CN107073284B - 用于辐射逆向治疗计划的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于线性加速器的辐射逆向治疗计划系统，包括：‑辐射源，其配置用于递送个体剂量喷射（a^j），每一次个体剂量喷射具有目标区域内部和/或外部的预定位置和入射角、大小和形状，‑至少数据总线系统（102），‑耦合到数据总线系统（102）的存储器（106），其中存储器（106）包括计算机可用程序代码，以及‑耦合到数据总线系统（102）的处理单元（104），其中处理单元（104）配置成执行计算机可用程序代码以便：‑预先计算（10）个体剂量喷射（a^j）的集合，‑基于一个或若干约束（20）将权重（s_j）关联（40）到每一次个体剂量喷射（a^j），其特征在于，处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：‑找到（30）个体剂量喷射的最稀疏子集，以满足所述一个或多个约束（20）。

Description

用于辐射逆向治疗计划的系统

技术领域

本发明的实施例涉及用于计划和实时控制辐射治疗的系统。在不失一般性的情况下，本发明的系统可以有用地用于通过各种性质的准直辐射源来计划放射疗法的治疗，该准直辐射源比如例如是多束伽马辐照、由线性加速器生成的光子束、常规高电压X射线源或放射源。本发明还可以有用地用于计划和控制通过带电射束（例如电子、离子或强子）进行的治疗辐照。

背景技术

包括放射疗法和放射外科学系统的许多辐射疗法系统使用产生单个辐射束的γ放射性同位素或粒子加速器（典型地，线性电子加速器，简称为LINAC），以辐照身体的目标区。即便光子疗法是盛行的，通过粒子束（例如电子和质子）进行的辐照也被使用且已经示出其相应应用区域中的非常高的成功率。存在非静态结构的选择性辐照的与在光子疗法的情况下相同的困难，并且本发明可以被有用地应用于任何形式的辐射疗法。

在努力控制剂量沉积模式以便实现最优疗效并尽可能多地减少向健康组织递送的剂量的情况下，已经开发了若干类型的准直器和辐照几何结构，其通常具有相当大的成功。

在基于LINAC的放射疗法系统中，辐照并非不仅在与辐射束相对于目标的固定预定位置和取向相对应的一个单个入射（即一次喷射）下执行，而是其使用多个接连入射以提高剂量递送的一致性。大数目的多个入射被用于执行所谓的基于Linac的放射外科手术。

射束横截面典型地包括在范围10cm-30cm中，例如在前一种情况下为20cm，且在后者中可以取决于所选择的准直器的大小而是4、8或16mm的。基于LINAC的辐射疗法通常配备有用于根据所选治疗计划修改横向射束尺寸的准直器设备。若干最近的放射疗法和放射外科学系统包括多叶式和微多叶式自动准直器，其可以在治疗期间被控制以便以毫米范围内的几何精度产生任意形状的辐射束。

在大多数实例中，线性加速器的辐照不在与辐射束相对于目标的固定预定位置和取向相对应的一个单个入射（即一次喷射）下执行，而是根据多个接连入射而执行，以提高剂量递送的一致性。大数目的多个入射被用于执行所谓的基于LINAC的放射外科手术。

在本发明的上下文中，名词“权重”指代喷射的一个或多个参数，例如以非限制性方式，指代辐照的时间和/或剂量率和/或剂量分布等。

在大多数基于LINAC的放射疗法系统中，发射头附连到可绕患者以完整或部分圆形机械旋转的物理支撑物（称为“台架”）。患者躺在其中的台面（称为“沙发”）有时也可以以线性或成角台阶而移动。辐射束的强度和形状在逐个入射的基础上加以适配，或者可能甚至在单个入射内通过合适地控制LINAC和通过自动多叶式准直器加以适配。

台架和/或沙发的移动的组合使目标位置处（所谓的等角点处）的多个接连辐射束的相交成为可能，因而产生目标内部的高总剂量并且同时导致周围区域中的较低辐射。

一些其他系统（即，由公司Accuray商业化的Cyberknife）使用安装在机器人臂上的小尺寸LINAC，从而允许保持LINAC的机器人头的运动中的大自由度，并且因而允许多种多样的LINAC位置和入射角。

还存在IR机器，例如Elekta的VMAT（体积调制弧疗法）系统，其中辐射剂量不通过离散数目的入射而递送，而是辐射束源在患者身体周围的连续弧中扫过，而同时控制射束参数。这些系统试图减少治疗时间。

已知使用数个成像或定位技术来实时控制辐射递送，同样考虑到患者和/或目标器官的移动。例如已知监视目标区的位置（例如通过荧光透视法）并且利用确认目标处于标称位置中的信号来门控辐射源。如果患者或目标器官移动超过预定阈值，则这些系统可以例如暂停辐照。然而，非常大数目的输入变量和实时控制辐射束的困难到目前为止已经限制这些努力的有效性，并且身体的局部化区域的选择性治疗依旧是当前设备仅能够部分达成的困难目标。

在所有那些系统中，计划阶段是执行下述操作所必需的：在最一般的情况下，确定接连辐照喷射的数目、位置、入射角、形状和（一个或多个）权重，以便向目标区递送期望剂量分布，而同时在必要的情况下保护周围敏感区以免于过高辐照剂量。

在本发明的上下文中，喷射（或剂量喷射）则是以给定形状和（一个或多个）权重从给定位置、入射角递送的辐射剂量。治疗时期可以包括不同大小和形状的多次喷射。通过扩展，“喷射”还可以对应于调制弧疗法中的弧。

