CN113646040B - 为辐射疗法生成多个治疗计划 - Google Patents

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Abstract

提供了一种为辐射疗法生成多个治疗计划的方法，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重。每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积提供辐射剂量。所述方法在治疗计划系统中进行并包括以下步骤：生成治疗计划的第一集合；基于治疗计划的第一集合来确定通量元素的子集；以及生成至少两个治疗计划的第二集合，其中所述治疗计划仅包含用于通量元素的子集的权重。

Description

为辐射疗法生成多个治疗计划
技术领域
本公开涉及辐射疗法领域，尤其涉及在限制通量元素的子集的同时生成这种计划。
背景技术
用于辐射疗法计划的多标准优化(MCO)也被称为多目标优化，是一种允许用户例如通过一组滑动条来修改导向剂量分布(navigated dose distribution)的技术进展，其中每个滑动条表示影响剂量分布的标准。导向剂量是用于预先计算的一组基本计划的剂量分布的凸组合(凸组合是加权平均值，其中权重为非负的且总和为1)。导向剂量分布基于当前滑块位置来实时更新。如果通过可行的治疗计划可以准确地重新创建导向剂量分布，那么导向就可以直接传递，可行的治疗计划也就是将传递系统关于计划参数的所有限制都考虑进去的计划。
虽然物理剂量与光点权重之间的关系是线性的，但是对于扫描离子的直接可传递导向并不容易。线性意味着基本计划的光点权重的凸组合限定了准确重建导向剂量分布的治疗计划，其中凸系数与用于导向剂量分布的系数相同。但是，这些导向光点权重必须满足某些限制，即要求每个权重要么为零，要么介于某个下限与上限之间。这些界限可以是固定的也可以取决于射束能量。对于支持连续扫描的离子传递系统而言，光点权重范围也可以取决于光点片段的长度。即使基本计划的所有光点权重都是可行的，导向光点权重相对于所述限制通常也不可行。
基于弧线的光子射束辐射疗法——诸如螺旋断层疗法和体积调制弧线疗法(VMAT)——的传递也受通量元素的权重控制，通量元素的权重必须满足要求每个权重要么为零，要么介于某个下限与上限之间的限制。与离子射束疗法情况类似，即使基本计划的所有通量权重都是可行的，导向通量权重相对于所述限制通常也不可行。
在现有技术中，可以使用后处理来实现可传递的治疗计划。例如，将相对于光点权重限制不可行的导向光点权重四舍五入为最接近的可行值。这种后处理导致可传递计划的剂量分布偏离导向剂量分布。需要补偿导向剂量分布与可传递计划的剂量分布之间的差异，这会使得治疗计划工作流程成为耗时的试错过程。
在US 20130304503A1中公开了一种剂量分布计划的计算机辅助定制方法。从初始计划出发，用户为局部三元体组指定新的剂量值，其可以是初始计划覆盖的总体积的一小部分(5％或更少)。目的可以是避免在风险区域局部给药过量或者在目标区域局部给药不足。然后，通过与初始计划基本相同的方式将初始计划转换为具有指定新剂量值的导向计划。因为初始计划仅仅在局部发生变化，所以实际上保持了初始计划。可将初始计划以及由此导出的导向计划的凸组合与允许用户改变每个计划的权重的输入装置一起可视化。
发明内容
一个目标是改进如何实现可传递的治疗计划。
根据第一方面，提供一种为辐射疗法生成多个治疗计划的方法，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重。每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积提供辐射剂量。方法在治疗计划系统中执行并包括以下步骤：生成治疗计划的第一集合；基于治疗计划的第一集合来确定通量元素的子集；以及生成至少两个治疗计划的第二集合，其中治疗计划仅包含用于通量元素的子集的权重。
治疗计划的第二集合中的通量元素的每个非零权重可以大于或等于最小权重。
生成至少两个治疗计划的第二集合(12)可以包括应用子集外部的通量元素应当为零的约束。
治疗计划的第一集合可以是关于第一多标准优化问题的优化结果，并且治疗计划的第二集合可以是关于第二多标准优化问题的优化结果。第二多标准优化问题与第一多标准优化问题的不同之处可以在于子集外部的通量元素应当为零的约束。
