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CN114159701A - 用于辐射疗法中的快速锥束断层摄影和扩展sad成像的装置 - Google Patents

用于辐射疗法中的快速锥束断层摄影和扩展sad成像的装置 Download PDF

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CN114159701A CN202111064281.3A CN202111064281A CN114159701A CN 114159701 A CN114159701 A CN 114159701A CN 202111064281 A CN202111064281 A CN 202111064281A CN 114159701 A CN114159701 A CN 114159701A
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Abstract

一种锥束计算机断层摄影(CBCT)系统采用大型区域检测器和锥束辐射源以允许以大约180度加上扇形角来获取投影图像，从而提供用于CBCT重构的完整数据集以生成具有至少约20厘米的视场(FOV)的图像体积。

Description

用于辐射疗法中的快速锥束断层摄影和扩展SAD成像的装置
技术领域
本公开总体上涉及辐射(radiation)成像和治疗。特别地，描述 了包括大型或超大型图像检测器的锥束计算机的断层摄影(CBCT) 系统以及包括该CBCT系统的放射疗法(radiotherapy)机器的各种实 施例。
背景技术
锥束计算机断层摄影是已知的并且已经被证明针对许多临床应 用是极具价值的工具。在执行CBCT时，锥束辐射源和图像检测器绕 对象旋转以获取多个投影图像。使用计算机软件对所获取的投影图像 进行重构以生成断层摄影图像，该断层摄影图像可以在该对象的二维 (2D)图像切片或三维(3D)图像体积中被显示或可视化。
所重构图像中的图像伪像、失真在CBCT中是常见的。CBCT中 一些最严重的图像伪像是由患者运动或者内部解剖构造的运动所引 起的。这样的运动可能在时间上和在不同的解剖的位置上可能会随机 地发生。一些运动是周期性的，一些运动是零星的，以及一些运动仅 慢速的漂移。一种克服运动伪像的方法是快速地获取投影图像使得获 取期间的潜在的运动可以被最小化。这种方法在诊断CT中很受欢迎。 然而，由于放射疗法机器的系统设计，诸如沉重的机架、旋转约束和 碰撞规避，如诊断CT中所使用的快速扫描还没有在放射疗法机器上 被实现。
存在实例，其中目标体积不能被放置在放射疗法机器的等中心点 (isocenter)中，并且当目标体积被放置偏移等中心点时，标准检测 器可能过小而无法覆盖目标体积。一种方法是在治疗期间将检测器横 向移出以对目标体积成像。该方法可能帮助针对利用静止机架的治 疗。针对利用旋转机架的治疗(诸如在体积调制弧疗法(VMAT，
Figure BDA0003257728840000021
)、强度调制辐射疗法(IMRT)、立体定向放射外科(SRS)、 立体定向体部放射治疗(SBRT)等)，横向偏移方法可能针对某些 机架角留下不可见的或者无法跟踪的目标体积。
因此，存在针对改进CBCT技术的普遍需要。期望提供一种用于 辐射疗法的CBCT系统，其允许快速数据获取以减少图像伪像。期望 提供一种用于辐射疗法的CBCT系统，其允许监管或跟踪在所有机架 角下从放射疗法机器的等中心点的目标体积定位的偏移。
发明内容
提供了一种示例的锥束计算机断层摄影(CBCT)系统。该CBCT 系统包括可操作以产生辐射的锥束的源，以及可操作以在对象被该辐 射的锥束所辐照(irradiate)时获取对象的投影图像的区域检测器。 该源是绕轴可旋转的并且该区域检测器是与该源同步地可旋转的。该 区域检测器和该源被配置为允许以大约180度加上该锥束的扇形角而 获取多个投影图像，以提供用于CBCT重构的完整数据集以生成具有 至少约20厘米的视场(FOV)的图像体积。
提供了一种示例放射疗法系统。该放射疗法系统包括第一源，其 可绕轴旋转并且可操作以产生适于治疗的辐射；第二源，其可操作以 产生适于成像的辐射；和区域检测器，其可操作以在对象被来自该第 二源的辐射所辐照时获取对象的图像。该区域检测器和第二源是同步 地可旋转的，并且被配置为在该第一源的任何角下获取包含位于距该 轴至少约10厘米远的参照体积的对象的图像。
提供了一种示例的系统。该系统包括可操作以产生辐射锥束的 源，以及布置在该源对面的区域检测器，该区域检测器可操作以在对 象被该辐射锥束所辐照时获取其投影图像。该区域检测器包括具有活 跃检测区域的平面板成像器，该活跃检测区域包括范围从54厘米至 105厘米的第一尺寸以及范围从43厘米至86厘米的第二尺寸。
提供该发明内容是为了以简化的形式介绍所选择的实施例，并且 不旨在标识所请求保护主题的关键特征或必要特性，也不旨在被用作 确定所请求保护主题的范围时的辅助。所选择的实施例被呈现以向读 者提供本发明可能采用的某些形式的简要内容，并且不旨在限制本发 明的范围。本公开的其它方面和实施例在具体实施方式部分中被描 述。
