CN109195663B - 粒子弧线疗法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种向靶递送粒子束的方法。在若干实现方式中，从输出装置向多个控制点递送所述粒子束，并且所述方法包括在所述多个控制点周围递送基本上连续的粒子束的步骤。

Description

粒子弧线疗法
技术领域
本公开涉及用于提供基本上连续的带电粒子弧线疗法的系统和方法。
发明背景
带电粒子疗法采用通电质子束、碳离子束或其它带电粒子束。目前，最常用的粒子疗法类型之一是质子疗法。质子疗法，也称为质子束疗法，是一种使用质子束照射患病组织的医疗程序。质子疗法相比于例如用于治疗癌症的常规光子放射疗法，诸如X射线或γ射线，优势之一在于对患者的累积剂量减少。累积剂量指的是患者在辐射种类的治疗期间所经历的能量总量。质子疗法能够有助于将对组织和结构的损伤降到最低，同时将优选的剂量集中在靶组织上。
与常规的辐射疗法相比，质子疗法可提供优越的肿瘤包覆度，并向患者身体递送较低的累积剂量。与传统的被动散射质子疗法相比，点扫描质子疗法技术通过类似于三维印刷技术逐点并逐层扫描靶可提供优越的靶包覆度。但目前的点扫描质子疗法粒束递送技术在性能方面可能受限，而且在一个治疗部分(即，通常一个治疗部分仅由1至4个治疗区域组成)只能够递送有限的质子束。
发明概要
本文公开了一种向靶递送粒子束的方法。在若干实现方式中，从输出装置向多个控制点递送粒子束，并且所述方法包括在多个控制点周围递送基本上连续的粒子束的步骤。
附图说明
图1是根据实现方式的一种示例系统的示意图。
图2A是用于操作图1的系统的一种示例性操作配置。
图2B是用于操作图1的系统的一种示例性操作配置。
图3A至3D说明用于操作图1的系统的示例性操作配置。
图4A至4D是示例性控制点重新采样技术的示意图。
图5A至5C是示例性能量层重新组织和重新分布技术的示意图。
图6A至6C是示例性能量层重新组织和重新分布技术的示意图。
图7A至7C是示例性能量层重新组织和重新分布技术的示意图。
图8A和图8B是可用在控制点之间的一种斑点递送序列重新组织和内插技术的实施例的示意图。
图9是执行本文所述的任何系统或方法的一种示例性计算装置的示意图。
图10是对方案选择进行说明以供呈现给用户的一种图形用户界面的实施例。
各图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
本具体实施方式描述以基本上连续的方式递送粒子束的粒子点扫描疗法的实现方式和方法。在若干实现方式中，结合机架、诊察台或改变粒子束的冲击角的其它配置中的一种或两种以基本上连续的方式递送粒子束。在本文的整个具体实施方式中，使用术语质子作为粒子的一种实例。应了解，本发明不应局限于质子，而且发明人意识到原则适用于所有粒子且术语通常在本公开的上下文中可互换。
发明人已意识到与常规点扫描质子疗法(例如，调强质子疗法(IMTP)等)相关的低效性。也就是说，常规技术无法最大程度地进行有效连续质子递送。例如，而且可能除了其它方面，所述常规系统在参考所需靶(下文定义)在冲击角(下文定义)之间转变时可有效地停止质子递送(质子机通常将首先调整冲击角，接着递送质子束并由此限制处理效率。)另外，质子递送的停止和开启可能影响质子递送系统的校准，因为一些系统在递送和非递送之间转换时会发生振动。
现参考各图，图1说明使用一种或多种与诊察台和机架同时进行弧线轨迹或非等中心运动向患者递送基本上连续的质子处理的质子递送系统100的一种实现方式。如所说明，系统100包括经由粒束线106向输出120递送一个或多个质子束104的粒子加速器102。粒子加速器102使带电粒子加速并使带电粒子排列成边界清晰的粒束，然后经由粒束线106提取质子束104。粒子加速器的实例包括对撞机、回旋加速器、同步加速器、激光质子加速器等。
在一些实现方式中，加速器102可远离输出120定位，以便加速器102可位于中心处并与多个输出120可选择性地连接。
继续参考图1，粒束104朝向位于处理台110上的具有一个等中心或多个连续的移动等中心116的主体114的所需靶输出120。将粒束以相对于当前等中心116的冲击角(IA)引向所需靶，这将在下文另外详细描述。为便于公开，主体114在本文中可指肿瘤，且处理台110将指诊察台或台面，但应了解涵盖其它靶和处理台，而且本公开不应局限于所述实施例。
如本公开中所用的冲击角是主体114接受粒束104的角度，且显示为穿过主体114(与处理台110平行)的等中心116延伸的平面与粒束104之间的角度。为便于公开，冲击角IA的每次改变是(i)相对于主体114在多个控制点124(如图中所示)之间绕机架122调整输出120，(ii)经由处理台110等的移动相对于输出120在多个控制点124处调整主体114，(iii)独立地或同时地各自相对于彼此移动输出120以及移动主体114，或(iv)其它合适的方式中的一种或两种移动的结果。
在一种实现方式中，可在输出120中或其周围和/或沿粒束线104提供磁铁(未显示)，所述磁铁具有可调电流来选择性地调整粒束104。在一种实现方式中，可在粒束线中提供降能器或能量选择系统(诸如楔子等)来提供选择性可调的质子能量；例如，基于适当的处理，不同的能量可能更有利。可使用射程移位器(有时称为补偿器(bolus))(未显示)(例如，在机架喷嘴中)来衰减质子能量。可使用质子多叶准直系统使机架、诊察台等的递送和旋转期间的质子点横向半影清晰可辨。可利用这种衰减和选择来改变质子束的能量并实现所需的处理深度。为本公开的目的，主体114内的不同深度可称为能量层。在本文所述的系统100中可使用多个能量层来有效地处理三维肿瘤114。
在一些实施例中，可使用射程移位器来使粒束104降能或变宽。在一个阶段内，射程移位器在机架相对于等中心116旋转期间可连续移动。可使用射程移位器来优化射程移位器与患者皮肤之间的空气间隙，从而确保质子束104到达具有预定尺寸且通常与肿瘤114相关的指定位置116。
在一些配置中，系统100可结合配置系统，诸如成像系统来布置。在若干实现方式中，配置系统可以是锥形束计算机断层扫描(CBCT)、荧光镜、立体成像系统、表面匹配摄像系统或在质子束递送期间可监控患者的其它类似装置。
在一种实现方式中，系统100在一个阶段内并且在一个或两个冲击角(IA)发生任何改变期间递送基本上连续的质子束104——无论所述冲击角是否经由(i)沿机架G移动输出120、(ii)移动诊察台；或(iii)其组合改变控制点来改变的。为便于公开，本公开的剩余部分将公开通过使输出120绕沿机架G的控制点124移动来改变冲击角的实施方案，但同样涵盖IA可通过其它方式改变，且本公开的范畴不应局限于所公开的实施方案。
如下文更详细描述，系统100通常可配置成将可引向一个或多个控制点的一个、一些或全部粒束的能量层的数量降至最小。为实现所述最小化，在一种实现方式中，系统100可进行一个或多个以下步骤(i)从所述阶段过滤较低权重的能量层，(ii)过滤较低权重的质子点，以及(iii)将剩余的能量层和/或质子点在两个或两个以上连续控制点之间重新排列，由此保持同样稳健的方案质量并进行格式化以产生基本上连续的步进-扫描质子弧线递送。
现将描述一个阶段。在一种实现方式中，输出120以多种冲击角IA向患者112的肿瘤114的所需位置发射粒束104；相应地向控制点124发射粒束104。举例来说，输出120以有利于质子束104沿不同冲击角IA到达靶114以及到达多个相关控制点124的方式绕轨迹122移动。例如，系统100可配置成根据癌症治疗阶段来提供优化的阶段。
