CN112188917A - 用于基于离子的放射疗法治疗计划的系统、计算机程序产品和方法 - Google Patents

Abstract

在剂量计划中，到达患者的特定区域的离子的累积路径长度被用作计划鲁棒性的指标。而且，针对多个射束方向确定累积路径长度的变化的大小，从而允许针对治疗计划中的最大鲁棒性来选择射束方向。

Description

用于基于离子的放射疗法治疗计划的系统、计算机程序产品 和方法

技术领域

本发明涉及确定基于离子的放射疗法治疗计划中的鲁棒性，并且涉及在基于离子的放射疗法治疗计划中对射束方向的选择。

背景技术

评估放射疗法治疗计划的质量很重要，以确保放射疗法治疗计划被正确地递送并且以所需的方式影响患者。向患者递送放射疗法治疗计划受到多种因素影响，其中一个重要因素是患者自身的解剖结构。患者体内的结构变化将导致粒子的分散，更改粒子的路径，从而影响最终的剂量分布。离子所穿越的结构的密度也会影响路径长度。

在基于离子的放射疗法中，每个离子将朝其路径的端部放出其大部分能量，从而形成所谓的布拉格峰。治疗计划中的关键问题是确保所有射束的布拉格峰都位于治疗区内，以使得治疗区的所有部分都接收规定的剂量，同时最小化到周围区的剂量。

布拉格峰的位置受到每个离子的动能Tp和离子所穿越的组织的性质的影响。选择Tp的值，以使得如从辐射源所看到的，具有最低能量的离子将靠近治疗区的最近的端部停止，而具有最高能量的离子将靠近治疗区的最远的端部停止。如果存在设置改变，例如，如果患者移动以使得离子将穿过不同类型的组织，则这将影响布拉格峰的位置，这进而会导致递送剂量错误。

在放射疗法治疗中，通常从患者周围的多个不同方向提供辐射，以使到靶的剂量最大化，同时保持到周围组织的剂量低。剂量计划的重要部分是选择合适的射束方向。

几何路径长度和水当量路径长度(WEPL)这两者在剂量计划中都是受关注的。WEPL被定义为等于在水中测量的距离，其中考虑离子所穿越的组织的密度以及水与所越过的介质之间的阻止能力比的变化。通常将WEPL计算为所考虑的材料中的距离乘以密度乘以水与介质阻止能力比的乘积。确定水当量路径长度的若干方法是已知的。一些剂量引擎(engine)，例如，蒙特卡洛(Monte Carlo)剂量引擎，具有用于计算作为剂量计划的一部分的WEPL的功能。设置错误可能会影响几何路径长度和WEPL两者。特别是在射束所进入的患者身体的那部分(诸如耳朵)具有不规则形状的情况下，几何路径长度可能会受到影响。WEPL将会受到不规则形状和组织密度变化的影响。沿着从进入点到相关体素的直线，最容易确定路径长度。然而，更实际地，路径将不是直线。因此，确定路径长度的替代方式是基于穿过体素的所有模拟轨迹的平均路径长度值。这对于几何路径长度和WEPL这两者均成立。

之所以在剂量计划中始终存在大量的不确定性，是因为无法控制诸如CT校准、组织不均匀性、器官运动和变形等因素。由于这种不确定性因素，因此期望尽可能鲁棒的计划，这意味着即使一些因素改变，该计划也应提供相同的剂量分布。也很重要的是评估放射疗法治疗计划的质量，以确保放射疗法治疗计划被正确地递送并且以所需的方式影响患者。在评估放射疗法治疗计划时，该计划的鲁棒性是关键因素。鲁棒性反映了在对设置进行小改变的情况下所述计划将如何运作。例如，如果接受治疗的患者相对于假定位置移动，这将影响粒子将停止的位置，从而也影响治疗。如果被穿越的组织类型由于所述移动而改变，则对路径长度的影响可能是显著的。因此，包含具有高组织不均匀性的区域的计划通常将不如包含具有相同或类似组织类型的区域的计划鲁棒。如果上述任何因素的改变都不会改变剂量，则将该计划描述为鲁棒的。一直期望提供尽可能鲁棒的治疗计划，并且还一直期望评估所计算的治疗计划的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的是提供一种评估治疗计划的鲁棒性的方法。

