CN108883298B - 治疗计划模块、疗法系统、疗法装置及存储介质 - Google Patents

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Abstract

用于粒子辐射治疗中所使用的治疗计划算法的非高斯能量分布建模的系统、设备和方法。

Description

治疗计划模块、疗法系统、疗法装置及存储介质
技术领域
本公开一般涉及粒子治疗，并且更具体地，涉及用于质子和其他带电粒子（例如，中子、电子、重离子等）治疗加速器的治疗计划算法的频谱建模。
背景技术
放射外科和放射疗法系统是放射疗法治疗系统，其通过向病理解剖结构（即，目标）递送规定剂量的辐射（X射线、伽马射线、电子、质子和/或离子），同时最小化对周围组织和关键解剖结构的辐射暴露，来使用外部辐射束来治疗病理解剖结构（肿瘤、病变、血管畸形、神经障碍等）。由于在治疗期间被递送给患者的高辐射剂量，放射疗法要求高空间精确度以确保肿瘤或异常（即，目标）在周围正常组织被保留的同时接收规定剂量。
通常，放射疗法治疗包括几个阶段。第一阶段，通过使用计算机断层扫描（CT）、锥形束CBCT、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）、3D旋转血管造影（3DRA）或超声技术中的任何一个（或其组合）来构建感兴趣区域（头部、身体等）中的解剖结构的精确三维（3D）图。这确定了解剖结构内目标的准确坐标，即，定位身体内的肿瘤或异常并定义其准确的形状和大小。第二阶段，同时考虑到各种医学约束，用于辐射束的运动路径被计算以递送剂量分布，该剂量分布是外科医生认为可接受的。在该阶段期间，专家团队使用专用计算机软件开发治疗计划，以通过设计从不同角度和平面聚集在目标区域的辐射束，最佳地照射肿瘤并最小化对周围正常组织的剂量。第三阶段，放射治疗计划被执行。在该阶段期间，辐射剂量根据规定的治疗计划被递送给患者。
通常，放射疗法治疗计划是将辐射束和患者解剖结构两者的模型作为输入，并且产生用来递送放射治疗（即，射束能量、射束形状和每个射束中要被递送的光子数量等）的机器指令，以及患者中的预期辐射剂量分布作为输出的程序。
尽管治疗计划程序对于不同的辐射类型具有一些共同的特性，但是与光子（即，X射线）相反，粒子的使用（质子、中子、重离子等）在设计和优化治疗参数时具有许多特定的含义。差异主要来自于这一事实：诸如质子的粒子将其大部分能量汇积在在它们的轨道端处的高剂量峰中（称为布拉格峰），确保质子停留在布拉格峰，然而光子在患者表面或其下方达到最大剂量，并且它们汇积剂量超过目标。
通常，在粒子疗法中，患者体内的预期剂量分布基于剂量计算模型来确定，该剂量计算模型考虑不同深度处的剂量（即，深度剂量）以及横向方向上的剂量分布（即，横向剂量分布）。由于带电粒子束的一些特性取决于束的初始能量，因此针对带电粒子的治疗计划还对被用于治疗的处于不同能量的粒子的深度剂量分布进行建模。因此，深度剂量分布通常包括粒子的能量分布。通常，粒子的能量分布由高斯分布近似。
然而，已经发现，对于较低的能量，粒子的能量分布不一定是高斯分布。结果，使用高斯分布来对粒子的能量分布建模以生成深度剂量分布可能导致剂量分布的不太准确的建模。不准确的剂量分布模型导致治疗计划的不准确性，这可以在计划的和实际的递送剂量之间引入显著差异。
发明内容
公开了用于使用非高斯分布对对象/主体/材料中的一个或多个粒子束（例如带电粒子束）的能量分布进行建模的系统和方法。
在示例性实施例中，一个或多个粒子束是质子束、中子束和/或重离子束中的一个。
在示例性实施例中，对象/主体/材料是患者。
在示例性实施例中，非高斯模型包括误差函数的组合。
在示例性实施例中，非高斯模型由下式给出：
Figure 542698DEST_PATH_IMAGE001
其中p是能量E的分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。
在示例性实施例中，非高斯模型由下式给出：
Figure 843491DEST_PATH_IMAGE002
其中p是能量E的分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。
