CN114025837A - 具有剂量速率处方和剂量速率映射的flash疗法治疗计划和肿瘤学信息系统 - Google Patents

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Abstract

一种计算系统，包括中央处理单元(CPU)和存储器，存储器被耦合到所述CPU并且在其中存储指令，当指令由计算系统执行时，使计算系统执行操作以生成辐射治疗计划。操作包括访问(502)要被递送进入和穿过目标的最小规定剂量，确定(504，506)束的数目和束的方向，以及确定针对束中的每个束的束能量，其中束的数目、束的方向以及针对束中的每个束的束能量被确定使得整个目标接收最小规定剂量。操作还包括针对FLASH疗法，规定剂量速率并且优化剂量速率约束，以及显示FLASH疗法的剂量速率图。

Description

具有剂量速率处方和剂量速率映射的FLASH疗法治疗计划和 肿瘤学信息系统
技术领域
本发明的实施例一般涉及存储器系统中使用的集成电路结构，存储器系统可以被计算机系统(包括嵌入式计算机系统)使用。
背景技术
使用辐射疗法来治疗癌症是众所周知的。通常，辐射疗法涉及将高能质子、光子、离子或电子辐射束(“治疗性辐射”)引导到目标或目标体积(例如，肿瘤或病变)中。
在利用辐射治疗患者之前，针对该患者的治疗计划被制定。计划基于过去的经验，使用模拟和优化来定义治疗的各个方面。通常，治疗计划的目的是向目标递送足够的辐射，同时最小化周围正常的、健康的组织对辐射的暴露。
计划者的目的是找到关于多个临床目的最佳的解决方案，在朝着一个目的的改进可能对达到另一目的有不利影响的意义上，多个临床目的可能是相互矛盾的。例如，使肝脏免于接受辐射的剂量的治疗计划可能会导致胃接受太多的辐射。这些类型的权衡会导致一个迭代过程，在该过程中，计划者会创建不同的计划，以找到最适合于实现预期结果的一个计划。
最近的辐射生物学研究已经证明了在单个短时间段内，以一个部分或可能几个部分，向目标递送完整的、相对较高的治疗性辐射剂量的有效性。这种类型的治疗在本文中通常被称为FLASH辐射疗法(FLASH RT)。迄今为止的证据表明，在正常的、健康的组织仅在很短的时间段内暴露于单次放射时，FLASH RT有利地使该组织免于受到损伤。因此，FLASH RT引入了常规辐射治疗计划中未考虑或未达到的重要约束。
超高剂量速率辐射疗法或FLASH疗法以非常高的速度递送高剂量的辐射，达到40Gy/s及以上的剂量速率。临床前研究表明，以这种超高剂量速率递送辐射治疗允许可比的肿瘤控制，同时保护健康组织，从而降低毒性。这种所谓的FLASH效应背后的作用机制仍在研究中，但越来越清楚的是，组织被放射的时间、施加的剂量以及因此剂量速率是在FLASH效应中发挥作用的关键参数。
当前的治疗计划系统(TPS)仅限于规定剂量并且将剂量显示为覆盖在患者的CT扫描上的分布。由于剂量速率和这种FLASH相关参数现在很重要，因此对于利用FLASH治疗人类来说，能够为某些特定组织结构(健康组织、风险器官、边缘以及临床肿瘤体积)规定特定阈值的剂量速率至关重要。此外，这种处方的输入将为临床医师和研究人员提供有价值的信息，这些信息可以进一步与生物参数和患者结果相关。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种如权利要求1中定义的计算系统。可选特征在其从属权利要求中被指定。
在另一方面，本发明提供了一种如权利要求10中定义的非瞬态计算机可读存储介质。可选特征在其从属权利要求中被指定。
在又一方面，本发明提供了一种如权利要求17中定义的计算机程序。
在另一方面，本发明提供一种如权利要求18定义的用于生成辐射治疗计划的系统。可选特征在其从属权利要求中被指定。
本发明的实施例实现了一种计算系统，该计算系统包括中央处理单元(CPU)和存储器，存储器被耦合到CPU并且在其中存储指令，当指令由计算系统执行时，使计算系统执行操作以生成辐射治疗计划。操作包括：访问(或确定)要被递送进入和穿过目标的最小规定剂量；确定束的数目和束的方向，其中方向被确定使得束在目标外部不重叠；以及确定束中的每个束的束能量，其中束的数目、束的方向和束中的每个束的束能量被确定使得整个目标接收最小规定剂量。操作还包括：针对FLASH疗法，规定剂量速率、剂量速率定义并且优化剂量速率约束，同时显示FLASH疗法的剂量速率图。
在一个实施例中，医师被提供对下拉菜单的访问，该下拉菜单将允许对预期剂量速率定义的选择。在一个实施例中，预期剂量速率定义包括平均域剂量速率、局部剂量速率、点剂量速率、瞬时剂量速率或剂量速率阈值。
在一个实施例中，医师可以在剂量速率定义被选择之后选择剂量速率值。在一个实施例中，医师可以将剂量速率处方应用到多个域、结构、子结构或体素群组。
在一个实施例中，剂量速率配方通过质量保证步骤，其中剂量速率配方在患者治疗之前被验证。在一个实施例中，记录和验证系统记录递送时间期间的剂量和剂量速率。
