專利名稱：用于外部波束放射治療的記錄,引導(dǎo)和目標(biāo)命中的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及放射治療的系統(tǒng)，更特別地涉及用于軟組織疾病的外部波束放射治療的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
前列腺癌是美國男性人口中最普遍診斷癌癥(除皮膚癌外)。這些病例中超過20％多的是局部老年性(locally-advanced)非轉(zhuǎn)移性癌。這階段用傳統(tǒng)輻射劑量的治療具有明顯低控制率的問題，這種治療是主線路治療。前列腺癌的治療是困難的，因為例如膀胱和直腸組織的極其鄰近位置對輻射敏感。放射療法通常在幾周內(nèi)按每日均分量傳遞(deliver)。前列腺與以每日為基礎(chǔ)的輻射區(qū)的相對運動使放射治療更復(fù)雜。已經(jīng)使用利用適形區(qū)和高劑量的攻擊性更強的放射治療技術(shù)，具有改善的治療結(jié)果。然而，這些劑量遞增治療已遇到由傳遞到輻射區(qū)內(nèi)正常組織的劑量增加引起的問題，引起許多不能接收的復(fù)雜性，例如直腸類癌和膀胱穿孔和/或腐肉形成。(P)1-002因此，除非能目測到并記錄了前列腺的確切位置，并在治療過程中能維持治療區(qū)的定位，在沒有明顯增大病態(tài)的條件下，就不能給予劑量遞增的保形治療(conformaltreatments)法。
下列章節(jié)詳細地描述外部光束放射治療的當(dāng)前治療模式，包括有關(guān)的設(shè)備，有關(guān)的程序方法或階段，及存在的問題和限制。
線性加速器(“LINAC”)是一種治療裝置，能產(chǎn)生高能X光或電子的治療波束。該波束的治療焦點是等角點，該焦點位于相對于活動起重架(grantry)的一個固定位置。移動活動起重架允許調(diào)整該波束的角取向(但不是等角點的位置)。移動治療檢查臺允許調(diào)整該等角點相對于病人的位置和方向。通過用常規(guī)的切割導(dǎo)塊或自動多葉式波束瞄準(zhǔn)儀調(diào)整矩形孔徑并遮蔽部分所產(chǎn)生的矩形波束，能夠修改該波束的橫截面大小和形狀。由正交激光束表示用于特殊的LINAC裝置的等角點位置。該位置信息有助于治療師在每次治療之前正確地定位病人，治療檢查臺和活動起重架的位置。使激光器對準(zhǔn)在病人皮膚上做的墨水標(biāo)記。
X光仿真器是一種使用低能量診斷X光以仿真外部波束LINAC治療的治療計劃裝置。該仿真器是一種帶有類似于LINAC的活動起重架和治療檢查臺的低能X光單元。低能量波束以與治療中所用的相同入射角直接穿透病人。在薄膜上捕獲所產(chǎn)生的“波束眼”X光圖像，并將該“波束眼”X光圖像輸入進治療計劃系統(tǒng)，在這里定義，定型，及阻滯波束，并預(yù)報有效的劑量分布。
CT仿真器是一種治療計劃裝置，能捕獲基于仿真等角點的橫向CT圖像。所產(chǎn)生的CT視區(qū)通常直接輸入到治療仿真系統(tǒng)，在這里定義，定型和阻滯波束，并預(yù)報該有效的劑量分布。該CT仿真器比X光仿真器能提供更多信息，因為可看見附加的解剖信息，包括插入組織的密度。
治療計劃系統(tǒng)包括第三方軟件應(yīng)用，允許操作員依據(jù)外部獲得的圖像數(shù)據(jù)，用圖形表示適形于前列腺的波束孔。然后計算由該指定波束產(chǎn)生的放射治療劑量，并做出有關(guān)波束能量，計劃治療次數(shù)等決策。
放射治療的第一步包括仿真，在仿真時，X光仿真器或CT仿真器用于捕獲涉及仿真治療等角點的有關(guān)病人的解剖信息。用不能除去的墨水，在病人皮膚上做出表示仿真等角點位置的標(biāo)記。隨后，這些標(biāo)記用于在治療期間對準(zhǔn)的病人。這種處理的輸入是所用的波束次數(shù)和每個波束的入射角，相應(yīng)于在治療時所用的LINAC活動起重架的位置。一般定義4或6個波束。這種處理的輸出是X光圖像或CT視區(qū)，空間上相對于仿真等角點(isocenter)。
第二階段包括治療計劃，在治療計劃期間，放射物理學(xué)家和放射腫瘤學(xué)家用治療計劃系統(tǒng)(TPS)為病人設(shè)計多波束治療計劃。這種處理的輸入包括由仿真處理產(chǎn)生的等角點基X光圖像或CT視區(qū)，以及在治療期間所用的特殊LINAC系統(tǒng)的信息。泌尿科醫(yī)師或放射腫瘤學(xué)家確定前列腺相對于等角點和“輪廓”的推測位置或描繪它對TPS的外形。腫瘤學(xué)家確定每個波束的孔徑和阻滯，因此，確定每個波束的橫截面幾何圖形。確定波束以使波束容量交點盡可能地與前列腺的推測位置和范圍內(nèi)相一致。這個處理的輸出是LINAC的配置信息，包括波束孔徑，阻滯幾何圖形，波束能量，以及波束方向以及治療方法，所述治療方法包括治療的次數(shù)和頻率。