在若干实现方式中，系统100提供阶段算法和平台(即，在数据处理硬件130上执行)经由输出120向患者112递送优化的阶段。在一种实现方式中，系统100通过以下方式最大化一个或多个阶段：(a)确定每个控制点处的能量层的优化数量(例如，1至6个能量层)，(b)确定控制点(和/或冲击角IA)的优化数量，以及(c)在每个控制点124(和/或成像角度)进行点粒束加权和定位。换句话说，系统100提供优化控制点124(和/或冲击角)的数量和位置以及识别到达肿瘤114周围所需位置的每个粒束的权重和位置的阶段。
在一种实现方式中，系统100可包括一个或多个基本上连续的扫描模式，诸如(但不限于)步进-扫描点扫描模式、连续弧线递送模式或其它递送模式。在一种步进-扫描点扫描模式中，系统100通过选择不同的能量层(例如，如上文所述通过使用降能器并调整磁铁)转换粒束104的能量层来将粒束104沿各个冲击角(IA)引向靶114周围的所需位置，并且同时调整成像角度(IA)(例如，同时机架在控制点124之间旋转)。
在若干实现方式中，系统100在每个控制点124(和/或冲击角(IA))递送一个或多个粒束104，并且在一些实施方案中，每个质子束104可与能量层相关。在一种实现方式中，每个能量层可不同，并且在其它实现方式中，一些或全部能量层可以是共用的。
在一些实现方式中，步进-扫描方法可以通过在一个或多个能量层之间转换，同时调整冲击角IA来节省时间。换句话说，系统100在IA调整期间能够改变一个或多个能量层之间的一个或多个粒束104，由此导致总体阶段的时间减少。例如，考虑到每秒钟三度的机架旋转速度，在一秒期间可带动机架旋转到距离三度的下一个控制点，系统100可改变粒束104引向的一个或多个能量层。
如早前所描述，在一些实施例中，在每个控制点处，粒束104可包括1至6个能量层。在一个示例性阶段中，每个控制点124可包括具有一个能量层的粒束104。在替代性阶段中，一个或多个控制点124可能需要达到一个或多个能量层——在所述情况下，系统100改变能量层，但机架在所述控制点124不旋转。因此，系统100可提供多个粒束104，每个具有不同的能量层。两种情形导致从多个冲击角IA和/或控制点124完全/部分肿瘤114(三维)包覆，由此提供通过一个或多个弧线轨迹递送完全且稳健的肿瘤包覆剂量的系统。
在一种连续弧线递送模式中，不同于在每个静态控制点124递送质子束104，系统100在改变冲击角IA或控制点124的同时连续地递送质子束104。因此，不同于上文关于步进-扫描实施例所述的利用离散的控制点124或冲击角IA，在一种连续弧线递送模式中，系统100认为每个控制点124或冲击角IA都在角度范围(例如，-0.5<α<0.5度)或位置范围(例如，-1mm<x<+1mm诊察台位置)以内，在本文中将称为控制点采样频率(CPSF)。因此应了解，控制点采样频率越高，表明在相邻控制点之间展开的角度或位置越小。因此，通过步进-扫描模式在不同控制点之间的这种离散辐射递送将是具有这种控制点范围(例如，-10度至20度部分弧线和/或-10cm至+20cm诊察台移动)的连续辐射递送的一种近似情形。
在若干实现方式中，并且如下文的实施例中所述，可引入控制点采样频率(CPSF)来有效地最小化与先前描述的步进-扫描递送相比在主体114上所目睹的剂量学差异。例如，连续阶段的所需控制点采样频率可表明，每个有效控制点之间的四度(例如，0至4度)在剂量学上基本上等于以2度递送的步进-扫描阶段。
在一种实现方式中，以一度静态递送质子束104(步进-扫描模式)与在0.5至1.5度之间动态递送质子束(连续弧线递送模式)之间在剂量学上几乎无差异。但在后一种连续情况下，在具有1度的CPSF的机架旋转期间连续递送质子束104——可节省额外的时间并且可以避免机架惯性、停止和启动期间的振动或其它机械问题。
在一些实现方式中，系统100可配置成确定控制点124的最佳数量以及对控制点124进行重新采样来实现所需的控制点采样频率CPSF。另外，系统100可配置成过滤与每个控制点124相关的能量层以便对所述能量层进行加权并除去具有低监控单元(MU)的那些能量层。在一些实现方式中，系统100也可以配置成将能量层组织并分配至邻近的控制点124来代替过滤能量层，或在过滤能量层之前或之后将能量层组织并分配至邻近的控制点124。
为了改善计算和优化速度，系统100可采用渐进式剂量网格采样方法，这可以由计算机断层扫描(CT)设置或患者身体中的能量沉积单位来限定。例如，1立方中心尺寸立方体由具有1mm x 1mm x 1mm尺寸的1000个剂量网格或具有10mm x 10mm x 10mm尺寸的1个剂量网格组成。所述渐进式剂量网格采样方法的一种实现方式可利用粗糙的剂量网格尺寸，接着在优化期间渐进式地减小剂量网格尺寸。
系统100包括与数据处理硬件130连通的内存硬件132。内存硬件132储存在数据处理硬件130上执行时致使数据处理硬件132执行操作时的指令，诸如关于图2所述的方法、关于图3A至3C所述的方法或关于图3D所述的方法。
图2描述系统100的一种操作方法200的示例性操作配置。在210框图中，系统100预先限定与机架开启122和/或台面110旋转或诊察台/台面平移(即，初始位置xl和终止位置xs)相关的质子弧线范围(即，初始角度αi和终止角度αs)。在一些实施例中，用户限定质子弧线范围。例如，系统100设定发射粒束104的质子输出120的控制点124的初始角度αi或位置(即，机架位置)。在一些实施例中，系统100将初始角度αi设定在10度，并将初始终止角度αs设定在60度。在一些实施例中，如果机架能够360度旋转，就将初始角度αi设定在0度并将初始终止角度αs设定在360度。初始角度αi和终止角度αs也可能是其它值。在一些实现方式中，由于台面/诊察台110能够平移，因此系统100也相对于质子输出120设定台面/诊察台110的台面/诊察台初始角度和位置。在这种情形下，控制点124限定为台面的平移和旋转移动，例如每一厘米、每两厘米或也可能是其它的每一度、每两度。因此，在一些实现方式中，系统100限定输出120的初始角度αi和/或台面/诊察台110的初始角度，引起质子输出120和台面/诊察台110中一者或两者的旋转。因此，系统100认为输出120和台面/诊察台110中一者或两者相对于彼此的旋转产生质子弧线范围。
在220框图中，系统100确定如图4A中所示的粗糙控制点采样频率CPSF。换句话说，系统100识别大量机架位置或控制点124。如图4A中所示，系统100在机架的360度自由度内识别八个控制点124。也可以使用其它数量的粗糙控制点。
回到图2，在230框图中，系统100确定用于患者112的优化治疗方案。优化治疗方案确定粒束104照射主体114以及保留邻近组织所使用的粒束剂量方案。在一些实施例中，系统100考虑到解剖患者112，并确定粒束能量(即，能量层)、粒束点位置以及每个粒束104中递送至患者112的质子数量。另外，系统100优化患者112体内的剂量分布(例如，通过考虑每日治疗设置和质子范围不确定性的稳健性优化；通过考虑质子束的辐射生物学作用的放射生物学效应(RBE)优化)，这使得可以给予主体114稳健的剂量分布或生物学有效剂量以及在这些不确定性情况下保留健康的组织和器官。在一些实现方式中，系统100确定例如潜在改变对主体114的影响并相应地调整治疗方案，这可称作治疗方案适应。一些改变可包括患者增重或减重、肿瘤大小改变或其它考虑因素。通过使用稳健性优化，系统100能够提供优化的稳健性靶包覆度，同时保留健康的组织。
在240框图中，系统100可首先(A)任选地优化控制点124的采样频率(例如，迭代性地增加240框图中的控制点数量)、与每个控制点124相关的能量层和质子点来优化递送质子束104的递送效率，从而产生优化的治疗方案。换句话说，系统100使用随机迭代法，选择优化的能量层和斑点位置以及粒束104的权重来进行治疗。
在关于240框图中描述的任选控制点、能量层优化和斑点递送序列优化之后，或代替略过关于(A)的任选优化，系统100可进行格式化以便：