在示例性实施例中，深度剂量分布使用非高斯能量分布模型来确定。
在实施例中，使用采用非高斯能量分布模型的剂量计算算法来计算对象/主体/材料中的辐射剂量。
治疗计划系统、方法和模块也被公开，其被配置为使用非高斯模型从粒子疗法系统确定用于一个或多个粒子束或其部分的能量分布。
在示例性实施例中，所确定的能量分布被用来计算患者体内的来自一个或多个粒子束或其部分的剂量。
在实施例中，剂量计算可以采用分析函数或随机算法。
粒子疗法系统也被公开，粒子疗法系统可以包括：束生成系统，用于生成一个或多个粒子束；束运输系统，用于运送来自束生成系统的一个或多个粒子束；至少一个治疗站，用于利用一个或多个粒子束照射对象/主体/材料，治疗站被耦合到束运输系统以接收所运送的一个或多个粒子束或其部分；治疗计划模块，该治疗计划模块基于一个或多个粒子束或其部分内的粒子的能量分布来确定用于对象/主体/材料的照射计划；以及控制器，被配置为至少控制束运输系统和治疗系统以实现照射计划。
在示例性实施例中，对象/主体/材料是患者。
在示例性实施例中，治疗计划模块被配置为基于非高斯模型确定能量分布。
在实施例中，治疗计划模块被配置为使用所确定的能量分布来计算来自患者内部的一个或多个粒子束或其部分的剂量，并且剂量计算可以采用分析函数或随机算法。
在实施例中，非高斯模型包括误差函数的组合。
在实施例中，束生成系统包括回旋加速器，以及束运输系统可以包括能量分析和选择系统。能量分析和选择系统可以包括降能器和能量限定狭缝中的至少一个。
方法也被公开，包括使用非高斯模型从粒子加速器估计一个或多个粒子束或其部分中的粒子的能量分布。
在示例性实施例中，方法进一步包括：至少部分地基于所确定的能量分布，例如利用一个或多个粒子束或其部分照射对象/主体/材料，诸如患者。
在示例性实施例中，方法可以进一步包括，基于所确定的能量分布计算来自患者内部的一个或多个粒子束或其部分的剂量。计算剂量可以采用分析函数或随机算法。
在示例性实施例中，照射包括使用降能器和能量限定狭缝中的至少一个从粒子加速器调整一个或多个粒子束或其部分的能量。
在示例性实施例中，非高斯模型包括误差函数的组合。
在示例性实施例中，粒子束包括质子、离子或其他带电粒子。
非暂时性计算机可读介质也被公开，包括用于执行全部书面公开中所公开的方法步骤中的任何一个或组合的指令。
附图说明
实施例在下文中将参考附图来描述，附图不一定按比例绘制。在适用的情况下，一些特征可以不被示出以帮助说明和描述基础特征。在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是示出根据所公开技术主题的一个或多个实施例的治疗系统的各种组件的关系的简化示意图。
图2示出了根据所公开技术主题的一个或多个实施例的治疗系统的通过机架组件对患者的粒子照射。
图3示出了根据所公开技术主题的一个或多个实施例的治疗系统中的粒子束生成和运输的各种组件的关系。
图4示出了根据所公开技术主题的一个或多个实施例的计划治疗设备的各种组件的简化示意图。
图5是根据所公开技术主题的一个或多个实施例，在具有给定初始能量扩散的质子疗法系统中所测量的（'原始'）布拉格峰周围的80MeV质子深度剂量分布的图，其被近似为高斯分布或由基于误差函数的模型近似。
图6A至图6B是针对能量狭缝的两种不同配置的图4的能量分布模型的图。
图7是类似于图5的图，但是示出针对160MeV质子束的深度剂量曲线的布拉格峰区域。
图8是根据所公开技术主题的不同实施例的用于实施治疗计划的示例性过程。
具体实施方式
由于高能粒子的布拉格峰，高能粒子提供优于其他外部束辐射疗法技术的临床优势。由于它们的深度剂量分布，其允许最大剂量被递送至肿瘤体积而没有超出远端边缘的初级粒子剂量，粒子治疗技术允许更少的束的递送以实现相同的目标覆盖，进而限制被递送到目标部位（即，目标体积，诸如例如，患者的癌性肿瘤）周围的其他器官和组织的整体剂量。
粒子疗法系统通常包括用来加速、运输和将带电粒子递送到患者体内给定目标体积的系统和机构。通常，粒子在加速器（诸如回旋加速器或同步加速器）中被加速，然后沿着被抽空的束管被运输到治疗室。在加速和运输期间，磁体控制带电粒子束的方向和焦点。当束到达治疗室时，其必须被递送到目标部位。这可以使用允许束在患者周围360度被递送的机架来实现。