本发明涉及一种用于基于离子的放射疗法的基于计算机的放射疗法治疗计划中的方法，所述方法包括针对选定的射束方向以及针对治疗区中的至少第一部分和第二部分中的每一个在处理器中执行的以下步骤：

-获得与离子到达所述部分时离子所穿越的组织的累积路径长度有关的信息，

-计算代表累积路径长度的数量值，

-将第一部分和第二部分的数量值用作治疗计划的输入值。

本发明的方法对于确定已经计算出的放射疗法治疗计划的鲁棒性是有用的。在那种情况下，使用数量值的步骤涉及确定计划的鲁棒性，该鲁棒性相反地依赖于在计划中所使用的射束方向的路径长度变化。

与特定射束方向相关联的累积路径长度的变化是使用该特定射束方向的治疗计划能够有多鲁棒的指标。遍及射束具有一致的累积路径长度的射束方向指示组织均匀性，并且将比累积路径长度遍及射束变化的射束方向更鲁棒。据此，使用数量值的步骤可能涉及选择射束方向作为治疗计划的一部分。因此，该方法使得能够选择合适的射束方向，所述合适的射束方向将使得能够生成鲁棒的治疗计划。这一点将在下面更详细地讨论。

区的一部分通常是体素，但是区的一部分也可以以另一种合适的方式来定义，例如，定义为一组体素。为了提供整个区的计划的质量指示，优选单独地或成组地考虑所述区中的或所述区的相关部分中的所有体素。

所考虑的累积路径长度可以是几何路径长度。这将允许考虑患者的几何结构，特别是射束所进入的患者的区域中的任何不规则形状。在优选的实施例中，累积路径长度是水当量路径长度，WEPL。在这种情况下，将考虑患者的几何结构以及每个粒子所穿越的组织的密度。

与到达治疗区的一部分的离子的数量值有关的信息优选地包括指示将到达治疗区的该部分的至少两个离子所穿越的路径长度的平均值的值。替代地，与数量值有关的信息可能与仅一个粒子有关。也可以针对进入点和相关体素之间的最短路径来计算与数量值有关的信息。

对于区中的所有体素或对于体素的代表性选择(例如，每隔一个体素或每隔n个体素，n是合适的整数)，优选计算并报告覆盖每个射束的整个区上的累积路径长度。

该方法优选地进一步包括以下步骤：在治疗区的图像中，针对治疗区的第一部分和第二部分中的每一个显示代表数量值的信息，以提供鲁棒性的视觉指示。

显示信息的一种优选方式是借助于颜色方案，在该颜色方案中，将颜色分配给路径长度值。在这种情况下，为每个数量值分配颜色，并且显示代表累积路径长度的信息的步骤包括：显示治疗区的表征，其中治疗区的至少第一部分和第二部分中的每一个都以代表针对该治疗区的该部分所计算的路径长度的颜色加以显示。

显示信息的另一种可行的方式将是为每个数量值分配高程水平，显示代表路径长度的信息包括：显示治疗区的三维表征，其中治疗区的至少第一部分和第二部分中的每一个都以代表针对该治疗区的该部分所计算的路径长度的高程水平加以显示。

替代地，可以以穿过具有相同路径长度值的体素的一组线或平面的形式来显示分布。如果线或平面是平滑的并且垂直于射束方向，则这将意味着该计划是可靠的。如果线是不规则的，则这将指示小改变(例如，患者的运动)可能会严重影响剂量。

为了便于计算，优选地，使用一种剂量计算引擎，该剂量计算引擎将获得每个体素的相关路径长度信息作为计算的一部分，因为这将允许执行根据本发明的计算且实际上无需额外的计算努力。提供关于WEPL和几何路径长度的这种信息的剂量计算引擎是MonteCarlo引擎。由于在这种情况下的数量值根据穿过上游解剖结构的Monte Carlo传播来确定，因此仅考虑到达相应体素的粒子所穿越的区域。相对于离子所穿越的位置以最佳重要性加权方式对针对每个目标体素所考虑的区域进行采样。

当使用数量值作为治疗计划的输入时，针对两个或多个射束方向执行获取信息并且计算数量值的步骤，这将提供用于选择将要在治疗计划中使用的射束方向的输入数据。当将该方法应用于治疗计划时，通过执行以下步骤来确定至少两个可能的射束方向中的每一个的鲁棒性：获得信息并且计算至少两个可能的射束方向中的每一个的数量值，并且依赖于所述可能的射束方向的所确定的鲁棒性，在所述可能的射束方向中选择将要在治疗中使用的至少一个射束方向。更合适的射束方向将是其中WEPL分布指示小设置误差将不会影响剂量的射束方向。以这种方式，根据本发明的方法还提供用于放射治疗计划的输入数据，这将有助于使最终的计划更加鲁棒。

