用于调强弧形治疗序列化与最优化的方法和装置 本申请要求 2007 年 10 月 16 日提交的序列号为 60/980,228 的美国临时专利申请 的权利， 该申请被特地以引用的方式整体并入本文。
本申请涉及辐射处置。本申请在医学肿瘤学中的辐射处置方面具有具体应用， 其 还涉及需要对经受处置的对象施加辐射剂量的其他医学和非医学应用。
调强放射治疗 (IMRT) 是在二十世纪九十年代发展起来的处置技术， 并且已经从 大约 2000 年开始在世界范围内临床使用。IMRT 具有产生这样的处置计划的优点， 即在所 述处置计划中， 与传统的处置技术相比， 处于危险中的器官接受低得多的剂量。临床 IMRT 处置已经专门地使用静态射束 ( 这种情况下， 台架在处置期间不移动 ) ； 仅仅多叶准直器 (MLC) 移动。
传统的 IMRT 处置是以预先确定的角度绕患者施予的。在每个角度， 有一系列的子 野 (segment) 或 MLC 孔径形状。 在处置机器在各角度和子野间移动时， 所述射束被关闭。 这 一 “停工时间” 延长了处置时间。
调强弧形治疗 (IMAT) 使用弧形射束而不是静态射束。 在传统的 IMRT 以及 IMAT 处 置中， MLC 叶片的行程部分地决定了处置将花费的时间。与传统的 IMRT 相比， IMAT 的优点 是它能够产生这样的处置计划， 即在所述处置计划中， 处于危险中的器官接受更少的剂量， 而肿瘤仍然可以在短得多的施予时间内接受规定的剂量。通过使用连续 IMAT 弧， 射束总是 在工作， 因此消除了所述停工时间。
IMAT 技术的另一方面是处置计划过程的流水化。 通常， 期望产生这样的处置计划， 即最大化施加于肿瘤或其他病灶的处置剂量， 同时最小化对周边组织的损害。为了实现某 些情况下精确的剂量分布， 可能需要大量的射束角度。增加这种角度的数量通常会增加处 置计划过程的工作量和计算复杂度。 这进而趋向于增加处置计划时间， 或反过来， 需要使用 相对功能更强大的计算机。在 IMAT 计划中， 用户可能仅必须指定弧度参数， 并且对于多数 情况， 默认值将是合适的。
在其他各点都相同的情况下， 期望降低对患者施加期望的处置所需要的时间， 同 时仍然施予近似于所指定的剂量的处置。同样地， 期望降低处置计划过程的计算复杂度。
本申请的各方面解决了这些及其他问题。
根据第一方面， 一种方法包括 ： 对于包括在沿弧的第一角度定位处的第一和第二 子野的调强弧形治疗处置计划， 确定沿所述弧的所述第一和第二子野的期望的分布， 其中 每个子野在唯一的角度位置处。 所述方法还包括根据所确定的分布来分布所述第一和第二 子野。
根据另一方面， 一种装置包括 ： 用于对于包括在沿弧的定位处的第一和第二子野 的调强弧形治疗处置计划确定沿所述弧的第一和第二子野的期望的位置的模块。 所述装置 还包括用于根据所述期望的位置来定位所述第一和第二子野的模块。
根据另一方面， 一种计算机可读存储介质包含指令， 当被计算机处理器执行所述 指令时， 所述指令使得所述处理器执行一种方法。 所述方法包括 ： 结合包括位于沿处置施予 弧的第一射束位置的第一和第二子野的辐射处置计划， 将所述第一子野重新定位到第一子
位置并且将所述第二子野重新定位到第二子位置。
根据另一方面， 一种计算机可读存储介质包含指令， 当被处理器执行时， 所述指令 使得所述处理器执行一种方法。所述方法包括 ： 结合包括位于沿处置弧的第一射束位置的 第一和第二子野的调强弧形治疗处置计划， 在第一定位附近沿所述弧分布所述第一和第二 子野。
本发明是以示例的方式举例说明的， 并且不限于附图中的图形， 在附图中， 同样的 参考标记指代相似的元件， 其中 ：
图 1 描述了处置计划和施予系统 ；
图 2 描述了方法 ；
图 3A、 3B 和 3C 描述了射束位置、 子野和重新定位的子野。
