本發(fā)明涉及放射治療，并且特別涉及可以例如用于放射治療中的劑量計(jì)劃的優(yōu)化中的劑量計(jì)算。

背景技術(shù)：

放射治療涉及使患者內(nèi)的諸如腫瘤的靶經(jīng)受一個或多個輻射束。理想地，應(yīng)該將特定劑量遞送到靶并且使最小輻射到達(dá)周圍的組織。特別是應(yīng)該使對諸如心臟的關(guān)鍵組織或器官的輻射最小化。通常放射治療被分配在許多分次治療(session)中，例如一天一次并持續(xù)數(shù)天或數(shù)星期。

為了全面地計(jì)劃放射治療，患者的相關(guān)部分的3D計(jì)劃圖像被產(chǎn)生并被分割。分割(segmenting)圖像是指確定各種關(guān)注區(qū)域的邊界，諸如靶和周圍組織、器官等的邊界并且把這些邊界加入到圖像中。計(jì)劃圖像還可以基于來自圖像圖庫(atlas)的圖像。因?yàn)槟[瘤和其他器官的大小和形狀及其位置將通常在放射治療的過程中改變，所以通常的做法是在放射治療的一個或多個時間，例如，在每個放射治療的分次治療開始時取得分次圖像(fraction image)。來自分次圖像的信息用于更新放射治療計(jì)劃。這被稱為自適應(yīng)放射治療計(jì)劃。

劑量計(jì)劃要求關(guān)于各種器官的位置以及關(guān)于其物質(zhì)特性的信息，諸如密度和/或原子組成。密度信息用于劑量計(jì)劃。如果使用了光子放射治療，則密度和原子組成確定輻射的衰減。如果使用了諸如質(zhì)子放射治療的離子放射治療，則密度和原子組成確定停止功率，其影響離子將在患者的身體內(nèi)行進(jìn)的距離。對于初始計(jì)劃，該信息取自計(jì)劃圖像。分次圖像通常用于確定關(guān)注區(qū)域的新邊界，以正確地瞄準(zhǔn)輻射束。

因此，計(jì)劃圖像應(yīng)該不僅包括關(guān)于輪廓的信息，而且應(yīng)該包括關(guān)于每個關(guān)注區(qū)域的物質(zhì)特性的信息。當(dāng)腫瘤和其他組織的幾何形狀在治療期間改變時，分次圖像被用來獲得最新的輪廓信息。因此，分次圖像可能具有比計(jì)劃圖像少得多的信息。這是有利的，因?yàn)樗鼘τ诿總€分次圖像允許到患者的更低輻射劑量并且還允許利用不太昂貴的成像系統(tǒng)來取得分次圖像。例如，扇形射束CT掃描(在本文檔中被稱為CT)可以用于計(jì)劃圖像，同時錐形射束CT(CBCT)掃描用于治療圖像。CT圖像包括劑量計(jì)劃所需的所有信息但是相對昂貴并且涉及到患者比例如CBCT更高的輻射劑量。CBCT另一方面不總是提供關(guān)于物質(zhì)特性的可靠信息并且具體地經(jīng)受諸如深拉失真的失真，其中圖像的密度在圖像的邊緣附近被曲解。其他成像技術(shù)涉及甚至更低或沒有輻射但是不提供適當(dāng)?shù)闹委熡?jì)劃所必需的所有信息。

在自適應(yīng)治療計(jì)劃中，建立計(jì)劃圖像與一個或多個分次圖像之間的坐標(biāo)的映射的過程被稱作圖像配準(zhǔn)(registration)。數(shù)個配準(zhǔn)方法在本領(lǐng)域中是已知的。特別優(yōu)選的是可變形圖像配準(zhǔn)方法，其考慮每個器官的個別運(yùn)動以及在放射治療期間通常發(fā)生的變形這兩者。在可變形配準(zhǔn)中，計(jì)劃圖像中的每個體素(voxel)被映射到分次圖像中的對應(yīng)體素，使得能夠確定身體的對應(yīng)部分的移動。術(shù)語可變形配準(zhǔn)和彈性配準(zhǔn)被可交換地使用。

