CN116322905A - 使用基于场地理的剂量优化向患者递送治疗性辐射的方法和装置 - Google Patents

Abstract

这些教导规定访问优化信息(202)，优化信息(202)包括：对应于特定患者(104)的身体轮廓的至少一个等中心、特定辐射处理平台(114)的场几何信息以及剂量学数据。优化信息可进一步包括针对患者的身体轮廓的模型(104)。控制电路(101)依据优化信息而优化辐射处理计划，以提供经优化的辐射处理计划(113)，其中从特定的场(403、405)向特定患者(104)递送的辐射剂量水平取决于场路径相交的相对体积大小，从而减少在具有相对较多的重叠场(403、405)的区域中向健康的患者组织的辐射剂量递送。

Description

使用基于场地理的剂量优化向患者递送治疗性辐射的方法和 装置

技术领域

这些教导总体上涉及依照辐射处理计划对患者的规划靶标体积进行辐射处理，并且更特别地涉及优化辐射处理计划。

背景技术

使用辐射处理医学疾病包括已知的现有技术领域。例如，辐射疗法包括许多处理计划中用于减少或消除不想要的肿瘤的重要组成部分。不幸的是，所施加的辐射本身不能区分不想要的物质与患者的继续生存所需要的或者甚至是至关重要的邻近的组织、器官等。因此，通常以谨慎施用的方式施加辐射，以至少试图将辐射限制到给定的靶标体积。所谓的辐射处理计划通常在前述方面起作用。

辐射处理计划典型地包括在多个连续场中每个场期间、针对各种处理平台参数中每个参数的指定值。辐射处理阶段的处理计划通常通过所谓的优化过程生成。如本文所使用的，“优化”将被理解为是指改进候选处理计划，而不必确保优化的结果实际上是单一的最佳解决方案。这类优化通常包括(通常在观察这些方面的一个或多个对应极限的同时)自动调整一个或多个处理参数，并且数学地计算可能的对应处理结果，以标识给定的一组处理参数，该组处理参数表示在期望的治疗结果和避免不期望的副作用之间的良好折衷。

不幸的是，由给定辐射处理计划指定的辐射疗法场设置有时可能向多个场路径重叠的区域中的健康组织递送相对较高的辐射剂量。这个问题既可能发生在正向规划技术中，也可能在某种程度上发生在反向规划技术中。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种如权利要求1中所定义的方法。在第二方面，本发明提供了一种如权利要求11中所定义的装置。从属权利要求中定义了可选特征。

附图说明

上述需求至少部分地通过方法和装置的提供而被满足，这些方法和装置，特别是在结合附图进行研究时便于生成在以下详细说明中描述的可递送的治疗性辐射处理计划，在附图中：

图1包括根据这些教导的各种实施例而配置的框图；

图2包括根据这些教导的各种实施例而配置的流程图；

图3包括根据这些教导的各种实施例而配置的示意图；

图4包括根据这些教导的各种实施例而配置的示意图；

图5包括根据这些教导的各种实施例而配置的示意图；以及

图6包括根据这些教导的各种实施例而配置的示意图。

图中的元件为简单且明了起见而图示，并且不一定按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸和/或相对位置可相对于其他元件被夸大，以帮助提高对本教导的各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必要的常见但众所周知的元件经常没有被描述，以便于对本教导的这些不同实施例的较少遮挡的视图。某些动作和/或步骤可按特定的发生顺序来描述或描绘，而本领域的技术人员将会理解，实际上并不需要关于顺序的这类特异性。本文所使用的术语和表达具有与上述技术领域的技术人员所赋予的术语和表达一致的普通技术含义，除非本文中另有不同的具体含义。除非另有具体指示，否则本文所使用的词“或”应被解释为具有析取范式而不是合取范式。

