核磁共振引導(dǎo)直線加速器中的運動管理的制作方法
優(yōu)先權(quán)要求
本專利申請要求
本公開涉及醫(yī)療系統(tǒng)，更具體地，涉及核磁共振或其他成像或放射治療系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
放射治療(也被稱作放射療法)可用于癌癥或其它疾病的治療。在放射療法中可以使用直線加速器(“l(fā)inac”)以使放射束指向患者身上的期望的位置。直線加速器可以使光子(例如，作為x射線)、電子或其它亞原子粒子指向諸如癌性腫瘤的靶。例如，放射束可以通過使用多葉準(zhǔn)直器而被成形為匹配腫瘤的形狀(例如，多葉準(zhǔn)直器可以包括可以彼此獨立地移動以產(chǎn)生一個或更多指定的放射束形狀的多個鎢葉)。
由于健康細(xì)胞在指定的靶的放射治療期間可能受到傷害或死亡，因此使對健康組織的放射最小化可能是期望的。醫(yī)學(xué)成像可能有助于這種追求。可以使用諸如計算機斷層攝影(ct)、熒光透視和核磁共振成像(“mri”或“mr成像”)的成像系統(tǒng)來確定(定位)或追蹤靶的位置。與成像系統(tǒng)集成的放射治療系統(tǒng)的示例可以包括mri-linac系統(tǒng)(諸如可用于mri引導(dǎo)放射治療)，其可被配置為在放射療法中使用諸如腫瘤的靶的三維(3d)圖像以在減少或最小化對其他組織的放射的同時向靶提供放射。
mri-linac系統(tǒng)可以包括加速器，諸如可以被配置為在圍繞mri系統(tǒng)的環(huán)形臺架上旋轉(zhuǎn)。例如，待治療的患者可以位于在mri-linac系統(tǒng)內(nèi)居中的表面(例如，檢查床、床或檢查臺)上。mri可以提供患者的組織中氫核的空間圖，并且可以在二維(2d)平面或3d體積中獲取圖像。由于mri可以在不使用電離放射的情況下提供極好的軟組織對比度，因此諸如腫瘤學(xué)家之類的醫(yī)護人員可能喜歡mri-linac成像技術(shù)。
例如，在mri引導(dǎo)的linac中，可以期望在治療期間對靶的靶位置和危及器官(oar)進行定位。這可以使得能夠進行門控或追蹤策略來補償射束開啟時的運動。在一些操作模式中，這可以通過采集順序的2dmri切片來實現(xiàn)，例如交替的軸狀、冠狀和矢狀切片。這些2d切片可以用于使用直接分割或配準(zhǔn)技術(shù)直接推理3d靶運動。這些方法可能具有以下限制：1)可能存在顯著的平面外運動，這可能難以利用2d切片進行定位；2)切片通常以靶為中心，使得難以同時追蹤(多個)oar；以及3)在治療期間僅收集2d切片中的信息，這使得難以執(zhí)行劑量計算，例如，用于自適應(yīng)放射療法的劑量測定的離線回顧計算(劑量補償利用隨時間推移的患者解剖結(jié)構(gòu)的完整3d信息)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
mr成像可以在放射治療期間“實時”(例如，“在線”，“正在進行”或“連續(xù)”)進行，例如提供靶位置和運動信息，例如3d變形和/或3d旋轉(zhuǎn)，用于放射束傳送。待追蹤的靶可以包括諸如前列腺的器官、或與器官全部或部分有關(guān)的腫瘤。在圖像處理中，可以確定靶在運動的一種方式是如果靶的定位相對于其在圖像中的背景而改變。用于定位、追蹤或預(yù)測靶位置的圖像處理技術(shù)可以包括圖像減法，例如可以包括使用一個或更多絕對差，或者使用邊緣、角落或關(guān)注區(qū)域(roi)圖像特征檢測。
在放射治療期間對靶進行快速且準(zhǔn)確的3d定位和追蹤可能是重要的，以便考慮患者運動(例如，器官運動和/或腫瘤運動)。諸如3d變形和/或3d旋轉(zhuǎn)的靶的運動，可以由一個或更多的來源，例如患者呼吸(例如，呼吸周期)、反射(例如咳嗽、放屁等)、有意或無意的患者運動或其他預(yù)期或意外的靶運動。
本公開描述了可以從一系列2dmri切片估計3d運動的技術(shù)。如下面詳細(xì)描述的那樣，這些技術(shù)可以包括兩個主要階段：1)學(xué)習(xí)階段，其中構(gòu)建將2d切片鏈接到3d運動的轉(zhuǎn)換模型；以及2)追蹤階段，其中基于在學(xué)習(xí)階段中構(gòu)建的轉(zhuǎn)換模型執(zhí)行3d實時追蹤。這些技術(shù)可以從2d切片估計全3d運動，以實時提供靶的當(dāng)前變化，諸如靶的3d位置、3d變形和/或3d旋轉(zhuǎn)中的一個或更多。
在一個示例中，本公開旨在提供一種控制患者的區(qū)域的至少一部分的實時圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放射治療的計算機實現(xiàn)的方法。所述計算機實現(xiàn)的方法包括：獲取對應(yīng)于包括所述區(qū)域的至少一部分的二維(2d)核磁共振成像(mri)圖像的多個實時圖像數(shù)據(jù)；對所述多個圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行2d運動場估計；對三維(3d)運動場估計進行近似，包括將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d運動場估計；基于所近似的3d運動場估計來確定所述區(qū)域的至少一部分的至少一個實時變化；并且使用所確定的至少一個變化來控制所述區(qū)域的至少一部分的治療。
在一個示例中，本公開旨在提供一種用于控制患者的區(qū)域的至少一部分的實時圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放射治療的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括治療自適應(yīng)系統(tǒng)以及治療控制器電路。治療自適應(yīng)系統(tǒng)被配置為：獲得對應(yīng)于包括所述區(qū)域的至少一部分的二維(2d)核磁共振成像(mri)圖像的多個實時圖像數(shù)據(jù)；對所述多個圖像數(shù)據(jù)進行2d運動場估計；對三維(3d)運動場估計進行近似，包括將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d運動場估計；并且基于所近似的3d運動場估計來確定所述區(qū)域的至少一部分的至少一個實時變化。治療控制器電路被配置為：使用所確定的至少一個變化來控制所述區(qū)域的至少一部分的治療。