歐洲專利申請EP 1 778 353公開了用于在治療分次治療之間適應(yīng)放射治療計(jì)劃的可變形配準(zhǔn)的使用。輪廓信息是通過利用與計(jì)劃圖像的可變形配準(zhǔn)在分次圖像中獲得的并且用于更新放射治療計(jì)劃。

對于大多數(shù)關(guān)注區(qū)域來說密度在放射治療的過程中變化很小。對于其他區(qū)域來說，密度可能在短時間幀內(nèi)顯著地變化。例如腸和膀胱的大小和內(nèi)容將隨著時間而變化?？諝饣蛞后w的存在將影響密度，并且因此顯著地影響器官的衰減或停止功率。用于圖像配準(zhǔn)的當(dāng)前可用的方法未考慮這些改變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的目標(biāo)是提供將考慮可能在放射治療的過程中發(fā)生的組織密度的變化的劑量計(jì)算方法。

這個目標(biāo)是根據(jù)本發(fā)明通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法以及根據(jù)權(quán)利要求11的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明還涉及將根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括在程序存儲器中的用于劑量計(jì)算的系統(tǒng)。

因此，如本領(lǐng)域中常見的，可以基于來自分次圖像的最新的位置信息進(jìn)行劑量計(jì)劃。位置信息可以包括關(guān)于患者的身體中的器官或組織的大小、位置和輪廓的信息。根據(jù)本發(fā)明劑量計(jì)劃還可以考慮，在一些情況下分次圖像將在圖像的一些區(qū)域中具有比計(jì)劃圖像更正確的物質(zhì)特性信息。另一方面，并且如先前提及的，計(jì)劃圖像可能在一些其他區(qū)域中具有更正確的物質(zhì)特性信息。因此，根據(jù)本發(fā)明，物質(zhì)特性信息可以取自分次圖像和計(jì)劃圖像這兩者，或者取自與這些圖像中的每一個相關(guān)的信息，而不是僅依靠計(jì)劃圖像以得到物質(zhì)特性信息。優(yōu)選地，定義圖像的不同區(qū)域并且確定一些區(qū)域應(yīng)該使用來自計(jì)劃圖像的物質(zhì)特性信息并且其他區(qū)域應(yīng)該使用來自分次圖像的物質(zhì)特性信息。體素或區(qū)域的物質(zhì)特性信息通常包括密度并且還可以包括該區(qū)域的原子組成。

根據(jù)一個實(shí)施例執(zhí)行劑量計(jì)算的步驟包括

a.基于第一計(jì)算基礎(chǔ)和第二計(jì)算基礎(chǔ)創(chuàng)建合成計(jì)算基礎(chǔ)，所述創(chuàng)建包括

b.至少確定合成計(jì)算基礎(chǔ)的第一區(qū)域，其用于根據(jù)所述第二計(jì)算基礎(chǔ)結(jié)合物質(zhì)特性信息，

c.產(chǎn)生所述合成計(jì)算基礎(chǔ)，包括基于所述第二計(jì)算基礎(chǔ)的所述第一區(qū)域中的物質(zhì)特性信息以及基于所述第一計(jì)算基礎(chǔ)的至少第二區(qū)域中的物質(zhì)特性信息。

這可能實(shí)際上涉及基于合成計(jì)算基礎(chǔ)創(chuàng)建合成圖像。它還可能涉及創(chuàng)建表示合成計(jì)算基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)集。可替選地合成計(jì)算基礎(chǔ)可以包括第一計(jì)算基礎(chǔ)、第二計(jì)算基礎(chǔ)以及針對每個區(qū)域確定物質(zhì)特性信息應(yīng)該分別取自第一計(jì)算基礎(chǔ)或第二計(jì)算基礎(chǔ)的信息。

