CN101636199B

CN101636199B - 治疗的优化

Info

Publication number: CN101636199B
Application number: CN200880008689.5A
Authority: CN
Inventors: M·莫罗
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: CN101636199A; EP2121135B1; KR101512994B1; WO2008114159A1; US8149991B2; EP2121135A1; US20100046706A1; KR20100015629A

Abstract

一种治疗计划和提供系统包括治疗计划器(102)和治疗装置(104)。治疗计划器(102)制订满足治疗目标(122)、治疗装置输出目标(124)和治疗装置参数目标(126)中的一个或多个的治疗计划。由治疗装置(104)施加治疗计划。治疗装置输出和治疗装置参数目标的范例包括空间目标和时间目标。

Description

治疗的优化

本申请涉及治疗和治疗计划。虽然本发明特别应用于医学中的辐射疗法，但是本发明还涉及希望对患者或其他对象施加期望的治疗的其他医疗和非医疗应用。

辐射疗法是一种治疗诸如癌症的疾病的重要工具。这种治疗的目的是诱发肿瘤或其他病灶的坏死或以其他方式减慢其生长，同时使治疗对健康组织造成的不希望效应最小化。更具体而言，一般希望向肿瘤或病灶施加较高的辐射剂量，同时使施加到周围重要器官(risk organ)或其他健康组织的剂量最小化。

由于调强辐射疗法(IMRT)有能力产生和提供较为适形的剂量分布，该技术作为一种治疗技术获得广泛接受。常常使用逆向计划过程来设计IMRT治疗计划，这种过程以指定要施加到病灶或其他靶的剂量以及重要器官或其他关键结构的剂量极限开始。利用诸如直线加速器和多叶准直器或补偿器的治疗装置进行治疗。在一种有时被称为前向计划的变体中，用户指定特定的系统设置，系统对其他系统设置加以优化。例如，在为乳腺肿瘤计划治疗时，用户可以建立期望的准直器叶片位置(即，片段形状)，计划系统优化各片段的相对权重。更新近以来，开发出了诸如弧形调强疗法(IMAT)和所谓的断层疗法的治疗技术。这些系统通常在辐射束和患者的相对位置变化时改变所施加辐射的强度。

虽然IMRT、IMAT和断层治疗系统代表着医学治疗的重要进展，但仍然有改进的空间。

本申请的各个方面解决了这些问题和其他问题。

根据一个方面，一种设备对治疗进行计划，该治疗包括由治疗装置向对象施加空间上变化的能量。该设备包括治疗计划器，治疗计划器根据治疗目标优化治疗特性，并根据治疗装置参数目标优化治疗装置的参数。

根据另一个方面，一种对治疗进行计划的方法，所述治疗包括由治疗装置向对象的靶施加能量，所述方法包括如下步骤：根据治疗目标和治疗装置参数目标优化治疗计划；以及使优化的治疗计划可为所述治疗装置所用。

根据另一方面，一种计算机可读存储介质包含指令，所述指令在由处理器执行时令所述处理器执行一种方法。该方法包括利用计划方法产生最佳地满足治疗目标和治疗装置参数目标的治疗计划。治疗目标包括向对象施加空间变化的能量。该方法还包括在计算机可读存储器中存储治疗计划。

根据另一方面，一种方法包括接收输入，所述输入描述辐射治疗装置的期望输出；以及将期望输出转换成产生期望输出的治疗装置参数。治疗装置参数包括调制器参数，转换步骤包括优化考虑到调制器参数目标的目标函数。

根据另一方面，一种辐射治疗设备包括辐射源、调制辐射治疗设备产生的辐射束的调制器以及相对于待治疗的对象定位射束的定位器。该辐射治疗设备根据最佳地满足治疗目标和调制器参数目标的治疗计划提供射束。

在阅读并理解说明书的基础上，本领域的普通技术人员将会理解本发明的其他方面。

本发明可以具体化成各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤的布置。附图仅用于例示优选实施例，不应视为限制本发明。

图1描绘出治疗计划和提供系统；

图2描绘出治疗计划器；

图3描绘出治疗计划器；

图4是补偿器的透视图；

图5描绘出多叶准直器；

图6描绘出一种方法；

图7描绘出一种方法。

参考图1，治疗计划器102制定治疗计划，该治疗计划理想地满足临床或治疗目标122、治疗提供系统输出目标124和治疗提供系统参数目标126中的一个或多个。治疗提供装置104向待治疗的患者或其他对象106施加所计划的治疗。