附图说明
通过结合附图阅读以下具体实施方式和所附权利要求，本公开的 这些和各个其它特征和优势将更好地被理解，其中：
图1描绘了根据本公开的实施例的示例辐射系统。
图2图示了使用常规CBCT系统的投影图像的获取。
图3图示了根据本公开的实施例的使用示例CBCT系统的投影图 像的获取。
图4A描绘了配备具有包括在束轴上中心定位的检测器的CBCT 系统的常规放射疗法机器。
图4B描绘了配备具有包括从束轴上横向定位偏移的检测器的 CBCT系统的常规放射疗法机器。
图5A-图5D描绘了根据本公开实施例的配备具有CBCT系统的 放射疗法机器。图5A示出了扩展源到轴距离(SAD)应用，其中该 CBCT系统在用于治疗的辐射以0度机架角被递送的同时执行图像获 取；图5B示出了以50度机架角下的图像获取；图5C示出了170度 机架角下的图像获取；并且图5D示出了240度机架角下的图像获取。
具体实施方式
参考图1-图5D，描述了CBCT系统以及包括CBCT系统的放射 疗法机器。总体上，示例CBCT系统包括锥束辐射源和区域检测器， 该区域检测器可操作以获取大型对象的投影图像，或者可操作以获取 涵盖位于远离该系统的等中心点的参照体积的投影图像。该区域检测 器和锥束辐射源能够以大约180度加上扇形角来获取投影图像，以提 供用于CBCT重构的完整数据集以生成具有至少大约20厘米的视场 (FOV)的图像体积。备选地或附加地，该区域检测器和锥束辐射源 能够以任何机架角获取涵盖位于距系统的等中心点大约10厘米或更 远处的参照体积的投影图像。如在本文所使用的，可以与术语“辐照 源的角”互换使用的术语“机架角”是指穿过辐射系统的等中心点的垂 直线与穿过该等中心点和辐射源的直线之间的角。
为了对大规格的对象(例如，患者中大的解剖构造)进行成像， 配备具有CBCT系统的常规放射疗法机器需要以完整旋转(360度) 来旋转检测器和成像源以获取用于CBCT重构所需要的完整数据集。 如图2中所示，在常规成像模式中，检测器关于成像源被偏移，使得 其能够在完整旋转中覆盖完整的解剖构造。如图3中所示，根据本公 开的实施例，使用大型区域检测器和锥束成像源以覆盖需要被扫描的 全部的解剖构造。由于该区域检测器足够大，所以一半旋转加上束扇 形角应当足以获取用于CBCT重构的完整数据集。这将获取时间减少 了大约一半，并且因此减少了患者和解剖构造在图像获取期间运动的 机会。作为结果，由患者或解剖构造运动所引起的图像伪像被最小化 或显著减少。诸如源和检测器的更快旋转的任何其它优化可以进一步 提升成像结果。该优化可以将扫描时间带入在其中诸如深吸气屏住呼 吸(DIBH)的屏住呼吸技术成为可能的范围中。应用DIBH技术可 以进一步减少患者运动，并且在一些情况下可以消除运动。
存在目标体积没有被放置于放射疗法机器的等中心点的实例。针 对诸如SRS或SBRT的立体定向治疗，辐射剂量在高剂量分数中被递 送。重要的是要确保患者的解剖构造在治疗期间不移动。目标和危及 器官(OAR)的运动更可能随着针对高剂量治疗所需要的所延长的治 疗时间而发生。由于每分数的剂量明显比传统疗法中更高，所以目标 或器官的任何位置误差是更严重的。因此，重要的是为了在辐照暴露 期间监视目标、危及器官，以及参照结构或诸如隔膜之类的替代物。 在本公开中，术语“参照体积”可以被用以指代包括诸如肿瘤组织、危 及器官、参照结构或者如治疗计划者所限定的替代物的目标的体积。 如图4A中所示出的，在配备具有CBCT系统的常规放射疗法机器中， 当检测器处于中心时，参照体积可能不在视场(FOV)之中。如果检 测器是横向定位偏移的，如图4B中所示，参照体积在某些机架角下 将是不可见的。先进的治疗技术经常使用旋转机架以便优化剂量分 配，诸如在VMAT、IMRT等中。因此，参照体积在治疗的大部分期 间可能是不可见的。如图5A-图5D中所示出的，配备具有根据本公 开实施例的CBCT系统的放射疗法机器可以消除该问题，使得远离等 中心点所定位的参照体积在用于治疗的辐射的完整的递送过程期间 可以被观察到，这在下文更详细地加以描述。
参考图1，现在描述根据本公开的各种实施例的示例CBCT系统。 应当注意的是，本公开的CBCT系统可以在治疗系统、诊断系统、仿 真系统、研究和开发系统或者包括成像功能的任何其它适当辐射系统 中实施。例如，本公开的实施例可以在包括辐射源的放射疗法机器中 实践，该辐射源可以兆伏电压(MV)(例如，4至20VM)水平下 操作以产生适用于疾病治疗的辐射。因此，本公开的实施例可以包括 适于执行强度调制放射疗法(IMRT)或立方体调制弧疗法(VMAT) 的放射疗法系统，其中治疗递送利用本公开的CBCT系统进行监视、 监管或指导。本公开的实施例还可以包括适于执行立体定向放射疗法 (SRS)或立体定向体部放射疗法(SBRT)的放射疗法系统，其中参 照体积在整个治疗期间都可以在任何机架角下被观看和跟踪。本公开 的CBCT系统的实施例还可以被用以帮助患者安置、患者验证和治疗规划。
如图1所示出的，示例CBCT系统100总体上包括辐射源102、 区域检测器104和图像处理设备106。辐射源102、区域检测器104 和图像处理设备106的操作可以由计算机和控制系统108所控制。计 算机和控制系统108包括一个或多个显示器(未示出)以显示系统100所生成的放射摄影图像、荧光检查图像或断层摄影图像。支撑设备110 (例如，患者支撑床)可以将例如患者或患者的部分的对象112放置 在源102和区域检测器104之间以接收用于成像的辐射。
