CN111148548B - 用于发射辐射束以治疗患者的目标肿瘤的放疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于在放疗期间建立可再现屏气模式的系统。一种示例性图像引导放疗系统(100)可以包括气道呼吸控制器(ABC)设备(160)，其可以在成像和/或放疗期间阻挡到患者的气流以固定目标肿瘤。患者可以在训练会话期间练习屏气，直到建立可再现的屏气模式为止。患者可以在成像和/或放疗会话中执行屏气模式，在成像和/或放疗会话期间，可以测量来自患者的生理信号并将其与在训练会话期间收集的基线信号进行比较。测得信号和基线信号之间的变化可以指示不可再现的屏气，在这种情况下，可以改变或停止辐射递送。

Description

用于发射辐射束以治疗患者的目标肿瘤的放疗设备

技术领域

本公开总体上涉及放射治疗或放疗。更具体地，本公开涉及用于在图像引导放疗中管理患者运动的系统和方法。

背景技术

放疗用于治疗哺乳动物(例如，人和动物)组织中的癌症和其它疾病。通常使用线性加速器(LINAC)来提供放疗，由此通过高能粒子(例如，电子、质子、离子等)来照射诸如肿瘤的目标部位。在放疗过程中，可以使用成像设备采集目标肿瘤和周围组织的图像，以改善辐射束的放置和剂量。例如，由图像揭示的信息可用于补偿肿瘤大小或位置的变化，以及补偿患者的移动。

在胸部和上腹部区域的治疗期间，周期性地暂停对患者的通气以防止呼吸器官的运动。例如，可以使用主动呼吸控制(ABC)装置或深吸气屏气(DIBH)装置，其包括嘴件和气流阀，该气流阀在患者的呼吸周期中的特定点周期性地关闭以防止气流进出患者。在气流阻塞的情况下，肺和膈肌可能会被固定，肿瘤或其他靠近呼吸解剖结构的治疗部位也一样。然后可以在目标肿瘤在屏气期间被固定的同时照射该目标肿瘤，此后可以打开气流阀并且恢复呼吸。

根据这些屏气技术，在整个治疗疗程期间，患者必须保持可再现的屏气模式，对于每次屏气以相同的持续时间和相同的肺活量保持其呼吸。然而，许多患者难以保持可再现的屏气。例如，对于屏气不熟悉或不舒服的患者在放疗期间可能变得焦虑或呼吸困难，并且他们的呼吸可能变得更快和更浅。因此，放疗疗程常被延长，因为必须提供允许患者变得足够平静以恢复屏气的时间。另外，由于恐慌和焦虑等原因，进行无法重现的屏气的患者往往以急促、不期望的运动的方式进行呼吸。结果，来自放疗设备的辐射束可能无法精确地瞄准目标肿瘤，并且周围的健康组织可能被无意地辐射。

因此，仍然需要训练患者在放疗期间获得和维持可再现的屏气模式。另外，仍然需要监测患者呼吸的技术，以确保屏气模式的再现性。本公开提供了用于在医学成像和放疗期间开发和维持可再现的、一致的屏气模式以及用于监测患者以确保维持屏气模式中的可再现性的系统和方法。

发明内容

本文公开了用于训练患者开发和维持可再现屏气模式以及用于监测患者的生理信号以确保在医学成像和放疗期间维持屏气模式中的可再现性的系统和方法。本公开的特定示例可实现更加可再现且一致的屏气，因此提供更精确的目标解剖结构成像及对其更精确的辐射递送。

根据本公开的一方面，提供了一种用于在放疗设备中使用的计算机实现的方法，所述放疗设备发射辐射束以治疗患者的目标肿瘤，其中，所述放疗设备与呼吸控制设备一起使用，所述呼吸控制设备用于在放疗期间控制患者的呼吸。该方法包括获得所述呼吸控制设备的预定屏气模式。屏气模式包括用于所述呼吸控制设备的至少一个通气暂停参数、对应于所述至少一个通气暂停参数的基线呼吸信号和对应于所述至少一个通气暂停参数的基线心血管信号。所述方法还包括检测反映患者呼吸的呼吸信号和检测反映患者心血管活动的心血管信号。所述方法还包括将通气暂停信号发送到所述呼吸控制设备，以控制所述呼吸控制设备在对应的屏气时段期间阻挡到患者的气流。所述通气暂停信号基于所述至少一个通气暂停参数。所述方法还包括计算所检测的呼吸信号和心血管信号与所获得的基线呼吸信号和心血管信号之间的变化。所述方法还包括当所计算的变化低于预定阈值时，确定门控所述放疗设备，使得在一个或多个屏气时段期间并且当所计算的变化低于所述预定阈值时对所述放疗设备进行门控以发射所述辐射束。

所述至少一个通气暂停参数可以在训练时段期间获得，并且包括屏气时段持续时间和屏气时段的开始时间。所述开始时间可以是呼气结束和吸气结束中的一个或多个。所述放疗设备可根据与所述至少一个通气暂停参数、所述基线呼吸信号和所述基线心血管信号相对应的治疗计划来发射所述辐射束。所述心血管信号可以是ECG信号和脉搏血氧测定信号中的一个或多个。所计算的变化可以反映与吸气上升时间、呼气下降时间、屏气时段持续时间、呼吸循环持续时间、呼吸信号幅度、心血管循环持续时间和心血管信号幅度中的至少一个相关联的一个或多个参数。所述方法还可以包括根据所检测的心血管信号确定表示两个连续心跳之间的时间段的心血管循环持续时间。所计算的变化反映了所检测的呼吸信号与所述心血管循环持续时间之间的比较。所述方法还可以包括评估所检测的呼吸信号和心血管信号，以预测所述目标肿瘤的位置和移动中的一个或多个。所述方法还可以包括当所计算的变化等于或大于所述预定阈值时停止所述辐射束的发射。所述方法还可以包括：基于所检测的心血管信号确定多个心脏舒张期时段；以及基于所述屏气时段之一和所述心脏舒张期时段之一两者的出现来确定多个放疗激活时段。门控所述放疗设备还可以包括对所述放疗设备进行门控使得所述放疗设备仅在所述多个放疗激活时段中的一个或多个期间发射所述辐射束。

根据本公开的另一方面，提供了一种处理器可读介质，该处理器可读介质包括指令，当由放疗设备的控制器执行时，所述指令使所述放疗设备执行如本文所公开的方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于发射辐射束以治疗患者的目标肿瘤的放疗设备，其中，所述放疗设备被配置为与呼吸控制设备通信，所述呼吸控制设备用于在所述目标肿瘤的放疗期间控制所述患者的呼吸。所述放疗设备包括辐射束发生器和控制器。所述辐射束发生器被配置为根据一个或多个控制参数向所述目标肿瘤发射所述辐射束。所述控制器被配置为获得所述呼吸控制设备的预定屏气模式。屏气模式包括用于所述呼吸控制设备的至少一个通气暂停参数、对应于所述至少一个通气暂停参数的基线呼吸信号和对应于所述至少一个通气暂停参数的基线心血管信号。所述控制器还被配置为检测反映患者呼吸的呼吸信号并检测反映患者心血管活动的心血管信号。所述控制器还被配置为将通气暂停信号发送到所述呼吸控制设备，以控制所述呼吸控制设备在对应的屏气时段期间阻挡到患者的气流。所述通气暂停信号基于所述至少一个通气暂停参数。所述控制器还被配置为计算所检测的呼吸信号和心血管信号与所获得的基线呼吸信号和心血管信号之间的变化。所述控制器还被配置为当所计算的变化低于预定阈值时，确定门控所述辐射束发生器，使得在一个或多个屏气时段期间并且当所计算的变化低于所述预定阈值时对所述辐射束发生器进行门控以发射所述辐射束。

所述至少一个通气暂停参数可以在训练时段期间获得，并且包括屏气时段持续时间和每次屏气时段的开始时间。所述开始时间可以是呼气结束和吸气结束中的一个或多个。所述辐射束发生器可被配置为根据与所述至少一个通气暂停参数、所述基线呼吸信号和所述基线心血管信号相对应的治疗计划来发射所述辐射束。所述心血管信号可以是ECG信号和脉搏血氧测定信号中的一个或多个。所计算的变化可以反映与吸气上升时间、呼气下降时间、屏气时段持续时间、呼吸循环持续时间、呼吸信号幅度、心血管循环持续时间和心血管信号幅度中的至少一个相关联的一个或多个参数。所述控制器还可以被配置为根据所检测的心血管信号确定表示两个连续心跳之间的时间段的心血管循环持续时间。所计算的变化可以反映所检测的呼吸信号与所述心血管循环持续时间之间的比较。所述控制器还可以被配置为基于所检测的信号来预测所述目标肿瘤的位置和移动中的一个或多个。