图1示出了示例性粒子疗法系统10的各种组件。例如，例子疗法系统10可以包括治疗计划模块12、控制器14、束生成系统16、束运输系统18和治疗站20。高能粒子，例如质子或其他带电粒子（例如，中子、电子、重离子等），可以由束生成系统16生成，并经由束运输系统18被递送到治疗20以用于照射对象，诸如患者。束生成系统16可以包括粒子加速器（例如，回旋加速器或同步加速器），其中粒子束以特定能量级别被产生，该能量级别可以通过能量选择被调整到规定的能量级别。通常，从加速器被输出的粒子束具有固定的能量。该能量可以处在70 MeV和250 MeV之间任何位置。由于给定介质（诸如患者）中布拉格峰的深度取决于其初始能量，因此改变该能量允许高剂量被放置在介质/患者内部的任何深度处。能量可以使用能量选择系统而被改变/调谐到期望的能量。因此，粒子穿透的深度可以通过改变从粒子加速器输出的粒子束的能量来改变。
束运输系统18可以使用各种磁体将粒子束调谐并递送到治疗站20，以用于将粒子束聚焦和/或重新定向到治疗站20。在束运输系统18的末端，与照射喷嘴相关联的旋转机架将粒子束递送到患者的目标体积（例如，肿瘤）上。当患者被定位在支撑机构上时，照射喷嘴将粒子束引导到照射对象，该支撑机构诸如是可调整的轮床或椅子，其被配置成将患者保持在相对于粒子束的固定位置。可旋转机架被配置为使照射喷嘴围绕患者旋转，以从不同角度照射患者体内的期望目标体积。可调整的轮床或椅子可以具有六个自由度。机架带电束递送和六个自由度机器人患者轮床/椅子的组合允许临床医生在处理目标体积时具有极大的粒子束递送灵活性，同时保留了关键结构。通过改变能量并通过旋转机架，粒子束的深度和位置二者可以被改变，以处理患者体内的三维体积。
治疗计划模块12确定治疗计划，基于该治疗计划，患者体内的目标体积在治疗站20中被照射。治疗计划模块12基于输入的粒子束模型和患者解剖结构来确定患者体内的预期辐射剂量分布。治疗计划模块12还输出要由粒子疗法系统10的束生成元件、束运输元件和束递送元件实现的机器指令，以确保粒子束的适当递送以实现患者体内预期的剂量分布。实质上，治疗计划模块12确定用于目标肿瘤体积的有效照射的粒子束的能量和位置，并开发在治疗站20中的患者治疗期间由粒子疗法系统10实施的机器指令，以实现患者体内预期的辐射剂量分布。
控制器14可以控制束生成系统16、束运输系统18和机架中的一个或多个，来基于来自治疗计划模块12的所确定的治疗计划来照射患者以实现期望的治疗。
在一些配置中，治疗计划模块12可以与其他组件分开被提供。例如，控制器14、束生成系统16、束运输系统18和治疗站20可以作为完整的治疗系统100被共同定位，其中治疗计划模块12包括单独的终端或设备。在其他配置中，治疗计划模块12构成控制器14的一部分。在更多其他配置中，束生成系统16和束运输系统18可以被认为与治疗站20和/或控制器14分开，例如，当单个束生成系统16和束运输系统18被用来将粒子束提供给若干不同的治疗站20时。
治疗站20的配置在图2中被示出。治疗站从粒子束源(未被示出)，诸如回旋加速器或同步加速器，接收粒子束114，例如质子束。粒子束114经由束运输系统（未被示出）从粒子束源被运输，该束运输系统将束114提供给机架108以用于照射患者102。束运输系统可以包括真空管和束控制组件，诸如聚焦粒子束的四极磁体以及使粒子束偏转的偶极磁体。
粒子束114经由旋转真空密封件112进入机架108。在机架108内，粒子束可以沿着弯曲的路径到达照射喷嘴122，照射喷嘴122沿着路径110重新定向粒子束以用于对患者102的照射。机架108内的磁体118和120将粒子束从真空密封件112重新定向到照射喷嘴122。患者支撑件104将患者102定位成与机架108的旋转轴116对齐。照射喷嘴122通过机架108绕旋转轴116旋转，以从不同角度照射患者体内的治疗体积。
根据一个或多个预期的实施例，除了上面具体描述的那些之外的用于粒子疗法系统10的配置和设置也是可能的。例如，粒子疗法系统可以具有多个治疗站20（例如，作为单独的室），多个治疗站20被提供经由公共束运输系统18来自束生成系统16（例如，单个回旋加速器或多个回旋加速器或同步加速器）的粒子束。在这种配置中，束运输系统18可以包括例如用于在不同治疗站20之间分离粒子束的分割磁体。