源102可操作以产生辐射的锥束116。如本文所使用的，术语“锥 束”包括对以圆锥方式成形或以角锥方式成形的束的引用。锥束116 的形状和大小可以由诸如准直器模块、多叶片准直器(MLC)等的各 种准直设备来确定。锥束116具有(多个)开放角，其可以由第一参 照平面中的第一扇形角和垂直于该第一参照平面的第二参照平面中 的第二扇形角来限定。通过示例的方式，可以使用平面板成像器104 的两个尺寸来引用锥束116的开放角。如本公开中所使用的，术语“扇 形角”是指束在垂直于产生该束的源绕轴旋转的该轴的参照平面中的 开放角。锥束116具有束轴117，穿过源102和系统100的等中心点 101的中心束线。将检测器104的活跃检测区域的中心与束轴117对 准，区域检测器104可以被中心地定位。备选地，区域检测器104可 以是从束轴117上横向定位偏移。
区域检测器104可操作以在对象112被锥束116辐照时获取其投 影图像。区域检测器104可以包括平面板成像器，该平面板成像器包 括构成活跃检测区域的以行和列布置的多个检测元件。示例的检测器 104包括54×43厘米2的活跃检测区域。另一个示例的检测器104包 括86×43厘米2的活跃检测区域。另一个示例的检测器104包括86×65 厘米2的活跃检测区域。进一步示例的检测器104包括105×86厘米2的活跃检测区域。检测器104可以包括具有大约54厘米或更大的、 或者大约86厘米或更大的尺寸，或者范围从大约54至大约105厘米 的尺寸。检测器104可以包括具有范围从大约54厘米至大约105厘 米的第一尺寸以及范围从大约43厘米至大约86厘米的第二尺寸的活 跃检测区域。
根据本公开的某些实施例，区域检测器104可以被设计并且制造 为包括以行和列布置的多个检测元件的一个单个的成像器。备选地， 该区域检测器可以通过将来自各种制造商的可用的标准大小的两个 或更多个传感器盘或面板平铺或组合来构造。该两个或更多个的传感 器盘或面板可以彼此相邻地被布置或者利用一些重叠被布置并且被 封闭在外壳中。在组合两个或更多个传感器面板以构造区域检测器 中，当被定位在CBCT系统中的时候，平铺或重叠的分区优选地处于 远离所组合的活跃检测区域的中间或者远离等中心点的区域。由于传 感器面板的平铺或重叠所导致的伪像可以由计算机软件校正或校准。
在于2018年05月14日提交的题为“用于制造像素化闪烁体的方 法(Method forFabricating Pixelated Scintillators)”的美国申请序列号 15/978,924中描述了各种区域检测器和制造相同的区域检测器的方 法。美国申请序列号15/978,924通过引用全文被合并到本文中。
区域检测器104和源102可以同步移动或旋转并且从多个角获取 对象112的投影图像。区域检测器104和源102可以被可移动或可旋 转的机架114所支持或承载。备选地或附加地，区域检测器104和源 102可以分别由单独的臂结构所支持并且同步移动。机架114可以包 括可操作以同步地旋转源102和区域检测器104的环形机架、C形臂 机架或机器人臂机架。备选地或附加地，支持设备110可以在获取投 影图像之前或期间以多个自由度(例如水平和/或垂直地平移和/或绕 各个轴旋转)以相对于源102和区域检测器104定位对象112。在本 公开的某些实施例中，区域检测器104可以内建于或附接至在例如患 者支撑床的支持设备110。这在针对诊断应用的放射摄影成像中会是 有利的，其中例如针对脊柱、骨骼、全部身体等要求大的视场(FOV)。 在支撑床中放置大型区域检测器可以通过消除或减少了检测器104在 如目前针对许多数字放射摄影系统那样被携带到各处时的损坏的风 险而改善了该检测器的处置。与具有检测器以机械方式被调节至所成 像的患者或患者中的解剖构造相反，用户可以在区域检测器上选择感 兴趣分区(ROI)并且仅对身体的感兴趣部分进行成像。在某些实施 例中，区域检测器104可以被安装在支架上以允许患者在获取投影图 像的期间坐下或站立。
图像处理设备106可以包括计算机118和软件120，该软件120 被设计为基于区域检测器104和源102所获取到的投影图像来重构断 层摄影图像。重构软件120是本领域已知的，包括基于滤波反向投影 技术的标准CBCT重构软件以及基于代数重构技术的迭代CBCT(iCBCT)重构软件。对于CBCT重构而言，一般需要对象在180度 加上束扇形角的范围上的投影图像。CBCT重构体积或图像体积是指 通常为圆柱形或球形的体积空间，在所述体积空间上可以基于投影图 像来重构断层摄影图像。重构体积的直径通常被称作视场(FOV)。 在应用中，重构体积的FOV至少对应于或者覆盖所需要被成像的对 象的大小。该FOV可以由CBCT系统所获取的投影图像中的数据所 确定，在源和区域检测器之间的距离被预先确定的情况下，其通常可 以由CBCT系统的区域检测器和锥束的大小来确定。