劑量計(jì)算的結(jié)果可以用于治療計(jì)劃。該方法對于如上面所定義的自適應(yīng)治療計(jì)劃來說是特別有用的。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以獨(dú)立于所提供的放射治療的類型被使用，但是對于諸如質(zhì)子治療或電子治療的離子治療來說將是特別有用的，因?yàn)榻M織的密度直接影響離子在患者身體內(nèi)行進(jìn)的距離，該距離確定哪些部分將受輻射影響。

可以從圖像存儲器獲得或者可以現(xiàn)場獲取計(jì)劃圖像和分次圖像。通常，計(jì)劃圖像將已在放射治療的早期階段取得然而分次圖像將在接近于配準(zhǔn)并且接近于放射治療的分次治療的時間點(diǎn)取得。計(jì)劃圖像還可以取自圖像圖庫，并且優(yōu)選地，適合于個別患者。配準(zhǔn)優(yōu)選地使用可變形配準(zhǔn)方法來執(zhí)行。

能夠基于用于分段以及用于各種區(qū)域的命名的標(biāo)準(zhǔn)針對身體的每個部分或者針對每個條件來制定密度信息應(yīng)該分別取自計(jì)劃圖像和取自分次圖像的關(guān)注區(qū)域的一般規(guī)格。在這種情況下，可以自動地做出對應(yīng)該分別基于第一計(jì)算基礎(chǔ)和第二計(jì)算基礎(chǔ)的物質(zhì)特性信息的選擇。還可以針對個別患者或治療計(jì)劃制定該規(guī)格。

通常，那些基本穩(wěn)定的特性，即在初始計(jì)劃的時間與分次遞送的時間之間預(yù)期不變化的圖像的各部分中的物質(zhì)特性信息，可以取自計(jì)劃圖像。另一方面，在初始計(jì)劃與分次的遞送之間的時間段中特性會顯著改變以至于將影響放射治療的關(guān)于區(qū)域和器官的信息，應(yīng)該取自分次圖像。這個時間段可以是從數(shù)小時到數(shù)月。這些區(qū)域例如是胃、腸、膀胱、子宮、肺和舌頭。還能夠使用從計(jì)劃圖像和分次圖像這兩者得到的物質(zhì)特性信息，例如作為兩個圖像中的對應(yīng)體素的加權(quán)平均值。通常，物質(zhì)特性包括關(guān)注區(qū)域的密度，但是可以替選地或者另外使用諸如原子組成的其他特性。

在優(yōu)選實(shí)施例中計(jì)劃圖像是扇形射束CT圖像并且分次圖像是CBCT圖像。還能夠使用其他成像技術(shù)，例如對于計(jì)劃圖像使用MR圖像并且對于分次圖像使用CBCT圖像。優(yōu)選地可變形配準(zhǔn)方法用于配準(zhǔn)圖像，因?yàn)檫@將使得能夠適應(yīng)于在組織和器官中已發(fā)生的任何幾何改變。

附圖說明

將僅通過示例并且參考附圖在下文中更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1圖示可以應(yīng)用本發(fā)明方法的系統(tǒng)，以及

圖2是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地圖示可以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的系統(tǒng)的實(shí)施例。該系統(tǒng)包括第一成像設(shè)備1，第一成像設(shè)備1獲取用于產(chǎn)生計(jì)劃圖像的數(shù)據(jù)，計(jì)劃圖像適合作為用于創(chuàng)建初始放射治療計(jì)劃的開始點(diǎn)。這些成像設(shè)備在本領(lǐng)域中是眾所周知的并且將不在這里更詳細(xì)地討論。該系統(tǒng)還包括第二成像設(shè)備3，第二成像設(shè)備3用于獲取用于產(chǎn)生分次圖像的數(shù)據(jù)，分次圖像適合于與計(jì)劃圖像配準(zhǔn)以更新放射治療計(jì)劃。在本發(fā)明的環(huán)境中，第一成像設(shè)備通常是但不限于是CT成像設(shè)備并且第二成像設(shè)備可以是CBCT成像設(shè)備。如將在下面討論的，可以使用其他類型的成像設(shè)備。另外，計(jì)劃圖像可以取自另一源，諸如圖像圖庫(image atlas)。

