CN115038496A - 生成放射疗法治疗计划的方法、用于生成放射疗法治疗计划的计算机程序和计算机系统以及放射疗法递送系统 - Google Patents

Abstract

一种优化用于通过笔形射束扫描将带电粒子递送给患者的放射疗法治疗计划的方法，涉及使用优化问题来优化治疗计划，该优化问题被设计成允许光斑在形状和取向以及任选大小中的至少一个不同。这实现了优化光斑，以便以尽可能最佳的方式覆盖目标，并且沿着目标的外边缘具有清晰的半影。本发明还涉及用于此种规划的计算机程序产品和计算机系统以及用于递送此种计划的治疗递送系统。

Description

生成放射疗法治疗计划的方法、用于生成放射疗法治疗计划 的计算机程序和计算机系统以及放射疗法递送系统

技术领域

本发明涉及基于离子的放射疗法治疗的规划和递送。

背景技术

基于离子的放射疗法涉及使用带电粒子(诸如质子)，或离子(诸如氦或碳离子)。总体目的是向目标体积递送剂量，同时最小化对附近关键器官和健康组织的不期望的剂量。特别地，本发明涉及使用被称为笔形射束扫描(PBS)的扫描聚焦离子束的带电粒子治疗。在PBS中，使不同的射束以若干离散或准离散光斑或通过线扫描瞄准患者。以若干不同能级中的每个递送若干光斑，以便在三个维度上覆盖目标，同时在目标外部提供尽可能少的剂量。

剂量率降低到低值的射束边缘附近的区域被称为半影。希望保持半影尽可能窄。

靠近目标的边界，剂量减少应尽可能地朝向边缘变高，以确保在整个目标上有足够的剂量，同时尽可能多地保护周围组织。剂量减少由光斑的横向形状和大小决定，小光斑的减小更大。因此，目前在设计光斑时的临床实践是使它们变小，并且按照传统，考虑到射束输送系统，在技术上使它们尽可能圆。照惯例，质子疗法的剂量规划旨在使光斑一致地呈圆形并具有相同的大小。要达成这一点，通常借助于患者上游的聚焦元件调整射束。

已经进行了各种尝试以进一步改善目标边缘附近的剂量分布。这些尝试通常涉及使用不同类型的静态、场特定光圈。必须针对每个患者专门制造此类光圈，这是昂贵且不切实际的。也可能够使用动态可调节的准直设备，诸如多叶准直器(MLC)，尽管这在PBS系统中不太常见。MLC也很昂贵。光圈还增加了治疗期间中子背景剂量的产生，这是成问题的。任何类型的光圈也只会影响治疗场的边缘处的光斑。

发明内容

本发明的目的是支持生成和递送基于粒子的放射疗法，使得具有改进的目标覆盖并且特别是在目标边缘附近具有改进的特性。

本发明涉及一种用于生成放射疗法治疗计划以用于通过笔形射束扫描向患者递送带电粒子的基于计算机的方法，在光斑中递送所述粒子，该方法涉及使用优化问题优化治疗计划，该优化问题被设计成允许光斑在形状和取向中的至少一个不同。

因此，根据本发明，可以针对特定射束能量改变光斑的形状和/或取向，以创建一起将覆盖该能量的目标横截面的光斑，同时达成减小的半影。这可以按每个个别光斑、每个能量层或每个射束来完成。光斑变形的一种替代组织是重复能量层或射束，其中每个能量层(或每个射束)的光斑具有不同的形状和/或取向。这可以在能量层或射束内加以设置。在优选实施例中，允许光斑形状为圆形或椭圆形。在其他实施例中，可以允许光斑形状更多地改变，以包括例如三角形或矩形光斑，或具有任何合适几何形状的光斑。应当理解，由于技术限制，所述形状在几何上可能不是完美的。例如，圆形光斑可能不是完美的圆形。在本文献中，术语“圆形”是指当递送系统能够生成时尽可能接近圆形。光斑的大小也可能改变以获得更大的灵活性。

可以允许形状和/或取向的一个或多个预定义值或值的组合。限制可能组合的数量将使递送更容易和更快。替代地，可以允许形状和/或取向自由改变，以获得最大的灵活性。这使光斑将被定位和定向成能够以可能的最佳方式覆盖目标。它还支持定位具有最佳限定边界的光斑的边缘，以使得其相对于目标边界对准和定向，从而在目标边界处创建最为急剧的减小。