具体实施方式

一般而言，这些不同的实施例有助于在辐射处理阶段期间利用具有移动辐射源的辐射处理平台并且使用经优化的辐射处理计划以支持对患者体内的处理靶标进行辐射。通过一种方法，这些教导规定经由控制电路访问优化信息。该优化信息可包括例如对应于特定患者的身体轮廓的至少一个等中心、针对特定辐射处理平台的场几何信息和/或剂量学数据。如有需要，优化信息可还包括针对特定患者的身体轮廓的模型。

然后，控制电路可优化针对该特定患者的辐射处理计划，并且至少部分地依据前述优化信息使用该特定辐射处理平台，从而提供经优化的辐射处理计划，在经优化的辐射处理计划中，从特定的场向特定患者递送的辐射剂量水平取决于场路径相交(intersection)的相对体积大小，从而减少在具有相对较多的重叠场的区域中向健康的患者组织的辐射剂量递送。

通过一种方法，关于对应于身体轮廓的至少一个等中心的前述信息包括全部对应于该身体轮廓的多个等中心。

通过一种方法，前述场几何信息至少部分地表示辐射处理计划施用期间辐射源的轨迹。这些教导在实践中是灵活的，并且将适应例如对应于以下一项或多项的场几何信息：静态台架场、弧形场、具有立体定向放射外科术锥的场、静态多叶准直器场和动态多叶准直器场。

通过一种方法，上述剂量学数据仅包括深度-剂量分布数据和深度-半影数据中的至少一种，并且其他剂量学数据被如此利用。

如有需要，这些教导还将适应将控制电路配置为：依据健康组织内的场路径的相交体积的相对大小而确定相对辐射剂量水平。此外，如有需要，控制电路可被配置为至少部分地依据相交柱体的公共体积的几何解而确定上述相交体积。

这些教导将依据经优化的辐射处理计划而操作上述特定辐射处理平台，以对特定患者施用治疗性辐射。

在这样配置的情况下，至少可以减少在场路径重叠的区域中的健康组织的剂量过量。

在对以下详细说明进行深入审阅和研究后，这些和其他益处会变得更加清晰。现在参考附图，特别是图1，将呈现与这些教导中的许多教导兼容的说明性装置100。

在该特定示例中，使能装置100包括控制电路101。作为一个“电路”，控制电路101因此包括如下这样的结构：该结构包括至少一个(且典型地是许多个)以有序方式传送电的导电路径(诸如由诸如铜或银的导电金属构成的路径)，这些(多个)路径典型地还包括对应的电部件(视情况为无源的(诸如电阻器和电容器)和有源的(诸如各种基于半导体的设备中的任何一种)，以准许电路实现这些教导的控制方面。

这类控制电路101可包括固定用途的硬连线硬件平台(包括但不限于专用集成电路(ASIC)(其为通过设计定制用于特定用途而非用于通用用途的集成电路)、现场可编程门阵列(FPGA)等)，或者可包括部分或全部可编程硬件平台(包括但不限于微控制器、微处理器等)。这类结构的这些架构选项在本领域中是众所周知和理解的，并且在此不需要进一步描述。该控制电路101被配置为(例如，通过使用本领域技术人员将很好理解的对应编程)实行本文所描述的步骤、动作和/或功能中的一个或多个。

控制电路101可操作地耦合至存储器102。该存储器102可集成到控制电路101中，或者可根据需要(全部或部分地)与控制电路101在物理上分离。该存储器102也可相对于控制电路101是本地的(其中例如，两者共享公共电路板、底盘、电源和/或外壳)，或者可相对于控制电路101部分或全部是远程的(其中例如，与控制电路101相比，存储器102在物理上位于另一个设施、大都市区域或甚至国家中)。

除了诸如(多个)等中心位置、场几何信息、剂量数据等优化信息以外，该存储器102还可用于例如非暂时性地存储计算机指令，该计算机指令当由控制电路101执行时，使控制电路101如本文所述运行。(如本文所使用的，这种对“非暂时”的引用将被理解为是指所存储的内容的非短暂状态(且因此排除了所存储的内容仅构成信号或波的情况)，而不是存储介质本身的易失性，因此存储器102包括非易失性存储器(诸如只读存储器(ROM))以及易失性存储器(诸如动态随机存取存储器(DRAM))两者。

