CN110996799B - 用于软组织运动跟踪的双层检测器 - Google Patents

用于软组织运动跟踪的双层检测器 Download PDF

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Abstract

一种成像设备，包括：第一X‑射线检测器，所述第一X‑射线检测器具有低能闪烁体和第一光成像传感器，所述第一光成像传感器可操作来生成一组低能图像信号，其中第一出射辐射是第一入射辐射的剩余部分；能量分离过滤器，所述能量分离过滤器可操作来吸收或反射第一出射X‑射线谱的能量的至少一部分；第二X‑射线检测器，所述第二X‑射线检测器具有高能闪烁体和第二光成像传感器，所述第二光成像传感器可操作来生成一组高能图像信号；以及处理器，所述处理器被配置成基于所述一组高能图像信号而生成高能图像并基于所述一组低能图像信号而生成低能图像，并且将所述高能图像与所述低能图像进行比较以生成软组织图像。

Description

用于软组织运动跟踪的双层检测器
相关申请的交叉引用
本国际申请要求2017年8月1日提交的美国临时申请号62/539,944和2018年6月30日提交的美国非临时申请号16/024,747的权益。包括其任何附录或附件的美国临时申请和美国非临时申请以引用的方式整体并入本文。
背景技术
除非本文另外指明，否则本部分中描述的方法不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
使用放疗(RT)来治疗肿瘤和靶组织的其他区域是广泛已知的。与使用辐射治疗肿瘤相关联的一个挑战是在放射治疗期间精确地对患者的身体内的肿瘤进行定位。当向患者体内的靶肿瘤准确地施加治疗时，要最小化所述治疗对周围健康组织的影响。
附图说明
本公开的前述和其他特征将从以下结合附图进行的描述和随附权利要求中变得更加显而易见。这些附图仅示出了根据本公开的若干个实施方案并且因此不应视为对其范围进行限制。将通过使用附图来更明确且更详细地描述本公开。
图1示出了其中可以整合本公开的实施方案的临床环境。
图2示意性地示出了根据本公开的各种实施方案的双层X-射线检测器的横截面图。
图3是根据本公开的实施方案的将在入射X-射线中测量的X-射线光子的能量分布与在透射的X-射线中测量的X-射线光子的能量分布进行比较的曲线图。
图4A示意性地示出了根据本公开的实施方案的基于来自低能X-射线传感器的信号而生成的X-射线图像。
图4B示意性地示出了根据本公开的实施方案的基于来自高能X-射线传感器的信号而生成的X-射线图像。
图4C示意性地示出了根据本公开的实施方案的通过对低能和高能X-射线图像执行加权减影而生成的X-射线图像。
图5说明了根据本公开的一个或多个实施方案的将低能X-射线传感器和高能X-射线传感器相对于彼此配准的示例方法的流程图。
图6说明了根据本公开的一个或多个实施方案的在RT治疗期间对靶区进行运动跟踪的示例方法的流程图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考了形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指明，否则类似的符号通常标识类似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施方案并不意味着是限制性的。在不脱离此处提出的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施方案并且可以作出其他改变。将容易理解的是，如本文大体所述和图中所示的本公开的各方面可以多种不同的配置加以布置、替换、组合和设计，所有这些不同的配置都被本公开明确涵盖并且成为本公开的一部分。
如本文所使用，辐射指代电离辐射，诸如X-射线和γ射线。X-射线可以用于诊断性成像和治疗(例如，RT)中。出于所使用的术语的简洁性和一致性起见，本文描述的辐射(例如，辐射检测器)可以指代X-射线(例如，X-射线检测器)，但是也包括其他电离辐射。
如上所述，当向患者体内的靶组织准确地施加RT治疗时，要对靶组织周围的健康组织具有最小影响。然而，在RT期间例如由于患者呼吸所致的软组织器官(例如，肺、前列腺或肝)的运动会改变靶组织的位置，并且在RT治疗期间可能会引起不准确的辐射递送。为了降低软组织器官的运动的影响，本领域中当前已知有采用荧光镜检查来获得靶组织的实时移动图像的一些跟踪方法。然而，与靶组织相邻的骨性结构使得基于荧光镜检查的运动跟踪富有挑战性，因为目标软组织可能会被这类骨性结构遮盖。可选地，已提出了用于在视觉上将骨与软组织分离的技术，其中患者被相应地暴露于较高能量X-射线和较低能量X-射线。然而，这些技术通常涉及多次X-射线暴露，并且因此患者被暴露于较高成像剂量。另外对于这些技术，在高能X-射线图像与低能X-射线图像之间的时间偏移可能会导致运动模糊图像以及对靶组织的运动跟踪的降低的准确性。
在一些实施方案中，本公开提供了无需对患者增加成像剂量就可增强软组织运动在图像序列中的可视化的装置和方法。更确切地说，本文公开的示例装置和方法可以消除和/或减小致密物质(例如，骨)对这种图像序列的视觉贡献，从而有助于对靶组织进行准确的放射治疗。在一些实施方案中，成像设备包括堆叠在第二X-射线检测器230上，其间设置有能量分离过滤器240的第一X-射线检测器220，其中第一X-射线检测器和第二X-射线检测器各自包括闪烁体和光成像传感器。在一些实施方案中，第一X-射线检测器220和第二X-射线检测器230可以各自从单次辐射暴露采集靶区的X-射线图像，其中由第一X-射线检测器220采集的图像处于第一平均能量，并且由第二X-射线检测器采集的图像处于不同于(通常高于)第一平均能量的第二平均能量。
