CN108472501A - 在迭代处置规划中对优化策略的自动选择 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于基于包括优化目标和/或约束的处置目的来生成辐射治疗处置计划的系统和方法。规划单元(7)在第一优化周期中生成包括用于满足第一处置目的的处置参数的第一处置计划，并且决策单元(8)接收第二处置目的并且将所述第一处置目的与所述第二处置目的进行比较以确定对处置目的的修改，为所述修改赋予来自从多个预定类别中的类别，其中，为每个类别分配来自用于处置计划生成的多个预定策略中的策略，并且指示规划单元(7)在第二优化周期中根据被分配给所确定的修改类别的策略来生成第二处置计划。

Description

在迭代处置规划中对优化策略的自动选择

技术领域

本发明总体涉及对患者的外部射束辐射治疗处置的用户引导的迭代规划。更具体地，本发明涉及一种用于为患者生成辐射治疗处置计划的系统、方法和计算机程序。

背景技术

在外部射束辐射治疗中，电离辐射被施加至患者身体内的靶结构，诸如肿瘤，以便控制癌细胞的生长或者杀死癌细胞。所述辐射处置通常在多次会话中递送，所述会话在本领域中也被称为处置分期(fraction)。在更先进类型的辐射处置中，诸如所谓的强度调制辐射治疗(IMRT)，精确剂量的辐射被施加至患者身体的各区域。在这方面，通常的目的(goal)是向靶结构递送足够高的辐射剂量，并且尽可能远地豁免靶结构附近的诸如器官的敏感结构。

在规划系统中生成的处置计划中定义了用于递送辐射并且控制辐射处置设备的处置参数。具体地，可以借助于规划系统来执行所谓的逆规划流程。在这样的流程中，识别靶结构以及要豁免的周围结构，并且指定处置目的。这样的处置目的包括以下目标(objective)，所述目标可以指定应当被满足的针对被递送至患者的特定区域的辐射剂量的要求和/或必须被满足的针对被递送至特定区域的辐射剂量的约束。然后，执行优化过程以找到满足所指定的处置目的的处置计划。

根据用于寻找最终处置计划的一种方法，在规划系统中执行操作者引导的迭代优化流程。在该流程中，对处置计划的优化是在若干优化周期中进行的，并且在每个优化周期之后，规划系统的操作者(通常是医生)可以审查在各自周期中计算的处置计划，以便检查他是否满意由该处置计划得到的剂量分布。如果情况并非如此，则操作者可以修改处置目的以便实现期望的剂量分布，并且可以在下一优化周期中基于经修改的处置目的来执行对处置计划的计算。这允许以一种“试错”方法寻找最佳处置计划，所述方法利用了操作者的经验，以便解决针对患者寻找最佳处置计划的复杂优化问题。

在一个优化周期中修改处置目的时，能够基本上以如下方式进行在下一优化周期中对处置计划的重新计算：重新使用来自先前周期的信息(例如，所计算的处置计划的部分)——这在本文中也被称为热启动——或者能够在不使用来自先前周期的信息的情况下进行重新计算(即，处置计划是从“从头开始”新生成的)——这在本文中也被称为冷启动。原则上，热启动策略是优选的，因为当执行热启动时，在各自优化周期中执行的计算的复杂度减少并且因此计算时间减少。然而，取决于对处置目的做出的修改，有时不能够以满足经修改的处置目的的方式以热启动策略重新计算处置计划，或者根据热启动策略重新计算处置计划与冷启动相比可能增加计算复杂度。

US 2011/0272600 A1公开了一种用于规划对两个靶体积的辐照的系统。在所述系统中，能够检测通过对靶体积进行辐照所引起的辐射位置的重叠，并且能够相应地调整辐照规划。具体地，检测由于在各辐照会话之间要被辐照的结构的位置变化而发生的重叠。当在处置会话之前确定了这样的重叠时，辐照规划被调整，以避免由于重叠导致的不正确的剂量。此外，能够识别在多个处置分期期间的系统性变化，并且在这种情况下准备全新的辐照计划，而不是重复现有的辐照计划。

发明内容

本发明的目标是允许根据适于对处置目的进行的修改的策略在用户引导的迭代处置流程中重新计算处置计划。

在本发明的第一方面中，提出了一种用于为患者生成辐射治疗处置计划的系统。所述系统被配置为基于处置目的来优化处置参数，所述处置目的包括优化目标和/或约束，所述优化目标和/或约束包括针对要被递送至患者的至少一个身体区域的辐射剂量的要求。所述系统包括规划单元，所述规划单元被配置为生成第一处置计划，所述第一处置计划包括用于满足第一优化周期中的第一处置目的的处置参数。此外，所述系统包括决策单元，所述决策单元被配置为：

-接收第二处置目的，并且将所述第一处置目的与所述第二处置目的进行比较以确定所述第二处置目的相对于所述第一处置目的的修改；

-为所述修改赋予来自多个预定类别中的类别，其中，为每个类别分配来自用于处置计划生成的多个预定策略中的策略，

-确定被分配给被赋予所述修改的所述类别的策略，并且指示所述规划单元在第二优化周期中根据所确定的策略生成第二处置计划。

通过以这样的方式使用处置目的的修改的类别，特别是在计算复杂度和计算时间方面，当在第一优化周期中已经计算了处置计划并且已经接收到由系统的操作者对处置目的做出的修改时，能够自动并且可靠地确定用于在新的(第二)优化周期中重新计算处置计划的最优策略。

具体地，能够确定在下一优化周期中是否能够应用热启动策略来重新计算所述处置计划，或者是否应当执行冷启动，例如，因为热启动策略将可能不产生针对处置计划的令人满意的结果。在这方面，本发明的一个实施例规定：所述预定策略包括基于第一处置计划生成第二处置计划(即，热启动策略)，以及独立于第一处置计划生成第二处置计划(即，冷启动策略)。

