РЕГИСТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ИЗОБРАЖЕНИЯМ Российский патент 2011 года по МПК G06T7/00 

Лучевая терапия служит для воздействия на такие заболевания, как раковые опухоли, радиацией, например рентгеновским излучением. В процессе облучения болезненной ткани часть здоровой ткани также подвергается облучению. Облучение здоровой ткани может вызвать осложнения, сопутствующие воздействию. По существу, желательно правильно и точно оконтуривать болезненную область, чтобы облучать преимущественно болезненную ткань и минимально окружающую здоровую ткань.

Правильный и точный контур области воздействия (планируемого объема облучения тканей или PTV) включает в себя движение мишени облучения во время фракционированной терапии. Движение может быть физическим перемещением пациента (погрешность установки) или перемещением и деформацией внутренних тканей, включая болезненную ткань, вызываемых физиологическими функциями, например, сердечно-сосудистой, дыхательной и пищеварительной систем или в результате эффекта воздействия. При традиционном плане воздействия PTV основан на статистических данных обследуемых групп населения, что приводит к чрезмерной величине или неточности целевых зон. Для оценки движения, характерного для пациента, снимают последовательность изображений в течение периода времени, чтобы получить 3-мерное описание геометрического изменения болезненной ткани и окружающих органов. Шаг временной выборки может составлять секунды для контроля, например, дыхательного движения с использованием 4-мерной синхронизированной визуализации или сутки и недели или их комбинации, например, при еженедельной визуализации с использованием метода 4-мерной синхронизированной визуализации. Интегрирование временных выборок 3-мерных изображений в процесс лучевой терапии обычно называют лучевой терапией с управлением по изображениям (IGRT) или адаптивной лучевой терапией. Описанная настройка допускает облучение более точной целевой области.

Для накопления 4-мерной гистограммы «доза-объем» требуется вычислить пространственные соответствия между объемными элементами органов с повышенным риском и мишенью облучения. Способы регистрации по вокселам сложны для применения из-за отсутствия соответствия по уровням яркости. Способы с опорой на поверхность, которые деформируют треугольные сетки соответственно представляющим интерес объектам, с успехом применялись для сегментации анатомических структур. Согласно таким способам, вершины пригнанных сеток задают соответствующие ориентиры, связывающие поверхности объекта. Это позволяет оценить поле деформации для всех вокселов в изображении с использованием способов эластичной поточечной регистрации.

Если движение внутри визуализируемого объекта не является точно коррелированным с движением на его поверхности, то интерполяция движения только по одной поверхности приведет к неточным оценкам движения. Например, при визуализации легких движение от диафрагмы, сердца и грудной стенки приводит к комплексным движениям долей легкого. Кроме того, в зависимости от положения опухоли или представляющей интерес области, которая может или не может прилегать к стенке легкого, и свойств тканей опухоли, например квазисолидной или мягкой, движение опухоли может или не может быть точно коррелированным с легкими и/или поверхностью сердца.

При планировании лучевой терапии важно правильно компенсировать движение, так как это позволяет правильно, точно изобразить контуры органа. Кроме того, правильная компенсация движения позволяет правильно вычислять дозу облучения. Следовательно, желательно разработать способ планирования лучевой терапии, который точно учитывает движение визуализируемого объекта для обеспечения возможности разработки плана высокоточной лучевой терапии и соответственно воздействия.

Настоящее изобретение относится к системе и способу для разработки планов лучевой терапии и системе и способу для разработки плана лучевой терапии, который следует применять при воздействии методом лучевой терапии. План лучевой терапии разрабатывают с помощью регистрации медицинских изображений. Регистрация основана на идентификации ориентиров, расположенных внутри внутренних структур тела.

На прилагаемых чертежах, которые включены в настоящее описание и являются его частью, представлены варианты осуществления изобретения, которые вместе с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным его описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения. Специалисту в данной области очевидно, что приведенные наглядные варианты осуществления не предполагают ограничения изобретения, а просто дают примеры, включающее в себя принципы изобретения.

Фиг. 1 - блок-схема системы планирования лучевых терапии и воздействия.

Фиг. 2 - блок-схема процесса планирования лучевых терапии и воздействия.

Система и способ, предлагаемые в настоящей заявке, обеспечивают регистрации изображений, например, чтобы учитывать перемещение визуализируемого объекта. Упомянутые система и способ обеспечивают возможность точного планирования лучевых терапии и воздействия.