参考图3，束生成系统16和束运输系统18的部分的示例性配置被示出。例如，束生成系统16可以包括回旋加速器/同步加速器302，其产生高能粒子束304（例如，质子或其他带电粒子，诸如离子），以便由束运输系统18运输。束运输系统18可以包括一个或多个磁体306，用于在沿束传播路径的各个位置处聚焦或重新定向粒子束304。沿着路径设置的可以是一个或多个分析磁体310a/310b，用于在其被定向到治疗站20的机架之前，在314处分析粒子束304。例如，消色差偶极子组310a/310b可以执行粒子束304的能量分析。
束运输系统18还可以包括一个或多个沿束路径设置的能量分析和选择组件。例如，来自回旋加速器302的固定能量粒子束304可以通过降能器单元308来减速/衰减，降能器单元308的示例在本领域中是已知的，接着是一组能量选择偶极磁体，专用于精细能量选择，通过过滤由能量降能器单元308产生的不期望的横向发射、动量扩散和能量扩散。在一些实施例中，降能器单元308可以与动量扩散单元组合。在这样的配置中，降能器/动量扩散器组合可以被实施为单个设备。
能量分析和选择组件可以包括在偶极子组310a/310b之间的分散焦点处的能量限定狭缝系统312。在分散焦点处，相对动量/能量与距中心束轴的水平距离之间的高相关性可以被定义。狭缝312可以水平地被定位，以便在分散焦点处限制能量降能器308后面的初始高斯形状的动量/能量分布，因此允许粒子的布拉格峰的最小远端下降（例如，物理极限以上2 mm），从而最小化后续束运输系统中的束损失。在一些实施例中，狭缝系统312可选地可以被省略。
图4示出了根据一个或多个示例性实施例的治疗计划模块12，包括由治疗计划模块12所采用的过程。如图4中所示，治疗计划模块12被配置为接收粒子束和患者解剖模型作为输入，对输入数据应用各种处理和计算过程，以及生成治疗计划作为输出，该治疗计划包括患者体内的预期剂量分布和机器指令，利用该指令，治疗系统100的不同组件一起工作以照射患者，使得患者体内的实际剂量分布对应于预期的剂量分布。
在治疗计划模块12中，预期剂量分布D（x，y，z）通过采用剂量分布模型/算法来确定，该剂量分布模型/算法经由考虑介质中特定深度z处的剂量（即，介质/患者内的深度剂量DD（z））以及横向方向x，y上剂量的分布（即，对象/患者体内的横向剂量分布T(x, z, σx(z))和T(y, z, σy(z))）的表达式/公式，计算在介质（即，患者）内的特定位置x，y，z处的递送剂量D。深度剂量DD（z）可以经由水体模中的测量、经由第一原理和数据拟合的组合、经由分析近似或经由蒙特卡罗计算来获得。横向剂量分布（T(x, z, σx(z)和T(y, z, σy(z)）可以被计算，从关于束尺寸、形状、发散和方向的所测量的数据开始，并且利用经由通过高斯分布描述的加权分量，对粒子在介质中期间被暴露的相关物理过程的结果（即例如，库仑散射和/或核相互作用）进行建模来计算束增宽。由于粒子束的一些特性，例如剂量沉积的深度z，取决于束的初始能量E，预期剂量分布模型/算法还考虑了所递送剂量的能量依赖性。
为了精确地计划治疗，治疗计划模块12对被用于治疗的不同能量处的粒子（例如，质子、电子、中子、离子等）的深度剂量分布进行建模。深度剂量分布模型包括粒子的能量分布，特定于上述能量选择过程。由治疗计划模块12采用的模型函数确定治疗计划将如何准确地反映患者体内的实际剂量分布。此外，模型函数被用来内插系统的中间能量，这些能量在系统调试期间可能没有被测量到。治疗计划模块12可以考虑例如照射体积（例如，肿瘤）的形状和位置以及期望的照射剂量，以及提供期望剂量所需的角度和粒子能量。然后，治疗计划模块12可以将信息转换为用于粒子治疗系统100的指令，以产生具有规定能量的粒子束和/或指示磁体将束偏转到期望的照射体积。
在现有系统中，由高斯分布近似的能量分布模型已经被使用。高斯分布或高斯分布函数（也被称为“钟形曲线”）是连续函数，其对事件的二项分布进行近似，并且表示具有相对于随机分布的平均值的标准偏差σ的概率分布。高斯近似可以在治疗中所应用的完整能量范围上被很好地参数化，从而允许中间能量的即时内插。这种模型可以从深度剂量分布的测量得出。然而，已经观察到，对于较低的能量，粒子的能量分布不一定是高斯分布。因此，具有能量分析和选择组件的束生成系统中的预期能量分布不一定是高斯分布，尤其是对于较低能量。因此，使用高斯来对能量分布进行建模导致剂量分布的不准确建模。不准确的剂量分布模型导致治疗计划的不准确性。治疗计划中的不准确可以在目标体积照射中引入显著的误差。
