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解剖學超聲信息與用于輻射治療的輻射遞送信息的實時融合.pdf

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解剖學 超聲 信息 用于 輻射 治療 遞送 實時 融合
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摘要
申請專利號:

CN201480067544.8

申請日:

20141205

公開號:

CN105813691A

公開日:

20160727

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A61N5/10,A61B90/00 主分類號: A61N5/10,A61B90/00
申請人: 皇家飛利浦有限公司
發明人: S·巴拉特,E·德赫甘馬爾瓦斯特,A·K·賈殷,A·M·塔赫瑪塞比馬拉古奧施,F·G·G·M·維尼翁
地址: 荷蘭艾恩德霍芬
優先權: 61/915,081
專利代理機構: 永新專利商標代理有限公司 代理人: 王英;劉炳勝
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480067544.8

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

一種輻射治療遞送系統(10),包括:超聲成像單元(26)、輻射治療遞送機構(12、56、70、88)、位于所述對象內部的多個基準點(22、90)、圖像融合單元(40)和遞送評估單元(38)。超聲成像單元(26)包括換能器(30),所述換能器發射超聲,以在第一坐標系中對對象(16)的解剖學部分進行實時成像。輻射治療遞送機構(12、56、70、88)在第二坐標系中在對象的解剖學部分中遞送一定量的治療輻射。基準點(22、90)包括植入物或經直腸超聲探頭(80)。圖像融合單元(40)將多個基準點的位置配準到第一和第二坐標系中的至少一個并實時跟蹤基準點的位置。遞送評估單元(38)相對于所述對象的被實時成像的解剖學部分來識別所遞送的治療輻射的位置和量。

權利要求書

1.一種輻射治療系統(10),包括:能定位于對象的內部的多個基準點(22、90);超聲成像單元(26),其包括換能器(30),所述換能器被配置為發射超聲波以在實時坐標系中對對象(16)的解剖學部分實時成像;輻射規劃單元(18),其被配置為使用至少一幅輻射處置規劃圖像在規劃坐標系中識別要被遞送至所述對象(16)的解剖學部分的治療輻射的規劃的處置位置和規劃的量;圖像融合單元(40),其基于內部基準點的位置將所述實時坐標系配準到所述規劃坐標系,并且實時跟蹤所述基準點的所述位置。2.根據權利要求1所述的系統(10),還包括:遞送評估單元(38),其被配置為相對于所述對象的被實時成像的解剖學部分來識別所遞送的治療輻射的位置和量。3.根據權利要求2所述的系統(10),其中,所述輻射規劃單元(18)被配置為基于所遞送的治療輻射來修改要被遞送至所述對象(16)的所述解剖學部分的治療輻射的所述規劃的量和/或規劃的位置。4.根據權利要求1-3中的任一項所述的系統(10),其中,所述輻射規劃單元(18)基于所述基準點的所述位置來調節治療輻射遞送的規劃的定時。5.根據權利要求2-5中的任一項所述的輻射治療遞送系統(10),還包括:輻射治療遞送系統(12、56、70、88),其被配置為在所述規劃坐標系中向所述對象的所述解剖學部分遞送所述量的治療輻射。6.根據權利要求1-5中的任一項所述的系統(10),其中,所述多個基準點(26)中的每個基準點包括:無線發送器(52),其至少發送自我身份;傳感器(50),其被連接到所述發送器,所述傳感器包括響應于接收到發射超聲波而被激活的壓電元件并且對所述發送器供電;以及膠囊(54),其由生物相容材料構造,所述膠囊封裝所述無線發送器和所述傳感器;至少一個天線(36),其位于所述對象的外部,所述至少一個天線接收所發射的自我身份;并且其中,所述遞送評估單元(38)基于所發送的自我身份來識別所述基準點的所述位置,并且基于輻射遞送機構來識別輻射的所述量。7.根據權利要求1-6中的任一項所述的系統(10),還包括:顯示設備(34),其被配置為顯示疊加在所述對象的所述實時成像的解剖學部分上的基準點(22)位置。8.根據權利要求1-7中的任一項所述的系統(10),其中,所述圖像融合單元被配置為基于在所述超聲波的發射與接收之間的時間以及一個或多個所發射的超聲波的方向和所接收的一個或多個所發射的超聲波的幅度,來確定基準點(22)相對于所述超聲換能器(30)的位置。9.根據權利要求5-8中的任一項所述的系統(10),還包括:其中,所述輻射遞送系統(12)包括外部射束輻射治療設備;并且其中,所述遞送評估單元(38)被配置為接收根據第二坐標系從所述外部射束輻射治療設備基于射束形狀、持續時間和方向而遞送的治療輻射的量和位置,并確定被遞送至每個靶組織和一個或多個危險器官的治療輻射的量和位置。10.根據權利要求19所述的系統(10),還包括:輻射治療遞送單元(42),其控制所述外部射束輻射治療設備以基于處置計劃遞送一定形狀、方向、強度和持續時間的治療輻射的射束;并且其中,所述輻射規劃單元(18)被配置為進行如下操作中的至少一項:在遞送期間修改所述處置計劃,對所述外部射束進行門控,或者基于所述基準點的所述位置來調節對所述外部射束的準直。11.根據權利要求5-8中的任一項所述的系統(10),其中,所述輻射遞送系統包括被安裝在所述基準點(22)中的放射性點源(56)。12.根據權利要求5所述的系統(10),還包括:經直腸超聲探頭(80),其包括:軸(92),所述軸被配置用于插入到所述對象中;其中,所述換能器(30)包括位于所述軸(92)上的至少一個成像陣列;并且其中,所述多個基準點(90)是輻射不透明的,并且相對于所述軸(92)被安裝,并且處在不同的取向中,以提供針對所述超聲成像單元(26)校準的三維坐標參考。13.根據權利要求12所述的系統(10),其中,所述輻射治療遞送系統(70)被配置為向預定位置中放置包含治療輻射點源的種子(88);并且還包括:熒光透視成像設備(94),其被配置為對所放置的種子和所述多個基準點(90)成像;并且其中,所述圖像融合單元(40)被配置為接收所述基準點(90)相對于所述換能器(30)的經校準的位置,并且接收所述熒光透視圖像,以基于安裝在所述探頭(80)上的所述基準點(90)來配準實時超聲圖像和所述熒光透視圖像。14.根據權利要求14所述的系統(10),其中,所述遞送評估單元(38)被配置為基于經融合的坐標系來確認在所述超聲成像單元(26)的顯示設備(34)上被成像的所放置的種子之一的存在。15.一種輻射治療的方法,包括:利用換能器(30)生成(130)實時超聲圖像,所述換能器在實時坐標系中在對象的解剖學部分中發射超聲波,所述實時坐標系包括多個內部基準點位置(22、90);使用規劃坐標系中的規劃圖像來識別要被遞送至所述對象的解剖學部分的治療輻射的規劃的處置位置和規劃的量;識別(134)所述多個基準點的位置;將所述多個基準點的所述位置配準(136)到所述實時坐標系和所述規劃坐標系中的至少一個并且實時跟蹤所述基準點的所述位置。16.根據權利要求15所述的方法,還包括:基于所述規劃的位置和所述規劃的量,以所述對象的解剖學部分位置和量來遞送(132)治療輻射;并且確定(138)實際遞送至所述對象的所述解剖學部分的治療輻射的位置和量。17.根據權利要求16所述的方法,其中,確定(138)還包括:根據所述第二坐標系,基于外部輻射射束形狀、方向、強度和持續時間,來接收治療輻射遞送的所述量和所述位置;并且基于經融合的坐標系來確定遞送至所述靶組織和一個或多個危險器官中的每者的治療輻射的所述量和所述位置。18.根據權利要求17所述的方法,還包括:根據經融合的坐標系,基于所述基準點(22)相對于所遞送的治療輻射射束的位置,來修改(140)所述治療輻射射束形狀、方向、強度或持續時間中的至少一個。19.根據權利要求15-18中的任一項所述的方法,其中,識別(134)還包括:響應于所發射的超聲波、在所述超聲波的發射與接收之間的時間以及一個或多個發射的超聲波的方向和所接收的一個或多個發射的超聲波的幅度,基于接收每個至少在預定無線電頻率上發送自我身份的內部基準點(22),來識別所述多個基準點內部位置。20.根據權利要求15所述的方法,其中,所述換能器(30)包括位于軸上的至少一個成像陣列,并且所述多個基準點(90)被安裝在所述軸上,所述多個基準點是輻射不透明的,并且所述多個基準點處在不同的取向中,所述方法還包括:接收(152)具有多個輻射不透明基準點(90)和放置的種子(88)的所述對象的部分的至少一幅熒光透視圖像;基于經融合的坐標系來確定(138、156-164)如下中的至少一項:在所述實時超聲圖像內識別(156)近距放射治療種子的位置;在所述實時超聲圖像內在3維中定位(160)植入的每個近距放射治療種子;或者在所述實時超聲圖像內定位(162)放置近距放射治療種子的針(70)的尖端。21.根據權利要求20所述的方法,其中,確定(138)還包括:基于所放置的種子的位置,以及所分配的劑量值和所述基準點(90)的所述位置,來確定(148)遞送至所述靶組織中的每個靶組織的治療輻射劑量的所述量和所述位置。22.一種植入式基準點(22),包括:無線發送器(52),其至少發送自我身份;傳感器(50),其被連接到所述發送器,所述傳感器包括響應于接收到的所發射的超聲波而被激活的壓電元件并且對所述發送器供電;以及膠囊(54),其由生物相容材料構造,所述膠囊封裝所述無線發送器和所述傳感器,并且所述膠囊被配置為通過插入到對象中的針植入在所述對象中。

