波束辐射治疗中，离子辐射被施加到患者的身体内的靶结构(诸如肿瘤)以便控制癌细胞的生长或者杀死癌细胞。在更先进类型的辐射治疗中，精确辐射剂量被施加到患者的身体的区域。在该方面，目标通常是将足够高的辐射剂量递送到靶结构并且节约(spare)敏感结构，其通常还被称为在靶结构附近尽可能远的风险器官(OAR)。

用于控制患者的辐照的处置参数被定义在处置计划中，其特别地指定用于在处置期间根据时间辐照患者的辐射射束的方向和形状。可以在逆向规划流程中确定处置计划。在该流程中，可以指定处置目标，其包括用于在处置期间递送到靶结构和OAR的辐射剂量的要求。然后，执行优化过程以找到导致递送到患者的累积剂量的分布的处置计划，其实现处置目标。在规划流程中，使用表示靶结构和OAR的解剖配置的感兴趣身体区域的一幅或多幅三维规划图像。可以使用X射线断层摄影或者磁共振(MR)成像或者其他适合的成像模态采集(一幅或多幅)图像。

常规地，基于如在(一幅或多幅)规划图像中所示的靶结构和OAR的固定形状和位置执行规划流程。然而，靶结构和OAR的形状和/或位置通常在辐射处置期间改变。因此，靶结构和OAR可以在处置期间移动，例如，由于患者的呼吸。由于靶结构和OAR的形状和/或位置的这样的变化，安全裕度通常当生成处置计划时被添加到靶结构。然而，不管这些安全裕度，原始处置计划能够贯穿整个处置是不准确的，使得基于该处置计划可能不满足处置目标。

为了避免常规辐射治疗处置的该缺点，已经提出图像引导式辐射治疗。根据该方法，在辐射治疗的过程期间捕获靶结构的图像以便确定靶结构和风险结构的改变的形状和/或位置。使用这些图像，在处置期间的间隔内规划处置的继续。特别地，确定处置目标是否可以基于积极处置计划实现，并且如果由于靶结构的改变的形状和/或位置处置目标不能基于积极处置计划实现，则可以执行重新规划流程以对处置计划进行调整。

为了确定处置目标是否可以实现，先前递送到靶结构的累积辐射剂量应当在逐体素基础上确定，其中，体素对应于感兴趣区域的图像的体积元素。基于这些累积剂量值和要根据积极处置计划在处置的剩余部分期间沉积在每个体素中的剂量，可以确定处置目标是否可以基于积极处置计划实现。此外，如果对处置计划进行调整，则在经修改的处置计划的确定中必须考虑根据先前(一个或多个)处置计划先前递送到靶结构和OAR的累积辐射剂量。

为了准确执行剂量累积，表示被用于确定经修改的处置计划的当前图像中的靶结构或OAR的某个部分的每个体素应当映射到(一个或多个)先前处置计划下层的(一幅或多幅)图像。这意指对于当前图像的每个相关体素，确定(一个或多个)先前处置计划下层的(一幅或多幅)规划图像中的体素，其对应于靶结构或OAR的相同部分。基于该映射，能够根据先前处置计划确定已经递送到体素的累积辐射剂量。

为了以这样的方式执行剂量累积，可以应用可变形图像配准(DIR)。在DIR中，两幅图像的体素被变换到相同坐标空间中，其可以特别是图像之一的坐标空间，并且变换可以涉及体素的平移和旋转以及体素的形状的变形。因此，DIR允许确定所谓的变形向量场，其对应于当前图像的体素到处置计划下层的(一幅或多幅)图像的前述映射。

然而，可以通常仅针对具有相同或者至少非常类似的特性(诸如分辨率和对比度)的图像确定准确的DIR。然而，在处置的递送之前采集的规划图像和在处置期间采集的图像常常在该方面是相当不同的，并且在处置期间采集的图像具有较差的质量。这特别对于MR图像是真实的。为了在处置期间足够快速地采集这样的图像，可以应用产生具有比在处置的递送之前被用于初始规划的MR规划图像更低分辨率和更低对比度的特殊采集序列。这些图像基于产生具有高分辨率和对比度的MR图像的较慢采集序列，从而确保准确的处置计划。

如果DIR基于在其特性方面不同的图像执行，则得到的变形向量场通常具有不可忽略的误差。结果，基于变形向量场规划处置的继续具有导致递送到靶结构和/或OAR的不足的剂量分布的不准确度。

US 2006/0074292 A1描述了移动靶的动态跟踪。动态跟踪位于经历运动(其可以关于周期P是周期性的)的解剖区域内的处置靶，诸如肿瘤或病变。根据CT或者其他3D图像的集合针对解剖区域的非刚性运动和变形建立4D数学模型。4D数学模型根据P内的时间的位置使解剖区域的(一个或多个)部分的3D位置与被跟踪的靶相关。使用术前DRR与术中X射线图像之间的基准较低的非刚性图像配准，确定解剖区域的靶和/或(一个或多个)其他部分的绝对位置。使用运动传感器(诸如表面标记)确定周期P。使用以下各项递送辐射射束：1)非刚性图像配准的结果；2)4D模型；和3)P内的时间的位置。

发明内容

本发明的目标是基于处置的递送期间采集的实时图像改进在辐射治疗处置的递送期间的处置的继续的规划。

在一个方面中，本发明提出一种用于基于处置计划将图像引导式辐射治疗处置递送到被包括在患者身体的区域中的移动结构的处置系统。所述处置系统包括：接收单元，其用于接收在所述结构的运动的不同阶段中的患者身体的区域的一系列第一图像，所述一系列第一图像与实质上在所述靶结构的运动的相同阶段中的患者身体的一系列第二图像相关联，所述第一图像根据第一成像模式采集并且所述第二图像在与所述第一成像模式不同的第二成像模式中采集，并且每幅第二图像与关于所述靶结构的运动的相同阶段的第一图像相关联。所述处置系统还包括：成像单元，其可控制为在所述辐射治疗处置期间使用所述第二成像模式采集所述患者的第三图像；以及评价单元，其被配置为在采集所述第三图像后规划所述辐射治疗处置的继续。所述评价单元被配置为基于与所述第一图像之一有关的数据来规划所述处置的继续，并且基于所述第三图像和与所述第一图像相关联的所述第二图像之间的比较来选择所述第一图像。

