CN115038495A - 用于放射疗法计划的方法、计算机程序产品和计算机系统以及放射疗法递送系统 - Google Patents

Abstract

一种用于实现FLASH放射疗法治疗计划的放射疗法治疗计划方法，该方法涉及使用优化问题来优化计划，所述优化问题旨在使放射中的将在FLASH条件下特别是向危险器官递送的部分最大化，以最小化对所述危险器官的伤害。

Description

用于放射疗法计划的方法、计算机程序产品和计算机系统以 及放射疗法递送系统

技术领域

本发明涉及放射疗法计划，并且具体地涉及用于产生涉及在FLASH条件下放射的治疗计划的放射疗法治疗计划的方法、用于执行这种计划的计算机程序和计算机系统以及用于将这种治疗递送给患者的放射疗法递送系统。

背景技术

放射疗法治疗总是涉及将剂量递送到靶区之外的健康组织或递送到危险器官，因此总是存在健康器官或组织被放射伤害的风险。一种似乎涉及较少不良伤害的新兴治疗方法是FLASH疗法，它涉及以比常规疗法高得多的剂量率，例如70Gy/s进行治疗。在与FLASH相关的文献中，建议了剂量率的各种下限，诸如至少40Gy/s或50Gy/s。例如，如果要以70Gy/s的剂量率递送20Gy的剂量，则整个剂量将在0.29s内递送。相比之下，常规放射疗法治疗以低得多的剂量率进行递送，常规放射疗法治疗的典型剂量率是每分钟几个Gy。已经发现，使用FLASH疗法，特定剂量对健康组织造成的伤害低于常规疗法，而对靶区的效应，即肿瘤组织响应，保持不变，尽管其背后的机制尚未完全得到理解。

Vozenin等人：在小的猪和猫癌症患者中证实了FLASH放射疗法的优势，HALID：hal-01812514，https://hal-univ-rennes1.archives-ouvertes.fr/hal-01812514v2证实了正常组织和接受FLASH疗法的肿瘤之间的差异效应，这种差异效应之前已在小鼠身上得到证实，也可以在猪和猫身上看到。

在FLASH条件下向危险器官递送的剂量造成系数可能约为30％的较小的伤害。因此，对危险器官的等效有害剂量高于物理剂量，在本例中为物理剂量的1/0.7倍。

已公布的美国专利申请No.2019/0022411也涉及FLASH疗法，据说该疗法在相同剂量下可减少副作用。提到了40Gy/s或更高的剂量率，最高超过500Gy/s，允许在几分之一秒内递送剂量分数。放射可以通过多个来自不同角度的射束来递送。讨论了在靶区附近重叠射束的问题，导致存在重叠区域的剂量高于所需的剂量。计划方法的重点是通过考虑患者和靶区的几何形状以及射束角度，使靶区外射束之间的重叠最小化。

发明内容

本发明的目的是提供通过减少对健康组织的伤害同时维持靶区中的反应以最佳可能方式利用该疗法形式的积极效果的FLASH疗法。

本发明涉及一种为患者创建放射疗法治疗计划的基于计算机的方法，所述计划涉及作为至少第一射束被提供以使得放射中的一部分将作为FLASH放射被递送的FLASH疗法，所述方法包括定义期望的剂量分布，该期望的剂量分布包括靶区剂量处方，并且使用优化问题来优化计划，该优化问题被设计为使至至少一个危险器官的剂量最小化，同时使到至少一个危险器官的剂量的FLASH部分最大化，同时遵守靶区剂量处方。

如下文将解释的，当向患者递送FLASH疗法时，由于剂量递送的性质，放射剂量中的一部分将以较低的非FLASH剂量率被递送至每个体素。总有效剂量(TED)被定义为FLASH部分和非FLASH部分的等有效剂量之和。如上所述，FLASH剂量涉及比常规疗法高得多的剂量率，例如，40Gy/s或50Gy/s甚至高达500Gy/s以上。这意味着可以比常规疗法快得多地为患者递送典型剂量。由于对相同剂量而言在FLASH条件下递送的放射对组织的伤害比常规的非FLASH放射对组织的伤害更低，因此本发明旨在使放射中的在FLASH条件下递送到至少一个危险器官的那部分最大化。假设剂量保持不变，这将最大限度地减轻对危险器官的伤害。同时，优化还必须确保靶区接受规定的剂量。

剂量计划的一个关键因素是如何在患者体内实现与所需剂量分布最匹配的期望的剂量分布。与仅考虑患者几何形状和射束几何形状以避免射束之间的重叠相比，基于剂量分布的优化通常实现更优化的剂量分布。因此，根据本发明的方法将产生比现有技术中已知的方法更好的治疗计划。

