４维数字层析合成及其在放射治疗中的应用制造技术

４维数字层析合成系统（１００）包括Ｘ射线源（１０２）、Ｘ射线探测器（１１０）和处理器（１１２）。Ｘ射线源适于向具有周期性运动的对象发射Ｘ射线束（１０６）。周期性运动被分成（ｎ＋１）个时间间隔，ｎ是正整数。（ｎ＋１）个时间间隔中的每一个与时间实例ｔ↓［ｉ］相关，ｉ＝０，１，２，…，ｎ。Ｘ射线探测器耦合到Ｘ射线源上，用于在每个时间实例ｔ↓［ｉ］基于Ｘ射线束针对每个扫描角度采集对象的投影射线照片。处理器通信耦合到Ｘ射线源和Ｘ射线探测器上以控制Ｘ射线源并处理从Ｘ射线探测器所接收的数据以便重建针对每一时间实例ｔ↓［ｉ］从所有扫描角度采集的所有投影射线照片并得到对象的（ｎ＋１）组剖面。剖面是冠状剖面或矢状剖面。（ｎ＋１）组剖面中的每一组针对不同的时间实例ｔ↓［ｉ］。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及X射线成像领域，以及更具体地涉及4维(4D)数字层析合成(tomosynthesis)及其在放射治疗中的应用。
技术介绍
数字层析合成(DTS)根据一组投影射线照片重建存在于所成像的对象内的结构。在医疗应用中，这些结构例如包括诸如器官、血管和骨之类的解剖结构。在计算机断层摄影(CT)中，X射线源和X射线探测器都围绕共同的轴在圆形轨道上移动，并获得非常多的投影射线照片(或图像)。相反，在层析合成中，针对变化的X射线源位置，获得相对少的射线照片。于是，层析合成是一种获得多个投影射线照片的系统和方法，该系统和方法对于精确的计算机断层摄影来说是不够的。在层析合成中，X射线源典型地采取基本上在对象一侧的位置，而探测器(或胶片)采取在该对象的相对侧的位置。DTS是一种根据3D体的2D射线照相投影重建该3D体的剖面的方法，对于获取剖面来说，该方法是一种比CT法快得多的方法。在CT中，必须从至少180度加上围绕对象的扇角获得投影以产生对象的精确重建。然而，DTS将来自有限的角度的投影用于重建对象的剖面。虽然该重建不太精确，而且重建平面仅限于一个方向，但是它具有使用较少数量的投影、即扫描角度的好处。这转化为更快的数据采集并提供能够在空间和尺寸限制阻止从所有角度获得投影的情况下重建对象的优势。在一些临床场合中，精确的重建是没有必要的，从而使快速DTS变得理想。DTS系统包括通过适当的机械结构彼此连接的X射线源和数字探测器。在传统3D DTS中，在X射线源相对于成像对象的不同位置处获得静止的成像对象的多个2维投影射线照片，并根据对应于2维投影射线照片的数据集重建成像对象的剖面。预期锥形线束计算机断层摄影(CBCT)会在放射治疗中起到重要的作用。然而，由于安全性考虑，(例如直线加速器设备的)台架旋转的最大速度目前被限制于～1.0rpm(转每分钟)。因此，CBCT的数据采集典型地花费长的时间(大约一分钟)。为了确保图像质量，在采集期间受试者必须静止不动。然而存在某些在采集期间不能停止的诸如呼吸的生理运动。因此，运动伪影将总是困扰慢的CBCT数据采集。希望在生理周期的不同时间实例重建随时间变化的对象的3D剖面。例如，显示患者的肺在整个呼吸周期期间的剖面将是有利的。这将允许临床医生精确定位随时间变化的肺肿瘤在呼吸周期的每个阶段的位置。因此，他们将能够在呼气时定位并描绘该肿瘤。因此，在4D放射治疗中提供新的数字层析合成系统和方法将是理想的，其中时间分量被结合到三维(3D)放射治疗过程中以根据目标的运动来释放剂量。
技术实现思路
因此，本专利技术涉及4维数字层析合成及其在放射治疗中的应用。在典型的实施例中，4维数字层析合成系统包括X射线源、X射线探测器和处理器。该X射线源适于向具有周期性运动、例如呼吸运动等的对象发射X射线束。该周期性运动被分成(n+1)个时间间隔，n是正整数。该(n+1)个时间间隔中的每一个与时间实例ti相关，其中i＝0，1，2，...，n。X射线探测器耦合到X射线源上，用于在每个时间实例ti基于X射线束针对每个扫描角度采集对象的投影射线照片。处理器通信耦合到X射线源和X射线探测器上，用于控制X射线源并且处理从X射线探测器所接收的数据以便重建针对每个时间实例ti从所有扫描角度所采集的所有投影射线照片并且得到对象的(n+1)组剖面。剖面是冠状剖面或者矢状剖面。该(n+1)组剖面的每一组针对不同的时间实例ti。在另外的典型实施例中，能够执行4维数字层析合成以便同时进行断层摄影成像和治疗的放射治疗装置包括成像系统和治疗系统。该成像系统包括用于为了几何验证而获得治疗目标的断层摄影图像的第一X射线源和第一X射线探测器。第一X射线源和第一X射线探测器以等角点同中心。治疗目标是具有运动的对象。第一X射线源适于向该对象发射X射线束。第一X射线探测器适于基于X射线束针对每个扫描角度采集对象的投影射线照片。