CN113939338A - 调强粒子疗法计划标准化方案 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于对IMPT计划进行标准化的方法和系统，以及一种用于计划IMPT的装置和一种包括执行该方法的指令的计算机程序产品。该方法包括以下步骤：接收用于待处理受试者的IMPT计划，接收包括至少一个ROI的受试者的解剖图像数据，以及接收与该ROI相关联的至少一个临床目标。该方法还包括：在ROI内标识其中临床目标未被满足的IMPT计划的一个或多个缺陷区域，并将与所标识的缺陷区域相关联的IMPT计划的粒子点标识为关键粒子点。当关键点已被标识时，该方法包括通过调整关键粒子点的强度来对缺陷区域中的至少一个缺陷区域进行标准化。

Description

调强粒子疗法计划标准化方案
技术领域
本发明总体上涉及计划调强粒子疗法。特别地，本发明涉及标准化调强粒子疗法计划。更具体地，本发明涉及将具有局部计划缺陷的调强粒子疗法计划标准化。
背景技术
在调强粒子疗法(IMPT)和传统X射线放射疗法中，患者体内的目标结构(诸如肿瘤)通过经受辐照而被处理。在IMPT中，肿瘤是通过经受粒子束(诸如质子、碳离子或氦离子)的辐照而被处理的。以使得递送至目标结构(TS)的剂量尽可能高同时递送至周围健康组织和结构(通常被称为危及器官(OAR))的剂量尽可能低的方式来递送该处理。TS和OAR都是患者解剖结构中的感兴趣区域(ROI)。必须在这两类ROI之间进行权衡。为此，临床目标被规定。计划IMPT处理以及X射线放射疗法处理中的临床目标指定了对要被递送到TS的剂量的要求。临床目标还可以包括约束被递送到每个OAR的剂量的要求。临床目标可以是针对TS区域的最小剂量、针对整个ROI区域的最大剂量、针对TS最热子区域的最大剂量、平均剂量或针对TS的平均最大或最小剂量。数值优化通常被用来确定要递送的最佳总剂量分布。从该剂量分布计算形成疗法计划的递送参数。
即使经过优化，剂量分布仍可能存在缺陷。例如，可能会违反针对TS的最大目标剂量，或者可能无法满足对TS的指定体积覆盖。之所以会出现这些缺陷，是因为需要在多个临床目标之间做出妥协。在这种情况下，临床医生有若干选项以获得更好的覆盖或减少剂量。
在优化之后改进被递送至TS的剂量的一种快速方法是标准化。在标准化中，疗法计划的总强度(或运动单位，MU)增加或减少。当前的标准化方法包括直接调整计划的总MU。
通过这些标准化方法，可以改进TS覆盖或增加TS剂量。然而，这些方法具有显著的缺点。通过增加计划的总强度(MU)，或增加覆盖体积以增加到TS体积的总剂量，经标准化的剂量也会增加到TS的最大剂量。在这个过程中，目标体积内的热点会变得“更热”，这是不期望的。此外，OAR也将成比例地剂量过多。
当前唯一可用的标准化备选方案是利用附加和/或修改的临床目标执行完全重新优化。计算这种重新优化非常耗时，并且最终结果可能仍然不是最佳的。这对于IMPT尤其成问题，因为在这些疗法形式中，剂量计算和优化周期需要很长时间才能完成。
在“Pitfalls in normalization for intensity-modulated radiationtherapy planning,Medical Dosimetry,Vol.30,No.4,pp 194-200,2005”中，作者建议重新优化而不是标准化。
发明内容
本发明寻求提供一种在优化之后改进IMPT计划中的剂量覆盖的备选的、更快的方式。
本发明的进一步见解是，IMPT中的当前标准化方法以及对重新优化的偏好已经取代没有考虑IMPT的特定问题的传统的X射线放射疗法计划方法。本发明附加地或备选地寻求提供一种用于对IMPT计划进行标准化的方法，该方法考虑了粒子束的不同性质。对于技术人员来说，来自所述发明的其他优势也将是显而易见的。
为此提供了一种用于将IMPT计划进行标准化的方法和系统。此外，还提供了用于计划IMPT的布置。此外，提供了一种包括指令的计算机程序产品，该指令在被执行时控制处理器执行用于将IMPT计划进行标准化的方法。
用于对调强粒子疗法计划进行标准化的方法包括以下步骤：接收用于待处理受试者的调强粒子疗法计划；接收包括至少一个感兴趣区域的待处理受试者的解剖图像数据；并且接收与至少一个感兴趣区域相关联的至少一个临床目标。利用该数据和信息，该方法还包括：在至少一个感兴趣区域内标识其中至少一个临床目标未被满足的调强粒子疗法计划的一个或多个缺陷区域，并且将与已标识的缺陷区域相关联的粒子疗法计划的粒子点标识为关键粒子点。当关键点已被标识时，该方法包括通过调整关键粒子点的强度来对缺陷区域中的至少一个进行标准化。该方法优选地是计算机实现的。
IMPT计划定义了粒子束要被递送到的位置的图案(pattern)，以及每个位置的束的强度。由于粒子束的形状，并且特别是对于诸如质子、碳离子和氦离子之类的粒子的粒子束的布拉格峰形状，高剂量被递送到相对小的体积。剂量被递送到的位置被称为点。
根据粒子点的局部性质，可以标识出对剂量分布的特定部分有贡献的个体粒子束。这些个体的束递送与剂量分布的该区域相关联的点。这些束对剂量分布中其他区域的贡献远小于对关联剂量区域的贡献。在此上下文中，“剂量区域”意指患者解剖结构中的局部体积，其是三维剂量分布的一部分。