如下文将要讨论的，剂量递送的剂量率和时间结构两者对于实现FLASH疗法的效果都很重要。

在采用质子放射的优选实施例中，优化问题被定义为针对相对生物有效性RBE剂量进行优化。RBE是特定剂量相对于参考剂量所造成的伤害的量度，对于不同类型的放射，以及对于FLASH和非FLASH而言，RBE是不同的。对于非FLASH条件下的光子，RBE为1。对于非FLASH质子疗法，目前的临床实践对我们来说是因子1.1，这意味着作为非FLASH质子放射递送的70Gy对应于作为非FLASH光子放射递送的77Gy。

在一些实施例中，优化问题包括被设计为最大化计划的FLASH部分的目标函数。或者，优化问题包括旨在使计划的非FLASH部分最小化的目标函数。如将理解的，这只是表达相同目标的两种不同方式，因为总剂量将是FLASH部分和非FLASH部分的总和。

优化问题可以，视情况而定被设计为通过优化或选择以下一项或多项最大化FLASH部分或最小化非FLASH部分：

·斑点尺寸

·斑点形状

·斑点布置

·斑点重量

·针对能量、射束的数量和/或射束的方向的射束布置

替代地或另外地，优化问题可以被定义为通过优化或选择通过优化或选择扫描斑点的顺序来最大化FLASH部分或最小化非FLASH部分。

可以优化具有至少第一射束和第二射束的计划，这两个射束都包括FLASH部分。这些可以通过可旋转机架或通过彼此以一定角度定位的两个放射源来递送。在后一种情况下，可以将两个射束以非常短的间隔在它们之间加以递送，以增强FLASH效果。

还可以优化包括至少第一射束和第二射束的计划，其中第一射束包括FLASH部分，而第二射束仅包括常规的非FLASH放射。在这种情况下，优化问题优选地被布置为最小化来自至少一个危险器官中的第一射束和第二射束的FLASH疗法部分和常规疗法部分两者的总有效剂量。

本发明还涉及一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，当该计算机可读代码在计算机的处理器中运行时，该计算机可读代码将使处理器执行根据上述任一实施例的方法。计算机程序产品可以包括具有存储在其上的代码的非暂时性存储装置。本发明还涉及一种包括处理器、至少一个数据存储器和程序存储器的计算机系统，其中程序存储器包括这种计算机程序产品。

本发明还涉及一种用于对患者递送放射疗法治疗的系统，该系统包括放射源。放射源可以以任何合适的方式布置，例如在机架中或通过固定的射束线来实现，其中放射源被布置成以足够高的剂量率提供放射以向患者提供FLASH治疗，所述系统进一步包括用于控制系统的计算机，该计算机包括处理器和存储器，该存储器包括通过上述方法的实施例获得的治疗计划。

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。

图1是根据本发明的方法的流程图。

图2通过笔形射束扫描举例示出了剂量递送的时间结构。

图3示意性地示出了可用于根据本发明的剂量计划的计算机系统。

图4示出了可用于根据本发明的剂量递送的递送系统。

具体实施方式

在FLASH疗法中，整个治疗过程的放射剂量可以在不到一秒的时间内作为一个超高剂量递送，或者作为具有高剂量率并且在它们之间以短时间间隔递送的多个射束。在这种情况下，短应理解为比将机架从一个射束角度旋转到另一个射束角度所需的正常时间短得多，正常时间通常为约30秒。在这种情况下，假设高剂量率高于40Gy/s，但可能要高得多。这意味着使用FLASH疗法的特定剂量的递送时间将大大低于常规疗法。例如，在常规疗法中，2Gy的剂量可以作为连续放射在大约一分钟的时间内被递送，而2Gy的FLASH剂量将在几分之一秒内被递送，如果剂量率为40Gy/s，则将在1/20秒内递送。由于FLASH疗法意味着至靶区的有效剂量接近于物理剂量，而至周围健康组织的有效剂量降低了大约30％，因此这种疗法的优势在于它减轻了对健康组织的伤害。FLASH剂量递送的时间范围应该在毫秒和秒之间的某个数量级上。

图1举例示出了患者体内的一个个体体素(例如，危险器官内的体素)的FLASH放射的时间结构，作为每时间单位的剂量率(cGy/s)。放射以笔形射束扫描的形式递送，这意味着递送的一部分将仅部分击中体素，而其它部分将击中靠近体素的中心。仅部分击中体素的那些放射将导致较低的剂量率，并且因此至体素的剂量较低，通常是非FLASH水平，而击中靠近体素中心的那些放射对体素而言将具有更高的有效剂量率，因此提供了更高的剂量，这将构成FLASH分量。在图1所示的示例中，首先是0.1s的非flash分量，然后是两个更高的峰值，具有足够高的剂量率来构成FLASH放射，在该示例中在0.18s和0.2s之间，瞬间达到约7000Gy/s，最后是0.22s左右的较低的非FLASH分量。如将理解的，FLASH分量和非FLASH分量可能更多或更少，但在实践中将总是至少各有一个。用于常规非FLASH剂量递送的类似时间结构将是在更长的时间段内例如在一分钟内例如在2Gy处的基本上直线。

