4D КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ С КОНТРАСТНЫМ УСИЛЕНИЕМ (КТ)
4D COMPUTER TOMOGRAPHY WITH CONTRAST ENCHANCEMENT (CT)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится в общем к формированию изображения и более конкретно к 4D компьютерной томографии (КТ) с контрастным усилением и описывается особенно применительно к планированию лучевой терапии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Планирование лечения онкологических заболеваний представляет собой создание плана лечения для лечения опухоли(ей) с помощью лучевой терапии (т.е. ионизирующего излучения), хирургии, химиотерапии и т.д. Как правило, для планирования лечения объект сканируется (например, с помощью компьютерной томографии (КТ) или другим сканером), и результирующие данные объемного изображения используются для запуска моделирований лечения и/или создания плана лечения. Однако часто трудно сформировать изображение опухоли, которая может перемещаться в результате дыхательного и/или сердечного движения, из данных изображения без контраста. Таким образом, обычно выполняется КТ-сканирование с контрастным усилением.
С помощью сканера, имеющего детекторную зону охвата вдоль оси z около двух с половиной сантиметров (2,5 см) за один оборот, сканирование от плеч до бедер может охватывать около пятидесяти сантиметров (50 см) и где каждое положение стола сканируется на протяжении всего дыхательного цикла (например, около четырех секунд (4 сек) от полного вдоха до полного выдоха), для выполнения сканирования потребуется около восьмидесяти секунд (80 секунд). Такое сканирование может быть спиральным КТ-сканированием с малым шагом с синхронизацией по дыханию при нормальном дыхании, при котором каждый поворот охватывает весь дыхательный цикл, для нескольких оборотов, необходимых для формирования изображения всей опухоли, или серией осевых сканирований с различными приращениями, в которых при каждом положении стола пациент сканируется в течение всего дыхательного цикла и где осевые срезы объединяются вместе для того, чтобы образовать объемные данные, охватывающие всю опухоль.
Для такого сканирования предварительное сканирование или сканирование с малой дозой сначала выполняется для локализации опухоли в субъекте, чтобы определить надлежащее положение объекта для сканирования опухоли. В этом примере тестовый болюс вводят субъекту, чтобы определить аппроксимируемое время достижения пикового накопления контраста в изучаемой ткани. Другие подходы могут также использоваться для того, чтобы приблизительно определить время достижения пикового накопления контраста. Кроме того, дыхательный цикл пациента контролируется сильфонным поясом или другим устройством. Субъект позиционируется, основываясь на локализации и чтобы запустить сканирование с контрастным усилением в попытке захватить пиковое накопление контраста в ткани, затем используются контролируемый дыхательный цикл и аппроксимируемое время пикового накопления контраста.
К сожалению, может быть трудно синхронизировать хронирование сканирования с пиковым накоплением контраста и увеличением опухоли. Таким образом, пиковое накопление контраста может быть пропущено, частично или полностью, и, возможно, придется повторно сканировать субъект один или несколько раз, чтобы захватить желаемое контрастное усиление для планирования лечения. Как следствие, пациент может подвергаться воздействию нескольких доз контрастного вещества и/или многократному сканированию и радиационному облучению.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты настоящего применения обращены к вышеозначенным и другим вопросам.
Согласно одному из аспектов, способ включает в себя сканирование изучаемой ткани субъекта, получаемое при компьютерной томографии (КТ) с контрастным усилением, с помощью системы формирования изображения, имеющей источник излучения и матрицу детекторов, в которых пиковое контрастное усиление изучаемой ткани, полный диапазон движения изучаемой ткани и изображение всего изучаемого объема изучаемой ткани одновременно визуализируется за один оборот источника излучения и матрицы детекторов системы формирования изображения.