取决于系统的类型，要定义的参数可能比以上描述的那些参数更受限。作为示例，当LINAC安装在具有固定沙发的旋转台架上时，入射角的集合被限制到由台架的旋转产生的那些入射角。

对于每一次喷射，用户（即，（一个或多个）医生和/或物理学家）必须确定其在目标区域中的位置和入射角以及要在等角点周围递送的辐照剂量的大小和形状。

对于每一次喷射，必须确定与源的剂量率有关的辐照的时间（即在此期间LINAC正在工作的时间）。在最高级的当前系统（诸如VMAT（Elekta）和RapidArc（Varian））中，剂量率（即每单位时间的辐射量）和喷射的其他参数（例如，以非限制性方式，剂量的区域中的辐照的分布（例如高斯分布、平坦分布等））还可能要求在先确定。在计划阶段中，每一个患者的治疗计划一般是通过放射肿瘤学家与物理学家协力工作来开发的。根据最广泛使用的计划过程，他们通过试错法的迭代过程确定喷射的数目、位置和入射角，连同其大小、形状和权重，以及最近确定剂量率。

用于LINAC和其他RT装备的已知辐射逆向治疗计划系统一般要求喷射的数目、位置和入射角应被给出作为输入参数，并计算辐照参数关于期望剂量分配的最优组合。如已经提到的，一些计划和控制系统在某种程度上将患者在递送辐射时（例如随着患者呼吸）的移动或者患者的一个或多个移动器官考虑在内。然而，已知系统不能够执行喷射的实时计算，以使它们以足够的精度适配于这些移动并通常将它们自身限制到禁止否则将由于患者的移动而脱离目标的喷射。

已知的辐射逆向治疗计划系统不够精确，使得目标（例如肿瘤）周围的区域的保护并不非常有效，尤其是在较大肿瘤中。这要求辐射治疗（例如放射疗法）的多个时期。

而且，计划步骤的当前过程相对复杂、冗长、不直观且缓慢。计划过程的持续时间降低生产率并增加每次治疗的成本。其质量本质上取决于用户的经验。获取该经验要求长训练时段。

的确，进行计划的当前方式要求定义将最终产生期望剂量分配的机器的技术和操作参数。那些参数与实际剂量分配之间的关系并不总是直观的。因而请求医学用户获取和开拓技术专业知识，并且在大多数情况下，该医学用户需要由医学物理学家帮助，而他/她应当宁可专注于治疗的医学方面上。

逆向计划系统试图通过基于目标区性质的知识（例如来自CT或MRT图像）确定喷射权重来减少以上负担，操作者规定目标区和/或某些剂量约束内的某个剂量分配。自动逆向计划系统找到一组参数，其造成尽可能接近于预定剂量分配的治疗计划。

那么，经典逆向计划过程要求由操作者定义目标区域和应当被递送给它的最小剂量。其次，计划系统还帮助最小化对要保护的区域的剂量。

逆向计划然后典型地被定义为优化问题，其中自动搜索技术参数以最小化测量期望剂量分配与实际实现的剂量分配之间的差异的成本函数。可以使用各种优化技术。

如今使用的这样的逆向计划系统是耗时的，因为它们使用缓慢的优化技术且大多数时候要求由物理学家对一些参数的手动定义的一些部分。如果医学肿瘤学家认为结果不令人满意，则该过程然后必须被重复，这要求物理学家团队更多的工作和时间。为了进一步拉长该过程，逆向计划系统依赖于辐射相互作用的简化模型（所谓的“笔形射束”近似）以便在可管理的时间中递送结果，并且一旦它们已经收敛到解，这就需要由更精确但也更缓慢的仿真（比如例如蒙特卡罗仿真）来证实。

已知的计划系统一般在许多辐照参数必须被提前定义的意义上也是静止的。通常，例如，喷射的数目及其角度应被提前定义为输入参数。通常，已知的计划系统具有在治疗过程中适配于实际的所递送的剂量的非常有限的能力，这降低了其精度。

在已知系统当中，US2011085643描述了使用稀疏区段的规则化的辐射疗法逆向治疗计划。该文档提出了最小化辐射治疗计划的辐射区段（或子场）的数目的方法。然而，重要的是，作者没有暗示以任何方式改变或优化在疗法中使用的辐照场的参数和数目。换言之，在该文档中呈现的方法不变地产生具有预定场集合的治疗计划，例如，（段落[0079]）对应于0°、70°、145°、215°、290°台架角度的五个场。虽然作者提出了旨在减少这些场中的每一个的辐射区段的数目的算法，但是结果得到的治疗计划的数目和入射角是严格预定的。

那么，本发明的目的是消除或减轻以上提到的缺点中的一个或多个。

由US2011085643描述的方法的另一限制在于：其不惜任何代价而要求多叶式准直器。本发明提出了一种方法，虽然在与多叶式准直器结合时尤其有效，但该方法也可以被有用地应用于不包括该设施的RT装备。另外，为了实现收敛，US2011085643的方法必须将参数空间限制到Pareto区的内部，且由于该原因而可能未能找到位于该限制外部的良好解。