根据本公开的另一方面，提供了一种放疗系统。该放射治疗系统包括放疗设备，该放疗设备包括被配置成向患者的目标肿瘤发射辐射束的辐射束发生器、被配置成在所述目标肿瘤的放疗期间控制所述患者的呼吸的呼吸控制设备、被配置成检测反映所述患者的呼吸的信号的呼吸传感器、被配置成检测反映所述患者的心血管活动的信号的心血管传感器、以及控制器。所述控制器被配置为获得所述呼吸控制设备的预定屏气模式。屏气模式包括用于所述呼吸控制设备的至少一个通气暂停参数、对应于所述至少一个通气暂停参数的基线呼吸信号和对应于所述至少一个通气暂停参数的基线心血管信号。所述控制器还被配置为从所述呼吸传感器接收呼吸信号并且从所述心血管传感器接收心血管信号。所述控制器还被配置为将通气暂停信号发送到所述呼吸控制设备，以控制所述呼吸控制设备在对应的屏气时段期间阻挡到患者的气流。所述通气暂停信号基于所述至少一个通气暂停参数。所述控制器还被配置为计算所接收的呼吸信号和心血管信号与所获得的基线呼吸信号和心血管信号之间的变化。所述控制器还被配置为当所计算的变化低于预定阈值时，确定门控所述辐射束发生器，使得仅在一个或多个屏气时段期间并且当所计算的变化低于所述预定阈值时对所述辐射束发生器进行门控以发射所述辐射束。

所述辐射束发生器被配置为根据与所述至少一个通气暂停参数、所述基线呼吸信号和所述基线心血管信号相对应的治疗计划来发射所述辐射束。所述系统可另外包括被配置成获取所述目标肿瘤的MR图像数据的MR成像设备。另外，所述控制器可以被配置为从成像设备接收成像数据；根据所述成像数据确定所述目标肿瘤的移动和大小变化中的一个或多个；以及根据所确定的所述目标肿瘤的移动和大小变化中的一个或多个来修改治疗计划。

所公开的实施方式的附加特征和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且将部分地从该描述中显而易见，或者可以通过所公开的实施方式的实践来习得。所公开的实施方式的特征和优点将通过所附权利要求中特别指出的元件和组合来实现和获得。

应当理解，前面的整体概述和下面的详细描述都仅仅是示例和说明性的，而不是对所公开的如所要求保护的实施方式的限制。

附图构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的几个实施方式，并且与说明书一起用于解释所附权利要求中阐述的所公开的实施方式的原理。

附图说明

图1A、图1B和图2示出了根据本公开的各种实施方式的用于图像引导放疗的示例性系统。

图3示出了根据本公开的各种实施方式的用于开发在图像引导放疗期间执行的可再现屏气模式的示例性方法的流程图。

图4示出了根据本公开的各种实施方式的示例性训练会话的流程图。

图5示出了根据本公开的各种实施方式的示例性训练会话系统。

图6A示出了根据本公开的各种实施方式的在屏气期间的示例性呼吸信号和心电图(ECG)信号。

图6B示出了根据本公开的各种实施方式的在屏气期间的示例性呼吸信号和外周毛细血管氧饱和度(SpO₂)信号。

图7A示出了根据本公开的各种实施方式的示例性治疗计划会话的流程图。

图7B示出了根据本公开的各种实施方式的可替换示例性治疗计划会话的流程图。

图8示出了根据本公开的各种实施方式的示例性治疗递送会话的流程图。

图9示出了根据本公开的各种实施方式的示例性MR兼容放疗环境的图。

图10示出了根据本公开的各种实施方式的在ECG触发的成像或放疗期间的示例性呼吸信号和ECG信号。

具体实施方式

参考附图描述示例性实施方式。在不一定按比例绘制的附图中，附图标记的最左边的数字标识附图标记首先出现的附图。只要方便，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。虽然本文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、调整和其他实现是可能的。此外，词语“包括(comprising)”、“具有”、“包含”和“包括(including)”以及其他类似形式旨在含义上是等同的并且是开放的，因为在这些词语中的任何一个之后的一个或多个项目并不意味着是这些一个或多个项目的穷尽列举，或者意味着仅限于所列出的一个或多个项目。还应当注意，如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。

示例性实施方式一般涉及用于在医学成像和/或放疗期间管理屏气模式的技术。这可以在训练会话期间实现，在训练会话中，系统允许患者选择屏气模式并用ABC设备来实践模式的执行，直到患者能够舒适且可再现地执行该模式。另外，示例性实施方式一般涉及用于评估成像和/或放疗会话期间患者屏气的再现性的系统和方法。可以在会话期间从患者收集呼吸依赖性生理信号，并将其与训练会话期间测量的信号进行比较。信号之间的差异可以指示不可再现的屏气，并且可以改变或停止会话，直到恢复可再现的屏气。

图1A和图1B示出了用于图像引导放疗的示例性系统100的视图。系统100可以包括放疗设备120和医学成像设备140。系统100可以是组合的磁共振成像(MRI)和线性加速器系统，称为MR-LINAC。因此，放疗设备120可以是LINAC设备，并且医学成像设备140可以是MRI设备。然而，将理解，本公开的系统100不限于MR-LINAC，并且本文中所公开的系统和设备可用于启用任何合适的医学成像设备、任何合适的放疗设备或任何合适的组合的医学成像和放疗设备。

系统100可包括系统100的孔或开口中的用于支撑患者110的长榻180。长榻180可沿水平平移轴线(标记为“I”)移动，使得患者110可被移入或移出系统100的开口。在一些实施方式中，长榻180可围绕横向于平移轴线的中心竖直旋转轴线旋转。长榻180可形成从长榻或系统100的支撑结构(图1A和图1B中未描述)突出的悬臂部分。在各种实施方式中，长榻180可以沿着平移轴线相对于支撑结构移动，以便形成悬臂部分，即，悬臂部分的长度随着长榻180的移动而增加，并且支撑结构保持静止。在可替换实施方式中，支撑结构和长榻180都沿着平移轴线移动，使得悬臂部分在长度上保持基本恒定，如在公开为WO 2009/007737的专利申请中所描述的，该专利申请的内容通过引用并入并且本领域技术人员为了充分理解所描述的实施方式参考该专利申请。

系统100可另外包括医学成像设备140，其可被配置为产生定位于长榻180上的患者的实时成像。医学成像设备140可包括主磁体142，主磁体142可用于产生用于磁共振成像的主磁场。主磁体142可由轴线平行于平移轴线I延伸的一个或多个线圈组成。一个或多个线圈可以是单个线圈或多个不同直径的同轴线圈。在一些实施方式中，主磁体142中的一个或多个线圈间隔开，使得磁体142的中心窗口144没有线圈。在其它实施方式中，磁体142中的线圈可以简单地足够薄或具有减小的密度，使得这些线圈对于由放疗设备120产生的波长的辐射基本上是透明的。磁体142还可以包括一个或多个有源屏蔽线圈，其可以在磁体142外部产生与外部主磁场幅度近似相等且极性相反的磁场。放疗设备120(例如加速器124)的部分可以定位在磁体142的外部，以便防止它们之间的干扰。

医学成像设备140还可以包括两个梯度线圈146、148，其可以生成叠加在主磁场上的梯度磁场。线圈146、148可以在产生的磁场中产生梯度，该梯度允许质子的空间编码，使得可以确定质子的位置，例如可以控制线圈146、148使得所获得的成像数据具有特定取向。梯度线圈146、148可以围绕与主磁体142共同的中心轴线定位，并且可以沿着中心轴线彼此移位。该位移可在线圈146、148之间产生间隙或窗口。在主磁体142还包括线圈之间的中心窗口144的实施方式中，两个窗口彼此对准。

医学成像设备140可另外包括RF系统，其可使得质子改变其相对于磁场的对准。当关闭RF电磁场时，质子返回到原始磁化对准。这些对准变化产生可通过扫描检测的信号。RF系统可以包括单个线圈，其既发送无线电信号又接收从患者反射的无线电信号。在其它实施方式中，RF系统还可包括专用于发送和接收功能的单独线圈。在其它实施方式中，RF系统可包括多元件相控阵列线圈。控制电路(图1A和图1B中未描述)可以控制各个线圈142、146、148和RF系统的操作，并且信号处理电路可以接收由RF系统输出的无线电信号，无线电信号然后可以用于生成由长榻180支撑的患者110的图像。

系统100可另外包括放疗设备120，其可将辐射剂量递送到由长榻180支撑的患者110。放疗设备120可以包括射束发生器124(例如x射线源和线性加速器)和射束成形设备(例如多叶准直器(MLC))126，射束发生器124和射束成形设备126中的至少一个可以安装在底盘122上。底盘122可由一个或多个底盘电机提供动力，使得当其被插入治疗区域时，其可围绕长榻180连续地旋转。在一些实施方式中，辐射检测器也可以安装在底盘122上，例如与射束发生器124相对，并且底盘122的旋转轴线位于它们之间。放疗设备120另外可包括控制电路，该控制电路可以集成在系统100内并且可以控制射束发生器124、MLC 126和底盘电机。射束发生器124可以定位成通过由两个梯度线圈146、148限定的窗口，并且还通过在主磁体142中限定的窗口144发射辐射束128。辐射束128例如可以是锥形束或扇形束。在其它实施方式中，放疗设备120可以包括多于一个射束发生器和/或多于一个相应的多叶准直器。

