本发明涉及医疗成像和医学图像处理领域，特别是涉及识别由于在获取扫描时患者解剖位置的变化而引起的医学图像的变化，并且特别是在放射治疗领域。
背景技术：
1、在放射治疗期间，患者会获取计划医学图像，最常见的是计算机断层扫描(ct)，但在越来越多的情况下，这可能是磁共振(mr)。根据该医学图像，会制定出用于多次放射治疗疗程的计划。这些治疗疗程被称为分次。这种方法的问题之一是计划图像不能精确地表示每个治疗疗程中患者的解剖结构。患者的解剖结构在每个疗程中将相关于其在计划图像上的出现所在的位置存在随机变化。随着时间的推移，由于体重减轻、肿瘤缩小或其他这样地过程，患者的解剖结构也可能发生系统性变化。图像引导放射治疗(igrt)和自适应放射治疗(art)是在治疗过程中使用成像来监测解剖变化，以便在igrt的情况下优化患者位置或在art的情况下修改治疗计划的技术。
2、为了产生对患者位置变化具有鲁棒性的放射治疗，对计划图像上标识的某些区域应用余量。肿瘤学家将临床靶体积(ctv)标识为可能包含要用辐射治疗的疾病的区域。将对ctv应用余量以创建计划靶体积(ptv)。ptv是将向其应用辐射以确保ctv接收所需辐射剂量的区域。ptv是空间包络，其封装了由于解剖位置变化而导致的ctv所有可能的位置。对于要避免的敏感健康器官而言，存在类似的定义。危及器官(oar)具有余量，要应用该余量以产生计划危及体积(prv)。这些概念在icru报告50和62[1，2]中正式化。由于本发明同样适用于靶区域和健康区域，我们将会对这些定义进行分组，其中ctv和oar被一起分组为临床体积(cv)，并且ptv和prv被一起分组为计划包络体积(pev)。pev几乎总是在放射治疗计划期间经由在计划期间绘制的轮廓明确定义，但它们也可以被隐式定义，诸如cv加上10mm的余量。
3、在igrt和art期间，关键的决定是cv是否仍被其相应的pev封装。移出ptv的ctv被辐射治疗遗漏的风险增加。类似地，移出prv的oar移入高剂量区域中的风险增加。如果cv延伸出pev，则原始计划的假定无效，且必须移动患者位置以使cv回到pev内或者应考虑新的计划。在用户希望执行位置校正的情况下，大多数放射治疗装置是用患者诊察台的自动线性移动来促进这一点的。更先进的系统将允许自动校正患者角度以及线性移位。
4、图1示出了用于igrt/art的示例当前过程100的流程图。该过程具有两个阶段。计划阶段101发生在第一次放射治疗之前。在步骤103，在计划3d图像，诸如ct扫描上标识单个或多个临床体积(cv)。一些cv将与扫描中可见的器官精确相关，但其他cv可能不相关，诸如识别癌症疾病的风险区域的临床靶体积。在步骤104，围绕单个或多个cv产生pev，以负责cv在治疗期间的潜在移动。pev的数量可能与cv的数量不同，例如因为并非为每个cv都产生pev，或者因为多个cv可以被组合成单个pev。随后，在步骤105中产生辐射治疗计划，使用步骤104的pev来优化被输送至治疗靶标的剂量，同时将至危及器官的剂量保持在设定的阈值以下。
5、治疗阶段102将执行一次或针对多个治疗分次执行。步骤106针对每个治疗分次或选定的治疗分次进行，其中集成至治疗机中的成像系统在治疗输送之前获取图像，通常该图像将在治疗开始之前长达15分钟内获取，然而患者在这段时间仍将保持在治疗位置中。在步骤107，用户将该图像与计划图像进行视觉比较，以验证步骤104中的每个关键cv仍包含在相关联的pev内。通常，这是在专用图像审查工作站上完成的，该专用图像审查工作站将允许使用各种不同的图像比较方法。基于该评价，在步骤120中，用户决定是否继续进行治疗，可能还要校正患者位置。
6、在现有技术内，大多数igrt和art系统仅提供用于手动、主观评估cv是否包含在pev内的工具。被设计用于实时评估患者解剖结构的提供自动评估的几个系统提供布尔是/否指示器，例如，如果cv在pev内则显示绿色，否则显示红色[3]。用类似于这种的指示器的问题在于，其无法量化变化并且跟踪问题随时间的潜在发展。
