CN102049102B - 混合能量强度调制辐射治疗 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合能量强度调制辐射治疗。说明有一种系统，包括：为一次辐射治疗照射确定(S401)多个辐射束，所述多个射束中的每一个与相应的强度、射束孔径以及射束能量相关联，并且所述多个射束中的至少两个分别与两个不同的射束能量相关联；以及确定与多个输入射束相关联的传输剂量。如果确定(S405)所述传输剂量不符合剂量处方，则使用高斯消元法基于所述传输剂量和所述剂量处方为所述多个输入射束中的每一个确定射束权重；并且确定与所述多个输入射束和它们各自的射束权重相关联的第二传输剂量。

Description

混合能量强度调制辐射治疗
技术领域
下面描述的实施例总体上涉及向患者输送治疗辐射。更具体地，一些实施例针对强度调制辐射治疗的输送。
背景技术
根据传统的辐射治疗，辐射束被定向于朝向位于患者体内的肿瘤。辐射束根据所建立的治疗计划向肿瘤输送预定剂量的治疗辐射。所输送的辐射通过引起肿瘤细胞内的电离来杀死这些肿瘤细胞。
由此，治疗计划被设计为使输送到目标的辐射最大化同时使输送到该目标周围的健康组织的辐射最小化。强度调制辐射治疗(IMRT)可以经常输送严格符合目标体积的辐射剂量。特别地，传统IMRT系统能够通过操纵构成一次IMRT照射的辐射束的数量、强度和进入点来对所输送的剂量分布提供精密控制。
在一些情形下，敏感的健康组织以如下方式位于目标附近：该种方式使得传统的IMRT系统无法在不使健康组织经受不期望的剂量的情况下将另外期望的剂量输送到目标。所需要的是一种以比传统可用的剂量分布更灵活的剂量分布来高效地确定和/或输送IMRT到目标体积的系统。
发明内容
为了至少解决前述问题，一些实施例提供确定用于一次辐射治疗照射的多个辐射束以及确定与多个输入射束相关联的传输剂量的系统、方法、设备和装置，所述多个射束中的每一个与相应的强度、射束孔径以及射束能量相关联，并且所述多个射束中的至少两个分别与两个不同的射束能量相关联。
在一些方面，如果确定传输剂量不符合剂量处方，则使用高斯消元法基于传输剂量和剂量处方为多个输入射束中的每一个确定射束权重，并且确定与所述多个输入射束以及它们各自的射束权重相关联的第二传输剂量。
实施例可以同时或代替地包括线性加速器以在单次治疗照射中向患者体积输送多个输入射束，其中所述多个输入射束中的每一个与相应的强度、射束孔径和射束能量相关联，并且其中所述多个射束中的至少两个分别与两个不同的射束能量相关联。所述线性加速器可以以第一射束能量输送单次治疗照射的所述多个射束中的至少两个射束之一，并且以第二射束能量输送所述多个射束中的至少两个射束中的第二个射束。
然而，权利要求书不限于所公开的实施例，因为本领域技术人员可以容易地调整此处的描述以创建其他实施例和应用。
附图说明
实施例的结构和使用将通过考虑下面的如在附图中图示的说明而变得显而易见，在这些附图中，相似的附图标记表示相似的部件，以及其中：
图1是根据一些实施例的辐射治疗室的透视图；
图2是根据一些实施例的治疗头的透明透视图；
图3是根据一些实施例的辐射治疗室装置的内部架构的框图；
图4包括示出根据一些实施例的过程的流程图；
图5示出根据一些实施例的一次治疗照射的射束形状和角度；以及
图6是根据一些实施例的辐射治疗室的透视图。
具体实施方式
提供以下描述以使得本领域的任何人员能够做出和使用所述实施例，并且以下描述阐述被考虑用于实现所述实施例的最佳模式。但是，对于本领域技术人员来说，各种修改将仍然是显而易见的。
图1示出按照一些实施例的辐射治疗室100。辐射治疗室100包括线性加速器110、治疗台120和操作员控制台130。辐射治疗室100的元件可以用于将辐射输送给射束对象140的目标体积。在这点上，射束对象140可以包括被安置为接收根据辐射治疗计划的辐射的患者。
线性加速器110生成并发射辐射，并且主要由治疗头111和机架112构成。治疗头111包括射束发射装置(未示出)以用于在治疗、校准和/或其他情形下发射一个或多个辐射束。所发射的辐射束可以包括电子、光子或任何其他类型的辐射。根据一些实施例，辐射束呈现兆伏级范围内(也就是＞1MV)的能量并且由此可以被称为兆伏辐射。在治疗头111中还包括射束屏蔽装置或准直器(未示出)以用于使射束成形并且用于屏蔽敏感表面免受射束照射。