本发明的目的是提供一种辐射逆向治疗计划系统，其可以简化治疗的计划阶段。

本发明的目的是提供一种辐射逆向治疗计划系统，其能够执行喷射的实时计算，使它们适配于动态目标，将患者的移动和目标的解剖学修改考虑在内。

本发明的另外的目的是提供一种辐射治疗计划系统，其能够：动态地适配辐照参数，包括例如喷射的数目、其角度和权重；以及实时校正从所计划的辐照模式的偏离。

本发明的目的是提供一种比已知系统更加精确的辐射逆向治疗计划系统。

本发明的目的是提供一种辐射逆向治疗计划系统，其是对现有系统的可替换方案。

本发明的治疗计划系统不限于将线性加速器（LINAC）用作辐射源，且可以使用例如任何其他类型的辐射源以及以非限制性方式使用钴源或质子束。

在更一般的意义上，本发明的范围甚至不限于外部射束辐射治疗的计划，而是包括发明方法适用于的其他医学过程的计划。

作为类比，可以通过考虑治疗必须包括放置具有经优化的位置和强度的个体辐射源，将本发明的方法应用于短距离放射疗法的治疗的计划。根据本发明的一个方面，个体源的位置和强度可以通过下述操作而计算：预先计算一组个体源，将权重（其可以涉及其放射性强度）关联到每一个源，以及找到满足由放射肿瘤学家确定的约束（例如对被递送至肿瘤、相应被递送至附近的风险器官的累积剂量的约束）的个体源的最稀疏子集。

同样通过类比，本发明的方法可以被应用于由机器人装置进行的机器人外科学过程，该机器人外科学过程在解剖刀、热消融探针、冷冻疗法探针或任何其他外科仪器的个体动作的组合中分解。发明方法可以在该情况下用于确定满足给定数目的约束的动作的最稀疏集合。

发明内容

根据本发明，这些目的由随附权利要求的客体来实现，即，由一种辐射逆向治疗计划系统来实现，所述辐射逆向治疗计划系统包括：

- 辐射源，其配置用于递送个体剂量喷射，每一次个体剂量喷射具有目标区域内部和/或外部的预定位置和入射角、大小和形状

- 至少数据总线系统；

- 耦合到数据总线系统的存储器，其中存储器包括计算机可用程序代码；以及

- 耦合到数据总线系统的处理单元，其中处理单元配置成执行计算机可用程序代码以便：

- 预先计算个体剂量喷射的集合，

- 基于一个或若干约束将权重关联到每一次个体剂量喷射。

在一个实施例中，关联到每一次个体剂量喷射的权重包括辐照的时间。

在另一实施例中，关联到每一次个体剂量喷射的权重包括剂量率。

在另一实施例中，关联到每一次个体剂量喷射的权重包括剂量分布。

在另一实施例中，关联到每一次个体剂量喷射的权重包括剂量喷射的任何其他参数。

本发明的辐射逆向治疗计划系统可以使用线性加速器（LINAC）作为辐射源。

相比于优化每一次个体剂量场（即每一次剂量喷射）的注量的已知方法，本发明提出了准许优化个体喷射的计划方法。换言之，从由位置和入射角以及大小和形状表征的一组可能剂量喷射开始，本发明的方法操作个体喷射（或场）的最优子集的选择。值得注意的是，可能剂量喷射的起始集合可以是非常大的集合，理论上大到包括机器的所有可能配置。本发明的方法的强优点确切地在于其从可能性的这样大的集合提取具有有限数目的喷射的最优计划的能力。

重要的是，本发明的方法还可以被用在更早代的机器中，其中不能修改个体剂量场的注量。

本发明提出了一种用于逆向计划辐射治疗系统的自动化方法，其中所递送的完整剂量分配被建模为从预定义字典选择的射束的稀疏线性组合。有利地，所述一个或多个约束可以涉及对应的结果得到的剂量分配。

有利地，权重可以表示单个或个体剂量喷射的辐照时间。

稀疏性准则的使用允许排除先验不可能的许多解且然后快速收敛到解。稀疏性允许然后实时计算，使得执行喷射的实时计算是可能的，以允许交互式计划并且使它们适配于患者和/或患者的器官的移动，和/或适配于辐射源的物理支撑物（台架）与患者的物理支撑物（沙发）之间的相对移动。

而且，根据本发明的系统比已知系统更加精确，从而允许定义更加直观的约束并且实现它们，使得目标（例如肿瘤）周围的区域的保护更加有效。这可能要求辐射治疗的几个时期，例如放射外科学中的一至五个时期或者当被指示时分次放射疗法中的更大数目的时期。

在优选实施例中，所述系统包括：

- 用于该辐射源的第一物理支撑物，例如台架；

- 布置用于接收患者的第二物理支撑物，例如沙发。第一物理支撑物和第二物理支撑物布置成一个相对于另一个移动。有利地，处理单元执行计算机可用程序代码以便：

- 找到个体剂量喷射的最稀疏子集，以便每当第一物理支撑物相对于第二物理支撑物移动时和/或每当第二物理支撑物相对于第一物理支撑物移动时，都满足这一个或多个约束。

在另一实施例中，处理单元执行计算机可用程序代码以找到个体剂量喷射的最稀疏子集，以便每当患者和/或患者的器官和/或器官的部分移动和/或改变其形状和/或大小时，都满足这一个或多个约束。

在另一实施例中，处理单元执行计算机可用程序代码以找到个体剂量喷射的最稀疏子集，以便每当患者和/或患者的器官和/或器官的部分移动、更改其形状或改变其大小时，都满足这一个或多个约束。

在另一实施例中，处理单元执行计算机可用程序代码以找到个体剂量喷射的最稀疏子集，以便每当在给定时刻处患者中的真实剂量分配不同于所计划的剂量分配时，都满足这一个或多个约束。

