CN101848745B - 用于调强弧形治疗序列化与最优化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

处置计划器(102)在沿处置弧(302)的各个定位(304，312)处产生指示期望的注量分布的注量图(140)。转换器(142)将所述注量分布(140)转换为处置设备设置(144)。所述设置(144)可以包括多个子野。子野分布器(146)将所述设置分布到在其原始位置附近的定位。

Description

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(302)的所述第一射束位置(304₃)处的第一(310₁)和第二(310₂)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分布，其中，沿所述弧的所述第一和第二子野的分布对应于沿所述弧的所述第一和第二子野到所述第一射束位置附近的子位置的分布；根据如下关系确定所述第一子野和第二子野所分布到的所述子位置之间的间隔：

其中，θ_s是对于所述第一射束位置m的各子位置间的距离，θ_m-1是对于在所述第一射束位置m的第一侧的第一顺序近邻的射束位置，θ_m+1是对于在所述第一射束位置m的第二侧的第一顺序近邻的射束位置，并且N是对于所述第一射束位置m的子野的数量，以及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，一种辐射处置计划器包括：转换器(142)，其针对第一射束位置，将注量分布转换为包括第一和第二子野的处置设备设置(144)；以及

子野分布器(146)，其适于对于包括在沿弧(302)的所述第一射束位置(304₃)处的第一(310₁)和第二(310₂)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分布，其中，沿所述弧的所述第一和第二子野的分布对应于沿所述弧的所述第一和第二子野到所述第一射束位置附近的子位置的分布；根据如下关系确定所述第一和第二子野所分布到的所述子位置之间的间隔：

${\mathrm{\θ}}_S=\frac{{\mathrm{\θ}}_{m-1}-{\mathrm{\θ}}_{m+1}}{(N+1)}$

其中，θ_s是对于所述第一射束位置m的各子位置间的距离，θ_m-1是对于在所述第一射束位置m的第一侧的第一顺序近邻的射束位置，θ_m+1是对于在所述第一射束位置m的第二侧的第一顺序近邻的射束位置，并且N是对于所述第一射束位置m的子野的数量；以及根据所确定的分布来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第一顺序近邻之间的中点。根据诸如第一顺序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308_1,2，而在第三射束位置304₃需要三(3)个子野310_1,2,3。

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

${\mathrm{\θ}}_S=\frac{{\mathrm{\θ}}_{m-1}-{\mathrm{\θ}}_{m+1}}{(N+1)}$

其中，θ_s是对于射束位置m在各子位置间的距离，θ_m-1是对于在射束位置m的第一侧的第一顺序近邻的射束位置，θ_m+1是对于在射束位置m的第二侧的第一顺序近邻的射束位置，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θ_s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θ_s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314_1-4相对于射束位置312_m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312_m和相邻射束位置之间的距离是不相等的：对于射束位置312_m-1是十度(10°)，而对于射束位置312_m+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312_m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。

Claims (10)

1.一种用于分布在第一射束位置处的子野的方法，包括：

对于包括在沿弧(302)的所述第一射束位置(304₃)处的第一(310₁)和第二(310₂)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分布；

其中，沿所述弧的所述第一和第二子野的分布对应于沿所述弧的所述第一和第二子野到所述第一射束位置附近的子位置的分布；

根据如下关系确定所述第一子野和第二子野所分布到的所述子位置之间的间隔：

${\mathrm{\θ}}_s=\frac{{\mathrm{\θ}}_{m-1}-{\mathrm{\θ}}_{m+1}}{(N+1)}$

其中，θ_s是对于所述第一射束位置m的各子位置间的距离，θ_m-1是对于在所述第一射束位置m的第一侧的第一顺序近邻的射束位置，θ_m+1是对于在所述第一射束位置m的第二侧的第一顺序近邻的射束位置，并且N是对于所述第一射束位置m的子野的数量，

根据所确定的分布来分布所述第一和第二子野。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所确定的分布包括顺序。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述处置计划还包括在所述第一射束位置处的第三(314₃)子野，所述确定包括确定所述第三子野的分布，其中，所述第一子野和所述第二子野的间隔等于所述第二子野和所述第三子野的间隔，并且所述分布包括根据所确定的分布来分布所述第三子野。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述确定包括确定其中所述第一和第二子野之间的间隔等于所述第二和第三子野之间的间隔的分布。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述处置计划包括沿所述弧的第二(304₁)和第三(304₂)射束位置，所述第二和第三射束位置每个都包括子野(306、308)，所分布的所述第一射束位置的第一子野被设置在所述第一和第二射束位置之间，并且离所述第一和第二射束位置的中点第一距离，所分布的第二子野被设置为离所述第一和第三射束位置的中点第二距离，并且所述第一和第二距离是相等的。

6.如权利要求1所述的方法，其中，确定分布包括确定沿所述弧的所述子野的顺序，所述顺序最小化射束整形器(114)的运动。

7.如权利要求1所述的方法，包括：

确定在所述第一射束位置处的注量分布；

将所述注量分布转换为产生所述注量分布的处置设备设置(144)，其中，所述设置包括所述第一和第二子野。

8.一种辐射处置计划器(102)，包括：

转换器(142)，其针对第一射束位置，将注量分布转换为包括第一和第二子野的处置设备设置(144)；以及

子野分布器(146)，其适于对于包括在沿弧(302)的所述第一射束位置(304₃)处的第一(310₁)和第二(310₂)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分布，

其中，沿所述弧的所述第一和第二子野的分布对应于沿所述弧的所述第一和第二子野到所述第一射束位置附近的子位置的分布；

根据如下关系确定所述第一和第二子野所分布到的所述子位置之间的间隔：

${\mathrm{\θ}}_s=\frac{{\mathrm{\θ}}_{m-1}-{\mathrm{\θ}}_{m+1}}{(N+1)}$

其中，θ_s是对于所述第一射束位置m的各子位置间的距离，θ_m-1是对于在所述第一射束位置m的第一侧的第一顺序近邻的射束位置，θ_m+1是对于在所述第一射束位置m的第二侧的第一顺序近邻的射束位置，并且N是对于所述第一射束位置m的子野的数量；以及

根据所确定的分布来分布所述第一和第二子野。

9.如权利要求8所述的辐射处置计划器(102)，包括：

优化器(132)，其确定在所述射束位置处的注量分布(140)。

10.如权利要求8所述的辐射处置计划器(102)，包括辐射处置施予系统(104)。