CN110662579A - 减轻粒子放射治疗中的相互作用效应 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种可用于癌症治疗的粒子放射治疗的新扫描技术。一个实施方案涉及一种用于减轻运动目标中的粒子放射治疗中的相互作用效应的方法，所述运动目标包括运动周期，其中所述粒子放射治疗定义在所述运动目标的每一层的每一点中的计划剂量。所述方法包括将每一点中的所述计划剂量划分成一定次数的点重绘；和通过以下步骤来产生每一层的扫描模式：定义在每一点处每次点重绘的射束启用时间，和计算连续射束启用时间之间的等待时间，以将相应层的每一点的点重绘分布在整数个运动周期的持续时间内。

Description

减轻粒子放射治疗中的相互作用效应
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月11日提交的美国临时专利申请号62/445,008的权益和优先权，所述申请以全文引用的方式并入本文。
技术领域
实施方案涉及粒子放射治疗。更具体地，实施方案涉及用于减轻在递送粒子放射到运动中治疗目标的过程中的相互作用效应的扫描技术。
背景技术
粒子放射治疗(也称为强子治疗)是一种使用高能质子、离子、电子或电子射束来治疗癌症或其他疾病的外部射束放射治疗形式。此外，笔形射束扫描(PBS)治疗是通常允许针对诸如肿瘤的治疗目标的形状来进行高剂量放射体积的极佳三维(3D)成形的一类粒子放射治疗。对于粒子PBS治疗，放射治疗以若干层(射束能量或能量层)来递送，其中在依赖于特定能量的深度下扫描赋能粒子的笔形射束以覆盖治疗目标的横截面。
然而，在粒子PBS治疗递送期间，例如由于呼吸或心跳引起的治疗目标运动(例如，肿瘤运动)将改变由扫描笔形射束依序照射的治疗目标体积或点的相对位置。治疗目标体积或点的大小取决于赋能粒子的笔形射束的宽度。由此导致的剂量在治疗目标组织中的重新分布称为相互作用效应，并且它可导致治疗目标体积内的严重局部剂量不足和/或过量。对于胸部和腹部的粒子PBS治疗，特别是立体定向体部放射治疗(SBRT)来说，这是重大问题，其中高剂量分成若干次来递送。除了相互作用效应之外，治疗目标运动(例如，肿瘤运动)也使递送的目标剂量移位和模糊，但是这种模糊效应对于粒子PBS治疗和其他治疗技术来说是常见的，例如常规光子放射治疗和被动散射的粒子射束。与在治疗目标边缘处影响剂量的其他运动诱导的剂量扰动不同(例如，由于随机位置误差导致的剂量模糊和由于系统位置误差导致的剂量移位)，相互作用效应通常不能通过使用安全裕度对高剂量放射体积进行简单扩展来考虑到。
虽然因为热点和冷点位置通常在各次治疗递送之间随机不同，所以在几次治疗递送后，相互作用效应可能趋于最终得到平衡，但是对于分成若干次来递送的治疗来说，相互作用效应更严重，这是因为许多分次照射的剂量模糊效应不存在。由于SBRT分成几次来递送，因此SBRT易于在运动的目标器官(例如，肺、肝或胰腺)中受到显著的相互作用效应的影响。因此，许多粒子放射治疗中心根本不提供SBRT治疗。即使对于正常分次的治疗，许多粒子放射治疗中心仅治疗具有由于呼吸运动引起的轻微运动的经过精心挑选的肿瘤。
发明内容
公开了一种针对粒子放射治疗集成有重绘以有效地减少相互作用效应的新扫描技术。新扫描技术适用于减轻递送到运动治疗目标(例如肿瘤)的粒子放射治疗中的相互作用效应。在实施方案中，运动治疗目标的运动是周期性的并且具有周期，其中周期可以以任何方式确定，例如实验、经验或计算方法。此外，运动可能是由呼吸、心跳或其他运动源引起的。
在治疗目标的横截面层中，根据新扫描技术用粒子放射来照射点或区域。粒子放射治疗计划通常定义在治疗目标的每一层的每一点处的计划剂量。点的形状可以是多种形状中的任何一种，可以具有多维(例如，二维2D或三维3D)，并且可以具有体积。接下来，点可具有对应于在这个点处的射束启用时间之间的时间的等待时间和对应于粒子放射射束照射点的时间的射束启用时间。另外，等待时间可以对应于第一射束照射点之前的时间。新扫描技术专注于优化等待时间，以实现相互作用效应的减少。相反，解决相互作用效应的传统方法优化了射束启用时间。
根据实施方案，将层的一个点的计划剂量划分成一定次数的点重绘。对这个层的其余点执行类似的操作。此外，通过定义在每一点处每次点重绘的射束启用时间并计算每一点处的连续射束启用时间之间的等待时间来产生每一层的扫描模式。计算等待时间，使得层的每一点的点重绘分布在运动的治疗目标的整数个运动周期内。在一个实施方案中，点重绘均匀地分布在整数个周期内。每一点处的治疗递送可以通过等待时间(用于层移位或点移位)以及随后的射束启用时间来定义。此外，扫描模式产生可以被视为确定点重绘的顺序。在一个实例中，运动周期可以是接受放射治疗的患者的呼吸周期/循环。呼吸周期通常非常稳定。另外，运动周期也可以是近似周期性运动的近似周期。
因此，通过针对一个或多个运动周期调整层治疗递送的持续时间，可以消除每一单独层(或能量层)中的相互作用效应。此外，递送到层中的每一点的剂量可以以相等的部分来递送，这些部分在运动周期的持续时间内具有相等的时间间隔。这确保了每一点相对于其计划位置的平均移位接近于零，这反过来使得相互作用效应大大减小。此外，可以为每一点使用不同次数的重绘，但仍然将点重绘在整个运动期间展开。