本概述是本申請的一些教導(dǎo)的概述，并不旨在作為本主題的排他或窮盡的治療。關(guān)于本主題的進一步細(xì)節(jié)在具體實施方式和所附權(quán)利要求中找到。在閱讀并理解以下具體實施方式并參見形成具體實施方式的一部分的附圖之后，本發(fā)明的其它方案對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，其中每一個不被視為限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其依照法律的等同物限定。
附圖說明
在不一定按比例繪制的附圖中，相同的附圖標(biāo)記可以在不同的視圖中描述相似的構(gòu)件。具有不同字母后綴的相同附圖標(biāo)記可以表示相似構(gòu)件的不同實例。附圖大體上通過舉例而不是限制的方式示出本文檔中討論的各種實施例。這樣的實施例是示例性的，并且不旨在作為本裝置、系統(tǒng)或方法的窮盡性的或排他性的實施例。
圖1a是能夠用于實現(xiàn)本公開的各種技術(shù)的放射治療裝置的示例；
圖1b是根據(jù)本公開的各種技術(shù)的可以用于提供實時圖像引導(dǎo)的系統(tǒng)的部分的示例；
圖2是示出可以用于構(gòu)建可以將2d切片鏈接到先前獲得的3d圖像數(shù)據(jù)體積的轉(zhuǎn)換模型的技術(shù)的示例的流程圖；
圖3是示出可以使用根據(jù)圖2的流程圖構(gòu)建的轉(zhuǎn)換模型來估計患者的實時3d圖像的技術(shù)的示例的流程圖；
圖4示出了放射治療系統(tǒng)的部分的示例。
具體實施方式
圖1a示出根據(jù)本公開的一些實施例的諸如直線加速器10的放射治療裝置的示例。使用直線加速器10，患者42可以定位在患者臺43上以接收由治療計劃確定的放射劑量。直線加速器10可以包括產(chǎn)生放射束46的放射頭45。例如，整個放射頭45可以是圍繞水平軸線47可旋轉(zhuǎn)的。在一個示例中，在患者臺43的下面，例如可以設(shè)置可以諸如圍繞等中心41與放射頭45同步旋轉(zhuǎn)的平板閃爍體檢測器44。軸線47與放射頭45產(chǎn)生的射束46的中心的交點可以稱為“等中心”。患者臺43可以被機動化，使得患者42可以被定位為使得腫瘤部位處于等中心41處或靠近等中心41。放射頭45可圍繞臺架47旋轉(zhuǎn)，例如按照治療計劃提供給患者42多種不同劑量的放射。
圖1b是例如mri引導(dǎo)linac的可用于根據(jù)本公開的各種技術(shù)提供實時圖像引導(dǎo)的成像或放射治療系統(tǒng)100的部分的示例。更具體地，圖1b的系統(tǒng)100可以使用實時獲取的圖像以實時地控制或適應(yīng)性調(diào)整放射治療治療計劃。系統(tǒng)100可以包括治療裝置102(例如，可以包括直線加速器(“l(fā)inac”)的放射治療裝置)。
患者104可以定位在諸如檢查床、檢查臺或其它表面的患者支撐件106上。例如，患者支撐件106可被構(gòu)造為相對于治療裝置102的一個或更多其他組件改變位置，例如提升或改變患者104的縱向位置?？梢詮闹委煼派湓?08(例如，諸如x射線或質(zhì)子的加速粒子)朝向患者104照射放射線。在一個示例中，放射源108可以被構(gòu)造為移動，例如通過使用旋轉(zhuǎn)支撐件110(例如，臺架)而圍繞患者104旋轉(zhuǎn)，治療放射源108可附接到該旋轉(zhuǎn)支撐件110。治療放射源108可以被配置為例如通過使用可連接到治療設(shè)備102和治療放射源108的構(gòu)件或機械臂進行諸如旋轉(zhuǎn)的移動。實施例中的治療設(shè)備102可以是直線加速器“l(fā)inac”(例如，如關(guān)于圖1a所示和所描述的)，其可以被配置為使x射線束指向患者104的靶(例如，癌腫瘤)。
此外，系統(tǒng)102可以包括成像及控制系統(tǒng)112(例如，核磁共振成像(mri)機器)，其包括成像系統(tǒng)114和治療控制器電路116(在本公開中也被稱為“控制器電路116”或“控制器116”)，如閃電圖標(biāo)118所示(例如，閃電圖標(biāo)118可以是有線或無線連接)，成像及控制系統(tǒng)112與治療設(shè)備102通信。例如，成像及控制系統(tǒng)112還可以包括數(shù)據(jù)庫117以存儲所獲取的圖像。成像系統(tǒng)114可以包括可與治療裝置102組合使用的核磁共振成像(mri)機器(例如，提供mri直線加速器(“mri-linac”)，mri裝置可以是用于提供可用于控制或適應(yīng)性調(diào)整患者104的治療的成像信息。諸如計算機斷層攝影(ct)系統(tǒng)的一個或更多的其它成像系統(tǒng)可附加地或替代地包括在系統(tǒng)102或成像系統(tǒng)114中，或者與系統(tǒng)102或成像系統(tǒng)114一起使用。
例如，成像系統(tǒng)114可以獲取患者的三維(3d)圖像。例如，在治療計劃階段期間，諸如醫(yī)師、護士、物理學(xué)家或技術(shù)人員的醫(yī)護人員可以在治療患者之前控制系統(tǒng)102例如經(jīng)由成像系統(tǒng)114獲取3d計劃圖像數(shù)據(jù)。該3d計劃圖像數(shù)據(jù)可用于確定患者關(guān)注區(qū)域(例如，靶)的精確位置。作為另一個例子，在治療緊前，例如在獲取3d計劃圖像之后若干天，醫(yī)護人員可以控制系統(tǒng)102以獲取可以在治療期間使用的新的3d圖像。另外，在患者104的治療期間，成像系統(tǒng)114可以獲取包括該區(qū)域的至少一部分的mri圖像的多個一維(1d)線或二維(2d)切片或3d體積(當(dāng)組合時可以形成該區(qū)域的3d圖像)。