Согласно другому аспекту, система формирования изображения включает в себя источник излучения, который вращается вокруг зоны для исследования вокруг оси z и испускает излучение, которое проходит через зону для исследования и матрицу детекторов, расположенную поперек зоны для исследования, напротив источника излучения, который обнаруживает излучение, проходящее через зону для исследования. Матрица детекторов включает в себя множество рядов детекторов вдоль направления оси z, обеспечивая зону охвата по оси z, и зона охвата такова, что весь изучаемый объем изучаемой ткани, находящейся в движении, сканируется в течение одного оборота источника. Сканирование осуществляется в течение одного оборота и охватывает полный цикл движения изучаемой ткани, и сканирование отображает пиковое накопление контрастного вещества изучаемой тканью в течение оборота. Система также включает в себя реконструктор, который реконструирует четырехмерный набор данных контрастного усиления на основе сканирования.
Согласно другому аспекту, способ включает в себя локализацию сканирования вокруг изучаемой области, сканируя, с нулевым шагом, изучаемую область во время пикового накопления контраста опухолью в изучаемой области, так что опухоль удерживается в пределах поля зрения сканирования в течение ее полного диапазона движения, и получение четырехмерного изображения контрастного усиления изучаемой области, включающей в себя опухоль.
Согласно другому аспекту, способ включает в себя синхронизацию перемещения опоры для субъекта, несущей пациента, который сканируется, и оцененного времени достижения пикового контрастного усиления изучаемой ткани пациента так, что пиковое контрастное усиление возникает в изучаемой ткани, когда представляющая интерес ткань сканируется, и изображение изучаемой ткани формируется по всему диапазону движения изучаемой ткани относительно пациента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение может принимать форму в различных компонентах и компоновках компонент и в различных этапах и компоновках этапов. Чертежи служат только для целей иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления и не должны истолковываться как ограничивающие изобретение.
Фиг. 1 схематично иллюстрирует систему формирования изображения применительно к системе планирования лечения и устройству для лечения.
Фиг. 2 иллюстрирует пример способа генерации 4D набора данных контрастного усиления изучаемой ткани в диапазоне движения изучаемой ткани во время цикла движения изучаемой ткани без необходимости синхронизации хронирования сканирования по всей изучаемой ткани во время пикового контрастного усиления во время формирования изображения за один оборот.
Фиг. 3 иллюстрирует пример, показывающий расположение изучаемой ткани применительно к системе, показанной на фиг. 1.
Фиг. 4 иллюстрирует пример способа генерации 4D набора данных контрастного усиления изучаемой ткани в диапазоне движения изучаемой ткани во время цикла движения изучаемой ткани посредством синхронизации введения контраста и перемещения пациента во время сканирования для формирования изображения изучаемой ткани в течение всего цикла движения и захвата пикового накопления контраста в изучаемой ткани.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 схематично иллюстрирует систему формирования изображения, такую как сканер 100 для компьютерной томографии (КТ).
Сканер 100 включает в себя стационарный гентри 102 и вращающийся гентри 104, который поддерживается с возможностью вращения стационарным гентри 102. Вращающийся гентри 104 вращается вокруг зоны 106 для исследования по продольной или оси z 108 один или несколько раз за один или несколько циклов сбора данных.
Источник 112 излучения, такой как рентгеновская трубка, поддерживается посредством и вращается вместе с вращающимся гентри 104 вокруг зоны 106 для исследования. Представленный источник 112 излучения выполнен с возможностью формировать рентгеновское излучение, соответствующее множеству различных пиковых напряжений. Коллиматор 114 источника коллимирует испускаемое излучение для того, чтобы формировать в основном веерообразный, клиновидный или конический пучок излучения, который проходит через исследуемую область 106.
Контроллер 116 источника управляет спектром источника 112 излучения. Представленный контроллер 116 выполнен так, что он может при необходимости переключать напряжение источника 112 излучения между, по меньшей мере, двумя различными пиковыми напряжениями при сканировании. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, в одном случае контроллер 116 может переключать источник напряжения между 80 кВ пикового напряжения и 140 кВ (или другого желаемого спектрального различия, в том числе между более чем двумя различными напряжениями). В одном случае контроллер 116 не переключает пиковое напряжение.
Чувствительная к излучению матрица 118 детекторов обнаруживает излучение, которое проходит через зону 106 для исследования и генерирует сигнал (проекционные данные), свидетельствующие об обнаруженном излучении. Представленная матрица 118 детекторов включает в себя двумерный (2D) массив детекторов, имеющих множество рядов детекторов, расположенных относительно друг друга в направлении z оси.