因此，在所公开技术主题的一个或多个实施例中，治疗计划模块12被配置为采用非高斯模型。特别地，在一个或多个示例性实施例中，基于误差函数的组合的非高斯模型被生成并且被用来对能量分布进行建模。误差函数Erf(n)表示感兴趣的参数（即n）在(
Figure 632456DEST_PATH_IMAGE003
和(
Figure 124617DEST_PATH_IMAGE004
之间的范围内的概率，其中σ表示标准偏差。模型可以采用以下形式：
Figure 694139DEST_PATH_IMAGE002
其中p是能量E的分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度（即，分布曲线峰值的一半高度的全宽），c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率（即，能谱的上边界和下边界）的参数。在备选实施例中，模型的更简单形式可以将b2设置为等于b，并且d2等于d，从而产生以下形式的对称函数：
Figure 31579DEST_PATH_IMAGE005
上述模型的自由参数可以通过最小化模型函数的卷积与单能质子的分布或其他离子深度剂量分布的二次差来从所测量的深度剂量分布来确定。后者可以基于蒙特卡罗（Monte Carlo）计算或布拉格峰的其他理论模型。优化过程本身可以通过采用数值优化策略来实现。通常，蒙特卡罗模型通过考虑粒子与物质的几乎所有可能的相互作用来跟随粒子束在介质中的传播。对每个粒子的每个相互作用都是基于针对所有级别的相互作用的模型和/或实验和评估的数据库来考虑的。蒙特卡罗代码然后被采用来计算用于粒子束的深度剂量、横向剂量特性、等剂量曲线和二次粒子产生以估计剂量分布。
在示例性实施例中，测量来自质子束照射的80MeV布拉格峰，对80MeV单能量束的Monte Carlo进行计算，并用高斯形能量分布或上面所介绍的非高斯模型进行卷积。从图5中可以明显看出，非高斯模型在如图6A和图6B所示的能量分析和选择系统的两种不同配置下导致针对80MeV束的明显更好的拟合。如图7所示对于中间能量（例如，160MeV），类似的改进可以被看到。在较高能量处，高斯分布和非高斯分布之间的差异减小。因此，非高斯模型更接近于符合粒子束的实际测量，特别是在低能量处，并且更接近地反映实际能量分布的预期形状。
因此，在治疗计划模块12中使用上述非高斯模型更好地描述了到达患者的实际能量分布，并因此更好地描述了在组织中产生的深度剂量分布。由非高斯模型提供的预期粒子能量分布的改进表示允许定制治疗计划。实际上，由于粒子束的生物有效性可以取决于束能量以及组织位置和类型，因此精确地对所得到的粒子束的能量进行建模的能力可以允许治疗计划的发展，该治疗计划最小化或至少减少在其仍然有效时由患者接收到的剂量。
在一个或多个附加实施例中，在除了上述非高斯分布基础之外，治疗计划模块12还可以加入附加方面到模型。例如，治疗计划模块12可以执行频谱的其他形式的反卷积，包括正则化。
在一个或多个附加实施例中，如图8中所示，过程S100可以由粒子疗法系统10实现，包括/包括以下步骤：在步骤S101中，治疗计划模块12使用非高斯分布模型估计介质内的粒子束的能量分布。在示例性实施例中，介质可以是体模近似/模拟在治疗站20待治疗的患者的身体部位。非高斯分布模型可以基于被生成的并且被用来对能量分布进行建模的误差函数的组合。例如，模型可以采用以下形式：
Figure 439164DEST_PATH_IMAGE006
其中p是能量E的分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度（即，分布曲线峰值的一半高度的全宽），c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率（即，能谱的上边界和下边界）的参数。在备选实施例中，模型的更简单形式可以将b2设置为等于b，并且d2等于d，从而产生以下形式的对称函数：
Figure 836648DEST_PATH_IMAGE007