优化问题可以被设计成允许光斑在目标的至少一个部分中改变，同时在目标的至少另一部分中保持光斑一致。这样可以在可行的区域中实现最大的灵活性，而可以以更简单的方式规划其他区域。例如，改变目标外边缘附近的光斑可能是有利的，而远离边缘的光斑可以保持一致，例如一致地为圆形。这将支持覆盖范围适应目标的实际形状，并更快地递送目标中心中的光斑，以及目标外边缘的清晰半影。

达成不同的光斑形状和/或取向的一种有效方式是借助于光圈系统，诸如准直器，该光圈系统被布置成调整光斑通量。替代地，可以使用电磁光学聚焦系统对光斑进行整形。在后一种情况下，将不会存在准直器生成的中子剂量，这对儿科应用特别有利。

也可以使用光圈设备和电磁聚焦系统的组合。为此目的，该方法产生的计划应包括如何控制光圈设备。

如果针对每个能量层的每个个别光斑完成光斑整形，则达成最大的灵活性。然后，可以将每个光斑拉伸到最佳形式，通常是椭圆形，并根据目标射束的眼睛视图投影的曲率以可能的最佳方式进行定位和定向。通常，目标中心中的光斑将保持圆形，因为边界附近的光斑会影响目标周围的半影。

替代地，可以允许有限数量的光斑形状，例如一个圆形光斑形状和具有垂直主轴线的两个椭圆光斑形状。也将可能具有一个圆形光斑形状和具有预定义主轴线的若干预定义椭圆光斑形状和大小。与允许光斑的形状、大小和/或取向自由变化的实施例相比，这些实施例可支持更简单的规划和/或简化和更快的递送。

每种类型的光斑也可以被收集在单独的能量层中，以使得例如对于一个标称能量，可能存在具有椭圆形光斑的为第一取向的一个层，具有椭圆形光斑的为第二取向的一个层，以及具有圆形光斑的一个层。

还可以将优化问题设计成定义光斑的递送次序，将递送时间纳入考虑。

本发明还涉及一种包括计算机可读代码装置的计算机程序产品，该计算机可读代码装置当在计算机的处理器中运行时，将致使处理器执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。计算机程序产品可以包括保存计算机可读代码装置的非暂时性存储装置。

本发明还涉及一种计算机系统，该计算机系统包括处理器、数据存储器和程序存储器，该程序存储器被布置成以其可在处理器中运行的方式保存计算机程序，该程序存储器包括根据以上的计算机程序产品。

本发明还涉及用于通过PBS将带电粒子递送给患者的放射疗法治疗递送系统，中光斑中递送所述粒子，所述系统包括用于控制治疗递送的处理器，所述系统还包括改变装置，所述改变装置用于改变递送期间光斑的形状和取向中的至少一个，并且处理器被布置成控制所述改变。改变装置可以包括电磁光学系统和/或可控光圈设备，所述电磁光学系统和/或可控光圈设备被布置成在如上所讨论的递送期间改变光斑的形状和/或取向。该系统还可以被布置成组织光斑以实现最有效的递送。

根据权利要求中任一项所述的放射疗法治疗递送系统还可以包括存储器，所述存储器保存治疗计划，并且所述处理器被布置成根据所述治疗计划控制所述递送系统，其中已经使用根据本申请中公开的任何实施例的方法生成了治疗计划。

附图说明

下面将通过举例并参考附图更详细地描述本发明。

图1示意性地图示了根据本发明的实施例的光斑分布。

图2是根据本发明的治疗规划方法的流程图。

图3公开了可以实施本发明的治疗规划方法的计算机系统。

图4公开了根据本发明的用于递送治疗计划的治疗递送系统。

具体实施方式

图1在射束视图中示意性地公开了根据本发明的实施例的目标1中的能量层，该能量层被光斑3、5覆盖。如可以看出的，在远离目标边界的中心位置，存在基本上圆形的光斑3，它们彼此相邻定位，以使得它们覆盖目标的中心区域。在目标的边界附近，光斑5是椭圆形的，每个光斑5的形状适于覆盖圆形光斑与目标边界之间的区域。可以通过包括离散扫描、准离散扫描、线扫描的任何形式的笔形射束扫描或通过任何其他合适的方法生成光斑3、5。

