CN102223913B - 用于为辐照设备确定控制参数的装置和方法、辐照设备和辐照方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，用于为辐照设备确定控制参数，利用辐照设备可以在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个辐照剂量。该装置包括输入装置，被构造用于采集目标区域并用于采集目标区域的运动；分析装置，用于算出控制参数以控制射束，使得射束可以借助控制参数跟踪目标区域的运动并且可以在目标区域施放定义的剂量分布，其中分析装置被设计用于，在算出控制参数时确定可选的至少一个第一控制参数使得射束可以只在垂直于射束方向跟踪目标区域的运动，或者在算出控制参数时算出可选的至少一个第一控制参数和其他的、表示射束的能量调制的控制参数，其中算出可选的至少一个第一控制参数和其他控制参数在考虑在射束方向的运动跟踪的情况下进行。

Description

用于为辐照设备确定控制参数的装置和方法、辐照设备和辐照方法

技术领域

本发明涉及一种用于为辐照设备确定控制参数的装置和方法。这种装置或方法尤其应用于粒子疗法的范围内，例如在治疗计划的范围内，治疗计划中在辐照的准备阶段算出控制参数，该控制参数允许在之后的辐照过程中根据特定的预先规定辐照对象。此外，本发明还涉及一种辐照设备和一种辐照方法。

背景技术

粒子疗法是一种治疗生理组织—尤其是肿瘤疾病—的既定程序。但是，应用于粒子疗法中的辐照方法也应用于非治疗领域。例如研究工作就在此列，即属于产品开发，在执行在非生物的器官模型（Phantom）或物体上的粒子疗法的范围内，辐照物质等等。此外，被加载的粒子—如质子或碳离子或其他离子—被加速到很高的能量，形成粒子射束并且通过高能射束传输系统被传输到一个或多个辐照室。在一个这样的辐照室中，利用粒子束辐照待辐照的物体的目标体积（Zielvolumen）。

待辐照的目标体积可能发生移动。例如在辐照病人时，呼吸运动可以引起待辐照肿瘤的运动。出于研究的目的，这种运动也可以利用被称为器官模型的模型对象进行模拟。

尤其是在应该在目标体积的不同位置连续施放多个辐照剂量的辐照方法中，如果在辐照过程中目标体积运动，则很难在目标体积中实现期待的均匀的剂量分布。

一方面，下列方法是已知的，即目标体积仅在其位于特定的位置或运动的特定阶段的时刻被辐照。这种方法被公知为门方法（Gating-Verfahren）。另一方面，还已知下列方法，即射束跟踪目标体积的运动。这种方法被称为跟踪法（Tracking-Verfahren）。

美国专利US6891177B1、US6710362B2和US2006/0033042A1公开了方法和装置，利用它们在射束方向上也可以执行射束的运动跟踪。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于确定控制参数的装置，利用控制参数可以有益地进行射束的跟踪。本发明的任务还在于，提供用于确定辐照参数的相应的方法，具有这种辐照参数的辐照方法和相应的辐照设备。

本发明优选的实施方式在下文中进一步阐释。各个特征的在前和在后的描述不仅涉及装置范畴，同样涉及方法范畴，而不在每一种情况下都对其详细明确地提及；此处公开的单个特征还可以在与所示组合不同的组合中具有显著的发明性。

根据本发明的装置，用于为辐照设备确定控制参数，利用辐照设备可以在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个辐照剂量，所述装置包括：

输入装置，被构造用于采集目标区域并用于采集目标区域的运动，

分析装置，用于算出控制参数以控制辐照设备的射束，使得射束可以借助控制参数跟踪目标区域的运动并且可以在目标区域施放定义的剂量分布，

其中分析装置被设计用于，

-算出可选的至少一个第一控制参数用于算出控制参数，使得射束可以只垂直于射束方向跟踪目标区域的运动，或者

-算出可选的至少一个第一控制参数和其他的、表示射束的能量调制的控制参数用于算出控制参数，其中考虑在射束方向上的运动跟踪。

目标区域是待辐照的区域，如肿瘤。目标体积优选包括目标区域并且对应于根据辐照计划应被辐照或事实上也被辐照了的体积；目标体积尤其可以大于目标区域并且例如包括安全边际。

装置为辐照设备整体“确定”控制参数，这可以大概通过分别对于不同的时刻给出包含相关控制参数的数值变量集发生。此外，正确的辐照过程至少也是由装置确定的控制参数的函数。分析单元“算出”控制参数，其中对文字的选择意在强调设计分析单元用于—例如通过计算—“明确”控制参数。当然在可能的情况下，控制参数还可以这样算出，即这些已经在上面所显示的意义上算出；另一方面，装置的其他部分作为用于算值的分析单元。这个区别更重语义而非技术的实质；“确定”强调结果，“算出”强调过程。

如果控制参数不是已经固定的，则它是“可选”的；例如通过辐照设备物理的设计。在可能的情况下，装置的操作人员选择（出）至少一个第一控制参数，这样使得分析单元可以算出控制参数的相应表现选择（出）也可以通过分析单元自身—例如通过计算或初始化—进行。

在算出所述控制参数的过程中考虑运动跟踪；这可以例如通过考虑运动跟踪的计算进行。

已知的，待施放的、预先给定的剂量分布不仅可以利用唯一一个控制参数组实现，还可以利用多个不同的控制参数组。因此，控制参数包括多个自由度，并且在算出控制参数时要做出选择，此外在可能的情况下保留的自由度的数量将降低。

确定控制参数根据用于降低自由度的边界条件的预先规定进行。第一预先规定显示了（之前）定义的要在目标区域中施放的剂量分布自身，在可能的情况下考虑要照顾的结构（也公知为OAR，“有风险的器官”）。此外，这还包括，在可能的情况下可以容许与预先给定的剂量分布的轻微偏差。

另一个预先规定是，射束至少在一个方向上跟踪运动的目标区域，使用跟踪方法进行剂量应用。此处，这个方向优选可以安排为垂直于射束方向。

与之相对，在至今已知的方法中为参考状态确定辐照方案。这个参考状态与不同的运动阶段比较并且制定在参考状态和运动阶段之间的转换规则。该转换规则之后可被用在辐照计划上。由这些转换规则计算出需要的射束跟踪—同样在射束方向上。

