技术领域
本发明涉及用于处理呼吸信号的系统和方法，并涉及使用呼吸信 号处理结果的系统和方法。
背景技术
已采用辐射疗法来治疗肿瘤组织。在辐射疗法中，将来自外部来 源的高能束应用于患者。可旋转的外部来源(如在弧形疗法的情况下) 会产生指向患者并到达目标部位的平行辐射束。必须准确控制剂量和 剂量放置以确保肿瘤接受足够的辐射并确保对周围健康组织的损伤 最小。
有时在辐射疗法期间，患者可能正在经历呼吸运动。在这些情况 下，可能需要在治疗递送期间补偿呼吸运动以使辐射可适当递送至目 标区域或停止递送至目标区域。例如，如果患者的呼吸变成非周期性 (例如，由于如咳嗽的突然运动)，那么会需要停止递送辐射。补偿呼 吸运动具有两个部分：1)确定辐射疗法目标的位置，以及2)例如通过 如在门控中打开或关闭治疗束、如在多叶准直器(MLC)追踪中改变光 束的方向、如在治疗床追踪中移动患者支撑件或以上的组合来控制辐 射系统的一个或多个部件。
存在与当前目标定位技术有关的时延。这是因为当前定位方法具 有由数据采集造成的时延和由处理延迟造成的另一时延。在控制辐射 系统部件如改变治疗束方向或重新定位患者所需的机械运动中也存 在时延。申请人决定为了在时间上和几何上精确地补偿呼吸运动，需 要克服目标定位和控制机器部件两者的整体时延。为了补偿呼吸运 动，申请人确定将需要提供新技术来预测呼吸信号以便可克服目标定 位和控制机器部件造成的的整体时延。
另外，肺目标的无约束且正常的呼吸运动仅是近似周期性的并随 时间变化。这些变化可以是基线漂移和大约10%或更多的呼吸幅度和 周期变化的组合。由咳嗽或吞咽引起的更突然的变化会造成自正常呼 吸模式甚至更大的偏差。有时，听觉或视觉训练技术可减少这些变化， 但是即使在诊所中实施这些技术后10%的变化仍是正常的。主题申请 的申请人确定需要将由上述变化造成的呼吸非周期性的程度量化，因 为预计它会影响任何预测算法的执行并因此影响确定管理运动的目 标位置的准确度。申请人还确定将需要具有非周期性的快速响应和预 期性测量，当突然发生偏离正常呼吸模式时其可用于中断治疗束。为 了补偿周期性偏差(例如，由于咳嗽)，申请人确定将需要提供用新技 术以确定非周期性。
另外，在当前的辐射疗法技术中，在治疗期间对内部目标区域定 期成像(例如，使用x射线)以验证内部目标区域的位置。申请人确定 内部目标区域的定期成像并不是合乎需要的，因为它会增加递送至患 者的辐射剂量。因此，申请人还确定将需要提供一种用于引发不定期 成像过程的技术。
发明内容
根据一些实施例，一种处理受试者的呼吸信号的方法，包括：获 得受试者的呼吸信号；使用呼吸信号获得信号-相位直方图，其中信 号-相位直方图包括多个数据点，每个数据点至少具有相位值和信号 值；使用来自信号-相位直方图的多个数据点中的至少一些数据点来 确定参照值；确定参照值和与当前呼吸周期相关的信号值之间的差是 否超过阈值；以及当差超过阈值时产生输出。在一些实施例中，与当 前呼吸周期相关的信号值可以是与呼吸周期中当前时刻相关的信号 值。
根据其它实施例，一种用于处理受试者的呼吸信号的系统，包括 处理器，该处理器被配置用于获得受试者的呼吸信号；使用呼吸信号 获得信号-相位直方图，其中信号-相位直方图包括多个数据点，每个 数据点至少具有相位值和信号值；使用来自信号-相位直方图的多个 数据点中的至少一些数据点来确定参照值；确定参照值和与当前呼吸 周期相关的信号值之间的差是否超过阈值；以及当差超过阈值时产生 输出。在一些实施例中，与当前呼吸周期相关的信号值可以是与呼吸 周期中当前时刻相关的信号值。
根据其它实施例，一种计算机产品，具有存储在非暂态介质中的 一组指令，其中该指令的执行使得过程被执行，该过程包括：获得受 试者的呼吸信号；使用呼吸信号获得信号-相位直方图，其中信号-相 位直方图包括多个数据点，每个数据点至少具有相位值和信号值；使 用来自信号-相位直方图的多个数据点中的至少一些数据点来确定参 照值；确定参照值和与当前呼吸周期相关的信号值之间的差是否超过 阈值；以及当差超过阈值时产生输出。在一些实施例中，与当前呼吸 周期相关的信号值可以是与呼吸周期中当前时刻相关的信号值。
根据其它实施例，一种处理受试者的呼吸信号的方法，包括：获 得受试者的呼吸信号；使用呼吸信号确定信号-相位直方图，其中信 号-相位直方图包括多个数据点，每个数据点至少具有相位值和信号 值；获得与呼吸周期中当前时刻相关的当前信号值；获得将来相位值； 以及使用当前信号值、将来相位值以及信号-相位直方图来预测将来 信号值。
根据其它实施例，一种用于处理受试者的呼吸信号的系统，包括： 处理器，该处理器被配置用于获得受试者的呼吸信号；使用呼吸信号 确定信号-相位直方图，其中信号-相位直方图包括多个数据点，每个 数据点至少具有相位值和信号值；获得与呼吸周期中当前时刻相关的 当前信号值；获得将来相位值；以及使用当前信号值、将来相位值以 及信号-相位直方图来预测将来信号值。
根据其它实施例，一种计算机产品，具有存储在非暂态介质中的 一组指令，其中该指令的执行使得过程被执行，该过程包括：获得受 试者的呼吸信号；使用呼吸信号确定信号-相位直方图，其中信号-相 位直方图包括多个数据点，每个数据点至少具有相位值和信号值；获 得与呼吸周期中当前时刻相关的当前信号值；获得将来相位值；以及 使用当前信号值、将来相位值以及信号-相位直方图来预测将来信号 值。
其它和进一步的方面和特征会通过阅读下面实施例的详细描述 而变得明显，这些实施例旨在说明而非限制本发明。
附图说明