說明書

技術領域

下文總體涉及醫學成像和輻射治療。本發明尤其適于與使用超聲對解剖學信息的實時成像和輻射治療的遞送結合使用,并將具體參考其加以描述。然而,應當理解,本發明還適用于其他使用情形,未必限于上述應用。

背景技術

輻射治療是一種使用輻射對患者進行處置的流程,常常用以殺死或破壞有害組織,例如腫瘤。輻射治療被應用于對象的組織,以使對健康組織的輻射最小化。健康組織可以包括有危險的器官(OAR),諸如心臟、肝臟、腎臟、尿道、直腸、膀胱等,它們可能非常接近或包括不健康的組織。在遞送期間對輻射的精確放置對于保護功能器官同時破壞不健康或患病組織的重要的。兩種常規的輻射治療技術包括近距放射治療和外部射束輻射治療(EBRT)。用于規劃輻射治療的解剖學圖像通常使用X射線計算斷層攝影(CT),其提供詳細的解剖學信息,但使用X射線輻射獲得解剖學圖像。

近距放射治療通常使用低劑量輻射點源或種子,其被植入在對象的不健康組織中。通過被插入到不健康組織中的針分布或放入種子,以向周圍的不健康組織提供輻射。所述種子提供輻射的局域化的源。通常,能夠將50-100個種子植入到前列腺中。近距放射治療通常用于處置乳房、頸部、前列腺和皮膚癌。相對于不健康和OAR對種子的精確放置或遞送確定了向腫瘤和OAR遞送的輻射的劑量。在不健康組織中分布多個種子以提供覆蓋。該覆蓋基于每個放入的種子的位置以及有每個點源發射的輻射的量。

EBRT使用諸如線性加速器(LINAC)的EBRT設備將輻射的外部線性射束遞送通過身體到靶組織。通常,能夠對射束設定形狀并從不同方向瞄準以幫助避免擊中OAR。當外部輻射射束活動時知道靶和OAR相對于輻射束的精確位置確定了針對輻射束路徑中的腫瘤和任何健康組織的劑量遞送。

在輻射治療的遞送中,相對于不健康和健康組織的解剖學位置對輻射的精確放置會影響結果,尤其是殺死不健康組織的劑量充足性以及該劑量對健康組織的副作用。在輻射的遞送期間,健康和不健康組織的位置受到患者的運動的影響。該運動可以包括剛性運動、非剛性運動、器官的變形和由于呼吸和/或心動周期導致的重復運動。一個挑戰是在遞送期間將治療輻射的位置匹配到靶和OAR的解剖學位置。換言之,一個挑戰是在遞送期間在公共坐標系中將劑量測定信息和解剖學信息配準。第二挑戰是基本實時地準確測量運動,從而在遞送期間能夠做出調節以校正位置和/或運動。