此外已知的，执行在射束方向上射束的运动跟踪通常比垂直于射束方向的射束跟踪花费更大。后一种例如可以借助于磁扫描仪（Scannermagneten）相对简单地进行，而第一种则要求射束的能量调制。

因此现在可以构造分析单元，使得以下述方法算出控制参数，即只产生垂直于射束方向的射束的运动跟踪（“横向跟踪”）。根据边界条件或预先规定算出至少一个可选的控制参数，只使用在垂直于射束方向的射束的运动跟踪（“横向跟踪”）。

这其中也可以存在一种替代的解决方案，允许在射束方向上的运动跟踪，确定控制参数，使得在射束方向上的射束的运动跟踪被考虑。此外，不仅是那些表示射束的能量调制的控制参数—即给出在射束方向上射束跟踪的数值—在考虑在射束方向上的射束的运动跟踪的情况下被确定。至少一个其他的控制参数—优选不涉及射束能量的控制参数，同样在考虑在射束方向上的射束的运动跟踪的情况下被确定。这些控制参数例如涉及入射方向、辐照区域的数量、区域之间的权重、粒子射束的焦点尺寸、各个目标剂量的叠加、应用时刻与目标体积运动的时间上的协调、扫描路径、扫描速度、射束可能的纵向扩张、辐照会晤（Bestrahlungssitzung）的数量、每次辐照会晤的辐照过程的可能的数量、目标体积的多个子区域等，并在下文进一步阐释。如这些例子所示，相应的控制参数不需要直接地在横向的偏差上、而是需要在横向的扫描或横向跟踪上产生效果。

整体而言，在确定控制参数时，涉及在射束方向上的射束的运动跟踪的边界条件也属于边界条件。用于在射束方向上的射束跟踪的控制参数不仅只是事后可以计算的，在射束方向上的射束跟踪从一开始就纳入对控制参数的确定中，对于可选的至少一个控制参数也是这样，该控制参数不直接与射束的能量调制或者直接与横向的射束跟踪相关联。

控制参数自由的可选性意味着，该控制参数不是在算出控制参数时作为固定的数值给出的，而是—在可能的情况下在一定的设定的限制范围内—可变的并且在确定控制参数时被固定。

可以通过在算出可选的至少一个控制参数时考虑在射束方向上的运动跟踪来实现减小在射束方向上的运动跟踪的规模的目的。或者—作为替代地—通过在算出控制参数时只允许横向的跟踪—即垂直于射束方向的跟踪—实现。在后一种情况下，可以说“隐含地”考虑了在射束方向上的射束的运动跟踪，因为这种射束跟踪根本不被允许；通过设备和/或装置的机械设计就可以预先给定相应的实施方式。

在两种情况中，都可以确定可选的至少一个控制参数，使得考虑并且优化—尤其是最小化—在射束方向上的昂贵的射束跟踪。这就意味着，与常规的辐照计划相比，在射束方向上的射束的跟踪的需求或规模减少了。

此外，一般可以借助于图片数据集采集目标区域，其中目标区域被再现到图片数据集中。例如可以借助CT数据组自动和/或与使用者交互确定目标区域。同样地，可以确定其他的在接下来的辐照中被照顾的目标区域，即被施放尽可能低的剂量或肯定必须低于一个极限值的剂量（所谓的OAR，“有风险的器官”）。以这种方式可以算出额定剂量分布，其说明目标对象应该被怎样施放辐照剂量。为了施放这个额定剂量将算出其他的控制参数。

此外，控制参数不必然是直接的控制参数，即不需要其他的翻译或者计算步骤直接可以用于控制设备。在辐照计划的范围内起草的辐照计划也可以显示控制参数的数据组，其被用于确定用于控制设备的控制参数。这样辐照计划可以由辐照设备加载并且根据在辐照计划中存储的预先规定被用于控制辐照设备。

在辐照计划的第一阶段确定的控制参数还可以形成完整的控制参数组。这就意味着，尤其是在整个辐照时间内，完整的控制参数组足够用于在跟踪方法中控制用于辐照目标区域的辐照设备。完整性不仅涉及每个相关时刻的所确定的控制参数的数量，而且涉及时刻的数量，参数中的一个为此被确定。

然而这并不是必需的。在第一阶段确定的控制参数也可以是不完整的。这就说，虽然不完整的控制数据组已经被用于在跟踪方法中辐照目标区域，其中不完整的组在第二阶段才通过其他的控制参数得以补充，这样才形成了完整的控制参数组。在可能的情况下，也可算出直到现在为止没有算出的数值，例如焦斑或射束的焦点，或者也对于已经算出的数值，其对于其他时刻的表现。这以简单的方式，例如在辐照计划范围内的第一阶段实现计算量大的计算，而在第二阶段可以考虑实际的情形，其中第二阶段直接发生在辐照之前或者甚至在辐照期间发生。这样使得在辐照过程中可以说是迭代地跟踪控制参数成为可能。

目标区域的运动可以不同的方式算出。例如，目标区域的运动由数据组算出，目标区域的运动被再现在数据组中，例如4D-CT数据组中。

在一个特别的实施例中，借助于成像方法还可以在处理部位处紧邻辐照之前确定运动。此外，还可以在正在进行的辐照期间采集运动并且用于适配或者补充用于控制辐照设备的控制参数。

还可以使用对于目标区域典型的、可期待的运动。例如如果目标区域是肺，分别根据所要求的运动的精度或规律，通常在呼吸时出现的典型的运动可以足够用作目标体积的运动。一般而言，运动不需要详细地说明（例如作为相对于时间的幅度）。可以从详细的运动中导出的数值—例如停留的概率—就可以是足够的。

