CN110650778A - 递送放射治疗的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于递送放射治疗的放射治疗系统和方法。在一些方面，放射治疗系统包括光束引导器，该光束引导器包括被配置用于产生用于照射患者的放射的放射源，该光束引导器具有至少四个移动自由度。放射治疗系统还包括控制器，该控制器被配置用于根据放射治疗计划操作光束引导器以照射患者，其中基于光束引导器的至少四个移动自由度确定的解空间生成放射治疗计划。

Description

递送放射治疗的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2017年3月24日提交的美国临时申请62/476,287、题为“递送放射治疗的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR DELIVERING RADIOTHERAPY)”，要求其优先权，并且通过引用其整体结合于此。

关于联邦资助研究的说明

本发明是由国立卫生研究院资助的R44CA183390和R43CA183390下得到政府支持而作出的。政府对本发明具有一定的权利。

背景技术

本公开总体上涉及外部光束放射治疗(external beam radiation therapy)系统和方法，并且更具体地涉及具有拥有至少四个自由度的光束引导器的外部光束放射治疗系统和方法。

常规外部光束放射治疗(也被称为“远距放射治疗”)通常是通过将由线性加速器(“LINAC”)产生的电离辐射的光束引向患者中所限定的目标体积来实施的。通过使用准直仪和其他设备将光束成形为治疗区域并使用成形的光束照射患者一定的时间，可以在目标中建立具有特定分布的放射剂量。在准备放射治疗计划时，使用计划图像(诸如，计算机断层扫描(“CT”))来选择优化治疗效果并减少放射引起的副作用的光束配置。

此外，医学成像还可在称为图像引导放射治疗(“IGRT”)的技术中与放射治疗的递送同时使用。使用来自图像的位置信息补充放射治疗计划，IGRT可以提高所递送的放射的精确度。这允许给予目标区域的放射剂量逐步增加以实现更好的结果，同时降低对健康的组织的风险。

调强放射治疗(“IMRT”)是一种外部光束放射治疗技术，其利用计算机计划软件生成针对患者中的目标结构和非目标结构的位置、形状和运动特性的三维放射剂量图。为此，IMRT利用可独立控制强度和能量的多个光束。具体地，每个光束包括数个子光束或细光束，该子光束或细光束的单个强度可以改变以调制光束。使用此技术，目标肿瘤内的特定区域、以及患者的解剖中的其他目标结构和非目标结构可以接收不同的放射剂量强度。

递送给患者的放射治疗的质量至少部分取决于光束的空间布置和强度调制。当优化光束定向时，可以显著地提高治疗质量。然而，经优化的计划通常需要非共面光束，使用常规LINAC可能难以递送非共面光束。这是因为这些机器利用仅有一个旋转自由度的台架。为了解决这个问题，治疗计划通常包括重新定位患者卧榻。然而，协调台架和卧榻运动以及成像可使得治疗复杂化并且带来重大问题的可能性。例如，碰撞、患者移动以及使用成像来监测患者的困难，可能干扰治疗并导致设备损坏和患者受伤。此外，对卧榻和台架移动的机械约束仅提供有限数量的附加光束定向。在许多情况下，此类受限的光束配置可能阻止临床医生达到最佳计划质量，并且因此无法获得最佳治疗方案。

因此，需要用于递送放射治疗的改进的系统和方法。

发明内容

提供了一种用于递送放射治疗的放射治疗系统和方法。可以从下面的描述理解本公开的特征和优点。

在本发明的一个方面，提供了一种放射治疗系统。放射治疗系统包括光束引导器，该光束引导器包括被配置用于产生用于照射患者的放射的放射源，该光束引导器具有至少四个移动自由度。放射治疗系统还包括控制器，该控制器被配置用于根据放射治疗计划操作光束引导器以照射患者，其中基于光束引导器的至少四个移动自由度确定的解空间来生成放射治疗计划。