方法可以进一步包括在操作者导向系统中使用治疗计划的第二集合的步骤，其包括通过与治疗计划的第二集合相关联的剂量分布的插值来计算导向剂量分布。
在操作者导向系统中使用治疗计划的第二集合的步骤可以包括提供将导向剂量分布可视化的图形用户界面和导向控制界面，导向控制界面允许操作者调整导向剂量分布。
确定通量元素的子集的步骤可以包括丢弃具有小于阈值权重的统计量度的通量元素，针对每个通量元素计算的统计量度跨治疗计划的第一集合中的所有治疗计划。
统计量度可以包括平均值或百分比值。
确定通量元素的子集的步骤可以包括保证存在跨整个目标体积的足够密度的通量元素。这样做的效果是确保给予诸如肿瘤的整个目标体积的足够剂量；这可以对应于完全消除所有克隆性肿瘤细胞。
每个治疗计划可以被配置为使用扫描离子射束来传递，其中，每个通量元素与射束的扫描光点相关联，扫描光点由射束的扫描位置和射束能量来限定。
每个治疗计划可以被配置为使用由二元多叶校准器(MLC)校准的辐射射束来传递，其中，MLC的每个叶片可以在打开和关闭位置之间交替。然后，在射束相对于目标体积的特定入射方向上，每个通量元素与MLC的特定叶片相关联。
每个治疗计划可以被配置为使用由MLC校准的辐射射束来传递，其中，MLC的叶片被布置成相对的叶片对，并且每个叶片可以呈现最小与最大位置之间的多个位置中的任一个。因此，将这种MLC称为“连续MLC”。然后，每个通量元素与二元体相关联，每个二元体是射束在相对于目标体积的特定入射方向上的横截面中的表面元素。
可以通过旋转机架和可移动诊台中的任一个或这两者来确定辐射射束相对于目标体积的每个入射方向。
每个治疗计划可以被配置为在辐射射束相对于目标体积的入射方向在传递过程期间发生变化的情况下进行传递。
根据第二方面，提供一种用于为辐射疗法生成多个治疗计划的治疗计划系统，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重，每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积提供辐射剂量。治疗计划系统包括：处理器；以及存储器，其存储指令，当指令由处理器执行时使治疗计划系统：生成治疗计划的第一集合；基于治疗计划的第一集合来确定通量元素的子集；以及生成至少两个治疗计划的第二集合，其中治疗计划仅包含用于通量元素的子集的权重。
根据第三方面，提供一种用于为辐射疗法生成多个治疗计划计算机程序，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重，每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积提供辐射剂量，计算机程序包括计算机程序代码，当计算机程序代码在治疗计划系统上运行时使治疗计划系统：生成治疗计划的第一集合；基于治疗计划的第一集合来确定通量元素的子集；以及生成至少两个治疗计划的第二集合，其中治疗计划仅包含用于通量元素的子集的权重。
根据第四方面，提供了一种计算机程序产品，包括根据第三方面所述的计算机程序以及其上存储所述计算机程序的计算机可读装置。
一般而言，除非本文另有明确限定，否则权利要求中使用的所有术语均应根据其在本领域中的通常含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/所述元件、设备、组件、装置、步骤等”的所有引用均应公开解释为指代元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序进行。
附图说明
下面参照附图通过示例的方式描述多个方面和实施例，其中：
图1是示出可以应用本文给出的实施例的环境的示意图；
图2是示出根据一个实施例的图1的治疗计划系统的功能模块的示意图；
图3是示出图1的目标体积的不同能量层的布拉格峰位置的示意图；
图4是示出根据一个实施例的图3的其中一个能量层中的光点的横向分布的示意图；
图5是治疗仪器的示意性立体图，示出采用连续MLC的辐射传递系统；
图6是示出图5的MLC的示意图；
图7是示出生成用于辐射疗法的多个治疗计划的方法的实施例的流程图，所述方法在图1的治疗计划系统中进行；
图8是示出根据一个实施例的图1的治疗计划系统的组件的示意图；以及
图9示出包括计算机可读装置的计算机程序产品的一个示例。
具体实施方式