(i)如图2A中所说明，对控制点124重新采样，且在控制点124之间重新组织并重新分布能量层。例如，可利用顺序优化使得系统100首先通过控制点重新采样和能量层重新分布机构(如上文所述)增加控制点采样频率CPSF，接着采用能量层过滤和斑点数量减少机构中的一种或两种来减少每种方案中的能量层的数量和斑点数量(如上文所述)，反之亦然；或
(ii)如图2B中所说明，允许从业者识别预定的控制点采样频率(CPSF)，并基于所需的CPSF预先限定能量层并进行拣选。例如，如果从业者限定了每个控制点两度(即，在360度的旋转轴上有180个控制点)的前列腺质子弧方案，为了在合理的计算时间和计算机资源内优化弧方案，系统100预先限定控制点区域(例如，在前列腺实施例中，我们限定8个区域，并且每个区域含有20个控制点。)在所述实施例中，每个区域含有一系列能量层(例如，250MeV至70MeV)，并且每个控制点随后指定预先限定的子范围，例如控制点#1在250MeV至210MeV范围内，控制点#2在210MeV至160MeV范围内。可以均匀分布或不均匀分布。紧接着是优化过程，其中将基于所述预定区域和控制点找到最佳的方案质量。
在一种实现方式中，在250框图中，系统100为患者112生成优化方案。如所述，预定的方案可进行调整以适应特定的患者112，并且可以基于患者112的可变因素来调整(例如，患者的日常治疗安排、质子范围不确定性、肿瘤运动、体重、肿瘤114的大小、其它患者相关测量值等。)在一种实现方式中，系统100包括处理器，所述处理器另外进行程式化来生成并识别一种或多种可以替代地解释不同的方案参数、方案质量、递送效率、临床医师限定的变量等的替代方案。在一种实现方式中，用户可以从所述的一种或多种方案中选择一种。在一种实现方式中，可以提供一个数据库，所述数据库中包括数百个方案，所述方案可以是基于每个方案的目标值、每个个别目标函数或不同机器(固定机架、双支腿机架、同步加速器或回旋加速器)的递送时间或参数(能量层数量、斑点数量或MU)。图10中提供一种示例性的图形用户界面，说明临床医师可以从中进行选择的多种所述方案。
图3A和3B描述对系统100的操作方法300的一种比图2更详细的示例性操作配置。在310框图中，类似于图2的210框图，系统100限定质子弧线范围(即，在机架和/或诊察台110的旋转范围内(见图4A)，输出120的初始角度αi和终止角度αs)。例如，系统100将初始角度αi设定为发射粒束104的输出120的初始控制点124(即，机架位置)。在一些实现方式中，系统100也为台面110设定台面初始角度。因此，在一些实现方式中，系统100设定输出120的初始角度αi和/或台面110的台面初始角度，以便来自输出120的粒束104能够以所需的冲击角IA到达肿瘤114。操作系统可以伴随诊察台/台面以及机架移动递送多等中心粒子束疗法或非共面多等中心粒子束。
在320框图中，类似于图2的220框图，如图4A中所示，系统100在确认的初始角度αi与确认的初始终止角度αs之间确定粗糙控制点采样。换句话说，系统100在确认的初始角度αi与确认的初始终止角度αs之间识别一组机架和/或诊察台位置或控制点124。如图4中所示，系统100在机架的360度范围内识别八个控制点124。在此实施例中，初始角度αi为0度且初始终止角度αs为360度。在初始角度αi与初始终止角度αs之间的其它数量采样控制点124也是可能的。
再回到图3A和图3B，类似于上文关于图2的230框图所述的优化治疗方案，在330框图中，330A系统100确定用于患者112的优化治疗方案，所述方案确定粒束104在确认的控制点124(在320框图中确认)辐射肿瘤114所用的粒束剂量方案。在一些实施例中，数据处理硬件130基于在与数据处理硬件130连通的内存硬件上所储存的信息来执行对治疗方案的优化。优化可包括一种或多种优化技术或方法，诸如(但不限于)稳健性优化、四维或五维(时间和几何结构改变或频率维度)稳健性优化、适应性优化以及辐射生物效应(RBE)优化。优化治疗方案包括识别与粒束、斑点位置以及在确认的控制点124(在320框图中确认)发源于输出120的每个粒束104中递送的大量质子相关的能量层。另外，系统100在确认的控制点124通过考虑患者112的解剖学来确定用于患者112的优化治疗方案。另外，系统100优化患者112中的剂量分布(例如，通过考虑日常治疗安排和质子范围不确定性)，这使得可以向肿瘤稳健剂量分布以及在这些不确定因素下保留健康的组织和器官。在一些实现方式中，系统100确定例如潜在改变对肿瘤114的影响并相应地调整治疗方案，这可称作治疗方案适应。一些改变可包括患者增重或减重、肿瘤大小改变或其它考虑因素。通过使用稳健性优化，系统100能够提供优化的稳健性靶包覆度，同时保留健康的组织。
在340框图中，系统100任选地在342,342A框图的能量过滤方法和344框图的控制点重新采样、能量层重新分布方法以及斑点递送序列重新分布之间随机选择。在任选框图342A中，系统100过滤粒束104的能量层。换句话说，系统100去除了与一个粒束相关的低权重能量层或与治疗方案相关的全部粒束。系统100可限定能量层或斑点数量中一者或两者的截止MU加权阈值，使得能量层或斑点数量无法满足截止阈值，在所述方法的后续步骤中将不再进一步考虑。例如，系统100识别与所有控制点124相关的最低10％的MU加权能量层，并除去与所有控制点124相关的经过确认的最低10％的能量层。也可以使用其它截止百分比。在其它实施例中，能量层的MU加权阈值可与在每个控制点处输出的粒束104相关。
如前文论述，在340框图中，系统100可(i)在342A框图的能量过滤方法和344框图的控制点重新采样、能量层重新分布以及斑点递送序列重新组织方法之间随机选择(如图3A至图3C中所说明)，或(ii)允许从业者识别预定的控制点采样频率(CPSF)，并基于所需的CPSF预先限定能量层且基于具体的治疗进行拣选(如图3D中所说明)。
如果系统100选择344框图的控制点重新采样、能量层重新分布及斑点递送序列方法，那么系统100就过滤能量层或与治疗方案的粒束104相关的斑点中的一者或两者。
在一种实现方式中，系统100对控制点124重新采样，或更具体来说如图4B和图4C中所示增加控制点的数量。图4B说明使用系统100将控制点124划分成第一和第二控制点124(1a和1b)的方法，而图4C显示系统100用来增加控制点124(例如，增加控制点2)的方法。尽管公开了某些划分方法，但可以采用其它划分方法且本公开不应受此限制。
图4B说明一种将第一个控制点1,124划分成两个新的控制点1a,1b,124的实现方式，每个新的控制点具有与第一个控制点1,124位置不同的位置，例如位于与第一个控制点1,124相邻处，诸如在第一个控制点1,124的任一侧。在一些实施例中，第一个控制点1,124可划分成两个以上的控制点124，例如三个或三个以上。另外，参考图5A至图5C，对与控制点124相关的能量层(EL)进行重新分布和重新组织。例如，第一个控制点1,124能够发射粒束104，其中每个粒束具有能量层EL1至ELn中的一个能量层EL。对每个能量层EL1至ELn进行优化以向患者112递送稳健的质子治疗疗法，并确保稳健的肿瘤包覆度以及保留非癌性的器官。在一些实施例中，能量层EL1至ELn以递增/递减的顺序排列，其中与第一粒束104相关的第一能量层EL1的能量小于与不同粒束104相关的最后一个能量层ELn的能量。换句话说，具有最后一个能量层ELn(最高能量层)的不同粒束104到达肿瘤114内的最远距离。第一个控制点1,124在第一个新的控制点1a,124和第二个新的控制点1b,124之间分开。如所示，系统100通过向第一个和第二个新的控制点1a,1b,124中的每一个连续给予第一个控制点1,124的能量层EL1至ELn来划分第一个控制点1,124的能量层EL1至ELn。因此，在第一个控制点1,124的所有能量层EL1至ELn在第一个和第二个新的控制点1a,1b,124之间划分后，第一个新的控制点1a,124具有根据下式计算的能量层数量NEL(1a)：
