[go: up one dir, main page]

CN107812325A - 采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法 - Google Patents

采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107812325A
CN107812325A CN201710578671.XA CN201710578671A CN107812325A CN 107812325 A CN107812325 A CN 107812325A CN 201710578671 A CN201710578671 A CN 201710578671A CN 107812325 A CN107812325 A CN 107812325A
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
image
accordance
imaging
motion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710578671.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wu Quanliang
Original Assignee
Wu Quanliang
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wu Quanliang filed Critical Wu Quanliang
Priority to CN201710578671.XA priority Critical patent/CN107812325A/zh
Publication of CN107812325A publication Critical patent/CN107812325A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1001—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy using radiation sources introduced into or applied onto the body; brachytherapy
    • A61N5/1007—Arrangements or means for the introduction of sources into the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/103—Treatment planning systems
    • A61N5/1039—Treatment planning systems using functional images, e.g. PET or MRI
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1049—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the position of the patient with respect to the radiation beam
    • A61N2005/1052—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the position of the patient with respect to the radiation beam using positron emission tomography [PET] single photon emission computer tomography [SPECT] imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1049—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the position of the patient with respect to the radiation beam
    • A61N2005/1055—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the position of the patient with respect to the radiation beam using magnetic resonance imaging [MRI]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N2005/1092—Details

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

一种采用磁共振成像对体内目标的运动进行实时跟踪的方法。该方法可以应用于磁共振成像引导的放射治疗设备中。本发明包括一个实现对体内目标的运动进行跟踪的流程(图1)和一个实时图像与纹理地图集进行相似度比对的流程(图5)，以及在两个流程中所使用的方法，包括，从图像中分割出目标三维模型的方法(102)，计算三维目标(2)的中心(3)的方法，建立目标断层纹理地图集的方法(103)，对感兴趣区域进行实时成像的方法(104)，以及实时图像与纹理地图集进行相似度比对的方法(105)。

