CN113557057A - 用于放射治疗计划的剂量率信息的图形显示 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及用于放射治疗计划的剂量率信息的图形显示。图形用户界面(GUI)被绘制且显示，GUI包括对靶体积和靶体积的子体积的表示。计算机系统存储器中的信息被访问，该信息包括由每个子体积接收的剂量率。属性的值与每个子体积相关联，其中该值对应于由该子体积接收的剂量率的量。然后根据该值绘制每个子体积。GUI可以包括针对靶体积的剂量率‑体积直方图和/或辐照时间‑体积直方图。

Description

用于放射治疗计划的剂量率信息的图形显示

相关申请

本申请涉及同时提交的D.Khuntia等人的案卷号为VAR-19001(2019-009US01)的标题为“Radiation Treatment Planning Based on Dose Rate”(基于剂量率的放射治疗计划)的申请，并涉及也与本案同时提交的D.Khuntia等人的案卷号为VAR-19003(2019-011US01)的标题为“Radiation Treatment Planning Based on Dose Rate”(基于剂量率的放射治疗)的申请，这两个申请通过引用整体并入本文。

背景技术

使用放射疗法来治疗癌症是众所周知的。通常，放射治疗涉及将高能质子、光子、离子或电子放射(“治疗放射”)的射束引导到靶或靶体积(例如，包括肿瘤或病变的体积)中。

在用放射治疗患者之前，制定特定于该患者的治疗计划。该计划使用基于过去经验的模拟和优化来定义治疗的各个方面。一般来说，治疗计划的目的是向不健康组织递送足够的放射，同时最大限度地减少周围健康组织对放射的暴露。

计划者的目标是找到关于多个临床目标而言最佳的解决方案，这些目标可能是矛盾的，因为朝着一个目标的改进可能对实现另一个目标具有不利影响。例如，使肝脏免于接收一定剂量放射的治疗计划可能会导致胃接收过多的放射。这些类型的权衡导致了一个迭代过程，在该过程中，计划者创建不同的计划以找到最适合实现预期结果的一个计划。

最近的放射生物学研究已经证明在单个短时间段内向靶递送完整的、相对高的治疗放射剂量的有效性。例如，每个射束可以在不到一秒的时间内递送至少四个格雷(Gy)，并且可以在不到一秒的时间内递送多达20Gy到50Gy或者多达100Gy或更多。这种类型的治疗在本文中通常被称为快速放射治疗(FLASH RT)。

迄今为止的证据显示，当正常、健康的组织仅在很短的时间段内暴露于高放射剂量时，FLASH RT有利地使该组织免受损伤。因此，FLASH RT引入了传统放射治疗计划中未考虑或未实现的重要限制。

发明内容

在其中粒子射束的强度在整个递送场中是恒定的或调制的放射疗法技术中，诸如在强度调制放射疗法(IMRT)和强度调制粒子疗法(IMPT)中，射束强度在患者的每个治疗区域(靶体积)不同。取决于治疗模式，可用于强度调制的自由度包括射束整形(准直)、射束加权(点扫描)和入射角(其可以被称为射束几何形状)。这些自由度实际上导致了无限数量的潜在治疗计划，并且因此持续有效地生成和评估高质量的治疗计划超出了人类的能力，并且依赖于计算机系统的使用，特别是考虑到与使用放射疗法治疗癌症等疾病相关联的时间限制，以及在任何给定时间段期间正在接受或需要接受放射疗法的大量患者。

根据本发明的实施例提供了一种用于快速放射疗法(FLASH RT)的放射治疗计划的改进方法，以及基于这种计划的改进的放射治疗。

在实施例中，为靶体积生成剂量率-体积直方图(不同于剂量-体积直方图)。剂量率-体积直方图指示剂量率和接收剂量率的靶体积的百分比。剂量率-体积直方图可以被存储在计算机系统存储器中并被用来生成放射治疗计划。可以调节对剂量率有影响的参数值，直到剂量率-体积直方图满足与放射治疗计划相关的目标。

在实施例中，参数包括靶体积的辐照次数、每次辐照的持续时间以及每次辐照中沉积的剂量。在实施例中，参数还包括要被引导到靶体积中的射束的方向，以及针对每个射束的射束能量。在实施例中，参数还包括施加辐照的时间段(例如，在一段时间诸如一小时内间歇地施加辐照)，以及每个辐照时段之间的时间间隔(例如，每个一小时长的时段以一天分隔)。

在实施例中，为靶体积生成辐照时间-体积直方图(也不同于剂量-体积直方图)。辐照时间-体积直方图指示辐照时间(持续时间)和在那些时间量内辐照的靶体积的百分比。辐照时间-体积直方图可以被存储在计算机系统存储器中并被用于生成放射治疗计划。可以调节对辐照时间有影响的参数值，直到辐照时间-体积直方图满足与放射治疗计划相关的目标。

在有或没有剂量-体积直方图的情况下，剂量率-体积直方图和辐照时间-体积直方图二者，或仅剂量率-体积直方图，或仅辐照时间-体积直方图均可以被生成、被评估并被用来生成放射治疗计划。

在实施例中，包括靶体积和靶体积的子体积的表示的图形用户界面(GUI)被绘制和显示。在那些实施例中，访问计算机系统存储器中的信息，该信息包括由每个子体积接收的剂量率。属性的值与每个子体积相关联，其中该值对应于由该子体积接收的剂量率的量。然后根据该值绘制每个子体积。

靶体积的绘制可以是靶体积的二维横截面或靶体积的虚拟三维表示。

在实施例中，GUI包括剂量率-体积直方图。在实施例中，GUI包括剂量率相对于靶体积的、基于剂量率-体积直方图的等值线。在实施例中，GUI包括针对靶体积的辐照时间-体积直方图。