“缺陷区域”是患者解剖结构的ROI内其中临床目标未被满足的局部体积。将其粒子剂量递送到缺陷区域的点是关键粒子点。当在ROI的子区域中被递送的粒子剂量超过规定的最大剂量时，这个子区域是“热”缺陷区域。热缺陷区域可以出现在TS中，但是也可能出现在OAR中。当在ROI的子区域中被递送的粒子剂量没有达到规定的最小剂量时，这个子区域是“冷”缺陷区域。这种类型的缺陷通常发生在TS中。冷缺陷区域可能导致最小规定剂量未被达到，或者也可能导致规定的TS体积覆盖百分比未被达到。
根据一个方面，用于对IMPT计划进行标准化的方法可以包括将一个或多个缺陷区域分类为热缺陷区域或冷缺陷区域。
粒子点的局部性质允许标识与热区域和冷区域的缺陷区域相关联的关键点。粒子点的局部性质还允许标识对递送到ROI的剂量有贡献的点。不仅可以在ROI中标识关键粒子点，还可以标识递送符合规定临床目标的剂量的粒子点。在ROI内接收符合临床目标的粒子剂量的区域是“正常”区域。与这些正常区域相关联的点是正常粒子点。
根据另一个方面，用于对IMPT计划进行标准化的方法可以包括在至少一个ROI内标识其中至少一个临床目标被满足的调强粒子疗法计划的正常区域；将与所标识的正常区域相关联的粒子疗法计划的粒子点标识为正常粒子点。标识正常区域和关联的正常粒子点的优势是可以提供更多的标准化策略。因此，临床医生有更多选择来快速改进IMPT计划。例如，附加地或备选地，对缺陷区域中的至少一个进行标准化包括调整正常粒子点的强度。
优选地，在该方法中如下调整粒子点的强度(通常被表达为MU)。当缺陷区域为热缺陷区域时，降低粒子点的强度，而当缺陷区域为冷缺陷区域时，增加粒子点的强度。可以单独针对关键热点或冷点调整强度，或者针对关键粒子点和正常粒子点的组合调整强度。在递送粒子疗法的已知方式中，粒子束具有固定的能量水平并且可以打开和关闭。束的MU表达了束被开启的持续时间。通过增加或通过减少MU(这意味着让束打开更长或更短的时间)来增加或减少强度。
根据该方法的一个特定方面，对缺陷区域中的至少一个进行标准化包括以下步骤：选择标准化目标，以及应用对应于标准化目标的标准化策略。标准化目标定义了通过标准化应达到的ROI的剂量处方。例如，剂量处方可以是最大剂量、最小剂量、平均剂量或体积覆盖百分比。标准化目标可以由临床医生输入到标准化单元的输入中，但是也可以从数据文件自动接收。标准化策略定义了将调整哪组粒子点以及如何调整。粒子点的组例如可以仅仅是关键粒子点，或者是关键粒子点和正常粒子点的组合。调整可以是分别针对冷或热缺陷区域将强度增加或减少到预定的MU水平。标准化策略还可以包括针对OAR中或附近的粒子点的附加强度约束，以改进OAR限量(OAR sparing)。例如，在OAR限量中，将OAR中或附近的粒子点从将被调整的粒子点的组中移除。
优选地，其中标准化目标对应于与至少一个ROI相关联的至少一个临床目标。这具有系统不需要接收更多数据的优势。另一个优势是目标可以作为被优化的IMPT计划的一部分而被自动接收。
优选地，对缺陷区域中的至少一个进行标准化还包括以下步骤：通过应用标准化策略来确定标准化目标是否已经被达成，如果确定没有达成标准化目标，则应用对应于标准化目标的备选标准化策略。甚至更优选地，确定是否已经达成标准化目标以及应用备选标准化策略的步骤被重复，直到确定已经达成标准化目标。将这些步骤包括为方法的一部分的优势在于，临床医生可以在结构化方法中对IMPT计划进行标准化并确定适当的标准化策略。方法步骤也可以是计算机实现的。计算机实现的优势在于，该方法可以自动地对计划进行标准化，而无需与临床医生交互。
根据该方法的另一方面，在至少一个ROI内标识调强粒子疗法计划的多个缺陷区域，并且对每个缺陷区域进行标准化。
用于对调强粒子疗法计划进行标准化的系统包括：被配置为接收应用待处理受试者的调强粒子疗法计划的输入；被配置为接收包括至少一个ROI的待处理受试者的解剖图像数据的输入；以及被配置为接收与至少一个ROI相关联的至少一个临床目标的输入。该系统还包括：标识模块，其被配置为在至少一个ROI内标识其中至少一个临床目标未被满足的调强粒子疗法计划的一个或多个缺陷区域，并且被配置为将与所标识的缺陷区域相关联的粒子疗法计划的粒子点标识为关键粒子点。该系统还包括标准化单元，该标准化单元被配置为通过调整关键粒子点的强度来对缺陷区域中的至少一个进行标准化。
该系统优选地适合于执行上述方法并且其元件可以另外被配置为执行该方法的实施例中的任何一个。
优选地，标准化单元包括用户界面。用户界面允许临床医生控制标准化过程。这样的界面可以允许临床医生选择要标准化哪个ROI和哪个缺陷区域以及使用哪种策略。临床医生还可以输入标准化目标。备选地，用户界面可以允许临床医生选择自动标准化。因此，临床医生提供有一种工具，他可以根据他或她自己的知识和经验使用该工具进行IMPT计划标准化。
在特别有利的实施例中，用户界面是图形用户界面的一部分。这种类型的界面是用户友好的。图形用户界面还可以显示标准化之前和标准化之后的剂量分布图像，以提供对标准化结果的洞察。例如，图像可以是剂量强度图或剂量体积直方图。