На фиг. 1 представлена блок-схема наглядного примера системы в соответствии с настоящим изобретением. Система содержит компонент 10 получения изображения, компонент 20 планирования лучевой терапии (RTP), компонент 30 воздействия методом лучевой терапии (RTT) и графический пользовательский интерфейс (GUI) 40. Следует понимать, что система, показанная на фиг. 1, является просто наглядным примером и, следовательно, не должна ограничивать объем настоящего изобретения. Например, в некоторых системах может отсутствовать компонент RTT 30 и/или GUI 40. В составе некоторых систем GUI 40, показанный на чертеже в варианте сопряжения со всеми тремя из других компонентов, может сопрягаться только с одним или двумя из других компонентов.

Компонент 10 получения изображения может представлять собой любую систему визуализации, например систему CT (компьютерной томографии), рентгеновскую систему, систему радионуклидной визуализации, ультразвуковую систему, систему MR (магниторезонансной визуализации) или любую комбинацию из перечисленных систем. В предпочтительном варианте система допускает сбор синхронизированной изобразительной информации и ее пересылку в компонент RTP 20. В некоторых вариантах осуществления компонент 10 получения изображения удален от компонента RTP 20 или других компонентов. При этом информацию, собранную из компонента 10 получения изображения, можно передавать в другие компоненты через сетевое соединение или запоминающую среду. Кроме того, получение изображения может происходить в течение того же соответственного периода времени, что и разработка плана лучевой терапии, или получение изображения может происходить в любое время до разработки плана лучевой терапии. Кроме того, возможно применение любого способа получения изображений. Например, способы получения 4-мерных CT-данных описаны в работе Pan et al., MedPhys 31(2):333-340 (2004), содержание которой целиком включено в настоящую заявку путем отсылки.

Компонент RTP 20 может представлять собой универсальный процессор и специализированный процессор с программным обеспечением для RTP, загруженным или встроенным в процессор. Компонент RTT 30 может представлять собой любое устройство доставки воздействия, например линейный ускоритель. GUI 40 может состоять из любого устройства ввода и/или вывода или любой их комбинации. Например, GUI может содержать монитор, клавиатуру, запоминающее устройство, устройство выборки запоминающего устройства, сеть передачи данных или любой другой компонент для поддержки взаимодействия радиолога с другими компонентами для получения данных изображения, планирования лучевой терапии и/или подведения лучевой терапии к объекту воздействия.

На фиг. 2 представлен способ подведения лучевой терапии. Следует понимать, что способ можно ограничить созданием плана лучевой терапии или фракционированного воздействия методом лучевой терапии. Показанный вариант осуществления начинается с получения данных изображения на этапе 100. Данную операцию можно выполнять с использованием вышеупомянутого компонента 10 получения изображения. Данные изображения являются предпочтительно 4-мерными CT-данными. Затем данные изображения передаются в компонент RTP 20, в котором они сегментируются на разные структуры. Как показано на этапе 110, сегментацию структур, например опухоли и/или органов с повышенным риском, можно осуществить с использованием способа сегментации на основе модели или альтернативных способов сегментации. Представляющие интерес структуры отображаются треугольной поверхностной сеткой, либо непосредственно, если применяется сегментация на основе модели, либо после триангуляции сегментации. Способы сегментации описаны в патенте США № 7010164, Image Segmentation, выданном 7 марта 2006 г., и совместно рассматриваемой заявке на патент США № 60/597087, Automated Stool Removal Method for Medical Imaging, поданной 9 ноября 2005 г., полное описание которых включено в настоящую заявку путем отсылки.

Ориентиры на поверхности представляющего интерес объема даны вершинами треугольных поверхностных сеток. Способы вычисления поля объемной деформации на основе одних только треугольных поверхностных сеток описаны в совместно рассматриваемой заявке на патент США № 60/595122, Point Subselection For Fast Deformable Point-Based Imaging, поданной 8 июня 2005 г., полное описание которой включено в настоящую заявку путем отсылки.

Затем на этапе 120 идентифицируют ориентиры внутри представляющего интерес объема. Идентификация ориентиров внутри представляющего интерес объема можно выполнить с использованием любого или любой комбинации из алгоритма сопоставления с эталоном, автоматизированного алгоритма выделения сосудистого дерева, автоматизированного алгоритма обнаружения маркера. Способ с использованием алгоритма сопоставления с эталоном описан в работе Roesch et al., 3D Respiratory Motion Compensation by Template Propagation MICCAI 2002, Lecture Notes in Computer Science 2489 (2002) 639-646, содержание которой целиком включено в настоящую заявку путем отсылки. По данному способу внутри представляющего интерес объема, заданного соответствующими поверхностными сетками, определяют точки с одинаковыми характеристиками уровня яркости. Способ подобного типа обычно является скоростным, так как поиск по данному способу ограничен представляющими интерес объемами.