根据本公开的某些实施例，区域检测器104和锥束源102被配置 为以大约180度加上束扇形角来获取用于CBCT重构的完整数据集的 投影图像，以提供具有至少约20厘米或更大的FOV的图像体积。这 允许数据集的快速获取以减少图像伪像。大的解剖构造可能具有约20 厘米或更大、或者约30厘米或更大、或者约35厘米或更大、或者约 40厘米或更大的大小，或者范围从约20厘米至约50厘米。根据本公 开的某些实施例，区域检测器104和锥束源102可以被配置为以一半 旋转加上束扇形角来获取投影图像以提供用于CBCT重构的完整数 据集，以生成具有约20厘米或更大、或者约30厘米或更大、或者约 35厘米或更大、或者约40厘米或更大的FOV或者具有范围从约20 厘米至约50厘米的FOV的图像体积。这与常规的CBCT系统形成对 比，利用该常规的CBCT系统，可以被覆盖的对象的最大大小通常大约或小于20厘米，其中用于CBCT重构的完整数据集以一半旋转加 上扇形角被获取。备选地或附加地，根据本公开的某些实施例，区域 检测器104和锥束源102可以被配置为获取投影图像，该投影图像以 360度中的任何机架角覆盖距等中心点约10厘米或更远、或者约15 厘米或更远、或者约17.5厘米或更远、或者约20厘米或更远处所放 置的参照体积，或者以任何机架角覆盖距等中心点从约10至约25 厘米处所放置的参照体积。
现在参考图2-3，根据本公开实施例的CBCT系统允许快速获取 用于CBCT重构的大型对象的投影图像。用于比较的目的，图2图示 了使用常规CBCT系统200对大型对象的投影图像的获取。常规 CBCT系统200包括kV源202以及具有43×43厘米2大小的图像检 测器204。图像检测器204距束轴206横向地偏移并且在距离kV源 202的150厘米处定位。为了获取用于CBCT重构的大型对象208(例 如，尺寸约为50厘米)的投影图像，图像检测器204和kV源202 从对象208的外围部分开始扫描。对象208必须以360度扫描以便获 取用于CBCT重构的完整数据集。附图标记210指示基于CBCT系统 200所获取的对象208的投影图像而重构的图像体积。360度的完整 旋转要求较长的时间，这增加了患者运动的机会并且因此增加了导致 图像伪像的可能性。
图3图示了使用根据本公开实施例的示例CBCT系统300对大型 对象的投影图像的获取。示例CBCT系统300包括kV源302以及具 有例如86×43厘米2大小的大型图像检测器304。图像检测器304被 中心地定位到束轴306上并且距离kV源302约为150厘米。为了获 取用于CBCT重构的对象308(例如，直径约50厘米)的投影图像， 以大约180度加上扇形角(alpha)对对象308的扫描将足以获取用于 CBCT重构的完整数据集。附图标记310指示基于本公开的CBCT系 统300所获取的对象308的投影图像而重构的图像体积。以大约一半 旋转加上扇形角获取大型对象的完整数据集的能力明显缩短了获取 时间，减少了在图像获取期间患者运动的机会，并且因此减少或消除 了患者运动所导致的图像伪像。
以大约一半旋转加上束扇形角快速地获取用于CBCT重构的大型 对象的完整数据集的能力使得能够使用深度吸气屏住呼吸(DIBH) 技术，该技术可以进一步帮助减少患者运动的机会，并且因此减少或 消除患者运动所导致的图像伪像。DIBH是一种辐射疗法技术，其中 患者在治疗期间深呼吸并且在递送辐射的同时屏住该呼吸。在配备具 有本公开的CBCT系统的放射疗法机器中，该机器的操作能够被优化 以允许机架以相对快的速度旋转，例如以每分钟四转。在该旋转速度 下，本公开的CBCT将花费7-8秒钟在大约180度加上扇形角的扫描 中以获取完整数据集，同时允许达到50厘米或更大的较大FOV。7-8 秒的获取时间处于DIBH技术的应用的范围之内的，因为大多数人都 能够屏住呼吸6-9秒。
快速获取用于CBCT重构的投影图像的能力允许更好地使用成像 源302，例如x射线管。针对给定的图像质量，与常规系统相比，针 对本公开的CBCT系统仅需要总体x射线管功率的一半。x射线的生 成由物理学进行各向同性控制。然而，x射线束必须被准直以将对象 辐照到图像检测器的活跃检测区域上。因此，没有击中图像检测器的 所有所生成的辐射都被浪费。大型检测器可以更加有效地利用所生成 的x射线，因为其提供了大的活跃检测区域。x射线的生成是非常低 效的过程，其中所要求的能量的99％都会以热量的形式被浪费。本公 开的具有大型检测器(例如，常规成像器大小的双倍)的CBCT系统 可以针对相同的热量消散而提供双倍剂量。这将允许选择较小的x射 线管，因此降低针对可比的图像质量的成本。
本公开的CBCT系统300还降低了支持检测器304的结构的机械 复杂度。由于将不需要横向移动以将检测器304横向移动至束轴之外， 所以检测器304可以被安装在机器人手腕上而不需要横向移动机制。
参考图4A至图4B以及图5A至图5D，本公开的实施例允许在 扩展源到轴距离(SAD)应用中在辐射治疗期间对参照体积进行监管 或跟踪。存在参照体积没有被置于放射疗法系统的等中心点，并且常 规标准图像检测器可能过小而无法在参照体积远离等中心点定位时 将其覆盖的实例。例如，由于患者的解剖构造，参照体积可能必须要 远离等中心点放置。患者身体表面和放射疗法机器的治疗头之间的间 隙对于一些患者而言可能有所不足。一些治疗可能要求到皮肤距离 (SSD)的恒定的源。进一步地，已经证明具有“支撑床上翘(couch kicks)”(患者支撑床的旋转)的VMAT