与所述第一图像有关的数据可以包括所述第一图像和/或用于执行所述第一图像与参考图像之间的DIR的变形向量场，特别地如下面在本文中将描述的。

由于所述处置的继续未直接地基于在所述辐射治疗处置期间根据第二成像模式采集的第三图像而是基于根据所述第一成像模式采集的第一图像来计划，因而使用用于所述处置的继续的规划是可能的，其具有比在所述处置期间采集的图像更好的质量。此外，由于所述第一图像基于与所述第一图像相关联的第二图像与在所述处置期间采集的第三图像之间的比较识别，因此根据包括如在所述第三图像中所示的结构的身体区域的实际解剖配置选择所述第一图像是可能的。此外，由于所述第二图像和所述第三图像根据所述第二图像模式采集，因而其具有类似特性，使得简化这些图像的比较。

在一个实施例中，选择所述第二成像模式，使得其允许与所述第一成像模式相比较更快的图像采集。这允许所述辐射治疗处置期间的第三图像的快速采集。

在另一实施例中，所述第一图像是三维图像并且所述第二和第三图像是三维、二维或一维图像。三维第二图像允许捕获要处置的结构的复杂三维变换。二维和一维图像具有其可以更快地采集(特别地在所述辐射递送处置期间)的优点。

在所述第二图像是二维或一维图像的情况下，所述第三图像的图像特性(诸如视角和/或视场)可以与所述第二图像的对应特性不同。因此，一系列第二图像可以任选地包括用于运动阶段中的一个或多个的多幅第二图像。对于这些运动阶段中的每个，可以针对不同的视角和/或不同的视场采集多幅第二图像。由此，可以基于第三图像实现相关联的第一图像的更鲁棒的选择。

在一个实施例中，所述评价单元被配置为识别与根据预定义准则最好地匹配所述第三图像的至少一幅第二图像相关联的运动阶段，并且将与所识别的运动阶段相关联的第一图像识别为基于其规划辐射治疗处置的继续的第一图像。

在另一实施例中，所述评价单元被配置为在所述辐射治疗处置中基于递送到所述结构的估计的累积辐射剂量规划所述处置的继续，所述累积剂量基于用于执行所识别的第一图像与根据所述第一成像模式采集的参考图像之间的可变形图像配准的变形向量场来确定。

在相关实施例中，所述累积剂量还基于用于执行所述第三图像和与所识别的运动阶段相关联的至少一幅第二图像之间的可变形图像配准的另一变形向量场来确定。所述另一变形向量场量化如第三图像中所示的结构的当前位置和轮廓与选定的第二图像和相关联的第一图像中所示的位置和轮廓之间的差异。这对应于用于执行所识别的第一图像与参考图像之间的可变形图像配准的变形向量场的误差，其在该实施例中借助于所述第二变形向量场来校正。

在另一相关实施例中，基于所述结构的运动的一个阶段中的患者身体的区域的规划图像生成所述处置计划，所述规划图像对应于所述参考图像。此外，所述规划图像可以对应于所述第一图像之一。这意指基于所述第一图像之一生成所述处置计划。然而，情况不必是这样并且用于生成处置计划的规划图像可以同样地独立于所述第一图像来采集。

基于递送到所述结构的估计的累积辐射剂量，所述评价单元可以特别地确定用于所述辐射治疗处置的处置目标是否可以通过使用所述处置计划继续所述处置来实现。该确定被包括在所述处置的继续的规划中。

在评价确定所述处置目标不能通过使用所述处置计划继续所述处置的情况下，所述评价单元可以确定调整的处置计划。可以基于所识别的第一图像和/或基于估计的累积辐射剂量确定调整的处置计划。由此，调整的处置计划可以被提供用于继续所述处置。

此外，所述成像单元可以包括MR成像设备，并且第一和第二成像模式包括使用MR成像设备的图像采集。

在另一方面中，本发明提出一种用于准备被包括在患者身体的区域中的移动结构的图像引导式辐射治疗处置的处置准备系统。所述处置准备系统包括：成像单元，其可控制为采集所述靶结构的运动的不同阶段中的患者身体的区域的一系列第一图像，所述第一图像根据第一成像模式采集。所述成像单元还可控制为采集所述靶结构的运动的实质上相同阶段中的患者身体的区域的一系列第二图像，所述第二图像根据第二成像模式采集。此外，所述处置准备系统被配置为将每幅第二图像与第一图像相关联，所述第一图像是与所述第二图像关于结构的运动的相同的阶段的，并且提供与相关联的第一图像有关的第二图像和数据用于规划所述处置期间的辐射治疗处置的继续中。与所述第一图像有关的数据可以包括所述第一图像自身和/或用于执行第一图像与参考图像之间的DIR的变形向量场。

在所述处置准备系统的一个实施例中，所述成像单元可控制为交替地采集所述第一图像和第二图像。

此外，一个实施例包括，所述处置准备系统还包括：规划单元，其被配置为基于所述第一图像之一生成用于所述辐射治疗处置的处置计划，并且提供用于控制所述辐射治疗处置的递送中的处置计划。

