CN117642211A - 评估用于放射辐射处理计划的处理参数 - Google Patents
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Abstract
与辐射处理计划相关联的信息包括，例如，目标体积中每体素的剂量值、目标体积中每体素的剂量率值以及在生成每体素的剂量值和每体素的剂量率值时使用的参数值。显示包括例如目标体积或包括目标体积的图像514的渲染504以及辐射处理计划的所选择值的渲染502的渲染。当接收到对渲染中的一个渲染的区域的选择时，基于该选择而改变渲染中的另一个的显示的特性。
Description
背景技术
使用辐射疗法来处理(treatment)癌症是众所周知的。典型地，辐射(radiation)疗法涉及将高能质子、光子、离子或电子辐射(“治疗性辐射”)射束引导到目标体积(例如，包括肿瘤或病变的体积)中的目标(target)或体积。
在对患者进行辐射处理之前，制定针对该患者的处理计划。该计划使用可基于过去经验的模拟和优化来定义疗法的各个方面。一般而言，处理计划的目的是向不健康组织传递足够的辐射，同时使周围健康组织暴露于辐射的程度最小化。
计划者的目标(goal)是找到关于多个临床目标的最佳解决方案，该多个临床目标可能是矛盾的，因为朝向一个目标的改进可能对达到另一个目标具有不利影响。例如，避免肝脏接受一定剂量辐射的处理计划可能会致使胃部接受过多的辐射。这些类型的权衡造成一个迭代的过程，在这个过程中，计划者创建不同的计划，以找到最适合实现期望结果的一个计划。
辐射生物学研究已经证明了在单个短时间内将整个相对高的治疗性辐射剂量递送到目标的有效性。这种类型的处理在本文中通常被称为FLASH辐射疗法(FLASH RT)。剂量的递送可在空间上和/或时间上进行分级(fractionated)。也就是说，例如，特定患者的FLASH处理可分多级递送，其可在时间上分离和/或可被递送到目标的不同子体积。迄今为止的证据表明，当正常、健康的组织暴露于高辐射剂量下仅非常短的一段时间时，FLASH RT有利地使该组织免受损伤。
FLASH RT引入了由常规辐射处理计划未能捕捉到的重要相互依赖性。诸如剂量-体积直方图和剂量率-体积直方图的当前工具未能捕捉剂量和剂量率的相互依赖性。例如，从临床医生的角度来看，开发高质量计划的剂量率分布并非易事，这是因为如果在某些区域中剂量最小化，则这些区域中的正常组织可能受益于低剂量率。此外，例如，在处理体积中照射有限数目的光斑可能造成高剂量率递送，但是在肿瘤水平上的低剂量均匀性，而另一方面，可通过以降低剂量率为代价增加光斑的数目来提高计划质量。
发明内容
在一个方面，本发明提供了如权利要求1所定义的计算机系统。从属权利要求中规定了可选特征。
在另一方面，本发明提供了一种具有计算机可实行指令的非暂态计算机可读存储介质，该指令用于引起计算机系统执行如权利要求11所定义的对辐射处理有用的方法。从属权利要求中规定了可选特征。
在另一方面，本发明提供了一种具有计算机可实行指令的非暂态计算机可读存储介质，该指令用于引起计算机系统执行如权利要求17所定义的对辐射处理有用的方法。从属权利要求中规定了可选特征。
根据本发明的实施例提供了一种生成和评估用于FLASH辐射疗法(FLASH RT)的辐射处理计划的改进方法。
在实施例中，用于计划辐射处理的计算机实施的方法包括从计算机系统存储器访问与辐射处理计划相关联的信息。该信息包括，例如，目标体积中每体素的剂量值、目标体积中每体素的剂量率值以及在生成每体素的剂量值和每体素的剂量率值时使用的参数值。这些值可以是处理前值(例如，在处理计划期间生成的值)或处理后值(例如，在处理期间生成的值以及作为处理结果的值)。
在实施例中，在计算机系统的显示设备上(例如，作为图形用户界面或GUI)显示包括例如目标体积或包括目标体积的图像的渲染(可称为第一渲染)和辐射处理计划的所选择值的渲染(可称为第二渲染)的渲染。当接收到对渲染中的一个渲染的区域的选择时，基于该选择而改变渲染中的另一个渲染的显示的特性。
例如，第二渲染可包括剂量-剂量率散点图，其中散点图中的每个点表示或对应于第一渲染的图像中的体素(voxel)。对散点图中的区域的选择致使第一渲染(图像)中的对应体素以某种方式被突出显示(例如，通过改变它们的颜色)。相反，在第一渲染中对图像中的区域的选择致使第二渲染中的对应点以某种方式被突出显示(例如，通过改变它们的颜色)。因此，可针对一剂量率范围来评估剂量分布，并且可针对一剂量范围来评估剂量率分布。在下面的详细描述中论述了其他示例。