因此，新扫描技术将每一能量层的治疗递送在运动周期(例如，呼吸循环)内展开，允许特定于点的次数的点重绘，并确保点重绘在运动周期的持续时间内展开。通过使用新扫描技术来减轻粒子放射治疗中的相互作用效应优于减轻相互作用效应的传统方法。此外，新扫描技术允许对经历胸部或腹部的呼吸运动的肿瘤进行安全的PBS治疗，包括以极少分次照射来递送的SBRT治疗。在一个实施方案中，不需要监测患者的呼吸或治疗递送与呼吸阶段的同步化。此外，新扫描技术可以立即在现有的粒子放射治疗中心实施，例如基于回旋加速器的质子放射治疗设施，而不需要治疗内运动监测、门控或患者呼吸与治疗递送之间的同步化。在一个实施方案中，新扫描技术涉及在医学数字成像和通信(DICOM)质子放射治疗计划中配置点治疗递送序列。
附图说明
并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图说明了若干实施方案，并且与描述一起用于解释本公开的原理。
图1A示出了用质子PBS对肝肿瘤的三种剂量分布。
图1B描绘了图1A的肝肿瘤的剂量-体积直方图。
图2A显示了根据一个实施方案，对层中的一个点的治疗递送的时序图。
图2B示出了根据一个实施方案，与点相关的等待时间t等待、射束启用时间t射束启用和t最小的方程。
图3描绘了根据一个实施方案，实际时间与来自方程(1)-(3)的预测时间的比较图。
图4显示了根据一个实施方案，t等待和t射束启用的实际值和预测值的散点图。
图5描绘了根据一个实施方案，层中多个点的最大和计划等待时间t等待和射束启用时间t射束启用的图表。
图6示出了根据一个实施方案的被分选至重绘区块中的点。
图7显示了根据一个实施方案，以逐渐减慢扫描持续时间来排序的八种扫描模式的表。
图8描绘了根据一个实施方案获得持续时间为4s(周期T＝呼吸循环的4s)的层的治疗递送时间。
图9示出了根据一个实施方案重新排列的重绘区块。
图10显示了根据一个实施方案，具有用于特殊情况的重绘方案的新扫描技术。
图11显示了具有针对一个场的多个层的治疗递送持续时间的实例的图表，其中计划治疗递送并未使用新扫描技术。
图12示出了根据一个实施方案，具有针对一个场的多个层的治疗递送持续时间的实例的图表，其中治疗递送根据图9(方法1)和10(方法2)。
图13描绘了展示根据一个实施方案，实际治疗递送时间合理地接近于用图2B的方程(1)-(3)预测的治疗递送时间的图表。
图14示出了根据一个实施方案的用于研究新扫描技术的设置。
图15显示了根据一个实施方案的用于执行伽玛测试的框图。
图16描绘了根据一个实施方案，对于接受治疗的患者使用离子室阵列测量的剂量的实例。
图17示出了根据一个实施方案的3×24个运动实验的结果。
图18显示了根据一个实施方案的伽玛测试的框图。
图19描绘了根据一个实施方案，再现相互作用效应的实验伽玛通过率的框图。
图20示出了根据一个实施方案的伽玛通过率的图表。
图21显示了根据一个实施方案的研究运动幅度的影响的图表。
图22显示了根据一个实施方案，用于研究与周期T＝4s不同的呼吸周期的影响的图表。
图23显示了根据一个实施方案，研究使用分次递送来消除相互作用效应的图表。
图24描绘了根据一个实施方案，研究在用千伏当次照射内成像(KIM)治疗递送期间对六位肝SBRT患者测量的实际测量的肿瘤运动的相互作用效应的图表。
图25示出了根据一个实施方案的三种剂量分布。
图26显示了根据一个实施方案，4D剂量重建的内部临床目标体积(ICTV)的剂量-体积直方图。
具体实施方式
现在将详细参考实施方案，其实施例在附图中加以说明。虽然本发明将结合此等实施方案来描述，但应理解其不意图将本发明限于此等实施方案。相反，本发明意图涵盖替代方案、修改方案和等效方案，它们可包括在由随附权利要求界定的本发明的精神和范围内。此外，在以下详细描述中，陈述许多具体细节以便提供透彻了解。但是，本领域的一般技术人员应当理解，实施方案可在不使用这些具体细节的情况下加以实践。
尽管描述将专注于质子放射治疗和质子笔形射束扫描(PBS)治疗，但是描述也适用于使用中子、离子或电子的粒子放射治疗。质子放射治疗可以照射患者的治疗目标。治疗目标可包括肿瘤、患病组织或其至少一部分。在实施方案中，治疗目标的运动是周期性的并且具有周期。例如，运动可能是由呼吸循环或心跳的周期性运动引起的。或者，治疗目标的运动可以是近似周期性的并且可以具有近似的周期。诸如呼吸周期和/或心跳运动的运动周期可以从4D计算机断层摄影扫描(4DCT)获得，所述4D计算机断层摄影扫描可以针对放射治疗计划来执行。在一个实施方案中，可以在治疗递送期间利用听觉和/或视觉引导来帮助患者以4DCT扫描期间记录的周期持续时间(或频率)进行呼吸。