7、一些系统已经尝试使用定量测量值来跟踪随时间的变化。wang等人[4]使用varian的速度“自适应监测导航器”来跟踪结构体积的变化以及结构中心位置的任何移位。如果被跟踪的cv是刚性的，这些度量则是有用的，但在现代放射治疗中，一些cv可能非常复杂并且不会简单地移动。跟踪cv中心的移动可能会错过移出其pev的cv中的部分。
8、一项学术研究的调查发现报告了用于在放射治疗期间监测患者变化的框架和度量的许多其他论文。特别地，brouwer等人[5]对用于头颈癌art的技术的论文进行了系统回顾。他们从51项研究中识别的解剖变化的度量是体重、身体厚度、cv体积、cv密度、cv位置、cv角度及其变更，诸如在特定解剖点发生的变化、变化率或多个变化。与上述复杂cv一样，这些度量可能会错过移出其pev的cv中的部分。
9、几项研究[6-8]报告了更复杂的解剖变化度量，其直接基于患者图像或在它们上面标识的结构的变化。
10、schaly等人[6]调查了在ct扫描之间的伽马指数差异。伽马指数是一种被开发用于比较两个三维辐射剂量分布的方法[9]。它对体素强度和吻合距离的变化都很敏感，吻合距离是参考图像中的体素与测试图像中具有相同强度的体素之间的距离。伽马指数肯定会对cv位置的变化很敏感，但作为一种基于图像的全局度量，其并不能明确测量pev在覆盖cv中的充分性；不良的伽马指数分数将受到图像中任何位置处的解剖变化的影响。
11、fiorino等人[7]报告了使用雅可比体积直方图来量化变形器官的变化。在该方法中，在参考图像和测试图像之间应用可变形配准。然后计算可变形矢量场的雅可比矩阵，并且在直方图中绘制cv区域中的值。这提供了对整个cv中体素的膨胀和收缩的测量值。与schaly的方法相比，该方法的优势在于它专注于特定的cv，而非整个体积。然而，它没有直接解决pev在涵盖cv中的充分性的问题。cv内可能会发生变化，这些变化不会导致cv延伸超出pev，但会导致较高的雅可比变化。
12、hargrave等人[8]报告了一种最接近本发明的方法。该测量值使用在原始cv和治疗期间的cv之间的hausdorff距离作为度量。hausdorff距离是两组轮廓之间最坏情况差异的测量值。这将发现复杂cv中的显著变化，但与临床关注的问题，即cv移出pev没有明确联系。cv缩小并且进一步移动到pev内部不是临床问题，但会记录为一种变化。度量缺乏方向性将使其在跟踪变化方面的使用更加困难。
13、[1]icru报告50：光子束治疗的开方、记录和报告：《icru杂志》，第26卷第1期，1993年9月
14、[2]icru报告62：光子束治疗的开方、记录和报告(icru报告50的补充)：《icru杂志》，第32卷第1期，1999年11月
15、[3]https://viewray.com/mri-guided-smart/
16、[4]wang等人，针对口咽癌的基于统计过程控制的自适应放射治疗：《应用临床医学物理学杂志》，2020；21:9:171–177
17、[5]brouwer等人，识别可能从自适应放射治疗受益的患者：关于放射治疗期间头颈部危及器官的解剖学和剂量学变化的文献是否提供了有帮助的信息？《放射治疗和肿瘤学》115(2015)285–294
18、[6]schaly等人，用于在头颈癌辐射治疗期间监测患者解剖结构变化的警报系统，《应用临床医学物理学杂志》，2021；22:168–174
19、[7]fiorino等人，引入变形器官的雅可比体积直方图：应用于腮腺萎缩评价，《医学和生物学物理学》，56(2011)3301–3312
20、[8]hargrave等人，针对前列腺癌的基于在线锥形束ct的图像引导的放射治疗的特征对齐分数，《医学物理学》，45(7)，2018年7月，2898-2911
21、[9]low等人，用于定量评价剂量分布的技术，《医学物理学》，1998；25:656-661
技术实现思路
1、因此，通过本发明解决了以下问题。
2、需要一种轻松地关联起在一段时间内获取的图像之间的变化以帮助识别在患者的解剖位置中的变化的简单的、可量化的度量。优选地，在发生患者几何变化的情况下，可以使用该信息进行治疗计划，并且可按有意义的方式将这些呈现给临床用户。
