用于重建计划图像的方法和系统

摘要

用于重建计划图像的本发明方法是基于患者的多个第一呼吸周期、以及在接收到第一呼吸周期的相同时间记录的断层摄影原始数据。本发明人认识到，有利的是，基于患者的呼吸周期，特别地，基于患者的第一呼吸周期来确定参照周期。这种类型的参照周期被分成在时间上等距的参照阶段，其中，参照幅度与每个参照阶段相关联。因此，没有对参照幅度进行等距扫描。更进一步地，患者的第一呼吸周期被细分成第一阶段，其中，第一阶段的时间位置各自基于参照幅度中的一个参照幅度。随后基于原始数据的第一间隔来重建计划图像，其中，第一间隔与第一阶段相对应。

说明书

背景技术

使用高能量X射线辐射、电子、质子或重离子的放射疗法被经常使用来治疗肿瘤。使用这种放射疗法，患者体内的靶体积被照射，而肿瘤至少部分位于靶体积中。靶体积应当被定义为尽可能精确，所以放射疗法的所期望的效果主要在靶体积中得以实现。通常在放射疗法之前记录患者的断层摄影计划图像用于计划并且用于定义靶体积。通常使用计算机断层摄影装置来记录原始数据，而计划数据由原始数据重建。计划数据包括多个计划图像。可以从该计划数据推导出由于患者的呼吸而导致的患者的解剖结构和肿瘤的位置如何变化。因为通常放射疗法连续发生，所以当计划放射疗法并且定义靶体积时，将由于患者的呼吸而导致的解剖结构的变化考虑在内是很重要的。

为了将解剖结构的变化与患者的呼吸周期的过程相关联，在断层摄影扫描期间，还在呼吸替代物(surrogate)的帮助下记录患者的呼吸。呼吸替代物是被配置成记录患者的呼吸周期的扫描系统。例如，呼吸替代物可以通过胸带或通过附连到患者的胸部的换能器来实现。呼吸替代物还可以通过用于测量患者的呼吸的温度的设备来实现。存在用于重建计划数据并且用于将该计划数据与呼吸周期相关(correlate)的各种途径。相关性可以发生，特别地，通过基于阶段(phase)的方法，并且通过基于幅度的方法。在基于阶段的方法中，选择原始数据用于重建，使得患者的呼吸周期以时间上等距的方式进行扫描。因此，计划数据被重建，使得相邻的计划图像各自具有相同的间隔。在基于幅度的方法中，选择原始数据用于重建，使得对患者的呼吸周期的幅度进行等距离地扫描。然后，相邻的计划图像可以具有彼此不同的间隔。

发明内容

基于阶段的方法更易受到患者的不规律呼吸影响，因此具有比基于幅度的方法更大数目并且更显著的伪影。基于阶段的方法在呼气期间主要受到可变平台期(plateaus)的影响，并且在吸气期间受到可变最大幅度的影响，而且还受到可变呼吸频率的影响。然而，时间上等距的计划图像合乎某些类型的放射治疗规划的需要。因此，本发明的一个目的是与基于幅度的方法相比，补偿已知的基于阶段的方法的缺点。特别地，将公开一种不易受到患者的不规律呼吸影响的用于将计划数据与患者的呼吸周期进行相关的方法。

该目的通过方法、系统、计算机程序产品和根据权利要求所述的机器可读介质来实现。

参照所要求保护的设备并且参照所要求保护的方法在下文将对本发明对该目的的解决方案进行描述。在这方面中提及的特征、优点或备选实施例同样被转移到其它所要求保护的主题，并且反之亦然。换言之，具体权利要求(其例如指向一种设备)还可以使用结合方法所描述或所要求保护的特征进行发展。该方法的对应的功能特征由适当的具体模块来形成。