如图1所示，治疗装置104包括能量源112、调制器114和定位器120。能量源112产生要施加到对象106的能量。例如，在治疗装置104进行辐射治疗时，能量源112可以包括直线加速器、放射性材料、粒子辐射源(例如，质子源)或其他电离辐射源。

调制器114调制辐射源112产生的辐射以产生施加到对象106的空间变化的能量或能量射束116。于是，例如可以改变射束116的形状以大致适形成在沿着射束116的方向观看时(即沿着射束眼睛视图)肿瘤或其他靶118的形状。调制器114也可以用于调节射束116的相对空间强度或通量，从而可以向靶118的不同区域施加较高(或较低)能量剂量。

同样，对于进行辐射治疗的治疗装置104而言，适当调制器114的范例包括多叶准直器(MLC)和补偿器。多叶准直器通常包括多个置于辐射源112和对象106之间的可移动辐射衰减叶片，改变叶片的位置以产生期望的射束形状和/或空间强度分布。补偿器通常包括置于源112和对象106之间的辐射衰减材料。确定补偿器的材料成分和/或厚度分布，以产生期望的射束形状和/或空间强度分布，相应地制造补偿器。

定位器120改变能量116和对象106的相对位置，从而可以从一个或多个不同方向向靶118施加能量116。对于工作于静态模式中的治疗装置104而言，定位治疗装置104和对象106，从而从期望方向向靶118施加能量116。例如，通过调节MLC叶片的位置(也称为静态调强(Step-and-shoot)技术)或插入具有期望分布的补偿器来调节调制器116，以提供对应于该方向的射束形状和/或强度分布。从期望的方向施加能量116。为了辅助提供空间变化的剂量分布，可以在多个片段中提供能量116，在各片段之间调节MLC叶片的位置。针对多个方向或位置中的每一个重复该过程。

对于进行动态变化治疗的治疗装置104而言，射束116相对于靶118横穿一个或多个弧或其他轨迹。在时间上与射束116和对象106的相对运动同时向患者106施加射束116。与相对运动协调地调节调制器114，从而在射束和对象的相对运动改变118时施加期望的射束形状和/或强度分布。辐射治疗中使用的动态变化治疗技术的范例包括弧形调强疗法(IMAT)、断层疗法和动态调强技术(Sliding-window)。在提供断层疗法的系统中，射束116和患者106以类似于计算机断层摄影(CT)系统中采用的轨迹(即，以轴向或螺旋形轨迹)彼此相对移动，同样与射束116的轨迹协调地调节调制器114。对于采用动态调强技术的治疗装置而言，保持射束116的方向恒定，同时在施加治疗期间横跨整个视野扫略MLC叶片，以便改变施加到患者106和/或靶118的各区域的剂量。

如上所述，治疗计划器102对治疗装置104要施加的治疗做出计划。更具体而言，治疗计划器102被配置成逆向计划系统，该系统寻求最佳地满足目标的治疗计划，所述目标例如是临床或治疗目标122、治疗装置输出目标124和治疗装置参数目标126中的一个或多个。

治疗目标122描述要施加到对象106的期望的空间变化治疗目标，通常由医生或其他用户人员利用计算机实现的图形用户界面(GUI)或其他适当的操作员界面输入或确认治疗目标。同样，在辐射疗法的范例中，治疗目标122可以包括要施加到靶118的辐射或辐射束116的数量和取向、(一条或多条)期望的射束116轨迹、要施加到目标区域118中的最小辐射剂量、要施加到靶118外部区域(例如施加到重要器官或其他健康组织)的最大剂量、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。

可以提供多个最大值、最小值或其他目标。例如，可以为靶118的第一区域或体积确立第一最小剂量目标，为靶118的第二区域(或子区域)确立第二最小剂量目标。可以根据权重参数对各个治疗目标122进行加权，以反映它们的相对重要性；也可以提供治疗目标权重w_t，以反映治疗目标122相对于治疗装置输出目标124和/或治疗装置参数目标126的重要性(或从反面表述，使治疗目标恶化)。也可以提供期望的治疗约束条件，例如在施加到特定区域的剂量一定不能超过特定值的情况下。

治疗装置参数目标126描述治疗装置104的期望操作参数或设置。治疗装置目标126的范例包括治疗装置参数空间目标、治疗装置参数时间目标和治疗装置能量目标。空间目标可以包括调制器114设置或分布的空间平坦度或均匀性以及其他空间目标。时间目标可以包括调制器114设置中的时间变化率或时间变化均匀性以及其他时变的目标。对于具有可调节能量116的治疗装置104而言，能量目标可以包括期望的能量设置。

