CN106237545A

CN106237545A - 用于放射疗法的放射量测定技术方面的改进

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Publication number: CN106237545A
Application number: CN201610575496.4A
Authority: CN
Inventors: A.赛义德
Original assignee: Elekta Ltd
Current assignee: Elekta Ltd
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-08
Also published as: US20160361570A1; CN106237545B; GB201510292D0; US10434338B2; EP3103521A1; GB2539261A; EP3103521B1

Abstract

在分部分的放射疗法治疗中，期望的剂量积累是先于基于治疗计划中的指令的部分递送而计算的。然后使用EPID监视该部分的进展，并且使用来自EPID的积分通量数据来实时计算实际剂量积累的估计。这可以与期望的剂量积累进行比较以便验证该部分。

Description

用于放射疗法的放射量测定技术方面的改进

技术领域

本发明追求对用于放射疗法治疗中放射量测定的现有技术的改进。其目的在于接近提供一种实时的在活体内的放射量测定的形式。

背景技术

放射疗法设备递送高能辐射射束(通常在MeV范围中，易于破坏肿瘤细胞)，该高能辐射射束以准直和受控的方式被引导朝向肿瘤部位(或其他病变)。因此，射束的横向范围由准直元件限定以便匹配预定的治疗计划中所确定的模式，诸如肿瘤或其分部的外部轮廓。也改变射束的方向，使得从多个方向照射该肿瘤，从而减少递送到肿瘤部位周围的组织的剂量。治疗还以“部分(fraction)”的方式递送，即每隔(例如)一天递送单独的部分剂量，其合计达要被递送的总剂量；按照部分递送剂量减轻了对肿瘤部位周围的健康组织的副作用。

通常，在递送第一个部分之前将草拟治疗计划，其将详述将合起来形成该第一部分的若干射束片段的射束形状、方向和强度/持续时间。这些射束片段被设计成共同地沉积与由临床医生规定的剂量分布对应的在肿瘤中的三维剂量分布，并且其两者通常将递送到非肿瘤区域的剂量减到最小，并且对于患者的某些指定的敏感区域保持在较高的剂量限制内。这是具有挑战性的问题，并且通常由计算设备上执行的迭代过程得出治疗计划。

对于辐射治疗设备来说具有检测器现在是很常见的，该检测器通常附连到机架(gantry)，位于高能辐射源的对面并且放置成以便在辐射射束已经穿过患者之后检测辐射射束。这种“射野(portal)成像仪”通常包括平坦面板检测器(以电子射野图像检测器或“EPID”的形式)，其可以创建被患者衰减的治疗射束的图像；从该图像以及从所递送的射束的先验知识，可以得出关于穿过患者的辐射积分通量的分布的信息。在一部分完整之后一旦该系列瞬时积分通量模式已经被放在一起，它们可以结合在治疗之前或治疗期间获得的解剖信息(例如计划的CT扫描或部分内的(intra-fraction)MR图像)一起用来估计在该部分期间递送的三维剂量模式或剂量当量。涉及显著的计算工作量，因此通常是在该部分完整之后使用来自该部分的所有观察到的积分通量模式完成计算，以允许部分后的剂量递送的QA检查。

发明内容

创建该递送剂量的部分后检查的过程是质量保证的有用形式。然而，如果在治疗计划和/或递送过程中已经有重大错误，那么仅在不正确的剂量已经被递送之后此QA检查才将使该重大错误显露。QA的优选形式将是对实际上正在被递送的瞬时剂量进行实时检查，如果错误是明显的，则提供选项来推迟递送。

我们已经认识到如果发现在可用的时间内充分有效地执行计算路线，EPID图像和/或源自该EPID图像和递送的射束的单独的积分通量提供了用于实时放射量测定验证的数据的潜在来源。

根据本发明，基于治疗计划预先计算对于讨论中的部分所期望的剂量递送模式，并且在第一治疗部分期间用于比较的目的。因此在治疗部分期间所有需要计算的是基于可源自EPID数据的观测的积分通量而已经被递送的剂量上的增加的增长。