LINAC處理的第三階段是實際治療傳遞，在治療期間，放射科醫(yī)師用與LINAC相連的引導(dǎo)激光器以及仿真期間在病人皮膚上做上墨水標(biāo)記，將病人對準(zhǔn)到等角點。如需要，可通過移動病人和/或治療檢查臺完成這項工作。對于在治療計劃中所確定的每個波束，將LINAC設(shè)置成具有合適的起重架角度和波束配置(放射區(qū)的大小和阻滯)，以及傳遞該特定放射劑量。
與前列腺癌放射治療相關(guān)的一個主要問題是治療計劃期間的前列腺定位。前列腺在仿真X光中是不可視的，并難以在仿真CT數(shù)據(jù)中確定。結(jié)果，在治療計劃期間，腫瘤學(xué)家必須參考附近的結(jié)構(gòu)(例如，骨盆帶，膀胱等)做出前列腺所在位置的判斷。病人之間，特別在前列腺大小之間的差異使這處理變成不完善。所產(chǎn)生的波束定義不能最佳地適形于前列腺，導(dǎo)致潛在的癌組織的欠劑量和/或附近健康組織的過劑量。在治療計劃過程中準(zhǔn)確確定前列腺位置和范圍的能力將導(dǎo)致更好的波束/前列腺的一致性，并允許更精確地治療傳遞。
放射治療期間另一個顯著問題是在治療時段之間的前列腺移動引起的。通過將LINAC引導(dǎo)激光(表示等角點的位置)對準(zhǔn)病從皮膚上的墨水標(biāo)記來定位病人，該標(biāo)記表示仿真等角點的位置。不能解決在處理時間由于膀胱含量，直腸含量，前列腺水腫，激素療法和其他因素引起的人體內(nèi)前列腺的正常移動。因為無數(shù)次治療分布在數(shù)周或數(shù)月內(nèi)，由于相對于等角點的前列腺移動，這種移動能導(dǎo)致目標(biāo)精度的明顯損失。
同樣地，在實際治療時段期間，還存在前列腺組織的移動問題。在將治療的病人定位好后，操作員離開治療室，并遠程地執(zhí)行治療，通常經(jīng)過閉路電視鏈路觀看病人。病人的任何移動將使前列腺相對于治療等角點產(chǎn)生相對移動，降低了波束/前列腺的一致性，并削弱治療效果。
另一個明顯問題是對直腸和膀胱不必要的放射性暴露。由于直腸與前列腺與前列腺非常接近，治療計劃必需仔細，以避免在治療前列腺過程中使直腸壁和膀胱受到過劑量的輻射。在任何給定的治療期間，直腸糞便量和膀胱容量(volume of bladder content)能影響到由直腸后壁或由膀胱接收的劑量。
一種傳統(tǒng)系統(tǒng)是由Nomos公司作為BAT(B模式獲取目標(biāo))系統(tǒng)銷售。BAT包括安裝到臺式安裝的定位器臂的腹部(transabdominal)超聲波探頭，及二維超聲波成像系統(tǒng)，用于顯示治療時相對于等角點的病人定位過程中的前列腺。BAT不提供治療計劃。
BAT系統(tǒng)使用腹部TA探頭，而不是直腸(TR)探頭，該TA探頭由放射醫(yī)師使用，在治療時具有最小的增量。TR探頭比TA探頭提供更可靠的前列腺圖像，因為直腸和前列腺間的插入組織量較小，病人體積很少影響到相關(guān)幾何圖形。病人體積能明顯影響到TA探頭探查前列腺的能力。
BAT能提供二維成像，并必須由操作員移動，以提供前列腺的不同空間視圖。在治療期間不能使用BAT，因為它會干擾治療波束并因為它難以保證整個治療中超聲波透明(ultrasound-transparent)與病人連續(xù)地接觸。從而，僅在病人設(shè)置期間使用BAT。此外，BAT不能與治療計劃相結(jié)合，并僅能用于相對于等角點的視覺定位前列腺中點。
發(fā)明概述所以，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的和綜合治療系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用作為治療處理過程的某一部分的超聲圖像的軟件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進無框架定向空間記錄系統(tǒng)，用于軟組織治療過程。
本發(fā)明一個附加目的是提供一種改進系統(tǒng)，用于產(chǎn)生病人治療協(xié)議的解剖分段(anatomy segmentation)。
本發(fā)明又一個目的是提供一種改進成像系統(tǒng)，便于病人治療，該成像系統(tǒng)包括治療性放射波束眼睛視圖并還能夠控制放射區(qū)大小。
本發(fā)明還有另一個目的是提供一種改進成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)無縫地與標(biāo)準(zhǔn)的和IMRT治療計劃系統(tǒng)相結(jié)合。
本發(fā)明又一個目的是提供一種改進成像系統(tǒng)，允許圖像輸出到治療處理計劃系統(tǒng)，用于與CT或標(biāo)準(zhǔn)仿真成像相融合(fusion)，以定位內(nèi)部軟組織治療目標(biāo)。
