專利名稱：用于圖像引導(dǎo)下輻射治療的圖像可變形配準(zhǔn)的制作方法
用于圖像弓l導(dǎo)下^ih治療的圖像^^配準(zhǔn)
放射治療是使用輻射(例如x射線輻射)治療諸如癌瘤的疾病。在向 患病組織施予輻射的過程中， 一些健康組織同樣暴露在該輻射下。健康組 織暴露在輻射下能引起與治療有關(guān)的并發(fā)癥。同樣，人們期望精確且準(zhǔn)確 地描繪出患病區(qū)域的輪廓，以便將輻射主要施予至患病區(qū)域，而最小程度 地施于至周圍的健康組織。
所治療區(qū)域(計(jì)劃靶體積或PTV)的精確且準(zhǔn)確輪廓包括在分次治療 (fractionated treatment)期間的耙運(yùn)動。運(yùn)動可以是患者的身體移動(擺 位誤差(setup error))，或是由諸如心臟、呼吸和消化系統(tǒng)的生理功能引起 的或者作為治療反應(yīng)的結(jié)果而引起的包括患病組織在內(nèi)的內(nèi)部組織的移動 和變形。在常規(guī)治療計(jì)劃中，PTV基于對患者群體的統(tǒng)計(jì)，這樣產(chǎn)生過大 或者不精確的耙區(qū)。為了評估患者特異性的運(yùn)動，拍攝一段時間內(nèi)的一系 列圖像，以獲得對患病組織及周圍器官的幾何結(jié)構(gòu)變化的3D描述?？梢赃M(jìn) 行數(shù)秒的時間采樣以便例如使用4D門控成像技術(shù)監(jiān)測呼吸運(yùn)動，或者是進(jìn) 行數(shù)天和數(shù)周的時間采樣，或者是這些的組合，例如使用4D門控成像技術(shù) 進(jìn)行每周的成像。在放射治療中集成3D圖像的時域采樣通常稱為圖像引導(dǎo) 下放射治療(IGRT)或適應(yīng)性放射治療。這種調(diào)整允許將輻射施加于更精 確的耙區(qū)。
為了累計(jì)4D劑量-體積直方圖，需要計(jì)算危及器官和靶的體積元素之 間的空間相互關(guān)系。由于缺乏灰度值的對應(yīng)性，難以應(yīng)用基于體素的配準(zhǔn) 方法。使三角網(wǎng)格變形成感興趣對象的基于表面的方法已經(jīng)成功地用于分 割解剖結(jié)構(gòu)。在這種方法中，調(diào)整后網(wǎng)格的頂點(diǎn)界定出對象表面之間的相 應(yīng)界標(biāo)。這能夠通過基于彈性點(diǎn)的配準(zhǔn)方法估計(jì)出圖像中所有體素的變形 場。
如果所成像對象內(nèi)部的運(yùn)動并不與其表面的運(yùn)動很好相關(guān)，則插入僅 基于表面的運(yùn)動場將產(chǎn)生錯誤的運(yùn)動估計(jì)值。例如，在對肺進(jìn)行成像時， 來自橫膈膜、心臟和胸腔的運(yùn)動將產(chǎn)生復(fù)雜的肺葉運(yùn)動。另夕卜，根據(jù)可能附著于或并不附著于肺壁的腫瘤或感興趣區(qū)域的位置，以及腫瘤的組織特 性(例如，準(zhǔn)固態(tài)或柔軟)，腫瘤運(yùn)動可以與肺和/或心臟表面非常相關(guān)或 不相關(guān)。
合適的運(yùn)動補(bǔ)償在輻射治療計(jì)劃時是重要的，因?yàn)槠湓试S正確的描繪 器官輪廓。而且，其允許正確地計(jì)算輻射劑量。因此，需要開發(fā)一種用于 輻射治療計(jì)劃的方法，其將精確地解決所成像對象的運(yùn)動，以便允許開發(fā) 高度精確的竊射治療計(jì)劃以及由此進(jìn)行的治療。
本發(fā)明涉及一種用于制定輻射治療計(jì)劃的系統(tǒng)和方法以及一種用于制 定將在放射治療中使用的輻射治療計(jì)劃的系統(tǒng)和方法。使用醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn) 來制定輻射治療計(jì)劃?；谧R別位于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的界標(biāo)進(jìn)行該配準(zhǔn)。
在并入本說明書且構(gòu)成其一部分的附圖中，示出了本發(fā)明的各實(shí)施例， 連同如上給出的本發(fā)明的大體描述和下文給出的詳細(xì)描述用于說明本發(fā)明 的原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到，這些示意性實(shí)施例并不意在限制本 發(fā)明，而僅提供包括本發(fā)明原理的實(shí)例。


圖1示出了輻射治療計(jì)劃和治療系統(tǒng)的框圖； 圖2示出了輻射治療計(jì)劃和治療系統(tǒng)的流程圖。
本文公開的系統(tǒng)和方法提供圖像配準(zhǔn)來解決所成像對象的移動。這種 系統(tǒng)和方法允許進(jìn)行精確的輻射治療計(jì)劃和治療。
圖1示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的示意性實(shí)例的框圖。該系統(tǒng)包括圖像采集 部件10、輻射治療計(jì)劃部件(RTP) 20、輻射治療部件(RTT) 30以及圖 形用戶界面(GUI) 40。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會到，圖1中所示的系統(tǒng)僅是示意性實(shí)例， 因而不應(yīng)限制本公開的范圍。例如， 一些系統(tǒng)可以不包括RTT部件30和/ 或GUI 40。在一些系統(tǒng)中，示為與所有三個其它部件界面連接的GUI 40 可以僅與一個或兩個其它部件界面連接。