Figure BDA0003257728840000101
治疗能够隔 开(spare out)危及器官并且允许在目标中进行更好的剂量沉积。常 规治疗系统中所允许的小幅支撑床上翘限制了由于潜在的碰撞风险 所导致的机架旋转角。因此，例如将参照体积远离等中心点移动附加 的5至15厘米的范围内或者甚至20厘米将明显有助于降低碰撞的风 险，并且安全地支持具有支撑床上翘的VMAT
Figure BDA0003257728840000111
图4A描绘了扩展SAD应用中的常规放射疗法系统400。常规放 射疗法系统400包括产生用于治疗的治疗辐射的MV源402、kV源 404和检测器406。用于上文所讨论的原因，参照体积408位于从辐 射系统400的等中心点410的偏移。C臂机架401承载MV源402， 这允许治疗辐射在MV源402绕穿过等中心点410的轴旋转的同时递 送至参照体积408中的肿瘤组织，如箭头所指示，以执行SRS、SBRT 或VMAT。kV源404和图像检测器406同样被旋转机架401例如经 由延长手臂(未示出)所支持，并且在治疗期间进行操作以获取诸如 平面图像、放射摄影图像或荧光检查图像的图像用于监视、监管或跟 踪参照体积。在图4A中，检测器406被定位于kV源404的束轴的 中心。附图标记407指示检测器406在任何机架角下的FOV。如图4A中所示，偏移等中心点410定位的参照体积408落在FOV 407之 外，并且不能在某些机架角下被检测器406所成像。如此，参照体积 408无法在整个治疗期间都由配备在放射疗法系统400上的检测器 406进行监管或跟踪。
图4B描绘了扩展SAD应用中的另一种常规放射疗法系统450。 常规放射疗法系统450包括产生用于治疗的治疗辐射的MV源452、 kV源454和检测器456。用于上文所讨论的原因，参照体积458位于 从偏移辐射系统450的等中心点460的偏移。与图4A的放射疗法系 统400相比，图4B中的放射疗法系统450包括承载MV源452、kV 源454和检测器456的环形机架451。检测器456从kV源454的束 轴横向偏移定位。附图标记457指示能够由检测器456在完整旋转期 间以某些机架角进行成像的体积。如图4B中所示，参照体积458偏 移等中心点460定位的部分落在体积457之外，并且因此无法在整个 治疗期间都由配备在放射疗法系统450上的检测器456进行监管或跟 踪。对于诸如SRS或SBRT的立体定向治疗而言，辐射在较少的高剂 量分数中被递送，并且重要的是在整个辐射暴露期间对目标体积进行 监视。由于每分数的剂量明显更高，所以目标体积的任何位置误差都 更加严重。
图5A-5D描绘了扩展SAD应用中的根据本公开实施例的放射疗 法系统500。放射疗法系统500包括MV源502、kV源504和区域 检测器506。用于上文所讨论的原因，参照体积508位于从放射治疗 系统500的等中心点510的偏移，例如，距等中心点510的25厘米。 旋转机架501承载MV源502，这允许治疗辐射在MV源502如箭 头所示的绕穿过等中心点510的轴旋转的同时递送至参照体积508 中的肿瘤组织，以执行SRS、SBRT或VMAT。旋转机架501可以是C形臂机架、环形机架或机器人机架。检测器506和kV源504可以 被机架501例如经由延长手臂(未示出)所支撑，并且进行操作以 在机架501旋转时从多个角度获取图像。备选地，检测器506和kV 源504可以被单独的机架所支持。在图5A-5D中所示的实施例中， 检测器506位于kV源504的束轴的中心。如所示出的，含有参照体 积508的图像可以由检测器506和kV源504在MV源502的任何机 架角度下获取，例如在图5A中所示的0度，在图5B中所示的50 度，在图5C中所示的170度，以及在图5D中所示的240度。在例 如距等中心点510的25厘米定位的同时，参照体积508保持在图像 检测器506的FOV之中，这允许在MV源502在360度中的任何机 架角度下对参照体积508进行监管和跟踪。
根据公开的一些实施例，kV源504可以与MV源502同步以允 许与递送到目标的治疗的暂停模式同步地获取图像。例如，来自MV 源502的辐射可以在短时段内被暂停以允许kV源504递送kV束并 且获取图像。该同步可以减少原本由于从MV源502散射治疗束而导 致的在所获取图像上形成伪像的影响。作为示例，来自MV源502的 治疗束可以被暂停100ms，以允许kV源504递送kV束并且检测器 506在该暂停期间读出图像信号。备选地或附加地，检测器506可以 与MV源502同步以允许检测器506与来自MV源502的治疗束的暂 停模式同步的读出。作为示例，来自MV源502的治疗束可以在每2.5ms中例如5μs的短促脉冲中被递送，并且检测器506的线路读出 可以与治疗束脉冲同步地执行。这将允许由于从MV源502散射治疗 束所导致的伪像出现在检测器506中的相同位置，其能够至少在一定 程度上被校正。