在本公开的另一方面，提供了一种用于使用放射治疗系统将放射治疗计划递送给患者的方法。方法包括基于剂量处方生成从由具有至少四个移动自由度的放射治疗系统的光束引导器确定的解空间优化的放射治疗计划。方法还包括接收获取自患者的成像信息。方法进一步包括基于成像信息控制放射治疗系统以递送放射治疗计划。

附图说明

图1A是根据本公开的方面的放射治疗系统的示意图。

图1B是图1A的放射治疗系统的示例光束引导器的示意图；

图1C是根据本公开的方面的比较用于常规C形臂放射治疗系统的解空间和用于放射治疗系统的解空间的图示。

图2A是示出图1A的放射治疗系统的一个示例的图。

图2B是示出根据本公开的方面的关节臂的一个示例的图示。

图3是根据本公开的方面的阐述过程的步骤的流程图。

图4A是比较常规放射治疗系统优化的剂量分布和根据本公开的放射治疗系统的剂量分布的图，例如治疗头和颈的病例。

图4B是比较常规放射治疗系统优化的剂量分布和根据本公开的放射治疗系统的剂量分布的图，例如肺的病例。

发明的详细描述

本公开涉及可以克服上述缺陷中的一个或多个的用于放射治疗的系统和方法。在其他优点中，本公开描述了一种用于递送放射治疗的新颖方法，与常规治疗方法相比，该方法提供了优越的剂量测定并且减少了治疗时间。

具体参考图1A，示出了根据本公开的方面的放射治疗系统100的示意图。如图所示，放射治疗系统100通常可包括分别与治疗控制台108通信的递送系统102、成像系统104和可选地定位系统106。根据放射治疗计划，递送系统102被配置用于生成放射并且引导放射到位于治疗台110的患者，其中治疗台110可以是固定的或可移动的。成像系统104可被配置用于在治疗之前、在治疗期间或在治疗之后对患者成像。尽管在图1A中成像系统104被示为单独的系统，在一些实施例中，成像系统104可以是递送系统102的一部分或与递送系统102组合。定位系统106可被配置用于定位和定向治疗台110.此外，定位系统106还可被配置用于将患者移动到成像系统104。

治疗控制台108或另一合适的控制器可被配置用于从计划工作站112或另一位置(诸如数据库114、服务器116或云118)接收放射治疗计划。此后，治疗控制台108可以控制递送系统102、成像系统104和可选地定位系统106以执行放射治疗计划。在治疗期间，递送系统102根据放射治疗计划在患者体内建立放射剂量以实现剂量分布。计划可包括数个具有各种光束数量、光束形状或注量、光束能量、相对于患者的光束定向以及照射持续时间的治疗区域。在递送放射治疗计划时，台110和患者可以有利地保持静止，同时递送系统102围绕患者移动。这提供了使用覆盖围绕患者的4π立体角的很大一部分的光束角度的能力，包括相对于患者在后的光束方向或光束定向。此外，还可以避免与物理地移动台110和患者相关联的错误。可选地，还可以使用台110和递送系统102的移动的组合来执行放射治疗计划。

在一个实施例中，如图1B中示意性地示出，递送系统102可包括配置用于从多个方向照射患者的光束引导器150。光束引导器150可包括为光束引导器150提供支持的基座152和机械地链接到基座152的关节臂154。光束引导器150还可包括机械地链接到关节臂154的治疗头156。在一些实施方式中，光束引导器150可形成机器人系统或可以是机器人系统的一部分，该机器人系统可以由图1A的递送系统102或治疗控制台108控制。

具体地，治疗头156可被配置用于容纳放射源158(诸如线性加速器("LINAC"))以及用于控制由放射源158产生的放射的各种元件和硬件。治疗头156可包括一个或多个准直仪160(例如，多叶准直仪)、以及其他元件(诸如滤光器(例如，展平的滤光器)、箔(例如，散射箔)以及波导)。放射源158可被配置用于产生具有足以产生期望的治疗效应或放射生物效应(诸如恶性组织的破坏)的能量的放射(例如，X射线、电子等)。更具体地，由放射源158产生的放射的能量小于6MeV，尽管其他能量也是可能的。