在优选实施例中，约束至少包括目标区的部分整体被期望剂量分配的覆盖。可以添加另外的约束以修改目标体积外部的剂量分配并限制到所定义的结构的最大剂量。还可以添加约束以定义目标体积内的剂量分配，如果期望的话。

根据本发明的一个方面，处理单元执行计算机可用程序代码以找到喷射的最稀疏子集以便满足（一个或多个）约束。

根据本发明的发明系统允许经由实时逆向计划系统大幅简化放射外科学计划。

在优选实施例中，处理单元执行计算机可用程序代码以找到最小数目的非零权重以便满足所述一个或多个约束。

根据本发明的发明系统允许计算辐照的最优技术参数以实现施加在剂量分配上的约束。考虑到可由用户在手动计划期间定义的参数的数目，最优解实际上是几乎不可能找到的，尤其是在复杂形状目标的治疗中，甚至是几乎不可能由有经验的用户找到的。

根据本发明的发明系统允许用户交互式地在目标边缘或感兴趣的体积中的任何其他地方处的覆盖范围、幅度和梯度方面定义对要递送的剂量的约束。

对于用户而言的优点至少为以下各项：

- 他/她不必专注于期望剂量分配的实现的技术方面上，而是仅必须考虑他/她想要配给哪个剂量以及他/她想要在哪里配给。

- 交互式计划工具允许他/她实时决定和修改剂量分配的形状以确保目标的适当辐照和其他器官的适当保护。

- 计划变得直观、快速且因而成本有效。

- 用户还可以容易地添加对问题的更多约束，诸如最大治疗持续时间，例如，系统提供尽可能接近于期望剂量分配的最佳可能计划，同时保持在时间预算内。

由根据本发明的系统执行的计划过程比已知解决方案简单、快速且用户友好得多，尤其是在复杂目标配置方面。

凸受约束优化问题可以被用于确定治疗计划，即射束的数目以及射束取向、大小、形状和权重（或那些参数的子集，取决于所考虑的系统的物理性质），以产生期望剂量递送分布。

优化问题可以包括被应用于目标区和诸如要保护以免于高辐射剂量的敏感结构之类的其他区域二者的剂量约束。

可以通过总体或部分地覆盖可能射束位置、入射角、大小和形状的集合的射束的大集合来计算、编写字典。在该计算之后，可以对凸优化问题进行求解以确定最优计划，即那些射束的最优子集以及其振幅，以满足所定义的约束。

本发明还涉及一种计算机程序产品，包括：

有形计算机可用介质，包括用于辐射逆向治疗计划系统的计算机可用程序代码，所述辐射逆向治疗计划系统包括配置用于递送个体剂量喷射的辐射源，每一次个体剂量喷射具有目标区域内部和/或外部的预定位置和入射角、大小和形状，所述计算机可用程序代码用于：

- 预先计算个体剂量喷射的集合，

- 基于例如对对应的结果得到的剂量分配的一个或多个约束将权重关联到每一次个体剂量喷射，

其特征在于，处理单元执行计算机可用程序代码以便：

- 找到个体剂量喷射的最稀疏子集，以满足所述一个或多个约束。

本发明还涉及一种存储利用辐射逆向治疗计划方法创建的呈现内容的计算机数据载体，所述辐射逆向治疗计划方法包括以下步骤：

- 预先计算个体剂量喷射的集合，每一次个体剂量喷射由辐射源生成，且具有目标区域内部和/或外部的预定位置和入射角、大小和形状，

- 基于例如对对应的结果得到的剂量分配的一个或若干约束将权重关联到每一次个体剂量喷射，

其特征在于，处理单元执行计算机可用程序代码以便：

- 找到个体剂量喷射的最稀疏子集，以满足所述一个或多个约束。

附图说明

将在作为示例而给出且由附图图示的实施例的描述的帮助下更好地理解本发明，在附图中：

·图1是数据处理系统的实施例的图示，在该数据处理系统中，可以实现依照本发明的实施例的计算机程序产品的计算机可用程序代码。

·图2示出了根据本发明的可在辐射逆向治疗计划系统的实施例中实现的方法的流程图表示。

·图3是所仿真的前列腺癌症患者的人类骨盆的横向层析成像图像，其示出目标器官和处于风险中的器官的轮廓。

·图4是目标器官和处于风险中的器官的3D模型。

·图5a至5c图示了针对相同仿真患者上的5-射束治疗的剂量分配，在横向上，分别为矢状和冠状切面。

·图6是针对常规5-射束治疗和通过本发明的方法获得的治疗的剂量分配柱状图。

·图7a至7c图示了针对相同仿真患者上的10-射束治疗的剂量分配，在横向上，分别为通过发明方法获得的矢状和冠状切面。

·图8是5-射束治疗和10-射束治疗之间的在剂量分配柱状图上的比较。

具体实施方式

尽管将结合作为辐射源的LINAC更详细地描述本发明，但是本发明找到与许多其他源的联系的适用性，如在此上文所解释的那样。例如，其可以使用其他辐射源，作为伽马射线源，例如⁶⁰Co源、X射线、或者keV或MeV区中的轫致辐射、或粒子束、质子束，特别地，还有离子、电子或能够向目标递送辐射剂量的任何其他合适辐射。

