用於確定呼吸相位的方法和系統與流程

2023-10-18 17:41:39

本公開的實施例涉及用於確定呼吸相位的方法和系統。

背景技術：

使用高能量X射線照射、電子、質子或重離子的放射療法被常規地使用以治療腫瘤。利用這種類型的放射療法，病人體內的目標體積被照射，其中腫瘤至少部分地位於該目標體積內。目標體積應當被儘可能精確地限定，使得主要在目標體積內實現期望的放射治療效果。常規地，在放射療法之前記錄病人的時間分辨的層析成像的規劃數據，從而為放射療法做好規劃並用於限定目標體積。層析成像的原始數據一般利用計算機斷層攝影術來記錄，其中規劃數據由原始數據重建。規劃數據包括多個具有限定的時間解析度的規劃圖像。能夠由該規劃數據得到病人的解剖結構和腫瘤的位置如何由於病人的呼吸而變化。腫瘤的位置隨病人的呼吸循環而變化，並且具有不同的呼吸相位。由於一般來說放射療法連續地進行，所以重要的是在規劃放射療法和限定目標體積時考慮由於病人的呼吸而導致的解剖結構的變化。

為了使解剖結構的變化與病人的呼吸循環的進程相關聯並且隨之與病人的不同呼吸階段相關聯，在層析成像的掃描期間藉助於呼吸替代裝置(surrogate)來記錄病人的呼吸。呼吸替代裝置是構造成記錄病人的呼吸循環的掃描系統。呼吸替代裝置不基於病人的圖像來記錄病人的呼吸循環。相反，其通過測量系統的實體部分與病人和/或與由病人由於病人的呼吸而導致的移動的直接物理互動來測量呼吸循環。例如，呼吸替代裝置能夠由胸部繃帶或由附接至病人的胸部的換能器來實施。呼吸替代裝置也能夠由用於測量病人的呼吸溫度的裝置來實施。將呼吸替代裝置附接至病人構成了附加的步驟並且可能容易遭受故障。呼吸替代裝置還構成了附加的成本因素。

技術實現要素：

本因此，本發明的目的是可靠地、精確地並且低成本地確定病人的呼吸相位。該目的通過根據權利要求所述的方法和系統而實現。

下面將關於要求保護的裝置和要求保護的方法描述本發明對該目的的解決方案。與此相關地提到的特徵、優點或替代性實施方式被類似地應用於其他要求保護的主題，並且反之亦然。換言之，產品權利要求(例如，其涉及裝置)也能夠具有關於方法所描述或聲明的特徵。方法的相應功能特徵由適當的產品模塊形成。

所提出的用於確定呼吸相位的方法基於根據對病人的檢查區域的螺旋掃描所接收的層析成像的原始數據，其中檢查區域包括病人的軀幹和/或腹部的至少一部分。然後基於層析成像的原始數據重建圖像對，其中一個切片圖像對包括處於沿著預定軸線在相同位置的、具有第一間隔的兩個切片圖像。所述位置指的是檢查區域的位置。這種類型的重建使得分別能夠確定切片圖像對的兩個切片圖像的檢查區域的基準位置之間的差異並且基於所述差異確定至少一個呼吸相位。所述差異各自對應於檢查區域的解剖結構的變化，其中該變化發生在第一間隔期間。具體的差異表徵了具體的呼吸相位。因此，具體的差異能夠與具體的呼吸相位相關聯。病人的不同呼吸相位因此能夠被可靠地、精確地且低成本地確定。特別地，能夠在沒有呼吸替代裝置的情況下確定呼吸相位。呼吸循環和大量的呼吸相位能夠利用所提出的方法來確定。本發明還允許基於螺旋掃描確定不同的呼吸相位，其中螺旋掃描與漸進式掃描相比特別迅速。

根據本發明的另一個方面，相鄰的切片圖像對具有第二間隔，其中相鄰的切片圖像對的沿著預定軸線的位置具有對應於第二間隔的空間距離。呼吸循環的空間掃描以及與其相關的呼吸相位的確定精度能夠被第二間隔的選擇所影響。另外，不同的切片圖像對具有沿著預定軸線的不同位置。本發明因此使得能夠在呼吸相位與時間之間以及在呼吸相位與位置之間建立相關性。

