CN101005874B - 放射疗法治疗计划调整 - Google Patents

Abstract

在一种放射治疗方法中，采集(102)患者的一个或多个计划图像。在该一个或多个计划图像中至少界定恶性组织的特征的轮廓以产生一个或多个初始特征轮廓。采集(114)患者的一个或多个治疗图像。基于该一个或多个治疗图像更新(122)该一个或多个初始特征轮廓。基于所更新的一个或多个特征轮廓优化(126)放射治疗参数。使用所优化的参数执行(130)患者的放射治疗。

Description

放射疗法治疗计划调整

技术领域

下面的发明涉及放射治疗领域。尤其适用于利用高能x-射线或伽马射线的强度调制放射治疗，并将特别参考该应用进行描述。然而，本发明通常还适用于三维保形放射治疗和其它类型的放射治疗，无论是使用x-射线、伽马射线还是带电粒子束等，并且无论是使用断层摄影回转射线束源还是多个固定射线束源。

背景技术

放射治疗是抗击癌症和某些其它组织恶性肿瘤的有力工具。诸如x-射线、伽马射线、质子或中子粒子等的电离辐射被施用到癌肿瘤、受癌控制的器官或其它含有恶性组织的区域。电离辐射破坏细胞的DNA，这可以杀死受辐射的细胞。与健康细胞相比，正在生长并快速繁殖的癌细胞通常更容易受辐射损伤并且更难以修复这种损伤，这为促成癌组织的消除和健康组织的存活提供了内在的选择性。为了进一步降低对健康组织的损伤，放射治疗通常包括进行数天或数周的一系列治疗。将放射治疗作为长期的一系列治疗有助于受损的非癌组织在治疗之间的康复。

在保形放射治疗中，射线束被成形为从辐射的方向与癌肿瘤或区域的轮廓的形状基本一致。保形放射治疗的一种类型是强度调制放射治疗，其中一个或多个射线束使用多叶式准直器或其它射线束整形元件在射线束区域上被强度调制。可以在患者周围的各种角位置使用多条射线束，或者一条射线束可以围绕患者断层摄影回转。通常，在多条射线束交会的区域，或在靠近断层摄影旋转中心的区域中的积分辐射剂量最高。包括射线束位置、射线束发散角、多叶准直器设置等的适当选择的治疗计划精确控制所传输的辐射，以照射癌症区域，同时限制处于危险中的附近的灵敏器官的辐射暴露。

具体的CT计划图像在放射治疗之前产生。治疗计划基于该计划图像产生。放射治疗的一个难题是患者随时间的稳定性。在持续数日或者数周的一系列放射治疗疗程期间，处于危险中的器官可能改变尺寸、形状、方向、位置等。在一些放射治疗系列中，癌肿瘤可能随时间缩小或以其它方式积极响应放射治疗变化。

为了考虑到空间变化，超声、计算机断层摄影成像或另外的位置监视器被用于将在放射治疗支撑台上的患者与在治疗计划的等角点和方向上的恶性组织重新对准。然而，将患者作为一整体进行对准不能解决恶性组织和处于危险中的器官的相对位置的变化。患者对准也也不能解决肿瘤或处于危险中的器官的尺寸、形状或其它特征的变化。

下面的内容提出了能克服前述局限性和其它缺点的改进的装置和方法。

发明内容

根据一个方面，提供一种放射治疗方法。对患者执行多个放射治疗疗程。每个疗程采用预先选择的放射治疗计划。至少一些疗程包括：(i)采集患者的一个或多个治疗图像；(ii)基于该一个或多个治疗图像调整放射治疗计划的参数，以产生调整的治疗计划参数；以及(iii)使用调整的治疗计划参数执行放射治疗计划。

根据另一方面，提供一种放射治疗方法。采集患者的一个或多个计划图像。在该一个或多个计划图像中，至少界定恶性组织的特征的轮廓，以产生一个或多个初始特征轮廓。采集患者的一个或多个治疗图像。基于该一个或多个治疗图像更新该一个或多个初始特征轮廓。基于所更新的一个或多个特征轮廓优化放射治疗参数。使用所优化的参数执行患者的放射治疗。

根据另一方面，公开了一种放射治疗系统，用于根据基于信息计算的放射治疗计划执行患者的放射治疗，所述信息代表(i)待照射的恶性组织和(ii)处于危险中的一个或多个器官。该放射治疗系统包括基于治疗图像调整先前选择的放射治疗计划的放射治疗参数以产生调整的治疗计划的部件。