NEL(1a)＝(N+1)/2 如果N为奇数 (1A)
NEL(1a)＝N/2 如果N为偶数 (1B)
其中N为控制点1,124的能量层EL在划分之前的总数。另外，第二个新的控制点1b,124具有根据下式计算的能量层数量NEL(1b)：
NEL(1b)＝(N-1)/2 如果N为奇数 (2A)
NEL(1b)＝N/2 如果N为偶数 (2B)
在一些实现方式中，对于具体的能量层i而言，与第一个控制点粒束1,124处的粒束相关的MU可由下式确定：
Figure GDA0003166602510000111
其中i为能量层EL，且N为能量层的总数。
在对第一个控制点1,124进行划分后，第一个和第二个新的控制点124各自具有基于以下等式计算的粒束能量(N为偶数时)：
Figure GDA0003166602510000112
Figure GDA0003166602510000113
第一个和第二个新的控制点124的粒束能量可以基于以下等式来计算(N为奇数时)：
Figure GDA0003166602510000114
Figure GDA0003166602510000121
其中N为能量层的总数。
在一种实现方式中，除了如上文所述的能量层过滤以外或与其独立地，系统100采用点数(加权)机构。可利用点数或加权减少机构来过滤或以其它方式去除依次被指定低于某个阈值的MU斑点或线。应了解，此过滤可在优化期间同时进行或随机进行。在示例性的实现方式中，与能量层过滤结合，或不依赖于能量层过滤，阈值可确定为能量层过滤后的底部10％。
在一种实现方式中，系统100可设计成经历能量层重新连接以减少能量层的数量和相关的转换时间。例如，而且尤其是，当相邻的冲击角(IA)具有(i)低于阈值水平的能量差，和(ii)相当的MU加权时，系统100将能量层从第一粒束冲击角(IA)调整至相同的能级。例如，当第一冲击角(IA)为0度时，考虑115MeV和10MU，并且当相邻的冲击角(IA)为1度时，考虑110MeV和5MU。在此情形下，可将110MeV的能量层调整为115MeV，以便系统在质子束递送期间减少一个(1个)能量层转换时间。
图6A至图6C说明划分与控制点1,124相关的能量层124的另一个实施例，可包括对于每个能量层(EL)而言，将与所述能量层EL相关的MU在第一个和第二个新的控制点1a,1b,124之间划分，所述划分是基于与第一个和第二个新的控制点1a,1b,124中的每一个相关的阈值MU(例如，与初始控制点1,124相关的MU的一部分)。例如，第一个控制点124的能量层EL1至ELn具有第一MU值。MU值可在第一个新的控制点1a,124和第二个新的控制点1b,124之间划分，其中第一个和第二个新的控制点1a,1b,124各自与同能级EL1至ELn相关的MU值的一部分fa、fb相关。fa、fb部分的总和等于一(fa+fb＝1)。换句话说，第一个新的控制点1a,124可具有能量层EL1至ELn的第一部分fa且第二个新的控制点1b可具有能量层EL1至ELn的第二部分fb。例如，能级EL1至ELn可具有120MU的MU值。在将能级EL1至ELn划分成第一个新的和第二个新的能级1a,1b,124后，EL1至ELn能级EL1至ELn可具有第一部分fa，即能量层EL1至ELn的MU的MU值的一半，而第二个新的控制点1b,124具有的能量层具有能级EL1至ELn的MU的MU值的剩下一半。因此，第一个和第二个新的控制点1a,1b,124的能量层的总数是双倍的；然而，第一个和第二个新的控制点1a,1b,124的总MU等于与旧的控制点1,124相关的MU。因此，如果能级EL1至ELn具有120MU的总MU，那么第一个控制点1a,124可具有60MU的MU且第二个控制点1b,124具有60MU的MU。如果能级EL1至ELn具有120MU的MU，那么第一个控制点1a,124可具有40MU的MU(其中fa为1/3)且第二个控制点1b,124具有80MU的MU(其中fa为2/3)。在另一种实现方式中，系统可使用诸如重新分布的能量划分连同采用对每种能量机构的MU加权进行划分两者的组合。
再回到图4C以及图7A至图7C，在一些实现方式中，除了初始的第一个控制点以外，增加第二个控制点，其中第一个控制点1,124保留在相同位置，而第二个控制点2,124具有与第一个控制点1,124相邻的位置。在一些实施例中，向第一个控制点1,124增加一个以上控制点124，例如可增加三个或三个以上控制点。参考图4C，除了第一个控制点1,124以外，增加第二个控制点2,124。图7A至7C说明能量层EL1至ELn重新组织和重新分布方法。图7A说明包括能量层EL1至ELn的初始的第一个控制点1,124。在此情形下，系统100增加第二个控制点2,124，其与第一个控制点1,124连续地占据每隔一个能量层EL1至ELn，这产生图6B中所示的第一个新的控制点1,124和图7C中所示的第二个控制点2,124。因此，新的第一个控制点1,124(图7)具有比图7A中所示的初始控制点更小的能量层EL1至ELn。另外，第一个新的控制点具有基于等式1计算的能量层数量，而第二个新的控制点2,124具有基于等式2计算的能量层数量。
在一些实现方式中，对于具体能量层i而言，与第一个控制点粒束1,124相关的MU可由上文等式3来确定。另外，新的第一个控制点1a,124和增加的控制点2,124具有由以下等式确定的粒束能量，当N为偶数时：
Figure GDA0003166602510000131
Figure GDA0003166602510000132
如果N为奇数：
Figure GDA0003166602510000133
Figure GDA0003166602510000134
其中N为能量层的总数。
如图4B、图4C、图5A至图5C、图6A至图6C以及图7A至图7C中所述，第一个控制点124的能量层EL1至ELn进行划分(图4B、图5A至5C)或减少(图4C和图7A至图7C)，或其相关MU值以连续方式进行划分(图4B、图6A至图6C)，更具体来说是将每个能量层EL划分成新的连续点之一。然而，与第一个控制点1,124相关的能量层EL可按其它方式划分，诸如(但不限于)与控制点的每个能量层EL相关的MU、每个控制点的MU总值、与每个控制点124相关的能量层EL的总数或任何其它方法。
假设可使用重新组织和重新分布能量层EL的任何方法，可不保持能量层的数量，也就是说可增加一个或多个另外的能量层作为362框图中的重新采样机构。类似地，在一些实施例中，控制点内的每个能级可按与同一控制点内的另一能级不同的方式划分。在一些实施例中，能量层将通过拣选过程，较高能量层移向控制点1，且较低能量层移向控制点2。
图8A和图8B说明一种增强斑点递送序列，由此对第一个控制点进行重新组织和重新分布(例如，具有机架角度40°)的示例性实现方式。如图8A和图8B每一者中所说明，一个或多个控制点124可分成两个或两个以上控制点(例如，39°和40°的机架角度或诊察台位置x＝10cm和10.5cm)，其中得到的经过划分的控制点各自具有与进行划分的控制点124的位置不同的位置或机架角度。在一种实现方式中，例如经过划分的控制点可位于与第一个控制点124相邻处，诸如在第一个控制点124的任一侧。在另一个实施例中，第一个控制点124可划分成两个以上控制点124，例如三个或三个以上。除了诸如图5A至图5C的能量层重新分布和重新组织以外，每个控制点124可能含有多个能量层；以便每个能量层含有一层斑点，而且进一步地，其中每个斑点具有在X、Y方向上的位置(如粒束目视图中提到的)。
