CN111936206A - 用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统(7)，其中，所述体积调制弧形辐射治疗流程包括旋转辐射源(2)，所述辐射源被配置为沿着围绕对象的弧发射用于处置对象(4)的辐射射束(3)，以便在不同处置方向上将所述辐射射束应用到所述对象。子弧组的序列被提供，其中，相应子弧组包括所述弧的若干子弧，其沿着所述弧均匀地分布，其中，处置计划通过在所提供的序列中针对每个子弧组顺序地确定处置参数来生成，所述处置参数定义所述辐射射束的性质。通过使用该序列确定所述处置参数导致实际上最佳处置计划被生成的增加的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统、方法和计算机程序。本发明还涉及一种包括规划系统的辐射治疗系统。
背景技术
K.Otto的文章“Volumetric modulated arc therapy:IMRT in a single gantryarc”(Medical Physics、第35卷、第310至317页(2007年))公开了一种体积调制弧形辐射治疗(VMAT)系统，包括：辐射源，其用于发射用于处置对象的辐射射束；以及旋转单元，其用于围绕对象旋转辐射源，以便在不同方向上将辐射射束应用到对象。辐射源包括用于对辐射射束动态成形的多叶准直器(MLC)，而旋转单元围绕对象旋转并且辐射源连续地发射辐射射束。辐射源沿着其围绕对象旋转的轨迹被称为“弧”。辐射源和旋转单元根据处置计划由控制器控制，所述处置计划包括处置参数，如例如针对辐射源相对于对象的不同位置、MLC的叶的不同位置。处置计划通过使用优化算法生成，该优化算法试图使基于要确定的处置参数模拟的对象内的模拟剂量分布与对象内的期望剂量分布之间的偏差最小化。处置计划的该已知生成具有以下缺点：优化算法可能未找到最佳处置参数，因为其通常当不再可以获得显著改进时停止。此外，已知优化算法倾向于朝向非常嘈杂(即，例如，具有强振荡)的处置参数解迭代。
发明内容
本发明的目的是提供一种规划系统、方法和计算机程序，其允许体积调制弧形辐射治疗流程的经改进的规划。本发明的另一目的是提供一种包括所述规划系统的辐射治疗系统。
在本发明的第一方面中，呈现了一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统，其中，所述体积调制弧形辐射治疗流程包括旋转辐射源，所述辐射源被配置为沿着围绕对象的至少一个弧发射用于处置所述对象的辐射射束，以便在不同处置方向上将所述辐射射束应用到所述对象，其中，所述规划系统包括：
-序列提供单元，其被配置为提供子弧组的序列，其中，相应子弧组包括所述至少一个弧的若干子弧，所述若干子弧沿着所述至少一个弧均匀地分布，
-处置计划生成单元，其被配置为通过在所提供的序列中针对每个子弧组顺序地确定定义所述辐射射束的性质的处置参数来生成处置计划。
通常，在确定处置参数时，即，在应用用于生成处置计划的优化算法时，相对或相邻辐射射束方向之间的剂量测定相关性能够导致针对处置参数的不同配置获得等效结果的效果。因此，所确定的处置计划可能不包括最佳的一组处置参数。此外，相对或者相邻辐射射束方向之间的剂量测定相关性还能够导致非常嘈杂的处置参数解，即，例如处置参数解中的强振荡。然而，如果辐射源沿着其在处置期间移动的弧细分成子弧并且如果这些子弧被分组使得在每个所得的子弧组中所述子弧尽可能均匀分布，则可以提供序列，其如果所述处置计划根据该序列顺序地生成，则导致相对或相邻射束方向之间的剂量测定相关性的显著降低。相对或相邻射束方向之间的剂量测定相关性的该降低导致实际上处置参数的最佳配置并且因此所述最佳处置计划被确定的增加的可能性，因为不同处置参数配置较不可能导致等效规划解。此外，相对或相邻射束方向之间的剂量测定相关性的效果的降低还导致解的噪度的降低。因此，通过根据所生成的序列针对每个子弧组顺序地确定所述处置参数，所确定的处置计划的质量可以增加。
优选地，所述序列提供单元还被配置为提供所述序列，使得指示与针对所述序列中的所有子弧组的相邻子弧组相对应的辐射射束的射束方向相似性的程度的射束方向相似性量度与针对所述子弧组的另一可能序列的所述射束方向相似性量度相比较减小。该射束方向相似性量度也可以被认为是总体射束方向相似性量度，因为其考虑序列中的所有相邻子弧组对。因此，在子弧组的所有可能序列中间，提供了射束方向相似性量度未最大化的序列。优选地，所提供的序列属于相对于具有对应于所述序列中的相邻子弧组的辐射射束的射束方向相似性的小程度的准则的子弧组的所有可能序列的最好百分之20。还优选的是，所提供的序列属于最好百分之10，并且甚至更优选的是，其属于最好百分之5。在优选实施例中，所提供的序列是射束方向相似性量度最小的序列。因此，所述序列提供单元可以被配置为提供所述序列，使得射束方向相似性量度针对所提供的序列最小化。这导致相对或相邻射束方向之间的剂量测定相关性的进一步的降低并且因此处置计划的进一步改进的质量。