在一个实施例中，本发明被实现为非瞬态计算机可读存储介质，其具有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算系统执行生成辐射治疗计划的方法。方法包括：从计算系统的存储器访问参数的值，其中参数包括要被引导进入目标中的子体积的束的方向和束的束能量；访问指定辐射治疗计划的限制的信息，其中限制包括目标外部的每个子体积对放射时间的最大限制；以及调整参数的值，直到目标外部的所述每个子体积的辐射时间满足对放射时间的最大限制为止。方法还包括：针对FLASH疗法，规定剂量速率并且优化剂量速率约束，以及显示FLASH疗法的剂量速率图。
前述内容为发明内容，因此必要时包含简化、概括和细节的遗漏；因此，本领域的技术人员应当理解，该发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。本发明的其他方面、创造性特征和优点(如仅由权利要求限定的)，将在下面阐述的非限制性具体实施方式中变得明显。
附图说明
本发明通过示例而非限制的方式在附图的图中被图示，并且其中相同的附图标记指代相同的元素。
图1是可以在其上实现本文描述的实施例的计算系统的示例的框图。
图2是图示在根据本发明的实施例中的自动辐射疗法治疗计划系统的示例的框图。
图3图示了根据本发明的实施例的基于知识的计划系统。
图4A是示出可以在其上实现根据本发明的实施例的辐射疗法系统的选择的组件的框图。
图4B是图示在根据本发明的实施例中的相对于患者支撑设备的机架和喷嘴的非共面布置的框图。
图4C是图示在根据本发明的实施例中的相对于患者支撑设备的机架和喷嘴的共面布置的框图。
图4D是图示在根据本发明的实施例中的机架和喷嘴围绕患者支撑设备的移动的框图。
图5是在根据本发明的实施例中的用于生成辐射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图。
图6A图示了在根据本发明的实施例中的束几何形状的示例的透视图。
图6B图示了在根据本发明的实施例中的束几何形状的示例的截面图。
图6C图示了在根据本发明的实施例中的束几何形状的示例的透视图。
图6D图示了在根据本发明的实施例中的束几何形状的示例的截面图。
图7A图示了在根据本发明的实施例中的束的束眼图。
图7B示出了根据本发明的一个实施例的用于规定FLASH剂量速率的工作流程的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，本公开的示例在附图中图示。尽管结合这些实施例进行了描述，但是应当理解，它们并不旨在将本公开限制于这些实施例。相反，本公开旨在覆盖替代、修改和等同物，它们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。另外，在本公开的以下具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下，未详细描述公知的方法、程序、组件和电路，以免不必要地模糊本公开的各方面。
根据程序、逻辑块、处理以及对计算机存储器内的数据位的操作的其他符号表示来呈现以下具体实施方式的一些部分。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其他技术人员的手段。在本申请中，程序、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。步骤是利用物理量的物理操纵的那些步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够在计算系统中存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时已经证明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，应当牢记，所有这些和类似术语应当与适当的物理量相关联，并且仅仅是施加到这些量的方便标签。除非从下面的讨论中另外明确指出，否则应当理解，在整个本公开中，利用诸如“确定”、“访问”、“引导”、“控制”、“定义”、“布置”、“生成”、“表示”、“应用”、“相加”、“相乘”、“调整”、“计算”、“预测”、“加权”、“分配”、“使用”、“标识”、“减少”、“下载”、“读取”、“计算”、“存储”等术语的讨论指的是计算系统或类似电子计算设备或处理器(例如，图1的计算系统100)的行动和过程。计算系统或类似的电子计算设备在计算系统存储器、寄存器或其他这种信息存储、传输或显示设备内操纵和转换被表示为物理(电子)量的数据。诸如“剂量”或“注量”的术语通常是指剂量值或注量值。从周围讨论的上下文中，这些术语的使用将变得清楚。
根据方法来呈现和讨论以下具体实施方式的部分。尽管本文在描述该方法的操作的图中公开了其步骤和顺序，但是这些步骤和顺序是示例性的。实施例非常适于执行本文的图的流程图中列举的各种其他步骤或步骤的变型，并且非常适于以不同于本文所描绘和描述的序列来执行。
