CN107073285B - 用于逆向治疗计划的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种逆向治疗计划系统，包括：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（aj）的集合，每一个个体剂量喷射具有目标区域内部和/或外部的预定位置、大小和形状；基于一个或多个约束（20）将权重（3/4）关联（40）到每一个个体剂量喷射（aj）；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，以便满足所述一个或多个约束（20）。

Description

用于逆向治疗计划的系统
技术领域
本发明涉及用于辐射治疗的计划和实时控制的系统。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。本发明的实施例尤其涉及辐射外科学。
背景技术
辐射疗法和辐射外科学（或放射外科学）是治疗性方案，其是高效的、非侵入式的且与门诊治疗兼容。在本文档中，放射外科学标示高剂量小部分的辐射立体定向性地导向到感兴趣的区的递送，其中“立体定向”意指：存在患者的诊断图像中所看到的虚拟目标与患者身体中的实际目标位置的准确相关性。
在放射外科学的情境中，并且特别地在脑神经外科学中，常用于治疗颅内疾病的工具在名称“Leksell Gamma Knife®（莱克塞尔伽马刀）”或简单地“Gamma Knife®（伽马刀）”之下商业化。
Leksell Gamma Knife®利用来自聚焦在充当坐标系统和固定化设备的等角点和立体定向框架处的多个钴-60辐射源的伴行伽马射线。传统上，患者佩戴固定到辐射源且以外科学方式固定到颅骨的专业化头盔，使得目标区在等角点处静止。最近，Leksell GammaKnife®装置还已经配备有较少侵入式固定化系统，包括图像引导无框架固定化设备。
治疗是通过利用医学成像研究对患者的疾病脑部区（所谓的目标区）进行局部化并且将目标区定位在射束的聚焦交点（即等角点）处来执行的。
治疗可以在一次喷射（shot）中实现，即通过将目标区的一个单个部分或位置定位在等角点处而实现。其还可以使用多次喷射而实现，即通过接连将目标区域的不同部分放置在等角点处而实现。
在Gamma Knife®已经证实是成功的放射外科学工具的同时，基于加速器的放射外科学也是已知的。这些系统使用LINAC来产生兆伏级X射线束。加速器安装在当患者躺在移动沙发上时在空间上旋转的台架上。以此方式，递送角度和目标点可以被随意改变。治疗典型地牵涉不同角度处的辐射递送，同时头部沿全弧或部分弧旋转。
在本发明的上下文中，喷射（或剂量喷射）则是剂量，例如辐射剂量。其由位置（即喷射的中心的位置）、大小和形状表征。归因于使用不同准直器以及阻挡或不阻挡一些射束，Leksell Gamma Knife®可以提供具有不同大小和形状的喷射。
对于每一次喷射，用户必须确定其在目标区域中的位置以及要在等角点周围递送的辐照剂量的大小和形状，分别指定要使用的准直器和Leksell Gamma Knife®的要阻挡或不阻挡的射束。
对于每一次喷射，用户还必须确定辐照时间，其是通过与放射性钴源的剂量率有关的喷射的所谓权重来参数化的。
Leksell Gamma Knife®放射外科学包括计划阶段和递送阶段。在计划阶段中，每一个患者的治疗计划是通过神经外科医生与辐射肿瘤学家和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和位置，连同其大小、形状和权重。当治疗体积是小的时，治疗计划可能仅要求一次或两次喷射。然而，计划过程对于既形状不规则又较大尺寸的目标区而言变得更加复杂。对于这些情况，治疗计划过程的复杂性使得难以充分利用Leksell Gamma Knife®的强大能力。这在最新版本Leksell Gamma Knife® PerfexionTM中尤其适用，其中钴源被分组在伴行地与相同大小的准直器对准的扇形区中。每一个个体扇形区可以与特定准直器大小（复合喷射）对准或者可以被阻挡。
Gamma Knife®放射外科学因而要求关键的计划阶段，以便基于要向要辐照的目标和要保护以免于过强辐照的那些目标递送的剂量和位置来创建最优剂量测定。
如所讨论的那样，该剂量测定基于一个或多个辐照等角点（即伽马刀的射线的会聚的焦点）的使用。为了创建适配于目标的期望辐照的剂量分配而要设置的技术参数主要是：
- 辐照焦点（等角点）的数目，
- 等角点的位置，
- 辐照射束的准直的大小和形状（包括利用Leksell Gamma Knife® PerfexionTM创建复合喷射的可能性），
- 不同辐照等角点的权重。
这些技术参数必须将特定剂量和等剂量处方的选择考虑在内。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。而且，其质量本质上取决于用户的经验。获取该经验要求世界上的少数几个参考中心之一中的长训练时段。
的确，如以上所描述，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。因而请求用户获取和开拓技术专业知识，而他/她应当宁可专注于治疗的医学方面上。
为了帮助用户，已经提出了自动逆向计划系统。计划是“逆向的”，这是因为基于目标区性质的知识（例如来自CT或MRT图像），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。
