CN101102813B - 病人定位成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在强子治疗装置中将病人定位的病人定位成像装置，强子治疗装置设置有可旋转台架(20)。病人定位成像装置包括可旋转结构(10)，该可旋转结构设置有：可伸出臂或可折叠枢轴转动臂(12)，该臂布置成用于连接成像射束源(121)；以及可伸出结构或可折叠枢轴转动结构(14)，该结构布置成用于承载成像射束接收器(141)。可旋转结构(10)布置成当病人相对于强子治疗装置的等距点位于偏离位置时对病人进行CBCT照相，所述偏移位置沿可旋转台架(20)的旋转轴线方向。可旋转结构(10)布置成当可旋转台架(20)保持固定时以及当可伸出或可枢轴转动臂(12)和可伸出或可枢轴转动结构(14)处于伸出或展开位置时可进行旋转。

Description

病人定位成像装置和方法
技术领域
本发明涉及用于在强子治疗装置中将病人定位的一种病人定位成像设备以及方法。 
背景技术
当在病人体内发现恶性肿瘤时，首先需要使该肿瘤形象化，以便进一步检查。这例如可以通过(第三代)3D计算机断层(CT)扫描系统来进行。利用这样收集的信息，可以产生临床治疗计划。然后能够通过治疗设备来开始实际治疗。 
在已知的强子治疗设备中(例如用于质子治疗)，通过加速器例如回旋加速器而加速的治疗辐射束被导向治疗室，在该治疗室中，病人被固定在治疗台(例如治疗床)上。在照射之前，治疗台必须通过定位系统来精确定位，以使得病人身体的染病部分与治疗辐射束对准。 
通常，照射从各种不同角度来进行。然后，使用台架系统来使辐射源旋转。对于强子治疗，通常，强子粒子(例如质子、中子、或者阿尔法粒子或碳离子)从喷嘴朝着病人的、要治疗的特殊目标区域(例如肿瘤)射出。肿瘤体积相对于称为等距点(isocentre)的特定参考点来确定。该等距点出现在喷嘴射束通路的轴线与台架的旋转轴线交叉的点处。等距点在整个治疗处理中保持固定。 
病人需要相对于治疗装置精确定位，以使得射束只照射在治疗计划所设计的目标上。否则，射束会损坏病人体内的健康细胞。因此，病人在治疗前的定位精度对于成功操作非常关键。 
通常，进行治疗的病人接受定期治疗，其中，目标在一段长时间中受到重复照射。因此，在每次治疗之前，都需要使病人合适定位。 
如前所述，紧接一定剂量治疗辐射之前确定目标体积的精确位置的方法非常重要。为了保证病人相对于治疗装置的等距点精确定位，首先相对于病人体内的一个或多个标志物确定目标的位置。该操作在 外部诊断成像系统中进行，例如PET扫描仪。在标准的病人定位中，标志物包括病人骨结构上的点，然后相对于这些标志物确定目标位置。然后，将病人定位在治疗装置的病人定位器的床上。病人定位器运动至所谓的“设置位置”，在此处，病人位置通过使用射线照相、激光和/或其它能够定位所述标志物的定位辅助装置来确定。校正操作将根据需要来确定。然后，使用病人定位器使病人运动至连续的治疗位置。在设置位置中，病人位于等距点处或其附近。在该方法中，假定肿瘤在CT扫描时间和全部治疗时间之间不会移动。 
锥形射束计算机断层(CBCT)解除了该限制。CBCT使得临床医生能够重新构造病人体内的3D图像。在该图像上，人们能够看见骨结构，还能看见软组织。这使得临床医生能够通过对病人身体的任何部分进行3D人工或自动匹配而使病人对准。这也帮助临床医生监测在治疗前的CT扫描和在治疗过程中的肿瘤发展之间的差异。作为目前最精确的放射治疗技术的强子治疗能够充分利用CBCT装置的优点，以便帮助临床医生更好地定位病人。 
