技术领域
本发明涉及医学成像，并且特别地涉及校准可与放射治疗系统集成的 成像系统的幻影器(phantom)和相关方法。
背景技术
在放射治疗领域中的最新进展已经专注于将成像系统与治疗系统集 成。目标是提供在患者的解剖特征(例如，肿瘤)的位置上的实时反馈， 从而能够更准确地控制治疗放射(radiation)光束以瞄准该特征。
提出的一种方法是在单个设备内将基于直线加速器的治疗系统与磁 共振成像(MRI)系统相结合，已知为MRI-Linac。在本申请人的多个较 早的申请中描述这种设备，包括美国专利申请号12/704,944(公开号 2011/0201918)和PCT公开号2011/127947。在这些较早申请的每一个中 描述的系统中，MRI系统的磁性线圈分裂开，留出间隙，通过该间隙治疗 放射光束能够被传递到患者。以这种方式，患者能够被成像并且基本同时 地被治疗同时躺在相同位置。
如果MRI系统要将可靠的信息提供到治疗系统，准确地校准两个系 统是非常重要的；即，MRI系统的坐标系必须对准(register)到处理光束 的坐标系，因此在MRI系统中的测量能够转化为治疗系统中的指令。
幻影器是已知的装置，其被扫描或成像以估计并协调各种医学成像装 置的性能。Rhode等人的论文(“Registration and Tracking to Integrate X-Ray and MR Images in an XMR Facility”，IEEE Transactions on Medical Imaging， 第22卷，第1369-1378页)描述了对准x射线和MR图像的方法，其中， 在被转化为距离并且通过MRI系统成像之前，幻影器首先在x射线系统 中成像。测量在两个系统之间的距离以使两个坐标系能够被对准。当在x 射线系统中时，球轴承(ball bearing)在幻影器内被用作标记物(marker)； 当在MRI系统中时，球轴承被MR成像标记物替代以避免由于与强烈磁 场的交互而引起的问题。
这个系统具有若干缺点。如果两个标记物不精确地共同定位在幻影器 内，则球轴承与MR成像标记物的替换引入潜在的误差源。此外，在两个 装置之间的幻影器的转化引起另一误差源。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于医学成像系统的校准的幻影器， 其包括：具有第一外部形状的第一部件，第一外部形状的一部分限定至少 一个袋状部的一部分；以及耦接至第一部件并且具有第二外部形状的第二 部件，第二外部形状的一部分限定至少一个袋状部的另一部分。第一部件 和第二部件的至少一个包括储液器，该储液器具有其至少一部分定位至少 一个袋状部的中心的形状。
附图说明
现在将通过举例的方式进行对以下附图的参考，以更好地理解本发明 并且更清晰地示出本发明可以如何付诸实施，其中：
图1示出了根据本发明的实施方式的幻影器；
图2更详细地示出了图1中示出的幻影器的截面图；
图3是示出幻影器如何成像的示意性图；
图4示出了组合的MRI放射治疗系统；以及
图5是根据本发明的实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的幻影器10。如以下将说明的， 幻影器10适合用于使用不同成像模式的各种医学成像系统。
为了理解标记物如何工作，有益的是首先考虑在医学成像中可采用的 不同成像机制。
磁共振(MR)成像通过将成像目标(object)放置在高强度磁场中来 操作。当前，场强密度通常从系统到系统在0.2和3T之间变化。在该强 磁场中，在目标中的氢质子的磁矩(magnetic moment)与磁场对齐。通过 将具有共振频率的电磁信号施加到目标，可翻转那些质子的旋转。当切断 电磁信号时，质子翻转回并且发射能够在接收器线圈中接收的电磁信号。 采用梯度磁以空间地改变磁场，从而产生仅来自在目标内的特定位置的可 检测的信号和/或使共振频率在不同位置不同以实现接收电磁信号的空间 编码。在不同材料的氢质子以不同的松驰率(relaxation rate)返回至其平 衡状态，并且这也可用于在材料之间区分并且构造图像。