因此，根据本发明的实施例提供了允许临床医生或处理计划者轻松评估剂量分布和剂量率分布以及本文所描述的其他参数的工具。基本上只要一瞥(single glance)，临床医生就可评价所提议的辐射处理计划的质量，对所提议的计划进行改变，并且评价改变的结果以产生最高质量的最终的辐射处理计划。类似地，处理之后，临床医生可评价结果，验证FLASH RT的效果，将结果与目标(objective)(临床目标)相关联，并且使用该信息来改进总体处理计划，且特别是后续处理计划。
在辐射疗法技术中，其中粒子射束的强度是恒定的或者在整个递送区域上被调制，诸如在强度调制辐射疗法(IMRT)和强度调制粒子疗法(IMPT)中，粒子射束强度在患者的每个处理区域(目标体积)上是变化的。取决于处理方式的不同，可用于强度调制的自由度包括射束成形(准直)、射束加权(光斑扫描)和入射角(可称为射束几何形状)。这些自由度造成实际上无限数目的潜在处理计划，并且因此一致且有效地生成和评价高质量的处理计划超出了人的能力，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处理如癌症的疾病相关联的时间限制，以及在任何给定的时间段期间正在经历或需要经历辐射疗法的大量患者。
根据本发明的实施例通过将FLASH RT扩展至更广泛的各种处理平台和目标部位(例如，肿瘤)来改进辐射处理计划和处理本身。与FLASH剂量率的常规技术相比，通过优化在目标体积中对不健康组织(例如，肿瘤)递送的剂量率与对周围健康组织递送的剂量率之间的平衡，如本文所描述生成的处理计划在使健康组织免受辐射方面是优越的。使用FLASHRT，可在维持高剂量率(FLASH剂量率)的同时实现由临床医生开处方并包括在辐射处理计划中的剂量(一种或多种)。使用FLASH剂量率，患者运动的管理被简化，因为剂量在短时间内(例如，少于一秒)被施加。处理计划虽然仍然是一项复杂的任务，但是相对于常规的处理计划来说已经有所改进。除了这些益处之外，GUI通过允许计划者容易地可视化所提议的处理计划的关键元素，容易地可视化对所提议的计划的改变的那些元素的影响并比较不同的计划，以及定义和建立优化目标(临床目标)来便于处理计划。
总之，根据本公开的实施例涉及生成和实施最有效(相对于其他计划)且副作用最少(或最可接受)的处理计划(例如，处理区域外的较低剂量和较高剂量率)。因此，根据本发明的实施例具体地改进了辐射处理计划的领域，并且总体上改进了辐射疗法的领域。根据本发明的实施例允许快速生成更有效的处理计划。此外，根据本发明的实施例有助于改进计算机的功能化，因为例如通过降低生成处理计划的复杂性，需要和消耗更少的计算资源，这也意指计算机资源被释放以执行其他任务。
除了诸如IMRT和IMPT的辐射疗法技术之外，根据本发明的实施例还可用于空间分级辐射疗法，包括高剂量空间分级栅格辐射疗法、微射束辐射疗法和微射束辐射疗法。
本领域技术人员在阅读以下详细描述后，将认识到本发明的实施例的这些及其他目的和优点，这些详细描述在各种附图中进行了图示。
提供本发明内容以介绍在以下详细描述中另外描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
结合在本说明书中并形成本说明书的一部分的附图，其中相同的数字描绘相似的元素，图示了本公开的实施例，并且与详细描述一起用于解释本公开的原理。
图1为可实施本文所描述的实施例的计算机系统示例的框图。
图2为图示根据本发明的实施例中的自动化辐射疗法处理计划系统的示例的框图。
图3图示了根据本发明的实施例中的基于知识的计划系统。
图4为示出可在其上实施根据本发明的实施例的辐射疗法系统的所选择组件的框图。
图5图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的图形用户界面(GUI)的示例。
图6图示了在根据本发明的实施例中如何使用GUI来改进或优化辐射处理计划的示例。
图7、图8、图9和图10图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的GUI的示例。
