CN1853566A - 用于产生ct图像数据组和辐射肿瘤患者的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生CT图像数据组和对患者(7)进行辐射的系统，包括：恰好一个容纳至少一个X射线管(2)和至少一个位于其对面的射线检测器(3)的旋转框架，X射线管具有在旋转框架旋转期间可动态调节的光阑(2.2)。在用于成像的第一运行模式中，至少一个X射线管(2)在旋转框架旋转期间将具有恒定扇形角(φ)的扇形射线辐射到设置在其对面的检测器上，并由检测器的测量数据计算CT图像数据组，在用于辐射的第二运行模式下，采用至少一个用于成像的X射线管(2)，在旋转框架旋转期间辐射出取向可变的、垂直于系统轴的狭窄的扇形X射线，其与旋转框架的角度设置无关地对准患者(7)体内至少一个肿瘤(7.1)的位置。

Description

用于产生CT图像数据组和辐射肿瘤患者的系统
技术领域
本发明涉及一种用于以第一运行模式产生CT图像数据组、自动进行辐射计划和以第二运行模式利用X射线源对肿瘤患者进行辐射的系统。
背景技术
类似的将CT成像和对患者进行治疗性辐射加以组合的系统例如由专利申请US2003/0048868A1公开。该专利申请公开了一种组合的治疗性辐射和成像系统，其一方面具有包括至少一个X射线管和设置在其对面的检测器的CT扫描仪，其中X射线管和检测器安装在旋转框架(＝支架)上，并且为了对患者进行扫描而围绕患者旋转，同时还将患者沿着系统轴通过可移动的患者卧榻移动穿过扫描区。另一方面在支架外部、但在支架的扫描平面内设置了单独的辐射装置，其用于对患者进行治疗性的辐射。由此患者可以在不改变位置的情况下由CT扫描仪扫描，然后直接接受治疗性辐射，而无需转移患者。
与此类似的设备由“TomoTherapy”公司公开，其包含传统的CT设备，增加了另外的用于治疗性辐射的线性加速器，从而在扫描过程和辐射之间也不需要重新定位患者。
这样的设备在制造时很费事，并且由于两种基本设备的组合而需要很大的空间，因此目前在市场上比较少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是找到一种用于产生CT图像数据组并对肿瘤患者进行辐射的系统，其构造不太复杂，由此能更为廉价地制造。
发明人已认识到，基于传统的CT扫描仪还可以执行治疗性措施，为此需要采用如DE19950794A1中描述的可变光阑设置。为此需要该系统具有两种不同的运行模式，第一运行模式用于产生图像，接着在计算单元中基于所计算的患者立体显示识别肿瘤，并在考虑患者结构的情况下自动进行辐射计划，然后以第二运动模式采用相同的X射线管借助所计算的辐射计划进行治疗性辐射。
另外，这样的肿瘤识别和随后进行的辐射可以通过造影剂或使肿瘤对辐射敏感的药剂来支持。
根据这一基本思想，本发明人提出一种改进的用于产生CT图像数据组并对肿瘤患者进行辐射的系统，包括：
-恰好一个旋转框架，用于设置至少一个辐射源和至少一个位于其对面的辐射检测器，该旋转框架围绕系统轴运动，
-至少一个作为辐射源的X射线管，并具有在旋转框架旋转期间可动态调整的光阑，
-至少一个具有多个平面设置的检测器元件的检测器，用于测量从X射线管射出的射线，
-计算和控制单元，
-用于成像的第一运行模式，在该模式下至少一个X射线管在旋转框架旋转期间将具有恒定扇形角的扇形射线辐射到对面设置的检测器上，并且从检测器的测量数据中计算出CT图像数据组，
-用于辐射的第二运行模式，在该模式下采用至少一个用于成像的X射线管，在旋转框架旋转期间辐射出取向可变的、垂直于系统轴的狭窄的扇形X射线，该扇形X射线与旋转框架的角度设置无关地对准患者体内的至少一个肿瘤的位置。
此外，如已提到的可以对患者注入特定于肿瘤的造影剂或用于提高在电离辐射下的灵敏度的药剂。所述药剂在下面的文献中有所描述：WO 200069473A2，WO 9611023 A1和US2003/003054A1。
根据本发明，扇形射线在第二运动模式下的运动通过连续调节光阑来实现。由此可以在支架旋转期间改变射线的方向，从而即使在肿瘤位于不同圆心的情况下治疗性射线也只对准该肿瘤。
在改进的变形中，还在辐射期间调节扇形射线的宽度，使得从治疗性射线方面看去可能在投影中变得更窄或更宽的至少一个肿瘤通过对射线的相应宽度匹配而被选择性地击中。