以这种方式，具有高氢质子密度的材料，即具有大量的可自由翻转它 们的磁矩的氢质子的材料，在MR图像中是清晰并且强烈可见的。
另一种成像模式采用诸如x射线的放射。利用准直的x射线光束瞄准 待成像的目标；通常光束是锥形的，但是可采用其他形状。位于主体的相 对侧的检测器检测在其穿过目标之后的放射。某些放射已经被目标吸收， 因此通过检测器收集的数据以投影图像的形式提供关于目标位置的信息。 可组合多个投影图像，以使用计算机断层扫描(CT)技术再构造目标的立 体图像(volume image)。
虽然增加不是线性的，但是随着目标材料密度的增加目标吸收给定能 量的x射线的可能性增加。诸如铅或钨的高密度材料非常容易地吸收x射 线，这导致它们被用于准直器、放射屏蔽等。低密度目标在放射类图像中 可能不是可见的。吸收的可能性还取决于放射的能量，具有不同的交互机 制来支配不同的能量。例如，在较低能量x射线(即keV范围)的情况下， 除了材料密度的影响之外，由于光电效应x射线吸收可以是十分敏感的材 料。不同的材料不同地吸收keV x射线(例如，如在KeV射线的骨头的清 晰成像中所见的)。然而，在较高的能量级别(即MeV范围)，相对吸收 主要取决于目标中的材料的相对材料密度。因此，在MeV能量级别，通 过对具有不同材料密度的材料进行成像能够获得高对比度图像。材料密度 的差异越大，图像中的对比度越大。
在采用这些和其他技术的成像系统中可采用根据本发明的实施方式 的幻影器10。
幻影器10包括两个部件12、14。在所示的实施方式中，这两个部件 包括类似的特征并且具有互补的形状。
第一部件12包括直立的、基本上平坦的支撑件12a，具有从支撑件 12a的底座延伸的凸缘13以允许第一部件12在使用期间保持直立。多个 细长构件在远离支撑件12a的平面的方向上延伸。在所示的实施方式中， 细长构件包括相对长的构件16a和相对短的构件16b，并且这些被布置成 环。相对长的构件16a与相对短的构件16b围绕环沿圆周方向交替。在所 示的实施方式中，每个细长构件(即长的16a和短的16b两者)朝向离支 撑件12a最远的端逐渐变细(taper)。
第二部件14类似地包括直立的、基本上平坦的支撑件14a，具有从 底座延伸的凸缘15以允许第二部件14在使用期间保持直立。多个细长构 件在远离支撑件14a的平面的方向上延伸，并且在所示的实施方式中，细 长构件再次包括相对长的构件18a和相对短的构件18b。细长构件18a、 18b布置成环。相对长的构件18a与相对短的构件18b围绕环沿圆周方向 交替。在所示的实施方式中，每个细长构件(即长的18a和短的18b两者) 朝向离支撑件14a最远的端逐渐变细。
第一和第二部件12、14耦接在一起，从而第一构件12的相对长的构 件16a和第二部件14的相对短的构件18b啮合，同时第一部件12的相对 短的构件16b和第二部件14的相对长的构件18a啮合。这样，在两个部 件12、14之间啮合的点形成两个环：在支撑件12a附近由在第一部件12 的相对长的构件16a和第二部件14的相对短的构件18b之间的啮合点形 成的一个环；以及在支撑件14a附近由在第一部件12的相对短的构件16b 和第二部件14的相对长的构件18a之间的啮合点形成的第二个环。
鉴于以下描述，对本领域技术人员将显而易见的是，在不偏离本发明 的范围的前提下，可为细长构件选择替代性尺寸，只要一个部件的每个细 长构件与另一个部件的对应构件相啮合。例如，部件的构件元件可全部具 有相同的长度，从而创建啮合点的单个环。可替换地，细长构件均可具有 不同的长度，从而创建不同的图案；例如，啮合点可遵循螺旋形。