根據本發明的另一個方面，第二間隔比第一間隔短。因此，與基準位置的差異相比，呼吸循環以更高的頻率被掃描。呼吸循環和基準相位因此能夠被精確地、可靠地且快速地確定。

根據本發明的另一個方面，預定軸線由對記錄層析成像的原始數據關鍵的CT裝置的系統軸線給定。

根據本發明的另一個方面，預定軸線由病人的縱向軸線給定。另外，CT裝置的關鍵系統軸線和病人的縱向軸線能夠相互平行或彼此重合。

根據本發明的另一個方面，基準位置確定切片圖像中的胸壁和/或腹壁的空間位置。基準位置因此指示檢查區域的哪個解剖區域應當被用於確定所述差異。

根據本發明的另一個方面，所述差異通過對切片圖像中的檢查區域進行分段來確定。檢查區域的應當用於確定所述差異的區段能夠通過這種分段來選擇。

根據本發明的另一個方面，所述差異基於切片圖像中的大量的點來確定，其中所述點對應於檢查區域的基準位置。特別地，所述點可以是各個像素或像素的連接組。

根據本發明的另一個方面，切片圖像內的基準尺寸通過確定該切片圖像內所述點的均值來確定。本發明的該方面利用特別低的計算能力就能夠實現。

根據本發明的另一個方面，所述差異基於相互對應的點來確定，其中如果所述點標識出檢查區域的相同解剖區域，則這些點相互對應。有利地，相互對應的點的位置彼此相減。本發明的該方面允許特別精確地確定所述差異以及隨之確定呼吸相位。

根據本發明的另一個方面，所述差異被繪製成圖並且針對時間和/或沿著預定軸線的位置輸出。由此，建立所述差異以及病人的解剖結構的變化與時間或/或沿著預定軸線的位置的直接相關性。由於解剖結構的變化對應於呼吸相位，所以在呼吸相位與時間或/或沿著預定軸線的位置之間建立了相關性。

根據另一個方面，層析成像的原始數據與至少一個呼吸相位相關聯，其中基於層析成像的原始數據對於每個呼吸相位重建至少一個規劃圖像。本發明因此還能夠用於改進的放射療法規劃。放射療法規劃之所以得到改進是因為在層析成像的原始數據與呼吸相位之間存在特別精確和可靠的相關性。已經創造性地基於層析成像的原始數據確定了呼吸相位。

另外，所有的上述步驟都能夠自動地執行。在本申請的上下文內，「自動」意指各個步驟由於要求保護的系統而獨立地進行，並且各個步驟基本上不需要與操作人員的互動。操作人員最多需要確認計算結果或執行中間步驟。例如，操作人員能夠為分段設定種子點。在具有「全自動」執行步驟的本發明的另一種變型中，完全不需要與操作人員的互動以執行這些步驟。特別地，要求保護的方法的所有步驟都能夠「全自動」地執行。本發明的方法可以是不管各個步驟是「自動」地還是「全自動」地執行都還需要操作人員的互動的工作流程的一個組成部分。與操作人員的互動能夠由操作人員例如根據通過屏幕提供的菜單手動地選擇記錄協議和/或臨床問題來構成。

本發明還涉及一種用於確定呼吸相位的系統，其包括用於接收層析成像的原始數據的接口和處理器。該系統設計成執行上述方法及其各個方面，因為所述接口和處理器設計成執行相應的方法步驟。特別地，處理器能夠編程為執行所描述的方法的其步驟。根據另一個方面，與重建相關的步驟能夠由與處理器分開的重建單元來執行。與確定相關的步驟然後也能夠由處理器來執行。另外，為了確定呼吸相位，系統還可以包括構造成記錄層析成像的原始數據的CT裝置。

本發明還涉及一種電腦程式產品，其具有電腦程式和計算機可讀介質。主要基於軟體的執行方案具有下述優點：即使以前使用的系統或計算機也能夠通過軟體升級而容易地更新，從而創新性地工作。除了電腦程式之外，這種類型的電腦程式產品還可以可選地包括附加的組成部分例如文檔和/或附加的部件和硬體組成部分，例如硬體秘鑰(保護器等)，以便使用軟體。