用于计划IMPT的布置包括：被配置为提供待处理受试者的图像的成像设备；被配置为基于由成像设备提供的图像来提供解剖图像数据的轮廓工具；被配置为接收用于调强粒子疗法的临床目标的输入；被配置为基于解剖图像数据和临床目标来生成调强粒子疗法计划的单元，以及如上所述的用于对IMPT计划进行标准化的系统。
本发明的一个优势是可以比使用重新优化更快地改进优化后IMPT计划中的剂量覆盖。
本发明的另一个优势是提供了一种用于IMPT计划的标准化方法，降低了在TS中创建和/或增加热点的风险，并且附加地，
本发明的另一个优势是提供了一种用于IMPT计划的标准化方法，降低了使OAR剂量过多的风险。
本发明的又一个优势是可以在计划的整体强度增加较少的情况下提高IMPT计划的质量。
所描述的发明的其他优势对于技术人员来说也是显而易见的。
附图说明
在以下附图中：
图1示意性且示例性地图示了质子束的特定形状的布拉格峰。
图2示意性地图示了用于计划IMPT的布置的示例，其包括用于对IMPT计划进行标准化的系统。
图3示意性且示例性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的方法。
图4a和图4b示意性且示例性地图示了IMPT计划中的ROI中的正常区域和缺陷区域。
图5示意性且示例性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的备选方法。
图6示意性且示例性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的另一备选方法。
图7示意性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的系统的用户界面的示例。
具体实施方式
为了说明本发明的原理，描述了一种用于对IMPT计划进行标准化的方法和系统。此外，还描述了应用计划IMPT的布置。调强粒子疗法是特别参考其中使用质子作为粒子的疗法来描述的。然而，应当了解，诸如例如碳离子或氦离子之类的其他粒子也可以代替质子或与质子结合使用。
图1图示了IMPT中使用的质子束1的布拉格峰形状。束的强度被示为穿透深度的函数。为了比较，还示出了被用于X射线放射疗法的常规X射线束2的强度分布。在该图中，纵轴示出了强度百分比，并且横轴示出了以厘米为单位的穿透深度。目标结构3位于患者皮肤下方约20cm的虚线之间。正如从图中可以看出的，质子束1在目标结构3内递送高强度而在皮肤处和皮肤正下方递送较低强度。特别是与传统的X射线束2相比时。图1还示出了目标结构3右侧处的质子束强度急剧下降，这提供了辐射剂量在TS 3内部的典型点递送。
图2示意性地图示了用于计划IMPT的布置101的示例，其包括用于对IMPT计划进行标准化的系统106。布置101具有：被配置为提供待处理受试者的图像的成像设备102，被配置为基于所提供的图像来提供解剖图像数据的轮廓(contouring)工具103，用于接收IMPT计划的临床目标的输入104。该布置还包括被配置为基于解剖图像数据和临床目标来生成IMPT计划的单元105，以及用于对IMPT计划进行标准化的系统106。该布置的输出是标准化的IMPT计划107。
该布置的成像设备102可以是诸如CT、MR或超声扫描仪之类的结构成像设备、诸如PET或SPECT扫描仪之类的功能成像设备或者其任何组合。使用组合PET-CT扫描仪具有特别的优势，因为PET-CT图像将允许医生从结构CT图像中标识OAR以及从PET功能图像中标识癌性TS。
由成像设备102提供的待处理受试者的图像被用作轮廓工具103的输入。轮廓工具描绘在图像中标识的OAR和TS的廓形。图像中将描绘至少一个TS的廓形。这些廓形是形成待处理受试者的解剖图像数据的轮廓。这种廓形通常被称为轮廓。轮廓工具103可以自动标识轮廓，或者它可以具有一个界面，医生或经训练的临床医生在该界面中手动输入轮廓。轮廓工具103也可以使用手动和自动轮廓的组合。
为了生成针对IMPT的计划，需要制定治疗的临床目标。临床目标包括针对至少一个ROI(优选为TS)的至少一个目标，但是如果存在多个TS和/或OAR，则可以包括附加目标。该布置为这些目标提供输入104。临床目标可以由医生基于由成像设备102提供的图像来确定，并且可以基于临床协议。临床目标可以通过用户界面而被手动输入，或者，例如使用解剖图像数据而从数据库自动上传。临床目标通常将包括针对所标识的OAR的最大剂量限制以及TS将接收的最小或平均剂量。临床目标也可以是生物剂量限制，诸如等效均一剂量(UED)。
被配置为生成IMPT计划的单元105是被配置为生成初始的优化IMPT计划的系统。为了生成该计划，可以使用诸如自动计划(Auto Plan)之类的市售产品。生成IMPT计划通常是由医生执行的交互过程。