图1是数据处理系统100的实施例的图示，在数据处理系统100中，可以实现依照本发明的实施例的计算机程序产品的计算机可用程序代码。

根据本发明的辐射逆向治疗计划系统100包括：

- 辐射源（不可见），

- 至少数据总线系统102，

- 耦合到数据总线系统102的存储器106，其中存储器包括计算机可用程序代码，以及

- 耦合到数据总线系统102的处理单元104。

图2示出了方法的流程图表示，该方法可以在根据本发明的逆向治疗计划系统100的实施例中实现。

有利地，处理单元102配置成执行计算机可用程序代码以便：

–预先计算包括可能剂量喷射的位置、入射角、大小和形状的列表（或集合）的字典（步骤10），

–由用户定义目标区域中的期望剂量和潜在的附加约束，例如对要保护以免于过高剂量辐射的区域的潜在附加约束（步骤20），

–求解凸问题以确定计划，即找到那些喷射中的哪个或哪些（以及具有哪些权重）将被实际使用（步骤30、40和50）。

在一个优选实施例中，预先计算的剂量喷射的集合（步骤10）可以位于三维（3D）空间中的固定分辨率的离散3D网格上。

如所讨论的那样，图1的第一步骤（步骤10）是：构建在3D网格上的所有可能位置和入射角处定位（居中）的可能剂量喷射（或剂量分配模式）或它们的子集（例如，仅在目标区域内定位的那些剂量喷射）的列表字典。

在一个优选实施例中，三个维度中的每一个中该网格上的两个连续位置通过小于1mm（例如0.5mm）的距离而间隔。

字典因而是函数的集合

其中N表示字典的大小。

字典的每一个分量a ^j 将被命名为“原子”。

完整剂量分配可以被计算为来自每一个原子的贡献的加权和。3D空间的任何点（x, y, z）处的剂量d可以被计算为：

其中s _j 表示关联到第j个原子的权重。

例如，对于使用旋转台架和移动沙发的给定系统，可以通过下述操作来获得字典：对台架的旋转角度和沙发的位置进行离散化以创建球体上的离散网格，并且考虑针对每一个离散位置和取向的不同射束大小和形状。

作为另一示例，对于给定LINAC位置和取向，经过多叶式准直器的射束可以被离散化为一系列小的离散“小射束”，其平行于彼此，它们中的每一个具有必须确定的其自身的权重。对于特定的较新系统，剂量率调制也可以被离散化。

在一个优选实施例中，该步骤可以是通过考虑由具有不同位置、取向、大小和形状的个体射束的集合产生的预先计算的个体剂量分布、并且通过将它们转换成所有所考虑的网格点来执行的。该步骤还可以是通过基于例如针对计划而获取的医学图像将患者的解剖结构的物理性质考虑在内来执行的。

逆向计划方法的目标是找到最小数目的非零权重s _j 以使得满足由用户在步骤20处施加的约束。

完整剂量分配d可以在3D空间中的预定义数目的点处计算，例如在P个点的预定义网格G上计算。

该剂量分配d可以由维度P的矢量f表示，矢量f可以被定义为：

f=As

其中A是P×N矩阵，其列是由网格G的每一个点处的每一个原子递送的剂量的值，并且s是维度N的原子的权重的矢量。

根据本发明，s必须是稀疏的，即，s的非零系数的数目K必须比N小得多。在典型的示例中，N可以如100000那么大或更大，而K可以如50那么小或更小。

s中的非零元素的位置确定字典中的哪些原子将被用在治疗中，即，它们确定实际喷射形状及其位置。

s的值确定喷射权重。

一旦构建字典A（图2中的步骤10），就通过满足由用户在步骤20中定义的剂量约束来计算具有最小数目的非零元素的矢量s。

必须理解的是，即使图2中的剂量约束由用户在字典的预先计算之后输入，该输入也可以在预先计算步骤10之前执行。

可能的优化准则是找到最小化矢量s的加权L1范数（即矢量s的元素之和）且满足所有剂量约束的计划。s的加权L1范数与治疗时间密切相关。该优化问题可以有利地被制定为凸优化问题（步骤50），这是因为仅优化个体剂量喷射的权重（事实上同时优化个体剂量喷射的位置、大小、形状和权重以保证剂量约束将导致非凸优化问题）。在另一实施例中，找到最小化矢量s的加权L0范数（即不同于零的矢量s的元素的数目）且满足所有剂量约束的计划。在另一实施例中，优化准则可以是找到最小化矢量s的加权L2范数且满足所有剂量约束的计划。

令T表示与属于目标区的点相对应的矢量f的索引的集合，令R表示属于要保护的敏感区域的那些索引，并且令Q表示其余索引的集合。此外，令a _i 表示矩阵A的第i行。矢量f的第i个分量可以被表达为：

f _i =a _i s

即，字典A的第i行与矢量s的内积。因此，最优计划通过求解以下凸问题而计算：

使得

其中

表示矢量s的加权L1范数，其中权重，是目标区T处的最小剂量，是敏感区R处的最大允许剂量，并且表示对s的值的正性约束。

可以在步骤20处向公式制定添加附加约束，作为相等或不等约束。这可以例如涉及期望剂量梯度索引，或者被递送至目标区的不同部分的最小剂量的不同值，或者被递送至要保护的区的最大剂量的不同值。该优化问题然后可以通过任何凸优化方法而求解，例如通过凸线性编程算法而求解。

加权L1范数是促进稀疏解的凸函数，即，求解该受约束最小化问题将确定满足所有剂量约束的最稀疏矢量s。

最小化射束的数目和其权重的总和类似于最小化治疗时间。可以采用促进结构化稀疏性的其他类型的凸处罚，诸如促进组稀疏性的L0、L1或L2范数。该方案背后的思想是从特定LINAC技术的特定结构发挥作用。