下面参照附图更全面地描述本公开的多个方面，附图示出本发明的某些实施例。但是，这些方面可通过多种不同的形式来具体实施并且不应当解释为限制性的；更准确而言，通过示例的方式来提供这些实施例，从而使得本公开全面和完整，并将本发明所有方面的范围充分传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是示出可以应用本文给出的实施例的环境的示意图。治疗计划系统1确定怎样将辐射传递给目标体积3。更具体而言，治疗计划系统向辐射传递系统2提供治疗计划12。治疗计划12指定多个几何限定通量元素的权重。每个权重限定辐射通量的量，从而为目标体积3提供辐射剂量。在目标体积3附近可能存在有风险的器官5。在这种情况下，通过在将传递给有风险的器官5的剂量保持在低水平的同时向目标体积3传递足够的剂量之间的平衡来确定治疗计划。
如同本领域本来就公知的，辐射传递系统2生成射束和传递剂量的方式根据治疗模式(例如光子、电子或离子)和几何构造而不同。但是，共同的目的是在将传递给有风险的器官5的剂量最小化的同时，向目标体积3(即肿瘤)传递尽可能接近规定剂量的剂量，这取决于肿瘤所在的位置。
在以下参照图3和图4更详细解释的离子射束实施例中，使用扫描离子射束来传递治疗计划。在这种情况下，每个通量元素都与射束的扫描光点相关联。通过射束的横向扫描位置和射束能量来限定扫描光点。对于支持连续扫描的离子传输系统，将光点的通量元素限定为两个扫描位置之间传递的通量。治疗计划由能量层的集合构成，每个能量层包含用于离子射束疗法的扫描光点分布。这作为治疗计划12传送给离子射束系统。基于治疗计划12，离子射束系统生成在患者的目标体积3上逐点扫描的离子射束7。每个扫描光点在患者的目标体积3中生成光点剂量分布。在图1所示的坐标系中，深度沿z轴表示并且y轴向上。因此，可将图1的视图视为侧视图。光点剂量分布深度方向——即，沿z轴——的剂量最大值(布拉格峰)的位置由离子的动能来控制；更高能量导致剂量最大值的更深位置。此外，使用电磁体来控制沿y轴和x轴(图1中未示出)的横向位置以偏转射束7。通过这种方式，可以提供扫描光点来实现在三个维度上覆盖目标体积3的剂量分布。
在以下参照图5和图6更详细解释的基于弧线的光子射束辐射疗法实施例中，在仪器机架和/或患者诊台的旋转运动期间传递治疗计划。此外，患者诊台在传递过程中可能会发生平移运动。在任何一个时间处的仪器机架和患者诊台的位置限定了入射方向。在一个实施例中，治疗仪器配备有二元MLC。在移动时，可通过让每个叶片完全打开或完全关闭，即，在二元构造中调整二元MLC的构造。然后，使用通过二元MLC校准的辐射射束来传递每个治疗计划，使得MLC的每个叶片可以在打开和关闭位置之间交替。在该实施例中，每个通量元素与在射束相对于目标体积的特定入射方向上与MLC的特定叶片相关联。在另一个实施例中，作为二元MLC的替代，MLC可以是连续MLC，其中叶片可以呈现最大位置(例如完全打开)和最小位置(例如完全关闭)之间的多个位置中的任一个。在该实施例中，每个通量元素与二元体相关联，二元体是在相对于目标体积的特定入射方向上射束横截面中的表面元素。如以下更详细所述，通过旋转仪器机架和可移动患者诊台中的任一个或这两者来确定辐射射束相对于目标体积的每个入射方向。
图2是示出根据一个实施例的图1的治疗计划系统的功能模块的示意图。
治疗计划系统包括优化模块10和导向模块11。这些模块10、11的每一个都可以在软件中实施。
优化模块10创建针对不同标准优化的若干基本计划，诸如总剂量、局部剂量、最小/最大剂量、敏感组织中的剂量、投射次数。根据以下给出的实施例，基本计划对应于治疗计划的第二集合。
导向模块11允许用户通过一组滑动条来修改导向剂量分布，其中每个滑动条表示影响剂量分布的标准。如同在图形用户界面(GUI)领域本来就公知的，滑动条是允许用户设置、修改和/或查看标量的当前值的元素。此外公知的是，滑动条只是具有这种能力的元素的一个示例；本发明范围不限于滑动条而是涵盖任何等效的GUI元素。导向剂量分布是用于一组基本计划的剂量分布的凸组合。每个基本计划可以对应于关于一个标准的特别强调；这可以对应于MCO的一个目标函数。基于当前滑块位置来实时更新导向剂量分布。更新可以包括重新计算凸组合，但通常不需要重新求解MCO。每个滑块可以与一个标准相关联；增加滑块对应于在凸组合中给予具有关于该标准的特别强调的基本计划更多的权重。根据本文给出的实施例，可通过辐射传递系统直接传递导向剂量分布。