因此本发明提供一种放射疗法设备，其包括用于递送剂量给患者的治疗性辐射的源，用于被患者衰减之后的治疗性辐射的检测器以及控制单元，其适应于：

i.接收一系列剂量递送指令；

ii.接收描述患者的数据和表示至少患者的几何形状的特征的数据；

iii.使用该剂量递送指令和该患者数据，通过剂量递送指令的初始子集的执行来执行第一计算分析以查明要递送给患者的期望的剂量分布以便产生第一剂量分布；

iv.继完成第一计算分析之后，引起设备执行该剂量递送指令；以及

v.在该剂量递送指令的执行期间，

a)获得检测器的输出；

b)基于所获得的输出连同患者数据来执行第二计算分析以产生估计的实际剂量分布，以及

c)比较估计的实际剂量分布与期望的剂量分布。

控制单元可以以多种方式对比较的结果做出反应。如果比较示出在随后的剂量分布和第一剂量分布之间的显著的差异，一个简单的警告信号将使设备的操作者能够介入并采取适当的行动。备选地，显著差异的发现可提示治疗部分的中断。例如，如果差异超过预定的阈值可以认为该差异是显著的。对于该设备来说可以计算校正行动或损害减轻行动也是可能的，特别是在比较揭示出剂量不足的情况下。

该比较可以作为附加的过程执行，其中实际的剂量分布累积并且与期望的剂量分布比较；备选地，可以从期望的剂量分布减去实际的剂量分布。从而，可以以多种不同的方式显示该比较以帮助剂量递送进展的视觉显示和/或帮助从业者监视剂量递送进展。例如，监视还要被递送的剂量接近零比监视已经递送的剂量达到预定的水平理解起来可能更加直观。

通常，步骤(i)到(iii)将在第一日历日开始，以及步骤(iv)和(v)将在随后的日历日发生。这允许用于步骤(iii)的计算分析的时间，其可能(经常)通宵进行。

优选地重复步骤(iii)的计算以获得对应于剂量递送指令的多个初始子集的多个期望的剂量分布。“初始子集”打算意指以第一个指令开始的整个剂量递送指令集的一个子集，并且包括从第一个指令之后的若干随后的指令一直到遍及整个集合的中途的一个指令并且不包括任何后来的指令。这样，随着治疗部分的进展，多重期望剂量分布对递送的剂量的渐进的发展进行建模。理想地，期望的剂量分布的数量将与指令的数量相等，这意味着对每个指令之后递送的剂量建模并且在递送中对错误提供最大的灵敏度。然而，为了计算效率的原因不必要这样。治疗计划中单独的期望剂量分布不需要彼此相同。例如，如果监视治疗功效的进展并且改变部分之间的治疗计划，或者如果治疗计划包括不同的计划部分，那么单独的部分可能导致不同的期望剂量分布和实际剂量分布。

该源将经常包括测量它的辐射输出的传感器，在这种情况下可以通过观测由传感器测量的输出射束和由检测器测量的衰减的射束之间的差异来确定递送的辐射。

描述患者的数据理想地至少包括限定患者外部表面的数据，并且还可以包括限定患者体内组织类型和组织密度中至少一个的数据。在它仅包括患者的外部表面的情况下，该计算分析可包括通过由标准材料(诸如水)组成的身体的存储的辐射积分通量信息的反投影从而确定剂量分布，该标准材料具有对应于患者外部表面的形状。这种分析对计算是直截了当的并且因此能够在进一步的执行期间完成。在可以获得足够的计算资源的情况下，描述患者的数据可以更加详细并且计算分析可以包括通过限定组织类型信息的存储的辐射积分通量信息的反投影。

这可以用改变复杂性水平来完成。在一个示例中，可以使用在(使用各种模式，包括X射线、MRI、SPECT或PET等等)治疗之前或治疗期间获得的患者的二维图像来确定和在治疗部分之前或治疗部分期间的辐射射束有关的各种组织类型的位置和/或密度。然后可以使用这些连同由检测器测量的衰减射束以确定在部分的过程期间递送到患者体内各种组织的剂量的估计，其可以用来确定该部分是否根据放射疗法计划继续进行。

