CN112041027A - 用于自适应放射疗法的体模 - Google Patents

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Abstract

可变形的放射疗法体模可以基于患者的医学图像使用增材制造工艺来产生。可变形的体模可以包括用于测量辐射剂量分布的剂量计。智能材料可以允许响应于所施加的刺激的变形。除其他事项外，体模可以用于验证辐射剂量扭曲、放射疗法治疗计划，确定患者的最大可接受的变形，验证剂量扭曲和可变形的图像配准的累积精度等。

Description

用于自适应放射疗法的体模
优先权声明
本申请要求2018年4月30日提交的美国申请序列号15/966,830的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开内容一般性涉及放射疗法。更具体地但非限制性地，本公开内容涉及使用体模以用于放射疗法中的质量保证测试。
背景技术
辐射疗法，也称为放射疗法，用于治疗哺乳动物(例如，人和动物)组织中的肿瘤和其他疾病。在放射疗法治疗疗次(session)中，从外部源朝向患者施加高能束，以产生定向至患者的靶部位的准直辐射束。靶可以是患者的身体中包含要暴露于辐射束并由辐射束治疗的患病器官或肿瘤的区域。必须准确地控制辐射束的布置和剂量，以确保靶接收到由医师为患者规定的辐射剂量。束的布置应当使得其对周围的健康组织——通常称为处于危险中的器官(OAR)——的损害最小化。
改善束布置的准确性的一种方法是通过获取处于预期治疗位置的患者的一个或更多个医学图像。这样的图像被称为计划图像。在放射疗法疗次之前获取计划图像，并且通常在治疗疗次很多天之前获取计划图像。
医师可以使用计划图像来识别和描绘靶以及OAR的轮廓。描绘轮廓可以被手动地、半自动地或自动地执行。创建治疗轮廓，治疗轮廓通常称为计划靶体积(PTV)，其包括靶轮廓加上将微观病变以及治疗的不确定性考虑在内的足够的边缘。由医师规定辐射剂量，并且创建放射疗法治疗计划，该放射疗法治疗计划将规定的剂量最佳地传送到PTV，同时使对OAR和其他正常组织的剂量最小化。治疗计划可以由医师手动地生成，或者可以使用优化技术自动地生成。优化技术可以基于临床和剂量测定指标以及约束条件(例如，对肿瘤和OAR的最大、最小和平均辐射剂量)。
开发疗程以将规定的剂量通过多个分次(fraction)来传送，其中每个分次在不同的治疗疗次中传送。例如，30至40个分次是典型的，但是可以使用五个甚至一个分次。这些分次通常在每周工作日被传送一次或者在某些情况下两次。在某些情况下，辐射治疗计划可以在整个疗程中改变，以在某些区域中集中更多的剂量。
在每个分次中，患者被安排在放射疗法装置的患者支承附件(通常称为“治疗床”)上并且被重新定位为尽可能地接近计划图像中患者的位置。因为患者不是刚性物体并且患者的解剖结构可以移动，所以在实践中这是一项要准确地执行的困难任务。分次到分次的运动通常被称为分次间运动，而分次本身期间发生的运动通常被称为分次内运动。
图像引导放射疗法(IGRT)试图解决分次间运动的问题。IGRT包括在放射疗法前不久获取一个或更多个患者的医学图像(通常称为“每日图像”)，并使用这些图像来识别和补偿分次间运动。与可以在任何诊断扫描仪上获取的计划图像相对，IGRT图像是在患者处于治疗位置的情况下在治疗室中直接获取的。为了补偿分次间运动，将IGRT图像与计划图像进行比较，以量化自计划图像生成以来患者的解剖结构上发生的变化。例如，可以分析计划图像和IGRT图像，以计算将计划图像映射到IGRT图像的整体移位和/或旋转。一旦已经计算出移位和/或旋转，可以对患者支承附件的位置进行相应的调整，使得患者在治疗疗次期间的位置与获取计划图像时患者的位置更接近地匹配。
自适应放射疗法是旨在解决分次间运动的问题的另一种技术。与IGRT一样，自适应放射疗法包括在放射疗法治疗疗次前不久获取一个或更多个患者的医学图像，并使用这些图像来识别和补偿分次间运动。在自适应放射疗法中，可以分析计划图像和在治疗疗次前不久拍摄的图像，以生成变形矢量场(DVF)。DVF是矩阵，其元素是矢量，并且在该矩阵中，每个矢量限定将计划图像中的体素映射到治疗疗次前不久拍摄的图像中的相应体素的几何变换。DVF可以用于变换由治疗计划规定的辐射剂量的空间分布，以便补偿自获取计划图像以来已经发生的患者的解剖结构上的变化。
以这种方式变换剂量分布可能导致靶接收少于规定剂量的药物和/或OAR暴露于比医师预期更高的辐射水平。因此，需要验证变换的剂量分布在临床上是有效和安全的。
发明内容
可变形的放射疗法体模可以基于患者的医学图像使用增材制造工艺来产生。可变形的体模可以包括用于测量辐射剂量分布的剂量计。智能材料可以允许响应于所施加的刺激的变形。特别地，体模可以用于验证辐射剂量扭曲、放射疗法治疗计划，确定患者的最大可接受的变形，验证剂量扭曲和可变形图像配准的累积精度等。
本公开内容的另外的优点将在下面的详细描述中部分地阐述，并且部分地从该描述中将是明显的，或者可以通过本公开内容的实践而获知。
应当理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。
附图说明
构成本说明书的一部分的附图示出了一些实施方式，并且与说明书一起用于解释所公开的原理。
图1A、图1B和图1C分别是患者的关注区域的平面视图、前视图和侧视图。
图2A是用于模拟图1A至图1C中所示的关注区域的体模的透视图。
图2B是示出剂量计在图2A的体模内的布置的示意图。
图3示出了可以使用体模的验证或质量保证测试方法的示例。
图4示出了验证剂量映射算法的方法的示例。
图5示出了另一验证方法的示例。
图6示出了装置或机器的实施方式的框图，在该装置或机器上可以实现本文所讨论的一种或更多种方法，诸如用于验证诸如本文所述的剂量扭曲、可变形的图像配准等。
图7示出了放射疗法系统的示例。
图8示出了放射疗法系统的示例，该放射疗法系统可以包括被配置成提供疗法束的放射疗法输出。
具体实施方式
参照附图描述示例性实施方式。在图中，附图标记的最左边的一个或多个数字表示附图标记第一次出现在其中的图。在方便的地方，在所有附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。尽管本文描述了所公开的原理的示例和特征，但是在不偏离所公开的实施方式的精神和范围的情况下，修改、改编以及其他实现是可能的。此外，词语“包含”、“具有”、“含有”和“包括”以及其他类似的形式意指在含义上是等同的并且是开放式的，因为这些词语中的任何一个之后的一个项或多个项并不意味着是这样的项或多个项的完整的列表，或者并不意味着仅限于所列出的一个或多个项。还应该注意的是，如本文和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。
示例性实施方式一般性涉及使用体模以用于自适应放射疗法中的质量保证。如以下更详细地解释的，使用患者的医学图像来制造体模，因此导致体模接近地反映了要通过放射疗法来治疗的特定患者的解剖结构。可以在体模内设置多个剂量计，从而允许在体模的内部体积内的多个点处测量辐射剂量，这转而使得能够预测患者将接收的剂量的空间分布。在一些实施方式中，体模是可变形的，以便使得能够模拟患者运动对剂量分布的影响。可以制造多个这样的体模，每个体模使用患者的不同医学图像来制造。可以比较每个体模所接收到的剂量分布，以便验证例如用于自适应放射疗法的治疗计划或可变形图像配准算法，该可变形图像配准算法用于生成用于自适应放射疗法的变形矢量场。
在放射疗法领域中，“体模”是用作患者身体或患者身体的一部分的替代物的物体。体模通常用于测试放射疗法治疗计划。例如，可以根据治疗计划向体模施加辐射束，并且可以通过与束相对定位的检测器来测量穿过体模的辐射。可以根据检测器测量值推断由体模接收的辐射剂量。可以通过将规定的剂量(也就是治疗计划想要传送的剂量)与体模实际接受的剂量进行比较来确定治疗计划的临床疗效和安全性。因此，体模允许在不使患者暴露于辐射的情况下测试治疗计划。
