CN110366757A - 用于基于离子的放射疗法治疗计划评估的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对基于离子的放射疗法的放射疗法治疗计划的鲁棒性进行评估的方法，该方法包括以下步骤：获得与将停止在治疗区的每个体素中的离子的入射能量有关的信息，计算表示这些离子的入射能量的量值，使用对第一部分和第二部分所计算的量值以作为对放射疗法治疗计划的质量的度量，特别是对其鲁棒性的度量。该信息可以包括所有离子的平均入射能量和/或对所有离子的能量值分布的指示。

Description

用于基于离子的放射疗法治疗计划评估的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于评估基于离子的放射治疗计划的方法和系统，以及用于控制这种系统的计算机程序产品。

背景技术

在基于离子的放射治疗中，每个离子将朝向其路径的末端发射其大部分能量，从而产生了所谓的布拉格(Bragg)峰。治疗计划中的关键问题是为了确保以在最小化到周围区的剂量的同时治疗区的所有部分接收所规定的剂量这样的方式将所有射束的布拉格峰置于治疗区之内。

布拉格峰的位置受每个离子的动能Tp的影响。选择用于Tp的值，使得具有最低能量的离子将停止在治疗区的最近端处的范围(area)中并且具有最高能量的离子将停止在治疗区的最远端处的范围中。

在基于离子的放射疗法中，离子遵循各个路径，所述路径通过从入射的点到其中离子已经失去其所有能量并停止的点的治疗区。将这个点称为“轨迹末端”。在离子放射疗法中，轨迹末端的分布有极大的意义，因为轨迹末端确定了治疗场范围的末端。

用于递送离子放射疗法的目前的方法包括：

-主动扫描技术，其中将患者照射作为一系列准单能“光点”来递送，选择所述一系列准单能“光点”的能量、方向、和重量，使得治疗区被覆盖。将该主动技术有时称为铅笔状射束扫描(PBS)。

-被动技术，即其中患者被宽场照射，调制在宽场中方向、入射能量、何侧向延伸，使得治疗区被覆盖。该被动技术能够是通过若干技术解决方案来实现的。示例是双散射(DS)、均匀扫描(US)、或摆动。

本发明适用于用于递送离子放射疗法的所有目前的方法。

在整个文档中，将讨论主动扫描技术和被动技术。为简单起见，有时将这些分别称为PBS和DS，作为相应技术的最显著示例。

对于PBS计划，能够在创建计划的处理期间将射束中的光点分组在“能量层”中。能量层中的所有光点具有相同的入射能谱。能够向能量层分配指数(控制点指数)和标称能量(控制点能量)。

对于DS计划，离子的能量是作为每射束的单个照射场递送的。在该场中离子能量被分布在所限定的能量范围内，使得布拉格峰落在治疗区的最浅部分与最远部分之间。入射能量是进一步由补偿器调制且由孔径校准的横向范围。

对于DS计划，以对于PBS计划相同的方式通常不存在能量层。但是对于被动技术计划仍然能够将入射能量分组成能量层。

在整个文档中应当理解的是，当描述本发明时并当在主动技术与被动技术之间不存在对于所需的本发的明目的必不可少的区别时，我们将在更广泛的意义上使用术语能量层。

由于CT校准、组织不均匀性、器官运动、以及变形而存在不确定因素。由于这样的不确定因素，因此期望计划尽可能地鲁棒性，这意旨即使一些因素发生变化，也应当提供相同的剂量分布。重要的是，对放射疗法治疗计划的质量进行评估，以确保该放射疗法治疗计划将被正确地递送并以所期望的方式影响患者。在评估放射疗法治疗计划时，其鲁棒性是关键因素。鲁棒性反映了在微小改变设置的情况下计划将工作得如何。例如，如果接受治疗的患者相对于假定位置移动，则这将影响其中颗粒停止的位置并且从而也影响所述治疗。

用于确定鲁棒性的当前的方法包括：

-显示每能量层的射束剂量。在这种情况下，对每个图像示出了用于单个能量层的剂量分布

-显示用于离子的布拉格峰位置。

发明内容

本发明的目的是为了改进并促进就例如鲁棒性而言的对离子治疗计划的质量的分析。

本发明涉及一种用于对基于离子的放射疗法的放射疗法治疗计划进行评估的方法，对于治疗区中的至少第一部分和第二部分中的每一个，该方法包括以下步骤：

-获得与将停止在该部分中的离子的入射能量有关的信息，

-计算代表将停止在该部分中的离子的入射能量的量值，

-使用对第一部分和第二部分计算的量值，作为对放射疗法治疗计划的质量的度量，特别是对其鲁棒性的度量。

通常地，治疗区的部分是剂量计算体素，但是还可以以另一方式将该部分例如定义为剂量计算体素的组。应当理解的是，贯穿该文档代替严格意义上的体素，该方法可以应用于治疗区的部分的其它类型。然而，通常，剂量计算体素被用作用于实际目的对治疗区的适当划分。