当前，该解决方案极少被用在临床实践中，且对于新用户而言难以理解。而且，其可能要求由用户进行的进一步手动计划调节，但是他/她不开拓其全部潜力，既是因为用户将不测试完整范围的技术参数，又是因为他/她具有计划过程期间的时间约束。当由用户执行完全手动的计划时，相同的评论适用。
WO2009137010描述了一种用于基于“剂量绘画”的概念开发用于Gamma Knife®放射外科学的动态方案的系统。球形高剂量体积被视为3D球形“画笔”，并且治疗计划被精简成找到该“画笔”“绘画”3D目标体积的最佳路线。在剂量绘画概念下，患者正在机器人定位系统下连续移动。在该文档中，计算潜在喷射的大集合，并且可以通过使用受约束的最小二乘优化算法来在该集合中执行喷射选择。特别地，所创建的剂量分配和理想剂量分配之间的差异的L2范数受制于下面两个约束而被最小化：每一次喷射的射束接通时间必须高于阈值，并且所有喷射的射束接通时间之和（即最终递送时间）必须小于或等于期望的递送时间。通过最小化该差异，不存在目标区内部的最小剂量在所有点处被递送的保证。类似地，不存在高于所允许的最大剂量的辐照不被递送至预定义敏感区域的一些点的保证。
尽管在理论上是吸引人的，但是该系统的背景和理论基础是不清楚的，并且其临床相关性仍有待证明。
US2013188856涉及一种用于针对图像引导辐射疗法的实时目标证实的系统和方法。该文档描述了如何实时证实经预测的辐射剂量根据计划而被递送至实际目标。特别地，执行位移检测以查明治疗辐射束相对于目标的任何位移。然后执行实时反馈以实时校正射束的位置，如果确定目标的任何位移的话。目标的位移是通过使用关于用于获取实况治疗中图像的测量的稀疏性约束将所存储的图像与实况治疗中图像进行比较来评估的。用于确定例如颅骨的真实厚度的系统是线性的且通过凸优化问题而求解。
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。
由US2011085643提出的计划方法试图确定用于多叶式准直器设置的设置，其优化每一次个体剂量喷射的注量。照此，其不能被应用在不具有多叶式准直器的设备（比如例如伽马刀装置）和其中不能修改每一个个体剂量场的注量的机器中。
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。
本发明的目的是提供一种逆向治疗计划系统，其可以简化治疗的计划阶段。
本发明的目的是提供一种逆向治疗计划系统，其是对现有系统的可替换方案。
发明内容
根据本发明，这些目的借助于一种逆向治疗计划系统而实现，所述逆向治疗计划系统包括：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预先计算个体剂量喷射的集合，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、大小和形状；基于一个或若干约束将权重关联到每一次个体剂量喷射。
本发明的逆向治疗计划系统可以是病灶逆向治疗计划系统。在本发明的上下文中，表述“病灶治疗”指示聚焦于目标上，该目标例如是患者的异常区域（例如肿瘤）的特定区域，该治疗的源处于患者的身体外部（病灶治疗的非限制性示例是Gamma Knife®和HIFUS，即高强度聚焦超声）。
病灶逆向治疗计划系统可以是使用辐射的系统：在该情况下，其可以是辐射逆向治疗计划系统。放射外科学和放射疗法是辐射治疗的非限制性示例。
辐射逆向治疗计划系统可以使用电离辐射（如例如在Gamma Knife®中）。在另一实施例中，病灶逆向治疗计划系统牵涉不同于电离辐射的辐射，例如非电离辐射。高强度聚焦超声是不使用电离辐射的病灶治疗的非限制性示例。
本发明的逆向治疗计划系统可以是内部局部逆向治疗计划系统。在该情况下，该治疗的源处于患者的身体内部。短距离放射疗法、冷冻疗法、射频消融和手术疗法是内部局部治疗的非限制性示例。
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。
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。
个体剂量喷射的大小和形状可以基于用于每一个扇形区的准直器的大小及其可能的阻挡。
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，处理单元执行计算机可用程序代码以便：
- 找到喷射的最稀疏子集以满足（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，尤其是在复杂目标形状方面。
而且，利用根据本发明的系统在单个过程（例如脑转移）中对多个目标的辐照变得在合理的时间中可实践。
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，包括用于逆向治疗计划的计算机可用程序代码，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，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、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，以便满足所述一个或多个约束。