在另一方面中，本发明提出一种用于操作用于基于处置计划将图像引导式辐射治疗处置递送到被包括在患者身体的区域中的移动结构的处置系统的方法。所述方法包括：

-接收所述结构的运动的不同阶段中的患者身体的区域的一系列第一图像，所述一系列第一图像与所述靶结构的运动的实质上相同阶段中的患者身体的一系列第二图像相关联，

-所述第一图像根据第一成像模式采集并且所述第二图像根据与所述第一成像模式不同的第二成像模式采集，每幅第二图像与关于所述靶结构的运动的相同阶段的第一图像相关联，

-在所述辐射治疗处置的递送期间使用所述第二成像模式采集所述患者的第三图像，并且

-基于与所述第一图像之一有关的数据在采集所述第三图像后规划所述辐射治疗处置的继续，所述第一图像是基于所述第三图像和与所述第一图像相关联的第二图像之间的比较来选择的。

在另一方面中，本发明提出一种用于准备被包括在患者身体的区域中的移动结构的图像引导式辐射治疗处置的方法。所述方法包括：

-控制成像单元来采集所述靶结构的运动的不同阶段中的患者身体的区域的一系列第一图像，所述第一图像根据第一成像模式采集，

-控制所述成像单元来采集所述靶结构的运动的实质上相同阶段中的患者身体的区域的一系列第二图像，所述第二图像根据第二成像模式采集，

-将每幅第二图像与第一图像相关联，所述第一图像与所述第二图像关于结构的运动的相同的阶段，并且

-提供与相关联的第一图像有关的第二图像和数据以用于所述处置期间的辐射治疗处置的继续。

除用于操作所述处置系统的方法和用于准备所述处置的方法之外，本发明提出包括用于操作所述处置系统的方法和用于准备所述处置的方法的步骤的另一方法。

在另一方面中，本发明提出了一种包括程序代码模块的计算机程序，所述程序代码模块用于使计算机设备当所述计算机程序在所述计算机设备上运行时执行根据权利要求13和/或14定义的方法。

应当理解，根据权利要求1所述的处置系统、根据权利要求10所述的处置准备系统、根据权利要求13所述的用于操作处置系统的方法、根据权利要求14所述的用于准备图像引导式辐射治疗处置的方法和根据权利要求15所述的计算机程序具有特别地如在从属权利要求中定义的类似和/或相同的优选实施例。

应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求或以上实施例与相应的独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其他方面将从在下文中所描述的实施例而显而易见并且得以阐述。

附图说明

在以下附图中：

图1示意性并且示范性地示出了用于递送图像引导式辐射治疗的处置系统的部件；并且

图2示意性并且示范性地示出了用于规划辐射治疗处置的规划系统的部件。

具体实施方式

图1示意性并且示范性地图示了用于递送患者身体的靶结构的图像引导式辐射治疗处置的处置系统的实施例。靶结构可以特别地是肿瘤。在一个实施例中基于在图2中示意性并且示范性示出的规划系统中的处置之前生成的初始处置计划执行处置。在辐射治疗处置的递送期间，处置系统可以确定经修改的处置计划以便使初始处置计划适应于包括要处置的靶结构的患者身体的区域的解剖改变(如果必要的话)。

辐射处置可以在多个段中递送，其中，段可以在连续日或者在另一周期中被递送到结构。患者身体的相关区域的解剖配置的改变可以在处置段之间(所谓的段间改变)并且在处置段期间(所谓的段内改变)发生。在图1中所示的处置系统中，评价在处置期间尤其是段内改变是否要求处置的重新规划或者处置目标是否可以基于初始处置计划实现而不管这样的改变。这样的改变可以特别地归因于在处置的递送期间靶结构和/或周围OAR的运动，其可以例如由患者身体的呼吸移动引起。在这样的段内改变要求处置的重新规划的情况下，还可以使系统能够使处置计划适应于改变。另外，处置计划可以适于患者身体的相关区域的解剖结构的段间改变。

在图1中所图示的实施例中，辐射治疗系统包括辐射源1，其可以被操作为发射离子辐射以被递送到被定位在处置区2中的患者身体内的靶结构。在处置区2中，患者可以被定位在适合的支撑体(诸如患者台)上，其未示出在图中。辐射源1相对于身体或靶结构的相对位置和取向可以在位置和取向的特定范围上变化。出于该目的，辐射源1可以被安装在可旋转机架3上，使得辐射源1可以在特定角范围内围绕处置区或身体旋转，所述特定角范围可以是360°或更少。另外，机架3和/或患者支撑体可以是在平行于机架3的旋转轴的方向上来回可移动的，围绕垂直于机架3的旋转轴的轴旋转支撑体还可以是可能的。

辐射源1可以包括直线粒子加速器或者用于产生电离辐射射束的另一辐射源。另一辐射源的一个范例是放射源，诸如钴源。辐射源1可以被提供有用于对辐射波束进行成形的准直器4。准直器4可以特别地允许以定义的方式改变跨辐射射束的辐射强度。出于该目的，准直器4可以被配置为多叶准直器。

在辐射处置的递送期间，准直器4的配置通常基于处置计划改变，使得辐射射束利用时变形状递送。在一个实现方案中，辐射处置根据连续的所谓的分段递送，其中，每个分段对应于某个准直器配置或者波束形状。在两个分段之间，准直器配置从分段中的第一个的配置改变为分段中的第二个的配置。在该时段期间，可以关断辐射射束(这通常也被称为步进-扫描方法)。同样地，在不中断辐射射束的情况下根据分段连续地改变准直器配置是可能的。例如，将该方法应用在所谓的体积调制弧形治疗(VMAT)中。

为了在处置期间控制辐射源1、准直器4和患者支撑体，处置系统包括控制单元5。优选地，控制单元5被实现在计算机设备中，包括用于运行包括由控制单元5执行的控制例程的控制程序的微处理器。