此外，还可以基于其他的运动间接地导出目标区域的运动，即例如可以根据身体表面的运动总结目标区域的运动或者还可以根据其他内部结构的运动总结目标区域的运动。

除了目标区域的运动还可以采集其他临床相关的区域的运动，例如要照顾的器官的运动。

以有益的方式构造分析装置，使得这样算出控制参数，使得射束在至少两个不同的方向上跟踪目标对象的运动。

以这种方式可以在垂直于射束行进方向的平面内或者在所有三个空间维度内跟踪射束。

在一个实施方式中，构造分析单元使得确定和使用一个标准（Maβ）用于算出控制参数，该标准考虑在射束方向上的待执行的运动跟踪。

这样的标准提供了一个简单的可能性，即在确定控制参数时考虑在射束方向上的运动跟踪。例如可以将该标准纳入被优化—即例如被最小化—的目标函数。此外，这个描述在射束方向上的跟踪的标准，如此纳入目标函数，即相比于较小规模的运动跟踪，更强或略强地考虑特定的运动跟踪—例如大规模的运动跟踪，这按本发明的意图被称为“处罚”。

借助于通过其例如可以将运动跟踪的规模采集为连续值的标准在射束方向上考虑运动跟踪只是考虑的一种可能性。例如还可以预先给定边界条件，其对允许在射束方向上的运动跟踪时出现的最大规模进行限制或者将该最大规模离散到预先给定的或待优化的值。以这种方式，例如可以限制射束跟踪系统在执行运动跟踪时出现的负荷。

此外，在应用扫描方法的情况下，例如借助于目标函数被优化的射束参数可以是射束的能量E、射束的焦点F、在与射束方向垂直的平面内射束的位置x和y、在一个扫描点（Rasterpunkt）处粒子的数量N、基于在全部三个空间方向上射束的运动跟踪的射束位置变化dx、dy、dz、扫描路径、扫描速度（提取的通量（Fluenz））和/或粒子数量的变化dN。此外可以为每一个扫描点确定控制参数。

此外，标准可以考虑在射束方向上的射束的运动跟踪的幅度、在射束方向上的射束的运动跟踪的速度、和/或在射束方向上的射束的运动跟踪的速度变化。

此外，标准可以单独地为每一个扫描点考虑从扫描点到扫描点使用的幅度、速度和/或速度的变化。也可以设想，将一个运动周期出现的最大、中间或最小值用作标准，由此可以更轻松地实现优化；在可能的情况下，标准不需要如此频繁地被分析。

在一个简单的情况下，所需要的射束作用范围的变化δz可以被用作标准，其被纳入优化的目标函数，即大的δz值被处罚。

如果标准说明相对于时间δz值的变化的顺序，则可以例如处罚δz值的特别“快”的变化，因为这给能量调制系统提出了特别高的要求。

但是标准可以描述可以由δz值导出其他数值，例如由此得出的对能量调制系统的要求。

标准还可以用于，为辐照确定中断准则，以便在运动表现出不能提供安全辐照的极限值时，中断或停止辐照。

在一个实施方式中构造分析装置，使得通过至少一个第一控制参数确定至少一个运动阶段，在该阶段中目标点的至少第一部分不被控制。

在该实施方式中，现在可以允许至少一个运动阶段作为附加的自由度。利用这个/些（可选的）运动阶段可以例如排除掉下述情况，即目标点的一部分在引起射束方向上的射束跟踪的大的规模的阶段中被控制，因为例如在该运动阶段目标区域运动地尤其快。目标点的第一部分也可以包括所有的目标点。在这种情况下，辐照与门方法结合。

在另一个实施例中构造分析装置，使得通过至少一个第一控制参数确定目标点的至少第二部分，该第二部分在使用射束的运动跟踪时不被控制。

在该实施例中现在可以作为自由度允许确定目标点的不应被“跟踪”的一个部分。通过确定在使用射束的运动跟踪时不被控制的目标点，例如可以确定，对于特定的、尤其关键的目标点不应执行运动跟踪。例如对于目标区域的剂量的大部分负责的远端层可以仅利用门方法不跟踪地辐照。这可以作为放射性剂量测定法（Dosimetrie）的后备。在直接施放整体相对较少的剂量的其余区域，可以例如只用横向跟踪辐照。这可以始终都足以以足够的精确度施放所希望的剂量分布，即便现在不执行在射束方向上的运动跟踪。此外，方法的所述表现还简化了设计目标体积各个区域的辐照参数的优化。

在另一个实施例中构造分析装置，使得通过至少一个第一控制参数确定扫描点的重复的起动和/或目标点的起动顺序。

在该实施例中可以作为自由度允许目标点被重复地起动—即可以执行所谓的重扫描，或者可以变化地制定扫描路径—即起动目标点的顺序。

不重扫描例如就不能达到剂量分布的特定的均匀性并且同时满足关于在射束方向上跟踪的特定的预先规定，因为在平均效应上重扫描要求辐照的均匀性。如果现在作为自由度允许重扫描，则可以实现剂量分布的均匀性并同时满足关于在射束方向上跟踪的预先规定。这同样适用于辐照路径。如果特定的辐照路径不被允许满足关于在射束方向上跟踪的预先规定，则辐照路径的变化已经足够满足预定规定。

在另一个实施例中构造分析装置，使得通过至少一个第一控制参数算出入射方向的空间定向、入射方向的数量和/或扫描点的叠加。

这个参数也可以作为自由度纳入控制参数的求解中。这样入射方向的变化已经足够满足关于在射束方向上跟踪的特定的预先规定。这也可以例如通过将剂量分配到在可能的情况下被不同加权的不同的区域来实现。不论在横向还是纵向上目标点的叠加的变化可以在考虑预先规定的情况下恢复剂量的所希望的均匀性。叠加通过目标点相互间的距离并通过辐照目标点时射束的焦点大小给出。

还可以选择一个或多个入射方向。入射方向说明从关于目标对象的哪个方向将粒子射束射向目标对象。在设备中例如可以这样实施，使得目标对象被相应于射束定位，和/或设置射束的空间定向—例如通过托台的相应的定位。

根据本发明的辐照设备，尤其是粒子治疗设备，具有如上所述的用于确定控制参数的装置。

因此可以更简单地和更便宜地实施能量调制系统—其被用于在射束方向上运动跟踪射束—或甚至使用没有能量调制系统的设备。通过确定控制参数可以考虑关于对能量调制系统或在射束方向上跟踪—其在只是横向跟踪时不被执行—的要求的预先规定。