在一个实施例中，所述预定策略包括多个策略，所述多个策略包括基于所述第一处置计划生成第二处置计划，这些策略中的每个策略被分配给预定类别中的不同预定类别。这允许根据修改的预定义类别来选择不同的热启动策略，其中，每个策略可以适于所分配的类别。

在本发明的一个实施例中，至少一些处置目的指定针对要被递送至患者的身体的特定区域的辐射剂量的要求，并且修改的至少一个第一预定类别包括对在第一处置目的中指定的辐射剂量的要求的修改。具体地，至少一个处置目的可以指定要被递送至身体区域的最大辐射剂量和/或至少一个处置目的可以指定要被递送至身体区域的最小辐射剂量，并且所述第一预定类别包括对最大辐射剂量或最小辐射剂量的修改。

在本发明的相关实施例中，被分配给第一预定类别的所述策略包括基于第一处置计划来生成第二处置计划。因此，有利地使用热启动策略在剂量要求(诸如，例如根据处置目的或约束要被递送至特定身体区域的最大或最小剂量)做出修改的情况下重新计算处置计划。

在另外的相关的实施例中，修改的至少一个第一预定类别包括对在第一处置目的中指定的要被递送至身体区域的辐射剂量的要求的修改，所述修改超过预定义阈值，并且被分配给该类别的策略包括重新计算第一处置计划的部分，其包括用于将辐射递送至所述身体区域的处置参数。具体地，前述类别包括对根据处置目的要被递送至身体区域的最小剂量值或最大剂量值的修改，并且当针对第一优化周期在第一处置目的中指定的剂量值与针对第二优化周期在经修改的第二处置目的中指定的剂量值之间的差异大于阈值时，所述修改特别地超过了所述预定义阈值。在这种情况下，前述实施例有利地包括根据热启动策略生成第二处置计划，其中，(仅)重新优化在处置目的中指定的控制向所述身体区域递送辐射的那些处置参数。例如，这些处置参数可以在反投影流程中确定。预定阈值优选相对于在第一处置中指定的辐射剂量来定义。在一个实施例中，所述阈值可以在第一处置目的中指定的辐射剂量的10％与30％之间，特别是20％。

在本发明的一个实施例中，所述处置计划包括多个分段部分，每个分段部分对应于一组同时使用的处置参数，并且被分配给预定第一类别的策略包括重新计算第一处置计划的至少一个分段部分，该分段部分规定比其他分段部分向患者递送更少的辐射剂量。每个分段部分可以特别对应于被用于将辐射递送至患者的辐射处置设备的特定配置，特别是对应于辐射射束相对于患者身体和/或辐射射束的特定形状的特定布置。根据这样的配置，辐射可以在预定的时间间隔期间被递送至患者身体，其中，基于在处置计划的对应分段部分中指定的处置参数来控制所述辐射处置设备。在对处置目的的微小修改的情况下，通过仅修改第一处置计划中比其他分段部分向患者递送更小辐射剂量的那些分段部分，特别能够降低在计算第二处置计划时由所生成的处置计划得到的总体剂量分布劣化的风险。

在本发明的另外的实施例中，修改的至少一个类别包括如下修改：包括将至少一个目标添加到第一处置目的的修改，并且被分配给所述类别的策略包括将所述第二处置计划的计算分解为连续的部分计算，一个部分计算对应于第一处置计划的计算，而另外的部分计算对应于基于所添加的目标的优化。通过应用对第二处置计划的计算的这样的分解，能够将总体优化问题分解为一系列部分优化问题。由此，能够减少第二处置计划的计算的复杂度。

相关的实施例规定——如果所述修改包括添加多个目标——则前述策略包括将第二处置计划的计算分解成多个连续的部分计算，每个部分计算对应于基于所添加的目标的优化，其中，基于赋予所添加的目标的排名来确定执行所述部分计算的次序。这对应于所谓的词典排序流程。赋予所添加的目标的排名可以反映针对处置的这些目标的优先级。所述赋予可以基于预定义规则自动地进行，或者可以由规划系统的操作者手动地进行。

在本发明的另外的实施例中，修改的至少一些类别包括如下修改：包括将至少一个约束添加到第一处置目的的修改，并且被分配给所述类别中的一个类别的策略包括：

-基于第一处置计划来生成第二处置计划的初步版本；

-判断第二处置计划的初步版本是否满足所添加的约束；并且

-如果判断第二处置计划的初步版本不满足所添加的约束，则独立于第一处置计划来生成第二处置。

因此，所述规划系统试图根据热启动策略来生成新的处置计划，以便满足新的约束，并且——由于必须满足约束——如果根据热启动策略生成的处置计划并不满足新的约束，则其使用冷启动策略。

另外的类别可以涉及对处置目的的修改，其涉及靶区域的改变，所述靶区域即在辐射处置中被主要处置的区域。在本发明的一个相关实施例中，至少一个第一目标指定要被递送至患者的身体的靶区域的辐射剂量的要求，其中，修改的至少一个类别包括改变靶区域的修改，并且其中，被分配给所述类别的策略包括独立于第一处置计划来生成第二处置计划(即，冷启动策略)。靶区域的这样的改变特别可以包括该区域的描绘的改变。就此而言，该实施例考虑了这样的观察：如果靶区域改变，则通常不能够根据热启动策略来重新计算(第二)处置计划。例如，由辐射剂量的目标所指定的要求特别可以包括要被递送至靶区域的最小辐射剂量。

在另一方面中，本发明提出了一种能在辐射治疗系统的处理单元中运行的计算机程序。所述计算机程序包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当所述计算机程序在所述处理单元中被运行时使所述处理单元执行上文所描述的方法。

在本发明的另外的方面中，提出一种用于为患者生成辐射治疗处置计划的方法。所述方法包括基于处置目的来优化处置参数，所述处置目的包括优化目标和/或约束，所述优化目标和/或约束包括针对要被递送至患者的至少一个身体区域的辐射剂量的要求。所述方法还包括：