本發(fā)明另一個目的是提供一種改進成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)治療計劃用超聲波成像進行迅速病人對準(zhǔn)。
本發(fā)明還有另一個目的是提供一種改進治療系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供軟組織治療區(qū)中的精確定位和治療目標(biāo)命中。
本發(fā)明另一個目的是提供一種改進的綜合治療系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用治療計劃確認治療處理的一種方法。
本發(fā)明又一個目的是提供一種改進的和綜合治療系統(tǒng)，允許在治療處理過程的每個方面進行連續(xù)監(jiān)視。
依據(jù)上述目的，本發(fā)明在放射治療的所有階段能精確地和決定性地定位及固定前列腺(和人體其他部分)的位置，這樣，允許精確地將逐步增加的劑量目標(biāo)命中和傳遞到病人，并不會增加病情及損傷周圍的健康組織。
從描述本發(fā)明較佳實施例的下列說明和權(quán)利要求及附圖中將明白本發(fā)明的進一步的優(yōu)點和功能。
附圖簡述

圖1是一張前列腺放射治療的標(biāo)準(zhǔn)治療計劃仿真圖像，顯示骨骼，膀胱和直腸，以利于推斷前列腺的位置，其中疊加輻射區(qū)域，以指明接收放射治療的區(qū)域；圖2是一張圖像，顯示超聲波圖像和X光仿真圖像的融合，連同新疊加的輻射區(qū)域，其中內(nèi)部輪廓線顯示由超聲引導(dǎo)技術(shù)確定的需要完整處理的前列腺治療區(qū)大小，而外部輪廓線顯示由傳統(tǒng)技術(shù)確定的治療區(qū)的大小，其中，在融合圖像中可看見前列腺及其他組織，這些在X光單獨仿真中是看不見的；圖3是一張平面圖像，在右手側(cè)顯示一組超聲波圖像，這組圖像已經(jīng)讀進軟件計劃程序內(nèi)，同時在主窗口顯示除去標(biāo)記的一張選擇圖像；圖4是一張平面圖像，顯示讀進軟件程序的X光圖像；圖5是一張平面圖像，用于調(diào)查數(shù)字式驗算的超聲波圖像(DRU)怎樣用于獲取有關(guān)前列腺的信息，其中左手側(cè)的窗口顯示一張前-后DRU圖像，是用第一張圖中平面上顯示的超聲波圖像組中的數(shù)據(jù)計算的，而右手側(cè)的窗口顯示一張前-后DRU圖像，是僅用離超聲波探頭軸2.5厘米和4.0厘米的水平面之間的數(shù)據(jù)點計算的，在該圖像中，能夠清楚地識別出前列腺。
圖6是一張圖像，在主窗口中顯示一平面，將前-后X光圖像與前-后DRU圖像相組合，其中，用通常的灰度級方法顯示X光圖像數(shù)據(jù)，而DRU圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)賦予變色的藍綠色(等同于綠和藍色組合)，并其中，右手側(cè)的上部和下部窗口分別顯示原X光圖像和DRU圖像；圖7是安裝有瓶頸環(huán)的直腸超聲波探頭示意圖，在瓶頸環(huán)的表面上含有LED發(fā)射器或燈，以允許用光學(xué)記錄系統(tǒng)跟蹤探頭位置；圖8是圖7所示瓶頸環(huán)的端視圖，含有多個LED發(fā)射器或燈，用于用光學(xué)記錄系統(tǒng)進行跟蹤，其中，瓶頸環(huán)安裝到超聲波直腸探頭上；圖9是用于將LED或燈光源安裝到瓶頸環(huán)表面的替代配置的一張示意圖；圖10是用于將LED或燈光源安裝到瓶頸環(huán)表面的替代配置的又另一張示意圖11A是配備有按照本發(fā)明一個替代實施例的多個LED發(fā)射器或燈的瓶頸環(huán)的一張示意圖；圖11B是一個基底，在該基底上安裝圖11A的瓶頸環(huán)；而圖11C是圖11A瓶頸環(huán)的側(cè)視圖；圖12是一張建立本發(fā)明一個示范系統(tǒng)的治療室配置示意圖，用于治療前列腺癌，包括光學(xué)記錄系統(tǒng)，配備有安裝在鄰近于病人治療檢查臺的兩架照相機，用于跟蹤安裝在直腸超聲波成像探頭上的LED的三維空間位置；圖13是一張建立本發(fā)明另一個示范系統(tǒng)的治療室配置示意圖，用于治療前列腺癌，包括光學(xué)記錄系統(tǒng)，配備有安裝在鄰近于病人治療檢查臺上的兩架照相機，用于跟蹤安裝在直腸超聲波成像探頭上的LED的三維空間位置；及圖14A是一張直腸成像探頭之間的多個超聲波傳感器的示意圖；而圖14B是直腸成像探頭之間的多個超聲波傳感器另一種配置的示意圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明包括用于提供對前列腺癌和其他軟組織疾病的外部波束放射治療的改進的計劃、記錄、目標(biāo)確定和共形(conformal)發(fā)送的技術(shù)和集成硬件和軟件系統(tǒng)。計劃和治療期間的實時超聲波成像用于定位軟組織目標(biāo)并與射線照相或CT數(shù)據(jù)融合在一起，用于保形治療的最佳化。本發(fā)明的融合(fuse)技術(shù)提供實時精確地定位前列腺體(或其他軟組織)。特別對于前列腺癌的治療，使用直腸超短波示波器和骨盆區(qū)內(nèi)前列腺精確定位的圖像融合，實現(xiàn)前列腺的可視化。這使得有可能通過轉(zhuǎn)換超聲波和X光/CT圖像上的超聲波數(shù)據(jù)，精確地確定前列腺目標(biāo)的位置。有了前列腺明確位置，能夠最優(yōu)化輻射區(qū)，以明顯地減少正常組織的照射量，因此，使周圍正常組織的暴露減少到最小，并增加傳遞到前列腺治療目標(biāo)的劑量。