图3是示出当使用扫描离子射束传递辐射时图1的目标体积3的能量层的布拉格峰位置的示意图。图3是与图1的视图相同的立体图的侧视图。如上所述，布拉格峰的深度取决于能级。在此，在目标体积3中示出四个能级I7a-d的布拉格峰深度。第一能级17a通过这样的线条示出，其中当使用图1系统中的离子射束疗法提供具有第一能量量、但是具有不同横向偏转的离子时，因第一能级17a而出现布拉格峰。第二能级17b通过这样的线条示出，其中当提供具有第二能量量的离子等时出现布拉格峰。注意，离子射束穿过的组织的密度会影响深度。例如，如果射束穿过骨骼，这会导致布拉格峰的深度与射束仅穿过软组织的情况不同。因此，每个能级i7a-d的布拉格峰深度不需要是一定深度的直线。
图4是示出根据一个实施例的图3的一个能量层(参见I7a-d)中的扫描光点的横向分布的示意图。能量层沿x-y平面示出。虽然能量层不需要在患者的目标体积中完全平坦，但是在此将能量层示出为平坦层。
在整个能量层中提供在图4被示为圆圈的扫描光点14，以覆盖在该能量层处的目标体积3。权重——例如可通过控制在某个光点处的扫描时间来应用的权重——在不同的扫描光点之间可以相互不同。每个扫描光点的权重必须大于或等于最小光点权重，这可以取决于冲击磁铁能够多快地打开和关闭离子射束传递系统的射束线。
虽然图4仅公开一个能量层中的扫描光点的分布，但是对于要用于目标体积的每个能量层都存在对应的扫描光点分布。
图5是治疗仪器的示意性立体图，其示出用于基于弧线的辐射疗法的辐射传递系统。还示出了维度为x、y和z的笛卡尔坐标系。注意，该坐标系不同于图1、图3和图4的坐标系。
机架31可围绕机架轴旋转，机架轴在这里平行于z轴。机架角度36限定机架的旋转范围。从何处限定机架角度36并不重要，只要该限定一致即可。
提供诊台30，患者(未示出)在治疗期间躺在上面。可以应用本来就公知的各种固定机构来保证将患者和治疗体积固定于已知位置。诊台30可围绕在这里平行于y轴的诊台轴旋转。诊台角度35限定诊台的旋转范围。从何处限定诊台角度35并不重要，只要该限定一致即可。此外，诊台可以在z方向上移动。
MLC 33被设置为安装在机架31上，在治疗期间通过它提供辐射。MLC 33可以围绕校准器轴旋转。校准器轴根据机架31的旋转在其(笛卡尔坐标系的)方位上变化。校准器角度37限定MLC的旋转范围。从何处限定校准器角度37并不重要，只要该限定一致即可。
诊台角度35、机架角度36和可选的校准器角度37的值的组合限定入射方向。入射方向限定辐射将治疗患者的角度。射束平面是射束方向(即校准器轴)的法平面。
每个轨迹在从开始时间到结束时间的弧线中出现并限定多个入射方向之间的运动。在一个实施例中，对于螺旋断层疗法而言，运动是螺旋式的，在这种情况下，能够沿z轴实现诊台与机架之间的平移运动。
螺旋断层疗法是一种光子射束治疗形式，其中通过围绕患者连续旋转的狭缝射束来照射患者。出于计划的目的，将旋转离散化为多个投射(通常每次旋转51个投射)。通过一对活动夹来限定狭缝的宽度，典型宽度为0.5至5厘米，并且通过一组气动驱动MLC叶片来校准通过狭缝的照射。叶片引入的校准可以是二元的，因为叶片只能完全打开或完全关闭。对于本文给出的实施例而言，通量元素的权重对应于在特定入射方向上MLC叶片的打开时间。权重——即，叶片打开时间——需要大于或等于所有打开的MLC叶片的下限。下限对应于最小叶片打开时间，由于MLC的叶片速度有限，所述下限可能取决于叶片可以处于打开构造中的最短可能时间。对应于关闭叶片的零权重也是可能的。连续投射之间的权重还必须满足最小(非零)关闭时间约束。零关闭时间也是可能的，因为叶片不需要在两个连续投射之间关闭。
在一个实施例中，针对VMAT执行运动。弧线轨迹限定使用诊台角度35、校准器角度37和机架角36的一个或多个中的变化来实现的运动。MLC在此处于连续构造中，其中MLC的每个叶片可以呈现完全打开和关闭位置之间的多个位置中的任一个。用于连续MLC的叶片位置通常由机械电动机控制。叶片还被布置成相对的叶片对。在这种情况下，每个通量元素与二元体相关联，二元体是在相对于目标体积的特定入射方向上射束的横截面(即射束平面)中的表面元素。表面元素可以对应于MLC的最小可控单元，诸如一个叶片或叶片对。对于本文给出的实施例而言，通量元素的权重——即，二元体权重——对应于在二元体没有被MLC叶片阻挡时传递的辐射通量的量。二元体权重必须大于或等于下限，它可以取决于相对叶片之间的最小尖端间隙和有限的最大叶片速度。二元体权重为零也可能是可行的，其对应于始终被MLC叶片屏蔽的二元体。