根据本发明的实施例通过将FLASH RT扩展到更广泛的治疗平台和靶部位(例如，肿瘤)来改进放射治疗计划和治疗本身。与用于FLASH剂量率的传统技术相比，如本文所述生成的治疗计划通过优化在靶体积中递送到靶体积中的不健康组织(例如，肿瘤)的剂量率与递送到周围健康组织的剂量率之间的平衡而在使健康组织免受放射方面更优越。当与FLASH剂量率一起使用时，患者运动的管理得到简化，因为剂量是在短时间段内(例如，不到一秒)施加的。治疗计划虽然仍然是一项复杂的任务，但相对于传统的治疗计划有所改进。除了这些益处之外，GUI通过如下操作来促进治疗计划：允许计划者容易地可视化所提议的治疗计划的关键元素(例如，每个子体积的剂量率)，容易地可视化那些元素对所提议的治疗计划的改变的影响，并容易地可视化不同计划之间的比较。

总之，根据本公开的实施例涉及生成和实施最有效(相对于其他计划)并且具有最少(或最可接受的)副作用(例如，在正被治疗的区域之外具有较少剂量率)的治疗计划。因此，根据本发明的实施例具体地改进了放射治疗计划的领域并且总体上改进了放射治疗的领域。根据本发明的实施例允许快速生成更有效的治疗计划。此外，根据本发明的实施例有助于改进计算机的功能，因为例如，通过降低生成治疗计划的复杂性，需要和消耗更少的计算资源，这也意味着释放计算机资源以执行其他任务。

除了诸如IMRT和IMPT之类的放射疗法技术之外，根据本发明的实施例可以被用于空间分割放射疗法，包括高剂量空间分割网格放射疗法和微射束放射疗法。

本领域技术人员在阅读了在各个附图中图示出的以下详细描述后将认识到根据本发明的实施例的这些和其他目的和优点。

本发明内容被提供来介绍在以下详细描述中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在被用来限制要求保护的主题的范围。

附图说明

合并在本说明书中并形成其一部分的附图图示出了本公开的实施例，并且与详细描述一起用于解释本公开的原理，在附图中相同的数字描绘相同的元件。

图1是在其上可以实现本文描述的实施例的计算机系统的示例的框图。

图2是图示出了根据本发明的实施例中的自动放射疗法治疗计划系统的示例的框图。

图3图示出了根据本发明的实施例中的基于知识的计划系统。

图4是示出了在其上可以实现根据本发明的实施例的放射疗法系统的选定组件的框图。

图5图示出了根据本发明的实施例中的射束的射束眼视图。

图6A图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。

图6B图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的截面图。

图6C图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。

图6D图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的截面图。

图7A和图7B图示出了根据本发明的实施例中的剂量率-体积直方图的示例。

图7C图示出了根据本发明的实施例中的靶体积中的子体积。

图7D图示出了根据本发明的实施例中的辐照时间-体积直方图的示例。

图8是根据本发明的实施例中的用于放射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图。

图9图示出了在根据本发明的实施例中剂量率相对于靶体积的等值线的示例。

图10是根据本发明的实施例中的用于放射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图。

图11图示出了图形用户界面(GUI)的示例，其可以被用来显示与根据本发明的实施例中的放射治疗计划相关联的信息。

图12和图13是根据本发明的实施例中的用于生成GUI的计算机实现的操作的示例的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的各种实施例，其示例在附图中图示出。虽然结合这些实施例进行了描述，但应当理解，它们并不旨在将本公开内容限制为这些实施例。相反，本公开旨在覆盖可以被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替代物、修改和等同物。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情形中，未对公知的方法、进程、组件和电路进行详细描述，以免不必要地模糊本公开的各方面。

根据进程、逻辑块、处理和对计算机存储器内的数据位操作的其他符号表示来呈现以下详细描述的一些部分。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将其工作的实质最有效地传达给本领域的其他技术人员的手段。在本申请中，进程、逻辑块、过程等被认为是导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。这些步骤是利用物理量的物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，但是这些量采取能够在计算机系统中存储、传送、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。已证明，主要出于通用目的，有时将这些信号称为事务、位、值、元素、符号、字符、样本、像素等是方便的。

然而，应当注意，所有这些和类似的术语都将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从以下讨论中清楚地另有具体陈述，否则应当了解，在本公开中，利用诸如“确定”、“访问”、“生成”、“表示”、“应用”、“指示”、“存储、“使用”、“调节”、“包括”、“计算”、“显示”、“关联”、“绘制”、“确定”之类的术语的讨论是指计算机系统或类似的电子计算设备或处理器(例如，图1的计算机系统100)动作和过程(例如，图8、图10、图12和图13的流程图)。计算机系统或类似的电子计算设备在计算机系统的存储器、寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备内操纵和转换表示为物理(电子)量的数据。诸如“剂量”或“剂量率”或“注量”之类的术语通常分别指的是剂量值或剂量率值或注量值；从周围讨论的上下文中将清楚这些术语的使用。

根据方法来呈现和讨论以下详细描述的各部分。尽管本文在描述这些方法的操作的附图(例如，图8、图10、图12和图13)中公开了步骤及其顺序，但是这些步骤和顺序仅是示例。实施例非常适合于执行本文中的附图的流程图中所列举的各种其他步骤或步骤的变体，并且以不同于本文所描绘和描述的顺序来执行。

可以在驻留在由一个或多个计算机或其他设备执行的某种形式的计算机可读存储介质(诸如程序模块)上的计算机可执行指令的一般上下文中讨论本文描述的实施例。作为示例而非限制，计算机可读存储介质可以包括非瞬态计算机存储介质和通信介质。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。在各种实施例中，可以根据需要组合或分配程序模块的功能性。

计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据之类的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存或其他存储技术、光盘ROM(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)或其他光存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备，或者可以被用来存储所需信息并可以被访问以检索该信息的任何其他介质。

