在基于MRI的过程期间控制呼吸的制作方法

在基于mri的过程期间控制呼吸
技术领域
1.本发明是申请号为201580034372.9的中国专利申请的分案申请。本发明涉及在包括基于mri的部件的医疗过程期间控制呼吸。


背景技术：

2.mri扫描过程对于正被扫描的患者的身体结构的移动是敏感的。获取完整的k空间数据集（傅里叶数据集，由该傅里叶数据集计算mri图像）要花费时间，通常为一分钟左右，并且任何移动都将导致获得患者的身体结构处于不同位置中时所采样的k空间数据集的不同部分。数据集中的该不一致将在最终图像中创建运动伪影（motion artefact）。身体结构的该运动可以是由于患者的呼吸周期和心跳周期。
3.在放射疗法期间会出现类似问题；呼吸使得胸部区中的肿瘤或者其它病变同步地移动。这会在将放射针对肿瘤时呈现问题，因为肿瘤的位置在任何时候都是不确定的。为了实现待辐射肿瘤的放射疗法的主要目标，将标称肿瘤位置周围的边缘用于补偿该不确定性，这意味着附加健康组织被辐射。
4.为了限制扫描期间的mri伪影并且减小放射疗法治疗边缘，所以采取措施来在过程期间控制患者的呼吸。这些措施包括：仅仅要求患者屏住它们的呼吸，有时在可听提示或者视觉提示的辅助下；或者使用诸如呼吸带、安装在皮肤上的标记等的提供有关呼吸的代理数据的装置。另一替代方案是“主动呼吸控制”装置，或者“abc”，该主动呼吸控制装置包括面罩或者呼吸管，患者通过该面罩或者呼吸管进行呼吸，并且该主动呼吸控制装置包括用于测量空气流速的呼吸速度描记器。该速度信息整合用于产生肺充盈信息，并且流路中的阀关闭以便在特定肺充盈量下强制屏气。目的在于产生重复的静态时间，在该重复的静态时间中，患者的身体结构处于可再生位置中，该重复的静态时间然后可以用于进行放射疗法或者进行k空间数据采集。
5.在mri成像时，还能够基于在扫描期间获取的呼吸周期信息来回顾地选择k空间数据。大多数mri设备都允许快速采集1维列式数据或者2维片式数据，1维列式数据通常称为“导航器信道”。这可以用于识别身体结构（诸如，隔膜）内的特征，可以从该特征来确定呼吸阶段。通过在呼吸阶段中选择在相似点处取得的k空间数据，可以创建没有呼吸伪影的图像。
6.us7,393,329（wong等人）建议在放射疗法期间使用abc装置、用门将放射疗法的给予控制至强制屏气周期。wong等人（以引用方式并入本文）提供了对abc的操作的良好解释，读者请参照wong等人以对本发明有着更全面的理解。
7.arnold等人（“lung mri using an mr-compatible active breathing control (mr-abc)”），医学中的磁共振58：1092-1098（2007），建议将abc装置与ecg组合在一起以便在mri扫描期间监测心跳活动。使用1.5秒的强制屏气意味着在屏气期间将发生至少一个心跳周期，从而允许心跳r波触发k空间采集以便捕获完全静止身体结构的图像。该文章还教导：在检测到倒流时而不是在特定肺充盈量时，触发阀关闭。这引起在最大呼气下的屏气，
这称为更加可再生的点。mr数据采集间接地触发；阀触发进给至ecg，该ecg然后在下一心跳r波之后产生脉冲，并且该脉冲发起数据采集。


技术实现要素：