在另一示例中，在治疗之前或期间可以获得患者的多个二维图像以便生成患者的三维体积图像。可以使用本领域已知的方法来结合以这种方式在治疗之前获得的图像(例如用替代(surrogate)信号(诸如在患者上的肺活量计或标记块))以便解释由例如呼吸引起的患者的周期运动，使得可以结合在呼吸周期中相同阶段期间获得的二维图像以创建在患者的呼吸周期中的一个阶段的更清楚的三维图像。在治疗期间可以使用相同的替代信号来确定在获取衰减射束图像时组织的位置，以便更加准确地计算患者体内的剂量沉积。备选地，可以选通辐射射束使得辐射仅在患者已经到达他们呼吸周期中的特定阶段时施加给患者，该特定阶段对应于已经重建三维图像的那个阶段，以便可以使用该三维图像来确定剂量沉积。在治疗期间获得了多个二维图像的情况下，这样的系统可以使用替代信号或公共时钟来使所获得的部分内解剖学图像与对应的衰减图像相匹配，并且使用这些部分内解剖学图像来确定患者组织的位置并转而确定该部分的过程期间剂量的累积。

在另一示例中，可以处理多个二维图像来产生患者的目标体积的多个三维图像，其中每个三维图像代表了在患者的呼吸周期中的一个阶段处的患者的解剖结构。这些三维图像可以依次用于以四维的方式对患者内部组织的运动进行建模。这可以使用本领域已知的方法完成，其中使用在患者呼吸周期的相同阶段期间获得的多个二维图像生成的三维图像被依次排序以便创建患者内部解剖位置的四维运动模型(如果图像是在治疗开始之前获得的)，或者实时的四维电影图像，其中在部分的过程期间持续获得患者的图像以便更新三维图像并从而更新四维电影图像。然后这些模型或电影图像可以与衰减射束的图像结合以确定在部分的过程期间在一个组织接一个组织(tissue-by-tissue)的基础上患者体内的剂量沉积，以便确定遍及该部分是否正在发生与计划的剂量沉积的任何显著偏差。

在没有这种数据存在的情况下，这种方法仍然可以完全地应用于由检测器测量的衰减射束以确定在部分期间累积的辐射暴露的模式，其可以与估计的模型比较。

诸如组织类型信息之类的患者数据可以通过例如基于图谱的自动分割软件或任何合适的备选软件获得，该基于图谱的自动分割软件基于其在图像中的形状和位置与标准的、经定义的参考图像相比较来确定组织类型。由这种手段获得的组织类型信息可以通过用于在治疗部分期间追踪特定组织类型的表面或边界的较低分辨率的方法来补充，以便在剂量递送指令的执行期间提供进一步的精确度。这样只必须定义组织类型一次，并且在图像上标记它们的位置。此后，这些组织的边界可以被追踪以及用来确定在每幅图像中组织的位置。用于追踪组织边界的一个合适的低分辨率的方法可以是变形场分析；随着实时计算能力的发展，用本发明可以使用更加精确的组织类型追踪。

在系统的计算能力有限的情况下，比较跨越整个检测器区域的剂量的一种替代性选择可以是在检测器的子区域之间进行比较。这既可以通过选择检测器上的特殊像素组并且随着部分的进展比较那些像素组中的剂量累积来实现，又可以通过选择识别的组织类型(诸如肿瘤、器官、骨等)的特殊子区域并且在部分的进展期间监视那个组织类型子区域中的剂量累积来实现。在任一种情况下，可以比较部分之间剂量累积的进展以确定部分是否如打算的进展，以及采取的行动应该被发现在随后的部分期间在剂量累积模式之间有显著的偏差。

描述患者的数据可以以通常已知的方式从患者的CT扫描和MRI扫描中的一个得到。

分析优选地在部分期间在半连续的基础上执行。从而，控制设备优选地布置成考虑由于该系列剂量递送指令中步骤的初始子集而获得的信息来执行第一计算分析，以及在剂量递送指令的进一步执行期间并且在该系列剂量递送指令中步骤的相应的初始子集之后执行第二计算分析。第一子集可以(例如)包括该系列指令的步骤1到步骤“n”。控制设备理想地布置成在该系列剂量递送指令中步骤的不同子集之后执行多对计算分析，诸如在第二子集后，该第二子集可以包括该系列指令的步骤1到步骤“m”。