在操作中，可以将患者110放置在长榻180上，并且可以将长榻180插入到由磁线圈146、148和底盘122限定的治疗区域中。控制电路可以控制射束发生器124、MLC 126和底盘电机以通过线圈146、148之间的窗口向患者递送辐射。可以控制底盘电机，使得底盘122可以围绕患者旋转，使得可以从围绕患者的不同方向递送辐射。MLC 126可具有垂直于射束128的轴线定向的多个细长叶片；在欧洲专利申请EP-A-0,314,214中示出和描述了一个示例，该欧洲专利申请的内容通过引用结合于此，并且读者针对该示例以获得对所描述的实施方式的全面理解。MLC 126的叶片可被控制为采用不同的位置以选择性地阻挡辐射束128中的一些或全部，从而改变到达患者的射束的形状。

在底盘122围绕患者旋转的同时，长榻180可以沿着平移轴线移入或移出治疗区域(即，平行于底盘的旋转轴线)。通过这种同时运动，可以实现本领域已知的用于产生某些类型的剂量分布的螺旋辐射递送模式。

躺在长榻180上的患者110可被提供主动呼吸控制器(ABC)160。ABC 160可以包括可以放置在患者口中的呼吸管162。鼻夹164可放置在患者的鼻子上以确保患者的所有呼吸必须通过呼吸管162，呼吸管162可连接到软管166，新鲜空气、氧气或可呼吸混合物可通过软管166供应。替代地或附加地，呼吸管162可向大气开放。呼吸管162可另外包括可选择性操作的阀168，其可关闭或打开呼吸管162以选择性地允许空气自由通过。在一些实施方式中，阀168可经由沿着软管166延伸并由软管166承载的缆线来控制。ABC 160另外可包括呼吸传感器240，例如肺活量计和/或呼吸测定器(pneumotach)，其可以测量去往和来自患者的空气的流速以及肺空气体积，并且其可以将测量结果输出到系统100。可选地，ABC 160还可以包括报警按钮(图1A和图1B中未描述)，其用于使阀168立即打开并停止成像和/或放疗。

图2示出根据本发明的各种实施方式的系统100的另一示例性视图。如图1A和图1B中所描述的，系统100可包括放疗设备120、成像设备140、ABC 160和长榻180。系统100另外可包括数据库210和控制器220。控制器220可以包括硬件和软件组件以连接并控制系统100的各种部件，部件包括但不限于放疗设备120、成像设备140、ABC 160和长榻180。替代地或附加地，控制器220可执行诸如治疗计划、治疗执行、图像采集、图像处理、运动跟踪、运动管理或放射治疗过程中涉及的其他任务的功能或操作。硬件部件可以包括一个或多个计算机(例如，通用计算机、工作站、服务器、终端、便携式/移动设备等)；处理器(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用或专门设计的处理器等)；存储器/存储设备(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存，硬盘，光盘，固态驱动器(SSD)等)；输入设备(例如键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、按钮、旋钮、轨迹球、控制杆、手柄、操纵杆等)；输出设备(例如显示器、打印机、扬声器、振动设备等)；电路；印刷电路板(PCB)；或其它合适的硬件。软件部件可以包括操作系统软件、应用软件等。例如，如图2所示，控制器220可以包括可以存储在控制器220的存储器/存储设备中的治疗计划模块222。模块222可以包括计算机可读和可执行代码或指令。控制器220的处理器可以通信地连接到治疗计划模块222以访问和执行代码或指令。代码或指令的执行可使得控制器220执行操作以实现与所公开实施方式一致的一个或多个功能。

成像设备140可以提供患者的医学图像。例如，成像设备140可以提供一个或多个MRI图像(例如，2D MRI、3D MRI、2D流MRI、4D体积MRI、4D电影MRI)；计算机断层扫描(CT)图像；锥束CT图像；正电子发射断层摄影(PET)图像；功能MRI图像(例如，fMRI、DCE-MRI、扩散MRI)；X射线图像；荧光镜图像；超声图像；放疗门户图像；单光发射计算机断层扫描(SPECT)图像；等等。因此，成像设备140可包括MRI成像设备、CT成像设备、PET成像设备、超声成像设备、荧光镜设备、SPECT成像设备或用于获得患者的医学图像的其它医学成像设备。成像设备140可以被配置成获取患者解剖结构的感兴趣区域(例如，目标器官、目标肿瘤或两者)的一个或多个图像。每一图像(通常为2D或3D图像切片)可包括一个或多个参数(例如，切片厚度或体积、定向和位置等)。在一示例中，成像设备140可在任何定向上获取图像切片。例如，图像切片的取向可以包括矢状取向、冠状取向或轴向取向。控制器220可以调整一个或多个参数，例如图像切片的尺寸和/或取向，以包括目标器官和/或目标肿瘤。在一个示例中，可以根据诸如3D MRI体积的信息来确定图像切片。当患者正在接受放疗治疗时，例如当使用放疗设备120时，这种图像切片可以由成像设备140“实时”获取。

放疗设备120可以包括LINAC或能够以可控的方式将辐射递送到患者的感兴趣解剖区域的任何其它合适的设备。控制器220可以根据放疗治疗计划来控制放疗设备120。治疗计划可以包括关于要施加到特定患者的特定剂量的信息，以及其他参数，诸如射束角度、剂量直方图体积信息、治疗期间要使用的辐射射束的数量、每射束剂量等。控制器220可根据治疗计划控制放疗设备120的各种部件，诸如底盘122、射束发生器124和射束成形设备126。在一些实施方式中，控制器220可以使用从成像设备140接收的图像来生成治疗计划。替代地或附加地，控制器220可以从数据库210获取治疗计划并且可以用放疗设备120执行该计划。在一些实施方式中，控制器220可以在用放疗设备120执行之前修改从数据库210接收的治疗计划。

另外，控制器220可以在成像会话和放疗会话中的一个或多个期间控制ABC 160的操作。控制器220可以控制ABC 160的各种通气暂停参数，诸如阀关闭时段(“屏气时段”)的持续时间和数量以及ABC 160的阀关闭的患者呼吸循环中的点。在一些实施方式中，控制器220可以从数据库210接收给定患者的通气暂停参数，并且可以使用这些参数来控制ABC160。在患者致动ABC 160的报警按钮的情况下，控制器220可以使阀168打开，以及停止放疗设备120和/或成像设备140的操作。

在一些实施方式中，控制器220可以从呼吸传感器240接收与患者的呼吸循环相关的数据，并且可以使用该数据来控制ABC 160。在一些实施方式中，传感器240可包括呼吸测定器，其可收集与呼吸期间的气流速率相关的数据。传感器240可以将感测到的呼吸数据输出到控制器220用于处理。在一些实施方式中，控制器220可处理数据以识别患者的呼吸循环，患者的呼吸循环包括呼气终止(“呼气结束”)和/或吸气终止(“吸气结束”)。替代地或附加地，控制器220可处理呼吸数据以评估呼吸循环期间患者肺中的空气体积。控制器220可使用经处理的呼吸数据来向ABC 160输出控制信号以执行屏气。例如，控制器220可以向ABC160发送通气暂停信号，以在患者的呼吸循环中的指定点(例如在呼气结束)关闭阀168。控制器220可以处理来自呼吸传感器240的数据以识别何时发生呼气结束。例如，当确定患者的肺保持特定体积的空气时，可以识别呼气结束。替代地或附加地，呼气结束可通过气流方向的变化(即呼气结束并且吸气开始)来识别。所属领域的技术人员将理解，可使用类似方法以及患者呼吸循环中的任何其它期望点来识别吸气结束。当识别出呼气结束时，控制器220可向ABC 160发送通气暂停信号以关闭阀168，该信号指示屏气时段的长度。替代地或附加地，控制器220可处理从成像设备140接收的数据以控制ABC 160。例如，成像设备140的导航器通道(或另一快速采集输出)可以执行快速1D或2D扫描以测量患者的膈肌的移动和/或目标肿瘤的移动，并且可以将扫描数据输出到控制器220，控制器220可以处理扫描数据以识别呼气结束。

控制器220可另外控制长榻180的移动。例如，控制器220可以控制长榻180的平移、旋转和悬臂运动中的一个或多个以正确地定位患者用于成像和/或放疗。在一些实施方式中，控制器220可将长榻180移动到指定位置作为治疗计划的一部分。替代地或附加地，控制器220可移动长榻180以补偿患者在计划和治疗的不同阶段期间在长榻180上采用不同位置。也就是说，如果患者在治疗期间以与在计划期间不同的方式躺在长榻180上，则控制器220可以移动长榻180，使得患者被移动到期望的位置。控制器220可例如通过利用从成像设备140接收的成像数据来实现该重新定位。