附圖說明

將參照附圖所示的示例性實施方式更詳細地在下文中描述和說明本發明，在附圖中：

圖1示出了用於確定呼吸相位的方法的流程圖；

圖2示出了檢查區域的兩個縱向區段；

圖3示出了檢查區域的切片圖像對；

圖4示出了具有多個呼吸相位的差異呼吸曲線；

圖5示出了用於確定呼吸相位的系統；以及

圖6示出了用於利用CT裝置確定呼吸相位的系統。

具體實施方式

圖1示出了用於確定呼吸相位的方法的流程圖。這裡示出的實施方式包括基於病人3的檢查區域17的螺旋掃描利用CT裝置1記錄IMG層析成像的原始數據。層析成像的原始數據被四維地構建，其到目前為止具有三個空間維度和一個時間維度。層析成像的原始數據基於大量X射線投射，其中各個X射線投射是二維的。由於X射線投射以不同的投射角在不同的時刻被記錄，所以它們形成四維數據記錄。然而，檢查區域17的相應高掃描允許以在不同時刻的切片圖像的形式重建檢查區域17的相同區段。切片圖像能夠顯示為二維圖像。由於切片圖像具有有限的切片厚度，所以它們也是三維的。層析成像的原始數據還可以在存儲或傳輸之前被預處理，例如層析成像的原始數據可以先被過濾。層析成像的原始數據因此也被稱為4D CT數據記錄。

由於因病人3的呼吸導致的解剖結構的變化是周期性的，所以檢查區域17的規劃圖像也能夠被重建，其中對於給定的規劃圖像，相關聯的呼吸相位必須是已知的。因此，規劃圖像能夠以重建的方式使用，首先各個呼吸相位被確定並與層析成像的原始數據相關聯。下面所描述的方法允許容易地且可靠地確定呼吸相位，因此還改進了放射醫療規劃。

由於層析成像的原始數據具有允許檢查區域17的相同區段在不同時刻被重建的時間解析度，所以螺旋掃描必須低節距(pitch)地進行。在螺旋模式下，節距被定義為X射線源8的每旋轉下檢查臺6的進給率與光束準直之比。光束準直由X射線2沿著系統軸線5的範圍(extent)來給定。如果X射線檢測器9完全被X射線2照亮，則光束準直由X射線檢測器9的沿著系統軸線5的檢測範圍的範圍給定。在本發明的不同實施方式中，節距可以是最多為0.5或者最多為0.25或者最多為0.1。層析成像的原始數據優選地以最多為0.1的特別低的節距被記錄，因為這樣的話時間解析度特別高。記錄單元22的旋轉時間在0.09的節距下為0.5秒。

然後進行層析成像的原始數據(具體是通過接口16)的接收(REC)。另外，切片圖像對的重建(PIC)基於層析成像的原始數據發生，其中切片圖像對均包括處於沿著預定軸線相同位置的、具有第一間隔dt_1的兩個切片圖像。第一間隔dt_1必須足夠大，以使由於病人3的呼吸移動而發生解剖結構的清晰變化。例如，第一間隔dt_1可以等於記錄單元22的旋轉時間，並且最多為2秒，最多為1秒或者最多為0.5秒。另外，如果第一間隔dt_1對於所有的切片圖像對是相同的，則是有利的。

切片圖像能夠利用常規的重建算法，例如利用Feldkamp算法或者通過迭代重建而重建。切片圖像對的切片圖像優選地具有相同的切片厚度。如果所有切片圖像對的切片圖像都具有相同的切片厚度，則是特別有利的。例如，切片厚度可以是最多5毫米、最多2.5毫米或最多1毫米。較低的切片厚度增加了能夠確定呼吸相位的空間解析度。

切片圖像優選地重建為使得切片圖像的平面垂直於預定軸線地定向。在這裡更詳細描述的示例中，預定軸線由對於記錄層析成像的原始數據關鍵的CT裝置1的系統軸線5給定。另外，預定軸線由病人3的縱向軸線給定。

切片圖像的重建優選地發生為完全重建。切片圖像然後各自基於源自於至少180°+α的X射線源8的角度區間內的層析成像的原始數據，其中α是X射線2在X射線源8的旋轉平面內的開度角。X射線2的設計可以是扇形、錐形或金字塔形。角度區間包括大量投射角。特別地，切片圖像各自可以基於源自於嚴格為180°+α的X射線源8的角度區間內的層析成像的原始數據。在這種情況下，完全重建以最優高時間解析度發生，因此能夠儘可能精確地確定由於病人3的呼吸而導致的解剖結構的變化。