图式说明实施例的设计和效用，其中由共同的参考数字来提及相 似的元件。这些图式不一定按比例绘制。为了更好地理解如何获得上 述的和其它的优点和目的，会提出实施例的更具体的描述，其在附图 中有说明。这些图式只是描绘了典型的实施例并因此不应被认为限制 其范围。
图1说明根据一些实施例的呼吸监测系统；
图2说明根据一些实施例的一种处理呼吸信号以确定呼吸非周期 性的方法；
图3是展示周期信号的相位和幅度的示例性图表；
图4说明信号-相位直方图的一个实例；
图5说明确定信号-相位直方图中的一个或多个参照值的概念；
图6说明根据一些实施例的使用图1的呼吸监测系统的辐射系 统；
图7说明根据一些实施例的一种引发成像程序的方法；
图8说明根据其它实施例的使用图1的呼吸监测系统的另一辐射 系统；
图9说明根据其它实施例的使用图1的呼吸监测系统的另一辐射 系统；以及
图10是计算机体系结构的方框图，本文描述的实施例可通过它 实施。
具体实施方式
在下文中参照图来描述各个实施例。应注意所述图并不按比例绘 制且贯穿各图具有相似结构或功能的元件由相同的参考数字表示。还 应注意，图只是意图帮助描述实施例。它们并不意图作为本发明的详 尽的描述或作为本发明范围的限制。此外，所说明的实施例不需要具 有所有所示的方面或优点。结合具体实施例描述的方面或优点不必限 于那个实施例并且即使没有如此说明也可在任何其它实施例中实行。
图1说明根据一些实施例的呼吸监测系统10。呼吸监测系统10 包括摄像机12、以通信方式连接至摄像机12的处理器14、监测仪16 以及输入设备18。摄像机12定向为观察患者20。在所说明的实施例 中，标记块30放置在患者20上，且将摄像机12定位成使其可观察 到标记块30。处理器14被配置成处理来自摄像机12的图像信号(呼 吸信号的一个实例)，并处理该图像信号以从而监测患者20的呼吸。 在一些实施例中，图像信号和/或图像信号的处理结果可显示于监测仪 16上以允许使用者观察它们。另外，在一些实施例中，使用者可使用 输入设备18以输入用于处理图像信号的参数。在其它实施例中，监 测仪16和输入设备18不是必需的，且设备10不包括部件16、18。
如图中所示的，标记块30包括多个可通过摄像机12看到的标记 32。每个标记32可包括反射材料以使其可更容易地被摄像机12检测 到。在所说明的实施例中，预先确定标记32中的相对位置。处理器 14被配置成使用标记32的预定相对位置来确定标记块30的位置。具 体地说，处理器14被配置成将由摄像机12提供的图像中的标记32 的图案与基于标记32的预定相对位置的标记32的已知图案进行比 较。基于该比较，处理器14然后确定标记块30的位置。通过连续处 理图像信号并确定标记块30的位置，处理器14可大致上实时地确定 患者20的呼吸幅度。
图2说明根据一些实施例的一种处理呼吸信号的方法200。在所 说明的实施例中，方法200是由图1的系统10(例如，处理器14)执 行。首先，获得患者的呼吸信号(步骤202)。在一些实施例中，其可 由处理器14接收来自摄像机12的图像信号来完成，其中可将图像信 号本身认为是呼吸信号。在其它实施例中，图像信号由处理器14处 理以确定呼吸幅度。在这些情况下，可认为呼吸幅度是呼吸信号，且 获得呼吸信号的动作可通过处理图像信号完成以使用处理器14确定 呼吸幅度。在其它实施例中，不使用摄像机12(其不涉及任何辐射) 来获得图像信号，而可使用辐射源(例如，x射线、CT等)，或其它成 像设备，如MRI、超声波等来获得图像信号。应注意，如本说明书中 所使用的术语“呼吸信号”或相似的术语可指可表示或可用于确定受 试者的呼吸状态或呼吸特征的任何信息。
接下来，处理器14使用呼吸信号来确定呼吸-相位直方图(步骤 204)。在所说明的实施例中，呼吸-相位直方图包括多个数据点，其中 每个数据点至少具有相位值和信号值。在一个实行方案中，对于每个 呼吸幅度(其可为因呼吸而移动的任何身体部位的位置、连接至这些 身体部位的物体的位置，或与呼吸相关的任何信号)，处理器14确定 呼吸幅度的相应呼吸相位。生理周期的相位表示生理周期的完整度。 在一些实施例中，呼吸周期的相位可由值在0°与360°之间的相变量 表示。图3说明与相应的幅度/位置图302对齐的相位图300的实例。 幅度图302包括使用本文所述技术的实施例标确定的标记块30的位 置点。幅度图302中的每个点表示在某个时间点标记块30或身体部 位的位置。在所说明的实例中，相位值0°(和360°)表示吸气状态的峰 值，且在生理周期中相位值在0°与360°之间线性变化。如图中所示 的，对于在某个时间点的幅度图302中的每个点，可获得相同时间点 上的相应相位值。因此，对于每个呼吸幅度，处理器14都可确定呼 吸周期的相应相位。在一些实施例中，可认为所确定的相位是呼吸信 号的实例。在这些情况下，通过处理器14确定相位的动作可在步骤 202中执行以获得呼吸信号。
在所说明的实施例中，当患者20正在经历呼吸时，处理器14继 续确定数据点(信号、相位)，其中信号呈现呼吸幅度。使用系统10 随时间收集数据点，然后将其用于产生信号-相位直方图。图4说明 使用上述技术产生的信号-相位直方图400的实例。在信号-相位直方 图400的实例中，x轴表示在0至2π范围内的相位值，且y轴表示幅 度(或信号)值。在其它实施例中，x轴可表示幅度(或信号)值，且y轴 可表示相位值。在一项技术中，直方图400以具有覆盖水平维度上的 相位值范围(0至2π)和垂直维度上的呼吸信号幅度范围的64×64格列 阵的列阵来实施。每个新样本的幅度和相位都用来增加直方图列阵 400中的相应格。在其它实施例中，列阵可具有不同的大小。例如， 在其它实施例中，列阵可具有128×128格列阵。