控制器116可以控制系統(tǒng)102的一個或更多方面。例如，控制器116可以例如經(jīng)由患者支撐件106控制患者的位置，控制從放射源發(fā)射的放射劑量108，控制或適應(yīng)性調(diào)整射束孔徑形狀以追蹤靶，和/或控制放射源108的移動和/或定位。
如上所述，mri-linac系統(tǒng)可以具有其自己的控制器電路116來控制成像和直線加速器二者。然而，在成像系統(tǒng)114是ct系統(tǒng)的示例實現(xiàn)中，ct系統(tǒng)的控制器可能不控制直線加速器。因此，分立的控制器控制ct系統(tǒng)和直線加速器。
如閃電圖標(biāo)122所示，系統(tǒng)102可以包括與成像及控制系統(tǒng)112通信的治療適應(yīng)系統(tǒng)(tas)120。例如，tas120可以從mri或ct掃描接收先前獲得的3d圖像數(shù)據(jù)體積，其對應(yīng)于由成像系統(tǒng)114獲取的3d圖像。tas可以包括用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入/輸出電路122，用于緩沖和/或存儲數(shù)據(jù)的存儲器電路124以及處理器電路126?？梢允侨魏芜m當(dāng)組織的數(shù)據(jù)存儲設(shè)施的存儲器電路124可以從成像及控制系統(tǒng)112接收圖像數(shù)據(jù)。存儲器電路124可以經(jīng)由無線或有線連接通過常規(guī)數(shù)據(jù)端口接收圖像數(shù)據(jù)并且還可以包括用于接收模擬圖像數(shù)據(jù)的電路和用于數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。存儲器電路124可以將圖像數(shù)據(jù)提供給處理器電路126，處理器電路126可以在通用計算機上以硬件或軟件或兩者的組合來實現(xiàn)本發(fā)明的功能。在一個實施例中，處理器電路126可以是圖形處理單元(gpu)。
如下文和根據(jù)本公開所詳細(xì)描述的那樣，例如，tas120可以例如使用mri從實時獲取的一系列2d切片估計3d運動，以實時地適應(yīng)性調(diào)整放射療法治療計劃。在學(xué)習(xí)階段，tas120可以構(gòu)建轉(zhuǎn)換模型，該轉(zhuǎn)換模型將2d切片聯(lián)系到例如使用mri或ct獲取的先前獲取的3d圖像數(shù)據(jù)體積。在追蹤階段，tas120可以基于在學(xué)習(xí)階段構(gòu)建的轉(zhuǎn)換模型執(zhí)行3d實時追蹤。tas120可以確定諸如靶的區(qū)域是否已經(jīng)改變位置，然后將信息輸出到成像及控制系統(tǒng)112，其可以允許治療控制器電路116響應(yīng)于所確定的位置改變來控制治療。
圖2是示出可以用于構(gòu)建可以將2d切片聯(lián)系到先前獲得的3d圖像數(shù)據(jù)體積的轉(zhuǎn)換模型的技術(shù)的示例的流程圖。圖2的流程圖可以表示其中tas120可以構(gòu)建可以將2d切片聯(lián)系到3d運動的轉(zhuǎn)換模型的學(xué)習(xí)階段。首先，tas120可以從成像及控制系統(tǒng)112獲得一組獲取的4d圖像數(shù)據(jù)(框200)。可以使用mr或ct成像技術(shù)來獲取圖像數(shù)據(jù)。4d圖像數(shù)據(jù)包括在一段時間內(nèi)獲得的3d圖像數(shù)據(jù)體積。可選地，tas120可以使用來自學(xué)習(xí)階段的4d圖像數(shù)據(jù)來填充當(dāng)tas120之后在追蹤階段期間使用2d切片時丟失的圖像的任何部分。
從4d圖像數(shù)據(jù)，tas120可以提取2d切片(框202)并且在諸如可以用作時間幀的端點的時間之間執(zhí)行3d運動場估計(框204)。首先關(guān)于3d運動場估計(框204)，為了量化4d圖像數(shù)據(jù)200中的運動，tas120可以提取第一參考3d圖像數(shù)據(jù)體積。由于3d圖像數(shù)據(jù)體積隨著時間改變，兩個圖像數(shù)據(jù)體積之間的變化可以表征為由變形向量場定義的變形。tas120可以通過例如計算變形向量場(dvf)來執(zhí)行3d運動場估計，以找到每個連續(xù)的3d圖像數(shù)據(jù)體積與參考3d圖像數(shù)據(jù)體積之間的變形。在一些示例中，變形可以隨時間的像素到像素(或體素到體素)變形，其中每個像素(或體素)可以具有限定其從一個3d圖像到下一個3d圖像的移動的變形向量，例如，如果患者具有非常小的鈣化，則向量可以限定鈣化如何移動。如果沒有變形，所有像素(或體素)變形向量點都為空。如果存在變形，像素(或體素)變形向量指向各個方向。
在一個示例中，tas120的處理器電路126可以使用非線性配準(zhǔn)技術(shù)來確定變形。在一個示例中，處理器電路126可以計算圖像中的每個像素(或體素)的dvf。在一個示例中，處理器電路126可以計算諸如分割的或其他圖像中的例如針對靶或危及器官的關(guān)注區(qū)域中像素(或體素)的dvf。在一些情況下，為了縮減計算復(fù)雜度，tas120可以使用剛性配準(zhǔn)而不是可形變配準(zhǔn)。
在tas120計算dvf之后，tas120具有描述器官如何在呼吸期間移動(例如平移和/或旋轉(zhuǎn)、和/或變形)的一組dvf。這一組dvf可以包含大量信息，這在計算上難以處理。為了簡化計算，必要時，tas120的處理器電路126可以縮減該組dvf的維度。