系统100可另外包括至少一个心血管传感器230。心血管传感器230可以包括例如心电图(ECG)传感器和脉搏血氧计中的一个或多个。在一些实施方式中，因为心血管活动取决于患者的呼吸，由心血管传感器230测量的信号可用于在成像和/或放疗期间评估和监测患者的呼吸。因此，由心血管传感器230和呼吸传感器240测量的信号可以指示患者的呼吸和呼吸运动的变化。有利地，多个参数的使用可以提供对患者的更全面和更敏感的监测，因为通过测量冗余极大地减少了未检测到的呼吸发作的可能性。根据其中传感器230包括ECG传感器的各种实施方式，ECG电极可以根据已知配置定位在患者身体上。在一些实施方式中，传感器230可被配置以最小化或消除对MRI的干扰。例如，传感器230的电极可被配置成以与MR成像设备(例如成像设备140)的收发器频率不同的频率操作，使得MRI伪影可被最小化。替代地或附加地，可在传感器230的传感器输出处添加电子滤波器以减少从其发射的噪声。替代地或附加地，如下面参考图9所解释的，可以使用例如光纤或无线技术来建立系统100的各种部件之间的通信线路，以便减少由传统电子布线产生的噪声。根据其中传感器230包括脉搏血氧计的各种实施方式，脉搏血氧计可附接到患者身体的各种部分，例如手指或脚趾。有利地，这种放置可将脉搏血氧计定位在系统100的治疗区域之外。结果，脉搏血氧计可避免被放疗设备120或成像设备140损坏或受到其干扰。

控制器220可以通信地连接到数据库210以访问数据。在一些实施方式中，数据库210可以使用本地硬件设备来实现，诸如在控制器220附近的一个或多个硬盘驱动器、光盘和/或服务器。在一些实施方式中，数据库210可以在相对于控制器220远程定位的数据中心或服务器中实现。控制器220可以通过有线或无线通信来访问存储在数据库210中的数据。

数据库210可以包括关于ABC 160的操作的数据，该数据在利用放疗设备120的放疗会话之前的会话期间被收集。例如，数据库210可以包括一个或多个患者的通气暂停参数211。如下所述，参数211可用于控制ABC 160的操作。数据库210可另外包括各种基线生理测量信号，诸如基线心血管信号212、基线呼吸信号213和基线信号评估参数214。信号可以包括例如值、波形等。如下文所解释的，信号212-214可以在之前的会话期间从患者收集，并且可以用作基线，该基线可以与在放疗期间收集的数据进行比较。数据库210可另外包括肿瘤模型215和放疗治疗计划216，其可以已经根据由成像设备和/或组合成像和放疗系统收集的成像数据来生成。在一些实施方式中，控制器220可以(使用例如由成像设备140收集的成像数据)生成肿瘤模型215和治疗计划216，并且可以将肿瘤模型215和治疗计划216发送到数据库210以存储在其中。在其他实施方式中，肿瘤模型215和治疗计划216可以由系统100外部的处理器生成并且可以存储在数据库210中。在这种情况下，控制器220可以从数据库210接收肿瘤模型215和治疗计划216，并且可以根据所接收的肿瘤模型215和治疗计划216利用放疗设备120来执行放疗会话。

在一些实施方式中，控制器220可包括治疗计划模块222。模块222可以例如从数据库210接收肿瘤模型215和治疗计划216，并且可以修改肿瘤模型215以产生经修改的肿瘤模型225。在一些实施方式中，在放疗会话开始之前，系统100可以利用成像设备140收集多个图像。可以将图像与肿瘤模型215进行比较以确定目标肿瘤的变化，诸如目标肿瘤大小或位置的变化。模块222可以修改肿瘤模型215以合并所确定的目标肿瘤的改变，从而产生经修改的肿瘤模型225。治疗计划216也可以被修改以考虑所确定的肿瘤变化，从而产生经修改的治疗计划226。放疗会话可以根据经修改的治疗计划226来执行。然而，本领域普通技术人员将理解，控制器220可以附加地或替代地执行从数据库210接收的治疗计划216，而无需由模块222修改。

图3示出了用于开发在图像引导放疗期间执行的可再现屏气模式的示例性方法300。方法300可以包括训练会话310、治疗计划会话320和治疗递送会话330。方法300可以是处理器执行的方法。在一些实施方式中，会话310、320和330可以由相同的处理器(例如控制器220)执行。替代地，会话310、320和330中的一个或多个可以由单独的处理器执行。根据各种实施方式，诸如控制器220的一个或多个处理器可以执行方法300，以允许患者在治疗计划和放疗之前开发和实践可再现的屏气模式。结果，患者在放疗期间可能更舒适，并且能够更好地在可接受的质量限制内执行所建立的屏气模式。另外，一个或多个处理器可执行方法300以测量可指示可再现屏气的基线心血管信号和呼吸信号。例如，在建立患者的优选屏气模式的训练会话310期间，可以由各种传感器从患者收集基线信号。在随后的治疗计划会话320和/或治疗递送会话330期间，可以测量来自患者的心血管信号和呼吸信号并将其与基线信号进行比较。测量信号与基线之间的差异可指示不可再现的屏气。

图4示出了在训练会话310期间执行的示例性步骤，图5示出了示例性训练会话系统500，其可以包括处理器510。训练会话310可以由处理器执行，并且可以与ABC 160和传感器230、240一起执行。以下示例描述了处理器510执行训练会话310。然而，训练会话310可附加地或替代地由控制器220或由任何合适的处理器执行。

在一些实施方式中，处理器510可以在非临床环境中(诸如在没有医生或医疗从业者在场的情况下在患者的家中)执行训练会话310。有利地，这可以降低患者治疗的总成本，因为训练会话310不需要在临床环境中或通过医疗从业者执行。在一些实施方式中，处理器510可以是患者家中的台式或膝上型计算机，并且可以经由通信接口550将在训练会话310期间收集的数据输出到存储设备。处理器510可以被配置为向ABC 160和传感器230、240发送控制信号并且从ABC 160和传感器230、240接收反馈信号。

在训练会话310期间，处理器510可以允许患者利用ABC 160实践屏气模式，直到患者变得舒适地执行该模式并且屏气模式变得可再现。即，处理器510可以利用ABC 160重复执行屏气模式，直到患者能够在每次屏气的呼吸循环的一个一致的时间长度和一个一致的点上屏气。训练会话310可由处理器510执行以确定由ABC 160执行的屏气模式，患者可在成像和/或放疗期间舒适且可再现地执行该屏气模式。患者可以在训练会话310期间多次实践屏气模式，直到他们能够以可再现的方式、以一致的呼吸频率、肺容量(以及由此的胸部位置)和屏气持续时间来执行屏气模式。通过实现可再现的屏气模式，处理器510可以确保在每次屏气期间将患者的解剖结构以及目标肿瘤定位在相同位置。有利地，当处理器在随后的放疗会话期间通过患者执行可再现屏气模式时，由放疗设备120递送的辐射可以被精确地递送到目标肿瘤，而不是递送到健康的周围组织。在训练会话310的过程中，处理器510可以调整或允许患者调整屏气模式的参数，直到患者能够可靠地再现期望的模式。

在一些实施方式中，系统500可以包括一个或多个音频输出设备520，诸如扬声器或耳机，以及显示设备530，以在训练会话310期间向患者提供反馈。在一些实施方式中，处理器510可以经由显示设备530向患者提供视觉指令，以在执行训练会话310期间引导患者。替代地或附加地，处理器510可以通过音频输出设备520和/或显示设备530提供电话或视频聊天选项，使得患者可以与诸如医生或护士的医疗从业者互动。训练会话310可以由处理器510执行，其中ABC 160和传感器230、240以适当的临床配置布置在患者身上。在一些实施方式中，音频输出设备520可以向患者输出用于训练会话310的音频指导。例如，设备520可以向患者警告即将到来的屏气。可选地，设备520可以另外输出放松音频(例如海洋声音)。当传感器230、240在训练会话310期间收集来自患者的测量值时，可以在显示设备530上显示来自患者的反馈信号。系统500还可以包括用户输入设备540和通信接口550，其可以通信地耦合到处理器510。输入设备540可以包括例如键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、按钮、旋钮、轨迹球、控制杆、手柄和操纵杆。通信接口550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(例如光纤、USB 3.0、雷电接口等)、无线网络适配器(例如Wi-Fi适配器)、远程通信适配器(例如3G、4G/LTE等)等。

根据训练会话的步骤402，处理器510可以例如经由接口550获得模板屏气模式，并且可以将其作为患者的屏气模式存储在存储器存储设备中。模板可以包括屏气时段的预设持续时间，以及患者的呼吸循环中要发生屏气的预设点。例如，屏气可发生在吸气结束或呼气结束时。在一些实施方式中，模板屏气模式可以是标准模板。替代地，可以根据患者的一个或多个特征来确定模板屏气模式。例如，处理器510可以经由接口550访问屏气模式模板的数据库，并且可以根据患者的性别、年龄、体重、身高、胸部尺寸、医疗状况等来选择模板。在训练会话310期间，可以根据患者的反馈和由传感器230、240检测到的信号来针对患者修改模板屏气模式并使其个性化。