接下来，递送至点的剂量具有取决于递送剂量的粒子放射治疗设备的至少预定义最小剂量的值。为了减轻相互作用效应，根据粒子放射治疗的预定义最小剂量(或最小点剂量)使每一点处的点重绘的次数最大化或优化。然后，层的每一点的点重绘可以分布在整数个运动周期内。在一个实施方案中，点重绘均匀地分布在整数个周期的持续时间内。因为粒子放射治疗设备通常受到预定义最小剂量的限制，所以治疗目标的一些点将被照射一次而不是被照射多次。根据新扫描技术，然后可以产生扫描模式，使得被照射一次的层中的多个点以一定的方式分布，所述方式使得在周期性运动的周期的第一部分期间照射这些点的一个集合，并且在周期性运动的周期的第二部分期间照射这些点的另一个集合。
在实施方案中，具有小于周期性运动的周期的最大扫描时间的层可以使用具有最大扫描时间的扫描模式来扫描。此外，层的扫描模式中的点重绘可以通过调整层中的点和/或点重绘的序列顺序和/或通过调整层中点的连续射束启用时间之间的等待时间来分布。在一些粒子放射治疗设施中，不可能以100％的可控性来暂停赋能粒子射束。新扫描技术通过专注于调整点的等待时间、点重绘的顺序以及点重绘的次数来对治疗的放射递送进行分布，从而避免这个问题。但是，在某些粒子放射治疗设施中能够暂停赋能粒子的射束可能是一种选择。在进一步的实施方案中，因此可以通过在扫描模式中选择一个或多个点之前的射束暂停来调整层中的一个点的连续射束启用时间之间的等待时间。
在一个实施方案中，层的每一点的点重绘的次数可以被分解至重绘区块或组，其中每一重绘区块(或组)中的点重绘的次数可以是2的整数幂。因此，在一个实施方案中，每一重绘区块的点重绘可以分布在整数个运动周期内。点重绘可以均匀地分布在整数个运动周期的持续时间内。而且，可以通过音频和/或视觉引导来辅助患者呼吸与确定的呼吸运动周期的同步化。
接下来，在层的扫描时间是两个周期的情况下，可以产生扫描模式，使得两次或更多次点重绘的重绘区块被分成两个相同的扫描模式，其中在两个周期的第一周期中执行第一扫描模式，并且在两个周期的第二周期中执行第二扫描模式。或者，可以产生扫描模式，使得两次或更多次点重绘的重绘区块被分成两个扫描模式，其中在两个周期的第一周期中执行第一扫描模式，并且在两个周期的第二周期中执行第二扫描，第二扫描模式与第一扫描模式相反。
质子PBS时序的建模
没有相互作用效应的情况下对运动肿瘤的理想剂量分布(尽管存在模糊)将是随着肿瘤运动而模糊或卷积的静态肿瘤的计划剂量。这可以在某种程度上通过重绘(或再扫描)来获得，其中赋能粒子射束在治疗目标的点上扫描若干次以消除相互作用效应。赋能粒子射束可以在治疗目标的点上扫描N次(N＝2、3、4)，每次将计划剂量(或监测单位)的1/N递送到每一点。监测单位(MU)的数量不能小于最小限度MU最小。典型的临床质子PBS治疗计划可能具有许多具有极少MU的点以致于根本不允许任何重绘。此外，减少相互作用效应的传统方法是低效的。它们不保证消除相互作用效应。而且，由于质子加速器及其赋能质子射束所施加的质子放射治疗设备限制，这些传统方法通常不具有实际应用性。
根据如下所述的实验、模拟和剂量重建，新扫描技术优于用于减轻质子PBS治疗中的相互作用效应的常规策略。在下面的讨论中，治疗目标的运动是由具有呼吸周期T＝4s的周期性呼吸运动引起的。应该理解的是，讨论同样适用于其他类型的周期性运动以及所述周期的其他值。
图1A示出了用质子PBS对肝肿瘤的三种剂量分布。剂量分布2显示用质子PBS对静止肝肿瘤的计划均匀剂量分布。剂量分布4描绘了在用质子PBS而没有重绘(1次绘制或点被绘制一次)的模拟治疗中对运动肝肿瘤的递送剂量。此外，剂量分布6描绘了在用质子PBS并且10次重绘(点被绘制10次)的模拟治疗中对运动肝肿瘤的递送剂量。
在剂量分布4中，肝肿瘤运动与扫描质子射束之间的相互作用效应导致严重剂量不足/过量9。这种相互作用效应在某种程度上被剂量分布6中的10次重绘消除，导致剂量不足/过量9的减少，但仍然是一个问题。
图1B描绘了图1A的肝肿瘤的剂量-体积直方图10。剂量-体积直方图10指出剂量分布4和6中的剂量不足/过量9。
如上所述，治疗目标的运动是由具有呼吸周期T＝4s的周期性呼吸运动引起的。应该理解的是，讨论同样适用于其他类型的周期性运动以及所述周期的其他值。
对于新扫描技术，对层的多个点的治疗递送的时序的建模允许将对这个层的治疗递送的持续时间调整为整数个周期，其中对于本讨论来说，周期T＝4s。
接下来，图2A显示了根据一个实施方案，对层中的一个点的治疗递送的时序图12。根据时序图12，点具有等待时间t等待14(用于层移位或点位置移位)，接着是射束启用时间t射束启用16。
对于质子放射治疗中心的质子PBS治疗设备，可以分析患者治疗日志文件以找到等待时间t等待14的近似值。图2B的方程(1)是针对等待时间t等待14从患者治疗日志文件得到的。等待时间t等待14的方程(1)包括以下值：点延迟常数t0,x＝2.85ms和t0,y＝3.52ms，以及在X方向上的点速度vx＝6.92mm/ms及在Y方向上的点速度vy＝32.1mm/ms。点之间的阈值距离d阈值是10mm。此外，等待时间t等待14取决于这个点与前一个点的距离(Δx和Δy)。点速度vx和vy近似线性地取决于质子射束能量，但是在等待时间t等待14的建模中省略了这个情况。尽管可以改进等待时间t等待14的建模，但是发现证明新扫描技术减少相互作用效应的优点是足够精确的。
