一種影像引導放射治療的定位方法
2023-09-21 15:26:10 1
專利名稱：一種影像引導放射治療的定位方法
技術領域：
本發明涉及放射治療技術領域，特別是涉及一種影像引導放射治療的定位方法。
背景技術：
影像引導放射治療(IGRT，image-guided radiotherapy)將放射治療機與成像設備結合在一起，在治療時採集有關的圖像信息，確定治療靶區和重要結構的位置、運動，並在必要時進行位置和劑量分布的校正；該IGRT技術可用在分次治療擺位時和/或治療中， 用於採集圖像和/或其他信號，並利用這些圖像和/或信號，引導此次治療和/或後續分次治療。在影響治療效果的諸多因素中，對病人的擺位、靶區位置的確定以及治療過程中病人的運動(不由自主的運動、臟器運動帶動的靶區運動)的控制，是實施精確影像引導放射治療的關鍵。因此，放射治療前或放射治療中，需要確定病人躺在治療床上以後，其體位或者靶區位置和放射治療計劃影像的位置是一致的。現有的定位方法，通常在每次治療前採集病人體位的二維(例如，X線平片)或三維(例如，錐形束CT)影像，在比較所採集影像與放射治療計劃影像後，確定病人的體位誤差或靶區與治療射野之間的位置關係，並通過圖像配準方法給出需要調整病人體位或者照射野的數據。所述影像採集通常由在線影像系統(On-board imaging system)來完成，所述在線影像系統的工作模式主要可以包括一、正交KV模式；本模式一般是在放射治療加速器的機架上，沿治療射線的正交(垂直)方向，加裝一套KV級數字診斷X線影像系統來完成影像引導工作；其採用KV級診斷X線成像系統，可以得到清晰的解剖影像，具有診斷級X線影像的空間和密度解析度，可以很好在完成對軟組織靶區和器官的在線影像引導工作。但是，對於這種KV級數字診斷X線影像系統，由於其成像射線與治療射線成垂直正交方向，並不能反映治療機頭內部件在各治療角度時由於重力或其他因素造成的射野改變或誤差；而且，成像射線和治療射線經過的準直器等部件和結構也不相同，雖然三維的在線影像可以較好地驗證和比較每次治療時的體位差別，但由於X線影像系統並不經過治療機頭的結構，無法驗證治療靶區及周圍器官與實際治療照射野的關係，從而影響影像引導放射治療的定位精度。二、同源MV模式。本模式一般直接採用治療用的MV級X射線及安裝在治療機頭相對位置的數字影像板組成的在線影像驗證系統；其優點是成像射線與治療射線同源，因此也經過相同的機頭結構，驗證影像可以很好地反映病人的體位誤差、靶區和周圍器官與治療照射野的關係等；但由於其使用的MV級射線在人體組織中的作用主要為康普頓散射效應，骨結構與軟組織的吸收區別相對較小，影像的組織對比度和密度解析度均比較差，因而其成像效果遠比KV級X射線影像差，也就影響了影像引導放射治療的定位精度。總之，需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是如何能夠提高影像引導放射治療的定位精度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種影像引導放射治療的定位方法，用以提高影像引導放射治療的定位精度。為了解決上述問題，本發明公開了一種影像引導放射治療的定位方法，包括輸入步驟輸入放射治療計劃圖像；成像步驟利用KV級X射線採集病人的圖像數據，並根據所述圖像數據獲取病人圖像；配準步驟將所述病人圖像與放射治療計劃圖像進行配準；判斷步驟根據配準結果判斷該兩種圖像位置是否一致，若是，則執行治療步驟， 否則執行調整步驟；治療步驟利用MV級X射線對病人進行治療，其中，所述KV級X射線和MV級X射線源自同一個加速管；調整步驟根據配準結果調整病人的位置，並返回成像步驟。