可以在由一种或多种计算机或其他设备执行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，计算机可执行指令驻留在某种形式的计算机可读存储介质(诸如程序模块)上。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施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在各种实施例中，可以根据需要组合或分布程序模块的功能。
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的信息的任何方法或技术实施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)、闪存或其他存储器技术、压缩盘ROM(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)或其他光学存储装置、磁盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储设备或可以用于存储所需信息并可以被访问以取回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的有线介质，以及诸如声学、射频(RF)、红外和其他无线介质的无线介质。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。
图1示出了可以在其上实现本文描述的实施例的计算系统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。系统100还可以具有附加的特征和/或功能。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)，包括但不限于磁盘、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。系统100还可以包含通信连接122，该通信连接122允许该设备与其他设备通信，例如，在联网的环境中使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接。
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。还包括诸如显示设备、扬声器、打印机等的(多个)输出设备126。
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。但是，优化器模型150可以替代地驻留在由系统100使用的计算机存储介质中的任何一个中，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的计算机的某种组合上。下面描述优化器模型150的功能。
图2是图示在根据本发明的实施例中的自动辐射疗法治疗计划系统200的示例的框图。系统200包括用于接收患者特定的信息(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的全部或部分可以被实现为在系统100(图1)上/使用计算系统100的软件程序、硬件逻辑或其组合。
在图2的示例中，患者特定的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。然后可以基于预测结果生成治疗计划。
图3图示了在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，辐射治疗计划)、治疗类型306，以及统计模型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、剂量分配模块320和最终辐射治疗计划322。
治疗计划工具集310在知识库302(通过患者记录304)中搜索与当前患者记录312类似的先前患者记录。统计模型308可以被用于将当前患者记录的预测结果312与统计患者进行比较。使用当前患者记录312、选择的治疗类型306和选择的统计模型308，工具集310生成辐射治疗计划322。
更具体地，基于过去的临床经验，当患者呈现特定的诊断、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使用的治疗类型，可以选择第一步治疗类型314。医学图像处理模块316提供对二维截面切片(例如，来自计算机断层扫描或磁共振成像)的自动轮廓和自动分割，以使用当前患者记录312中的医学图像形成三维(3D)图像。剂量分布图由剂量分布模块320计算，剂量分布模块320可以利用优化器模型150。
在根据本发明的一些实施例中，优化器模型150使用剂量预测模型来帮助塑造剂量分布。优化器模型150可以为当前患者提供例如3D剂量分布、注量和/或相关联的剂量-体积直方图。
图4A是示出了辐射疗法系统400的选择的组件的框图，可以在辐射疗法系统400上实现根据本发明的一些实施例。在图4A的示例中，系统400包括束系统404和喷嘴406。