现在， 转到图 1， 辐射处置计划器 102 开发了用于由辐射处置施予系统 104 施予的 处置计划。
如图所示， 施予系统 104 包括辐射源 112、 射束整形器 114 以及定位器 120。辐射 源 112 可以包括线性加速器、 辐射材料、 粒子辐射源 ( 例如， 质子源 ) 或其他电离辐射源。
射束整形器 114 整形来自辐射源 112 的辐射， 以产生施加于对象 106 的靶 118 的 空间变化的辐射束 116。 因此， 例如， 可以调整所述射束的形状， 以使得当沿射束 116 的方向 观察时 ( 即， 沿射束的视线 ) 大体符合靶 118 的形状。还可以操作射束整形器 114 以调整 射束 116 的相对空间强度， 从而将相对更高 ( 或更低 ) 的辐射剂量施加于靶 118 的不同区 域。
在一种实现方式中， 射束整形器 114 包括多叶准直器 (MLC)。MLC 通常包括多个插 入到辐射源 112 和对象 106 之间的可移动的辐射衰减叶片。所述叶片因此限定了施予辐射 所通过的孔径。通常， MLC 还包括可调节的准直器角度设置， 其限定了 MLC 围绕轴的旋转位 置， 所述轴大体平行于射束 116 的轴。因此， MLC 孔径以及准直器角度设置用于调整辐射束 116 的时间变化特性。
定位器 120 改变射束 116 和对象 106 的相对位置， 从而使得从多个不同的方向或 射束位置施加辐射。根据施予系统 104 的配置， 定位器 120 的设置可以解决诸如病床 108 的角度和 / 或空间位置、 辐射源 112 和射束整形器 114 相对于对象 106 的角度位置等问题。
对于调强弧形治疗 (IMAT) 系统的情况， 射束 116 穿过一个或多个相对于靶 118 的 弧或轨迹 103。射束 116 运动的角速度可以绕弧 103 变化。通常随着射束 116 的相对运动 在时间上同时施加辐射， 其中射束整形器 114 的设置随着射束 116 的运动而变化。 射束 116 将很可能在不同的弧子野之间具有可变的剂量率， 并且射束 116 不需要持续施加， 并且例 如， 可以在射束 116 将不利地影响危险器官的那些位置将其关闭。
处置计划器 102 计划将由处置设备 104 施加的 IMAT 处置。更具体地， 处置计划器 102 试图开发最优地满足处置目标 122 的处置计划， 诸如将施加于靶 118 的最小剂量、 将施 加于靶 118 外部 ( 例如， 施加于危险器官或施加于其他健康组织 ) 的最大辐射剂量、 最小和 最大剂量体积目标、 剂量均匀性目标等中的一个或多个。
弧 / 射束参数 126 描述在开发处置计划期间由处置计划器 102 所使用的诸如对于 射束轨迹的期望起始和结束角度、 病床角度等中的一个或多个的参数。可替代地， 弧 / 射束 参数 126 中的一个或多个可以被视为通过处置计划器 102 或优化器 132 优化的变量。如图所示， 处置计划器 102 包括剂量计算器 128、 一个或多个目标函数 130、 优化器 132 以及通用处置计划软件 (TPS) 工具 134。在当前可用的 TPS 系统中， 适当的剂量计算器 128 和 TPS 工具 134 当前可用。大多数 TPS 系统还具有 IMRT 优化器和目标函数， 所述优化 器和目标函数可以被适当地修改和 / 或复用， 以用作优化器 132 和目标函数 130。
所述处置计划系统还包括人机接口 136， 诸如计算机实现的图形用户界面 (GUI)， 所述图形用户界面在弧生成和最优化过程中指导用户。人机接口 136 还允许用户手动地针 对可以在一个序列中计算的参数的多个组合限定弧参数。
处置计划器 102 还可以包括确定最优的弧 / 射束参数 126 的弧发生器 138， 特别是 在用户很难限定这种参数的情况中。