圖像采集部件10可以是任何成像系統(tǒng)，例如，CT系統(tǒng)、X射線系統(tǒng)、 核成像系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、MR系統(tǒng)或其任意組合。優(yōu)選地，該系統(tǒng)允許收 集門控成像信息并將其傳遞至RTP部件20。在一些實(shí)施例中，圖像采集部件10定位成遠(yuǎn)離RTP部件20或其它部件。在這點(diǎn)上，從圖像采集部件10 收集的信息可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接或經(jīng)由數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)傳送至其它部件。此外， 圖像采集可以發(fā)生在與制定輻射治療計(jì)劃相同的相對時間幀內(nèi)，或者圖像 采集可以發(fā)生在制定輻射治療計(jì)劃之前的任意時間。附加地，可以使用任 意的圖像采集方法。例如，在Pan等人在MedPhys( 31 (2 ): 333-340頁(2004 )) 中公開了獲得4D CT數(shù)據(jù)的方法，該文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容以引用方式并入 本文中。
RTP部件20可以是通用處理器和專用處理器，其中RTP軟件裝載或 嵌入該處理器中。RTT部件30可以是任何治療遞送設(shè)備，例如，線性加速 器。GUI40可以包括任何的輸入和/或輸出設(shè)備或其任意組合。例如，GUI 可以包括監(jiān)視器、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲訪問設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或 任何其他部件，其用于幫助輻射治療技師與其它部件交相以采集圖像數(shù)據(jù)、 計(jì)劃輻射治療和/或向受試者遞送輻射治療。
圖2示出了一種遞送輻射治療的方法。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會到，該方法可以限于 形成輻射治療計(jì)劃或者輻射治療的一部分。所示的實(shí)施例開始于100處的 成像數(shù)據(jù)采集。這可以使用上述的圖像采集部件IO來完成。圖像數(shù)據(jù)優(yōu)選 是4D CT數(shù)據(jù)。隨后圖像數(shù)據(jù)傳遞至RTP部件20，其中將該數(shù)據(jù)分割成 不同結(jié)構(gòu)。如110處所示，對例如腫瘤和/或危及器官的結(jié)構(gòu)的分割可以使 用基于模型的分割或替代分割方法來實(shí)現(xiàn)。如果使用基于模型的分割時直 接地或者在分割的三角化之后，用三角表面網(wǎng)格表示感興趣的結(jié)構(gòu)。分割 方法公開在2006年3月7日授權(quán)的題為"Image Segmentation"的美國專利 號No.7010164和2005年11月9日提交的題為"Automated Stool Removal Method for Medical Imaging"共同未決美國專利申請?zhí)朜o.60/597087，所述 文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。
感興趣體積表面上的界標(biāo)由三角表面網(wǎng)格的頂點(diǎn)給出。僅基于三角表 面網(wǎng)格計(jì)算體積變形場的方法公開在2005年6月8日提交的題為"Point Subselection For Fast Deformable Point-Based Imaging"的共同未決美國專利 申請60/595122中，所述文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。
如在120處所示，隨后識別感興趣體積內(nèi)的界標(biāo)。對感興趣體積內(nèi)界 標(biāo)的識別可以使用模板匹配算法、自動血管樹提取算法、自動標(biāo)記檢測算法中的任意一種或其任意組合來實(shí)現(xiàn)。使用模板匹配算法的方法公開在
Roesch等人在MICCAI 2002 Computer Science 2489 (2002)的講稿"3D Respiratory Motion Compensation by Template Propagation"中，所述文獻(xiàn)的 全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。在這種方法中，在由相應(yīng)的表面網(wǎng) 格界定的感興趣體積內(nèi)識別具有相似灰度值特征的點(diǎn)。諸如此類的方法通 常是快速的，因?yàn)閷⑵渌阉飨拗圃诟信d趣體積中。
自動血管樹提取算法公開在Buelow等人在NICCAI 2004上的"A General Framework For Tree Segmentation and Reconstruction Form Medical Volume Data"才，所述文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。在這 種方法中，提取相應(yīng)結(jié)構(gòu)中的一級血管分叉。使用血管樹拓?fù)?，可以在圖 像數(shù)據(jù)集和用作相應(yīng)界標(biāo)的對應(yīng)坐標(biāo)中識別相應(yīng)的分叉。諸如此類的方法 主要應(yīng)用于識別肺或肝中的界標(biāo)。
如果使用標(biāo)記進(jìn)行患者擺位校準(zhǔn)，例如，用于前列腺的金標(biāo)，那么可 以使用自動檢測算法識別感興趣體積內(nèi)的附加相應(yīng)點(diǎn)。此外，可以使用這 些方法的組合，或者也可以使用其他界標(biāo)識別算法和/或方法。