尽管在图1B中示出了放射源158和准直仪160在物理上分开，在一些实施方式中，放射源158和准直仪160可以被定位成彼此直接相邻，或者定位在足够近的距离内(例如，小于10mm)。具体地，准直仪160可以定位于邻近放射源158的输出。此外，治疗头156和其中的元件可以被构造成具有(与常规放射治疗系统相比)减小的大小和尺寸。这对于减小递送系统102的总占用是有利的。同样，减小的尺寸提供了从后角度接近患者，这是现有机器人系统无法接近的。

在计划阶段期间，通常优化放射治疗计划以根据剂量处方来为目标组织提供共形的放射剂量，同时避免患者体内出现关键结构并且减少治疗时间。如所描述的，优化的治疗计划可通常需要相对于患者提供共面的和非共面的光束配置的能力。此外，包括在放射治疗计划中的治疗区域特性(诸如光束定向和注量)是由所利用的特定系统的移动能力确定的。因此，在一些方面，可以从很大的解空间来优化使用放射治疗系统100递送的放射治疗计划。

因此，光束引导器150的至少一部分(例如，治疗头156)可以具有至少四个移动自由度和最多六个自由度。例如，关节臂154可包括至少两个关节，该至少两个关节提供了光束引导器150跨越围绕患者的4π立体角的重要部分的移动灵活性(例如，大于约60％的4π立体角)。覆盖大部分立体角的能力代表了相对于先前的C形臂台架放射治疗系统的显著改进，该系统通常可以接近大约15％-60％的立体角。此外，在治疗期间，光束引导器150的移动能力允许变化的源到肿瘤的距离或源到轴的距离("SAD")。为了提供根据需要围绕患者引导或定向光束的完整能力，在一些实施方式中，光束引导器150可被配置用于沿着三个空间轴(例如，x、y和z轴)移动治疗头156以使用三个旋转轴(例如，偏航、俯仰和滚转)定向治疗头156，或使用旋转轴组合实现移动。

为了直观地说明这点，图1C示出了用于常规C形臂台架放射治疗系统的解空间(左侧)与用于本公开的放射治疗系统的解空间(右侧)之间的比较。如从图中可以理解，具有至少四个自由度的移动能力允许覆盖围绕患者的完整立体角接近。相比之下，C形臂放射治疗系统本质上受限制。

覆盖很大一部分4π立体角的能力可以减小将放射深深穿透到患者体内的需求。相应地，图1B的光束引导器150不必需要高能量放射源。相反，放射源158可包括配置用于提供低能量放射(即，小于常规的6MeV)的低能量源或加速器。实际上并且出乎意料的是，结果示出了较低的能量放射可以提供出色的性能。这可能部分是由于侧向半影的尺寸减小并且光束引导器150产生的剂量紧密度增加。此外，较低的能量放射降低了放射源158的尺寸和重量要求，并且简化了准直仪160的设计。此外，较低的能量还降低了对治疗头156和治疗室的屏蔽要求。

再次参考图1A，可以利用计划工作站112基于剂量处方和从受试者获得的成像信息生成放射治疗计划。如所描述的，生成计划包括选择适当的治疗区域，该治疗区域可以相对于患者改变数量、持续时间、形状或注量、能量和定向，以优化患者结果。在一些应用中，可能需要可变的SAD来避免区域大小与强度调制分辨率之间的不期望的折中。此外，可变的SAD允许较大的肿瘤和较小的肿瘤都被最佳地治疗。然而，将4π立体角的很大一部分提供的大量选项与各种放射区域参数(例如持续时间、形状、能量、方向、注量、SAD等)结合起来，需要能够考虑到大解空间的优化算法。为此，计划工作站112可被配置用于执行集成的光束定向和优化方法以生成放射治疗计划。在一些方面，可以针对剂量测定和效率两者优化诸如光束定向之类的治疗区域特性。作为示例，可以使用由发明人开发并在PCT/US2016/020234中描述的优化方法，该方法通过引用整体并入本文，尽管其他方法也是可能的。