现在将参照图1和图2描述根据本公开内容的体模。图1A、图1B和图1C是在三个相互正交的方向上描绘的患者的关注区域100的示意图。更具体地，图1A是关注区域100的平面视图，图1B是关注区域100的前视图，而图1C是关注区域100的侧视图。关注区域100包括处于危险中的器官(OAR)104和靶104。将理解的是，图1是关注区域的非常简化的表示，并且旨在仅用于解释的目的。实际上，OAR 102和靶104可以具有高度不规则的形状。此外，实际上，关注区域100可以具有多个OAR、其他非靶区域和/或多个靶。
根据本公开内容，使用患者的医学图像来制造关注区域100的体模。医学图像是三维图像(也称为体积图像)，该三维图像由多个称为体素的元素组成。每个体素代表图像在三维空间中特定点处的强度。可以使用任何合适的成像方式来获取医学图像，诸如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、超声或单光子发射计算机断层扫描(SPECT)。可替选地，可以通过融合使用两种或更多种不同的成像方式获取的图像来生成医学图像。用于制造体模的医学图像可以是已经出于放射疗法本身的目的而获取的图像。例如，可以使用计划图像或每日图像来制造体模。这可以避免仅为了制造体模的目的而获取图像的需要。
医学图像被划分成靶区域和至少一个非靶区域。划分通常是指为图像中的体素分配标签以便指示这些体素代表什么的过程。因此，靶区域包括被标记为要通过暴露于辐射而进行治疗的靶104的多个体素。每个非靶区域都包括被标记为除靶104以外的事物的多个体素。例如，非靶区域可以包括被标记为处于危险中的器官102的体素。医学图像可以包括一个或更多个处于危险中的器官。作为另一示例，非靶区域可以包括被标记为背景体素——即不代表患者的身体的体素——的体素。医学图像可以已经被手动划分(例如，由医师、剂量测定师或卫生保健工作者)或被自动划分(例如，使用程序诸如由瑞典斯德哥尔摩的Elekta AB制造的基于Atlas的自动划分软件ABAS)。
体模可以诸如基于患者的关注区域的医学图像通过增材制造工艺来制造。关注区域可以包括靶区域和非靶区域。体模的第一部分和第二部分可以各自具有分别由医学图像中的靶区域和非靶区域的形状限定的相应形状。
在成像之后，然后可以使用增材制造工艺来创建三维体模，该三维体模模拟三维医学图像中的解剖结构。如本文中所使用的，术语“增材制造”是指通过逐层方式制造物体的过程。根据美国测试与材料学会(American Society for Testing and Materials，ASTM)，目前存在七种类型的增材制造工艺：粘结剂喷射；直接能量沉积；材料挤压，也称为熔融沉积建模；材料喷射；粉末床融化；层压；以及光聚合。这些类型的增材制造工艺中的任何合适的一种或多种工艺，或者将来可能存在的任何其他合适的类型的增材制造工艺，都可以用来制造体模。此外，任何合适的软件工具都可以用于将三维医学图像转换为指令和/或数据，增材制造装置可以使用这些指令和/或数据来产生复制医学图像中的解剖结构的体模。
图2A是用于模拟图1A至图1C中所示的关注区域的体模200的透视图。从图2A可以看出，体模200是表现关注区域的解剖结构的三维物理物体。体模包括代表OAR 102的部分202和代表靶104的部分204。将理解的是，图2是体模200的非常简化的表示，并且实际上，体模具有反映患者的解剖结构的更复杂的形状。此外，体模200可以包括比图2A中所示的部分更多的部分。
体模200包括辐射吸收特性与关注区域100中的解剖结构的材料的辐射吸收特性相似或相同的一种或更多种材料。例如，体模200的部分202可以包括具有与器官(诸如前列腺、膀胱、脑等)的密度相似的密度的材料，而体模200的部分204可以包括具有与肿瘤的密度相似的密度的材料。因此体模200可以用于预测在放射疗法期间将被患者的相应解剖结构吸收的辐射剂量。体模200的组成材料可以基于它们的辐射吸收特性和它们兼容特定增材制造工艺的适用性来选择。可以组合多种材料，以便制造具有期望的辐射吸收特性并且能够由给定的增材制造工艺制造的体模200。例如，可以通过使用增材制造形成中空的聚合物壳并且然后用密度与相应的解剖结构102、104的密度类似的材料填充所述壳来制造部分202、204。
在一些实施方式中，体模200可以是可变形的。体模200的变形允许模拟OAR 102和/或靶104的运动。可以通过体模200的变形来模拟的OAR102和/或靶104的运动的可能起因包括例如：生理过程，诸如呼吸、膀胱和/或肠的排空、膀胱和肠的充盈；患者的体重减轻或体重增加；由于疾病进展而导致的靶104的生长；以及由于成功的放射疗法而导致的靶104的收缩。通过使用一种或更多种可变形材料(诸如弹性体材料)来制造体模并向体模施加力以导致部分202、204的运动，体模200可以以准确地反映OAR 102和/或靶104的实际移动的方式变形。部分202、204中的一个或两个可以是可变形的。
在一些实施方式中，可以通过使用一种或更多种智能材料制造体模来实现体模200的变形。智能材料是在暴露于外部刺激时表现出可预测和可控制的形状变化的材料。例如，存在如下智能材料：当暴露于诸如湿度、温度、光、电场或磁场的刺激时，所述智能材料的形状改变。此外，存在一些所谓的“4D打印”材料，这些“4D打印”材料是可以在增材制造工艺中使用的智能材料。可以选择智能材料和/或施加到其上的刺激的特性(例如，振幅，频率等)，以使体模200以模拟OAR 102和/或靶104的运动的方式变形。部分202、204中的一个或两个可以包括智能材料。
体模200包括多个辐射剂量计。剂量计可以位于体模200内。更具体地，可以将多个剂量计分布在体模200的整个内部体积中。这可以允许在空间中的一些点处测量辐射剂量，从而允许确定由体模200接收的剂量的空间分布。这转而允许体模200用于准确地预测在放射疗法期间将由OAR102和靶104接收的剂量。剂量计也可以位于体模200的外表面上。剂量计可以包括能够测量辐射剂量的任何合适的装置。例如，剂量计可以包括电子剂量计，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)剂量计。可替选地或另外地，剂量计可以包括热致光剂量计(TLD)，或者当暴露于辐射时特性(例如颜色)改变的化学物质。
图2B是例示出剂量计206在图2A的体模200内的布置的示意图。图2B以截面示出了部分202和204，以便使得能够看到剂量计206的空间分布。如图2B中所示，多个剂量计206被分布在体模200的每个部分202、204的整个内部体积中。剂量计206可以被均匀地分布在体模200的整个内部体积中。例如，在图2B中，剂量计206位于由虚线示出的三维网格的节点上。然而，不需要将剂量计206均匀地分布在体模200的整个内部体积中。例如，可以在期望以更高的空间分辨率测量剂量的区域中(在OAR 102和靶104的边界附近)使用每单位体积更大数目的剂量计206，并且可以在其他地方使用每单位体积较少数目的剂量计206。作为另一示例，体模200的变形可能导致剂量计的不均匀分布。剂量计206可以在增材制造工艺中被自动定位在体模200中，或者可以在增材制造工艺完成后被添加到体模中。
上述体模可以用于各种质量保证测试。在放射疗法领域中，质量保证(QA)通常是指确保患者接收已规定的辐射剂量的过程。
图3示出了可以使用体模的质量保证测试方法300的示例。在302处，可以制造或获得基于患者的关注区域(ROI)的医学图像的体模。ROI可以包括要通过放射疗法治疗的靶区域和非靶区域，诸如可以包括要避免对其进行放射疗法治疗的处于危险中的器官(OAR)。可以通过3D打印或诸如本文所述的其他增材制造工艺来产生体模。体模可以以诸如与将要经受放射疗法治疗的患者的部分类似的方式变形，这可能涉及将患者定位或重新定位在辐射治疗床上或者患者的其他移动或变形诸如经由呼吸等。在示例中，体模可以包括在其中包括或分布的多个辐射剂量计。