根据又一方面，公开了一种放射治疗系统。提供用于采集患者的一个或多个计划图像的部件。提供用于在一个或多个计划图像中至少界定恶性组织的特征的轮廓以产生一个或多个初始特征轮廓的部件。提供用于采集患者的一个或多个治疗图像的部件。提供用于基于该一个或多个治疗图像更新该一个或多个初始特征轮廓的部件。提供用于基于所更新的一个或多个特征轮廓优化放射治疗参数的部件。提供用于使用所优化的参数执行患者的放射治疗的部件。

一个优点在于增加了辐射传送到恶性组织的准确性和降低了对健康组织的间接辐射损伤。

另一优点在于在一系列放射治疗疗程期间提高了工作流程效率。

又一优点在于使治疗计划在一系列放射治疗期的过程中，快速和准确适应恶性肿瘤和处于危险中的器官的位置、方向、尺寸、形状或辐射敏感度的变化。

本领域普通技术人员在阅读下面的优选实施例的具体描述的基础上将清楚许多另外的优点和益处。

附图说明

本发明可以采取各种组件和组件排列的形式，以及各种处理操作和处理操作安排的形式。附图仅用于示例优选实施例，并且不解释为限制本发明。

图1概略显示了用于执行一系列放射疗法治疗的放射治疗系统。

图2是使用图1的放射治疗系统执行的合适的放射治疗工作流程的流程图。

具体实施方式

参考图1，放射治疗系统包括计划计算机断层摄影成像扫描器10。所示例的扫描器10包括在成像区域20的相对侧上在旋转机架16上安装的锥形束x-射线源12和二维x-射线探测器阵列14。(虽然出于阐明的目的在图1中示例了这些特征，但是应当认识到x-射线源12、探测器阵列14和旋转机架16通常被封装在固定的机架壳体内)。诸如癌症患者的放射治疗患者被安置在患者支撑台22上并被移入成像区域20，并且使用扫描器10采集患者的计算机断层投影数据。重建处理器26利用滤波反投影或另外的重建算法将所采集的投影数据重建成一个或多个放射治疗患者的计划图像，这些图像被储存在计划图像存储器30中。

轮廓界定处理器34用于限定和精细化肿瘤和亚肿瘤(sub-tumor)区域的轮廓，其根据功能信息或其它待照射的恶性组织需要较低或较高辐射剂量，以及通常处于危险中的一个或多个器官的轮廓。例如，在患有前列腺癌症的患者的情况中，具有癌的前列腺被界定轮廓，并且在放射治疗期间有接收过量辐射照射风险的附近器官也被界定轮廓。在前列腺放射治疗情况中，这种处于危险中的器官可以包括例如直肠和膀胱。轮廓界定处理器34可以是手动处理器，其中放射技师使用图形用户界面或其它工具手动限定轮廓，或者轮廓界定处理器34可以是自动处理器，其使用合适的图案识别算法以自动识别和界定肿瘤和处于危险中的器官的轮廓。优选地，在自动处理器的情况中，所计算的结果显示给放射技师，放射技师能够手动调整或精细化轮廓。所得到的一个或多个轮廓被储存在轮廓存储器36中。从该一个或多个计划图像得到的其它解剖数据通常也被储存在轮廓存储器36中，例如辐射衰减或组织密度信息。

在轮廓存储器36中储存的解剖信息由放射治疗计划参数优化处理器40使用来确定放射治疗计划的最佳参数。在强度调制放射治疗中，多条射线束或围绕患者以断层摄影方式回转的一条射线束被用于照射肿瘤或其它恶性组织。优化处理器40使用优化标准优化参数，例如：限定孔形状的多叶准直器设置；全局射线束强度或权重；射线束方向；楔角；分阶段进度表(fractionation schedule)等，所述标准至少包括：(i)产生对恶性组织的大量照射；以及(ii)限制处于危险中的器官的照射。最佳治疗计划参数被储存在治疗计划参数存储器42中。

在开发包括最佳治疗计划参数的治疗计划中，通常使用癌症区域的高分辨率三维图像。恶性组织和处于危险中的器官的轮廓界定需要大强度的时间和计算。高质量和高分辨率的三维计划图像优选被用于执行轮廓界定。

因此，计划计算机断层摄影扫描器10通常为高分辨率多切片或锥形射线束扫描器，该扫描器通常在首次放射治疗疗程之前的一段时间对患者成像。例如，患者可以在首次放射治疗疗程之前大约几天进入放射治疗中心或其它成像机构以进行计划成像。这可以使放射技师具有足够的时间在放射治疗开始前进行精确的轮廓界定。