用于重建计划图像的本发明方法基于患者的多个第一呼吸周期、以及在与接收到第一呼吸周期的相同时间记录的断层摄影原始数据。本发明人认识到，有利的是，基于患者的呼吸周期(特别地，基于患者的第一呼吸周期)来确定参照周期。这种类型的参照周期被分成在时间上等距的参照阶段，其中，参照幅度与每个参照阶段相关联。因此，没有对参照幅度进行等距扫描。更进一步地，患者的第一呼吸周期被细分成第一阶段，其中，第一阶段的时间位置各自基于参照幅度中的一个参照幅度。随后基于原始数据的第一间隔来重建计划图像，其中，第一间隔与第一阶段相对应。

像第一阶段一样，第一间隔各自具有时间位置。由于第一呼吸周期和原始数据同时被记录，所以第一间隔可以明确地与第一阶段相关联。只要具有相同时间位置的第一阶段可以与每个第一间隔相关联，第一间隔就与第一阶段相对应。第一阶段的时间位置基于与第一阶段相关联的参照幅度。由于第一阶段与每个第一间隔相对应，所以参照幅度还可以与每个第一间隔相关联。

现在可以组合与类似的第一阶段相对应的多个第一间隔，用于重建计划图像。第一阶段均是相似的，特别地，如果它们基于相同的参照幅度或与同一参照幅度相关联。因此，可以编号N个参照阶段，而每个参照阶段具有数目n＝1，2，...N，并且N是自然数。因此，每个参照幅度还可以与数目n相关联。数目n可以因此与第一阶段和第一间隔相关联。在每种情况下，可以组合与同一数目n相关联的第一间隔。然后，有利地的是，重建总共N幅计划图像。

因此，在特定第一阶段重建计划图像是基于与参照幅度相关联的特定第一间隔。因此，只有与同一参照幅度相关联的那些间隔被用于在特定第一阶段中重建计划图像。与在所建立的基于阶段的方法不同，这会防止与完全不同的幅度相关联的原始数据的时间间隔被用于在特定第一阶段中重建计划图像。

根据所提出的方法的重建还具有基于幅度的方法的优点。由于第一呼吸周期基于参照幅度被细分成第一阶段，所以患者的第一阶段在很大程度上在时间上是等距的。因此，原始数据的间隔也在很大程序上在时间上是等距的。由于与参照幅度相关联，所以第一阶段的时间位置连同第一间隔的时间位置一起较少取决于患者的呼吸的规律性。特别地，所提出的重建不易受到可变呼吸频率的影响。

根据所提出的方法的另一方面，原始数据被形成为以螺旋模式通过计算机断层摄影装置连续记录的原始数据。原始数据的连续记录是指可以选择间隔，而不受原始数据的限制。因此，可以选择第一间隔，使得它们尽可能精确地匹配第一阶段。

根据所提出的方法的另一方面，参照周期通过对呼吸周期(特别地，第一呼吸周期)求平均来确定。对呼吸周期求平均包括：对呼吸周期(特别地，第一呼吸周期)的幅度求平均。各个幅度可以在特定时刻时或固定的时间帧内进行求平均。该时刻或时间帧可以在呼吸周期的参照点的基础上进行确定。例如，参照点可以是最大幅度或吸气的开始。对各个幅度求平均可以包括：计算算术平均值、几何平均值、调和平均值、二次平均值、或还有中值。

根据所提出的方法的另一方面，确定参照周期在于呼吸周期(特别地，第一呼吸周期)按照其最大幅度相对于彼此进行定向。在这种情况下，最大幅度还是参照点。最大幅度可以被定向成使得它们均与同一参照时刻相关联。

根据所提出的方法的另一方面，参照幅值被设计为相对于参照周期的最大幅度的值。特别地，参照幅度可以被设计为最大幅度的分数或百分比。这确保患者的第一呼吸周期可以基于参照幅度被明确地细分成第一阶段。