优化器 132 产生针对沿一个或多个弧的不同射束位置 ( 所述射束位置有时被称作 控制点 ) 的注量图 140。在典型的 IMAT 处置计划中， 所述射束位置最初以大约十 (10) 度到 二十 (20) 度的间隔分隔开， 尽管还可预期更大或更小数量的射束位置以及不相等的间隔。 通常， 增加射束位置的数量给予优化器 132 更多的自由度， 并且产生更精确的剂量分布。然 而， 增加射束位置的数量也趋向于增加所需计算的复杂度， 并且因此增加生成处置计划所 需的时间。因此， 增加射束的数量具有收益递减点。 转换器 142 将注量图 140 转换为处置计划， 所述处置计划包括近似或以其他方式 产生期望的注量图的处置设备设置 144。更具体地， 对于沿所述弧的每个射束位置， 所述转 换器生成射束整形器 144 设置 ( 例如， 对于 MLC 的孔径设置和准直器角度 )， 所述射束整形 器 144 设置产生期望的注量分布。根据所期望的注量分布的复杂度， 射束位置可以包括多 个子野。可以小心地限制处置设备设置 144 的数量， 以确保最优化的残余量没有不必要的 过载。每个子野包括不同的射束整形器 114 设置。再次对于 MLC 的示例， 所述子野可以包 括不同的孔径和 / 或准直器角度设置。
正如将意识到的， 在给定射束位置执行多个子野将通常增加施予 IMAT 处置所需 的时间， 这是因为需要多个弧旋转。在给定射束位置的相对大数量的子野还指示了在所述 射束位置的相对高的空间复杂度。 针对这一问题的一种方法是在原始射束位置附近建立附 加的射束位置， 并且持续最优化过程以便减小在所述射束位置的子野的数量。 然而， 这样做 趋向于增加计划过程的复杂度。
可替代地或附加地， 然后， 子野分布器 146 沿所述弧分布不同的子野。更具体地， 对于每个射束位置， 子野分布器 146 将所述射束位置的子野分布到在所述射束位置附近的 子位置。 所述子位置优选选择为使得由所分布的子野授予的剂量分布近似于原始子野的剂 量分布。
更具体地， 所述子位置的定位、 所述子野沿所述弧分布的顺序以及所述分布的其 他相关方面是根据分布标准 150 建立的。例如， 可以选择子野被定位于子位置之中的顺序， 以最小化所需的射束整形器 114 运动。对于 MLC， 例如， 可以选择所述顺序以最小化所述运 动和 / 或 MLC 叶片的速度或运动。 作为另一示例， 可以基于有待分布的子野的数量以及邻近 射束位置的定位选择所述子位置的定位。再进一步， 所述子位置可以定中心于代表中点的 定位之间， 所述中点是对其分布子野的射束区域和所述射束区域的一阶近邻之间的中点。 根据诸如一阶近邻的位置和有待分布的子野的数量的因素， 所述子位置可以或可以不关于 所述射束位置对称。示例性的子野分布和子位置将在下面更详细地描述。
机器参数优化器 148 使用直接机器参数优化技术， 以进一步优化所分布的子野， 例如最小化叶片运动以及避免机器约束。如果优化器 148 确定出不能满足所要求的目标， 则可以基于在转换过程 142 期间拒绝的子野， 智能地插入附加的子野。
现在， 将参考图 2 和图 3 描述操作。
在 202 建立处置目标。
在 204 生成注量图。为了说明简单， 并参考图 3A， 将假设所述处置计划包括 360° 度的圆形轨迹或弧 302， 并且在三 (3) 个射束位置 3041、 3042、 3043 生成注量图， 这三 (3) 个 射束位置沿所述轨迹等间隔地分隔开 ( 即， 以 120°的间隔 )。
在 206 所述注量图被转换为处置设备设置。再次出于解释的目的， 将假设在第一 射束位置 3041 需要一 (1) 个子野 3061， 在第二射束位置 3042 需要二 (2) 个子野 3081， 而在 2， 第三射束位置 3043 需要三 (3) 个子野 3101， 2， 3。
在 208 重新分布子野 306、 308、 310。 在一种实现方式中， 各子位置间的角度距离如 下计算 ：
等式 1