用于改进在肿瘤组织中对剂量应用的选择的另一种可能性这样达到：在第二运行模式下在旋转期间改变加速电压。通过改变加速电压还改变透视深度和最大能量沉积的深度，从而它们可以与至少一个肿瘤相对于患者的位置和射线实际穿过患者的路径相匹配。通过这种方式，只要穿过患者的健康组织的路径更短，就可使射线的X射线能量减小，从而射线的透视深度相对较小，最大能量沉积也发生在肿瘤中心。如果射线由于支架旋转而运动到患者的另一侧，则在到达肿瘤之前必须穿过健康组织较长的路径，从而提高加速电压，由此增大了透视深度并同时减小了能量在健康组织中的沉积，其中该调节应当这样进行，使得在此最大能量沉积也应当发生在肿瘤中心。
基于通过事先确定的CT立体数据已知的吸收系数，可以比较简单地在辐射计划时定义必须以什么样的支架角度、也就是在什么样的辐射角度下采用什么样的辐射能量来达到最佳的运行。相应地可以在支架旋转期间改变加速电压。
除了该措施之外或者还可以单独实施，还可以通过采用频谱前置滤波器来改变所施加的辐射能量，从而由此给出另一种基于肿瘤在患者体内的位置将能量频谱与期望的透视深度相匹配的可能性。
此外，为了避免在健康组织中能量沉积过多，可以在支架旋转期间在第二运行模式下更改剂量率。对剂量率的更改可以通过更改管电流或通过改变脉冲式管电流中的脉冲宽度来实现。
由于通常针对治疗性辐射的阳极负载比较大，有利的是在第一运行模式期间将较小的焦点应用于X射线管的阳极，该焦点使得最终很好地成像，在第二运行模式期间可以应用较大的焦点，其对阳极材料负载较低，其中较不清晰的射线路径由于焦点加大而在治疗性辐射的区域内影响较小。
在本发明的范围内还包括，代之以支架上仅有一个X射线管还设置另一个X射线管。该另一个X射线管可以与相应的检测器相联系以更快和更好地成像。但还可以将该第二X射线管只作为附加的治疗性辐射源，以便在治疗期间减少辐射的持续时间。对于该X射线管设置了可变的光阑控制，或者使用对加速电压的控制，以及使用频谱滤波器和剂量率的变化。第二辐射源也可以具有可变的光阑控制，以同时对准地辐射同一辐射平面内的另一个肿瘤，从而并列同时地对两个局部分开、并位于同一辐射平面内的肿瘤进行辐射。
此外，还在旋转框架上设置PET或SPECT检测器，以结合计算机断层造影拍摄来改进对肿瘤的定位。
就产生CT图像和治疗性辐射之间的具体运行过程来说，发明人一方面建议在系统中设置运行程序，使得患者相对于旋转框架在系统轴方向上顺序地移动，其中在每个顺序的系统轴的位置上在第一运行状态下对至少一个肿瘤的位置进行图像分析和自动识别，然后借助所测量的患者结构对所测量的断层自动进行辐射计划，据此在第二运行模式下利用针对被扫描断层的计算出来的辐射数据对该至少一个肿瘤进行辐射。因此在该变形中，对估计的患者的肿瘤区域进行扫描，如果在该区域中识别出肿瘤则自动对该区域进行辐射计划，然后在z方向上无移动的情况下首先在该平面内基于已进行的辐射计划进行辐射。此后在系统轴方向上移动，从而患者的一个新截面出现在系统的扫描区域和治疗区域中，并且一直重复地进行该方法，直到整个肿瘤都被辐射并且在图像显示中找不到其它肿瘤。
另一种可能性在于，在系统中设置运行程序，使得患者在第一运行状态下相对于旋转框架连续地在系统轴方向上运动并进行完整的螺旋扫描，然后对至少一个肿瘤的位置进行图像分析和自动识别。此后借助所测量的患者结构进行自动辐射计划，并由此在第二运行模式下利用所计算的辐射数据对该至少一个肿瘤进行连续辐射。
在两个措施中，都不需要在CT扫描和治疗性辐射之间转移患者，因此被定位的肿瘤也以很大的位置可靠性在辐射期间位于猜想的地点。但是就患者在检查期间或在中途换位时的运动误差来说其可靠性可能比以前的方法小。
根据本发明还设置了运行程序，其在射线的治疗性使用期间并行地测量该射线在检测器上的吸收，并从测量数据中检测可能存在的肿瘤运动。这例如可以转筒记录图的方式进行，或者可以并行地再现图像和从获得的截面图像中检测肿瘤运动。如果存在这样的信息，则还另外配备使用当前检测的肿瘤运动来立即校正光阑设置和/或其它辐射参数如电压或剂量率的运行程序。
附图说明
本发明的其它特征和优点由下面参照附图对优选实施例的描述给出，其中只示出了理解本发明所必需的特征。
下面借助附图详细解释本发明，其中采用下面的附图标记：1：CT辐射治疗系统；2：X射线管；2.1：焦点；2.2：光阑；3：检测器；4：系统轴；5：外壳；6：可移动患者卧榻；7：患者，7.1：肿瘤；8：支架开口；9：计算和控制单元；10：数据和控制导线；11：旋转框架；12：检测模块；13：控制模块；14：再现模块；15：计划模块；16：扇形射线；17：识别模块；d：透视深度；Prg1-Prgn：程序；Ux：加速电压；：扇形角。
具体示出：
图1示出用于产生CT图像数据组和辐射肿瘤患者的系统；
图2示出图1系统在第一运行模式下的横截面；
图3示出图1系统在第二运行模式下的横截面；