根据所提出的方法的另一方面，第一阶段和第一间隔各自具有相同的时间帧。因此，在每种情况下，在时间帧内已经记录了第一间隔的原始数据。用于第一阶段的时间帧(并且因此用于所有第一间隔的时间帧)优选地是相同的。参照阶段还可以具有对应的时间帧。

根据所提出的方法的另一方面，患者的第一呼吸周期被细分，使得相邻第一阶段之间的时间间隔与至少时间帧相对应。时间间隔可以由相邻阶段的时间位置的间隔给出。这确保了相邻阶段不重叠。在所提出的方法的另一变型中，相邻的第一阶段之间的时间间隔与至少两倍、五倍或十倍的时间帧相对应。

根据所提出的方法的另一方面，第一阶段的时间位置各自是基于第一呼吸周期的幅度与参照幅度的关系。特别地，第一阶段的时间位置可以各自与第一呼吸周期的标记幅度相对应，其中，标记幅度与参照幅度相匹配。标记幅度可以在误差裕度内与参照幅度相匹配。误差裕度可以小于标记幅度至少一个数量级。

根据所提出的方法的另一方面，呼吸状态与至少一些参照阶段相关联，其中，呼吸状态包括吸气和呼气，并且其中，患者的第一呼吸周期在呼吸状态的基础上被细分成第一阶段。因为不能在一个呼吸状态内预期相同的参照幅度，所以如果应该有两个相同的参照幅度，则这一方面会确保参照幅度仍然可以明确地与第一阶段相关联。

本发明还涉及一种用于重建计划图像的系统，包括：用于获取多个第一呼吸周期的接口、以及具有处理器的算术单元。该系统被设计成进行上文所描述的方法及其方面，其中该接口与该算术单元被设计成执行对应的方法步骤。该系统还可以包括用于记录断层摄影原始数据的断层摄影装置，特别地，计算机断层摄影装置。该系统还可以包括用于记录患者的第一呼吸周期的呼吸替代物。

本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有计算机程序和机器可读介质。主要基于软件的实现方式具有的优点是，甚至先前使用的系统或算术单元可以很容易地通过软件更新进行升级，以便有创造力地工作。除了计算机程序之外，这种计算机程序产品可以任选地包括附加的部件(诸如例如，文档和/或附加的部件)、还有用于利用软件的硬件组件(诸如例如，硬件键(加密狗等))。

附图说明

参照附图中所图示的示例性实施例，下文对本发明进行描述和说明，其中：

图1示出了用于重建计划图像的方法的流程图，

图2示出了具有参照阶段的参照周期，

图3示出了具有第一阶段的第一呼吸周期、以及具有第一间隔的原始数据，

图4示出了根据所提出的方法所述的计划图像、以及根据传统的基于阶段的方法的计划图像，

图5示出了用于重建计划图像的系统，和

图6示出了用于使用断层摄影装置来重建计划图像的系统。

具体实施方式

图1示出了用于重建计划图像的方法的流程图。接收患者3的多个第一呼吸周期18、以及在第一呼吸周期18的相同时间记录的断层摄影原始数据19。本发明的备选实施例还包括：同时记录第一呼吸周期18和断层摄影原始数据19。呼吸周期19可以使用呼吸替代物28记录。断层摄影原始数据19可以使用断层摄影装置(特别地，使用计算机断层摄影装置1)来记录。原始数据19然后还可以连续地以螺旋模式由计算机断层摄影装置1来记录。

还基于患者3的呼吸周期(特别地，基于第一呼吸周期18)来确定参照周期20。图2示出了这种类型的参照周期20，而幅度在垂直幅度轴上以任意单位、时间在水平时间轴上以秒进行绘制。参照幅度22和相关联的时间位置24由图2旋涡突出显示。参照幅度22由水平实线突出显示，并且相关联的时间位置24由垂直虚线突出显示。参照阶段21被示为条。任意选择这些条的高度并且仅用于说明的目的。参照周期20由根据它们的最大幅度相对于彼此定向的第一呼吸周期18来确定。因此，首先，确定第一呼吸周期18的每个第一呼吸周期的最大幅度，其次相对于彼此来定向第一呼吸周期18，使得最大幅度沿着这里水平地示出的时间轴具有相同的位置。最大幅度可以手动确定、以及使用当前的数据处理方法来自动确定。例如，最大幅度可以使用梯度方法来确定。