在一些实施例中，处理器14被配置成通过忽略旧于规定期限的 数据点来更新直方图400。在一些情况下，规定期限可由使用者决定， 并使用输入设备18将其输入处理器14。例如，可在屏幕16上提供用 户界面，从而允许使用者输入时间(t)，或呼吸周期数(N)(其各自可被 认为是规定期限的实例)。对于直方图400上由处理器14确定的每个 数据点，处理器14还对数据点进行时间标记(例如，通过对时间值或 呼吸周期数赋值)以鉴别数据点在何时确定。在呼吸监测过程中，处 理器14被配置成减少具有大于规定期限的数据点的直方图400中的 格。例如，如果格中的数据点用呼吸周期数“2”进行时间标记，且当 前的呼吸周期在“6”处，并假设规定期限是4周期(是指直方图400将 不包括大于4周期的数据点)，那么处理器14将通过减小计数值来更 新格以忽略数据点，因为该数据点用于超过4周期前发生的呼吸周期。 在所说明的实施例中，规定期限可由使用者选择，并可由使用者输入。 上述技术防止处理器14测出存在由呼吸模式的缓慢变化造成的呼吸 非周期性，因此允许在呼吸监测过程期间患者呼吸发生缓慢变化。
回到图2的方法200，接下来，处理器14使用来自信号-相位直 方图的多个数据点中的至少一些数据点来确定一个或多个参照值(步 骤206)。在一些实施例中，参照值可通过获得直方图列阵400中的给 定相位值的平均信号值来确定。例如，如果对应于相位值P或相位范 围P1至P2的相位格具有信号值S1、S2以及S3，那么参照值可确定 为这三个信号值的平均值。在其它实施例中，直方图列阵400的每个 格中的计数数目可用于确定加权平均值，然后将该加权平均值用作参 照值。在上述实例中，如果在直方图列阵400的格中，信号值S3具 有三个计数，且S1和S2各自具有一个计数，那么在确定加权平均值 时可给予信号值S3更多的权重。在上述实施例中，直方图400的各 自相位格的参照值是平均值。在其它实施例中，参照值可以是直方图 400中各自相位格的中值(例如，加权中值)。
在其它实施例中，当前相位的信号值的平均值或中值只在先前的 呼吸周期计算，且当前的信号值并不用于计算平均值或中值。例如， 在一个实行方案中，在直方图中的当前信号-相位格增加之前计算平 均值或中值。这种技术允许确定自先前周期的偏差。
在其它实施例中，直方图400中所确定的参照值可任选地用于确 定通过参照值和/或在参照值之间拟合最佳的参照曲线。例如，在参照 值为平均值的实施例中，最佳拟合曲线表示不同的各自相位值的平均 值。例如，在参照值为中值的实施例中，最佳拟合曲线则表示不同的 各自相位值的中值。
接下来，处理器14确定参照值和与当前呼吸周期相关的信号值 之间的差是否超过阈值(步骤208)。阈值是预定的(例如，它可由系统 10的使用者任意设定)，并且可由使用者使用输入设备18输入。在其 它实施例中，阈值可预编程至处理器18中。
动作208的一个实行方案在图5的实例中有说明。如图中所示的， 由虚线表示的数据点510来自当前呼吸周期，其中数据点512为已获 得的最新数据点(例如，在当前时刻的数据点)。直方图500中的数据 点520来自先前的呼吸周期。直方图500还具有表示在步骤206中确 定的不同的各自相位值的参照值的实线528。用于更新直方图500的 最新数据点512具有信号值514和相关相位(或相位格)值516。在所 说明的实例中，对于与最新信号514相关的相位值516，直方图500 具有在步骤206中确定的相应参照信号值530。在步骤208中，处理 器14将信号514与参照信号值530进行比较(例如，通过确定二者之 间的差Δ(t))。
在所说明的实施例中，如果参照值530与信号值514之间的差Δ(t) 超过阈值，那么处理器14会产生输出(例如信号)(步骤210)，表示在 患者的呼吸中存在非周期性。例如，处理器14可产生输出来启动音 频设备以使音频设备发出音频信号。在另一实例中，处理器14可产 生输出以使信息显示于监测仪16上。在其它实施例中，处理器14可 产生输出以使用和/或控制设备，如辐射治疗机，或成像设备。
在上述实施例中，将在相应的最新相位516的过去周期中的最新 信号值514自平均值或中值530的偏差Δ(t)用于确定非周期性(例如， 将其用作非周期性值)。具体来说，将最近历程中自最新数据点的偏 差Δ(t)不加改变用作偏离周期性的测量值。在这种技术中，处理器14 不基于最近偏离历程外推偏差。
在其它实施例中，将处理器14配置成基于最近偏离历程外推偏 差，而不使用不加改变的自最新数据点的Δ(t)。在这些情况下，处理 器14被配置成分析最近历程中的数据点，并使用偏离模式以外推偏 差。例如，处理器14可使用线性外推以确定偏离。在这个预测实施 例中，外推值可用作非周期性值。在其它实施例中，可使用其它程度 的外推，以代替线性外推。
应注意，非周期性的测量值(无论是否使用自最近历程的正向外推) 是“预期性的”，因为没有必要为了得到非周期性的测量值而等待并回 顾性查看预测进行得多好。
在一些实施例中，用于确定非周期性测量值的差信号Δ(t)(当前 信号样本与先前的周期集群平均值之间的差)还可用于估计呼吸信 号。在一些情况下，它可适用于预测将来一段时间内的呼吸信号以补 偿可能存在于辐射系统中的任何时延。例如，在一些实施例中，如果 当受试者处于呼吸状态X时需要递送辐射(例如，治疗辐射或成像辐 射)，并假设它会用掉辐射系统一段持续时间P来启动各种部件以递 送辐射束，那么其可适用于预测提前至少P的呼吸状态，因此可以补 偿辐射系统的时延。这是有利的，因为当受试者处于呼吸状态X时， 这会允许在适当的时间准确地递送辐射束。