在一些实施方案中，第一X-射线检测器采集靶区的X-射线图像。同时，第二X-射线检测器使用处于较高平均能量的穿过第一检测器和过滤器的X-射线来采集靶区的X-射线图像。然后生成靶区的仅有软组织的图像，其中软组织的可见性通过去除遮蔽的致密组织来增强。即使在被骨性结构遮蔽的情况下，这种仅有软组织的图像也能实现对靶区中的软组织器官或结构的运动的更准确的检测。因此，本公开的实施方案经由双能量成像促成对软组织的运动检测，其中利用单次辐射暴露采集两个图像。
图1示出了其中可以整合本公开的实施方案的临床环境100。临床环境100包括由屏蔽墙101隔开的放疗(RT)治疗室120和控制室130。RT治疗室120包括：线性加速器(LINAC)121，所述LINAC 121生成高能X-射线(或在一些实施方案中为电子)的兆伏(MV)治疗射束122；患者床123；千伏(kV)X-射线源124；双层X-射线检测器150；以及在一些实施方案中的MV电子射野成像装置(EPID)125。控制室130包括：图像采集计算机131，所述图像采集计算机131经由采集电缆102通信地耦合到双层成像装置150；以及相关联的控制台132。
图1中还示出了定位在患者床123上以进行RT治疗的患者160。患者160包括软组织161，诸如器官和靶区162。靶区162可以是例如接收RT治疗的肿瘤。患者160还包括骨性结构163，诸如肋、盆骨等等。骨性结构163在X-射线图像中会遮蔽软组织161和靶区162，从而降低RT治疗期间对靶区162的运动检测的准确度。
LINAC 121对治疗射束122进行定制以符合患者160的靶区162中的肿瘤的形状。因此，当靶区162的位置被精确地已知时，LINAC 121破坏或损害癌细胞，同时绕开周围的正常组织。KV X-射线源124是用于在RT治疗期间生成朝向双层X-射线检测器150引导的成像射束126以对靶区162和周围区域进行成像的X-射线源。例如，在一些实施方案中，临床环境100被采用于图像引导的放射治疗(IGRT)中，所述IGRT使用图像引导过程来在治疗之前和期间进行靶标定位。在这类实施方案中，用于精确地监测靶区162的当前位置的图像用kVX-射线源124和双层X-射线检测器150生成。以下结合图2描述了双层X-射线检测器150的一个实施方案。
图2示意性地示出了根据本公开的各种实施方案的双层X-射线检测器150的横截面图。双层X-射线检测器150包括低能X-射线传感器220、高能X-射线传感器230和能量分离过滤器240。双层X-射线检测器150还可以包括读出电子器件250、处理器280和存储器290，它们全部都设置在检测器外壳260内。双层X-射线检测器150可以被采用于许多基于X-射线的成像应用，诸如锥形束计算机断层扫描(CBCT)、射线照相、荧光镜检查、射野成像和非破坏性测试(NDT)中。更确切地说，双层X-射线检测器150使得双能量成像能够通过执行靶区的高能图像与靶区的低能图像的加权减影来生成靶区的仅有软组织的图像。可选地，在一些实施方案中，双层X-射线检测器150使得双能量成像能够通过执行靶区的低能图像与靶区的高能图像的加权减影来生成靶区的骨图像。
处理器280控制双层X-射线检测器150和/或协调双层X-射线检测器150与图像采集计算机131之间的通信，并且通信地耦合到存储器290和/或诸如固态驱动器的非易失性数据存储介质。处理器280可以是被实施为中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、任何其他类型的处理单元或不同处理单元的组合的任何合适的处理器。一般而言，处理器280可以是能够处理数据和/或执行驻存于存储器290中的包括操作系统(OS)的软件应用，并且在一些实施方案中执行X-射线图像采集和/或生成的任何技术上可行的硬件单元。处理器280被配置成从存储器290读取数据并且将数据写入所述存储器。存储器290可以包括随机存取存储器(RAM)模块、快闪存储器单元、任何其他类型的存储器单元或其组合。存储器290可以包括可以由处理器280执行的各种软件程序以及与所述软件程序相关联的应用数据和/或可以用于数据存储。在图2所示的实施方案中，存储器290被示出为与处理器280分离的装置，但是在其他实施方案中，存储器290可以被包括在处理器280中。
低能X-射线传感器220包括低能X-射线闪烁体(low-energy X-rayscintillator)(或低能X-射线闪烁体(low energy X-ray scintillator))221和与所述低能X-射线闪烁体紧密地耦合的光成像传感器222。低能X-射线传感器220还包括将光成像传感器222中的多个像素传感器中的每一个连接到读出电子器件250的传感器-电子器件互连器224。低能X-射线闪烁体221包括闪烁体材料，所述闪烁体材料由入射X-射线激发并且发射光，所述光由光成像传感器222检测。低能X-射线闪烁体221可以由包括但不限于以下的一个或多个材料层形成：硫氧化钆(Gd2O2S:Tb或GdOx)、钨酸镉(CdWO4)、锗酸铋(Bi4Ge3O12或BGO)、碘化铯(Csl)或掺铊碘化铯(Csl:TI))等等。