首先，tas120的處理器電路126可以將降維技術(shù)應(yīng)用于dvf。如圖2所示，降維技術(shù)可以包括將主成分分析(pca)應(yīng)用于3d運動場數(shù)據(jù)(框206)。pca應(yīng)用于dvf得到一組定義向量的主成分或系數(shù)。然后，使用諸如預(yù)定義的變化量、或重構(gòu)變形場的預(yù)定義的期望精度的預(yù)定義準(zhǔn)則，tas120可以通過從該組主成分中選擇一個或更多個pca成分來降低維度(框208)。在一個示例中，精度可以被定義為重構(gòu)變形場與由配準(zhǔn)給出的變形場之間的差的度量。
降維技術(shù)不限于使用pca。降維技術(shù)的其他非限制性示例包括獨立成分分析(ica)、核主成分分析、典型相關(guān)分析、局部線性嵌入(lle)、hessianlle、拉普拉斯特征映射、局部切空間排列、最大方差延展和最大信息維度。
如上所述，tas120可以從4d圖像數(shù)據(jù)體積提取2d切片(框202)。與對3d圖像數(shù)據(jù)體積一樣，tas120可以通過例如計算dvf來執(zhí)行2d運動場估計以找到連續(xù)的2d圖像數(shù)據(jù)(2d切片)之間的變形(框210)。
在一些示例中，tas120可以選擇4d圖像數(shù)據(jù)體積內(nèi)的任意切片。在其他示例中，tas120可以確定和選擇諸如矢狀面、軸狀面、冠狀面、例如具有最多運動信息的平面的取向，并且從該平面或其他取向選擇切片。與具體mri切片相關(guān)聯(lián)的“平面”不需要是嚴(yán)格的平面，并且可以包括某些曲率，例如由于mri失真?zhèn)斡?，或者已?jīng)至少部分地補償mri失真的切片。例如，tas120可以在三個平面上訓(xùn)練，并確定哪個平面提供更好的3d運動預(yù)測。在一些示例中，tas120可以在三個正交方向上從平面中選擇切片，并計算那些平面中各個平面的dvf。
在tas120計算2d圖像數(shù)據(jù)的dvf之后，tas120具有一組dvf。為了簡化計算，tas120的處理器電路126可以通過對dvf應(yīng)用降維技術(shù)來縮減該組dvf的維度。降維技術(shù)可以包括tas120將pca應(yīng)用于2d運動場數(shù)據(jù)(框212)以生成一組主成分。然后，使用預(yù)定義的準(zhǔn)則，例如預(yù)定義的差異性的量或重構(gòu)變形場的預(yù)定義的期望精度，tas120可以通過從該組主成分中選擇一個或更多pca成分來縮減維度(框214)。
例如，在pca分析期間，tas120可以確定主要成分變化。作為具體示例，第一主成分可以是最大的并且可以解釋75％的差異性，第二主成分可以解釋10％的差異性。如果預(yù)定義的差異性的量為85％，則tas120可以選擇第一主成分和第二主成分。
在一個示例中，精度可以被定義為重構(gòu)變形場與由配準(zhǔn)給出的變形場之間的差的度量。
在tas120可選地縮減3d運動場pca和2d運動場pca兩者的維度之后，tas120的處理器126可以產(chǎn)生在2dpca成分與3dpca成分之間建立關(guān)系或者聯(lián)系2dpca成分與3dpca成分的多變量多維函數(shù)f。例如，該函數(shù)f可以是在包含變形向量場的3dpca成分的y列與包含2dpca成分的x列之間的線性回歸，如下所示：
其中yij是3dpca中i時間序列的以主成分為基礎(chǔ)的j坐標(biāo)，
xij是2dpca中i時間序列的以主成分為基礎(chǔ)的j坐標(biāo)，
m是時間序列中的樣本數(shù)，
n是3dpca的成分的數(shù)量，
p是所考慮的切片的2dpca的成分的數(shù)量。
線性回歸可以通過以下示出：
其中j是對于所有時間序列的3dpca中的j分量的坐標(biāo)，
β是回歸系數(shù)的向量。
在一些示例中，線性回歸技術(shù)是主成分回歸。雖然描述了線性回歸技術(shù)，但是可以使用任何類型的回歸分析，例如一種或更多種非線性回歸技術(shù)。該過程不限于線性回歸，例如f是多變量多元函數(shù)。
一旦tas120計算了該函數(shù)f(框216)，則tas可以計算將2d切片聯(lián)系到3d運動的模型(在框218處)。該模型可以包括2dpca和3dpca的成分以及將它們聯(lián)系起來的函數(shù)f。
在追蹤階段期間，tas120可以獲得任意取向的2d切片，例如矢狀的、矢狀-軸狀的、矢狀-軸狀-冠狀的，只要切片與在學(xué)習(xí)階段期間使用的切片位于相同的解剖位置。然后，tas120可以計算所獲得的圖像數(shù)據(jù)的pca，并使用模型將圖像數(shù)據(jù)映射回來，以查看完整3d運動的估計應(yīng)該如何。
在一些示例中，可以由一組4dmri數(shù)據(jù)構(gòu)建學(xué)習(xí)階段中的模型。在一些這樣的示例中，可以從更早時或剛好在治療之前獲取的相位或振幅分箱的4dmri掃描獲得該組4dmri數(shù)據(jù)?？梢栽诙鄠€呼吸周期中獲得圖像數(shù)據(jù)，其中單個呼吸周期包括多個部分，并且tas120可以使用相似部分中的圖像數(shù)據(jù)的集中趨勢來生成至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積。例如，呼吸周期可以分箱，并且tas120可以通過從不同呼吸時期的相同箱中獲取信息來生成3d圖像。以這種方式，tas120可以產(chǎn)生多個呼吸周期中平均的4d圖像。
在其他示例中，可以從一系列快速3dmri掃描獲得4dmri數(shù)據(jù)。在一些情況下，例如，如果4d圖像數(shù)據(jù)不可用，則可以從靜態(tài)3dmri圖像來模擬4dmri數(shù)據(jù)，例如使用一些諸如對運動動力學(xué)進行建模的附加假設(shè)。