图5中说明预测在前向时间的信号值的概念。在图中，通过采用 最新信号514与参照值530之间的差Δ(t)并将相同差应用于将来相位 560来预测将来呼吸信号550的将来相位560。具体来说，在将来相 位560将相同的差加至参照值562以获得预测的将来呼吸信号550。 应注意，相位值需要向前多少(即，值560与值516之间的相位差)取 决于需要补偿多少时延，即需要向前预测多少。在一些实施例中，前 向相位的量可作为输入由使用者输入处理器14中。对于需要补偿的 给定时延P，相应相位差(P/T*360°)可由处理器14确定。在其它实 施例中，处理器14被配置成基于最近偏离历程来外推偏差(如参照确 定非周期性的测量值相似地讨论)以预测呼吸信号，以代替使用不加 改变的自最新数据点的Δ(t)来预测呼吸信号。在这些情况下，在将来 相位560，将外推值加至参照值562以获得预测的将来呼吸信号550。
现参照图5进一步讨论根据一些实施例确定非周期性值的数学概 念和呼吸信号的预测。如所讨论，处理器14被配置成实时估计来自 呼吸信号s(t)的呼吸周期相位其中从吸气末的0上升为下个 吸气末的2π。在二维(2D)直方图阵列中，通过积累样本对来形成信号-相位直方图。返回参照图5，其展示信号-相位直方图的 图示。处理器14首先在3至4个初始呼吸周期内从数据样本的信号- 相位集群中获悉呼吸模式。随后，处理器14产生呼吸非周期性的连 续并实时的测量值。图5展示2D直方图中的信号-相位样本的集群模 式是如何用于观察在任何给定时间新样本离过去的信号历程多远。
在图5中，虚线迹线展示在进行的呼吸周期期间的呼吸信号，其 中将最新呼吸-相位样本用于增加相应的直方图格。每个相位 的信号样本都在先前的呼吸周期中取平均值并形成集群平均值函数 这个函数将平均值或中值呼吸模式界定至最新的数据 点。应注意，因为是相位而不是时间的函数，所以在一些实施例中 它允许可由处理器14估计的呼吸周期T发生变化。T的估计值是在 呼吸周期的每个新检测的吸气末和呼气末点进行更新。
出于预测在将来时间(例如，相对于最新数据点的将来)的呼吸信 号的目的，处理器14被配置成向前外推呼吸信号，同时遵循由函数 定义的平均值/中值呼吸模式的形状。为此，处理器14使用周期T的 当前估计值以将前向时间(t+τ)转换成前向相位在一 些实施例中，差信号可被定义为当前信号样本与先前周 期集群平均值之间的差。为了获得向前预测的信号值处理器 14在时间上向前外推Δ(t)，然后将其加至位于前向相位的先前集群平 均值
其中Δ(t+τ)是Δ(t)的前向外推，且是位于前向相位 的先前集群平均值。Δ(t)的前向外推可以是零阶外推， 其中或它可以是高阶外推，如在短时期内(例如，0.5秒)使 用Δ(t)的最近样本进行的线性外推。
在一些实施例中，将确定非周期性测量值的实时信号定义为的绝对值，即信号与先前集群平均值之间的前向外推差。
非周期性函数Nτ(t)是平行于呼吸信号s(t)的实时信号，其可预期性 地用作在时间(t+τ)的呼吸行为的指示。因此，它可用于引发规定动作， 如响应于不规律呼吸进行光束保持或图像采集。应注意，对于偏差的 零阶外推，差函数Nτ(t)不取决于τ，但是对于线性和高阶外推，它取决 于前向预测时间的长度。
如上参照图2的方法200所讨论的，呼吸的非周期性可以实时从 呼吸信号得到的二级信号的形式被量化(测量)。与上述预测技术相关 的瞬时预测误差是在时间t的实际信号s(t)，与τ秒之前预测的信号之 间的差。这可被回顾地定义为预测误差的一个可能的测 量值被定义为以下这个差的均方根(RMS)值。
它经过nW样本的规定时窗w来计算，该时窗可以是例如治疗期的长 度。已经确定图2的方法200提供非周期性测量值与对于在200毫秒 至至少700毫秒的范围内的不同前向时间的预测误差之间的高度相关 性。另外，将图2的方法200用于不同的前向时间，已确定预测误差 与不同的各自前向时间良好地相关联。
在一些实施例中，用于预测信号值的上述技术的实施例对于350 毫秒的前向外推时间产生1.75mm或更小的预测误差(例如，实际位 置/幅度与预测位置/幅度之间的差)，并对于500毫秒的前向外推时间 产生2.5mm或更小的预测误差，其中预测误差是依照与患者呼吸相 关的幅度(或位置)来表示。在一些实施例中，可以将前向时间输入算 法中。前向时间可以是从很小(甚至是零)至超过几秒钟的任何时间。 预测误差随着前向时间增加而增大，但是与现有技术相比，它增加地 相对较少。例如，200毫米的前向预测时间可能足以克服与目标定位 相关的时延以及与在一些辐射装置中的一个或多个部件的控制相关 的时延。在其它情况下，前向外推时间(例如，目标位置需要多久的 将来被预测)可以是其它值，这取决于目标定位技术、需要控制的辐 射机器和成像系统的一个或多个元件以及它们各自需要克服的时延。
在上述实施例中，已将摄像机14描述成被配置成观察标记块30. 在其它实施例中，标记块30不是必需的，在这种情况下，摄像机14 可用来观察患者20。例如，摄像机14可用来观察患者20的身体、患 者20的衣服，和/或覆盖患者20的毯子。在这些实施例中，处理器 14被配置成执行图像处理来鉴别图像中的一个或多个界标以从而确 定患者20的呼吸信息(例如，呼吸幅度、呼吸相位等)。
