用於圖像引導治療規劃的自動解剖結構描繪的製作方法

2023-12-07 08:46:31 2

專利名稱：用於圖像引導治療規劃的自動解剖結構描繪的製作方法
用於圖像引導治療規劃的自動解剖結構描繪本申請在醫學成像系統方面尤其具有實用性。但是，要認識到，所描述的技術也可以應用到其他類型的成像系統、其他治療規劃系統和/或其他醫學應用中。對解剖結構的描繪是諸如放射治療規劃(RTP)等的治療規劃中的先決條件。RTP 中通常使用的主要成像模態是計算機斷層攝影(CT)。最近，將磁共振成像(MRI)用於RTP 得到了關注，因為與CT相比這一模態提供了更好的軟組織對比度。當前可以在市面上得到用於MR檢查的自動掃描規劃系統。這樣的系統的一個示例是Wiilips SmartExam ，其中，採集低解析度偵察圖像，執行患者特異性解剖界標的自動識別，基於所識別的界標以及由先前的採集記錄的界標和取向信息估計診斷掃描中的切片的取向。無論是在CT還是在MRI中，自動解剖結構描繪都是一項具有挑戰性的任務。CT圖像一般不提供良好的軟組織對比度，從而難以得到可靠的器官邊界判別。與CT相比，MR數據顯示出了好得多的軟組織分化，並且，在治療規劃中，MR數據的使用有利於實現對目標以及某些應用中的關鍵結構的更加精確的描繪。但是，由於所使用的各種不同的對比度導致了不可復現的灰度值分布，MRI數據的自動分割也很困難。在本領域中存在未滿足的對這樣的系統和方法的需求，即，其促進圖像引導治療規劃中的解剖結構的描繪、使用解剖界標來傳遞用於治療規劃的描繪等，從而克服了上述缺陷。根據一個方面，一種促進對用於圖像引導治療規劃的圖像中的解剖特徵的描繪的系統包括處理器，所述處理器從成像設備接收患者體內的解剖結構的初始圖像，並檢測初始圖像中的解剖界標。此外，所述處理器還將所檢測到的解剖界標的位置與對應於解剖結構的參考輪廓中的參考界標進行比較，將所檢測到的解剖界標映射至參考界標，並基於經映射的界標對將參考輪廓調整至所述解剖結構。所述處理器還使用經調整的參考輪廓調整解剖結構的高解析度圖像中的解剖結構的輪廓，將經調整的高解析度圖像存儲至存儲器， 並向治療規劃部件提供經調整的高解析度圖像。根據另一方面，一種描繪用於圖像引導治療規劃的圖像中的解剖特徵的方法包括檢測初始圖像中的解剖界標，將所檢測到的解剖界標的位置與對應於解剖結構的參考輪廓中的參考界標進行比較。所述方法還包括將所檢測到的解剖界標映射至參考界標，並基於經映射的界標對將所述參考輪廓調整至所述解剖結構。此外，所述方法還包括使用經調整的參考輪廓調整高解析度圖像中的解剖結構的輪廓，以及至少部分基於經調整的高解析度圖像生成治療計劃。根據另一方面，一種為患者生成放射治療計劃的方法包括使用磁共振成像(MRI) 設備和計算機斷層攝影(CT)掃描器中的至少一個生成低解析度圖像以及檢測低解析度圖像中的解剖結構上的界標。所述方法還包括將所檢測到界標映射至存儲器中存儲的參考輪廓中的參考界標，並利用樣條內插或近似來調整參考輪廓，以利用經映射的界標擬合解剖結構的輪廓。此外，所述方法包括將經調整的參考輪廓應用至解剖結構的高解析度圖像，以調整所述高解析度圖像，並至少部分基於經調整的高解析度圖像生成放射治療計劃。
一個優點在於提高用於治療規劃的圖像質量。另一個優點在於縮短了圖像適配時間。在閱讀並理解了下述詳細說明的情況下，本領域技術人員將認識到本創新的更多優點。附圖的作用僅在於對各個方面進行圖示，而不應被解釋為構成限制。

圖1示出了促進將輪廓或描繪從醫學圖像傳播至用於治療規劃的高解析度圖像的系統；圖2示出了使用MRI設備生成的腦部圖像的自動描繪的屏幕快照，可以在顯示器上將其顯示給用戶；圖3示出了使用MRI設備生成的腦部圖像的自動描繪的另一屏幕快照，可以在顯示器上將其顯示給用戶；圖4示出了根據本文描述的一個或多個方面對患者解剖結構進行描繪以限定用於圖像引導患者治療的患者圖像中的輪廓的方法；圖5示出了示例性醫院系統，其包括多個成像設備，例如MR成像設備、CT掃描器、 核(例如PET或SPECT)掃描器等，所述成像設備生成成像數據，由獨立的或共享的重建處理器重建所述成像數據以生成3D圖像表示。根據本文介紹的各種特徵，描述了促進圖像引導治療規劃中的解剖結構的描繪的系統和方法。所描述的框架基於由掃描規劃軟體(例如Wiilips SmartExam MR掃描規劃系統)自動識別的患者特異性界標。