通信介质可以体现计算机可执行指令、数据结构和程序模块，并且包括任何信息递送介质。作为示例而非限制，通信介质包括诸如有线网络或直接有线连接之类的有线介质，以及诸如声学、射频(RF)、红外线和其他无线介质之类的无线介质。上述的任何组合也可以被包括在计算机可读介质的范围内。

使用不同类型直方图的放射治疗计划

图1示出了在其上可以实现本文描述的实施例的计算机系统100的示例的框图。在其最基本的配置中，系统100包括至少一个处理单元102和存储器104。该最基本的配置在图1中由虚线106图示出。系统100还可具有附加特征和/或功能性。例如，系统100还可以包括附加存储装置(可移除和/或不可移除)，其包括但不限于磁盘或光盘或磁带。这种附加存储装置在图1中由可移除存储装置108和不可移除存储装置120图示出。系统100还可以包含(多个)通信连接122，其允许设备例如使用与一个或多个远程计算机的逻辑连接在网络环境中与其他设备通信。

系统100还包括(多个)输入设备124，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。还包括(多个)输出设备126，诸如显示设备、扬声器、打印机等。显示设备例如可以是阴极射线管显示器、发光二极管显示器或液晶显示器。

在图1的示例中，存储器104包括与“优化器”模型150相关联的计算机可读指令、数据结构、程序模块等。然而，优化器模型150可以替代地驻留在由系统100所使用的任何一种计算机存储介质中，或者可以分布在计算机存储介质的某种组合上，或者可以分布在联网计算机的某种组合上。下面描述优化器模型150的功能性。

图2是图示出了根据本发明的实施例中的自动放射治疗疗法计划系统200的示例的框图。系统200包括用于接收患者特定信息(数据)201的输入接口210、实现优化器模型150的数据处理组件220和输出接口230。系统200可以全部或部分地被实现为在计算机系统100(图1)上的软件程序、硬件逻辑或其组合/使用计算机系统100(图1)上的软件程序、硬件逻辑或其组合来实现。

在图2的示例中，患者特定信息被提供给优化器模型150并由其处理。优化器模型150产生预测结果。然后可以生成基于预测结果的治疗计划。

图3图示出了根据本发明的实施例中的基于知识的计划系统300。在图3的示例中，系统300包括知识库302和治疗计划工具集310。知识库302包括患者记录304(例如，放射治疗计划)、治疗类型306和统计模型308。图3的示例中的治疗计划工具集310包括当前患者记录312、治疗类型314、医学图像处理模块316、优化器模型(模块)150、剂量分布模块320和最终放射治疗计划322。

治疗计划工具集310通过知识库302(通过患者记录304)搜索与当前患者记录312相似的先前患者记录。统计模型308可以被用来对当前患者记录312的预测结果与统计患者进行比较。使用当前患者记录312、选定的治疗类型306和选定的统计模型308，工具集310生成放射治疗计划322。

更具体地，基于过去的临床经验，当患者表现出特定的诊断、阶段、年龄、体重、性别、合并症等时，可以存在最常使用的治疗类型。通过选择计划者过去对类似患者所使用的治疗类型，第一步治疗类型314可以被选择。患者结局，其可以包括作为剂量率的函数的正常组织并发症概率和特定于患者的治疗类型的结局(例如，局部复发失败，以及作为剂量率-体积直方图的函数的总生存期(图7A)和/或辐照时间-体积直方图(图7D))，可以被包括在治疗计划过程中。医学图像处理模块316提供二维横截面载玻片的自动轮廓绘制和自动分割(例如，来自任何成像模态，诸如但不限于计算机断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描-CT、磁共振成像和超声)，以使用当前患者记录312中的医学图像来形成三维(3D)图像。剂量分布图和剂量率分布图由剂量和剂量率分布模块320计算，其可以利用优化器模型150。

在根据本发明的实施例中，优化器模型150使用剂量预测模型来提供例如3D剂量分布、通量和剂量率，以及关联的剂量-体积直方图和剂量率-体积直方图。

以下讨论涉及射束、靶体积、剂量、剂量率和其他元素或值。除非在讨论中另外指出或说明，否则下面的讨论是在治疗计划工具集310和优化器模型150(图3)中的建模元素和计算值的上下文中进行的。

图4是示出了在其上可以实现根据本发明的实施例的放射疗法系统400的选定组件的框图。在图4的示例中，系统400包括射束系统404和喷嘴406。

射束系统404生成并传送射束401。射束401可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束(例如，碳、氦和锂)。在实施例中，取决于射束的类型，射束系统404包括在朝向喷嘴406并进入喷嘴406的方向上引导(例如，弯曲、转向或指引)射束系统的组件。在实施例中，放射疗法系统可以包括一个或多个多叶准直器(MLC)；每个MLC叶片可以由控制系统410独立地来回移动，以动态地整形射束可以通过的孔径，阻挡或不阻挡射束的一部分，从而控制射束形状和曝光时间。射束系统404还可以包括被用来调节(例如，减少)进入喷嘴406的射束能量的组件。

喷嘴406被用来将射束对准治疗室中支持在患者支持设备408(例如椅子或台子)上的物体(例如，患者)内的各个位置(靶体积)。靶体积可以是器官、器官的一部分(例如，器官内的一个体积或区域)、肿瘤、患病组织或患者轮廓。靶体积可以包括不健康组织(例如，肿瘤)和健康组织。

喷嘴406可以被安装在可以相对于患者支持设备408移动的台架上或者是台架的一部分，患者支持设备408也可以是可移动的。在实施例中，射束系统404也被安装在台架上或者是台架的一部分。在另一个实施例中，射束系统与台架是分离的(但与台架连通)。

图4的控制系统410接收并实现规定的放射治疗计划。在实施例中，控制系统410包括具有处理器、存储器、输入设备(例如键盘)以及可能是公知方式的显示器的计算机系统。控制系统410可以接收关于系统400的操作的数据。根据它接收的数据以及根据规定的放射治疗计划，控制系统410可以控制射束系统404、喷嘴406和患者支持设备408的参数，包括诸如射束的能量、强度、方向、尺寸和/或形状。