图11为根据本发明的实施例中的用于辐射处理计划的计算机实施的操作的示例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，其示例在附图中图示。虽然结合这些实施例进行了描述，但是应理解，它们并不旨在将本公开限制于这些实施例。相反，本公开旨在涵盖可包括在由所附权利要求所定义的本公开的精神和范围内的替换、修改和等同物。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开的透彻理解。然而，应理解的是，本公开可在没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、规程、组件和电路，以免不必要地模糊本公开的方面。
以下详细描述的一些部分以规程、逻辑块、处理和计算机存储器内数据位操作的其他符号表示形式呈现。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地向本领域的其他技术人员传达他们工作的实质的手段。在本申请中，规程、逻辑块、过程或类似项被认为是造成期望结果的自一致的步骤或指令序列。这些步骤是利用物理量的物理操纵。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够在计算机系统中存储、转移、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。已经证明，将这些信号称为事务、比特、值、元素、符号、字符、样本、像素或类似项有时是方便的，主要是出于常用的原因。
然而，应记住，所有这些和类似术语均与适当的物理量相关联，仅是应用于这些量的方便标签。除非特别声明，否则从下面的论述中显而易见的是，应理解，在整个本公开中，使用诸如“访问(accessing)”、“生成(generating)”、“表示(representing)”、“施加(applying)”、“指示(indicating)”、“存储(storing)”、“使用(using)”、“调节(adjusting)”、“包括(including)”、“计算(computing)”、“运算(calculating)”、“确定(determining)”、“可视化(visualizing)”、“显示(displaying)”、“渲染(“rendering)”、“关联(associating)”、“改变(changing)”或“接收(receiving)”、“选择(selecting)”或类似项的术语的论述是指计算机系统或类似的电子计算设备或处理器(例如，图1的计算机系统100)的动作和过程(例如，图11的流程图)。计算机系统或类似的电子计算设备在计算机系统存储器、寄存器或其他这类信息存储件、传输或显示设备内操纵和转换表示为物理(电子)量的数据。
接下来的论述包括诸如“剂量(dose)”、“剂量率(dose rate)”、“能量(energy)”等术语。除非另有说明，否则每个术语均有一个值。例如，剂量有一个值，并且可有不同的值。为简单起见，术语“剂量”例如可指剂量的值，除非另有说明或从论述中显而易见。
根据方法介绍和论述了以下详细描述的部分内容。尽管在描述这些方法的操作的附图(例如，图11)中公开了这些步骤及其排序，但是这些步骤和排序仅仅是示例。实施例非常适合于执行各种其他步骤或本文附图的流程图中所叙述的步骤的变型，并且以不同于本文所描绘和描述的序列执行。
本文所描述的实施例可在驻留于某种形式的计算机可读存储介质上的计算机可实行指令的一般上下文中进行论述，诸如由一台或多台计算机或其他设备执行的程序模块。作为示例而非限制，计算机可读存储介质可包括非暂态计算机存储介质和通信介质。一般而言，程序模块包括执行特定的任务或实施特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。在各种实施例中，程序模块的功能可根据需要进行组合或分布。
计算机存储介质包括以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，用于存储信息，诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储介质包括但是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)、闪存或其他存储技术、压缩盘ROM(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)或其他光存储件、磁带盒、磁带、磁盘存储件或其他磁存储设备，或者可用于存储期望的信息并可被访问以检索该信息的任何其他介质。