8.本发明是基于如下实现：abc装置的阀可以由从mri扫描仪的导航器信道导出的输出（或者另一快速采集输出）来驱动，而不是由来自测量出的流速的推断来驱动。这具有如下优点：mri输出可以产生隔膜位置或者肿瘤位置的第一手测量。从呼吸速度描记器获得的计算出的肺活量由于多种原因而经受随着时间漂移，因此对身体结构的直接测量将更加可靠。在mri扫描仪与放射疗法装置集成一体的情况下，mri数据可以用于触发由abc进行的强制屏气、以及在abc阀关闭的同时给予的放射疗法。如果mri数据有关肿瘤的实际位置，则abc装置（实际上）会将肿瘤保持在精确且可再生点处以进行治疗。
9.因此，本发明提供一种用于给患者成像的设备，该设备包括：磁共振成像仪；呼吸控制装置，该呼吸控制装置包括可选择性关闭的阀，该可选择性关闭的阀适应于防止在至少一个方向上的呼吸流动；以及控制设备，该控制设备适应于利用磁共振成像仪来获得对患者的扫描以便产生少于三个维度的输出图像、分析该输出图像、以及如果输出满足限定标准则关闭阀以防止呼吸。控制设备可以适应于：从输出图像来确定患者的隔膜或者肿瘤的位置，如在先前段落中所指出的。
10.按照这种方式，执行了快速一维或者二维扫描（优选地是一维），该扫描充分地显示了患者的身体结构以便确定呼吸阶段。因此，可以沿着包括（例如）隔膜或者肿瘤的线来执行一维导航器扫描。先前的三维扫描可能已经显示了每次扫描的移动范围；在这种扫描中可能存在运动伪影，但这些扫描实际上将给出移动范围的指示。导航器信道然后可以基于这些扫描的结果相对于患者对齐。
11.该功能可以用于改进mri扫描技术或者放射疗法技术。通常，mri扫描的非电离性质意味着减少所执行的扫描的数量没有特别的好处。因此，通常更容易的是：连续地扫描患者（在没有abc的情况下）并且回顾地选择k空间数据，导航器信道指示的k空间数据定时成共享共同呼吸阶段。然而，在mri扫描是放射疗法之前的预备步骤（诸如，采集图像数据以进行治疗计划）的情况下，有利的将是获得在身体结构待被治疗的位置中的身体结构的图像。
12.因此，当该技术用于改进mri扫描时，控制设备优选地进一步适应于：在阀关闭的同时触发对患者的扫描以便产生三维输出。最后，阀将响应于计时器或者用户进行的覆写而打开。这时，控制设备优选地适应于暂停所触发的扫描。控制设备然后可以继续使用磁共振成像仪来扫描患者以便产生少于三个维度的输出图像，分析该输出图像，并且当输出再次满足限定标准时关闭阀以便防止呼吸且恢复所暂停的扫描。因此，可以从在一次或多次屏气内获取到的k空间数据来导出完整三维扫描。
13.当用于改进放射疗法时，上文所限定的成像设备可以与适应于给予治疗性放射的放射源集成一体，并且控制设备可以进一步适应于：在阀关闭的同时，通过该放射源来触发放射的给予。按照这种方式，在肿瘤处于已知且可再生位置中时，给予放射。同样可以存在或者不存在在相同期间内的三维mri扫描。
14.呼吸控制装置可以包括可附接至患者的面罩等。其它形式包括管，通过该管可以使患者进行呼吸，该管通常与鼻夹组合起来以便防止泄漏。
附图说明
15.现在将参照附图通过示例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：图1示出了处于扫描和治疗过程中的患者的局部视图；图2示出了扫描和治疗设备；图3示出了设备的计时图；以及图4示出了替代计时图。
具体实施方式
16.图1和图2示出了根据本发明的实施例的系统2，该系统2包括放射疗法设备6和磁共振成像（mri）设备4。患者5存在于图1中并且部分地示出，但不存在于图2中。
17.该系统包括躺椅10，该躺椅10用于支撑设备中的患者5。躺椅10可沿着水平平移轴线（标为
“ⅰ”