在130處，使用分割和界標(biāo)識別建立變形場。變形場的形成允許圖像 的配準(zhǔn)，如在140處所示。變形場的形成以及圖像的隨后配準(zhǔn)的一個實(shí)例 公開在2006年3月28日提交的題為"Method and Device for Planning Radiation Therapy"的共同未決美國專利申請?zhí)朜o.10/573730以及2005年 11月9日提交的題為"Automated Stool Removal Method for Medical Imaging"的共同未決美國專利申請?zhí)朜o.60/597087中，所述文獻(xiàn)的全部公 開內(nèi)容以引用方式并入本文中。
一旦對圖像進(jìn)行了配準(zhǔn)，可以建立輻射治療計(jì)劃(RTP)，如在150處 所示。輻射治療計(jì)劃允許進(jìn)行精確的器官輪廓勾畫和劑量計(jì)算。可以對每 個數(shù)據(jù)集確定劑量計(jì)算，隨后按序累計(jì)成單一數(shù)據(jù)集。這樣允許全量得以 正確的分布，并且可以允許進(jìn)一步優(yōu)化治療計(jì)劃。 一旦已經(jīng)建立RTP，就 可以進(jìn)行輻射治療會話(RTT)，如在160處所示?；蛘?，所述過程可以循 環(huán)回去并且獲取另一些圖像以便進(jìn)一步制定RTP。同樣，RTP和RTT可以 發(fā)生在不同時刻和/或不同位點(diǎn)。因此，如圖2中所示的方法可以獨(dú)立包含 在100-150循環(huán)中，由此允許在不同的時間禾tV或位置處進(jìn)行RTT。在這種情況下，可以根據(jù)需要使用附加圖像采集數(shù)據(jù)和隨后的處理而周期性更新
RTP。
對于包括RTT的方法而言，所述過程可以在RTT之后就完成，或者例 如在分次治療的情況下，該過程可以循環(huán)回去。在允許治療循環(huán)的方法中， 在160處的RTT之后，所述過程可以返回至RTP 150，其將用于下一分次
(next fraction)的RTT。在這種情況中，下一分次的RTT可以使用與上一 分次施加相同的劑量分布，或者可以與初始RTP中建立的不同。例如，第 一分次的治療可以是全量，而第二分次可以是全量的一部分。在其他方法 中，在RTT之后，所述過程返回到圖像采集階段，并且通過隨后處理，改 進(jìn)或者重新定義RTP。一些方法可以選擇返回到RTP還是返回到圖像采集， 這取決于特定的分次數(shù)(例如，每隔一分次或每三分次)、特定的時間周期
(例如，每五天)、靶尺寸和/或形狀的預(yù)計(jì)或?qū)嶋H變化、技師或醫(yī)生的期 望或者任何其他基礎(chǔ)。
己經(jīng)參考一個或多個優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)清楚的是，他人 在閱讀并理解本說明書后將會想到各種修改和變更。期望包括落入權(quán)利要 求書及其等價內(nèi)容范圍內(nèi)的所有這種修改和變更。
權(quán)利要求
1、一種輻射治療計(jì)劃過程，包括輸入采集到的醫(yī)學(xué)圖像；將所述醫(yī)學(xué)圖像分割成各人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)；識別位于一個或多個所述人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)的界標(biāo)；基于所識別的界標(biāo)將變形場施加至所述醫(yī)學(xué)圖像上；基于所施加的變形場配準(zhǔn)所述醫(yī)學(xué)圖像；以及基于所配準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像形成輻射治療計(jì)劃。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，所述醫(yī)學(xué)圖像是 4D CT圖像。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，使用模板匹配算 法識別所述界標(biāo)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，使用自動提取血 管樹算法識別所述界標(biāo)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，使用位于一個或 多個所述人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的標(biāo)記識別所述界標(biāo)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，形成輻射治療計(jì) 劃的所述步驟還包括基于所述所配準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像制定劑量分布。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，所述劑量分布至 少包括用于靶區(qū)的第一劑量和用于一個或多個其他感興趣區(qū)域的第二劑
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，還包括用戶交互以核對所述分割、識別界標(biāo)或配準(zhǔn)圖像步驟中的一個或多個。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射治療計(jì)劃過程，其中，所述人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個或多個靶區(qū)和一個或多個危及器官。