在辐射治疗处置期间，控制单元5特别地基于处置计划控制机架3、患者支撑体和辐射源1和准直器4的操作，该处置计划指定相关辐照参数，包括准直器配置和由辐射源1发射的辐射射束的能量和/或强度。在该方面中，可以通过下面在本文中将更详细描述的规划系统将初始处置计划提供给处置系统。处置系统还被配置为在处置期间评估处置目标是否可以基于初始处置计划实现而不管包括靶结构的患者身体的区域的解剖配置的改变，并且在处置目标不能基于初始处置计划实现的情况下，使初始处置计划适应于解剖配置的这样的改变。

为了执行该评估并且为了适配处置计划，处置系统包括评价单元6。评价单元6执行处置计划是否允许实现处置目标的评估和基于使用集成到处置系统中的成像单元7采集的图像的处置的可能重新规划，其可以特别地被配置为MR成像单元。此外，基于图像数据并且基于经由与评价单元6相关联的接收单元8提供到评价单元6的另外的信息做出处置计划是否允许实现处置目标的评估和处置的可能的重新规划。优选地，评价单元6被实现为包括用于评估处置目标是否可以实现并且用于执行处置计划的调整并且在被包括在处置系统中的计算机设备上运行的例程的软件程序。在该方面中，相同计算机设备还可以实现如上文所解释的控制单元5。然而，评价单元6和控制单元5可以同样地被实现在不同的计算机设备中。

成像单元7被布置并且被配置为采集患者身体的相关区域的图像，而患者被定位在用于处置的预定义位置中的处置区中。为了评估处置目标是否可以基于处置计划实现并且使处置计划适应于患者身体的相关区域的解剖配置的改变，成像单元7被配置为根据允许图像的足够的快速采集的特殊成像模式在辐射治疗处置的递送期间采集图像。下面在本文中该成像模式还被称为快速成像模式。

快速成像模式特别地与用于采集下文所描述的规划系统中的规划图像的成像模式不同。该成像模式也被称为高质量成像模式，并且在本文中使用该成像模式采集的图像也被称为高质量图像。为了增加采集速度，快速成像模式可以特别地产生具有与高质量图像相比较更低的分辨率和/或对比度的图像。此外，高质量图像优选地是三维的。相反，在处置系统的实现方案中，导航图像可以同样地是二维或一维图像。

在成像单元7被配置为MR成像单元的情况下，快速成像模式可以特别地包括T1加权或者质子密度(PD)加权脉冲序列的使用。这样的脉冲序列允许更快的采集时间。然而，其产生具有相对低对比度的图像。例如，用于MR成像模式的高质量成像模式还可以包括T2加权脉冲序列和/或流体衰减反转恢复(FLAIR)脉冲序列的使用。

除快速成像模式之外，处置系统的成像单元7还可以支持高质量成像模式。在处置系统被操作为规划系统的情况下，可以应用该成像模式，如下面在本文中将解释的。在这种情况下，高质量成像模式被采用以便采集用于生成初始处置计划的规划图像。此外，高质量成像模式可以被应用于采集用于使处置计划适应于患者的相关身体区域的解剖配置的段间改变的图像。这样的图像可以在处置段的递送之前采集，并且基于这样的图像，评价单元6可以执行重新规划流程以便基于初始处置计划生成经修改的处置计划，该经修改的处置计划适于在初始规划图像中和在当前实时图像中所示的靶结构和/或OAR的解剖配置的改变。

图2中示意性并且示范性示出的规划系统被配置为在辐射治疗处置的递送之前生成初始处置计划。规划系统包括处置单元21，其提供用于生成处置计划的例程。其可以被实现为在规划系统的计算机设备上运行的软件程序。此外，规划系统包括用于采集包括要处置的靶结构和周围OAR的患者身体的区域的图像的成像单元22。成像单元22优选地根据与处置系统的成像单元7相同的成像模态配置。此外，成像单元22支持高质量成像模式。该成像模式特别地还被使用以便采集规划图像，基于其生成初始处置计划。另外，成像单元22可以支持快速成像模式并且该成像模式可以被使用以便采集已经在规划阶段中的导航图像，如下面在本文中将解释的。

在一个实施例中，规划系统与处置系统空间分离。然而，在另一实施例中，规划系统被集成到处置系统中。在这种情况下，处置系统的成像单元7还被用于采集规划图像。此外，规划单元21可以植入处置系统的计算机设备中，其可以是包括控制单元5和/或评价单元6的计算机设备或者分离的计算机设备。

在评价单元21中，使用包括靶结构和围绕靶结构的OAR的患者身体内的相关规划体积的三维规划图像生成初始处置计划。规划图像示出了规划体积的改变解剖结构的一个解剖配置。在规划图像中，描绘了靶结构和OAR。该描绘可以使用本领域的技术人员已知的任何适合的流程执行并且可以被配置为手动、半自动或者自动描绘流程。此外，安全裕度通常被添加到描绘以便生成根据其计算处置计划的靶结构和OAR的有效位置和形状。这些安全裕度导致处置期间的靶结构和/或OAR的位置和/或形状的改变。

基于规划图像，可以根据逆向规划流程生成初始处置计划。基于处置目标执行这样的流程。处置目标特别地指定要递送到靶结构的辐射剂量。相对于靶结构，可以指定要递送到靶结构的均匀剂量或者可以指定用于靶结构的不同区域的不同剂量目标。对应的处置目标可以在用于患者的临床处方中指定，其基于在辐射治疗处置之前的临床诊断准备。另外，处置目标指定用于递送到OAR的辐射剂量的要求。这些处置目标可以同样地被包括在用于患者的处方中，或者其可以在与辐射处置有关的一般规则中指定。与靶结构有关的处置目标可以特别地指定要递送到靶结构的部分的最小辐射剂量。与OAR有关的处置目标可以指定要递送到OAR的最大辐射剂量。