现将描述一种序列重新组织和重新分布的实施例。在一种实现方式中，控制点124能够发射粒束104，其中至少一个发射粒束具有能量层EL。在所述实施例中，每个能量层EL1至ELn可以引向一个或多个斑点，所述斑点以优选的形式优化以向患者112递送稳健的质子治疗疗法(例如，以有助于确保稳健性肿瘤包覆度、保留非癌性的器官等)。应了解，控制点划分可用在多种环境中，包括如图8A中所示的线扫描序列粒子治疗机和如图8B中所示的螺旋形扫描序列粒子治疗机。在图8A和图8B的每一者中，关于第一个控制点124说明的特定能量层的斑点基于机器递送顺序被划分为第一个和第二个新的控制点。因此，由被划分的控制点递送的辐射剂量大致上等于由第一个和第二个控制点递送的合计辐射剂量。第一个和第二个控制点的位置或机架角度相对于第一个和第二个控制点如此接近以使得通过连续弧线递送进行递送的质子束大致上等于在递送第一个和第二个控制点的静态控制点位置递送的质子束。因此，所述由划分成两个或两个以上子控制点的初始控制点进行重新分布和重新组织的结果是为连续且动态的粒子弧线治疗内插能量和斑点递送序列。清楚起见，控制点的划分可包括能量层、斑点或能量层与斑点递送序列重新组织和重新分布的组合。而且为了更加清楚，前述重新组织和重新分布技术可并入治疗方案系统(用以优化方案)和硬件(例如，通过机架、粒束线、回旋加速器等)中的一者或两者中，每种情形都递送高效且有效的粒子弧线疗法。
在一种实现方式中，342A框图和344框图可随机实施，例如实施342A框图一次或多次，相比实施344框图一次或多次，或实施344框图一次或多次，相比实施342A框图一次或多次。两个框图342A和344可互换而且它们的互换并不影响治疗方案。然而，两个框图342A和344的互换可影响确定治疗方案的计算时间/速度。例如，当系统100先执行342A框图时，系统100过滤或去除掉方案中的低权重能量层，这与系统100首先在344框图中对控制点124重新采样时相比产生较少的能量层和斑点。更多的能量层和斑点耗费更多的时间来计算和优化。因此，当系统100在342A框图之前执行344框图时，与系统100在344之前执行342A框图时相比，系统100可能花更长时间来寻找方案。例如，假设有八个控制点，每个控制点具有50个能量层和1500个斑点，那么如果系统100先执行342A框图，结果将保留具有40个能量层和1200个斑点的八个控制点124，这比初始方案的能量层和斑点少。然后系统100执行344框图并对控制点124进行重新采样，其中每个控制点具有比过滤之前的初始控制点更少的能量层。然而，如果系统100在过滤(342A框图)之前对控制点124进行重新采样(344框图)，那么系统100必须对更大量的能量层和斑点进行计算，这增加了确定优化治疗方案的时间。
在一种替代系统中，可排除图3A的340框图并由用户确认的用户预先限定的治疗方案来代替(参考图3D)。例如，从业者可识别预定的控制点采样频率(CPSF)，并基于所需的CPSF，系统100可处理此信息来预先限定能量层并对控制点进行拣选来确认方案。
在350框图中(类似于330框图)，系统100确定用于患者112的优化治疗方案(例如，稳健性优化或关于330框图所述的其它类型优化)。优化方案确定辐射肿瘤114的粒束104的粒束剂量方案。此优化方案是基于342A框图的过滤能量层或344框图的随机控制点重新采样和能量层重新组织和重新分布。因此，330框图的稳健性优化不同于350框图的稳健性优化，因为各自是基于对具有不同能量层的控制点124进行采样，例如330框图的优化是在具有经过确认的能量层的控制点124上实施的，而350框图的稳健性优化是在具有经过过滤的能量层或经过重新采样和重新组织的能量层或经过过滤的斑点的控制点124上实施的。
如所述并且在一些实现方式中，在360框图中，系统100确定当前的方案质量是否可接受。有几种方法可用来确定方案质量是否可接受。例如，系统100可确定当前的方案是否达到靶包覆度或是否达到目标值。例如，系统100可认为良好质量的方案是在弧线旋转内包括特定数量的控制点124。因此，当一个方案达到阈值数量的控制点124时，即可确认可接受的方案质量。在其它实施例中，当方案达到用户限定的特定质子束递送时间时，即可确认良好的方案质量。
在一些实现方式中，方案质量可基于与方案相关的一个或多个因素指定目标值，并且只要目标值达到或高于确认的阈值目标值，即可确认方案是优质的方案。例如，系统100可确定与治疗方案相关的目标值与先前的目标方案相比是否增加例如10％并确认此增加是否是可接受的。
在一些实施例中，先前的目标值是一个或多个个别目标值的平均值。在一种实现方式中，目标值可以是对将完成的癌症治疗方案的时间测量值。目标值也可以是其它值。如果目标值未增加阈值(例如，10％)，系统100则重复340至360框图直到目标值增加阈值。例如，目标值可以是对将完成的癌症治疗方案的时间测量值。目标值也可以是其它值。如果目标值未增加阈值(例如，10％)，系统100则重复340至360框图直到目标值增加阈值。目标值可以基于目标函数(也称为优化函数和代价值)来确定，如下文等式中所示：
代价值(F)＝w靶*F靶+w风险1*F风险1+w风险2*F风险2 (8)
其中w靶是与靶(即，肿瘤)相关的权重值、惩罚值或重要性因数，且F靶是当前值与系统100旨在达到的目标值、代价允许值或指标之间的差值。w风险1是与肿瘤相邻组织或器官相关的权重值；且F风险1是当前将递送到特定器官的剂量与系统100旨在为此特定器官保留的目标值之间的差值。
在一些实施例中，F靶可写作：F靶＝(D靶-D0)2，其中D靶是用于靶的处方剂量目标值，且D0是当前用于靶的剂量。当前值与目标值之间的差值越大，代价值越高，这也意味着系统需要进一步优化治疗方案来达到优化的治疗方案。
在步进-扫描模式中，系统100确定机架或诊察台旋转或平移(即，输出120相对于台面110的旋转)的时间是否大于转换能量层的时间，接着系统100保持每个控制点124至少一个能量层，例如(每个控制点124有1至6个能量层)。例如，如果机架在两个连续控制点124之间移动需要三秒钟，而且能量层转换时间小于3秒钟，那么系统100保持每个控制点124至少一个能量层。在连续递送模式的一种实现方式中，系统100可任选地保持控制点重新采样直到达到如以预先限定的方式提出的所需弧线采样频率或方法(例如，参考图2中的240框图)。
如前文论述，控制点采样频率越高，表示相邻控制点之间的角度差越小。在这种情形下，在机架/诊察台旋转的同时递送粒束104与以静态的控制点角度递送粒束104密切近似。所需弧线采样频率意思是在弧线内有足够的控制点使得在静态步进-扫描递送与连续递送模式之间几乎不存在剂量测定的差异。达到所需弧线采样频率意思是为达到足够的采样控制点，因此在静态步进-扫描递送与连续质子束弧线递送之间存在最小程度的剂量测定差异。
在系统100中利用基于随机控制点重新采样、能量层、斑点递送序列重新组织、重新分布以及能量层过滤和斑点数量减少的迭代性优化方法。在随机迭代性优化过程期间，每个步骤都可以安排成产生具有目标值的方案。而且一旦目标值超过预先限定的阈值，系统100可拒绝前一步骤并再次重新开始随机过程。在一些实现方式中，优化方法包括(但不限于)放射生物学(RBE)优化、物理剂量优化等。例如，如图3B中说明，在系统100过滤能量层(342A框图)或对控制点124重新采样且重新组织并重新分布能量层(344、350A框图)后，如果目标值高于先前方案的10％，则将拒绝当前经过过滤或重新采样的新的控制点，且系统100基于先前的方案开始新的随机搜索过程。如果目标值低于先前的方案，系统100则接受新的经过过滤或重新采样的控制点124并基于当前的方案继续随机搜索。