圖3是示出可以用于使用根據(jù)圖2的流程圖構(gòu)建的轉(zhuǎn)換模型來估計患者的實時3d圖像的技術(shù)的示例的流程圖。圖3的流程圖表示實時追蹤階段，其中tas120可以對3d運動場估計進行近似，包括將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d運動場估計，并且基于所近似的3d運動場確定靶或區(qū)域的至少一部分的諸如3d位置、3d變形、和/或3d旋轉(zhuǎn)的至少一個實時變化。
在圖3中，tas120可以獲得對應(yīng)于諸如2dmri切片的2d圖像的多個實時圖像數(shù)據(jù)(框300)。在一些示例中，數(shù)據(jù)圖像可以包括靶的至少一部分。例如，tas120可以通過估計實時dvf(并且因此估計患者的實時3d圖像)來對多個圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行2d運動場估計，以找出諸如2d切片的連續(xù)2d圖像數(shù)據(jù)之間的變形(框302)。接下來，tas120可以對3d運動場估計進行近似，其可以包括將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d運動場估計。例如，tas120可以計算剛獲得的諸如2d切片的2d圖像數(shù)據(jù)的2dpca(框304)。使用通過聯(lián)系2dpca與3dpca的函數(shù)f所估計的轉(zhuǎn)換模型(框306)，tas120可以估計3dpca成分(框308)。使用估計的3dpca成分，tas120可以近似患者區(qū)域的實時3d運動場估計(框310)，并且由此估計諸如危及器官的靶的運動(框312)。
在一些示例中，tas120可以確定在治療期間對患者成像的2d切片的最佳取向和位置。例如，tas120可以確定包含每個3dpca成分的最大信息的子空間。該子空間可以包含與3d圖像數(shù)據(jù)體積最相關(guān)的變形信息，并且該變形信息提供最準(zhǔn)確的運動預(yù)測。使用該變形信息，tas120可以自動選擇用于選擇2d切片的最佳取向。
在一些示例中，tas120可以實現(xiàn)2dpca成分的實時估計。例如，tas120可以執(zhí)行可以直接估計2dpca中當(dāng)前切片的坐標(biāo)的優(yōu)化處理，而不計算2d切片之間的可變形配準(zhǔn)，這將產(chǎn)生將當(dāng)前切片變形到模型切片的最佳坐標(biāo)。
通過確定靶的估計運動，tas120可以通過如果該區(qū)域的至少一部分在預(yù)定義的空間門控窗口之外則準(zhǔn)確地門控治療來控制治療。此外，tas120可以通過控制治療遞送裝置的發(fā)出的放射線方向來追蹤該區(qū)域以控制治療。
應(yīng)當(dāng)注意，雖然技術(shù)被描述為受檢者特異性的，但是本公開的技術(shù)可以擴展到一般的統(tǒng)計3dpca。在這種情況下，可以在若干個受檢者上確定在學(xué)習(xí)階段確定的3dpca。
在實時追蹤之前，期望tas120在預(yù)處理階段執(zhí)行預(yù)對準(zhǔn)，以確保從其確定轉(zhuǎn)換模型的原始獲取的4d圖像數(shù)據(jù)與患者的當(dāng)前位置對準(zhǔn)?？梢云谕_保在追蹤階段期間使用的切片與在學(xué)習(xí)階段期間使用的切片相同。例如，如果4d圖像數(shù)據(jù)是在前一天獲取的，則可能發(fā)生失配。
在預(yù)對準(zhǔn)動作中，tas120可以確定對于在第一時間(例如，第一天的學(xué)習(xí)階段)的第一患者分次(治療)與第二時間(例如，第二天的追蹤階段)的第二患者分次(治療)之間的患者移動的校正。tas120可以執(zhí)行3dpca與當(dāng)前患者的剛性對準(zhǔn)。在學(xué)習(xí)階段的非線性配準(zhǔn)的情況下，tas120可以通過各種重新定向策略來校正3dpca成分。在一個示例中，tas120可以基于在建模階段期間使用的切片確定在追蹤階段期間使用哪些切片以確保一致性。
圖4示出了例如mri引導(dǎo)的linac的放射治療系統(tǒng)400的部分的示例。放射治療系統(tǒng)400可以包括治療系統(tǒng)402、成像系統(tǒng)412和終端用戶界面434。治療系統(tǒng)402可以包括治療裝置，例如治療裝置可以包括直線加速器(“l(fā)inac”)。直線加速器可以被配置為向患者408遞送放射治療。患者408可以定位在諸如檢查床、檢查臺或其它表面的患者支撐件410上。患者支撐件410可以被構(gòu)造為例如相對于linac的一個或更多其他組件改變位置，例如提升或改變患者408的縱向位置。在一個示例中，患者支撐件410可被構(gòu)造被機動化，使得患者408可以被定位為使得靶處于治療設(shè)備的中心處或靠近治療設(shè)備的中心。
可以從放射源406朝向患者408發(fā)射放射線。在一個示例中，放射源406可以被構(gòu)造為移動，例如通過使用放射源406可被附接到的旋轉(zhuǎn)支撐件404(例如，臺架或機械臂)而圍繞患者408旋轉(zhuǎn)。放射源406可以被配置為將x射線(或其他粒子)束指向患者408的靶(例如，癌腫瘤)。放射源406可以被配置為旋轉(zhuǎn)，從而例如根據(jù)治療計劃向患者408提供多個放射劑量(例如，不同的劑量)。
成像系統(tǒng)412可以包括可與治療系統(tǒng)402一起使用的諸如核磁共振成像(mri)機器的成像裝置414(例如，以提供mri直線加速器(“mri-linac”))。mri裝置可以用于提供可用于確定患者408中的靶的位置的成像信息，例如將放射治療指向到患者408的諸如靶的指定位置。成像系統(tǒng)412可以附加地或替代地包括計算機斷層攝影(ct)系統(tǒng)或另一像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)412可以包括一個或更多傳感器416。一個或更多傳感器416可以包括平板檢測器(例如，x射線檢測器)，例如平板檢測器可以布置成與x射線源相對。成像系統(tǒng)412可以包括一個或更多輸入418、一個或更多輸出420、處理器電路422、存儲器電路424、數(shù)據(jù)庫426、通信電路428、計時器電路430和控制器電路432。