在首次放射治疗疗程，患者位于与辐射传送系统52相关联的可移动工作台或其它患者支撑台50上。通常，患者或至少要接受放射治疗的患者的一部分使用带子、夹子、垫子或其它身体固定装置基本固定在患者支撑台50上。在所示例的实施例中，辐射传送系统52是断层摄影系统，该断层摄影系统包括线性电子加速器(即，直线性加速器)54，该加速器54产生加速电子束撞击钨或其它靶以产生用于照射患者的x-射线或伽马射线。多叶准直器56整形或强度调制x-射线或伽马射线束。辐射源在治疗期间围绕患者进行断层摄影回转以在直到360的角视野范围照射患者。作为所示例的断层辐射传送系统52的替代方式，可以使用其它辐射传送系统，例如多射线束系统，在该系统中多个辐射源围绕患者机架以固定的或可调节的角位置在角度上分开，并产生同时或交替照射患者的多条射线束。例如，可以以40间隔围绕患者布置9个辐射源。每个辐射源具有单独的多叶准直器以提供9条单独强度调制的射线束。

在执行放射治疗以前，第二成像系统60对患者成像。患者支撑台50优选用作辐射传送系统52和第二成像系统60的共用患者支撑台，并且可以将放射治疗患者首先线性移动进入第二成像系统60的成像视野中，然后进入辐射传送系统。这样，第二成像系统60在其处于患者支撑台50上的固定的、不动的位置产生待照射区域的治疗图像。

第二成像系统60可以是第二较低分辨率计算机断层摄影扫描器(在图1的外部视图中仅可见环形机架壳体)。重建处理器62将计算机断层摄影扫描器采集的投影数据重建为一个或更多个储存在治疗图像存储器64中的治疗图像。除了计算机断层摄影扫描器，其它成像形式能够用作第二成像系统60，例如超声成像系统、荧光透视成像系统、磁共振成像(MRI)扫描器、单光子发射计算机断层摄影(SPRCT)扫描器、正电子发射断层摄影(PET)扫描器等。此外，在一些实施例中，兆伏成像扫描器将辐射传送系统52用作进行断层摄影成像的兆伏辐射源。

图像配准处理器70将第二成像系统60采集的一个或多个治疗图像与先前由计划扫描器10采集的一个或多个计划图像配准。基本可以采用任何类型的图像配准算法。在一些实施例中，使用采用弹性函数的基于体素的配准方法。这种配准方法有利地在图像空间中工作并基本独立于用户输入。采用弹性函数的基于体素的配准方法将一个图像或图像集变形以与另一图像或图像集配准。优选地，将计划图像变形以与治疗图像配准，但是也可以预见将治疗图像变形以与计划图像配准。

一旦图像被配准，轮廓更新处理器72根据配准图像所需的变形，变形或以其它方式更新代表恶性组织和处于危险中的一个或多个器官的轮廓。所更新的轮廓被储存在轮廓存储器36中并被输入到治疗计划参数优化处理器40中，该处理器40基于所更新的轮廓更新治疗计划参数，并将所更新的参数储存在治疗计划参数存储器42中，用于接下来的放射治疗疗程。

治疗图像和根据其计算的轮廓变形说明了组织或器官的位置、方向、尺寸、形状以及辐射敏感度的变化。例如，经过用于治疗前列腺癌症的数个放射治疗疗程的过程，由于膀胱中液体的不同水平高度、直肠中容纳物的改变、因为成功的放射治疗癌的肿瘤尺寸减小等，直肠、膀胱和其它解剖特征可能发生位置、方向、尺寸和形状的变化。

继续参考图1并进一步参考图2，描述了合适的放射治疗工作流程100。在处理操作102中，使用计算机断层摄影扫描器10采集高分辨率计划图像。在处理操作104中，轮廓界定处理器34手动、半自动或自动确定癌肿瘤、受癌症折磨的器官或其它恶性组织的初始轮廓，并且通常还确定处于危险中的一个或多个辐射敏感器官、骨骼或该区域中的高密度结构等的轮廓。

优选地，在参数优化处理106中确定放射治疗计划的初始参数值。该优化基于初始解剖和/或功能轮廓以及来自计划图像的其它解剖信息，例如在癌肿瘤或器官附近的各种组织和器官的辐射衰减或组织密度信息。作为定量的例子，如果有围绕患者以40间隔布置的9个离散角射线束位置(可以通过使用9个固定的辐射源或使用所示例的带有断层摄影地移动通过9个位置的射线束的单个射线束辐射源52来实现)，并且每个射线束位置具有通过多叶准直器有选择分成0.5×0.5cm²小射线束(beamlet)的10×10cm²射线束面积，那么有9×400＝3600个待优化小射线束。9条射线束的每个也可以具有全局参数，例如总射线束强度或权重、射线束方向、楔角、分阶段进度表等。McNutt等人的美国专利No.6,735,277(WO03/099380)中公开了适用于优化这种大量参数的一种优化技术。