用無框架定向(stereotactic)圖像記錄實現(xiàn)超聲波圖像相對于放射治療區(qū)的精確定位。這種技術(shù)允許非常精確地，低成本保形治療計劃和定位。能夠處理到處理地(treatment to treatment)跟蹤前列腺移動，并可實時地調(diào)整外部輻射，建立動態(tài)和自適應(yīng)治療，明顯地增強放射治療能力，同時降低病癥。這種方法應(yīng)用于IMRT以及傳統(tǒng)計劃和治療傳遞。最后，本發(fā)明提供一種新的低成本解決方案，用于前列腺和其他內(nèi)部軟組織的保形放射治療，一貫地比用于病人定位及確定治療邊界的傳統(tǒng)方法更精確。
本發(fā)明一般包括設(shè)計和使用一種集成系統(tǒng)，用于為保形性外部波束放射治療精確地命中軟組織目標(biāo)。計劃和治療間的實時超聲成像用于軟組織的目標(biāo)定位，并與保形治療的射線照相或CT數(shù)據(jù)融合，以優(yōu)化保形治療。例如在前列腺癌的治療中，用直腸超聲照相法實現(xiàn)前列腺成像，并且這些圖像自動地記錄到骨盆區(qū)內(nèi)的確切位置。這使得能通過超聲波圖像和X光/CT圖像上的超導(dǎo)波圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和可視化，有可能精確地命中前列腺。圖1是用于前列腺放射治療的一種標(biāo)準(zhǔn)治療計劃仿真圖像，顯示骨架，膀胱，和直腸，用于推斷前列腺的位置。疊加輻射區(qū)，以表示將接受放射治療的區(qū)域。
涉及計劃階段的本發(fā)明一些關(guān)鍵功能包括使用集成超聲波系統(tǒng)和軟件；軟組織圖像的無框架定向空間記錄；解剖分段的產(chǎn)生；波束眼睛視圖的產(chǎn)生；和區(qū)域大小的控制；與標(biāo)準(zhǔn)和IMRT治療計劃系統(tǒng)的無縫集成；及輸出到治療計劃系統(tǒng)的能力，該治療計劃系統(tǒng)用于與CT或標(biāo)準(zhǔn)仿真圖像融合，定位內(nèi)部軟組織治療目標(biāo)。
在治療階段，本發(fā)明提供一種治療計劃，用超聲波成像同時使用治療計劃進行快速病人對準(zhǔn)，精確定位及治療目標(biāo)命中軟組織治療區(qū)(treatmentvolume)，用治療計劃確認的能力，以及每個及每次治療期間的連續(xù)監(jiān)視。
本發(fā)明集成硬件和軟件系統(tǒng)的較佳格式可分為五個主要部分(1)超聲波成像硬件，(2)治療引導(dǎo)和記錄系統(tǒng)，(3)用于治療計劃中的圖像融合算法和軟件，(4)放射治療傳遞階段用的實時圖像融合和定位軟件，及(5)計算機系統(tǒng)，用于集成這些部件。下列章節(jié)提供有關(guān)這個建議發(fā)明的特殊實施例的細節(jié)。
超聲波成像探頭用于提供軟組織足夠的診斷圖像，同時還維持成本效益合算的系統(tǒng)。對于前列腺癌的治療，超聲波成像系統(tǒng)可以包括標(biāo)準(zhǔn)直腸超聲波成像探頭，較佳地提供前列腺的徑向和橫向視圖。機械或電子地使超聲波傳感器/探頭橫掠過或掃描，以提供掠過目標(biāo)組織的多張二維圖像切片。按空間記錄每個圖像切片的空間位置，然后重建這些二維圖像，以形成靶區(qū)(targetvolume)的三維圖像，用于治療計劃及放射治療的引導(dǎo)。通過機械分檔器或夾具裝置將超聲波探頭固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫蛴弥卧鷰А巴绞帧倍ㄎ换驃A持該探頭，以允許病人在設(shè)置期間能自由移動，但能防止該探頭落下。雖然可以使用任何獨立的診斷系統(tǒng)，較佳地將超聲波單元也與計算機工作站集成在一起，以提供數(shù)字控制并將超聲波圖像與軟件應(yīng)用以及其他成像源集成在一起。