第一成像設(shè)備1和第二成像設(shè)備3連接到計(jì)算機(jī)5，該計(jì)算機(jī)5被布置成使用來自計(jì)劃圖像和分次圖像的信息來更新放射治療計(jì)劃以基于初始放射治療計(jì)劃創(chuàng)建更新的治療計(jì)劃。計(jì)算機(jī)5可以是與用于根據(jù)本領(lǐng)域中眾所周知的算法來確定初始放射治療計(jì)劃的處理器相同的處理器，或者可以按照某種其他方式提供初始計(jì)劃。為了執(zhí)行更新，計(jì)算機(jī)5包括將在下面更詳細(xì)地討論的處理裝置7。計(jì)算機(jī)5還包括數(shù)據(jù)存儲器9和程序存儲器11。數(shù)據(jù)存儲器9被布置成至少保持下述內(nèi)容以由處理器7使用：計(jì)劃圖像、分次圖像以及初始放射治療計(jì)劃。可以在線或離線執(zhí)行計(jì)劃的自適應(yīng)，也就是說，在分次n取得的分次圖像可以分別在相同分次(分次n)之前用于計(jì)劃，或者在下一個分次(分次n+1)之前用于計(jì)劃。

此外，數(shù)據(jù)存儲器9優(yōu)選地保持用于識別物質(zhì)特性信息應(yīng)該分別取自計(jì)劃圖像和分次圖像的圖像的各部分的信息。可替選地，這可以根據(jù)計(jì)算機(jī)程序直接控制，或者可以手動地輸入或者以某種其他方式提供信息。將在下面更詳細(xì)地討論其如何實(shí)施。如將在下面更詳細(xì)地討論的，還可能存在物質(zhì)特性信息應(yīng)該基于來自計(jì)劃圖像和分次圖像這兩者的數(shù)據(jù)的區(qū)域。程序存儲器11被布置成保持用于控制初始放射治療計(jì)劃的更新以產(chǎn)生更新的治療計(jì)劃的計(jì)算機(jī)程序。

應(yīng)該注意的是，盡管成像系統(tǒng)1、3以及計(jì)算機(jī)5在圖1中被示出為系統(tǒng)的部分，然而除了使計(jì)劃圖像和一個或多個分次圖像可用于計(jì)算機(jī)，它們不必被放置在同一位置中或者以任何方式彼此集成。這能夠以包括有線或無線連接的本領(lǐng)域中已知的任何方式或者通過使用移動存儲器單元來實(shí)現(xiàn)。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的更新治療計(jì)劃的方法的流程圖。在第一步驟S1，從相應(yīng)的成像系統(tǒng)1、3或者從計(jì)算機(jī)5中的存儲器獲得計(jì)劃圖像和分次圖像。通常，計(jì)劃圖像和分次圖像已分別使用兩個不同的成像系統(tǒng)在不同的時間取得，并且輸入到數(shù)據(jù)存儲器9中。還可以直接從相應(yīng)的成像設(shè)備或者從一些其他源提供計(jì)劃圖像和分次圖像中的一個或這兩者。計(jì)劃圖像已優(yōu)選地被事先分割(segment)，以標(biāo)識圖像中不同的器官、組織等。通常，通過分割來至少識別要治療的區(qū)域，即腫瘤。