В одном случае, не имеющем ограничительного характера, зона охвата сканирования вдоль оси z для одного вращения находится в диапазоне приблизительно от пяти сантиметров (5 см) до приблизительно двадцати сантиметров (20 см), например около восьми сантиметров (8 см), около десяти сантиметров (10 см) и т.д. Другие зоны охвата вдоль оси z (большие или меньшие) также предполагаются в данном документе. Кроме того, в челночном режиме, в котором сканер может двигаться назад и вперед, зона охвата сканирования фактически удваивается (например, 8 см в одном направлении и 8 см в другом направлении или 16 см общей сложности). Такая зона охвата может соответствовать геометрии изучаемой ткани, такой как опухоль печени, легких и т.д., или других изучаемых анатомических тканей субъекта.
В качестве примера, где система 100 формирования изображения выполнена с возможностью генерировать данные изображения, используемые для планирования лечения и/или лечебной терапии, массив 118 детекторов может быть выполнен с возможностью формировать изображение всего или заданного объема или подучастка изучаемой ткани без необходимости перемещать субъект относительно оси z при сканировании пациента. Например, для опухоли в три сантиметра (3 см) (типичный размер опухоли от трех до пяти сантиметров (3-5 см)), которая движется в теле пациента приблизительно на два сантиметра (2 см), например, в связи с дыханием, зона охвата в восемь сантиметров (8 см) по оси z позволила бы сформировать изображение всей опухоли, в том числе во время движения опухоли без перемещения пациента.
В другом примере, где весь или заданный объем или подучасток изучаемой ткани не может быть отображен без перемещения патента вдоль оси z через зону 106 для исследования при сканировании пациента, например, где зона охвата сканирования вдоль оси z для одного оборота находится в диапазоне приблизительно от одного сантиметра (1 см) до приблизительно четырех сантиметров (4 см), введение контраста синхронизируется с перемещением субъекта, таким, что одновременно формируются изображения как изучаемой ткани в течение цикла ее движения, так и пикового накопления контраста в изучаемой ткани.
Опора 110 для пациента, такая как стол, поддерживает пациента 121 в зоне 106 для исследования. Например, опору 110 для пациента можно использовать для позиционирования пациента для любого предварительного сканирования. Опора 110 для пациента также может использоваться для позиционирования пациента так, чтобы изучаемая ткань находилась между источником излучения и матрицей детекторов и в зоне исследования для сканирования с контрастным усилением с нулевым шагом, в которой вся изучаемая ткань сканируется по всему диапазону ее движения.
Реконструктор 120 реконструирует сигнал от матрицы 118 детекторов и генерирует данные объемного изображения, показывающие на зону 106 для исследования. Реконструктор 120 может использовать различные алгоритмы реконструкции. Например, в одном случае реконструктор 120 использует 4D алгоритм и генерирует 4D набор данных на основе данных, собранных при различных временных диапазонах. В случае с данными изображения с контрастным усилением данные изображения, соответствующие различным временным диапазонам, могут иметь различное контрастирование, представляющее различные стадии накопления и вымывания контраста в тканях в процессе сканирования.
Реконструктор 120 может также использовать мультиэнергетический алгоритм реконструкции для генерации изображения для одного или нескольких отдельных диапазонов энергии (пиковые напряжения трубки) и/или составного изображения, охватывающего два или более диапазона энергии. Сравнение изображений, соответствующих различным спектрам излучения, можно использовать для того, чтобы различать атомный или элементный составы изучаемой ткани, другие ткани и/или контрастное вещество. Другие подходящие алгоритмы реконструкции включают в себя 2D и/или 3D алгоритмы реконструкции.
Универсальная вычислительная система служит в качестве консоли 122 оператора и включает в себя устройство вывода, такое как дисплей, и устройство ввода, такое как клавиатура, мышь и/или тому подобное. Консоль 122 включает в себя один или несколько процессоров, которые исполняют одну или несколько машиночитаемых инструкций, закодированных на машиночитаемых носителях. Дополнительно или альтернативно одна или несколько машиночитаемых инструкций могут выполняться по сигналу, электромагнитному сигналу передачи модулированной информации или тому подобное.