所述处置计划优选地是要由辐射治疗系统使用的处置计划，所述辐射治疗系统包括：辐射源，其用于发射用于处置所述对象的辐射射束；旋转单元，如旋转机架，其用于围绕所述对象旋转所述辐射源，以便在不同方向上将所述辐射射束应用到所述对象；以及控制器，其用于根据规划的辐射治疗流程来控制所述辐射源和所述旋转单元。所述辐射源优选地包括用于根据期望对所述辐射射束进行成形的MLC。特别地，所述辐射治疗系统是VMAT系统。
所述规划系统优选地还包括约束提供单元，所述约束提供单元被配置为提供针对要生成的所述处置计划的约束，所述约束由辐射治疗系统定义，应当利用所述辐射治疗系统将所述处置计划应用到所述对象，其中，所述处置计划生成单元被配置为在考虑所提供的约束的情况下生成所述处置计划。例如，所述约束是移动所述辐射源的MLC的叶的可能最大速度、所述辐射射束的可能强度、所述MLC的叶的可能位置等等。所述处置计划生成单元优选地被配置为使得仅处置参数被允许定义所述处置计划，其根据所述辐射治疗系统的所提供的约束。这确保在没有可以减少其质量的处置计划的任何进一步的修改的情况下所生成的处置计划可以实际上应用到所述对象。
此外，优选地，所述规划系统包括期望剂量分布提供单元，所述期望剂量分布提供单元被配置为提供所述对象内的期望剂量分布，其中，所述处置计划生成单元包括要确定的所述处置参数与所述对象内的模拟剂量分布之间的关系，其中，所述处置计划生成单元被配置为确定所述处置参数，使得指示所述模拟剂量分布与所述期望剂量分布的偏差的偏差量度被最小化。这确保所生成的处置计划导致所述对象内的剂量分布，其尽可能接近于所述期望剂量分布。
所述处置计划生成单元优选地还被配置为针对每个子弧组基于针对相应子弧组确定的所述处置参数来确定相应模拟子剂量分布，并且通过将针对所述子弧组确定的所述模拟子剂量分布进行组合来确定所述模拟剂量分布。特别地，所述处置计划生成单元被配置为在确定所述处置参数并且因此确定针对相应子弧组的模拟子剂量分布时不修改针对其他子弧组确定的所述处置参数中的至少一些。此外，所述处置计划生成单元可以被配置为在确定所述处置参数并且因此确定针对相应子弧组的模拟子剂量分布时不修改针对所述其他子弧组确定的所述处置参数中的第一类，但是修改针对所述其他子弧组确定的所述处置参数中的第二类。所述辐射源优选地包括准直器，所述准直器具有用于对所述辐射射束进行准直的准直器叶，其中，在实施例中，所述处置参数的所述第一类包括所述准直器叶相对于所述辐射射束的位置，并且处置参数的所述第二类包括所述辐射射束的强度。已经发现，考虑子弧组的生成的序列的这些方式导致所生成的处置计划的进一步的经改进的质量。
优选地，所述序列提供单元被配置为提供子弧组的序列，使得每个子弧组包括奇数个子弧。这能够导致剂量测定相关性的不利效果的进一步的降低并且因此较少嘈杂的处置参数解，其继而能够导致所确定的处置计划的进一步增加的质量。
所述处置计划生成单元优选地适于迭代地确定所述处置参数，其中，在迭代步骤中，所述处置参数的确定从在先前迭代步骤中获得的处置参数开始。优选地，在迭代步骤中，确定针对所提供的序列的每个子弧组的处置参数，其中，在相同迭代步骤内，针对所述不同子弧组的处置参数根据所提供的序列顺序地确定。在实施例中，所述序列提供单元被配置为针对不同迭代步骤提供不同序列，其中，所述处置计划生成单元被配置为在相应迭代步骤中使用针对相应迭代步骤提供的序列。已经发现，通过使用这样的迭代，可以进一步改进最终生成的处置计划的质量。
在本发明的另一方面中，呈现了一种辐射治疗系统，其中，所述辐射治疗系统包括：
-辐射源，其被配置为发射用于处置对象的辐射射束，
-旋转单元，其被配置为围绕所述对象旋转所述辐射源，以便在不同方向上将所述辐射射束应用到所述对象，
-根据权利要求1所述的规划系统，其用于规划体积调制弧形辐射治疗流程，
-控制器，其用于根据所述规划的体积调制弧形辐射治疗流程来控制所述辐射源和所述旋转单元。
在本发明的另一方面中，呈现了一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划方法，其中，所述体积调制弧形辐射治疗流程包括旋转辐射源，所述辐射源被配置为沿着围绕对象的至少一个弧发射用于处置所述对象的辐射射束，以便在不同处置方向上将所述辐射射束应用到所述对象，其中，所述规划方法包括：
-由序列提供单元提供子弧组的序列，其中，相应子弧组包括所述至少一个弧的若干子弧，所述若干子弧沿着所述至少一个弧均匀地分布，
-由处置计划生成单元通过在所提供的序列中针对每个子弧组顺序地确定定义所述辐射射束的性质的处置参数来生成处置计划。