優選的，所述配準結果包括該病人圖像、放射治療計劃圖像兩種圖像的位置信息， 所述位置信息包括X、Y、Z三個方向的平移參數和旋轉參數。優選的，所述成像步驟的執行時段包括放射治療前和放射治療中。優選的，所述成像步驟包括利用KV級X射線採集病人在一個位置下的圖像數據，並根據所述圖像數據生成一幅二維圖像；或者，利用KV級X射線採集病人在多個位置下的圖像數據，並根據所述圖像數據生成多
幅二維圖像。優選的，所述成像步驟包括利用KV級X射線採集病人的投影數據；對所述投影數據進行三維重建，得到三維圖像。優選的，所述利用KV級X射線採集病人的投影數據的步驟，包括利用KV級X射線完全採樣病人在360度上的投影數據；或者，利用KV級X射線稀疏採樣病人在360度上的投影數據；或者，利用KV級X射線採樣病人360度中有限角度的投影數據。優選的，所述配準步驟包括將該二維圖像和病人放射治療計劃用二維或三維圖像進行配準，得到的配準結果中包括X、Y兩個方向的平移參數和旋轉參數。優選的，所述配準步驟包括
將該三維圖像和病人放射治療計劃用三維圖像進行配準，得到的配準結果中包括 X、Y、Z三個方向的平移參數和旋轉參數。優選的，所述KV級X射線的能量範圍為從1000V到999KV，所述MV級X射線的能量範圍為從3MV到20MV。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明利用KV級X射線採集病人的圖像數據，而利用MV級射線對病人進行治療； 由於所述KV級X射線和MV級X射線源自同一個加速管，且KV級X射線能夠得到比較清晰的在線圖像，它們經過相同的機頭結構，驗證影像可以很好地反映病人的體位誤差、靶區和周圍器官與治療照射野的關係，因而能夠從根本上解決不同源的問題，有利於通過擺位來精確確定病人體位信息、靶區位置等信息，從而能夠提高影像引導放射治療的定位精度；再者，本發明可以通過稀疏採樣、有限角度採樣等投影數據採集方式，得到三維圖像，相對於傳統的完全採樣方式，能夠有效降低病人在定位過程中所受輻射劑量；並且，本發明可以通過多個二維圖像與放射治療計劃用三維圖像進行配準，相對於傳統的圖像配準定位方式，能夠有效降低病人在定位過程中所受輻射劑量；最後，由於在放射治療中也可以通過切換加速管射線的能量級，來成像配準定位達到實時定位要求，因而能夠實現真正的影像引導的放射治療。
圖1是本發明一種影像引導放射治療的定位方法實施例的流程圖；圖2是本發明一種O-XYZ坐標系的示意圖；圖3是本發明一種影像引導放射治療裝置的結構示意圖；圖4是本發明一種採集一個位置下二維圖像數據的示意圖；圖5是本發明一種採集兩個位置下二維圖像數據的示意圖；圖6是本發明一種完全採樣投影數據的示意圖；圖7是本發明一種稀疏採樣投影數據的示意圖；圖8是本發明一種有限角度採樣投影數據的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。本發明的核心構思之一在於，利用KV級X射線採集病人的圖像數據，而利用MV級射線對病人進行治療；由於所述KV級X射線和MV級X射線源自同一個加速管，它們經過相同的機頭結構，驗證影像可以很好地反映病人的體位誤差、靶區和周圍器官與治療照射野的關係，因而能夠從根本上解決不同源的問題，解決機械結構上帶來的定位誤差，從而能夠提高影像引導放射治療的定位精度。參照圖1，示出了本發明一種影像引導放射治療的定位方法實施例的流程圖，具體可以包括輸入步驟101、輸入放射治療計劃圖像；成像步驟102、利用KV級X射線採集病人的圖像數據，並根據所述圖像數據獲取病