3、根据本发明，提供了一种用于确定受试者的计划图像与治疗图像之间的变化的方法，其包括以下步骤：在受试者的计划图像上定义多个临床体积中的一个并且定义在临床体积周围用于计划图像的计划包络体积；从受试者获取用于与计划图像的位置相对应的位置的治疗图像；其中治疗图像将具有与计划图像相同的计划包络体积；确定在治疗图像上的一个或多个临床体积相对于计划包络体积的位置；确定临床体积中的一个或多个的封装度量，其限定在治疗图像上的临床体积在治疗图像上的计划包络体积内的封装程度。
4、在本发明的实施例中，确定封装度量包括以下步骤：在临床体积的表面上指定一个或多个代表点；确定临床体积的一个或多个代表点到计划包络体积的最短距离；其中当临床体积上的代表点位于计划包络体积内时，最短距离被归类为正或负内部距离，而当临床体积上的代表点位于计划包络体积外部时，最短距离是外部距离，其以与内部距离相反的符号进行归类；并且封装度量值被确定为：当内部距离被分类为正时，一个或多个代表点的距离中有符号的最短距离值的最小值，或者当内部距离被分类为负时，一个或多个代表点的距离中有符号的最短距离的最大值。
5、在本发明的优选实施例中，计划图像和治疗图像是3d图像。进一步优选地，计划图像和治疗图像是ct、pet、spect或mri图像。
6、在本发明的优选实施例中，在已定义计划包络体积之后，距离变换是围绕计划包络体积计算的并且这用于确定封装度量。
7、进一步优选地，封装度量是通过模拟一个或多个治疗临床体积相对于计划包络体积的平移来确定的。在本发明的实施例中，模拟平移是线性平移。
8、在本发明的优选实施例中，确定在治疗图像上的一个或多个临床体积相对于计划包络体积的位置包括以下中的一项或多项：确定计划图像与治疗图像之间的几何关系并且将临床体积位置映射到治疗图像；标识在治疗图像上的解剖特征以定位临床体积。
9、优选地，计划包络体积被定义为临床体积加上由预定方案指定的余量。
10、在本发明的实施例中，临床体积是用于治疗计划的临床靶体积或肿瘤总体积。在本发明的替代实施例中，临床体积表示在治疗中要避免的危及器官。
11、在优选实施例中，在设定的时间段内重复步骤以监测在治疗图像上的封装度量的变化。优选地，设定的时间段在6小时至3个月之间变化。
12、在本发明的实施例中，封装度量随时间的变化被显示给用户。
13、在本发明的优选实施例中，受试者处于扫描仪中用于计划图像和治疗图像的指定位置中，并且系统用户可根据一个或多个确定的封装度量来调整受试者的位置。
14、优选地，封装度量随时间的变化被显示给用户，其中显示还示出封装度量何时超过预设定的阈值，超过预设定的阈值指示受试者在扫描仪中不安全的移动。
15、优选地，该方法还包括向系统用户显示一个或多个确定的封装度量的步骤。
16、在优选实施例中，该方法还包括以下步骤：使用封装度量来确定3d表示，3d表示显示移动余量，移动余量示出在维持或改善临床体积相对于计划包络体积的位置的位置的同时受试者可在扫描仪中如何移动。
17、优选地，临床体积被显示为3d渲染表面，其中以表面上的热图指出针对表面的封装度量。
18、在本发明的另一个实施例中，还提供了一种用于分析医学图像以确定受试者的计划图像与治疗图像之间的变化的系统，其包括：处理器，处理器被配置为：在受试者的计划图像上确定一个或多个临床体积，并且定义在临床体积周围用于计划图像的计划包络体积；分析来自受试者的用于与计划图像的位置相对应的位置的治疗图像；其中治疗图像将具有与计划图像相同的计划包络体积；确定在治疗图像上的一个或多个临床体积相对于计划包络体积的位置；确定临床体积中的一个或多个的封装度量，封装度量限定在治疗图像上的临床体积在治疗图像上的计划包络体积内的封装程度。
19、优选地，处理器还被配置为执行如上所述的方法步骤中的任一个。
20、在本发明的优选实施例中，系统还包括用于显示以下中的至少一项的显示器：计划图像、治疗图像、一个或多个临床体积以及计划包络体积。
21、在本发明的优选实施例中，还提供了一种计算机程序产品，其包括指令，当指令由计算机执行时，指令使计算机执行如上所述的方法步骤。
1.一种用于确定受试者的计划图像与治疗图像之间的变化的方法，其包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述封装度量包括以下步骤：