如上面所指出，进入喷嘴406的射束具有指定的能量。因此，在根据本公开的实施例中，喷嘴406包括影响(例如，减少、调制)射束能量的一个或多个组件。术语“射束能量调节器”在本文中被用作影响射束能量的一个或多个组件的通用术语，以便控制射束的范围(例如，射束穿透靶的程度)，以控制由射束所递送的剂量，和/或控制射束的深度剂量曲线，这取决于射束的类型。例如，对于具有布拉格峰的质子射束或离子射束，射束能量调节器可以控制布拉格峰在靶体积中的位置。在各种实施例中，射束能量调节器407包括范围调制器、范围移位器或范围调制器和范围移位器两者。

在其中粒子射束的强度在整个递送场中是恒定的或调制的放射疗法技术中，诸如在强度调制放射疗法(IMRT)和强度调制粒子疗法(IMPT)中，射束强度在患者的每个治疗区域(靶体积)不同。取决于治疗模式，可用于强度调制的自由度包括射束整形(准直)、射束加权(点扫描)和入射角(其可以被称为射束几何形状)。这些自由度实际上导致了无限数量的潜在治疗计划，并且因此持续有效地生成和评估高质量的治疗计划超出了人类的能力，并且依赖于计算机系统的使用，特别是考虑到与使用放射疗法治疗癌症等疾病相关联的时间限制，以及在任何给定时间段期间正在接受或需要接受放射疗法的大量患者。

图5图示出了根据本发明的实施例中的射束502的射束眼视图(BEV)。也就是说，图5图示出了射束的横截面。射束502被图示为具有高度H和宽度W的矩形形状。然而，本发明不限于此，并且射束502实际上可以具有任何规则或不规则的横截面(例如，BEV)形状。例如，射束502的形状可以使用阻挡射束的一部分或多个部分的MLC来定义。不同的射束可以具有不同的形状。

在图5的实施例中，射束502包括由射束段504、506和508例示的多个射束段或子射束(也可以被称为点)。为射束502指定了最大能量(例如，80MeV)，并且将针对每个射束段的能级定义为最大能量的百分比或分数。本质上，每个射束段都根据其能级进行加权；一些射束段被加权以具有比其他射束段更高的能级。通过对每个射束段的能量进行加权，实际上每个射束段的强度也被加权。可以使用图4的射束能量调节器407为每个射束段实现所定义的能级或强度。

每个射束段可以递送相对高的剂量率(在相对较短的时间内相对高的剂量)。例如，每个射束段可以在不到一秒的时间内递送至少四个格雷(Gy)，并且可以在不到一秒的时间内递送多达20Gy到50Gy或100Gy或更多。

在操作中，在实施例中，射束段被顺序地递送。例如，射束段504被递送到靶体积(打开)然后关闭，然后射束段506打开然后关闭，然后射束段508打开然后关闭，以此类推。每个射束段可以仅打开几分之一秒(例如，几毫秒)。

图6A图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。在图6A的示例中，射束(以射束602为例示)在同一平面中。射束可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束。每个射束可以递送相对较高的剂量率(在相对较短的时间内递送相对较高的剂量)。例如，在实施例中，每个射束可以递送足以用于FLASH RT的剂量(例如，在不到一秒内至少4Gy，并且在不到一秒内多达20Gy至50Gy或100Gy或更多)。每个射束可以包括一个或多个射束段或子射束。在该示例中，射束的路径仅在靶体积604内重叠，并且在靶体积外在周围组织606中不重叠。

在图6A的示例中，射束602(例如)被图示为完全穿过靶体积604。对于具有布拉格峰的射束(例如，质子射束和离子射束)，可以控制射束的范围，以使得射束不完全穿过靶体积。

尽管在图6A中示出了多个射束，但这并不意味着所有射束必须同时或在重叠的时间段内被递送，尽管它们可以如此。在任一时间递送的射束的数量取决于放射治疗系统(例如，图4的放射治疗系统400)中的台架或喷嘴的数量以及治疗计划。

图6B图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的截面图。在该示例中，射束(以射束605和607为例)仅在靶体积内重叠并且在同一平面中。该图以重叠的方式描绘了射束以演示靶体积604的每个部分接收一定剂量的放射。射束可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束。在图6B的示例中，射束被图示为没有延伸超出靶体积604的远侧边缘(正如是质子射束或离子射束的情况)；然而，本发明不限于此。每个射束可以在相对较短的时间段内递送相对较高的剂量。例如，每个射束都可以递送足以用于FLASH RT的剂量率。

图6C图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。在图6C的示例中，射束(以射束612为例)在不同的平面中。每个射束可以包括一个或多个射束段或子射束。在该示例中，射束的路径仅在靶体积604内重叠，而在靶体积外在周围组织606中不重叠。尽管图中示出了多个射束，但是所有射束不一定同时或在重叠的时间段内被递送，如上面所提及的那样。射束可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束。每个射束可以在相对较短的时间内递送相对较高的剂量。例如，每个射束都可以递送足以用于FLASH RT的剂量率。

图6D图示出了根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的截面图。在该示例中，射束(以射束621、622和623为例)仅在靶体积内重叠并且在同一平面中。虽然图示出了三个射束，但本发明不限于此。如本文所述，每一射束可以包括一个或多个射束段或子射束。在该示例中，射束的路径仅在靶体积604内重叠，而在靶外部在周围组织606中不重叠。尽管图中示出了多个射束，但是所有射束不一定同时或在重叠时间段内被递送，如上面所提及的那样。射束可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束。每个射束可以在相对较短的时间内递送相对较高的剂量。例如，每个射束都可以递送足以用于FLASHRT的剂量率。