根据本发明的方法，用于为辐照设备确认控制参数，利用辐照设备可以在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个辐照剂量，所述方法具有下述步骤：利用输入装置采集目标区域；利用输入装置采集目标区域的运动；利用分析装置算出用于控制辐照设备的射束的控制参数，使得可以利用控制参数使射束跟踪目标区域的运动并且可以在目标区域施放定义的剂量分布，其中在算出控制参数时通过分析装置算出可选的至少一个第一控制参数，使得射束只垂直于辐照方向跟踪目标区域的运动，或者其中在算出控制参数时通过分析装置算出可选的至少一个第一控制参数和其他的、表示射束的能量调制的控制参数，其中考虑在射束方向上的运动跟踪。

表示在射束方向上射束的能量调制的其他控制参数与在射束方向上的射束跟踪具有直接的关系。该其他控制参数必须在强制地考虑在射束方向上的运动跟踪的情况下被确定。然而现在还在考虑在射束方向运动上运动跟踪的情况下确定不同于可选的第一控制参数的另一控制参数。这个控制参数不必与射束的能量调制有直接关系，该能量调制对于在射束方向上的射束的运动跟踪是必须的。换言之，这个控制参数影响辐照的至少一个与能量调制无关的方面。此外，该可选的第一控制参数也不需要直接影响射束的横向偏转，如早在之前已经执行的那样；它可以作用于托台的旋转。它尤其可以与横向扫描和横向跟踪无关。

类似的也适用于可选的第一控制参数，其被如此算出，使得射束只垂直于射束方向跟踪目标区域的运动。这个参数自身也不需要与在垂直方向上的射束跟踪或横向扫描有直接的联系。换言之，这个控制参数可以影响辐照的与在垂直方向上的射束跟踪或横向扫描无关的一个方面。

本发明还涉及一种方法，用于利用用于控制辐照装置的控制参数组辐照运动的目标区域，控制参数已经根据上述方法确定。

尤其地，利用该用于辐照的方法可以辐照目标区域，该目标区域是非生物物体的一部分，例如在用于检验辐照计划、为了例如细胞培养的研究目的而应用的器官模型内部。

原则上，本发明还涉及一种装置，用于为辐照设备确定控制参数，利用辐照设备可以在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个辐照剂量，所述装置包括：

输入装置，被构造用于采集目标区域并用于采集目标区域的运动，

分析装置，用于算出控制参数以控制辐照设备的射束，使得射束可以借助控制参数跟踪目标区域的运动并且可以在目标区域施放定义的剂量分布，

其中分析单元被设计用于

算出可选的至少一个第一控制参数和其他的、表示射束的能量调制的控制参数用于算出控制参数，其中通过下述方式考虑在射束方向上的运动跟踪，即抑制射束的能量调制并且射束可以只垂直于射束方向跟踪目标区域的运动。

附图说明

下面结合附图对具有有益的改进的本发明的实施方式作进一步说明，但并不被限制于此。其中：

图1示出了关于粒子治疗设备的结构的示意性的概览，

图2示出了要借助于光栅扫描装置辐照的目标体积的示意图，

图3示出了用于为图1所示的辐照设备确定控制参数的方法的流程图，

图4示出了不同控制参数的概览，其在考虑在射束方向上射束的运动跟踪的情况下被算出，以及

图5示出了借助于目标函数确定控制参数的流程图。

具体实施方式

图1示出了粒子治疗设备10的结构的示意图。粒子治疗设备10被用于利用由粒子16形成的射束—下文被标记为粒子射束16—辐照被安置在定位装置12上的物体14。尤其地，病人的患肿瘤的组织被用粒子射束照射。同样设置粒子射束装置10用于辐照非生物物体18—尤其是水体模（Wasserphantom）18。辐照水体模18例如在辐照病人14之前和/或在已经辐照了病人14之后进行，用于检验和验证辐照参数。此外还设计为了研究目的，用粒子射束16辐照其他物体，尤其是试验装置—例如细胞培养或细菌培养。在所有情况中都可以涉及运动的或者静止的物体14、18。

主要使用例如质子、介子、氦离子、碳离子或其他元素的离子作为粒子。通常这种粒子在下文中被标为离子源20的粒子源20中产生。如果—如图1所示—粒子射束设备10具有两个粒子源—例如两个离子源20和20’，则在离子源20和20’以及预加速器22之间设置电磁开关24。借助于电磁开关24可以将由离子源20和离子源20’产生的离子射束馈入预加速器22中，其中在短时间间隔内来自离子源20和离子源20’的离子射束可以被交替地馈入。在离子源20和20’之间进行切换。以这种方式可以交替地或者在短时间间隔内将具有两种不同离子类型的粒子射束相继应用于粒子治疗设备10中。例如通过在很短的时间间隔内在离子源20和20’之间开关，可以基本上同时进行具有质子和碳离子的粒子射束，其中为此例如离子源20产生质子射束，离子源20’产生碳离子射束。

由离子源20、20’或其中一个产生的、在可能的情况下利用电磁开关24选择的离子射束或粒子射束在预加速器22中被加速到第一能量水平。预加速器22例如是线性加速器（LINAC）。随后粒子被馈入其他的加速器26—例如环形加速器，尤其是同步加速器或回旋加速器。在加速器26中，粒子射束被加速到辐照设置在物体18内的目标体积（未示出）所需要的能量。之后粒子射束离开加速器26，高能射束传输系统28将粒子射束传输到一个或多个辐照室30、30’、30”，其中那里例如设置有定位装置12—例如病床—以及病人14或者用于辐照计划验证的器官模型18。在辐照室30或30’中，从固定的方向辐照物体14、18，其中物体14、18被空间固定地设置。这些辐照室30、30’被称作“固定射束”室。在处理室30’’放置沿轴32运动的、优选可转动的托台（Gantry）34。借助于托台34可以从不同的方向辐照待辐照的物体14或器官模型18。为此借助于安排在托台34中的托台射束向导（Gantrystrahlführung）36将粒子射束围绕待辐照的物体14、18旋转。在图1中示出了第一位置38和第二位置38’代表托台34的托台射束向导36的不同位置。当然在围绕待辐照物体14、18的想象的球中在待辐照物体14、18上面至少半球上可以有托台射束向导36的中间位置，此处由于概览的原因为示出。因此待辐照的目标体积可以从多个方向垂直于轴32被辐照。这由于几何的原因是有益的。