在步骤404中，传感器230、240可以从患者收集生理数据。传感器230可以收集心血管信号，诸如ECG信号和SpO₂信号中的一个或多个。传感器240可收集呼吸信号，例如指示通过ABC的软管166去往和来自患者的气流的信号。传感器230、240可以将其各自的测量信号输出到处理器510用于处理和分析。

在步骤406中，处理器510可以例如通过输入设备540从患者接收关于他们期望的屏气时段参数的输入数据。例如，处理器510可以接收反映患者选择延长或缩短屏气时段的持续时间的数据。处理器510还可以从患者接收数据，该数据可以反映对在呼气结束、吸气结束或呼气结束和吸气结束两者发生屏气的选择。处理器510可以根据所接收的输入来修改患者的屏气模式。在一些实施方式中，在处理器510在步骤406中未接收到输入数据的情况下，处理器510可维持来自在步骤402中接收到的模板屏气模式和/或来自先前训练运行(run)的屏气参数。

在步骤408中，处理器510可执行训练运行，其中患者可练习屏气。患者可采取仰卧位，类似于他们在成像或放疗期间的定位方式。呼吸管162可以放置在患者的口腔中，鼻夹164夹在鼻子上。在一些实施方式中，患者可将紧急按钮握在手中。处理器510可以通过音频输出设备520输出音频指导，以向患者通知训练运行的开始、一个或多个屏气的开始和/或训练运行的剩余持续时间。当传感器230、240向处理器510输出数据时，反馈信号可以显示在显示设备530上以供患者查看。在训练运行期间，处理器510可监测从呼吸传感器240接收的信号，以识别患者的呼吸循环中发生屏气的确定点。在检测到这一点时，处理器510可以向ABC 160发送通气暂停信号，ABC 160可以在确定的屏气时间段内关闭阀168，之后可以打开阀168。在一些实施方式中，处理器510可以在训练运行期间执行单个屏气循环。在一些替代实施方式中，处理器510可在训练运行期间执行预定数目(例如，3个、5个、10个、15个、20个、25个、30个等)的屏气循环。在一些另外的实施方式中，处理器510可以连续地执行屏气循环，直到被患者停止，例如通过操作用户输入设备540或紧急按钮。在整个训练运行408中，传感器230和240可以连续地向处理器510输出数据。在任何时候，如果患者致动紧急按钮，则可以停止训练运行并且可以打开阀168。

在步骤410中，处理器510可以处理在训练运行408期间从传感器230、240接收的信号以生成其评估参数。图6A示出了用于示例性ECG信号和呼吸信号的各种评估参数，而图6B示出了用于示例性SpO₂信号和呼吸信号的各种评估参数。然而，根据一些实施方式，ECG和SpO₂以及任何其他合适的心血管信号都可以由传感器230测量。示例性呼吸信号可以在呼气结束602和吸气结束604之间循环振荡。在一些实施方式中，呼气结束602和吸气结束604可各自与预定肺容积相关联，屏气可被编程为发生在一个或多个预定肺容积处。图6A和图6B示出了屏气发生在呼气结束602的实施方式。然而，处理器510可以被配置为控制ABC160，使得屏气替代地发生在吸气结束604处。

处理器510可以计算呼吸循环持续时间610，其可以是周期性呼吸循环的周期。例如，呼吸循环持续时间610可被计算为两个连续呼气结束602之间或两个连续吸气结束604之间的时间长度。另外，处理器510可计算屏气时段持续时间614，屏气时段持续时间614可与ABC的阀168关闭的时间长度以及患者胸部保持在屏气位置的时间长度相关联。持续时间614可被确定为这样的持续时间，在该持续时间中，呼吸循环由于缺少通过ABC 160去往或来自患者的气流而保持恒定。开始时间618可以被确定为屏气的开始，与处理器510可以向ABC 160发送通气暂停信号的时间一致。结束时间620可以被确定为屏气的结束，在该点处可以打开阀168并且可以恢复呼吸。因此，持续时间614可以是开始时间618和结束时间620之间的时间量。

根据图6A所示的实施方式，处理器510可进一步确定呼气下降时间612以及吸气上升时间616，呼气下降时间612可为吸气结束604与随后的屏气开始时间618之间的时间段，吸气上升时间616可为屏气结束时间620与随后的吸气结束604之间的时间段。根据其中屏气发生在吸气结束604的替代实施方式，处理器510可以将吸气上升时间616确定为呼气结束602和随后的屏气开始时间618之间的时间段。类似地，处理器510可以将呼气下降时间612确定为屏气结束时间620和随后的呼气结束602之间的时间段。在一些实施方式中，呼吸循环持续时间610可以等于呼气下降时间612、屏气时间段持续时间614和吸气上升时间616的组合持续时间。

处理器510可另外分析从传感器230检测到的心血管信号以确定其评估参数。根据心血管信号包括ECG信号的实施方式，例如图6A的示例，处理器510可以确定单个ECG循环的持续时间622。例如，处理器510可以确定两个连续ECG现象之间的时间长度，诸如两个连续R波或两个连续S波之间的时间长度。因此，处理器510可以计算患者的心率，诸如以每分钟搏动(BPM)为单位。处理器510另外可确定ECG循环的信号的持续时间和幅度，以及它们之间的间隔的持续时间。根据心血管信号包括SpO₂信号的实施方式，例如图6B的示例，处理器510可以确定单个SpO₂循环的持续时间622，其可以用于确定脉搏率和心率。在一些实施方式中，处理器510可另外计算心血管循环持续时间622与呼吸循环持续时间610、呼气下降时间612、屏气时段持续时间614和吸气上升时间616中的一个或多个之间的比率。

返回到图4的步骤410，处理器510可以计算一个或多个评估参数，并且可以在训练运行期间确定评估参数的可变性。例如，处理器510可以计算一个或多个评估参数的范围、平均值、方差、标准偏差和百分比差中的一个或多个。在一些实施方式中，处理器510可以利用机器学习技术来开发患者屏气的模型。在所计算的一个或多个参数的可变性高于预定阈值(例如，相差5％)的情况下，在最后训练运行期间执行的屏气模式可被确定为不可再现。许多因素可导致不可再现的屏气，例如患者的不适或对ABC操作的不熟悉，或者患者对其优选呼吸模式的探索。在其它情况下，患者可能在训练运行期间变得焦虑，这可能导致他们的心血管循环和呼吸循环的频率增加。在一些情况下，患者可能在训练运行的过程中变得疲劳，并且可能更频繁地呼吸并且呼吸更浅。无论在什么情况下，具有一个或多个评估参数的太高可变性的训练运行数据可以被处理器510拒绝，因为它可以指示不可再现的屏气。在步骤410结束时，处理器510可以选择将检测到的心血管信号和呼吸信号存储在存储器存储设备中。替代地或附加地，处理器510可以选择从中存储评估参数。

当处理器510确定患者没有实现可再现的屏气时，处理器510可以选择执行另一训练运行，如步骤412所示。在随后的训练运行之前，在步骤406，患者可以选择改变屏气模式的一个或多个参数。例如，患者可以选择改变屏气的长度。或者，患者可以选择保持通气暂停参数不变。然后，处理器510可以在步骤408执行另一训练运行，并且可以在步骤410评估从其测量的信号。可选地，在步骤410，处理器510可以将来自当前训练运行的评估参数与来自先前训练运行的参数进行比较，以评估它们的试验间变化。在一些实施方式中，该过程可以继续，直到处理器510在步骤410确定患者已经实现了可再现的屏气模式。在一些实施方式中，可以在所有评估参数的测得的可变性低于预定阈值时进行该确定，从而暗示屏气模式在训练运行期间是可再现的。可选地，处理器510还可以考虑训练运行之间的评估参数的变化。例如，处理器510可以不确定屏气模式是充分可再现的，直到试验之间的变化低于阈值。在一些实施方式中，可以将在多个或所有训练运行期间收集的数据合并到机器学习模型中，该机器学习模型可以由处理器510执行以建立患者的屏气模式。例如，这样的机器学习模型可以基于最大似然估计，该最大似然估计可以反映训练运行数据与先前数据之间的相似性的置信水平。可选地，处理器510可以在步骤414询问患者他们是否希望保持可再现的屏气模式，或者他们是否希望返回到步骤406以执行另一训练运行。

在步骤416，可以建立患者的最终的、可再现的屏气模式并将其存储在存储器存储设备中，该模式包括对应的通气暂停参数211。处理器510可以另外接收在可再现屏气期间由传感器230检测到的心血管信号，并且可以将该信号作为基线心血管信号212存储在存储器存储设备中。处理器510可以类似地接收在可再现屏气期间由传感器240检测到的呼吸信号，并且可以将该呼吸信号作为基线呼吸信号213存储在存储器存储设备中。因为这些信号是在可再现屏气期间测得的，所以这些信号可以用作基线，随后的信号可以与该基线进行比较以确定是否实现了可再现屏气模式。在步骤418，处理器510可以计算基线信号的评估参数214并将其存储在存储器存储设备中。

