CN116869556A - X射线驱动的深部肿瘤多模ct诊疗一体化装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，包括：X射线源，发出X射线束；精密多叶准直器，生成X射线辐射视野；透射CT用阵列探测器，接收穿过被检查对象的X射线束；散射CT和XFCT用能谱探测器，接收照射产生的散射光子和X射线特征光子；旋转扫描机电系统，对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；扫描逻辑控制和数据采集单元，控制设备完成旋转CT扫描，并采集探测器的投影数据；数据处理和显示系统，对投影数据进行图像重建并显示，制定X射线放射方案；扫描逻辑控制和数据采集单元，还根据X射线放射方案控制设备完成X射线放射。采用上述方案的本发明能够实现高灵敏度快速CT成像的同时完成X射线的精准放射。

Description

X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置

技术领域

本申请涉及癌症影像诊断技术领域，尤其涉及X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置和方法。

背景技术

X射线或伽马射线CT成像是癌症的常用诊断技术，例如螺旋CT、SPECT、PET等已经是临床最重要的癌症影像诊断手段之一。螺旋CT利用X射线在人体不同组织的衰减差异进行成像，对早期癌症的较小病灶或预后扩散具有较差的灵敏度，容易引起漏诊和误诊；SPECT和PET需要借助放射性药物，特别是PET虽然具有很大的灵敏度，特别适合早期和全身癌症检查，但是其使用很短衰变周期的放射性药物，价格昂贵、内照射剂量较大，扫描时间很长，大大限制了其临床诊断的效率。

相比现有的X射线可见光荧光(X-ray luminescence CT，XLCT)，由于可见光荧光(或者近红外荧光)穿透性较差，只能针对小动物或人体皮肤等浅层癌症成像，不适用于深部肿瘤，且难以实现定量成像。

在现有X射线放射手段方面，现有的图像引导放射一般使用两种不同能量的X射线分别实现图像引导和放射，例如keV能段X光机和平板探测器组成的锥束CT进行图像引导，而MeV能段的加速器对病灶部位进行放射。锥束CT的图像对比度较差，难以对早期癌症或微小转移灶进行成像；而以MeV加速器为放射源的放疗设备体积庞大，价格昂贵，且不便于实现精准准直放射。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，解决了现有装置不适用于深部肿瘤成像，且难以进行精准放射的技术问题，实现了高灵敏度快速CT成像的同时完成X射线的精准放射。

本申请的第二个目的在于提出一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，包括：X射线源，发出X射线束；精密多叶准直器，产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野；透射CT用阵列探测器，接收X射线源发出的穿过被检查对象的X射线束；散射CT和XFCT用能谱探测器，接收X射线源发出的射线束照射检查对象产生的散射光子和X射线特征光子；旋转扫描机电系统，对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；扫描逻辑控制和数据采集单元，控制X射线源发出射线束，控制旋转扫描机电系统对被检查对象执行旋转CT扫描，并在扫描过程中采集X射线源曝光位置信息以及透射CT用阵列探测器、散射CT和XFCT用能谱探测器的投影数据；数据处理和显示系统，对投影数据进行透射CT图像重建和XFCT图像重建，并将重建的图像在显示设备上进行显示，并根据根据重建图像实时制定X射线放射方案；扫描逻辑控制和数据采集单元，还根据X射线放射方案，控制X射线源发出X射线束，控制精密多叶准直器产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野，并控制旋转扫描系统在不同角度配合精密多叶准直器调整照射时间和照射参数，完成X射线放射。

本申请实施例的X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，以X光源为唯一诊疗一体化驱动源，借助含高原子序数元素的靶向诊疗一体化探针，X光源发出的X射线束穿过人体同时发生衰减、散射和特征X光子，经不同探测器采集并重建形成高空间分辨率的衰减CT图像和高灵敏度的靶向药物浓度分布的XFCT图像(X-ray fluorescence CT)，实现肿瘤的在体多模CT成像，在此基础上通过图像引导和多叶准直器控制对肿瘤部位进行精准放射，本申请能够实现X射线驱动的深部肿瘤诊疗一体化。