对至少一个射束方向的选择可以由操作员手动执行。在那种情况下，考虑多个射束方向，并且显示指示每个射束方向的路径长度变化的数据。然后，操作员可以选择路径长度变化可接受的射束方向和/或避免具有太大路径长度变化的射束方向。

替代地，将选择作为计算机实现的优化的一部分来进行。在这种情况下，优化问题应包括对路径长度变化的惩罚，这将导致选择相对于路径长度变化具有最佳值的射束方向。

本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读代码装置，当在计算机中被执行时，该计算机可读代码装置将引起计算机执行如上所述的方法。本发明还涉及一种非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质用计算机可执行指令加以编码，当在第一计算机设备中运行时，所述计算机可执行指令将引起该设备执行所述方法。本发明还涉及一种计算机系统，该计算机系统包括处理器、数据存储器和程序存储器，其中，该程序存储器包括如上所定义的计算机程序产品或非暂时性计算机可读介质。

附图说明

下面将通过示例并参考附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了分别从第一射束方向和第二射束方向穿过患者的射束的路径。

图2a示出了穿过患者的水当量路径长度，图2b示出了横穿患者的水当量路径长度的变化。

图3a和图3b是构成本发明的实施例的方法的流程图。

图4a和图4b以等WEPL曲线的形式示出了路径长度变化。

图5是其中可以实现该方法的计算机系统的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了路径长度的累积。示出了穿过患者的简化截面1，以及带电粒子的两个射束：从该图的左手边水平地进入患者的第一射束2和从该图的右下角进入患者的第二射束3。当粒子穿过患者时，它们将穿越不同类型的组织(在图1中未指示)。几何路径长度仅取决于粒子所穿越的几何距离。虚线4示出了在射束方向上在患者体内的一致的几何深度，即，遵循患者的外轮廓。水当量路径长度WEPL受到粒子所穿越的几何距离和所穿过的组织的类型特别是组织的密度的影响。

如针对第一射束2所示，粒子穿过患者的路径被划分成多个部分δs。为了清楚起见，这些部分不相称地大，并且只标记了这些部分中的少数几个。δs的典型值是2mm。典型地，每个部分对应于穿过一个体素的路径，因为这将使得能够使用在剂量引擎中已经计算出的值，但是如果可行，则可以使用其它划分。到达特定体素的一个粒子的路径长度是穿过该特定体素上游的所有体素(即，该粒子所穿越的体素)到达该特定体素的路径长度值δs的总和。如上所指出的，一个粒子的路径通常不是直线。

几何路径长度是从进入患者的粒子的进入点到相关体素的距离。这通常会相当均匀地分布，但是在患者的轮廓不规则的区域(例如，射束穿越耳朵的区域)中可能会采取更复杂的形式。

可以基于在正向MC剂量计算期间累积的每个体素的数据来计算WEPL。当在MonteCarlo剂量引擎中实现根据本发明的方法时，在Monte Carlo剂量计算期间，对质子所穿越的每个体素中每射束的WEPL进行累积。在完成剂量计算之后，计算每个体素的平均WEPL的3D分布。

图2a是图1的第一射束1的WEPL深度分布的示意图。如能够看到的，WEPL随着进入到患者体内的深度的增加而基本上线性地增加，在这个简化示例中指示接近均匀的组织。如果组织更不均匀，则曲线将不太笔直。

图2b是如在一个特定的射束方向上所看到的沿着穿过患者的横剖面(即，垂直于射束方向)的WEPL的变化的示意图。WEPL横剖面示出了在患者体内特定深度处沿体素的WEPL值。当考虑图1中的第一射束2时，WEPL横剖面将垂直于射束方向竖直地穿过患者。曲线的不规则性随着横穿患者的组织密度的变化的增加而增加，并且曲线的不规则性是用于放射疗法治疗计划中的射束方向的适合性的指标。不规则的曲线是射束方向将导致不太鲁棒计划的信号。平滑曲线是射束方向可能产生鲁棒计划的信号，因为患者的移动不会显著影响所递送的剂量。