在辐照空间30、30’中，粒子射束从高能射束向导28的真空系统的被标记为射束出口40、40’的端部出来，并且照射到物体14或18内待辐照的目标体积（未示出）。目标体积因此通常被设置在各辐照室30、30’的交点（Isozentrum）42、42’处。

根据图1显示的粒子治疗设备10的基础构造是示例性的用于粒子治疗设备，也可以与此有偏差。

下文描述的实施例既可以与根据图1所示的粒子治疗设备也可以与其他的粒子治疗设备一起使用。

图2示出了可以用于本发明意义的辐照的装置的示意图，为此尤其示意性地显示了光栅扫描装置44和能量调制装置45。

此处，同样的附图标记标记同样的对象。光栅扫描装置44具有第一粒子射束偏转装置46和第二粒子射束偏转装置48，其尤其可以包括磁铁。两个粒子射束偏转装置46、48可以水平地或垂直地偏转射束。箭头50显示了粒子射束54在x方向上（水平）的偏转方向，并且箭头52显示了粒子射束54在y方向上（垂直）的偏转。因此借助于光栅扫描装置44，粒子射束54可以扫描或巡视（abfahren）由位置为（x_j,y_j）的点组成的矩阵，其中i是矩阵的要巡视的点的数量。这些点（x_j,y_j）被称为扫描点。在物体14或18中的待辐照的目标体积56由等能的片或层58a、58b、58c...58i以及扫描点（x_j,y_j）的各不同区域组成。为此，等能的层58a、58b、58c...58i分别被对应z轴上特定的位置。

在这里所示的例子中，层的计数从面向光栅扫描装置44的层58a开始，而离光栅扫描装置44最远的层（远端层）的标号为58i，其中i标记了层数。为了将粒子射束54调整到各层58a、58b、58c...58i，粒子射束54分别具有不同的能量。这样，具有最低能量的粒子射束54被施放到片58a，而具有最高能量的粒子射束54被施放到片58i。

因此，利用扫描方法辐照包括粒子射束54，其大小使得在目标体积56中只可以在小的、切割区施放唯一的剂量。因此这样小的区域可以对应一个扫描点，其中扫描点的参数--即扫描点的坐标和/或粒子射束的与扫描点的坐标一致的参数--优选包含在辐照计划中。

为了辐照整个目标体积56，前后相继辐照不同的目标体积56位置的扫描点。此外，粒子射束54借助于扫描磁极（Scan-Magneten）46和48被偏转并且在目标体积上被扫描，由此扫描点被扫描。为了辐照不同的等能层，粒子射束54的能量被合适地设置。示出了目标体积56，其中三个远端等能层58_i、58_i-1、58_i-2已经被辐照了，并且其中粒子射束54在下述的等能层58_i-3上扫描。

已知不同的扫描方法，例如光栅扫描，其中射束不在相邻的扫描点之间切换地在目标体积上扫描；点扫描，其中在目标点之间进行切换；或者连续扫描方法，其中射束被连续地偏转。

在可能的情况下，还可以设置能量调制装置45。其可以例如设置在扫描磁极46、48和目标体积56之间，利用该装置可以根据目标体积56的运动调整粒子射束54的穿透深度。能量调制装置可以例如像在文献US6891177B1、US6710362B2或US2006/0033042A1中描述的那样被构造。

附加地和/或作为替代地，可以--在射束方向上--在扫描磁极46、48之前设置能量调制装置，其被构造用于在射束方向上运动跟踪粒子射束。该能量调制装置可以被类似45被构造为独立的单元或者显示加速器的性能。在后一种情况下，加速器可以在相应于扫描点的辐照时长的时间间隔内改变辐照能量。

辐照调制装置45还可以用于所谓的深度扫描。这就是说，不是相继扫描多个层，而是扫描路径还可以在层之间行进。

这种利用其可以在射束方向上运动跟踪的能量调制装置45不一定存在。在这种情况下，如此制定辐照计划或算出控制参数，使得辐照运动的目标体积56只和在垂直于射束方向的运动跟踪一起被执行。

作为替代地和/或附加地，可以使用--在射束方向16上--在扫描磁极46、48之前设置的能量调制装置，其为不同的等能层分别设置射束54的能量。后一种方法尤其应用于使用回旋加速器的粒子射束装置中。

因此，通过扫描程序形成时间持久地辐照，其间递增地施放待施放的剂量。该剂量产生递增成长的活动分布。

射束54在目标体积56的定位可以例如借助正电子发射断层扫描装置（PET）进行检测。PET装置包括至少两个探测器和一个控制装置，其与光栅扫描装置44的控制装置有效连接，由此利用PET装置的数据采集和辐照可以相互一致。

在辐照目标体积56之前执行辐照计划，使得之后相应于所制订的辐照计划控制辐照—即利用粒子射束54扫描目标体积56。辐照计划显示确定用于控制辐照设备10的控制参数。辐照计划由专门为此构造的辐照计划装置68执行。

因此，借助于计算机断层扫描或磁共振成像或借助于其他诊断装置得到待辐照肿瘤或其他目标体积56的位置和扩展。

除了待辐照目标体积56的位置和扩展之外，还要得到目标体积56的运动以及在可能的情况下其他临床相关的体积的运动。这可以不同的方式和方法进行。其一可以构造影像学检查方法，使得通过成像自身采集目标体积的运动，例如在4D计算机断层扫描的情况中。目标体积56的运动可以借助于运动采集系统60进行采集。

可以应用不同的运动采集系统60：例如可以通过利用摄像系统测量红外标记的运动幅度来探测腹壁的运动。也可以从绑在腹部或胸部的传感器的伸展来算出运动阶段。如果这种方法使用肺活量，则病人通过体积传感器呼吸，利用它可以确定随时间变化的吸气和呼气体积。还可以设置温度传感器，可以在呼吸的过程中提供信息。运动采集也可以借助于植入目标体积的小的—尤其是米粒大小的--电磁收发器进行。同样可以使用外部成像系统—例如超声波或透视，用于监控目标体积的运动，其中由于他们可以被利用图像成像系统探测，例如使用植入的标记并且支持运动的采集。原则上还可以使用可以容积成像的系统。