处置目标要在预定义边界内的辐射治疗处置期间实现。这意指与处置目标的偏离通常是可接受的，如果其不超过预定义阈值。为了确定处置计划使得处置目标在预定义边界内实现，优化问题被公式化并且规划单元21至少近似地解决该优化问题。在这样做时，规划单元21确定对应于规划体积中的剂量分布的处置计划，其实现在边界内的处置目标中阐述的要求。剂量分布指定规划体积中的辐射剂量值的空间分布，即，其向规划体积的每个体素分配递送到该体素的辐射剂量，其中，体素对应于规划图像的体积元素。

为了找到这样的处置计划，可以应用操作者引导式迭代优化流程，其中，规划者可以修改处置目标和/或计算的其他参数以便到达最佳处置计划。在该流程的每个步骤中，规划单元21通过接近优化问题的解自动地计算初步处置计划。然后，规划单元21确定对应于该处置计划的剂量分布并且向操作规划单元21的处置规划者可视化剂量分布。规划者查看剂量分布以决定他/她是否满足于剂量分布。如果在一个步骤中用户是满足的，则在该步骤中计算的处置计划被用作最后处置计划。如果用户是不满足的，则优化问题根据由于他/她的查看由用户指定的改变来修改。然后，在下一迭代步骤中，处置单元21计算新初步处置计划。

初始处置计划可以被用于在辐射处置的递送期间控制处置系统。然而，对于包括靶结构和周围OAR的患者身体的区域的某个解剖配置生成初始处置计划。该解剖配置可以在处置期间改变(特别地由于靶结构和/或OAR的运动)。由于前述安全裕度以及与规定剂量目标的允许偏差，相关身体区域的解剖配置的改变不必具有处置目标可以不再实现的结果。然而，如果较大的改变发生，则情况可以是这样。因此，评估在处置期间处置目标是否可以基于初始处置计划实现而不管包括靶结构的区域的解剖改变。如果情况不是这样，则可以在处置系统的评价单元6中对初始处置计划进行调整。此外，调整的计划可以响应于处置期间的解剖改变而进一步修改。

处置目标是否可以基于积极处置计划(其可以是初始处置计划或者已经调整的处置计划)实现的评估特别地涉及根据包括靶结构的区域的实际解剖配置在处置期间已经递送到规划体积的每个体素的累积辐射剂量的估计。基于这些累积剂量值和根据积极处置计划在处置的剩余部分期间要沉积在每个体素中的剂量，可以确定处置目标是否可以基于积极处置计划在预定义边界内实现。

为了执行剂量累积，递送到靶结构和OAR的体素的剂量针对处置的时间分段来计算并且靶结构和OAR的每个体素优选地在处置的过程期间跟踪(即，在初始规划图像中并且基于在处置期间采集的图像)。根据该信息，可以针对每个相关体素确定累积剂量。

为了计算递送到靶结构和OAR的辐射剂量，若干流程对于本领域的技术人员是已知的。一般而言，该剂量基于每个相关时间分段中的积极处置计划并且基于表示在每个相关时间分段期间的靶结构的位置和形状的处置期间采集的图像来计算。根据一个示范性流程，可以通过根据在处置期间采集的图像的处置计划的生成时的解剖配置绘制产生于处置计划的分段的剂量分布来计算用于分段的递送剂量。在另一示范性流程中，在每个相关时间分段期间递送的剂量基于量化由辐射源1发射的辐射的对应于积极处置计划的通量图并且基于在处置期间采集的图像来计算。

为了跟踪相关体素，可以在处置期间在参考图像与示出包括靶结构和OAR的区域的解剖区域的图像之间执行DIR，其中，参考图像可以对应于基于其确定初始处置计划的图像。可以使用对于本领域的技术人员已知的任何适合的DIR算法执行DIR。例如，在公开N.Samavati等人“Effect of deformable image registration uncertainty on lungSBRT dose accumulation”Med.Phys.43,233(2016)和其中引用的参考文件中描述了用于包括患者的肺的区域的适合的DIR算法。DIR的输出是变形向量场，其将示出包括靶结构和OAR的区域的解剖配置的图像变换为参考图像。使用该变形向量场，根据调整的处置计划递送到每个相关体素的剂量可以被映射到参考图像的对应体素以便执行剂量累积。

为了准确地执行剂量累积，DIR优选地使用允许准确地识别靶结构和/或OAR的位置和形状的高质量图像执行。此外，图像优选地具有实质上相对于对比度和分辨率的相同特性。这意指DIR优选地基于使用高质量成像模式采集的图像执行以便保证准确的剂量累积。然而，在处置期间使用高质量成像模式采集实时图像是不可能的，因为不存在足够的时间以使用该模式采集图像。因此，剂量累积响应于使用快速成像模式采集的图像而执行。

然而，剂量累积未直接地基于这些图像执行。相反，在处置期间采集的图像中的每一幅被使用以便识别使用高质量成像模式提前采集的多幅高质量图像之一，使得所识别的图像至少近似地示出其与所采集的实时图像相同的阶段中的靶结构和/或OAR。在所识别的高质量图像与相关参考图像之间执行DIR以确定用于将所识别的高质量图像变换为参考图像的变形向量场。然后基于该变形场执行剂量累积。

为了准备这样的剂量累积流程，在相关处置段之前采集一系列高质量图像。该系列的高质量图像优选地示出包括在其运动的不同阶段中靶结构和周围OAR的患者身体的区域。优选地，在高质量图像的采集的过程中发生的运动在处置的递送期间自己重复。因此，提出的流程特别地适用于在处置期间并且在一系列高质量图像的采集时发生的靶结构和OAR的周期性运动的情况下的剂量累积。这样的周期性运动的一个范例是由患者的呼吸引起的运动。这样的运动特别地当靶结构位于胸部中时发生，例如对于肺癌情况是这样。