另外，图2B的方程(2)是针对射束启用时间t射束启用16从患者治疗日志文件得到的。根据方程(2)，点的射束启用时间t射束启用16与递送到这个点的剂量或监测单位(MU)的数量成比例。这里，MU最小_层是层中任何点中的MU的最小数量，并且t最小是具有MU＝MU最小_层的点的射束启用时间，其对应于层中的最短射束启用时间。此外，图2B的t最小的方程(3)表示t最小的近似和经验确定的值。
图3描绘了根据一个实施方案，质子场的35个能量层的实际射束启用时间t射束启用和射束等待时间t等待与从方程(1)-(3)预测的射束启用时间t射束启用和射束等待时间t等待的比较图18。实际时间与方程(1)-(3)的预测时间一致，证明了方程(1)-(3)的准确性。此外，图4显示了根据一个实施方案，13个研究临床治疗场中所有能量层的t等待和t射束启用的实际值和预测值的散点图20和22。如图4所示，方程(1)-(3)通常给出了射束启用时间t射束启用和等待时间t等待的合理准确的预测。此外，对于预测的射束启用时间t射束启用和等待时间t等待，预测时间的均方根误差分别为0.20s和0.0026s。
集成有重绘的新扫描技术
新扫描技术提供了针对运动周期(例如，患者的呼吸周期)调整每一能量层的治疗递送时间的能力。如上所述，假设运动周期为4秒的呼吸循环。应该理解的是，讨论同样适用于不同类型的周期性运动和所述周期的不同值。
传统方法试图通过调整射束流来操纵层的治疗递送时间，这相当于调整射束启用时间t射束启用。但是，这种策略具有非常有限的灵活性。它仅允许适度延长这个层的治疗递送时间，因为已经向大多数能量层递送这个层的最低允许射束流。
相反，新扫描技术操纵每一点之间的时间，其表示图2A中定义的等待时间t等待14。图5描绘了根据一个实施方案，层中多个点的最大和计划等待时间t等待和射束启用时间t射束启用(或照射时间)的图表24。如图5所示，层中多个点的最大等待时间t等待可以相对于层中多个点的最大射束启用时间t射束启用(或照射时间)显著延长。这允许将许多能量层的治疗递送持续时间延长到T＝4s或更长的周期。此外，图24显示了35个能量层的时间值。最大等待时间t等待可以通过最大化层中多个点之间的等待时间来获得，同时最大射束启用时间t射束启用可以通过将射束流减小到其最小值来获得。
在一个实施方案中，新扫描技术确保在呼吸循环的整个周期T＝4s内对层的每一点进行时间等距重绘。接下来描述新扫描技术的实施。
最初，根据点可进行重绘的次数对层的多个点进行分选。具体地，根据一个实施方案，如图6所示，将点分选至重绘区块(或组)30、32、34、36和38。根据点的待递送的MU的数量，将层的多个点分选至重绘区块32、34、36和38，以分别对点绘制2、4、8和16次。MU最小是预定义的，并且代表一个点的MU的最小允许数量。因此，将具有＞＝16MU最小的点放入16-绘制重绘区块38中。将具有＞＝8MU最小的点放入8-绘制重绘区块36中。将具有＞＝4MU最小的点放入4-绘制重绘区块34中。将具有＞＝2MU最小的点放入2-绘制重绘区块32中。将具有<2MU最小的点放入1-绘制重绘区块30中的一个中。此外，点可以放置在重绘区块(或组)32、34、36和38中的一个以上中。例如，将具有14MU最小的点放置在8-绘制重绘区块36、4-绘制重绘区块34和2-绘制重绘区块32中，因为14＝8+4+2。
而且，两个2-绘制重绘区块32是相同的。它们包括相同序列的点和MU。类似地，四个4-绘制重绘区块34是相同的，而八个8-绘制重绘区块36是相同的。而且，十六个16-绘制重绘区块38是相同的。具有<2MU最小监测单位的点不可以重绘。将它们划分至1-绘制重绘区块30中，其中将奇数编号或命名的点分选至区块1a中，并且将偶数编号或命名的点分选至区块1b中。
此后，考虑到层的多个点的重绘，从不同扫描持续时间的一组扫描模式(图7)中选择扫描模式，并在这个层的多个经分选的点(图6)上实施所述扫描模式，直到发现特定扫描模式，所述特定扫描模式减慢了层的多个点的扫描，从而为这个层提供了持续时间大于呼吸循环的周期T＝4s的治疗递送时间。因此，通过从最快扫描模式到越来越慢扫描模式，逐步增加层的治疗递送时间，直到这个层的治疗递送时间超过呼吸循环的周期T＝4s。
图7显示了根据一个实施方案，以逐渐减慢扫描持续时间来排序的八个扫描模式的表40。每个扫描模式都有不同的扫描路径策略。扫描持续时间随着扫描模式的编号而增加，因为层的总等待时间t等待增加。选择将层的治疗递送时间增加到大于呼吸循环的周期T＝4s的扫描模式。扫描模式7允许任何偶数次的重绘。例如，将具有40次重绘的点放置在16-绘制重绘区块38中两次，并且放置在8-绘制重绘区块36中一次，因为40＝16+16+8。