由于粒子束(诸如质子、碳离子或氦离子束)的高度局部性质，IMPT对范围和患者设置误差特别敏感。因此，生成IMPT计划常常涉及稳健优化的附加步骤，在该步骤中考虑这些误差以便计算具有对误差的较低敏感度的IMPT计划。作为计划过程的一部分，由医生做出是否应用稳健优化的选择。在稳健优化中，包括临床目标分量和患者设置误差分量的总体计划目标值被最小化。因为在这个优化过程中仍然需要在多个目标之间进行折衷，所以稳健优化计划仍然会遭受与原始优化计划相同的剂量缺陷。可能仍会违反针对TS的最大目标剂量，或者可能无法满足对TS的指定体积覆盖。因此，稳健优化计划也可以受益于根据本发明的标准化方法。
由单元105提供的IMPT计划、来自输入104的临床目标和由轮廓工具103提供的解剖图像数据也被用作用于对IMPT计划进行标准化的系统106的输入。为此，系统106具有：被配置为接收至少一个临床目标的输入110，被配置为接收待处理受试者的IMPT计划的输入120，以及被配置为接收待处理受试者的解剖图像数据的输入130。该解剖图像数据包括至少一个ROI，其优选地是TS。这些输入也可以被组合成两个输入或单个输入。在图2的示例中，示出了用于计划IMPT的布置的实施例，其中临床目标输入110、初始计划生成器105和轮廓工具103是用于对IMPT计划进行标准化的系统106的独立单元。在这样的设置中，输入110、120和130可以是外部数据端口。在备选实施例中，计划生成器106、轮廓工具103和系统106也可以是仅两个或者甚至单个单元的一部分。在单个单元的示例中，输入110、120和130将是自动内部数据传送的一部分。在备选示例中，用于接收临床目标的输入110可以与用于临床目标的输入103相组合并且可以是被配置为生成IMPT的单元105的一部分。
该系统还具有标识模块140，其被配置为在至少一个ROI内标识其中至少一个临床目标未被满足的调强粒子疗法计划的一个或多个缺陷区域。优选地以ROI轮廓的形式接收关于一个或多个ROI的信息来作为解剖图像数据的一部分。ROI可以是一个或多个TS，和/或一个或多个TS和一个或多个OAR。对于一个或多个ROI中的每一个，标识模块140确定ROI的区域是否满足临床目标。如果整个ROI都满足临床目标，则不存在缺陷区域。如果在ROI的一个或多个区域中临床目标未被满足，则将这些区标识为缺陷区域。标识模块140还被配置为标识与所标识的缺陷区域相关联的粒子疗法计划的粒子点。关联的点被标识为关键粒子点。在优选实施例中，针对每个缺陷区域将关键粒子点进行分组。这样的组可以是点的简单列表，也可以是被添加到解剖图像数据的单独ROI。
该系统还具有标准化单元150，其被配置为通过调整关键粒子点的强度来对缺陷区域中的至少一个进行标准化。作为用于对IMPT计划进行标准化的系统106的一部分，标准化单元接收提供关于缺陷区域中的期望剂量的信息的临床目标以及已被标识为关键粒子点(优选地，以组形式)的点。标准化单元根据临床目标将关键粒子点的强度调整到所期望的剂量水平。例如，这可以通过利用缩放因子缩放每个关键点的MU来完成。这种缩放因子可以由缺陷区域中的期望剂量水平与该区域中的平均实际剂量水平的比率来确定。这将为冷点产生高于1的缩放因子并且为热点产生少于1的缩放因子，因此两种情形都适用。
图3示意性且示例性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的方法200。方法200包括以下步骤：接收用于待处理受试者的调强粒子疗法计划210；接收包括至少一个感兴趣区域的待处理受试者的解剖图像数据220；并且接收与至少一个感兴趣区域相关联的至少一个临床目标230。利用此数据和信息，该方法还包括在至少一个感兴趣区域内标识其中至少一个临床目标未被满足的IMPT计划的一个或多个缺陷区域240，并且将与所标识的缺陷区域相关联的粒子疗法计划的粒子点标识为关键粒子点250。当关键点已经被标识时，该方法包括通过调整关键粒子点的强度来对缺陷区域中的至少一个进行标准化260。该方法可以可选地包括提供标准化控制计划作为输出的附加步骤270。该控制计划可以被用来操作治疗标识以递送IMPT。
图4a和图4b示意性且示例性地图示了IMPT计划中的ROI中的正常区域和缺陷区域。
图4a图示了投影在患者的CT图像背景上的IMPT计划410。解剖图像数据被表示为虚线轮廓421和422，大虚线表示OAR，小虚线表示TS。在这个示例中有四个OAR和五个TS。IMPT计划的剂量水平由等剂量实线430来指示。包围白色阴影的轮廓表示符合TS的临床目标的剂量水平。白色阴影是正常区域。包围阴影线阴影的轮廓表示高于根据临床目标可接受的剂量水平，并且没有阴影表示低剂量。该低剂量低于根据临床目标TS可接受的剂量，但优选是低于OAR可接受的剂量。图4a示出了在右上方TS中存在冷缺陷区域441，左下方和中间TS具有热缺陷区域442。
图4b示意性地示出了TS 450，其中IMPT计划以粒子点的位置的形式来指示。已相对于规定剂量指示了剂量水平。TS 450由实心外轮廓来界定，并且由IMPT计划的粒子束递送的粒子点用实心点来指示。图4b的TS 450具有其中针对该TS 450的临床目标尚未被满足的两个缺陷区域462和463。存在用阴影线阴影指示的其中被递送的剂量太高的热缺陷区域462。还存在用灰色阴影指示的其中被递送的剂量太低的冷缺陷区域463。在TS的剩余区域中，临床目标被满足，并且该区域形成正常区域461。