利用螺旋掃描，X射線源8的沿著預定軸線的位置在重建體積內是時間t的恆定差異函數。對於基於順序記錄的層析成像的原始數據，相比之下，X射線源8的相應位置不是恆定差異的。因此，沿著預定軸線的時間相關位置在下文中也稱為z位置s_z(t)，其中時間t是變量。然而，由於高等級的掃描，多個時刻也能夠與z位置s_z(t)相關聯。因此，相同但不同時刻第一z位置s_z1與切片圖像對的兩個切片圖像相關聯。這種相關性也在圖2中示出，其示出了檢查區域17的兩個縱向區段。這些縱向區段基於層析成像的原始數據。圖2中在第一z位置s_z1處突出顯示的兩個區域對應於圖3所示的兩個切片圖像。圖3所示的第一切片圖像對的兩個切片圖像也稱為第一切片圖像18和第二切片圖像19。

相鄰的切片圖像對優選地具有第二間隔dt_2，其中相鄰的切片圖像對的z位置s_z(t)具有對應於第二間隔dt_2的空間距離。如果所有的第二間隔dt_2都相同，則是特別有利的。如果第二切片圖像對的z位置s_z(t)與其他切片圖像對相比距第一切片圖像對的距離最小，則第一切片圖像對與第二切片圖像對相鄰。所述節距給定了在時刻與能夠與切片圖像相關聯的z位置s_z(t)之間的直接相關性。結果，與其他切片圖像對相比，相鄰的第二切片圖像對還具有關於第一切片圖像對的最小第二間隔dt_2。

第二間隔dt_2可以指的是相鄰的切片圖像對的第一切片圖像的間隔或者指的是相鄰的切片圖像對的第二切片圖像的間隔或者指的是這些間隔的平均值。例如，第一切片圖像對的第一切片圖像18具有第一z位置s_z1＝s_z(t1)和第一時刻t1。第一切片圖像對的第二切片圖像19然後也具有第一z位置s_z1＝s_z(t2)＝s_z(t1+dt_1)和第二時刻t2＝t1+dt_1。相鄰的第二切片圖像對的第一切片圖像具有第二z位置s_z2＝s_z(t3)＝s_z(t1+dt_2)和第三時刻t3＝t1+dt_2，並且相鄰的第二切片圖像對的第二切片圖像具有第二位置s_z2＝s_z(t4)＝s_z(t2+dt_2)和第四時刻t4＝t2+dt_2。

通常，dt_1和dt_2不相等。第二間隔dt_2優選地比第一間隔dt_1短，因為足夠長的第一間隔dt_1導致切片圖像對的兩個切片圖像之間在解剖結構方面的變化變得可見。另外，足夠短的間隔dt_2意味著能夠確定儘可能多的差異dH。因此，能夠特別精確地確定病人3的呼吸循環和各個呼吸相位。另外，呼吸循環和呼吸相位的精確確定意味著能夠特別精確地發生層析成像的原始數據與呼吸相位之間的相關性。結果，能夠重建特別精確和可靠的規劃圖像。例如，第二間隔dt_2最多為第一間隔dt_1的0.5或者最多為0.25或者最多為0.1。

然後在切片圖像對的兩個切片圖像中分別進行檢查區域17的基準位置20、21之間的差異dH的第一確定DET-1，並且基於差異dH進行呼吸相位的第二確定DET-2。圖3還示出了藉助於切片圖像對的基準位置之間的差異dH的第一確定DET-1。圖4示出了藉助於具有多個呼吸循環的差異呼吸曲線25的第二確定DET-2。

檢查區域17的基準位置優選地指的是切片圖像中的胸壁和/或腹壁的空間位置。第一基準位置20在第一切片圖像對的第一切片圖像18中確定，並且第二基準位置21在第一切片圖像對的第二切片圖像19中確定。特別地，能夠將基準位置的差異dH確定為沿著預定軸線從位置的差異dH。在圖3所示的示例中，在沿著切片圖像的縱軸的基準位置中確定差異dH。另外，能夠通過對切片圖像中的檢查區域17進行分段來確定差異dH。例如，使用以區域為導向的分段算法或基於邊緣的分段算法來進行分段。