例如,在近距放射治療中,能夠從超聲獲得解剖學信息,但將放入的種子的位置與靶和OAR匹配可能存在問題。超聲(US)能夠在不使用X射線輻射的情況下在治療輻射的遞送期間提供連續實時的解剖學圖像。然而,種子的可視性可能被陰影或其他偽影模糊化或混淆,其導致差的靈敏度和特異性。對種子的不良放置可能導致冷斑或冷區,其中,靶不會接收適當的輻射劑量,或者具有OAR接收劑量超過規定的斑。

已經使用的一種方法以拍攝中間CT圖像,所述中間CT圖像將具有較低可視性的種子與高對比度的器官邊界進行對比,但其涉及將患者從近距放射治療操作配置移動到CT成像配置,以及使患者返回到操作環境以對種子的放置進行調節。兩種患者運動容易在CT和近距放射治療坐標系之間造成配準誤差。使用CT還增加了對患者的額外X射線劑量。

另一種方法是使用中間熒光透視圖像,其以良好的對比度對種子進行成像,并與CT相比降低了對患者的X射線成像劑量。然而,熒光透視圖像提供低解剖學對比度,并且是斷續拍攝的,這使得將種子位置匹配到解剖學位置是困難的。

在EBRT中,引導輻射射束通過對象。通常,使用被放置在患者的皮膚上的外部標記來將患者配準到EBRT遞送設備的坐標系和高分辨率規劃圖像的坐標系。然而,該外部標記提供不良的內部解剖學信息。由于組織柔韌性的原因,會發生外部標記和靶與OAR之間的配準誤差。在輻射的遞送期間在沒有公共坐標系與外部射束坐標系中的精確解剖學信息的情況下,可能會導致對腫瘤的不完全的劑量覆蓋以及對OAR的顯著損傷。保護OAR的一種方法是從足夠大以包括整個運動范圍的OAR周圍的裕量(margin)排除輻射遞送。保證規定劑量的遞送的一種方法是輻照靶周圍的裕量,使得靶處在運動范圍上的射束中。由于靶和OAR接近,所以確保對靶的滿劑量和對OAR的最小劑量常常是沖突的目標。

識別器官邊界和/或運動的精確位置的另一種方法是使用電磁(EM)跟蹤技術。然而,EM跟蹤對于外部失真是敏感的并且取決于對EM場發生器的定位,所述外部失真例如是金屬設備、患者體內的假體、心臟起搏器等。

發明內容

下文公開了一種對解剖學超聲信息與用于輻射治療的輻射遞送信息的新的經改進的實時融合,其解決了上述問題和其他問題。

根據一個方面,一種輻射治療系統,包括:位于對象內部的多個基準點、超聲成像單元、輻射規劃單元和圖像融合單元。所述超聲成像單元包括換能器,所述換能器發射超聲波,以在實時坐標系中對對象的解剖學部分進行實時成像。所述輻射規劃單元包括至少一幅輻射處置規劃圖像,所述輻射處置規劃圖像根據規劃坐標系來識別對象的解剖學部分中的治療輻射的規劃的位置和量。所述圖像融合單元基于所述內部基準點的位置將所述實時坐標系配準到所述規劃坐標系,并實時跟蹤所述基準點的位置。

根據另一方面,一種輻射治療遞送系統,包括:超聲成像單元、輻射治療遞送機構、位于針對所述對象的內部的多個基準點、圖像融合單元和遞送評估單元。所述超聲成像單元包括換能器,所述換能器發射超聲波,以在第一坐標系中對對象的解剖學部分進行實時成像。所述輻射治療遞送機構在第二坐標系中在對象的解剖學部分中遞送一定量的治療輻射。所述基準點包括植入物或經直腸超聲探頭。所述圖像融合單元將多個基準點的位置配準到第一和第二坐標系中的至少一個并實時跟蹤基準點的位置。所述遞送評估單元相對于所述對象的被實時成像的解剖學部分來識別所遞送的治療輻射的位置和量。

根據另一方面,一種輻射治療的方法,包括:利用換能器生成實時超聲圖像,所述換能器在第一坐標系中在對象的解剖學部分中發射超聲波,所述第一坐標系包括多個內部基準點位置。在第二坐標系中在對象部分的位置和量中遞送治療輻射。識別多個基準點的位置。將多個基準點的位置配準到第一和第二坐標系中的至少一個并實時跟蹤基準點的位置。確定遞送給對象解剖學部分的治療輻射的位置和量。

根據另一方面,一種植入式基準點,包括:無線發送器、連接到發送器的傳感器以及由生物相容材料構造的膠囊,所述膠囊封裝所述無線發送器和所述傳感器,并且被配置為通過插入到對象體內的針而被植入到對象中。無線發送器至少發送自我身份。所述傳感器包括響應于接收到所發射的超聲波而激活的壓電元件,并且為所述發送器供電。

根據另一方面,一種超聲系統,包括:經直腸探頭、處理器和顯示設備。所述探頭包括:具有圓滑端部的軸,其被配置為插入到對象的直腸中;位于所述軸上的至少一個成像陣列,并且包括發射超聲波并接收所反射的聲波的發送器,以及多個輻射不透明的基準點,所述基準點相對于所述軸定位并且被定位成不同取向,以提供針對所述超聲成像單元坐標系被校準的三維坐標參考。所述處理器被連接到至少一個成像陣列并且被編程為將所接收的反射聲波重建成解剖學圖像。所述顯示設備被配置為顯示所重建的解剖學圖像。