可以通过检测器测量递送的辐射积分通量。如果可得到更多的信息，例如如果可得到患者的解剖结构的图像，那么来自检测器的测量结果可以被反投影以估计递送的辐射积分通量的空间测量。实际的剂量中的该反投影估计可以(如在步骤v中)与期望的剂量相比较。

附图说明

现在将参考附图以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了本申请可以应用的设备的图解形式；

图2示出了已知的比较过程；

图3示出了根据本发明的样本剂量发展；以及

图4示出了根据本发明的比较过程。

具体实施方式

图1示意性地图示了可以应用本发明的放射疗法设备。包括肿瘤或其他病变12的患者10被支撑在患者台14上。这是能够以通常已知的方式定位的，该已知方式允许在多达6个轴(三个平移的，三个旋转的)上调整患者10的位置，从而允许肿瘤12被定位在对该设备便利的位置。

提供机架16以紧密地邻近患者台14，并且可围绕水平轴18旋转。如所图示的，布置患者台14使得水平轴18大体与患者的颅索(cranio-cordal)轴对齐，但是实际上可以旋转该台使得患者处于便利于所打算的治疗的任何角度。这种类型的旋转在将患者的敏感结构移出治疗场或者移入更容易避开的场区域方面可以是有用的。臂(不可见)从机架16延伸并且承载治疗辐射源20，其发射大体朝向水平轴18的射束22。在该源结构内提供准直器24，其能够使射束22成形并引导射束22进入所选择的横截面，其是它的最大孔径的子集。在该源中还提供一个或多个传感器25来测量辐射输出。

如图1所示，机架16上的源20处在它的最高位置，从而引导射束22竖直向下。随着机架16带着源20并旋转，射束将从一系列的方向接近患者。当沿着那个方向观察时假设使用准直器24使射束横截面成形为肿瘤12的形状(被称为旋转保形弧疗法(rotationalconformal arc therapy))，那么效果将是肿瘤12始终保持在射束中而周围的组织仅仅在机架16处于或穿过两个特定旋转位置中的一个时被短暂地照射。因此，该布置允许保持递送到肿瘤的剂量同时将显著较低的剂量递送给周围的组织。

其他的治疗模式是可能的，包括比相对简单的旋转保形弧疗法更复杂的准直器运动。在这种治疗中，可以与机架的旋转速度以及由源20递送的剂量率一起调整准直以便建立在肿瘤和患者的解剖结构周围是最佳的三维剂量分布。这种剂量分布可以确保足够的剂量被递送进入肿瘤同时观测到其他区域的最大允许剂量，其可以根据在那些区域的组织的性质而改变。例如，诸如脊髓之类的敏感区域可以被保护以免受辐射剂量的影响。这种剂量分布是通过计算“治疗计划”递送的，该“治疗计划”包括需要发生以便递送该分布的必要的机架运动、准直器运动以及剂量率。该治疗计划通常通过迭代计算过程获得，该过程考虑了该剂量分布，并且该设备以通常已知的方式约束以得出对于该患者的单独的治疗计划。

考虑对于治疗室来说美观可接受的环境，机架16通常设置在壁19内使得用于支撑机架并精确地旋转它的相对庞大的机械装置可以被隐藏。

同样附连到机架16上的是以用于治疗辐射的平坦面板检测器形式的电子射野成像装置(EPID)26，其通常使用闪烁技术来获得治疗射束的数字图像。EPID26放置在机架上与源20相对并且因此患者10躺在源20和EPID 26之间。结果，在治疗射束被患者10衰减之后EPID 26看到该治疗射束，并且因此用发射的射束的性质的知识以及患者的解剖结构信息，可以确定由患者吸收的辐射的测量。根据遍及治疗而获得的这种剂量组，一旦治疗部分完整，可以计算递送到患者的实际剂量的三维表示。该计算过程花费一些时间，但通常在下次治疗部分之前是可用的。这意味着实际递送的剂量可以与计划要递送的剂量相比较，从而验证治疗计划并确认该治疗部分是成功的。通常，这在每个部分之后完成。