-生成第一处置计划，所述第一处置计划包括用于满足第一优化周期中的第一处置目的的处置参数；

-接收第二处置目的，并且将所述第一处置目的与所述第二处置目的进行比较以确定所述第二处置目的相对于所述第一处置目的的修改；

-为所述修改赋予来自多个预定类别中的类别，其中，为每个类别分配来自用于处置计划生成的多个预定策略中的策略，

-确定被分配给被赋予所述修改的所述类别的策略，并且在第二优化周期中根据所确定的策略生成第二处置计划。

应当理解，根据权利要求1所述的系统、根据权利要求14所述的方法以及根据权利要求15所述的计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如在从属权利要求中所定义的。

应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或以上实施例与各自独立权利要求的任意组合。

参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

在以下附图中：

图1示意性并且示例性示出了包括用于生成处置计划的规划的辐射治疗系统，并且

图2示意性并且示例性图示了用于确定用于重新计算处置计划的优化策略的方法的一个实施例的步骤。

具体实施方式

图1示意性并且示例性图示了用于将辐射处置递送至人或动物患者身体之内的结构的辐射治疗系统的实施例。具体地，所述系统可以被用于处置身体的特定结构之内的肿瘤。这样的结构的一个范例是前列腺，因为已知辐射治疗特别适用于处置前列腺癌。

在所图示的实施例中，所述辐射治疗系统包括辐射源1，辐射源1能够被操作用于发射电离辐射，所述电离辐射被递送至位于所述系统的处置区2中的人或动物身体内的肿瘤或另一患病结构。为了在处置区2之内支撑身体，所述系统可以包括患者桌台。辐射源1相对于身体的相对位置和取向能够在特定范围的位置和取向上变化。为此目的，辐射源1可以被安装在可旋转机架3上，从而辐射源1能够在360°或更小的特定角度范围内围绕所述处置区或身体旋转。另外，机架3和/或患者桌台可以在平行于机架3的旋转轴的方向上能来回移动。此外，也能够围绕与机架3的旋转轴垂直的轴来旋转所述患者桌台。

辐射源1可以包括用于产生一条电离辐射射束的X射线管或线性粒子加速器；在另外的实施例中，所述辐射系统可以以类似的方式产生若干条辐射射束。辐射源1是能控制的，以便改变辐射射束的强度和/或能量。此外，辐射源1可以被提供有用于对辐射射束设定形状的准直器4。准直器4特别地可以允许以定义的方式来改变跨辐射射束的辐射强度。为此目的，准直器4可以被配置为所谓的多叶准直器。在辐射处置的递送期间，通常改变准直器4的配置(基于在本文下文所讨论的处置计划)，从而以时变形状递送辐射射束。对于准直器4的至少一些配置，通常以辐射射束不命中患者身体内的整个靶区域的方式对辐射射束进行改变。

在一种实现方式中，根据连续的所谓的分段来递送辐射处置，其中，每个分段对应于特定准直器配置或射束形状(在下文中也被称为分段形状)以及特定的(发射的)辐射剂量，其可以在监视器单元(MU)中指定。在两个分段之间，准直器配置从第一分段的配置改变为第二分段的配置。在该时段期间，可以关闭辐射射束(通常也被称为静态强度调制(step-and-shoot)方法)。类似地，例如，如在体积调制弧治疗(VMAT)中的情况，能够在不中断辐射射束的情况下根据分段连续地改变准直器配置和/或所发射的剂量。

为了在处置期间控制辐射源1、准直器4和患者桌台(如果可移动的话)(特别是为了控制辐射源1、准直器4和患者桌台的能修改的参数)，所述系统包括控制单元5。在辐射治疗处置期间，控制单元5通过对机架3和/或患者桌台进行定位来控制辐射源1和身体的相对位置和取向。此外，控制单元5控制辐射射束的强度和能量以及辐射射束形状。优选地，控制单元5被实施在包括微处理器的处理器单元中，所述处理器单元用于执行包括由控制单元5执行的控制例程的控制程序。

另外，所述辐射治疗系统可以包括定位单元6，定位单元6用于在辐射处置期间定位患者体内要处置的结构。在一个实施例中，定位单元6可以包括成像单元，所述成像单元根据适当的成像模态产生身体的内部的图像。在这方面，例如，定位单元6可以包括超声设备、计算机断层摄影(CT)设备、磁共振成像(MRI)设备或者荧光透视成像单元。这样的设备对于本领域技术人员是已知的，并且因此，在本文中不再详细描述。借助于这样的设备，定位单元6产生包括要处理的结构的身体区域的三维图像。在这些图像中，可以借助于在定位单元6中执行的适合的模式识别算法来识别所述结构。

对身体之内的结构的辐射处置可以在多个分期期间执行，其中，所述分期可以在连续多天或者另一周期中被递送至所述结构。为了将一个分期递送至身体之内的结构，身体被定位在辐射治疗系统的处置区2中相对于辐射源1的限定位置处。在已经将身体定位在处置区中后，控制单元5控制对要处置的结构的辐射递送。通过这样做，控制单元5根据存储在控制单元5中的处置计划来对准辐射源1并且控制辐射源1和准直器4的另外的参数以处置特定的患者。

所述处置计划定义了针对结构的辐射处置的辐照参数。这些参数包括辐射源1相对于患者身体内的靶区域的对准、在处置期间要使用的准直器配置以及辐射强度。

为了生成处置计划，所述辐射治疗系统包括规划单元7。规划单元7可以被配置为计算机设备，诸如，例如个人计算机，其运行用于生成处置计划的处置规划软件，所述处置计划然后由控制单元5用于控制处置分期的执行。在一个实施例中，规划单元7可以位于控制单元5附近，并且可以被直接连接至控制单元5，其中，所述处置计划可以经由该连接从规划单元5传输至控制单元4。在另外的实施例中，规划单元7可以通过一个或多个数据网络被连接到控制单元5，并且所述处置计划可以经由网络连接进行传输。备选地，规划单元7可以将处置计划存储在合适的数据记录模块中，并且该数据记录模块可以被运送到控制单元7，控制单元7然后从所述数据记录模块读取所述处置计划。在后面的实施例中，规划单元7也可以远离控制单元5定位。