一個優點是在公共坐標系中合并了連續實時解剖學信息與輻射治療遞送信息。

另一優點在于,能夠基于輻射源、不健康組織和/或健康組織的位置在遞送期間調節治療輻射的遞送。

另一優點在于,使用非X射線成像源獲得連續實時解剖學成像信息。

另一優點在于,在輻射治療期間跟蹤精確內部患者運動。

另一優點在于,實時配準輻射源的坐標系、診斷圖像的坐標系和患者解剖結構的坐標系。

另一優點在于,為臨床醫師提供了無論何時認為必要時都可以通過將信息與另一成像模態(例如,熒光透視)融合來確認其對一種成像模態(例如,US)的解讀是否正確的能力。

附圖說明

在閱讀和理解以下詳細描述之后,其他優點對于本領域的普通技術人員而言將是顯而易見的。

本發明可以采取各種部件和部件布置,以及各種步驟和步驟安排。附圖的作用在于對優選實施例進行圖示,不應認為其對本發明構成限制。

圖1示意性圖示了對解剖學超聲信息與為EBRT配置的輻射遞送系統的實時融合或配準的實施例。

圖2A-2B示意性圖示了內部基準點的實施例。

圖3圖解圖示了具有3維(3D)超聲換能器的內部基準點的實施例。

圖4示意性圖示了對解剖學超聲信息與為近距放射治療配置的輻射遞送系統的實時融合的實施例。

圖5示意性圖示了對解剖學超聲信息與為近距放射治療配置的,具有經直腸超聲(TRUS)探頭的輻射遞送信息系統的實時融合的實施例。

圖6A-6D示意性圖示了具有輻射不透明基準點的經直腸超聲(TRUS)探頭的實施例。

圖7圖解圖示了具有2維(2D)超聲換能器的內部基準點的實施例。

圖8圖示了具有治療輻射指示器的近距放射治療的示范性超聲圖像。

圖9以流程圖示出了為介入式輻射治療對解剖學超聲信息與輻射遞送信息進行實時融合的一種方法。

圖10以流程圖示出了利用TRUS探頭使用對解剖學超聲信息與近距放射治療的輻射遞送信息的實時融合的實施例的一種方法。

具體實施方式

參考圖1,示意性圖示了對解剖學超聲信息與為EBRT配置的輻射遞送信息系統10進行實時融合的實施例。所述系統被示為利用指向對象16的前列腺14的EBRT設備12而使用針對EBRT的輻射治療配置。輻射治療規劃單元18對對象進行成像,并存儲對象的規劃圖像作為輻射治療計劃20的一部分。能夠從CT圖像、MR圖像等獲得規劃圖像。規劃圖像被用于構造輻射治療計劃20,射治療計劃20包括用于將輻射遞送放置到對象解剖學部分的指令。所述規劃圖像能夠包括存在于規劃圖像中的內部或植入基準點22,并且有助于將所述規劃圖像配準到輻射遞送和實時解剖學信息。

輻射治療規劃單元18維護輻射治療計劃20。輻射治療計劃20識別治療輻射的規劃的遞送位置或靶。對于分部處置而言,能夠將中間CT或其他規劃圖像與基準點22相互配準。

分割單元24分割諸如腫瘤的靶組織。分割單元24能夠分割一個或多個健康組織,諸如解剖學成像區域中的OAR,諸如前列腺。能夠分割非常接近治療輻射的其他健康組織,例如尿道、膀胱等。

所述系統包括超聲成像單元26,超聲成像單元26連續實時地對對象的解剖學部分進行成像。能夠為超聲成像單元配置2維成像(2D)或3維成像(3D)成像探頭28。能夠為2D成像探頭使用機器人控制和旋轉。所述超聲成像單元操作在第一坐標系中。能夠通過現有技術中已知的手段,諸如視頻、激光、聲學等,將第一坐標系配準到房間坐標系。例如,能夠利用針對房間校準的多個相機可見的標記物來標記探頭28,所述標記物提供探頭相對于房間坐標的位置。

超聲成像探頭28包括至少一個換能器30,其以超聲頻率向對象的組織中發射聲波。能夠根據聲音頻率、方向、持續時間、定時和角度來發射聲波。所述聲波在換能器處被反射和接收。換能器30連接到超聲成像單元26的一個或多個處理器32,超聲成像單元26將由換能器向處理器32發送的指示所接收的反射聲波的信號轉換成圖像。在顯示設備34上顯示所述圖像。能夠基于與規劃圖像的相互配準在所顯示的超聲圖像中對分割的組織進行色彩編碼或以其他方式對其進行指示。能夠在外部應用探頭28,諸如如圖所示經會陰或經腹壁,或在內部應用,例如被插入到直腸或食道中。

EBRT遞送設備12可以包括線性加速器(LINAC)、X射線、粒子射束設備等。EBRT遞送設備12根據第二坐標系在通過對象16的組織投射的線性射束中遞送輻射治療。能夠通過使用多葉準直儀(MLC)來設定射束的形狀。能夠對射束進行門控打開和關閉。能夠基于輻射治療計劃20從關于對象的不同角度投射射束。用于EBRT設備12的指令由輻射治療遞送單元32執行,輻射治療遞送單元32控制外部輻射治療射束的精確位置、強度、持續時間和形狀。能夠針對房間的坐標系來校準EBRT設備的坐標系。

基準點22位于內部并能夠是被植入的。如圖所示,基準點22被植入在腹部區域中,但能夠被植入在任何解剖學區域中。能夠為基準點22配置輻射點源,諸如在組合式EBRT和近距放射治療中,或者如圖所示,沒有輻射點源。植入的基準點22用于運動跟蹤和坐標參考。例如,基準點可以被植入在前列腺中,并且沿著周圍OAR(諸如直腸壁、尿道、膀胱等)的表面。在對象呼吸時,前列腺和/或OAR會移動和/或變形。所述基準點提供了邊界信息,這減小或消除了通常被用于適應運動的裕量。

在生物相容膠囊中封裝基準點22以形成種子。在響應于接收到超聲波而被激活時,基準點22以無線方式發送自我身份。例如,能夠為每個基準點配置字母數字指定器。第一基準點發送獨特的身份A00001,并且第二基準點發送獨特的身份A00002,等等。備選地,所述基準點能夠基于預定射頻來發送自我身份。能夠為基準點22配置額外的電路以發送額外的信息。例如,所發送的額外信息能夠包括由換能器測量并由基準點接收的以特定角度或強度發射的特定超聲頻率激活。在另一范例中,所發送的額外信息能夠包括驗證自我身份的校驗和或其他信息,或者為發送建立時間流通(timecurrency)的循環計數。

位于對象外部的天線36接收來自基準點22的發送的信息。所述天線將所接收的信號傳送至圖像融合單元38,所述圖像融合單元38將對應的基準點定位在超聲成像單元26的第一坐標系中。所述圖像融合單元通過分析在所發射的信號掃過視場時由基準點接收的所發射的超聲信號來將基準點的位置融合到所述第一坐標系。飛行時間測量結果提供了基準點22距發送器30的軸向或徑向距離。射束點火順序中的幅度測量結果和次序提供了基準點的橫向或角位置。當與3D換能器或2D矩陣陣列一起使用時,獲得基準點的高度。基于所接收基準點自我身份的定時和超聲探頭的點火順序,能夠相對于換能器30或在連續實時超聲成像單元26的坐標系中確定基準點22的位置。