可以提供多个最大值、最小值或其他目标。可以根据权重参数对各个治疗装置目标126进行加权，以反映它们的相对重要性；也可以提供治疗装置参数目标权重w_ts，以反映治疗装置参数目标126相对于治疗装置输出目标124和/或治疗装置参数目标126的重要性。还可以提供期望的治疗装置约束条件。注意，可以基于治疗装置104的特性确立或预先设置治疗装置目标126并由医生或其他用户通过操作员界面在必要时对其进行确认或更改。

治疗装置输出目标124描述由治疗装置104产生的能量116的期望特性。治疗装置输出目标的范例包括输出空间目标、输出时间目标和输出能量目标。输出空间目标可以包括射束116形状的空间平坦度、射束116强度的空间平坦度、射束116的期望形状或等值线、能量116要遵循的弧或轨迹或其他空间目标。输出时间目标可以包括射束116空间形状的最大时间变化率、射束116空间强度的最大时间变化率、射束116位置的最大时间变化率或其他描述治疗装置104随时间变化的输出的目标。

可以提供多个最大值、最小值或其他目标。可以根据权重参数对各个治疗装置输出目标124进行加权，以反映它们的相对重要性；也可以提供治疗装置输出目标权重w_o，以反映治疗装置输出目标124相对于治疗装置参数目标126和/或治疗目标122的重要性。也可以提供期望的输出约束条件。注意，可以基于治疗装置104的特性确立或预先设置输出目标124并由医生或其他用户通过操作员界面在必要时对其进行确认或更改。

现在将参考图2描述治疗计划器102的第一实施例。如图所示，优化器228寻求产生最好地满足目标122、124、126的治疗装置104的参数。优化器228执行迭代或其他优化算法，所述算法与治疗目标函数F_t、治疗装置输出目标函数F_o以及治疗装置参数目标函数F_ts中的一个或多个以及治疗计算器210(例如，对于辐射治疗装置而言为剂量计算引擎)协同工作。一种适当的优化算法利用的是NPSOL，这是可从加利福尼亚的Palo Alto的Stanford Business Software，Inc.(www.s-b-s-i.com)买到的用于解决一般非线性优化问题的顺序二次规划(SQP)算法，但是可以基于具体的应用要求选择其他优化技术。注意，也可以以迭代方式以外的方式，例如通过适当的直接优化技术来执行优化。

优化器228寻求产生(例如通过最小化或最大化)优化目标函数F_目的治疗装置104参数，所述目标函数考虑了治疗目标、治疗装置输出目标和治疗装置参数目标：

方程1

F_目＝W_tF_t(体积)+W_oF_o(输出变量)+W_tsF_ts(治疗装置参数)

其中，F_t(体积)为治疗目标函数，w_t为要应用于治疗目标函数的权重或相对重要性，体积代表要在其上优化治疗的对象106的靶、重要器官或其他体积，F_o表示输出目标函数，w_o为要应用于输出目标函数的权重或相对重要性，输出变量表示要优化的输出变量，F_ts表示治疗装置参数目标函数，w_ts为要应用于治疗装置参数目标函数的权重或相对重要性，治疗装置参数表示要优化的治疗装置104的参数。注意，可以提供附加的项来表示附加的治疗目标、输出目标或治疗装置目标，也可以省略所述项中的一个或多个。

现在将参考图3描述治疗计划器102的第二实施例。如图所示，治疗计划器102包括优化器336和转换器338。优化器336寻求产生最好地满足治疗122和治疗装置输出124目标的治疗装置输出：

方程2

F_目＝W_tF_t(体积)+W_oF_o(输出变量)

转换器338将期望输出转换成(例如)通过优化如下形式的目标函数产生期望治疗装置输出的治疗装置参数：

方程3

F_目＝W_oF_o(输出变量)+W_tsF_ts(治疗装置参数)。

注意，可以利用通用优化算法依次执行优化器336和转换器338的功能。

现在将结合IMRT应用例示上述技术，在IMRT应用中，补偿器衰减值的空间不规则性得到降低或以其他方式被最小化。可以如下表达考虑治疗目标和补偿器参数目标的目标函数：

方程4

F_目＝w₁f₁(D_ijk)+w₂f₂(t_uv)