在图1中示出的情形中，允许光斑3、5的形状和取向自由改变。如上面所提及的，可以将规划设置成仅允许形状、大小和/或取向的有限集合。例如，可以允许具有彼此垂直的长轴线的两个椭圆形状，或者具有彼此成45度的长轴线的四个椭圆形状。可以允许形状和/或取向改变。光斑的大小也可以改变。例如，所有光斑可能具有相同的大小，但可能允许不同的形状和/或取向，或者可以允许大小适应例如在另一光斑与目标的边界之间的目标的一部分。

图2图示了根据本发明的总体规划方法。在第一步骤S21中，定义了优化问题。可以以任何合适的方式定义优化问题，但被设置成允许光斑在形状、大小或取向中的至少一个改变。在第二步骤S22中，使用在步骤S21中定义的优化问题来执行优化。在第三任选步骤S23中，对被包括在优选计划中的能量层进行组织，以使得递送将尽可能高效。例如，在形状、大小和取向方面具有相同特性的所有光斑被连续递送，以使得光斑形状的改变对于特性的每个集合仅需发生一次。替代地，具有相同的特性集合的光斑可以在能量层中被组合在一起，以使得每种光斑类型有一个能量层。光斑的这种组织可以替代地在递送系统中加以执行。

还可以设置优化问题，以使得仅允许光斑在目标的一个或多个部分中改变，而其余一个或多个部分中的光斑保持一致。通常，这意味着边界光斑(即目标边界附近的光斑)将被允许改变以尽可能接近目标的轮廓，而这些边界光斑内部的光斑保持一致，例如为圆形和相同大小。

图3是可以执行本发明的治疗规划方法的计算机系统的示意图。计算机31包括处理器33、数据存储器34和程序存储器36。优选地，还存在一个或多个用户输入装置38、39，它们呈键盘、鼠标、操纵杆、语音辨识装置或任何其他可用的用户输入装置的形式。用户输入装置还可以被布置成从外部存储器单元接收数据。

数据存储器34包括用于执行该方法的必要数据，例如期望的剂量分布和分段式患者图像。程序存储器36保存计算机程序，该计算机程序被布置成使计算机执行根据本发明的一些实施例的方法步骤，如图2中所示。

如将理解的，数据存储器34以及程序存储器36被示意性地示出和讨论。可能存在若干数据存储器单元，各自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的结构化方式保存所有数据，且程序存储器也是如此。程序和数据两者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/或治疗规划的系统60的概述。如将理解的，可以以任何合适的方式设计此类系统，并且图4中示出的设计仅仅是示例。患者61被定位在治疗床63上。该系统包括成像/治疗单元，该单元具有安装在机架67中的辐射源65，用于向被定位在床63上的患者发射辐射。通常，床63和机架67可以相对于彼此在若干维度上移动，以尽可能灵活和正确地为患者提供辐射。这些零件和它们的功能对于本领域技术人员来说是熟知的。

通常存在被提供以横向地和在深度上对射束进行整形的若干无源设备，并且这里将不对其进行更详细的讨论。装置被布置用于以笔形射束形式提供辐射。在该示例中，系统还包括：改变装置89以及用于修改磁场的装置，所述改变装置用于影响射束，例如通过生成将影响射束线中射束的粒子路径的磁场或电场或组合的磁场/电场。

改变装置89被布置成在递送期间改变光斑的形状和取向和任选光斑大小中的至少一个。在优选实施例中，改变装置包括电磁光学系统，所述电磁光学系统被布置成改变带电粒子的路径以便创建不同的光斑。替代地，或补充电磁系统，改变装置可以包括呈准直器或块形式的光圈整形装置，所述光圈整形装置被布置成在递送期间改变光斑的形状和/或取向。

计算机71包括处理器73、数据存储器74和程序存储器76。优选地，还存在一个或多个用户输入装置78、79，它们呈键盘、鼠标、操纵杆、语音辨识装置或任何其他可用的用户输入装置的形式。用户输入装置还可以被布置成从外部存储器单元接收数据。