本發(fā)明的空間記錄和引導(dǎo)系統(tǒng)用于一直記錄超聲波成像探頭相對于已知基準(zhǔn)點的3-D(三維)空間位置。一種實現(xiàn)記錄的方法是通過使用空間編碼的定位器臂，該定位器臂跟蹤超聲波探頭的位置。該定位器臂的一端固定超聲波探頭，并且它的另一端機械地穩(wěn)定或固定到治療檢查臺。該定位器臂在幾個點上用關(guān)節(jié)連接，至少允許有3度的自由度，并在這些點應(yīng)用編碼裝置，以精確地確定超聲波探頭相對于治療檢查臺支柱的位置和方向。該定位器臂也允許超聲波探頭的自由移動和定位，便利于病人在設(shè)置時的移動。該定位器臂用于精確地和再次重新定位超聲波探頭相對于輻射區(qū)中心的位置。然后將該探頭的定位信息輸送給圖像定位軟件，用于記錄有關(guān)治療等角點的圖像。
實現(xiàn)超聲波探頭的空間記錄和引導(dǎo)的另一種方法是通過光學(xué)或電磁傳感器檢測。在這種技術(shù)中，將照相機或其他集中探測器安裝在治療室內(nèi)，并用于跟蹤和記錄超聲波探頭或它固定器的位置。
如圖7，8，7，11A和11C中所示，多個LED發(fā)射器或燈光源40安裝到超聲波成像探頭或安裝到瓶頸環(huán)42上，該瓶頸環(huán)42安裝在探頭41上。然后當(dāng)超聲波探頭41在病人治療區(qū)附近自由移動時，照相機或探測器能夠?qū)崟r確定并記錄這些燈光源40的3-D位置，并因此能確定和記錄該超聲波探頭41的位置。一種簡單的校正處理能用于確定超聲波探頭41到一個已知基準(zhǔn)機架(frame)的相對空間位置，以及超聲波圖像的記錄。這校正信息能夠儲存在計算機的參考文件內(nèi)并由軟件程序使用。
在治療計劃期間，圖像融合和定位軟件量化超聲波成像平面并將這些超聲波圖像與X光仿真薄片結(jié)合在一起，以精確地顯示前列腺相對于治療等角點的位置。這允許操作員確定解剖輪廓，放射波束及屏蔽塊(shieldingblocks)，以確定前列腺的最佳治療位置和形狀。這個計算機軟件將解剖輪廓，輻射區(qū)，屏蔽塊，超聲波圖像，X光圖像，及融合圖像以電子格式傳送給外部治療計劃系統(tǒng)，操作員能用這些信息進行劑量計算。所有結(jié)構(gòu)和圖像涉及等角點。熔合超聲波圖像和仿真計劃圖像的一種技術(shù)是用軟件程序完成的，該軟件程序使用每張圖像上的兩個相同基準(zhǔn)點的明確標(biāo)識(P)11-058)。較佳地，超聲波裝置直接連接到運行這個圖像融合軟件的計算機系統(tǒng)，以便可以實時地計算和顯示該合成的圖像。
對于放射治療傳遞，波束目標(biāo)命中軟件用于按2-D圖像切片或3-D圖像區(qū)顯示前列腺的實時超聲波圖像，它涉及放射等角點，并疊加于治療計劃階段定義的波束輪廓。圖像記錄和可視化允許操作員確定是否將病人最佳地定位到符合治療計劃的位置，并允許操作員進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，以使病人或放射波束產(chǎn)生最理想的目標(biāo)命中。將軟件程序理想地集成進主計算機系統(tǒng)，但也可經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)。
一種基于標(biāo)準(zhǔn)個人計算機結(jié)構(gòu)的集成計算機系統(tǒng)，較佳地用于執(zhí)行軟件程序，以及控制和協(xié)調(diào)該系統(tǒng)其他硬件部件的活動。除了與其他硬件部件連接之外，計算機還提供用戶接口，高質(zhì)量圖形和瀏覽能力；與其他計算機通信的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，包括DICOM服務(wù)器。計算機還用適當(dāng)?shù)奶幚砥鳎挥洃涹w儲存器；及視頻/圖形卡，以提供先行圖像處理，計算和實時顯示能力。除了上述的之外，本發(fā)明的系統(tǒng)和軟件也可包括與超聲波圖像的輸入和測量有關(guān)的附加能力。例如，操作員能操縱該系統(tǒng)從超聲波系統(tǒng)經(jīng)主計算機內(nèi)的視頻捕獲硬件實時地捕獲超聲波圖像。該系統(tǒng)也能維持病人文件中的至少一“堆”超聲波圖像。該系統(tǒng)能提供超聲波圖像的縮略視圖(thumbnail view)，同時也允許操作員實時地刪除圖像和/或添加新圖像。該系統(tǒng)也允許用戶每次一張地瀏覽X光圖像，并且例如包含用于開窗和均勻化(leveling)，直方圖均衡化的工具。此外，用戶通過指明圖像內(nèi)特殊點(例如探頭頂部中點，及上面到右面5厘米的點等并指明哪一部分視頻圖像含有有效超聲波數(shù)據(jù)。然后該校正數(shù)據(jù)能儲存在配置文件內(nèi)，用戶能調(diào)整亮度，對比度，和/或其他基本視頻參數(shù)，并還指明為了降低噪聲，應(yīng)對多幅幀一起進行平均。