在370框图中，系统100的一种实现方式可确定治疗方案是否达到基于用户喜好的用户限定质量，诸如具体时间、肿瘤包覆度或其它可测变量。如果系统100确定治疗方案未达到用户限定质量，系统100则重复进行340框图，上文所述通过在342A框图中的能量层过滤或斑点数过滤与344框图中的随机控制点重采样以及能量层重新分布之间选择一种随机方法。系统100重复此过程直到系统100确定治疗方案达到用户限定的方案质量。系统100确定治疗方案达到用户限定的方案质量后，系统100即可根据此方案治疗肿瘤114。只要治疗方案未达到用户限定的质量，系统100就随机重复342A和344框图来增加初始的粗糙采样控制点(图4A中所示)或将初始的粗糙采样控制点划分成新的且限定的控制点，而不造成不可接受的方案和剂量计算时间，产生具有所需控制点124采样频率的步进-扫描或连续递送弧线方案。因此，系统100力图产生足够的采样控制点或采样速率用于连续弧线递送。这导致计算时间显著减少。例如，系统100可递送在每个控制点124具有至少一个能量层的粒束104(例如，每次输出1至6个能量层作为单独的粒束)，其中系统100在执行342A和344框图后确定SPArc包括绕患者360度完整旋转，每隔两度即具有控制点。换句话说，系统100每隔两度即向患者112递送粒束104或在机架/诊察台旋转期间连续递送粒束，递送最有效的治疗方案。
参考图3B，在一些实现方式中，系统100对图3A的治疗方案执行额外任选的改良。在380框图中，系统100对370框图中先前达到的治疗方案进行随机能量层重新采样。例如，系统100在随机控制点124(即，现有的控制点124)向治疗方案随机地增加额外的能量层。系统100可增加额外10％的能量层来进一步优化治疗方案。
在342B框图中，系统100进行能量层过滤，类似于342A框图中进行的能量层过滤。此后，系统100可进行382框图中的优化步骤，类似于在330和350框图中提到的优化。在384框图中，系统100试图确定治疗方案质量与上一个方案的质量相比是否改良。如果系统100确认治疗方案质量得到改良，系统100则确定治疗方案质量可进一步改良并进行342B至384框图，直到系统100确定方案质量无法再改良。当系统100确定治疗方案质量不可改良，系统100则确定其为用于患者112的期望的治疗方案。
在一些实施例中，期望的治疗方案可基于用户预先限定的因素。参考图3C，在390框图中，系统100基于用户喜好之一递送具有连续粒束递送的优化且有效的癌症治疗方案。例如，一些临床医师更偏向最佳的方案质量，因此他们将选择最低目标值的方案。一些临床医师更偏向较快递送的方案，因此他们可能选择具有最短递送时间，但对方案质量有所妥协的方案。或者，一些临床医师将选择同时兼具良好方案质量以及中等递送时间的适中方案。
传统的质子系统通过能量选择方法逐一提取每个能量层。然而，系统100包括将能够同时提取多个能量层的质子系统。在此情况下，系统100以步进-扫描方式或连续地在控制点124递送具有多个能量层的质子束104，但不消耗额外的能量层转换时间。在能量重新分布机构344中，系统100使用图2至图6中所述的方法将能量层重新分布至新的控制点124。
图9是可用于实施此文件中所述的系统和方法的一种示例性计算装置800的示意图。计算装置800打算代表各种形式的数字计算机，诸如笔记本电脑、台式电脑、工作站、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、主机以及其它合适的计算机。此处显示的组件、它们的连接及关系以及它们的功能都仅仅是示例性的，而且并不意味着限制在此文件中描述和/或要求的本发明的实现方式。
治疗方案和递送机构包括基于计算的最佳粒束角(步进-扫描)和最佳弧线轨迹(连续弧线)搜索软件平台和递送框架来改良总体治疗方案质量和递送效率。最佳粒束角和轨迹搜索算法利用整个立体角搜索空间进行治疗剂量优化，从而进一步增加治疗比。基于对斑点位置、斑点加权和粒束角的整体优化生成并选择最佳的弧线轨迹。选择最有效的弧线轨迹进行治疗递送。
计算装置800包括处理器130、810，内存820，存储装置132、830，连接至内存820和高速扩展端口850的高速界面/控制器840以及连接至低速总线870和存储装置830的低速界面/控制器860。组件810、820、830、840、850和860各自使用各种总线互连，并且可以安装在共同的主板上或适当地以其它方式进行安装。处理器810能够处理在计算装置800中执行的指令，包括内存820中或存储装置830上存储的指令从而在外部输入/输出装置上展示图形用户界面(GUI)的图形信息，所述外部输入/输出装置诸如与高速界面840耦接的显示器880。在其它实现方式中，适当地连同多个内存以及各种类型的内存可使用多个处理器和/或多个总线。也可以连接多个计算装置800，每个装置提供部分必要的操作(例如，服务器阵列、一组刀片式服务器或多处理器系统)。
内存820非暂时性地储存计算装置800中的信息。内存820可以是计算机可读媒体、易失性内存单元或非易失性内存单元。非暂时性内存820可以是在临时性或永久性的基础上用于储存程序(例如，指令序列)或数据(例如，程序状态信息)以供计算装置800使用的实体装置。非易失性内存的例子包括(但不限于)闪速内存和只读内存(ROM)/可编程只读内存(PROM)/可擦可编程只读内存(EPROM)/电可擦可编程只读内存(EEPROM)(例如，通常用于固件，诸如启动程序)。易失性内存的例子包括(但不限于)随机存取内存(RAM)、动态随机存取内存(DRAM)、静态随机存取内存(SRAM)、相变内存(PCM)以及磁盘或磁带。
存储装置830能够为计算装置800提供海量存储。在一些实现方式中，存储装置830是计算机可读媒体。在各种不同的实现方式中，存储装置830可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置、闪速内存或其它类似的固态内存装置或一系列装置，包括存储区域网络或其它配置中的装置。在其它实现方式中，计算机程序产品在信息载体中明确地具体化。计算机程序产品含有在执行时进行诸如上文所述的一种或多种方法的指令。信息载体是计算机或机器可读的媒体，诸如内存820、存储装置830或处理器810上的内存。
高速控制器840管理计算装置800的带宽密集型操作，而低速控制器860管理较低带宽密集型操作。所述职责分配只是示例性的。在一些实现方式中，高速控制器840耦接至内存820、显示器880(例如，通过图形处理器或加速器)和高速扩展端口850，其可接受各种扩展卡(未显示)。在一些实现方式中，低速控制器860耦接至存储装置830和低速扩展端口870。低速扩展端口870可包括各种通信端口(例如，USB、蓝牙、以太网、无线以太网)，可耦接至一个或多个输入/输出装置，诸如键盘、指点装置、扫描仪或例如通过网络适配器耦接至联网装置，诸如开关或路由器。
计算装置800可通过多种不同形式来实现，如图中所示。例如，实现形式可为标准服务器800a或多次呈现为一组所述服务器800a、笔记本电脑800b或机架式服务器系统800c的一部分。
本文所述的系统和技术的各种实现方式可通过数字电子电路、集成电路、特殊设计的ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合来实现。这些各种实现方式可包括通过在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行和/或可解释的一个或多个计算机程序的实现方式，所述可编程处理器可以是专用或通用的，经过耦接以接收来自存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置的数据和指令以及向存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置传输数据和指令。