在304处，体模可以例如变形成模拟患者的靶区域或非靶区域中的至少一个或两个的变形。该变形可以包括向体模施加物理力以诸如以与患者的相应区域的预期的、预测的或测量的变形相似的方式来使体模经受压缩、拉伸、扭曲或其他方式的变形。在示例中，体模可以包括当暴露于外部刺激时表现出形状变化的“智能”材料，在这种情况下，使体模变形可以包括将外部刺激施加到智能材料。
在306处，诸如可以通过将几何变换应用于规定的辐射剂量来计算扭曲的辐射剂量。规定的辐射剂量可以限定要被传送到患者的ROI的辐射的预期空间分布。规定的辐射剂量可以作为患者的治疗计划的一部分而被包括，诸如可以被创建为诸如可以包括使用可从瑞典的Elekta AB获得的摩纳哥治疗计划系统(TPS)中的蒙特卡洛(Monte Carlo)剂量计算技术。规定的辐射剂量的辐射的预期空间分布可以在几何形式上变换。
在示例中，几何变换可以可选地包括应用可以通过以下方式生成的变形矩阵：(1)在使体模变形之前获取体模的图像；(2)获取变形的体模的图像；以及(3)基于没有变形的体模的图像和变形的体模的图像来计算几何变换。
例如，没有变形的体模的图像和变形的体模的图像可以各自包括多个体素，并且计算几何变换可以包括：执行可变形的图像配准，以计算将体模的图像中的每个体素映射到没有变形的体模的图像中的相应体素的变形矢量场矩阵。
在308处，诸如可以包括使用被应用于生成扭曲的辐射剂量的蒙特卡洛(MonteCarlo)剂量计算技术，例如，诸如使用可从瑞典的Elekta AB获得的摩纳哥治疗计划系统(TPS)来生成、创建用于配置放射疗法设备以传送扭曲的辐射剂量的放射疗法治疗计划。
在310处，诸如当根据放射疗法治疗计划通过操作放射疗法设备将辐射传送至变形的体模时，可以获得由变形的体模接收的辐射剂量分布的测量。可以使用变形的体模中包括或分布的多个剂量计来获得这样的测量。
在312处，可以通过将测量的辐射剂量分布与规定的辐射剂量进行比较来验证放射疗法治疗计划。这可以包括：计算测量的辐射剂量分布与规定的辐射剂量分布之间的相似度或差异计量；并且当测量的辐射剂量分布与规定的辐射剂量分布之间的相似度超过指定的相似充分性值时，或者当测量的辐射剂量分布与规定的辐射剂量分布之间的差异小于指定的差异充分性值时，确认治疗计划。另外地或可替选地，例如，如果一个或更多个处于危险中的器官(OAR)的合计或其他辐射照射超过最大可接受值，则可以使用一个或更多个其他计量来验证放射疗法治疗计划。
可选地，可以在诸如在304处向可变形的体模施加不同的变形的情况下重复动作304至312。通过在312处使用在304处施加的不同变形来验证，在314处，可以确定放射疗法治疗计划对其有效的靶区域或非靶区域中的至少一种的最大可接受变形。例如，当在304处逐渐地增加重复出现的变形时，当该变形增加到超过某个值时，所测量的辐射剂量与规定的辐射剂量之间的相似度计量可能最终降至指定的可接受的相似度极限以下，或者差异计量可能最终超过指定的可接受的差异极限，使得可以将反复增加的变形系列中先前的(可接受的)变形认为是最大可接受变形。
图4示出了验证剂量映射算法的方法400的示例。在402处，可以诸如通过图像处理电路系统访问医学成像数据库——该医学成像数据库包括使用成像模式获得的体素数据——来访问代表患者的ROI的第一医学图像。在404处，可以诸如通过将第一变形矢量场应用于第一医学图像以生成第二医学图像来使用第一医学图像生成第二医学图像。在405A处，可以诸如根据第一医学图像来获得、提供或生成(例如，诸如可以包括使用3D打印或其他增材制造工艺)第一体模。在405B处，可以诸如根据(变形的)第二医学图像来获得、提供或生成(例如，诸如可以包括使用3D打印或其他增材制造工艺)(变形的)第二体模。在406处，可以例如响应于通过诸如根据放射疗法治疗计划操作放射疗法设备而传送到体模的辐射，测量由至少一个体模接收的辐射剂量分布。在示例中，至少一个体模可以包括第一体模和第二体模。在示例中，可以使用3D打印或其他增材工艺来制造诸如其中包括或分布有多个剂量计的至少一个体模。在408处，可以诸如通过使用待验证的剂量扭曲或映射技术将第一变形矢量场应用于所测量的辐射剂量分布来使用图像处理电路系统计算扭曲的辐射剂量。在410处，可以通过将所计算的剂量分布与相同体模上的所测量的辐射剂量分布进行比较来验证待验证的剂量扭曲或映射技术的准确性或其他属性。这可以包括：计算它们之间的逐个体素或集合体复合相似度或差异计量，并且将相似度或差异计量与对应的阈值进行比较，以确定该计量是否落在可接受范围内，以验证剂量扭曲或映射技术的准确性。另外地或可替选地，可以使用逐个体素与复合体验证的组合，例如，如果任何体素的差异或误差计量落在对应的第一可接受范围之外，或者如果复合差异或误差计量落在对应的第二可接受范围之外，则剂量扭曲或映射技术可以被认为是无效的。另外地或可替选地，可以应用一组更复杂的验证规则，例如，可以针对正在测量或计算扭曲辐射剂量分布的不同密度区域来不同地计算统计计量。例如，可以从医学图像数据获得这样的密度信息。
图5示出了可选地验证剂量扭曲和可变形图像配准的累积精度的另一方法500的示例。可以如以上关于图4所描述的来执行步骤402至410。
在512处，可选地，可以诸如通过对第一医学图像和第二医学图像执行可变形图像配准来生成第二变形矢量场。该图像配准可以包括将第一医学图像中的个体体素(例如，每个个体体素)映射到第二医学图像中的对应体素。
在514处，可选地，可以诸如通过应用在410处生成的第二变形矢量场来计算扭曲的辐射剂量分布。
在516处，可选地，可以执行对在414处计算的所计算的扭曲辐射剂量分布的累积精度以及用于生成第二变形矢量场的第一医学图像和第二医学图像的可变形的图像配准的验证。该验证可以将406的测量的辐射剂量分布与在414处使用基于可变形的图像配准的第二变形矢量场计算的所计算的扭曲辐射剂量进行比较。如本文其他地方所解释的，该验证可以包括：计算它们之间的逐个体素或集合体复合相似度或差异计量，并且将相似度或差异计量与对应的阈值进行比较，以确定该计量是否落在可接受范围内，以验证剂量扭曲或映射技术的准确性。另外地或可替选地，可以使用逐个体素与复合体验证的组合，例如，如果任何体素的差异或误差计量落在对应的第一可接受范围之外，或者如果复合差异或误差计量落在对应的第二可接受范围之外，则剂量扭曲或映射技术可以被认为是无效的。另外地或可替选地，可以应用一组更复杂的验证规则，例如，可以针对正在测量或计算扭曲辐射剂量分布的不同密度区域来不同地计算统计计量。例如，可以从医学图像数据获得这样的密度信息。
图6示出了在其上可以实现本文所讨论的一种或更多种方法的装置或机器1000的实施方式的框图。可以由机器1000实现本文描述的图像处理电路系统的一个或更多个项。机器1000可以作为独立装置进行操作，或者可以连接(例如联网)到其他机器。图像处理电路系统可以包括机器1000的一个或更多个项。在联网部署中，机器1000可以在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份运行，或者作为对等(或分布式)网络环境中的对等机器运行。机器可以是个人计算机(PC)、平板电脑、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、Web设备、网络路由器、交换机或网桥、或任何能够(顺序的或其他方式)执行指令——这些指令指定该机器要执行的动作——的机器。此外，尽管仅示出了单个机器，但是术语“机器”也应当被理解为包括机器——这些机器单独地或共同地执行一组(或多组)指令以执行本文讨论的任何一个或更多个方法——的任何组合。