低能X-射线传感器220被配置成经由低能X-射线闪烁体221将入射X-射线201的一部分转化成光。低能X-射线传感器220还被配置成在光成像传感器222内的多个像素位置中的每一个处测量从入射X-射线201转化的光。在一些实施方案中，低能X-射线闪烁体221的闪烁体材料的厚度223被选择成使得低能X-射线闪烁体221为光成像传感器222中的传感器生成足够的光以生成可用的X-射线图像，但是仍然透射大部分入射X-射线201，例如1％至50％。例如，在一个实施方案中，X-射线闪烁体221包括作为闪烁体材料的Csl，所述Csl具有在约100微米(μm)至约550μm之间的厚度223。
光成像传感器222包括多个光传感器，诸如无定形硅光电二极管、基于互补金属氧化物半导体(基于CMOS)的光电二极管和/或基于电荷耦合器件(基于CCD)的成像装置。光成像传感器222的每个光电二极管或其他光传感器(未示出)是针对最终将成为数字图像的不同像素生成信号(例如，与入射光强度成比例的电压)的像素传感器。例如，在一个实施方案中，光成像传感器222包括具有2880x 2880个像素的阵列并且具有150x 150μm2的像素大小。在一些实施方案中，像素大小小于250x 250μm2。在一些实施方案中，像素大小大于5x5μm2。
高能X-射线传感器230包括高能X-射线闪烁体231和与所述高能X-射线闪烁体紧密地耦合的光成像传感器232。高能X-射线传感器230还包括将光成像传感器232中的多个像素传感器中的每一个连接到读出电子器件250的传感器-电子器件互连器234。高能X-射线闪烁体231包括闪烁体材料，所述闪烁体材料由入射X-射线激发并且发射光，所述光由光成像传感器232检测。高能X-射线闪烁体231可以包括类似于低能X-射线闪烁体221的闪烁体材料或不同的闪烁体材料。
高能X-射线传感器230被配置成将透过能量分离过滤器240的大部分或所有已过滤的X-射线203转化成光。在光成像传感器232上的多个像素位置中的每一个处测量从透射的X-射线203转化的光。因此，在一些实施方案中，高能X-射线闪烁体231的闪烁体材料的组成和高度233被选择为最大化入射X-射线(即，已过滤的X-射线203)到光的转化，所述光由光成像传感器232中的多个像素传感器检测。由光成像传感器232检测的光用于基于已过滤的X-射线203而生成X-射线图像。应注意，已过滤的X-射线203具有高于入射X-射线201的平均能量的平均能量。因此，高能X-射线闪烁体231的闪烁体材料和厚度233被选择为最大化高能X-射线的转化。例如，在一个实施方案中，高能X-射线闪烁体231包括作为闪烁体材料的Csl，所述Csl具有在约500微米至约1000微米之间的厚度233。
光成像传感器232在配置上可以类似于光成像传感器222，并且包括多个光传感器，诸如无定形硅光电二极管和/或基于互补CMOS的光电二极管。光成像传感器232的每个光电二极管或其他光传感器(未示出)是针对最终将成为数字图像的不同像素生成信号的像素传感器。例如，在一个实施方案中，光成像传感器232包括具有2880x 2880个像素的阵列并且具有150x 150微米2的像素大小。可选地，光成像传感器232包括与低能X-射线传感器220的光成像传感器222中包括的像素的数量不同的数量的像素。
入射X-射线201仅可以通过患者160(示出于图1中)，而由高能X-射线闪烁体231接收的已过滤的X-射线203已通过患者160、低能X-射线传感器220和能量分离过滤器240。在一些实施方案中，高能X-射线闪烁体231的厚度233或闪烁体材料可以类似于低能X-射线闪烁体221的厚度223和闪烁体材料。在其他实施方案中，高能X-射线闪烁体231的厚度233或闪烁体材料可以不同于低能X-射线闪烁体221的厚度223或闪烁体材料。在一些实施方案中，高能X-射线闪烁体231的闪烁体材料的厚度233厚于低能X-射线闪烁体221的闪烁体材料的厚度223。例如，在一个实施方案中，厚度233是在约500微米与1000微米之间，而厚度223是在约100微米与约550微米之间。在一些实施方案中，厚度233是在厚度223的约二倍至四倍厚度之间。
读出电子器件250包括经由传感器-电子器件互连器224通信地耦合到低能X-射线传感器220并经由传感器-电子器件互连器234通信地耦合到高能X-射线传感器230的读出模块。读出电子器件250被配置为用于低能X-射线传感器220和高能X-射线传感器230的读出电路。也就是说，读出电子器件250可操作来基于来自低能X-射线传感器220中包括的多个像素传感器中的每一个的图像信号而生成用于第一X-射线图像的数字图像信息，并且基于来自高能X-射线传感器230中包括的多个像素传感器中的每一个的图像信号而生成用于第二X-射线图像的数字图像信息。在一些实施方案中，读出电子器件250的读出率是在约7.5帧/秒至约30帧/秒之间。
在一些实施方案中，读出电子器件250被配置成将特定的增益施加到每个这种图像信号。例如，在一些实施方案中，读出电子器件250被配置成将高达约30:1的增益施加到与低能X-射线传感器220和/或高能X-射线传感器230的像素传感器相关联的图像信号。可选地或另外，在一些实施方案中，读出电子器件250被配置成选择性地将不同的合适的增益施加到低能X-射线传感器220和/或高能X-射线传感器230。例如，在一些实施方案中，读出电子器件250被配置成将七个(或更多个)离散的增益中的一个施加到低能X-射线传感器220和高能X-射线传感器230。
在一些实施方案中，低能X-射线传感器220通常接收比高能X-射线传感器230更强的X-射线信号，读出电子器件250通常对与高能X-射线传感器230相关联的图像信号施加比对与低能X-射线传感器220相关联的图像信号施加的增益更高的增益。