5人圖像；本發明的定位方法可以應用於放射治療前和/放射治療後，故所述成像步驟102 的執行時段可以包括放射治療前和放射治療中。在實際中，所述KV級X射線的能量範圍一般從1000V到999KV，所述MV級X射線的能量範圍一般從3MV到20MV ；加速管可在所述KV級X射線和MV級X射線之間進行快速切換，且切換時間可以達到秒級。例如，在放射治療前，為確認病人體位或者靶區位置和放射治療計劃圖像的位置是否一致，可以通過本發明來指導擺位；又如，在放射治療中，也可以通過切換不同能量級別的射線來成像配準定位達到實時定位要求，實現真正的影像引導放射治療。配準步驟103、將所述病人圖像與放射治療計劃圖像進行配準；圖像配準通常是指將不同時間、不同成像設備或不同條件下(天候、照度、攝像位置和角度等)獲取的兩幅或多幅圖像進行匹配、疊加的過程；常用的圖像配準算法有很多， 本領域技術人員可以根據需要採用任一種算法，例如，基於最大交互信息的圖像配準算法寸寸。為提高定位精度，本實施例可以採用6個參數來描述配準結果，參照圖2所示的 O-XYZ坐標系，所述配準結果可以包括該病人圖像、放射治療計劃圖像兩種圖像的位置信息，所述位置信息可以包括X、Y、Z三個方向的平移參數和旋轉參數；由於病人一般由治療床承載，故所述6個參數用於描述治療床的6個自由度。假設病人圖像、放射治療計劃圖像均為靶區圖像，那麼，所述圖像配準的過程即是比較兩種圖像靶區特徵點的過程，具體而言，可以確定兩種圖像特徵點並獲得相應的位置差值。判斷步驟104、根據配準結果判斷該兩種圖像位置是否一致，若是，則執行治療步驟105，否則執行調整步驟106 ；例如，可以判斷所述位置差值是否符合臨床要求，也即，所述位置差值是否在臨床允許的範圍內，若是，則利用MV級X射線對病人進行治療，否則，根據所述位置差值指導病人擺位。治療步驟105、利用MV級X射線對病人進行治療，其中，所述KV級X射線和MV級 X射線源自同一個加速管；調整步驟106、根據配準結果調整病人的位置，並返回成像步驟102。在實際中，可以通過計算機控制系統，根據所述位置差值來平移或旋轉承載病人的治療床，以實現病人位置的調整。為使本領域技術人員更好地理解本發明，以下以一種具體的影像引導放射治療裝置為例進行詳細說明。參照圖3，示出了本發明一種影像引導放射治療裝置的結構示意，可以包括機架 301、KV/MV同源雙束加速管302、多葉準直器303、治療床304、成像屏305和計算機系統 306 ；其中，所述加速管302和成像屏305相對180度安裝在機架上，所述準直器303安裝在加速管機頭前端，所述治療床304安裝在機架外部，所述計算機系統306，則用於控制加速管302、準直器303、治療床304和成像屏305 ；CN 102232835 A
說明書
5/6頁以圖2中的O-XH坐標係為例，所述治療床304可以具有六個自由度；而且，所述計算機系統306可以顯示治療床304的坐標信息，以方便指導病人擺位；另外，所述成像屏305可設置為伸縮結構，在實際中可以根據工作狀態需要伸出或者縮進；例如，其工作狀態可以包括κν模式下的伸出狀態和MV模式下的縮進狀態；也即，在KV模式下，可將所述成像屏305伸出以進行定位操作，而在MV模式下，可將所述成像屏305縮進，以利用所述裝置進行治療工作；在具體實現中，可在計算機系統306中設置一專門的模塊來所述伸出狀態和縮進狀態，本發明對此不加以限制；再者，所述成像屏305可以跟隨加速管302機頭同步進行360度內任意角度旋轉。