[发明专利]在呼吸相关的（4D）锥形光束CT图像中调制台架旋转速度和图像获取

说明书

技术领域

本发明一般地涉及放射治疗。更具体地，本发明涉及使用数学优化模型来获得肺部和肺部肿瘤的4DCBCT图像以用于呼吸运动引导的4DCBCT（RMG-4DCBCT）。

背景技术

肺癌是世界范围内癌症相关的死亡的领先因素（18%），每年有120万新案例的报告。尽管36%到71%的肺癌患者接受了放射治疗和改进治疗结果的持续努力，5年生存率仍只有16%。这些患者迫切地需要更好的治疗技术和工具以改进生存率。

1-Gy的肿瘤剂量的增加导致4%的生存改进。另一方面，1-Gy的全肺平均剂量的减少导致2%的肺炎减少。根据这些统计，显然更优靶向的放射治疗有改进治疗结果的可能。图像引导的放射治疗（IGRT）已经用于同时增加肿瘤剂量并最小化对周围健康组织的剂量。

IGRT在美国有超过93%的放射肿瘤学家使用。然而，当存在显著的呼吸动作时成像技术诸如MRI、PET、CT和CBCT是模糊的或者包含假影。结果是，放射治疗医师难以准确地定位肺部肿瘤患者用于治疗，这增加了靶向于肿瘤的一些放射将辐射健康的肺部组织的可能性。

图1a示出了展示第一个（P1）投影和第i个（Pi）投影的CBCT成像的投影几何的图。台架以常量速度和投影之间的常量脉冲率绕目标旋转。图1b示出了放射治疗中使用的带机载成像仪的线性加速器的照片。

放射治疗医师用于IGRT的最普遍的成像技术中的两种是CT和CBCT成像。CT图像是通过在平面或切片中获得投影，然后将台架向前移动小距离重复该过程而获得的。在已经沿解剖体获得了数个切片之后，各切片被重构成3D图像。替换性地，一些CT系统在连续的螺旋运动中获得投影，而不是使用切片。当与CBCT图像相比较时CT图像通常有更高的质量，因此CT图像通常用于诊断和治疗计划的目的。CBCT与CT不同在于，包含X射线源和检测器的台架是绕解剖体旋转的，在这期间获得了一系列的锥形投影（见图1b）。然后使用Feldkamp-Davis-Kress（FDK）算法重构各投影以给出患者解剖体的3D视图。

CBCT图像可以在治疗室中使用附连到线性加速器的OBI获得，并由放射治疗医师在治疗室中使用以定位他们的患者用于治疗。

4DCT成像提供了3D几何的视频或电影。随着时间可以观察到心脏、腹部、前列腺、肺部和肿瘤的运动。为了获取肺部的4DCT图像，呼吸周期被划分成呼吸仓，诸如吸气限制、呼气限制和两个限制之间的不同阶段。在每个呼吸仓中收集整组切片，从而可以获得变化中的解剖体的四维视图。在实践中普遍使用两种技术以获取4DCT图像：（1）前瞻，其中你一直等到患者的呼吸处于所需的区域中，然后在移动长榻用于下一切片并重复该过程之前获取切片。（2）回顾，其中你通过对数据集过采样来获取呼吸周期的所有阶段的数据，然后回顾性地将切片分配到呼吸仓。

已经示出了在呼吸周期期间肺部肿瘤通常移动0.5到1厘米，和最多达5厘米。通过4DCT成像没有完全地消除假影。已经观察到在90%的横膈膜和心脏的4DCT图像中存在至少一个假影。虽然有与呼吸运动相关联的各问题，但4DCT成像自从首次发布以来已经有了显著的增长。在2009年，在美国4DCT的使用超过了44%，伴之以持续的向上趋势。

CBCT图像是通过获得120到600次均衡地间隔的投影而获得的。对每个投影，由源发射椎体形状的光束并由检测器记录光束的衰减（见图1a）。台架以常量角速度绕患者旋转，角速度出于安全原因被限制为6°/s，并使用大概0.2秒的X射线脉冲率。总成像时间可以是大概1或2分钟，这取决于所需的投影数量和台架的速度。

对于较小的目标诸如胳膊、头和颈部，使用光束是完整椎体形状的全扇投影是可能的。这可以减少成像时间，因为台架只需要旋转180°加上椎体的角宽度。在大多数实践应用中，诸如腹部，使用台架旋转整个360°的半扇投影。

一旦已经收集了所有的投影之后，使用图像重构算法来重构目标的3D视图。FDK算法是用来重构图像的最常见的算法。图像重构可以是花几分钟来重构单个图像的慢速过程。已经实现了总变差（Total Variation）和密成帧（Tight Frame）方法以使用图形处理单元（GPU）来重构图像。除了通过使用GPU获得的计算时间改进之外，这些方法展示了将投影数量减少到100以下并因此减少对患者的放射剂量的希望。