Description

采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法
技术领域
本发明涉及一种对体内目标的运动进行跟踪的方法，这种方法可以应用于磁共振成像引导的放射治疗设备中。
背景技术
在三维空间中，一个物体(刚体)的运动有六个自由度，即垂直移动，左右移动，前后移动，俯冲转动，盘旋转动和侧滚转动。
在研究中，物体的复杂运动常被看作若干自由度上的运动的组合。对目标在三维空间中的运动进行跟踪也可简化为对其在六个自由度上的运动分别进行跟踪。
对体内目标的运动进行跟踪在精准放射治疗方面有很大的意义。
目前，采用磁共振成像进行实时引导的放射治疗设备(MRI-Linac)正在研发阶段。MRI-Linac的研究和使用将很大程度上减少放射治疗过程中对正常组织的损伤，同时可以提高对肿瘤位置的照射剂量，以达到对癌细胞更好的抑制效果。
在一个MRI-Linac系统中，实现对病人体内肿瘤的自动跟踪是一个非常核心的功能。目前有几种不同的研究方案。比如：T.Bjerre et al在期刊Physics in Medicine andBiology，58(2013)上的文章，L.Brix et al在期刊Medical Physics，41(4)(2014)上的文章，和B.Stemkens et al在期刊Physics in Medicine and Biology，61(2016)上的文章，分别阐述了各自不同的实现方法。
这些方法的共同缺点是只能检测体内目标的移动，而不能检测目标的转动，即只能跟踪人体内目标在三个自由度上的运动(垂直移动，左右移动和前后移动)。
然而，实际病人体内的肿瘤的运动是在六个自由度上的运动，既有移动又有转动，比如肺癌病人在呼吸的过程中，肿瘤会随着肺的舒张和收缩进行复杂的移动和转动。
本发明是一种对体内目标在六个自由度上的运动进行跟踪的方法。
本发明采用独特的基于目标断层纹理比对的方法，具有较高的跟踪精度。
在其他相关研究中，一种方法(US7260426)是采用X-ray实时图像与预先获得的多个目标区域图像进行比对，以找到目标区域的实时位置。这种方法的缺点有，第一，采用整个目标所在区域进行比对，存在较高的出错概率，第二，采用X-ray实时成像会对目标所在区域的病人身体造成多次额外辐射。
一种方法(US9248316)采用在放射治疗过程中不断对目标所在区域进行Ultrasound超声成像，然后用超声图像比对来获得目标的位置。这种方法的缺点同样有跟踪精度低，以及不能对目标的转动进行检测。
发明内容
本发明公开的是一种采用磁共振成像对体内目标的运动进行实时跟踪的方法。包括一个实现对体内目标的运动进行跟踪的流程(图1)和一个实时图像与纹理地图集进行相似度比对的流程(图5)，以及在两个流程中所使用的方法，包括，从图像中分割出目标三维模型的方法(102)，计算三维目标(2)的中心(3)的方法，建立目标断层纹理地图集的方法(103)，对感兴趣区域进行实时成像的方法(104)，以及实时图像与纹理地图集进行相似度比对的方法(105)。
本发明要求对目标所在的感兴趣区域进行三维医学成像(101)。成像方法可以是MRI成像，也可以是CT成像，或者MRI，CT，PET等成像方法所成的像的融合。
在获得了目标所在的感兴趣区域的三维图像以后，使用一种图像分割方法把目标的三维模型(2)提取出来(102)。这种分割方法可以是全自动的图像分割算法，也可以是手动描绘边界的方法，也可以采用半自动的基于区域增长的算法。
本发明要求使用三维目标的重心做为其中心(3)。
本发明要求建立一个三维目标在不同断层上的纹理的地图集(103)。地图集的每一张图是目标在某一断层上的图像。所建立的地图集中，既要有目标在与三个坐标平面相平行的平面上的断层图像，也要有目标在与三个坐标平面非平行的平面上的断层图像。本发明要求在地图集中，记录每一张图像在三维坐标系中的位置和角度。
本发明要求对目标所在区域的一个固定位置平面连续进行二维成像(104)。这个平面的位置可以是穿过磁共振系统ISO中心(7)的一个平面，也可以为相邻近的成像平面。
在每一帧所成的图像(4)中，应包含病人身体的断层图像(5)和目标的断层图像(6)。
用第一帧图像(4)中的目标断层图像(6)与地图集进行相似度比对(201)。根据最相似地图A的位置和角度信息，可以推算出目标中心(3)在三维坐标系中的位置和目标所转动的角度(202)。
用以后各帧图像(4)中的目标断层图像(6)逐一与地图集进行相似度比对(203)。根据最相似地图B与上一帧的最相似地图A的关系(204)，推算目标的运动轨迹。
本发明要求相似度比对使用“绝对误差和”做为评判尺度，也可采用其他的相似度评判尺度。
附图说明
图1是本发明中对体内目标的运动进行跟踪的方法的流程图。
图2是本发明中体内目标的三维模型示例。
图3A和图3B是本发明中目标断面纹理地图集的制作方法示例。图3A是在一个角度上的三个平行平面上的地图集，图3B是在另一个角度上的三个平行平面上的地图集。
图4是本发明中实时磁共振成像的一种实施方式。
图5是本发明中实时图像与纹理地图集相似度比对的流程图。
具体实施方式
在本发明的流程(图1)中，步骤101要求对目标所在的感兴趣区域进行三维成像。一种实施方式是采用磁共振成像。设置磁共振扫描的参数，使得所成的像有较高的空间分辨率。同时，扫描过程中采用呼吸门控或者心电门控来抑制由于生理运动造成的伪影。
在可忽略目标自身形变的情况下(即视目标是刚体)，三维成像仅需在病人的一个生理运动周期内成一次像，最终得到目标的一个三维模型。
在需要考虑目标自身形变的情况下，三维成像需要在病人的一个生理运动周期内重复多次，然后进行图像分割，得到目标在病人一个生理运动周期内不同时间点上的多个三维模型。例如，对肺癌病人的肺部进行三维成像，可以在肺的舒张期和收缩期分别成像，以得到两种不同的三维图象，进而分割出两个不同的目标模型。
在本发明的流程(图1)中，步骤102要求从图像中分割目标的三维模型。具体实施中，可以用该三维模型做为制定放射治疗计划的参考。
在本发明的流程(图1)中，步骤103要求从目标的三维模型中提取断层图像，并建立一个地图集。对断层平面的选择可以依照治疗计划中射线照射的角度进行。应尽量选择照射计划中规定的角度附近的平面上的图像。
图3A是对目标进行断层图像提取的一个示例。平面301，302和303是三个互相平行的平面，他们的厚度相同，间隔为0，他们与坐标平面成一定角度。这三个平面上的图像互不相同，分别是目标在这三个平面上的断层图像。
图3B是在另一组平行平面304，305和306上提取目标断层图像的示例。
由图3A和3B中的方法所提取出来的断层图像，每一张都有一个确定的位置和角度。在地图集中，记录每一张地图的位置和角度信息。
如果从步骤101和102中得到了目标的多个三维模型，则要在步骤103中分别在不同的模型上提取断层图像。
图4是本发明中进行实时磁共振扫描(104)的一种实施方式。通过扫描病人的三平片，可以得到目标所在的感兴趣区域的图像。继而在三平片图像上选择一个包含目标的扫描平面进行扫描。
在一种实施方式中，实时磁共振扫描(104)所用的脉冲序列是稳态自由进动序列(SSFP)，成像的时间分辨率为4帧每秒。
在本发明的流程(图1)中，步骤105要进行实时图像与目标纹理地图集的比对。为了减少计算量，在一种实施方式中，比对算法使用地图集中的地图，只与图像中包含目标的一小部分区域进行配准。由于目标的运动是渐进式的，地图集中能最优匹配的地图在时间序列上有相关性，在一种实施方式中，通过优化对地图集的搜索方式，同样能够减少算法的计算量。
在实时图像与纹理地图集进行相似度比对的流程(图5)中，当地图B与地图A不相同时，从地图集中查找各自地图的位置和角度信息(205)，可以推算出目标的运动轨迹(206)。