使用這些界標以支持自動解剖結構描繪以及自適應治療規劃背景下的描繪的傳播。類似地，通過檢測低劑量偵察掃描中的可復現界標來執行自動CT掃描規劃。使用所檢測到的偵察圖像中的界標以通過產生接近的初始化來對自動分割算法加以引導，並且還通過基於界標的非剛性配準來將描繪傳播至後續圖像。本文描述的系統和方法解決了為治療規劃提供可復現的解剖點界標的問題。例如，諸如Wiilips SmartExam 的自動掃描規划算法通常對3D標準化低解析度偵察圖像進行操作，並且能夠可靠地識別具有可復現的解剖點界標的形式的目標解剖結構。因而，不管對比度如何，由偵察圖像獲得的有關下層解剖結構的空間信息被傳遞到了全解析度掃描， 並被用於支持自動描繪。圖1示出了促進將輪廓或描繪從醫學圖像傳播至用於治療規劃的高解析度圖像的系統10。例如，可以結合SmartExamW啟用的MR掃描器將系統10與一個或多個放射治療規劃工作站一起採用。而且，可以將傳播輪廓或治療計劃的方法與在3D低劑量CT偵察圖像中具有對應界標的CT圖像一起使用。根據其他特徵，系統10採用了多模態系統(例如， 組合的CT-MR以及與諸如正電子發射斷層攝影(PET)掃描器、單光子發射計算機斷層攝影 (SPECT掃描器)等的核成像系統組合的MR和/或CT。系統10包括耦合至工作站16、處理器18和存儲器20的MRI設備12和CT掃描器14中的一者和兩者。所述處理器可以是工作站16的部分，或者可以是與多個工作站共享的資源。所述存儲器存儲用於執行各種任務以及執行本文描述的各種方法的計算機可執行指令，而所述處理器執行所述指令。在一個實施例中，CT掃描器14生成3D低劑量偵察圖像22，處理器18自動檢測低劑量偵察圖像中的可復現界標組對。將所檢測到的界標輸出(例如，使用醫學數字成像通信(DICOM)數據交換協議沈等)至處理器，從而與存儲在存儲器內的用於一個或多個輪廓的已知界標觀進行比較。所述處理器執行比較算法30，以對所檢測到的界標和已知界標進行比較，並從存儲在存儲器內的圖表集32中檢索一個或多個體輪廓。所述處理器使用所檢測到的界標對所述輪廓進行轉換，由此通過將所檢測到的界標映射至用於所述輪廓的已知界標而對一個或多個預生成的輪廓進行調整。例如，所述處理器確定將引航圖像界標M轉換至覆蓋圖表集界標觀的位置的轉換。可以對圖表集輪廓應用所確定的這一轉換的反演， 以將其轉換為患者空間內的經調整的輪廓34。在另一實施例中，MRI設備12生成低解析度偵察圖像22，處理器18自動檢測低解析度偵察圖像中的可復現的界標組M。將所檢測到的界標輸出(例如，使用DICOM數據交換協議26等)至處理器，從而與存儲在存儲器內的用於一個或多個輪廓的已知軟組織界標 33進行比較。所述處理器執行比較算法30，以對所檢測到的界標M和已知界標觀進行比較，並從存儲在存儲器內的圖表集32中檢索一個或多個體輪廓。所述處理器使用所檢測到的界標M對所述圖表集輪廓進行轉換，由此通過將所檢測到的界標映射至用於所述輪廓的已知界標而將一個或多個預生成的圖表集輪廓調整成經調整的輪廓34。在任一方案(例如，CT或MRI)中，將圖表集轉換至從低劑量偵察圖像導出的新的患者特異性數據集。也就是說，處理器執行轉換，以將經調整的輪廓34移動到用於RTP的高解析度圖像36。此外，在同一患者的後續圖像中使用經調整的輪廓和描繪，以便監測治療進展並促進自適應治療規劃。在一個實施例中，處理器18採用一個或多個薄板樣條38以對輪廓進行轉換，但是所描述的系統和方法不限於此。在F.L. Bookstein principal warps :Thin_plate splines and the decomposition of deformations.IEEE Trans. Pattern. Anal. Mach Intell. 11 :567-586,1989中描述了薄板樣條技術的示例。在另一實施例中，工作站16包括顯示器40，在所描述的方法和過程的各個階段， 在所述顯示器上將低解析度圖像22、高解析度圖像36、所檢測到的界標24、已知界標28、圖表集32中的輪廓和/或經調整的輪廓34中的一個或多個呈現給用戶。此外，所述工作站還包括輸入設備42 (例如，滑鼠、鍵盤、方向觸控板、指示筆等)，用戶通過所述輸入設備將數據和/或指令輸入至工作站，對界標進行調整，等等。