在一般情况下，危险器官的总有效剂量TED可以用以下公式表示：

TED＝x*D(non-FLASH)+y*D(FLASH)

其中D(非FLASH)是至体素的物理非FLASH剂量分量，而D(FLASH)是物理FLASH剂量分量。x和y是为各个分量的RBE建模的因子。这意味着x和y分别表示非FLASH分量和FLASH分量相对于该分量的物理剂量的总有效剂量。y的典型值为0.7。对于光子，x＝1，对于带电粒子，x略高于1，例如对于质子，x为1.1。

因此，根据本发明，借助于优化问题的优化来计划FLASH疗法治疗，该优化问题被设计为在短时间内(通常短于1s)以如上所述的高剂量率向靶区提供期望的剂量，同时将周围组织的总有效剂量保持在健康组织(包括任何危险器官)的可接受水平。这部分是通过利用相对于相应的实际剂量分量而言来自FLASH分量的总有效剂量低于来自非FLASH分量的总有效剂量这一事实来完成的。剂量可以作为一个射束或多个射束来递送。为了实现这一点，优化问题包括目标函数，该目标函数被设计为使至少一个危险器官中的FLASH分量最大化。如将理解的，这也可以表述为使至少一个危险器官中的非FLASH分量最小化。如本领域中常见的，该目标可以通过不同方式实现，包括优化以下一项或多项：

·斑点扫描顺序，和/或

·斑点布置和/或

·斑点重量和/或

·针对射束的能量、射束的方向和/或射束的数量的射束布置

·斑点形状

图2是根据本发明的方法的示意流程图。在第一步骤S21中，为特定患者定义期望剂量分布。在第二步骤S22中，定义优化问题。在第三步骤S13中，基于优化问题执行剂量优化。

在第一实施例中，优化问题被设计为仅输出用于FLASH疗法的计划。FLASH疗法可以从相同或不同角度以一个射束或多个射束进行递送。在第二实施例中，优化问题被设计为输出一个计划，该计划组合了涉及FLASH疗法的至少一个射束和以常规非FLASH剂量率的至少一个射束。

特别地，优化应该导致在有危险器官的区域中包括FLASH分量的治疗计划。通过在这些区域用FLASH治疗代替常规疗法，可以减少对这些区域中的组织的伤害。这在剂量如此之高以至于可能对一个或多个危险器官造成伤害的区域尤其重要。靶区附近的风险特别高，从不同角度瞄准靶区的射束可能会重叠。

如上所讨论的，优化问题优选地被设计为使得FLASH效应被最大化同时遵守靶区剂量处方。对于质子放射，这意味着优化问题可以被设计为还考虑剂量的相对生物学效应(RBE)，对于FLASH疗法，相对生物学效应是放射的剂量率和时间结构，以及诸如组织类型和放射类型的其它因素两者的函数。也可以考虑其它因素。剂量递送的时间范围应该是毫秒和秒之间的某个数量级。

治疗计划优化的目的是在靶区中实现所需的剂量，同时最小化至少一个危险器官中的总有效剂量，其中总有效剂量是根据FLASH效应因子调整的FLASH剂量分量以及治疗的常规疗法分量的总和。实现这一点的一种方法是在剂量引擎中使用不同类型的记分器。例如，在蒙特卡洛剂量引擎中，这将涉及对如下项进行评分：

-体素方面的能量沉积时间轨迹被分解为例如大约毫秒的时间段。

-脏剂量概念，在这种情况下脏可能意味着危险器官中的非FLASH剂量。

蒙特卡罗模拟遵循不同粒子的路径，包括粒子的方向和能量、粒子的类型和粒子的物理效应。本领域技术人员将能够在其它类型的剂量引擎中实现这一点。

图3是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、第一和第二数据存储器34、35以及程序存储器36。优选地，还存在一个或多个用户输入装置38、39，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38、39也可以被布置为从外部存储器单元接收数据。

第一数据存储器34包括用于执行该方法的必要数据，通常包括期望的剂量分布和分段的患者图像。第二数据存储器35保存其它数据，诸如RBE信息。第一程序存储器保存被布置为使计算机执行根据本发明的一些实施例的方法步骤的计算机程序。