除一系列高质量图像的之外，使用低质量成像模式采集另外的一系列图像。在本文中这些图像还被称为导航图像。导航图像优选地实质上针对与高质量图像的靶结构和OAR的运动的相同阶段采集。因此，采集一系列高质量图像和导航图像，其包括用于运动的许多不同阶段中的每一个的高质量图像和导航图像。为了以这样的方式采集该一系列高质量和导航图像，可以交替地采集高质量图像和导航图像。出于该目的，用于采集图像的成像单元可以被控制以根据高质量成像模式和快速成像模式交替地采集图像。

如上所述，高质量图像是具有高对比度和分辨率的三维图像。导航图像具有较低的对比度和/或分辨率。此外，导航图像还可以是三维图像。然而，同样可能的是，导航图像是一维或二维图像。三维导航图像特别地允许捕获靶结构和/或OAR的复杂变形。鉴于经历这样的变形的结构(诸如例如肝脏或胰腺)，这是特别有利的。二维导航图像通常仍然具有相对高的空间分辨率，使得这样的图像仍然允许在相对高准确度的情况下定位小结构。一维导航图像具有其可以在处置的递送期间非常迅速地采集的优点。

考虑导航的维度的这些特性，根据特定临床应用选择要使用的维度。特别地，可以根据要处置的靶结构和OAR的类型选择维度。可以以这样的方式做出选择：具有较低维度的导航图像通常优选以便确保高采集速度，并且在具有较低维度的导航图像不允许足够地定位靶结构和/或OAR的情况下，仅选择较高维度。

在导航图像是二维或一维图像的情况下，以这样的方式采集这些图像：其示出包括靶结构和OAR的区域的部分，其包括用于确定靶结构和OAR的位置和/或形状的足够强的对比度。这确保基于处置期间采集的实时图像的导航仪图像的鲁棒并且快速的选择，如下面在本文中将解释的。为了选择患者身体的相关区域的适当的部分并且因此设定采集导航图像的视场，可以在一系列高质量图像和导航图像的采集之前执行三维搜索扫描。

此外，在使用二维或一维导航图像的情况下，该一系列导航图像可以包括用于运动阶段中的一些或每一个的多幅图像。对于这些运动阶段中的每一个，可以针对不同的视角和/或不同的视场采集二维或一维导航图像。在一个实现方案中，可以针对相关运动阶段采集正交导航图像。

在一个实施例中，该一系列高质量图像和导航图像结合用于患者的辐射治疗处置的初始处置计划的生成通过规划系统(特别地借助于包含在其中的成像单元22)采集。在这种情况下，可以基于采集的一系列高质量图像的高质量图像生成初始处置计划。作为备选方案，在处置段的递送之前不久采集一系列高质量图像和导航图像。在这种情况下，可以通过使用包含在其中的成像单元7的处置系统采集系列。

在处置段的递送之前不久的一系列高质量图像和导航图像的采集具有以下优点：在基于该系列的处置计划的调整中可以考虑除由于在序列中描绘的靶结构和/或OAR的运动的改变之外的解剖结构的改变。因此，如果预期这样的改变，则在处置段的递送之前不久的采集优于处置的初始规划时的采集。这样的改变的范例包括由于在处置段时或者在包括膀胱或者直肠的患者身体的区域中的初始规划时或者位于膀胱或者直肠附近的提交的膀胱或者直肠中的差异的改变。

在已经采集一系列高质量和导航图像后，每幅导航图像与对应的高质量图像相关联(即，与关于靶结构和/或OAR的运动的相同阶段的高质量图像)。做出关联使得处置系统的评价单元6能够确定用于每幅导航图像或者用于可以针对一个或多个运动阶段采集的多幅导航图像的相关联的高质量图像。此外，使用适合的描绘流程在高质量图像中描绘靶结构和相关OAR。然后，导航图像和相关联的高质量通过接收单元8被提供给处置系统的评价单元6。

为了在处置期间执行剂量累积，处置系统借助于包括在处置系统中的成像单元7在处置期间采集包括靶结构和OAR的患者身体的区域的实时图像。出于该目的，控制单元5控制成像单元7使用快速成像模式采集图像。在对应于用于采集一系列导航图像的配置的配置中应用快速成像模式。这特别地意指由成像单元7采集的实时图像具有与系列中的导航图像相同的维度。

图像可以根据将处置分成时间分段来采集，使得一幅图像在这些部分中的每个期间采集。优选地，分段的长度短于处置段，使得每个处置段包括多个分段。以这种方式，可以基于处置的子部分时间分段执行剂量累积。

在通过成像单元7采集实时图像后，评价单元6将采集的图像与被包括在接收到的一系列导航图像中的导航图像进行比较。在该比较中，评价单元6基于预定义准则选择最好地匹配采集的图像的一系列导航图像的导航图像。出于该目的，可以使用对于本领域的技术人员已知的任何适合的匹配准则。使用适当的匹配准则，可以选择导航图像，使得其实质上示出其与采集的实时图像实质上相同的运动阶段中的靶结构和/或OAR。适当的匹配准则的范例包括基于平方差的和、互信息或者互信息的准则。

在多幅导航图像针对一个或多个运动阶段采集的情况下，评价单元6可以将实时图像与对于运动阶段的一组导航图像中的每幅进行比较并且确定最佳匹配组。同样地，基于适合的预定匹配准则做出该确定。

在已经选择关于一个运动阶段的序列的导航图像中的一幅或者关于一个运动阶段的一组导航图像时，评价单元6基于与所选择的导航图像或一组导航图像相关联的高质量图像执行剂量累积。该高质量图像对应于与同选定的导航图像或选定的一组导航图像相同的运动阶段相关联的高质量图像。因此，剂量累积未直接地使用根据快速成像模式采集的图像执行，而是根据基于采集的图像所识别的高质量图像来执行。由于该高质量图像示出实质上与采集的实时图像相同运动阶段中的靶结构和OAR，因此可以基于具有高质量的图像并且基于靶结构和OAR的实际当前位置和轮廓的良好近似做出剂量累积。