束系统404生成束401并且将其传输到喷嘴406。束401可以是质子束、电子束、光子束、离子束或原子核束(例如碳、氦、和锂)。在一些实施例中，取决于束的类型，束系统404包括在朝向和进入喷嘴406的方向上引导(例如，弯曲、转向或指引)束系统的组件。在一些实施例中，辐射疗法系统400可以包括一个或多个多叶准直器(MLC)；每个MLC叶可以由控制系统410独立地来回移动，以动态地成形束可以穿过的孔径，以阻挡或不阻挡束的一部分，并且由此控制束的形状和曝光时间。束系统404还可以包括用于调整(例如，减少)进入喷嘴406的束能量的组件。
喷嘴406被用于将束对准在治疗室中被支撑在患者支撑设备408(例如，椅子或桌子)上的对象(例如，患者)内的各个位置(目标)。目标可以是器官、器官的一部分(例如，器官内的体积或区域)、肿瘤、患病组织，或患者轮廓。
喷嘴406可以被安装在可以相对于患者支撑设备408移动的机架(图4B、图4C和图4D)上或者是其一部分，患者支撑设备408也可以是可移动的。在一些实施例中，束系统404也被安装在机架上或者是机架的一部分；在另一实施例中，束系统与机架分离(但与机架通信)。
图4A的控制系统410接收并且实现规定的治疗计划。在一些实施例中，控制系统410包括计算机系统，以众所周知的方式，计算机系统具有处理器、存储器、输入设备(例如，键盘)并且可能具有显示器。控制系统410可以接收关于系统400的操作的数据。控制系统410可以根据它接收的数据和/或根据规定的治疗计划，来控制束系统404、喷嘴406和/或患者支撑设备408的参数，包括诸如能量、强度、方向、大小和/或束的形状的参数。
如上所述，进入喷嘴406的束具有特定的能量。因此，在根据本公开的一些实施例中，喷嘴406包括影响(例如，降低、调制)束的能量的一个或多个组件。术语“束能量调整器”在本文中被用作一个或多个组件的通用术语，该一个或多个组件影响束的能量，以便根据束的类型，来控制束的范围(例如，束穿透到目标中的程度)、控制由束递送的剂量和/或控制束的深度剂量曲线。例如，对于具有布拉格峰的质子束或离子束，束能量调整器可以控制布拉格峰在目标中的位置。在各种实施例中，束能量调整器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。即，当使用术语“束能量调整器”时，则讨论的元件可以是范围调制器、范围移位器或范围调制器和范围移位器两者。
图4B是图示在根据本发明的一些实施例中的相对于患者支撑设备408的机架420和喷嘴406的非共面布置的框图。图4C是图示在根据本发明的一些实施例中的相对于患者支撑设备408的机架420和喷嘴406的共面布置的框图，并且还图示了机架和喷嘴围绕患者支撑设备的移动。图4D是图示在根据本发明的一些实施例中的机架420和喷嘴406围绕患者支撑设备408的移动的框图。该移动可以以非共面布置或以共面布置出现。
图5是在根据本发明的一些实施例中的用于生成辐射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图500。流程图500可以被实现成驻留在某种形式的计算机可读存储介质上(例如，使用图1的计算系统100)的计算机可执行指令(例如，图1的优化器模型150)。
在诸如强度调制粒子疗法(IMPT)的强度调制辐射疗法(IMRT)中，束强度跨患者的每个治疗区域(目标)变化。根据治疗方式，可用于强度调制的自由度包括束塑造(准直)、束加权(点扫描)和入射角(可以被称为束几何形状)。这些自由度实际上导致了无限数目的潜在治疗计划，并且因此一致和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辐射疗法来治疗与如癌症的疾病相关联的时间约束，以及在任何给定时间段期间经受或需要经受辐射治疗的患者的大的数目。
在图5的框502中，要被递送进入和/或穿过目标的规定剂量被确定。目标的每个部分可以由至少一个3D元素(被称为体素(voxel))表示；一部分可以包括一个以上体素。在本文中目标或体素的一部分也可以被称为子体积；子体积可以包括一个或多个部分或一个或多个体素。如下面将详细描述的，每个部分或体素可以接收来自从不同方向递送的一个或多个束的辐射。规定剂量，例如针对目标的每个部分或体素，定义剂量值或最小剂量值和最大剂量值。在一些实施例中，针对目标的所有部分(子体积或体素)，规定剂量可以可选地是相同的，使得针对整个目标规定均匀的剂量。
在框504中，用于将束递送到目标中的方向(例如，相对于患者或目标的机架角度，或相对于患者或目标的喷嘴方向)被确定。束可以是质子束、电子束、光子束、离子束或原子核束。确定束方向的操作可以包括确定束的数目(束从该方向要被递送的方向的数目)。束的路径在目标内可以重叠或可以不重叠，并且在目标外部可以重叠或可以不重叠。通常，当生成辐射治疗计划时，一个目的是确定使目标外部的组织的每个子体积或体素的放射剂量值和/或时间最小化的束路径。理想地，目标外部的每个子体积或体素最多仅与单个束相交。如果准许在束路径之间有一些重叠，则理想地，目标外部的每个子体积或体素都由不超过两个束相交，而大多数仅由单个束相交。在一些实施例中，作为实现上述目的的一种手段，束方向被确定使得在目标外部的束的路径之间的总重叠量被最小化。在一个这种实施例中，方向被确定使得束的路径在目标内重叠，并且使得束的路径在目标外部的重叠的总量小于束的路径在目标内的重叠的总量。在另一这种实施例中，方向被确定使得束的路径在目标外部完全不重叠。束的路径可以在相同的平面内，或者它们也可以在不同的平面中。结合图6A、图6B和图6C和图6D提供附加信息。
