三维医学图像的勾画的制作方法

专利名称：三维医学图像的勾画的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学成像领域，以及特别地涉及在三维医学图像上勾画所关 心的体积结构。
背景技术：
诸如肿瘤和病变的病理解剖体可由例如手术的侵入性操作治疗，但所述 侵入性操作对病人可能是有害的并且很危险。治疗病理解剖体(例如肿瘤、 病变、血管畸形、神经错乱等)的非侵入性方法是体外放射疗法。在体外放 射疗法的一种类型中，在病人定位成使肿瘤位于射束的旋转中心(等中心) 的情况下，外部放射源用于将一系列的X射线射束从多个角度对准肿瘤部位。 随着放射源的角度的改变，每个射束穿过肿瘤部位，但在其到达肿瘤的途中 穿过健康组织的不同区域。结果，肿瘤处的累积的放射剂量是高的，并且对 健康组织的平均放射剂量是低的。
术语"放射疗法"是指放射被施加到目标区域用于治疗目的而不是坏死 目的的操作。与放射手术时段中使用的放射量相比，在放射疗法时段中使用 的放射量通常小大约一个数量级。放射治疗的典型特征在于每次治疗的低剂
量(例如100-200厘戈瑞(cGy))、短的治疗时间(例如，每次治疗10到30 分钟)和超分割(例如30到45天的治疗)。为了方便起见，除非以其它方 式指出，这里使用的术语"放射治疗"包括放射手术和/或放射疗法。
传统地，医学成像用来表示病人的二维视图。例如计算断层扫描(CT) 的现代解剖成像手段可以提供从CT切片的集合产生的病人体(例如，颅骨 或身体的病理解剖体承受部分)的精确的三维模型。每个CT切片对应于病 人的横截面。这些CT切片通常每1.25或3毫米获得一个，使得一组图像代表所关心的体积的三维模型。
常规的治疗计划软件包被设计成从诊断成像源导入3D图像，所述诊断
成像源例如磁共振成像(MRI)、正电子发射断层显像(PET)扫描、血管造 影照片以及计算机化的x射线断层扫描(CT)。在治疗计划期间，对于给予 的放射剂量，使用来自解剖成像(例如CT)和/或功能成像的所关心的体积 (VOI)来勾画目标的结构或被避免的结构。图1显示了用于定义所关心的 体积(VOI)结构的常规轮廓集合。该轮廓集合包括多个图像切片，其中包 括末端切片和中间切片。所关心的体积结构可以被定义为在多个图像切片中 的平面、闭合多边形的集合。多边形顶点的坐标被定义为来自图像原点的给 定单位的x、 y、 z分支。由于有限的处理能力，常规的治疗计划系统通常不 使用在集合内的每个二维切片。而是，常规的治疗计划系统使用在非相邻切 片(例如，每第十个切片)间的线性插值来最小化被分配来定义所关心的体 积结构的时间和能量。然而，线性插值不能考虑病理解剖体形态，例如仅在 中间切片可见的缺口和突出物被忽略并且被插值轮廓所代替。
所关心的体积结构可包括目标区域和关键区域。目标区域是放射被对准 用于治疗和手术目的的所关心的体积结构。关键区域是避免放射治疗的所关 心的体积结构。例如，脊柱区域的CT切片可包括要被治疗的病理解剖体(例 如肿瘤、病变、动静脉畸形等)目标区域和要避免的邻近的正常解剖体(例 如，内部器官)关键区域。治疗计划软件勾画在二维CT图像切片上的目标 和关键区域。常规地，用户手动地在医学成像显示器上显示的二维图像上勾 画点来产生相应的轮廓。理想地，所有切片的所关心的体积轮廓应该与其三 维体积上相应的目标或关键区域相匹配。由于病理和正常解剖体的三维本质 和不规则性，这种匹配是很困难的。例如，二维勾画对复杂的所关心的体积 结构例如血管结构的适用性是有限的。


在附图中以示例的方式而不是以限制的方式对本发明进行说明。 图1示出了便于二维勾画的轮廓集合； 图2示出了三维图像的一个实施方式；
图3示出了在三维图像上的子体积边界的一个实施方式； 图4示出了在三维图像上的子体积的一个实施方式；
图5示出了对应于在三维图像上的子体积的二进制子体积的一个实施方
式；
图6示出了第一和第二所关心的体积结构被二进制屏蔽的二进制子体积 的另一个实施方式；
图7示出从二进制子体积得到的轮廓集合的一个实施方式；
图8示出了多轮廓集合的统一建模语言(UML)表示的一个实施方式；
图9示出了勾画方法的一个实施方式；
图10示出了可用于实施放射治疗的治疗系统的一个实施方式，在所述 放射治疗中本发明的实施方式可以被执行；
图11为示出治疗输送系统的一个实施方式的示意框图； 图12示出了放射治疗过程的三维透视图。
具体实施例方式
为了提供对本发明的几个实施方式的好的理解，下面的描述提出了许多 具体细节，例如具体系统、组件、方法等的示例。然而，对于本领域技术人 员来说显然的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的至少一些 实施方式。换句话说，熟知的组件或方法没有被详细地描述或者以简单框图 的形式被示出，以便避免不必要地模糊本发明。因此，提出的具体细节仅是 示例性的。特定实施可能根据这些示例性的细节而变化，并且仍然预期在本发明的精神和范围之内。
描述方法和设备的实施方式以在三维医学图像上勾画所关心的体积结 构。在一个实施方式中，该方法包括接收包含所关心的体积结构的三维图像， 以及在三维图像内勾画所关心的体积结构。机器可读存储介质包括便于该方 法的操作的指令。设备的一个实施方式包括存储三维图像的数据存储装置和 勾画三维图像的所关心的体积结构的数字处理装置。设备的另一个实施方式 包括用于显示三维图像的工具、用于在所关心的体积结构和另一个解剖结构 之间区别的工具、以及用于描述三维图像上的所关心的体积结构的工具。