）移动，以便将静置在该躺椅上的患者移动到放射疗法和mri设备中。在一个实施例中，躺椅10可围绕横向于平移轴线的中心垂直旋转轴线旋转，尽管这未进行示出。躺椅10可以形成悬臂段，该悬臂段远离支撑结构（未示出）突起。在一个实施例中，躺椅10沿着平移轴线相对于支撑结构移动以便形成悬臂段，即，随着躺椅移动并且升降器保持静止，悬臂段的长度增加。在另一个实施例中，支撑结构和躺椅10均沿着平移轴线移动，以便使得悬臂段的长度保持大体上恒定，如在我们公开为wo 2009/007737的更早专利申请中所描述的，该专利申请内容以引用的方式并入，技术人员请参照该专利申请以便全面地理解所描述的实施例。
18.如上文提到的，系统2还包括mri设备4，该mri设备4用于产生定位在躺椅10上的患者的近实时成像。mri设备包括主磁铁16，该主磁铁16用于生成用于磁共振成像的所谓的“主”磁场。即是说，通过磁铁16的操作生成的磁场线大体上平行于中心平移轴线ⅰ行进。主磁铁16由一个或多个线圈组成，该一个或多个线圈具有平行于平移轴线ⅰ行进的轴线。该一个或多个线圈可以是单个线圈或者不同直径的多个同轴线圈。在一个实施例中（示出的），主磁铁16中的一个或多个线圈间隔隔开以便使得磁铁16的中心窗17没有线圈。在其它实施例中，磁铁16中的线圈可以仅仅是足够薄或者密度减小，以便使得它们对于放射疗法设备生成的波长的放射是大体透明的。磁铁16可以进一步包括一个或多个有源屏蔽线圈，该一个或多个有源屏蔽线圈在磁铁16外部生成磁场，该磁场大约等于外部主磁场的大小并且极性相反。系统2的更加敏感的部分（诸如，加速器30）定位在磁铁16外部的该区域中，在此，磁场被抵消到至少一阶。
19.mri设备4进一步包括两个梯度线圈18、20，所述两个梯度线圈18、20生成所谓的“梯度”磁场，该“梯度”磁场叠加在主磁场上。这些线圈18、20在所产生的磁场中生成梯度，该梯度允许对质子进行空间编码以便可以确定所述质子位置，例如，可以将梯度线圈18、20控制为使得所获得的成像数据具有特定取向。梯度线圈18、20定位在与主磁铁16的共同中心轴线周围，并且沿着该中心轴线彼此移位。该移位在两个线圈18、20之间创建出间隙或者窗。在主磁铁16也包括在线圈之间的中心窗的实施例中，这两个窗彼此对齐。
20.rf系统使得质子更改质子相对于磁场的对齐。当rf电磁场关闭时，质子返回至原始磁化对齐。这些对齐变化创建出可以通过扫描检测到的信号。rf系统可以包括：例如，传递无线电信号和接收所反射的信号两者的单个线圈、专用传递和接收线圈、或多元件相控
阵列线圈。控制电路（未示出）控制多个线圈16、18、20以及rf系统的操作，并且信号处理电路接收rf系统的输出，从而从该输出生成由躺椅10支撑的患者的图像。
21.如上文提到的，系统2进一步包括放射疗法设备6，该放射疗法设备6向由躺椅10支撑的患者给予放射剂量。大部分放射疗法设备6（包括至少放射源30（例如，x射线源和直线加速器）和多叶准直器（mlc）32）都安装在底盘28上。该底盘28在插入到治疗区中、由一个或多个底盘马达供电时可连续地围绕躺椅10旋转。若需要，则也可以将放射检测器安装在底盘28上，该放射检测器理想地与放射源30相对并且底盘的旋转轴线定位在放射检测器和放射源之间。放射疗法设备6进一步包括控制电路，该控制电路可以集成在图1中示出的系统2内或者远离该系统2，并且控制放射源30、mlc 32以及底盘马达。
22.放射源30定位为通过两个梯度线圈18、20限定的窗、以及也通过限定在主磁铁16中的窗17发出放射束。该放射束可以是例如锥形束或者扇形束。
23.在其它实施例中，放射疗法设备6可以包括多于一个源以及多于一个相应多叶准直器。