继续实施新扫描技术，修整重绘的阈值以获得这个层的治疗递送时间4s(呼吸循环的周期T＝4s)。如前所述，扫描模式(图7)用于将层的治疗递送持续时间增加到大于呼吸循环的周期T＝4s的值。通过增加具有4-绘制、8-绘制或16-绘制重绘的点的一些阈值，将层的治疗递送持续时间缩短至呼吸循环的周期T＝4s。例如，一些可以绘制8次的点替代地被绘制4次，从而消除了四个等待时间t等待。2次绘制的阈值保持在2MU最小，这确保任何可绘制两次或更多次的点至少被绘制两次。图8描绘了根据一个实施方案，获得具有4s持续时间(呼吸循环的周期T＝4s)的层的治疗递送时间。
接下来，根据一个实施方案，将重绘区块(或组)30、32、34、36和38重新排列，如图9所示。重新排列为新扫描技术提供了一种准周期性重绘方案，所述方案具有0.5s重复率，并且在呼吸循环的周期T＝4s的整个持续时间内，层的多个点的重绘在时间上展开，无论是否这些点被绘制2次、4次、8次或16次。在一个实施方案中，层的多个点的重绘均匀地分布在呼吸循环的周期T＝4s的整个持续时间内。将可以被绘制一次的点划分至重绘区块30中，其中区块1a包括奇数点，并且区块1b包括偶数点。这些重绘区块30中的点(例如，区块1a中的第n个点和区块1b中的第n个点)通常是相邻点。具有图9中所示的准周期性重绘方案的新扫描技术确保了以2秒的间隔访问这些相邻点，这将倾向于局部地消除相互作用效应，即使对于可被绘制一次但不可以重绘的这些低MU点来说也是如此。
再次参考图9，将2-绘制重绘区块32划分成四个等份(2.1,2.2,2.3,2.4)，以2秒的间隔来访问这些等份。将4-绘制重绘区块34划分至两个半部(4.1,4.2)，以1秒的间隔来访问这些半部。将1-绘制重绘区块30划分至等份(1.a1,1.a2,1.3a,1.a4,1.b1,1.b2,1.b3,1.b4)，其中相邻的奇数点和偶数点以2秒的间隔访问。
一些层具有使用极少MU的极少点，以致于不允许通过图7的扫描模式1-7将层的治疗递送持续时间延长超过呼吸循环的周期T＝4s。在这些情况下，根据一个实施方案，使用具有图10中所示的重绘方案的新扫描技术作为替代方案。如图7所示，扫描模式8a和8b允许任何次数的重绘(偶数和奇数)。扫描模式8a和8b是相同的，除了它们分别适用于持续时间等于和小于呼吸循环的周期T＝4s的层以外。相应地，可以进一步增加层的治疗递送持续时间，但是以重绘展开的程度不太均匀为代价。
再次参考图10，当由于层具有极少的点和MU而导致具有图8和9的准周期性重绘方案的新扫描技术未能将层的治疗递送持续时间增加超过呼吸循环的周期T＝4s时，使用可用的替代方案。如图10所示，两个多绘制重绘区块42是相同的，并且可以包括用于一个点的任何次数的绘制。1-绘制重绘区块44和46(1a和1b)可包括绘制一次的点以及绘制奇数次(n>3)的点，因此也可放置在多绘制重绘区块中42。将1-绘制重绘区块44和46分成区块1a和区块1b，以便使多绘制重绘区块42之间的时间多变得尽可能接近于呼吸循环的周期T/2＝2s的一半，这将减少多绘制重绘区块42中的点的相互作用效应。
具有非常高数量的点和MU的一些层可具有即使使用图7的最慢扫描模式，也超过呼吸循环的周期T＝4s的治疗递送持续时间。对于这些层，可以以与上述类似的方式获得覆盖两个呼吸循环的两倍呼吸循环周期T2＝8s的治疗递送持续时间。例如，可以针对两个呼吸循环中的每一个获得具有类似于图9的准周期性重绘方案的新扫描技术。此外，相对于第二呼吸循环，第一呼吸循环的点扫描模式可以逆转，以便进一步消除任何残余的相互作用效应。
针对13个临床质子PBS场，研究了集成有重绘的新扫描技术。对于每一场，将每一层的治疗递送重新排列，如图8、9和10所示。图11显示了具有针对一个场的多个层的治疗递送持续时间的实例的图50，其中计划治疗递送并未使用新扫描技术，而图12示出了根据一个实施方案的具有针对一个场的多个层的治疗递送持续时间的实例的图表52，其中治疗递送根据图9(方法1)和10(方法2)，其中时间用图2B的方程(1)-(3)来计算。如图13所示，图表54表明，根据一个实施方案，在新扫描技术下在35个层的日志文件中记录的实际治疗递送时间合理地接近于用图2B的方程(1)-(3)预测的治疗递送时间。
接下来，用质子PBS治疗胸部和腹部肿瘤的5位患者的治疗计划用于新扫描技术的实验剂量学评估。这五个计划是两场或三场计划，其中在治疗计划系统中进行单场优化，并且分次剂量在1.8Gy与4.5Gy之间。肿瘤为胰腺、肝、肺/支气管肿瘤、右下叶的非小细胞肺癌瘤和肾细胞癌。这些计划代表了广泛的肿瘤部位、体积和剂量。五个评估质子PBS计划总共有12个场，使用237个能量层。图7中的最后两列显示了八个扫描模式中每个模式的层数和MU的百分比。如图7所示，使用了所有八个扫描模式。尽管用具有<4s治疗递送持续时间的次优扫描模式8b来扫描33.8％的层，但这些层仅构成总剂量(或MU)的6.5％，如图7的底行所示。具有小于4s治疗递送持续时间的层通常是最深和浅的层(场中的最前几层和最后几层)，如图11-13中的实例。此外，4.6％的层(2.3％的剂量或MU)以扫描模式8a来递送，所述扫描模式8a具有等于4s的治疗递送持续时间，但是具有与扫描模式1-7相比在整个呼吸循环中分布不太均匀的重绘。