通过一种可选方法，控制电路101还可操作地耦合至用户接口103。该用户接口103可包括各种用户输入机制(诸如但不限于键盘和小键盘、光标控制设备、触敏显示器、语音识别接口、手势识别接口等)和/或用户输出机制(诸如但不限于视觉显示器、音频转换器、打印机等)中的任何一种，以便于从用户接收信息和/或指令和/或向用户提供信息。

如有需要，控制电路101还可操作地耦合至网络接口(未示出)。如此配置，控制电路101可经由网络接口与其他元件(装置100内部和外部)通信。包括无线和非无线平台两者的网络接口在本领域中是众所周知的，并且在此不需要特别的阐述。

通过一种方法，本领域已知的计算机断层摄影装置106和/或其他成像装置107可获取任何期望的与患者相关的成像信息中的一些或全部。

在该说明性示例中，控制电路101被配置为最终输出经优化的辐射处理计划113。该辐射处理计划113典型地包括在多个连续场中每个场期间、针对各种处理平台参数中每个参数的指定值。在这种情况下，辐射处理计划113通过优化过程生成。专门被配置为生成这类辐射处理计划的各种自动化优化过程是本领域中已知的。由于本教导对这些方面的任何特定选择均不过分敏感，因此除了与本说明书的细节特别相关的地方之外，否则在此不提供这些方面的进一步阐述。

通过一种方法，控制电路101可操作地耦合至辐射处理平台114，辐射处理平台114被配置为根据经优化的辐射处理计划113向对应的患者104递送治疗性辐射112。这些教导一般适用于各种各样的辐射处理平台/装置中的任何一种。在典型的应用设置中，辐射处理平台114将包括辐射源115，辐射源115可经由台架沿着弓形途径选择性地移动。根据需要，弓形途径可包括完整的或接近完整的圆。通过一种方法，控制电路101控制辐射源115沿着该弓形途径的移动，并且可相应地控制辐射源115何时开始移动、停止移动、加速、减速和/或辐射源115沿着弓形途径行进的速度。

辐射源115可包括，例如，基于射频(RF)线性粒子加速器(基于linac)的x射线源，诸如Varian TrueBeam或Halcyon线性加速器。linac是一种粒子加速器，其通过使带电粒子经受沿着线性射束线的一系列振荡电势来极大地增加带电亚原子粒子或离子的动能，其可用于生成电离辐射(例如，X射线)116和高能电子。

典型的辐射处理平台114还可包括用于在处理阶段期间支撑患者104的一个或多个支撑装置110(诸如治疗床)、一个或多个患者固定装置111、允许辐射源115选择性移动的台架或其他可移动机构和/或一个或多个射束成形装置117(诸如钳口、多叶准直器等)，以根据需要提供选择性射束成形和/或射束调制。在典型的应用设置中，本文假设患者支撑装置110可由控制电路101选择性地控制以在辐射处理阶段期间在任何方向(即，任何X、Y或Z方向)上移动。由于前述元件和系统在本领域中是众所周知的，因此除了与描述相关的地方之外，否则在此不再提供这些方面的详细描述。

现参考图2，将描述例如可结合上述应用设置(并且更特别地经由上述控制电路101)而实行的过程200。一般而言，该过程200有助于在辐射处理阶段期间利用具有移动辐射源(115)的辐射处理平台(114)、使用经优化的辐射处理计划(113)以支持对患者(104)体内的处理靶标(105)进行辐射。

在框201，该过程200可访问优化信息202。通过一种方法，该优化信息202包括关于对应于特定患者104的身体轮廓的至少一个等中心的相对定位的信息、特定辐射处理平台114的场几何信息和/或剂量学数据。在许多应用设置中，优化信息202还可包括针对特定患者104的身体轮廓的模型。