该治疗系统包括用于剂量释放和剂量重建的第二X射线源和第二X射线探测器。第二X射线源和第二X射线探测器以上述等角点同中心。处理从第一X射线探测器所接收的数据，以便重建从所有扫描角度所采集的对象的所有投影射线照片以产生对象的剖面图像以便同时引导放射治疗。在另一典型实施例中，用于使用具有X射线源和X射线探测器的系统来执行4维数字层析合成的方法包括如下步骤。将对象的周期性运动分成(n+1)个时间间隔，n是正整数，该(n+1)个时间间隔中的每一个与时间实例ti相关，其中i＝0，1，2，...，n。该X射线探测器被用于针对每个扫描角度在每个时间实例ti基于由X射线源向对象发射的X射线束采集对象的投影射线照片。数字层析合成被用于重建针对每个时间实例ti从所有扫描角度所采集的所有投影射线照片。获得对象的(n+1)组剖面。所重建的剖面仅仅沿一个方向，例如冠状剖面或者矢状剖面。该(n+1)组剖面中的每一组针对不同的时间实例ti。应当理解的是前面的概括描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，而并不必定限制所要求保护的本专利技术。被结合到说明书中并构成说明书的一部分的附图示出本专利技术的实施例并和概括描述一起用于解释本专利技术的原理。附图说明本领域的技术人员可以通过参考附图更好地理解本专利技术的许多优势，其中图1是示出根据本专利技术典型实施例的数字层析合成系统的框图；图2是示出同中心(isocentric)数字层析合成的扫描路径和坐标系统的示意图，其中X射线源和2D探测器围绕对象从-α旋转到+α并且每隔一个间隔角采集射线照片投影；图3显示根据本专利技术典型实施例的利用有限角度采集的Alderson Rando头部仿真模型(head phantom)的DTS重建图像，其中在每幅图像的右下角所示的数字是当以每两度获得投影时的α值；图4A显示根据本专利技术典型实施例在Rando头部仿真模型的数字层析合成之后的三个重建剖面；图4B显示根据本专利技术典型实施例基于数字层析合成(左)所重建的Rando头部仿真模型的冠状和轴向剖面与基于锥形线束CT(右)所重建的Rando头部仿真模型的冠状和轴向剖面的比较；图5显示与图2中相同的图像，但是使用小视野入口(局部断层摄影)；图6显示根据本专利技术典型实施例在来自30°采集角的DTS重建之后的Rando头部仿真模型的不同冠状剖面；图7A显示根据本专利技术典型实施例的被分成多个时间间隔的周期性生理活动；图7B是根据本专利技术典型实施例如何随着时间的过去而进行DTS采集的描绘；图7C显示在随着时间的过去而进行DTS采集之后的一系列剖面，每一个剖面表示根据本专利技术典型实施例在某一时间实例时的对象；图8显示根据本专利技术典型实施例的用于同时进行断层摄影成像和治疗的放射治疗单元；图9显示通过使kV管(以及kV探测器)从A旋转到B以进行DTS的快速断层摄影成像，其中根据本专利技术典型实施例，DTS重建平面垂直于MV射束的主轴；图10显示实时断层摄影成像，其中根据本专利技术典型实施例，DTS重建平面总是垂直于MV射束的主轴；图11显示连续的操作模式，其中根据本专利技术典型实施例同时进行成像和治疗；以及图12显示一步一照(step-and-shoot)的操作模式，其中根据本专利技术典型实施例在进行治疗之前进行成像。具体实施例方式现在将对本专利技术的当前优选的实施例进行详细参考，在附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种４维数字层析合成系统（１００），包含：用于向具有周期性运动的对象发射Ｘ射线束（１０６）的Ｘ射线源（１０２），该周期性运动被分成（ｎ＋１）个时间间隔，ｎ是正整数，该（ｎ＋１）个时间间隔中的每一个与时间实例ｔ↓［ｉ］相关，其中ｉ＝０，１，２，…，ｎ；Ｘ射线探测器（１１０），耦合到所述Ｘ射线源（１０２）上，用于在每个时间实例ｔ↓［ｉ］基于所述Ｘ射线束针对每个扫描角度采集所述对象的投影射线照片；和处理器（１１２），通信耦合到所述Ｘ射线源（１０２）和所述Ｘ射线探测器（１１０）上，用于控制所述Ｘ射线源（１０２）并且处理从所述Ｘ射线探测器（１１０）所接收的数据，以便重建针对每个时间实例ｔ↓［ｉ］从所有扫描角度所采集的所有投影射线照片并且得到所述对象的（ｎ＋１）组剖面，该（ｎ＋１）组剖面中的每一组针对不同的时间实例ｔ↓［ｉ］，该（ｎ＋１）组剖面是冠状剖面或矢状剖面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GG庞，A巴尼哈舍米，JA罗兰兹，
申请(专利权)人：美国西门子医疗解决公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]