在本发明的另一方面中，呈现了一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码模块，用于当所述计算机程序在控制根据权利要求1所述的规划系统的计算机上运行时使所述规划系统执行根据权利要求13所述的规划方法的步骤。
应当理解，根据权利要求1所述的规划系统、根据权利要求12所述的辐射治疗系统、根据权利要求13所述的规划方法和根据权利要求14所述的规划计算机程序具有相似和/或相同的优选实施例，尤其是如在从属权利要求中定义的。
应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求或以上实施例与相应的独立权利要求的任何组合。
本发明的这些和其他方面将参考在下文中所描述的实施例而显而易见并且得到阐述。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性并且示范性地示出了辐射治疗系统的实施例；
图2示意性并且示范性地示出了用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统的实施例；
图3示意性并且示范性地图示了不同子弧组的子弧；并且
图4示出了示范性地图示用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性并且示范性地示出了作为VMAT系统的辐射治疗系统的实施例。VMAT系统1包括辐射源2，其被配置为发射用于处置对象4的辐射射束3。在该实施例中，对象4是躺在如患者台的支撑模块30上的人类患者。在另一实施例中，对象也可以是动物。辐射源2被附接到机架5，其被配置为在由箭头17指示的方向上围绕对象4旋转辐射源2，以便在不同方向上将辐射射束3应用到对象4。此外，辐射源2包括用于对辐射射束3进行成形的MLC。VMAT系统1还包括控制系统6，控制系统6具有用于规划要由VMAT系统1执行的辐射治疗流程的规划系统7和用于根据规划的辐射治疗流程至少控制辐射源2和机架5的控制器8。控制器8还可以适于控制如支撑模块30的VMAT系统1的另外的部分。在图2中示意性并且示范性地图示了规划系统7。
规划系统7包括序列提供单元11，序列提供单元11被配置为提供子弧组的序列，其中，相应子弧组包括弧的若干子弧，沿着其，辐射源2相对于对象4移动。子弧组形成，使得在每个子弧组中，子弧尽可能均匀在角度上分布。在以下中，这将参考图3来解释。
在图3中，假定360度的弧，其中，该弧细分成12度的子弧，并且其中，每个子弧由两个圆形之间的相应线表示，其中，每条线表示相应子弧的中央辐射射束。在该范例中，所得的30个子弧被分组为10个组，其中，每个组包含三个子弧。在图3中，属于相同子弧组的子弧由相同种类的线型指示。如在图3中可以看到的，相同组的子弧尽可能均匀在角度上分布，即，相同组的相邻子弧之间的角距离是常量。例如，子弧20属于相同子弧组，并且在该子弧组的两个相邻子弧20之间，角距离是120度。相同子弧组内的子弧的该分布导致在每个子弧组中子弧彼此既不相邻也不相对的效果。
序列提供单元11还被配置为提供子弧组的序列，使得子弧组以特定方式排序，即，使得指示对应于序列中的相邻子弧组的辐射射束的射束方向相似性的程度的射束方向相似性量度被最小化。例如，为了从任意子弧组开始对子弧组进行排序，序列中的下一子弧组可以被确定为旋转40度的具有相对于先前子弧组的最小“平均最小角距离”的子弧组，其中，“平均最小角距离”可以通过以下等式定义：
其中，I和J指示两个子弧组，针对其，“平均最小距离”应当被确定，并且其中，d360(i,j)是子弧组I的第i个子弧的相应中央辐射射束与子弧组J的第j个子弧之间的角。关于该角，定义如下：
0≤d360(i,j)<180
40度的选择是产生不贪婪的方案的合适的近似，但是给定所有连续对的最大值上的好的控制。
因此，在实施例中，序列提供单元11被配置为从任意子弧组开始并且然后将该任意子弧组旋转40度。然后，从剩余的子弧组，即，从不包括任意子弧组的所有子弧组，选择具有到旋转的任意子弧组的最小平均最小距离的子弧组。任意子弧组是序列中的第一子弧组，并且具有到旋转的第一子弧组的最小平均最小距离的子弧组是序列中的第二子弧组。然后，第二子弧组被旋转40度并且在剩余的子弧组中间，即，在不包括第一子弧组和第二子弧组的所有子弧组中间，确定具有到旋转的第二子弧组的最小平均最小距离的子弧组。具有到旋转的第二子弧组的最小平均最小距离的该子弧组是序列中的第三子弧组。重复该流程，直到所有子弧组在序列中排序。已经发现，如果以这种方式生成序列，则序列中的后续子弧组之间的平均最小距离具有相对小的变化，即例如，最小平均最小距离与最大平均最小距离之间的差是相对小的。在这个意义上，生成序列的建议方式提供序列中的子弧组的所有连续对的最大平均最小距离上的好的控制。序列提供单元11因此还优选地被配置为提供子弧组的序列，使得序列中的后续子弧组的平均最小距离的变化减少，即，例如，小于针对一个或多个其他可能序列。在实施例中，序列提供单元11被配置为使得该变化小于预定义变化阈值和/或最小化。