根据一个实施方案，利用图14所示的设置研究了新扫描技术的减轻相互作用效应的能力。将12个质子PBS场中的每一个递送到由运动台64承载的离子室阵列62。离子室阵列62以0.1s的帧速率测量2D剂量分布。离子室阵列62上的固体水区块66给出了对应于展开的布拉格峰的近端的测量深度。每一场向离子室阵列62递送三次：一次没有运动并且两次具有4s周期、3cm峰到峰、正弦运动，其中治疗递送在相对于运动周期的两个不同时间开始。为了比较，还通过以下方式进行了类似的静态+2次运动实验，(1)具有原始默认扫描模式(没有任何重绘)和(2)具有最多8次重绘。在后一种情况下，将所有>8MU最小的点绘制8次，而只能绘制N次(N<8)的点在点图的前N个遍次期间接受了N次绘制。总共进行了108次治疗递送(12个场X 3个重绘方案X 3个运动案例)。
对于每一运动实验，将时间分辨剂量帧相加以便获得具有相互作用效应的累积运动剂量，如图15的框图78的上部行72所示。然后将此剂量与参考剂量进行比较，所述参考剂量是随着已知正弦模拟运动而模糊或卷积的累积静态剂量，如图15的框图78的下部行74所示。此参考剂量表示由于运动而导致模糊，但是没有任何相互作用效应的理想运动剂量分布。与此参考剂量的比较作为伽玛测试进行，其中满足3％/3mm伽玛通过标准的离子室测量结果的百分比予以报告。具有参考剂量图中的最大剂量的10％以下的离子室测量结果在伽玛测试中予以排除。
图16描绘了根据一个实施方案，对于接受治疗的患者使用离子室阵列测量的剂量的实例。图示的是静态剂量(测量)80，随着施加的3cm峰到峰正弦运动而卷积的静态剂量(模糊)82，即理想的经消除的无相互作用效应的剂量分布。右侧三列显示了在颅侧模拟位置(上部行)和尾侧模拟位置(下部行)开始治疗的实验中，使用默认递送(没有重绘)84和85、常规8-重绘递送86和87，以及根据新扫描技术88和89的治疗递送的测量运动剂量。列出的数字指示与理想的模糊静态剂量相比(即，与静态剂量(模糊)82相比)时，运动剂量的3％/3mm伽玛通过率。根据新扫描技术88和89的治疗递送具有(1)相当高的伽玛通过率(即，较低的相互作用效应)和(2)当将一个运动实验与另一个运动实验进行比较时相当少的变化。
根据一个实施方案，在图17中总结了3×24个运动实验的结果，显示了根据新扫描技术的治疗递送的明显且非常显著的改善。与模糊静态参考剂量相比时，在使用默认方案(上部行)、8次重绘(中间行)、以及新扫描技术(下部行)来递送治疗的运动实验中的3％/3mm伽玛通过率的平均值(±1标准偏差)。此外，针对每一运动实验，在图17中示出了实验结果、实验模拟以及从1到10个起始阶段延伸的模拟。
接下来，进行了一系列模拟，以便将新扫描技术的研究范围扩展到实验实际可行的范围之外。从测量的静态剂量来再现测量的运动剂量。
根据一个实施方案，对于72个运动实验中的每一个，首先对相应静态实验的时间分辨2D剂量帧进行重新采样，以针对每一能量层获得与在运动实验中相同数量的剂量帧，如图18的框图92中所示。接下来，在运动实验中每一帧的移位(即，在帧曝光时的运动阶段的位置)被确定为给出与在静态实验中相应帧的最高正规化交叉相关的移位。最后，将所有运动帧的移位拟合至已知的3cm、4s周期正弦运动。作为此程序的结果，现在已知运动实验中所有剂量帧的模拟位置。此信息用于通过将已知运动添加到每一帧并且对帧进行求和而从静态剂量来模拟运动剂量，如图18所示(模拟运动剂量)。模拟剂量与测量剂量之间的一致性非常高，平均3％/3mm的伽玛通过率为99.4％。它表明基于静态测量结果的模拟可以高精度地再现运动剂量。
接下来，根据一个实施方案，研究了模拟再现相互作用效应的实验伽玛通过率的能力，如图19的框图94所示。根据一个实施方案，如图20的图表96所示，模拟以1.3％的均方根误差精确地再现了实验3％/3mm伽玛通过率。这也显示在图17中(比较第一列和第二列)。
根据一个实施方案，使用模拟来研究运动幅度的影响，如图21的图表110所示。新扫描技术(优化)大大降低了相互作用效应，即使是50mm的非常大的运动也是如此。新扫描技术(优化)的50mm运动的平均伽玛通过率优于仅有10mm运动的8次重绘的平均伽玛通过率。
此外，根据一个实施方案，研究了与周期T＝4s不同的呼吸周期的影响，如图22的图表120所示。如果患者在治疗时恰好具有与用于计划递送优化的呼吸周期(周期T＝4s)不同的另一个呼吸周期，新扫描技术(优化)的相互作用效应减轻会在多大程度上受到影响，了解这个情况是有重大意义的。尽管新扫描技术(优化)的相互作用减轻随着其他运动周期而减少，但是对于广泛范围的呼吸周期，平均伽玛通过率保持在85％以上。
根据一个实施方案，对于所有72个运动实验，通过在N个分次照射(N＝1-6)下模拟10个运动起始阶段的所有可能组合，研究了使用分次递送来消除相互作用效应，如图23的图表130所示。对于每一运动实验，计算N-分次照射疗程的所有10N可能组合的3％/3mm伽玛通过率的平均值和标准偏差。结果显示在图23中。新扫描技术(优化)是明显优异的，其中单次照射后的平均伽玛通过率(92.5％)等于3.5个分次照射后8次重绘的平均伽玛通过率，但标准偏差小得多(图23中的误差条)。使用新扫描技术(优化)仅递送1个分次照射后标准偏差为4.6％，而使用8次重绘递送6个分次照射后标准偏差仍为5.7％。它表明对于新扫描技术(优化)没有较大相互作用效应的异常值。