返回图1，辐射源102可以是可操作以产生光子、质子或其它重 离子以及电子的源。作为示例，源102可以包括x射线管，其包括在 被电子冲击时生成x射线的目标。x射线管102可以包括准直器设备 以对束进行准直，而使得离开该x射线管的束总体上为圆锥形或角锥 形。作为另一示例，源102可以包括线性加速器，其包括在被电子冲 击时生成x射线的目标，以及用于对该x射线整形和/或定型的各种准 直设备。作为进一步的示例，源102可以包括发射光子的喷嘴，该光 子由回旋加速器或同步加速器所产生并且被运送至该喷嘴。通常，源 102可以产生或发射适用于成像的辐射。例如，该源可以在例如范围 从50至150kV的千伏电压(kV)水平下进行操作以产生适用于诊断 成像的辐射。备选地，该源可以在兆伏电压(MV)水平下进行操作 用于例如与电子射野成像设备(EPID)一起使用以获取图像，例如用 于确定患者安置或者用于介入治疗或治疗计划迭代。在一些实施例 中，源102可以是能够在两种或多种模式下操作的源，例如在kV或 KV能量水平下进行操作以产生用于包括双能量或多能量成像在内的 各种应用的辐射。
在具体实施例中，源102包括可操作以产生x射线的x射线管。 x射线管是本领域公知的，因此本文省略了它们的详细描述。简言之 并且总体上，x射线管包括例如灯丝的电子源(阴极)以及目标，该 目标例如是封闭在真空封套中的旋转片(阳极)上的金属钨。电流的提供导致该灯丝被加热而产生电子。应用于该真空封套的电压将该电 子朝向阳极加速，轰击该目标以产生x射线。该目标上产生x射线的 小的表面区域被称作该x射线管或源的焦点，其大小可以由来自阴极 的电子束所确定。所产生的x射线随后可以被准直器整形并且通过该 封套中的窗口离开。虽然图1中没有被示出，但是x射线控制器和生 成器设置信号(诸如x射线管的电流、电压、曝光时间以及其它操作 参数)，并且生成将要供应到x射线管的电压。该x射线控制器和生 成器转而能够被计算机和控制系统108所控制。
仍然参考图1，区域检测器104检测到通过对象112所发送的辐 射，其指示对象112的成像部分的衰减属性或结构。区域检测器104 可以被耦合到数据获取系统(未示出)，其包括用于提供控制信号， 接收并且处理数据信号，以及将数据输出至图像处理设备106的电子 电路。该数据获取系统和区域检测器104可以是分离的单元或者被集 成为由计算机和控制系统108所控制的单个单元。
区域检测器104包括在二维区域中以行和列排列的多个检测元 件。在具体实施例中，区域检测器104包括具有平面板检测器表面的 平面板成像器。在备选实施例中，区域检测器104具有曲面的检测器 表面。
在某些实施例中，区域检测器104可以包括防散射光栅或者结合 防散射光栅一起使用。由于图像检测器具有充分大的活跃检测区域， 所以可以使用二维光栅来减少来自两个方向的散射，并且即使针对更 大的对象也不要求区域检测器关于该光栅的移动。该防散射光栅可以 是聚焦或非聚焦的。防散射光栅的各个实施例在授予瓦里安医疗系统(Varian Medical Systems)公司的题为“包括防散射栅的X射线成像 设备(X-Ray ImagingDevice Including Anti-Scatter Grid)”的美国专利 号9,620,256中被描述。美国专利号9,620,256的公开内容通过引用 全文被合并到本文中。
在某些实施例中，区域检测器104可以是多层图像检测器。多层 图像检测器包括互相叠放布置的两个或更多个检测层，或者互相叠放 布置的两个或更多个成像器。多层图像检测器可以提高整体剂量效率 并且允许使用双能量成像技术。例如，接近于源的检测层可以被配置 为读取图像信号的低能量部分，并且远离源的检测层可以被配置为读 取该图像信号的高能量部分。通过这些子图像的灵活处理，可以获得 所成像的解剖构造的更多信息，诸如密度、Z值、电子密度等。可以 针对虚拟单能量束的能量构造CBCT重构。多层图像检测器的各个实 施例在授予瓦里安医疗系统(Varian Medical Systems)公司的题为“通 用kV-MV成像仪(Universal kV-MV Imagers)”的美国专利号 9,268,037中被描述。美国专利号9,268,037的公开内容通过引用全文 被合并到本文中。
在公开的某些实施例中，区域检测器104可以是平面板成像器。 该平面板成像器可以包括辐射转换层和检测器矩阵。该转换层将诸如 x射线光子的辐射转换为可见光。该检测器阵列检测该可见光并且将 其转换为电信号。该转换层可以包括能够响应于x射线辐射而生成可 见光光子的闪烁体材料。如此，该检测器阵列可以包括能够响应于该 闪烁体材料所生成的光照光子而生成电信号的光敏元件。适当的闪烁 体材料包括硫氧化钆(Gd2O2S:Tb)、钨酸镉(CdWO4)、锗酸铋 (Bi4Ge3O12或BGO)、碘化铯(CsI)、碘化铯铊(CsI:Tl)、铊掺 杂碘化铯Nal(Tl)，或者它们的任何组合。适当的光敏元件可以包 括光电二极管、光电门或光电晶体管等。备选地，该转换层可以包括 可以将x射线光子直接转换为电荷(电子空穴对)的光电导体材料。 如此，该检测器阵列可以包括该光电导体材料任一侧的电极以便收集 由该光电导体材料所生成的电荷。适当的光电导体材料包括但不限于 碘化汞(HgI2)、碘化铅(PbI2)、碘化铋(BiI3)、锑锌镉(CdZnTe)、 非晶硒(a-Se)等。