在步骤S102中，治疗计划模块12使用在步骤S101中所应用的估计的能量分布来计算介质内的预期剂量分布。基于所计算的期望剂量分布，在步骤S103中，治疗计划模块12生成治疗计划，并且在S104中，将治疗计划存储在内部和/或外部存储介质中，以供在治疗站20中用粒子束照射患者期间，由治疗系统10随后检索和执行。
附加步骤可以被包括在该过程中，诸如质量测量步骤，其中治疗计划的执行被验证，以确保患者体内的实际剂量符合所计算的预期剂量，以及质量控制步骤，其中，如果差异在预期剂量和实际剂量之间被检测到，则放射治疗被停止或者控制信号被生成，以自动停止治疗或允许适当的医务人员手动停止治疗和/或确定差异的原因以及改正/纠正差异的原因。
尽管上面的描述可以具体涉及质子束系统，但是所公开的技术主题的实施例不限于此。除非特别地如此公开，否则上述描述适用于各种类型的粒子疗法系统，包括那些生成带电粒子束和离子束的粒子疗法系统，而不仅仅是质子束。
应该理解，所公开的技术主题的各方面可以完全地或部分地以硬件、由软件编程的硬件、被存储在计算机可读介质（例如，非暂时性计算机可读介质）上的软件指令或上述的任何组合来实现。
例如，所公开技术主题的组件，包括诸如控制器、进程或任何其他特征的组件，可以包括但不限于个人计算机或包括处理器、微处理器、微控制器设备的其他这样的计算系统，或者由控制逻辑组成，其包括集成电路，诸如，例如专用集成电路（ASIC）。
本文所讨论的特征可以在单个或分布式处理器（单核和/或多核）上，通过分布在多个计算机或系统上的组件，或通过共同位于单个处理器或系统中的组件来执行。例如，所公开技术主题的各方面可以经由编程的通用计算机、集成电路设备（例如，ASIC）、数字信号处理器（DSP）、用微代码编程的电子设备（例如，微处理器或微控制器）、硬连线电子或逻辑电路、可编程逻辑电路（例如，可编程逻辑器件（PLD）、可编程逻辑阵列（PLA）、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程阵列逻辑（PAL））、被存储在计算机可读介质或信号上的软件、光学计算设备、电子和/或光学设备的联网系统、专用计算设备、半导体芯片、被存储在计算机可读介质或信号上的软件模块或对象来实现。
当在软件中被实现时，功能可以作为一个或多个指令或代码被存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质传送。本文所公开的方法或算法的步骤可以被实施在处理器可执行软件模块中，该处理器可执行软件模块可以驻留在计算机可读介质上。指令可以从根据编程语言所提供的源代码指令来编译。编程指令序列和与其相关联的数据可以被存储在计算机可读介质（例如，非暂时性计算机可读介质）中，诸如计算机存储器或存储设备，其可以是任何合适的存储设备，诸如但不限于，只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、随机存取存储器（RAM）、闪存、磁盘驱动器等。
如本文所使用的，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其包括便于将计算机程序从一个地方传递到另一个地方的任何介质。因此，存储介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。通过示例而非限制，这种计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备、或者可以被用来以指令或数据结构的形式携带或存储期望程序代码并且是可以由计算机访问的任何其他介质。
而且，任何连接都适当地被称为计算机可读介质。例如，如果软件使用传输介质（例如，同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或无线技术，诸如红外、无线电和微波）从网站、服务器或其他远程源被传送，则传输介质被包括在计算机可读介质的定义中。此外，方法或算法的操作可以作为机器可读介质和/或计算机可读介质上的代码和/或指令之一（或其任何组合）或一组代码和/或指令而存在，其可以被合并到计算机程序产品中。