可选地，在本申请的一个实施例中，X射线源为X光机，X光机工作在160keV以下。

可选地，在本申请的一个实施例中，散射CT和XFCT用能谱探测器包括：

能谱探测器；

成像准直孔，将散射光子和X射线特征光子准直入射在能谱探测器上；

X射线屏蔽装置，将能谱探测器包封起来，屏蔽经过准直孔之外入射的所有X光子。

可选地，在本申请的一个实施例中，精密多叶准直器包括：多个重金属薄叶片，多个微型电机，用于独立驱动各个叶片，计算机控制单位，用于给每个微型电机发送控制指令，通过控制指令控制微型电机驱动叶片形成适用于不同形状和大小靶区的辐射视野。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法，包括：控制X射线源发出X射线束；控制透射CT用阵列探测器接收X射线源发出的穿过被检查对象的X射线束；控制散射CT和XFCT用能谱探测器接收X射线源发出的射线束照射检查对象产生的散射光子和X射线特征光子；控制旋转扫描机电系统对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；在CT扫描过程中采集X射线源曝光位置信息以及透射CT用阵列探测器、散射CT和XFCT用能谱探测器的投影数据；对投影数据进行透射CT图像重建和XFCT图像重建，并将重建的图像在显示设备上进行显示，并根据根据重建图像实时制定X射线放射方案；根据X射线放射方案，控制X射线源发出X射线束，控制精密多叶准直器产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野，并控制旋转扫描系统在不同角度配合精密多叶准直器调整照射时间和照射参数，完成X射线放射。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例一所提供的一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置的结构示意图；

图2为本申请实施例涉及的X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置示例图；

图3为本申请实施例的精密多叶准直器的装置设计图；

图4为本申请实施例的X射线衰减CT和XFCT成像方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置和方法。

图1为本申请实施例一所提供的一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置的结构示意图。

如图1所示，该X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置包括：

X射线源，发出X射线束；

精密多叶准直器，产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野；

透射CT用阵列探测器，接收X射线源发出的穿过被检查对象的X射线束；

散射CT和XFCT用能谱探测器，接收X射线源发出的射线束照射检查对象产生的散射光子和X射线特征光子；

旋转扫描机电系统，对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；

扫描逻辑控制和数据采集单元，控制X射线源发出射线束，控制旋转扫描机电系统对被检查对象执行旋转CT扫描，并在扫描过程中采集X射线源曝光位置信息以及透射CT用阵列探测器、散射CT和XFCT用能谱探测器的投影数据；

数据处理和显示系统，对投影数据进行透射CT图像重建和XFCT图像重建，并将重建的图像在显示设备上进行显示，并根据根据重建图像实时制定X射线放射方案；

扫描逻辑控制和数据采集单元，还根据X射线放射方案，控制X射线源发出X射线束，控制精密多叶准直器产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野，并控制旋转扫描系统在不同角度配合精密多叶准直器调整照射时间和照射参数，完成X射线放射。

本申请实施例的X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，以X光源为唯一诊疗一体化驱动源，借助含高原子序数元素的靶向诊疗一体化探针，X光源发出的X射线束穿过人体同时发生衰减、散射和特征X光子，经不同探测器采集并重建形成高空间分辨率的衰减CT图像和高灵敏度的靶向药物浓度分布的XFCT图像(X-ray fluorescence CT)，实现肿瘤的在体多模CT成像，在此基础上通过图像引导和多叶准直器控制对肿瘤部位进行精准放射，本申请能够实现X射线驱动的深部肿瘤诊疗一体化。

可选地，在本申请的一个实施例中，X射线源为X光机，X光机工作在160keV以下。

可选地，在本申请的一个实施例中，散射CT和XFCT用能谱探测器包括：

能谱探测器；

成像准直孔，将散射光子和X射线特征光子准直入射在能谱探测器上；

X射线屏蔽装置，将能谱探测器包封起来，屏蔽经过准直孔之外入射的所有X光子。

可选地，在本申请的一个实施例中，精密多叶准直器包括：多个重金属薄叶片(典型设计为钨合金材料加工的3mm厚、0.1～0.2mm宽的长方体叶片)，多个微型电机可以独立驱动各个叶片，计算机控制单位可以给每个微型电机发生控制指令，用来产生能够适用于不同形状和大小靶区的辐射视野，实现高精度的适形准直(例如视野精度优于1mm)，远远高于当前临床使用加速器或钴-60放射治疗的射线准直精度。