圖像融合單元40將連續實時成像單元26的第一坐標系與治療輻射遞送設備12的第二坐標系進行融合,所述第一坐標系包含解剖學信息,例如,前列腺區域,治療輻射遞送設備12基于基準點22遞送治療輻射,例如EBRT設備的治療輻射的線性射束。所述融合單元能夠額外將輻射計劃20的規劃圖像配準到經融合的坐標系。所述基準點提供了在解剖學區域之內的準確位置并且提供了利用外部基準點不可能獲得的精確運動信息。通過經融合的坐標系,所述輻射治療遞送設備知道了超聲圖像和規劃圖像的解剖學信息的精確位置。

遞送評估單元42接收根據EBRT坐標系基于來自EBRT設備的射束形狀、持續時間和方向而遞送的治療輻射的量和位置。遞送評估單元42基于經融合的坐標系來確定遞送到靶和OAR中的每者的治療輻射的量和位置。遞送評估單元42跟蹤基準點相對于輻射束的位置。所述跟蹤能夠包括來自規劃信息的分割信息和/或關于相對于植入基準點的組織邊界、OAR、靶等的輸入信息。

輻射規劃單元18能夠根據經融合的坐標系基于靶或OAR相對于所遞送的治療輻射的射束的位置在遞送期間修改指令集。例如,能夠控制輻射遞送單元以在靶組織移動離開輻射束和/或ORA移動進入輻射束時,對輻射束進行門控。在另一范例中,MLC能夠自適應地移動以基于基準點的移動來設定射束形狀,以符合靶和/或OAR的移動。另一范例組合了基于重復運動的距離利用自適應MLC移動的門控打開和關閉。MLC能夠用于適應特定參數之內的重復運動,如果超過該參數,則門控關閉射束。

遞送評估單元38使用基準點作為參考來累計由OAR和靶組織所接收的治療輻射劑量。例如,連續實時地累計所累計的輻射。能夠基于累計的劑量在遞送中做出調節。能夠跨多個治療部分來累計劑量和/或將所述劑量與近距放射治療劑量信息(例如,內部治療輻射)相組合。所累計的劑量還能夠被用于修改遞送。例如,MLC能夠基于組織進入和離開射束的移動進一步針對健康組織來設定射束的形狀,并在當前治療遞送期間接收閾值量。

處理器32和顯示設備34能夠被配置為工作站44的一部分。健康護理從業者能夠使用至少一個輸入設備46,諸如鍵盤、鼠標、麥克風等,與控制器進行交互,輸入命令等。處理器20包括一個或多個電子處理器或電子處理設備。顯示器24顯示連續實時超聲圖像、疊加圖像或圖像覆蓋圖、菜單、面板和用戶控制器。工作站44可以是臺式計算機、膝上計算機、平板電腦、移動計算設備、智能電話等。

由被編程或配置的電子數據處理設備,諸如工作站44的電子處理器或電子處理設備32,或者由通過網絡等與工作站44操作性連接的基于網絡的服務器計算機,等等,適當實現各個單元18、24、26、38、40和42。使用存儲了可以由電子數據處理設備讀取并且可以由電子數據處理設備運行以執行所公開技術的指令(例如,軟件)的非暫態存儲介質來適當地實施所公開的融合、定位、分割、評估和遞送技術。

參考圖2A和2B,示意性圖示了內部基準點22的實施例。在圖2A中,基準點26包括:被連接到無線發送器52的水診器或傳感器50,以及由生物相容材料構造的膠囊54,所述膠囊54封裝傳感器50、發送器52以及在近距放射治療中使用的輻射點源56。傳感器50包括響應于接收到所發射的超聲波而激活的壓電元件,并且為發送器52供電。傳感器的壓電元件能夠被并入到膠囊的部分或全部表面中。所述傳感器能夠包括鈦酸鉛鋯(PZT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、共聚物或其他壓電材料。所述傳感器的尺寸大約為.2mm。膠囊54被配置為圓柱形,以通過插入對象體內的針被植入在對象體內。設定膠囊的尺寸和形狀以通過針的內部饋送并放入到針尖處對象的身體內部位置。輻射點源56充當著近距放射治療種子。

圖2B中所圖示的基準點26包括傳感器50、無線發送器52和膠囊54。在圖2B的配置中,所述傳感器能夠覆蓋膠囊的基本整個表面。所述發送器的電路能夠包括有限的處理。例如,除了發送自我身份或其他信息之外,所述電路能夠處理所接收的超聲波以部分或完全地估計在坐標系中相對于超聲換能器的位置、壓縮數據,等等。所述治療輻射遞送機構是分離的,并且通過不同的遞送機構遞送。

參考圖3,在透視圖中圖解圖示了具有3維(3D)超聲(US)換能器60的內部基準點22的實施例。US換能器發射預定頻率、方向和時間的US聲波。基于方向發射的波能夠被基準點22的傳感器50接收。基于在發射與接收之間的時間,能夠計算出范圍62。基于一個或多個發射的US聲波的方向和所接收的聲波的幅度,來計算方位角64或側角。在3DUS中,基于一個或多個發射的US聲波的方向和所接收的US聲波的強度或幅度,來計算高度66。個體發射的US聲波通過點火順序中的定時、頻率或頻率編碼進行區分,以提供時間和/或方向編碼。如參考圖2A和2B所描述的,能夠在如參考圖1所述被天線36接收之后,由位于基準點22中的電路和/或在位于工作站44中的處理器32中,執行本地處理。

參考圖4,示意性圖示了對解剖學超聲信息和為近距放射治療配置的輻射遞送系統10進行實時融合的實施例。如參考圖2A所述配置基準點22,其包括輻射點源56。超聲探頭28是在內部施加或插入對象直腸中的經直腸超聲(TRUS)探頭,其非常接近前列腺,以對前列腺區域成像。輻射計劃20包括對每個輻射點源56相對于靶組織的規劃的放置。所述輻射遞送機構包括針70,針70將具有輻射點源56的基準點22遞送到靶位置。能夠為針70在針尖中配置在連續實時超聲圖像中可見的微型換能器。