第一项表示常规IMRT治疗目标函数，其中，D_ijk是对象之内的剂量分布，f₁(D_ijk)是寻求产生对象106中期望剂量分布的函数，而w₁为要应用于治疗目标的期望权重或相对重要性。第二项表示寻求使补偿器中区域中厚度的局部差异最小化的函数，其中t_uv为补偿器像素u、v处的补偿器厚度，f₂(t_uv)为寻求减小补偿器厚度局部变化的函数，而w₂为期望权重或相对重要性。尽管从方程6中省略了，但也可以包括表示治疗装置104输出的项。

想到了各种厚度函数f₂(t_uv)。图4描绘出寻求使补偿器的3×3像素组的厚度变化最小化的函数，所述像素组包括参考像素402及其一阶或最近邻域404，其中目标是要减小该组中像素厚度变化的标准偏差、梯度或其他度量。也可以考虑二阶或更高阶邻域，像二阶或更高阶补偿器厚度变化，例如方差可以那样。为了允许补偿器适应期望剂量分布中较为急剧的梯度，函数f₂应当允许指定数量或部分的补偿器像素违反该目标而没有代价或代价较小。

可以如下表示考虑到治疗目标、包括MLC的治疗装置104的输出以及MLC设置的目标函数：

方程5

F_目＝w₁f₁(D_ijk)+w₃f₃(ψ_uv)+w₄f₄(x_lsb)。

在方程7中，第二项表示寻求使辐射束116中的空间变化最小化的函数，其中ψ_uv表示在射束像素u、v处的射束116的通量，f₃(ψ_uv)是寻求减小射束116通量变化的函数。第三项表示寻求优化MLC窗孔形状的函数，其中x_lsb表示用于射束b的片段中MLC叶片1的位置，f₄(x_lsb)是寻求改善或以其他方式使MLC窗孔空间平坦度最大化的函数，b表示施加射束116的各种方向。

可以预见到有各种窗孔优化函数。图5示出了对于参考叶片502及其一阶或最近邻域504而言寻求相邻叶片位置之间差异最小化的函数。也可以考虑二阶或更高阶邻域。也可以考虑更高阶空间函数(例如空间加速)。为了允许MLC适应期望剂量分布中较为急剧的梯度，函数f₄(x_lsb)应当允许指定数量或部分的叶片位置违反该目标而没有代价或代价较小。

可以如下表示考虑到治疗装置输出和窗孔形状两者的时间变化率的优化函数：

方程6

F_目＝w₁f₁(D_ijk)+w₅f₅(ψ′_uv)+w₆f₆(x′_lsb).

在方程8中，第二项表示寻求使辐射束116的强度的时间变化率最小化的函数，其中ψ′_uv表示在射束像素u、v处射束116的通量的变化率，而f₅(ψ′_uv)是寻求使射束116的通量的时间变化率最小化的函数。第三项表示寻求减小MLC叶片设置的时间变化率的函数，其中x′_lsb表示MLC叶片的速度，而f₆(x′_lsb)是寻求减小运动速率的函数。

还要理解，给定的目标函数可以包括空间变化目标和时间变化目标两者。也可以考虑能量目标或其他目标。本领域的普通技术人员还将认识到，可以将各种技术应用于图3的实施例和方程4和5。

在治疗受到治疗装置104的空间特性影响的情况下，空间治疗装置参数目标126尤其有用。在辐射治疗实施中，例如，使调制器114设置中的空间变化最小化在一些情况下能够提高计划系统所计算的剂量的精度。诸如直线加速器的辐射源114可以产生不从加速器焦斑发出的散射辐射。尽管散射辐射可以占总剂量的很大部分，但可能较难对其贡献建模，尤其是在调制器114设置中的空间变化较大的情况下。对于补偿器而言，使厚度变化最小化或以其他方式控制厚度变化还可以简化加工工艺。对于MLC而言，使叶片位置变化最小化或控制叶片位置可以类似地简化定位要求。尽管通常可以预计到考虑治疗装置输出参数124会产生更容易实现的调制器114设置，但可以省略对治疗装置输出参数的考虑。

在治疗受到治疗装置102的时间特性影响的情况下，时间治疗装置参数目标尤其有用。在随着射束116和对象106相对位置变化而动态调制射束116的IMAT和其他处理技术中，例如，可以改变射束116和对象106相对位置的速率可能受到可以调节调制器114的速率限制。在这种情况下，可以预计，调制器114设置的变化率较小的治疗计划会减少治疗时间或以其他方式简化调制器定位要求。尽管可以类似地预计到，考虑时间变化的治疗装置输出参数会需要更容易达到的调制速率，但可以省略对治疗装置输出时间参数的考虑。