为了执行剂量累积，评价单元6可以在所识别的高质量图像与相关参考图像之间执行DIR以便确定将高质量图像变换为相关参考图像的变形向量场。如上所述，例如，相关参考图像可以对应于初始规划图像。所确定的变形向量场可以然后被用于执行剂量累积。

在备选实现方案中，DIR在采集实时图像时未执行。在该实现方案中，DIR在每幅高质量图像与相关参考图像之间提前执行以便确定对应的变形向量场。因此，对于一系列高质量图像的每幅高质量图像而言，一个相关联的变形向量场被确定用于将高质量图像映射到相关参考图像上。变形向量场然后与导航图像关联存储，使得每个向量场与对应于基于其计算变形向量场的高质量图像的导航图像相关联。

在该实现方案中，在已经在处置期间采集实时图像后，评价单元6确定与运动阶段之一相关联的导航图像或者一组导航图像，其最好地匹配采集的实时图像。然后，评价单元6选择与所确定的导航图像相关联的预计算的变形向量场并且使用选定的预计算的变形向量场执行剂量累积。该实现方案具有以下优点：在采集实时图像后，用于执行剂量累积的变形向量场是更迅速地可用的。

在该实现方案中，在评价单元6已经接收到该一系列导航图像和该一系列高质量图像以及相关规划图像之后，可以在评价单元6中预计算变形向量场。作为备选方案，可以在评价单元6外部(例如，在规划单元21中)预计算变形向量场。在这种情况下，评价单元6经由接收单元8连同相关联的变形向量场一起接收一系列图像。

在一个实施例中，DIR额外地在采集的实时图像与选定的导航图像之间在评价单元6中执行以确定另一变形向量场以在导航图像上变换实时图像。在采集三维导航和实时图像的情况下，这是特别有用的。然而，评价单元6可以同样地基于低维导航图像计算另一变形向量场的估计。另一变形向量场量化靶结构和OAR的当前位置和轮廓与导航图像和相关联的高质量图像中所示的位置和轮廓之间的差异。因此，另一变形向量场被用于校正基于高质量图像确定的变形向量场。

这可以通过确定包括另一变形向量场和基于高质量图像确定的变形向量场的组合的组合的变形向量场来完成。以这样的方式做出组合：所得变形向量场对应于在另一变形向量场之后应用基于高质量图像确定的变形向量场的变换。所得变形向量场然后被用于执行剂量累积。

在已经根据上文所描述的实施例之一确定变形向量场时，根据本领域的技术人员已知的流程执行剂量累积。如上文所解释的，该流程可以包括通过使用所确定的变形向量场将靶结构和OAR的体素映射到相关规划图像在处置的相关时间分段期间递送到靶结构和OAR的体素的辐射剂量的计算和在处置期间递送的累积剂量的计算。

可以根据基于采集的实时所识别的高质量图像计算在处置的相关时间分段期间递送到靶结构和OAR的体素的辐射剂量的计算。如果评价单元6计算如上文所解释的组合的变形向量场，则可以备选地基于使用组合的变形向量场(或其相反)根据参考图像生成的图像执行剂量计算。由此，可以生成高质量图像，其表示如采集的实时图像中所示的包括靶结构和OAR的身体区域的实际解剖配置。

在上文所描述的实施例中，可以实质上实时执行剂量累积。如上文所解释的，评价单元6可以使用剂量累积流程的结果来确定处置目标是否可以基于积极处置计划实现。如果已经递送到靶结构和OAR的每个体素的累积剂量和根据处置的剩余部分中的积极处置计划将递送到相应体素的剂量的和对应于用于预定义边界内的体素的剂量目标，则情况是这样。如果评价单元6确定处置目标可以基于积极处置计划实现，则其可以控制处置系统以基于积极处置计划继续处置。

如果评价单元6确定处置目标不能基于积极处置计划实现，则其可以确定调整的处置计划以便实现处置目标。同样地基于在处置期间递送到规划体积的每个体素的估计的累积辐射剂量生成调整的处置计划。基于该估计，确定调整的处置计划，使得规定剂量被递送到靶结构和OAR直到处置结束。此外，调整的处置计划基于患者身体的相关区域的图像生成，所述图像至少近似示出了该区域的当前解剖配置。在该图像中，再次描绘靶结构和OAR并且基于这些描绘生成调整的处置计划。在该方面中，评价单元6可以使用相同图像，其还被用于计算递送到靶结构和OAR的辐射剂量，如上文所解释的。

此外，评价单元6可以使用先前处置计划以便生成调整的处置计划。例如，根据一个策略，对应于相关先前处置计划的剂量分布从先前规划图像被映射到用于调整的新规划图像上。变形的剂量分布可以然后用作用于运行以确定新处置计划的重新规划流程的目标分布。以这样的方式，可以执行处置计划的快速的重新优化。在公开D.Thongphiew等人“Comparison of online IGRT techniques for prostate IMRT treatment:adaptive vsrepositioning correction”,Med Phys.36,1651(2009)中描述了对应的重新优化流程的范例。同样地，可以以本领域的技术人员已知的任何其他适合的方式执行计划重新优化。

通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

计算机程序可以被存储/被分布在适合的介质(诸如连同其他硬件一起或作为其一部分供应的光学存储介质或固态介质)，但是也可以以其他形式分布(诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统)。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于基于处置计划将图像引导式辐射治疗处置递送到被包括在患者身体的区域中的移动结构的处置系统，所述处置系统包括：

-接收单元(8)，其用于接收所述患者身体的所述区域在所述结构的运动的不同阶段中的一系列第一图像，所述一系列第一图像与所述患者身体在所述靶结构的所述运动的实质上相同的阶段中的一系列第二图像相关联，