在上述实施例中，将系统10描述成具有用于获得可用于确定呼 吸幅度的图像信号的摄像机12。在其它实施例中，系统10可不包括 摄像机12。取而代之，系统10可包括用于提供呼吸信息的其它类型 的设备。例如，在其它实施例中，系统10可包括连接至患者20的应 变仪。在这些情况下，应变仪以通信方式连接至处理器14以提供呈 现患者20的呼吸幅度的信号。在其它实施例中，系统10可包括连接 至患者嘴部和/或鼻部的传感器以感测患者20的呼吸。处理器14以通 信方式连接至传感器上，并接收来自传感器的信号。信号可呈现呼吸 幅度，或可用于获得呼吸幅度和/或呼吸相位。在一些实施例中，呼吸 信号包括内部解剖界标、肿瘤和/或植入基准的位置坐标。这些位置坐 标可通过各种方法，包括X射线成像、MRI或其它类型的成像测量。 在其它实施例中，可采用内部目标跟踪，其使用植入目标区域(例如 肿瘤)中或其附近的一个或多个射频应答器。一个或多个应答器是由 发射查询信号并处理应答器响应信号的外部列阵天线定位。在其它实 施例中，其它类型的呼吸信号传感设备可与传感器14一起使用。
先前所述的呼吸监测系统10和方法200可与各种医疗设备一起 使用，并用于各种不同的医疗程序。在一些实施例中，呼吸监测系统 10可与治疗辐射机一起使用。图6说明与呼吸监测系统10一起使用 的辐射系统610。系统610是一种治疗系统，其包括机架612、用于 支撑患者的患者支撑件614以及用于控制机架612的操作的控制系统 618。机架612呈臂形式。系统610还包括辐射源620，当患者628 被支撑于支撑件614上时其将辐射束626投射至患者628，以及用于 控制辐射束626递送的准直仪系统622。在不同的实施例中，辐射源 620可被配置成产生锥形束、扇形束或其它类型的辐射束。
在所说明的实施例中，辐射源620是用于提供治疗能量的治疗辐 射源。在其它实施例中，除了作为治疗辐射源，辐射源620还可以是 用于提供用于成像目的的诊断能源的诊断辐射源。在这些情况下，系 统610会包括成像器，如成像器680，其位于相对于来源620的操作 位置(例如，在支撑件614下方)。在其它实施例中，辐射源620可以 是用于提供治疗能量的治疗辐射源，其中治疗能量可用于获得图像。 在这些情况下，为了使用治疗能量获得成像，成像仪680被配置成响 应于具有治疗能量的辐射产生图像(例如，MV成像仪)。在一些实施 例中，治疗能量一般为160千电子伏特(keV)或更大，更通常是1兆 电子伏特(MeV)或更大的能量，且诊断能量一般为低于高能范围，且 更通常低于160keV的能量。在其它实施例中，治疗能量和诊断能量 可具有其它能级，且这是指分别用于治疗和诊断目的的能量。在一些 实施例中，辐射源620能够产生处于约10keV与约20MeV之间任何 值的范围内的多个光子能级的X射线辐射。在其它实施例中，辐射源 620可以是诊断辐射源。在所说明的实施例中，将辐射源620连接至 臂机架612。或者，辐射源620可位于钻孔内。
在所说明的实施例中，控制系统618包括处理器654，如连接至 控制器640的计算机处理器。控制系统618还可包括用于显示数据的 监测仪656和用于输入数据的输入设备658，如键盘和鼠标。辐射源 620和机架612的操作由控制器640控制，该控制器将能量和定时信 号提供至射源620，并基于从处理器654接收的信号来控制机架612 的旋转速度和位置。虽然将控制器640展示成与机架612和处理器654 分开的部件，但在替代性实施例中，控制器640可以是机架612或处 理器654的一部分。处理器654可以是处理器14，或可包括在呼吸监 测系统10的处理器14中实施的结构。在这些情况下，辐射系统610 和呼吸监测系统10共享同一个处理器或同一个处理器的部分。或者， 处理器654可以是不同于处理器14的处理器。
在一些实施例中，当使用图6的系统610时，辐射源620围绕患 者628旋转以便如在弧形疗法中从多个机架角度递送治疗辐射。当将 治疗辐射递送至患者628时，图1的呼吸监测系统10可用于监测患 者628的呼吸。在一些实施例中，处理器654处理来自摄像机12的 信号以确定患者628的呼吸幅度，然后基于幅度对治疗辐射的递送进 行门控。例如，处理器654可使辐射源620递送辐射，或当所确定的 幅度在规定的幅度范围内时停止辐射递送。在其它实施例中，处理器 654处理来自摄像机的信号以确定患者628的呼吸幅度，然后基于呼 吸相位对治疗辐射的递送进行门控。例如，处理器654可使辐射源620 递送辐射，或当所确定的相位在规定的相位范围内时停止辐射递送。 在其它实施例中，处理器654处理来自摄像机12的信号以检测非周 期性，然后基于非周期性的检测对治疗辐射的递送进行门控。在其它 实施例中，替代或附加于控制辐射递送，可将处理器654配置成基于 所确定的幅度和/或相位或非周期性的检测来控制机架612(例如，使 机架612停止、加速或减速)，和/或定位患者支撑件614。
在治疗过程中，处理器654监测患者628的呼吸，并使呼吸的一 个或多个特征(如呼吸信号、呼吸幅度、呼吸相位等)与被辐射束626 辐射的内部目标区域的位置相关联。例如，基于从摄像机12中接收 的图像，处理器654然后确定呼吸周期的相位/幅度。然后处理器654 使用呼吸周期的相位或幅度以基于呼吸相位/幅度与内部目标区域的 位置之间预先确立的关系来确定内部目标区域的位置。在一些实施例 中，在治疗计划过程中，呼吸相位/幅度与目标位置之间的关系可由医 师预定。例如，在治疗计划过程中，可确定当患者处于呼吸相位=40° 时，内部目标区域的相应位置处于相对于等中心(isocenter)的位置X= 45mm、Y=23mm以及Z=6mm处。这种技术允许治疗辐射系统 610基于由系统10获得的呼吸信号将辐射靶送至目标区域。因此，其 具有避免需要使用X射线成像对内部目标区域连续或定期成像的益 处，而该成像可能因额外的辐射剂量而对患者有害。