在这里所示的示例中，参照周期20也已经通过对第一呼吸周期18求平均来确定。对彼此重叠的第一呼吸周期18的幅度求平均。可以指定例如100毫秒或更小的时间帧，在其内对彼此重叠的第一呼吸周期18的幅度求平均。在这里所示的示例中，通过简单求平均来对幅度求平均。

参照周期20还被细分成时间上等距的参照阶段21，其中，参照幅度22与每个参照阶段21相关联。参照阶段21具有至少一个时间位置。如在图2中所示的示例，参照阶段21还可以具有时间帧27，而特定参照阶段21的时间位置24位于特定参照阶段21的时间帧27内。在本发明的不同实施例中，可以指定参照阶段21的时间间隔、和/或参照阶段21的数目。在这里所示的示例中，指定参照阶段21的数目N＝10。更进一步地，参照周期20已经基于最大参照幅度被细分。因此，已经在最大参照幅度的时间位置24处定义参照阶段21。参照周期20已经被等距细分成剩下的九个参照阶段21。参照阶段21使用参照阶段21的渐增的时间位置24进行编号。

图3示出了具有第一阶段23的第一呼吸周期18、以及具有第一间隔26的原始数据19。在图3的上半部分中，水平时间轴以任意单位指示时间位置24。垂直幅度轴指示第一呼吸周期18的幅度，并且水平时间轴以任意单位指示相关联的时间位置24。垂直虚线突出显示时间位置24。图3中的下部阴影区域构成连续记录的原始数据19。该原始数据19在与第一呼吸周期18相同时间进行记录。第一阶段23与第一间隔26直接相对应。

可以看出，参照幅度22可以直接并且明确地与每个参照阶段21相关联。幅度连同参照幅度22一起可以被配置为相对于参照周期22的最大幅度的值。这些参照幅度22然后允许第一呼吸周期18被细分成第一阶段23，并且允许原始数据19被细分成第一间隔26。第一阶段23的时间位置24各自基于第一呼吸周期18的幅度34与参照幅度22的关系。该关系可以包括与参照幅度22(特别地，在指定误差裕度内)相匹配的第一呼吸周期18的幅度34。在这里所示的示例中，确定第一呼吸周期18的幅度34，其尽可能精确地与参照幅度22相匹配。第一阶段23然后与这些特定幅度34的时间位置24相关联。第一阶段23的时间位置24从而直接并且明确地取决于参照幅度22。第一阶段23的幅度34还可以被称为第一幅度。第一阶段23的幅度34和相关联的时间位置24由图3中的旋涡突出显示。第一阶段23被示为条。任意选择这些条的高度并且仅用于说明的目的。

在这里所示出的示例中，阶段23具有与参照阶段21的时间帧27相同的时间帧27。在本发明的其它实施例中，第一阶段23的时间帧27可以独立于参照阶段的时间帧27来确定。第一阶段23的时间帧27都可以彼此相同或不同。更进一步地，第一呼吸周期18被细分成第一阶段23，使得相邻的第一阶段23的时间帧27不相交。如果第一阶段23的时间帧27相同，则相邻的第一阶段23之间的时间间隔可以至少与时间帧27相对应。在进一步的实施例中，可以在相邻的第一阶段23之间指定其它最小间隔。特别地，这些最小间隔可以作为绝对时间给出，例如，500毫秒。第一阶段23的最小时间间隔还可以与参照阶段21的时间间隔相匹配。