当确定束方向时，可以考虑任何数目的其他因素。这些因素可以包括在束眼图中的束的形状和大小(例如，高度H和宽度W，或直径)(参见图7A)。这些因素还可以包括，例如，束将穿过的健康组织的量或类型。即，如果一个束方向穿过健康组织更短的距离或避免穿过重要器官，则该束方向可以比另一束方向更有利，并且可以被相应地加权。
在图5的框506中，针对方向中的每个(针对束中的每个束)确定束能量或强度。针对每个方向的束能量或强度被确定使得：在目标内部的位置处预测或计算的累积剂量(例如，使用图1的优化器模型150计算的剂量)满足框502中定义的规定剂量。如提出的，束路径在目标中可以重叠或可以不重叠；如果束的路径在目标中重叠，则针对每个方向的束能量或强度被确定为使得在目标内部的束路径重叠的位置处的预测或计算的累积剂量(例如，使用图1的优化器模型150计算的剂量)满足如框502中定义的规定剂量。在一些实施例中，束包括许多束段或子束。在一个或多个这种实施例中，束的最大能量(例如80MeV)被指定，并且束段中的每个束段的能量被确定为最大束能量的百分比(100％或更小)或等效分数。通常，束可以具有相同的能量或不同的能量，并且每个束可以具有一定范围的能量。因此，可以在不同的方向上递送不同的能量或强度，并且可以在每个方向上递送不同的能量或强度。结合图7A提供附加的信息。
尽管图5的框502、框504和框506中的操作被呈现为以串行并且以一定的顺序出现，但是本发明不限于此。这些操作可以以不同的顺序和/或并行地执行，并且它们还可以以迭代的方式执行，因为用于递送规定剂量的束的数目(并且因此，方向的数目)、束方向以及束能量或强度(和/或束段能量或强度)是相互关联的。如上所提出的，由于需要考虑的不同的参数、这些参数的值的范围、这些参数的相互关系、对治疗计划有效而又最小化患者的风险的需求以及快速生成高质量的治疗计划的需求，如本文所公开的，在计算系统100(图1)上一致执行的优化器模型150的使用对于辐射治疗计划是重要的。
下面的讨论涉及束、目标、剂量和其他元素或值。下面的讨论是在治疗计划工具集310和优化器模型150(图3)中的建模元件和计算的值的上下文中进行的，除非在讨论中另有说明或明显。
图6A图示了在根据本发明的一些实施例中的束几何形状的示例的透视图。在图6A的示例中，多个束(由束602举例说明)在相同的平面中。束可以是质子束、电子束、光子束、离子束或原子核束。每个束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，在一些实施例中，每个束可以递送足以用于FLASH RT的剂量(例如，在不到一秒的时间内至少四(4)个格雷(Gy)，并且在不到一秒的时间内多达20Gy或50Gy或更多)。在一些实施例中，范围是0.01Gy-500Gy。如本文所描述的，每个束可以包括一个或多个束段或子束。在该示例中，束的路径仅在目标604内重叠，并且在周围组织606中的目标外部不重叠。
在图6A的示例中，束602(例如)被图示为完全穿过目标604。对于具有布拉格峰的束(例如，质子束和离子束)，束的范围可以被控制使得束不完全通过目标，如将在下面进一步被描述的。
尽管在图6A中示出了多个束，但这并不意味着所有束必须同时或以重叠的时间段被递送，尽管它们可以如此。在任一时间递送的束的数目取决于在辐射治疗系统(例如，图4A的辐射治疗系统400)中和治疗计划上的机架或喷嘴的数目。
图6B图示了在根据本发明的一些实施例中的束几何形状的示例的截面图。在该示例中，束(由束605和607举例说明)仅在目标内重叠或仅在目标内基本重叠，并且在相同的平面内。该图以重叠的方式描绘了束，以演示目标604的每个部分接收到一定剂量的辐射。束可以是质子束、电子束、光子束、离子束或原子核束。在图6B的示例中，束被图示为未延伸超过，或基本未延伸超过目标604的远端边缘(例如，质子束或离子束会是这种情况)；然而，本发明不限于此。每个束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个束可以递送足以用于FLASH RT的剂量。
对于其中束(诸如质子束或离子束)具有布拉格峰的实现，沿着穿过目标604的束路径的整个长度，由束(或束段)递送的剂量不必是均匀的。因此，例如，对于质子束或离子束，在目标604的近端部分(或边缘)608处的由束605递送的剂量可以与在目标的远端部分(或边缘)610处的由该束递送的剂量不同(例如，小于)(这里，近端和远端是参考束605的源)。这对每个质子束或离子束成立。