可采用任何合适的机构(mechanism)来将细长构件16a、16b、18a、 18b，并且更一般地将第一部件和第二部件接合在一起。例如，相应对的 构件16a、18b以及16b、18a可在它们的啮合点通过粘合剂接合在一起。 可替换地，可设置机械器件(未示出)来将第一和第二部件12、14耦接 在一起。本领域技术人员将理解可设置任何合适的机构。
在本发明的某些实施方式中，两个部件12、14由非导电(即非电气 传导)和非磁性材料制成。材料是非磁性的，因为其对外部磁场不具有明 显的影响(即其是非铁磁性的)。其是在磁共振(MR)成像系统中允许采 用幻影器10的特征，这应当是必需的。此外，因为导电材料能够引起MR 图像的失真，所以材料是非导电性的。在本发明的背景下，如果通过MRI 系统产生的射频场能够穿透(即穿过)部件，则部件可被视为非导电性的。 因此，在这种频率下的部件材料的趋肤深度必须基本上等于或大于部件本 身的尺寸(趋肤深度δ由给出，在此，ρ是电阻系数，ω是角频率 并且μ是绝对磁导率)。例如，在1.5T MRI中，rf场频率(氢质子的共振 频率)将处于64MHz或64MHz附近。给定该信息，这对技术人员选择 合适的材料以确保趋肤深度等于或大于部件的尺寸是简单的练习。
在一个实施方式中，部件12、14由模制塑料(moulded plastic)制造。
在包括第一和第二部件12、14的组件套件(kit of parts)中可设置幻 影器。
图2示出了穿过图1中示出的幻影器10的一部分的截面图，具体地 穿过第一部件12的相对短的构件16b和第二部件14的相对长的构件18a。 本领域技术人员将理解，不考虑它们的长度，在截面图中示出的特征对所 有构件是共同的。
短的构件16b被成形为朝向离支撑件12a最远的端逐渐变细。在那个 端，构件被成形为提供凹部17。长的构件18a类似地朝向离支撑件14a最 远的端逐渐变细，并且在那个端类似地具有凹部19。在使用中，构件16b、 18a的两个端沿着交叉处(intersection)30接合在一起，并且可使用粘合 剂、或通过由将第一和第二部件12、14压制在一起的某些机械器件施加 的压力来固定。两个凹部的结合在两个细长构件16b、18a之间提供了空 间(volume)或袋状部(pocket，封袋)28。在某些实施方式中，凹部17、 19可分别是半球形的，从而袋状部28是球形的。然而，在不偏离本发明 的范围的前提下，本领域技术人员可采用其他形状。为了简单起见，两个 构件16b、18a的凹部可具有相同的形状，但是这不是必要的。
在使用中，并且在将两个部件12、14适配在一起之前，可将标记物 (未示出)放置在幻影器10的该或每个袋状部28中。标记物应当成形从 而紧紧地配备在袋状部28内。因此，在所示的实施方式中，标记物将是 球形的。
在一个实施方式中，标记物具有相对高的材料密度，从而其优选地吸 收x射线并且出现在放射类图像中，即使用x射线的放射照相 (radiographic)图像。例如，标记物可由金属制造，诸如球轴承。
然而，根据本发明的某些实施方式，幻影器10应当能够在各种范围 的系统中采用，诸如采用磁共振成像(MRI)技术的系统。在那种情况下， 金属标记物由于在这种系统中产生的高磁场而将是不合适的。在这种情形 下，可适于用作标记物的一类材料是陶瓷，因为它们是非磁性和非导电性 的。某些陶瓷材料也具有高材料密度，诸如具有5.66kgm-3材料密度的锆 氧化物(氧化锆)。那些材料能够通过基于x射线的成像模式来成像而不 会反过来影响基于MRI的方法。因此，在一个实施方式中，标记物可由 诸如氧化锆的陶瓷制成。
然而，陶瓷材料也具有相对低的氢质子密度，因此它们在MR图像 中仅微弱地出现。在某些实施方式中，标记物可具有基本上为零的氢质子 密度，因此其在MR成像系统中不成像。