治疗头111耦合到机架112的投射件。机架112可以在辐射治疗之前、期间和之后围绕机架轴线113旋转。如箭头114所指示的那样，根据一些实施例，机架112可以顺时针或逆时针旋转。机架112的旋转用于围绕轴线113旋转治疗头111。
在辐射治疗期间，从治疗头111发射辐射束作为发散束。该射束被朝向线性加速器110的等中心发射。该等中心位于射束轴线线115与机架轴线113的交点处。由于辐射束的发散以及通过前述射束成形装置对射束的成形，射束可以向射束对象140的体积而非仅向等中心输送辐射。
治疗台120在辐射治疗期间支持射束对象140。可以对治疗台120进行调整以协助将射束对象140的治疗区域定位在线性加速器110的等中心处。治疗台120还可以用于支持用于这样的布置、用于校准和/或用于确认的装置。
成像装置116可以在辐射治疗之前、期间和/或之后获取图像。例如，成像装置116可以用于获取用于确认和记录目标体积位置和辐射被输送到的患者体内入口的图像。
成像装置116可以以任何方式-包括经由可延伸和可缩回的壳体117-附接到机架112。机架112的旋转可导致治疗头111和成像装置116围绕等中心旋转，使得等中心在旋转期间保持位于治疗头111与成像装置116之间。
成像装置116可以包括基于所接收的兆伏光子辐射来获取图像的任何系统。在线性加速器110能够经由射束线修改或其他技术产生千伏光子辐射的情况下，成像装置116也可以基于这样的千伏辐射来获取图像。在一些实施例中，成像装置116是使用闪烁体层和以二维阵列布置的固态无定形硅光电二极管的平板成像装置。在操作中，闪烁体层接收光子并与所接收光子的强度成比例地生成光。光电二极管的阵列接收该光并记录所接收光的强度作为存储的电荷。
在其他实施例中，成像装置116在无需闪烁体层的情况下将所接收的光子转换为电荷。光子由无定形硒光电导体的阵列直接吸收。这些光电导体将光子直接转换为存储的电荷。成像装置116还可以包括CCD或管型照相机。这样的成像装置可以包括遮光壳体，在该遮光壳体内布置有闪烁体、反射镜以及照相机。
通过成像装置116形成并存储的电荷表示在通过从治疗头111发射的射束所产生的辐射野的每个位置处的辐射强度。由于对象140位于治疗头与成像装置116之间，在特定位置处的辐射强度表示沿着治疗头111中的辐射源与特定位置之间的发散线的组织的衰减特性。因此，通过成像装置116获取的一组辐射强度可以构成这些组织的二维投影图像。
操作员控制台130包括：输入装置131，用于接收来自操作员的指令；以及输出装置132，其可以是用于呈现线性加速器110和成像装置116的操作参数的监视器和/或用于接收指令的界面。输出装置132还可以呈现二维投影图像、三维兆伏(或千伏)锥形射束图像和/或基于三维图像的二维“切片”图像。
输入装置131和输出装置132耦合到处理器133和存储器134。处理器133可以执行程序代码，以执行此处描述的确定和生成中的任何一个和/或导致线性加速器110执行此处描述的过程步骤中的任何一个。
根据一些实施例，存储器134还可以存储用于生成和/或修改治疗计划的程序代码。这样的代码可以包括由SiemensMedicalSolution出售的SyngoRTTM套件或KONRADTM治疗计划系统。因此，存储器134还可以存储根据任何当前或此后所知格式的辐射治疗计划。治疗计划可以包括可由室100的元件自动执行以提供各次辐射治疗照射的脚本。每个治疗计划的每次照射可能需要相对于治疗头111以特定方式来定位患者。
操作员控制台130可以处于与治疗室100不同的室中，以便保护其操作员免受辐射。例如，治疗室100可以被严密屏蔽，诸如混凝土屏蔽室，以屏蔽操作员免受线性加速器110生成的辐射。
可以对线性加速器110进行操作，以便所发射的每个射束呈现期望的强度(例如在监视器单元(MU)中所表示的)和孔径(即至少部分地由上述准直器确定的截面形状)并且被从期望的机架角度输送。通常通过治疗计划来规定射束的强度、孔径和机架角度，并且控制软件可以配置线性加速器110通过自动地从期望角度输送期望强度和形状的射束来自动地执行这样的治疗计划。