优选地，对多个部分执行这些步骤，并且使用计算的量值的步骤包括确定量值的分布。

这些量值表征了属于一个能量层的离子的穿透范围。该量值可以是在轨迹末端处的平均控制点指数或在轨迹末端处的平均标称能量。可以由系统使用所计算的量来确定计划的鲁棒性是否是令人满意的，并且此后系统能够简单地指示出评估的结果。然而，优选地，数据被可视化并显示给用户，该用户可以使用所显示的数据来确定是否需要对计划进行任何改变，并且在这种情况下，应当如何实现所述改变。以下讨论对数据进行可视化的不同方式。

本发明使得能够对患者解剖结构内每能量层的范围的分布进行清晰地可视化，其可以用于对治疗计划的鲁棒性进行评估。此外，可视化还使得能够通过特征带的宽度对每能量层所达到的深度范围进行清晰地可视化。根据本发明，单个表示将以与离子如何传播通过介质一致的方式示出该计划的能量层分布的整个结果。这是对基于射束剂量或基于布拉格峰位置的方法的改进。在前者的情况下，该结果是作为一系列可视化(visualization)而不是在合成图像中获得的。在后者的情况下，仅示出了沿着光点的中心射线的几何迹线。

在特别适用于诸如PBS这样的主动技术的一个实施例中，使用量作为质量度量的步骤包括：

○将计算的量值中的每一个分配给数个能量层中的一个，并且

○对治疗区中的至少第一部分和第二部分中的每一个显示表示计算的量值所分配的能量层的信息。

在特别适用于被动技术的可替选的实施例中，使用量作为质量度量的步骤包括：

○将计算的量值中的每一个分配给数个离散或连续标记的虚拟能量层中的一个，并且

○对治疗区中的至少第一部分和第二部分中的每一个显示表示计算的量值所分配的能量层的信息。

优选地，与将停止在治疗区的部分中的离子的量值有关的信息包括：指示出将停止在治疗区的部分中的所有离子的组合量值的值，因为这将提供最准确的累积值。可替选地，仅使用与这些离子中的一些有关的信息，从而将节省计算资源。

代表离子的入射能量的量还可以包括：将停止在治疗区的部分中的离子的量值的平均值，诸如离子停止在其中的治疗区的部分中的该离子的平均控制点指数或者平均标称能量。

代表离子的入射能量的量可以包括：对将停止在治疗区的部分中的离子的量值的扩散的度量，诸如离子停止在其中的治疗区的部分中的该离子的控制点指数的一个标准偏差或者一个标称能量。

代表离子的能量的量还可以或者可替选地包括表示对将停止在治疗区的部分中的各个离子的量值的分布度量的值。这样的值将指示出停止在同一体素中的粒子的入射能量上的扩散，这反过来指示该计划的鲁棒性。

在一个实施例中，该方法使用辐射传输方法来累积其中质子停止的每个剂量体素的能量层特定数据。该数据例如能够是，

-轨迹末端处的能量层控制点指数

-轨迹末端处的标称控制点能量

-轨迹例如以Mev/u为单位的末端处的每能量层的采样源离子能量。

能量层控制点指数是整数的集合，该整数的集合中的每一个整数表示能量层中的一个能量层，其范围为1到能量层的数目。

标称控制点能量是实数的集合，该实数的集合中的每一个实数表示能量层中的一个能量层，例如以MeV/u为单位。

当使用蒙特卡罗(Monte Carlo)剂量引擎时，每能量层的采样源离子能量是相关的。

如下所讨论的，可替选的方法是将使用合适辐射传输方法来计算用于每个能量层的剂量分布，并且将显示链接每能量层的最大剂量的线。这将提供类似但不太简缩的信息，该信息指示了该计划的鲁棒性。

这样的辐射传输方法在本领域中是已知的并且被包含在放射疗法系统中，用于诸如计算剂量分布这样的其它目的。用于计算剂量分布的辐射传输方法被称为“剂量计算引擎”并且可以使用例如蒙特卡罗算法或铅笔状射束算法。使用剂量计算引擎来计算量确保了使用与用于剂量计算相同的物理学，来准确地考虑所有相关效应(密度不均匀性、横向散射、和能量分散)。此外，在常规剂量计算期间，该数据能够实际上不被提供有附加的计算费用。可替选地，可以使用能够以足够的精确度对患者解剖结构中的辐射传输进行建模的专用计算算法来计算该量。