本领域普通技术人员将容易理解，以上描述并非详尽无遗，并且所公开的技术主题的各方面可以不同于以上具体公开的方式来实现。实际上，所公开的技术主题的实施例可以由本领域普通技术人员根据本文所提供的功能描述使用任何已知的或以后开发的系统、结构、设备和/或软件以硬件和/或软件实现。
在本申请中，除非另外特别说明，否则单数的使用包括复数，并且“或”和“和”的单独使用包括另一个，即“和/或”。此外，术语“包括”或“具有”的使用以及诸如“包括”、“包括”、“具有”或“具有”之类的其他形式旨在具有与“包括”相同的效果，并且因此不应该被理解为限制。
本文所描述的任何范围将被理解为包括端点和端点之间的所有值。每当“基本上”、“大约”、“基本上”、“接近”或类似语言与特定值被组合使用时，除非另有明确说明，否则达到并包括该值的10％的变化是预期的。
在一些情况下，前述描述适用于在实验室中所生成的示例，但是这些示例可以被扩展到生产技术。因此，在数目和技术适用于实验室示例的情况下，它们不应被理解为限制。特别地，当特定化学品或材料在本文中已经被公开的情况下，其他化学品和材料根据一个或多个预期实施例也可以被采用。
因此显而易见的是，根据本公开提供了用于粒子疗法治疗计划的频谱建模系统、方法和设备。许多备选、修改和变化由本公开实现。尽管具体示例已经被详细示出和描述以说明本发明原理的应用，但是应该理解，在不脱离这些原理的情况下，本发明可以以其他方式来实施。例如，所公开的特征可以被组合、重新布置、省略等以产生附加的实施例，而某些所公开的特征有时可以有利地被使用而无需其他特征的对应使用。相应地，申请人意图包含在本发明的精神和范围内的所有这些备选、修改、等同物和变化。

Claims (31)

1.一种治疗计划模块，包括：
用于使用非高斯模型来确定针对来自粒子疗法系统的一个或多个粒子束或其部分的能量分布，其中所述非高斯模型包括误差函数的组合的部件。
2.根据权利要求1所述的治疗计划模块，其中所述模型由下式给出：
Figure 736132DEST_PATH_IMAGE002
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。
3.根据权利要求1所述的治疗计划模块，其中所述模型由下式给出：
Figure 877263DEST_PATH_IMAGE004
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。
4.根据权利要求1所述的治疗计划模块，其中所述模型进一步被配置为使用所确定的所述能量分布来计算来自在介质内部的所述一个或多个粒子束或其部分的剂量。
5.根据权利要求4所述的治疗计划模块，其中所述剂量计算采用分析函数或随机算法。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的治疗计划模块，其中所述粒子束包括质子、离子或其他带电粒子。
7.一种粒子疗法系统，其特征在于，包括：
束生成系统，用于生成一个或多个粒子束；
束运输系统，用于运送来自所述束生成系统的所述一个或多个粒子束；
至少一个治疗站，用于利用所述一个或多个粒子束照射介质/患者，所述治疗站被耦合到所述束运输系统以接收所运送的所述一个或多个粒子束或其部分；
治疗计划模块，所述治疗计划模块基于所述一个或多个粒子束或其部分内的粒子的能量分布来确定用于所述介质/患者的照射计划；以及
控制器，被配置为至少控制所述束运输系统和粒子疗法系统以实现所述照射计划，
其中所述治疗计划模块被配置为基于非高斯模型确定所述能量分布，其中所述非高斯模型包括误差函数的组合。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述治疗计划模块被配置为使用所确定的所述能量分布来计算来自在所述介质/患者内部的所述一个或多个粒子束或其部分的剂量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述剂量计算采用分析函数或随机算法。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述模型由下式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述模型由下式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。