連續實時超聲成像單元26能夠向在所顯示的超聲圖像中顯示的解剖學圖像上投射對每個點源的靶位置或規劃的放置。規劃的放置能夠在對每個種子的放置過程中對健康護理從業者進行引導。超聲成像單元26基于經融合坐標系在解剖學圖像中覆蓋基準點的位置。能夠所述將位置進行色彩對比,利用諸如橢圓、十字或其他形狀進行識別,或者以其他方式在顯示設備34上所顯示的圖像中進行識別。

遞送評估單元38標識分配給每個點源的遞送治療輻射的位置和量。所述遞送評估單元能夠構造劑量云,其以3D格式來累計所有電源的劑量。

圖像融合單元40對基準點在超聲解剖學圖像的第一坐標系中與在治療輻射遞送的第二坐標系中的位置進行融合。圖像融合單元32基于治療輻射點源與對應基準點26非常接近而融合所遞送治療輻射的第二坐標系。由圖像融合單元40跟蹤基準點的位置,圖像融合單元40跟蹤基準點通過包括剛性、非剛性、前列腺變形的所有類型運動進行的移動以及由于呼吸和/或心動周期造成的重復運動。

輻射治療遞送單元42將治療輻射的實際放置與輻射治療計劃進行比較。所述比較能夠包括輻射點源的差異,其指示從規劃位置到實際位置的偏差。所述偏差能夠包括治療輻射量或強度的變化。所述輻射治療遞送單元跟蹤哪些點源被遞送,以及哪些未完成。所述輻射遞送單元能夠將所遞送的治療輻射與規劃的治療輻射遞送進行比較。例如,能夠在連續實時超聲圖像上疊加在3D實際矢量云與3D規劃劑量云之間的差異。備選地,能夠計算3D劑量云,以獲得對每個分割的腫瘤或不健康組織和/或每個分割的健康組織(諸如OAR)的效果。另一種備選方案包括在連續實時超聲圖像上疊加3D規劃劑量云和3D實際劑量云兩者。

輻射治療規劃單元18能夠提供規劃輻射點源和遞送輻射點源的位置變化的“假如—怎么辦”模擬。所得到的劑量云的視覺顯示能夠被疊加在分割的不健康組織和/或分割的健康組織上。在種子的植入期間,能夠將所得到的劑量云顯示為在連續實時超聲圖像上的覆蓋。

參考圖5,示意性圖示了對解剖學超聲信息與利用TRUS探頭80為近距放射治療配置的輻射遞送信息系統10進行實時融合的實施例。熒光透視成像單元82包括被編程為生成熒光透視成像設備86的視場(FOV)84中的對象的熒光透視圖像的處理器32。熒光透視成像設備86根據需求或間斷地操作,以減少對對象16的成像輻射曝光。所述熒光透視成像設備定位成具有FOV,以包括在諸如前列腺的解剖區域中放下的種子或輻射點源88,以及包括與治療輻射分離并且包括在TRUS探頭80中的基準點90。

包括輻射不透明材料的基準點90能夠被植入軸中或者被固定在軸的蓋中,例如一次性套筒配置。所述熒光透視成像單元對熒光透視成像設備的坐標系中放下的種子和基準點進行成像。放下的種子和輻射不透明基準點在熒光透視圖像中具有高對比度。實時超聲成像單元26與定位于探頭中的基準點配準并對包括輻射點源88的解剖區域進行成像。

用于近距放射治療輻射點源88的輻射治療遞送機構包括被插入到對象解剖學部分中的針70并放下包含治療輻射點源的種子。用于放下種子的靶位置包括基于輻射治療計劃20的預定位置。

圖像融合單元40對熒光透視設備的坐標系和實時超聲成像單元的坐標系以及在一些實施例中與規劃圖像的坐標系進行融合。所述圖像融合單元能夠將規劃圖像配準到超聲圖像。經融合的坐標系將輻射點源88的位置配準到實時超聲解剖學圖像。

遞送評估單元38根據熒光透視單元的坐標系和為治療輻射的每個點源分配的劑量值來接收實際種子位置。所述遞送評估單元基于經融合的坐標系來確定實際遞送的治療輻射的實際解剖學位置。所述遞送評估單元能夠基于熒光透視單元和超聲的經融合的坐標系來確定遞送到靶和OAR中的每者的治療輻射的量和位置。

參考圖6A,在側視圖中并參考圖6B示意圖示了TRUS探頭80的實施例,在頂視圖中示意性圖示TRUS探頭80被例示。TRUS探頭包括具有圓滑端部的圓柱形軸,其被配置為插入到對象的直腸中。所述軸由無線電透明或無線電半透明的材料構造,并且該材料是生物相容的。

在3D成像配置中,TRUS探頭80包括諸如位于圓柱形軸92上并且彼此正交取向的兩個成像陣列30。想到了成像陣列的其他配置。成像陣列30包括發射超聲波的換能器。

基準點90能夠被嵌入在軸92中或者被包括在匹配于TRUS探頭80上方的薄涂層中。基準點90是輻射不透明的,這與軸材料相反。所述基準點能夠包括被定位在不同取向中以提供三維坐標參考的一個或多個幾何對象。針對超聲成像單元的探頭上的成像陣列來校準基準點。

參考圖6C,在透視圖中示意性圖示了制造軸92的中間階段,該透視圖示出了嵌入所述軸中的基準點90。所述軸被示為向著中心軸傾斜的部件。基準環被嵌入所述軸中,作為各部件之間的接合表面上的環。向與中心軸平行延伸的內部表面或外部表面增加線和/或點。接合具有輻射不透明材料的各部件以形成軸,并且然后將軸圓滑化。

參考圖6D,對應于圖6C的基準點被示為在熒光透視圖像中被成像。所述基準點包括處于不同取向中的輻射不透明幾何形狀。所述形狀能夠包括點、線、橢圓、螺旋、環和/或彎曲形狀。能夠從基準附件的制造規范和/或計算機輔助設計(CAD)草圖來導出對探頭80的校準。額外的基準形狀提供最魯棒的校準。