图4示出在不同的透视深度和不同的辐射能量下的不同能量沉积。
具体实施方式
图1示出本发明的用于产生CT图像数据组和辐射肿瘤患者1的系统，其具有外壳5，旋转框架或支架位于该外壳中，在旋转框架上安装了X射线管2及在其对面的检测器3。可以借助可纵向移动的患者卧榻6将患者7沿着系统轴4穿过旋转框架中心的开口8而送入开口8的区域内，在此不需要重新定位就能对患者进行扫描和用相同的X射线管进行治疗性辐射。控制、数据采集和治疗计划都通过计算和控制单元9实施，其通过控制和数据导线10与辐射系统和可移动卧榻连接。本发明的各个方法步骤通过程序Prg1至Prgn执行，并在计算单元9中实现。
为了说明本发明，图2以示意方式示出穿过组合系统的外壳5的横截面。在外壳5中设置了旋转框架11，上面安装了X射线管2及在其对面的检测器3。X射线管具有焦点2.1，从该焦点射出的扇形射线16以扇形角落在对面的检测器3上。检测器3可以是单行检测器，但优选采用多行检测器。患者7位于可沿着系统轴4移动的患者卧榻6上，其中在此在患者7中示例性地示出了肿瘤7.1。通过旋转X射线管2和检测器3，可以通过收集到达检测器3的射线的吸收值以公知的方式再现患者7的立体显示。为了显示X射线管和检测器的旋转，用点划线再次以另一个旋转角示出同一个X射线管/检测器系统。其附图标记加上了一撇。
图2的下方另外示出计算单元9，其在第一运行模式下运行检测模块12以拍摄和收集检测器数据，并运行执行系统的旋转和整个控制的控制模块13。此外，通过模块13和模块12之间的数据导线传送X射线/检测器系统的与收集的数据相关联的角位置。如果收集了所有的数据，则将这些数据传送到再现模块14，在该模块14中对患者的立体数据进行图像再现。在该运行模式下系统对应于简单的现有技术中的计算机断层造影设备。
在再现模块14结束立体数据再现之后，可以将立体数据传送到自动识别模块17，在该模块中基于立体数据组确定患者体内的肿瘤7.1的位置。然后将肿瘤的位置与患者的其它立体数据一起传送到计划模块15，在该计划模块中自动进行辐射计划。
在图3所示系统的第二运行模式下，计划模块15执行对射线治疗的计算，并将控制所需的数据传送给控制模块13，控制模块实施对患者7进行辐射，尤其是对肿瘤进行辐射。
在此如图3所看出的那样，产生基本上成束的扇形射线16，其与支架的旋转方向无关地总是准确地对准患者7体内的肿瘤7.1的实际位置，并且其宽度对应于从焦点2.1射出的投影的宽度。此外在图3中还可以看出，焦点2.1明显大于图2中的焦点，从而即使X射线管2内的阳极由于更高的剂量率而长时间负载时也不会出现阳极的过早磨损。
当然可以在治疗性辐射时根据X射线管的当前旋转角设置不同的加速电压。可以将具有可变厚度的附加频谱滤波器置入射线路径中，以达到期望的X射线16的辐射硬度。还可以通过更改管电流或更改脉冲宽度来实现对剂量的调制。
下面的图4示出根据射线的透视深度的辐射能量的变化和与此相关的不同能量沉积，其中在透视深度d上记录每cm3沉积的能量。虽然有些夸张，所示出的3个针对不同加速电压U1至U3的能量沉积图展示出，如何用加大的射线能量来改变透视深度，其中在组织中沉积的能量、也就是在治疗上有作用的剂量被施加到不同的断层深度，从而通过相应改变加速电压和由此改变X射线频谱的能量分布也可以尤其是给出在各不同透视深度应用的治疗剂量。
应当理解，本发明的上述特征在不脱离本发明的范围的情况下不仅可以在给出的组合中、还能以其它组合或单独使用。
总之，本发明提出了一种用于产生CT图像数据组和对肿瘤患者进行辐射的系统，其具有恰好一个旋转框架来容纳至少一个X射线管及其对面的射线检测器，其中X射线管具有在旋转框架旋转期间可动态调节的光阑，该系统具有用于成像的第一运行模式，在该模式下X射线管在旋转框架旋转期间将具有恒定扇形角的射线扇形辐射到对面的检测器上，并从检测器的测量数据中计算出CT图像数据组，还具有用于辐射的第二运行模式，在该模式下采用至少一个在第一运行模式下使用的成像X射线管，辐射出在旋转框架旋转期间方向可变、且垂直于系统轴的较窄的扇形X射线，该扇形X射线与旋转框架的角位置无关地对准患者体内的至少一个肿瘤。

Claims (16)

1.一种用于产生CT图像数据组和对患者(7)进行辐射的系统，包括：
1.1.恰好一个旋转框架，用于容纳至少一个辐射源(2)和至少一个位于其对面的射线检测器(3)，该旋转框架围绕系统轴(4)运动，
1.2.至少一个作为辐射源的X射线管(2)，并具有在旋转框架旋转期间可动态调节的光阑(2.2)，
1.3.至少一个具有多个平面设置的检测器元件的检测器(3)，用于测量从X射线管(2)发出的射线，