24.在操作中，将患者放置在躺椅10上并且将该躺椅插入到由磁线圈16、18以及底盘28限定的治疗区中。控制电路控制放射源30、mlc 32以及底盘马达以通过线圈16、18之间的窗向患者给予放射。底盘马达控制为使得底盘28围绕患者旋转，意味着可以从不同方向给予放射。mlc 32具有定向为正交于束轴线的多个细长叶；我们的ep-a-0,314,214中示出和描述了示例，该示例的内容以引用的方式并入本文，读者请参照该文件以便获得对所描述的实施例的全面理解。将mlc 32的叶控制为占据不同的位置，该不同的位置堵塞或者允许通过一些或者所有放射束，从而在束将到达患者时更改束的形状。同时随着底盘28围绕患者旋转，可以使躺椅10沿着平移轴线移动进或者移动出治疗区（即，平行于底盘的旋转轴线）。在该同时运动下，实现了螺旋形放射给予模式，已知该模式产生高质量剂量分布。
25.躺在躺椅10上的患者5提供有呼吸控制装置50。该呼吸控制装置50包括患者放在患者口中的呼吸管52。鼻夹54确保患者的所有呼吸都必须通过呼吸管52，该呼吸管52连接至软管56，新鲜空气、氧气或者可呼吸混合物均通过该软管56来供应。替代地，呼吸管54可以开口至大气。呼吸管54包括可选择性操作的阀58，该可选择性操作的阀58可以关闭或者打开呼吸管54以便按照意愿地使空气通过。这理想地是经由在软管56旁边延伸且由软管56承载的缆线来控制。
26.图3示出了用于本发明中的可能的计时图。当时间从左至右流逝时，追踪导航器信道中的相关特征的位置60。当该位置60上升至到达阈值电平62时（在时间点64处），到阀58的信号66改变为“关闭”状态68。由于该特征的位置是由肺充盈来规定的，所以关闭阀会迫使患者屏气，这使得相关特征以及同样由肺充盈规定的其它特征不动。因此，在相关特征是（例如）隔膜位置的情况下，诸如肺肿瘤或者乳腺肿瘤的其它与位置相关联的特征也不动。在相关特征是肿瘤本身的情况下，其自然地会在阈值位置处不动。信号66也可以进给至mri扫描仪或者放射疗法设备，与“准许”信号相关以便允许进一步的治疗。
27.在预定时间段t之后，信号66下降至“打开”状态70。信号的该转变促进扫描或者治疗停止并且促进阀58打开，从而允许患者再次呼吸。直到约15秒的时间段应足够允许充足的治疗或者扫描时间，而不会引起患者的不适。若需要，可以采用到mri扫描仪或者放射疗法治疗设备的单独的信号，该信号在t-ε处下降至打开状态70，即，稍微在阀打开之前，以便
允许安全裕度。
28.患者然后呼气，并且在下一次“吸气”时，相关特征在时间72处朝着阈值62往回移动。该过程然后重复进行。
29.作为安全特征，可以为患者设置“恐慌（panic）”按钮以便在患者希望或者需要呼气时迫使信号66下降至打开状态。这在时间78处示出，这时，当患者激活恐慌按钮时，信号66在较短时间t’之后下降。mri扫描和/或放射疗法治疗然后立即停止。
30.图4示出了替代布置，其中，代替地使用了低阈值76。因此，当相关特征的记录位置60下降至该阈值时，信号66被激活以便关闭阀58。这可以允许患者在呼气时屏住呼吸，或者可以迎合位置与肺充盈反相关的相关特征的使用。
31.因此，本发明允许针对主动呼吸控制装置的更加准确且可靠的触发，这依赖于来自患者身体结构的实时信息而不是可能受支配于误差和/或漂移的代理信息（proxy information）。当然，应理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例做出许多变型。