在图6D的示例中，射束621、622和623在子体积630处相交，靶体积604中的其他子体积接收来自射束之二的剂量，靶体积中的其他子体积仅接收来自射束之一的剂量，并且还有其他子体积不接收剂量。射束的方向和/或数量可以在多个治疗阶段(即，按时间分)上变化，以使得在靶上递送均匀剂量。

在根据本发明的实施例中，为靶体积生成剂量率-体积直方图(其不同于剂量-体积直方图，但可以与剂量-体积直方图一起使用)。剂量率-体积直方图可以基于所提议的放射治疗计划来生成。剂量率-体积直方图可以被存储在计算机系统存储器中并被用来生成将被用于治疗患者的最终放射治疗计划。可以调节对剂量率有影响的参数值，直到剂量率-体积直方图满足患者治疗的目标或与患者治疗相关联的目标。

图7A图示出了根据本发明的实施例中的剂量率-体积直方图700的示例。剂量率-体积直方图绘制了累积的剂量率与靶体积频率分布，其总结了将由所提议的放射治疗计划产生的感兴趣靶体积(例如，图6A-图6D的靶体积604)内的模拟的剂量率分布。可以使用图1的优化器模型150来确定模拟的剂量率分布。剂量率-体积直方图指示剂量率和接收该剂量率的靶体积的百分比。例如，如图7A中所示，100％的靶体积接收剂量率X，50％的靶体积接收剂量率Y，依此类推。剂量率-体积直方图700可以被显示为图形用户界面(GUI)或图形用户界面(GUI)的一部分(参见下面图11、图12和图13的讨论)。

例如，靶体积604可以包括不同的器官，或者它可以包括健康组织和不健康组织(例如，肿瘤)。因此，参考图7B和图7C，剂量率-体积直方图710包括多条曲线712和714，分别示出了针对靶体积的第一子体积722(例如，针对一个器官或针对健康组织)的模拟的剂量率分布和针对第二子体积724(例如，针对第二器官或针对不健康组织)的模拟的剂量率分布。剂量率-体积直方图中可以包括两个以上的模拟的剂量率分布。剂量率-体积直方图710可以被显示为GUI或GUI的一部分(参见下面图11、图12和图13的讨论)。

靶体积604可以(实际上)被划分为多个体素。子体积可以包括单个体素或多个体素。

在根据本发明的实施例中，针对靶体积生成辐照时间-体积直方图(其不同于剂量-体积直方图和/或剂量率-体积直方图，但是可以与剂量-体积直方图和/或剂量率-体积直方图一起使用)。辐照时间-体积直方图可以被存储在计算机系统存储器中并且被用来与剂量-体积直方图和/或剂量率-体积直方图结合或代替剂量-体积直方图和/或剂量率-体积直方图来生成放射治疗计划。

图7D图示出了根据本发明的实施例中的辐照时间-体积直方图750的示例。辐照时间-体积直方图绘制了累积的辐照时间-靶体积频率分布，其总结了将由提议的放射治疗计划产生的感兴趣靶体积(例如，图6A-图6D的靶体积604)内的模拟的辐照时间分布。可以使用图1的优化器模型150来确定模拟的辐照时间分布。辐照时间-体积直方图指示辐照时间(时间长度)和被辐照达这些时间长度的靶体积的百分比。剂量率-体积直方图750可以被显示为GUI或GUI的一部分(参见下面图11、图12和图13的讨论)。

图8是根据本发明的实施例中的用于放射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图800，包括生成剂量率-体积直方图或辐照时间-体积直方图。流程图800可以被实现为驻留在某种形式的计算机可读存储介质上(例如，在图1的计算机系统100的存储器中)的计算机可执行指令(例如，图1的优化器模型150)。

在图8的块802中，所提议的放射治疗计划被定义(例如，使用图1和图2的优化器模型150)、被存储在计算机系统存储器中并且被访问。所提议的放射治疗计划包括可以影响剂量率的参数值以及其他参数。可以影响剂量率的参数包括但不限于靶体积的辐照次数、每次辐照的持续时间(辐照时间)和每次辐照中沉积的剂量。参数还可以包括要被引导到靶体积中的射束的方向，以及每个射束的射束能量。参数还可以包括施加辐照的时间段(例如，在一段时间诸如一小时内施加多次辐照，在该时间段内的每次辐照与下一次辐照相隔另一个时间段)和每个辐照时段之间的时间间隔(例如，每个一小时长的时段与下一个时段相隔一天)。如果靶体积被划分成子体积或体素，那么参数的值可以基于每个子体积或每个体素(例如，每个子体积或体素的值)。

可以在优化模型150(图3)中利用(多个)适当的剂量阈值曲线(例如，正常组织免受剂量对比剂量率或辐照时间)来建立针对放射治疗计划的剂量限制。例如，适当的(例如，组织相关的)剂量阈值曲线可以被用来确定射束方向(台架角度)和射束段权重(图7A)。也就是说，可以在放射治疗计划期间调节影响剂量的参数，以使得满足剂量阈值曲线中的限制。剂量阈值曲线可以是组织相关的。例如，针对肺的剂量阈值曲线可能与针对大脑的不同。

剂量限制可以包括但不限于：针对靶中的每个子体积(体素)的最大辐照时间限制(例如，针对靶组织的每个体素，治疗时间小于x1秒)；针对靶外的每个子体积(体素)的最大辐照时间限制(例如，针对正常组织的每个体素，治疗时间小于x2秒；x1和x2可以相同或不同)；针对靶中的每个子体积(体素)的最小剂量率限制(例如，针对靶组织的每个体素，剂量率大于y1 Gy/秒)；以及针对靶外的每个子体积(体素)的最小剂量率限制(例如，针对正常组织的每个体素，剂量率大于y2 Gy/秒；y1和y2可以相同或不同)。一般来说，这些限制旨在将辐照正常组织的时间最小化。