因此，图2示出了常规的放射疗法设备中的比较过程。治疗计划包括一系列单独的子剂量28a、28b、28c、28d、28e、28f；特殊的治疗计划可以根据需要包括更多的子剂量或更少的子剂量。总共，这些子剂量28a-28f累积地递送全部的剂量30。在治疗计划阶段期间，这将已经与医师规定的剂量比较并且确认为相同或者在被认为可接受的设置公差内。然后该设备递送第一治疗部分，递送子剂量32a、32b、32c、32d、32e、32f。在这个时间期间，EPID 26监视离开患者的辐射并记录此辐射。在该部分的递送之后，它将该信息与患者特定的解剖结构信息结合以确定该部分期间递送的子剂量。这些子剂量相加创建累积的剂量34并且执行与计划的剂量30或规定的剂量的比较36以确认任何的差异在认为可接受的设置公差内。

如果在计划的或规定的剂量和实际递送的剂量之间有重大的差异，那么发出警报吸引医护人员的注意，所述医护人员可以调查为何会发生此事。另外，然后第二部分能够以相似的方式被递送。因此，子剂量38a到38f将被递送，并且自始至终由EPID 26监视。在第二部分结束时，在该部分期间递送的总剂量40和计划的剂量30或规定的剂量之间做比较42，再次确认任何的差异在被认为可接受的设置公差内。如果观察到显著的差异可以发出类似的报警，或者治疗可以以相同的方式继续到另外的部分(如果需要)。

明显地，如果在部分的递送中有错误那么直到该部分完整为止才会检测到此错误。同时明显聊胜于无的是，能够比这样更快地检测到错误将是有用的。本发明因此提出从治疗计划计算针对第一(以及随后的)部分的期望的剂量递送模式并且在讨论中的治疗部分期间用于比较的目的。治疗计划将包括一系列的步骤，并且能够对将由那些步骤递送的射束形状建模。用那些射束形状的知识，可以对第一部分递送期间的剂量模式建模，这理想地使用与在这些治疗部分期间要使用的重建技术相同的重建技术。这些期望的剂量分布然后可以用作用于与随着部分的进展而重建的实际剂量分布进行比较的基础，以比较和确定递送中的任何变化。

为了说明此概念，如图3中所示想象每个治疗计划步骤(或相对于时间)正被计算的单个点剂量。沿着图3的x轴是治疗部分的进展，其以任何常规的尺度(诸如时间或治疗步骤等)来测量。沿着y轴是递送到正在讨论的点的剂量。菱形点44图示在那个治疗部分期间期望递送直到那个点的总剂量。如可以看到的，这以每个子剂量46稳定地增加直到在治疗结束时为止已经递送了计划的总剂量48。

在实际部分(诸如，第一、第二、第三、第四等)中，基于观测到的EPID积分通量测量结果可以执行相同的重建过程以产生进一步的剂量/进展曲线，这次用正方形点50图示出。在这种情况下，随后部分的正方形点50紧紧跟随第一部分的菱形点44，表明随后的部分以和第一部分相同的方式发展。这个比较可以用在心里可接受公差来做出。从而，可以在第二部分和随后的部分的每个子剂量46之后做比较以便确定该部分正在正常的进展。根据涉及的计算负荷以及可用的计算能力，这可以针对肿瘤内、或患者体内、或感兴趣区域内的每个点来重复。如果检测到显著的分歧，那么可以发布警告和/或停止或中断该治疗部分。(在大多数情况下)这应该导致正被递送的较低的意外剂量。值得注意的是如果错误是在治疗的初期中并且涉及接收显著剂量的位置，那么有可能可以在规定的剂量48已经被递送之前检测到正在发展的错误。

图4示出了图2的版本，示出了由本发明提供的额外的比较。因此，除了在治疗部分结束时执行的比较36之外，在由计划的子剂量28x预测的效果和由实际的子剂量32x产生的效果之间有一系列的比较52a到52f。

然后对于随后的部分可以重复该比较过程，每个与通过基于治疗计划的计算预测的剂量积累曲线相比较。如果随后的部分使用了相同的治疗计划，那么可以使用相同的预测剂量积累曲线。