用于在强子治疗环境中获得CBCT图像的一种方法如图1中所示。该CBCT系统的获取系统由位于喷嘴中的X射线管和平面板制成。两个装置位于病人的各侧，并且当进行连续X射线发射时，理论上可以在整个360°上全程环绕病人转动。不过，与普通放射治疗(在普通放射治疗中，X射线管和平面板相对于射束轴线(beam axis)以90°布置在台架上)相比，在强子治疗中，如图1所示的结构有若干不同限制： 
-为了使横向半影最小，孔(因此支承该孔的喷嘴)将尽可能地靠近病人。人们只能消除允许病人定位器运动和更换孔/范围补偿器的距离。它不允许X射线管或平面板在喷嘴和病人床之间运动。 
-在喷嘴内部的X射线管离等距点太远，以致于不能有与普通放射治疗领域中相同的几何(即在X射线管、病人和平面板之间的距离)。由于喷嘴框架和孔支承件，利用喷嘴内部的X射线管时的视界将太小。 
-使较重的台架结构全程旋转以便获得图像将感觉不现实。 
一种可选方案是将CBCT系统布置在治疗室中，这显然将使用治疗室空间，因此使临床医生不方便。 
在专利文献US2004/024300-A1中公开了一种用于将多能量成像器定位成对着一个或多个辐射源的方法和装置。能够传送MV能量范围的电子束以便产生高能X射线辐射的治疗辐射源和诊断kV X射线辐射源能够位于分开的臂(台架)上，其中，一个臂嵌套在另一个臂内。两个臂有公共的枢轴，并能够独立地枢轴转动。另外，内臂能够使诊断辐射源伸出和退回，以便定位和确定间隙。在该文献中，为了以不同角度进行多个X射线观察以便产生目标体积的三维图像，需要使两个臂(台架)一起旋转，以保持在诊断辐射源和治疗辐射源之间的间隙。 
为了向病人提供所需的舒适性，希望能够在尽可能短的时间内获得用于病人定位所需的图像。认为获取定位图像的可接受时间为一分钟，且不能超过。 
发明内容
本发明的目的是提供用于在强子治疗装置中将病人定位的一种病人定位成像装置和方法，它们能够克服现有技术方案的多个缺点。 
本发明涉及一种用于在强子治疗装置中将病人定位的病人定位成像装置，病人同时躺在床上，所述强子治疗装置包括可旋转台架，所述病人定位成像装置包括可旋转结构，该可旋转结构设置有：可伸出臂或可折叠枢轴转动臂，该可伸出臂或可折叠枢轴转动臂布置成用于连接成像射束源；以及可伸出结构或可折叠枢轴转动结构，该可伸出结构或可折叠枢轴转动结构布置成用于承载成像射束接收器，所述成像射束源和所述成像射束接收器构造成当所述可伸出臂或可折叠枢轴转动臂以及所述可伸出结构或可折叠枢轴转动结构处于伸出或展开位置时对病人进行CBCT照相，所述可旋转结构与所述可旋转台架相结合且布置成独立于所述可旋转台架进行转动，其中：所述可旋转结构布置成能够以任何转动角度对病人进行CBCT照相，同时所述可旋转台架保持于同一固定的角度；所述床用于进行CBCT照相时的位置不同于在利用所述强子治疗装置进行辐射时的位置，所述位置的不同为沿所述可旋转台架的转动轴线的偏离。 
在一个优选实施例中，成像射束源包括成像X射线辐射源。优选是，成像射束接收器是平图像面板。有利地，可枢轴转动臂还设置有孔，从而当可枢轴转动臂处于退回或折叠位置时允许X射线束通过该可枢轴转动臂。 
在一个优选实施例中，可枢轴转动臂和可枢轴转动结构有不同长度，这使得定位装置能够平滑折叠。 
在另一实施例中，可旋转结构还包括至少一个凹口。 
在一个特定实施例中，可旋转台架和可旋转结构有相同的旋转轴线。 