该优化问题然后可以由任何凸优化方法求解，例如由凸线性编程算法求解。

发明系统然后提出了一种逆向治疗计划系统，其中完整剂量分配被建模为从预先计算的单个喷射剂量的预先计算的字典或库选择的单个喷射剂量的稀疏线性组合。

凸受约束优化过程被用于确定治疗计划。在稀疏性约束之下优化喷射权重，以保证满足对剂量分配的约束。

优化过程不要求用户提供初始喷射位置，并且凸优化公式制定可以包括既被应用于目标区又被应用于诸如要保护以免于过高辐射剂量的敏感结构之类的其他区域的剂量约束。

重要的是，本发明的优化过程在计算上相对于迄今为止采用的其他计划方法而言是有利的。因而成为可能的是，在治疗期间实时重复优化，以将解剖学变化、移动或从预定计划的偏离考虑在内。

根据变型，本发明的辐射计划系统配备有成像或位置传感器或可与其连接，该成像或位置传感器允许在治疗期间捕捉辐照目标且当目标区的几何形状改变时提供信息。系统适配成识别何时目标器官或器官的部分的形状、位置和尺寸改变超过预定阈值，例如由于患者不自主的移动、呼吸或由于任何其他原因。本发明的辐射逆向治疗计划系统布置成：从先前选择的解开始，重复如以上描绘的优化过程，并找到针对经更新的目标配置的新解。

另外，系统可以：基于传感器的信息和/或基于由适当剂量测定单元提供的信息和信号来确定真实的所递送的剂量分配；将所递送的剂量与在治疗计划中预定的剂量进行比较；根据该比较适配优化算法的约束；以及重复或改善优化以便更精确地实现期望剂量分配。

图1是根据本发明的系统100的实施例。图1的系统100可以位于和/或以其他方式操作在计算机网络的任何节点处，该计算机网络可以示例性地包括客户端、服务器等，并且其未被图示在图中。在图1中所图示的实施例中，系统100包括通信结构102，其提供处理器单元104、存储器106、持久性储存器108、通信单元110、输入/输出（I/O）单元112和显示器114之间的通信。

处理器单元104服务于执行用于可被加载到存储器106中的软件的指令。取决于特定实现方式，处理器单元104可以是一个或多个处理器的集合或者可以是多处理器核。另外，处理器单元104可以使用一个或多个异构处理器系统而实现，其中主处理器与辅助处理器一起存在于单个芯片上。作为另一说明性示例，处理器单元104可以是包含相同类型的多个处理器的对称多处理器系统。

在一些实施例中，图1中所示的存储器106可以是随机存取存储器或者任何其他合适的易失性或非易失性储存设备。取决于特定实现方式，持久性储存器108可以采取各种形式。例如，持久性储存器108可以包含一个或多个组件或设备。持久性储存器108可以是硬盘驱动器、闪速存储器、可重写光盘、可重写磁带或以上各项的某种组合。由持久性储存器108使用的介质还可以是可移除的，诸如但不限于可移除硬盘驱动器。

图1中所示的通信单元110提供与其他数据处理系统或设备的通信。在这些示例中，通信单元110是网络接口卡。调制解调器、线缆调制解调器和以太网卡只是网络接口适配器的当前可用类型中的几种类型。通信单元110可以使用物理和无线通信链路中的任一个或全部二者来提供通信。

图1中所示的输入/输出单元112实现利用可连接到系统100的其他设备而对数据的输入和输出。在一些实施例中，输入/输出单元112可以通过键盘和鼠标来提供用于用户输入的连接。另外，输入/输出单元112可以向打印机发送输出。显示器114提供向用户显示信息的机构。

用于操作系统和应用或程序的指令位于持久性储存器108上。这些指令可以被加载到存储器106中以供处理器单元104执行。不同实施例的过程可以由处理器单元104使用计算机实现的指令来执行，计算机实现的指令可以位于诸如存储器106之类的存储器中。这些指令被称为程序代码、计算机可用程序代码或计算机可读程序代码，其可以由处理器单元104中的处理器读取和执行。不同实施例中的程序代码可以体现在不同物理或有形计算机可读介质（诸如存储器106或持久性储存器108）上。

程序代码116以功能形式位于可选择性地移除的计算机可读介质118上，且可以被加载到系统100上或输送至系统100以供处理器单元104执行。在这些示例中，程序代码116和计算机可读介质118形成计算机程序产品120。在一个示例中，计算机可读介质118可以以有形形式存在，诸如例如光盘或磁盘，其被插入或放置到作为持久性储存器108的一部分的驱动器或其他设备中，以输送到诸如作为持久性储存器108的一部分的硬盘驱动器之类的储存设备上。以有形形式，计算机可读介质118还可以采取持久性储存器的形式，诸如硬盘驱动器、拇指驱动器或连接到系统100的闪速存储器。计算机可读介质118的有形形式还被称为计算机可记录储存介质。在一些实例中，计算机可读介质118可以不是可移除的。

可替换地，程序代码116可以从计算机可读介质118通过到通信单元110的通信链路和/或通过到输入/输出单元112的连接而输送至系统100。在说明性示例中，通信链路和/或连接可以是物理的或无线的。计算机可读介质还可以采取非有形介质的形式，诸如包含程序代码的无线传输或通信链路。