所述处置计划的生成是在规划单元7的操作者(其例如可以由医师)的控制下根据迭代流程进行的。在此流程中，首先生成初始处置计划，然后可以在一个或多个优化周期中对其进行修改。

通常，基于患者身体的内部图像来生成初始处置计划(以及经修改的处置计划)，其优选是示出靶结构并且可以示出围绕靶结构的额外结构的三维图像。如通常那样，所述图像可以由通常被称为体素的小体积元素组成，并且所述图像可以使用本领域技术人员已知的任何合适的成像模态来生成，所述成像模态诸如例如是CT或MRI。具体地，如果定位单元6包括成像设备，则可以使用辐射治疗系统的定位单元6来生成图像。然而，可以类似地使用另一成像设备来生成图像。

在患者身体的内部图像中，首先识别要处置的靶结构。这可以在自动化或半自动化的过程中完成，其中，靶结构的轮廓在图像中被描绘出。另外，除了靶结构之外，可以在图像中识别另外的结构。这样的另外的结构特别可以包括临界身体区域，诸如器官，其位于靶结构附近并且不应当接收辐射或者接收比靶结构更低的辐射剂量。这样的结构在本文下文中被称为危险结构。例如，如果所述靶结构是前列腺，那么这样的危险结构可能包括膀胱、肠的部分和骨骼。

在下一步骤中，可以使用前向规划流程来生成初始处置计划。在这样的流程中，所述处置参数是由操作者基于他的经验手动地指定的，或者处置参数是在半自动的过程中定义的，在该半自动的过程中，规划单元7例如通过针对操作者可能接受或修改的处置参数提供建议来辅助操作者。这样的建议例如可以根据基于知识的算法来生成。在已经指定了参数之后，确定所得的剂量分布，并且将其与操作者的期望的剂量分布进行比较。如果各分布之间的差异太大，则可以修改处置参数并且可以将剂量计算重复一次或若干次，直到操作者对结果满意为止。

在备选并且优选的实施例中，所述初始处置计划是在逆规划流程中生成的。在这样的流程中，操作者首先指定处置目的。然后，规划单元7执行优化流程从而以满足所述处置目的的方式来确定处置参数。

所述处置目的可以包括处置一组目标和/或处置约束。可以存在规划单元7的操作者能够指定的不同类型的目标，包括要被递送至患者的最小辐射剂量、要被递送至患者的最大剂量、要被递送至患者身体的给定区域(特别是靶结构和/或危险结构)的最大辐射剂量、要被递送至给定身体区域(特别是靶结构)的最小辐射剂量以及是否均匀辐射剂量被递送至特定区域(通常是靶结构的区域)的指示。对于靶结构，可以指定这些目标的任何组合。对于危险结构，可以特定地指定要被递送至给定区域的最大剂量。此外，可以为每个目标赋予权重，这可以反映其在总体处置目标中的重要性。当这样的权重被赋予一个或多个目标时，所述规划单元可以以这样的方式计算所述处置参数：在这样的目标彼此冲突的情况下，具有较高权重的目标比具有较低权重的目标更可能被满足。

除了这样的目标之外，可以指定约束以生成处置计划。这样的约束对应于目标，在辐射处置期间不得违反这样的约束。

为了指定目标和约束，规划单元7可以提供用于接收对应的用户输入的合适的用户界面。具体地，规划单元7可以提供图形用户界面，其允许操作者在手动或半自动流程中在患者的内部图像中描绘要处置的靶结构以及危险结构。对于其所描绘的结构和区域，操作者然后可以如上文所解释地指定处置目标和约束。类似地，在另外的实施例中，操作者能够以另一种方式来指定目标和约束。

基于指定的目标和约束，规划单元7根据适合的优化算法来计算处置计划。在一个可能的实现方式中，所述优化算法可以使作为个体目标函数F^k的集合的成本函数F最小化，其中，每个个体目标函数F^k表示一个目标。在一个实施例中，成本函数F特别地可以对应于目标函数F^k的加权和，即：

其中，τ表示要确定的处置参数集合，并且参数w^k表示目标k的权重。作为范例，表示针对特定体积V的最大/最小辐射剂量的目标函数可以由下式给出：

其中，在指定最大剂量的情况下，f(d_i,d^k)＝H(d_i-d^k)，并且在指定最小剂量的情况下，f(d_i,d^k)＝H(d^k-d_i)。Δv_i表示体素i的体积，d_i＝d_i(τ)是当使用辐射参数τ时被递送至体素i的辐射剂量，d^k是要被递送至体积V的最大/最小辐射剂量，并且H是由下式定义的Heaviside阶梯函数：

为了优化处置参数而指定的约束可以由函数C(τ)来表示，从而规划单元7可以使前述函数F(τ)最小化并且可以同时确保满足：

C(τ)≥0。

为了确定所述处置参数以使得目标函数被最小化并且约束被满足，规划单元7可以使用任何合适的优化算法。在一个示例性实现方式中，规划单元7可以使用P.E.Gill等人在“User’s guide for NPSOL 5.0:A Fortran package for nonlinear programming”，Technical Report SOL 86-6，2001年修订版中所描述的NPSOL算法。然而，同样可以使用本领域技术人员已知的任何其他适合的算法。