图2示出了三维图像100的一个实施方式。三维图像100可以是三维
CT图像、三维MRI图像或者通过其它形式获得的三维图像。三维图像100 可以在显示器上被显示，所述显示器例如阴极射线管(CRT)显示器、液晶 显示器(LCD)或者包括医学成像显示器的其他类型的显示器。
所描述的三维图像100包括肿瘤110和几个关键结构115、 120、 125和 130。肿瘤110代表任何类型的目标区域。为了方便，肿瘤110可替换地称 为目标区域110，除非以其它方式指出。目标区域110也可以被认为是所关 心的体积(VOI)结构(也简单地称为所关心的体积)。类似地，关键区域 115、 120、 125和130可单独地被指定为所关心的体积结构。为了方便，关 键结构115的引用代表任何或所有关键区域115、 120、 125、 130的引用， 除非以其它方式指出。
放射治疗计划系统可以使用正向计划和反向计划以确定用于目标区域 IIO和关键区域115的放射剂量。在正向计划中，医学物理学家或其他用户 确定施加到肿瘤110的放射剂量，以及然后计算多少放射将被关键结构115 和其它健康组织吸收。相反，反向计划允许医学物理学家或其他用户单独地 指定用于肿瘤110的最小剂量和最大剂量以及用于关键区域115和其它健康 组织的最大剂量。然后，治疗计划软件选择放射射束的数量以及每个放射射束的方向、距离和能量。
目标区域110和关键结构115的勾画通过独立地识别目标区域110和关
键结构115以便于反向计划。在反向计划期间，对应于目标区域110和关键 结构115的所关心的体积(VOI)结构被用来对于给予的放射剂量在目标的 或要避免的结构之间进行区别。也就是，放射源被定位成使放射剂量局限于 符合尽可能接近要用于放射治疗的目标区域110的所关心的体积结构，同时 避免对附近关键结构115和其它健康组织的照射。 一旦定义了目标区域110 的所关心的体积结构，以及指定了关键结构115和软组织结构的所关心的体 积结构，负责的放射肿瘤学家或医学物理学家指定对于所关心的目标体积结 构的最小和最大放射剂量以及对于所关心的正常和关键体积结构的最大剂 量。然后软件根据放射治疗系统的定位能力产生反向治疗计划，以满足治疗 计划的最小和最大剂量的限制。
有效的放射治疗系统的两个主要考虑因素是协调性和均匀性。均匀性是 目标区域110上的放射剂量的一致性，并且可由剂量体积直方图(DVH)表 征。对于目标区域的理想的剂量体积直方图可以是矩形函数，其中指定剂量 的百分之百照射目标区域110。对于关键结构的理想剂量体积直方图是零函 数，其中关键结构115没有接收放射。协调性是放射剂量匹配(也就是符合) 目标区域110的形状和广度的程度以避免对邻近的关键结构115的损害。更 具体地，协调性是在所关心的目标体积结构内的处方(Rx)剂量的量的调节。 协调性可以使用协调性指标来度量，所述协调性指标定义了接收至少处方剂 量的总体积的量与接收处方剂量的目标区域110的量之间的比值。完美的协 调性结果是协调性指标等于1，这表示只有目标区域iio接收处方剂量。
为了帮助医学临床医生勾画所关心的体积结构，治疗计划软件可对三维 图像100应用滤波器来给不同结构的密度的每个三维像素赋予不同的灰度值 或色彩以及不透明度。例如，肿瘤110可具有与血管的关键结构115不同的不透明度。不透明度可以与由成像放射产生的结构的频率响应有关。在一个 实施方式中，三维图像100可以用不同的颜色来显示以指示不同的结构。可 以被使用的滤波器的一个示例是窗位(W/L)滤波器。可选地，例如基于曲 线的滤波器的其它滤波器可以被使用。滤波提供了观察三维图像100的灵活 性，因为医学临床医生可以选择显示特定的滤波层并隐藏其它滤波层。例如， 可以将对应于病人皮肤的三维结构指派给滤波器，该滤波器可以被关闭从而 不显示。在三维图像内打开或关闭滤波器层允许用户孤立特定的目标区域
110和关键结构115，这可用于正向和/或反向计划勾画。在描述的实施方式 屮，肿瘤110比关键结构115以更暗的阴影示出，以显示肿瘤110可能在与 关键结构115不同的滤波器层上。另外，取决于所使用的滤波器的类型和滤 波器使用的结构特征，每个关键结构可以是单独的滤波器层。
图3示出了在三维图像IOO上的子体积边界150的一个实施方式。除了 滤波器，治疗计划软件还可允许用户定义在三维图像100上的子体积边界 150以仅显示子体积边界150内的结构。在子体积边界150外的其它结构可 从向用户显示的三维图像100中排除，以使得用户能够更容易地识别某些目 标区域IIO和关键结构115。在一个实施方式中，子体积边界150可以是叠 加在三维图像100上的二维形状。通过旋转三维图像100并画出多个二维子 体积边界150，用户可以有效地把显示的三维图像100限制为三维子体积。 可选地，子体积边界150可以是三维形状，例如线网状球形、矩形或其它形 状。
图4示出了在三维图像100上的子体积155的一个实施方式。子体积155 对应于由子体积边界150所定义的三维体积。只显示子体积155而不显示三 维图像100的全部体积的一个优点是能够把目标区域IIO和关键结构115从 周围结构和组织中隔离。目标子体积155与整个三维图像100的体积相比的 另 一个优点是勾画算法可耗费更少的时间和处理器用来勾画在小的子体积155内的结构。这样，滤波和子体积函数可以允许用户在图形显示器上呈现
三维图像100的体积内充分地把目标区域110和关键结构115相互隔离并从