位于缺陷区域中的点与这些区域相关联并且是关键粒子点。热缺陷区域462中的点是热粒子点472。冷缺陷区域463中的点是冷质子点473。位于正常区域461中的粒子点与该区域相关联并且是正常质子点471。
图5示意性且示例性地示出了用于对IMPT计划进行标准化的备选方法500。在该实施例中，方法500同样包括以下步骤：接收用于待处理受试者的调强粒子疗法计划510；接收包括至少一个感兴趣区域的待处理受试者的解剖图像数据520；并且接收与至少一个感兴趣区域相关联的至少一个临床目标530。利用此数据和信息，该方法还包括在至少一个感兴趣区域内标识其中至少一个临床目标未被满足的IMPT计划的一个或多个缺陷区域540。
在缺陷区域已被标识之后，方法500包括对一个或多个缺陷区域进行分类的附加步骤541。当接收到的剂量太低而不满足规定的临床目标时，该区域被分类为冷缺陷区域543。这样的缺陷可以发生在TS中，并且临床目标例如可以是目标体积覆盖的规定的最小剂量或百分比。当接收到的剂量超过规定的临床目标时，该缺陷区域被分类为热缺陷区域542。这样的目标可以是ROI的最大剂量或为ROI规定的平均剂量。TS和OAR中都可能出现热缺陷区域。
方法500具有可选的附加步骤，其针对具有缺陷区域的一个或多个ROI中的每一个ROI标识IMPT的一个或多个正常区域544。
方法500还包括将与一个或多个ROI相关联的IMPT计划的粒子点标识为关键粒子点550。在该示例中，与被分类为热的缺陷区域相关联的粒子点被标识为热关键质子点552。与被分类为冷的缺陷区域相关联的粒子点被标识为冷关键质子点553。该方法还进一步包括将与所标识的一个或多个正常区域相关联的IMPT计划的粒子点标识为正常粒子点554。
方法500还包括对所标识的一个或多个缺陷区域中的至少一个进行标准化的步骤560。在所图示的实施例中，对所有所标识的缺陷区域进行标准化。优选地针对每个缺陷区域依次进行。
在图5的实施例中，对缺陷区域进行标准化包括如下步骤：选择标准化目标561以及应用对应于标准化目标的标准化策略562。标准化目标可以手动选择，但也可以自动地确定。优选地，所选择的目标对应于针对ROI的规定临床目标。
标准化策略定义了哪组粒子点将被调整以及如何调整。例如，当TS的缺陷区域已被标识并被分类为冷时，标准化策略可以是增加关联的冷粒子点的强度。通常通过增加束的MU来增加强度。在另一个示例中，当ROI的缺陷区域已被标识并被分类为热时，标准化策略可以是降低关联的热粒子点的强度。
标准化策略可以基于所选择的目标来预先设定，也可以基于所选择的目标从若干选项中手动或自动选择。在TS中的冷缺陷区域的以上示例中，标准化目标可以是TS要接收的平均剂量的临床目标。对此的预设策略可以是将关联的冷点的强度水平增加到规定的平均剂量水平。
包括标识ROI的正常区域和关联的正常粒子点的可选步骤的优势是可以提供附加的标准化策略，从而为IMPT计划的快速改进提供更多的选项和更好的结果。例如，附加地或备选地，对缺陷区域中的至少一个进行标准化包括调整ROI正常粒子点的强度。
在图5的示例中，对缺陷区域进行标准化还包括通过应用所选择的标准化策略来确定标准化目标是否已经被达成的可选步骤563。如果确定尚未达成标准化目标，则选择并应用对应于标准化目标的备选标准化策略。优选地，重复这些步骤562、563，直到确定已经达成标准化目标。
可选地，该方法可以包括提供标准化控制计划作为输出的附加步骤570。该控制计划可以被用来操作治疗设备以用于递送IMPT。
图6示意性且示例性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的另一备选方法。在该实施例中，方法600同样包括以下步骤：接收用于待处理受试者的调强粒子疗法计划601；接收包括至少一个感兴趣区域的待处理受试者的解剖图像数据602；并且接收与至少一个感兴趣区域相关联的至少一个临床目标603。
利用此数据和信息，该方法还包括在至少一个感兴趣区域内标识其中至少一个临床目标未被满足的IMPT计划的一个或多个缺陷区域604。该方法的这个步骤604还包括针对具有缺陷区域的一个或多个ROI中的每一个标识IMPT的一个或多个正常区域。该方法还包括标识关联的点的步骤605。在这个步骤中，与所标识的一个或多个缺陷区域相关联的粒子点被标识为关键粒子点并且与所标识的一个或多个正常区域相关联的粒子点被标识为正常粒子点。
方法600还包括对至少一个缺陷区域进行标准化的步骤606。方法步骤606可以被用来对单个缺陷区域进行标准化(如所描述的)，但是在存在多个缺陷的情况下它可以并且依次被应用于每个区域。在同一ROI内存在多个缺陷区域并且具有为热或冷的相同分类的情况下，方法步骤606还可以有利地同时被应用于多个缺陷区域。在这种情况下，多个缺陷区域的多个点将在分类后被分组，然后作为单个缺陷区域来治疗。