最有利地，可旋转结构通常安装在可旋转台架的后面。任选地，它可以通过可伸出支承臂安装在后面。 
在一个优选实施例中，病人定位成像装置还包括可伸缩结构，平面板安装在该可伸缩结构上，所述结构可在所述凹口上面移动。 
在另一目的中，本发明涉及一种用于确定病人定位信息的方法，以便用于前述强子射束治疗中。它包括以下步骤： 
-使病人置于床上并靠近治疗位置； 
-展开前述病人定位成像装置的可枢轴转动结构和可枢轴转动或可伸出臂； 
-利用病人定位器来将该床定位在沿可旋转台架的旋转轴线方向的偏移位置处； 
-使得可旋转结构旋转，以便获得一系列CBCT照片； 
-根据该系列CBCT照片来计算病人的3D图像； 
-将3D图像与来自治疗计划系统的图像比较，以便计算病人定位器的校正矢量； 
-根据所述校正矢量来使病人定位器运动至经校正的治疗位置。 
在又一目的中，本发明涉及一种用于确定在于病人的位置或呼吸循环阶段的信息的方法，所述信息用于前述强子射束治疗中。该方法包括以下步骤： 
-使病人置于床上并靠近治疗位置； 
-展开前述病人定位成像装置的所述可枢轴转动结构和可枢轴转动臂，或者伸出所述可伸出结构和可伸出臂； 
-伸出可伸出支承臂，以便使病人定位成像装置处于所述强子治疗装置的等距点处； 
-利用射线照相或荧光检查来给病人成像，以便确定关于病人的位置或病人的呼吸循环的所述信息。 
附图说明
图1表示了现有技术的CBCT图像获取系统。 
图2表示了本发明的病人定位成像装置，其中有展开的活动臂。 
图3表示了本发明的病人定位成像装置，其中有折叠的活动臂。 
图4A表示了包括本发明的展开病人定位成像装置的治疗设备的正视图和俯视图，且病人处于CBCT设置位置(偏移位置)。图4B表示了包括本发明的折叠病人定位成像装置的治疗设备的正视图和俯视图，且病人处于治疗位置。 
图5表示了可旋转结构安装在可伸出支承臂上的实施例。 
图6表示了具有可伸出臂和可伸出结构的实施例。 
具体实施方式
本发明公开了用于在强子治疗装置中将病人定位的病人定位成像装置和方法。为了克服上述限制，本发明的方案包括提供一种病人定位成像系统，该病人定位成像系统包括在射束治疗装置的台架内部的较小和较轻可旋转结构。这有多个优点： 
-它能够有充分的空间来以与普通放射治疗(RT)相同的距离安装X射线管和平面板； 
-它能够有完全的视界，与普通RT中一样； 
-它能够有完全独立于正交平面板的系统。当进行正交照相时不需要旋转任何东西； 
-不使用治疗室空间，这样，它可充分由临床医生使用； 
-用于台架滚转底板的空间仍然可以使用，且在CBCT较轻结构的旋转过程中不需要移动底板； 
-当进行X射线照相时不需要使台架旋转。 
如图2和3所示的病人定位成像装置包括较轻的可旋转结构10， 该可旋转结构10设置有：可枢轴转动臂12，成像射束源121能够与该可枢轴转动臂12连接；以及可枢轴转动结构14或可退回结构，该结构布置成用于承载成像射束接收器141。通常，成像射束源121包括成像X射线辐射源，如图2中所示。 
考虑到能够将成像X射线辐射源安装成位于结构10后面并沿台架旋转轴线的方向，装置的几何形状能够使锥形射束结构的中心保持为空。孔122预计用于允许该X射线束通过可旋转结构或可枢轴转动臂12(当折叠时)。 
因为可枢轴转动臂12和可枢轴转动结构14具有不同长度，因此它们能够平滑折叠，如图3中所示。不过，也可以设想用于使可枢轴转动臂12和可枢轴转动结构14退回的其它装置，例如并排保持的臂。 