在一个实施例中，在每个弧线轨迹的整个持续时间内打开辐射。弧线轨迹期间的运动速度可以是恒定的或者是变化的。
图6是示出图5的MLC 33在连续构造中应用时的示意图。MLC 33包括多个叶片对20a-b、21a-b、...、26a-b。每个叶片只能在一个维度上移动。
可以将每一对相对叶片设置为在叶片之间提供空间。通过这种方式，可以限定辐射由其流过的开口28。可以将开口28制作成覆盖目标体积3，同时减少对周围组织的辐射。因为叶片20a-b、21a-b、...、26a-b只能沿着单个维度移动，所以开口28的可能形状取决于MLC 33的旋转角度37。当MLC 33处于二元构造中时，每个叶片只能处于完全打开位置或完全关闭位置。对于二元构造而言，可以有叶片对(类似于图6所示的叶片对)，或者每个可构造开口可以只有一个叶片，对应于图6中的每个垂直位置。
图7是示出生成用于辐射疗法的多个治疗计划的方法的实施例的流程图。所述方法在图1的治疗计划系统中执行。每个治疗计划指定多个几何限定通量元素的权重。此外，每个权重限定辐射通量的量，从而为目标体积提供辐射剂量。
在生成治疗计划的第一集合的步骤40中，治疗计划系统生成治疗计划的第一集合。在治疗计划的第一集合的生成中，相对于为治疗计划的第一集合中的所有计划选择相等的一组初始通量元素来生成这些计划。此外，不考虑用于通量元素的任何(非零)最小权重来生成计划。但是，在生成治疗计划的第一集合时可以包括考虑最大权重。治疗计划的第一集合可以是相对于第一多标准优化问题的优化结果，其中可以(顺序地)使用多个不同的目标函数。治疗计划的第一集合中的每个治疗计划可以表示一个特定的优化标准，或者一个以上标准的特定权重。可以根据用于生成所述治疗计划的目标函数和/或根据所施加的约束来表示特定的优化标准。
在确定通量元素的步骤42中，治疗计划系统基于治疗计划的第一集合来确定通量元素的子集。这可以包括丢弃具有小于阈值权重的统计量度的通量元素。针对每个通量元素计算的统计量度跨治疗计划的第一集合的所有治疗计划。例如，统计量度可以包括平均值或百分比值。通过这种方式，跨治疗计划的第一集合的例如具有太小权重(以平均值或百分比值测量)通量元素被丢弃，因为它们对于治疗计划的贡献太小并且可能低于可传递的最小权重。
可选地，该步骤包括保证存在跨整个目标体积的足够密度的通量元素。可以在与阈值权重比较之后但是在决策之前应用这种可选的保证，由此不会丢弃对于保持足够密度而言重要的通量元素。因此，如果已经专门实施了与阈值权重的先前比较，那么当保留为目标体积提供足够覆盖范围的一组通量元素的可选附加目的被考虑时，实际上不会丢弃本来应当丢弃的通量元素。
以下描述实现确定通量元素的步骤42的可能过程。在第一子步骤中，为治疗计划的第一集合中的每个治疗计划或统一为治疗计划的第一集合中的所有治疗计划计算参考覆盖范围。可以将参考覆盖范围计算为剂量体积，即接收最小剂量d的目标体积V的识别区域Vd的体积μ(Vd):
Vd＝{x∈V：D(x)≥d}
其中，D(x)表示根据第一集合的(一个或多个)治疗计划在x点的剂量。可以相对于考虑到要传递的治疗而言合适的最小剂量d来限定集合Vd，例如，处方剂量Dp的90％或95％或100％。例如，如果处方剂量为Dp＝60Gy，那么参考覆盖范围可以是区域V56Gy的体积。如果第一集合包含多个治疗计划，那么参考覆盖范围可以是第一集合的最小、最大、中值或平均剂量体积。或者，可以基于第一集合中的至少一些治疗计划的组合(例如，凸组合、线性插值)来计算剂量体积。特别地，考虑到临床、生物学或技术期望因素，这种组合可以是经过平衡的治疗计划。
在第二子步骤中，治疗计划系统确定如上所述的通量元素的子集F。
在步骤42的第三子步骤中，确定是否可以使用通量元素的子集F来实现参考覆盖范围。如果Vd中有太多的点或三元体位于可由通量元素的子集F照射的区域IF之外，那么可以将参考覆盖范围视为不可实现。这可以通过应用以下定量标准来评估，要求是区域Vd的至少一部分γ保持可照射：
Figure BDA0003287237490000131