对缺陷区域进行标准化的方法步骤606包括多个另外的步骤。首先，缺陷区域被分类610为热611或冷612缺陷区域。取决于分类，该方法随后遵循一系列步骤以达成预设的标准化目标。这些步骤包括应用标准化策略621、623、625、631、633、635、637，并检查是否已经达成标准化目标622、624、632、634、636。在步骤621、623、625、631、633、635、637中，将标准化策略应用到原始IMPT计划中。标准化目标可以对应于接收到的针对ROI的临床目标603，但是也可以与附加的用户界面分开接收。如果确定已经达成标准化目标，则方法步骤完成。如果尚未达成标准化目标，则该方法继续并应用下一个标准化策略。
对于热缺陷区域611，首先通过仅降低热关键点的强度来对缺陷区域进行标准化621。这是通过减少递送这些点的束的MU来完成的。MU可以通过将它们乘以小于1的缩放因子来减少，缩放因子例如可以通过用于ROI的规定的最大剂量与热缺陷区域的平均剂量的比率来确定。在应用该第一标准化策略之后，确定是否已经达到标准化目标622。如果已经达到该目标，则标准化步骤606完成。
如果尚未达到目标，则标准化步骤606通过应用备选标准化方法623继续。在该备选标准化方法623中，通过减少ROI的正常点和热关键点的强度来对缺陷区域进行标准化。同样，这是通过减少递送这些点的束的MU来完成的，并且可以为此使用相同的缩放因子。在应用该备选标准化策略之后，确定是否已经达到标准化目标624。如果已经达到该目标，则标准化步骤606完成。由于粒子点的局部性质，很可能通过应用这些标准化策略621、623中的任一个就达到了标准化目标。然而，如果确定仍未达到目标，则标准化方法步骤606通过减少计划的所有束的MU来整体标准化IMPT计划625来完成。
对于TS中导致体积覆盖不足的冷缺陷区域612，首先通过仅增加冷关键点的强度来对缺陷区域进行标准化631。这是通过增加递送这些点的束的MU来完成的。同样对于冷点，可以通过将它们乘以缩放因子来改变MU。在这种情况下，缩放因子将高于1以提供增加。缩放因子可以是例如通过针对ROI的规定的平均剂量或规定的最小剂量与冷缺陷区域的平均剂量的比率来确定的。在应用该第一标准化策略之后，确定是否已经达到标准化目标632。如果已经达到该目标，则标准化步骤606完成。
如果尚未达到目标，则标准化步骤606通过应用第一备选标准化策略633继续。在该第一备选标准化方法633中，通过增加ROI的正常点和冷关键点的强度来对缺陷区域进行标准化。同样，这是通过增加递送这些点的束的MU来完成的，并且可以为此使用相同的缩放因子。在应用该第一备选标准化策略之后，再次确定是否已经达到标准化目标634。如果已经达到该目标，则标准化步骤606完成。
如果再次没有达到目标，则标准化步骤606通过应用第二备选标准化策略635继续。在该第二备选标准化方法635中，通过仅增加ROI的正常点的强度来对缺陷区域进行标准化。在TS中的剂量缺陷分散在多个小区域而不是一个较大缺陷区域上的情形中，这种标准化策略可能更成功。在应用该第二备选标准化策略之后，再次确定是否已经达到标准化目标636。如果已经达到该目标，则标准化步骤606完成。
由于粒子点的局部性质，很可能通过应用这三种标准化策略631、633或635之一来达到标准化目标。然而，如果确定仍未达到目标，则标准化方法步骤606通过增加IMPT计划的所有束的MU而整体标准化637来完成。
作为最后一步，标准化方法600包括提供标准化控制计划作为输出的步骤607。该控制计划可以被用来操作治疗设备以用于递送IMPT。
可以通过用户交互来执行根据上述方法步骤606的至少一个缺陷的标准化，由此用户查看所应用的标准化策略的结果，然后输入结果是否可接受。该方法还有利于其自身完全自动化的执行，从而提供一种特别快速的用于以改进的质量对IMPT计划进行标准化的方法。
图7示意性地图示了用于对IMPT计划进行标准化的系统的用户界面700的示例。这样的用户界面可以有利地是用于对IMPT计划进行标准化和/或用于计划IMPT的布置的系统的一部分。这样的系统106和布置101的示例在图2中被图示出。图示出的被使用的界面也可以有利地被用来执行图5和图6中图示出的方法。
用户界面包括IMPT计划标准化界面720，其被配置用于标准化过程中的用户交互。这种界面的用户通常是开具治疗处方的临床医生或IMPT计划技术人员。图7中所图示的示例性用户界面700是图形用户界面，其包括剂量信息的可选附加图形表示710。关于原始接收到的IMPT计划711的剂量信息与关于标准化IMPT计划712的剂量信息并排显示。这允许用户更容易地比较两种情形并确定所应用的标准化策略是否已充分达到标准化目标。
图形表示可以是剂量图，例如以假色来指示剂量水平和/或包括等剂量线。CT扫描形式的患者解剖结构图像和/或ROI轮廓形式的解剖数据也可以被包括在图形表示中。这种图形表示类似于图4a中所示的图形。
图7以TS的剂量体积直方图(DVH)的形式示出了剂量信息的备选图形表示。标记713表示所需的剂量水平。正如从本示例中的原始IMPT计划711的DVH可以看出的，由于冷缺陷区域，TS的体积覆盖太低。在对冷缺陷区域的标准化之后，DVH 712示出了TS的体积覆盖已达到目标水平713，而没有显著增加TS中的最大剂量水平。
IMPT计划标准化界面720包括目标选择窗格730、手动标准化窗格740和自动标准化窗格750。IMPT计划标准化界面720还包括执行按钮721和接受按钮722。