代替于40度的旋转角，320度(即，负40度)的旋转角也等效导致好的结果。尽管40度的旋转角和负40度或320度的旋转角是优选的，但是在另一实施例中，也可以使用另一旋转角。
针对序列中的相邻子弧组的所有对所确定的平均最小距离之和或另一组合可以被认为是针对序列的射束方向相似性量度，其中，由于40度的旋转，因此可以确保该射束方向相似性(其也可以被认为是总体射束方向相似性)是相对低的。
规划系统7还包括处置计划生成单元14，计划生成单元14被配置为通过在所生成的序列中针对每个子弧组顺序地确定处置参数来生成处置计划，所述处置参数定义辐射射束3的性质。规划系统7还包括约束提供单元12，约束提供单元12被配置为向要生成的处置计划提供约束，其由辐射治疗系统1定义，利用所述辐射治疗系统，处置计划应当应用到对象4，其中，处置计划生成单元14被配置为在考虑所提供的约束的情况下生成处置计划。此外，规划系统7包括期望剂量分布提供单元13，期望剂量分布提供单元13被配置为提供对象4内的期望剂量分布，其中，处置计划生成单元14包括要确定的处置参数与对象4内的模拟剂量分布之间的关系，并且其中，处置计划生成单元14被配置为确定处置参数，使得指示模拟剂量分布与期望剂量分布的偏差的偏差量度最小化。期望剂量分布优选地相对于示出如要处置的对象内的肿瘤的靶区域和至少靶区域的周围的规划图像来定义，其中，一个或若干危及器官可能存在。
期望剂量分布可以定义例如肿瘤区域应当接收某个均匀靶剂量。对应的偏差量度可以定义如下：
其中，v指示肿瘤区域T的体素化表示的体素，wυ指示可能是例如体素的相对体积的体素特异性权重，即，属于肿瘤的体素的体积分数，
指示相应体素中的期望靶剂量，并且
指示相应体素中的模拟剂量。期望剂量分布还可以定义在附近的危险区域中，剂量不应当超过预定义最大值。对应的偏差量度可以定义如下：
其中，R指代体素化危险区域，并且H是可以被定义如下的亥维赛函数：
这些偏差量度也可以通过使用例如负亥维赛函数来一般化。将这些偏差量度限于例如肿瘤和/或风险区域的子区域也是可能的。
在该实施例中，处置计划生成单元14还被配置为针对每个子弧组基于针对相应子弧组确定的处置参数来确定相应模拟子剂量分布，并且通过组合针对子弧组确定的模拟子剂量分布来确定模拟剂量分布。该组合优选地是模拟子剂量分布的加和。
处置计划生成单元14还被配置为在确定处置参数并且因此针对相应子弧组的模拟子剂量分布时不修改针对其他子弧组确定的处置参数中的至少一些。例如，处置计划生成单元14可以被配置为在确定处置参数并且因此针对相应子弧组的模拟子剂量分布时，不修改针对其他子弧组确定的处置参数中的第一类，但是修改针对其他子弧组确定的处置参数中的第二类。在该实施例中，处置参数中的第一类是几何结构相关参数，如MLC的准直器叶相对于辐射射束3的位置，并且处置参数中的第二类包括辐射射束3的强度和/或机架5的旋转速度，其中，这些处置参数可以被认为是体重相关处置参数。
此外，处置计划生成单元14适于迭代地确定处置参数，其中，在迭代步骤中，对处置参数的确定从在先前迭代步骤中获得的处置参数开始。优选地，在迭代步骤中，确定针对所提供的序列的每个子弧组的处置参数，其中，在相同迭代步骤内，针对不同子弧组的处置参数根据所提供的序列顺序地确定。因此，在迭代之后，已经更新针对所有子弧组的所有处置参数。此外，序列提供单元11可以被配置为针对不同迭代步骤提供不同序列，其中，处置计划生成单元14可以被配置为在相应迭代步骤中使用针对相应迭代步骤提供的序列。
在以下中，将参考图4所示的流程图示范性地描述用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划方法的实施例。
在步骤101中，子弧组的序列由序列提供单元11提供，其中，相应子弧组包括弧的若干子弧，其沿着弧在角度上均匀分布，并且子弧组被排序，使得指示对应于序列中的相邻子弧组的辐射射束的射束方向相似性的程度的射束方向相似性量度最小化。
在步骤102中，约束提供单元12提供针对要生成的处置计划的约束，其由辐射治疗系统1定义，利用所述辐射治疗系统，处置计划应当应用到对象4，并且在步骤103中，期望剂量分布提供单元13提供对象4内的期望剂量分布。
在步骤104中，处置计划生成单元14通过在所生成的序列中针对每个子弧组顺序地确定处置参数来生成处置计划，所述处置参数定义辐射射束3的其性质，其中，处置参数被确定为使得指示模拟剂量分布与期望剂量分布的偏差的偏差量度最小化。此外，处置计划生成单元14考虑在处置参数的确定期间的所提供的约束，使得所确定的处置参数根据约束。所生成的处置计划然后可以提供给辐射治疗系统1的控制器8，其根据所生成的处置计划来控制辐射治疗系统1。