辐射疗法领域的技术人员知道，等中心是辐射束的中心穿过的空间点，特别是当辐射束相对于患者移动时。在许多情况下，等中心是相对于辐射处理平台的空间点，辐射源经由台架围绕该点旋转。在典型的应用设置中，等中心将位于处理体积105内(例如，或多或少地在体积105的中心)。应注意，该过程200将在适当的应用设置中适应对应于患者身体轮廓的多个等中心。

上述场几何信息可以随着由给定辐射处理平台114的物理特性所呈现的需求和/或机会而变化。在许多情况下，一般而言，在辐射处理计划113的施用期间，场几何信息至少部分地表示辐射源115的轨迹。更具体地，场几何信息可对应于以下至少一项、多项或全部项：静态台架场、弧形场、具有立体定向放射外科术锥的场、静态多叶准直器场和动态多叶准直器场。(如本文所使用的，表述“场”将被理解为包括“场”和“子场”两者，其中根据处理平台和/或处理模式本身，其中任一种或两种均可用。)

前述剂量学数据也可以随着表征给定应用设置的需求和/或机会而变化。通过一种方法，剂量学数据可在范围上受到限制，并且仅包括深度-剂量分布数据和深度-半影数据中的一项或两项。在这类情况下，优化信息202不包括要由控制电路101/过程200利用的其他剂量数据。

在可选框203中，如有需要，控制电路101可确定针对场几何信息中的场的权重，从而便于控制在每个场处被递送的辐射剂量的量和/或用于在优化辐射处理时使用这些权重中的一些或全部。

在可选框204中，如有需要，控制电路101可根据健康组织(如上述危及器官108、109)内的场路径相交体积的相对大小确定相对辐射剂量水平。通过一种方法，控制电路101可至少部分地依据相交柱体的公共体积的几何解而确定这类相交体积。

在任何情况下，在框205，控制电路101至少部分地依据优化信息202而优化使用特定辐射处理平台114的、针对特定患者104的辐射处理计划，以提供经优化的辐射处理计划113，其中从特定的场向特定患者104递送的辐射剂量水平取决于场路径相交的相对体积大小，从而减少在具有相对较多的重叠场的区域中对向健康的患者组织的辐射剂量递送。

该过程200可包括，如可选框206所示，然后依据优化的辐射处理计划113而操作特定辐射处理平台114，以对特定患者104施用辐射。

因此，这些教导准许在不同的场中提供不同剂量的辐射，以帮助最大限度地减少器官暴露于不适当剂量的风险，在其他方案中这种风险可能由于重叠的场而发生。在这些方面，图3提供了简单的说明性示例，其中多个弧中的每个弧(其中一些弧由附图标记301表示)被示出为由多个场(其中一些场由附图标记302表示)构成。在该说明性示例中，每个场302的长度表示剂量水平，以用于图示每个弧301由具有选择性变化的剂量水平的场构成。在本示例中，这些水平至少部分地依据场之间的重叠而被调整。一般而言，显示(evidencing)较高剂量水平的场是与其他场重叠程度不大的场，而显示出较低剂量水平的场是在可变的程度上与其他场重叠的场。

现在将提供一些说明性示例。应理解，这些示例旨在用于说明的目的，并且这些示例的细节不旨在暗示对这些教导的任何特定限制。

参考图4，在此示例中，辐射处理平台114包括准直器401，准直器401包括射束成形装置117的一部分。该准直器117可包括，例如，立体定向放射外科术锥、静态多叶准直器、动态多叶准直器或根据需要的其他方式。在由附图标记402表示的第一位置，该装置产生第一辐射场403。该第一辐射场403包括在其范围内的处理体积105。在逆时针移动到由附图标记404表示的位置之后，该装置现在产生第二辐射场405。该第二辐射场405也包括在其范围内的处理体积105。

附图标记406表示患者104体内这两个辐射场403和405重叠的体积。这些教导有助于减少在这类体积中的给定子场的递送剂量，从而最小化对非靶标组织(当然，包括危及器官)的照射。