其它结构完全隔离。三维隔离可显著地增强用户的能力和速度来识别所关心 的特定体积的轮廓，特别是与在多个两维切片上勾画分离的轮廓相比。
图5示出了对应于在三维图像100上的子体积155的二进制子体积160 的一个实施方式。二进制子体积160是子体积155的一种表示，它在子体积 155内分配至少一个二进制值给每个体积元素，或三维像素。在一个实施方 式中，三维像素可以代表具有维数大约为0.5比0.5比1.25毫米的体积。每 个三维像素与具有32比特(也就是4个字节)的字相关。可选地，其它数 目的比特可以与每个三维像素相关。 一个或更多比特的字可以用于指示三维 像素是否属于二进制子体积160。其它比特的字可用于指示相应的三维像素 是否属于特定结构，例如下述的所关心的体积结构。对于每个结构，给定比 特的值可以是"1"或者"0"来指示对应于所述比特所述特定三维像素是否 是所关心的体积结构的一部分。例如，用32比特的字，每个三维像素可以 被指派为属于最多32个所关心的体积结构。
图6示出了所关心的第一和第二体积结构205和210被二进制屏蔽的二 进制子体积200的另一个实施方式。作为示例，所关心的第一体积结构205 可以表示目标区域110。所关心的第二体积结构210可代表关键结构115。 每个有阴影线的立方体示出属于所关心的第一或第二体积结构205和210的 三维像素，而没有阴影线的立方体表示不属于所关心的第一或第二体积结构 205和210的三维像素。
示出的第一字215表示对应于在所关心的第一体积结构205内的三维像 素的字。第一字215的第i比特指示相应的三维像素是否属于所关心的第一 体积结构205。因此，与所关心的第一体积结构205相关的所有三维像素在 第i比特具有"1"比特的值。与所关心的第一体积结构205不相关的所有三维像素在第i比特具有"0"比特的值。相似地，示出的第二字220表示对应
于在所关心的第二体积结构210内的三维像素的字。第二字220的第j比特 指示相应的三维像素是否属于所关心的第二体积结构210。因此，与所关心 的第二体积结构210相关的所有三维像素在第j比特具有"l"比特的值，以 及与所关心的第二体积结构210不相关的所有三维像素在第j比特具有"0" 比特的值。在一些情况下，单个三维像素可以属于多个所关心的体积结构， 在这种情况下，在所述三维像素的相应的字内的几个比特可以有"1"比特 的值。否则，如果在二进制子体积200内的三维像素与二进制子体积200内 的所关心的任何体积结构205或210不相关，则对应于所述三维像素的字的 所有比特将具有"0"比特的值。在一些实施方式中，二进制子体积200或 单独的所关心的二进制体积结构205或210可以被称为比特屏蔽或二进制屏 蔽。
图7示出了从二进制子体积160得到的轮廓集合250的一个实施方式。 轮廓集合250包括几个轮廓切片255、 260和265。为了方便，轮廓切片255 的引用代表所有轮廓切片255、 260和265，除非以其它方式指出。每个轮廓 切片255可以对应在图5中示出的二进制子体积160的层。每个轮廓切片255 显示在二进制子体积160内的所关心的体积结构205和210的至少一个的轮 廓。虽然示出了每个轮廓切片255的一个轮廓，其它实施方式可以包括每个 轮廓切片255的多个轮廓。可选地，每个轮廓集合250可以对应单个所关心 的体积结构205和210。
在一个实施方式中，单独的轮廓通过识别在所关心的体积结构205或 210的边界上的不同的点270来形成。然后，用至少一个线性或曲线近似值 270连接被识别的点。在另一个实施方式中，治疗计划软件可识别在所关心 的体积结构205或210的边界上的所有三维像素。换句话说，定义所关心的 体积结构的边界的实际三维像素可被用于获得轮廓切片255。图8示出了多轮廓集合305的统一建模语言(UML)表示300的一个实 施方式。统一建模语言是用于软件加强系统的伪像的可视化、具体化、构造 以及编制文档。统一建模语言提供了标准的方式来写编程语言声明、数据库 模式以及软件组件。统一建模语言的更详细的讨论在这里不提供，因为统一 建模语言在现有技术中是已知的。
所描述的UML表示300包括四级数据结构多轮廓集合数据结构305、 一个或多个轮廓集合数据结构310、 一个或多个轮廓切片数据结构315以及 一个或多个轮廓数据结构320。对于每一级，代表的切片和/或轮廓以下述的 相应的排列示出。特别地，如上面参照图7所述，轮廓集合级310对应于给 定的所关心的体积结构205。
多轮廓数据结构305是子体积150内所有所关心的体积结构205的编辑。 相应的多轮廓集合306代表所有所关心的体积结构205的所有切片。几个轮 廓集合数据结构310可以被使用来形成多轮廓集合数据结构305。每个轮廓 集合311-313包括用于单个所关心的体积结构205的几个切片。所关心的体 积结构205可以是目标区域110、关键结构115、其它组织、剂量等量线或 例如医学临床医生的用户所定义的其它勾画。在所示出的示例中，3个轮廓 集合311-313组成了多轮廓集合306。虽然示出了 3个轮廓集合311-313，其 它多轮廓集合306可包括更少或更多的单独的轮廓集合311-313。 一个或多 个轮廓切片数据结构315组成了轮廓集合数据结构310。单独的轮廓切片 316-318对于相应的轮廓集合311-313被示出。对于每个轮廓切片数据结构 315，相应的轮廓数据结构320可以被识别。例如，每个轮廓切片316-318 具有相应的轮廓321-323。