在目标选择窗格730中，用户可以选择包括至少一个缺陷区域的ROI，针对该缺陷区域将对剂量水平进行标准化。为此目的，目标选择菜单731具有ROI下拉菜单732。下拉菜单包括所有ROI的列表，所述ROI包括所标识的缺陷区域中的至少一个。目标选择窗格730还具有标准化目标输入部分733。该部分可以预先填充有接收到的规定临床目标，但也允许用户分别输入不同的标准化目标。标准化目标输入部分733具有在其中输入所规定(例如，以cGy为单位的规定)剂量的剂量输入字段734。输入部分733还具有用于指示标准化目标类型的菜单。在此示例中，菜单是一个必须在其中进行唯一选择的列表。列表提供了ROI最小剂量735、ROI平均剂量736、ROI最大剂量377和体积覆盖百分比378的目标选项。体积覆盖选项具有额外的输入字段379，用户可以在其中输入所需的百分比。
所使用的可通过选中手动选择框741或自动选择框751在自动和手动标准化之间进行选择。当选择手动741时，自动窗格750的进一步菜单将处于非活动状态，当选择自动751时，手动窗格740的进一步菜单将处于非活动状态。
在手动标准化模式下，当手动选择框741已被选中时，用户可以选择适合于该缺陷区域类型的所列选项之一。优选地，可以遵循与图6中所图示的方法相对应的场景。为了对热缺陷区域进行标准化，提供仅调整热关键粒子点742以及既调整热关键粒子点又调整正常粒子点743的选项。为了对冷缺陷进行标准化，提供了仅调整冷关键粒子点744、既调整冷关键粒子点又调整正常粒子点745、以及仅调整正常粒子点746的选项。优选地，不适用于缺陷类型的选项不是活动的并且不能被选择。这具有为用户提供更好聚焦的优势。
当用户选择手动标准化741，并且标准化被应用于TS中的冷缺陷区域时，附加的选项被提供并且可以被选择以用于改进的OAR备用747。当使用该OAR备用选项时，从将要调整的粒子点的组中移除OAR中或附近的粒子点。
在自动标准化模式下，当自动选择框已被选中时，优选地应用参考图6描述的标准化方法。这种方法可以在热和冷缺陷区域之间进行区分。当所选择的ROI同时具有热和冷缺陷区域时，用户需要选择应被标准化的类型。为此目的，提供热选择框752和冷选择框753。当所选择的ROI只有一个或只有一种类型的缺陷区域时，系统将自动确定这是热区域还是冷区域，并相应地对IMPT计划中的缺陷进行标准化。在这种情况下，选择框752和753被预先填充并且用作用户的指示符。
在目标选择完成并选择了标准化策略之后，可以使用执行按钮721对最初接收到的IMPT计划相应地进行标准化。在图7的示例中，用户然后可以评估所产生的标准化IMPT计划。如果结果充分满足标准化目标，则用户可以通过使用接受按钮721接受结果并完成标准化过程。
本文所公开的任何方法步骤可以以包括指令的计算机程序的形式被记录，所述指令当在处理器上被执行时使处理器执行这些方法步骤。指令可以被存储在计算机程序产品上。计算机程序产品可以由专用硬件以及能够与适当软件相关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，这些功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个个体处理器提供，其中一些处理器可以共享。此外，本发明的实施例可以采取可从计算机可用或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，该存储介质提供供计算机或任何指令执行系统使用或与其结合使用的程序代码。出于本说明的目的，计算机可用或计算机可读存储介质可以是可以包括、存储、通信、传播或产生程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何装置。介质可以是电、磁、光、电磁、红外或半导体系统，或者装置或设备，或者传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器“RAM”、只读存储器“ROM”、硬磁盘和光盘。光盘的当前示例包括只读压缩盘存储器“CD-ROM”、读/写压缩盘“CD-R/W”、Blu-RayTM和DVD。传播介质的示例是互联网或其他有线或无线电信系统。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的变型。注意，可以组合各种实施例以达成进一步的有利效果。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以实现权利要求中记载的若干项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅仅事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于对调强粒子疗法计划进行标准化的方法(200、500、600)，所述方法包括：
接收用于待处理受试者的调强粒子疗法计划(210、510、601)；
接收包括至少一个感兴趣区域的所述待处理受试者的解剖图像数据(220、520、602)；