通过一种方法，代替前述方法或与前述方法结合，现参考图5，这些教导还支持利用取决于深度的剂量。特别地，如曲线图502所示，在该特定子场中的剂量依据深度，以使得剂量随着深度的增加而减少。(这里引用的“深度”是指子场穿过患者身体104的距离。)在这样配置的情况下，这种方法有助于避免对健康组织的过度照射。

通过另一种方法，再次代替前述方法或与前述方法结合，这些教导将支持使得递送剂量随着靶标深度处半影宽度的增加而减少。(曲线图503描绘了半影宽度随着深度增加的图。)这种方法减少了与宽半影相关联的不明显、模糊的剂量成形。

考虑到上述内容，这些教导将支持在每个场中针对每个场角度进行以下计算。

首先，控制电路101可确定与至少一个其他区域共享的相对相交体积I。(事实上，在典型的应用设置中，这类相交体积I可至少部分地与多个其他区域共享。)通过一种方法，这包括使用例如分段模型来确定精确的体积。通过另一种方法，这可包括通过对相交柱体的公共体积采用简化的几何解来进行近似确定(这种方法至少适用于具有圆锥体的单个等中心设置)。然后从体积I中减去靶标体积。

控制电路101然后确定靶标体积105的深度d。(在一些应用设置中，简单地确定到等中心的深度是可接受的。)

使用深度-剂量分布数据(诸如上述曲线图502)，控制电路101可查找深度d处的相对剂量水平D_深度。并且使用半影数据(诸如上述曲线图503)，控制电路101可查找深度d处的相对半影宽度P_深度。然后，控制电路101可通过多种方式中的任何一种计算在该子场中要递送的剂量。一个有用的示例如下：

相对递送剂量＝1–I×(1–D_深度)×(1–P_深度)。

如有需要，这些教导将适应将实验权重应用于D_深度和P_深度之一或两者。这类实验权重可例如通过迭代每个权重和患者104体内的各种靶标体积位置，同时观察在靶标体积105的边界处剂量下降的陡度而计算地确定。例如，陡度可通过使用完整的空间剂量分布数据而生成针对靶标体积105的剂量-体积直方图而观察。导致一组代表性的靶标体积定位的最陡剂量下降的权重可用作确定前述要递送的相对剂量的恒定权重。

图6提供了说明性示例，其中这些教导可应用于使用多个等中心的应用设置中。特别地，这些教导可规定基于多个等中心来使能针对弧场设置(arc field setup)的剂量率调制。多个等中心可用于处理多个病灶或覆盖具有大的形状和/或复杂形状的单个病灶。同样，这些教导可规定通过对场路径的体积段模型进行采样来确定相交体积大小。

作为一个具体的说明性示例，这些教导可用于支持使用扇形SRS设置的处理规划和施用。特别地，用户或装置在处理规划阶段创建弧场或轨迹场设置。针对本示例，假设在健康的非靶标组织内，场设置中的场明显重叠。然后，用户或装置使用SRS锥体或静态或动态多叶准直器来定义场的准直。后者可包括，例如，选择SRS锥体尺寸、将多叶准直器装配到结构上、装配和屏蔽技术、VMAT优化等等。

然后，用户或装置应用前述动态剂量率教导。尽管这些教导将适应这些方面的人工活动，但是这些教导也将适应具有例如VMAT优化器，该优化器将动态剂量率技术集成在被优化的VMAT场中。在这样配置的情况下，该装置可在包含动态剂量率数据的处理场的控制点中填充仪器调节(meterset)权重。然后，该装置可计算处理计划的剂量分布，并且可选地，用户可评估剂量分布，并且批准处理计划或者根据需要进行进一步的调整。

本领域技术人员将认识到，这些教导可与经优化的逆向规划(诸如体积调制弧形疗法(VMAT)或强度调制辐射疗法(IMRT))一起使用。例如，通过一种方法，这些教导可与经优化的逆向规划技术相结合，使得对应的仪器调节权重主要遵循由该过程200定义的剂量递送约束。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可对上述实施例进行各种修改、变更和组合。因此，这类修改、变更和组合被视为在本发明概念的范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