示例机器1000可以包括：处理电路系统1002(例如，中央处理单元(CPU)；图形处理单元(GPU)；专用集成电路、电路系统，诸如一个或更多个晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管、逻辑门、多路复用器、缓冲器、调制器、解调器、无线电(例如，发送或接收无线电或收发器)、传感器1021(例如，将能量(例如，光、热、电、机械或其他能量)的一种形式转换为能量的另一种形式的换能器)等，或其组合)、主存储器1004和静态存储器1006，它们经由总线1008彼此通信。与所描述的方法相关联的资料(datum)或数据可以存储在这样的存储器中或者可以从这样的存储器检索与所描述的方法相关联的资料(datum)或数据，并且按照期望对所述资料和数据进行初始化或更新以执行本文所述的方法。机器1000(例如，计算机系统)还可以包括视频显示单元1010(例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))。机器1000还可以包括字母数字输入装置1012(例如，键盘)、用户界面(UI)导航装置1014(例如，鼠标)、磁盘驱动器或大容量存储单元1016、信号生成装置1018(例如，扬声器)和网络接口装置1020。
磁盘驱动单元1016可以包括机器可读介质1022，在机器可读介质1022上存储有一组或更多组指令和数据结构(例如，软件)1024，这些指令和数据结构由本文所述的任何一种或更多种方法或功能实施或利用。在机器1000执行指令1024期间，指令1024还可以全部或至少部分地驻留在主存储器1004内和/或处理器1002内，主存储器1004和处理器1002也构成机器可读介质。
所示出的机器1000可以包括输出控制器1028。输出控制器1028管理往来于机器1000的数据流。有时可以将输出控制器1028称为装置控制器，该装置控制器具有与输出控制器1028(被称为装置驱动器)直接交互的软件。
尽管在实施方式中将机器可读介质1022示出为单个介质，但是术语“机器可读介质”可以包括存储一个或更多个指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器)。术语“机器可读介质”也应当被认为包括有形介质，所述有形介质能够存储、编码或携带由机器执行的指令并且使机器执行本发明的任何一种或更多种方法，或者所述有形介质能够存储、编码或携带由这样的指令使用或与这样的指令相关联的数据结构。因此，术语“机器可读介质”应当被认为包括但不限于固态存储器以及光和磁介质。机器可读介质的特定示例包括：非易失性存储器，作为示例包括半导体存储装置，例如，可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存装置；磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM磁盘。
还可以使用传输介质通过通信网络1026发送或接收指令1024。可以使用网络接口装置1020和多个熟知的传输协议中的任何一种(例如，HTTP)来发送指令1024。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、互联网、移动电话网络、普通老式电话(POTS)网络和无线数据网络(例如，WiFi和WiMax网络)。术语“传输介质”应当被认为包括能够存储、编码或携带由机器执行的指令的任何无形介质，并且包括数字或模拟通信信号或其他无形介质以促进这样的软件的通信。
图7示出了用于向患者、向患者的一部分或者向可以包括表示患者或患者的一部分的靶对象的“体模(phantom)”提供放射疗法的示例性放射疗法系统100。放射疗法系统7100包括图像处理装置7112。图像处理装置7112可以连接至网络7120。网络7120可以连接至因特网7122。网络7120可以使图像处理装置7112与以下中的一个或更多个相连接：数据库7124、医院数据库7126、肿瘤学信息系统(OIS)7128、放射疗法装置7130、图像获取装置7132、显示装置7134和用户接口7136。图像处理装置7112可以被配置成：生成要由放射疗法装置7130使用的放射疗法治疗计划7142。
图像处理装置7112可以包括存储器装置7116、处理器7114和通信接口7118。存储器装置7116可以存储诸如操作系统7143、放射疗法治疗计划7142(例如，原始治疗计划、修改的治疗计划等)、软件程序7144(例如，人工智能、深度学习、神经网络、放射疗法治疗计划软件)的计算机可执行指令以及要由处理器7114执行的任何其他计算机可执行指令。在一个实施方式中，软件程序7144可以通过产生合成图像例如伪CT图像来将一种格式(例如，MRI)的医学图像转换为另一种格式(例如，CT)。例如，软件程序7144可以包括图像处理程序以训练用于将一种方式的医学图像7146(例如，MRI图像)转换为不同方式的合成图像(例如，伪CT图像)的预测模型；可替选地，经训练的预测模型可以将CT图像转换为MRI图像。在另一实施方式中，软件程序7144可以将患者图像(例如，CT图像或MR图像)与该患者的剂量分布(也被表示为图像)配准，使得通过网络将相应的图像体素和剂量体素适当地关联。在又一实施方式中，软件程序7144可以替代患者图像的功能，诸如强调图像信息的特定方面的图像的有符号距离功能或经处理的版本。这样的功能可能强调体素纹理的边缘或差异或对神经网络学习有用的任何其他结构方面。在另一实施方式中，软件程序7144可以替代强调剂量信息的一些方面的剂量分布的功能。这样的功能可能强调靶周围的陡峭梯度或对神经网络学习有用的任何其他结构方面。存储器装置7116可以存储数据，包括医学图像7146、患者数据7145以及创建和实现放射疗法治疗计划7142所需的其他数据。
除了存储软件程序7144的存储器4116之外，还预期软件程序7144可以存储在诸如硬盘驱动器、计算机磁盘、CD-ROM、DVD、HD、蓝光DVD、USB闪存驱动、SD卡、记忆棒的可移除计算机介质或任何其他合适的介质上；并且当被下载至图像处理装置7112时，软件程序7144可以由图像处理器7114执行。
处理器7114可以通信地耦接至存储器装置116，并且处理器7114可以被配置成执行其上存储的计算机可执行指令。处理器7114可以向存储器7116发送医学图像7146或者从存储器7116接收医学图像7146。例如，处理器7114可以经由通信接口7118和网络7120从图像获取装置7132接收医学图像7146以将该医学图像7146存储在存储器7116中。处理器7114还可以经由通信接口7118将存储在存储器7116中的医学图像7146发送至网络7120，以将该医学图像7146存储在数据库7124或医院数据库7126中。
此外，处理器7114可以利用软件程序7144(例如，治疗计划软件)以及医学图像7146和患者数据7145来创建放射疗法治疗计划7142。医学图像7146可以包括信息例如与患者解剖结构区域、器官或感兴趣体积分割数据相关联的成像数据。患者数据7145可以包括诸如以下信息：(1)功能器官建模数据(例如，串行器官与并行器官(serial versusparallel organs)、适当的剂量响应模型等)；(2)辐射剂量数据(例如，剂量-体积直方图(DVH)信息)；或者(3)关于患者和治疗过程的其他临床信息(例如，其他手术、化学疗法、先前的放射疗法等)。
此外，处理器7114可以利用软件程序来生成中间数据，诸如例如要由神经网络模型使用的经更新的参数；或者处理器7114可以利用软件程序来生成中间2D图像或3D图像，然后，所述中间2D图像或3D图像可以随后被存储在存储器7116中。然后，处理器7114可以随后经由通信接口7118将可执行的放射疗法治疗计划7142传送至网络7120然后再传送至放射疗法装置7130，在放射疗法装置7130处，放射疗法计划将被用于通过放射来治疗患者。此外，处理器7114可以执行软件程序7144以实现诸如图像转换、图像分割、深度学习、神经网络和人工智能的功能。例如，处理器7114可以执行训练医学图像或描画医学图像轮廓的软件程序7144；这样的软件7144在被执行时可以训练边界检测器或利用形状字典。