在步驟S2，計(jì)劃圖像和分次圖像使用本領(lǐng)域中已知的配準(zhǔn)方法彼此配準(zhǔn)。這種圖像配準(zhǔn)在本領(lǐng)域中是已知的并且是指定義把一個圖像的元素映射到另一個圖像中的對應(yīng)元素所必需的一個圖像的元素的位移。優(yōu)選地，使用可以用于考慮不同器官的位置、大小或形狀可能發(fā)生的任何類型的改變的可變形配準(zhǔn)方法。結(jié)果是，必須對圖像中的一個做出表示變形的位移圖，以使它與另一個圖像相匹配。在本發(fā)明的環(huán)境中，優(yōu)選地與分次圖像配準(zhǔn)所需的計(jì)劃圖像的變形將用作后續(xù)步驟中的用于第一劑量計(jì)算基礎(chǔ)。

在步驟S3，基于分次圖像確定用于第二劑量計(jì)算基礎(chǔ)，包括位置信息和物質(zhì)特性信息這兩者。如何做這件事對于技術(shù)人員而言是眾所周知的。

在步驟S4，在步驟S2獲得的用于第一劑量計(jì)算基礎(chǔ)以及在步驟S3獲得的用于第二劑量計(jì)算基礎(chǔ)用作劑量計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)。按照其最精致的形式，這將涉及創(chuàng)建合成圖像，該合成圖像的一些部分基于第一劑量計(jì)算基礎(chǔ)，即基于已變形的計(jì)劃圖像，并且一些部分基于第二劑量計(jì)算基礎(chǔ)，即基于從分次圖像獲得的信息。替代實(shí)際地創(chuàng)建圖像，可以創(chuàng)建合成劑量計(jì)算基礎(chǔ)，包括根據(jù)將在下面討論的選擇準(zhǔn)則從第一劑量計(jì)算基礎(chǔ)或第二劑量計(jì)算基礎(chǔ)取得的每個體素的數(shù)據(jù)。還能夠保持第一劑量計(jì)算基礎(chǔ)和第二劑量計(jì)算基礎(chǔ)，并且當(dāng)進(jìn)行劑量計(jì)算時對每個體素從適當(dāng)?shù)囊粋€取得輸入。基于圖像的分割確定用于劑量哪一個計(jì)算基礎(chǔ)被用于針對圖像的哪一部分的物質(zhì)特性信息。如上面提及的，分割牽涉確定圖像中的器官或其他區(qū)域的邊界。

基于分割能夠設(shè)定用于確定特性信息應(yīng)該分別取自第一計(jì)算基礎(chǔ)或第二計(jì)算基礎(chǔ)的一個或多個器官或區(qū)域的選擇準(zhǔn)則。這可以單獨(dú)地為每個體素、區(qū)域或器官選擇。在實(shí)踐中，每個區(qū)域或器官的默認(rèn)值可以使用來自第一計(jì)算基礎(chǔ)的物質(zhì)特性信息。然后必須指示物質(zhì)特性信息應(yīng)該取自第二計(jì)算基礎(chǔ)的區(qū)域。當(dāng)然還能夠使用第二計(jì)算基礎(chǔ)作為物質(zhì)特性信息的默認(rèn)源，并且指示物質(zhì)特性信息應(yīng)該從第一計(jì)算基礎(chǔ)為之取得的區(qū)域，或者針對每個體素或區(qū)域指示要使用哪一個計(jì)算基礎(chǔ)。還可以針對個別情況手動地控制選擇。在典型情況下，可以確定的是，對于在被識別為例如胃或直腸的區(qū)域內(nèi)的圖像的所有部分，密度信息應(yīng)該取自用于第二計(jì)算基礎(chǔ)，即基于分次圖像，而對于所有其他區(qū)域，密度信息應(yīng)該取自變形的計(jì)劃圖像。