另外，用戶能校正用于特定探頭的軟件。這軟件包括測量圖像平面的位置和方向，該位置和方向相對于臂探頭附件的位置和方向。替代地，在本發(fā)明的一個實施例中，用戶通過將探頭移動到相對于等角點的特定已知點，能夠一起校正該臂和探頭。然后將該校正數(shù)據(jù)存儲在配置文件內(nèi)。該軟件完整性保存捕獲的圖像，以及相對于等角點的圖像平面的位置和方向。該軟件包括能顯示所需圖像切片的三維視圖，在有界框內(nèi)含有穿過等角點的疊加的引導(dǎo)線，當(dāng)超聲波探頭移動時，該切片能在三維空間內(nèi)移動。能按適合于輸入到TPS的格式輸出超聲波圖像區(qū)，該超聲波區(qū)相對于等角點定位。
本發(fā)明還提供有關(guān)X光圖像的輸入和管理的許多改進的功能。例如，本發(fā)明允許操作員輸入多張X光仿真圖像。這些圖像取自X光片，已經(jīng)掃描進入位像文件(即，jpeg，tiff等文件)。在本發(fā)明的一個實施例中，操作員能經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)連接，或經(jīng)過可記錄介質(zhì)將這些文件移到一個文件服務(wù)器。對于每張輸入的圖像，操作員必須指定起重架角度，以識別圖像中等角點的投影(projection)，及圖像的比例尺(the scale of the image)(P)12-059)，(或許通過識別仿真頭中的基準(zhǔn)線交叉點，該交叉點投入X光圖像)。操作員指定仿真器的幾何圖形，包括源到等角點距離和源到薄片的距離。然后將校正數(shù)據(jù)儲存在一個配置文件中。除了提供X光圖像的縮略視圖外，該系統(tǒng)在病人文件中維持一‘組’X光圖像，并允許操作員命名，刪除和/或?qū)⑿聢D像添加到當(dāng)前組中，該系統(tǒng)也允許用戶每次一張地瀏覽X光圖像，并包含用于分窗和均勻化，直方圖均衡化等操作工具。圖4示出檢查單個X光圖像的一個平面，該X光圖像讀入軟件程序內(nèi)。
相對于等角點定位的單個X光圖像可以按適合于輸入到TPS的格式輸出。本發(fā)明提供圖像瀏覽器，允許用戶瀏覽X光圖像，將三維重構(gòu)的超聲波視區(qū)(view volume)(DRU)疊加到X光圖像。圖5示出一個平面，用于調(diào)查數(shù)字式驗算的超聲波圖像怎樣用于獲得有關(guān)前列腺的信息。左手側(cè)的窗口顯示用在第一張圖中平面上顯示的超聲波圖像組中的所有數(shù)據(jù)計算的前-后的DRU圖像。右手側(cè)的窗口顯示僅用在離超聲波探頭軸2.5厘米和4.0厘米的水平面之間的數(shù)據(jù)點計算的前-后的DRU圖像。在后面的圖像中，能清楚地識別前列腺。
DRU是離散的(divergent)，意指從射線源經(jīng)超聲波視區(qū)投入的單射線沿一條直線離散，該射線源假定為點源。操作員能將DRU和X光圖像“混合”成各種程度，允許用戶清楚地瀏覽X光圖像內(nèi)前列腺的位置。融合圖像可以按適合于輸入到治療計劃軟件的格式輸出。圖6在主窗口中示出一個平面，該平面將前-后的X光圖像與前-后的DRU圖像組合在一起，其中，用通常的灰度級方法顯示該X光圖像數(shù)據(jù)，而DRU圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)賦予變色的藍綠色(等于綠和藍色成分)。右手側(cè)上部和下部窗口分別顯示原X光圖像和DRU圖像。
為了畫輪廓線，本發(fā)明給用戶提供利用超聲波數(shù)據(jù)作為向?qū)В嫵鼋馄瘦喞€的能力。用戶還具有按2-D或3-D模式畫輪廓線的能力。輪廓線能為復(fù)合解剖所接受并用名字來識別(P)13-062)。用戶也能夠指明畫輪廓線的新結(jié)構(gòu)并給該新結(jié)構(gòu)命名。該輪廓也可按適合于輸入進TPS的格式輸出。
關(guān)于本發(fā)明涉及的輻射區(qū)，本發(fā)明允許操作員用融合圖像(X光片與DRU和/或輪廓線重疊)作為向?qū)?，重新調(diào)整建議治療區(qū)的大小。為每張X光片保留一個區(qū)域。操作員能依據(jù)線性加速器的能力，指定限制治療區(qū)大小的尺寸，并指明該治療區(qū)是否必須保持對等角點的對稱性(“對稱頜”制約)。然后將校正數(shù)據(jù)儲存在一個配置文件內(nèi)。波束外形(beam profile)按適合于輸入進TPS的格式輸出。
本發(fā)明也允許操作員在建議的治療區(qū)內(nèi)畫“方框”。該方框是厚的.塞羅本德合金(Pb-Cd)框，用于校準(zhǔn)或屏蔽治療區(qū)角免受輻射，并用于確認對前列腺波束眼睛橫截面的輻射。操作能指定一個邊界，該邊界是該方框延伸到超過治療區(qū)邊緣外的區(qū)域。要求該邊界允許方框物理地安裝到托板(carrier)，該托板放進線性加速器的頭部，該方框可按適合于輸入到TPS的格式輸出。將校正數(shù)據(jù)儲存在一個配置文件內(nèi)。操作員能將由一個操作員指定的比例因子縮放的方框(block)打印成藍圖，由利用某一特定病人方框的人員使用。該比例因子儲存在配置文件內(nèi)。