通常，放射治疗计划处理操作102、104、106在首次放射治疗疗程之前执行。放射治疗可以在一个疗程中执行，或者更典型地，放射治疗被分成持续数日、数周或更长时间的多个放射治疗疗程。每个放射治疗疗程的工作流程110如下进行。在处理操作112中，患者被定位在患者支撑台50上，至少患者的待照射部分基本被固定。支撑台50将所固定的区域线性移动到第二成像系统60的视野中(或者第二成像系统被移动至患者)。在处理操作114中，使用与辐射传送系统52相关联的第二成像系统60采集一个或多个治疗图像。在处理操作120中，由图像配准处理器70使用配准技术将治疗图像和计划图像配准，该配准技术将一组图像弹性变形以将其与另一组图像配准。例如，在Maintz等人在Medical Image Analysis第2卷第1-57页(1998)发表的“A Survey of Medical Image Registration”中提供了一些合适的配准技术。在图像空间中操作的基于体素的配准技术通常是优选的。也可以使用基于界标或基于分割的配准技术，但是这些技术需要大量的用户输入。

一旦治疗和计划图像被配准，在处理操作122中，轮廓由轮廓更新处理器72更新。例如，如果与膀胱对应的局部图像区域通过图像配准被各向同性弹性扩大5％(或许由于膀胱内流体的积累)，那么表示膀胱的轮廓被适当地相应各向同性扩大5％。类似地，局部或总体采用的刚性、仿射、投影、弯曲或其它图像配准变换被映射到轮廓的对应变换，以在处理操作122中产生更新的轮廓。

基于所更新的轮廓，在处理操作126中通过治疗计划参数优化处理器40优化治疗计划参数。如果执行了选择性初始优化处理操作106，那么优化处理操作126实际上是再优化，并且可以使用在初始优化处理操作106中确定的初始治疗计划参数作为起始值。同样，对于第二次和后续放射治疗疗程，在前次治疗期中使用的参数值可用作初始值。通常，使用接近最优的初始参数值(这通常是当初始参数值从初始优化106得到或来自前次放射治疗疗程的情况)导致了优化处理126的高效和快速收敛。由优化处理操作126确定的参数值被储存在治疗计划参数存储器42中并用于其间由辐射传送系统52执行放射治疗的处理操作130中。

根据照射区域中变化的速度和幅度，在一些情况中，更新处理操作114、120、122可以从一些放射治疗疗程中被省略。例如，这些更新处理操作可以每隔一个放射治疗疗程，或每隔两个放射治疗疗程被执行，等等。而且，如果配准处理120指出自从上次治疗疗程所照射区域基本稳定，那么对于接下来的放射治疗疗程优化处理126可有选择地被省略。

由第二成像系统60采集的治疗图像不用于构造轮廓。而是，该治疗图像仅用于调整轮廓的尺寸、形状、方向、位置或其它空间状况。因此，第二成像系统60通常产生与计划计算机断层摄影扫描器10相比具有较低分辨率的图像。这使得第二成像系统60成为一种低成本、低分辨率成像器，其快速采集一个或多个治疗图像。而且，由于治疗图像不用于提取用于校准治疗计划的关于辐射衰减或组织密度的信息，第二成像系统60可以采用基于非辐射的成像形式，例如超声或磁共振。(然而，如果第二成像系统60是计算机断层摄影扫描器或其它的确提供组织密度信息的成像器，其可以被包含在更新操作122中。)治疗图像用于提供关于恶性组织和处于危险中的器官的尺寸、方向、位置和基本形状的相对粗略的信息。

此外，计划图像可以结合功能或生物状况。例如，除了提供组织辐射吸收和身体解剖信息的计算机断层摄影图像，计划图像可以包括使用合适的成像形式采集的功能或生物图像，上述成像形式例如是单光子发射计算机断层摄影(SPECT)、正电子发射断层摄影(PET)、磁共振波谱分析(MRS)等。功能计划图像可以基于诸如辐射敏感度的功能或生物差别将某些类型的恶性组织与健康组织区分开。