12.根据权利要求7所述的系统，其中所述束生成系统包括回旋加速器或同步加速器。
13.根据权利要求7所述的系统，其中所述束运输系统包括能量分析和选择系统。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述能量分析和选择系统包括降能器和能量限定狭缝中的至少一个。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的系统，其中所述粒子束包括质子、离子或其他带电粒子。
16.一种粒子疗法装置，包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器被耦合至所述处理器并且具有被存储在其上的指令，所述指令当被所述处理器执行时，使所述粒子疗法装置执行动作，所述动作包括：
使用非高斯模型估计来自粒子加速器的一个或多个粒子束或其部分中的粒子的能量分布，其中所述非高斯模型包括误差函数的组合。
17.根据权利要求16所述的粒子疗法装置，其中所述动作进一步包括：至少部分地基于所确定的所述能量分布，利用所述一个或多个粒子束或其部分照射介质/患者。
18.根据权利要求17所述的粒子疗法装置，其中所述动作进一步包括：基于所确定的所述能量分布计算来自在所述介质/患者内部的所述一个或多个粒子束或其部分的剂量。
19.根据权利要求18所述的粒子疗法装置，其中所述计算剂量采用分析函数或随机算法。
20.根据权利要求17所述的粒子疗法装置，其中所述照射包括：使用降能器和能量限定狭缝中的至少一个，调整来自粒子加速器的所述一个或多个粒子束或其部分的能量。
21.根据权利要求16所述的粒子疗法装置，其中所述模型由下式给出：
Figure 919781DEST_PATH_IMAGE002
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。
22.根据权利要求16所述的粒子疗法装置，其中所述模型由下式给出：
Figure 255210DEST_PATH_IMAGE004
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的粒子疗法装置，其中所述粒子束包括质子、离子或其他带电粒子。
24.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储用于执行动作的计算机程序，所述动作包括：
使用非高斯模型估计来自粒子加速器的一个或多个粒子束或其部分中的粒子的能量分布，其中所述非高斯模型包括误差函数的组合。
25.根据权利要求24所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述动作还包括：至少部分地基于所确定的所述能量分布，利用所述一个或多个粒子束或其部分照射介质/患者。
26.根据权利要求25所述的暂时性计算机可读介质，其中所述动作还包括：基于所确定的所述能量分布计算来自在所述介质/患者内部的所述一个或多个粒子束或其部分的剂量。
27.根据权利要求26所述的暂时性计算机可读介质，其中所述计算剂量采用分析函数或随机算法。
28.根据权利要求25所述的暂时性计算机可读介质，其中所述照射包括：使用降能器和能量限定狭缝中的至少一个，调整来自粒子加速器的所述一个或多个粒子束或其部分的能量。
29.根据权利要求24所述的暂时性计算机可读介质，其中所述模型由下式给出：
Figure 471428DEST_PATH_IMAGE005
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。
30.根据权利要求24所述的暂时性计算机可读介质，其中所述模型由下式给出：
Figure 416250DEST_PATH_IMAGE006
其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。
31.根据权利要求24至30中任一项所述的暂时性计算机可读介质，其中所述粒子束包括质子、离子或其他带电粒子。
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