В одном случае исполняемые инструкции предоставляют пользователю интерактивный интерфейс, через который клиницист или другой уполномоченный пользователь может управлять работой системы 100, например, для сканирования, позволяя клиницисту выбрать предварительное сканирование (предварительное сканирование или осевое с малой дозой или спиральное сканирование) и потом протокол сканирования, такой как протокол моно- или мультиэнергетического сканирования, протокол с контрастным усилением, дыхательный цикл и/или протокол сканирования с управляемым контрастированием, протокол спирального сканирования с нулевым шагом, их сочетание и/или другой протокол сканирования.
Датчик движения или монитор 124 выполнен с возможностью определять характер движения, по меньшей мере, заданного изучаемого объема движущегося объекта или субъекта в зоне 106 для исследования и генерировать сигнал, указывающий на это. Монитор 124 движения может включать в себя дыхательные, сердечные и/или другой датчики движения. Для дыхательных применений монитор 124 движения может включать в себя дыхательный сильфонный пояс, фидуциарные маркеры или тому подобное. Выходной сигнал представленного монитора 124 подается на консоль 122, которая может использовать выходной сигнал для того, чтобы регулировать сканирование, регулировать введение контрастного вещества, отображать дыхательный цикл в реконструированных данных изображения, их сочетания и/или без этого.
Инжектор 126 выполнен с возможностью введения контрастного вещества (веществ), например, для процедуры формирования изображения с контрастным усилением. Представленный инжектор 126 управляется с консоли 122, которая может запускать или вызывать в инжектор 126 для введения контрастного вещества в координации с вызовом сканирования, так что пиковое накопление контраста и усиление изучаемой ткани сканируется в течение одного дыхательного цикла. Контрастное вещество может быть дополнительно или альтернативно вручную введено клиницистом или тому подобным. Там, где контрастное вещество вводится вручную, инжектор 126 может быть опущен.
Представленная система 100 формирования изображения используется в связи с системой 128 планирования лечения и устройством 130 для лечения. Систему 128 планирования лечения можно использовать для моделирования ответа на лечение для того, чтобы лечить и генерировать планы лечения для устройства 130 для лечения на основе данных изображения системы 100 формирования изображения, таких как набор данных 4D изображений с контрастным усилением. Дополнительно или альтернативно система 128 планирования лечения может использовать информацию от других модальностей формирования изображения и/или других данных изображения для генерации плана лечения. Устройство 130 для лечения может быть выполнено с возможностью реализации лучевой терапии (внешнее облучение, брахитерапия и т.д.), химиотерапии, лучевой терапии заряженными частицами (например, протонами), высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (HIFU), абляции, их сочетания и/или другого лечения.
Фиг. 2 иллюстрирует типовой способ генерации 4D набора данных контрастного усиления изучаемой ткани в диапазоне движения изучаемой ткани во время цикла движения изучаемой ткани без необходимости синхронизировать хронирование сканирования по всей изучаемой ткани во время пикового контрастного усиления во время формирования изображения за один оборот.
Следует иметь в виду, что порядок действий в способах, описываемый в настоящем документе, не является ограничивающим. Таким образом, другие порядки рассматриваются в данном документе. Кроме того, одно или несколько действий может быть опущено и/или одно или несколько дополнительных действий могут быть добавлены.
На этапе 202 выявляется расположение изучаемой ткани субъекта. Например, в одном случае выявляется приблизительное местоположение опухоли в печени, легких и/или других анатомических структурах пациента. Приблизительное местоположение может быть определено путем выполнения предварительного сканирования, такого как предварительное сканирование, спиральное сканирование с низкой дозой и/или другое предварительное сканирование и выявляющее местоположение изучаемой ткани субъекта, основываясь на изображении(ях) предварительного сканирования.