繼續參考圖1，圖2和圖3分別示出了使用MRI設備生成的腦部圖像的自動描繪的屏幕快照60和70，可以在顯示器40上將其顯示給用戶。圖2示出了多個已知或參考界標 28，圖3示出了多個檢測到的界標24。例如，採用圖1的系統10以支持對有風險的結構的描繪，以及自動將來自原始數據集的完整描繪傳播至後續圖像。如在 Young 等人 Automated Planning of MRI Neuro Scans. Proc. of SPIE Medical Imaging, San Diego, CA, USA(2006)61441M-1-61441M-8 中討論的，可將諸如 SmartExam 的解剖結構識別軟體用於很多型號的Wiilips MR掃描器中的腦部檢查。作為所述解剖結構識別軟體的輸出，識別或檢測可復現的解剖界標組對。可以使用標準的 DICOM數據交換協議沈輸出所述界標的位置，並且所述界標的位置可以被放射治療規劃工作站16的解剖結構描繪模塊(未示出)或者任何獨立的自動描繪軟體所使用。根據一個實施例，用戶手動描繪參考數據集中的感興趣結構，對於所述感興趣結構而言，可以得到界標位置。之後，例如，使用薄板樣條等將這些已知界標觀與特定患者數據集中的檢測界標M進行配準。將所得到的轉換應用於參考數據集中的解剖結構，從而將其傳遞至患者數據集(例如，高解析度患者圖像等當中的)。用戶可以使用其他的自動方法獲得提高的精確度，或者對所傳遞的描繪進行手動微調以將其擬合至患者圖像。在相關實施例中，在自適應放射治療規劃的背景下將所述描繪傳播至同一患者的後續圖像。再一次，將原始數據集中的檢測界標M與參考數據集中的已知界標觀進行配準，並將所得到的轉換應用於原始患者圖像中的可用描繪。由於在這種情況下存在少得多的解剖結構可變性，因而在通過界標給定感興趣區域的最佳覆蓋範圍的情況下所述方法只需要最少的手動調整。圖4示出了根據本文描述的一個或多個方面對患者解剖結構進行描繪以限定用於圖像引導患者治療的患者圖像中的輪廓的方法。在80中，生成患者或患者局部的低解析度圖像。在一個實施例中，所述圖像是低劑量CT圖像。在另一實施例中，所述圖像是低解析度MR圖像。在82中，檢測患者圖像中的界標。在84中，輸出檢測界標M(例如，使用 DICOM數據傳輸協議沈等)，並將其與解剖結構的預生成圖表集32中的用於輪廓的已知界標沈進行比較。如果初始患者圖像是低劑量CT圖像，那麼將所檢測到的界標與已知的硬結構(例如，骨骼等)界標進行比較。如果初始患者圖像是低解析度MR圖像，那麼將所檢測到的界標與軟組織參考界標進行比較。在86中，從參考輪廓的圖表集檢索包括參考界標的參考輪廓，並通過將參考界標觀映射至檢測界標M而將參考輪廓調整(例如，使其翹曲、形態化(morphed)、適形)至患者圖像。可以將經調整的輪廓存儲到存儲器中，以供以後調用。在88中，對經調整的輪廓進行轉換(例如，使用薄板樣條或一些其他適當的內插技術)，以擬合高解析度患者圖像， 所述高解析度患者圖像適於在例如放射治療規劃程序的治療規劃程序中使用。此外，用戶可以使用已知技術對經適配的輪廓進行微調。要認識到，可以使用任何成像模態生成所述高解析度圖像，例如使用CT、MRI、正電子發射斷層攝影(PET)、單光子發射計算機斷層攝影(SPECT)、χ射線、上述選項的變體等。 在這樣的方案當中，處理器提供具有用於映射至檢測界標的模態特異性界標的輪廓。圖表集32兼備硬結構界標、軟組織界標、PET界標、SPECT界標、χ射線界標等，因而CT、MR、PET、 SPECT、x射線以及其他圖像和界標中的任何一者或全部均能夠映射至圖表集輪廓或者與其配準。在另一實施例中，除了參考輪廓的圖表集之外或者作為其的替代，在第一成像會話期間獲得患者的多個初始界標。之後，將初始界標用於後續成像會話中的比較，以評估治