处理器7114可以是处理装置，包括一个或更多个通用处理装置例如微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、加速处理单元(APU)等。更具体地，处理器7114可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、实现其他指令集的处理器或实现指令集的组合的处理器。处理器7114还可以由一个或更多个专用处理装置例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、片上系统(SoC)等来实现。如本领域技术人员将理解的，在一些实施方式中，处理器7114可以是专用处理器而不是通用处理器。处理器7114可以包括一个或更多个已知的处理装置，例如，来自由IntelTM制造的PentiumTM、CoreTM、XeonTM或
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系列的微处理器；来自由AMDTM制造的TurionTM、AthlonTM、SempronTM、OpteronTM、FXTM、PhenomTM系列的微处理器；或者由太阳微系统公司(Sun Microsystems)制造的各种处理器中的任何处理器。处理器7114还可以包括图形处理单元，例如，来自由NvidiaTM制造的
Figure BDA0002752118800000142
系列的GPU；由IntelTM制造的GMA、IrisTM系列的GPU；或者由AMDTM制造的RadeonTM系列的GPU。处理器7114还可以包括加速处理单元，例如，由IntelTM制造的Xeon PhiTM系列。所公开的实施方式不限于以其他方式被配置成满足识别、分析、维护、生成以及/或者提供大量数据或操纵这样的数据以执行本文中公开的方法的计算需求的任何类型的处理器。此外，术语“处理器”可以包括多于一个处理器，例如，多核设计或各自具有多核设计的多个处理器。处理器7114可以执行存储器7116中存储的计算机程序指令序列，以执行下文将更详细说明的各种操作、处理、方法。
存储器装置7116可以存储医学图像7146。在一些实施方式中，医学图像7146可以包括一个或更多个MRI图像(例如，2D MRI、3D MRI、2D流式MRI、4D MRI、4D体积MRI、4D影像MRI等)、功能性MRI图像(例如，fMRI、DCE-MRI、扩散MRI)、计算机断层扫描(CT)图像(例如，2D CT、锥形束CT、3D CT、4D CT)、超声图像(例如，2D超声、3D超声、4D超声)、正电子发射断层扫描(PET)图像、X射线图像、荧光镜图像、放射疗法射野图像(portal image)、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)图像、计算机生成的合成图像(例如，伪CT图像)等。此外，医学图像146还可以包括医学图像数据，例如，训练图像、真实图像(ground truth image)、轮廓图像和剂量图像。在实施方式中，可以从图像获取装置7132接收医学图像7146。因此，图像获取装置7132可以包括MRI成像装置、CT成像装置、PET成像装置、超声成像装置、荧光镜装置、SPECT成像装置、集成的线性加速器和MRI成像装置或者用于获得患者的医学图像的其他医学成像装置。可以以图像处理装置7112可以用来执行与所公开的实施方式一致的操作的任何类型的数据或任何类型的格式来接收和存储医学图像7146。存储器装置7116可以是非暂态计算机可读介质，例如，只读存储器(ROM)、相变随机存取存储器(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、闪速存储器、随机存取存储器(RAM)、诸如同步DRAM(SDRAM)的动态随机存取存储器(DRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、静态存储器(例如，闪速存储器、闪存盘、静态随机存取存储器)以及其他类型的随机存取存储器、高速缓冲存储器、寄存器、致密盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用盘(DVD)或其他光存储装置、盒带、其他磁存储装置、或者可以用来存储能够由处理器7114或任何其他类型的计算机装置访问的包括图像、数据或计算机可执行指令的信息(例如，以任何格式存储的)的任何其他非暂态介质。计算机程序指令可以被处理器7114访问、从ROM或任何其他合适的存储器位置被读取并被加载到RAM中，以由处理器7114执行。例如，存储器7116可以存储一个或更多个软件应用。存储器7116中存储的软件应用可以包括例如用于公共计算机系统以及用于受软件控制的装置的操作系统7143。此外，存储器7116可以存储能够由处理器7114执行的整个软件应用或者软件应用的仅一部分。例如，存储器装置7116可以存储一个或更多个放射疗法治疗计划7142。
图像处理装置7112可以经由通信接口7118与网络7120进行通信，通信接口7118可以通信地耦接至处理器7114和存储器7116。通信接口7118可以提供图像处理装置7112与放射疗法系统7100部件之间的通信连接(例如，允许与外部装置交换数据)。例如，在一些实施方式中，通信接口7118可以具有适当的接口电路系统以连接至用户接口7136，用户接口7136可以是硬件键盘、小键盘或触摸屏，用户可以通过上述用户接口将信息输入至放射疗法系统7100中。
通信接口7118例如可以包括网络适配器、线缆连接器、串行连接器、USB连接器、并行连接器、高速数据传输适配器(例如，光纤、USB 3.0、雷电接口(thunderbolt)等)、无线网络适配器(例如，WiFi适配器)、电信适配器(例如，3G、4G/LTE等)等。通信接口7118可以包括一个或更多个数字和/或模拟通信装置，所述通信装置允许图像处理装置7112经由网络7120与其他机器和装置例如位于远处的部件进行通信。
网络7120可以提供局域网(LAN)、无线网络、云计算环境(例如，软件即服务、平台即服务、基础设施即服务等)、客户端-服务器、广域网(WAN)等的功能。例如，网络120可以是LAN或WAN，其可以包括其他系统S1(138)、S2(140)和S3(141)。系统S1、S2和S3可以与图像处理装置7112相同，或者可以是不同的系统。在一些实施方式中，网络120中的系统中的一个或更多个系统可以形成协作地执行本文中描述的实施方式的分布式计算/模拟环境。在一些实施方式中，一个或更多个系统S1、S2和S3可以包括获得CT图像(例如，医学图像7146)的CT扫描仪。此外，网络7120可以连接至因特网7122，以与远程驻留在因特网上的服务器和客户端进行通信。
因此，网络7120可以允许图像处理装置7112与多个各种其他系统和装置例如OIS7128、放射疗法装置7130和图像获取装置7132之间的数据传输。此外，由OIS 7128和/或图像获取装置7132生成的数据可以被存储在存储器7116、数据库7124和/或医院数据库7126中。根据需要，可以通过通信接口7118经由网络7120发送/接收数据，以便由处理器7114访问。
图像处理装置7112可以通过网络7120与数据库7124进行通信，以发送/接收数据库8124上存储的多种类型的数据。例如，数据库8124可以包括作为与放射疗法装置8130、图像获取装置8132或与放射疗法有关的其他机器相关联的信息的机器数据。机器数据信息可以包括放射束尺寸、弧放置、束开和关持续时间、机器参数、段、多叶准直器(MLC)配置、机架速度、MRI脉冲序列等。数据库8124可以是存储装置并且可以配备有适当的数据库管理软件程序。本领域技术人员将理解，数据库8124可以包括以中央式或分布式方式定位的多个装置。
在一些实施方式中，数据库7124可以包括处理器可读存储介质(未示出)。虽然实施方式中的处理器可读存储介质可以是单个介质，但是术语“处理器可读存储介质”应该被视为包括存储一个或更多个计算机可执行指令集或数据的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓冲存储器和服务器)。术语“处理器可读存储介质”还应被视为包括能够对由处理器执行的指令集进行存储和编码并且使处理器执行本公开内容中的任何一种或更多种方法的任何介质。因此，术语“处理器可读存储介质”应被视为包括但不限于固态存储器、光学介质和磁介质。例如，处理器可读存储介质可以是一个或更多个易失性、非暂态或者非易失性有形计算机可读介质。
