CN110314291B - 用于使用多层多叶准直器作为虚拟平坦滤波器的方法和设备 - Google Patents

用于使用多层多叶准直器作为虚拟平坦滤波器的方法和设备 Download PDF

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Abstract

光子源发射无平坦滤波器光子束。控制电路可操作地耦合到多层多叶准直器，所述多层多叶准直器设置在所述光子源与患者的治疗区域之间。所述控制电路自动地安排所述多层多叶准直器的层中的一些但不是全部的操作，以相对于由所述光子源发射的所述无平坦滤波器光子束用作虚拟平坦滤波器。按一种方法，所述多层多叶准直器的所述层中的另一者用于形成对应于所述患者的所述治疗区域的形状的治疗窗口。按一种方法，所述控制电路包括治疗平台的整体部分(对比专用治疗计划平台)，并且能够执行导致对患者施用治疗的大部分或甚至基本上所有的计划步骤。

Description

用于使用多层多叶准直器作为虚拟平坦滤波器的方法和设备
技术领域
这些教导总体涉及在患者治疗应用环境中诸如x-射线的高能光子束的使用。
背景技术
使用放射线治疗医学疾病构成了现有技术的已知努力领域。例如，放射疗法构成了用于减少或消除不想要的肿瘤的许多治疗计划的重要组成部分。遗憾的是，所施加的放射线本身不会区分不想要的物质与对患者的继续存活来说是需要的或甚至至关重要的邻近组织、器官等等。因此，通常以谨慎施用的方式施加放射线，以至少尝试将放射线限制于给定靶区。
治疗计划通常用于指定如与使用特定放射治疗平台时相对于给定患者施用这种治疗有关的任何数量的操作参数。在典型的现代应用环境中，使用迭代优化方法来计算治疗计划。
尽管许多放射源在过去包括整体式平坦滤波器，但是一些现有技术从业者声称现代优化算法可以在有或没有这种平坦滤波器的情况下产生任何所需的剂量分布。结果是，许多现代放射源缺少整体式平坦滤波器，并且因此发射无平坦滤波器射束。
尽管适合于至少一些应用环境，但是前述范例仍然存在挑战。例如，未整平的射束会导致大面积的剂量衰退。此外，相较于已整平的射束，所需计算对于未整平的射束来说更为复杂。当时间紧迫时，这种增加的复杂性可能特别麻烦(并且在手动执行剂量计算时更是如此)。
附图说明
通过提供尤其是在结合附图进行研究时在以下具体实施方式中描述的用于使用多层多叶准直器作为虚拟平坦滤波器的方法和设备至少部分地解决了以上问题，在附图中：
图1包括如根据这些教导的各种实施方案配置的框图；
图2包括如根据这些教导的各种实施方案配置的流程图；并且
图3包括如根据这些教导的各种实施方案配置的流程图。
附图中的元件出于简单和清楚考虑而示出，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的元件中的一些的尺寸和/或相对定位相对于其他元件可以被放大来帮助提高对本发明教导的各种实施方案的理解。此外，通常不示出在商业上可行的实施方案中有用或必要的常见而熟知的元件，以便于较少地模糊本发明教导的这些不同实施方案的视图。某些动作和/或步骤可以特定发生次序描述或示出，而本领域技术人员将理解，实际上并不需要相对于顺序的这种特殊性。本文使用的术语和表达具有像如上所述的技术领域的技术人员赋予这类术语和表达一样的普通技术含义，本文中另外指出不同的特定含义的情况除外。
具体实施方式
一般而言，这些不同的实施方案都假定使用光子源，所述光子源被配置成发射无平坦滤波器光子束。控制电路可操作地耦合到多层多叶准直器，所述多层多叶准直器设置在所述光子源与患者的治疗区域之间。控制电路自动地安排多层多叶准直器的层中的一些但不是全部的操作，以相对于由光子源发射的无平坦滤波器光子束用作虚拟平坦滤波器。按一种方法，多层多叶准直器的层中的另一者用于形成对应于患者的治疗区域的形状的治疗窗口。
按一种方法，多层多叶准直器包括双层多叶准直器。在这种情况下，多叶层中的一个用作虚拟平坦滤波器，而多叶层中的另一个用作治疗区形状匹配窗口。
这些教导在实践中是高度灵活的，并且将适应各种修改和修饰。按一种方法，控制电路可以接收在将放射线施加到患者的治疗区域时将使用的人工计算的剂量指令。代替前述方法或与之组合，控制电路可以从用户接收对多层多叶准直器的未用作虚拟平坦滤波器的层限定治疗窗口的信息。按另一种方法，且再次代替前述方法或与之组合，控制电路可以被配置成经由用户接口向用户呈现对应于患者的治疗区域的图像。
在对以下详细描述进行全面审阅和研究之后，这些和其他益处可以变得更清楚。现参考附图，且尤其参考图1，现将呈现与这些教导中的许多相容的说明性设备100。
在这个说明性实例中，使能设备100包括控制电路101。作为“电路”，控制电路101因此包括结构，所述结构包括以有序方式输送电力的至少一个(且通常为多个)导电路径(诸如由诸如铜或银的导电金属构成的路径)，所述路径通常还将包括对应的电部件(无源部件(诸如电阻器和电容器)和有源部件(诸如各种基于半导体的器件中的任一个)两者，视情况而定)以准许电路实施这些教导的控制方面。
这种控制电路101可以包括固定用途的硬连线硬件平台(包括但不限于专用集成电路(ASIC)(其为针对特定用途而设计定制，而不是预期用于通用用途的集成电路)、现场可编程门阵列(FPGA)等等)，或可以包括部分或完全可编程的硬件平台(包括但不限于微控制器、微处理器等等)。用于这类结构的这些架构选项在本领域中是公知和了解的，并且此处不需要进一步描述。这个控制电路101(例如，通过使用如本领域技术人员将充分理解的对应编程)被配置成执行本文描述的步骤、动作和/或功能中的一个或多个。