在一种将系统10与辐射系统610一起使用的方法中，处理器654 被配置成使用参照图2-5所述的技术检测患者628的呼吸的非周期 性。当处理器654确定在患者628的呼吸中存在非周期性时，处理器 654可产生使辐射源620停止递送辐射的信号(例如，束停止信号)， 和/或控制机架612的运动的信号(例如，停止机架、减速机架612或 加速机架612)。通过使用上述技术以从呼吸信号中实时得到的二级信 号的形式来量化非周期性，系统10提供非周期性的快速响应和预期 性测量值，当发生突然偏离正常呼吸模式时，其可用于中断治疗束。 具体来说，因为非周期性测量值的瞬时值是自正常呼吸的任何偏离的 快速作用的预期性指示，所以系统10允许介入，如可及时引发的反 射疗法束保持。
如所讨论的，外部光学跟踪代用信号(例如，摄像机信号)表示处 于仰卧位置的患者的胸部或腹部的前后(AP)位移。处理器654使用这 个一维信号的前向预测值以及内部-外部关联模型以预测目标的内部 3D位置。使用摄像机信号作为代用信号来测量内部目标位置是有利 的，因为其允许快速预测(估计)将来时间的内部目标的三维位置。具 体来说，因为摄像机信号是可快速获得和处理的一维信号，且因为摄 像机提供高采样率，所以它几乎没有时延(至少和与辐射系统610的 一个或多个部件的控制相关的时延相比时)。然而，在其它实施例中， 代用信号无需是摄像机信号，且可以是如所讨论的也可具有高采样率 的其它类型的信号。
在其它实施例中，作为控制辐射系统610的一个或多个部件的替 代或附加，如果辐射系统610具有成像能力，那么可将处理器654配 置成当处理器654确定在患者628的呼吸中存在非周期性时产生信号 来引发成像过程以对内部目标区域成像。图7说明根据一些实施例的 引发成像过程的方法700。在方法700中，处理器654获得呼吸信号(步 骤702)，然后处理器654分析呼吸信号以鉴别患者呼吸中的非周期性 (步骤704)。执行步骤702、704的实施例与先前参照方法200所描述 的实施例相似。
当处理器654确定在患者628的呼吸中存在非周期性时，处理器 654则产生信号以使成像过程开始(706)。在所说明的实施例中，如果 辐射系统610具有成像能力(例如，如果辐射系统610具有成像仪 680)，那么成像过程可由系统610执行。例如，辐射源620可递送具 有诊断能量(例如，在kv范围内)的成像辐射，或具有治疗能级(例如， 在MeV范围内)的辐射以使用成像仪680产生内部区域的一个或多个 图像。或者，可使用独立的成像系统来产生内部区域的一个或多个图 像。例如，独立的成像系统可以是CT系统、X射线系统、超声成像 设备、MRI系统、层析X射线照相组合(tomosynthesis)成像系统、PET 系统、SPECT系统或能够获得内部区域图像的任何其它系统。
在一些实施例中，处理器654使用内部目标区域的一个或多个图 像来验证目标区域的位置，和/或确认呼吸特征(幅度，相位等)与目标 位置之间预先确立的关系。在其它实施例中，处理器654也可使用内 部目标区域的图像来验证呼吸特征与目标位置(例如，外部-内部关联 模型)之间的关系。如果验证过程的结果表明该模型是不精确的，那 么处理器654可更新(例如，修改、再创造等)呼吸特征与目标位置之 间的关系(例如，外部-内部关联模型)，以使更新的关系可由系统610 用以将额外的辐射递送至患者628(例如以控制辐射源、准直仪、机架 和/或患者支撑件)。在其它实施例中，如果验证过程的结果表明该模 型是不精确的，那么处理器654可使辐射过程停止。
在其它实施例中，处理器654可使用由方法700确定的内部目标 区域的一个或多个图像以使用立体成像技术来确定内部目标区域的 位置。在立体成像技术中，首先获得一组参照图像。可在治疗过程开 始之前获得参照图像。当内部目标区域处于某个位置时获得每个参照 图像，因此每个参照图像与目标区域的某个位置相关。在一些实施例 中，可在目标经历运动的同时使用CT系统通过以不同机架角度旋转 CT系统的辐射源来产生参照图像。因此，在不同的时刻获得参照图 像。在其它实施例中，如果系统610具有成像能力，那么可使用系统 610产生参照图像。在一些实施例中，在由方法700获得图像(输入图 像)之后，处理器654然后从空间上与输入图像相应的参照图像集中 选择一个或多个参照图像。在一项技术中，处理器654确定在产生输 入图像的来源与图像帧中的目标图像之间延伸的投射线。处理器654 还确定各自参照图像的多条投射线，其中每条投射线都在来源与相应 参照图像中的目标图像之间延伸。处理器654然后确定每条投射线的 在输入图像的投射线与相应参照图像的投射线之间的对极距离。在垂 直于输入图像的投射线和参照图像的投射线的方向测量对极距离。在 一些实施例中，将处理器654配置成通过将对极距离与规定的阈值进 行比较来选择空间上与输入图像相对应的参照图像。如果参照图像的 对极距离低于规定的阈值，那么可确定产生输入图像时(在方法700 期间)的目标的位置与产生参照图像时的目标的位置相对应(例如，相 对于某个任意坐标系是相同的)。在这些情况下，处理器654则选择 该参照图像以确定目标区域的位置。在一些实施例中，在输入图像的 投射线与所选参照图像的投射线之间的对极线上的中点位置可用作 目标的位置。立体成像技术已在2008年9月16日提交的美国专利申 请号12/211,686中有描述，该美国专利申请的整个公开内容清楚地以 引用的方式并入本文。
应注意，使用患者呼吸的所检测出的非周期性来引发内部区域成 像是具有利的，因为其避免定期对内部区域成像以验证内部区域的位 置和验证呼吸与目标位置之间的关系的需要。内部区域的定期成像因 为使治疗程序变复杂所以是不合需要的。另外，在将辐射用于对内部 区域成像的情况下，使用辐射进行定期成像因为会增加对患者628的 辐射剂量所以也不是合需要的。