进一步地，呼吸状态可以与每个参照阶段21相关联，而呼吸状态包括吸气29和呼气30。呼吸状态可以基于参照周期20中的最大幅度来确定。参照阶段21可以与吸气29的时间位置24相关联，该时间位置24小于或等于最大幅度的时间位置24。具有大于或等于最大幅度的时间位置24的时间位置24的参照阶段21可以与呼气30相关联。由于在第一呼吸周期18中，时间位置24明确地与每个幅度相关联并且可以确定第一呼吸周期18的每个第一呼吸周期的最大幅度，所以还可以确定第一呼吸周期18中的每个幅度的呼吸状态。

在图2所示的示例中，前三个参照阶段21与吸气29相关联，而后六个参照阶段21与呼气30相关联。第四个参照阶段21可以与吸气29和呼气30相关联。然后，第一呼吸周期18可以基于呼吸状态被细分成第一阶段23。如果例如两个参照幅度22非常相似或相同，但是与不同的呼吸状态相关联，则呼吸状态用作明确标识相应的参照幅度22的附加特征。如果第一呼吸周期18中的与两个相同的参照幅度22相匹配的幅度已经得以确定，则呼吸状态可以用该幅度相关联。根据该幅度的这种呼吸状态，该幅度然后可以与具有相同的呼吸状态的参照阶段21相关联。

更进一步地，重建基于原始数据19的第一间隔26的计划图像，其中第一间隔26与第一阶段23相对应。因此，第一间隔26与第一阶段23相关。第一间隔26因此还可以被称为与第一阶段相关的原始数据。图2示出了第一阶段23与第一间隔26的相关性。原始数据19已经以螺旋模式由计算机断层摄影装置1连续地记录。第一间隔26还具有定义第一间隔26的时间宽度的时间帧27。如果第一阶段23具有时间帧27，则具有相同时间帧27的第一阶段23可以与每个第一间隔26相关联。更进一步地，时间帧27还定义由第一间隔26重建的计划图像的时间分辨率。时间帧27连同第一间隔26的时间宽度越短，时间分辨率越高。然而，时间帧27应当如此之大以致计划图像的完整重建是可能的。使用计算机断层摄影装置1，这种最小时间帧27与180°+a的记录范围相对应，其中，a是记录单元17的转动平面中的X射线扇形射束或锥形射束的开度角(opening angle)。记录区域这里是指记录单元17的连续转动范围。

在重建期间，组合与类似第一阶段23相对应的多个第一间隔26以用于重建计划图像。数目n＝1，2，...N分别与第一阶段23和对应的第一间隔26相关联，其中，N＝10。数目N与参照阶段21的数目相对应。这确保仅组合映射类似呼吸阶段中的靶体积的原始数据19，以用于重建计划图像。因此，甚至在患者3的不规律呼吸的情况下，所提出的方法具有更少的伪影。特别地，在患者3的不规律呼吸频率的情况下，所提出的方法具有较少的伪影。

特别地，计划图像可以是三维(简称3D)图像。计划图像可以被配置为如图4所示的截面图像和被配置为连续体积。计划图像可以使用常规的重建算法(例如，使用Feldkamp算法或通过迭代重建)进行重建。就计划图像描绘呼吸运动的特定阶段中的靶体积而言，计划图像是时间分辨的。时间分辨率由第一间隔26的时间帧27的时间宽度来确定。计划数据可以包括靶体积的移动的描绘，而且，其中各计划图像根据由参照阶段21所定义的序列来显示。可以给出序列，特别地，通过编号n＝1，2，...N。

图4示出了根据所提出的方法的计划图像、以及根据常规的基于阶段的方法的计划图像。两个计划图像都是基于相同的原始数据19并且示出患者3的纵向截面的躯干。根据所提出的方法的计划图像被显示在图4的左手侧，而根据常规的基于阶段的方法的计划图像被显示在右手侧。在右手侧的计划图像中，可以清楚地看到基于患者3的不规律呼吸的伪影。左手侧的计划图像没有这种伪影。