根据从EPID获得的积分通量模式的知识以及根据患者解剖结构的知识来计算(对于每个位置的)剂量自身。理想的方法是使用已知的技术，从已知的形状和患者的内部结构(即组织类型、组织密度等等)开始并且重建通过患者的观察到的射线积分通量以便计算递送到患者体内每个点的剂量。该方法产生所递送的剂量模式的最准确的表示。备选地，需要较少计算的方法仅仅使用了患者的轮廓并且假设患者是由均一的标准材料(诸如水)组成。在尚未考虑患者组织密度方面的内在变化的情况下，该剂量模式更易于计算得多，从而允许在递送治疗部分所需的时间内完成若干次这样的计算。以这样的方式产生的剂量模式不太准确，但(我们已经发现)足够用于与其他治疗部分比较的目的。

因此，在每个子剂量之后或在一组子剂量之后，在该部分期间可以计算迄今为止递送的累积剂量。这些可以与使用治疗计划计算得出的对应的剂量模式相比较以便提供该部分是依照打算而进行的实时的确认。

因此，在一部分(而不是整个部分)期间通过允许较简单的重建(诸如患者的水模型)以及(在任何一个时间)通过仅对递送的子剂量的一个子集进行操作，本发明将这种类型的检查过程的计算负荷减少到能够随着治疗部分的进展而实时完成的计算负荷。

在一些系统中，考虑到肿瘤的尺寸、形状、位置(等等)方面的变化，调整用于第二或随后的部分的治疗计划。可以对来自第一部分和患者解剖信息的记录数据做相应的改变以便确保该比较保持有效。

当然将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述的实施例做出许多变化。

Claims

1.放射疗法设备，包括：

用于递送剂量给患者的治疗辐射源，

用于被患者衰减之后的治疗辐射的检测器，

控制单元，其适应于：

i.接收一系列剂量递送指令；

v.在该剂量递送指令的执行期间，

a)获得检测器的输出；

b)基于所获得的输出连同患者数据来执行第二计算分析以产生估计的实际随后剂量分布，以及

c)比较估计的实际剂量分布与期望的剂量分布。

2.根据权利要求1所述的放射疗法设备，其中如果比较示出在随后剂量分布和第一剂量分布之间的显著的差异，则控制单元适应于发布警告信号。

3.根据权利要求2所述的放射疗法设备，其中如果差异超过了预定的阈值则该差异是显著的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的放射疗法设备，其中步骤i到iii在第一日历日开始，以及步骤iv和v在随后的日历日发生。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的放射疗法设备，其中该源包括传感器来测量它的辐射输出，并且通过由传感器测量的输出射束和由检测器测量的衰减的射束之间的差异来确定递送的剂量。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的放射疗法设备，其中描述患者的数据包括限定患者外部表面的数据。

7.根据权利要求6所述的放射疗法设备，其中计算分析包括通过由标准材料组成的身体的存储的辐射积分通量信息的反投影从而确定剂量分布，该标准材料具有对应于患者外部表面的形状。

8.根据权利要求7所述的放射疗法设备，其中标准材料是水。

9.根据权利要求1到6中的任一项所述的放射疗法设备，其中描述患者的数据包括限定了患者体内组织类型和组织密度中的至少一个的数据。

10.根据权利要求9所述的放射疗法设备，其中计算分析包括通过经限定的组织类型信息的存储的辐射积分通量信息的反投影从而确定剂量分布。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的放射疗法设备，其中描述患者的数据是从患者的CT扫描和MRI扫描中的一个而得到的。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的放射疗法设备，其中重复步骤(iii)的计算以获得对应于剂量递送指令的多个初始子集的多个期望的剂量分布。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的放射疗法设备，其中控制设备布置成考虑该系列的剂量递送指令中的步骤的子集来执行第一计算分析，以及在剂量递送指令的执行期间和在该系列剂量递送指令中步骤的相应的子集之后执行第二计算分析。

14.根据权利要求13所述的放射疗法设备，其中该控制设备布置成在该系列的剂量递送指令中步骤的不同子集之后执行多对的计算分析。

15.关于和/或如附图中所图示的大体上如本文所描述的放射疗法设备。