可以预见到有其他治疗系统。范例包括向靶118施加射频、热、声或其他能量的系统。根据能量源112的性质，调制器114可以采取其他形式。调制器114也可以控制或调节能量源102的操作，例如在能量源112包括相控阵列换能器的情况下。尽管以上描述也集中在基于剂量的治疗函数上，也可以使用其他函数，例如描述肿瘤或其他组织对所施加治疗的生物效应的函数。

可以通过存储于适当计算机可读介质中的计算机可读指令实现治疗计划器102。在被计算机处理器执行时，该指令让处理器执行所述函数。还应当指出，不必在物理上或时间上并行进行治疗计划和治疗施加。于是，计划器102和治疗装置104可以彼此远离并通过适当的通信网络通信。可以在对象106到达治疗装置104之前类似地进行治疗计划。

现在将参考图6描述操作。在602定义期望的目标。如上所述，例如，目标可以包括治疗目标122、治疗装置输出目标124、治疗装置参数目标126、或其他目标中的一个或多个。目标还可以包括期望的权重。

在604制订最好地满足目标的治疗计划。例如，可以利用将相关目标作为优化过程一部分考虑的迭代优化算法来实现这一点。

在606，根据治疗计划施加治疗。

图7还例示出包括根据方程1的优化函数对治疗目标、射束空间平坦度目标和MLC空间平坦度目标进行优化的辐射治疗系统。

在702确立治疗目标和权重，在704确立射束空间平坦度目标和权重，在706确立MLC空间平坦度目标和权重。对于辐射肿瘤学中的肿瘤治疗而言，例如，医生或其他用户可能希望针对靶118和/或对象106的各区域建立一个或多个剂量目标。

空间平坦度目标分别表示由治疗装置104产生的辐射束116的期望空间平坦度和MLC叶片的空间平坦度。权重代表各目标的相对重要性。作为一个范例，用户可以确定剂量目标比空间平坦度目标相对更加重要。相反，用户可以确定MLC设置的空间平坦度较为重要，在这种情况下这些设置可以设置更重的权重。

在708，使用诸如上文结合方程1所述函数的目标函数来产生最好地满足期望目标和权重的治疗参数。如果用户为剂量目标分配了比MLC空间平坦度目标更高的重要性，例如，治疗计划可以产生具有较高程度空间不均匀性的MLC设置。然而，通过增大施加到MLC目标的权重，预计空间平坦度会在优化过程中起到更大作用。

在710，做出治疗计划供治疗装置104使用。

在712，向对象106施加治疗。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解说明书的前提下，他人可以想到有各种修改和变化。只要修改和变化落入所附权利要求或其等价要件的范围内，本发明意在被视为包括所有这种修改和变化。

Claims

1.一种对治疗进行计划的设备，所述治疗包括由治疗装置(104)向对象(106)施加空间上变化的能量，其中，所述设备包括治疗计划器(102)，所述治疗计划器根据治疗目标(122)优化治疗特性，并根据治疗装置参数目标(126)优化所述治疗装置的参数，并且所述设备包括用户界面，其接收表示所述治疗目标和所述治疗装置参数目标的相对权重的用户输入。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗目标包括剂量目标。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗装置包括调制所施加能量的调制器(114)，所述治疗装置参数目标包括调制器空间特性目标。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗装置包括补偿器，所述参数包括厚度，所述治疗装置参数目标包括补偿器厚度变化目标。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗装置包括多叶准直器，所述治疗装置参数目标包括准直器叶片位置变化目标。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗装置包括调制所施加能量的调制器(114)，所述治疗装置参数目标包括调制器时间特性目标。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗装置包括多叶准直器，所述治疗装置参数目标包括准直器叶片时间位置变化目标。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，治疗计划器(102)根据治疗装置参数空间目标和治疗装置时间目标优化所述治疗装置的参数。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述治疗计划器包括优化器(228)，所述优化器优化目标函数，所述目标函数是所述治疗目标和所述治疗装置参数目标的函数。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述治疗计划器包括优化器(336)和转换器(338)，所述优化器寻求最佳地满足所述治疗目标的治疗装置输出，所述转换器将所述装置输出转换成治疗装置参数。