接收与所述至少一个感兴趣区域相关联的至少一个临床目标(230、530、603)；
在所述至少一个感兴趣区域内标识所述调强粒子疗法计划的一个或多个缺陷区域(240、540、604)，在所述一个或多个缺陷区域中所述至少一个临床目标未被满足；
将与所标识的所述缺陷区域相关联的所述粒子疗法计划的粒子点标识为关键粒子点(250、550、605)；
通过调整所述关键粒子点的强度来对所述缺陷区域中的至少一个缺陷区域进行标准化(260、560、606)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述一个或多个缺陷区域分类(541、610)为热缺陷区域(542、611)或冷缺陷区域(543、612)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
在所述至少一个感兴趣区域内标识所述调强粒子疗法计划的正常区域(544、604)，在所述正常区域中所述至少一个临床目标被满足；以及
将与所标识的所述正常区域相关联的所述粒子疗法计划的粒子点标识为正常粒子点(554、605)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中对所述缺陷区域中的至少一个缺陷区域进行标准化(260、560、606)附加地或备选地包括调整所述正常粒子点的强度。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中当所述缺陷区域为热缺陷区域时，所述粒子点的强度被降低(621、623、625)；并且当所述缺陷区域为冷缺陷区域时，所述粒子点的强度被增加(631、633、635、637)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中对所述缺陷区域中的至少一个缺陷区域进行标准化(260、560)包括以下步骤：选择标准化目标(561)以及应用与所述标准化目标对应的标准化策略(562)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述标准化目标对应于与所述至少一个感兴趣区域相关联的所述至少一个临床目标(603)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中对所述缺陷区域中的至少一个缺陷区域进行标准化还包括：通过应用所述标准化策略来确定所述标准化目标是否已经被达成(563、622、624、632、634、636)的步骤；以及如果确定所述标准化目标未被达成，则应用与所述标准化目标对应的备选标准化策略的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述标准化目标是否已经被达成以及应用备选标准化策略的步骤被重复，直到确定所述标准化目标已经被达成。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述调强粒子疗法计划的多个缺陷区域在所述至少一个感兴趣区域内被标识，并且所述缺陷区域中的每个缺陷区域被标准化。
11.一种用于对调强粒子疗法计划进行标准化的系统(106)，所述系统(106)包括：
输入(120)，被配置为接收用于待处理受试者的所述调强粒子疗法计划；
输入(130)，被配置为接收包括至少一个感兴趣区域的所述待处理受试者的解剖图像数据；
输入(110)，被配置为接收与所述至少一个感兴趣区域相关联的至少一个临床目标；
标识模块(140)，被配置为在所述至少一个感兴趣区域内标识所述调强粒子疗法计划的一个或多个缺陷区域，在所述一个或多个缺陷区域中所述至少一个临床目标未被满足，并且所述标识模块(140)被配置为将与所标识的所述缺陷区域相关联的所述粒子疗法计划的粒子点标识为关键粒子点；
标准化单元(150)，被配置为通过调整所述关键粒子点的强度来对所述缺陷区域中的至少一个缺陷区域进行标准化。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述标准化单元包括用户界面(700)。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述标准化单元用户界面是图形用户界面(700)的一部分。
14.一种用于计划调强粒子疗法的布置(101)，包括：
成像设备(102)，被配置为提供待处理受试者的图像；
轮廓工具(103)，被配置为基于由所述成像设备(102)提供的所述图像来提供解剖图像数据；
输入(104)，用于接收针对所述调强粒子疗法的临床目标；
单元(105)，被配置为基于所述解剖图像数据和所述临床目标来生成调强粒子疗法计划；以及
根据权利要求11-13中任一项所述的系统(106)。
15.一种包括指令的计算机程序产品，所述指令在被执行时使处理器执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法。
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