步骤101到103的顺序也可以是不同的。例如，步骤103可以在步骤101和102之前执行。此外，在步骤104中，处置计划优选地迭代地生成，其中，在每个迭代步骤中，子弧组的相同序列或者子弧组的不同序列可以使用在不同迭代步骤中。
在处置计划的生成期间优化(即，确定)的处置参数优选地包括辐射射束的强度和用于对辐射射束3进行成形的辐射源的MLC的叶的位置。另外的处置参数可以是例如机架5的旋转速度和/或辐射射束3的能量。处置参数可以在辐射射束3连续地辐照对象4时动态调制。
辐射源2沿着其围绕对象4旋转的轨迹被称为“弧”，其中，在沿着弧的该移动期间，包括MLC的辐射源将根据所确定的处置参数来控制，其中，根据处置参数的该控制能够导致例如快速连续的辐射源2的配置的改变，其中，处置参数并且因此配置中的可能的改变针对沿着弧的若干位置来确定，其可以被称为“控制点”。相应地，规划系统7，尤其是处置计划生成单元14，优选地被配置为确定针对沿着弧的每个控制点的处置参数。
规划系统7可以被配置为提供例如图形用户接口，其允许用户经由如键盘、计算机鼠标、触摸板等的输入单元15以及显示器16定义一个或若干弧，即，辐射源2沿着其围绕对象4连续地旋转的一个或若干轨迹，其中，每个弧由离散的一组控制点描述。处置参数针对这些控制点确定，而针对控制点之间的转换，处置参数可以通过使用分段线性或分段常量模型来建模。
针对不同控制点的处置参数的确定是通过使用优化算法解决的逆问题，所述优化算法试图确定针对不同控制点的处置参数，使得所得的模拟剂量分布尽可能好地匹配期望剂量分布。为了确定处置参数，可以使用已知的优化算法，如在WO 2016/046683A2中公开的优化算法，通过引用将其并入本文。特别地，处置参数可以如结合“预测器-校正器”优化器所描述被确定，所述优化器根据预测剂量生成MLC叶位置，该预测剂量继而通过根据一组控制点对当前近似剂量的优化来获得。而且，其他已知优化算法可以被用于确定处置参数。
期望剂量分布可以简单地是例如仅如肿瘤的靶应当接收治疗剂量，即，大于预定义剂量阈值的剂量。与该期望剂量分布的对应的偏差可以由所谓的“一致性指数”定义。期望剂量分布还可以定义例如应当由靶的第一百分比接收的第一剂量和应当由靶的第二百分比接收的第二剂量，其中，该期望剂量分布可以由均匀性指数定义，其中，处置参数可以优化，使得实现期望均匀性指数。
所生成的处置计划是VMAT处置计划。由于辐射射束被使用在连续辐照模式中，因此VMAT处置计划具有其相对快速递送的优点。VMAT处置计划还能够导致与期望剂量分布非常高的一致性，特别地与步进-发射处置计划相比较，因为射束能量跨更大的角范围模糊。出于该原因，相应弧可以是相对长的，即，例如大于180度，并且可以甚至是360度。
可以在辐射递送期间调制的处置参数可以包括，如上文所提到的，MLC的叶位置、剂量率(即，辐射射束的强度)、机架速度、辐射射束的能量等等。处置参数还可以包括辐射源2的口的位置。特别地，辐射源2包括用于生成初始辐射射束(即，用于在准直之前生成辐射射束)的线性加速器，其中，除MLC之外，辐射源2包括包含若干口的另外的准直系统，其中，每个口可以阻挡初始辐射射束的一侧。每个口可以移进或移出，以便阻挡辐射射束的相应侧的较大或较小部分。优选地，辐射源2具有用于阻挡左边、右边、顶部和底部的辐射射束3的部分的四个口。以这种方式，可以划定辐射射束3的“场”。该场然后进一步利用MLC的叶的更复杂的结构准直。
由于相对射束方向的剂量测定效果是强相关的，因此相对长VMAT弧的使用将几何复杂性添加到处置参数的确定。在这样的情况下，在不同处置参数配置能够导致等效结果的情况下，数学优化算法(即，处置参数的确定)的性能通常受损失。这样的行为能够具有数学优化缺乏处置参数的实际最佳配置的负面副作用。另一典型的不利行为在于，优化算法朝向非常嘈杂(即，例如，具有强振荡)的状态迭代。这样的行为是已知规划方案中的相对或相邻射束方向之间的强剂量测定相关性的结果。这些不利效果被克服或者至少通过根据所提供的序列确定针对每个子弧组的处置参数来减少，如上文所解释的并且如其还将在以下中进一步解释的。
根据所提供的序列顺序地针对每个子弧组的处置参数的确定可以被认为是控制点的顺序子集优化策略，其防止来自例如相对射束方向的几何不稳定性并且其通过限制自由参数的数量使优化算法的性能稳定。特别地，一个或若干VMAT弧可以由例如用户定义，其中，每个VMAT弧细分成多个子弧。这些子弧的长度可以是例如12度、20度或52度，其中，因此选择这些子弧的数目，并且其中，如果弧的总长度不与细分匹配，最后的子弧被调节到弧的总长度。子弧的集合被重新布置为例如3、5、7或9个子弧的子弧组，其中，相同子弧组的子弧沿着相应VMAT弧尽可能均匀在角度上分布。特别地，每个子弧组内的这些子弧的中心尽可能均匀地间隔。子弧组的所得集合最终排序，使得避免用于连续子弧组的强相关性。因此，子弧组被排序，使得指示对应于序列中的相邻子弧组的辐射射束的射束方向相似性的程度的射束方向相似性量度最小化。例如，每对子弧组可以针对相关性来评估，其中，该背景下的相关性特征在于射束方向的相似性。射束方向的相似性可以例如通过射束方向之间的平面角来测量。子弧组的排序可以基于该相似性量度来实现，其中，从任意子弧组开始，下一个可以选自剩余的子弧组作为具有相对于上文所描述的相关性的最大值的一个。