可以以任何合适的方式显示所得的累积量值。在优选实施例中，向每个能量层分配颜色并且显示表示能量层的信息的步骤包括：显示对治疗区的表示，其中以表示治疗区的部分所分配的能量层的颜色来显示治疗区的至少第一部分和第二部分中的每一个。

显示结果的可替选的方法是3D表示，其中，向每个能量带分配标高水平(elevation level)并且显示表示能量带的信息的步骤包括：显示对治疗区的三维表示，其中在表示治疗区的部分所分配的能量带的标高水平处显示治疗区的至少第一部分和第二部分中的每一个。还能够使这些能量层之间的边界简单地叠加，优选地用用于指示出用于每个能量层的累积量值的数字。

应当理解的是，贯穿该文档代替严格意义上的体素，该方法可以应用于治疗区的部分的其它类型。然而，通常，剂量计算体素用作用于实际目的对治疗区的合适划分。

本发明还涉及一种包括计算机可读代码装置的计算机程序产品，当在计算机中执行计算机程序产品时，将使计算机执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

本发明还涉及一种编码有计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质，当在第一计算机设备中运行所述计算机可执行指令时，将使该设备执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

本发明还涉及一种计算机系统，该计算机系统包括处理器、数据存储器、以及程序存储器，其中程序存储器包括根据上述的计算机程序产品或根据上述的非暂时性计算机可读介质。

附图说明

在以下通过示例的方式并且参考附图对本发明进行更详细地描述，在附图中

图1是对布拉格峰的图示。

图2a和图2b分别图示了在理想情况和更现实情况下治疗区中的能量层的分布。

图3是根据本发明实施例的方法的流程图。

图4是根据本发明另一实施例的方法的流程图。

图5图示了其中可以实现本发明方法的计算机系统。

具体实施方式

图1图示了示例布拉格曲线，该布拉格曲线表示传播通过介质(medium)的离子的能量沉积，作为从入射的点到其最大范围R行进的距离的函数。对于不同类型的离子和介质(media)，实际形状和幅度将会变化，但是通常的形状将会如图1所示。如能够看出的是，离子能量的主要部分将朝向离子的路径的末端进行沉积成峰，该峰通常称为布拉格峰。

因此，布拉格曲线有助于预测离子的能量将被沉积的位置。放射疗法应当被计划，使得不同射束的布拉格峰被放置，从而治疗区的所有部分将接收规定剂量，同时最小化用于治疗区之外的区域的剂量。

递送到区的剂量D将是：

D＝E/m

其中E是在区中沉积的能量，以及m是区中的材料的质量。所沉积的能量取决于离子的动能、离子的类型、以及材料的组分。所使用的离子将具有范围为从Tmin至Tmax的入射能量，其中Tmin是将布拉格峰放置治疗区的最近端处所需的能量，并且Tmax是用于将布拉格峰放置治疗区的最远端处所需的能量。

由于诸如患者身体中的骨骼、空气腔、或者其它结构变化这样的不均匀体，离子将根据离子的入射点和方向在该区中不同地散射和/或减慢。轨迹末端的分布将根据结构变化的类型而变化。因此，确定由离子沉积的能量和轨迹末端位置通常不是直截的。

图2a示出了在离子通过具有平坦外表面的完全均匀介质的理想情况下治疗区1中的量的分布(在对于质子PBS计划计算为轨迹末端处的平均控制点指数的示例中)。入射离子的方向与如水平箭头指示的介质的表面垂直。六个不同能量层B1-B6由不同图案标识出：水平线、垂直线、和四种不同的对角线图案。如能够看出的是，每个能量层贯穿治疗区形成基本上与离子的入射的表面平行的轨迹末端的带。这说明了属于同一能量层的所有离子将基本沿着相似长度的路径通过治疗区行进与其入射动能Tp有关的距离。

图2b示出了量在患者体积中的分布。存在诸如空气腔这样的位于离子的路径中的低密度区域3。这将引起具有相同能量的离子沿不同路径行进，这引起它们遵循不同方向和/或路径长度，这引起属于特定能量层的离子的轨迹末端分布呈现更不规则的形状，如通过能量层B1'-B6'所图示的。如能够看出的是，存在由传播通过低密度区的离子所引起的纹波。

诸如图2a和图2b中的一个这样的图像提供了对能量层与轨迹末端位置相关性的规律性的指示，并且因此，提供了对传播通过该区的离子的扰动的指示。能量层与轨迹末端带的大量波纹或不规则形状指示了该计划的较低鲁棒性，因为患者的小运动或对设置的其它改变可能引起在剂量分布以及实际上递送到患者的轨迹末端的分布上的显着变化。