根据所期待运动的规律，也可以只是足够说明目标体积56的所期待的运动。在这种情况下，所期待的运动说明了目标体积56的实际的运动。关于实际的运动而针对性地监控目标体积56是没有必要的。

成像系统的数据直接或在通过其他、未示出装置整理后被经由辐照计划装置68的输入装置69提供给辐照计划装置68。辐照计划装置68创建数据组，其包括用于根据特定的预先规定控制辐照设备的控制参数。辐照计划装置68例如是台式计算机、工作站或其他计算机。通常，辐照计划装置68还通过其用户接口、软件或其他特征被构造用于使得，使用者利用装置68定义目标体积56、待施放的剂量分布、在多次过程中的分配、辐照的方向和涉及辐照计划的其他细节。

辐照计划装置68包括用于处理输入的分析单元70，并且其被构造为使得在算出控制参数时可以执行下述结合图3和图4进一步说明的方法。

控制参数被传输到辐照装置10。辐照装置10由控制系统控制，该控制系统包括用于不同子系统的各个下级控制装置。例如用于光栅扫描装置44的控制装置66、在可能的情况下用于能量调制装置的控制装置67以及用于辐照装置10的其他部分的其他附加控制装置—由于概览的原因没有示出—属于此列。此外，控制系统还包括诊断装置（也由于概览的原因没有示出），利用该诊断装置可以监控辐照装置10的不同部分的状态。此外，控制系统根据算出的控制参数控制辐照过程。

图3将根据本发明的方法显示为流程图。该方法用于为辐照设备10确定控制参数，在辐照设备中可以在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个辐照剂量。

在方法步骤110中采集目标区域或目标体积56。在方法步骤120中采集目标区域或目标体积56的运动，例如借助于4D-CT-数据组。采集目标区域/目标体积还可以包括采集其他的临床相关的区域，例如待照顾的器官（OAR，“有风险的器官”）。

在方法步骤130算出用于控制射束的控制参数，使得利用这些控制参数可以使射束跟踪目标区域的运动并且可以在目标区域施放例如由用户预定义的剂量分布。在本方法步骤130中，之后用来进行辐照的控制参数组并不需要全部确定。这就是说，在方法步骤130中可以只确定控制参数的一部分，之后可以补充其他控制参数，于是可以整体上形成用于控制辐照设备的完整的、全面的组。在可能的情况下，用于控制辐照设备的组还可以在线—即在辐照目标区域56的过程中—被补充。

这里，在一个替代的实施变体中在步骤140算出控制参数时，确定可选的至少一个第一控制参数，使得射束只垂直于射束方向跟踪目标区域或目标体积56的运动。

此外，该控制参数可以是多个参数中的一个，其描述辐照的特性。该控制参数还描述与运动跟踪没有直接关联的数值。属于此范围的控制参数将结合图4做进一步描述。

如果在算出控制参数时表明，自由选择的控制参数本身不可以满足预先规定只执行垂直跟踪并且此外同时满足其他预先规定例如以足够的质量施放额定剂量分布，则在可能的情况下可以设置一个或多个其他控制参数作为可自由选择的。通过这样完成的附加的自由度，在可能的情况下，可以满足额定剂量分布和单独垂直跟踪的预先规定。

作为替代地，在步骤150算出控制参数时，算出可选的至少一个第一控制参数和表示射束的能量调制的其他控制参数，其中算出至少一个第一控制参数和其他控制参数在考虑在射束方向上的运动跟踪的情况下进行。

因此，在该实施方式中允许在射束方向上的运动跟踪。然而不仅在考虑在射束方向上的运动跟踪的情况下确定表示射束的能量调制并且与在射束方向上的运动跟踪直接关联的其他控制参数，还可以确定可选的第一控制参数。如方法步骤140描述的那样，该控制参数可以是描述辐照特征的多个参数中的一个。此外，可选的第一控制参数描述与运动跟踪没有直接关联的数值。属于此范围的控制参数将结合图4做进一步描述。

这个实施方式允许考虑关于在射束方向上的运动跟踪的目标预先规定。例如可以划定上限，其描述在射束方向上运动跟踪的规模并且不允许被超越。例如可选的第一控制参数和其他控制参数可以被优化使得降低或甚至最小化在射束方向上出现的运动跟踪，例如关于最大需求的跟踪或者所要求的跟踪的变化。

如果在算出控制参数时表明，自由选择的可选的第一控制参数本身不可以满足预先规定保持涉及在射束方向上的射束跟踪的目标预先规定并且此外同时满足其他预先规定例如以足够的质量施放额定剂量分布，则在可能的情况下可以设置一个或多个其他的控制参数作为可自由选择的。通过这样完成的附加的自由度，在可能的情况下，可以满足涉及额定剂量分布和在射束方向上的运动跟踪的预先规定。

作为替代地，在步骤140和150中算出的控制参数作为输入数据传输到步骤130。一起创建控制参数组，其—如果需要—可以在方法步骤160中被用于控制辐照过程。

在方法的实施方式中，在方法步骤160中可以进行对运动的目标区域的辐照，其中目标区域至少包括非生物物体—尤其是器官模型—的一个部分区域。

图4显示了控制参数的列表，其与运动跟踪不直接有关，但却在辐照计划的范围内被选择使得涉及在射束方向上运动跟踪的预先规定被满足。

入射方向：

通过适合地选择粒子射束的入射方向，可以保持涉及在射束方向上的运动跟踪的目标预先规定，并且仍然以足够的质量施放额定剂量分布。

区域数量：

如果区域数量不是固定设置，而是可以在辐照计划时选择，则同样的是适合的。通过入射方向给出区域。如果区域数量增多，即如果额定剂量分布被以不同的入射方向分配到多个区域，则可以更好地保持目标预先规定。此外，区域可以被单独地和/或平行地对待，即分开地或一起地算出并尤其是优化用于各个区域的控制参数。

各个扫描点的叠加：

在微小叠加的情况下，例如精确的运动跟踪是必须的。在较大叠加的情况下，如果跟踪略精确地进行，则也可以施放额定剂量，因为在射束方向上限定射束运动跟踪的特定的预先规定必须被考虑。较大叠加的缺点在于，边界处剂量分布的下降略陡。然而根据包围目标体积的结构，这可能是可以容忍的。