由于处置计划的生成是基于多个标准(目标和约束)的复杂优化问题，所以初始处置计划通常不包括最佳处置参数，并且因此，通常不使用初始处置计划作为向患者递送辐射处置的最终处置计划。而是，可以在一个或多个操作者辅助的步骤中对初始处置计划进行改变，以便实现期望的剂量分布，所述期望的剂量分布最佳地覆盖靶结构并且最佳地豁免危险结构。因此，最终的处置计划是在连续的计算周期中生成的，并且在每个周期中，操作者能够对在先前步骤中生成的处置计划提供改变，以便找到最佳处置参数。

在该过程中，可以根据预定标准自动地完成一个周期。具体地，当已经确定了目标函数的一些最小值(其也可以是待实现的局部最小值而不是全局最小值)时可以自动地结束周期，和/或在预定计算时间之后或(特别是如果使用递归流程进行计算的情况下)在预定数量的计算步骤之后可以结束一个周期。同样地，能够根据任何其他适合的标准来结束周期。此外，规划单元7的操作者也能够手动地结束周期。

在完成规划过程的每个周期时，规划单元7的操作者可以审查由在先前周期中生成的处置计划得到的剂量分布，以便检查是否实现了期望的剂量分布。如果处置计划没有得到所期望的剂量分布，则操作者能够在下一周期发起生成新的处置计划。为了辅助操作者审查剂量分布并且评估其质量，规划单元7还可以自动地评估处置计划的质量并且向操作者提供对应的指示和建议。可以通过将剂量分布或处置计划与先前用于处置相同靶结构的临床批准的剂量分布或处置计划进行比较来进行这样的自动评估。

重复该流程，并且在每个重复周期中生成新的处置计划，直到操作者停止该过程。当所生成的处置计划得到期望的剂量分布或者操作者可能出于其他原因而决定这样做时，可以这样做。在该过程中所生成的最后的处置计划然后可以被用于递送辐射处置，并且为此目的，可以以上文所描述的方式将其提供给辐射治疗系统的控制单元5。为了在优化周期中发起生成新的处置计划，规划单元7的操作者可以修改在先前周期中已经使用的处置目的。对处置目的的修改可以包括对用于计算先前周期中的处置计划的目标和/或约束的修改，诸如，例如对最大或最小剂量的值的修改或者对要被均匀地递送至特定区域的剂量值的修改。此外，所述修改可以包括添加或删除目标和/或约束。

例如，可以首先仅基于确保将期望的剂量分布递送至靶结构的处置目的来生成新的处置计划。具体地，这些处置目的可以由操作者以将规定的辐射剂量递送至靶这样的方式来定义。然后，操作者可以审查在此基础上生成的处置计划，以评估要被递送至靶结构附近的特定危险结构的辐射剂量。如果操作者在该过程中确定要被递送至这样的危险结构的辐射剂量太高，则操作者可以添加另外的处置目的，以便减少被递送至危险结构的辐射剂量。作为另外的范例，可能出现这样的情况，其中，所生成的处置计划导致将过量的辐射剂量递送至靶结构的特定区域(所谓的热点)，并且将不足的辐射剂量递送至靶结构的另一区域(所谓的冷点)。同样地，在这种情况下，操作者可以添加另外的目标和/或约束，以便实现针对靶结构的更均匀的剂量分布。当然，这些范例既不是完整的也不应当被理解为限制。相反，在生成最终处置计划的过程中，操作者可能有其他和/或另外的原因而修改处置目的。

在另外的实施例中，可以执行自适应处置规划，其中，在处置期间修改处置计划以便考虑处置期间靶结构的变化。这样的变化可能特别是由在修改之前的处置分期中向靶递送辐射和/或由其他效应(诸如，例如靶结构的自然运动和/或变形)引起的。在这些实施例中，在一个优化周期与下一优化周期之间已经将一个或多个处置分期递送至患者。此外，可以基于在递送所述分期之后采集的靶结构的新图像来进行对处置计划的重新计算，其中，所述新图像示出了靶结构的变化。基于该图像，操作者可以鉴于靶结构的变化来修改先前指定的处置目的。然后，可以如在实施例中那样计算新的处置计划，其中，在处置开始之前迭代地生成处置计划。

自适应处置计划必然要求迭代优化过程，并且因此，本发明特别能够结合这样的处置规划来使用。

为了在一个周期中生成新的处置计划，规划单元7能够使用不同的策略。根据第一类型的策略，规划单元7可以重新使用或维持被包括在先前处置计划中的信息。这样的策略在本文中也被称为热启动策略。根据另外的策略，规划单元7可以在不使用来自先前处置计划的信息的情况下新计算处置计划。因此，规划单元7从头开始计算新的处置计划。这基本上可以以与第一处置计划的计算相同的方式完成。这种策略在本文中也被称为冷启动。

原则上，热启动策略是优选的，因为热启动策略需要较少的计算资源或较少的计算时间。然而，已经发现，不可能针对处置目的做出的每次修改都进行热启动。因此，规划单元7包括决策单元8，决策单元8针对优化过程的每个周期确定要执行热启动还是冷启动以便在该周期中生成新的处置计划。优选地，决策单元8被以这样的方式配置：如果根据预定标准能够执行热启动则执行热启动，并且仅当根据预定标准不能够进行热启动时才执行冷启动。所述预定标准优选被配置为使得不必要的冷启动被避免，即，所述标准优选被配置为使得当由操作者做出的改变允许遵循该策略时执行热启动。

决策单元8在优化流程的每个步骤中确定规划单元7的操作者是否已经改变了处置目的。这可能并非总是如此，因为操作者可以在一个步骤中审查剂量分布，并且可以决定在不改变处置目的的情况下继续进行所述优化流程(而最终可以做出其他改变，例如，对数值优化算法的步长的修改)。如果决策单元8在一个周期中发现处置目的尚未改变，则其基于先前指定的处置目的来控制规划单元7继续进行所述优化。