在某些实施例中，示例的平面板成像器104可以包括大量的检测 器像素(诸如数十万或数百万个)。该大量的检测器像素可以以形成 活跃检测器区域的多行和多列进行布置。在一些具体实施例中，每个 检测器像素可以包括诸如光电二极管的可寻址光敏元件以及诸如薄 膜晶体管(TFT)或互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的开关 晶体管。
该检测器阵列可以进一步包括多个地址线和多个数据线。该多个 地址线中的每个地址线可以将行中的多个检测器像素连接至数据获 取系统的驱动控制组件。该多个数据线中的每个数据线可以将列中的 多个检测器像素连接至该数据获取系统的读出控制组件。该驱动控制 组件提供用于访问所选择的像素行的控制信号。该读出控制组件提供 用于从该像素读出信号的控制信号。作为示例，当期望捕捉来自该检 测器阵列的图像信号时，来自该驱动控制组件的控制信号驱动所选择 像素行中例如TFT的开关元件的栅极，并且该所选择像素行中存储的 信号被该读出控制组件所读出。来自所选择像素的信号可以被使用该 数据获取系统的电子器件的模数转换器(ADC)所缓冲、放大并且转 换。所得到的数字化数据信号随后可以被复用、缓冲并传送至图像处 理设备以进行进一步处理。
在该检测器阵列的操作中，来自驱动控制电路的针对行像素的控 制信号可以在预定时段或线路时间内在地址线上被声明。在该控制信 号的声明期间，来自所选择行中的每个像素的信号经由列数据线被传 送至读出控制电路，其中每个数据线上的信号被相对应的电荷敏感放 大器接收并且缓冲。因此，整个行的数据图像可以在线路时间周期中 被捕捉。利用每个后续的线路时间周期，后续行的图像数据被捕捉。 在“帧时间”周期结束时，整个图像可以被捕捉。以这种方式，包含在 整个活跃检测区域中的像素都能够被逐行地读出，每行在线路时间周 期内。在备选实施例中，该平面板成像器可以采用拆分数据线，其中该阵列的上一半和下一半被同时读出。这允许平面板成像器被更快地 读出，例如仅需要“帧时间”的一半来读出像素。作为示例，根据剂量 要求、图像分辨率以及投影数据集的数目，该平面板成像器可以以范 围从每秒15至50帧(fps)的速度进行操作。
仍然参考图1，该图像处理设备可以包括计算机118以及处理投 影图像并且基于该投影图像重构断层摄影图像的软件120。计算机118 可以包括处理器、存储器、可选地用户接口以及网络接口。该处理器 可以包括本领域通常已知的中央处理器(CPU)，诸如
Figure BDA0003257728840000161
处理 器
Figure BDA0003257728840000162
处理器，或者诸如
Figure BDA0003257728840000163
GPU的图形处理单元(GPU)， 或者其它类型的处理单元。该处理器可以从存储器取回并且执行计算 机可执行指令，该计算机可执行指令可以使该处理器执行上文所描述 的根据本公开实施例的任何方法和/或步骤。
该存储器可以包括易失性存储器元件和非易失性存储器元件中 的任一种或者它们的组合。该存储器可以包括用于存储信息以及要由 处理器执行的指令并且用于在处理器执行指令的期间存储临时变量 或其它中间信息的随机访问存储器(RAM)或其它动态存储器设备。 该存储器还可以包括用于存储静态信息以及用于处理器的指令的只 读存储器(ROM)或其它静态存储设备。该存储器可以进一步包括用 于存储信息和指令的诸如磁盘或光盘的数据存储设备。该存储器(例 如，非瞬态计算机可读介质)可以包括用于操作计算机系统以及用于 执行应用的程序(逻辑)，该应用包括如上文所描述的剂量测定投影 和剂量计算或者其它治疗规划应用。此外，该存储器可以包括存储能 够由诸如辐射肿瘤医师或放射疗法医师的用户选择的任何信息的数 据库。
参考附图描述了CBCT系统以及包括CBCT系统的放射疗法机器 的各个实施例。应当注意的是，一些附图不必然依比例绘制。附图仅 旨在促进对具体实施例的描述并且不旨在以在作为穷举性描述或者 作为对本公开范围的限制。
除非以其它方式具体限定，否则本文所使用的所有技术和科学术 语具有如本领域技术人员普遍理解的含义。如该描述和所附权利要求 中所使用的，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”、“一个”、 “该”包括复数引用。除非上下文另外明确规定，术语“或”是指非排他 的“或”。除非上下文另外明确规定，术语“第一”或“第二”被用来在描 述各种相似元素时将一个元素与另一个元素加以区分，并且不应当被 理解为具有任何特定的顺序。进一步地，某些具体尺寸被提供是用于 对本公开各个方面的全面理解。应当注意的是，这些具体尺寸不旨在 在限制权利要求的范围。所指定的尺寸或参数应当被理解为表示 “约”、“大约”而不是“完全”。例如，术语“约”可以被用来指示数值， 该数值可以包括该术语所修饰的数值的±15％的变化。
本领域技术人员将会意识到，可以作出各种其它的修改。所有这 些和其它的变化和修改都是由发明人所预期的并且处于本发明的范 围之内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
可操作以产生辐射锥束的源，所述源能够绕轴旋转以从多个角辐照对象；