在这个表达式中，例如可以应用γ＝0.90或γ＝0.95或甚至γ＝1。一般而言，更高的γ值更趋向于增加属于子集F的通量元素的数量，其中允许第二集合中的治疗计划包含权重。如果确定区域Vd的一小部分可以被通量元素的子集F照射，那么治疗计划系统重复确定通量元素的子集，但是通过不同的初始值、不同的随机化(例如，随机种子)或经过调整的参数。对参数进行调整例如可以包括减小在上述丢弃具有小于阈值权重的统计量度的通量元素的过程中使用的阈值权重。可以将阈值权重减少一个等于百分之几、百分之一或百分之零点几的固定因子；这可以是处理时间与准确性之间的平衡，考虑到每个特定的实施方式，这种平衡都是可取的。然后，与减少的阈值权重进行比较，并且使用所得的通量元素的新子集F'来验证参考覆盖范围是否可实现；这可以包括应用上述依赖于γ的定量标准。如果参考覆盖范围可实现，那么新子集F'将形成步骤42的输出。
仍然在步骤42的第三子步骤下，对于确定区域Vd中的某些点或三元体不能被通量元素的子集照射的替代反应如下：治疗计划系统搜索附加通量元素，该附加通量元素在治疗计划的第一集合的一部分治疗中被使用，并且如果将其恢复到子集中，将重新使得更多部分的区域Vd可照射。可以将该搜索限制于通量元素子集的边界上或边界附近的通量元素。这种边界可以是通量元素的二维表示中的点集(或离散点集)。然后，步骤42的最终输出可以包括来自该集合的一个或多个附加通量元素。换言之，当保留为目标体积提供足够覆盖范围的一组通量元素的可选附加目的被考虑时，实际上不会丢弃这些附加通量元素。总而言之，步骤42的这个可选实施方式的包括保证存在跨整个目标体积的足够密度的通量元素的行为主要通过被分配给参数d和γ的值来控制，并且如果适用的话，是通过统一计算剂量体积的方式来控制的。
在生成治疗计划的第二集合的步骤44中，治疗计划系统生成至少两个治疗计划的第二集合。这些治疗计划只包含用于通量元素子集的权重，并且用于通量元素子集中的每个通量元素的权重被约束为满足最小和最大权重要求。第二集合中的每个治疗计划可以对应于第一集合中的治疗计划。这种对应可以包括使用相同的目标函数，或者包括使用仅被修改为包括最小权重要求的目标函数。治疗计划的第二集合可以是关于第二多标准优化问题的优化结果。
第二多标准优化问题与第一多标准优化问题的不同之处在于其包括子集外部的通量元素应当为零的约束。正如本领域技术人员所公知的，可以根据目标函数的变化来表达这种约束，例如，通过添加障碍函数项。在一个实施例中，零约束适用于目标体积中除子集之外的所有通量元素。在另一个实施例中，零约束适用于下述通量元素：其使得(i)在治疗计划的第一集合中的任何一个治疗计划中，通量元素具有非零权重以及(ii)通量元素在所确定的子集之外。
在一个实施例中，在治疗计划的第二集合中的通量元素的每个非零权重大于或等于最小权重，并且小于或等于最大权重。可以基于辐射传递系统的物理限制来确定最小权重和最大权重。在离子射束实施例的情况下，通量元素是扫描光点。在螺旋断层疗法实施例的情况下，通量元素对应于射束相对于目标体积的特定入射方向上的MLC的特定叶片。在VMAT实施例的情况下，通量元素对应于作为与射束相对于目标体积的特定入射方向垂直的平面中的表面元素的二元体。
在导向中使用计划步骤46中，治疗计划系统在诸如上述以及图2所示的导向模块的操作者导向系统中使用治疗计划的第二集合。这包括通过对与治疗计划的第二集合相关联的剂量分布进行插值来计算导向剂量分布。例如可以通过形成与治疗计划的第二集合相关联的剂量分布的凸组合来实现插值。这可以包括提供将导向剂量分布可视化的图形用户界面。在这种情况下，还提供导向控制界面。导向控制界面允许操作者例如使用滑动条来调整导向剂量分布。
治疗计划的第一集合可以是关于第一多标准优化问题的优化结果，而治疗计划的第二集合可以是关于第二多标准优化问题的优化结果。换言之，治疗计划的第一集合与第二集合之间的优化问题可以不同。
如上所述，在一个实施例中，每个治疗计划被配置为使用扫描离子射束来传递(参见图3和4)。在这种情况下，每个通量元素与离子射束的扫描光点相关联。
替选地，每个治疗计划被配置为使用通过MLC校准的辐射射束来传递。MLC可以采用二进制构造或连续构造的形式。每个治疗计划被配置为在传递过程期间，在辐射射束相对于目标体积的入射方向发生变化的情况下进行传递。
使用本文给出的实施例，来自第二集合的治疗计划的凸组合是直接可传递的，即可以直接在治疗仪器中使用，从而简化了临床决策。此外，因此在MCO导向之后不需要进行后期处理来使得计划的组合可传递。这是非常有用的，因为后处理会带来错误并需要时间来执行。