从而，在一些可预见的实施例中，计划图像包括具有功能或生物对比度的功能或生物计划图像。这些图像中的功能或解剖特征在轮廓界定处理操作104中被界定轮廓，以产生在优化处理106中使用的轮廓。治疗图像也相应地包括功能或生物图像，这些功能或生物图像在处理操作114中使用合适的提供所需的功能或生物对比度的成像形式采集。这些功能或生物治疗图像在配准过程120中被配准，并且在更新处理122中用于更新相应的轮廓，以产生在更新优化126中使用的更新的轮廓。这些更新补偿了影响放射治疗计划的非解剖变化，例如恶性肿瘤的辐射敏感度图案的变化，这可以例如响应由照射引起的氧分压局部变化(再氧化)而发生。

功能或生物治疗图像不用于初始轮廓界定和计划，而是用于治疗计划的校正调整。因此，功能或生物治疗图像可以是比原始计划图像粗略的图像。因此，用于采集功能或生物治疗图像的成像系统与采集功能或生物计划图像的成像系统相比，可选择较低分辨率的系统。实际上，治疗成像系统可任选地采用与计划成像系统不同的成像形式或成像形式组合，只要二者都提供相同类型的功能或生物图像对比度。

在一些实施例中，使用多个成像形式采集计划图像。作为一个实例，计划成像系统包括用于采集解剖信息和组织辐射吸收特性的透射计算机断层摄影扫描器，以及用于采集诸如辐射敏感度信息的功能图像的功能成像形式。对计划图像中的特征进行轮廓界定，包括使用透射计算机断层摄影图像界定轮廓的解剖特征和使用由功能成像形式采集的图像界定轮廓的生物或功能特征。治疗成像系统还包括透射计算机断层摄影扫描器和功能成像形式。透射计算机断层摄影扫描器产生解剖特征轮廓根据其更新的治疗图像，而功能成像形式产生生物或功能特征轮廓根据其更新的治疗图像。

已经参考优选实施例描述了本发明。显然，他人通过阅读和理解前述的具体描述可以作出修改和替换。这意味着本发明应当被理解成包括落入后附权利要求范围内的所有这些修改和替换或其等同物。

Claims (6)

1.一种放射治疗系统，用于根据基于代表待照射组织的信息计算的放射治疗计划对患者进行放射治疗，该放射治疗系统包括调整部件（40、70、72），其基于低分辨率治疗图像调整先前所选放射治疗计划的放射治疗参数以产生经调整的治疗计划，其中根据从高分辨率计划图像产生的所照射组织的轮廓优化先前选择的治疗计划参数，并且用于调整的部件（40、70、72）包括：

图像配准处理器(70)，用于将该治疗图像与该计划图像配准，其中该计划图像被变形；

轮廓更新处理器（72），用于通过根据该计划图像的变形使所照射组织的轮廓变形，从而调整所照射组织的轮廓以使其与治疗图像相一致；以及

治疗计划参数优化处理器（40），用于根据所调整的轮廓再优化治疗参数。

2.根据权利要求1的放射治疗系统，还包括：

用于采集患者的治疗图像的部件（60）；以及

用于使用经调整的治疗参数执行患者的放射治疗的部件（52）。

3.根据权利要求1的放射治疗系统，其中代表待照射组织的信息包括至少下列之一：（i）通过解剖成像采集的解剖信息和（ii）通过功能成像采集的生物或功能信息。

4.一种放射治疗计划系统，包括：

用于采集低分辨率治疗图像的部件（60）；

用于使用弹性形变技术将所述治疗图像与相应的高分辨率计划图像配准的部件（70），其中该计划图像被变形；以及

通过根据该计划图像的变形使待照射组织的轮廓变形，从而更新待照射组织的放射治疗计划轮廓的部件（72）。

5.一种放射治疗系统，包括：

用于采集患者的一个或多个高分辨率计划图像的部件（10）；

用于在该一个或多个计划图像中界定组织特征的轮廓以产生一个或多个初始特征轮廓的部件（34）；

用于采集患者的一个或多个低分辨率治疗图像的部件（60）；

用于基于该一个或多个治疗图像更新所述一个或多个初始特征轮廓的部件（70、72）；

用于基于所更新的一个或多个特征轮廓优化放射治疗参数的部件（40）；以及

用于使用所优化的参数执行患者的放射治疗的部件（52），

其中用于更新所述一个或多个初始特征轮廓的部件包括：（i）用于将所述一个或多个治疗图像与所述一个或多个计划图像配准的部件（70），其中该计划图像被变形；以及（ii）用于通过根据该计划图像的变形使所述一个或多个特征轮廓变形，从而调整所述一个或多个特征轮廓的部件（72）。

6.根据权利要求5的放射治疗系统，其中用于将一个或多个治疗图像与一个或多个计划图像配准的部件使用基于体素的弹性函数，并且用于调整所述一个或多个特征轮廓的部件包括用于基于由基于体素的弹性函数指示的弹性形变调整轮廓的部件。