通过控制电路：

访问优化信息，所述优化信息包括：

-对应于针对特定患者的身体轮廓的至少一个等中心；

-针对特定辐射处理平台的场几何信息；以及

-剂量学数据；以及

至少部分地依据所述优化信息，来优化使用所述特定辐射处理平台的、针对所述特定患者的辐射处理计划，以提供经优化的辐射处理计划，其中从特定的场向所述特定患者递送的辐射剂量水平取决于场路径相交的相对体积大小，从而减少在具有相对较多的重叠场的区域中向健康的患者组织的辐射剂量递送。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述剂量学数据仅包括深度-剂量分布数据和深度-半影数据中的至少一项，并且没有其他剂量学数据被如此利用。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述场几何信息至少部分地表示在所述辐射处理计划的施用期间辐射源的轨迹。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述控制电路被配置为确定针对所述场几何信息中的所述场的权重，以控制在每个场处被递送的辐射剂量的量，并且所述控制电路被配置为在优化所述辐射处理计划时使用所述权重。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对应于所述身体轮廓的所述至少一个等中心包括：对应于所述身体轮廓的多个等中心。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述场几何信息对应于以下至少一项：静态台架场、弧形场、具有立体定向放射外科术锥的场、静态多叶准直器场或动态多叶准直器场。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述控制电路被配置为依据健康组织内的场路径的相交体积的相对大小，确定相对辐射剂量水平。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述控制电路还被配置为至少部分地依据相交柱体的公共体积的几何解，确定所述相交体积。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

依据所述经优化的辐射处理计划，操作所述特定辐射处理平台，以对所述特定患者施用辐射。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述优化信息还包括以下至少一项：

针对所述特定患者的身体轮廓的模型；

包括深度-剂量分布数据的剂量学数据；

包括深度-半影数据的剂量学数据。

11.一种装置，包括：

控制电路，被配置为：

访问优化信息，所述优化信息包括：

-对应于针对特定患者的身体轮廓的至少一个等中心；

-针对特定辐射处理平台的场几何信息；以及

-剂量学数据；以及

至少部分地依据所述优化信息，优化使用所述特定辐射处理平台的、针对所述特定患者的辐射处理计划，以提供经优化的辐射处理计划，其中从特定的场向所述特定患者递送的辐射剂量水平取决于场路径相交的相对体积大小，从而减少在具有相对较多的重叠场的区域中向健康的患者组织的辐射剂量递送。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述剂量学数据仅包括深度-剂量分布数据和深度-半影数据中的至少一项，并且没有其他剂量学数据被如此利用。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其中所述场几何信息至少部分地表示在所述辐射处理计划的施用期间辐射源的轨迹。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中所述控制电路还被配置为确定针对所述场几何信息中的所述场的权重，以控制在每个场处被递送的辐射剂量的量，并且所述控制电路被配置为在优化所述辐射处理计划时使用所述权重。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其中对应于所述身体轮廓的所述至少一个等中心包括：对应于所述身体轮廓的多个等中心。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其中所述场几何信息对应于以下至少一项：静态台架场、弧形场、具有立体定向放射外科术锥的场、静态多叶准直器场或动态多叶准直器场。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的装置，其中所述控制电路还被配置为：依据健康组织内的场路径的相交体积的相对大小，确定相对辐射剂量水平。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述控制电路还被配置为：至少部分地依据相交柱体的公共体积的几何解，确定所述相交体积。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的装置，其中所述控制电路还被配置为：

依据所述经优化的辐射处理计划，操作所述特定辐射处理平台，以对所述特定患者施用辐射。

20.根据权利要求11至19中任一项所述的装置，其中所述优化信息还包括以下至少一项：

针对所述特定患者的身体轮廓的模型；

包括深度-剂量分布数据的剂量学数据；

包括深度-半影数据的剂量学数据。

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