图3是图示使用基于蒙特卡罗的剂量引擎的根据本发明的方法的原理的流程图。对治疗区的每个部分(通常地对治疗区的每个体素)单独地执行该方法。

在步骤S31中，选择治疗区中的体素。在步骤S32中，确定表示离子的入射能量的量的值。该值能够是例如该质子所属的能量层的指数。在步骤S33中，为该体素分配累积量值，该累积量值表征了用于停止在该体素中的所有离子的累积量值。还能够使累积量值基于对停止在体素中的离子的特定选择。在步骤S34中，确定是否应当对另一离子重复该过程。通常地，对大量体素执行步骤S31-S33。在步骤S35中，通常地将用于所有体素的累积量值表示为表示治疗区的图像中的叠加信息。这可以是通过任何合适的可视化方法来实现的。一种简单的方法是呈现用于表示图像的每个区域的量或者对图像的区域的选择的数目。一种特别合适的方法包括将颜色叠加到图像中的治疗区的体素上，每个颜色被选择以标识特定能量层。图像可以类似于图2a或2b中所示的图像，但替代图中所示的图案通常具有颜色编码。

可替选的可视化方法包括将图像显示为3d图像。在这种情况下，代替颜色，向每个能量级分配标高水平，并且将与每个区域相对应的标高水平叠加显示在图像上。

层的表示量分布的形状可以用于确定治疗计划的鲁棒性。如果能量层具有规则形状，则该计划被认为是鲁棒的。通过能量层显示越不规则或越多波纹，计划的鲁棒性将会越差。例如如果存在受到不规则性的影响比其它范围更大的治疗区的特定范围，则能量层的形状还将指示出计划的哪些部分将是最不鲁棒的。该信息可以用于改变计划以例如使用另一辐射场或增加裕量。

层的表示量分布的形状可以用于基于感兴趣点(例如剂量体素)周围的区域(例如具有特定半径的球体)中的量的值来导出鲁棒性指数。能够通过数字或通过图像来报告该鲁棒性指数。

表征入射能量的量能够是例如处于其轨迹末端处的每个离子的平均能量层指数或平均标称能量。在蒙特卡罗剂量引擎的情况下，它还可以是每采样离子的实际采样能量。

代替在步骤S33中计算的累积量值，或者除了在步骤S33中计算的累积量值之外，在步骤S32中确定了指示出各个量值的分布或扩散的分布值。例如，可以考虑最高入射能量与最低入射能量之间的差异。如果这个差异很小，则这指示了鲁棒的计划。较大的差异指示了在该区内离子采用许多不同的路径，这指示该计划较不鲁棒。

图4是图3的方法的实施例的可替代的流程图，因为它可以在现有剂量引擎中执行。该实施例特别适用于蒙特卡罗剂量计算引擎。在步骤S41中，离子被产生。在步骤S42中，沿着其路径跟随离子直到它停止，并且确定其轨迹末端位置。在步骤S43中，收集与离子的入射能量有关的数据，例如确定用于每个离子的控制点指数CP_i。在步骤S44中，确定是否应当针对另一离子重复步骤S41-S43。如果是，则处理返回到步骤S41；如果否，则该处理继续步骤S45。在步骤S45中，处理针对停止在每个特定体素中的所有离子累积的数据或者用于对这种离子的选择的数据。结果将是这些体素中的每个的累积量值，每个累积量值表示停止在特定体素中的离子的入射能量。通常，对于图3，累积量将是用于所考虑的所有离子的入射能量的平均值，但是它还能够代表用于停止在体素内的离子的入射能量的变化。在步骤S46中，以适当方式来表示累积数据，如对步骤S35所讨论的。

例如，如果在步骤S32中所收集的数据是控制点指数，则所使用的量将是控制点指数的平均值。如将理解的是，该平均值的标准偏差可以被认为是鲁棒性的进一步指标。

确定将停止在体素中的离子的所组合的入射能量，或者每个这样的离子的能量可以是通过剂量计算引擎的方式来执行的。这种剂量计算引擎通常存在于放射疗法系统中。剂量计算是基于通常地通过以本领域已知的方式将CT强度值映射到质量密度而创建的患者模块的。当质量密度已经被建立时，根据人体可能发生的情况来分配材料特性。根据该材料特性，推导出诸如停止功率和散射功率这样的、与剂量计算相关的量。还能够分配优先于从图像数据导出的材料的材料覆盖(override)。