图3a是根据本发明的用于确定计划鲁棒性的方法的示意性流程图。在第一步骤S31中，选择在计划中使用的射束方向。如上所提及的，每个体素的路径长度都取决于射束方向，因为从射束进入患者的点到所考虑的体素的几何距离以及被穿越的组织类型这两者对于不同的射束方向是不同的。

在步骤S32中，选择要考虑的体素，并且在步骤S33中，计算代表针对到达该体素的粒子所穿越的平均路径长度的路径长度值。粒子可能会停留在相关体素中，或者可能继续行进穿过患者的身体。重要的事情是体素上游的累积路径长度。路径长度可以是几何路径长度，或路径长度可以是WEPL。几何路径长度的变化将指示患者的几何结构将会对治疗产生多大的影响，特别是将指示进入点周围的患者表面不规则的程度。WEPL的变化将指示患者几何形状和组织类型变化这两者的影响。

在许多情况下，可以直接从剂量引擎获得几何路径长度以及WEPL值。例如，MonteCarlo剂量引擎已经为所有体素计算了几何路径长度和WEPL值。

步骤S34是确定是否应为更多体素确定路径长度的决策步骤。如果是，则过程返回到步骤S32，如果否，则过程继续到步骤S35。应当理解，出于说明性目的示出了步骤S32至S34。在典型情况下，将选择受射束影响的患者区中的多个体素，并且将并行提供所有体素的路径长度。所述体素可以是相关患者区中的所有体素，或者可以是体素的选择。例如，可以选择患者的子区。替代地，或者除了选择子区之外，还可以决定获得仅一个体素的值，或获得优选遍及子区均匀分布的多个体素(例如，每第二体素或每第三体素)的值。

当已经获得了应当显示的所有路径长度值时，在步骤S35中，将所述所有路径长度值显示在(通常叠加在)患者的图像上。这些值在2D图像中可以被显示为线，或在3D中可以被显示为颜色编码的平面。该显示将使用射束方向来指示计划的鲁棒性。当然，对于在计划中使用的一个以上射束方向，可以执行该方法并且显示结果数据。

该方法还可以用于治疗计划，以选择将要在治疗中使用的合适的射束方向，如图3b中所示。在这种情况下，步骤S31’涉及选择被考虑用于计划中的射束方向。步骤S32’、S33’和S34’类似于图3a的步骤S32至S34。在该实施例中，针对不同的射束方向多次执行该方法。这由步骤S35’指示，该步骤使得能够返回到步骤S31’以考虑另一射束方向。对于指示相同路径长度的线，或者对于具有相同路径长度的体素的平滑平行场，显示平滑的等WEPL曲线的射束方向，将比曲线不均匀的射束方向更鲁棒。当不再考虑更多的射束方向时，该方法进行到步骤S36’，在步骤S36’中使用所述结果。基于针对若干射束方向执行的方法的结果，可以选择能够实现鲁棒计划的射束方向。

选择一个或多个射束方向的选择可以由操作员手动执行。在这种情况下，步骤S36’涉及以类似于S35的方式显示数据，以使得操作员能够进行选择。替代地，所述结果可以在步骤S36’中用于自动计划算法，该算法被布置成对路径长度变化施加惩罚。如何实现这一点是本领域技术人员众所周知的，并且通常包括被设计为限制路径长度变化的目标函数，或对最大允许路径长度变化的约束。

WEPL深度分布的形状或等WEPL平面的形状指示使用在步骤S31中选择的射束方向的计划的鲁棒性。等WEPL线是指穿过在一定间隔内具有相同WEPL或WEPL值的体素的线。

图4a和图4b示出了两种不同情况下的等WEPL带。图4a示出了在理想情况下在治疗区1中WEPL的分布，在治疗区1中，离子穿过具有平坦外表面的完全均匀的介质。如水平箭头所指示，入射离子的方向垂直于介质的表面。用不同的图案来标识六种不同的等WEPL曲线B1-B6：水平线、垂直线和四种不同图案的对角线。每条等WEPL曲线在整个治疗区中都形成大致平行于离子的入射表面的WEPL值带，但是为了简单起见，将它们显示为直线。这示出了在射束方向上具有相同几何路径长度的所有体素也将与基本上相同的WEPL相关联。