Автоматизированный алгоритм выделения сосудистого дерева описан в работе Buelow et al., A General Framework For Tree Segmentation and Reconstruction Form Medical Volume Data, NICCAI 2004, содержание которой целиком включено в настоящую заявку путем отсылки. По данному способу выделяют раздвоение сосуда первого порядка в соответствующих структурах. С использованием топологии сосудистых деревьев соответствующие раздвоения можно определять в обоих наборах данных изображения, и соответствующие координаты используют как соответствующие ориентиры. Подобные способы наиболее применимы для идентификации ориентиров в легких или печени.

В случае когда для коррекции расположения пациента применяют метки, например золотые метки, используемые в простате, можно воспользоваться алгоритмом для автоматизированного обнаружения, чтобы определить дополнительные соответствующие точки внутри представляющего интерес объема. Кроме того, данные способы можно применять в комбинациях, или в альтернативном варианте можно также применить другие алгоритмы и/или способы идентификации ориентиров.

Сегментация и идентификация ориентиров служат для установки поля деформации на этапе 130. Формирование поля деформации позволяет регистрировать изображения, как указано на этапе 140. Пример формирования поля изображения и последующей регистрации изображений представлен в совместно рассматриваемой заявке на патент США № 10/573730, Method and Device for Planning Radiation Therapy, поданной 28 марта 2006 г., и в совместно рассматриваемой заявке на патент США № 60/597087, Automated Stool Removal Method for Medical Imaging, поданной 9 ноября 2005 г., содержание которых целиком включено в настоящую заявку путем отсылки.

После того как изображения зарегистрированы, можно создавать план лучевой терапии (RTP), как показано на этапе 150. План лучевой терапии допускает точное оконтуривание органа и расчет дозы. Расчетную дозу можно определять для каждого набора данных и затем накапливать в один набор данных. Это позволяет правильно распределять полную дозу и может обеспечить дополнительную оптимизацию плана воздействия. После создания RTP на этапе 160 может иметь место сеанс воздействия методом лучевой терапии (RTT). В альтернативном варианте процесс может вернуться к началу и съемке дополнительных изображений для дополнительной разработки RTP. Процессы RTP и RTT могут происходить в разные периоды времени и/или в разных местах. Следовательно, такой способ, который показан на фиг. 2, может заключаться всего в одном цикле 100-150, что допускает осуществление RTT в разное время и/или разных местах. В подобных случаях возможна периодическая коррекция RTP, что часто желательно, с использованием дополнительно полученных данных изображения и последующей обработки.

Что касается способов, которые содержат RTT, процесс либо может завершаться после RTT, либо может возвращаться к началу, например, как в случае фракционированных воздействий. В способах, которые предусматривают циклы воздействия, процесс после RTT на этапе 160 может вернуться на этап 150 RTP, который будет применяться для следующей дробной части RTT. В таких случаях следующая дробная часть RTT может использовать такое же распределение дозы, как при предыдущем облучении, или может отличаться от установленной при первоначальном RTP. Например, первая дробная часть воздействия может быть полной дозой, тогда как вторая дробная часть может составлять процентную часть от полной дозы. В других способах после RTT процесс возвращается к фазе получения изображения и путем последующей обработки уточняет или повторно определяет RTP. Некоторые способы могут предусматривать переключение между возвращением к RTP и получением изображения в зависимости от некоторого числа дробных частей (например, на каждой второй или каждой третьей), некоторого периода времени (например, через каждые пять суток), прогнозируемого или фактического изменения размера и/или формы мишени для облучения, по желанию специалиста или врача или на любой другой основе.

Выше изобретение описано со ссылкой на по меньшей мере один предпочтительный вариант осуществления. Очевидно, что специалистом после прочтения и изучения настоящего описания могут быть разработаны модификации или изменения. Предполагается, что все подобные модификации и изменения охвачены изобретением в той мере, насколько они находятся в пределах объема притязаний прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

Изобретение относится к средствам получения медицинских изображений при лучевой терапии. Техническим результатом является повышение точности учета движений визуализированного объекта при разработке плана лучевой терапии. План лучевой терапии разрабатывается с использованием зарегистрированных медицинских изображений, при которых идентифицируют ориентиры, расположенные внутри по меньшей мере первой и второй внутренних структур тела, устанавливают поле деформации на основе идентифицированных ориентиров, регистрируют первое и второе медицинские изображения посредством приложения поля деформации к по меньшей мере одному из медицинских изображений и формируют план лучевой терапии на основе зарегистрированных медицинских изображений. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ планирования лучевой терапии, содержащий следующие этапы: вводят полученные первое и второе медицинские изображения;
сегментируют первое и второе медицинские изображения на первую и вторую внутренние структуры тела;
идентифицируют ориентиры, расположенные внутри первой и второй внутренних структур тела;
устанавливают поле деформации на основе идентифицированных ориентиров; регистрируют первое и второе медицинские изображения посредством приложения поля деформации к по меньшей мере одному из медицинских изображений; и
формируют план лучевой терапии на основе зарегистрированных медицинских изображений.