當(dāng)然，可以按照任意順序執(zhí)行步驟S2和S3。另外，可以與該方法相關(guān)聯(lián)地或者在單獨(dú)的過程中執(zhí)行分割。

在步驟S4的實(shí)施例中，一些部分可以取自第一計(jì)算基礎(chǔ)，并且其他部分取自第二計(jì)算基礎(chǔ)，然而針對一些其他部分，應(yīng)該基于第一計(jì)算基礎(chǔ)和第二計(jì)算基礎(chǔ)這兩者來確定物質(zhì)特性。例如，如果默認(rèn)物質(zhì)特性信息取自第一計(jì)算基礎(chǔ)并且第二計(jì)算基礎(chǔ)被用于胃區(qū)域，則可以期望在胃與周圍組織之間的邊緣區(qū)域中使用中間值?？梢葬槍γ總€體素分別計(jì)算這種中間值作為計(jì)劃圖像和分次圖像中的值之間的平均值或加權(quán)平均值。又一個替選方案將是使用取決于特定體素或區(qū)域中的物質(zhì)特性值的函數(shù)。這種函數(shù)可能是例如“如果分次圖像中的特定體素或體素組的密度低于閾值，則應(yīng)該使用來自第二計(jì)算基礎(chǔ)的密度值，否則應(yīng)該使用來自第一計(jì)算基礎(chǔ)的值”。在這個示例中，這些值應(yīng)該基于針對具有低于閾值的密度值的體素的第二計(jì)算基礎(chǔ)并且基于針對具有高于閾值的密度值的體素的第一計(jì)算基礎(chǔ)。閾值可以是例如0.1g/cm³，意味著具有更低密度的一切可能是空氣并且在計(jì)算中應(yīng)該像例如空氣一樣對待。

在作為可選步驟的步驟S5，在步驟S4創(chuàng)建的劑量合成計(jì)算基礎(chǔ)用于更新初始放射治療計(jì)劃的過程中，其中考慮來自合成圖像的一些區(qū)域中的第一劑量計(jì)算基礎(chǔ)(即，計(jì)劃圖像)以及來自合成圖像的其他區(qū)域中的第二劑量計(jì)算基礎(chǔ)(即，分次圖像)的物質(zhì)特性信息。如上所述，不需要創(chuàng)建合成圖像。

以后的更新可以基于初始放射治療計(jì)劃，或者更新的治療計(jì)劃可以代替初始放射治療計(jì)劃。

還將能夠使用來自多于兩個圖像的信息來產(chǎn)生合成圖像。例如，來自在不同的時間取得的分次圖像的信息能夠應(yīng)用于配準(zhǔn)之前的計(jì)劃圖像?？商孢x地，能夠使用不同的成像技術(shù)來獲得分次圖像，以根據(jù)每個圖像的屬性提供來自每個圖像的優(yōu)化信息，以利用不同的成像技術(shù)的不同的特性。在這種情況下，應(yīng)該針對兩個或更多個分次圖像中的每一個執(zhí)行以上步驟S3，以為分次圖像中的每一個創(chuàng)建第二計(jì)算基礎(chǔ)的實(shí)例。合成圖像能夠包括基于一些區(qū)域中的計(jì)劃圖像(第一計(jì)算基礎(chǔ))的物質(zhì)特性信息，同時能夠在合成圖像的一個或多個其他區(qū)域中使用基于分次圖像中的每一個的物質(zhì)特性信息。

在替選實(shí)施例中MR圖像用作計(jì)劃圖像并且CBCT圖像用作分次圖像。MR提供關(guān)于物質(zhì)特性以及高分辨率和對比度的有用信息但是經(jīng)受幾何變形，這意味著輪廓可能未被正確地表示。MR的另一缺點(diǎn)是可能難以區(qū)分例如空氣和骨。通常，因此，如果這種待定區(qū)域位于靠近皮膚，則其被解釋為骨，而進(jìn)一步進(jìn)入身體中則其將被解釋為空氣。然而在頭部中，存在鄰近骨的包括空氣的數(shù)個區(qū)域，這些區(qū)域不能夠使用MR成像來正確地標(biāo)識。如果MR用于計(jì)劃圖像，則一個選項(xiàng)將是使用來自圖像的中心部分的規(guī)劃圖像的信息以及用于關(guān)于患者的輪廓的信息并且用于包括骨骼和/或空氣的區(qū)域的治療圖像。