按一种方法，设备100和这个控制电路101都成为放射治疗机的一部分。在这种情况下，控制电路101不是胜于治疗管理专用于治疗计划的物理上和逻辑上离散的部件。
按一种方法，控制电路101可操作地耦合到任选的存储器102。这个存储器102可以与控制电路101成一体，或可以根据需要与控制电路101物理地(完全或部分)分离。这个存储器102相对于控制电路101也可以是本地的(其中例如，两者共享同一个电路板、底板、电源和/或壳体)，或相对于控制电路101可以是部分或完全远程的(其中例如，相较于控制电路101，存储器102在物理上位于另一个设备、都会区或甚至国家)。
除了如本文所述的图像数据之外，这个存储器102还可以例如用于非暂态地存储计算机指令，所述计算机指令在由控制电路101执行时致使控制电路101如本文所述般表现。(如本文所使用，这种对“非暂态地”的提及将被理解为指代所存储内容的非短暂状态(并且因此，当所存储内容仅构成信号或波时排除在外)，而不是存储介质本身的易失性，并且因此包括非易失性存储器(诸如只读存储器(ROM))以及易失性存储器(诸如可擦除可编程只读存储器(EPROM))两者。
按另一种任选方法(代替前述方法或与之组合)，控制电路101可操作地耦合到用户接口103。这个用户接口103可以包括各种用户输入机构(诸如但不限于：键盘和小键盘、光标控制装置、触敏显示器、语音识别接口、姿势识别接口等等)和/或用户输出机构(诸如但不限于：视觉显示器、音频换能器、打印机等等)中的任一者，以便于从用户接收信息和/或指令和/或向用户提供信息。
使能设备100还包括光子源104。这个光子源104可以包括例如x-射线源，诸如基于射频(RF)线性粒子加速器(基于直线加速器)的x-射线源(诸如Varian Linatron M9)。直线加速器是一种类型的粒子加速器，所述粒子加速器通过使带电粒子沿着线性射束线经受一系列振荡电势而大大地增加带电次原子粒子或离子的动能，这可以用于生成电离辐射(例如，X-射线)和高能电子。
在这个实例中，光子源104包括无平坦滤波器的光子源，并且因此发射的射束110构成无平坦滤波器射束。不同于产生已整平射束的源，通过比较，无平坦滤波器射束更圆或更尖。出于各种原因，无平坦滤波器射束成为了现代放射治疗系统的典型。
光子源104可以或可能没有根据需要可操作地耦合到控制电路101。控制电路101可以可操作地耦合到光子源104，以便通过控制电路101促成对光子源104的自动化控制。
这些教导都假定使用至少一个多层多叶准直器105，所述至少一个多层多叶准直器105可操作地耦合到控制电路101并且至少部分地由所述控制电路控制。多叶准直器由多个由高原子序数材料(诸如钨)形成的单独部件(称为“叶片”)构成，所述单独部件可以独立地移入和移出放疗射束的路径，以便选择性地阻断射束(并因此使之成形)。通常，多叶准直器的叶片成对地编组，所述叶片相对于彼此共线地对准并且可以选择性地朝向和远离彼此移动。典型的多叶准直器具有许多这样的叶片对，往往多于二十、五十或甚至一百对这样的叶片对。
在这种情况下，作为多层多叶准直器，准直器包括相对于彼此具有堆叠关系的两个或更多个多叶准直器。在这个说明性实例中，近侧多叶准直器(即，最靠近光子源104的多叶准直器)由附图标记106表示，并且远侧多叶准直器(即，距光子源104最远的多叶准直器)由附图标记107表示。根据需要，多层多叶准直器105在近侧多叶准直器106与远侧多叶准直器107之间可以包括其他多叶准直器。(包括多层多叶准直器的多叶准直器在本领域中是已知的。因此，为了简洁起见，此处不提供这些方面的进一步详细说明。)
如此配置，患者治疗区域108(即，患者体内或身上的诸如肿瘤的靶区)可以在射束110已通过多层多叶准直器105之后暴露于所述射束。
应用设定可以包括其他部件，诸如成像平台109，所述成像平台109被配置成获取例如患者治疗区域108的图像。成像平台109可以包括例如锥形束计算机断层扫描成像平台。如此配置，成像平台109可以向存储器102和/或控制电路101提供对应的图像(诸如锥形束计算机断层扫描图像)。可以如本文所述采用这些图像。
应用设定还可以包括未示出的其他部件。实例包括但不限于用于在治疗环节期间支撑患者的一个或多个支撑表面(诸如沙发)以及准许光子源104的选择性移动的机架或其他机构。由于前述元件和系统在本领域中是充分了解的，因此此处不提供这些方面的进一步详细说明，与说明书相关的其他情况除外。
继续参考图1，图2呈现了可以使用上述设备100来执行的过程200。
在方框201处，这个过程200提供如上所述的光子源，所述光子源被配置成发射无平坦滤波器光子束。而且在方框202处，这个过程200提供再次如上所述设置在光子源与患者的治疗区域之间的多层多叶准直器。在方框203处，这个过程200之后使用前述控制电路101来自动地安排多层多叶准直器105的层中的一些但不是全部的操作，以相对于无平坦滤波器光子束110用作虚拟平坦滤波器。
虚拟平坦滤波器用于将射束110整平。按一种方法，控制电路101通过自动地计算至少一个动态多叶准直器运动模式来自动地安排这个多层多叶准直器106的操作以用作虚拟平坦滤波器。