除了上述特性之外，每个射束可以呈现由线性加速器110提供的多个射束能量之一。例如，线性加速器110可能能够选择性地输送6MV辐射束或15MV辐射束，但是实施例不限于这两种能量。因此，由线性加速器110输送的每个辐射束可以与一个强度、一个孔径、一个角度以及两个或更多个可用能量之一相关联。通过输送不同能量的射束，提供了附加的自由度以利于期望剂量的输送。此外，在单次IMRT治疗照射期间输送不同能量的射束可以增加IMRT的效力。
在一些实施例中，线性加速器110包括允许在两个或更多个射束能量之间快速切换的特征件。SiemensONCORImpressionPlus线性加速器包括用于在射束能量之间切换的自动射野定序器，并且可适于与一些实施例结合使用。
图2示出根据一些实施例的治疗头111。治疗头111包括准直器80，该准直器80可用于使辐射束成形以符合由治疗计划规定的孔径。准直器80包括一对颚件(Y颚件)81和82以及一对颚件(X颚件)83和84。X颚件83和84以及Y颚件81和82的定位确定辐射束可沿着轴线115通过的开口的尺寸和形状。
每对颚件83/84以及81/82可以围绕轴线115旋转。如图2中所示的那样，X颚件83和84可以由多个独立元件形成。这些独立元件可以沿着与轴线115相交的路径移动。每个元件的移动可独立地控制以生成多种多样的孔径形状。
治疗头111还包括辅助托架90。辅助托架90可被配置为接纳并牢固地保持在治疗计划的过程期间和治疗期间使用的连接件(诸如，例如，标线、楔子等)。根据一些实施例，可以旋转治疗头111以围绕轴线115旋转准直器80和辅助托架90，而不扰乱在X颚件83和84、Y颚件81和82以及辅助托架90之间的物理关系的保持。
图3是根据一些实施例的治疗室100的元件的框图。所示的元件可以通过硬件、软件和/或固件的任何适当组合来实现。操作员控制台130可以通过一个或多个分立的计算系统来实现。
如所示的那样，操作员控制台130包括用于与治疗室100的其他元件对接的若干元件。具体地，操作员控制台130包括准直器界面205、射束界面206、机架界面207、治疗台界面208以及成像装置界面209。每个界面可以包括任何适当类型的硬件和/或软件界面，并且可以是或可以不是专有的。操作员控制台130可以通过这些界面以及基于来自处理器133的指令来控制各个元件。
准直器界面205可以用于控制颚件81到84中的每一个的打开和关闭、每对颚件的独立旋转、和/或准直器80的旋转。射束界面206可以基于期望的射束特性来控制线性加速器110的射束控制元件105。特别地，射束界面206可以控制用于控制注入器电流的触发信号以及射频功率信号，以生成具有特定能量的辐射束。
界面205到209可以包括专用的硬件和/或软件界面，并且这些界面205到209中的一个或多个可以通过单个界面来实现。例如，界面205到207可以通过单个以太网界面来实现，并且界面208到209可以通过用于与治疗台120和成像装置116对接的专有界面来实现。
微处理器133执行在存储器134中存储的处理器可执行的处理步骤，以提供根据一些实施例的操作。这些处理步骤可以包括系统控制应用程序211执行治疗计划212之一。系统控制应用程序211还可以包括程序代码以如下所述地生成和/或修改一个或多个治疗计划212。在一些实施例中，执行相同或其他软件的分立计算机系统可以如下所述生成治疗计划。在一些实施例中，系统控制应用程序211还可以用于校准成像装置116，并且用于获取投影图像来验证患者位置。
治疗计划212可以符合任何当前或此后所知的格式。治疗计划212可以包括可由线性加速器110和治疗台120自动执行以提供各次辐射治疗照射的脚本。每个治疗计划212可能需要相对于治疗头111以特定方式对患者进行定位。
根据一些实施例的硬件环境可以包括比图1到图3所示的那些元件更少或更多的元件。此外，实施例不限于所示的装置和/或所示的环境。
图4是根据一些实施例的用于生成混合能量IMRT计划的过程的流程图。过程400和此处描述的其他过程可以使用硬件、软件或手动装置的任何适当组合来执行。包含这些过程的软件可以通过任何介质来存储，所述介质包括硬盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、ZipTM盘、磁带或信号。下面将关于治疗室100的元件对这些过程的示例进行描述，但是实施例不限于此。