Claims (10)

1.一种采用磁共振成像对体内目标的运动进行实时跟踪的方法。包括一个实现对体内目标的运动进行跟踪的流程(图1)和一个实时图像与纹理地图集进行相似度比对的流程(图5)，以及在两个流程中所使用的方法，包括，从图像中分割出目标三维模型的方法(102)，计算三维目标(2)的中心(3)的方法，建立目标断层纹理地图集的方法(103)，对感兴趣区域进行实时成像的方法(104)，以及实时图像与纹理地图集进行相似度比对的方法(105)。
2.按照权利要求1所述的方法，要对体内目标所在的感兴趣区域进行两次成像。第一次成像是高分辨率的三维成像，成像方式可以为MRI，也可以为MRI，CT，PET等医学成像方式所成的像的融合。第二次成像是MRI二维动态图像。
3.按照权利要求1所述的方法，要分割出目标的三维模型。目标三维模型的数量可以为一个，也可以为多个。
4.按照权利要求1所述的方法，目标三维模型的中心是它的重心。
5.按照权利要求1所述的方法，要建立一个目标在不同断层上的图像的地图集。
6.按照权利要求2所述的方法，对目标的第二次成像是MRI在一个平面上的二维动态成像。
7.按照权利要求1所述的方法，目标纹理地图集中的图像要与二维动态图像中的目标进行相似度比对。
8.按照权利要求7所述的方法，使用“绝对误差和”做为相似度的一个评判尺度，也可使用其它评判尺度。
9.按照权利要求7所述的方法，使用图像配准算法在每一帧二维动态图像中定位目标。在二维图像中搜索目标的搜索范围可以为整张图像，也可以为部分区域。
10.按照权利要求7所述的方法，可以采用“穷举搜索”的方法查找地图集，也可以使用优化的查找方法。
CN201710578671.XA 2017-07-17 2017-07-17 采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法 Pending CN107812325A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710578671.XA CN107812325A (zh) 2017-07-17 2017-07-17 采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710578671.XA CN107812325A (zh) 2017-07-17 2017-07-17 采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107812325A true CN107812325A (zh) 2018-03-20