图2和3还表示了两个凹口30，从而允许可伸缩结构(平面板安装在该可伸缩结构上)通过。 
在一个典型实施例中，可旋转结构安装在强子治疗装置的可旋转台架的后面。可旋转台架和可旋转结构有利地有相同的旋转轴线。 
图4A和4B表示了安装在强子治疗装置的台架上的病人定位成像装置。它们分别给出了正视图(其中，可旋转结构在后面)和俯视图(通过强子治疗装置的台架)。图4A表示了处于展开状态的可旋转结构，而图4B处于折叠、静止位置。图像射束接收器141折叠在X射线管结构121的上面。图4A表示了当病人定位器(即能够使床沿三个平移和三个旋转自由度运动的机械装置)使得病人运动至台架20的后面处于所谓的“CBCT设置位置”时躺在床28上的病人。病人定位成像装置展开，使用成像射束源121和平面板成像器141来获得CBCT图像。在图4B中，可枢轴转动臂12和可枢轴转动结构14处于折叠状态，病人处于设置位置或治疗位置，并由来自喷嘴25的治疗射束进行照射。应当知道，在CBCT设置位置(图4A)(该CBCT设置位置是获得CBCT图像时的位置)和图4B的治疗位置之间有偏移。还应当知道，当安装在台架20的后面时，定位成像装置的最低点仍然高于底板高度。这允许可旋转结构10能全程旋转，同时使台架底板仍 然就位。 
在一个特定实施例中，平面板成像器有横向定向、像素节距为194微米的39.7×29.8cm2有效面积以及2048×1536像素的像素数。它能够在全分辨率模式中以7.5fps的帧速率工作以及在2×2的贮存(binned)模式(这时像素数减少至1024×768像素)中以30fps的帧速率工作。 
例如，平面板成像器可以是非晶硅(a-Si)成像器，可由Palo Alto，California的Varian Medical Systems购得，商标名为PaxScan 4030A。PaxScan 4030A检测器各为40cm×30cm。检测器可以与信号处理电路连接，该信号处理电路包括前置放大级，具有可动态控制的信号增益，如美国专利US-6486808中所述，以便提高对比分辨率和动态范围。 
本发明的方案还可使它自身集成在治疗设备中，该治疗设备设置有所谓的台架滚转底板，即当台架旋转时保留在水平位置的底板。 
图5表示了当可旋转结构10安装在可伸出支承臂50上时的一个特定实施例。可伸出支承臂50能够有若干附加位置。如图5A中所示，它能够使成像射束源121和成像射束接收器141在无偏移位置中使用，即在等距点使用。成像射束接收器和成像射束源可以以两种不同方式在等距点中使用： 
-可旋转结构不旋转。成像系统可以用于获取病人的静止X射线照相，例如用于根据骨标志物来检查病人位置。替代地，成像系统可以用于荧光检查。在荧光检查中，获取一系列射线照片，以便监测病人的动作，例如监测病人的呼吸循环。 
-可旋转结构旋转。成像接收器和成像射束源绕病人旋转，以便获取一系列投影。与锥形射束计算机断层相比，由于与喷嘴几何冲突，它不能绕病人旋转360°。只能记录沿圆弧的一组局部投影。可使用算法能够来根据该不完整数据组重新构造病人的3D结构，例如使用数字层析X射线照相组合(tomosynthesis)。 
替代地(见图5B)，只有可伸出或可枢轴转动臂12可以退回。这时，成像射束接收器能够与喷嘴中的X射线管组合使用。 