在圖3所示的示例中，在切片圖像中在軀幹的長度L上對差異dH進行均化。差異dH能夠基於切片圖像中的大量的點來確定，其中所述點對應於檢查區域17的基準位置。特別地，這些點能夠標記檢查區域17的區段的輪廓。在不同的實施方式中，這些點能夠通過用戶交互自動地或半自動地確定，或者甚至手動地確定。點可以形成為各個像素或形成為像素的連接組。另外，能夠通過確定切片圖像內的點的均值而在該切片圖像內確定基準尺寸。均值指的是點的位置、特別是沿著預定軸線的位置的均值。在圖3所示的示例中，點的均值能夠沿著切片圖像的縱軸確定。在均化期間減少圖像值的信息內容。均化例如涉及算術平均數、幾何平均數、調和平均數、平方平均數或者甚至中位數的計算。

差異dH也能夠通過首先對各個切片圖像的點進行均化並且然後將均值彼此相關(具體是從一個減去另一個)來確定。另外，還能夠確定切片圖像對的切片圖像中的相互對應的點，其中如果所述點標識出檢查區域17的相同的解剖區域，那麼這些點相互對應。特別地，解剖區域可以是病人3的胸壁或腹壁的具體區段。相互對應的點的位置然後能夠彼此相關，具體是從一個減去另一個。

如圖4所示，差異dH能夠繪製成圖並且對時間t輸出。差異dH以釐米為單位對以秒為單位的時間t繪圖。輸出SHW一般通過輸出單元、例如通過屏幕11發生。第一基準位置20與第二基準位置21之間的差異dH能夠與第一時刻t1或第二時刻t2或者t1和t2的均值相關聯。重要的是，這種相關聯對於所有的差異dH以相同的方式發生，因此在差異dH與時間t之間存在物理上權宜的相關性。由於在差異dH與z位置s_z(t)之間也存在直接相關性，所以差異dH也能夠對z位置s_z(t)繪圖。差異dH的這種相關聯產生了差異呼吸曲線25。由於該差異呼吸曲線25看上去平滑和/或能夠被差異化，所以差異dH能夠彼此關聯。特別地，能夠確定所繪製的差異dH的正進行的方式，或者能夠使函數適於所繪製的差異dH。特別地，多項式函數適於所繪製的差異dH。

為了圖示在具體的z位置s_z(t)下對層析成像的原始數據所確定的呼吸相位之間的相關性，在圖4中，差異呼吸曲線25與檢查區域17的縱向區段相覆蓋。差異呼吸曲線25能夠被認作是病人3的初始呼吸曲線的衍生物，其中本示例性實施方式中的初始呼吸曲線由病人3的軀幹的高度給定。這樣的結果是差異呼吸曲線25從正值到負值的變化意味著初始呼吸曲線的梯度從正值變化至負值，因此最大吸氣的呼吸相位處於該z位置s_z(t)。差異呼吸曲線25中的下降沿的通過零的時刻因此對應於最大吸氣的時刻。這些時刻通過圖4中的填充圓來突出顯示。另外，差異呼吸曲線25中的上升沿的通過零的時刻對應於最小吸氣的時刻。

優選地，至少吸氣26和呼氣27的呼吸相位被確定。圖4例如確定了對於呼吸循環，吸氣26的呼吸相位和呼氣27的呼吸相位。將各個呼吸循環分成進一步的呼吸相位是有利的。例如，每個呼吸循環能夠在差異呼吸曲線25內被分成N＝5、10、15或20個呼吸循環。具體地，這種分隔能夠基於最大吸氣和/或最小吸氣的時刻進行。特別地，呼吸循環能夠分隔成使得相鄰的呼吸相位各自具有彼此相同的間隔。

另外，層析成像的原始數據能夠與呼吸相位相關聯，其中至少一個規劃圖像基於對於每個呼吸相位的層析成像的原始數據而重建。特別地，這種相關聯能夠通過基於相位的方法以及通過基於幅值的方法來進行。利用基於相位的方法，層析成像的原始數據被選擇用於重建，使得病人3的呼吸循環被等間隔地掃描。然後，呼吸相位被確定為使得它們隨時間是等距的。因此，規劃數據被重建為使得相鄰的規劃圖像各自具有相同的彼此間隔。利用基於幅值的方法，層析成像的原始數據被選擇用於重建，使得病人3的呼吸循環的幅值被等距地掃描。相鄰的規劃圖像然後具有不同的彼此間隔。