能量分离过滤器240被配置成优化或以其他方式改进入射在低能X-射线传感器220上的X-射线(例如，入射X-射线201)与入射在高能X-射线传感器230的X-射线(例如，已过滤的X-射线203)之间的能量分离。更确切地说，能量分离过滤器240可操作来优先对较低能量区中的大部分入射X-射线进行过滤(即，吸收和/或反射)。例如，在一些实施方案中，能量分离过滤器240包括强烈吸收X-射线的材料，诸如铜(Cu)或铝(Al)的板。这种板的厚度取决于所选择的具体材料以及在低能X-射线201与高能X-射线203之间的X-射线平均能量的差异。例如，在一些实施方案中，能量分离过滤器包括在约0.5mm厚与约3.0mm厚之间的金属板，这取决于金属的密度和入射X-射线的能量。由于低能X-射线被能量分离过滤器240过滤，因此如图3所示，入射X-射线201的平均能量低于透射的X-射线203的平均能量。
图3是根据本公开的实施方案的将在入射X-射线201中测量的X-射线光子的能量分布310与在透射的X-射线203中测量的X-射线光子的能量分布320进行比较的曲线图300。能量分布310和320各自示出了相对于单次X-射线暴露或爆发的光子能量的光子注量。确切地说，在图3所示的实施方案中，响应于成像射束126(示出于图1中)的单次X-射线爆发而相应地进行与能量分布310和320相关联的测量。例如，在一个此类实施方案中，当120kV的峰值电压被施加到kV X-射线源124的X-射线管时，生成成像射束126。
由于透射的X-射线203相对于入射X-射线201被低能X-射线传感器220和能量分离过滤器240衰减，透射的X-射线203中包括的X-射线总量(由能量分布320下方的面积表示)远远小于入射X-射线201中包括的X-射线总量(由能量分布310下方的面积表示)。另外，例如，在一个实施方案中，入射X-射线201和能量分布310的为约60kV的平均能量低于透射的X-射线203和能量分布320的为约80kV的平均能量。
根据本公开的实施方案，可以生成一系列软组织X-射线图像，其中部分或完全消除了骨性结构和其他高密度结构的贡献。如图4A至图4C所示，这些图像中的每一个通过执行经由来自低能X-射线传感器220的信号生成的X-射线图像与经由来自高能X-射线传感器230的信号生成的X-射线图像的加权减影而生成。
图4A示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施方案的基于来自低能X-射线传感器220的信号而生成的X-射线图像410。因此，当已通过患者160的入射X-射线201由低能X-射线闪烁体221接收时生成X-射线图像410。如所示，骨性结构401和软组织结构402两者都对X-射线图像410作出了重大贡献。因此，软组织结构402的一部分在X-射线图像410中部分或完全被遮蔽。图4B示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施方案的基于来自高能X-射线传感器230的信号而生成的X-射线图像420。因此，当已通过患者160、低能X-射线传感器220和能量分离过滤器240的已过滤的X-射线203由高能X-射线闪烁体231接收时生成X-射线图像420。如所示，骨性结构401在X-射线图像420中更为突出。图4C示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施方案的通过执行X-射线图像420与X-射线图像410的加权减影而生成的X-射线图像430。由于已基本上或完全消除了骨性结构401的贡献，因此X-射线图像430基本上是仅有软组织的X-射线图像。因而，在X-射线图像420中，诸如肿瘤或其他靶区162的目标软组织402没有被骨性结构401遮蔽。因而，当被包括在实时生成的一系列类似的X-射线图像中时，X-射线图像430可以有助于RT治疗中的准确的运动检测。
任何技术上可行的减影方法都可以被采用来从X-射线图像430消除骨性结构401的贡献。在一些实施方案中，减影方法在逐像素的基础上执行。例如，当在低能X-射线传感器220的像素传感器与高能X-射线传感器230的像素传感器之间存在一一对应关系时，对X-射线图像401的每个像素的数字图像信息执行加权减影。确切地说，对于X-射线图像401中的每个像素，从X-射线图像401中的像素减去与来自X-射线图像402的对应像素相关联的数字图像信息。在一些实施方案中，采用对数减影算法。通过表达式1和2说明了合适的对数减影算法的一个实例：
其中表示软组织的双能量图像，/>表示硬结构或骨性结构的双能量图像，IL表示基于来自低能X-射线传感器220的信号而实现的低能X-射线图像，IH表示基于来自高能X-射线传感器230的信号而实现的高能X-射线图像，ws表示软组织加权系数，并且wb表示硬结构或骨性结构加权系数。
在一些实施方案中，以上示例对数减影算法的软组织加权因子通过表达式3来确定：
其中表示高能X-射线在硬结构或骨性结构中的衰减系数，并且/>表示低能X-射线在硬结构或骨性结构中的衰减系数。这些衰减系数可以从由美国国家标准与技术研究院(NIST)创建和维护的数据库获得。
在一些实施方案中，以上示例对数减影算法的骨加权因子通过表达式4来确定：
其中表示高能X-射线在软组织中的衰减系数，并且/>表示低能X-射线图像中的低能X-射线在软组织中的衰减系数。