一系列布尔运算符被用于合并轮廓集合数据结构310以描述多轮廓数据 结构305。例如，取决于给定的所关心的体积结构205的特征，多轮廓集合 可以用布尔OR运算符(U)或AND运算符(n)被定义。例如，当第一VOI结构表示目标区域110以及第二 VOI结构表示目标区域110内的洞或腔 时，作为结果的多轮廓集合306可以由以下等式表示
ra/ =鼎i 。
可以做出布尔算法的其它变化来说明关键结构115和可以关于放射治疗 被考虑的其它解剖特征。例如，虽然上面的实施例包括单个腔，其它算法也 可以描述具有多个腔的目标区域110。
另外，合并的轮廓集合311-313不全都需要互相在同一平面。例如，在 轴向定义的立体区域可以与在径向定义的腔合并。 一些解剖部位在一个平面 比在另一个平面能更好地观察。这样，需要利用在不同的平面获取的图像。 另外，上面讨论的布尔运算符也可被用于定义具有分支、突出、缺口或其他 非线性特征的所关心的体积。
图9示出了勾画方法350的一个实施方式。所描述的勾画方法350可以 在下述的放射治疗系统的治疗计划系统上被实施。勾画方法350开始，并且 治疗计划系统接收355例如图1的三维图像100的三维图像。三维图像包括 例如所关心的体积结构110和115的所关心的体积结构。三维图像也可包括 关键结构、组织和其它解剖特征。
然后，治疗计划系统过滤360三维图像来区别三维图像中的不同类型的 结构。在一个实施方式中，用户通过在治疗计划系统的图形显示器上做出选 择来使控制治疗计划系统过滤三维图像。然后，用户定义365三维图像的子 体积。可选地，用户可以在过滤360三维图像之前定义365子体积从而使得 治疗计划系统360只过滤在限定的子体积内的结构。在一个实施方式中，用 户可使用两维或三维子体积边界来定义在图形显示器上的子体积。
然后，治疗计划系统勾画在三维图像内的所关心的体积结构。在一个实 施方式中，用户可提供起始值(seed value),例如对应于目标区域110的密 度的值。之后，治疗计划系统找到对应于被识别的所关心的体积结构的过滤的子体积内的所有三维像素。这样，在子体积内的与被指示的所关心的体积 结构相关的每个三维像素可以被识别(例如，在对应于三维像素的比特字) 为属于特定的所关心的体积结构。另外，治疗计划系统可以识别与其它所关 心的体积结构相关的其它三维像素。在治疗计划系统勾画370所关心的体积 结构之后，治疗计划系统自动识别勾画的所关心的体积结构的二维和三维轮
廓。之后，示出的勾画方法350结束。
图10示出了可用于实施放射治疗的治疗系统500的一个实施方式，其 中本发明的特征可以被执行。所描述的治疗系统500包括诊断成像系统510、 治疗计划系统530和治疗输送系统550。在其它实施方式中，治疗系统500 可包括更少或更多的组件系统。
诊断成像系统510可以代表能够产生病人中的所关心的体积(VOI)的 医学诊断图像的任何系统，所述图像可用于随后的医学诊断、治疗计划和/ 或治疗输送。例如，诊断成像系统510可以是计算机断层扫描(CT)系统、 磁共振成像(MRI)系统、正电子发射断层扫描(PET)系统、超声系统或 者其他类似的成像系统。为了便于讨论，对于例如CT x射线成像系统的特 定成像系统的这里的任何具体引用通常代表诊断成像系统510，并不排除其 它成像形态，除非以其它方式指出。
示出的诊断成像系统510包括成像源512、成像检测器514和数字处理 系统516。成像源512、成像检测器514和数字处理系统516经由例如总线 的通信信道518互相耦合。在一个实施方式中，成像源512产生成像射束(例 如，x射线、超声波、无线电波等)以及成像检测器514检测和接收成像射 束。可选地，成像检测器514可以检测和接收次级成像射束或由来自成像源 的成像射束激励的发射(例如，在MRI或PET扫描中)。在一个实施方式中， 诊断成像系统510可包括两个或更多诊断成像源512以及两个或更多对应的 成像检测器514。例如，两个x射线源512可以被布置在要被成像的病人周围，以彼此分开成角度(例如，90度、45度等)的方式被固定，并且穿过
病人对准对应的成像检测器514，该成像检测器514可沿直径方向与成像源 514相对。单个大的成像检测器514或多个成像检测器514也可以由每个x 射线成像源514照亮。可选地，可使用其它数量和配置的成像源512和成像 检测器514。
成像源512和成像检测器514耦合到数字处理系统516以在诊断成像系 统510内控制成像操作和处理图像数据。在一个实施方式中，数字处理系统 516可以与成像源512和成像检测器514通信。数字处理系统516的实施方 式可以包括一个或多个通用处理器(例如微处理器)、例如数字信号处理器 (DSP)的专用处理器、或例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)的其 它类型的装置。数字处理系统516也可包括其它组件(未示出)，例如存储 器、存储装置、网络适配器等。在一个实施方式中，数字处理系统516以标 准的格式产生数字诊断图像，例如以医学中的数字成像和通信(DICOM) 格式。在其它实施方式中，数字处理系统516可产生其它标准或非标准数字 图像格式。