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述计划图像和治疗图像是3d图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述计划图像和治疗图像是ct、pet、spect或mri图像。
5.根据任何前述权利要求所述的方法，其中在已定义所述计划包络体积之后，距离变换是围绕所述计划包络体积计算的并且这用于确定所述封装度量。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述封装度量是通过模拟所述一个或多个治疗临床体积相对于所述计划包络体积的平移来确定的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述模拟平移是线性平移。
8.根据任何前述权利要求所述的方法，其中确定在所述治疗图像上的所述一个或多个临床体积相对于所述计划包络体积的位置包括以下中的一项或多项：确定所述计划图像与所述治疗图像之间的几何关系并且将所述临床体积位置映射到所述治疗图像；标识在所述治疗图像上的解剖特征以定位所述临床体积。
9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述计划包络体积被定义为所述临床体积加上由预定方案指定的余量。
10.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述临床体积是用于治疗计划的临床靶体积或肿瘤总体积。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述临床体积表示在治疗中要避免的危及器官。
12.根据任何前述权利要求所述的方法，其中在设定的时间段内重复所述步骤以监测在所述治疗图像上的所述封装度量的变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述设定的时间段在6小时至3个月之间变化。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述封装度量随时间的所述变化被显示给用户。
15.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述受试者处于扫描仪中用于所述计划图像和所述治疗图像的指定位置中，并且所述系统用户可根据所述一个或多个确定的封装度量来调整所述受试者的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，当从属于权利要求14时，其中所述封装度量随时间的变化被显示给用户，其中所述显示还示出所述封装度量何时超过预设定的阈值，超过所述预设定的阈值指示所述受试者在所述扫描仪中不安全的移动。
17.根据任何前述权利要求所述的方法，其还包括向系统用户显示所述一个或多个确定的封装度量的步骤。
18.根据任何前述权利要求所述的方法，其还包括以下步骤：使用所述封装度量来确定3d表示，所述3d表示显示移动余量，所述移动余量示出在维持或改善所述临床体积相对于所述计划包络体积的所述位置的位置的同时受试者可在扫描仪中如何移动。
19.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述临床体积被显示为3d渲染表面，其中以所述表面上的热图指出针对所述表面的所述封装度量。
20.一种用于分析医学图像以确定受试者的计划图像与治疗图像之间的变化的系统，其包括：
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述处理器还被配置为执行权利要求2至19中任一项所述的方法步骤。
22.根据权利要求21或22所述的系统，其还包括用于显示以下中的至少一项的显示器：所述计划图像、所述治疗图像、所述一个或多个临床体积以及计划包络体积。
23.一种计算机程序产品，其包括指令，当所述指令由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行权利要求1至19中任一项所述的方法。