理想地，光成像传感器222的像素传感器中的每一个与光成像传感器232的一个(或多个)对应的像素传感器对准。由于像素大小可以大约为0.1mm，因此在实践中，光成像传感器222的每个像素传感器可能没有完美地与光成像传感器232的期望的对应像素传感器对准。因而，在一些实施方案中，在正常操作之前，测量光成像传感器222与光成像传感器232之间的垂直、水平和旋转(角度)偏移并且随后在生成类似于X-射线图像430的软组织图像时对所述偏移进行补偿。因此，光成像传感器222在配准过程中相对于光成像传感器232配准到位。例如，在一些实施方案中，使用光成像传感器222和光成像传感器232来执行包括垂直和水平对准指示符的体模，诸如纵横塑料体模的成像以生成两个不同的图像。两个图像中的每一个中的对准指示符的位置之后使得能够确定光成像传感器222与光成像传感器232之间的水平、垂直和旋转偏移。所确定的水平、垂直和旋转偏移之后本地存储在双层X-射线检测器150中并且随后使用来对存在于光成像传感器222与光成像传感器232之间的失准进行补偿。确切地说，每次经由光成像传感器222生成类似于X-射线图像410的低能X-射线图像并且经由光成像传感器232生成类似于X-射线图像420的高能X-射线图像时，将水平、垂直和旋转偏移施加到X-射线图像420(或X-射线图像410)以校正光成像传感器222与光成像传感器232之间的几何偏差。一种此类方法的实例被描述于2017年11月27日提交的名为“Misalignment Compensation in Dual X-Ray Imager”的美国专利申请号15/823,533中。此外，图5中描述了一个此类实施方案。
图5说明了根据本公开的一个或多个实施方案的将低能X-射线传感器220与高能X-射线传感器230相对于彼此配准的示例方法的流程图。所述方法可以包括如方框501-507中的一者或多者所示的一个或多个操作、功能或动作。尽管方框以先后顺序示出，但是这些方框可以并行地和/或以与本文描述的那些不同的顺序执行。另外，各种方框可以基于所需实现方式而组合成更少的方框，分为附加方框和/或进行删除。尽管结合图1的临床环境100和双层X-射线检测器150描述了所述方法，但是本领域技术人员将理解，任何适当配置的系统都在本公开的范围内。
方法500开始于步骤501，由低能X-射线传感器220采集低能图像，并且由高能X-射线传感器230采集高能图像。在步骤501中，都同时从相同剂量的入射X-射线201采集低能图像和高能图像。
在步骤502中，针对低能图像生成第一增益图，并且针对高能图像生成第二增益图。在一些实施方案中，还针对低能图像生成第一缺陷像素图，并且针对高能图像生成第二缺陷像素图。缺陷像素图用于去除不良或无响应的像素，并且用于例如经由从相邻像素进行信号内插来对每个去除的像素生成替换信号。
在步骤503中，将校准体模定位在双层X-射线检测器150上。校准体模包括在由低能X-射线传感器220和高能X-射线传感器230采集的图像中可见的十字瞄准线和/或其他精确的位置指示符。
在步骤504中，由低能X-射线传感器220采集低能体模图像，并且由高能X-射线传感器230采集高能体模图像。在步骤504中，都同时从相同剂量的入射X-射线201采集低能体模图像和高能体模图像。
在步骤505中，分别校正低能体模图像和高能体模图像。例如，对低能体模图像和高能体模图像中的每一者执行偏移、增益和/或缺陷像素校正(诸如信号内插)。
在步骤506中，将高能体模图像配准到低能体模图像。例如，在一些实施方案中，将高能体模图像中的十字瞄准线和/或其他精确的位置指示符的位置与低能体模图像中的十字瞄准线和/或其他精确的位置指示符进行比较。然后基于比较而计算两个图像之间的X和Y方向以及旋转角度的移位。可选地，将低能体模图像配准到高能体模图像。
在步骤507中，生成并存储配准校正矩阵。因此，当由低能X-射线传感器220采集低能图像并且由高能X-射线传感器230采集高能图像时，相应通过偏移、增益和缺陷像素校正来校正低能图像和高能图像，之后可以施加如此生成的配准校正矩阵来校正低能X-射线传感器220与高能X-射线传感器230之间的几何偏差。
在一些实施方案中，方法500作为双层X-射线检测器150的制造过程的一部分执行。在其他实例中，方法500作为双层X-射线检测器150的校准过程的一部分定期地执行。
图6说明了根据本公开的一个或多个实施方案的在RT治疗期间对靶区进行运动跟踪的示例方法的流程图。所述方法可以包括如方框601-612中的一者或多者所示的一个或多个操作、功能或动作。尽管方框以先后顺序示出，但是这些方框可以并行地和/或以与本文描述的那些不同的顺序执行。另外，各种方框可以基于所需实现方式而组合成更少的方框，分为附加方框和/或进行删除。尽管结合图1的临床环境100和双层X-射线检测器150描述了所述方法，但是本领域技术人员将理解，任何适当配置的系统都在本公开的范围内。
在结合图6描述的实施方案中，用于方法步骤的控制算法驻存于处理器280和/或图像采集计算机131中和/或由它们执行。在其他实施方案中，这类控制算法可以驻存于任何其他合适的控制电路或计算装置中和/或由它们执行。
方法600开始于步骤601，其中在RT治疗期间将单次爆发的成像射束126朝向双层X-射线检测器150引导以对靶区162和周围区域进行成像。因此，由低能X-射线传感器220接收入射X-射线201，并且由高能X-射线传感器230接收已过滤的X-射线203。由双层X-射线检测器150采集类似于X-射线图像410的低能X-射线图像和类似于X-射线图像420的高能X-射线图像。在一些实施方案中，作为图像采集的一部分，将合适的增益施加到由低能X-射线传感器220和高能X-射线传感器230的各自的像素传感器生成的信号，并且在一些实施方案中，对与高能X-射线传感器230相关联的信号施加比对与低能X-射线传感器220相关联的信号施加的增益更高的增益。在一些实施方案中，作为图像采集的一部分还执行图像校正。