如将理解的，示意性地示出并讨论数据存储器34、35以及程序存储器36。可能有若干数据存储器单元，每个单元保存一种或多种不同类型的数据，或者一个数据存储器以适当结构化的方式保存所有数据，程序存储器也是如此。程序和数据都可以在计算机系统内的一个或多个存储器中或在可从计算机系统访问的另一单元中找到。

图4是用于放射疗法治疗和/或治疗计划的系统80的概貌。如将理解的，可以以任何合适的方式设计这样的系统并且图4中所示的设计仅仅是示例。患者81被定位在治疗床83上。该系统包括成像/治疗单元，该成像/治疗单元具有安装在机架87中的放射源85，用于向被定位在床83上的患者发射放射。通常，床83和机架87可以在若干维度上相对于彼此移动，以尽可能灵活和正确地向患者81提供放射。这些部分及其功能对于本领域技术人员来说是众所周知的。在本发明的上下文中使用的系统与常规放射疗法递送系统之间的主要区别在于，根据本发明的系统适于递送比根据常规放射疗法进行的高得多的剂量率。上面讨论了剂量率的合适大小。

通常存在许多用于在横向上和深度上对射束进行整形的无源设备，此处将不对其进行更详细的讨论。布置用于提供射束网格的装置，例如以网格块的形式，或用于提供笔形射束的装置。该系统还包括计算机91，该计算机91可用于放射疗法治疗计划和/或用于控制放射疗法治疗。如将理解的，计算机91可以是未被连接到成像/治疗单元的单独单元。

计算机91包括处理器93、数据存储器94和程序存储器95。优选地，还存在一个或多个用户输入装置98、99，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方式。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。

数据存储器94包括临床数据和/或用于获得治疗计划或与计划本身相关的其它信息。通常，数据存储器94包括要在根据本发明实施例的治疗计划中使用的一幅或多幅患者图像。程序存储器95保存至少一个计算机程序，所述至少一个计算机程序被布置为使处理器根据优化的治疗计划控制递送系统。

如将要理解的，数据存储器94和程序存储器95仅被示意性地示出和讨论。可能有若干数据存储器单元，每个单元保存一种或多种不同类型的数据，或者一个数据存储器以适当结构化的方式保存所有数据，程序存储器也是如此。一个或多个存储器也可以被存储在其它计算机上。计算机也可以被安排来执行优化。

Claims (12)

1.一种为患者(81)创建放射疗法治疗计划的基于计算机的方法，所述计划涉及作为至少第一射束被提供以使得放射中的一部分将作为具有比40Gy/s更高剂量的FLASH放射被递送的FLASH疗法，所述方法包括定义包括靶区剂量处方的期望剂量分布，其特征在于使用优化问题来优化所述计划的步骤，所述优化问题被设计为在遵守所述靶区剂量处方的同时使到至少一个危险器官的FLASH部分最大化。

2.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述优化问题被定义为针对相对生物有效性RBE剂量进行优化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述优化问题包括被设计为使所述计划的FLASH部分最大化的目标函数。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述优化问题包括被设计为使所述计划的非FLASH部分最小化的目标函数。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述优化问题被定义为通过优化或选择斑点尺寸、斑点形状和/或斑点布置来使所述FLASH部分最大化或使所述非FLASH部分最小化。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述优化问题被定义为通过优化或选择以下各项中的至少一项来使所述FLASH部分最大化或使所述非FLASH部分最小化：

·所述斑点重量和/或

·针对能量、射束的数量和/或射束的方向的射束布置。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述优化问题被定义为通过优化或选择通过优化或选择扫描所述斑点的顺序来使所述FLASH分量最大化或使所述非FLASH分量最小化。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述计划包括至少第一射束和第二射束，每个射束作为FLASH放射被递送。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计划涉及包含FLASH疗法部分的第一射束和仅包含常规疗法的第二射束，所述优化问题被布置为使来自至少一个危险器官中的第一射束和第二射束的FLASH疗法部分和常规疗法部分两者的总有效剂量最小化。

10.一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，当在计算机(36)中的处理器(33)中运行时，所述计算机可读代码将导致所述处理器执行所述权利要求1-9中的任一项的步骤。

11.一种计算机系统(31)，包括处理器(33)、至少一个数据存储器(34、35)和程序存储器(36)，其特征在于，所述程序存储器包括根据权利要求10所述的计算机程序产品。

12.一种用于向患者递送放射疗法治疗的系统(80)，所述系统包括机架(87)中的放射源(85)，其中所述放射源被布置成以足够高的剂量率提供放射以向患者提供FLASH治疗，所述系统还包括用于控制所述系统的计算机(91)，所述计算机包括处理器，其特征在于，所述计算机包括存储器，所述存储器包括通过根据权利要求1-9中的任一项所述的方法获得的治疗计划。

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