2. Способ планирования лучевой терапии по п.1, в котором медицинские изображения являются 4-мерными компьютернотомографическими (СТ) изображениями.

3. Способ планирования лучевой терапии по п.1, в котором ориентиры идентифицируют с использованием алгоритма сопоставления с эталоном.

4. Способ планирования лучевой терапии по п.1, в котором ориентиры идентифицируют с использованием автоматизированного алгоритма выделения сосудистого дерева.

5. Способ планирования лучевой терапии по п.1, в котором ориентиры идентифицируют с использованием меток, расположенных внутри по меньшей мере одной из внутренних структур тела.

6. Способ планирования лучевой терапии по п.1, в котором этап формирования плана лучевой терапии дополнительно содержит разработку распределения дозы на основе зарегистрированных медицинских изображений.

7. Способ планирования лучевой терапии по п.6, в котором распределение дозы содержит по меньшей мере первую дозу для целевой зоны и вторую дозу для одной или более другой представляющей интерес зоны.

8. Способ планирования лучевой терапии по п.1, дополнительно содержащий этап взаимодействия с пользователем для проверки одного или более из этапов сегментации, идентификации ориентиров или регистрации изображений.

9. Способ планирования лучевой терапии по п.1, в котором внутренние структуры тела содержат одну или более целевых зон и один или более органов с повышенным риском.

10. Устройство для планирования лучевой терапии, содержащее:
средство для ввода полученных медицинских изображений;
средство для сегментации медицинских изображений на внутренние структуры тела;
средство для идентификации ориентиров, расположенных внутри внутренних структур тела;
средство для генерирования поля деформации на основе идентифицированных ориентиров;
средство для регистрации медицинских изображений посредством приложения поля деформации к по меньшей мере одному из медицинских изображений и средство для установления распределения дозы облучения на основе зарегистрированных медицинских изображений.

11. Устройство для планирования лучевой терапии по п.10, в котором средство для идентификации ориентиров содержит алгоритм сопоставления с эталоном.

12. Устройство для планирования лучевой терапии по п.10, в котором средство для идентификации ориентиров включает автоматизированный алгоритм выделения сосудистого дерева.

13. Устройство для планирования лучевой терапии по п.10, в котором средство для идентификации ориентиров включает применение меток, расположенных внутри по меньшей мере одной из представляющих интерес зон.

14. Устройство для планирования лучевой терапии по п.10, дополнительно содержащее средство для идентификации ориентиров, расположенных вне одной из данных внутренних структур тела.

15. Способ воздействия методом лучевой терапии, содержащий следующие этапы:
вводят полученные медицинские изображения;
сегментируют медицинские изображения на внутренние структуры тела;
идентифицируют ориентиры, расположенные внутри внутренних структур тела медицинских изображений;
устанавливают поле деформации на основе идентифицированных ориентиров;
регистрируют медицинские изображения посредством приложения поля деформации к по меньшей мере одному из медицинских изображений;
формируют план лучевой терапии на основе зарегистрированных медицинских изображений и
выполняют воздействие излучением на основе плана лучевой терапии.

16. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.15, в котором медицинские изображения являются 4-мерными компьютернотомографическими (СТ) изображениями.

17. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.15, в котором ориентиры идентифицируют с использованием алгоритма сопоставления с эталоном.

18. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.15, в котором ориентиры идентифицируют с использованием автоматизированного алгоритма выделения сосудистого дерева.

19. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.15, в котором ориентиры идентифицируют с использованием меток, расположенных внутри по меньшей мере одной из представляющих интерес зон.

20. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.15, в котором воздействие лучевой терапией выполняется при фракционированных воздействиях.

21. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.20, в котором после выполнения одного из фракционированных воздействий способ либо возвращается к формированию плана лучевой терапии, чтобы выполнить другое фракционированное воздействие на основе плана лучевой терапии, либо вводит дополнительные медицинские изображения, чтобы можно было сформировать скорректированный план лучевой терапии.

22. Способ воздействия методом лучевой терапии по п.21, в котором возвращаться ли способу к плану лучевой терапии или вводить дополнительные медицинские изображения, определяется одним из интервала между фракционированными воздействиями, временного интервала, результата воздействия, ожидаемого результата воздействия или решения пользователя.

23. Пользовательский интерфейс для устройства планирования лучевой терапии, содержащий
средство для просмотра плана лучевой терапии, сформированного посредством регистрирования медицинских изображений посредством применения поля деформации, установленного из ориентиров, идентифицированных внутри сегментированных структур тела на медицинских изображениях.

24. Пользовательский интерфейс по п.23, дополнительно содержащий средство для просмотра промежуточных изображений, представляющих упомянутые сегментированные медицинские изображения или упомянутые зарегистрированные медицинские изображения.