基于递送到并且穿过目标604的每个部分的束的数目，递送到该部分的剂量是累积的。例如，被束605和606覆盖的目标604的部分接收总剂量，该总剂量是由束605递送的剂量与由束606递送的剂量之和。在一些实施例中，束(束段)的能量被准确地确定，使得即使沿着每个束(或束段)的剂量不均匀，也可以在目标604内和穿过目标604达到均匀的累积剂量分布。
图6C图示了在根据本发明的一些实施例中的束几何形状的示例的透视图。在图6C的示例中，束(由束612举例说明)在不同的平面中。如本文所描述的，每个束可以包括一个或多个束段或子束。在该示例中，束的路径仅在目标604内重叠，并且在周围组织606的目标外部不重叠。尽管图中示出了多个束，但并非所有束都必须同时或以重叠的时间段被递送，如上所提及的。束可以是质子束、电子束、光子束、离子束或原子核束。每个束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个束可以递送足以用于FLASH RT的剂量。
图6D图示了根据本发明的一些实施例中的束几何形状的示例的截面图。在该示例中，束(由束621、622和623举例说明)仅(基本)在目标内重叠并且在相同平面中。虽然图示了三个束，但本发明不限于此。如本文所描述的，每个束可以包括一个或多个束段或子束。在该示例中，束的路径仅在目标604内重叠，并且在周围组织606的目标外部不重叠。尽管图中示出了多个束，但并非所有束都必须同时或以重叠的时间段被递送，如上所提及的。束可以是质子束、电子束、光子束、离子束或原子核束。每个束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个束可以递送足以用于FLASH RT的剂量。
在图6D的示例中，束621、622和623在子体积630处相交，目标604中的其他子体积从束中的两个束接收剂量，目标中的其他子体积从束中的仅一个束接收剂量，而其他子体积不接受剂量。束的方向和/或数目可以在多个治疗阶段(即，按时间分馏)上变化，以便跨目标递送均匀剂量。
如上所提及的，对于使用质子束或离子束的实现，在目标604的相应的近端部分(或边缘)处的由每个束递送的剂量可以与在目标的相应的远端部分(或边缘)处的由该束递送的剂量不同(例如，小于)(与前面一样，近端和远端参考束的源)。
基于递送到并且穿过目标604的每个部分的束的数目，递送到该部分的剂量是累积的。为了简单起见，并非所有的束在附图中被描绘；通常，束的数目足以在目标604内达到均匀的累积剂量分布。
通常，可以将目标的表面视为具有多个离散的小平面。从这个角度来看，对于光子束以外的束，每个入射束与每个小平面正交，以使束不会在目标外部重叠。在光子束的情况下，每个入射束平行于小平面，并且不与目标外部的其他束重叠。
图7A图示了在根据本发明的一些实施例中的束702的束眼图(BEV)。即，图7A图示了束的截面。图6A、图6B和图6C和图6D的束是束702的示例。束702被图示为是具有高度H和宽度W的矩形形状。然而，本发明不限于此，并且束702可以具有几乎任何规则或不规则的截面(例如，BEV)形状。例如，可以使用阻挡束的一个或多个部分的MLC来定义束702的形状。不同的束可以具有不同的形状。
在图7A的实施例中，束702包括由束段704、706和708举例说明的多个束段或子束(也可以被称为点)。对束702指定最大能量(例如，80MeV)，并且将束段中的每个的能量水平定义为最大能量的百分比或分数。本质上，束段中的每个束段根据其能量水平进行加权；一些束段被加权为具有比其他束段更高的能量水平。通过加权每个束段的能量，实际上每个束段的强度也被加权。每个束段的能量被定义，使得束段将递送规定剂量的一小部分，使得与束中的其他束段结合，并且与其他束(和束段)结合的情况下，满足规定剂量的均匀(均质)的累积剂量将在目标的体积内和跨目标的体积被递送。可以使用图4A的束能量调整器407为每个束段实现定义的能量水平或强度。
每个束段可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个束段可以在不到一秒的时间内递送至少4Gy，并且可以在不到一秒的时间内递送多达20Gy或50Gy或更多。可以使用图4A的束能量调整器407来控制每个束段的能量或强度，使得束段具有足够的能量来到达目标的远端边缘。
在操作中，在一些实施例中，束段被顺序地递送。例如，束段704被递送到目标(开启)然后关闭，然后束段706开启然后关闭，然后束段708开启然后关闭，依此类推。每个束段可以仅打开一秒的一小部分(在毫秒的数量级)。
TPS和OIS(例如，肿瘤信息系统)中的FLASH处方能力，使得医师可以例如基于选择的剂量速率定义(例如，体素特定的、轮廓特定的、全局束剂量速率等)、特定组织结构的剂量速率阈值或放射时间，来规定某个剂量速率。随着该领域研究的进展，确定哪些参数对患者结果具有最大影响，并且利用剂量速率参数进行调整和优化以改进FLASH处方的能力变得很重要。此外，3D或4D中每个体素的剂量速率或放射时间将与当今TPS中如何显示剂量的方式类似地被显示。