當然，本領域技術人員可以根據實際需要，設置所述成像屏205的其它工作狀態， 例如，在KV模式下縮進，或者，在MV模式下伸出等等，本發明對此不加以限制。在應用該裝置實現本發明的定位時，具體可以包括以下實現情形情形一、在放射治療前，採用圖4所示方法採集病人在一個位置下的圖像數據，並根據所述圖像數據生成一幅二維圖像；將該二維圖像和病人放射治療計劃用二維或三維圖像進行配準，得到的配準結果中包括X、Y兩個方向的平移參數和旋轉參數；根據所述配準結果，指導病人擺位，並在符合臨床要求後實施放射治療。情形二、在放射治療前，採用圖5所示方法採集病人在兩個位置下的圖像數據，並根據所述圖像數據生成兩幅二維圖像；其中，所述兩幅圖像的位置夾角可以為360度內正交或非正交的任意角度；將此情形下獲取的二維圖像和病人放射治療計劃用三維圖像進行配準，得到的配準結果中可以包括X、Y和Z三個方向的平移參數和旋轉參數；根據所述配準結果，指導病人擺位，並在符合臨床要求後實施放射治療。可以理解，本情形還可以生成的二維圖像的數目還可以為大於2的任意數目，且這些圖像的位置夾角可以為360度內正交或非正交的任意角度，本發明對此不加以限制。因而，相對於現有技術，將採集得到的三維圖像和病人放射治療計劃用三維圖像進行配準，本發明利用兩幅或多幅二維圖像和三維圖像配準得到圖像六個自由度的配準參數，能夠在保證定位精度的同時，減少擺位時間，並且能夠有效降低病人在定位過程中所受輻射劑量。情形三、在放射治療前，採樣病人在圓掃描軌道內的投影數據，並對所述投影數據進行三維重建，得到三維圖像；將該三維圖像和病人放射治療計劃用三維圖像進行配準，得到的配準結果中包括 X、Y、Z三個方向的平移參數和旋轉參數；根據所述配準結果，指導病人擺位，並在符合臨床要求後實施放射治療。其中，所述投影數據的採集方式具體可以包括1)採用圖6所示方法，利用KV級X射線完全採樣病人在360度上的投影數據；2)採用圖7所示方法，利用KV級X射線稀疏採樣病人在360度上的投影數據；
3)採用圖8所示方法，利用KV級X射線採樣病人360度中有限角度的投影數據， 其中，所述有限角度可以為360度的任意子集，如0度 30度，30度 60度等，本發明對此不加以限制。在人體受到放射線的照射時，隨著射線作用劑量的增大，有可能隨機地出現某些有害效應，尤其是三維錐束CT會給病人帶來額外劑量；而所述稀疏採樣、有限角度採樣能夠有效降低病人在定位過程中所受輻射劑量。情形四、在放射治療中，將加速管能級從MV級切換到KV級，採用圖4所示方法得到病人二維圖像；將該圖像和病人放射治療計劃用二維/三維圖像或者放射治療前採集的二維或三維圖像進行配準，並根據配準結果指導病人擺位，符合臨床要求後繼續實施放射治療。情形五、 在放射治療中，將加速管能級從MV級切換到KV級，採用圖5所示方法得到病人的兩幅正交或者非正交二維圖像，或者多幅任意角度二維圖像；將該二維圖像和病人放射治療計劃用二維/三維圖像或者放射治療前採集的二維或三維圖像進行配準，並根據配準結果指導病人擺位，符合臨床要求後繼續實施放射治療。情形六、在放射治療中，將加速管能級從MV級切換到KV級，採用圖6-圖8中任一投影數據的採集方式，得到病人的三維圖像；將該三維圖像和病人放射治療計劃用二維/三維圖像或者放射治療前採集的二維或三維圖像進行配準，並根據配準結果指導病人擺位，符合臨床要求後繼續實施放射治療。