通常，过程400包括为一次辐射治疗照射确定多个辐射束，其中所述多个射束中的每一个与相应的强度、射束孔径以及射束能量相关联，并且所述多个射束中的至少两个分别与两个不同的射束能量相关联。过程400还包括确定与多个输入射束相关联的传输剂量。
过程400可以在生成患者体积的三维图像之后执行。这样的图像通常由计算机断层扫描仪来获取，并允许治疗计划者/肿瘤学家识别目标体积(例如肿瘤)和周围的敏感组织(例如处境危险的器官)。
在S401确定用于一次辐射治疗照射的多个辐射束。所述多个辐射束中的每一个与相应的强度、射束孔径以及射束能量相关，并且所述多个射束中的至少两个分别与不同的射束能量相关联。
用于治疗给定肿瘤而对射束强度和孔径以及机架角度进行选择在IMRT的领域中是已知的。本发明的发明人已经发现，射束能量提供用于改变沿射束轴线的剂量分布的附加自由度。例如，高能量光子(例如10-21MV)可适用于在特定进入点治疗位于深处(例如距离皮肤表面＞20cm)的肿瘤，而低能量光子(4-6MV)可适用于通过进入点治疗相同的肿瘤，其中在该进入点处肿瘤距离皮肤表面仅仅5cm。
图5是示出根据S401的一些实施例的确定多个辐射束的简化图示。形状500表示在患者体积的三维图像中的目标体积。形状510和520表示处境危险的器官。射束530-534已经被手动地确定和/或使用治疗计划软件被自动确定。射束530-534中的每一个与不同的机架(即，进入)角相关联。射束530-534中的每一个可以与不同的孔径、强度和/或能量相关联。尽管图5中示出了类似的孔径形状，但是每个孔径的尺寸和形状可以不同。最初出于向形状500提供适当剂量而同时不超出对于形状510和520的最大剂量的意图来选择这些参数。
在S402中选择目标和处境危险的器官中的体素。体素取样是已知的用于选择体素某部分的过程，其中对于该部分体素将计算传输剂量。可以在S402选择总体素的任何部分。在一些实施例中，在S402选择小于200个体素。
在S403确定用于所选择体素的剂量处方。在一些实施例中，在过程400之前确定用于整个患者体积的剂量处方，并且S404包括基于用于整个患者体积的剂量处方来对所选择体素的剂量处方进行确定。可替换地，可以独立地确定用于每个体素的剂量处方。
接着，在S404，使用已知算法基于多个射束确定传输剂量。例如，S404可以包括诸如在Bedford，“Speedversusaccuracyinafastconvolutionphotondosecalculationforconformalradiotherapy”，Phys.Med.Biol.47，3475-3485(2002)中阐述的确定。
在S405，确定传输剂量是否符合在S403所确定的剂量处方。S405的一些实施例包括对为每个所选择体素确定的传输剂量与其相关联的剂量处方的关系进行判定。如果确定传输剂量符合剂量处方，则过程400终止。
相反，如果确定传输剂量不符合剂量处方，则流程进行到S406。在S406，为多个所选择体素中的每一个确定罚函数。
根据一些实施例，用于目标体积的罚函数Pi在406处被确定为：
(maxPptv)/MDi＞Dp，max
Pi＝0Dp，min
(minPptv)/MDi＜Dp，min，其中M是体积中的体素数量。
对于处境危险的器官，仅仅确定超剂量的罚函数为：
Poar/MDi＞Dp(l)
Pi＝0Di＜＝Dp(l)，其中M是体积中的体素数量。
接着，在407，基于为所选择体素所确定的传输剂量、剂量处方以及罚函数来为多个射束中的每一个确定权重。在一些实施例中，通过求解下述方程来确定射束权重：
其中N是所选择体素的数量，Di＝Di(x)以及pDi是所确定的传输剂量以及体素i中的处方最大剂量，并且阵列x包含射束参数。用于目标体积的处方最大剂量可以被划分为用于超剂量的极限(Dp，max)以及用于不足剂量的极限(Dp，min)。阵列Pi包括罚函数。
为了求解上面所示的方程，在S407生成如下的线性方程组：
D11W1+D12W2+.....................D1nWn＝d1
D21W1+D22W2+.....................D2nWn＝d2
.........................................................