重扫描：

重扫描是指多次启动扫描点，直到在扫描点处施放所希望的剂量。重扫描经常用于平均不希望的效果，这些效果如果不执行重扫描将会存在。如果不进行重扫描例如就不可能施放额定剂量分布并且同时满足涉及在射束方向上跟踪的特定的预先规定。如果现在允许重扫描做为自由度，则可以满足两个预先规定。此外，可以将例如多久重复起动扫描点确定为可选的参数，等等。

设置扫描路径：

如果扫描路径被固定地给出—即扫描点如何被扫描的顺序，则可能导致不能保持关于在射束方向上运动跟踪的特定的预先规定。通过现在改变扫描路径，可以重新保持关于运动跟踪的预先规定。尤其可以允许三维的运动路径，这样不再是一个接一个地辐照等能层，而是在一个等能层被辐照结束之前在等能层之间变化。这包括了，例如不再相继辐照等能层，而是首先辐照所有偶数的，然后辐照所有奇数的等能层，或者类似的设计。

设置扫描速度：

如果通过每个单位时间或射束脉冲提取的粒子数量确定的扫描速度是固定给出的，则例如可以导致补偿系统的速度和/或补偿系统速度的变化不足够以跟踪射束。如果扫描速度是自由可选的参数，则可以—尤其通过降低扫描速度—降低对补偿系统的要求。提高扫描系统的速度可以例如提高扫描点的数量，扫描点可以不改变可能发生的需要的纵向运动跟踪而被相继辐照。改变辐照速度可以每个辐照过程、每个射束脉冲全局地或甚至对至少一个扫描点进行。

描述不同运动管理类型的结合的参数：

门和跟踪结合：

如果扫描点被识别，其中可以保持关于在射束方向上运动跟踪的特定的预先规定，则例如可以确定时间窗，在此期间不应辐照这些扫描点。因此可以确定，只有目标体积的运动不那么强烈时，才辐照这些扫描点。以这种方法，可以满足关于在射束方向上运动跟踪的预先规定。因此，为这些扫描点引入门。同样对于特定的对于剂量施放特别重要的扫描点，以门方法施放剂量，而在对于剂量施放不那么重要的扫描点，允许跟踪—根据特定的预先规定只是垂直地或也在射束方向上。

只是垂直的跟踪和在射束方向上跟踪的结合：

如果扫描点被识别，其中如果只是执行在垂直方向上的跟踪不能实现额定的剂量分布，则可以激活这些扫描点用于在z方向上的跟踪。

图5示意性地示出了方法步骤，其可以在确定可选的控制参数时被执行。下文结合图4进一步说明控制参数。

在第一步骤中，可以确定标准，该标准考虑在射束方向上的运动跟踪（方法步骤210）。

这个标准考虑控制参数的表现，该表现在待执行的在射束方向上的运动跟踪中出现。该标准可以例如标记在射束方向上射束的运动跟踪的幅度、在射束方向上射束的运动跟踪的速度、和/或在射束方向上射束的运动跟踪的速度的变化。

确定标准提供了简单的可能性，即在确认控制参数时考虑在射束方向上的运动跟踪。

例如可以提供目标函数，将标准纳入该目标函数（方法步骤220）。

之后基于目标函数优化控制参数（方法步骤230）。这个优化可以在考虑边界条件的情况下进行，该边界条件反映在辐照计划中被提出的预先规定（方法步骤240）。

下文中示例性地给出公式，其描述了待优化的目标函数。

在目标区域中定义待辐照的目标体积。这可以例如通过CT数据组进行。该目标区域或目标体积以目标函数为基础。

目标区域可以通过多个体素（Voxeln）M’描述。注脚k指示各个体素k=1…M’。在目标区域可以预先给出额定剂量

在目标区域中的目标体积可以通过M个相继被起动的扫描点描述。扫描点用i指示，i=1…M。

目标体积的运动可以通过L个4D-CT-阶段描述，也就是通过4维的CT图，在其中将运动成像。各个阶段以注脚j，j=1…L指示。

每个扫描点的粒子的数量每个扫描点的通量 $\stackrel{\→}{I}=(I_1,I_2,...I_M)$ 和扫描路径 $\stackrel{\→}{S}=(S_1,S_2,...S_M)$ 被作为待优化的参数纳入目标函数。因此，通量是一个间接的标准表示，扫描点i被辐照地多快或多慢。扫描路径说明各个扫描点被起动的顺序。

由路径例如可以计算数值其给出两个相互连续的扫描点的空间距离。

目标函数χ²为：

${\mathrm{\χ}}^2(\stackrel{\→}{N},\stackrel{\→}{I},\stackrel{\→}{S})=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{D_{\mathrm{pre}}^k-D_{\mathrm{act}}^k\left(\stackrel{\→}{N}\right)}{\mathrm{\Δ}{D}_{\mathrm{pre}}^k}\right)}^2---\left(1.1\right)$

$+\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{a}_i{N}_i^2{\left(\frac{{\mathrm{\δz}}^{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Δ\δ}{z}^i}\right)}^2---\left(1.2\right)$

$+\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{b}_i{\left(\frac{\frac{d{\left(\mathrm{\δz}\right)}^{\mathrm{ij}}}{\mathrm{dt}}(\stackrel{\→}{I},\stackrel{\→}{S})}{\mathrm{\Δ}{\left(\frac{d\left(\mathrm{\δz}\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^i}\right)}^2---\left(1.3\right)$

$+\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\frac{c_i}{{(I^i-I_{\min })}^2}---\left(1.4\right)$

$+\underset{i>2}{\mathrm{\Σ}}{d}_i{\left(\frac{S_i-S_{i-1}}{\mathrm{\Δ}{S}^i}\right)}^2\·\mathrm{\θ}\left(\right|S_i-S_{i-1}|-S_{\mathrm{norm}})---\left(1.5\right)$