在一些实施方式中，计划工作站112可包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器配置用于执行非瞬态软件或编程，该非瞬态软件或编程包括用于在由放射治疗系统(更具体地，至少具有四个移动自由度的光束引导器)确定的解空间中执行优化算法的步骤。如所描述的，此类解空间可以覆盖围绕患者的60％或更多的4π立体角。更具体地，解空间覆盖至少90％的4π立体角。在一些实施方式中，计划工作站112中的至少一个处理器可包括用于执行优化算法的硬连线指令或编程，如所描述的。因此通过处理器的专用编程，此类处理器将是专用处理器。

通过非限制性示例，图2A至图2B示出了根据本公开的方面的放射治疗系统200的一个实施例。放射治疗系统200包括光束引导器202和患者台204。如图所示，患者台204是固定的。光束引导器202包括基座206、关节臂208和治疗头210。如所描述的，治疗头210可包括放射源(即，LINAC)、准直仪(即，多叶准直仪)以及其他元件和电路。光束引导器202的运动可以由光束引导器控制器控制，该光束引导器控制器可以与一个或多个操作者工作站或计算机通信。如从图2A和图2B可以理解，放射治疗系统200允许跨越围绕患者的完整的立体角的光束方向。

具体地参考图2B，关节臂208可包括数个枢转点或关节，这允许光束引导器202和放射源的围绕患者的多达六个移动自由度。如图所示，第一关节212、第二关节214、第三关节216、第四关节218、第五关节220和第六关节222允许关节臂208分别围绕第一轴线A1、第二轴线A2、第三轴线A3、第四轴线A4、第五轴线A5和第六轴线A6旋转。

现在参考图3，示出了阐述根据本公开的方面的过程300的步骤的流程图。过程300或过程300中的各种步骤可以在任何合适的设备、装置或系统上或使用任何合适的设备、装置或系统执行，诸如参考图1A描述的放射治疗系统。在一些实施方式中，过程300的步骤可以由配置用于执行存储在非瞬态计算机可读介质中的编程或指令的一个或多个处理器或计算机执行。(多个)处理器可包括通用处理器，以及其中具有硬连线的编程或可执行指令的专用处理器。

过程300可以在过程框302处开始，其中生成放射治疗计划。如所描述的，可以从由放射治疗系统的递送系统确定的解空间中，更具体地从具有至少四个移动自由度的光束引导器确定的解空间中优化放射治疗计划。这样，可以在过程框302处执行优化算法以生成放射治疗计划。具体地，优化算法可被配置用于基于由光束引导器确定的解空间选择实现剂量处方的光束配置。在一些方面中，优化算法可以优化放射治疗计划中的剂量测定和递送光束的效率。

在一个非限制性示例中，解空间覆盖围绕患者至少60％的4π立体角，且更具体地，覆盖至少90％的4π立体角。在生成放射治疗计划时，还可确定由光束引导器执行的各种移动或导航的路径。可以优化此类移动和路径以最小化患者治疗时间和治疗效率，以及避免与患者、患者台和在治疗期间存在的其他设备发生碰撞。

然后在过程框304处，可以接收在治疗之前获取自患者的成像信息。此类成像信息可以是放射照片、CT、MRI、视频和其他成像信息的形式。在一些方面，可以基于对在过程框302处接收到的成像信息的分析来调整放射治疗计划。例如，可以基于成像信息确定患者的位置、校准或定向并且患者的位置、校准或定向可用于调整或校正放射治疗计划。在一些方面中，可执行对患者位置、校准或定向的校正而无需物理地移动患者或患者台。

然后在过程框304处，通过基于成像信息控制放射治疗系统来递送放射治疗计划。在一些方面中，可以使用被配置用于选择性地围绕患者接近4π立体角的递送系统来递送放射治疗计划。

然后，可以可选地生成任何形式的报告，如过程框308所指示的。例如，报告可以指示(多个)治疗区域的状态或完成、治疗过程、治疗中断或错误、递送系统及递送系统中的组件的定位等等。