如所讨论的，在其它实施例中，系统610可包括其它成像设备。 图8说明系统610的变化，根据一些实施例，其进一步包括其它成像 设备680。在所说明的实施例中，成像设备680包括诊断辐射源682 和与其相对的成像仪684。在所说明的实施例中，将辐射源620配置 成提供治疗辐射，并且将诊断辐射源682配置成使用低能束(例如， kV成像系统)来产生一个或多个图像。将辐射源620、682整合至同 一个机架612中(例如，定向为相对于彼此90°)，或者可为彼此相邻 放置的独立设备，并会在不同速度下旋转。在其它实施例中，可将辐 射源620、682连接至共同的环机架，或耦接至可一起旋转或相对于 彼此旋转的不同的各自环机架，而不是将辐射源620、682连接至臂 机架612。使用图8的系统的方法与先前参照图6所述的方法相似。
在其它实施例中，呼吸监测系统10可与成像设备一起使用，而 不是将呼吸监测系统10与具有治疗能力的设备一起使用。图9说明 根据一些实施例与呼吸监测系统10一起使用的计算机断层摄影系统 910。系统910包括机架912和用于支撑患者928的支撑件914。机架 912包括x射线源920，当患者928至少部分位于x射线源920与检 测仪924之间时，其将x射线束926投射至机架912的相对侧的检测 仪924。借助于非限制性实例，x射线束可以是锥形束或扇形束。检 测仪924具有多个配置成感测穿过患者928的x射线的传感器元件。 每个传感器元件都产生表示当x射线束穿过患者928时的强度的电信 号。
系统910还包括控制系统918。在所说明的实施例中，控制系统 918包括处理器954，如连接至控制器940的计算机处理器。控制系 统918还可包括用于显示数据的监测仪956以及用于输入数据的输入 设备958，如键盘和鼠标。辐射源920和机架912的操作由控制器940 控制，该控制器将电力和定时信号提供至辐射源920，并基于从处理 器954接收的信号来控制机架912的旋转速度和位置。虽然将控制器 940展示成与机架912和处理器954分开的部件，但在替代性实施例 中，控制器940可以是机架912或处理器954的一部分。处理器954 可以是处理器14，或可包括在呼吸监测系统10的处理器14中实施的 结构。在这些情况下，辐射系统910和呼吸监测系统10共享同一个 处理器或同一个处理器的部分。或者，处理器954可以是不同于处理 器14的处理器。
应注意，系统910不限于上述配置，且在其它实施例中系统910 可具有其它配置。例如，在其它实施例中，系统910可具有不同的形 状。在其它实施例中，系统910的辐射源920可具有不同的运动范围 和/或自由度。例如，在其它实施例中，辐射源920可围绕患者928 旋转完全涵盖360°的范围，或部分涵盖小于360°的范围。另外，在 其它实施例中，相对于患者928，辐射源920是可转移的。此外，辐 射源920不限于递送x射线形式的诊断能量，并且可递送治疗能量以 治疗患者。
在获取x射线投射数据(即CT图像数据)的扫描期间，机架912 以不同机架角度围绕患者928旋转，以可使用辐射源920和成像仪924 可来获得不同机架角度的图像。当操作系统910以获得不同机架角度 的图像时，患者928正在呼吸。因此，在不同的机架角度得到的图像 可与患者928的呼吸周期的不同相位相对应。在扫描完成后，将不同 机架角度的投射图像存储在例如存储器(如非暂态介质)中，并处理投 射图像以将图像分类以使与呼吸周期的相同相位相对应的处于不同 机架角度的图像入库(binned)(例如彼此关联)。然后可以使用呼吸周期 特定相位的入库图像来产生该相位的重建三维CT图像。
在一些实施例中，当使用图9的系统910时，辐射源920围绕患 者928旋转以递送多个机架角度的诊断(成像)辐射。当辐射正被递送 至患者928时，图1的呼吸监测系统10可用于监测患者928的呼吸。 在一些实施例中，处理器954处理来自摄像机的信号以确定患者928 的呼吸幅度，然后基于幅度对成像辐射的递送进行门控。例如，处理 器954可使辐射源920递送辐射，或当所确定的幅度在规定的幅度范 围内时停止辐射递送。在其它实施例中，处理器954处理来自摄像机 的信号以确定患者928的呼吸相位，然后基于呼吸相位对辐射递送进 行门控。例如，处理器954可使辐射源920递送辐射，或当所确定的 相位在规定的相位范围内时停止辐射递送。在其它实施例中，替代或 附加于控制辐射递送，可将处理器954配置成基于所确定的幅度和/ 或相位，或非周期性的检测来控制机架912(例如，使机架912停止、 加速或减速)，和/或定位患者支撑件914。
在将系统10和辐射系统610一起使用的方法的实施例中，处理 器954被配置成使用参照图2所述的技术检测患者928的呼吸的非周 期性。当处理器954确定在患者928的呼吸中存在非周期性时，处理 器954可产生使辐射源920停止递送辐射的信号(例如，束停止信号)、 控制机架912的运动(例如，停止机架、减速机架912或加速机架912) 的信号和/或定位患者支撑件914的信号。
计算机体系结构