在决策单元8确定处置目的已经被修改的情况下，优选根据预先定义标准对处置目的的改变进行归类，以便将预定义类别赋予每个修改。然后，决策单元8根据针对该修改所确定的类别来选择用于对每个修改进一步执行优化流程的策略。为此目的，可以将预定义策略分配给预定类别中的每个预定类别。该分配可以在决策单元8中预先配置，并且操作者也能够调整该分配。在确定了所述类别和所分配的策略时，决策单元8根据所述策略来控制规划单元7执行优化流程的下一步骤。

相对于优选的热启动，可能存在不同的热启动策略，其可以由决策单元8根据可能的修改的所分配的类别来选择。如下文将进一步描述的，这些热启动策略在选择要在下一优化周期中进行修改的先前生成的处置计划的部分的方式方面可能特别不同。

在对先前定义的处置目的(目标和约束)进行微小修改的情况下，则可以应用一些热启动策略。这样的微小修改可以对应于一种预定义类别的可能修改，并且尤其可以由决策单元8确定是否先前指定的目的剂量值仅被修改了不大于预定阈值的量。所述阈值可以相对于先前定义的剂量值来定义。具体地，所述阈值可以在先前定义的剂量值的10％与30％之间，优选地，所述阈值可以是先前定义的剂量值的20％。

根据在决策单元8确定了对处置目的的微小改变的情况下可以应用的一个热启动策略，规划单元7可以继续优化算法，就好像没有做出任何改变(即，没有选择先前处置计划的部分要在下一优化周期中进行修改)。该策略基于以下经验：在微小修改的情况下，当基于优化算法的未改变的输入参数来计算对(总体)成本函数的最小值的更好近似时，可以满足经修改的处置目的。

在对处置目的的微小修改的情况下，可以应用的另外的热启动策略包括：决策单元8识别处置计划中这样的分段，在这些分段中比处置计划的其他分段递送(即，发射)更低的辐射剂量。然后，检测单元8控制规划单元7基于经修改的处置目的来修改先前生成的处置计划，使得仅在所识别的分段(即，在其中递送较低辐射剂量的分段)中进行修改。其他分段(即，在其中递送较高辐射剂量的分段)在该策略下维持不变。

该热启动策略具有以下优点：当重新计算处置计划时，仅有处置计划的一部分、亦即所识别的分段被细化，并且这些部分对由处置计划导致的总体剂量分布具有较小的影响。由此，能够减小重新计算的计算复杂度，并且可以减小在重新计算期间使总体剂量分布劣化的风险。

在一个实施例中，前述热启动策略可以被分配给微小修改的类别的预定子类别。这些子类别可以基于针对经修改的剂量值的不同阈值来定义，所述不同阈值可以如上文所解释地根据相对变化来定义。因此，在先前定义的处置目的的剂量值的变化小于第一阈值的情况下，决策单元8可以确定第一子类别，并且如果先前定义的处置目的的剂量值的变化在第一阈值与大于第一阈值的第二阈值之间，则可以确定第二子类别。在这种情况下，如果对处置目的的修改属于第一子类别，则决策单元8可以控制规划单元7应用上文所解释的第一热启动策略(即，基于未改变的处置目的继续优化)，并且如果对处置目的的修改属于第二子类别，则可以控制规划单元7应用上文所解释的第二热启动策略(即，仅细化处置计划中递送较低辐射剂量的分段)。

类似地，决策单元8通常能够被配置为在微小修改的情况下仅选择前述热启动策略中的一种热启动策略。

根据另外的热启动策略，决策单元8可以控制规划单元7修改处置计划的所有部分，这可能有助于经修改的处置目的。这些部分特别包括处置计划的这样的部分，所述部分指定了用于将辐射递送至经修改的处置目的涉及的身体区域的处置参数(例如，处置目的指定最小或最大辐射剂量或均匀剂量要求的身体区域)。当处置计划如上文所解释地定义分段时，处置计划的相关部分特别包括将辐射递送至经修改的处置目的涉及的区域的分段的规范。处置计划的相关分段或部分可以基于反投影流程来确定。在该流程中，可以确定命中被包含在相关区域中的体素的射束部分的起源，并且基于此，可以确定处置计划中指定来自这样的起源的辐射的发射的部分。在一个实施例中，对处置计划的相关部分的选择可以在决策单元8中进行，并且决策单元8可以控制规划单元7修改所选择的部分。

在先前指定的目的(特别是指定要被递送至特定身体区域的最大或最小辐射剂量或均匀剂量要求的目的)的剂量值的主要修改的情况下，决策单元8可以特别地选择前述的热启动策略。这样的主要修改可以包括先前定义的处置目的的剂量值的改变，所述改变大于前述阈值。因此，主要修改可以包括由先前定义的处置目的的剂量值的变化组成并且未被分类为微小修改的修改。

尽快处置目的的改变的前述类别涉及对先前指定的处置目的的剂量值的修改，但是另外的类别优选包括处置目的的改变，其包括添加或删除处置目的。同样地，在对处置目的进行了这样的改变的情况下，则可以根据热启动策略来计算新的处置计划。

在这样的改变的情况下，特别是当添加新的目标和/或约束时，决策单元8可以根据所述改变来确定靶结构区域是否被修改，即，对靶结构的描绘是否已经改变。例如，当添加新的目标或约束(所述新的目标或约束旨在将特定最小辐射剂量递送至在先前指定的处置目的下不会经受到这样的目标或约束的特定身体区域)时，可能是这种情况。优选地，仅在靶结构的区域未被改变的情况下应用热启动策略。否则，即，在包括靶结构的区域发生改变的情况下，可以进行冷启动。这是由于处置计划通常主要是基于靶结构区域生成的，使得该区域的改变通常需要从头开始重新计算处置计划。

如果决策单元8已经确定靶结构区域没有与添加处置目的相关地改变，则决策单元8可以确定添加的处置目的是目标还是约束。当决策单元8确定已添加了目标时，其可以控制规划单元7基于热启动策略来重新计算处置计划。在一个实施例中，在这种情况下选择的策略可以包括将要解决的优化问题分解成要连续解决的部分优化问题的序列。在一个相关的实现方式中，当解决下一部分优化问题时，针对一个部分优化问题的成本函数可以被用作约束。