在另一优选实施例中，病人定位成像装置可有能够伸出和退回的臂，来代替可折叠枢轴转动臂。同样，可折叠枢轴转动结构可以由可伸出结构代替。图6A表示了处于退回位置的可旋转结构10。图6B表示了处于伸出位置的可旋转结构10。成像射束接收器141和成像射束源121都伸出。可旋转结构相对于图6A中所示位置逆时针方向旋转超过45°。图6C表示了处于伸出位置的可旋转结构。除了图6B之外，成像射束接收器141沿与由可旋转结构的旋转轴线和成像射束源确定的平面垂直的方向移动，以便提供更大的成像体积。图6D表示了本发明的一个重要优点。它显示通过处于退回位置的可旋转结构，提供可选成像技术的另一成像结构能够伸出。换句话说，图6D表示了可旋转结构10可适合使用其它成像技术。在图6E中，可旋转结构再次伸出。可伸出支承臂50也处于伸出位置。这使得能够在无偏移位置使用在可伸出结构上的成像射束接收器和在可伸出臂上的成像射束源，如前所述。最后，图6F表示了可旋转结构处于退回位置以及滚转底板也处于退回位置。 
本发明还涉及一种用于在开始强子治疗之前确定病人定位信息的方法。 
首先需要规定“CBCT设置位置”的概念。该位置的目的完全与普通“设置位置”相同。这两个位置之间的区别只是沿台架轴线方向的给定偏移。典型距离在850至1000mm的范围内，这可通过目前的病人定位装置来获得。 
一旦计算了位置校正(使用CBCT)，临床医生将使用病人定位装置来进行所需的平移以及等距点旋转加上沿台架轴线方向的相反给定偏移。该方法包括以下步骤： 
1.使病人置于床上并靠近治疗位置； 
2.展开前述病人定位成像装置的可枢轴转动臂12和可枢轴转动结构14； 
3.利用病人定位器来将该床定位在沿可旋转台架的旋转轴线方向的偏移位置处； 
4.使得病人定位成像装置的可旋转结构10旋转，生成一系列CBCT照片； 
5.计算病人的3D图像； 
6.将3D图像与来自治疗计划系统(TPS)的图像比较(人工或自动)，以便计算病人定位器的校正矢量； 
7.根据所述校正矢量来使病人定位器运动至经校正的位置。 
应当知道，在以下的任意时间点： 
·  在进入“CBCT设置位置”(即偏移位置)之前 
·  在“CBCT设置位置”和治疗位置之间 
·  当病人处于治疗位置时和在治疗之前，临床医生总是能够进行一次或多次正交X射线照相，并将它们与相应DRR比较，以便他能够检查他的对准处理，并在需要使采取行动。 
可旋转结构10安装在可伸出支承臂50上的实施例可以有利地用于用来确定病人位置或用来确定病人的呼吸循环阶段的方法中，该方法用于强子射束治疗。该方法包括以下步骤： 
-使病人置于床28上并靠近治疗位置； 
-展开前述病人定位成像装置的所述可枢轴转动结构和可枢轴转动臂，或者伸出所述可伸出结构和可伸出臂； 
-伸出可伸出支承臂50，以便使病人定位成像装置处于等距点； 
-利用射线照相或荧光检查来给病人成像，以便确定关于病人的位置或病人的呼吸循环的信息。 
利用本发明的设计和方法，通过在使可旋转台架(20)保持于固定位置时使得可旋转结构(10)旋转，可以获得在不同角度的一系列CBCT照片。用于强子治疗装置的可旋转台架(20)是较重装置，且在获取图像的时间中不能容易地运动。 

Claims (12)