例如，成像系統(tǒng)412可以獲取患者408的具有至少三個維度(例如，3dmr參考圖像或4dmr參考圖像)的參考圖像(例如，治療計劃圖像)。在一個示例中，可以由成像系統(tǒng)獲取關(guān)于3dmr參考圖像的信息。3dmr參考圖像可以用于確定患者的關(guān)注區(qū)域(例如，靶)的位置。在一個示例中，在患者408的治療分次期間，成像系統(tǒng)412可以獲取多個一維(1d)線、二維(2d)切片或投影圖像、3dmr圖像(例如，體積的3d圖像)、或4dmr圖像(例如，隨著時間的推移的一系列3dmr圖像)。
治療系統(tǒng)402可以通信地聯(lián)接到成像系統(tǒng)412和終端用戶界面434。成像系統(tǒng)412可以包括或者可通信地聯(lián)接到終端用戶界面434。這種通信聯(lián)接可以包括使用一個或更多通信鏈路(例如，通信鏈路438)，諸如可以包括有線或無線發(fā)射器、接收器或收發(fā)器電路(例如在通信鏈路的每一端)、通信總線、通信網(wǎng)絡(luò)或計算機網(wǎng)絡(luò)。
處理器電路422可以被配置為確定關(guān)于患者408中靶的定位(例如，位置)的信息。例如，在患者408的分次放射治療期間，輸出420可以被配置為將諸如關(guān)于靶的位置的信息提供到諸如治療系統(tǒng)402。終端用戶界面434可以被諸如放射腫瘤學(xué)家、放射劑量測試員或放射治療師(例如，技師)的醫(yī)護人員使用。在一個示例中，終端用戶界面434可以包括音頻/視覺指示器(例如，監(jiān)視器)?？刂破麟娐?32可以被配置為控制成像系統(tǒng)412的一個或更多方面。在一個示例中，控制器電路432可以控制成像設(shè)備414的梯度線圈的使用或操作，以便指定實時2dmr圖像切片的取向。存儲器電路424可以將信息提供到處理器電路422，處理器電路422可以在通用計算機上以硬件或軟件或兩者的組合來實現(xiàn)本文描述的技術(shù)。在一個示例中，處理器電路422可以包括圖形處理單元(gpu)。
此外，該文件描述了將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d靶或oar運動估計以獲得估計的3d靶或oar運動估計，用于3d運動估計的一個或更多其它技術(shù)可以與本文所述的技術(shù)結(jié)合。例如，本公開中描述的各種技術(shù)的一個或更多方案可以與以下美國專利申請中描述的一個或更多方案相結(jié)合，其全部內(nèi)容通過引用并入本文中：1)于2014年12月10日提交的題目為“magneticresonanceprojectionimaging”(“核磁共振投影成像”)的序列號為62/090,115的美國專利申請(代理人案卷號4186.006prv)；2)于2014年10月27日提交的題目為“realtimeorganmotionpredictionduetobreathingformri-linac”(“對于核磁共振直線加速器的由于呼吸導(dǎo)致的實時器官運動預(yù)測”)的序列號為62/069,066的美國專利申請(代理人案卷號4186.003prv)；3)于2014年12月9日提交的題目為“magneticresonanceimagingtargetlocalization”(“核磁共振成像靶定位”)的序列號為62/089,482的美國專利申請(代理人案卷號4186.009prv)；4)于2014年10月27日提交的題目為“mri-linacreal-timeimageguidancetechniques”(核磁共振直線加速器實時圖像引導(dǎo)技術(shù))的序列號為62/069,145的美國專利申請(代理人案卷號4186.005prv)。
補充注釋
示例1包括控制患者區(qū)域的至少一部分的實時圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放射治療的主題(例如方法、用于執(zhí)行動作的裝置、包括當(dāng)由機器執(zhí)行時使機器執(zhí)行動作的指令的機器可讀介質(zhì)(例如計算機可讀介質(zhì))、或配置為執(zhí)行的設(shè)備)，所述方法包括：獲取對應(yīng)于包括所述區(qū)域的至少一部分的二維(2d)核磁共振成像(mri)圖像的多個實時圖像數(shù)據(jù)；對所述多個圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行2d運動場估計；對三維(3d)運動場估計進行近似，包括將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d運動場估計；基于所近似的3d運動場估計來確定所述區(qū)域的至少一部分的至少一個實時變化；并且使用所確定的至少一個變化來控制所述區(qū)域的至少一部分的治療。
在示例2中，示例1的主題可以可選地包括：使用轉(zhuǎn)換模型，其中轉(zhuǎn)換模型由以下指定：在第一時間幀期間獲得至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積，所述至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積包括所述區(qū)域的至少一部分；對在第一時間幀期間獲得的至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積執(zhí)行3d運動場估計；在第一時間幀期間獲得與至少兩個2d圖像對應(yīng)的2d圖像數(shù)據(jù)，所述2d圖像數(shù)據(jù)包括區(qū)域的至少一部分；對在第一時間幀期間獲得的2d圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行2d運動場估計；并且使用縮減的3d運動場和2d運動場來確定轉(zhuǎn)換模型。