图2为本申请实施例涉及的X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置示例图，如图2所示，该装置包括X射线源、精密多叶准直器、透射CT用阵列探测器、包含成像准直孔和屏蔽装置的散射CT和XFCT用能谱探测器、旋转扫描系统、扫描逻辑控制和数据采集系统、数据处理和显示系统等，具体地：

1)X射线源包括：常用的各种型号的X光机、加速器，也可以是放射性同位素、同步辐射光源等能够发出X射线或γ射线的装置。优选使用工作在160keV以下的X光机，X射线可采用扇束、锥形束、平行束射线。

2)精密多叶准直器：图3为精密多叶准直器的装置设计图，如图2所示，该准直器用来产生适形的X射线辐射视野，通过计算机控制多个微型电机独立驱动各个叶片，形成能够适用于不同形状和大小靶区的辐射视野。针对不同能量X射线源需要设计不同厚度的叶片，根据优选的工作在160keV以下的X光机为例，可以使用3mm厚、0.1～0.2mm宽的重金属合金叶片，实现高精度的适形准直(例如视野精度优于1mm)。这是当前临床使用加速器或钴-60同位素为主的放射治疗无法达到的射线准直精度。

3)透射CT用阵列探测器：可以是传统能量积分型探测器，例如目前医用螺旋CT上经常使用的基于闪烁体+光电转换器件的多排探测器阵列，或平板探测器；也可以是半导体能谱探测器阵列，例如光子计数探测器阵列。

4)包含成像准直孔和屏蔽装置的散射CT和XFCT用能谱探测器：包含三个核心装置，a)成像准直孔基于小孔成像原理，将X射线照射被扫描物体产生的散射光子和X射线特征光子通过小孔准直在能谱探测器上实现对应直线路径的信号采集，通过调节成像孔到能谱探测器的距离、探测器像素大小和数量可以实现散射CT和XFCT不同成像视野的设计。b)具有X光子能量分辨能力的能谱探测器，将通过成像准直孔进入探测器的X光子实现逐像素的能谱测量，根据光子的能量差异实现特征光子和散射光子的区分记录，一般使用阵列光子计数探测器，且优选高能量分辨率的探测器。c)X射线屏蔽装置，将能谱探测器安装在一个由高密度材料加工的盒子内，在盒子面向X光源的侧面安装前述成像准直孔，将经过准直孔之外入射的所有X光子尽可能阻挡在屏蔽盒外，降低能谱探测器的环境噪声。

5)旋转扫描系统：按照设定的扫描参数完成本发明多模CT扫描的旋转机电系统，一般临床医学CT采用滑环结构，旋转X光机和探测器等核心装置，围绕人体完成旋转扫描；也可以选择被扫描物体固定到转台上，旋转物体实现本发明的多模CT扫描，例如小动物成像。在放射增强治疗阶段，旋转扫描系统根据放射治疗方案，在不同角度配合精密多叶准直器调整照射时间和照射参数完成放射增强治疗过程。

6)扫描逻辑控制和数据采集系统：扫描逻辑控制单元负责接收上位机设定的各项扫描参数，并在多模CT诊疗一体化扫描全过程中，控制X光源、旋转扫描系统、精密准直器、探测器完成多模CT扫描。与此同时，数据采集系统需要采集X光机曝光位置信息以及X射线透射CT探测器、能谱探测器的投影数据。

7)数据处理和显示系统：数据处理单位的核心功能是实现X射线多模CT图像重建算法，用于完成本发明的高空间分辨率的透射CT图像重建和高灵敏的XFCT图像重建，最后将重建图像在显示设备上提供给最终用户，具体的重建过程如图4的X射线衰减CT和XFCT成像方法的流程图所示；并根据多模CT图像实时制定针对早期深部癌症或其微小转移灶的精准放射和药物增强综合治疗方案。

本申请基于深部恶性肿瘤的X射线衰减、特征光子双特性信息融合的多模CT成像和放射提出一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，其以X光源为唯一诊疗一体化驱动源，适用于脑癌、肺癌、肝癌、肠癌等各类体内深部肿瘤的诊断及在体实时高分辨率和高灵敏度图像引导下的精准放射，特别适用于手术难以治疗的特殊部位肿瘤、早期微小病灶和预后扩散病灶。本申请还可以对药物作用位置及药物有效作用剂量做出更为准确的实时在体检测，更好地指导针对该病患制定后续最优的治疗方案。总而言之，本申请构建出了一种治疗区域可见、效应可测、剂量可调、终点可评估的准确探测和精准放射的深部恶性肿瘤综合处理方案。