療進展等。參考圖5，示例性醫院系統150可以包括多個成像設備，例如MR成像設備12、CT掃描器14、核(例如PET或SPECT)掃描器151、上述選項的組合(例如，多模態系統)等，所述成像設備生成成像數據，由獨立的或者共享的重建處理器152重建所述成像數據以生成 3D圖像表示。通過網絡IM將圖像表示傳送至中央存儲器156或本地存儲器158。在與網絡連接的工作站16處，操作者使用用戶接口 170以將選定項目(例如，低解析度3D圖像或輪廓等)移動至中央存儲器156和本地存儲器158或者在中央存儲器156 和本地存儲器158之間移動選定項目。視頻處理器166在顯示器40的第一視口 17 內顯示選定項目。在第二視口 1722內顯示患者圖像(例如，由MR成像器12、CT掃描器14和核掃描器151之一生成的高解析度圖像)。第三視口 17 可以顯示經調整的輪廓和高解析度圖像的重疊。例如，可以允許用戶將在患者的低解析度(例如，CT或MR)圖像中檢測到的界標配準至從圖表集中選出的參考輪廓中的參考界標，從而使參考輪廓適形於患者解剖結構。例如，操作者通過接口 170選擇參考輪廓中對應於低解析度圖像中的檢測界標的參考界標(例如，使用滑鼠、指示筆或其他適當的用戶輸入設備)。或者，可以通過由處理器18 和/或166執行的存儲在存儲器20中的程序使參考界標核檢測界標自動對準。之後，用戶接口 170中的處理器18(圖1)執行翹曲或形態化算法，以利用對準的界標使參考輪廓的形狀適形於患者解剖結構的形狀。此外，處理器18執行轉換(例如，使用薄板樣條或一些其他適當的內插技術)，以將經調整或適形的輪廓映射至患者的高解析度圖像。一旦所述高解析度圖像包含了經調整的輪廓的信息，就將其提供給治療規劃部件 180，以用於治療規劃(例如，放射治療規劃、超聲治療規劃、物理治療規劃、近距治療規劃、 高強度聚焦超聲(HIFU)、MRI引導治療、粒子束規劃、消融規劃等)。任選地，將治療設備182 耦合至治療規劃設備180，以執行由其生成的一個或多個治療計劃。在另一實施例中，視口 17 中顯示的重疊是可調整的，以設置低解析度圖像和/ 或輪廓相對於高解析度圖像的權重，反之亦然。例如，可以調整滑動杆或旋鈕(未示出)以改變視口 17 和17 中的圖像的權重，所述滑動杆或旋鈕可以是機械的或呈現在顯示器 168上並利用輸入設備進行操縱。在一個示例中，操作者可以將視口 17 中的圖像，從純粹高解析度圖像數據(視口 17 中所示的)，經過高解析度和低解析度圖像數據的多個和/或連續組合，調整成純粹低解析度圖像數據(視口 17 中所示的)。例如，可以採取離散或連續的方式將高解析度圖像數據與低解析度圖像數據的比值從0 1調整到1 0。作為另一選項，可以以灰度級顯示高解析度圖像數據，並且使低解析度圖像數據著色，反之亦然。一旦用戶向中央存儲器156下載和/或安裝了圖表集或輪廓庫，就可以通過網絡訪問所述圖表集，以促進向高解析度圖像的輪廓調整轉換，以及本文所述的其他方面。根據這一示例，多個工作站或用戶接口可以根據特定患者或各種治療規劃程序的成像會話的需要而訪問輪廓庫或圖表集。
權利要求
1.一種促進對用於圖像引導治療規劃的圖像中的解剖特徵的描繪的系統，其包括 處理器(18)，其從成像設備(12，14)接收患者體內的解剖結構的初始圖像02)； 檢測所述初始圖像中的解剖界標04)；將所檢測到的解剖界標04)的位置與對應於所述解剖結構的參考輪廓中的參考界標 (28)進行比較；將所檢測到的解剖界標04)映射至所述參考界標08)； 基於經映射的界標對將所述參考輪廓調整至所述解剖結構； 使用經調整的參考輪廓調整所述解剖結構的第二圖像中的所述解剖結構的輪廓； 將經調整的第二圖像(36)存儲至存儲器00)；以及將經調整的第二圖像(36)提供給治療規劃部件(180)。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，使用薄板樣條(38)調整所述參考輪廓。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述初始圖像是由CT掃描器(14)生成的低劑量 CT圖像。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所檢測到的界標04)是硬組織界標。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述初始圖像0 是由MR成像(MRI)設備(12) 生成的低解析度磁共振(MR)圖像。