在示例3中，示例2的主題可以可選地包括，其中執(zhí)行3d運動場估計和執(zhí)行2d運動場估計中的至少一個包括計算變形向量場。
在示例4中，示例2和3中的一個或更多的主題可以可選地包括，縮減估計的3d運動場和估計的2d運動場中的至少一個的維度。
在示例5中，示例4的主題可以可選地包括執(zhí)行主成分分析以確定多個主成分；并且其中縮減估計的3d運動場和估計的2d運動場中的至少一個的維度包括基于預(yù)定準(zhǔn)則選擇主成分中的至少一個。
在示例6中，示例2至5中的一個或更多的主題可以可選地包括，使用縮減的3d運動場和2d運動場來確定轉(zhuǎn)換模型包括執(zhí)行主成分回歸。
在示例7中，示例1至6中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中控制治療包括：如果區(qū)域的至少一部分在預(yù)定義的空間門控窗口之外，則對治療進行門控。
在示例8中，示例1至7中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中控制治療包括：控制治療遞送裝置的發(fā)射的放射線方向以追蹤區(qū)域。
在示例9中，示例1至8中的一個或更多的主題可以可選地包括：確定對在第一時間的第一患者分次與第二時間的第二患者分次之間的患者移動的校正。
在示例10中，示例2至9中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中在第一時間幀期間獲得至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積包括：在多個呼吸周期中獲得圖像數(shù)據(jù)，其中單個呼吸周期包括多個部分；并且使用相似部分中的圖像數(shù)據(jù)的集中趨勢來生成所述至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積。
在示例11中，示例1至10中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中至少一個實時變化包括至少一個實時3d變形。
在示例12中，示例1至11中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中至少一個實時變化包括至少一個實時3d位置。
在示例13中，示例1至12中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中至少一個實時變化包括至少一個實時3d旋轉(zhuǎn)。
示例14包括用于控制患者區(qū)域的至少一部分的實時圖像引導(dǎo)自適應(yīng)放射治療的主題(例如裝置、設(shè)備、系統(tǒng)、或機器)，包括：治療自適應(yīng)系統(tǒng)，其被配置為：獲得對應(yīng)于包括所述區(qū)域的至少一部分的二維(2d)核磁共振成像(mri)圖像的多個實時圖像數(shù)據(jù)；對所述多個圖像數(shù)據(jù)進行2d運動場估計；對三維(3d)運動場估計進行近似，包括將轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用于2d運動場估計；基于所近似的3d運動場估計來確定所述區(qū)域的至少一部分的至少一個實時變化；以及治療控制器電路，其被配置為：使用所確定的至少一個變化來控制所述區(qū)域的至少一部分的治療。
在示例15中，示例14的主題可以可選地包括，其中治療自適應(yīng)系統(tǒng)被配置為：使用轉(zhuǎn)換模型，其中轉(zhuǎn)換模型由以下指定：在第一時間幀期間獲得至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積，所述至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積包括區(qū)域的至少一部分；對在第一時間幀期間獲得的至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積執(zhí)行3d運動場估計；在第一時間幀期間獲得與至少兩個2d圖像對應(yīng)的2d圖像數(shù)據(jù)，所述2d圖像數(shù)據(jù)包括區(qū)域的至少一部分；對在第一時間幀期間獲得的2d圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行2d運動場估計；并且使用縮減的3d運動場和2d運動場來確定所述轉(zhuǎn)換模型。
在示例16中，示例15的主題可以可選地包括，其中執(zhí)行3d運動場估計和執(zhí)行2d運動場估計中的至少一個包括計算變形向量場。
在示例17中，示例15和16中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中治療自適應(yīng)系統(tǒng)被配置為：縮減估計的3d運動場和估計的2d運動場中的至少一個的維度。
在示例18中，示例17的主題可以可選地包括，其中治療自適應(yīng)系統(tǒng)被配置為：執(zhí)行主成分分析以確定多個主成分；并且其中，治療自適應(yīng)系統(tǒng)配置為縮減估計的3d運動場和估計的2d運動場中的至少一個的維度包括基于預(yù)定義準(zhǔn)則選擇主成分中的至少一個。
在示例19中，示例15至18中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中所述治療自適應(yīng)系統(tǒng)配置為使用縮減的3d運動場和2d運動場來確定轉(zhuǎn)換模型包括執(zhí)行主成分回歸。
在示例20中，示例14至19中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中配置成控制治療的治療控制器電路被配置為：如果區(qū)域的至少一部分在預(yù)定義的空間門控窗口之外，則對治療進行門控。