这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)包括用于此可编程处理器的机器指令，并且可以通过高级程序和/或面向对象的编程语言和/或通过汇编/机器语言来实现。如本文中所用，术语“机器可读媒体”和“计算机可读媒体”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产物、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、内存、可编程逻辑装置(PLD))，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读媒体。术语“机器可读信号”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
本说明书中所述的主题和功能操作的实现方式可以通过数字电子电路或通过计算机软件、固件或硬件来实施，包括本说明书中公开的结构及其结构等效物或其中一个或多个的组合。此外，本说明书中所述的主题可以作为一个或多个计算机程序产品来实施，即在计算机可读媒体上编码的一个或多个计算机程序指令模块以供数据处理设备来执行或控制数据处理设备的操作。计算机可读媒体可以是机器可读存储装置、机器可读存储基片、存储装置、影响机器可读传播信号的物质组合物或其中一个或多个的组合。术语“数据处理设备”、“计算装置”和“计算处理器”涵盖用于处理数据的所有设备、装置和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多处理器或计算机。除硬件以外，设备还可包括为论及的计算机程序生成执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或其中一个或多个的组合的代码。传播的信号是人工生成的信号，例如机器生成的电信号、光信号或电磁信号，所述信号经生成用以编码信息以供传输至合适的接收器设备。
计算机程序(也称为应用、程序、软件、软件应用、脚本或代码)可用任何形式的编程语言来书写，包括编译语言或解释语言，而且可以通过任何形式来部署，包括以独立程序形式或以模块、组件、子程序或适用于计算环境的其它单元。计算机程序不必与文件系统中的文件相对应。程序可以存储在保存其它程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文件中的一个或多个脚本)、存储在指定用于所论及程序的单独文件中或存储在多个配套文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)中。计算机程序可以部署成在一个计算机上执行或在位于一处或分布在多处且通过通信网络互连的多个计算机上执行。
本说明书中所述的处理和逻辑流可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来进行，从而通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能。处理和逻辑流也可以通过专用逻辑电路来执行并且设备也可以按专用逻辑电路的形式来实施，所述专用逻辑电路例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)或经过特殊设计用以承受空间高辐射环境的ASIC(称为“抗辐射加固”或“抗辐射”)。
适合执行计算机程序的处理器包括例如通用和专用的微处理器以及任意种类数字计算机的任一种或多种处理器。处理器通常将接收来自只读内存或随机存取内存或来自两者的指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储装置。计算机通常还将包括或操作性地耦接来接收来自一个或多个用于存储数据的海量存储装置(例如，磁盘、磁光盘或光盘)的数据或向所述海量存储装置转移数据，或两种情形都存在。然而，计算机不需要具有所述装置。此外，计算机可嵌入另一装置中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频播放器、全球定位系统(GPS)接收器，仅举此数例。适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读媒体包括所有形式的非易失性内存、媒体和存储装置，例如包括半导体存储装置，例如EPROM、EEPROM和闪速内存装置；磁盘，例如内置硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM光盘。处理器和内存可由专用逻辑电路来补充或并入专用逻辑电路中。
本公开的一个或多个方面可通过包括后端组件(例如，数据服务器)或包括中间件组件(例如，应用服务器)或包括前端组件(例如，具有用户可以通过其与本说明书中所述主题的实现方式交互的图形用户界面或浏览器的客户端计算机)或一个或多个所述后端、中间件或前端组件的任意组合的计算系统来实施。系统的组件可通过任意形式或数字数据通信媒体(例如，通信网络)来互连。通信网络的实例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、互联网(例如，因特网)以及对等网络(例如，自组对等网络)。
计算系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离且通常通过通信网络交互。通过在单独的计算机上运行并且彼此之间具有客户端-服务器关系的计算机程序在客户端和服务器之间产生相互关系。在一些实现方式中，服务器向客户端装置传输数据(例如，HTML页面)(例如，用于向与客户端装置交互的用户显示数据并接收来自与客户端装置交互的用户的用户输入的目的)。在客户端装置产生的数据(例如，用户交互的结果)可由位于服务器的客户端装置来接收。
尽管本说明书含有许多细节，但这些都不应认为是对本公开的范畴和所主张内容的限制，相反是对本公开的特定实现方式的特有特征的描述。在独立实现方式的情况下本说明书中所述的某些特征也可以组合成单一的实现方式来实施。相反，在单一实现方式情况下所述的各种特征也可以单独地以多个实现方式或以任何合适的子组合形式来实施。此外，尽管上文描述特征以某些组合形式起作用，而且甚至初始时如此要求，但来自所要求组合的一个或多个特征在某些情形下可以从组合中去除，并且所要求的组合可以指的是子组合或子组合的变化形式。
类似地，尽管图中以特定的顺序描述操作，但这不应理解为要求所述操作以所示的特定顺序或以相继的顺序进行，或者要求进行所有示出的操作来实现需要的结果。在某些情况下，多任务并且并行处理可能是有利的。此外，上文所述实施方案中将各种系统组件分开不应理解为在所有实施方案中要求所述分开，而且应了解，所述程序组件和系统通常可以一起集成为单个软件产品或封装成多个软件产品。
已描述多种实现方式。尽管如此，应了解在不偏离本公开的精神和范畴下可进行各种修改。因此，其它实现方式在下文权利要求的范畴内。例如，权利要求书中引用的动作可按不同的顺序进行并且仍实现需要的结果。

Claims (29)

1.一种向靶递送粒子束的系统，其中从输出装置向多个控制点递送所述粒子束，其中所述输出装置适配为：
在所述多个控制点周围递送基本上连续的粒子束，其中在参考所需靶在冲击角之间转变时不停止质子递送；
识别控制点的初始集；
提供第一组优化粒束，其中所述第一组优化粒束的每个优化粒束被配置为在第一个控制点输出并转向与一个或多个监控单元MU相关的一个或多个能量层；
从所述输出装置递送第二组优化粒束，所述第二组优化粒束的每个优化粒束被配置为在所述第一个控制点输出并具有数量减少的能量层；
增加初始控制点的数量；以及