图像处理器7114可以与数据库7124进行通信以将图像读取到存储器7116中或者将来自存储器7116的图像存储到数据库7124。例如，数据库7124可以被配置成存储数据库7124从图像获取装置7132接收的多个图像(例如，3D MRI、4D MRI、2D MRI切片图像、CT图像、2D荧光透视图像、X射线图像、来自MR扫描或CT扫描的原始数据、医学数字成像与通信(DIMCOM)数据等)。数据库7124可以存储要由图像处理器7114在执行软件程序7144时或者在创建放射疗法治疗计划7142时使用的数据。数据库7124可以存储由经训练的神经网络产生的数据，包括构成通过网络学习的模型的网络参数和所得到的预测数据。图像处理装置7112可以从数据库7124、放射疗法装置7130(例如，MRI-Linac)和/或图像获取装置7132接收成像数据7146(例如，2D MRI切片图像、CT图像、2D荧光透视图像、X射线图像、3D MRI图像、4D MRI图像等)以生成治疗计划7142。
在一个实施方式中，放射疗法系统7100可以包括图像获取装置7132，图像获取装置7132能够获取患者的医学图像(例如，磁共振成像(MRI)图像、3D MRI、2D流式MRI、4D体积MRI、计算机断层扫描(CT)图像、锥形束CT、正电子发射断层扫描(PET)图像、功能MRI图像(例如，fMRI、DCE-MRI和扩散MRI)、X射线图像、荧光透视图像、超声图像、放射疗法射野图像、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)图像等)。图像获取装置7132例如可以是MRI成像装置、CT成像装置、PET成像装置、超声装置、荧光透视装置、SPECT成像装置或者用于获得患者的一个或更多个医学图像的任何其他合适的医学成像装置。由图像获取装置7132获取的图像可以作为成像数据和/或测试数据而被存储在数据库7124中。作为示例，由成像获取装置7132获取的图像也可以由图像处理装置7112存储为存储器7116中的医学图像数据7146。
在实施方式中，例如，图像获取装置7132可以与放射疗法装置7130集成为单个设备(例如，与线性加速器组合的MRI装置，也被称为“MRI-Linac”)。这种MRI-Linac例如可以用来确定患者体内的靶器官或靶肿瘤的位置，以便根据放射疗法治疗计划7142将放射疗法精确地引导至预定的靶。
图像获取装置7132可以被配置成：针对感兴趣区域(例如，靶器官、靶肿瘤或这二者)获取患者解剖结构的一个或更多个图像。每个图像——通常是2D图像或切片——可以包括一个或更多个参数(例如，2D切片厚度、取向和位置等)。在实施方式中，图像获取装置7132可以获取以任何取向的2D切片。例如，2D切片的取向可以包括矢状取向(sagittalorientation)、冠状取向(coronal orientation)或轴向取向。处理器7114可以对一个或更多个参数例如2D切片的厚度和/或取向进行调节，以将靶器官和/或靶肿瘤包括在内。在实施方式中，可以根据诸如3D MRI体积的信息来确定2D切片。在患者正在接受放射疗法治疗时，例如当使用放射疗法装置7130时，可以由图像获取装置7132“接近实时”获取这样的2D切片。“接近实时”意味着至少以数毫秒或更短的时间来获取数据。
图像处理装置7112可以生成并存储针对一个或更多个患者的放射疗法治疗计划7142。放射疗法治疗计划7142可以提供关于要施加给每个患者的特定辐射剂量的信息。放射疗法治疗计划7142还可以包括其他放射疗法信息，例如束角度、剂量-体积直方图信息、疗法期间要使用的放射束的数量、每束的剂量等。
图像处理器7114可以通过使用诸如治疗计划软件的软件程序7144(例如，由瑞典斯德哥尔摩的Elekta AB制造的
Figure BDA0002752118800000181
)来生成放射疗法治疗计划7142。为了生成放射疗法治疗计划7142，图像处理器7114可以与图像获取装置7132(例如，CT装置、MRI装置、PET装置、X射线装置、超声装置等)进行通信以访问患者图像并描绘靶(例如，肿瘤)。在一些实施方式中，可能需要描绘一个或更多个处于危险中的器官(OAR)，例如围绕肿瘤或紧邻肿瘤的健康组织。因此，可以在OAR靠近靶肿瘤的情况下执行对OAR的分割。另外，如果靶肿瘤靠近OAR(例如，前列腺接近膀胱和直肠)，则通过相对于肿瘤分割OAR，放射疗法系统100不仅可以研究靶中的剂量分布，而且还可以研究OAR中的剂量分布。
为了相对于OAR描绘靶器官或靶肿瘤，可以通过图像获取装置7132非侵入式地获得正在接受放射疗法的患者的医学图像例如MRI图像、CT图像、PET图像、fMRI图像、X射线图像、超声图像、放射疗法射野图像、SPECT图像等，以暴露身体部位的内部结构。基于来自医学图像的信息，可以获得相关解剖部分的3D结构。此外，在治疗计划过程期间，可以考虑多个参数以实现对靶肿瘤的有效治疗(例如，使得靶肿瘤接收到足够的辐射剂量以实现有效治疗)与对OAR的低辐照(例如，OAR接收到尽可能低的辐射剂量)之间的平衡。可以考虑的其他参数包括靶器官和靶肿瘤的位置、OAR的位置以及靶相对于OAR的移动。例如，可以通过在MRI或CT图像的每个2D层或切片内描画靶的轮廓或描画OAR的轮廓并且将每个2D层或切片的轮廓进行组合来获得3D结构。可以手动地(例如，由医师、剂量师或医护人员使用程序例如由瑞典斯德哥尔摩的Elekta AB制造的MONACOTM)或自动地(例如，使用程序例如由瑞典斯德哥尔摩的Elekta AB制造的基于Atlas的自动分割软件ABASTM)生成轮廓。在某些实施方式中，可以通过治疗计划软件自动生成靶肿瘤或OAR的3D结构。
在已经定位并描绘了靶肿瘤和OAR之后，剂量师、医师或医护人员可以确定要对靶肿瘤施加的辐射剂量以及邻近该肿瘤的OAR(例如，左右腮腺、视神经、眼睛、晶状体、内耳、脊髓、脑干等)可以接受的任何最大量的剂量。在针对每个解剖结构(例如，靶肿瘤、OAR)确定了辐射剂量之后，可以执行被称为逆向计划的过程以确定将实现期望的辐射剂量分布的一个或更多个治疗计划参数。治疗计划参数的示例包括体积描绘参数(例如，其限定靶体积、轮廓敏感结构等)、靶肿瘤和OAR周围的边缘、束角度选择、准直器设置和束开启次数。在逆向计划过程期间，医师可以限定剂量约束参数，所述剂量约束参数设定关于OAR可以接受多少放射的界限(例如，对肿瘤靶，限定全剂量，对任何OAR，限定零剂量；对靶肿瘤，限定95％的剂量；限定脊髓、脑干和视神经结构分别接受≤45Gy、≤55Gy和<54Gy)。逆向计划的结果可以构成可以被存储在存储器7116或数据库7124中的放射疗法治疗计划7142。这些治疗参数中的一些参数可以相互关联。例如，为了改变治疗计划而调节一个参数(例如，针对不同目标的权重，例如增加针对靶肿瘤的剂量)可能影响至少一个其他参数，这进而可能导致开发不同的治疗计划。因此，图像处理装置7112可以生成具有这些参数的定制的放射疗法治疗计划7142，以便放射疗法装置7130向患者提供放射疗法治疗。
此外，放射疗法系统700可以包括显示装置7134和用户接口7136。显示装置7134可以包括一个或更多个显示屏，所述一个或更多个显示屏向用户显示医学图像、界面信息、治疗计划参数(例如，轮廓、剂量、束角度等)、治疗计划、靶、对靶进行定位和/或对靶进行跟踪或者任何相关信息。用户接口7136可以是键盘、小键盘、触摸屏或者用户可以向放射疗法系统7100输入信息的任何类型的装置。可替选地，显示装置7134和用户接口7136可以被集成至诸如平板计算机(例如，Apple
Figure BDA0002752118800000201
Lenovo
Figure BDA0002752118800000202
Samsung
Figure BDA0002752118800000203