针对处置计划的优化，即，针对处置参数的确定，处置计划生成单元14根据所提供的约束并且优选地在考虑其他子弧组的固定剂量测定贡献的情况下顺序地优化每个子弧组，所述固定剂量测定贡献基于其当前处置参数(即，基于在迭代优化流程期间针对其他子弧组确定的处置参数)来生成。例如并且如上文所提到的，所提供的约束定义MLC的叶的最大速度。作为处置参数的确定，即，优化过程，旨在确定例如叶位置的最佳连续性作为控制点处的处置参数，优化必须考虑MLC的叶的移动的速度限制，以便产生叶位置的可实现的连续性。在实施例中，另一约束在于，相邻叶对的相对叶不被允许移动经过彼此(即，相互交错)，以便避免针对MLC的危险。
在实施例中，相应侧的MLC的叶联合安装在托架上，即，第一组叶在一侧被安装到第一托架，并且第二组叶在第二相对侧被安装在第二托架上。每个叶相对于相应托架是独立可移动的，并且托架也是可移动的。因此，相应叶的位置可以由相应叶相对于相应托架的位置并且由相应托架的位置定义。因此，约束可以被提供用于相应托架的位置并且用于相应叶相对于相应托架的位置。约束还可以相对于相应托架的速度和相应叶相对于相应托架的移动的速度来提供。
处置计划生成单元14可以适于从初始处置参数(即，从初始处置计划)开始针对沿着相应弧的不同控制点的处置参数的迭代确定，其中，该初始处置计划在规划流程期间迭代地优化。初始处置计划可以是具有用于处置参数的任意默认值的任意处置计划，但是初始处置计划也可以是“好的猜想”。例如，靶区域可以由示出例如肿瘤的规划图像来定义，其中，针对每个控制点，叶可以初始定位，使得其符合在由相应控制点定义的相应辐射方向上的靶区域的轮廓。初始处置计划还可以定义叶的初始位置，使得其符合相应控制点处的靶区域的矩形近似。还可以从涉及例如VMAT的背景下的“定序算法”或“转换算法”的科学文献中取得“好的猜想”。初始处置计划还可以由如医师的用户提供。
优选地，相同子弧组的子弧的数目是奇数，以便确保相对射束方向不定位于相同子弧组中。此外，相应子弧的长度、每子弧组的子弧的数目和子弧组的数目优选地选择使得这些值的积等于例如360度的弧。基于这些值，可以确定并且提供子弧组的非常平衡序列，其继而能够导致高质量处置计划。
在实际优化算法开始之前，针对每个子弧，可以选择代表性射束方向，其优选地对应于相应子弧的中心。此外，可以计算所谓的“优化数据”，其可能稍后被用于实际优化算法，即，用于导出改进模拟剂量分布使得其更好地对应于期望剂量分布的更新。优化数据描述了来自针对控制点的叶位置周围的小区的模拟剂量。针对关于优化数据的更多细节和其针对优化的使用，参考上文所提到的专利文档WO 2016/046683A2，特别地本专利文档中描述的预测步骤，其等效地描述可以如何使用优化数据。这通过引用并入本文。
相应子弧内的所有控制点可以相对于子弧的代表性射束方向来识别。
处置计划生成单元14优选地适于从如上文所提到的作为“好的猜想”的初始处置计划开始，其中，处置计划定义用于不同控制点的处置参数。这些初始处置参数由处置计划生成单元优化，其中，处置参数的该优化根据所提供的序列针对每个子弧组顺序地执行。特别地，处置计划生成单元针对每个子弧组计算子剂量分布并且因此针对相应控制点的对应的处置参数。针对相应子弧组执行的优化基于上文所提到的偏差量度，其继而取决于模拟剂量分布与期望剂量分布之间的偏差。期望剂量分布是当最后确定的处置计划针对所有控制点被执行时应当获得的剂量分布。用于特定子弧组的处置参数的优化的模拟剂量分布可以被认为是包括在特定子弧组的优化期间由处置计划生成单元修改的特定子弧组的模拟子剂量分布和由所有其他子弧组引起的模拟剂量分布。如果处置参数并且因此针对特定子弧组的模拟子剂量分布被优化，则后者模拟剂量分布优选地是固定的。然而，如上文所提到的，还可能的是，处置参数中的仅第一类针对其他子弧组的模拟剂量分布固定，并且处置参数中的第二类未固定。处置计划生成优选地迭代地执行，如上文所提到的，其中，在单个迭代步骤中，所有子弧组顺序地优化，即，相应处置参数根据所提供的序列被优化。
在针对相应子弧组的控制点的处置参数并且因此对应的模拟剂量贡献已经更新之后，该更新流程随着下一子弧组继续。在实施例中，并非针对其他子弧组的所有处置参数是固定的，但是针对相应子弧组的处置参数的更新也能够导致其他子弧组的处置参数的改变。因此，处置参数中的第一类能够针对其他子弧组是固定的，并且处置参数中的另一第二类能够不是固定的，其中，处置参数中的该第二类包括例如辐射射束的强度。改变辐射射束的强度可以被认为是控制点(即，优化)的加权。针对子弧组的更新的确定可以因此允许所有子弧的所有控制点的权重的调节。