图8是示出根据一个实施例的图1的治疗计划系统的组件的示意图。使用能够执行存储在存储器64中的软件指令67的合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路等中的其中一个或多个的任意组合来提供处理器60，因此其可以是计算机程序产品。可以将处理器60配置为执行上面参照图7所述的方法。
存储器64可以是随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的任意组合。存储器64还包括永久存储器，例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或者远程安装存储器的任何一个或组合。
还提供数据存储器66用于在处理器60中执行软件指令期间读取和/或存储数据。数据存储器66可以是随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的任意组合。
治疗计划系统1还包括用于与其他外部实体通信的I/O接口62。可选地，I/O接口62还包括用户接口。
治疗计划系统1的其他组件被省略，以免混淆本文提出的概念。
图9示出了包括计算机可读装置的计算机程序产品的一个示例。在该计算机可读装置上，可以存储计算机程序91，计算机程序可以使处理器执行根据本文所述实施例的方法。在该示例中，计算机程序产品是光盘，例如CD(压缩盘)或DVD(数字通用盘)或蓝光光盘。如上所述，也可以在装置的存储器中具体实施计算机程序产品，诸如图8的计算机程序产品64。虽然本文将计算机程序91示意性示出为所述光盘上的轨道，但是可以通过适合于计算机程序产品的任何方式来存储计算机程序，诸如可移动固态存储器，例如通用串行总线(USB)驱动器。
上面参照若干实施例描述了本公开的多个方面。但是，如同本领域技术人员容易理解的那样，在通过所附权利要求限定的本发明范围内，除了上面公开的实施例之外的其他实施例同样可能。因此，虽然本文已经公开各种方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将显而易见。本文公开的各种方面和实施例是为了说明的目的而不是要成为限制，其真实范围和精神通过以下权利要求来指示。

Claims (19)

1.一种为辐射疗法生成多个治疗计划(12)的方法，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重，每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积提供辐射剂量(3)，所述方法在治疗计划系统(1)中执行并包括以下步骤：
生成(40)治疗计划的第一集合；
基于所述治疗计划的第一集合来确定(42)所述通量元素的子集；以及
生成(44)至少两个治疗计划的第二集合(12)，其中，所述治疗计划仅包含用于所述通量元素的子集的权重。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述治疗计划的第二集合中的通量元素的每个非零权重大于或等于最小权重。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述生成(44)至少两个治疗计划的第二集合(12)包括应用所述子集外部的通量元素应当为零的约束。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述治疗计划的第一集合是关于第一多标准优化问题的优化结果，并且所述治疗计划的第二集合是关于第二多标准优化问题的优化结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二多标准优化问题与所述第一多标准优化问题的不同之处在于所述子集外部的通量元素应当为零的约束。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括在操作者导向系统中使用(46)所述治疗计划的第二集合的步骤，所述步骤包括通过与所述治疗计划的第二集合相关联的剂量分布的插值来计算导向剂量分布。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述操作者导向系统中使用(46)所述治疗计划的第二集合的所述步骤包括提供将所述导向剂量分布可视化的图形用户界面和导向控制界面，所述导向控制界面允许操作者调整所述导向剂量分布。