圖5示出了用於確定呼吸相位的系統。該系統包括接口16，接口16用於基於病人3的檢查區域17的螺旋掃描接收層析成像的原始數據，其中檢查區域17包括病人3的軀幹和/或腹部的至少一部分。另外，該系統包括處理器15，其中處理器15構造成至少執行以下步驟：

–基於層析成像的原始數據重建PIC切片圖像對，其中切片圖像對包括位於沿著預定軸線在相同位置的、具有第一間隔dt_1的兩個切片圖像；

–分別在切片圖像對的兩個切片圖像中進行檢查區域17的基準位置之間的差異dH的第一確定DET-1，並且基於差異dH進行至少一個呼吸相位的第二確定DET-2。

另外，用於確定呼吸相位的系統可以具有具體構造成執行重建PIC的步驟的重建單元14。因此，處理器15可以不執行重建PIC的步驟。該系統還可以具有多個處理器15，處理器15構造成執行所提出的方法的步驟，特別是確定步驟。在本發明的另外的實施方式中，處理器15還能夠構造成執行上述其他方法步驟。另外，層析成像的原始數據能夠存儲在伺服器23上，因此層析成像的原始數據能夠通過網絡24傳輸至設計成用於確定呼吸相位的客戶端的系統。在這裡示出的示例中，客戶端由計算機12來實施。電腦程式存儲在該客戶端上，該電腦程式具有用於執行確定呼吸相位的方法的程序段。在本發明的另一個實施方式中，用於確定呼吸相位的系統包括客戶端和伺服器23。

圖6示出了利用CT裝置1進行規劃圖像的重建的系統。這裡示出的CT裝置1具有記錄單元22，記錄單元22包括X射線管形式的X射線源8和具有多個線的線檢測器形式的X射線檢測器9。記錄單元22在層析成像的原始數據的記錄期間繞系統軸線5旋轉，並且X射線源8在記錄期間發射X射線2。在這裡示出的示例中，病人3在層析成像的原始數據的記錄期間躺在檢查臺6上。檢查臺6連接至臺基座4，使得基座支撐有病人3的檢查臺6。檢查臺6設計成使病人3沿記錄方向移動經過記錄單元22中的開口10。通常，記錄裝置由系統軸線5給定，記錄單元22在層析成像的原始數據的記錄期間繞系統軸線5旋轉。利用螺旋掃描，檢查臺6在記錄單元22繞病人3旋轉並且記錄層析成像的原始數據的同時連續地移動經過開口10。X射線2因此描繪出病人3的表面上的螺旋線。

在這裡示出的示例中，接口16設計成計算機12的一部分。接口16是通常已知的硬體或軟體接口，例如硬體接口PCI總線、USB或法爾接口。計算機12連接至屏幕11形式的輸出單元並且連接至輸入單元7。屏幕11設計成顯示不同的信息項，特別是切片圖像。輸入單元7能夠用來啟動具有程序段的電腦程式，所述程序段用於確定呼吸相位或者選擇用於執行確定呼吸相位的方法的參數。輸入單元7例如是鍵盤、滑鼠、所知的觸屏或用於語音輸入的麥克風。

另外，這裡示出的系統的計算機12包括重建單元14。該系統還具有處理器15。處理器15能夠與計算機可讀介質13協作，特別是為了通過具有程序代碼的電腦程式來執行用於確定呼吸相位的方法。另外，電腦程式能夠可獲得地存儲在計算機可讀介質13上。特別地，計算機可讀介質13可以是CD、DVD、藍光碟、記憶棒或硬碟。重建單元14可以具有硬體形式的組成部分和/或軟體形式的組成部分。例如，重建單元14可以設計成所知的FPGA(「現場可編程門陣列」的首字縮寫)或者包括算術邏輯單元。處理器15能夠設計成微處理器並且具有多個芯。特別地，處理器15能夠被編程為執行具體的步驟。處理器15然後構造成執行以軟體形式實施的具體命令。