另外，数字处理系统516可通过数据链路560传输例如DICOM文件的 诊断图像文件到治疗计划系统530。在一个实施方式中，数据链路560可以 是直接链路、局域网(LAN)链路、诸如因特网的广域网(WAN)链路、 或其他类型的数据链路。此外，在诊断成像系统510和治疗计划系统530之 间传输的信息可以被拉或推过数据链路560，例如在远程诊断或治疗计划配 置中。例如，用户可利用本发明的实施方式来进行远程诊断或计划治疗，而 不考虑系统用户和病人之间的物理分离的存在。
示出的治疗计划系统530包括处理装置532、系统存储器装置534、电 子数据存储装置536、显示器装置538以及输入装置540。处理装置532、系 统存储器534、存储装置536、显示器538以及输入装置540可以通过例如总线的一个或多个通信信道542耦合在一起。
处理装置532接收并处理图像数据。处理装置532也在治疗计划系统530 内处理指令和操作。在某些实施方式中，处理装置532可包括一个或多个通 用处理器(例如微处理器)、例如数字信号处理器(DSP)的专用处理器、 或例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA)的其它类型的装置。
特别地，处理装置532可被配置成执行指令来实施这里讨论的治疗操作。 例如，处理装置532可识别病人内目标的移动的非线性路径，并且产生移动 的非线性路径的非线性模型。在另一实施方式中，处理装置532可基于多个 位置点和多个方向指示器产生非线性模型。在另一实施方式中，处理装置532 可产生多个相关模型并选择所述多个模型的其中一个来获得目标的位置。此 外，处理装置532便于其它诊断、计划以及涉及这里描述的操作的治疗操作。
在一个实施方式中，系统存储器534可包括随机存取存储器(RAM) 或其它动态存储装置。如上所述，系统存储器534通过通信信道542耦合到 处理装置532。在一个实施方式中，系统存储器534存储要由处理装置532 执行的信息和指令。系统存储器534也可用于在处理装置532执行指令期间 存储临时变量或其它中间信息。在另一实施方式中，系统存储器534也可包 括只读存储器(ROM)或其它静态存储装置，用来存储用于处理装置532 的静态信息和指令。
在一个实施方式中，存储器536代表用来存储信息和指令的一个或多个 大量存储装置(例如，磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等)。存储装 置536和/或系统存储器534也可称为机器可读介质。在特定实施方式中，存 储装置536可存储指令来实施这里讨论的建模操作。例如，存储装置536可 以存储指令来获取和存储数据点、获取和存储图像、识别非线性路径、产生 线性和/或非线性相关模型、从多个模型中选择相关模型等等。在另一实施方 式屮，存储装置536可包括一个或多个数据库。在一个实施方式中，显示器538可以是阴极射线管(CRT)显示器、液 晶显示器(LCD)或其它类型的显示装置。显示器538对用户显示信息(例 如，VOI的二维或三维表示)。输入装置540可包括一个或多个用户接口装 置，例如键盘、鼠标、跟踪球或类似装置。输入装置540也可用于传送方向 信息，从而选择用于处理装置532的命令并在显示器538上控制光标移动等
虽然这里描述了治疗计划系统530的一个实施方式，但所描述的治疗计 划系统530仅代表示例性的治疗计划系统530。治疗计划系统530的其它实 施方式可具有许多不同的配置和结构并且包括更少或更多的组件。例如，其 它实施方式可包括多条总线，例如外围总线或专用缓存总线。此外，治疗计 划系统530也可包括医学图像检查和导入工具(MIRIT)以支持DICOM导 入从而使得图像可被融合并且目标在不同系统上被勾画并随后导入治疗计 划系统530以便计划和剂量计算。在另一实施方式中，治疗计划系统530也 可包括扩展的图像融合能力，该扩展的图像融合能力允许用户在例如MRI、 CT、 PET等的各种成像形态的任一个上进行计划治疗和观察剂量分布。此 外，治疗计划系统530可包括常规治疗计划系统的一个或多个特征。
在一个实施方式中，治疗计划系统530可与治疗输送系统550共享在存 储装置536上的数据库，使得治疗输送系统550可以在治疗输送之前或在治 疗输送期间访问数据库。治疗计划系统530可通过数据链路570链接到治疗 输送系统550，该数据链路可以是如上面关于数据链路560所论述的直接链 路、LAN链路或WAN链路。当LAN、 WAN或其它分布的连接被实施时， 治疗系统500的任何组件可以处于分散的位置，使得单独的系统510、 530、 550可以在物理上彼此远离。可选地，诊断成像系统510、治疗计划系统530 或治疗输送系统550的一些或所有功能特征可以彼此集成在治疗系统500 中。示出的治疗输送系统550包括放射源552、成像系统554、数字处理系 统556和治疗床558。放射源552、成像系统554、数字处理系统556和治疗 床558可通过一个或多个通信信道560互相耦合。治疗输送系统550的一个 实施例被示出并参照图11更详细地被描述。
在一个实施方式中，放射源552是治疗学的或外科的放射源552，以依 照治疗计划施加指定的放射剂量到目标体积。例如，目标体积可以是内部器 官、肿瘤、区域。为了方便，这里的目标体积或目标的引用是指任何的整个 或部分器官、肿瘤、区域或经受治疗计划的其它被勾画的体积。
在一个实施方式中，治疗输送系统550的成像系统554捕获病人体积(包 括目标体积)的内部治疗图像，用来与上述诊断图像配准或关联，以便相对 于放射源定位病人。与诊断成像系统510相似，治疗输送系统550的成像系 统554可包括一个或多个源以及一个或多个检测器。