10、 一種輻射治療計(jì)劃儀器，包括用于輸入采集到的醫(yī)學(xué)圖像的裝置；用于將所述醫(yī)學(xué)圖像分割成各人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝置；用于識別位于至少一個所述人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的界標(biāo)的裝置；用于基于所識別的界標(biāo)將變形場施加于所述醫(yī)學(xué)圖像的裝置；用于基于所施加的變形場配準(zhǔn)所述醫(yī)學(xué)圖像的裝置；以及用于基于所配準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像建立輻射劑量分布的裝置。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射治療計(jì)劃儀器，其中，用于識別界標(biāo) 的所述裝置包括模板匹配算法。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射治療計(jì)劃儀器，其中，用于識別界標(biāo) 的所述裝置包括自動提取血管樹算法。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射治療計(jì)劃儀器，其中，用于識別界標(biāo) 的所述裝置包括使用位于一個或多個所述感興趣區(qū)域中的界標(biāo)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射治療計(jì)劃儀器，還包括用于識別并不 位于該人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)之一中的界標(biāo)的裝置。
15、 一種輻射治療過程，包括 輸入采集到的醫(yī)學(xué)圖像； 將所述醫(yī)學(xué)圖像分割成各人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 識別位于至少一個所述人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的界標(biāo)； 基于所識別的界標(biāo)將變形場施加至所述醫(yī)學(xué)圖像上；基于所施加的變形場配準(zhǔn)所述醫(yī)學(xué)圖像； 基于所配準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像形成輻射治療計(jì)劃；以及 基于所述輻射治療計(jì)劃執(zhí)行輻射治療。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的輻射治療過程，其中，所述醫(yī)學(xué)圖像是4D CT圖像。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的輻射治療過程，其中，使用模板匹配算法 識別所述界標(biāo)。
18、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的輻射治療過程，其中，使用自動提取血管 樹算法識別所述界標(biāo)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的輻射治療過程，其中，使用位于一個或多 個所述感興趣區(qū)域中的標(biāo)記識別所述界標(biāo)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的輻射治療過程，其中，在分次治療中執(zhí)行 所述輻射治療。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的輻射治療過程，其中，在執(zhí)行所述分次治 療之一之后，所述過程或者返回輻射治療計(jì)劃形成步驟以便于執(zhí)行基于所 述輻射治療計(jì)劃的另一分次治療，或者輸入附加的醫(yī)學(xué)圖像以便能夠形成 更新的輻射治療。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的輻射治療過程，其中，通過分次治療間隔、 時間間隔、治療結(jié)果、期望的治療結(jié)果或用戶的判斷中的一個確定所述過 程返回到所述輻射治療計(jì)劃或是輸入附加醫(yī)學(xué)圖像。
23、 一種用于輻射治療計(jì)劃儀器的用戶界面，包括 用于觀察輻射治療計(jì)劃的裝置，所述放射治療計(jì)劃是通過基于已識別的位于醫(yī)學(xué)圖像中的一個或多個人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的界標(biāo)而配準(zhǔn)所述醫(yī)學(xué)圖 像來形成的。
24、根據(jù)權(quán)利要求23所述的用戶界面，還包括用于觀察表示所分割的 醫(yī)學(xué)圖像或所配準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)圖像的中間圖像的裝置。
全文摘要
公開了一種用于制定輻射治療計(jì)劃的系統(tǒng)和方法以及一種用于制定將在輻射治療中使用的輻射治療計(jì)劃的系統(tǒng)和方法。使用醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)來制定輻射治療計(jì)劃。配準(zhǔn)基于識別位于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的界標(biāo)。
文檔編號G06T7/00GK101443816SQ200780016790
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者M·考斯, R·維姆科, V·佩卡爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司