-所述第一图像是根据第一成像模式采集的并且所述第二图像是以与所述第一成像模式不同的第二成像模式采集的，并且每幅第二图像与关于所述靶结构的所述运动的相同阶段的第一图像相关联，

-成像单元(7)，其能被控制为在所述辐射治疗处置期间使用所述第二成像模式来采集所述患者的第三图像，以及

-评价单元(6)，其被配置为在对所述第三图像的所述采集后规划所述辐射治疗处置的继续，

其中，所述评价单元(6)被配置为基于与所述第一图像中的一幅有关的数据来规划所述辐射治疗处置的所述继续，并且基于所述第三图像和与所述第一图像相关联的所述第二图像之间的比较来选择所述第一图像。

2.根据权利要求1所述的处置系统，其中，所述第二成像模式被选择为使得其与所述第一成像模式相比较允许更快的图像采集。

3.根据权利要求1所述的处置系统，其中，所述第一图像是三维图像，并且其中，所述第二图像和所述第三图像是三维、二维或一维图像。

4.根据权利要求1所述的处置系统，其中，所述评价单元(6)被配置为识别与根据预定义准则最好地匹配所述第三图像的至少一幅第二图像相关联的运动阶段，并且将与所识别的运动阶段相关联的所述第一图像选择为这样的所述第一图像：基于所述第一图像来规划所述辐射治疗处置的所述继续。

5.根据权利要求1所述的处置系统，其中，评价单元(6)被配置为基于在所述辐射治疗处置中递送到所述结构的估计的累积辐射剂量来规划所述处置的所述继续，所述累积剂量是基于用于执行所识别的第一图像与根据所述第一成像模式采集的参考图像之间的可变形图像配准的变形向量场来确定的。

6.根据权利要求4和5所述的处置系统，其中，所述累积剂量还是基于用于执行所述第三图像和与所识别的运动阶段相关联的所述至少一幅第二图像之间的可变形图像配准的另外的变形向量场来确定的。

7.根据权利要求5所述的处置系统，其中，所述处置计划是基于所述患者身体的所述区域在所述结构的所述运动的一个阶段中的规划图像来生成的，所述规划图像对应于所述参考图像。

8.根据权利要求5所述的处置系统，其中，对所述处置的所述继续的所述规划包括对用于所述辐射治疗处置的处置目标是否能够通过使用所述处置计划继续所述处置来实现进行确定，所述确定是基于所述累积剂量来做出的。

9.根据权利要求1所述的处置系统，其中，所述成像单元(7)包括磁共振成像设备，并且其中，所述第一成像模式和所述第二成像模式包括使用所述磁共振成像设备的图像采集。

10.一种用于准备对被包括在患者身体的区域中的移动结构的图像引导式辐射治疗处置的处置准备系统，所述处置准备系统包括：

-成像单元(22)，其能被控制为采集所述患者身体的所述区域在所述靶结构的运动的不同阶段中的一系列第一图像，所述第一图像是根据第一成像模式采集的，

-其中，所述成像单元(22)还能被控制为采集所述患者身体的所述区域在所述靶结构的所述运动的实质上相同的阶段中的一系列第二图像，所述第二图像是根据第二成像模式采集的，并且

-其中，所述处置准备系统被配置为将每幅第二图像与第一图像相关联，所述第一图像是与所述第二图像关于所述结构的所述运动的相同的阶段的，并且提供所述第一图像来用于规划所述处置期间的所述辐射治疗处置的继续。

11.根据权利要求10所述的处置准备系统，其中，所述成像单元(22)能被控制为交替地采集所述第一图像和所述第二图像。

12.根据权利要求10所述的处置准备系统，还包括规划单元(21)，所述规划单元被配置为基于所述第一图像中的一幅来生成用于所述辐射治疗处置的处置计划，并且提供所述处置计划来用于控制对所述辐射治疗处置的递送。

13.一种用于操作处置系统的方法，所述处置系统用于基于处置计划将图像引导式辐射治疗处置递送到被包括在患者身体的区域中的移动结构，所述方法包括：

-接收所述患者身体的所述区域在所述结构的运动的不同阶段中的一系列第一图像，所述一系列第一图像与所述患者身体在所述靶结构的所述运动的实质上相同的阶段中的一系列第二图像相关联，

-根据第一成像模式采集所述第一图像并且根据与所述第一成像模式不同的第二成像模式采集所述第二图像，每幅第二图像与关于所述靶结构的所述运动的相同阶段的第一图像相关联，

-在所述辐射治疗处置期间使用所述第二成像模式来采集所述患者的第三图像，以及

-基于所述第一图像中的一幅在对所述第三图像的所述采集后规划所述辐射治疗处置的继续，所述第一图像是基于所述第三图像和与所述第一图像相关联的所述第二图像之间的比较来选择的。

14.一种用于准备被包括在患者身体的区域中的移动结构的图像引导式辐射治疗处置的方法，所述方法包括：

-控制成像单元(22)来采集所述患者身体的所述区域在所述靶结构的运动的不同阶段中的一系列第一图像，所述第一图像是根据第一成像模式采集的，

-控制所述成像单元(22)来采集所述患者身体的所述区域在所述靶结构的所述运动的实质上相同的阶段中的一系列第二图像，所述第二图像是根据第二成像模式采集的，

-将每幅第二图像与第一图像相关联，所述第一图像是与所述第二图像关于所述结构的所述运动的相同的阶段的，以及

-提供所述第二图像和与相关联的第一图像有关的数据来用于规划所述处置期间的所述辐射治疗处置的继续。

15.一种包括程序代码模块的计算机程序，当所述计算机程序在计算机设备上运行时所述程序代码模块用于使所述计算机设备执行根据权利要求13和/或14所述的方法。