如技术人员将认识到的，其中收集数据项并对其进行处理的实际顺序对于本发明不是必要的，并且将随在每种情况下使用的递送方法和剂量计算引擎而变化。通常地，当使用蒙特卡洛剂量计算引擎时，对所有体素的计算将并行地被执行并且将同时地被呈现，如图4所示。

如技术人员将认识到的，还可以通过使用基于分析或半分析或数值传输方程求解器的剂量引擎来获得数据。

图5是其中可以执行本发明方法的计算机系统的示意图。计算机31包括处理器33、数据存储器34、以及程序存储器35。优选地，还存在其形式为键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置、或任何其它可用的用户输入装置的用户输入装置37，38。用户输入装置还可以被布置为接收来自外部存储器单元的数据。

在数据存储器34中找到要评估的治疗计划。可以在计算机31中生成治疗计划，或者治疗计划以本领域已知的任何方式从另一存储装置接收。

数据存储器34还保持用于每个体素的沉积离子能量信息。如将理解的是，数据存储器34仅被示意性地示出。可能存在若干数据存储器单元，这些数据存储器单元中的每一个保持一种或多种不同类型的数据，例如一个数据存储器用于治疗计划，一个数据存储器用于CT扫描等。

程序存储器35保持以下操作的计算机程序，该计算机程序被布置为对处理器进行控制以执行根据本发明的计划评估。

Claims (13)

1.一种用于对基于离子的放射疗法的放射疗法治疗计划进行评估的基于计算机的方法，针对治疗区中的至少第一部分和第二部分中的每一个，所述方法包括通过处理器执行的以下步骤：

-获得与将停止在所述部分中的离子的入射能量有关的信息，

-计算代表将停止在所述部分中的所述离子的所述入射能量的量值，

-使用对所述第一部分和第二部分计算的所述量值，作为对所述放射疗法治疗计划的质量的度量，特别是对其鲁棒性的度量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对多个部分执行所述步骤，并且使用计算的量值的步骤包括确定所述量值的分布。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用所述量值作为质量度量的步骤包括：

-将计算的量值中的每一个分配给数个能量层中的一个，并且

-对所述治疗区中的所述至少第一部分和第二部分中的每一个显示表示计算的量值所分配的所述能量层的信息。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用所述量作为质量度量的步骤包括：

-将计算的量值中的每一个分配给数个离散或连续标记的虚拟能量层中的一个，并且

-对所述治疗区中的所述至少第一部分和第二部分中的每一个显示表示计算的量值所分配的所述能量层的信息。

5.根据在前权利要求中的任一项所述的方法，其中，与入射能量有关的所述信息包括以下项目中的至少一个：

-能量层控制点指数，

-例如以MeV/u为单位的标称控制点能量，

-例如以MeV/u为单位的每采样离子的实际采样能量。

6.根据在前权利要求中的任一项所述的方法，其中，与用于将停止在所述治疗区的所述部分中的离子的所述量值有关的信息包括：指示将停止在所述治疗区的所述部分中的所有离子的组合量值的值。

7.根据在前权利要求中的任一项所述的方法，其中，代表所述离子的所述入射能量的所述量包括：将停止在所述治疗区的所述部分中的所述离子的平均值，诸如离子停止在其中的所述治疗区的所述部分中的所述离子的平均控制点指数或者平均标称能量。

8.根据在前权利要求中的任一项所述的方法，其中，代表所述离子的所述能量的所述量包括：表示将停止在所述治疗区的所述部分中的各个离子的所述量值之间的差的值。

9.根据权利要求2-7中的任一项所述的方法，其中，向每个能量层分配颜色并且显示表示所述能量层的信息的步骤包括：显示对所述治疗区的表示，其中以表示所述治疗区的所述部分所分配的所述能量层的颜色来显示所述治疗区的所述至少第一部分和第二部分中的每一个。

10.根据权利要求2-7中的任一项所述的方法，其中，向每个能量带分配标高水平并且显示表示所述能量带的信息的步骤包括：显示对所述治疗区的三维表示，其中在表示所述治疗区的所述部分所分配的所述能量带的所述标高水平处显示所述治疗区的所述至少第一部分和第二部分中的每一个。

11.一种包括计算机可读代码装置的计算机程序产品，当在计算机中执行时，将使所述计算机执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

12.一种编码有计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质，当在第一计算机设备中运行时，将使所述设备执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

13.一种计算机系统，所述计算机系统包括处理器(33)、数据存储器(34)、以及程序存储器(35)，其中所述程序存储器包括根据权利要求9所述的计算机程序产品或根据权利要求10所述的非暂时性计算机可读介质。