參考圖7,在探頭28中具有2維(2D)超聲換能器100的內部基準點22的實施例,并且換能器的移動被跟蹤以提供三維坐標。該圖圖示了能夠如何利用2DUS探頭28來估計多個基準點22的3D位置。所述探頭包括換能器100。例如,在2DUS成像平面102在z方向上移動時,成像平面遇到第一基準點104和第二基準點106。在所述平面中的超聲波遇到所述基準點時,所述基準點發射。軸向位置指示第一基準點104在曲線圖108中在軸向位置10mm處以及第二基準點106在第二曲線圖110中在軸向位置50mm處的z方向。軸向位置基于TRUS探頭被跟蹤的移動。在2DUS圖像中估計基準點的2D位置,由TRUS探頭的平移位置來提供基準點的第三坐標。所述探頭的被跟蹤的移動被包括在探頭設備或超聲成像單元中。所述探頭通過軸向移動或進入或離開直腸的移動而被移動。因此,US成像單元的坐標系能夠與2D或3D超聲探頭一起操作并提供基準點在3D坐標系中的位置。能夠跟蹤不在當前2D視圖中的基準點的位置,并且利用圖像上不同的表示來標注所述位置。例如,能夠通過不同方式來表示更高高度中的基準點,諸如與當前成像平面中的基準點具有不同的顏色和/或形狀。能夠將更低高度的基準點表示為另一種顏色和/或形狀。

圖8圖示了具有作為橢圓的治療輻射指示器122的近距放射治療的示范性超聲圖像120。該范例是具有近距放射治療輻射點源的前列腺的部分的范例。遞送評估單元38基于圖像融合單元40融合的基準點22、90的位置,來識別輻射點源56、88的位置。該范例圖示了正確地識別具有偽影124的輻射點源的問題,該偽影類似于輻射點源,容易造成混淆。

連續實時地更新具有對應點源的基準點22的位置。所述點源的代表性識別能夠是系統和/或用戶偏好的。所述偏好能夠指示形狀和/或顏色。偏好能夠包括方向指示器,諸如彩色編碼、點線、陰影或指示位置是否高度高于或低于當前成像平面的其他方向指示器。

在參考圖5描述的系統10的實施例中,輻射點源的位置基于最新的熒光透視圖像。可以呈現該圖像而不帶標識符,例如橢圓。在另一實施例中,健康護理從業者能夠利用輸入設備46選擇圖像上的位置以表示臨床疑問。系統10利用指示有或沒有輻射點源的響應,例如“有種子”或者“沒種子”,來做出響應。備選地,所述響應能夠包括距離和/或概率度量。所述響應基于根據利用最新的熒光透視圖像更新的融合坐標系的點源的位置。所述更新能夠包括基于在間歇性熒光透視圖像間對點源的位置的跟蹤,并測量諸如呼吸和/或心動周期的周期運動。種子位置能夠被添加到TRUS探頭的基準點以改善圖像之間的配準。

參考圖9,以流程圖示出了為介入式輻射治療對解剖學超聲信息與輻射遞送信息進行實時融合的一種方法。在步驟130中,在對象的解剖區域的第一坐標系中獲得連續實時超聲圖像,基準點在對象內部。所述圖像是利用US探頭生成的,US探頭包括發射超聲波的至少一個換能器。能夠在內部或外部將US探頭應用于所述對象。在一些實施例中,內部基準點的位置被植入在靶組織中和/或周圍,并且由響應于激活無線發送器并為其供電的所接收到的超聲而發送的自我身份來確定位置。被植入的內部基準點能夠包括被植入在OAR中和/或附近的基準點。被植入的基準點提供對附近組織的運動跟蹤。被植入的基準點的激活基于所述基準點的壓電材料,其將所接收的超聲波轉換成電流。能夠如參考圖3和7所描述的,基于超聲波的點火順序和/或聲波的頻率,來確定相對于探頭的位置。在其他實施例中,包括內部基準點作為內部探頭的一部分。針對探頭和超聲坐標系來校準固定到或嵌入在探頭中的基準點。在一些實施例中,植入并包括內部基準點作為內部探頭的一部分。

所述步驟能夠包括根據分割的規劃圖像通過解剖區域中的分割靶組織(例如,腫瘤、患病組織等)來進行識別。所述步驟能夠包括利用基準點作為參考的組織變形和移動分析。移動分析能夠包括重復運動(諸如呼吸和/或心臟運動),剛性運動(諸如患者身體移動),非剛性運動(諸如肌肉彎曲/松弛),探頭的移動,對象支撐的移動等。

根據在第二坐標系中在步驟132中的輻射治療計劃20的量和位置來遞送治療輻射。例如,在EBRT設備的坐標系中投射具有一定形狀、持續時間、強度和方向的EBRT射束,和/或在健康護理從業者儀器的坐標系中向組織中插入治療輻射的實測量的近距放射治療點源,用于放入種子。在步驟134中,識別在第二坐標系中的基準點。能夠基于至少無線發送自我身份的基準點和/或基于間歇性熒光透視圖像中的輻射不透明材料來識別基準點的位置。能夠將內部基準點與治療輻射遞送相組合,例如,并入到具有輻射點源的膠囊中。所述基準點能夠與治療輻射遞送分離,例如分離植入和/或包括在內部探頭上。

在步驟136中,基于所述基準點,將包括解剖學信息的實時超聲成像系統的坐標系與治療輻射遞送的坐標系融合。經融合的坐標系將實時超聲系統的解剖學信息帶入到與治療輻射遞送信息的公共坐標系中。經融合的坐標系跟蹤基準點相對于解剖學信息和治療輻射遞送的位置。

在步驟138中,基于融合的坐標系來評估實時遞送到解剖區域的輻射的位置和量。所述評估能夠包括基于所述規劃圖像來分割靶組織(例如腫瘤)和OAR。能夠利用內部基準點作為參考,由在每個分割結構中的體素位置,來累計治療輻射。能夠針對多種模式的治療輻射遞送,例如,近距放射治療的點源、EBRT的射束等,來累計治療輻射劑量。能夠跨治療部分來累計治療輻射劑量。所述評估能夠包括實際遞送和輻射治療計劃20的比較。

能夠在治療會話期間在步驟140中調節所遞送的輻射治療。所述調節能夠包括對額外的輻射點源的添加和/或放置。所述調節能夠包括修改治療輻射的外部射束的形狀、持續時間、定時、方向或強度。例如,能夠門控打開/關閉射束或者使MLC與基準點和對應靶或OAR的移動時間同時移動。