等)的装置中。
此外，放射疗法系统7100的任何部件和全部部件可以被实现为虚拟机(例如，VMWare、Hyper-V等)。例如，虚拟机可以是充当硬件的软件。因此，虚拟机可以至少包括一起充当硬件的一个或更多个虚拟处理器、一个或更多个虚拟存储器以及一个或更多个虚拟通信接口。例如，图像处理装置7112、OIS 7128、图像获取装置7132可以被实现为虚拟机。假设处理能力、存储器和计算能力可获得，则整个放射疗法系统7100都可以被实现为虚拟机。
图8示出了示例性放射疗法装置8202，该放射疗法装置8202可以包括放射源例如X射线源或线性加速器、治疗床(couch)8216、成像检测器8214和放射疗法输出端8204。放射疗法装置8202可以被配置成发射放射束8208以向患者提供疗法。放射疗法输出端8204可以包括一个或更多个衰减器或准直器例如多叶准直器(MLC)。
在图8中，可以将患者定位在由治疗治疗床8216支承的区域8212中，以接收根据放射疗法治疗计划的放射疗法剂量。放射疗法输出端8204可以被安装或附接至台架8206或其他机械支承件。当治疗床8216被插入治疗区域中时，一个或更多个底盘马达(chassismotor)(未示出)可以使台架8206和放射疗法输出端8204围绕治疗床8216旋转。在一个实施方式中，当治疗床8216被插入治疗区域中时，台架8206可以围绕治疗床8216连续旋转。在另一实施方式中，当治疗床8216被插入治疗区域中时，台架8206可以旋转至预定位置。例如，台架8206可以被配置成使疗法输出端8204围绕轴(“A”)旋转。治疗床8216和放射疗法输出端8204二者都能够独立地移动到患者周围的其他位置，例如，能够沿横向方向(“T”)移动、能够沿侧向方向(“L”)移动；或者治疗床8216和放射疗法输出端8204二者都能够绕一个或更多个其他轴旋转，例如绕横向轴旋转(被表示为“R”)。通信地连接至一个或更多个致动器(未示出)的控制器可以控制治疗床8216移动或旋转，以便根据放射疗法治疗计划将患者适当地定位在放射束8208之内或之外。由于治疗床8216和台架8206两者能够以多个自由度彼此独立地移动，这允许患者被定位成使得放射束8208能够精确地瞄准肿瘤。
图8所示的坐标系(包括轴A、T和L)可以具有位于等中心8210处的原点。等中心可以被定义为如下位置，在所述位置处，放射治疗束8208的中心轴与坐标轴的原点相交以将规定的辐射剂量递送至患者上或患者体内的地方。可替选地，等中心8210可以被定义为如下位置，在所述位置处，对于由台架8206定位的放射疗法输出端8204围绕轴A的各种旋转位置，放射治疗束8208的中心轴与患者相交。
台架8206也可以具有附接的成像检测器8214。成像检测器8214优选地位于与放射源8204相对的位置处，并且在实施方式中，成像检测器8214可以位于治疗束8208的场内。
成像检测器8214可以优选地与放射疗法输出端8204相对地安装在台架8206上，以便保持与治疗束8208对准。随着台架8206旋转，成像检测器8214围绕旋转轴旋转。在实施方式中，成像检测器8214可以是平板检测器(例如，直接检测器或闪烁体检测器)。以这种方式，成像检测器8214可以用于监测治疗束8208；或者成像检测器8214可以用于对患者的解剖结构进行成像，例如射野成像。放射疗法装置8202的控制电路系统可以被集成在系统8100内或者远离系统8100。
在说明性实施方式中，治疗床8216、疗法输出端8204或台架8206中的一个或更多个可以被自动地定位，并且疗法输出端8204可以根据用于特定疗法递送实例的指定剂量来建立治疗束8208。可以根据放射疗法治疗计划例如使用机架8206、治疗床8216或疗法输出端8204的一个或更多个不同的取向或位置来指定疗法递送的序列。疗法递送可以顺序地发生，但是可以在患者上或患者体内的期望的疗法位点中例如在等中心8210处交叉。由此可以将放射疗法的规定累积剂量递送到疗法位点，同时可以减少或避免对疗法位点附近的组织的损害。
图8一般地示出了被配置成向患者提供放射疗法治疗的放射疗法装置的实施方式，包括放射疗法输出端可以围绕中心轴(例如，轴“A”)旋转的配置。可以使用其他放射疗法输出配置。例如，可以将放射疗法输出端安装至具有多个自由度的机器人臂或操纵器。在又一实施方式中，疗法输出端可以被固定，例如位于与患者侧向分开的区域中，并且可以使用支承患者的平台来使放射疗法等中心与患者体内的指定靶位点对准。
在另一实施方式中，放射疗法装置可以是线性加速器和图像获取装置的组合。如本领域普通技术人员将认识到的，在一些实施方式中，图像获取装置可以是MRI、X射线、CT、CBCT、螺旋CT、PET、SPECT、光学层析成像、荧光成像、超声成像或放射疗法射野成像装置等。
如本文所使用的，“在......之间通信地耦接”意味着：耦接的任一个上的实体必须通过在其之间的项进行通信，并且这些实体如果不通过该项进行通信就不能彼此进行通信。
上面的描述包括对附图的参照，这些附图形成具体实施方式的一部分。附图通过图示的方式示出了具体实施方式，在所述具体实施方式中，可以实践本发明。这些实施方式在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了示出或描述的要素之外的要素。然而，本发明人还设想了仅提供了示出或描述的那些要素的示例。此外，本发明人还设想了使用关于特定示例(或者特定示例的一个或更多个方面)或关于本文中示出或描述的其他示例(或者其他示例的一个或更多个方面)示出或描述的那些要素(或者那些要素的一个或更多个方面)的任何组合或排列的示例。
如果在本文件与通过引用并入的任何文件之间存在不一致用法，则以本文件中的用法为准。
如在专利文件中常见的，在本文件中，独立于“至少一个”或者“一个或更多个”的任何其他实例或用法，使用术语“一个(a)”或“一个(an)”以包括一个或多于一个。在本文件中，除非另有说明，否则术语“或”被用于指代非排他性，或者使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在本文件中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”被用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的普通英语等同物。此外，在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“包括(comprising)”是开放式的，即，包括除了在权利要求中的这样的术语之后列出的要素之外的要素的系统、装置、物品、成分、配方或过程仍被认为落入该权利要求的范围内。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不意在对它们的对象施加数值要求。
本文中描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令能够操作成配置电子装置以执行如在以上示例中描述的方法。这样的方法的实现可以包括诸如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等的代码。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在示例中，例如在执行期间或在其他时间，代码可以被有形地存储在一个或更多个易失性、非暂态或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移除磁盘、可移除光盘(例如，致密盘和数字视频磁盘)、磁带盒、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