在现有技术中，在TPS或OIS内规定治疗方案时，目前没有剂量速率、放射时间或这种参数被包括在内。使这种信息可以被用于规定剂量速率、优化剂量速率约束和/或显示剂量速率图，将允许临床医师以可靠的方式规定FLASH疗法，同时收集有关这些参数对患者结果的影响的信息。
例如，临床医师可以决定对肺癌患者规定FLASH疗法，并且根据剂量速率如何被定义来确定他们需要90％的正常肺以高于40Gy/s的FLASH剂量速率被辐射。随着临床前研究的深入了解，也许可以确定大脑结构需要更高的剂量速率以便达到FLASH效应，因此对于大脑病例，临床医师可能想要规定正常大脑应当接受100Gy/s的最小剂量速率。如果处方被达到，他们还可以能够在剂量速率图上进行可视化，并且对治疗过程做出决定。
图7B示出了根据本发明的一个实施例的用于规定FLASH剂量速率的工作流程的流程图。在一个实施例中，用于规定剂量速率的工作流程将在医师的意图阶段开始，就在治疗计划之前开始。在该阶段，医师可以选择相关的治疗参数，诸如处方剂量和分馏时间表。
方法750开始于步骤752，其中医师选择相关参数。医师将可以访问下拉菜单，下拉菜单将允许他或她选择预期剂量速率定义。例如，参数包括平均域剂量速率、局部剂量速率或点剂量速率、瞬时剂量速率(用活动时间或总时间计算)，或生物相关剂量速率的任何其他特定定义，或时间相关的通量模式，因为该信息通过临床前研究而变得可用。
在步骤754中，医师选择预期剂量速率定义。一旦剂量速率定义被选择，医师就可以选择剂量速率值(40gy/sec到120gy/sec)及以上。
在步骤756中，医师选择预期剂量速率值。医师还可以选择治疗模态(例如，布拉格-峰、传输，或混合方法)。
在步骤758中，医师选择治疗模态。医师可以将剂量速率处方应用于任何域、结构、子结构或体素群组。
在步骤760中，医师指定计划统计参数。医师可以指定计划统计参数，诸如，健康肺中90％的体素应当接受x及以上的剂量速率，并且不少于70％的剂量以40Gy/s或高于40Gy/s递送。
在步骤762中，flash处方被转换成可递送计划。在治疗计划中，临床医师将能够将flash处方转换为可递送计划。这意味着在优化剂量速率配方的同时优化了针对目标的剂量。
在步骤764中，对剂量速率处方执行质量保证。剂量速率配方被传递到QA步骤，其中，现在递送的剂量和递送的剂量速率在患者治疗之前被验证。
在步骤766中，最后一步是OIS在递送时间期间充当记录和验证系统。记录和验证为患者治疗的每个小部分递送的剂量和剂量速率两者。应当注意，在一个实施例中，利用剂量累积和剂量速率跟踪，离线适配也可以发生。如果剂量或剂量速率偏离医师的意图，计划将被发送以用于重新计划。
出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的特定实施例的前述描述。它们并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够最好地利用本发明和具有适于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由所附的权利要求及其等同物来限定。

Claims (19)

1.一种计算系统，包括：
中央处理单元(CPU)；以及
存储器，被耦合到所述CPU，并且在其中存储指令，当所述指令由所述计算系统执行时，使所述计算系统执行操作以生成辐射治疗计划，所述操作包括：
访问(i)要被递送进入和/或穿过所述目标的规定剂量和/或(ii)针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制；
确定束的数目和所述束的方向，其中所述方向被确定使得所述束在所述目标外部基本上没有重叠；以及
确定针对所述束中的每个束的束能量，其中束的所述数目、所述束的所述方向，以及针对所述束中的每个束的所述束能量被确定使得：(i)整个所述目标接收所述规定剂量，和/或(ii)针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制不被超过；
针对FLASH疗法，规定剂量速率并且优化剂量速率约束；以及
显示所述FLASH疗法的剂量速率图。
2.根据权利要求1所述的计算系统，其中要被递送进入和/或穿过所述目标的所述规定剂量是要被递送进入和/或穿过所述目标的最小规定剂量，并且确定针对所述束中的每个束的束能量的所述操作使得整个所述目标接收所述最小规定剂量。
3.根据权利要求1或2所述的计算系统，其中针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制是针对所述目标外部的每个子体积对放射时间的最大限制，并且确定针对所述束中的每个束的束能量的所述操作调整所述参数的所述值，直到针对所述目标外部的所述每个子体积的所述放射时间满足所述对放射时间的最大限制为止。
4.根据权利要求1、2或3所述的计算系统，其中所述指令使得医师被提供对菜单的访问，所述菜单将允许对预期剂量速率定义的选择。