图4A和图4B示出了例如头颈和肺的病例的剂量分布的比较。如标签400所指示的，优化了常规放射治疗系统的剂量分布，并且如标签402所指示的，优化了根据本公开的方面的放射治疗系统。如从附图可以理解，本方法提供了与以前的技术相比更多的共形分布，这将导致暴露于非目标组织的放射减少。

本文所述的用于递送放射治疗的系统和方法提供了优于现有放射治疗系统的数个优点。首先，本文可获得的剂量测定优于限于共面光束配置的方法。例如，使用本文描述的方法可以实现20-40％的正常器官剂量减少。第二，与为具有C形臂台架的放射治疗系统生成的共面计划相比，使用本方法可以将治疗时间从50分钟减少到不到15分钟。第三，由于台运动，可以通过在整个治疗期间使患者保持静止以最小化患者的次要移动。第三，如图4A至图4B所示，一起优化光束定向和注量图会产生明显优越的剂量测定。第四，减小了光束引导器的治疗头(即，LINAC治疗头)尺寸允许完全接近后光束角度，这对于计划质量可能通常至关重要。最后，利用可以同时处理小肿瘤和大肿瘤的优化算法，为本文所述的放射治疗系统提供了更大的灵活性，与常规放射治疗系统相比，这可以增加一天中可以治疗的患者数量(例如，患者数量增加3-4倍)。

在将本申请作为整体进行审阅的基础上，适合于此类组合和子组合的特征对于本领域技术人员将是显而易见的本文中和所记载的权利要求书中所描述的主题旨在涵盖和包括所有合适的技术变化。

Claims (16)

1.一种放射治疗系统，包括：

光束引导器，所述光束引导器包括放射源，所述放射源被配置用于产生用于照射患者的放射，所述光束引导器具有至少四个移动自由度；以及

控制器，所述控制器被配置用于根据放射治疗计划来操作所述光束引导器以照射所述患者，

其中基于由所述光束引导器的至少四个移动自由度确定的解空间来生成所述放射治疗计划。

2.如权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述放射源包括线性加速器。

3.如权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述光束引导器包括为所述光束引导器提供支持的基座。

4.如权利要求3所述的放射治疗系统，其中所述光束引导器进一步包括关节臂，所述关节臂从所述基座延伸并且机械地链接到所述基座。

5.如权利要求4所述的放射治疗系统，其中所述关节臂包括至少两个关节，所述至少两个关节被配置用于为所述光束引导器提供所述至少四个移动自由度。

6.如权利要求4所述的放射治疗系统，其中所述光束引导器进一步包括容纳所述放射源的治疗头，所述治疗头机械地链接到所述关节臂。

7.如权利要求6所述的放射治疗系统，其中所述治疗头进一步包括准直仪，所述准直仪定位于邻近所述放射源的输出。

8.如权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述解空间覆盖围绕所述患者的至少90％的4π立体角。

9.如权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述控制器进一步被配置用于操作所述光束引导器以从相对于所述患者在后的方向照射所述患者。

10.如权利要求1所述的放射治疗系统，其中所述控制器进一步被配置用于在所述患者静止的同时操作所述光束引导器以照射所述患者并且递送所述放射治疗计划。

11.一种用于使用放射治疗系统递送放射治疗计划给患者的方法，所述方法包括：

基于剂量处方生成从由放射治疗系统的光束引导器确定的解空间优化的放射治疗计划，所述放射治疗系统的所述光束引导器具有至少四个移动自由度；

接收获取自患者的成像信息；

基于所述成像信息来控制所述放射治疗系统以递送所述放射治疗计划。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述方法进一步包括执行优化算法以产生所述放射治疗计划，所述优化算法被配置用于基于由所述光束引导器确定的所述解空间来选择光束配置。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述方法进一步包括执行所述优化算法以优化所述放射治疗计划中的剂量测定和递送光束的效率。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述解空间覆盖围绕所述患者至少60％的4π立体角。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述解空间覆盖围绕所述患者至少90％的4π立体角。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述方法进一步包括使用能变的源到轴距离(“SAD”)产生所述放射治疗计划。

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