Dm1W1+Dm2W2+.....................DmnWn＝dm，
其中，Dmn是在优化之前从第m个射束段去往第n个体素的剂量，并且W1，W2.........Wn是为了产生在所选择体素处的处方剂量dm所需的射束权重。再次，可以对上面的线性方程组应用高斯消元法来确定射束权重W1，W2.........Wn。用于求解线性方程组的这样的高斯消元法的示例可以在下述文献中找到：Chawla，“AParallelGaussianeliminationmethodforgenerallinearsystems，InternationalJournalofComputerMathematics”，42，1029-0265(1992)；以及Grimes，“SolvingSystemsofLargeDenseLinearEquations”，TheJournalofSupercomputing，1，291-299(1988)。
在S408，确定是否有任何所确定的射束权重是负的。如果没有，则流程返回到S404以基于多个射束以及在S407确定的它们各自的权重来确定传输剂量。流程然后如上所述进行。
如果所确定的射束权重中的一个或多个是负的，则在S409处优化与负的射束权重相关联的每个射束的射束孔径。在这点上，负的射束权重Wn指示：所述多个射束导致对于第n个体素的太大的剂量。因此，在S409改变一个或多个射束的孔径以消除输送到体素的一些辐射或所有辐射。可以对与负的射束权重相关联的所有体素执行S409的优化。流程然后返回到S407并如上所述继续。
过程400的输出是一组射束和相关联的孔径、强度、机架角度和能量。如上所述，这些射束可以在单次IMRT照射中被输送。例如，根据治疗计划相对于线性加速器110将患者体积定位在治疗台120上。线性加速器110然后向该患者体积输送与第一孔径、强度、机架角度和能量相关联的射束。
然后，操作线性加速器110以改变下一发射的辐射束的能量。也可以改变孔径、强度和机架角度中的零个或多个。例如，图6示出机架112被定位在不同于图1中所示角度的角度处的治疗室100。可以从所示的机架角度向患者体积输送第二射束。该第二射束呈现不同于第一射束的能量，并且如上面所提及的那样也可以在孔径和/或强度方面不同。典型地，在第一和第二射束的输送之间保持患者体积的位置。
实施例可以为每次治疗照射提供多于两个的射束。每个射束与相应的孔径、强度、机架角度以及能量相关联。两个或更多的射束可以共享相同的孔径、强度、机架角度或能量中的至少一个。
本领域技术人员将认识到，可以在不偏离权利要求书的范围和精神的情况下配置对于上述实施例的各种调整和修改。因此应理解的是，权利要求书可以以除了在此具体描述的方式以外的方式来实现。

Claims (5)

1.一种用于操作生成并发射辐射的线性加速器的系统，包括：
线性加速器(110)，用于在单次治疗照射中向体积输送多个输入射束，所述多个输入射束中的每一个与相应的强度、射束孔径以及射束能量相关联，
其中所述多个射束中的至少两个分别与两个不同的射束能量相关联，
该系统被进一步配置用于：
确定(S404)与多个输入射束相关联的传输剂量；
确定(S405)所述传输剂量不符合剂量处方；
使用高斯消元法基于所述传输剂量和所述剂量处方为所述多个输入射束中的每一个确定(S407)射束权重；以及
确定与所述多个输入射束和它们各自的射束权重相关联的第二传输剂量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述线性加速器用于：
以第一射束能量输送所述单次治疗照射的所述多个射束中的至少两个射束之一；以及
以第二射束能量输送所述多个射束中的至少两个射束中的第二射束。
3.根据权利要求2所述的系统，其中当所述体积处于第一位置时输送所述多个射束中的至少两个射束之一，以及
其中当所述体积处于所述第一位置时输送所述多个射束中的至少两个射束中的第二射束。
4.根据权利要求1所述的系统，还被进一步配置用于：
确定(S408)所述多个输入射束中至少一个输入射束的射束权重为负；
改变(S409)与所述多个输入射束中的至少一个输入射束相关联的至少一个射束孔径；
基于所改变的至少一个射束孔径，为所述多个输入射束中每一个确定第二射束权重；以及
确定与所述多个输入射束和所述第二射束权重相关联的第二传输剂量。
5.根据权利要求1所述的系统，还被进一步配置用于：
在单次治疗照射中根据多个输入射束各自的强度、射束孔径以及射束能量向体积输送所述多个输入射束。
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