针对数据处理系统100图示的不同组件不意在提供对可以以其实现不同实施例的方式的架构限制。不同说明性实施例可以被实现在数据处理系统中，该数据处理系统包括除针对数据处理系统100图示的那些组件外或代替那些组件的组件。图1中所示的其他组件可以根据所示的说明性示例而变化。例如，系统100中的储存设备是可存储数据的任何硬件装置。存储器106、持久性储存器108和计算机可读介质118是以有形形式存在的储存设备的示例。

治疗计划的确定的示例。

经典地，RT计划可以被分解如下：

a. 肿瘤学家建立癌症的诊断，并选择合适形式的疗法，特别地，辐射疗法。本示例假定：该诊断是具有针对外部射束放射疗法的指示的前列腺癌的诊断。

b. 患者经历CT扫描或者另一医学成像过程。将目标体积的层析成像图像转发到计划系统。

c. 辐射肿瘤学家确定需要被递送至肿瘤的目标剂量，设置对可沉积在相邻风险器官和组织中的剂量的上限以及实现治疗所需的小部分的数目。

d. 放射物理学家或放射肿瘤学家描绘目标和处于风险中的相邻器官的轮廓。在大多数情况下，他还追踪限定处于外部但直接邻近于目标的防护体积的轮廓。图3图示了骨盆的横向截面，其示出针对前列腺201、防护体积205和处于风险中的器官（直肠215和膀胱225）而确定的轮廓。图4是基于多个层析成像切片而对轮廓的3D重构。该任务可以通过使用若干专业化片段的软件和轮廓化解剖图册而实施。

e. 。

f. 基于临床目标和在步骤c中确定的限制剂量，放射物理学家确定针对优化问题的边界条件。

g. 通常，放射物理学家在该阶段处确定辐射束的数目和取向，或者在VMAT疗法的情况下确定辐射弧的数目和取向。该选择通常基于经验和实践且因而是操作者相关的。在任何情况下，操作者会将他的努力限制到他或她能够管理的精简解空间。在已经确定了射束数目和边界条件的情况下，操作者应用逆向计划程序以确定多刀片准直器的孔的参数和每一个射束的注量图。在该阶段处，算法基于辐射相互作用的简化模型（典型地，笔形射束算法），以将执行时间保持在可接受的限制内，但是即使如此，计算时间对于一个计划仿真而言一般是几分钟或几十分钟的。在一些情况下，可以在不改变射束的数目和角度的情况下从先前的解开始获得更快的处理时间。该阶段仍然极其耗时。如此获得的剂量分配在图5a-5c中示出。

h. 一旦放射物理学家获得适合临床目标的计划，他通常运行蒙特卡罗仿真以改进剂量分配的精度并证实计划。

i. 定序器软件将注量图转换成用于定位多刀片准直器中的刀片的程序。这需要将若干参数考虑在内，该若干参数比如是刀片的数目和厚度、其最大平移速度和其透射系数等等。

j. 可以在质量控制步骤中进一步检查计划，该质量控制步骤涉及测量水体模中的有效剂量。

k. 有效的治疗然后可以发生。

本发明的方法允许自动化确定以上步骤f的射束弧的数目及其取向的步骤。其还允许比本领域中使用的方法快得多地计算大数目的解当中的最优解。操作者可以在几秒左右而不是在几分钟或几十分钟内获得最佳计划。而且，本发明的方法可以利用关于大数目的射束的工作来找到最优计划：人类操作者非常难以应对的任务。图6图示了由专家放射物理学家确定的治疗计划（虚线）和通过本发明的方法找到的诊疗计划之间的比较。全部两个计划具有五个射束。比较示出：人类设计的计划和通过本发明获得的计划允许实现目标中的目标剂量（曲线210和215）。处于风险中的器官的分析示出：直肠（对于人类计算的计划，为曲线220，相应地对于通过本发明的方法导出的计划，为225）在全部两种情况下接收到相等的剂量，而膀胱（曲线230和235）被由发明方法发布的计划保持得好得多。由于计划是在几秒内获得的，因此放射物理学家具有探索解和测试变型的更大空间的可能性，比如改变射束的最大数目、轮廓或边界条件。

算法还可以设计出利用几乎不可能由常规构件管理的更多射束的计划。图7a-7c例如示出了在相同仿真患者中针对通过本发明的方法获得的10-射束计划的剂量分配。这导致更好的计划，尤其是对于关注处于风险中的器官中的剂量而言。图8示出了由分配曲线219、229和239指示的十射束计划（虚线）和五射束计划（实线；曲线215、225、235）之间的比较。可以领会到，十射束计划在目标的辐照和处于风险中的器官的保护这两个方面都是卓越的。

重要的是，可以使射束的数目及其取向在本发明的算法中是自由的。然而，设置对射束数目的上边界是可能的，因为利用许多射束的治疗具有更多移动阶段且往往更久。如果治疗的长度不是关注点，则归因于最大程度上稀疏的解的选择，可以令本发明的方法以不受约束的数目的射束运行，并且本发明的方法将使用最小数目的射束来提供满足目标和边界条件的计划。

根据实施例，根据本发明的系统被实现在单个计算机的处理单元（CPU）上。在另一实施例中，其被实现在多核计算机上，这些核并行工作。在另一实施例中，其被实现在计算机的图形处理单元（GPU）上。在另一实施例中，其被实现在多个计算机上，该多个计算机总体或部分并行地工作。