图5示出了用于重建计划图像的系统。在最简单的情况下，系统包括：接口16，用于接收REC患者3的多个第一呼吸周期18、以及在第一呼吸周期18的相同时间记录的断层摄影原始数据19；以及具有处理器的算术单元15，其中，处理器被编程以执行至少以下步骤：

-基于患者3的呼吸周期(特别地，基于第一呼吸周期18)来确定DET参照周期20，

-首先将参照周期20细分成DIV-1在时间上等距的参照阶段21，其中，参照幅度22与每个参照阶段21相关联，

-其次将第一呼吸周期18细分成DIV-2第一阶段23，其中，第一阶段23的时间位置24各自基于参照幅度22，

-基于原始数据19的第一间隔26重来建PIC计划图像，其中，第一间隔26与第一阶段23相对应。

算术单元15还可以具有被专门设计成执行重建PIC的步骤的重建单元33。算术单元15还可以具有被各自编程成执行所提出的方法的各步骤的多个处理器。在本发明的进一步的实施例中，处理器还可以被编程成执行上文所描述的其它方法步骤。更进一步地，第一呼吸周期18和/或原始数据19可以存储在服务器23上，所以第一呼吸周期18和/或原始数据19可以经由网络24传送到被设计为客户端的用于重建计划图像的系统。在这里所示的示例中，客户端由计算机12实现。本发明的计算机程序然后存储在客户端上，以便可执行。

图6示出了用于使用断层摄影装置来重建计划图像的系统。这里所示的断层摄影装置是计算机断层摄影装置1。这里所示的计算机断层摄影装置1具有记录单元17，该记录单元17包括X射线源形式的辐射源8、以及X射线检测器形式的辐射检测器9。在记录原始数据19期间，记录单元17绕系统轴线5转动，并且在记录期间，X射线源发出X射线形式的射线2。在这里所示的示例中，X射线源为X射线管。在这里所示的示例中，X射线检测器是具有多个线的线检测器。

在这里所示的示例中，患者3在记录原始数据19期间躺在检查台6上。检查台6连接至台座4，使得台座4支撑带有患者3的检查台6。检查台6被设计成通过记录单元17中的开口10在记录方向上移动患者3。通常由系统轴线5给出记录方向，记录单元17在记录原始数据19期间绕系统轴线5转动。在螺旋扫描的情况下，在记录单元17围绕患者3转动并且记录原始数据19的同时，检查台6连续地移动通过开口10。因此，X射线描述了患者3的表面上的螺旋形。

这里示出的系统还具有胸带的形式的呼吸替代物28。呼吸替代物28被设计成记录患者3的呼吸周期(特别地，第一呼吸周期18)，并且经由计算机12的接口16来传送它们。这里所示的示例中，接口16被设计为计算机12的一部分。这里所示的示例中，接口16是公知的硬件或软件接口，例如，硬件接口PCI总线、USB或Firewire。计算机12连接至屏幕11形式的输出单元，并且连接至输入单元7。屏幕11被设计成用于显示各种信息项，特别地，计划图像。输入单元7可以用来启动本发明的计算机程序或选择用于执行本发明的方法的参数。输入单元7例如是键盘、鼠标、所谓的触摸屏、或用于语音输入的麦克风。

用于重建计划图像的这里示出的系统的计算机12还包括重建单元33。该系统还具有算术单元15。算术单元15可以与机器可读数据载体13配合，特别地用来通过具有程序代码的计算机程序来执行本发明的方法。计算机程序还可以存储在机器可读数据载体13上以便于能够检索。特别地，机器可读数据载体可以是CD、DVD、蓝光光盘、记忆棒或硬盘。算术单元15和重建单元33可以以硬件形式和/或软件形式来设计。例如，重建单元33可以被设计为所谓的FPGA(缩写为现场可编程门阵列)或包括算术逻辑单元。这里所示的算术单元15具有处理器。该处理器可以被设计为微处理器并且具有多个核。