其中， θs 是对于射束位置 m 在各子位置间的距离， θm-1 是对于在射束位置 m 的第 一侧的一阶近邻的射束位置， θm+1 是对于在射束位置 m 的第二侧的一阶近邻的射束位置， 并且 N 是对于射束位置 m 的子野的数量。 在所述第一侧， 最外面的射束子位置以距离 θs 偏 离射束位置 m-1 和射束位置 m 之间的中间位置。在所述第二侧， 最外面的射束子位置同样 以距离 θs 偏离射束位置 m+1 和射束位置 m 之间的中间位置。
图 3B 中示出了图 3A 中的射束位置和子野的这种分布。因此， 射束子野 3061 的位 置没有变化， 射束子野 3081 和 3082 以四十度 (40° ) 的角度距离分隔开， 而射束子野 3101、 3102、 3103 以三十度 (30° ) 的角度距离分隔开。要注意， 子野沿弧 302 分布的顺序是基于 所期望的排序标准选择的。
图 3C 描述了 N ＝ 4 个子野 3141-4 相对于射束位置 312m 的重新分布。如图所示， 所 述处置计划是这样的， 即在射束位置 312m 和相邻射束位置之间的距离是不相等的 ： 对于射 束位置 312m-1 是十度 (10° )， 而对于射束位置 312m+1 是二十度 (20° )。子位置是以三度 (3° ) 的距离分隔的。如将意识到的， 所述子位置定中心于分别位于射束位置 312m 的第一 和第二侧的射束位置中点 3161、 3162。
这种布置的一个优点是， 所述分布趋向于反映所述处置计划的空间复杂度。所述 弧的那些需要相对复杂的注量分布的区域容纳相对更大数量的子位置。此外， 邻近射束位 置的子野分布不重叠。
在步骤 210 优化所重新分布的子野， 以产生处置设备设置。
在 212， 将所述处置设备设置递送至处置设备 104。
在 214， 将所述处置施加至对象。
变型是可预期的。例如， 在给定射束位置的重新分布的子野之间的间隔可以是不 相等的。此外， 射束位置的各子野可以沿比等式 1 中所描述的相对更靠近或更远离射束位 置的子位置的范围定位。在前一种情况中， 所施加的处置通常趋向于更接近地近似于所期
望的处置。在后一种情况， 所述处置的施予将相对更不可能受到射束整形器 114 的运动特 性的约束。此外， 可以根据作为对其重新分布子野的射束位置的二 ( 或更高 ) 阶近邻的射 束位置来确定各子位置之间的间隔。
分布所述子野的顺序也可以基于标准而不是射束整形器 114 的运动而变化。例 如， 可以分布所述子野， 以便提供最接近地近似于所期望的剂量分布的剂量分布。
如果由于一个或多个原因， 子野对处置计划的贡献不满足特定的标准， 也可以筛 选所述子野。 例如， 具有低于特定的阈值的监测单元设置的子野可以使得处置剂量率降低， 并且不能为处置计划提供多少贡献。另一示例可以是具有动态不同的射束整形器 114 设置 的两个邻近的子野。施予这一弧子野的效率可能不高， 并且， 除非其可以被重新分布， 筛选 可能是有利的。
更进一步， 所述计划过程还可以包括利用不同数量的弧和 / 或弧参数的多次试 验。在这种情况下， 各个试验的结果可以在对照 GUI 中呈现给用户， 所述 GUI 将呈现图像集 / 剂量分布窗口、 设备体积直方图 (DVH) 曲线和 / 或将允许用户评估各个处置计划的其他信 息。
将意识到的是， 可以经由硬件和 / 或计算机软件或固件的不同的组合实现上述技 术的变型。对于软件、 固件等， 计算机可读指令可以被存储在计算机可读存储介质中。当被 计算机处理器执行时， 所述指令使得所述处理器执行所述技术。所述指令还可以位于远程 并且根据需要进行访问， 例如通过经由因特网进行下载。
已经参考优选的实施例描述了本发明。通过阅读和理解前面的详细描述， 其他人 员可以进行修改和变更。本发明意在被解释为包括所有这种修改和变更， 只要它们落入随 附的权利要求或其等价物的范围之内。