6.根據權利要求5所述的系統，其中，所檢測到的界標04)是軟組織界標。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，使用DICOM數據傳輸協議06)輸出檢測到的界標的位置信息。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述治療規劃部件(180)至少部分基於經調整的第二圖像中包含的信息生成放射治療計劃、超聲治療計劃、粒子束治療計劃、消融治療計劃以及物理治療計劃中的至少一個。
9.根據權利要求1所述的系統，其中，使用不同的成像模態生成所述初始圖像02)和所述第二圖像。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，使用計算機斷層攝影(CT)掃描器和磁共振成像(MRI)設備(12)中的至少一個生成所述初始圖像(22)，並且其中，使用所述CT掃描器 (14)、所述MRI設備(1 和核成像設備(151)中的至少一個生成所述第二圖像。
11.一種對用於圖像引導治療規劃的圖像中的解剖特徵的描繪的方法，其包括 檢測初始圖像中的解剖界標04)；將所檢測到的解剖界標04)的位置與對應於所述解剖結構的參考輪廓中的參考界標 (28)進行比較；將所檢測到的解剖界標04)映射至所述參考界標08)； 基於經映射的界標對將所述參考輪廓調整至所述解剖結構； 使用經調整的參考輪廓調整第二圖像中的所述解剖結構的輪廓；以及至少部分基於經調整的第二圖像(36)生成治療計劃。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括下述操作中的至少一個 在顯示器GO)上顯示所述初始圖像和所述第二圖像中的至少一個； 將所述初始圖像和所述第二圖像中的至少一個存儲至存儲器OO)；以及將所述治療計劃存儲至所述存儲器00)。
13.根據權利要求11所述的方法，還包括使用薄板樣條(38)調整所述參考輪廓。
14.根據權利要求11所述的方法，還包括利用CT掃描器(14)生成所述初始圖像，其中，所檢測到的界標04)是硬組織界標。
15.根據權利要求11所述的方法，還包括利用MRI設備(1 生成所述初始圖像(22)，其中，所檢測到的界標04)是軟組織界標 (33)。
16.根據權利要求11所述的方法，還包括至少部分基於經調整的第二圖像中包含的信息生成放射治療計劃、超聲治療計劃、粒子束治療計劃、消融治療計劃以及物理治療計劃中的至少一個。
17.一種計算機可讀介質(20)，其承載有控制一臺或多臺計算機以執行根據權利要求 11所述的方法的電腦程式。
18.一種治療規劃工作站，其包括被編程為來執行根據權利要求11所述的方法的處理器(18)。
19.一種計算機可讀介質(20)，其存儲用於為患者生成治療計劃的由處理器(18)執行的計算機可執行指令，所述指令包括使用磁共振成像(MRI)設備(12)和計算機斷層攝影(CT)掃描器(14)中的至少一個生成所述患者的低解析度圖像02)；檢測低解析度圖像02)中的解剖結構上的界標；將所檢測到的界標04)映射至存儲在存儲器OO)中的參考輪廓中的參考界標08)；採用一個或多個薄板樣條(38)以調整所述參考輪廓，從而使用經映射的界標擬合所述解剖結構的輪廓；將經調整的參考輪廓應用至所述解剖結構的第二圖像，以調整所述第二圖像；以及至少部分基於經調整的第二圖像(36)生成放射治療計劃。
20.根據權利要求19所述的計算機可讀介質(20)，所述指令還包括使用所述CT掃描器(14)、所述MRI設備(12)和核掃描器(151)中的至少一個生成所述第二圖像；其中，使用不同於所述低解析度圖像的成像模態生成所述第二圖像。
全文摘要
在描繪用於放射治療規劃的患者的醫學圖像中的解剖結構時，處理器(18)檢測低解析度圖像(例如，MRI或低劑量CT)中的界標(24)，並將所檢測到的界標映射至所述解剖結構的參考輪廓中的參考界標(28)。經映射的界標促進了對參考輪廓的調整，以擬合所述解剖結構。對經調整的參考輪廓數據進行轉換，並使用薄板樣條將其應用於第二圖像，並且將經調整的高解析度圖像用於放射治療規劃。
文檔編號G06F19/00GK102369529SQ201080015576
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月2日 優先權日2009年4月2日
發明者D·貝斯特羅夫, V·佩卡爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司