當(dāng)獲取超聲波圖像時，該系統(tǒng)和軟件允許操作員實時瀏覽超聲波圖像數(shù)據(jù)。依據(jù)治療檢查臺位置和定位器臂知道超聲波圖像的位置。
操作員能夠疊加原前列腺的輪廓線，和/或圖像切片視圖上的任何一個治療波束的幾何結(jié)構(gòu)(區(qū)域，方框等)，允許操作員確定是否按計劃定位前列腺。在治療間可以使用這個功能，以幫助將病人對準(zhǔn)等角點，并確信前列腺在治療期間維持在它期望的位置。病人的無意移動，氣體通過內(nèi)臟，也能引起前列腺在治療期間的移動。
本發(fā)明的系統(tǒng)還具有將與特定病人有關(guān)的所有數(shù)據(jù)，圖像，設(shè)置等，包括管理信息(病人姓名，醫(yī)生姓名，機構(gòu)等)儲存在一個“病人文件”中的能力。配置文件含有應(yīng)用的校正設(shè)置。操作員也能夠命名，保存，并裝載配置。
除了用于改進外部波束放射治療的目標(biāo)命中的實際系統(tǒng)外，新的步驟也包括本發(fā)明治療模式。在準(zhǔn)備仿真中，技術(shù)員將探頭和記錄系統(tǒng)安裝到仿真臺上。用探頭移動和該系統(tǒng)的用戶接口的組合，技術(shù)員校正相對于仿真等角點的記錄系統(tǒng)。然后在仿真處理期間插入超聲波探頭。用系統(tǒng)用戶接口，用戶獲得含有前列腺的三維超聲波視區(qū)(view volume)。用戶也需要操縱超聲波探頭，以保證將前列腺落入探頭的三維視圖范圍內(nèi)。當(dāng)按正常方式捕獲仿真數(shù)據(jù)(CT或X光圖像)時，探頭保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。圖像融合軟件用于將從仿真器捕獲的圖像數(shù)據(jù)與由記錄系統(tǒng)提供的等角點基準(zhǔn)超聲波視區(qū)組合在一起。結(jié)果是一組融合的圖像或融合視區(qū)，在這引些圖像中可清楚地看見前列腺。圖2顯示超聲波到X光仿真圖像，加之新疊加的輻射區(qū)段的融合結(jié)果。內(nèi)部輪廓線顯示由超聲波導(dǎo)向技術(shù)確定的完全治療前列腺所需的治療區(qū)尺寸，而外部輪廓線顯示由傳統(tǒng)技術(shù)確定的治療區(qū)的尺寸。在融合圖像中，前列腺和其他組織是可見的，而在X光單獨仿真時這些組織是不可見的。重要的應(yīng)注意，高劑量輻射區(qū)限制在只含有極小一部分鄰近組織的前列腺區(qū)內(nèi)，鄰近組織例如為膀胱和直腸。
治療計劃是用現(xiàn)存的治療計劃系統(tǒng)(TPS)按類似于這里描述傳統(tǒng)模式的方式進行。治療計劃期間所用的融合圖像數(shù)據(jù)允許放射腫瘤學(xué)家易于確定前列腺的確切位置和范圍。技術(shù)員將探頭和記錄定位器臂安裝到治療檢查臺上。使用探頭移動和系統(tǒng)的用戶接口的組合，然后技術(shù)員校正探頭定位器相對于LINAC等角點的位置。然后插入超聲波探頭。在該點，該系統(tǒng)能提供空間地基于治療等角點的實時三維超聲波數(shù)據(jù)。圖3顯示在右手側(cè)顯示的平面圖像一組超聲波圖像，這些圖像已經(jīng)已讀入到軟件計劃程序內(nèi)。主窗口顯示除去標(biāo)記的一張選擇圖像。
波束目標(biāo)命中和引導(dǎo)軟件，利用來自圖像記錄系統(tǒng)的實時圖像和來自治療計劃的信息，允許技術(shù)員瀏覽具有疊加的波束幾何圖形和原前列腺輪廓的前列腺超聲波圖像。技術(shù)員調(diào)整病人和/或治療檢查臺的位置，以盡可能地使膠列腺對準(zhǔn)原前列腺輪廓線，并確認波束與前列腺相一致(conformal with)。在治療期間，用戶監(jiān)視前列腺和治療幾何圖形的實時顯示，在整個治療期間保證放射波束維持與前列腺相一致。
下面描述本發(fā)明較佳系統(tǒng)怎樣解決先前在傳統(tǒng)治療模式中發(fā)現(xiàn)的問題和限制。在仿真時，圖像記錄系統(tǒng)安裝到仿真臺上，并由操作員校正該圖像記錄系統(tǒng)相對于仿真等角點的位置。然后，在仿真期間將直腸探頭插入病人體內(nèi)。在準(zhǔn)備好輸入到治療計劃系統(tǒng)的合成的X光圖像或CT視區(qū)后，圖像融合軟件用于將超聲波數(shù)據(jù)(在這些數(shù)據(jù)中，前列腺是清晰可見的)融合進仿真數(shù)據(jù)。然后將增強的數(shù)據(jù)輸入進TPS，并允許腫瘤學(xué)家清晰地識別前列腺相對治療等角點的位置和范圍，允許確定高度一致性波束。
在治療時，圖像記錄系統(tǒng)安裝到治療檢查臺，并由操作員校正該圖像記錄系統(tǒng)相對于治療等角點的位置。然后在治療期間將直腸探頭插入病人體內(nèi)。將由TPS提供的波束幾何圖形信息輸進波束目標(biāo)命中軟件，該軟件給操作員提供相對于治療等角點的前列腺圖像。通過對治療時畫的前列腺位置和范圍與由超聲波圖像確定的前列腺的實際位置和范圍進行比較，操作員能夠調(diào)整病人的位置。這樣，整個治療期間能保持治療計劃時假定的波束/前列腺的高度一致性。另外，直腸探頭的存在有助于保證每次治療時前列腺位置的一致性。