在这个说明性实例中，控制电路101仅使用多叶准直器106中的一者作为虚拟平坦滤波器。如果需要，并且当多层多叶准直器105包括多于两个多叶准直器时，控制电路101可以将多于一个的多叶准直器用于虚拟平坦滤波器，只要多叶准直器中的至少一个不以这种方式使用即可。
在这个说明性实例中，控制电路101使用剩余的多叶准直器107来形成治疗区域窗口。多叶准直器的这种使用在本领域中是充分了解的，并且包括布置多叶准直器的元件以限定对应于患者治疗区域108的相关形状的治疗窗口。如此配置，放疗射束110被共形地成形以更好地匹配患者治疗区域108的形状，从而避免或至少减轻对患者治疗区域108的侧面上(在射束的视图中)的邻近组织的辐照。
如上所述的多层多叶准直器105的使用可以进一步补充其他信息和/或通过其他信息进行了解。图3提供了这些方面的一些说明性实例。
在方框301处，控制电路101经由前述用户接口103接收对多层多叶准直器105的未用作虚拟平坦滤波器的层限定前述治疗窗口的信息。这种信息可以直接来源于用户，或可以由控制电路101使用其他相关信息来部分或完全自动地计算。
在方框302处，控制电路101再次经由前述用户接口103接收在将放射线施加到患者的治疗区域108时将使用的人工计算的剂量指令。这些人工计算的剂量指令可以包括例如人工计算的基于监控单元(MU)的指令。人工计算的剂量指令通常是难以实现的或甚至是不可能实现的期望。然而，使用虚拟平坦滤波器来将射束整平大大地简化了在这些方面的必要计算，并且从时代需求的角度来看将使得人工计算既合理又实用。(这种对手动计算的提及将被理解为不排除由人使用诸如手持/手操式计算器的工具进行的计算。)
在方框303处，可以经由例如前述成像平台109获取患者的治疗区域的图像。如上所述，如果需要，这个成像平台109可以包括锥形束计算机断层扫描平台。在这种情况下，可以从锥形束计算机断层扫描信息重建一个或多个数字正交射线底片以产生所需图像。在方框304处，控制电路101经由用户接口103向用户呈现所获取的图像。在方框305处，控制电路101之后接收如经由用户接口103所输入的基于图像的用户输入。作为说明性实例，用户可以采用触摸屏来在这种图像中圈出患者治疗区域108。然后，控制电路101可以在形成上述治疗窗口时使用所述信息。
这些教导可以提供放射治疗计划的设置和计划阶段的相对极端的时间缩短。这些时间节省的很大一部分至少归因于虚拟平坦滤波器的创建和使用，从而简化了在使用无平坦滤波器射束时在其他情况下必需的计算。从上述自动化活动可以预期其他时间节省。
一个相对简单的实例可以帮助说明这些优点。在许多使用情况下，施加放射线来治愈特定患者的疾病(通过例如消灭恶性肿瘤)。然而，存在其他使用情况，其中既不打算也不合理地期望治愈。例如，可以在姑息环境中施加放射线来减轻患者的极度疼痛。在这种应用环境中，在患者的预期寿命往往不会超过极短期寿命的情况下，放射线可以抑制患者的疼痛感，并且因放射线所致的附带组织损伤由于不会大大地降低患者的整体生活质量或预期寿命而能够被接受。
在患者本身正如上文描述那样行为时，上述设备100可以几乎完全自动化的方式操作以提供姑息性放射治疗。在用户激活这种能力时，控制电路101可以采用成像平台109来获取相关患者轮廓并且拟定适当的放射处方和计划以生成中线处的患者特定的均匀剂量(例如，基于取决于射线追踪的电子补偿)。控制电路101之后可以在用所得射束110治疗患者时采用所述解决方案。
通过利用虚拟平坦滤波器，总计算时间可以大大地缩短到在其他情况下可能需要的仅一小部分。虽然时间节省往往被积极地看待，但是对于正忍受极度疼痛的患者而言，节省的几分钟(或几小时)可能都特别重要。
以下描述提供了更具体和详细的实例。将理解，不意图通过本实例的具体细节进行特别限制。
控制电路101可以使用成像平台109来获取锥形束计算机断层扫描图像。可以从所述数据重建数字正交射线底片并且经由用户接口103向临床医师显示所述数字正交射线底片。临床医师可以使用正交视图和数字十字线来选择治疗区域的中心(即，治疗等中心)，然后应用任何必要的手段来将患者移动到限定的治疗位置(例如，通过移动患者在其上休息的沙发)。然后，临床医师可以添加治疗野并且针对所述野限定机架和准直器角度。
控制电路101之后可以使用射束的视图来促成自动数字重建的射线底片，以经由用户接口103向临床医师呈现具有等中心信息的对应图像。然后，临床医师可以使用所述图像来限定治疗窗口。控制电路101之后可以利用对应的多叶准直器107来形成所述窗口。然后，控制电路101还可以自动地安排另一个多叶准直器106的操作以用作虚拟平坦滤波器。
控制电路101之后可以针对不规则的多叶准直器射束窗口提供估计的等效方野尺寸，并且可以对临床医师提供创建相反野/镜像野的选项。临床医师可以为每个野测量等中心点的深度(即，始于射束方向的从皮肤到等中心的距离)并且使用已知的源到轴的距离、测量的深度、等效方野尺寸、虚拟平坦滤波器监控单元因子和相关的列表数据来人工地计算所需的监控单元以使处方剂量进入等中心。然后，可以由临床医师经由用户接口103为每个野输入那个(或那些)监控单元值，之后相应地治疗患者。
本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以相对于上述实施方案进行各种各样的修改、改变和组合，并且这类修改、改变和组合应被视为处在发明构思的范围内。