本發明可以應用於影像引導放射治療中，用於在放射治療前指導病人擺位，或者， 在放射治療中通過擺位來確定靶區位置，以及控制病人運動，能夠得到好的定位精度；另外，對於三維錐束CT來說，相對於現有技術，僅僅進行一次CT掃描，來進行最初擺位誤差的糾正，糾正後沒有進一步驗證；多個射野的體位誤差以及治療射野在不同治療角度時的實際設置，如多葉準直器(Multi-leafcollimator，MLC)各葉片在實際治療時的到位精度和誤差等信息都無法得到跟蹤和驗證；本發明能夠通過實時切換不同能量級，來跟蹤和驗證所述信息。以上對本發明所提供的一種影像引導放射治療的定位方法，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種影像引導放射治療的定位方法，其特徵在於，包括 輸入步驟輸入放射治療計劃圖像；成像步驟利用KV級X射線採集病人的圖像數據，並根據所述圖像數據獲取病人圖像；配準步驟將所述病人圖像與放射治療計劃圖像進行配準；判斷步驟根據配準結果判斷該兩種圖像位置是否一致，若是，則執行治療步驟，否則執行調整步驟；治療步驟利用MV級X射線對病人進行治療，其中，所述KV級X射線和MV級X射線源自同一個加速管；調整步驟根據配準結果調整病人的位置，並返回成像步驟。
2.如權利要求1所述的定位方法，其特徵在於，所述配準結果包括該病人圖像、放射治療計劃圖像兩種圖像的位置信息，所述位置信息包括X、Y、Z三個方向的平移參數和旋轉參數。
3.如權利要求1所述的定位方法，其特徵在於，所述成像步驟的執行時段包括放射治療前和放射治療中。
4.如權利要求1所述的定位方法，其特徵在於，所述成像步驟包括利用KV級X射線採集病人在一個位置下的圖像數據，並根據所述圖像數據生成一幅二維圖像； 或者，利用KV級X射線採集病人在多個位置下的圖像數據，並根據所述圖像數據生成多幅二維圖像。
5.如權利要求1所述的定位方法，其特徵在於，所述成像步驟包括 利用KV級X射線採集病人的投影數據；對所述投影數據進行三維重建，得到三維圖像。
6.如權利要求1所述的定位方法，其特徵在於，所述利用KV級X射線採集病人的投影數據的步驟，包括利用KV級X射線完全採樣病人在360度上的投影數據； 或者，利用KV級X射線稀疏採樣病人在360度上的投影數據； 或者，利用KV級X射線採樣病人360度中有限角度的投影數據。
7.如權利要求4所述的定位方法，其特徵在於，所述配準步驟包括將該二維圖像和病人放射治療計劃用二維或三維圖像進行配準，得到的配準結果中包括X、Y兩個方向的平移參數和旋轉參數。
8.如權利要求5所述的定位方法，其特徵在於，所述配準步驟包括將該三維圖像和病人放射治療計劃用三維圖像進行配準，得到的配準結果中包括X、Y、 Z三個方向的平移參數和旋轉參數。
9.如權利要求1所述的定位方法，其特徵在於，所述KV級X射線的能量範圍為從1000V 到999KV，所述MV級X射線的能量範圍為從3MV到20MV。
全文摘要
本發明提供了一種影像引導放射治療的定位方法，包括輸入步驟輸入放射治療計劃圖像；成像步驟利用KV級X射線採集病人的圖像數據，並根據所述圖像數據獲取病人圖像；配準步驟將所述病人圖像與放射治療計劃圖像進行配準；判斷步驟根據配準結果判斷該兩種圖像位置是否一致，若是，則執行治療步驟，否則執行調整步驟；治療步驟利用MV級X射線對病人進行治療，其中，所述KV級X射線和MV級X射線源自同一個加速管；調整步驟根據配準結果調整病人的位置，並返回成像步驟。本發明用以提高影像引導放射治療的定位精度。
文檔編號A61B6/00GK102232835SQ201010157680
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月21日 優先權日2010年4月21日
發明者劉亞強, 吳朝霞, 康克軍, 王石, 陳志強 申請人:清華大學