根据该策略，所述部分优化问题之一可以对应于基于先前定义的处置目的而生成的成本函数的最小化。该问题已经在优化流程的先前周期中得到解决，并且当重新计算处置计划时可以使用在该周期中获得的相关结果。一个或多个另外的部分优化问题可以对应于关于由规划单元7的操作者添加的一个或多个新目标的处置计划的优化。在已经添加了多个新约束的情况下，规划单元7可以特别地在部分优化问题的范围内单独处置每个添加的目标，并且可以通过根据所添加的目标的分级排名连续地解决与所添加的目标相对应的部分优化问题来优化处置计划。在此，在针对较低排名的目标的部分优化问题之前，可以解决针对较高排名的目标的部分优化问题，使得该算法更有可能找到满足较高排名的目标的解决方案。这对应于所谓的词典排序方法。

使用预定的规则，可以在规划单元7或决策单元8中自动地对所添加的目标进行分级排名。根据这样的规则，旨在增加向特定身体区域(通常被包括在针对这样的目标的靶结构中)递送的辐射剂量的目标可能比旨在降低向特定身体区域(通常对应于危险结构)递送辐射剂量的目标具有高的优先级(即，更高排名)。另外或备选的，可以基于目标的辐射生物学或临床优先级来建立分级排名，这可以基于预定规则确定和/或由规划单元7的操作者定义。类似的分级排名也可以被用于计算处置计划的第一版本或另一先前版本(因为在该计算中也可以使用词典排序方法)。

此外，如果决策单元8确定添加了新的约束，则用于计算下一优化周期中的处置的策略可以对应于热启动与冷启动的组合。根据该策略，决策单元8可以控制规划单元7在下一优化周期中首先执行热启动。具体地，其可以控制规划单元7以与先前指定的目的的剂量值的主要修改的情况下的类似方式重新计算处置计划，即，其可以控制规划单元7修改处置计划中指定了用于将辐射递送至新约束涉及的身体区域的处置参数的那些部分。然后，可以判断以这种方式计算的处置计划是否满足新的约束。如果是这种情况，则所计算的处置计划将被用作该优化周期的结果。如果不是这种情况，则决策单元8可以控制规划单元7基于包括新约束的经修改的处置目的来执行冷启动。

修改的另外的类别可以包括删除目标和约束。当用户提供对处置目的的这样的修改时，决策单元8可以检查先前生成的处置计划是否满足其他定义的处置目的。如果是这种情况，则决策单元8可以控制规划单元7继续优化。如果在另一类别中进行了另外的修改，则可以根据被分配给该类别的策略继续优化。在先前生成的处置计划未满足其他(未删除)的目标和/或约束的情况下，决策单元8可以控制规划单元7在下一优化周期中根据冷启动策略新计算处置计划。应用冷启动策略的原因在于：删除目标和/或约束扩大了针对优化问题的可能解决方案的“搜索空间”，并且因此，允许找到可以满足处置目的的另外的解决方案。

在决策单元8特别是根据上文所描述的修改的类别没有确定可以在下一优化周期中使用热启动策略的情况下，可以控制规划单元7执行冷启动。

图2示意性并且示例性图示了用于控制在一个优化周期中重新计算处置计划的方法的一个实施例中执行的步骤。在步骤201中开始观察周期时，决策单元8在步骤202中检查操作者是否已经改变了处置目的。如果决策单元8在步骤202中确定操作者尚未改变处置目的，则其指示规划单元7基于先前定义的处置目的继续进行优化(步骤203)。否则，即，在处置目的已经被修改的情况下，决策单元8可以在步骤204中检查所述改变是否包括在先前定义的处置目的中指定的剂量值的修改。如果是这种情况，则决策单元8可以在步骤205中检查这些改变是否由微小修改构成。如果所述决策确定这些改变由微小修改构成，则其可以在步骤206中控制规划单元7根据热启动策略来重新计算处置计划。为此目的，可以针对微小修改应用上文所描述的热启动策略之一。为了选择热启动策略，规划单元7可以任选地也确定如上文所解释的微小修改的适用子类别(在图2中未示出)。如果决策单元8在步骤205中确定修改不是由微小修改构成的，则修改包括主要修改。在这种情况下，决策单元8可以在步骤207中控制规划单元7根据另外的热启动策略来重新计算处置计划，该另外的热启动策略可能不同于在微小修改的情况下所使用的热启动策略。具体地，决策单元8可以在步骤207中控制规划单元7将上文所描述的热启动策略应用于主要修改。

如果决策单元8在步骤204中确定不包括在先前指定的处置目的中所指定的剂量值的修改的处置目的的改变，则在步骤208中检查是否已经添加了新的目标。如果是这种情况，则决策单元8可以在步骤209中检查靶结构的区域是否由于添加了新目标而被维持。如果是这种情况，则决策单元8可以在步骤210中控制规划单元7，以例如如上文所描述地根据热启动策略来重新计算处置计划。否则，即，如果决策单元8在步骤209中确定靶结构的区域已经被改变，则其在步骤211中控制规划单元7在冷启动时新计算处置计划。

此外，如果决策单元8在步骤208中确定经修改的处置目的不是由添加的目标构成的，则决策单元8可以在步骤212中进一步检查经修改的处置目的是否包括新的约束。在这种情况下，在步骤213中，决策单元8可以控制规划单元7基于最初先前生成的处置计划在下一优化周期中重新计算处置计划，并且在该重新计算导致不满足添加的约束的处置计划的情况下执行冷启动。

在决策单元8在步骤212中确定经修改的处置目的不包括添加的约束的情况下，可以在经修改的处置目的中删除目标和/或约束。在这种情况下，决策单元8可以继续至步骤211，并且控制规划单元7执行冷启动以新计算处置计划，或者在先前生成的处置计划满足先前生成的处置目的的情况下继续优化。