在步骤420，处理器510可以例如经由接口550输出最终屏气模式以及相关联的基线信号和评估参数。可以将该数据输出到合适的数据存储站点，可以从该数据存储站点访问该数据以供后续评估和使用。例如，数据可被输出到诸如数据库210之类的数据库，数据可从该数据库被诸如控制器220之类的另一处理器访问。数据还可以被上传到云服务器、网络设备或处理器，并且还可以被发送到医生或医院或健康系统数据库。在一些实施方式中，可以例如经由接口550将最终屏气模式以及患者的合格特征添加到屏气模式模板的数据库中。

有利地，因为处理器510可以允许患者选择他们期望的屏气模式并且在训练会话310期间向患者提供实践该模式的机会，所以处理器510可以允许患者在随后的成像或放疗会话中更舒适地执行该模式，并且不太可能偏离所建立的模式。另外，因为对于每次屏气，目标肿瘤始终由处理器保持在相同位置，并且因为患者可以舒适地保持整个屏气持续时间，在未来的会话中由诸如控制器220的处理器执行可再现屏气模式可以允许更精确的成像和更精确的辐射递送。

由传感器230、240检测到的心血管信号和呼吸信号依赖于并反映患者呼吸循环的变化。处理器510对多个呼吸依赖性参数的监测可以允许更准确地检测患者的呼吸和呼吸运动的变化。在一些情况下，仅从呼吸信号可能难以检测呼吸运动的变化。因此，心血管信号可以向处理器510提供用于评估患者呼吸的附加度量。例如，在患者在屏气期间恐慌的情况下，他们的呼吸可能变得更快更浅，并且他们的心率可能加快。来自呼吸传感器230的输出可能不会立即指示这些变化，因为呼吸循环具有大约3.5秒的较长持续时间。因此，在一些情况下，可能需要提供几秒以供处理器510记录呼吸循环的变化。然而，心血管信号具有大约一秒的较短循环持续时间。因此，可以在仅仅几秒之后由处理器510检测心血管信号的变化，在这几秒之后处理器510可以断定屏气不再是可再现的。

在一些实施方式中，处理器510可计算心血管信号和呼吸信号之间的比率，并可随时间流逝监测这些比率。例如，处理器510可计算包括心血管循环持续时间622和呼吸循环持续时间610之间的比率的评估参数。例如，在一些患者中，由于大约一秒的心血管循环持续时间622和大约3.5秒的呼吸循环持续时间610，这些持续时间可以具有1:3.5的比率。在处理器510检测到该比率的变化的情况下，例如由于心率的增加而引起的变化，处理器510可以确定患者没有正在执行屏气模式或者患者处于痛苦中。因为评估参数可以包括仅从心血管信号和呼吸信号中的每一个检测到的参数以及从这两个信号导出的参数，所以来自心血管传感器230的输出可以向处理器510提供对来自呼吸传感器240的输出的交叉检验，反之亦然。

在一些实施方式中，处理器510可以在非临床环境中(诸如在患者的家中或工作场所)执行训练会话310。有利地，这可以降低患者治疗的总成本，因为处理器不需要在临床环境中或通过医疗从业者执行训练会话310。另外，在一些情况下，处理器510可以允许患者由于他们在训练会话310期间可能接收的练习而延长他们的可再现屏气时段。这可减少后续成像或放疗会话期间所需的时间，因为可在较长屏气期间收集图像或递送辐射。此外，患者可以更放松更舒适地执行他们选择的屏气模式，而不是被迫维持不舒服的屏气模式。

图7A示出了根据各种实施方式的在治疗计划会话320期间执行的示例性步骤。下面的示例描述由控制器220执行治疗计划会话320。然而，治疗计划会话320可附加地或替代地由任何合适的处理器执行。例如，在一些实施方式中，治疗计划会话320可以由与系统100外部的成像设备相关联的处理器执行，诸如没有放疗组件的MRI系统。执行与外部设备的计划会话320可以延长系统100的寿命，因为用于治疗计划的高分辨率成像可以造成例如MRI梯度放大器的磨损和RF线圈的降级。此外，在系统100之外的位置处执行训练会话310和治疗计划会话320可以允许使用系统100来对更大数量的患者执行图像引导放疗，因为系统100的时间不需要用于训练或治疗计划。根据其中治疗计划会话320由与系统100外部的成像设备相关联的处理器执行的各种实施方式，可以利用ABC 160、长榻180、传感器230和传感器240中的一个或多个。

在会话320期间，图像可以由成像设备140从患者收集并且输出到控制器220，控制器220可以生成目标肿瘤的模型，控制器220可以从该模型创建放疗治疗计划。反馈可由传感器230、240提供给控制器220以评估患者的呼吸循环，从而确保患者正以所需精度执行可再现屏气模式。有利地，控制器220在计划会话320期间执行可再现屏气模式可以提供肿瘤的更好质量和更高分辨率的图像，因为控制器220可以通过ABC 160的门控在每次屏气中将肿瘤保持在相同位置，并且因为屏气时段持续时间可以足够长以允许成像设备140的高分辨率2D和3D成像。

在步骤702中，控制器220可接收所建立的患者屏气模式，其可包括通气暂停参数211以及患者的基线信号212、213和评估参数214。例如，控制器220可以从数据库210或另一数据存储设备接收该数据。在步骤704中，传感器230、240可以从患者收集生理数据，并且可以将其各自的测得信号输出到控制器220用于处理和分析。根据患者的已建立屏气模式，控制器220可监测从传感器230和240中的一个或多个接收的数据，以确定屏气(例如呼气结束)的开始何时发生。在步骤706中，在检测到患者呼吸循环的必要部分时，控制器220可以向ABC 160发送通气暂停信号，以在屏气时段的持续时间内关闭阀168。在步骤708中，控制器220可门控成像设备140的成像器(例如，线圈142、146、148和/或MRI RF系统)以在屏气时段期间收集患者的成像数据。成像数据可以包括例如目标肿瘤的2D或3D图像切片。阀168可以在屏气时段结束时打开。在步骤710中，控制器220可以(例如从MRI RF系统)接收成像数据。

在步骤712中，控制器220可基于来自传感器230和240的输出来确定评估参数。在一些实施方式中，控制器220可以根据在屏气时段期间由传感器230、240收集的部分信号来确定评估参数。在替代实施方式中，控制器220还可使用在屏气开始时间618之前出现和/或在屏气结束时间620之后出现的部分信号。例如，控制器220可以使用检测到的呼吸信号和检测到的心血管信号的在开始时间618之前开始预定时间长度(例如5秒)并且在结束时间620之后结束预定时间长度(例如5秒)的部分。以这种方式，控制器220可以生成与屏气期间的患者状态相关联的评估参数，并且可选地，可以生成屏气之前和/或之后的患者状态的评估参数。

控制器220可以将所生成的评估参数与基线评估参数进行比较，以确定测得信号是否与基线信号足够相似。例如，控制器220可计算反映所生成的评估参数与其对应的基线参数(诸如范围、平均值、方差、标准偏差和百分比差)之间的可变性的一个或多个值。如果一个或多个评估参数的可变性值高于阈值(例如，相差5％)，则控制器220可以确定测得信号不同于基线信号，并且可以推断患者的屏气是不可再现的。然而，如果控制器220确定针对所有评估参数计算的可变性低于阈值，则控制器220可确定屏气是可再现的。

在步骤714中，如果控制器220确定在先前成像循环期间屏气是不可再现的，则控制器220可以选择丢弃成像数据。然而，如果控制器220确定屏气是可再现的(即，针对所有评估参数计算的可变性低于阈值)，则控制器220可以将收集的成像数据存储在诸如数据库210的存储器存储设备中。在步骤716中，控制器220可以重复成像，直至收集到足够数量的图像为止。

在步骤718中，控制器220可以确定收集了足够数量的图像，并且可以处理成像数据以生成肿瘤模型，诸如4D肿瘤模型。根据各种实施方式，控制器220可以评估所接收的图像，以从周围健康组织描绘目标，诸如目标肿瘤。例如，控制器220可以在每个2D或3D图像切片中轮廓化目标肿瘤，并且可以将其组合以生成肿瘤的4D模型。轮廓可以自动生成(例如，使用诸如由瑞典斯德哥尔摩的Elekta AB制造的基于Atlas的自动分割软件