在所述粒束在所述多个控制点之间移动期间，保持能量层的总数为以下中的一者：等于、大于或小于与所述初始控制点相关的能量层的总数，其中通过向每个初始控制点增加一个或多个相邻控制点来增加初始控制点数量，其中所述相邻控制点占所述初始控制点的全部能量层或MU的一小部分。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为通过将每个控制点划分成至少两个相邻控制点来增加所述控制点数量，其中第一个和第二个相邻控制点各自具有与所述控制点的能量层数量相同的能量层总数。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为通过将每个控制点划分成第一个相邻控制点和第二个相邻控制点或者三个或三个以上的相邻控制点来增加所述初始控制点数量，其中所述第一个和第二个相邻控制点具有小于或大于所述控制点的能量层数量的能量层总数。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为：
转换所述第一组优化粒束中至少一个优化粒束的能量层，同时调整所述多个控制点中的至少两个控制点。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述系统被配置为：
将一个或多个粒束从所述输出装置递送至所述至少两个控制点处的能量层；以及
转换所述第一组优化粒束中至少一个优化粒束的能量层，并且调整所述多个控制点中的至少两个控制点。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述系统进一步被配置为：
将一个或多个粒束从所述输出装置递送至所述至少两个控制点处的能量层；以及
转换能量层并调整与所述能量层中的至少一个能量层相关的一个或多个斑点的递送。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为：
识别预选控制点采样频率并基于所述预选控制点采样频率递送所述控制点。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述系统被配置为：
基于所述控制点和所述控制点采样频率中的一者或两者预先限定能量层；以及
拣选所述能量层。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述系统被配置为：
限定具有一系列能量层的控制点区域；
将控制点分配到所述控制点区域中；以及
基于所述控制点区域和所述控制点优化方案质量。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为：
优化所述粒子束在所述控制点之间的递送。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述输出装置被配置为将所述粒子束引向至少两个相邻控制点之间的一个或多个能量层，其中所述系统被配置为通过以下处理来提供这种优化：
当出现(i)所述至少两个相邻控制点中的一个控制点的能级与所述至少两个相邻控制点中的另一个控制点的能级之间的差值低于阈值能级差量；和(ii)所述至少两个相邻控制点中的一个控制点的监控单元与所述至少两个相邻控制点中的另一个控制点的监控单元之间的差值低于阈值监控单元差量中的一种或两种情形时，合并所述至少两个相邻控制点。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过以下处理来提供这种优化：
利用以下项中的至少一种方式：(i)斑点减少机构，用以去除靶周围具有等于MU阈值或低于MU阈值的MU的一个或多个斑点，(ii)能量层减少，用以去除靶周围具有等于MU阈值或低于MU阈值的MU的一个或多个能量层，(iii)控制点重新采样，(iv)能量层在所述控制点之间的重新分布，(v)斑点递送序列重新分布或重新组织或其组合。
13.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过以下处理来提供这种优化：
再次利用以下项中的至少一种方式：(i)斑点减少机构，用以去除靶周围具有等于MU阈值或低于MU阈值的MU的一个或多个斑点，(ii)能量层减少，用以去除靶周围具有等于MU阈值或低于MU阈值的MU的一个或多个能量层，(iii)控制点重新采样，(iv)能量层在所述控制点之间的重新分布，(v)斑点递送序列重新分布或重新组织或其组合。
14.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过以下处理来提供这种优化：
利用斑点减少机构去除所述靶周围具有等于MU阈值或低于MU阈值的MU的一个或多个斑点。
15.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过以下处理来提供这种优化：
利用能量层减少去除所述靶周围具有等于MU阈值或低于MU阈值的MU的一个或多个能量层。
16.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过以下处理来提供这种优化：
利用控制点重新采样。
17.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过利用能量层在所述控制点之间的重新分布来提供这种优化。
18.如权利要求10所述的系统，其中所述系统被配置为通过利用斑点递送序列重新分布或重新组织或其组合来提供这种优化。
19.如权利要求12所述的系统，其中所述MU阈值被限定为底限值，即(i)斑点数量；以及(ii)能量层中之一或两者的10％。
20.如权利要求12所述的系统，其中所述斑点减少机构被配置为在所述优化时相继地、同时或随机地去除低MU的斑点或线，以便其能够在能量层过滤后或与所述能量层过滤结合来限定滤波器，即10％的斑点。
21.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为呈现多个预先生成的方案用于由用户进行选择，并且其中所述系统进一步被配置为基于所述用户选择识别所述多个控制点。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述多个预先生成的方案至少部分地基于不同方案参数、方案质量和递送效率的变化而生成。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述多个预先生成的方案至少部分地基于每个方案的目标值、每个个别目标函数、不同机器的递送时间、能量层数量、斑点数量或MU而生成。
24.如权利要求10所述的系统，其中所述系统包括磁铁，用于补偿松垂和偏移中的一种或两种情形，来调整中心质子束位置。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述系统进一步包括查找表，以便所述系统被配置为便利经由以下项中的一个或多个的识别的补偿：(i)适当的电磁线圈电流；(ii)电离室信号位置；以及(iii)机架角度。
26.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为经由调整患者位置来调整所述控制点。
27.如权利要求1所述的系统，其中通过调整(i)机架、(ii)诊察台或(iii)前述各项的组合中的至少一种来调整所述控制点。
28.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为：
在递送所述基本上连续的粒子束的同时获取影像。
29.如权利要求1所述的系统，其中所述粒子束以(i)非共面方式和(ii)非等中心方式中的一种或多种方式由所述输出装置递送，每种情形都是相对于患者和递送方式而言的。
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