图10是说明可依据来实施本发明的实施例的计算机系统1900的 实施例的方框图。计算机系统1900包括总线1902或其它用于传达信 息的通信机制，和与总线1902连接的用于处理信息的处理器1904。 处理器1904可以是图1的处理器14的实例，或用于执行上述各种功 能的另一处理器。在一些情况下，计算机系统1900可用于实施处理 器14(或本文所述的其它处理器)。计算机系统1900还包括连接至总 线1902的用于存储将由处理器1904执行的信息和指令的主存储器 1906，如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储设备。主存储器1906 还可用于在执行将由处理器1904执行的指令期间存储临时变量或其 它中间信息。计算机系统1900进一步包括只读存储器(ROM)1908或 连接至总线1902的用于为处理器1904存储静态信息和指令的其它静 态存储设备。提供数据存储设备1910，如磁盘或光盘并将其连接至总 线1902以存储信息和指令。
计算机系统1900可经由总线1902连接至显示器1912，如阴极射 线管(CRT)或平板，以向使用者显示信息。将包括字母数字键和其它 键的输入设备1914连接至总线1902以将信息和命令选择传达至处理 器1904。另一类型的使用者输入设备是光标控制器1916，如鼠标、 跟踪球或光标方向键，其用于将方向信息和命令选择传达到处理器 1904并用于控制显示器1912上的光标移动。这种输入设备的两轴(第 一轴(例如，x)和第二轴(例如，y))通常具有两种自由度，从而允许该 设备指定平面中的位置。
根据本文所述的实施例，计算机系统1900可用于执行各种功能 (例如，计算)。根据一个实施例，这些用途是由计算机系统1900响应 于执行主存储器1906中所含有的一个或多个指令的一个或多个序列 的处理器1904来提供。这些指令可从另一计算机可读介质如存储设 备1910读入主存储器1906中。执行主存储器1906中所含有的指令 序列使得处理器1904执行本文所述的处理步骤。也可采用多处理配 置中的一个或多个处理器来执行主存储器1906中所含有的指令序列。 在替代性实施例中，硬接线电路可代替软件指令或与软件指令组合使 用来实施本发明。因此，本发明的实施例不限于硬件电路和软件的任 何具体组合。
如本文所使用的术语“计算机可读介质”是指参与向处理器1904 提供用于执行的指令的任何介质。这类介质可采取许多形式，包括但 不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例 如光盘或磁盘，如存储设备1910。可认为非易失性介质是非暂态介质 的实例。易失性介质包括动态存储器，如主存储器1906。可认为易失 性介质是非暂态介质的另一实例。传输介质包括同轴电缆、铜线和光 纤，包括包含总线1902的电线。传输介质还可采取如在无线电波和 红外数据通信期间所产生的声波或光波的形式。
计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带 或任何其它磁介质、CD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带、 任何其它具有孔样式的物理介质、RAM、PROM和EPROM、 FLASH-EPROM、任何其它存储芯片或存储盒(cartridge)、如下所述的 载波，或计算机可从中读取的任何其它介质。
各种形式的计算机可读介质可涉及将一个或多个指令的一个或 多个序列送至处理器1904以执行。例如，起初可将指令载于远程计 算机的磁盘上。远程计算机可将指令载入它的动态存储器中并使用调 制解调器通过电话线发送指令。位于计算机系统1900本地的调制解 调器可接收电话线中的数据并使用红外发射器将数据转换成红外信 号。连接至总线1902的红外检测仪可接收载于红外信号中的数据并 将数据放置在总线1902上。总线1902将数据送至主存储器1906，处 理器1904从中检索并执行指令。主存储器1906接收的指令可任选地 在由处理器1904执行之前或之后存储在存储设备1910上。
计算机系统1900还包括连接至总线1902的通信接口1918。通信 接口1918提供连接至与本地网络1922相连的网络链接1920的双向 数据通信。例如，通信接口1918可以是向相应类型的电话线提供数 据通信连接的综合业务数字网络(ISDN)卡或调制解调器。作为另一实 例，通信接口1918可以是向相容的LAN提供数据通信连接的局域网 (LAN)卡。还可实施无线链接。在任何这些实行方案中，通信接口1918 发送并接收载有呈现各类信息的电信号、电磁信号或光信号。
网络链接1920通常通过一个或多个网络将数据通信提供至其它 设备。例如，网络链接1920可通过本地网络1922向主机1924或设 备1926如辐射束源或可操作地连接至辐射束源的开关提供连接。在 网络链接1920上传输的数据流可包括电信号、电磁信号或光信号。 将数据送入和送出计算机系统1900的通过各种网络的信号以及在网 络链接1920上和通过通信接口1918的信号是传输信息的载波的示例 性形式。计算机系统1900可通过一个或多个网络、网络链接1920以 及通信接口1918发送信息和接收数据，包括程序代码。
虽然已展示和描述了本发明的具体实施例，但是应理解这并不意 图将本发明限于优选实施例，并且对本领域技术人员显而易见的是， 可进行各种改变和修改而不背离本发明精神和范围。例如，术语“图 像”无需限于视觉上显示的图像，并且可指存储的图像。此外，术语“处 理器”可包括一个或多个处理单元，并且可指能够执行使用硬件和/或 软件实施的数学计算的任何设备。在其它实施例中，术语“处理器”还 可指存储在非暂态介质中的软件。此外，在本文所述的任何实施例中， 可使用独立的处理器来代替使用处理器14/654/954来执行各种功能。 相应地，将说明书和图式视作具有说明意义而不是限制意义。本发明 旨在覆盖可包括在由权利要求书界定的本发明的精神和范围内的替 代、修改和等效物。