对于所有i=1…M，具有下列边界条件：

N_i≥N_min

I_i≥I_min

Δδzⁱ=f_1i·δz_max,f_1i＜1

$\mathrm{\&Delta;}{\left(\frac{d\left(\mathrm{\&delta;z}\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^i=f_{2i}\&CenterDot;{\left(\frac{d\left(\mathrm{\&delta;z}\right)}{\mathrm{dt}}\right)}_{\max },f_{2i<1}$

ΔSⁱ=f_3i·S_norm,f_3i＜1

加权a_i、b_i、c_i、d_i确定了各个加数的意义。

公式的第一个加数描述实际剂量和额定剂量之间的偏差。利用因子可以将偏差以体素的方式更重或更轻地加权。

公式的第二个加数考虑射束在z方向上的运动跟踪δz^ij。δz^ij说明在从参考阶段z到阶段j转换时，扫描点i在z方向上变化有多大。利用因子Δδzⁱ可以加权每个扫描点的变化。这里，δz_max是可以容忍的最大变化。对此例如可以考虑由系统或其设计给出的限制。

公式的第三个加数考虑每个扫描点和运动阶段在z方向上射束的运动跟踪的速度该速度变化与通量和射束路径有关。利用因子可以为每个扫描点的变化加权。此外，是可以容忍的最大的速度变化。对此例如可以考虑由系统或其设计给出的限制。

公式的第四个加数考虑，在优化时每个扫描点的通量不会太小，那样整体将延长辐照的时长。

公式的第五个加数考虑，在选择射束路径时各个扫描点之间的距离不会太大。利用因子ΔS^t可以为扫描点不同地加权。然而通过θ函数保证，扫描点的间距可以任意地选择，只要该距离低于阈值s_norm。

根据上述的方程显示出，可以如何在目标函数中考虑例如射束路径、待施放的粒子的数量以及通量。利用目标函数同样考虑在射束方向上的粒子射束的运动跟踪，这样通过优化的参数保证还可以执行运动跟踪。

如果应该关于在z方向上的射束跟踪来优化其他的参数作为射束跟踪、通量和粒子的数量，也可以使用类似的目标函数。

Claims (13)

1.一种用于为粒子辐照设备确定控制参数的装置，利用该粒子辐照设备能够用粒子射束在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个唯一的剂量，所述粒子射束的大小使得在目标体积中能够在小的、切割区施放唯一的剂量，其中，所述粒子射束借助于扫描磁极被偏转并且在目标体积上被扫描，由此扫描点被扫描；所述装置包括：

输入装置，被构造用于采集运动的目标区域并用于采集目标区域的运动，

分析装置，用于算出控制参数以控制粒子辐照设备的粒子射束，使得粒子射束能够借助控制参数跟踪运动的目标区域的运动并且能够在运动的目标区域施放定义的剂量分布，

其中分析装置被设计用于，

-算出可选的至少一个第一控制参数和其他的、表示粒子射束的能量调制的控制参数以便算出控制参数，其中粒子射束能够垂直于射束方向和在射束方向上追踪运动的目标区域的运动，并且

-为了算出控制参数而使用标准，所述标准考虑对运动的目标区域的运动的在射束方向上的待执行的运动跟踪，

其中，所述标准考虑在射束方向上的粒子射束对目标对象的运动的运动跟踪的幅度、在射束方向上的粒子射束对目标对象的运动的运动跟踪的速度、和/或在射束方向上的粒子射束对目标对象的运动的运动跟踪的速度变化。

2.如权利要求1所述的装置，其中，构造分析装置使得这样算出控制参数，使得粒子射束在至少两个不同的方向上跟踪目标对象的运动。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，构造分析装置使得标准纳入目标函数，在目标函数中射束方向上的粒子射束的运动跟踪被处罚并且其分析用于算出控制参数。

4.如权利要求3所述的装置，其中，运动跟踪的优化用于算出控制参数。

5.如权利要求1或2所述的装置，其中，构造分析装置使得至少一个第一控制参数确定至少一个运动阶段，在该阶段中目标点的至少一个第一部分不被控制。

6.如权利要求5所述的装置，其中，构造分析装置使得至少一个第一控制参数确定目标点的第二部分，所述第二部分在不执行粒子射束的运动跟踪的情况下被控制。

7.如权利要求1或2所述的装置，其中，构造分析装置使得至少一个第一控制参数确定目标点的重复的起动和/或目标点的起动顺序。

8.如权利要求1或2所述的装置，其中，构造分析装置使得至少一个第一控制参数确定入射方向的空间定向、入射方向的数量和/或目标点的叠加。

9.一种辐照设备，具有根据权利要求1至8之一所述的用于确定控制参数的装置。

10.一种用于为粒子辐照设备确认控制参数的方法，利用该粒子辐照设备能够用粒子射束在目标体积中的不同的目标点处相继施放多个唯一的剂量，所述粒子射束的大小使得在目标体积中能够在小的、切割区施放唯一的剂量，其中，所述粒子射束借助于扫描磁极被偏转并且在目标体积上被扫描，由此扫描点被扫描；所述方法具有下述步骤：

利用输入装置采集运动的目标区域，

利用输入装置采集运动的目标区域的运动，

算出用于控制粒子辐照设备的粒子射束的控制参数，使得能够利用控制参数使粒子射束跟踪运动的目标区域的运动并且能够在运动的目标区域施放定义的剂量分布，

其中在算出控制参数时通过分析装置算出可选的至少一个第一控制参数和其他的、表示粒子射束的能量调制的控制参数，其中粒子射束能够垂直于射束方向和在射束方向上追踪运动的目标区域的运动，

为了算出控制参数而使用标准，所述标准考虑在射束方向上的待执行的运动跟踪，并且

其中，所述标准考虑在射束方向上的粒子射束对目标对象的运动的运动跟踪的幅度、在射束方向上的粒子射束对目标对象的运动的运动跟踪的速度、和/或在射束方向上的粒子射束对目标对象的运动的运动跟踪的速度变化。

11.一种用于利用用于控制粒子辐照装置的控制参数组辐照运动的目标区域的方法，其中所述控制参数已经根据权利要求10所述的方法算出。

12.如权利要求11所述的方法，其中，目标体积至少包括用于检验辐照计划的非生物物体的一部分。

13.如权利要求12所述的方法，其中，目标体积至少包括器官模型的一部分。