在步骤602中，双层X-射线检测器150将合适的垂直、水平、旋转偏移以及其他几何校正施加到低能X-射线图像或高能X-射线图像以校正光成像传感器222与光成像传感器232之间的几何偏差。
在任选的步骤603中，双层X-射线检测器150优化软组织加权因子(以用于对数减影算法中)。例如，在一些实施方案中，最小化或以其他方式减小骨对比度。
在步骤604中，双层X-射线检测器150通过针对低能图像的每个像素减去与高能X-射线图像相关联的贡献值而生成类似于X-射线图像430的仅有软组织的X-射线图像。例如，在一些实施方案中，在步骤605中采用上文描述的对数减影算法。
在步骤605中，双层X-射线检测器150确定在步骤604中生成的仅有软组织的X-射线图像是否是一系列运动检测图像中的第一帧。如果是的话，则所述方法进行到步骤610；如果不是的话，则所述方法进行到步骤611。
在步骤610中，双层X-射线检测器150选择软组织模板来进行运动检测。在一些实施方案中，基于RT治疗中对靶区域162的自动检测而选择模板。在其他实施方案中，基于用户输入，例如经由控制台132而选择模板。在这类实施方案中，用户可以经由鼠标输入或触敏屏幕手动地跟踪靶区域162。然后将模板存储在存储器290中并且所述方法返回到步骤601。
在步骤611中，双层X-射线检测器150或图像采集计算机131针对当前的RT治疗基于所存储的模板而检测靶区域162。确切地说，在步骤604中生成的仅有软组织的图像中，检测与所存储的模板匹配的软组织。任何常规的图像识别算法或技术都可以采用于步骤611中来检测靶区域162。由于在步骤611中采用类似于X-射线图像430的仅有软组织的X-射线图像，因此靶区域162没有被骨性结构遮蔽。因而，对靶区域162的当前位置的检测比常规方法中的检测更为可靠和精确。
在步骤612中，双层X-射线检测器150或图像采集计算机131确定仅有软组织的图像中的当前模板位置。
在步骤613中，双层X-射线检测器150或图像采集计算机131确定仅有软组织的图像中的模板(或靶区域162)的位置相对于靶区域162的紧挨着前一个的仅有软组织的图像中的模板的位置的变化。然后采用所述模板的位置以及因此靶位置162的移位来修改在进行中的RT治疗期间的治疗射束122的当前位置。例如，在一些实施方案中，将指示模板的位置的移位的信息实时地提供到LINAC 121的控制系统。所述方法然后返回到步骤601。应注意，可以将步骤601-604和611-613的迭代每秒执行7.5次至15次，从而将对靶位置162的位置的变化的实时反馈提供到LINAC 121。
方法600的实现方式提供了图像序列中靶区域162的当前位置的更准确的可视化的优点，其中这类图像序列可以被采用于RT治疗期间的运动检测。另外，这种提高的准确度不以RT治疗期间患者160的增加的成像剂量为代价。相反，同时从单次X-射线暴露生成低能X-射线图像和高能X-射线图像以确定靶区域126在特定时间的位置，因此相较于常规方法，降低了成像剂量。
参考图1至图6，一些实施方案包括双层X-射线检测器150，所述双层X-射线检测器150包括：低能X-射线检测器220，所述低能X-射线检测器220包括低能X-射线闪烁体221，所述低能X-射线闪烁体221可操作来将第一入射X-射线201转化成第一组可见光子；光成像传感器222，所述光成像传感器222可操作来从第一组可见光子生成一组低能图像信号，其中X-射线202是第一入射X-射线在X-射线谱通过低能X-射线闪烁体(low-energy X-rayscintillator)(或低能闪烁体(low energy scintillator))221和光成像传感器222之后的剩余部分；能量分离过滤器240，所述能量分离过滤器240可操作来吸收或反射X-射线202的能量的至少一部分并且将第一出射X-射线谱转化成第二出射X-射线谱；高能X-射线检测器230，所述高能X-射线检测器230包括高能X-射线闪烁体(high-energy X-rayscintillator)(或高能闪烁体(high energy scintillator))231，所述高能X-射线闪烁体231可操作来将X-射线202转化成第二组可见光子；光成像传感器232，所述光成像传感器232可操作来从第二组可见光子生成一组高能图像信号；以及处理器280，所述处理器280被配置成生成基于该组高能图像信号的高能图像和基于该组低能图像信号的低能图像，并且执行高能图像与低能图像的比较以生成软组织图像。
在一些实施方案中，由低能X-射线检测器220接收的第一入射X-射线201的平均能量小于由低能X-射线检测器220接收的透射的X-射线202的平均能量。
在一些实施方案中，比较包括加权减影。
在一些实施方案中，双层X-射线检测器150还包括读出电子器件250，所述读出电子器件250通信地耦合到低能X-射线检测器220和高能X-射线检测器230，并且可操作来基于该组低能图像信号而生成第一数字图像信息并基于该组高能图像信号而生成第二数字图像信息。
在一些实施方案中，读出电子器件250通过将第一增益施加到第一组图像信号而生成第一数字图像信息，并且通过将不同于第一增益的第二增益施加到第二组图像信号而生成第二数字图像信息。