在块804中，在实施例中，基于所提议的放射治疗计划中的参数值来生成剂量率-体积直方图。可以确定每个子体积或体素的剂量率。剂量率是每次辐照中沉积的剂量除以辐照持续时间的总和，乘以辐照次数(例如，分部的数量)。可以使用精细的时间指数(例如，毫秒级的时间增量)来确定和记录剂量率；也就是说，例如，对每个子体积或体素的剂量可以按每射束和每分部的每毫秒级的时间增量来进行记录。剂量率是累积的。例如，取决于射束方向和能量，靶体积的一些部分(例如，子体积或体素)的累积剂量率可能高于其他部分。可以计算出每个子体积或体素的剂量率以包括射线追踪(和类似蒙特卡罗的模拟)，其中跟踪每个射束粒子以确定每个粒子的初级、次级等等散射以获得在每次辐照过程中真实的基于体素或基于子体积的剂量率。

在实施例中，生成辐照时间-体积直方图。辐照时间-体积直方图可以基本上以与刚才描述的用于生成剂量率-体积直方图的方式相同的方式来生成。除了剂量-体积直方图之外或代替剂量-体积直方图，可以生成剂量率-体积直方图和辐照时间-体积直方图二者，或仅生成剂量率-体积直方图，或仅生成辐照时间-体积直方图。

在块806中，可以通过确定所提议的放射治疗计划是否满足为患者的治疗所指定的目标(例如，临床目的)来评估剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图。临床目的或目标可以用一组质量指标来表达，诸如靶同质性、关键器官免受等，具有用于指标的各自靶值。评估剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图的另一种方式是基于知识的方法，该方法结合并反映从其他患者的多个先前类似治疗中收集的当前最佳实践。辅助计划者的另一种方式是使用多标准优化(MCO)方法进行治疗计划。帕累托表面导航是一种MCO技术，其促进了临床目的之间的权衡的探索。对于一组给定的临床目的，如果治疗计划满足了目的并且在不恶化至少一个其他指标的情况下，任何指标都无法改进，则该治疗计划被认为是帕累托最优的。

如上面所提及的，对于FLASH RT，可以使用在不到一秒内的至少4Gy的剂量率，并且使用在不到一秒内的多达20Gy至50Gy或100Gy或更多的剂量率。因此，评估剂量率-体积直方图的另一种方法是基于FLASH RT剂量率来定义剂量率阈值(例如，最小剂量率)，并且还指定针对剂量率的靶体积百分比阈值。可以通过确定接收剂量率高于剂量率阈值的靶体积的百分比是否满足百分比阈值来评估剂量率-体积直方图。例如，如果80％的靶体积(特别是包括不健康组织的靶体积的部分)接收到至少50Gy每秒的剂量率，则剂量率体积直方图可以被认为是令人满意的。

评估辐照时间-体积直方图的另一种方式是定义一个或多个辐照时间阈值(例如，靶体积内的每个子体积或体素的最大辐照时间限制和/或靶体积外的每个子体积或体素的最大辐照时间限制)，并且还指定针对靶体积内部和/或外部的辐照时间的一个或多个靶体积百分比阈值。可以通过确定靶体积内被辐照小于对应辐照时间阈值的组织的百分比是否满足对应的百分比阈值，和/或通过类似地确定靶体积外被辐照小于对应辐照时间阈值的组织的百分比是否满足对应的百分比阈值来评估辐照时间-体积直方图。

在块808中，在实施例中，剂量率-体积直方图中的信息被用来确定和表示剂量率相对于靶体积904(例如，肿瘤)的等值线，靶体积904(例如，肿瘤)包括其他(例如，健康)组织或被其围绕，如图9的示例所示。在该示例中，100％、90％和5％的剂量率等值线被示出。图9以二维方式被图示，示出了靶体积的自上而下的视图或靶体积的一个横截面切片，并且可以被显示为GUI或GUI的一部分(参见下面图11、图12和图13的讨论)。靶体积和等值线也可以以三个维度来表示并被显示为GUI或GUI的一部分。

可以类似地确定和表示辐照时间相对于靶体积的等值线。

在图8的块810中，可以迭代地调节用于所提议的放射治疗计划的一些或全部参数值以生成不同的剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图，以确定产生直方图(或多个直方图)的参数值的最终集合，该直方图导致最能满足患者治疗的目标(临床目的)或满足上述阈值的规定的(最终的)放射治疗计划。

在块812中，参数值的最终集合然后被包括在用于治疗患者的规定的放射治疗计划中。

一般而言，根据本发明的实施例基于剂量率和/或辐照时间来优化放射治疗计划。这并不是说治疗计划优化仅基于剂量率和/或辐照时间。例如，在制定放射治疗计划时，剂量-体积直方图可以与剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图结合使用。

图10是根据本发明的实施例中用于生成剂量率-体积直方图的计算机实现的操作的示例的流程图1000。流程图1000可以被实现为驻留在某种形式的计算机可读存储介质(例如，图1的计算机系统100的存储器)上的计算机可执行指令(例如，图1的优化器模型150)。

在图10的块1002中，访问计算机系统存储器中的信息。该信息包括由每个子体积或体素的靶体积接收的剂量率，其使用通过优化器模型150(图1)实现的剂量预测模型来确定。该信息还可以包括每个子体积或体素的辐照时间(持续时间)。

在图10的块1004中，为靶体积生成剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图，如本文先前所述(例如，参考图8)。

在图10的块1006中，所生成的直方图被存储在计算机系统存储器中。

在块1008中，剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图被用来生成用于治疗靶体积的放射治疗计划。

用于放射治疗计划的图形用户界面

图11图示出了GUI 1100的示例，其可以被用来显示与根据本发明的实施例中的放射治疗计划相关联的信息。GUI 1100可以使用驻留在某种形式的计算机可读存储介质(例如，图1的计算机系统100的存储器)上的计算机可执行指令(例如，图1的优化器模型150)来实现，并且可以被显示在计算机系统的输出设备126上。