На этапе 204 определяется диапазон движения части изучаемой ткани. Как обсуждалось в данном документе, когда относительное местоположение изучаемой ткани в организме пациента меняется с дыхательным (и/или сердечным) циклом, дыхательный (и/или сердечный) цикл можно контролировать с помощью сильфонного пояса или другого устройства контроля дыхания. Диапазон движения может быть определен на основе контролируемого цикла, синхронизированного с данными формирования изображения из сканирования пациента. Альтернативно можно использовать дыхательный цикл и/или сердечный цикл.
На этапе 206 пациент помещается в зону для исследования, так что для определенного диапазона движения участок (весь или подучасток) изучаемой ткани находится в зоне для исследования на пути излучения от источника излучения к матрице детекторов. Где зона охвата по оси z матрицы детекторов составляет приблизительно от пяти до двадцати сантиметров (5-20 см), пациент может быть расположен в зоне для исследования так, что весь участок изучаемой ткани находится в пределах зоны охвата матрицы детекторов. Конечно, пациент может быть расположен так, что весь участок изучаемой ткани не находится в зоне охвата матрицы детекторов, если таково желание клинициста.
На этапе 208 болюс контраста вводят пациенту. Болюс может быть введен до, одновременно с или после начала сканирования, в зависимости от оцененного времени достижения пикового накопления изучаемой тканью, который может быть определен с помощью тестового болюса и предварительного сканирования, предыдущих сканирований с контрастным усилением для пациента и/или других пациентов и/или без этого. Хронирование болюса не должно быть синхронизировано с хронированием сканирования для того, чтобы сформировать изображение участка изучаемой ткани во время пикового усиления контраста.
На этапе 210 выполняется регулируемое спиральное сканирование с нулевым шагом, при котором сканирование регулируется в координации с дыхательным циклом так, что изучаемая ткань полностью отображается за один оборот и по всему участку определенного диапазона движения или дыхательного цикла (включая полный цикл или его подмножество), охватывающий диапазон движения изучаемой ткани. Хронирование регулирования не нужно синхронизировать с хронированием введения болюса для того, чтобы сформировать изображение участка изучаемой ткани во время пикового усиления контраста.
На этапе 212 на основе сканирования создается 4D набор данных контрастного усиления. Такой набор данных показывает контрастное усиление участка изучаемой ткани по всему диапазону движения и может использоваться для облегчения планирования лечения. Дополнительно или альтернативно 4D данные могут предоставить визуальную информацию о перфузии. Дополнительно или альтернативно 4D данные можно использовать для генерации карты контраста, например, там, где выполняется мультиэнергетическое (пиковое напряжение) сканирование.
Вышеизложенное может быть реализовано в виде машиночитаемых инструкций, которые при выполнении процессором(ами) компьютера заставляют процессор(ы) выполнять описанные действия. В таком случае инструкции хранятся на машиночитаемом носителе, связанном с или иным образом доступном для соответствующего компьютера.
На фиг. 3 представлен пример, в котором пациент 121 расположен на пути пучка излучения от источника 112 к матрице 118 детекторов с помощью опоры 110 для пациента. В этом варианте осуществления пациент 121 расположен так, что изображение изучаемой ткани 302 остается на пути излучения и формируется в течение, по меньшей мере, одного вращения источника 112, хотя изучаемая ткань может двигаться между первым и вторым местоположениями 304 и 306 внутри пучка, например, из-за дыхательного, сердечного и/или другого движения.
Использование такого подхода снижает необходимость синхронизации сканирования с введением контраста для обеспечения формирования изображения пикового накопления контраста и усиления, так как все изображение изучаемой ткани 302 формируется все время. В альтернативной конфигурации, в которой спиральное или пошаговое аксиальное сканирование должны выполняться для того, чтобы захватить всю изучаемую ткань, синхронизация сканирования с введением контраста может потребоваться для того, чтобы обеспечить пиковое накопление контраста, и усиление изучаемой ткани не пропускается, так как весь объем изучаемой ткани не сканируется все время в течение сканирования.