治疗输送系统550也可包括数字处理系统556以控制放射源552、成像 系统554以及治疗床558，该治疗床558代表任何病人支撑装置。数字处理 系统556可包括一个或多个通用处理器(例如微处理器)、例如数字信号处 理器(DSP)的专用处理器、或例如控制器或现场可编程门阵列(FPGA) 的其它装置。另外，数字处理系统556可包括其它组件(未示出)，例如存 储器、存储装置、网络适配器等。
图11为示出了治疗输送系统550的一个实施方式的示意框图。所描述 的治疗输送系统550包括线性加速器(LINAC) 552形式的放射源552以及 如上所述的治疗床558。治疗输送系统550也包括多个成像x射线源575和 检测器580。两个x射线源575可以名义上对准以在至少两个不同的角位置 (例如，分开90度、45度等)投射穿过病人的成像x射线射束，并穿过治 疗床558上的病人对准相应的检测器580。在另一实施方式中，可使用由每 个x射线成像源575照亮的单个大的成像器。可选地，可使用其它数量和配置的成像源575和检测器580。在一个实施方式中，治疗输送系统550可以 是图像引导的基于机器人的放射治疗系统(例如，用来执行放射手术)，例 如由加利福尼亚州森尼维耳市的艾可瑞公司(Accuray Incorporated)开发的 CYBERKNIFE⑧系统。
在示出的实施方式中，LINAC 552安装在机器人臂590上。该机器人臂 590可具有多个(例如5个或更多)自由度，以便正确地定位LINAC 552从 而在病人周围的操作体积中用从许多角度输送的射束照射例如病理解剖体 的目标。用治疗输送系统550实施的治疗可涉及具有单个等中心(汇聚点)、 多个等中心或没有任何特定等中心(即，在目标内，射束仅需要与病理目标 体积相交而不必汇聚在单个点或等中心上)的射束路径。此外，如在治疗计 划期间确定的，治疗可在单个时段(单部分(mono-fraction))中或在少数时 段(次分级(hypo-fractionation))中被输送。在一个实施方式中，治疗输送系 统550根据治疗计划输送放射射束，而不需要在手术前治疗计划阶段期间将 病人固定到刚性的外部框架以将目标体积的内部手术位置与目标体积的位 置对准。
如上所述，数字处理系统556可实施算法以将从成像系统554获得的图 像与从诊断成像系统510获得的手术前治疗计划图像对准，以便在治疗输送 系统550内校正病人在治疗床558上的位置。另外，这些图像可用于相对于 H标体积或目标精确定位放射源552。
在一个实施方式中，治疗床558可耦合到具有多个自由度的第二机器人 臂(未示出)。例如，第二臂可具有五个旋转自由度和一个大体上竖直的线 性自由度。可选地，该第二臂可具有六个旋转自由度和一个大体上竖直的线 性自由度。在另一实施方式中，该第二臂可具有至少四个旋转自由度。另外， 该第二臂可竖直地安装到柱或壁上，或者水平地安装到基座、地板或天花板 上。可选地，治疗床558可以是另一机械机构的组件，该机械机构例如由加利福尼亚州森尼维耳市的艾可瑞公司开发的AXUM⑧治疗床。在另一实施方
式中，治疗床558可以是包括常规治疗台的其他类型的治疗台。
虽然在上面描述了一种示例性的治疗输送系统550，但是治疗输送系统 550可以是其他类型的治疗输送系统。例如，治疗输送系统550可以是基于 机架(等中心)的强度调制放射疗法(IMRT)系统，其中放射源552 (例如， LINAC)以该放射源在对应于病人的轴切片的平面上旋转的方式安装在机架 上。放射可以从旋转的圆平面上的几个位置被输送。在另一实施方式中，治 疗输送系统550可以是立体定向框架系统，例如可以从瑞典的医科达公司 (Elekta )得到的GAMMAKNIFE 。
图12示出了放射治疗过程的三维透视图。特别地，图12描述了指向目 标区域110的几个放射射束。在一个实施方式中，目标区域110可代表内部 器官、病人内的区域、例如肿瘤或病变的病理解剖体、或病人的其他类型的 物体或区域。目标区域IIO在这里也可以称为目标、目标体积等等，但这些 引用中的每一个被理解为通常是指目标110，除非以其它方式指出。
示出的放射治疗过程包括第一放射射束602、第二放射射束604、第三 放射射束606和第四放射射束608。虽然显示了四个放射射束602-608，其 它实施方式可包括更少或更多的放射射束。为了方便， 一个放射射束602的 引用代表所有的放射射束602-608，除非以其它方式指出。另外，放射射束 602-608的应用的治疗次序可以独立于它们各自的顺序标识。
在一个实施方式中，四个放射射束602代表基于协调计划的射束输送， 其中放射射束602通过或终止于目标区域110内的不同的点。在协调计划中， 一些放射射束602可以或可以不交叉或汇聚在三维空间中的公共点。换句话 说，放射射束602可以是非等中心的，放射射束不必要汇聚在单个点或等中 心上。然而，放射射束602可以与一个或多个其它放射射束602全部或部分 地交叉在目标10上。在其它实施方式中，每个放射射束602的强度可以通过射束权重来确定， 所述射束权重可以由操作者或治疗计划软件设置。单独的射束权重至少部分 地取决于向目标区域IIO输送的全部指定放射剂量，以及通过一些或所有放