接下来，根据一个实施方案，研究在用千伏当次照射内成像(KIM)治疗递送期间对六位肝SBRT患者测量的实际测量的肿瘤运动的相互作用效应，如图24的图表140中所示。在所有分次照射下的测量运动的结果在图24中显示(6位患者×3个分次照射/患者)。与迄今为止研究的正弦运动不同，患者测量的运动轨迹具有许多不规则性，例如各个循环之间的波形、周期和幅度的变化以及基线偏移。虽然对于所有分次照射，新扫描技术(优化)优于8次重绘(以及没有重绘)，但是具有小于3秒的非常快呼吸周期的患者2和4的伽玛通过率略低。与针对每一能量层的T＝4s周期的治疗递送持续时间的当前实施方案相比，针对这种快速呼吸而设计的新扫描技术(优化)将表现更好。
作为对相互作用效应减轻的最终研究，在Matlab程序中使用三种递送方案(优化、8次重绘、默认)模拟研究中第一位患者的所有三个质子PBS场的递送。Matlab程序将所有点分布在十个不同的呼吸阶段中，并为每一呼吸阶段产生DICOM计划文件。假设1.1秒的层移位时间、根据图2B的方程(1)-(3)的点递送时间和呼吸周期T＝4s。在治疗计划系统中，将10个DICOM计划导入患者的4DCT扫描的10个阶段。在每一4DCT阶段中计算阶段特异性剂量，并使用可变形图像配准在完全呼气阶段求和。如图25所示，根据一个实施方案，新扫描技术(优化)给出了具有较少相互作用效果的优异剂量分布。
图26描绘了根据一个实施方案，在第一位患者(胰腺)的使用默认递送、8次重绘、以及新扫描技术(优化)的治疗计划系统中的4D剂量重建的内部临床目标体积(ICTV)的剂量-体积直方图150。新扫描技术(优化)导致具有较少相互作用效应的更均匀的目标剂量。
新扫描技术可以以许多方式实施，特别是作为在PC或类似设备上运行的软件。本公开还涉及用于减轻粒子放射治疗中的相互作用效应的系统，其包括用于存储指令的非可递计算机可读存储装置，所述指令执行用于减轻粒子放射治疗中的相互作用效应的方法。本公开还涉及一种具有指令的计算机程序，所述指令在由计算装置或系统执行时使计算装置或系统减轻粒子放射治疗中的相互作用效应。计算机程序应该被广泛地解释，并且包括在PC上运行的程序、粒子放射治疗中心中的计算机系统设施的一部分、或者设计为在智能电话、平板计算机或其他移动装置上运行的软件。计算机程序和移动应用程序包括免费软件和必须购买的软件，并且还包括在分发软件平台上分发的软件。
本公开还涉及一种粒子治疗系统，包括用于产生用于粒子放射治疗的粒子射束的粒子射束发生器、用于将粒子放射治疗递送到目标的射束传递单元、被配置为在目标上扫描粒子射束的射束扫描单元、以及处理单元，所述处理单元被配置为通过上述构件来产生用于射束扫描单元的扫描模式，以减轻粒子放射治疗的相互作用效应。粒子治疗系统可以例如是具有一个或多个回旋加速器的质子中心的一部分。在进一步的实施方案中，本公开涉及通过使肿瘤的目标体积经受粒子放射治疗来治疗处于周期性运动下的患者的区域中的癌症肿瘤的方法。在又一个实施方案中，获得癌症肿瘤的运动周期。将目标体积划分成多个层。将每一层划分成多个点。计算目标体积的每一点的粒子放射治疗的计划剂量。借助于本文公开的方式产生扫描模式。根据扫描模式将粒子放射治疗递送到目标体积(例如，肿瘤)以减轻粒子放射治疗的相互作用效应。癌症肿瘤(或其中的几种)可以例如位于患者的腹部或胸部区域。但是，其他解剖区域中的癌症肿瘤也可能是相关的，特别是如果它们在粒子放射治疗期间受到周期性运动的影响。
本发明的前述描述是为了说明和描述而呈现的。它们不旨在是详尽无遗的或将本发明限制于所公开的明确形式，并且根据以上教义有可能进行许多修改和改变。选择和描述这些实施方案以便于最佳解释本发明的原理以及其实际应用，从而在进行如适合于所涵盖的具体用途的多种修改的情况下，允许本领域的其他技术人员最佳利用本发明和多种实施方案。希望本发明的范围由所附权利要求及其等效物来定义。

Claims (21)

1.一种用于减轻供递送到运动目标的粒子放射治疗中的相互作用效应的方法，所述运动目标包括运动周期，所述粒子放射治疗定义在所述运动目标的每一层的每一点中的计划剂量，所述方法包括：
将每一点中的所述计划剂量划分成一定次数的点重绘；和
通过以下步骤来产生针对每一层的扫描模式：
定义在每一点处每次点重绘的射束启用时间，和