整个流程可以利用相同或不同的设计参数(即，利用子弧组的相同或不同序列)迭代，直到获得足够的计划质量，即，直到模拟总体剂量分布与所确定的总体剂量分布之间的偏差已经最小化并且低于预定义偏差阈值。因此，在迭代步骤中，可以更新针对所有子弧组的处置参数，其中，该更新在相同迭代步骤中针对不同子弧组顺序地执行，其中，在继续下一迭代步骤之前，设计参数可以保持或者可以修改。
如果处置参数要针对若干弧确定，则子弧组的序列的生成可以同时考虑所有弧，即，所有弧可以细分成子弧，子弧可以重新布置为组，使得在每个子弧组中，子弧独立于相应子弧属于哪个在角度上均匀分布，并且最终所生成的子弧组可以排序用于生成最终序列。作为结果，任何子弧组可以包括来自不同初始弧的元素。
如上文所解释的，非优化控制点(即，当前未更新的子弧组的控制点)可以仅相对于处置参数中的第一类固定，其可以被定义为如MLC的叶位置和口位置的束几何结构相关处置参数，而处置参数中的第二类(其可以被定义为如辐射射束的强度或机架速度的权重相关参数)被允许在针对所有控制点(即，还针对当前未更新的子弧组的控制点)的给定约束内自由改变。
尽管在上文所描述的实施例中规划系统适于规划VMAT流程并且辐射治疗系统是VMAT系统，其涉及沿着一个或若干平面弧的辐射的连续递送，其中，每个平面弧覆盖360度或更少，规划系统还可以被用于规划要由用于处置对象的另一VMAT系统执行的体积调制弧形辐射治疗。例如，代替于仅平面轨迹，可以仅考虑三维空间中的球体上的任意轨迹。在这种情况下，代替于平面角，球体上的空间角将被使用。例如，在实施例中，在辐射源围绕对象旋转时，对象可以移动，即，患者台可以移动，其中，该移动可以是例如患者台的倾斜或者移位。在这种情况下，辐射源沿着其相对于对象移动的轨迹是非平面的。然而，而且在这种情况下，弧呈现为被定义为辐射源沿着其相对于对象移动的轨迹，并且该弧也可以细分成子弧。而且在这种情况下，序列提供单元被配置为提供子弧组的序列，其中，相应子弧组包括弧的若干子弧，其沿着弧在角度上均匀分布。在这种情况下，该角度可以由弧上的相应位置定义。因此，沿着弧的在角度上均匀分布也可以被认为是相应子弧组的子弧沿着弧均匀地(即，均质地)分布的分布。在任何情况下，即，在平面情况下和在非平面情况下，优选地相应子弧组的子弧的位置沿着弧均匀地(即，均质地)分布。
通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践所请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以履行权利要求中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
还可以通过任何其他数目的单元或设备执行由一个或若干单元或设备所执行的流程，如序列的提供、处置计划的确定等等。这些流程和/或根据规划方法的规划系统的控制可以被实施为计算机程序的程序代码模块和/或专用硬件。
计算机程序可以被存储/被分布在适合的介质上，诸如与其他硬件一起或作为其部分提供的光学存储介质或固态介质上，但是计算机程序也可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统分布。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。
本发明涉及用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统，其中，辐射治疗流程包括旋转辐射源，所述辐射源被配置为沿着围绕对象的弧发射用于处置对象的辐射射束，以便在不同处置方向上将辐射射束应用到对象。子弧组的序列被提供，其中，相应子弧组包括弧的若干子弧，其沿着弧均匀分布，其中，处置计划通过在所提供的序列中针对每个子弧组顺序地确定处置参数来生成，所述处置参数定义辐射射束的性质。通过使用该序列确定处置参数导致实际上最佳处置计划被生成的增加的可能性。
Claims (15)
1.一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划系统，其中，所述体积调制弧形辐射治疗流程包括旋转辐射源(2)，所述辐射源被配置为沿着围绕对象(4)的至少一个弧发射用于处置所述对象(4)的辐射射束(3)，以便在不同处置方向上将所述辐射射束(3)应用到所述对象(4)，其中，所述规划系统(7)包括：
-序列提供单元(11)，其被配置为提供子弧组的序列，其中，相应子弧组包括所述至少一个弧的若干子弧，所述若干子弧沿着所述至少一个弧均匀地分布，