本发明还涉及一种存储利用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具有目标区域内部和/或外部的预定位置、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，以便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示出了受前庭神经鞘瘤折磨的主体的MRI和CT图像，其中描绘了神经鞘瘤（蓝色）和耳蜗（紫色）的轮廓。
图4图示了利用伽马刀喷射的局部化的可能治疗计划和等剂量线。
具体实施方式
尽管将结合Gamma Knife®放射外科学（其应用专门是颅侧的）更加详细地描述本发明，但是本发明找到与许多其他领域的联系的适用性，如在此上文所解释的那样。例如，其同样可以被应用于颅外放射外科学技术或者使用任何类型的电离辐射的治疗，例如在使用线性加速器的分次放射疗法技术（例如Elekta的Versa HD）中。其同样可以被应用在机器人外科学或计算机辅助外科学中。
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。
根据本发明的逆向治疗计划系统100包括：
- 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、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。
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。
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，该步骤可以是通过考虑个体剂量分配、不同大小和形状的预先计算的模式（所谓的内核）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头部解剖结构的物理性质考虑在内来执行的。
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。
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20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。
作为优化准则，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、形状和权重以便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，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。而且，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。
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。权重w i 施加针对字典中的内核的不同处罚。例如，如果先验地已知内核集合在治疗中花费更多时间，则相关联的权重大于其余权重。这将导致将最小化治疗时间的优化问题。如果关于递送时间，没有在先信息是已知的，则所有权重可以被设置成一。
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剂量辐射的敏感结构之类的其他区域的剂量约束。
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可以通过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。
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。
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可以布置成：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，或者否则在改变使得辐照不能在安全范围内继续的情况下停止治疗。有利地，本发明的系统可以用于利用较少侵入式定位系统替代立体定向框架，并治疗立体定向框架不能被应用于的地区。
治疗计划的确定的示例
放射外科学治疗中的治疗计划的确定通常包括以下步骤：
a. 神经外科医生建立诊断并选择合适形式的疗法，例如伽马刀放射外科介入；
b. 患者经历医学成像过程。目标体积的层析成像图像被转发到计划系统（图3，受前庭神经鞘瘤折磨的主体的CT和MRI图像）；
c. 神经外科医生确定要递送至目标体积的目标总剂量，对可在相邻风险器官和组织（在该情况下，邻近于目标的内耳结构）中沉积的剂量设置上限；
d. 神经外科医生描绘目标70和处于风险中的相邻组织75的轮廓。为此目的，他可以使用特殊的自动分段软件和轮廓化解剖图册。图3示出了神经鞘瘤70（蓝色）和必须免受伤害的耳蜗75（紫色）的不同轮廓。
e. 基于临床目标和在步骤c中确定的限制剂量，神经外科医生确定针对优化问题的边界条件。
f. 外科医生在该阶段处应用逆向计划软件以确定将导致依照临床目标的剂量分配的喷射（图4）。每一次喷射由伽马刀扇形区中的每一个中的准直器的孔直径来表征且在图中由点80表示，点80对应于喷射轴与图像平面的交点。黄色和绿色轮廓82、84对应于12Gy和4 Gy等剂量线。如果剂量测定结果不令人满意，则计划器可以通过适配目标和优化边界条件来改善治疗计划。他还可以在适当时手动修改喷射、其持续时间、强度和位置。计划在治疗计划满足由临床医生建立的所有边界条件时完成。该计划非常耗时，并且由有经验的专业人员计算计划所需的时间是若干分钟或小时量级的。