在图11的示例中，GUI包括四个窗口1104、1105、1106和1107，但是本发明不限于此。在该示例中，窗口1104包括不同的所提议的放射治疗计划(例如，计划1和计划2)的菜单或列表。例如，如果选择了计划2，则与该计划相关联的信息要被显示在窗口1106和1107中。

在图11的示例中，窗口1105包括可以在GUI 1100中呈现的信息类型的菜单或列表。信息类型可以包括但不限于剂量、剂量率和辐照时间。

在该示例中，窗口1106显示靶体积1108的表示。该表示可以是二维的，表示靶体积1108的横截面切片，或者它可以是靶体积的虚拟三维表示。

在图11的示例中，靶体积1108包括四个子卷1110、1111、1112和1113(1110-1113)。在实施例中，例如，子体积1110-1113可以表示患者体内的不同区域(例如，健康组织和不健康组织或肿瘤)、患者体内的不同器官、或组织或器官内的不同区域。子体积1110-1113可以是任何形状。在实施例中，子体积可以是区域或器官内的单个体素或一组体素。

在实施例中，属性的值与子体积1110-1113中的每一个相关联。该属性可以是但不限于颜色、图案、灰度、字母数字文本和亮度，或其中一种或多种的组合。例如，该值可以是特定颜色、特定图案、灰度等级、字符或字符组合或亮度等级。根据选定的放射计划(例如，计划2)，子体积的属性值对应于例如由子体积接收或与子体积相关联的剂量率的量、剂量的量或辐照时间。例如，一个颜色值(例如，蓝色)可以对应于零和第一阈值之间的剂量率，第二颜色值(例如，绿色)可以对应于第一阈值和第二阈值之间的剂量率，以此类推。

如上面所讨论的那样，由子体积接收的剂量率可以使用参数来确定，参数包括子体积的辐照次数、每次辐照的持续时间、在每次辐照中沉积的剂量、在子体积的辐照次数上累积的剂量率，以及子体积的辐照次数上累积的剂量率除以子体积的辐照次数。这种类型的信息也可以在GUI 1100中呈现。例如，子体积的属性值可以对应于参数之一。因此，例如，第一颜色值可以对应于第一辐照次数，第二颜色值可以对应于第二辐照次数，以此类推。

GUI 1100还可以被用来呈现诸如要被引导到每个子体积中的射束的方向以及每个射束的射束能量之类的信息。

在图11的示例中，窗口1107显示选定的直方图或选定的一组等值线。例如，如果感兴趣的是剂量率，那么窗口1107可以包括剂量率-体积直方图(例如，图7A和图7B的直方图700和710)。可替代地，可以显示辐照时间-体积直方图(例如，图7D的直方图750)、剂量率等值线(例如，图9)或辐照时间等值线。

在实施例中，下拉菜单或其他类型的GUI元素(未示出)可以被用来选择和建立用于GUI 1100的设置(例如，属性、阈值等)以及任何时候要被显示的(多个)信息类型。

GUI 1100不一定是静态显示器。例如，GUI 1100中呈现的信息可以被编程以随时间改变以说明累积的剂量或剂量率随时间变化。此外，例如，GUI 1100可以被编程以按顺序呈现靶体积1108的不同横截面切片以向二维表示提供深度维度，或者操纵(例如，旋转)虚拟的三维表示，以使得可以从不同的角度进行查看。

图12和图13分别是根据本发明的实施例中用于生成GUI(例如，图11的GUI 1100)的计算机实现的操作的示例的流程图1200和1300。流程图1200和1300可以被实现为驻留在某种形式的计算机可读存储介质(例如，图1的计算机系统100的存储器中)上的计算机可执行指令(例如，图1的优化器模型150)。

在图12的块1202中，访问计算机系统存储器中的信息。在实施例中，该信息包括由靶体积的每个子体积接收的剂量率。由每个子体积接收的剂量率如本文先前描述的那样来确定。在实施例中，该信息包括每个子体积的辐照时间。

在块1204中，属性的值与每个子体积相关联。在实施例中，该值对应于由相应子体积接收的剂量率的量。例如，该属性可以是颜色、图案、灰度、字母数字文本、亮度或这些属性的组合。例如，该值可以是特定颜色、特定图案、灰度等级、字符或字符组合或亮度等级。

在块1206中，根据与如上所述的子体积相对应的值来呈现和显示每个子体积。

在图13的块1302中，在实施例中，从计算机系统的存储器访问包括靶体积所接收的剂量率的信息。

在块1304中，为靶体积生成直方图。直方图可以是如本文先前描述的剂量率-体积直方图和/或辐照时间-体积直方图。

在块1306中，直方图被显示在GUI中，如上所述。

虽然图8、图10、图12和图13中的操作被呈现为以串联并且以特定的顺序发生，但是本发明不限于此。操作可以以不同的顺序来执行和/或并行执行，并且它们也可以以迭代的方式来执行。如上面所指出，由于需要考虑不同的参数、这些参数的值范围、这些参数之间的相互关系、需要有效的治疗计划并将对患者的风险最小化、以及需要快速生成高质量的治疗计划，所以使用在计算机系统100(图1)上一致执行的优化器模型150用于如本文所公开的放射治疗计划是重要的。

总之，根据本发明的实施例通过将FLASH RT扩展到更广泛的治疗平台和靶部位来改进放射治疗计划和治疗本身。与传统技术相比，即使对于非FLASH剂量率，如本文所述生成的治疗计划通过按照设计降低(如果不是最小化)对正常组织(靶外)的剂量幅度(和在一些情况下的剂量积分)而在使正常组织免受放射方面更优越。当与FLASH剂量率一起使用时，患者运动的管理得到简化，因为剂量是在短时间段内(例如，不到一秒)施加的。治疗计划虽然仍然是在竞争参数和相关参数之间找到平衡的复杂任务，但相对于传统计划已经简化。本文所述的技术可以用于立体定向放射外科手术以及具有单个或多个转移瘤的立体定向放射疗法。