1.一种用于在强子治疗装置中将病人定位的病人定位成像装置，病人同时躺在床(28)上，所述强子治疗装置包括可旋转台架(20)，所述病人定位成像装置包括可旋转结构(10)，该可旋转结构(10)设置有：可伸出臂或可折叠枢轴转动臂(12)，该可伸出臂或可折叠枢轴转动臂(12)布置成用于连接成像射束源(121)；以及可伸出结构或可折叠枢轴转动结构(14)，该可伸出结构或可折叠枢轴转动结构(14)布置成用于承载成像射束接收器(141)，所述成像射束源(121)和所述成像射束接收器(141)构造成当所述可伸出臂或可折叠枢轴转动臂(12)以及所述可伸出结构或可折叠枢轴转动结构(14)处于伸出或展开位置时对病人进行锥形射束计算机断层照相，所述可旋转结构(10)与所述可旋转台架(20)相结合且布置成独立于所述可旋转台架(20)进行转动，
其特征在于：所述可旋转结构(10)布置成能够以0°到360°之间的任何转动角度对病人进行锥形射束计算机断层照相，同时所述可旋转台架(20)保持于同一固定的角度；
所述床(28)用于进行锥形射束计算机断层照相时的位置不同于在利用所述强子治疗装置进行辐射时的位置，所述位置的不同为沿所述可旋转台架(20)的转动轴线的偏离。
2.根据权利要求1所述的病人定位成像装置，其中：所述成像射束源(121)包括成像X射线辐射源。
3.根据权利要求1或2所述的病人定位成像装置，其中：所述成像射束接收器是平图像面板。
4.根据权利要求1所述的病人定位成像装置，其中：所述可折叠枢轴转动臂(12)还包括孔(122)，从而当所述可折叠枢轴转动臂(12)处于折叠位置时允许X射线束通过所述可折叠枢轴转动臂。
5.根据权利要求1所述的病人定位成像装置，其中：所述可折叠枢轴转动臂(12)和所述折叠可枢轴转动结构(14)有不同长度。
6.根据权利要求1所述的病人定位成像装置，其中：所述可旋转结构(10)还包括至少一个凹口(30)。
7.根据权利要求1所述的病人定位成像装置，其中：所述强子治疗装置的所述可旋转结构(10)和所述可旋转台架(20)有相同的旋转轴线。
8.根据权利要求1所述的病人定位成像装置，其中：所述可旋转结构(10)安装在所述可旋转台架(20)的后面。
9.根据权利要求8所述的病人定位成像装置，其中：所述可旋转结构(10)通过可伸出支承臂(50)安装在所述可旋转台架(20)的后面。
10.根据权利要求6所述的病人定位成像装置，还包括：可伸缩结构，平面板安装在该可伸缩结构上，所述可伸缩结构能够在所述凹口(30)上面移动。
11.一种用于确定病人定位信息的方法，该定位信息用于强子射束治疗中，它包括以下步骤：
使病人置于床(28)上并靠近治疗位置；
展开如权利要求1-10之一所述的病人定位成像装置的所述可折叠枢轴转动结构和所述可折叠枢轴转动臂或者伸出所述可伸出结构和所述可伸出臂；
利用病人定位器来将所述床定位在沿所述可旋转台架的旋转轴线方向的偏移位置处；
使得可旋转结构(10)旋转，以便获得一系列锥形射束计算机断层照片；
根据所述一系列锥形射束计算机断层照片来计算病人的3D图像；
将3D图像与来自治疗计划系统的图像比较，以便计算所述病人定位器的校正矢量；
根据所述校正矢量来使所述病人定位器运动至经校正的治疗位置。
12.一种确定关于病人的位置或呼吸循环阶段的信息的方法，所述信息用于强子射束治疗中，该方法包括以下步骤：
使病人置于床(28)上并靠近治疗位置；
展开如权利要求1-10之一所述病人定位成像装置的所述可折叠枢轴转动结构和所述可折叠枢轴转动臂，或者伸出所述可伸出结构和可伸出臂；
伸出可伸出支承臂(50)，以便使病人定位成像装置处于所述强子治疗装置的等距点处；
利用射线照相或荧光检查来给病人成像，以便确定关于病人的位置或病人的呼吸循环的所述信息。
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