因此，在上文所描述的方法中，决策单元8连续检查对处置目的的修改是否对应于上述类别中的一个，并且控制规划单元7根据被赋予所述类别的策略在新的优化周期中计算处置计划。在该方面，本领域技术人员理解，特别是检查修改是否对应于不同类别不必按照上述次序进行，而是在原则上能够以任何其他次序进行。

此外，本领域技术人员理解可以定义修改的其他和/或另外的类别，并且在修改类别与策略之间可以有不同的分配。此外，前述热启动策略应被理解为可能的热启动策略的范例。所以，可以应用其他和/或另外的热启动策略。

通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或设备可以实现在权利要求中所记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施的事实并不指示不能够有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以存储/分布在与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分而提供的合适的介质上，所述介质例如是光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统来分布。

权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于为患者生成辐射治疗处置计划的系统，所述系统被配置为基于处置目的来优化处置参数，所述处置目的包括优化目标和/或约束，所述优化目标和/或约束包括针对要被递送至所述患者的至少一个身体区域的辐射剂量的要求，并且所述系统包括：

规划单元(7)，其被配置为生成第一处置计划，所述第一处置计划包括用于满足第一优化周期中的第一处置目的的处置参数，以及

决策单元(8)，其被配置为：

-接收第二处置目的，并且将所述第一处置目的与所述第二处置目的进行比较以确定所述第二处置目的相对于所述第一处置目的的修改；

-为所述修改赋予来自修改的多个预定类别中的类别，其中，为每个类别分配来自用于处置计划生成的多个预定策略中的策略，

-确定被分配给被赋予所述修改的所述类别的所述策略，并且指示所述规划单元(7)在第二优化周期中根据所确定的策略生成第二处置计划。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预定策略包括：基于所述第一处置计划生成所述第二处置计划，以及独立于所述第一处置计划生成所述第二处置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述预定策略包括多个策略，所述多个策略包括基于所述第一处置计划生成所述第二处置计划，这些策略中的每个策略被分配给所述预定类别中的不同预定类别。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一些处置目的指定针对要被递送至所述患者的身体的特定区域的辐射剂量的要求，并且其中，修改的至少一个预定第一类别包括对在第一处置目的中指定的所述辐射剂量的所述要求的修改。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，至少一个处置目的指定要被递送至所述身体区域的最大辐射剂量和/或至少一个处置目的指定要被递送至所述身体区域的最小辐射剂量，并且其中，所述第一预定类别包括对所述辐射剂量的修改。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，被分配给所述第一预定类别的所述策略包括基于所述第一处置计划生成所述第二处置计划。

7.根据权利要求4或5所述的系统，其中，至少一个第一预定类别包括对在第一处置目的中指定的要被递送至身体区域的辐射剂量的所述要求的修改，所述修改超过预定阈值，并且其中，被分配给该类别的所述策略包括重新计算所述第一处置计划的部分，所述部分包括用于将辐射递送至所述身体区域的处置参数。

8.根据权利要求4或5所述的系统，其中，至少一个预定第一类别包括对在第一处置目的中指定的要被递送至身体区域的辐射剂量的所述要求的修改，所述修改未超过预定阈值。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处置计划包括多个分段部分，每个分段部分对应于一组同时使用的处置参数，并且其中，被分配给所述预定第一类别的所述策略包括重新计算所述第一处置计划的至少一个分段部分，所述至少一个分段部分比其他分段部分向所述患者提供更小的辐射剂量的递送。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，修改的至少一个类别包括如下修改：包括将至少一个目标添加到所述第一处置目的的修改，并且其中，被分配给所述类别的所述策略包括将所述第二处置计划的所述计算分解为连续的部分计算，一个部分计算对应于所述第一处置计划的计算，而另外的部分计算对应于基于所添加的目标的优化。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，如果所述修改包括添加多个目标，则所述策略包括将所述第二处置计划的所述计算分解为多个连续的部分计算，每个部分计算对应于基于一个添加的目标的优化，并且其中，用于执行所述部分计算的次序是基于被赋予所添加的目标的排名来确定的。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，修改的至少一个类别包括如下修改：包括将至少一个约束添加到所述第一处置目的的修改，并且其中，被分配给所述类别的策略包括：

-基于所述第一处置计划生成所述第二处置计划的初步版本；

-判断所述第二处置计划的所述初步版本是否满足所添加的约束；并且

-如果判断所述第二处置计划的所述初步版本不满足所添加的约束，则独立于所述第一处置计划生成所述第二处置。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个第一目标指定针对要被递送至所述患者的身体的靶区域的所述辐射剂量的要求，其中，修改的至少一个类别包括改变所述靶区域的修改，并且其中，被分配给所述类别的策略包括独立于所述第一处置计划生成所述第二处置计划。

14.一种用于为患者生成辐射治疗处置计划的方法，所述方法包括基于处置目的来优化处置参数，所述处置目的包括优化目标和/或约束，所述优化目标和/或约束包括针对要被递送至所述患者的至少一个身体区域的辐射剂量的要求，并且所述方法还包括：

-生成第一处置计划，所述第一处置计划包括用于满足第一优化周期中的第一处置目的的处置参数；

-接收第二处置目的，并且将所述第一处置目的与所述第二处置目的进行比较以确定所述第二处置目的相对于所述第一处置目的的修改；

-为所述修改赋予来自修改的多个预定类别中的类别，其中，为每个类别分配来自用于处置计划生成的多个预定策略中的策略，

-确定被分配给被赋予所述修改的所述类别的所述策略，并且在第二优化周期中根据所确定的策略生成所述第二处置计划。

15.一种能在辐射治疗系统的处理单元中运行的计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当所述计算机程序在所述处理单元中被运行时使所述处理单元执行根据权利要求14所述的用于为患者生成辐射治疗处置计划的方法。