1.4.计算和控制单元(9)，
1.5.用于成像的第一运行模式，在该模式下至少一个X射线管(2)在旋转框架旋转期间将具有恒定扇形角()的扇形射线辐射到设置在其对面的检测器(3)上，并且从检测器(3)的测量数据中计算出CT图像数据组，
1.6.用于进行辐射的第二运行模式，在该模式下采用至少一个用于成像的X射线管(2)，在旋转框架旋转期间辐射出取向可变的、垂直于系统轴(4)的狭窄的扇形X射线，该扇形X射线与旋转框架的角度设置无关地对准患者(7)体内的至少一个肿瘤(7.1)的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，患者(7)在被辐射期间具有用于改善对至少一个肿瘤(7.1)的显示的造影剂。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，患者(7)在被辐射期间具有使至少一个肿瘤(7.1)对辐射敏感的药剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述扇形射线在第二运动模式下的运动通过连续调节光阑来实现。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，在所述第二运行模式下所述扇形射线垂直于系统轴(4)的宽度通过光阑调节来改变。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，在所述第二运行模式下在旋转期间改变加速电压，以使透视深度和能量沉积与患者(7)体内的至少一个肿瘤(7.1)的位置相匹配。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述X射线管(2)具有至少一个频谱前置滤波器，该前置滤波器必要时在运行期间被置于射线路径中以改变所采用的X射线频谱。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，在所述第二运行模式下在旋转期间更改剂量率，以使健康组织承受较少的负荷。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，在所述第一运行模式下设置在X射线管上的焦点(2.1)比在第二运行模式下的小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其特征在于，在所述旋转框架上还设置第二辐射源。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第二辐射源是X射线源(2)并且该X射线源(2)具有可变的光阑控制装置，该光阑控制装置必要时可用于同时对另一个肿瘤进行辐射。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其特征在于，在所述旋转框架上还设置PET或SPECT检测器。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其特征在于，存在运行程序，使得患者相对于旋转框架在系统轴方向上顺序地移动，其中在每个顺序的系统轴的位置上在第一运行状态下对至少一个肿瘤(7.1)的位置进行图像分析和自动识别，然后借助所测量的患者(7)的结构对所测量的片段自动进行辐射计划，并据此在第二运行模式下利用对所扫描的片段计算出的辐射数据对该至少一个肿瘤进行辐射。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其特征在于，存在运行程序，使得患者(7)在第一运行状态下相对于旋转框架连续地在系统轴方向上运动并进行完整的螺旋扫描，然后对至少一个肿瘤(7.1)的位置进行图像分析和自动识别，此后借助所测量的患者(7)的结构自动进行辐射计划，并据此在第二运行模式下利用所计算的辐射数据对该至少一个肿瘤(7.1)进行连续辐射。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统，其特征在于，存在运行程序，在利用射线进行治疗期间同时测量射线在检测器(3)上的吸收，并检测可能存在的肿瘤(7.1)的运动。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，存在运行程序，利用当前检测的肿瘤(7.1)的运动来校正光阑设置和/或辐射参数。
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