计算连续射束启用时间之间的等待时间，以将相应层的每一点的所述点重绘分布在整数个运动周期的持续时间内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每一点处的点重绘的所述次数根据所述粒子放射治疗的每一点的预定义最小剂量来最大化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中层的每一点的所述点重绘均匀地分布在所述整数个运动周期的所述持续时间内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中每一点的点重绘的所述次数被分选至区块中，其中每一区块中的点重绘的所述次数是2的整数幂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中每一区块的所述点重绘均匀地分布在整数个运动周期内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描模式中的所述点重绘是通过调整层中的点和/或点重绘的序列顺序和/或层中的连续射束启用时间之间的所述等待时间来分布的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中层中的连续射束启用时间之间的所述等待时间是通过在所述扫描模式中选择一个或多个点之前的射束暂停来调整的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中用于所述粒子放射治疗的粒子来自由以下组成的组：质子、离子、中子和电子。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子放射治疗是使用笔形射束扫描进行的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述运动目标包括肿瘤或所述肿瘤的至少一部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述运动周期是由包括所述运动目标的患者的呼吸和/或心跳引起的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述呼吸和/或心跳运动包括呼吸和/或心跳周期，并且是通过四维计算机断层摄影来确定的。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
辅助患者的呼吸与所述运动周期的同步化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述患者由音频和/或视觉引导来辅助。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描模式经产生以使得对被照射一次的层中的多个点的点重绘进行分布，使得所述点的第一组是在所述周期性运动的所述周期的第一部分期间照射，并且所述点的第二组是在所述运动周期的第二部分期间照射。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描模式经产生以使得对具有两个周期的扫描时间的层进行扫描，使得将两次或更多次点重绘的重绘区块分成两个相同的扫描模式，其中第一扫描模式是在两个周期的第一周期中执行并且第二扫描模式是在两个周期的第二周期中执行。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描模式经产生以使得对具有两个周期的扫描时间的层进行扫描，使得将两次或更多次点重绘的重绘区块分成两个扫描模式，其中第一扫描模式是在第一周期中执行并且第二扫描是在第二周期中执行，并且其中所述第二扫描模式与所述第一扫描模式相反。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描模式经产生以使得具有小于所述运动周期的扫描时间持续时间的层是使用具有最大扫描时间持续时间的模式来扫描的。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是计算机实施的。
20.一种通过使肿瘤的目标体积经受粒子放射治疗来治疗处于周期性运动下的患者的区域中的癌症肿瘤的方法，所述方法包括：
获得所述癌症肿瘤的运动周期；
将所述目标体积划分成多个层，并且将所述层中的每一层划分成多个点；
计算所述目标体积的每一点的所述粒子放射治疗的计划剂量，并且将每一层的每一点中的所述计划剂量划分为一定次数的点重绘；
通过以下步骤来产生针对每一层的扫描模式：定义在每一点处每次点重绘的射束启用时间，和计算连续射束启用时间之间的等待时间，以将相应层的每一点的所述点重绘分布在整数个运动周期的持续时间内；和
根据所述扫描模式将所述粒子放射治疗递送到所述目标体积，以减轻所述粒子放射治疗的相互作用效应。
21.一种粒子放射治疗系统，包括：
粒子射束发生器，其可操作以产生用于粒子放射治疗的粒子射束；
射束传递单元，其可操作以将所述粒子放射治疗递送到目标；
射束扫描单元，其被配置为在所述目标的多个层上扫描所述粒子射束，其中每一层包括多个点，和
处理单元，其被配置为通过以下步骤来为所述射束扫描单元产生针对每一层的扫描模式：定义在每一点处每次点重绘的射束启用时间，和计算连续射束启用时间之间的等待时间，以将相应层的每一点的所述点重绘分布在整数个运动周期的持续时间内，以减轻所述粒子放射治疗的相互作用效应。
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