第一部件12进一步包括适用于保持液体的中空室或储液器20。储液 器20设置在支撑件12a内，但是也延伸到在细长构件16b内的中空空间 22b中。在构件16b的一端，储液器以与凹部17类似的方式成形。即，其 中，构件16b的一端包括凹部，储液器类似地具有凹部。在所示的实施方 式中，其中，凹部17限定球形表面的一部分，储液器的一端类似地限定 球形表面的一部分。另外，储液器20球形表面的轨迹(locus)与凹部17 的轨迹相同。
在一个实施方式中，细长构件16a、16b的每一个是中空的，具有连 接为储液器20的一部分的袋状部分。
在使用中，储液器20填充有液体。液体可包括诸如鱼肝油的油。在 可替换实施方式中，液体可包括水或基于水的溶液。由于它的高氢质子密 度，容易使用MRI技术来对液体成像。因此，幻影器10的MRI图像将示 出与储液器20的形状一致的液体。在构件16b内，在储液器一端的液体 的凹形能够用于确定袋状部28的中心。
在所示的实施方式中，第二部件14的细长构件18a类似地是中空的， 包括具有朝向离支撑件14a的最远端的凹形、球形形状的中空空间26a。 虽然在图2中未示出，在实施方式中，第二部件14还包括耦接至在细长 构件18a内的中空空间26a的储液器。在另外的实施方式中，储液器可以 类似的方式连接到第二部件14的所有细长构件18a、18b。
在使用中，在第二部件14内的储液器也可填充有液体，并且当幻影 器使用MRI技术成像时，在中空空间22b中的液体和在中空空间26a中 的液体的结合允许袋状部28的中心以高精度水平来定位。
本领域技术人员将理解，可采用除了所示出的部分球形形状之外的可 替换储液器形状，然而其仍可定位袋状部28的中心。例如，储液器可在 细长构件的一端逐渐变细至一个点，从而提供指向袋状部28的中心的“箭 头”。储液器可在细长构件内具有立方体形状，其中心识别袋状部28的中 心。对技术人员将显而易见的是，可替换的形状和所有这种形状都落在本 发明的范围内。图3是示出幻影器10如何能够使用各种成像模式来成像 的示意图。为了清楚起见，仅示出了一对细长构件的成像。在每个细长构 件中的液体由形状40、42示出。放置在袋状部28中的标记物通过区域44 示出。
在MR图像中，虽然标记物44根据氢质子密度可能是依稀可见的或 完全不可见的，但是在储液器中的液体是清晰可见的。然而，可通过分析 呈现在图像中的液体40、42的位置和形状来确定袋状部的中心(标记为 X)。在放射照相图像中，反过来是真实的。由于液体的低材料密度，在储 液器中的液体40、42仅可以是依稀可见的或完全不可见的。相反，由于 标记物的高材料密度，标记物区域44是清晰可见的。袋状部28的中心(X) 能够通过确定标记物区域44的中心来确定。
应注意，在放射照相图像中的液体和标记物区域的外观取决于多个因 素，包括放射的能量和放射量(即如通过光束的强度和曝光时间所确定 的)。少量的放射可导致液体在放射照相图像中有效地是不可见的。
因此，可采用根据本发明的实施方式的幻影器10来校准MRI系统(在 袋状部中有或没有标记物)以及基于x射线的成像系统(在储液器中有或 没有液体)。此外，相同的点(或一组点)—袋状部的中心—使用磁共振 和放射照相技术来确定。这允许在使用两种模式的成像系统中采用标记 物。
因此，幻影器10在将磁共振成像和放射治疗两者结合在相同系统中 的MRI-Linac系统中特别有用。在图4中示意性地示出了这种系统100。
该系统包括能够围绕轴I旋转的托架(gantry)102。放射头104安装 到托架，并且被适配为产生基本向内指向旋转轴I的放射光束106。可设 置放射源(诸如直线加速器或放射性同位素)以产生从头106散发的辐射。 为了具有治疗效果，放射光束的能量将通常处于兆电子伏的量级。患者支 撑件110设置在或靠近旋转轴I，在其上能够放置待成像的患者或目标。