能够与所述源同步旋转的区域检测器，所述区域检测器可操作以在所述对象被所述辐射锥束辐照时获取所述对象的投影图像，其中所述区域检测器和所述源被配置为允许以大约180度加上所述锥束的扇形角来获取多个投影图像，以提供用于CBCT重构的完整数据集以生成具有至少大约20厘米的视场FOV的图像体积。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述区域检测器和所述源被配置为允许以大约180度加上所述扇形角来获取所述多个投影图像，以提供用于CBCT重构的所述完整数据集以生成具有范围大约从20至50厘米的FOV的所述图像体积。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述区域检测器被中心地定位在所述辐射锥束的束轴上。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
可操作以产生适用于疾病的治疗的放射并且可绕所述轴旋转的源。
5.根据权利要求4所述的系统，其中可操作以产生适用于治疗的放射的所述源能够以至少每分钟一转的速度绕所述轴旋转。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述源能够绕所述轴旋转以辐射包含所述对象的患者，并且所述区域检测器和所述源被配置为在所述患者屏住呼吸的同时以大约180度加上所述锥束的扇形角来获取所述多个投影图像。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述区域检测器包括具有活跃检测区域的平面板成像器，所述活跃检测区域包括范围从大约54厘米至大约105厘米的尺寸。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述区域检测器包括形成所述活跃检测区域的两个或更多个传感器盘或传感器面板。
9.一种系统，包括：
第一源，所述第一源能够绕轴旋转并且可操作以产生适于治疗的辐射；
第二源，所述第二源可操作以产生适于成像的辐射；以及
区域检测器，所述区域检测器可操作以在对象被来自所述第二源的所述辐射辐照时获取所述对象的图像，所述对象包括位于距所述轴至少大约10厘米的参照体积并且包括要被来自所述第一源的所述辐射所辐照的目标，所述区域检测器能够与所述第二源同步旋转，其中所述区域检测器和所述第二源被配置为允许在所述第一源的任何角度处获取包围所述参照体积的所述图像。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述对象中的所述参照体积位于距所述轴大约10至25厘米并且所述区域检测器和所述第二源被配置为允许以所述第一源的任何角度来获取涵盖所述参照体积的所述图像。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一源被配置为产生适用于立体定向放射外科(SRS)或立体定向体部放射治疗(SBRT)的所述辐射。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述区域检测器是被中心地定位在所述辐射的束轴上的。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述区域检测器包括具有活跃检测区域的平面板成像器，所述活跃检测区域包括范围从大约54厘米至大约105厘米的尺寸。
14.根据权利要求9所述的系统，其中所述第二源与所述第一源同步，以允许所述第二源在所述第一源被暂停的同时递送辐射并且获取所述对象的所述图像，从而减少由来自所述第一源的所述辐射的散射所引起的、在所述图像上形成伪像的影响。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述区域检测器与所述第一源同步，以允许所述区域检测器与所述第一源的脉冲模式同步地获取所述对象的所述图像。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述区域检测器包括被配置用于双能量或多能量成像的两个或更多个检测层。
17.根据权利要求9所述的系统，其中所述区域检测器包括具有由两个或更多个传感器盘或传感器面板所形成的活跃检测区域的平面板成像器。
18.一种系统，包括：
可操作以产生辐射锥束的源；以及
布置在所述源对面的区域检测器，所述区域检测器可操作以在对象被所述辐射锥束所辐照时获取所述对象的投影图像，其中所述区域检测器包括具有活跃检测区域的平面板成像器，所述活跃检测区域包括范围从大约54厘米至大约105厘米的第一尺寸和范围从大约43厘米至大约86厘米的第二尺寸。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括支撑患者的支撑床，其中所述区域检测器被安装在所述支撑床中。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述区域检测器包括具有由两个或更多个传感器盘或传感器面板所形成的活跃检测区域的平面板成像器。
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