g. 计划通常由放射物理学家在该阶段处检查。步骤e-f还可以由放射物理学家基于由外科医生固定的临床目标来实施。
h. 计划然后在用于辐照机器的指令中被中伤，且被上传到该辐照机器。在上传之后，治疗可以开始。
在实践中，在给定可用逆向计划软件的缓慢性的情况下，若干神经外科医生更愿意通过预先计划来设立治疗计划，即，手动设置准直器的孔并且通过依赖于长期经验的试错法过程来调节它们。该技术通常被视为更快且更有效的。
本发明的方法允许自动化在点（f）处描述的确定点的数目的步骤。其还允许比本领域中使用的方法快得多地计算大量解当中的最优解。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。归因于此，神经外科医生可以立即获得最优计划且将不被要求折衷原始计划或使用次优预先计划。
由于本发明的方法在几秒内给出答案，因此神经外科医生将具有探索更多变型的闲暇时间，比如适配优化边界条件和轮廓。稀疏性作为优化准则的使用导致剂量的出众重新分配，从而达到作为目标的构成中的统一治疗水平并且更好地使风险器官免受伤害。
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
70 目标构成（神经鞘瘤）
75 风险器官（耳蜗）
80 喷射
82 12 Gy等剂量
84 4 Gy等剂量
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 (16)

1.一种逆向治疗计划系统，至少包括：
- 数据总线系统（102），
- 耦合到数据总线系统（102）的存储器（106）和持久性储存器（108），其中位于持久性储存器上的指令已经被加载到存储器（106）中，
- 耦合到数据总线系统（102）的显示器（114），其中显示器（114）提供向用户显示信息的机制，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）配置成执行所述指令以便：
- 预先计算（10）由个体剂量喷射（aj）的集合组成的字典，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、具有大小且具有形状，
- 基于至少一个剂量约束或多个剂量约束（20）将权重（sj）关联（40）到每一次个体剂量喷射（aj），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，以便满足所述至少一个剂量约束或多个剂量约束（20）。
2.权利要求1的系统，其中处理单元（104）执行指令以便：
- 找到（30）最小数目的非零权重以便满足所述至少一个剂量约束或多个剂量约束（20）。
3.权利要求1或2中的一个的系统，其中非零权重（sj）的数目为预先计算的个体剂量喷射（aj）的数目的至少1/100。
4.权利要求1至3中的一个的系统，其中处理单元（104）执行指令以便：
- 最小化权重矢量的加权L1范数而同时满足所述至少一个剂量约束或多个剂量约束（20），以便获得个体加权剂量喷射的最优子集。
5.权利要求1至3中的一个的系统，其中处理单元（104）执行指令以便：
- 最小化权重矢量的加权L0范数而同时满足所述至少一个剂量约束或多个剂量约束（20），以便获得个体加权剂量喷射的最优子集。
6.权利要求1至3中的一个的系统，其中处理单元（104）执行指令以便：
- 最小化权重矢量的加权L2范数而同时满足所述至少一个剂量约束或多个剂量约束（20），以便获得个体加权剂量喷射的最优子集。
7.权利要求1至6中的一个的系统，其中处理单元（104）执行指令以便：
- 在三维网格（G）的位置中定位每一次个体剂量喷射。
8.权利要求1至7中的一个的系统，其中处理单元（104）配置成实时执行指令。
9.权利要求1至8中的一个的系统，其中剂量约束（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。
10.权利要求1至9中的一个的系统，其中处理单元（104）配置成执行指令以便：
- 在预先计算个体剂量喷射（aj）的集合期间将患者的头部解剖学的物理性质考虑在内。
11.权利要求1至10中的一个的系统，所述凸优化准则（50）包括最小化治疗时间。
12.权利要求1至11中的一个的系统，其为病灶逆向治疗计划系统。
13.权利要求12的系统，其为辐射逆向治疗计划系统。
14.权利要求13的系统，其为牵涉电离辐射的辐射逆向治疗计划系统。
15.权利要求9的系统，其中所述剂量约束被包括在以下各项中：剂量分布；个体剂量喷射的位置、大小和形状；个体剂量喷射的覆盖范围、幅度和梯度；最大治疗持续时间和期望剂量梯度索引。
16.一种存储利用逆向治疗计划方法创建的呈现内容的计算机数据载体，所述逆向治疗计划方法包括以下步骤：
- 预先计算（10）由个体剂量喷射（aj）的集合组成的字典，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、具有大小且具有形状，
- 基于至少一个剂量约束或多个剂量约束（20）将权重（sj）关联（40）到每一次个体剂量喷射（aj），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，以便满足所述至少一个剂量约束或多个剂量约束（20）。
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