的程序)。本领域普通技术人员将理解，这里描述的肿瘤建模过程仅仅是示例性的，并且可以利用任何合适的建模技术来从所接收的成像数据中生成肿瘤模型。

在步骤720中，控制器220可确定肿瘤位置与受试者的心血管信号和呼吸信号之间的相关性。该确定可以包括在屏气期间识别肿瘤的确切位置。在一些实施方式中，该确定可另外包括确定在屏气期间可能发生的任何轻微肿瘤移动。在屏气期间，控制器220可以将肿瘤固定在近似相同的位置，因为肺和膈肌的运动由于ABC 160中的阻塞气流而被固定。这可至少部分地归因于一些肿瘤(例如肺肿瘤)的位置基于肺和膈肌的运动的事实。然而，由于心律和血流，肿瘤可能在屏气期间移动非常小的距离。这些现象可以通过心血管信号来指示。因此，控制器220可以将检测到的肿瘤移动与接收到的心血管信号进行比较以确定它们之间的相关性。如心血管信号和呼吸信号所指示的肿瘤位置和移动可以由控制器220构建到肿瘤模型中，从而生成肿瘤模型215。结果，可以通过检测到的心血管信号和呼吸信号精确地预测肿瘤的位置和移动，这是因为它们的位置相关性是已知的并且被构建到肿瘤模型中。

在步骤722中，控制器220可以基于肿瘤模型生成放疗治疗计划216。在一些实施方式中，治疗计划可以包括辐射剂量以及其他参数，诸如射束角度、剂量直方图体积信息、在放疗期间要使用的辐射射束的数量、每个射束的剂量等。可以考虑诸如目标肿瘤的位置和大小之类的因素以实现肿瘤的有效治疗(例如，使得肿瘤接收足够的辐射剂量用于有效治疗)和健康周围组织的低辐射(例如，健康周围组织接收尽可能低的辐射剂量)之间的平衡。在一些实施方式中，控制器220可确定要施加到肿瘤的辐射剂量，以及可由肿瘤周围的健康组织(例如，肺组织、神经组织、心脏组织等)接收的任何最大量的剂量。本领域普通技术人员将理解，本文中所描述的治疗计划过程仅仅是示例性的，并且可根据本公开利用任何合适的治疗计划过程。控制器220可以将肿瘤模型和治疗计划输出到合适的数据存储站点(例如输出到数据库210)，可以访问该数据存储站点以用于后续评估和使用。

图7B示出了根据各种替代实施方式(例如，作为与图7A一致的实施方式的替代)在治疗计划会话320期间执行的示例性步骤。例如，图7B所示的示例性步骤可以由控制器220执行。在步骤706中关闭阀168之后，在步骤708A中，控制器220可生成检测到的心血管信号和呼吸信号的评估参数，并将它们与基线评估参数进行比较，以确定屏气是否可再现。在步骤710A中，如果控制器220确定屏气不可再现，则其可重复通气暂停直到其确定可再现屏气为止。然而，在步骤712A中，如果控制器220确定屏气是可再现的，则其可门控成像设备140的成像器以在屏气时段期间接收成像数据。控制器220可以在步骤714A中接收成像数据，并且可以继续步骤718-722。可选地，控制器220可以重复步骤716A中的成像，直到接收到足够数量的图像为止。根据这些替代实施方式，控制器220可以替代地在成像开始之前评估屏气的再现性，而不是如在先前实施方式中那样接收成像数据然后评估屏气再现性。如果控制器220确定屏气充分类似于基线，则控制器220可以控制成像器接收成像数据。

图8示出了在放疗治疗会话330期间执行的示例性步骤。在一些实施方式中，治疗会话330可由控制器220执行以治疗目标肿瘤。可以根据在计划会话320期间生成的治疗计划来治疗目标肿瘤。因为肿瘤位置与心血管信号和呼吸信号之间的相关性已在治疗计划会话的步骤720中建立，来自传感器230和240的输出可用于监测患者的呼吸运动和目标肿瘤位置。

在步骤802中，控制器220可接收患者的屏气模式，包括通气暂停参数211、基线信号212和213以及基线评估参数214。另外，控制器220可接收肿瘤模型215和治疗计划216。在一些实施方式中，控制器220可以从数据库210接收该数据。在步骤804中，控制器220可以控制成像设备140从患者收集成像数据，并且可以将成像数据与模型215进行比较，以评估患者在治疗区域内的定位。例如，患者可以以与在计划会话320期间稍微不同的位置躺在长榻180上。在一些实施方式中，控制器220可控制长榻180沿着一个或多个轴线移动，直到患者被正确地定位以进行治疗为止。在步骤806中，控制器220可根据收集的成像数据来修改肿瘤模型215和治疗计划216中的一个或多个。例如，目标肿瘤可能已经在计划会话320和治疗会话330之间移动或改变大小或形状。在一些实施方式中，这样的修改可以由治疗计划模块222执行，治疗计划模块222可以使用成像数据来修改模型215和计划216以生成经修改的模型225和经修改的计划226。因此，可以考虑肿瘤位置和/或大小的变化。

在步骤808中，控制器220可以接收来自传感器230和240的输出。在检测到患者的呼吸信号的必要部分(例如呼气结束)时，控制器220可向ABC 160发送通气暂停信号，以在必要的屏气时段持续时间内关闭阀168。在屏气时段期间，在步骤812中，控制器220可门控射束发生器124以向目标肿瘤发射辐射。控制器220还可以控制射束发生器124和射束成形装置126，使得递送的辐射射束对应于经修改的治疗计划226。如箭头814所示，在步骤812之后，控制器220可以重复步骤810和812一次或多次以照射目标肿瘤。

如下面参考步骤824至828进一步解释的，在步骤810和812期间，由传感器230、240检测到的信号可以被控制器220用来确定肿瘤的位置，并且以高确定性预测肿瘤的未来移动。这是因为患者在放疗期间执行所建立的屏气模式，并且因为肿瘤模型包括肿瘤位置和与屏气模式相关联的心血管信号和呼吸信号之间的相关性。因此，控制器220可以控制放疗设备120将辐射束递送到由检测到的心血管信号和呼吸信号指示的肿瘤位置。在一些实施方式中，因为可以评估检测到的心血管信号和呼吸信号以确保患者充分地执行所建立的屏气模式并确定肿瘤位置，所以需要收集的图像数量减少，或者甚至不需要收集图像来在放疗期间监测患者。另外，因为肿瘤的位置是以高确定性已知的，控制器220对屏气的监测可以允许步骤810和812重复多次而不成像(如814所示)。

在治疗会话330期间，控制器220可偶尔从成像设备140接收图像以评估肿瘤的变化和/或监测患者。控制器220可以在步骤816中向ABC 160发送通气暂停信号，可以在818中门控成像器，并且可以在步骤820中接收成像数据。在步骤822中，控制器220可以处理成像数据以评估肿瘤的移动和/或肿瘤大小和形状的变化。在一些实施方式中，控制器220可进一步修改治疗计划以补偿对肿瘤的任何确定的改变。控制器220另外可以评估成像数据以确定患者是否已经在先前的放疗过程中移动，并且如果需要可以进一步重新定位长榻180以使肿瘤与辐射束重新对准。

在放疗期间，所检测的心血管信号和呼吸信号可由控制器220评估以确保患者以足够的再现性执行所建立的屏气模式。在步骤824中，控制器220可生成评估参数并将其与基线参数进行比较，并且在步骤826中，控制器220可计算它们之间的可变性以确定屏气是否可再现。根据步骤828，如果控制器220确定屏气是不可再现的(即，所计算的可变性等于或大于预定阈值，例如，相差5％)，则控制器220可向射束发生器124发送控制信号以改变或停止辐射递送。例如，患者可能在放疗期间变得恐慌或焦虑，这可能导致他们的呼吸运动变得快速和不可预测。或者，患者可能在放疗期间变得疲劳，并且可能暂时不能维持屏气。通过改变或停止辐射递送，控制器220可确保健康组织不会被放疗设备120无意地照射。控制器220可继续监测来自传感器230、240的输出，直到患者恢复可再现的屏气为止，此后放疗可以继续。然而，如果在步骤828控制器220确定屏气是可再现的(即，所计算的可变性低于预定阈值)，则控制器220可以继续步骤812并且在屏气时段期间门控放疗设备以发射辐射束，因为可以高确定性地确定肿瘤的位置。控制器220可以在治疗会话330期间连续地执行步骤824至828。

图9示出了根据本公开的各种实施方式的示例性MR兼容放疗环境900的图。放疗环境900可以包括技术室920和检查室940，其可以是RF屏蔽的。在检查室940内，治疗壳体942可以包括放疗设备120和成像设备140，其中布置有治疗长榻180。附件壳体944可包括例如ABC 160、心血管传感器230和呼吸传感器240。门控模块922可以布置在技术室920内，门控模块922被配置为将门控信号从控制器220发送到放疗设备120和成像设备140。

为了减少电子噪声并避免与成像相关联的伪影(例如MRI伪影)，环境900可利用光纤来连接其中的各种组件。光学转换器924和946可用于每个室中，例如用于转换在门控模块922与壳体942和944内的部件之间传输的光学信号。替代地或附加地，环境900可以利用Wi-Fi来连接其中的各种部件。例如，Wi-Fi可以根据IEEE 802.11规范配置为具有2.4GHz的最小频率，以便避免生成成像伪像。壳体942和944可以被屏蔽而不受干扰噪声和伪影的影响。此外，用于向检查室940内的部件供电的电源926可以使电力线穿过屏蔽滤波器箱930。在一些实施方式中，检查室940内的现有头戴式耳机可用于向患者输出音频引导或放松声音或音乐。替代地或附加地，为了避免显示设备产生噪声，可以将视觉反馈投影到检查室940的壁上和/或系统100的孔内，以通过使用镜子输出读数来向患者提供信号反馈。