数据存储器74可以包括临床数据和/或用于获得治疗计划的其他信息。通常，数据存储器74包括要在根据本发明的实施例的治疗规划中使用的一个或多个患者图像。程序存储器76保存至少一个计算机程序，该计算机程序被布置成致使处理器根据优化的结果控制递送系统。如果如步骤S23中示出的规划系统没有执行对用于递送的光斑的组织，则处理器73也可以执行该步骤，即确定用于递送光斑的合适次序，以最小化递送时间。

如将理解的，数据存储器74和程序存储器76仅被示意性地示出和讨论。可能存在若干数据存储器单元，各自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的结构化方式保存所有数据，且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他计算机上。计算机也可以被布置成执行优化。

虽然上面已经针对圆形和/或椭圆形光斑举例说明光斑形状和取向的变形，但应当理解，可以借助于为不同形状设计的光圈设备给光斑赋予任何合适的形状，包括三角形、矩形或可能帮助以可能的最佳方式覆盖特定目标的任何其他几何形状。

Claims (15)

1.一种用于生成放射疗法治疗计划以用于通过笔形射束扫描向患者(61)中的目标(1)递送带电粒子的基于计算机的方法，在光斑(3、5)中递送所述粒子，所述方法涉及使用优化问题优化所述治疗计划，其特征在于所述优化问题被设计成允许光斑(3、5)在形状和取向中的至少一个不同。

2.根据权利要求1所述的基于计算机的方法，其中所述优化问题被设计成允许针对所述光斑(3、5)的形状和/或取向的值的两个或多个预定义集合。

3.根据权利要求1所述的基于计算机的方法，其中所述优化问题被设计成允许所述光斑(3、5)在形状和取向中的至少一个自由改变。

4.根据前述权利要求中任一项所述的基于计算机的方法，其中所述优化问题被设计成允许所述光斑(3、5)在所述目标(1)的至少一部分中改变，同时在所述目标(1)的至少另一部分中保持所述光斑一致。

5.根据权利要求4所述的基于计算机的方法，其中所述优化问题被设计成允许所述目标边界附近的光斑(5)改变，同时保持所述目标(1)的中心中的光斑(3)一致。

6.根据前述权利要求中任一项所述的基于计算机的方法，还包括考虑所述递送时间，定义所述光斑(3、5)的递送次序的步骤。

7.根据前述权利要求中任一项所述的基于计算机的方法，其中所述治疗计划被布置成控制光圈设备，以定义所述光斑形状和/或所述光斑形状的取向。

8.根据前述权利要求中任一项所述的基于计算机的方法，其中所述优化问题还被布置成允许所述光斑(3、5)的大小改变。

9.一种计算机程序产品，包括计算机可读代码装置，所述计算机可读代码装置当在计算机(31)的处理器(33)中运行时，将致使所述处理器执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

10.根据权利要求9所述的计算机程序产品，包括保存所述计算机可读代码装置的非暂时性存储装置(36)。

11.一种计算机系统(31)，包括处理器(33)、数据存储器(34)和程序存储器(36)，所述程序存储器被布置成以其能够在所述处理器(33)中运行的方式保存计算机程序，其特征在于所述程序存储器(36)包括根据权利要求9至10中任一项所述的计算机程序产品。

12.一种用于通过PBS将带电粒子递送给患者(61)的放射疗法治疗递送系统(60)，在光斑中递送所述粒子，所述系统包括用于控制治疗递送的处理器(73)，其特征在于所述系统包括改变装置，所述改变装置用于改变递送期间所述光斑的形状和取向中的至少一个，并且所述处理器(73)被布置成控制所述改变。

13.根据权利要求12所述的放射疗法治疗递送系统，其中所述改变装置包括电磁光学系统。

14.根据权利要求12所述的放射疗法治疗递送系统，其中所述改变装置包括可控光圈设备，所述可控光圈设备被布置成在递送期间改变所述光斑的形状和/或取向。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的放射疗法治疗递送系统，还包括存储器(74)，所述存储器保存治疗计划，并且所述处理器(93)被布置成根据所述治疗计划控制所述递送系统(60)，其中已经使用根据权利要求1至8中任一项所述的方法生成了所述治疗计划。

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