[发明专利]用于DRR生成和图像配准的图像分割

说明书

技术领域

本发明的实施方式涉及图像引导的放射治疗系统，以及更具体地，涉及 在图像引导的放射治疗系统中使用分割以改进数字重建放射照片的实用性。

背景技术

图像引导的放射手术和放射疗法系统(总起来就是图像引导的放射治疗 系统)是通过对病理解剖体输送规定的放射(例如，x射线或伽马射线)剂 量并且同时最小化对周围的组织和关键解剖结构(例如脊髓)的照射，来使 用外部放射射束以治疗病理解剖体(例如肿瘤、病变、血管畸形、神经错乱 等)的放射治疗系统。放射手术和放射疗法都被设计成使病理解剖体坏死或 者损害病理解剖体的同时不伤害健康的组织和关键结构。放射疗法的特征在 于每次治疗的低放射剂量(每次治疗1-2戈瑞(Gray))和多次治疗(例如 30-45次治疗)。放射手术的特征在于在1-5次治疗中的相对高的放射剂量(通 常每次治疗5戈瑞或者更多)(1戈瑞等于1焦耳每千克)。

在放射疗法和放射手术中，放射剂量从多个角度被输送到病理解剖体的 位置。由于每个放射射束的角度是不同的，每个射束可以贯穿被病理解剖体 占有的目标区域，同时在其进出目标区域的途中穿过健康组织的不同区域。 所以，在目标区域的累积放射剂量比较高，而对健康组织和关键结构的平均 放射剂量比较低。

与基于框架的放射疗法和放射手术系统(其中刚性并且侵入性的框架被 固定在患者上以在整个诊断成像、治疗计划和随后的治疗输送过程中使患者 固定不动)相比，图像引导的放射手术和放射疗法系统通过在治疗期间跟踪 患者剂量(位置和定向)免除了对固定侵入性的框架的需要。另外，在基于 框架的系统通常局限于颅骨内疗法的情况下，图像引导的系统没有这样的限 制。

图像引导的放射疗法和放射手术系统包括基于门架的系统和基于机器 人的系统。在基于门架的系统中，放射源附着于门架上，所述门架在单个平 面中围绕旋转中心(等中心)移动。每次，在治疗期间输送放射射束，射束 的轴穿过等中心。所以治疗角度受放射源的放射范围和患者定位系统的自由 度的限制。在基于机器人的系统中，例如由加利福尼亚州的艾可瑞公司 (Accuray，Inc.)制造的(射波刀)立体放射手术系统，放射 源不被限制在单个旋转平面，而具有5个或者更多的自由度。

在传统的图像引导的放射治疗系统中，通过将患者的二维(2D)治疗中 x射线图像与2D数字重建放射照片(DRR)进行比较来完成治疗期间的患 者跟踪，所述2D数字重建放射照片从用于诊断和治疗计划的三维(3D)预 治疗成像数据中获得。预治疗成像数据可以是例如计算断层扫描(CT)数据、 磁共振成像(MRI)数据、正电子发射断层扫描(PET)数据或3D旋转血 管造影(3DRA)。通常，治疗中x射线成像系统是立体的，从两个或者更多 不同的观察点(例如直角)生成患者的图像，并且对每个观察点生成相应的 DRR。

DRR是通过释放(精确地投射)穿过3D图像的射线来模拟治疗中x射 线成像系统的几何结构而生成的合成的x射线图像。然后，生成的DRR具 有与治疗中x射线成像系统相同的尺度和观察点。为了生成DRR，3D成像 数据被分成体素(体积元素)，并且每个体素被分配一个从3D成像数据获得 的衰减(损失)值。然后DRR中的每个像素的相对强度就是所投射的穿过 3D图像的每个射线的体素损失的和。在DRR被生成之前，通过在3D成像 数据上执行3D变换(旋转和平移)来模拟不同的患者剂量。

在一些图像引导的系统中，在治疗期间3D变换和DRR生成被实时地 反复执行。在例如由加利福尼亚州森尼维耳市的艾可瑞公司制造的 CyberKnife立体放射手术系统的其他系统中，在治疗开始之前预计算对应 于期望范围的患者剂量的一组DRR(在每次投射中)。