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定(42)所述通量元素的子集的步骤包括丢弃具有小于阈值权重的统计量度的通量元素，针对每个通量元素计算的所述统计量度跨所述治疗计划的第一集合中的所有治疗计划。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述统计量度包括平均值或百分比值。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，确定(42)所述通量元素的子集的步骤包括保证存在跨整个目标体积(3)的足够密度的通量元素。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述的保证存在跨所述整个目标体积的足够密度的通量元素包括：
计算参考覆盖范围；
确定所述通量元素的子集；以及
重复所述通量元素的子集的所述确定，直到验证使用所确定的通量元素的子集能够获得所计算的参考覆盖范围为止。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述参考覆盖范围包括剂量体积。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，每个治疗计划被配置为使用扫描离子射束来传递，其中，每个通量元素与所述射束的扫描光点相关联，所述扫描光点由所述射束的扫描位置和射束能量来限定。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中，每个治疗计划被配置为使用由二元多叶校准器MLC校准的辐射射束来传递，其中，所述MLC的每个叶片能够在打开和关闭位置之间交替，其中，在所述射束相对于所述目标体积的特定入射方向上，每个通量元素与所述MLC的特定叶片相关联。
15.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中，每个治疗计划被配置为使用由MLC校准的辐射射束来传递，其中，所述MLC的叶片被布置成相对的叶片对，并且每个叶片能够呈现最小与最大位置之间的多个位置中的任一个，其中，每个通量元素与二元体相关联，每个二元体是所述射束在相对于所述目标体积的特定入射方向上的横截面中的表面元素。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，通过旋转机架(31)和可移动诊台(30)中的任一个或这两者来确定所述辐射射束相对于所述目标体积的每个入射方向。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的方法，其中，每个治疗计划被配置为在所述辐射射束相对于所述目标体积的所述入射方向在所述传递过程期间发生变化的情况下进行传递。
18.一种用于为辐射疗法生成多个治疗计划(12)的治疗计划系统(1)，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重，每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积(3)提供辐射剂量，所述治疗计划系统(1)包括：
处理器(60)；以及
存储器(64)，所述存储器存储指令(67)，当所述指令由处理器执行时使所述治疗计划系统(1)：
生成治疗计划的第一集合；
基于所述治疗计划的第一集合来确定所述通量元素的子集；以及
生成至少两个治疗计划的第二集合(12)，其中，所述治疗计划仅包含用于所述通量元素的子集的权重。
19.一种计算机可读装置，其上存储有用于为辐射疗法生成多个治疗计划(12)的计算机程序(67、91)，每个治疗计划指定多个几何限定的通量元素的权重，每个权重限定辐射通量的量，从而向目标体积(3)提供辐射剂量，所述计算机程序包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在治疗计划系统(1)上运行时使所述治疗计划系统(1)：
生成治疗计划的第一集合；
基于所述治疗计划的第一集合来确定所述通量元素的子集；以及
生成至少两个治疗计划的第二集合(12)，其中，所述治疗计划仅包含用于所述通量元素的子集的权重。
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