-处置计划生成单元(14)，其被配置为通过在所提供的序列中针对每个子弧组顺序地确定定义所述辐射射束(3)的性质的处置参数来生成处置计划。
2.根据权利要求1所述的规划系统，其中，所述序列提供单元(11)还被配置为提供所述序列，使得指示与针对所述序列中的所有子弧组的相邻子弧组相对应的辐射射束的射束方向相似性的程度的射束方向相似性量度与针对所述子弧组的另一可能序列的所述射束方向相似性量度相比较减小。
3.根据权利要求1所述的规划系统，其中，所述规划系统(7)优选地还包括约束提供单元(12)，所述约束提供单元被配置为提供针对要生成的所述处置计划的约束，所述约束由辐射治疗系统(1)定义，应当利用所述辐射治疗系统将所述处置计划应用到所述对象(4)，其中，所述处置计划生成单元(14)被配置为在考虑所提供的约束的情况下生成所述处置计划。
4.根据权利要求1所述的规划系统，其中，所述规划系统(7)还包括期望剂量分布提供单元(13)，所述期望剂量分布提供单元被配置为提供所述对象(4)内的期望剂量分布，其中，所述处置计划生成单元(14)包括要确定的所述处置参数与所述对象(4)内的模拟剂量分布之间的关系，其中，所述处置计划生成单元(14)被配置为确定所述处置参数，使得指示所述模拟剂量分布与所述期望剂量分布的偏差的偏差量度被最小化。
5.根据权利要求4所述的规划系统，其中，所述处置计划生成单元(14)被配置为针对每个子弧组基于针对相应子弧组确定的所述处置参数来确定相应模拟子剂量分布，并且通过将针对所述子弧组确定的所述模拟子剂量分布进行组合来确定所述模拟剂量分布。
6.根据权利要求5所述的规划系统，其中，所述处置计划生成单元(14)被配置为在确定所述处置参数并且因此确定针对相应子弧组的模拟子剂量分布时不修改针对其他子弧组确定的所述处置参数中的至少一些。
7.根据权利要求6所述的规划系统，其中，所述处置计划生成单元(14)被配置为在确定所述处置参数并且因此确定针对相应子弧组的模拟子剂量分布时不修改针对所述其他子弧组确定的所述处置参数中的第一类，但是修改针对所述其他子弧组确定的所述处置参数中的第二类。
8.根据权利要求7所述的规划系统(7)，其中，所述辐射源(2)包括准直器，所述准直器具有用于对所述辐射射束(3)进行准直的准直器叶，其中，所述处置参数的所述第一类包括所述准直器叶相对于所述辐射射束(3)的位置，并且处置参数的所述第二类包括所述辐射射束(3)的强度。
9.根据权利要求1所述的规划系统，其中，所述序列提供单元(11)被配置为提供所述子弧组的序列，使得每个子弧组包括奇数个子弧。
10.根据权利要求1所述的规划系统，其中，所述至少一个弧大于180度。
11.根据权利要求1所述的规划系统，其中，所述处置计划生成单元(14)适于迭代地确定所述处置参数，其中，在迭代步骤中，对所述处置参数的所述确定利用在先前迭代步骤中获得的所述处置参数开始。
12.根据权利要求11所述的规划系统，其中，所述序列提供单元(11)被配置为针对不同迭代步骤提供不同序列，其中，所述处置计划生成单元(14)被配置为在相应迭代步骤中使用针对所述相应迭代步骤提供的所述序列。
13.一种辐射治疗系统，包括：
-辐射源(2)，其被配置为发射用于处置对象(4)的辐射射束(3)，
-旋转单元(5)，其被配置为围绕所述对象(4)旋转所述辐射源(2)，以便在不同方向上将所述辐射射束(3)应用到所述对象(4)，
-根据权利要求1所述的规划系统(7)，其用于规划体积调制弧形辐射治疗流程，
-控制器(8)，其用于根据所规划的体积调制弧形辐射治疗流程来控制所述辐射源(2)和所述旋转单元(5)。
14.一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划方法，其中，所述体积调制弧形辐射治疗流程包括旋转辐射源(2)，所述辐射源被配置为沿着围绕对象(4)的至少一个弧发射用于处置所述对象(4)的辐射射束(3)，以便在不同处置方向上将所述辐射射束(3)应用到所述对象(4)，其中，所述规划方法包括：
-由序列提供单元(11)提供子弧组的序列，其中，相应子弧组包括所述至少一个弧的若干子弧，所述若干子弧沿着所述至少一个弧均匀地分布，
-由处置计划生成单元(14)通过在所提供的序列中针对每个子弧组顺序地确定定义所述辐射射束(3)的性质的处置参数来生成处置计划。
15.一种用于规划体积调制弧形辐射治疗流程的规划计算机程序，所述计算机程序包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当所述计算机程序在控制根据权利要求1所述的规划系统的计算机上运行时使所述规划系统执行根据权利要求14所述的规划方法的步骤。
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