根据本发明的独立方面，根据本发明的系统可以在创新训练场景（包括远程训练和远程辅导）中被共享。在一个实施例中，提供交互式逆向计划作为远程服务，系统运行在由用户通过受保护因特网连接而访问的处理中心中。

图中所使用的参考数字

10 预先计算步骤

20 用户输入步骤（约束）

30 稀疏性步骤

40 关联步骤

50 优化步骤

100 系统

102 数据总线系统

104 处理单元

106 存储器

108 持久性储存器

110 通信单元

112 I/O单元

114 显示器

116 程序代码

118 计算机可读介质

Claims (19)

1.一种用于线性加速器的辐射逆向治疗计划系统，包括至少：

- 辐射源，其配置用于递送个体剂量喷射（a^j），每一次个体剂量喷射具有目标区域内部和/或外部的预定位置和入射角、具有大小且具有形状，

- 数据总线系统（102），

- 耦合到数据总线系统（102）的存储器（106），其中存储器（106）包括计算机可用程序代码，以及

- 耦合到数据总线系统（102）的处理单元（104），其中处理单元（104）配置成执行计算机可用程序代码以便：

- 预先计算（10）由个体可能剂量喷射（a^j）的集合组成的字典，对于每一次剂量喷射，所述集合包括该剂量喷射的位置、入射角、大小和形状，

- 基于一个或多个剂量约束（20）将权重（s_j）关联（40）到每一次个体剂量喷射（a^j），以便得到个体加权剂量喷射，

- 应用（50）凸优化准则，以及

- 找到（30）非零权重的所述个体加权剂量喷射的最稀疏子集，以满足所述一个或多个剂量约束（20）。

2.权利要求1的系统，关联到每一次个体剂量喷射（a^j）的权重（s_j）包括辐照的时间。

3.权利要求1的系统，关联到每一次个体剂量喷射（a^j）的权重（s_j）包括剂量率。

4.权利要求1的系统，关联到每一次个体剂量喷射（a^j）的权重（s_j）包括剂量分布。

5.权利要求1至4中的一个的系统，包括：

- 用于所述辐射源的第一物理支撑物，

- 布置用于接收患者的第二物理支撑物，

其中第一物理支撑物和第二物理支撑物布置成一个相对于另一个移动，

并且其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 找到（30）非零权重的所述个体加权剂量喷射的最稀疏子集，以便每当第一物理支撑物相对于第二物理支撑物移动时和/或每当第二物理支撑物相对于第一物理支撑物移动时，都满足所述一个或多个剂量约束（20）。

6.权利要求1至5中的一个的系统，

其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 找到（30）个体剂量喷射的最稀疏子集，以便每当患者和/或患者的器官和/或器官的部分移动和/或更改其形状和/或改变其尺寸时，都满足所述一个或多个剂量约束（20）。

7.权利要求1至5中的一个的系统，

可与传感器连接，所述传感器用于在治疗期间捕捉辐照目标，检测目标区的几何结构和/或形状和/或位置和/或尺寸中的改变，并且相应地更新目标配置，其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 基于所述经更新的目标配置找到（30）个体剂量喷射的最稀疏子集，以在所述改变时满足所述一个或多个剂量约束（20）。

8.权利要求1至5中的一个的系统，其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 找到（30）个体剂量喷射的最稀疏子集，以便每当在给定时刻处患者中的真实剂量分配不同于所计划的剂量分配时，都满足所述一个或多个剂量约束（20）。

9.权利要求1至7中的一个的系统，其中非零权重（s_j）的数目为预先计算的个体剂量喷射（a^j）的数目的至少1/100。

10.权利要求1至9中的一个的系统，其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 最小化权重矢量的加权L1范数而同时满足所述剂量约束（20），以便获得个体剂量喷射的最优子集。

11.权利要求1至10中的一个的系统，其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 最小化权重矢量的加权L2范数而同时满足所述剂量约束（20），以便获得个体剂量喷射的最优子集。

12.权利要求1至11中的一个的系统，其中处理单元（104）执行计算机可用程序代码以便：

- 在三维网格（G）的位置中定位每一次个体剂量喷射（a^j）。

13.权利要求1至12中的一个的系统，其中处理单元（104）配置成实时执行计算机可用程序代码。

14.权利要求1至13中的一个的系统，其中所述一个或多个剂量约束（20）包括被应用于目标区（T）和/或要保护以免于过高剂量辐射的敏感结构（R）的剂量约束。

15.权利要求1至14中的一个的系统，其中处理单元（104）配置成执行计算机可用程序代码以便：

- 在预先计算所述字典期间将患者的解剖结构的物理性质考虑在内。

16.权利要求1至15中的一个的系统，所述凸优化准则（50）包括最小化治疗时间。

17.权利要求1至16中的一个的系统，其中辐射源是线性加速器。

18.权利要求1至17中的一个的系统，其中辐射源是钴源或质子束。

19.一种存储利用辐射逆向治疗计划方法创建的呈现内容的计算机数据载体，所述辐射逆向治疗计划方法包括以下步骤：

- 预先计算（10）由个体可能剂量喷射（a^j）的集合组成的字典，对于每一次剂量喷射，所述集合包括该剂量喷射的位置、入射角、大小和形状，

- 基于一个或多个剂量约束（20）将权重（s_j）关联（40）到每一次个体剂量喷射（a^j），以便得到个体加权剂量喷射，

- 应用（50）凸优化准则，以及

- 找到（30）非零权重的所述个体加权剂量喷射的最稀疏子集，以满足所述一个或多个剂量约束（20）。