除了这些益处之外，GUI通过如下操作来促进治疗计划：允许计划者容易地可视化所提议的治疗计划的关键元素(例如，每子体积的剂量率)，容易地可视化那些元素对所提议的计划的改变的影响，并容易地可视化不同计划之间的比较。

除了诸如IMRT和IMPT之类的在其中粒子射束的强度在整个递送场中是恒定的或调制的放射疗法技术之外，根据本发明的实施例可以被用于空间分割放射疗法，包括高剂量空间分割网格放射疗法和微射束放射疗法。

虽然已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不必限于上述特定特征或动作。相反，上述特定特征和动作为实现权利要求的示例形式而被公开。

Claims (20)

1.一种计算机系统，包括：

处理器；

被耦合到所述处理器的显示设备；以及

被耦合到所述处理器并且包括指令的存储器，所述指令在被执行时使所述处理器执行方法，所述方法包括：

显示包括对靶体积的绘制的图形用户界面(GUI)，所述靶体积包括多个子体积；以及

访问所述存储器中的信息，所述信息包括由所述子体积中的每个子体积接收的剂量率；

其中所述显示包括：

将属性的值与所述每个子体积相关联，其中所述值对应于由所述每个子体积接收的所述剂量率的量；以及

根据与所述每个子体积相对应的所述值来绘制所述每个子体积。

2.根据权利要求1所述的计算机系统，其中由所述每个子体积接收的所述剂量率使用参数而被确定，所述参数包括：所述每个子体积的辐照的次数、所述辐照中的每次辐照的持续时间以及在所述辐照中的每次辐照中沉积的剂量。

3.根据权利要求2所述的计算机系统，其中由所述每个子体积接收的所述剂量率的所述量是从由以下组成的群组中选择的量：在所述每个子体积的辐照的所述次数之上累积的所述剂量率；以及在所述每个子体积的辐照的所述次数之上累积的所述剂量率除以所述每个子体积的辐照的所述次数。

4.根据权利要求2所述的计算机系统，其中所述参数还包括：施加所述放射的时间段、以及放射的每个时段之间的时间间隔。

5.根据权利要求2所述的计算机系统，其中所述参数还包括：要被引导到所述每个子体积中的射束的方向、以及针对所述射束中的每个射束的射束能量。

6.根据权利要求5所述的计算机系统，其中所述射束包括从由以下组成的群组中选择的射束类型：质子；电子；光子；原子核；以及离子。

7.根据权利要求1所述的计算机系统，其中所述属性选自由以下组成的群组：颜色；图案；灰度；字母数字文本；以及亮度。

8.根据权利要求1所述的计算机系统，其中对所述靶体积的所述绘制选自由以下组成的群组：所述靶体积的二维横截面；以及所述靶体积的虚拟三维表示。

9.根据权利要求1所述的计算机系统，其中所述GUI还包括剂量率-体积直方图，所述剂量率-体积直方图指示接收相应剂量率的所述靶体积的百分比。

10.根据权利要求9所述的计算机系统，其中所述GUI还包括剂量率相对于所述靶体积的、基于所述剂量率-体积直方图的等值线。

11.根据权利要求1所述的计算机系统，其中所述GUI还包括针对所述靶体积的辐照时间-体积直方图，其中所述辐照时间-体积直方图指示被辐照达相应时间长度的所述靶体积的百分比。

12.一种具有计算机可执行指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令用于使计算机系统执行方法，所述方法包括：

基于放射治疗计划，确定由靶体积的多个子体积中的每个子体积接收的剂量率；以及

显示包括对所述靶体积的绘制的图形用户界面(GUI)；其中所述显示包括：

将属性的值与所述每个子体积相关联，其中所述值对应于由所述每个子体积接收的所述剂量率的量；以及

根据与所述每个子体积相对应的所述值来绘制所述每个子体积。

13.根据权利要求12所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中由所述每个子体积接收的所述剂量率使用参数而被确定，所述参数包括：所述每个子体积的辐照的次数、所述辐照中的每次辐照的持续时间以及在所述辐照中的每次辐照中沉积的剂量。

14.根据权利要求12所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述GUI还包括剂量率-体积直方图，所述剂量率-体积直方图指示接收相应剂量率的所述靶体积的百分比。

15.根据权利要求14所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述GUI还包括剂量率相对于所述靶体积的、基于所述剂量率-体积直方图的等值线。

16.根据权利要求12所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述GUI还包括针对所述靶体积的辐照时间-体积直方图，其中所述辐照时间-体积直方图指示被辐照达相应时间长度的所述靶体积的百分比。

17.一种具有计算机可执行指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令用于使计算机系统执行方法，所述方法包括：

从计算机系统的存储器访问包括由靶体积接收的剂量率的信息；

生成针对所述靶体积的剂量率-体积直方图，其中所述剂量率-体积直方图指示接收所述剂量率的所述靶体积的百分比；以及

在显示设备上显示包括所述剂量率-体积直方图的图形用户界面(GUI)元素。

18.根据权利要求17所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述靶体积包括多个子体积，其中所述显示还包括：显示包括剂量率相对于所述靶体积的、基于所述剂量率-体积直方图的等值线的GUI元素。

19.根据权利要求17所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述显示还包括：显示包括针对所述靶体积的辐照时间-体积直方图的GUI元素，其中所述辐照时间-体积直方图指示被辐照达相应时间长度的所述靶体积的百分比。

20.根据权利要求17所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述靶体积包括多个子体积，并且其中所述信息还包括由所述子体积中的每个子体积接收的剂量率，其中所述显示还包括：

将属性的值与所述每个子体积相关联，其中所述值对应于由所述每个子体积接收的所述剂量率的量；以及

显示包括对所述靶体积的绘制的GUI元素，其中所述每个子体积根据与所述每个子体积相对应的所述值而被绘制。

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