图4b示出了在稍微更实际的患者区内路径长度的分布。在离子的路径2中有低密度区域3，诸如气穴。这将导致与穿过其它类型的组织行进相同的几何距离的离子相比，穿越低密度区域的离子在该区域将经历更短的WEPL贡献。因此，如等WEPL曲线B1’至B6’所示，气穴3内的路径长度和气穴3周围的路径长度在解剖图像中将呈现更不规则的形状。如能够看到的，存在由离子传播穿过低密度区3所引起的波纹。

诸如图4a和图4b中的图像之类的图像提供了对离子传播穿过该区所经历的WEPL的规则性的指示。WEPL带的大量波纹或不规则形状指示计划的较低的鲁棒性，因为患者的小移动或对设置的其它改变可能导致实际上递送到患者的剂量分布的显著变化。可以以与图4A和图4B所示相同的方式来显示几何路径长度。

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和程序存储器35。优选地，还存在用户输入装置37、38，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。用户输入装置还可以被布置为从外部存储器单元接收数据。

在数据存储器34中找到将要评估的治疗计划。可以在计算机31中生成该治疗计划，或者以本领域中已知的任何方式从另一存储装置接收该治疗计划。

数据存储器34还保存每个体素的所储存的离子路径长度信息。如将理解的，仅示意性地示出数据存储器34。可能存在每个都保存一种或多种不同类型的数据的若干数据存储器单元，例如，用于治疗计划的一个数据存储器、用于CT扫描的一个数据存储器等。

程序存储器35保存计算机程序，该计算机程序被布置为控制处理器以执行根据本发明的计划评估。

Claims (14)

1.一种基于计算机的方法，用于评估基于离子的放射疗法的放射疗法治疗计划的鲁棒性，所述方法包括针对选定的射束方向在处理器中执行的以下步骤：

-获得关于治疗区中的至少第一部分和第二部分中的每一个的信息，所述信息与离子到达所述部分时所穿过的组织的累积路径长度有关，

-计算代表所述至少第一部分和第二部分中的每一个的累积路径长度的数量值，

-基于所述第一部分和所述第二部分的数量值，确定所述计划的鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述累积路径长度是水当量路径长度，WEPL。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述累积路径长度是几何路径长度。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：针对所述治疗区的所述第一部分和所述第二部分中的每一个，在所述治疗区的图像中显示代表所述数量值的信息。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，与到达所述治疗区的一部分的离子的数量值有关的信息包括指示将到达所述治疗区的所述一部分的至少两个离子所穿过的累积路径长度的平均值的值。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，为每个数量值分配颜色，并且显示代表所述累积路径长度的信息的步骤包括显示所述治疗区的表征，其中所述治疗区的所述至少第一部分和第二部分中的每一个以代表针对所述治疗区的那个部分计算的路径长度的颜色加以显示。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，为每个数量值分配高程水平，并且显示代表所述路径长度的信息的步骤包括显示所述治疗区的三维表征，其中所述治疗区的所述至少第一部分和第二部分中的每一个以代表针对所述治疗区的那个部分计算的路径长度的高程水平加以显示。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使用所述数量信息的步骤包括确定治疗计划的鲁棒性，所述鲁棒性优选相反地依赖于在所述计划中使用的至少一个射束方向的路径长度变化。

9.一种基于离子的放射疗法治疗计划的方法，所述方法包括通过执行以下步骤来确定至少两个可能的射束方向中的每一个的鲁棒性：获得信息并且针对所述至少两个可能的射束方向中的每一个计算数量值；以及依赖于所述可能的射束方向的数量值，在所述可能的射束方向中选择将在所述治疗中使用的至少一个射束方向。

10.根据权利要求9所述的基于离子的放射疗法治疗计划的方法，其中，对所述至少一个射束方向的选择由操作员执行。

11.根据权利要求9所述的基于离子的放射疗法治疗计划的方法，其中，所述选择作为计算机实现的优化的一部分进行。

12.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读代码装置，当在计算机中被执行时，所述计算机可读代码装置将引起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。

13.一种非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质用计算机可执行指令加以编码，当在第一计算机设备中运行时，所述计算机可执行指令将引起所述设备执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。

14.一种计算机系统，包括处理器(33)、数据存储器(34)和程序存储器(35)，其中所述程序存储器包括根据权利要求12所述的计算机程序产品或根据权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质。

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