射射束602输送的累积放射剂量。例如，如果对于目标区域110设置了 3500 cGy的总的指定剂量，治疗计划软件可以自动地为每一个放射射束602预先 确定射束权重以平衡协调性和均匀性来达到指定剂量。协调性是放射剂量匹 配(符合)目标IO (例如，肿瘤)的形状和范围以避免损害关键的邻近结构 的程度。均匀性是放射剂量在目标区域110的体积上的一致性。均匀性可由 剂量体积直方图(DVH)表征，剂量体积直方图理想地可以是矩形函数，其 中百分之百的指定剂量将在目标区域110的体积上，而其它任何地方将是O。
应当注意，这里描述的方法和设备不限于仅使用医学诊断成像和治疗。 在替代实施方式中，这里的方法和设备可在医学技术领域之外的应用中使 用，例如工业成像和材料的非破坏性测试(例如，汽车工业中的电机组、航 空工业中的飞机机身、建筑业中的焊接和石油工业中的钻孔岩心)以及地震 勘测。在这些应用中，例如，"治疗"可广泛地指由治疗计划软件控制的操 作的实现，例如射束(例如，放射的、声学的等等)的应用。
本发明的实施方式包括这里描述的不同的操作。这些操作可以被硬件组 件、软件、固件或它们的结合执行。如这里所使用的，术语"耦合"可以指 直接耦合或通过一个或多个中间组件间接耦合。这里所描述的通过不同总线 提供的任何信号可以与其它信号时分多路传输，并且通过一条或多条公共总 线提供。另外，电路组件或模块之间的互连可以被显示为总线或单信号线。 每一条总线可选地为一条或多条单信号线，以及每条单信号线可选地为总
一些实施方式可被实施作为计算机程序产品，该计算机程序产品可包括 存储在机器可读介质上的指令。这些指令被用于给通用或专用处理器编程来执行指定操作。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读形式(例 如，软件、处理应用)存储或传输信息的任何机制。机器可读介质可包括但 不限于磁存储介质(例如，软盘)，光存储介质(例如，CD-ROM)，磁光存
储介质，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，可擦可编程存储 器(例如，EPROM和EEPROM)，闪存，电的、光的、声的或其它形式的 传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)，或其它类型的适合存储 电子指令的介质。
另外， 一些实施方式可以在分布式计算环境中实施，其中，机器可读介 质存储在多于一个的计算机系统上和/或被多于一个的计算机系统所执行。另 外，在计算机系统之间传递的信息可以被拉或推过连接计算机系统的通信介
这里描述的数字处理装置可包括一个或多个例如微处理器或中央处理 单元的通用处理装置、控制器等。可选地，数字处理装置可包括一个或多个 例如数字信号处理器(DSP)的专用处理装置、专用集成电路(ASIC)、现 场可编程门阵列(FPGA)等。在可选实施方式中，例如，数字处理装置可 以是具有多个包括核心单元和多个微型引擎的处理器的网络处理器。另外， 数字处理装置可包括通用处理装置和专用处理装置的任何结合。
虽然在这里以特定的顺序示出并描述了方法的操作，每个方法的操作顺 序可以改变以使得某些操作可以以相反的顺序执行或者某些操作可以至少 部分地与其它操作同时执行。在另一实施方式中，不同的操作的指令或子操 作可以是间歇的和/或交互的方式。
在前述说明书中，已经参考特定的示例性实施方式描述了本发明。然而， 明显的是，可以在不偏离如所附权利要求中阐述的本发明的宽泛的精神和范 围的情况下对本发明作出各种修改和改变。因此，本说明书和附图被认为是 说明性意义的而不是限制性意义的。
权利要求
1. 一种方法，该方法包括接收三维图像，其中所述三维图像包括所关心的体积结构；以及在所述三维图像内勾画出所述所关心的体积结构。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述所关心的体积结构由所述三 维图像上呈现的体积表示。
3. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括从所述三维图像中 识别三维像素集合以提供所述所关心的体积结构的二进制描述。
4. 根据权利要求3所述的方法，该方法进一步包括基于所述三维像素 集合来识别所述所关心的体积结构的轮廓。
5. 根据权利要求4所述的方法，该方法进一步包括将所述所关心的体 积结构的轮廓的表示保存到轮廓集合，其中，所述轮廓集合包括所述所关心 的体积结构的轮廓和多个其它二维轮廓。
6. 根据权利要求5所述的方法，该方法进一步包括将所述轮廓集合保 存到多轮廓集合，其中所述多轮廓集合包括所述所关心的体积结构的轮廓集 合以及对应的至少另一个所关心的体积结构的至少另一个轮廓集合。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述所关心的体积结构包括目标 结构或关键结构。
8. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括将滤波器应用到所 述三维图像以区别所述所关心的体积结构和其他的结构。
9. 根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括使标志符与所述所 关心的体积结构相关联，其中所述标识符包括亮度值或色彩值。
10. 根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括使标志符与所述所关心的体积结构相关联，其中所述标识符包括不透明度值。
11. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括定义所述三维图像 的子体积，其中所述子体积包括所述所关心的体积结构。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中定义所述子体积包括识别所述 子体积的表面。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中定义所述子体积包括识别要从 所述子体积中排除的所述三维图像的 一 部分。
14. 一种设备，该设备包括数据存储装置，用于存储包括所关心的体积结构的三维图像；以及 耦合到所述数据存储装置的数字处理装置，所述数字处理装置勾画出所 述三维图像的所述所关心的体积结构。
15. 根据权利要求14所述的设备，其中所述数字处理装置进一步配置 为创建对应于所述所关心的体积结构的三维像素集合。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中所述数字处理装置进一步配置 为基于所述三维像素集合来识别所述所关心的体积结构的轮廓。
17. 根据权利要求15所述的设备，其中所述数据存储装置进一步配置 为存储对应于所述所关心的体积结构的三维像素集合。
18. 根据权利要求14所述的设备，该设备进一步包括滤波器工具以区 别所述所关心的体积结构和所述三维图像中的其他结构。
19. 根据权利要求14所述的设备，该设备进一步包括图形显示器以显示呈现所述所关心的体积结构的体积。
20. 根据权利要求19所述的设备，该设备进一步包括子体积工具以允 许用户定义所述三维图像的子体积，其中所述子体积包括所述所关心的体积结构。
21. 根据权利要求20所述的设备，其中所述图形显示器进一步配置为 显示所述子体积，且不显示所述子体积之外的所述三维图像的其它部分。
22. —种包括权利要求14所述的设备的系统，该系统进一步包括 耦合到所述数字处理装置的诊断成像系统，所述诊断成像系统用于获得三维图像；以及耦合到数字处理装置的治疗输送系统，所述治疗输送系统用于将放射治 疗输送到所述所关心的体积结构。
23. —种设备，该设备包括用于显示包括所关心的体积结构的三维图像的工具； 用于在所述所关心的体积结构和其他解剖结构之间进行区别的工具；以及用于在所述三维图像上勾画出所述所关心的体积结构的工具。
24. 根据权利要求23所述的设备，该设备进一步包括用于识别三维像素集合以描述所述所关心的体积结构的工具。
25. 根据权利要求24所述的设备，该设备进一步包括用于从所述三维 像素集合产生轮廓集合的工具。
26. 根据权利要求25所述的设备，该设备进一步包括用于从所述轮廓 集合产生多轮廓集合的工具。
27. 根据权利要求24所述的设备，其中所述三维像素集合包括多个二 进制三维像素，其中所述多个二进制三维像素中的每一个近似表示所述所关 心的体积结构的体积空间。
28. 根据权利要求23所述的设备，该设备进一步包括用于将滤波器应 用到所述三维图像以识别所述所关心的体积结构的工具。
29. 根据权利要求23所述的设备，该设备进一步包括用于将所述三维 图像的图像显示限制为所定义的所述三维图像的子体积的工具。
30. 根据权利要求29所述的设备，该设备进一步包括用于显示子体积 表面以定义所述子体积的工具。
31. —种上面带有指令的机器可读存储介质，当数字处理装置执行所述 指令时，致使所述数字处理装置执行以下操作，包括显示三维图像，其中，所述三维图像包括所关心的体积结构；以及 勾画出所述三维图像内的所述所关心的体积结构。
32. 根据权利要求31所述的机器可读存储介质，其上具有进一步的指 令，当所述数字处理装置执行该进一步的指令时，致使所述数字处理装置执 行以下操作，包括从所述三维图像中识别三维像素集合以提供所述所关心的 体积结构的二进制描述。
33. 根据权利要求31所述的机器可读存储介质，其上具有进一步的指 令，当所述数字处理装置执行该进一步的指令时，致使所述数字处理装置执 行以下操作，包括基于三维像素集合来识别所述所关心的体积结构的轮廓。
34. 根据权利要求33所述的机器可读存储介质，其上具有进一歩的指 令，当所述数字处理装置执行该进一步的指令时，致使所述数字处理装置执 行以下操作，包括基于所述三维像素集合来识别所述所关心的体积结构的轮廓集合。
35. 根据权利要求34所述的机器可读存储介质，其上具有进一步的指 令，当所述数字处理装置执行该进一步的指令时，致使所述数字处理装置执 行以下操作，包括基于所述三维像素集合来识别所述所关心的体积结构的多轮廓集合。
36. 根据权利要求31所述的机器可读存储介质，其上具有进一步的指 令，当所述数字处理装置执行该进一步的指令时，致使所述数字处理装置执 行以下操作，包括将滤波器应用到所述三维图像以区别所述所关心的体积结 构和其他结构。
37.根据权利要求31所述的机器可读存储介质，其上具有进一步的指 令，当所述数字处理装置执行该进一步的指令时，致使所述数字处理装置执 行以下操作，包括定义所述三维图像的子体积，其中所述子体积包括所述所 关心的体积结构。
全文摘要
一种在三维医学图像上勾画出所关心的体积结构的方法和设备。该设备包括存储三维图像的数据存储装置以及勾画出三维图像的所关心的体积结构的数字处理装置。
文档编号G06T17/10GK101443819SQ200780017121
公开日2009年5月27日 申请日期2007年3月29日 优先权日2006年3月30日
发明者B·王, H·王 申请人:艾可瑞公司