圖像記錄系統(tǒng)提供治療期間前列腺的實時圖像。波束目標(biāo)命中軟件用于瀏覽該實時圖像。如果病人位置改變時，監(jiān)視治療時的位置將允許操作員中止治療。
治療期間直腸探頭的存在使直腸背側(cè)移離前列腺。仿真和治療期間使用直腸探頭有助于在整個仿真和治療過程中維持直腸，膀胱頸，及前列腺之間的固定空間關(guān)系。這允許避免直腸壁和膀胱頸的過度暴露，并保證保形治療計劃的范圍。
本發(fā)明的探頭或成像裝置易于空間操作，但不需將它困扎到編碼臂或類似構(gòu)件上。本發(fā)明的探可按幾個方向移動。在本發(fā)明一種較佳實施例中，探頭是能產(chǎn)生圖像的超聲波成像探頭。不像傳統(tǒng)成像和治療系統(tǒng)，所建圖像不必從一堆平行圖像或經(jīng)斜掃描的多幅掃描圖像中進行組合。它可以在空間的任意位置。并且，通過利用這個成像裝置上的幾點，用戶總是知道它空間的位置。該裝置收集數(shù)據(jù)，并將光學(xué)和電磁裝置的組合定位在治療室內(nèi)一起工作，并空間地將這個成像裝置定位在經(jīng)成像裝置上的幾個點或探頭接地的地方。圖像的空間位置已經(jīng)知道，并由相對于所述點的成像探頭產(chǎn)生，因此那是一個給定的位置，由于它們都在相同的裝置上，也是一個固定的位置。這給用戶提供了特定關(guān)系，并因為用戶知道所述點與該裝置有關(guān)，和由光電磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)(依據(jù)實施例，它也可以是單獨的簡單光學(xué)裝置或單獨的電磁系統(tǒng))，可確定該裝置的位置。
圖12和13顯示按照本發(fā)明一個實施例系統(tǒng)的一般設(shè)置。一對照相機30安裝在病人治療檢查臺34相對兩側(cè)的支架32上。
上面提供的信息由相關(guān)的軟件收取，并轉(zhuǎn)換成三維圖像區(qū)(imagevolume)。不僅是這個系統(tǒng)能再現(xiàn)該圖像區(qū)，而且允許用戶操作該圖像區(qū)。例如，用戶能精確地使用計算機鼠標(biāo)點擊該圖像區(qū)表面上的點。然后該系統(tǒng)將產(chǎn)生一個表面，該表面匹配于在其下面設(shè)置的實際固有圖像數(shù)據(jù)的真實圖像區(qū)形狀并建立圖像區(qū)信息或其他信息。能夠映射表面的單個位置，并且能用如8或9或10的幾個點或用如20或30或40的更多點顯示該表面的全部的圖像容量輪廓。例如，這個系統(tǒng)在前列腺疾病的治療中非常有用，因為用戶不必具有幾個夾具，編碼臂和步進裝置，能識別體內(nèi)空間中的真實位置，該步時裝置含有步進時的位置編碼。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明較佳實施例，那些技術(shù)熟練的人員將明白本發(fā)明允許做許多修改或改變，并沒有背離本發(fā)明的真實精神和范疇。因此，這里描述的實施例傾向于在權(quán)利要求中精確定義的本發(fā)明范疇，該權(quán)利要求附加到并構(gòu)成本專利申請的一部分。
權(quán)利要求
1.一種記錄和外部波束放射治療目標(biāo)命中的系統(tǒng)，其特征在于，包括超聲波探頭和成像系統(tǒng)，用于產(chǎn)生治療區(qū)的診斷超聲波圖像；空間記錄系統(tǒng)，跟蹤及記錄所述超聲波探頭的所述相對空間位置；與軟件結(jié)合的計算機系統(tǒng)，用于將所述超聲波圖像與所述治療區(qū)的附加射線照相圖像或與治療計劃圖像融合在一起。
2.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述附加射線照相圖像包括X光和CT圖像中的至少一種。
全文摘要
一種用于優(yōu)化前列腺癌和其他組織疾病的保形的外部波束放射治療的所述計劃記錄，目標(biāo)命中和傳遞的系統(tǒng)。在計劃和治療期間采用超聲探頭(41)的實時超聲成象可用于軟組織治療靶區(qū)的定位和與射線照相或CT數(shù)據(jù)融合在一起以取得共形的治療最優(yōu)化。此融合技術(shù)提供實時的精確的前列腺容量(區(qū))的定位。一種空間記錄系統(tǒng)(30，40)用于跟蹤和記錄此超聲探頭(41)的相對的空間位置。
文檔編號A61B8/12GK1612713SQ02826803
公開日2005年5月4日 申請日期2002年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月5日
發(fā)明者E·C·伯戴特, D·L·迪爾多夫 申請人:計算機化醫(yī)學(xué)體系股份有限公司