Фиг. 4 иллюстрирует пример способа генерации 4D набора данных контрастного усиления изучаемой ткани по всему диапазону движения изучаемой ткани в течение цикла движения изучаемой ткани с помощью синхронизации введения контраста и перемещения патента (посредством опоры 110 для субъекта) во время сканирования изображения для формирования изображения изучаемой ткани в течение всего цикла движения и захвата пикового накопления контраста в изучаемой ткани.
Следует иметь в виду, что порядок действий в способах, описываемый в настоящем документе, не является ограничивающим. Таким образом, другие порядки рассматриваются в данном документе. Кроме того, одно или несколько действий может быть опущено и/или одно или несколько дополнительных действий могут быть добавлены.
На этапе 402 выявляется расположение изучаемой ткани субъекта. Например, в одном случае выявляется приблизительное местоположение опухоли в печени, легких и/или других анатомических структурах пациента. Приблизительное местоположение может быть определено путем выполнения предварительного сканирования, такого как предварительное сканирование, спиральное сканирование с низкой дозой и/или другое предварительное сканирование и выявляющее местоположение изучаемой ткани субъекта, основываясь на изображении(ях) предварительного сканирования.
На этапе 404 определяется диапазон движения части изучаемой ткани. Как обсуждалось в данном документе, когда относительное местоположение изучаемой ткани в организме пациента меняется с дыхательным (и/или сердечным) циклом, дыхательный (и/или сердечный) цикл можно контролировать с помощью сильфонного пояса или другого устройства контроля дыхания. Диапазон движения может быть определен на основе контролируемого цикла, синхронизированного с данными формирования изображения из сканирования пациента. Альтернативно можно использовать дыхательный цикл и/или сердечный цикл.
На этапе 406 план сканирования, в том числе положение начала сканирования и положение остановки сканирования (или интервал оси z) и хронирование перемещения опоры для пациента, определяется на основе местоположения изучаемой ткани и диапазона движения так, что изображение всей изучаемой ткани формируется на протяжении всего диапазона движения за время одного оборота источника излучения 112.
На этапе 408 оценивается время достижения пикового накопления контраста изучаемой ткани. Это может включать в себя выполнение предварительного сканирования, в котором тестовый болюс контраста вводят пациенту для того, чтобы определить приблизительно промежуток времени между введением и пиковым накоплением контраста. Альтернативно такая информация может быть оценена на основе ранее выполненных процедур формирования изображения субъекта и/или других субъектов, модели и/или без них.
На этапе 410 хронирование введения контраста с помощью сканирования определяется на основе плана сканирования (т.е. времени, за которое опора для субъекта устанавливает изучаемую ткань в зону для исследования) и времени достижения пикового накопления контраста так, что изображение пикового накопления контраста в изучаемой ткани формируется одновременно с изучаемой тканью в течение одного оборота источника излучения 112. Следует отметить, что введение контраста может произойти до, одновременно с или после начала сканирования, в зависимости как от времени достижения пикового накопления контраста, так и от времени, за которое опора для субъекта устанавливает изучаемую ткань в зону для исследования.
На этапе 412 выполняется томографическое исследование, включающее в себя введение контраста и сканирование, и генерируется 4D набор данных контрастного усиления, захватывающий пиковое накопление контраста в изучаемой ткани и изучаемой ткани в течение всего цикла движения изучаемой ткани.
При таком способе перемещение опоры для субъекта и накопление контраста синхронизированы для обеспечения пикового накопления, происходящего в поле зрения при получении традиционного четырехмерного сканирования, охватывающего изучаемую ткань во всем диапазоне движения изучаемой ткани.
Способы, описываемые в настоящем документе, могут быть реализованы в виде машиночитаемых инструкций, которые при выполнении процессором(ами) компьютера предписывают процессору(ам) выполнять описанные действия. В таком случае инструкции хранятся на машиночитаемом носителе, связанном с или иным образом доступном для соответствующего компьютера.
Изобретение описано в настоящем документе со ссылкой на различные варианты осуществления. На основе изучения описания могут быть созданы другие модификации и изменения. Предполагается, что изобретение будет истолковано как включающее все такие модификации и изменения постольку, поскольку они входят в объем прилагаемой формулы изобретения или эквивалентны ей.