在一些实施方案中，低能X-射线检测器220和高能X-射线检测器230可操作来同时接收辐射。
在一些实施方案中，低能X-射线检测器220和高能X-射线检测器230可以单独的图像采集设定独立地采集图像。
在一些实施方案中，双层X-射线检测器150还包括处理器280，所述处理器280可操作来：基于第一组图像信号而接收数字图像信息并且基于第二组图像信号而接收第二数字图像信息；以及基于第一数字图像信息和第二数字图像信息而生成靶区162的当前位置。
在一些实施方案中，处理器280被配置成基于第一数字图像信息中包括的值与第二数字图像信息中包括的对应值之间的差值而生成靶区162的当前位置。
在一些实施方案中，处理器280被配置成通过对第一数字图像信息中包括的值和第二数字图像信息中包括的对应值执行对数减影算法来生成靶区162的当前位置。
在一些实施方案中，处理器280被配置成基于第一数字图像信息和第二数字图像信息而生成软组织图像和骨图像。
在一些实施方案中，一种在RT治疗期间对靶区162进行运动跟踪的方法包括：接收入射X-射线201，所述入射X-射线201通过包括靶区162的患者160；基于入射X-射线201而生成与患者160相关联的第一组图像信号；透射X-射线202；由能量分离过滤器240接收透射的X-射线202；由高能X-射线检测器230接收透射的X-射线203；以及基于透射的X-射线203而生成与患者160相关联的第二组图像信号。
在一些实施方案中，所述方法还包括：基于第一组图像信号而接收数字图像信息并且基于第二组图像信号而接收第二数字图像信息；以及基于第一数字图像信息和第二数字图像信息而生成靶区162的当前位置。
在一些实施方案中，生成靶区的当前位置包括：基于第一数字图像信息中包括的值与第二数字图像信息中包括的对应值之间的差值而生成靶区的仅有软组织的图像。
在一些实施方案中，生成靶区的当前位置包括：基于对第一数字图像信息中包括的值和第二数字图像信息中包括的对应值进行的对数减影算法而生成靶区的仅有软组织的图像。
在一些实施方案中，将生成第一组图像信号的第一光成像传感器的第一位置相对于生成第二组图像信号的第二光成像传感器的第二位置进行配准。
在一些实施方案中，生成靶区的当前位置还包括将校正矩阵施加到第一组图像信号和第二组图像信号中的一者，其中校正矩阵是基于将第一光成像传感器的第一位置配准到第二光成像传感器的第二位置。
在一些实施方案中，所述方法还包括基于与先前限定的模板匹配的软组织的当前位置和软组织的先前位置而确定靶区的位置的变化。
在一些实施方案中，一种成像设备包括：第一X-射线检测构件，所述第一X-射线检测构件可操作来：接收入射X-射线；基于入射X-射线而生成第一组图像信号；能量分离构件，所述能量分离构件可操作来：接收由第一X-射线检测构件透射的X-射线；以及透射入射X-射线的一部分；以及第二X-射线检测构件，所述第二X-射线检测构件可操作来：接收由能量分离构件透射的X-射线；基于由能量分离构件透射的X-射线而生成第二组图像信号；以及软组织图像生成构件，所述软组织图像生成构件可操作来通过将第一组图像信号与第二组图像信号进行比较而生成软组织图像。
在一些实施方案中，成像设备包括用于跟踪靶区在软组织图像中的运动的运动跟踪构件。
第一X-射线检测构件的实例包括低能X-射线检测器220。
第二X-射线检测构件的实例包括高能X-射线检测器230。
能量分离构件的实例包括能量分离过滤器240。
在本书面公开之后的权利要求特此明确并入到本书面公开中，其中每条权利要求自身作为单独的实施方案。本公开包括独立权利要求与其从属权利要求的所有变换形式。此外，能够从以下独立权利要求和从属权利要求衍生的附加实施方案也明确并入到本书面公开中。这些附加实施方案通过用短语“如以权利要求[x]开始并以正好在这条权利要求之前的权利要求结尾的权利要求中任一项”更换给定从属权利要求的从属关系来确定，其中加括号的项“[x]”用最近叙述的独立权利要求的编号更换。例如，对于以独立权利要求1开始的第一权利要求组，权利要求3可以从属于权利要求1和2中的任一项，其中这些单独的从属关系产生两个不同的实施方案；权利要求4可以从属于权利要求1、2或3中的任一项，其中这些单独的从属关系产生三个不同的实施方案；权利要求5可以从属于权利要求1、2、3或4中的任一项，其中这些单独的从属关系产生四个不同的实施方案；等等。
虽然本文已公开了各个方面和实施方案，但是其他方面和实施方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施方案是用于说明目的，并且不意图是限制性的，其中真实范围和精神由以下权利要求指示。

Claims (16)

1.一种成像设备，所述成像设备包括：
第一X-射线检测器，所述第一X-射线检测器包括：
低能闪烁体，所述低能闪烁体可操作来将入射X-射线谱转化成第一组可见光子；
第一光成像传感器，所述第一光成像传感器可操作来从所述第一组可见光子生成一组低能图像信号，其中第一出射X-射线谱是第一入射辐射在所述入射X-射线谱通过所述低能闪烁体和所述第一光成像传感器之后的剩余部分；
能量分离过滤器，所述能量分离过滤器可操作来吸收或反射所述第一出射X-射线谱的能量的至少一部分并且将所述第一出射X-射线谱转化成第二出射X-射线谱；
第二X-射线检测器，所述第二X-射线检测器包括：
高能闪烁体，所述高能闪烁体可操作来将所述第二出射X-射线谱转化成第二组可见光子；
第二光成像传感器，所述第二光成像传感器可操作来从所述第二组可见光子生成一组高能图像信号；以及