Claims (8)

1.一种用于朝向患者的治疗区域发出光子束的设备，所述设备包括：
光子源，所述光子源被配置成发射无平坦滤波器光子束；
多层多叶准直器，所述多层多叶准直器设置在所述光子源与所述患者的所述治疗区域之间，所述多层多叶准直器包括至少两层；以及
控制电路，所述控制电路可操作地耦合到所述多层多叶准直器并且被配置成：自动地安排所述多层多叶准直器的层中的至少一层的操作，以相对于所述无平坦滤波器光子束用作虚拟平坦滤波器，
其中所述控制电路还被配置为使用所述多层多叶准直器的层中的未用作虚拟平坦滤波器的一个层，以形成对应于所述患者的所述治疗区域的形状的治疗窗口。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述控制电路被配置成：通过自动地计算至少一个动态多叶准直器运动模式来自动地安排所述多层多叶准直器的所述层中的所述至少一层的操作以用作虚拟平坦滤波器。
3.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括：
用户接口，所述用户接口可操作地耦合到所述控制电路；
并且其中所述控制电路被进一步配置成经由所述用户接口接收针对所述多层多叶准直器的未用作所述虚拟平坦滤波器的所述一个层限定治疗窗口的信息。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述控制电路被进一步配置成经由所述用户接口接收将要在将放射线施加到所述患者的所述治疗区域时被使用的人工计算的剂量指令。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述人工计算的剂量指令包括人工计算的基于监控单元(MU)的指令。
6.如权利要求3所述的设备，其中所述设备被进一步配置成获取所述患者的所述治疗区域的图像，并且所述控制电路被进一步配置成经由所述用户接口呈现所述图像，从而便于使用所述光子束来治疗所述治疗区域。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述图像包括锥形束计算机断层扫描图像。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述多层多叶准直器包括双层多叶准直器。
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