光束106的形状和方向可通过使用诸如多叶准直器的准直器(未示 出)来适配，以符合具体期望的轮廓。例如，可将光束的形状适配为患者 支撑件110上的患者内的目标结构的轮廓。随着托架旋转，放射光束106 从多个方向指向目标结构并且在目标结构中建立同时通常在周围区域中 减少。
放射检测器108安装在托架102的与放射头104基本相对的位置处， 因此放射光束106在穿过患者支撑件110上的待成像的目标之后撞击 (impact)放射检测器108。这种检测器通常被称为门户成像仪(portal imager)，因为它们沿着放射光束106的轴产生目标的投影图像。检测器 108耦接至使用检测数据来产生图像的处理电路112。因此，虽然放射系 统主要用于治疗目的并且以适于治疗的能量产生放射，然而放射可被用于 产生图像(尽管处于比通常用于成像的较少能量放射更低的对比度)。
系统100进一步包括磁共振成像设备。本领域技术人员将理解，这类 设备包括大量部件，该大量部件包括用于在具体位置产生具体磁场强度的 各种磁线圈和用于传输并且接收电磁波的RF系统。为在清楚起见，在此 仅示出了磁线圈114。
磁线圈114被定位成其长轴与托架102的旋转轴I对齐。在一个实施 方式中，线圈114沿着轴I的方向彼此偏移，从而创建间隙。放射光束106 能够直接通过该间隙，因此磁线圈114不会干扰放射。线圈114耦接至处 理电路112，从而可产生在患者支撑件110上的目标的图像。
因此，放置在患者支撑件110上的目标可通过MRI系统成像并且在 处于相同位置的同时通过放射治疗系统来治疗。此外，可使用放射治疗系 统来使用放射检测器108产生目标的门户图像。可使用上述幻影器10来 校准系统100，从而由MRI系统收集的成像数据可被用于通知和控制放射 治疗系统。
图5是描述校准上述系统100的方法的流程图。
在步骤200，将一个或多个标记物放置在根据本发明的实施方式的幻 影器10的一个或多个袋状部28内。标记物将是非磁性和非导电性的。标 记物可由诸如氧化锆的陶瓷材料制成。在某些实施方式中，标记物可由多 于一种的材料制成。即，标记物在其核心处可包括高密度材料(例如，氧 化锆)，并且在核心周围包括较低密度材料。期望高密度核心尽可能的小， 以最大化放射类装置的校准精度，同时维持相对大的非磁性空间以保持 MRI装置的校准精度。液体放置在一个或多个储液器内，并且在放射光束 106的路径和适于通过MRI系统成像的位置处，将幻影器放置在患者支撑 件110上。
在步骤202，使用MRI系统产生幻影器的图像，并且特别地用于产 生示出在储液器中的液体的图像。
在步骤204，从MRI图像确定一个或多个袋状部的中心的位置。
在步骤206，在处于相同位置的同时，使用放射光束106和放射检测 器108产生幻影器的放射照相图像。在该图像中，一个或多个标记物由于 其较高的材料密度而被更清晰地示出。
在步骤208，从放射照相图像中确定一个或多个标记物的中心的位置 (以及由此的袋状部28的中心)。
在步骤210，对两个图像中的一个或多个袋状部28的中心的位置的 认知允许MR成像模式的坐标系与放射照相模式的坐标系对准。具体地， 使用MRI系统的测量可被用于指示放射治疗系统。例如，为了跟踪移动 目标可基于MR成像数据来适配准直器元件的位置。
对本领域技术人员将显而易见的是，这些步骤不一定严格地按照针对 该方法指定的顺序来执行以使其顺利地执行。例如，放射照相图像可在 MRI图像之前获取而不会影响改方法，或在任一个被分析之前获取这两个 图像以确定标记物/袋状部的中心的位置。
因此，本发明的实施方式提供了适合用于各种医学成像系统中的校准 的幻影器和相关方法。
本领域技术人员将理解，在不偏离如在所附权利要求中限定的本发明 范围的前提下，可对上述实施方式进行各种修改和替换。