Family

ID=61600838

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710578671.XA Pending CN107812325A (zh) 2017-07-17 2017-07-17 采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107812325A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113195051A (zh) * 2018-07-28 2021-07-30 瓦里安医疗系统公司 用于近实时定位的具有多个x射线成像仪的辐射治疗系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1639675A (zh) * 2001-07-06 2005-07-13 皇家菲利浦电子有限公司 与三维图像中表示的三维表面互动的图像处理方法
CN101057785A (zh) * 2006-03-31 2007-10-24 美国西门子医疗解决公司 用于诊断医学成像的对照测量
CN101120871A (zh) * 2006-12-29 2008-02-13 成都川大奇林科技有限责任公司 精确放射治疗计划系统
CN103876763A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 重庆伟渡医疗设备股份有限公司 一种采用二维影像的图像引导方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1639675A (zh) * 2001-07-06 2005-07-13 皇家菲利浦电子有限公司 与三维图像中表示的三维表面互动的图像处理方法
CN101057785A (zh) * 2006-03-31 2007-10-24 美国西门子医疗解决公司 用于诊断医学成像的对照测量
CN101120871A (zh) * 2006-12-29 2008-02-13 成都川大奇林科技有限责任公司 精确放射治疗计划系统
CN103876763A (zh) * 2012-12-21 2014-06-25 重庆伟渡医疗设备股份有限公司 一种采用二维影像的图像引导方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113195051A (zh) * 2018-07-28 2021-07-30 瓦里安医疗系统公司 用于近实时定位的具有多个x射线成像仪的辐射治疗系统
CN113195051B (zh) * 2018-07-28 2023-09-12 瓦里安医疗系统公司 用于近实时定位的具有多个x射线成像仪的辐射治疗系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2904583B1 (en) Method for tracking three-dimensional object
EP3800617B1 (en) A computer-implemented method for registering low dimensional images with a high dimensional image, a method for training an artificial neural network useful in finding landmarks in low dimensional images, a computer program and a system for registering low dimensional images with a high dimensional image
Livyatan et al. Gradient-based 2-D/3-D rigid registration of fluoroscopic X-ray to CT
JP5134957B2 (ja) 運動中の標的の動的追跡
EP2646979B1 (en) Image registration apparatus
EP1516290A2 (en) Physiological model based non-rigid image registration
Kim et al. 3D reconstruction of leg bones from X-ray images using CNN-based feature analysis
Ionescu et al. Automated registration of ultrasound with CT images: application to computer assisted prostate radiotherapy and orthopedics
Brunie et al. Pre-and intra-irradiation multimodal image registration: principles and first experiments
US12446972B2 (en) System and method for navigating and illustrating a procedure
Chen et al. Development of automatic assessment framework for spine deformity using freehand 3-D ultrasound imaging system
Oulbacha et al. MRI to C‐arm spine registration through Pseudo‐3D CycleGANs with differentiable histograms
Yang et al. Ultrasound fusion image error correction using subject-specific liver motion model and automatic image registration
JP6692817B2 (ja) 対象物体の変位を計算する方法及びシステム
US11816831B2 (en) System and method for navigating and illustrating a procedure
CN107812325A (zh) 采用磁共振成像对体内目标的运动进行跟踪的方法
Zhang et al. An automatic ICP-based 2D-3D registration method for a high-speed biplanar videoradiography imaging system
Wijesinghe Intelligent image-driven motion modelling for adaptive radiotherapy
KR20140054783A (ko) 움직임 보상된 ｐｅｔ영상과 ｃｔ 및 ｍｒ 영상과의 4차원 융합 디스플레이 기술
Haque et al. A fast and robust technique for 3D–2D registration of CT to single plane X-ray fluoroscopy
Pan et al. A fast registration from 3D CT images to 2D X-ray images
Feng et al. CT Image Segmentation for Preoperative Tracker Registration of Robot-Assisted Surgery
Maris et al. Deformable surface registration for breast tumors tracking: a phantom study
Sewa Motion Determination Of Lung Tumours Based On Cine-MR Images
Handels et al. BVM 2009 Advances and recent developments in medical image computing

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180320