在步驟142中,在處置會話期間,決策步驟基于健康護理從業者利用輸入設備輸入的命令繼續實時重復該方法或者在會話的結束時終止。

參考圖10,以流程圖示出了利用TRUS探頭使用對解剖學超聲信息與近距放射治療的輻射遞送信息系統10的實時融合的實施例的一種方法。在步驟150中,在針對位于對象內部的基準點校準的第一坐標系中獲得對象解剖學部分的連續實時超聲圖像。TRUS探頭包括經校準的基準點。連續實時超聲系統能夠包括參考圖3和圖7所描述的2D或3D探頭。所述步驟能夠包括基于規劃圖像來分割靶組織和/或OAR。能夠在顯示設備上所顯示的圖像中來識別靶和OAR結構。

在步驟142中,根據熒光透視成像單元的坐標系,來獲得在視場中具有輻射點源或種子和基準點的對象的解剖學部分的熒光透視圖像。能夠由健康護理從業者使用輸入設備輸入命令來觸發熒光透視圖像。所述成像單元備選地能夠基于對應于先前圖像中位置的基準點的被跟蹤位置,來替換最新圖像或任意先前圖像。能夠在任意時間,諸如在來自每個針的種子被植入之后或者在來自所有針的種子被植入之后,觸發熒光透視成像。

在步驟154中,基于所述基準點,將對對象的解剖學部分進行實時超聲成像的坐標系融合到治療輻射遞送或輻射點源的熒光透視坐標系。例如,能夠基于器官輪廓線來配準規劃圖像和遞送圖像。能夠基于任意遞送種子的位置和/或針的位置(如果在針尖裝備有微型換能器,使得所述針在超聲中可見),來改善連續實時超聲圖像到熒光透視圖像的配準。針和種子在熒光透視圖像中形成對比。

在步驟156到164中,評估治療輻射的遞送。所述評估能夠包括在步驟156中的種子放下確認或種子位置確認、在步驟158中的劑量評估、在步驟160中的3D種子重建、在步驟162中的針尖位置或者在步驟164中的可視化中的任一個。在步驟156中,確認種子的存在或種子位置。所述過程能夠包括通過分割熒光透視圖像或者基于健康護理從業者的請求命令輸入來進行自動識別。所述請求命令輸入能夠包括利用例如鼠標的輸入設備在所顯示的連續實時超聲圖像上選擇一區域以及從系統接收關于種子存在或不存在的響應。所述響應能夠包括基于圖像中的選定點和/或諸如置信區間、標準偏差等信心度量進行距離測量。所述距離測量能夠包括基于先前成像的對象的重復運動進行運動測量。

劑量評估包括基于種子存在和所分配的輻射值實際遞送的輻射。劑量評估能夠包括與輻射治療計劃20進行比較,諸如規劃劑量和實際劑量之間的差異,分割的組織造成的差異,和/或疊加實際和規劃的劑量。所顯示的評估能夠由健康護理從業者來選擇,用于選定的位置和/或結構,或者疊加在超聲和/或熒光透視圖像上進行顯示。

3D種子重建包括定位現有的種子。3D種子重建能夠包括識別相對于現有種子位置的規劃的種子位置。3D種子重建能夠包括種子相對于分割結構的位置。針尖定位包括在融合坐標系中對輻射點源遞送機構或其他儀器的針尖進行定位。

圖像可視化包括針對來自連續實時超聲的顯示信息于來自熒光透視成像的信息進行組合。例如,能夠在圖像顯示中對分割的結構進行勾勒或顏色編碼,能夠利用標識符、劑量水平和/或所指示的比較等來指示種子位置。圖像可視化能夠包括在熒光透視檢查的坐標參考中對圖像進行取向,在連續實時超聲圖像的坐標參考中對圖像進行取向,或者另一種選定的透視圖,諸如針的位置或健康護理從業者相對于對象的視覺取向。

在步驟166中,能夠基于評估步驟來調節輻射治療計劃。例如,能夠重新定位用于植入剩余輻射點源的靶位置和/或識別額外的靶位置。所述調節形成經修訂的輻射治療計劃,然后能夠在另一次迭代中對其進行重新評估。

在步驟168中,所述輻射治療遞根據具有任何修訂的輻射治療計劃繼續,在靶區域中放下或放置額外的種子。該方法繼續進行決策步驟170,其迭代各個步驟,直到完成所述治療輻射遞送或者直到被健康護理從業者終止。在治療輻射的遞送期間實時地進行迭代。

應當認識到,結合本文所給出的特定例示性實施例,特定結構和/或功能特征被描述為并入定義的元件和/或部件中。然而,想到了在適當的時候也可以將這些特征并入其他元件和/或部件中,實現相同或相似的益處。還應當認識到,可以酌情選擇性采用示范性實施例的不同方面以實現適于期望應用的其他替代實施例,其他替代實施例由此實現本文并入的各方面的相應優點。

還應當認識到,本文所描述的特定元件或部件可以具有經由硬件、軟件、固件或其組合適當實現的功能。此外,應當認識到,在適當環境中,本文描述為結合在一起的特定元件可以是獨立元件或以其他方式分開。類似地,可以由多個獨立工作的不同元件執行描述為由一個特定元件執行的多個特定功能,以指定各個功能,或者可以分開特定個體功能并由多個一致工作的不同元件來執行。備選地,在適當的時候,可以在物理或功能上組合本文本來描述為和/或顯示為彼此不同的一些元件或部件。

簡而言之,已經參考優選實施例闡述了本說明書。顯然,他人在閱讀和理解本說明書之后可能想到修改和變更。應當將本發明解釋為包括所有這樣的修改和變更,只要它們在所附權利要求或其等價要件的范圍之內。亦即,應當認識到,可以根據需要將上文公開的各種和其他特征和功能或其替代物組合成很多其他不同的系統或應用,而且接下來可以由本領域的技術人員在其中做出各種當前未預見到的或未預料的替代、修改、變化或改進,它們類似地旨在由以下權利要求涵蓋。

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本文標題:解剖學超聲信息與用于輻射治療的輻射遞送信息的實時融合.pdf
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