5.根据权利要求4所述的计算系统，其中所述预期剂量速率定义包括平均域剂量速率、局部剂量速率、点剂量速率，或瞬时剂量速率。
6.根据权利要求4或5所述的计算系统，其中所述指令使得所述医师可以在所述剂量速率定义被选择之后选择所述剂量速率值。
7.根据权利要求4、5或6所述的计算系统，其中所述指令使得所述医师可以将剂量速率处方应用于多个域、结构、子结构，或体素组群。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的计算系统，其中所述剂量速率处方通过质量保证步骤，其中所述剂量速率处方在患者治疗之前被验证。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的计算系统，其中记录和验证系统在所述递送时间期间记录剂量和剂量速率。
10.一种非瞬态计算机可读存储介质，其具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算系统执行生成辐射治疗计划的方法，所述方法包括：
从所述计算系统的存储器访问参数的值，其中所述参数包括要被引导进入目标中的子体积的束的方向，以及针对所述束的束能量；
访问指定针对所述辐射治疗计划的限制的信息，其中所述限制包括针对所述目标外部的每个子体积对放射时间的最大限制；
调整所述参数的所述值，直到针对所述目标外部的所述每个子体积的所述放射时间满足所述对放射时间的最大限制为止；
针对FLASH疗法，规定剂量速率并且优化剂量速率约束；以及
显示所述FLASH疗法的剂量速率图。
11.根据权利要求10所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中医师被提供对菜单的访问，所述菜单将允许对预期剂量速率定义的选择。
12.根据权利要求11所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述预期剂量速率定义包括平均域剂量速率、局部剂量速率、点剂量速率，或瞬时剂量速率。
13.根据权利要求11所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述医师可以在所述剂量速率定义被选择之后选择所述剂量速率值。
14.根据权利要求11所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述医师可以将剂量速率处方应用于多个域、结构、子结构，或体素组群。
15.根据权利要求14所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述剂量速率处方通过质量保证步骤，其中所述剂量速率配方在患者治疗之前被验证。
16.根据权利要求14所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中记录和验证系统在所述递送时间期间记录剂量和剂量速率。
17.一种计算机程序，包括用于使计算系统执行操作以生成辐射治疗计划的指令，所述操作包括：
访问(i)要被递送进入和/或穿过所述目标的规定剂量和/或(ii)针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制；
确定束的数目和所述束的方向，其中所述方向被确定使得所述束在所述目标外部基本上没有重叠；以及
确定针对所述束中的每个束的束能量，其中束的所述数目、所述束的所述方向，以及针对所述束中的每个束的所述束能量被确定使得：(i)整个所述目标接收所述规定剂量，和/或(ii)针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制不被超过；
针对FLASH疗法，规定剂量速率并且优化剂量速率约束；以及
显示所述FLASH疗法的剂量速率图。
18.一种用于生成辐射治疗计划的系统，所述系统包括：
被配置成访问(i)要被递送进入和/或穿过所述目标的规定剂量和/或(ii)针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制的部件；
被配置成确定束的数目和所述束的方向的部件，其中所述方向被确定使得所述束在所述目标外部基本上没有重叠；以及
被配置成确定针对所述束中的每个束的束能量的部件，其中束的所述数目、所述束的所述方向，以及针对所述束中的每个束的所述束能量被确定使得：(i)整个所述目标接收所述规定剂量，和/或(ii)针对所述目标外部的每个子体积对放射剂量的最大限制不被超过；
被配置成针对FLASH疗法，规定剂量速率并且优化剂量速率约束的部件；以及
被配置成显示所述FLASH疗法的剂量速率图的部件。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述系统具有根据权利要求2至9中任一项所述的特征。
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