为了实现上述实施例，本申请还提出一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法。

图5为本申请实施例提供的一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法的流程示意图。

如图5所示，该X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法包括以下步骤：

步骤501，控制X射线源发出X射线束；

步骤502，控制透射CT用阵列探测器接收X射线源发出的穿过被检查对象的X射线束；

步骤503，控制散射CT和XFCT用能谱探测器接收X射线源发出的射线束照射检查对象产生的散射光子和X射线特征光子；

步骤504，控制旋转扫描机电系统对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；

步骤505，在CT扫描过程中采集X射线源曝光位置信息以及透射CT用阵列探测器、散射CT和XFCT用能谱探测器的投影数据；

步骤506，对投影数据进行透射CT图像重建和XFCT图像重建，并将重建的图像在显示设备上进行显示，并根据根据重建图像实时制定X射线放射方案；

步骤507，根据X射线放射方案，控制X射线源发出X射线束，控制精密多叶准直器产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野，并控制旋转扫描系统在不同角度配合精密多叶准直器调整照射时间和照射参数，完成X射线放射。

需要说明的是，前述对X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置实施例的解释说明也适用于该实施例的X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化装置，其特征在于，包括：

X射线源，发出X射线束；

精密多叶准直器，产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野；

透射CT用阵列探测器，接收X射线源发出的穿过被检查对象的X射线束；

散射CT和XFCT用能谱探测器，接收X射线源发出的射线束照射检查对象产生的散射光子和X射线特征光子；

旋转扫描机电系统，对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；

扫描逻辑控制和数据采集单元，控制所述X射线源发出射线束，控制所述旋转扫描机电系统对被检查对象执行旋转CT扫描，并在扫描过程中采集X射线源曝光位置信息以及透射CT用阵列探测器、散射CT和XFCT用能谱探测器的投影数据；

数据处理和显示系统，对所述投影数据进行透射CT图像重建和XFCT图像重建，并将重建的图像在显示设备上进行显示，并根据重建图像实时制定X射线放射方案；

所述扫描逻辑控制和数据采集单元，还根据所述X射线放射方案，控制所述X射线源发出X射线束，控制所述精密多叶准直器产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野，并控制所述旋转扫描系统在不同角度配合所述精密多叶准直器调整照射时间和照射参数，完成X射线放射。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述X射线源为X光机，所述X光机工作在160keV以下。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散射CT和XFCT用能谱探测器包括：

能谱探测器；

成像准直孔，将所述散射光子和所述X射线特征光子准直入射在所述能谱探测器上；

X射线屏蔽装置，将所述能谱探测器包封起来，屏蔽经过准直孔之外入射的所有X光子。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述精密多叶准直器包括：多个重金属薄叶片，多个微型电机，用于独立驱动各个叶片，计算机控制单位，用于给每个微型电机发送控制指令，通过控制指令控制微型电机驱动叶片形成适用于不同形状和大小靶区的辐射视野。

5.一种X射线驱动的深部肿瘤多模CT诊疗一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制X射线源发出X射线束；

控制透射CT用阵列探测器接收X射线源发出的穿过被检查对象的X射线束；

控制散射CT和XFCT用能谱探测器接收X射线源发出的射线束照射检查对象产生的散射光子和X射线特征光子；

控制旋转扫描机电系统对被检查对象执行旋转CT扫描和X射线放射；

在所述CT扫描过程中采集X射线源曝光位置信息以及透射CT用阵列探测器、散射CT和XFCT用能谱探测器的投影数据；

对所述投影数据进行透射CT图像重建和XFCT图像重建，并将重建的图像在显示设备上进行显示，并根据根据重建图像实时制定X射线放射方案；

根据所述X射线放射方案，控制所述X射线源发出X射线束，控制所述精密多叶准直器产生适用于特定形状和大小的靶区的X射线辐射视野，并控制所述旋转扫描系统在不同角度配合所述精密多叶准直器调整照射时间和照射参数，完成X射线放射。