上面的描述意在是说明性的而非限制性的。例如，以上描述的示例(或示例的一个或更多个方面)可以彼此结合使用。在回顾以上描述之后，例如本领域技术人员可以使用其他实施方式。提供摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，以允许读者快速地确定技术公开的性质。提交本文件时应该理解为不会将其用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上的具体实施方式中，可以将各种特征分组在一起以简化本公开内容。这不应当被解释为意在：对于任何权利要求而言，未要求保护的公开的特征均是必要的。而是，发明主题可能在于少于特定公开的实施方式的所有特征。因此，所附权利要求作为示例或实施方式在此并入具体实施方式中，其中每项权利要求自身作为单独的实施方式而存在，并且可以设想的是，这样的实施方式可以以各种组合或排列彼此组合。应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本发明的范围。
本公开内容还涉及用于执行本文描述的操作的系统。该系统可以为所需目的而专门构建，或者该系统可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，诸如但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡，或者任何类型的适合于存储电子指令的介质，每个介质耦接到计算机系统总线。
除非具体说明，否则本文所示和所述的实施方式中的操作的实行或执行的顺序不是必需的。也就是说，除非具体说明，否则操作可以以任何顺序执行，并且本发明的实施方式可以包括比本文公开的操作更多或更少的操作。例如，预期在另一操作之前、同时或之后实行或执行具体操作是在权利要求的范围内的。
本公开内容可以用计算机可执行指令来实现。计算机可执行指令可以被组织成一个或更多个计算机可执行部件或模块。本发明的各方面可以用任何数量和组织的这样的部件或模块来实现。例如，本发明的各方面不限于在附图中示出并在本文中描述的具体计算机可执行指令或具体部件或模块。本发明的其他实施方式可以包括不同的计算机可执行指令或部件，该指令或部件具有比本文示出和描述的更多或更少的功能。
将明显的是，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，修改和变化是可能的。在不偏离权利要求的范围的情况下，可以对上述结构、产品和方法进行各种改变，其旨在上面描述中包含的以及附图中示出的所有内容都应该被解释为说明性的，而不是限制性的。

Claims (19)

1.一种验证放射疗法治疗计划的方法，包括：
基于患者的关注区域的医学图像制造或获得体模，所述关注区域包括要通过放射疗法治疗的靶区域和非靶区域；
使所述体模变形，以模拟所述靶区域或所述非靶区域中至少之一的变形；
通过对规定的辐射剂量应用几何变换来计算扭曲的辐射剂量，其中，所述规定的辐射剂量限定了要传送到所述关注区域的辐射的空间分布；
生成放射疗法治疗计划，所述放射疗法治疗计划用于配置放射疗法治疗设备以传送所述扭曲的辐射剂量；
测量当通过根据所述放射疗法治疗计划操作所述放射疗法治疗装置以将辐射传送到变形体模时由变形体模接收的所述辐射剂量分布；以及
通过将所测量的辐射剂量分布与所述规定的辐射剂量进行比较来验证所述放射疗法治疗方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
确定所述放射疗法治疗计划有效的所述靶区域或所述非靶区域中至少之一的最大变形。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述体模包括智能材料，所述智能材料在暴露于外部刺激时呈现形状变化，并且使所述体模变形包括将所述外部刺激应用于所述智能材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
在使所述体模变形之前获取所述体模的图像；
获取所述变形后的体模的图像；以及
基于所述体模的图像和所述变形后的体模的图像计算所述几何变换。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述体模的图像和所述变形后的体模的图像各自包括多个体素，并且其中，计算所述几何变换包括：
执行可变形图像配准以计算变形矢量场，所述变形矢量场将所述体模的图像中的每个体素映射到所述变形后的体模的图像中的相应体素。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，通过增材制造工艺制造所述体模。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，制造所述体模包括将多个剂量计放置在所述体模内。
8.一种验证剂量扭曲或其他剂量映射技术的方法，包括：
访问表示患者的关注区域的第一医学图像；
通过将第一变形矢量场应用于所述第一医学图像来生成第二医学图像；
生成、获得或提供分别与所述第一医学图像和所述第二医学图像对应的第一体模和第二体模；
测量当通过操作所述放射疗法治疗设备以分别向所述第一体模和所述第二体模传送辐射时由所述第一体模和所述第二体模接收的相应辐射剂量分布；
使用待验证的剂量扭曲或其他剂量映射技术，通过将所述第一变形矢量场应用于使用所述第一体模测量的第一辐射剂量分布来计算扭曲的辐射剂量；以及
通过将所计算的扭曲的剂量与使用所述第二体模测量的第二辐射剂量分布进行比较，验证所述剂量扭曲或映射技术的准确性。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一体模和所述第二体模中至少之一通过增材制造工艺制造。
10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，制造第一体模和第二体模中至少之一包括将多个剂量计放置在所述第一体模和所述第二体模中。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，通过对所述第一医学图像和所述第二医学图像执行可变形图像配准来生成第二变形矢量场，所述可变形图像配准将所述第一医学图像中的每个体素映射到所述第二医学中的对应体素，并且通过应用所述第二变形矢量场来计算扭曲的辐射剂量。
12.根据权利要求11所述的方法，包括验证所述剂量扭曲和所述可变形图像配准的累积精度。
13.一种验证放射疗法治疗疗次的方法，包括：
基于患者的关注区域的医学图像制造体模，所述医学图像是在放射疗法治疗疗次之前获取的，在所述放射疗法治疗疗次中，通过根据放射疗法治疗计划操作放射疗法设备来将辐射传送到所述患者；
测量当通过根据所述放射疗法治疗计划操作所述放射疗法设备以将辐射传送到所述体模时由所述体模接收的所述辐射剂量分布；和
通过将所测量的辐射剂量分布与在所述放射疗法治疗期间获得的剂量测量值进行比较来验证所述放射疗法治疗疗次。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过增材制造工艺制造所述体模。
15.根据权利要求13或14中的任一项所述的体模，其中，制造所述体模包括将多个剂量计定位在所述体模内。
16.一种用于放射疗法质量保证的体模，所述体模包括：
表现患者的靶区域的第一部分；
表现所述患者的非靶区域的第二部分；以及
其中，所述第一部分或所述第二部分中至少之一包括智能材料，所述智能材料在暴露于外部刺激时呈现形状变化。
17.根据权利要求16所述的体模，其中，通过增材制造工艺制造所述体模。
18.根据权利要求16所述的体模，其中，基于所述患者的关注区域的医学图像通过所述增材制造工艺来制造所述体模，所述关注区域包括所述靶区域和所述非靶区域，使得所述体模的所述第一部分和所述第二部分各自具有分别由所述医学图像中的所述靶区域和所述非靶区域的形状限定的相应形状。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的体模，其中，所述体模包括位于所述体模内的多个剂量计。
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