在示例21中，示例14至20中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中被配置為控制治療的治療控制器電路被配置為：控制治療遞送裝置的發(fā)射的放射線方向以追蹤區(qū)域。
在示例22中，示例14至21中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中治療自適應(yīng)系統(tǒng)被配置為：確定對于在第一時間的第一患者分次與第二時間的第二患者分次之間的患者移動的校正。
在示例23中，示例15至22中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中被配置為在第一時間幀期間獲得至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積的治療自適應(yīng)系統(tǒng)被配置為：在多個呼吸周期中獲得圖像數(shù)據(jù)，其中單個呼吸周期包括多個部分；并且使用相似部分中的圖像數(shù)據(jù)的集中趨勢來生成所述至少兩個3d圖像數(shù)據(jù)體積。
在示例24中，示例14至23中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中至少一個實時變化包括至少一個實時3d變形。
在示例25中，示例14至24中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中至少一個實時變化包括至少一個實時3d位置。
在示例26中，示例14至25中的一個或更多的主題可以可選地包括，其中至少一個實時變化包括至少一個實時3d旋轉(zhuǎn)。
上述詳細(xì)描述包括對于構(gòu)成詳細(xì)描述的一部分的附圖的參考。附圖通過圖示的方式示出了可以實施本發(fā)明的具體實施例。這些實施例在本文中也稱為“示例”。這樣的示例可以包括除了所示出或所描述的元件之外的元件。然而，本發(fā)明人還預(yù)期到僅提供所示出或所描述的那些元件的示例。
此外，或者關(guān)于本文中示出或描述的特定示例(或其一個或更多方案)，或者關(guān)于本文中示出或描述的其它示例(或其一個或更多方案)，本發(fā)明人還預(yù)期到使用所示出或所描述的那些元件(或其一個或更多方案)的任何組合或排列的示例。
本文件中提及的所有出版物、專利和專利文獻通過引用整體并入本文，如同通過引用單獨并入。如果本文獻與通過引用并入的那些文獻之間的用法不一致，則引用的參考文獻中的用法應(yīng)被視為對本文檔的補充；對于不可調(diào)和的不一致，則以本文件中的用法為準(zhǔn)。
在本文獻中，使用了術(shù)語“a”或“an”，如專利文件中常用的，其包括一個或多于一個，獨立于“至少一個”或“一個或更多”的任何其它實例或用途。在本文獻中，術(shù)語“或”用于表示非排他性的“或”，除非另有說明，否則“a或b”包括“有a沒有b”、“有b沒有a”、以及“a和b”。在本文獻中，術(shù)語“包括”和“其中(inwhich)”用作各個術(shù)語“包括”和“其中(wherein)”的通俗易懂的等效。此外，在下列權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”是開放式的，即，包括除了在權(quán)利要求中的這樣的術(shù)語之后列出的那些元件之外的元件的設(shè)備、系統(tǒng)、裝置、物品、構(gòu)成、構(gòu)想或過程仍被視為落入該權(quán)利要求的范圍。此外，在下面的權(quán)利要求中，術(shù)語“第一”、“第二”和“第三”等僅用作標(biāo)記，并不意圖對其對象施加數(shù)值要求。
本文描述的方法示例至少部分地可以是機器或計算機實現(xiàn)的。一些示例可以包括編碼有指令的計算機可讀介質(zhì)或機器可讀介質(zhì)，該指令可經(jīng)操作以配置電子裝置來執(zhí)行如上述示例中所描述的方法。這些方法的實現(xiàn)可以包括例如微代碼、匯編語言代碼、更高級語言代碼等的代碼。這樣的代碼可以包括用于執(zhí)行各種方法的計算機可讀指令。這種代碼可以形成計算機程序產(chǎn)品的一部分。此外，在一個示例中，例如在運行期間或在其它時間，代碼可以有形地存儲在一個或更多易失性、非暫時性、或非易失性有形計算機可讀介質(zhì)上。這些有形的計算機可讀介質(zhì)的示例可以包括但不限于硬盤、可移動磁盤、可移動光盤(例如，壓縮光盤和數(shù)字視頻盤)、磁帶、存儲卡或存儲棒、隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)等。
以上描述旨在是說明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一個或更多方案)可以彼此組合使用。例如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀上述描述時可以使用其它實施例。提供摘要以允許讀者快速確定技術(shù)公開的實質(zhì)。提交時應(yīng)該理解是：它不會用于解釋或限制權(quán)利要求的范圍或含義。另外，在上述具體實施方式的說明書部分中，各種特征可以被分組在一起以簡化本公開。這不應(yīng)解釋為一種使不要求保護的公開的特征對于任一權(quán)利要求都是必要的意圖。相反，本發(fā)明的主題可以少于公開的特定實施例的全部特征。因此，以下權(quán)利要求書作為示例或?qū)嵤├⑷刖唧w實施方式中，其中每個權(quán)利要求自身獨立地作為單獨的實施例，并且認(rèn)為這些實施例可以以各種組合或排列彼此組合。本發(fā)明的范圍應(yīng)參照所附權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求賦權(quán)的等同形式的全部范圍來確定。
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