图10示出了示例性ECG触发技术。图10中的技术可以由诸如控制器220的处理器执行，并且可以可选地在成像和/或放疗期间执行，以减少来自血流和心脏运动的伪影。根据图10的技术，例如通过监测患者的呼吸循环和/或通过用成像设备(例如成像设备140)的导航器通道(或另一快速采集输出)扫描患者的膈肌和/或肺，可以根据上述方法触发屏气时段。在屏气时段期间，控制器220可以监测检测到的心血管信号以识别其中的一个或多个现象，并且可以在检测到心血管信号中的一个或多个现象时生成门控信号1012。窗口1014可在生成门控信号1012时开始并且可持续从毫秒到几秒范围的持续时间。根据其中在成像期间(例如利用成像设备140)执行图10中的技术的实施方式，成像器可由控制器220进行门控以仅在窗口1014期间收集图像。类似地，根据例如利用放疗设备120在放疗期间执行图10的技术的实施方式，控制器220可门控射束发生器124以仅在窗口1014期间产生辐射。

图10中所示的实施方式示出了包括ECG信号的心血管信号；附加地或替代地，可以使用SpO₂信号。根据包括使用ECG信号的实施方式，控制器220可以监测发生心脏舒张期的ECG信号，当心脏舒张期发生时控制器220可以生成门控信号1012。在一些实施方式中，控制器220可检测ECG信号中的一个或多个现象以确定心脏舒张期的开始，诸如S波或T波。替代地或附加地，控制器220可检测R波并且可在预定时间长度(例如，200毫秒)之后产生门控信号1012。窗口1014可以在门控信号1012处开始，并且可以持续从毫秒到几秒的持续时间。例如，控制器220可以控制窗口1014持续200至500毫秒之间的持续时间。在一些实施方式中，控制器220可以在成像和/或放疗之前从患者接收ECG数据，并且可以处理ECG信号以选择患者的窗口1014的持续时间。例如，控制器220可以分析患者的ECG信号以确定例如S-Q段、T-Q段、S-R段和/或T-R段的持续时间，并且可以调整窗口1014的持续时间以对应于所确定的段持续时间中的一个或多个。在一些替代实施方式中，控制器220可门控窗口1014以在检测到ECG信号内的P波时结束。窗口1014可以具有比屏气时段持续时间614短的持续时间，以便确保窗口1014在呼吸解剖结构和心脏都不运动的时段期间出现。在一些实施方式中，例如在窗口1014结束之前控制器220检测到结束时间620的情况下，控制器220可门控窗口1014以在检测到屏气结束时间620时结束。

可以在窗口1014期间执行成像和/或放疗，在窗口1014期间，患者的呼吸和心血管解剖结构在心脏舒张期期间不动。因此，在窗口1014期间收集的图像可以没有由呼吸或心血管活动引起的伪影。此外，在窗口1014期间递送的辐射可以被更精确地瞄准，因为患者的解剖结构是静止的，并且因为从在先前窗口1014期间收集的图像中生成的治疗计划可以是高度精确的。图10中所描绘的技术可以重复一次或多次，例如直到收集到所需数量的图像为止或者直到放疗治疗会话完成为止。

本文描述各种操作或功能，其可被实施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(“对象”或“可执行”形式)、源代码或差异代码(“差量(delta)”或“补丁(patch)”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造品来提供，或者经由操作通信接口以经由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，计算设备、电子系统等)可访问的形式存储信息的任何机制，诸如可记录/不可记录介质(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、闪速存储设备等)。通信接口包括与硬件、无线、光学等介质中的任何一种接口连接的任何机制，以与诸如内存总线接口、处理器总线接口、互联网连接、磁盘控制器等的另一设备通信。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。可以经由发送到通信接口的一个或多个命令或信号来访问通信接口。

本公开还涉及一种用于执行本文中的操作的系统。该系统可以为所需目的而专门构造，或者该系统可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，诸如但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、CDROM和磁光盘、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，每个介质耦接到计算机系统总线。

除非另有说明，否则本文中所示出和描述的实施方式中的操作的进行或执行次序不是必需的。也就是说，除非另有说明，否则可以以任何顺序执行操作，并且实施方式可以包括比本文公开的操作更多或更少的操作。例如，预期在另一操作之前、同时或之后执行或进行特定操作在本发明的各方面的范围内。

实施方式可以用计算机可执行指令来实现。计算机可执行指令可被组织成一个或多个计算机可执行组件或模块。实施方式可以用任何数量和组织的这样的组件或模块来实现。例如，本公开的各方面不限于附图中所示出并且本文中所描述的特定计算机可执行指令或特定组件或模块。其它实施方式可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计算机可执行指令或组件。

当介绍本公开的各方面或其实施方式的元素时，冠词“一”、“一个”和“该”意在表示存在一个或多个元素。术语“包括”、“包含”和“具有”意在是包含性的，并且意味着可以存在除了所列出的元素之外的附加元素。

已经详细描述了本公开的各方面，显然在不脱离所附权利要求书中限定的本公开的各方面的范围的情况下，可以进行修改和变型。由于在不脱离本公开的各方面的范围的情况下，可以对以上构造、产品和方法进行各种改变，因此意图将以上描述中包含的和附图中示出的所有内容解释为说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种用于发射辐射束以治疗患者的目标肿瘤的放疗设备，其中，所述放疗设备被配置为与呼吸控制设备通信，所述呼吸控制设备用于在所述目标肿瘤的放疗期间控制所述患者的呼吸，所述放疗设备包括：

辐射束发生器，其用于向所述目标肿瘤发射所述辐射束；以及

控制器，该控制器被配置为：

获得所述呼吸控制设备的预定屏气模式，所述屏气模式包括：

用于所述呼吸控制设备的至少一个通气暂停参数；

与所述至少一个通气暂停参数相对应的基线呼吸信号；以及

与所述至少一个通气暂停参数相对应的基线心血管信号；

检测反映所述患者的呼吸的呼吸信号；

检测反映所述患者的心血管活动的心血管信号；

向所述呼吸控制设备发送通气暂停信号，以控制所述呼吸控制设备在对应的屏气时段期间阻挡到所述患者的气流，其中，所述通气暂停信号基于所述至少一个通气暂停参数；

计算所检测的呼吸信号和心血管信号与所获得的基线呼吸信号和心血管信号之间的变化；并且

当所计算的变化低于预定阈值时，确定门控所述辐射束发生器，使得在一个或多个屏气时段期间并且当所计算的变化低于所述预定阈值时对所述辐射束发生器进行门控以发射所述辐射束。

2.根据权利要求1所述的放疗设备，其中，所述至少一个通气暂停参数在训练时段期间获得并且包括屏气时段持续时间和每次屏气时段的开始时间，所述开始时间是呼气结束和吸气结束中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的放疗设备，其中，所述辐射束发生器被配置为根据与所述至少一个通气暂停参数、所述基线呼吸信号和所述基线心血管信号相对应的治疗计划来发射所述辐射束。

4.根据权利要求3所述的放疗设备，其中，所述放疗设备进一步包括MR成像设备，该MR成像设备被配置为获取所述目标肿瘤的MR图像数据，

其中，所述控制器进一步被配置为：

从所述成像设备接收成像数据；

根据所述成像数据确定所述目标肿瘤的移动和大小变化中的一个或多个；并且

根据所确定的所述目标肿瘤的移动和大小变化中的一个或多个来修改所述治疗计划。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的放疗设备，其中，所述心血管信号是ECG信号和脉搏血氧测定信号中的一个或多个。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的放疗设备，其中，所计算的变化反映与吸气上升时间、呼气下降时间、屏气时段持续时间、呼吸循环持续时间、呼吸信号幅度、心血管循环持续时间和心血管信号幅度中的至少一个相关联的一个或多个参数。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的放疗设备，其中，所述控制器进一步被配置为根据所检测的心血管信号确定表示两个连续心跳之间的时间段的心血管循环持续时间，其中，所计算的变化反映所检测的呼吸信号与所述心血管循环持续时间之间的比较。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的放疗设备，其中，所述控制器进一步被配置为基于所检测的信号来预测所述目标肿瘤的位置和移动中的一个或多个。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的放疗设备，其中，当所计算的变化等于或大于所述预定阈值，所述控制器进一步被配置为停止通过所述辐射束发生器的所述辐射束的发射。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的放疗设备，其中，所述控制器进一步被配置为：

基于所检测的心血管信号确定多个心脏舒张期时段；并且

基于所述屏气时段之一和所述心脏舒张期时段之一两者的出现来确定多个放疗激活时段；

其中，确定门控所述放疗设备进一步包括对所述放疗设备进行门控使得所述放疗设备仅在所述多个放疗激活时段中的一个或多个期间发射所述辐射束。

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