处理器，所述处理器被配置成：
生成基于所述一组高能图像信号的高能图像和基于所述一组低能图像信号的低能图像；以及
执行所述高能图像与所述低能图像的比较以生成软组织图像；
其中所述比较包括加权减影；
其中对于所述低能图像中的每个像素，从所述低能图像中的像素减去与来自所述高能图像的对应像素相关联的数字图像信息；并且
其中针对所述低能图像生成第一缺陷像素图，针对所述高能图像生成第二缺陷像素图，所述第一缺陷像素图和所述第二缺陷像素图用于去除不良像素或无响应的像素，并且用于针对每个去除的像素生成替换信号。
2.如权利要求1所述的成像设备，其中由所述第一X-射线检测器接收的所述入射X-射线谱的平均能量小于由所述第二X-射线检测器接收的所述第二出射X-射线谱的平均能量。
3.如权利要求1所述的成像设备，所述成像设备还包括读出模块，所述读出模块通信地耦合到所述第一X-射线检测器和所述第二X-射线检测器，并且可操作来基于所述一组低能图像信号而生成第一数字图像信息并基于所述一组高能图像信号而生成第二数字图像信息。
4.如权利要求3所述的成像设备，其中所述读出模块通过将第一增益施加到所述一组低能图像信号而生成所述第一数字图像信息，并且通过将第二增益施加到所述一组高能图像信号而生成所述第二数字图像信息，其中所述第二增益高于或等于所述第一增益。
5.如权利要求1所述的成像设备，其中所述第一X-射线检测器和所述第二X-射线检测器可操作来同时接收辐射。
6.如权利要求1所述的成像设备，其中所述第一X-射线检测器和所述第二X-射线检测器能够以单独的图像采集设定独立地采集图像。
7. 如权利要求3所述的成像设备，其中所述处理器可操作来：
接收所述第一数字图像信息和所述第二数字图像信息；以及
基于所述第一数字图像信息和所述第二数字图像信息而生成靶区的当前位置。
8.如权利要求7所述的成像设备，其中所述处理器被配置成基于所述第一数字图像信息中包括的值与所述第二数字图像信息中包括的对应值之间的差值而生成所述靶区的所述当前位置。
9.如权利要求7所述的成像设备，其中所述处理器被配置成通过对所述第一数字图像信息中包括的值与所述第二数字图像信息中包括的对应值执行对数减影算法而生成所述靶区的所述当前位置。
10.如权利要求9所述的成像设备，其中所述处理器被配置成基于所述第一数字图像信息和所述第二数字图像信息而生成软组织图像和骨图像。
11.一种用于跟踪靶区的运动的方法，所述方法包括：
接收入射X-射线谱，其中所述入射X-射线谱通过包括靶区的成像区；
基于所述入射X-射线谱而生成与所述成像区相关联的第一组图像信号；
透射第一出射X-射线谱，其中所述第一出射X-射线谱是所述入射X-射线谱的剩余部分；
使用能量分离过滤器来将所述第一出射X-射线谱转化成第二出射X-射线谱；
基于所述第二出射X-射线谱而生成与所述成像区相关联的第二组图像信号；以及
使用所述第一组图像信号和所述第二组图像信号来跟踪所述靶区的运动；
其中跟踪所述靶区的所述运动还包括：
基于所述第一组图像信号而接收第一数字图像信息并且基于所述第二组图像信号而接收第二数字图像信息；以及
基于所述第一数字图像信息和所述第二数字图像信息而生成所述靶区的当前位置；
其中生成所述靶区的所述当前位置包括：基于对所述第一数字图像信息中包括的值和所述第二数字图像信息中包括的对应值进行的对数减影算法而生成所述靶区的仅有软组织的图像。
12.如权利要求11所述的方法，其中生成所述靶区的所述当前位置包括将生成所述第一组图像信号的第一光成像传感器的第一位置相对于生成所述第二组图像信号的第二光成像传感器的第二位置进行配准。
13.如权利要求12所述的方法，其中生成所述靶区的所述当前位置还包括将校正矩阵施加到所述第一组图像信号和所述第二组图像信号中的一者，其中所述校正矩阵是基于将所述第一光成像传感器的所述第一位置配准到所述第二光成像传感器的所述第二位置。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法还包括基于与先前限定的模板匹配的软组织的当前位置和所述软组织的先前位置而确定所述靶区的位置的变化。
15.一种成像设备，所述成像设备包括：
第一X-射线检测构件，所述第一X-射线检测构件可操作来：
接收第一入射X-射线；
基于所述第一入射X-射线而生成第一组图像信号；以及
透射第一出射X-射线；
能量分离构件，所述能量分离构件可操作来：
接收所述第一出射X-射线；以及
透射第二出射X-射线；以及
第二X-射线检测构件，所述第二X-射线检测构件可操作来：
接收由所述能量分离构件透射的所述第二出射X-射线；以及
基于由所述能量分离构件透射的所述第二出射X-射线而生成第二组图像信号；以及
软组织图像生成构件，所述软组织图像生成构件可操作来通过将所述第一组图像信号与所述第二组图像信号进行比较而生成软组织图像；
其中所述比较包括加权减影；
其中对于所述第一组图像信号中的每个像素，从所述第一组图像信号中的像素减去与来自所述第二组图像信号的对应像素相关联的数字图像信息；并且
其中针对所述第一组图像信号生成第一缺陷像素图，针对所述第二组图像信号生成第二缺陷像素图，所述第一缺陷像素图和所述第二缺陷像素图用于去除不良像素或无响应的像素，并且用于针对每个去除的像素生成替换信号。
16.如权利要求15所述的成像设备，所述成像设备还包括用于跟踪靶区在所述软组织图像中的运动的运动跟踪构件。
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