通信介质可体现计算机可实行指令、数据结构和程序模块，并且包括任何信息传输介质。作为示例而非限制，通信介质包括有线介质，诸如有线网络或直接线连接件，以及无线介质，诸如声学、射频(RF)、红外和其他无线介质。任何上述的组合也可包括在计算机可读介质的范围内。
图1示出了可在其上实施本文所描述的实施例的计算机系统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。这种最基本的配置在图1中由虚线106图示。系统100还可具有附加的特征和/或功能性。例如，系统100还可包括附加存储件(可移除和/或不可移除)，包括但是不限于磁盘或光盘或磁带。这类附加存储件在图1中由可移除存储件108和不可移除存储件120图示。系统100还可含有通信连接件(一个或多个)122，该通信连接件允许该设备例如在使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接件的网络化环境中与其他设备通信。
系统100还包括输入设备(一个或多个)124，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。还包括输出设备(一个或多个)126，诸如显示设备、扬声器、打印机等。显示设备可以是例如阴极射线管显示器、发光二极管显示器或液晶显示器。
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、程序模块和类似项。然而，优化器模型150可替代地驻留于系统100使用的计算机存储介质中的任何一个存储介质中，或者可分布在计算机存储介质的某种组合上，或者可分布在联网计算机的某种组合上。优化器模型150的功能性描述如下。
图2为图示根据本发明的实施例中的自动化辐射疗法处理计划系统200的示例的框图。系统200包括接收患者特异性(patient-specific)信息(数据)201的输入接口210、实施优化器模型150的数据处理组件220以及输出接口230。系统200全部地或部分地可在计算机系统100(图1)上/使用计算机系统100被实施为软件程序、硬件逻辑或其组合。
在图2的示例中，患者特异性信息被提供给优化器模型150并由其处理。在实施例中，优化器模型150产生预测结果，并且然后可生成基于预测结果的处理计划。
图3图示了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和处理计划工具集310。知识库302包括患者记录304(例如，辐射处理计划)、处理类型306和统计模型308。图3的示例中的处理计划工具集310包括当前患者记录312、处理类型314、医学图像处理模块316、优化器模型(模块)150、剂量分布模块320和最终的辐射处理计划322。
处理计划工具集310通过知识库302(通过患者记录304)搜索与当前患者记录312相似的先前患者记录。统计模型308可用于将当前患者记录312的预测结果与统计患者进行比较。使用当前患者记录312、所选择的处理类型306和所选择的统计模型308，工具集310生成辐射处理计划322。
更具体而言，根据以往的临床经验，当患者出现特定诊断、阶段、年龄、体重、性别、合并症等时，可能有一种最常用的处理类型。通过选择计划者过去对类似患者使用的处理类型，可选择第一步处理类型314。患者结果可包括作为剂量率的函数的正常组织并发症概率和患者特异性处理类型结果(例如，局部复发性失败和作为剂量和/或剂量率的函数的总存活率)，这些结果可包括在处理计划过程中。医学图像处理模块316提供二维横截面切片的自动轮廓绘制和自动分割(例如，来自任何成像模态，诸如但是不限于计算机断层摄影(CT)、正电子发射断层摄影-CT、磁共振成像和超声波)，以使用当前患者记录312中的医学图像形成三维(3D)图像。剂量分布图和剂量率分布图由剂量和剂量率分布模块320运算，其可利用优化器模型150。
在根据本发明的实施例中，优化器模型150使用剂量预测模型来提供例如3D剂量分布、通量和剂量率，以及相关联的剂量-体积直方图(DV)和剂量率-体积直方图(DRVH)。
图4为示出可在其上实施本发明的实施例的辐射疗法系统400的所选择组件的框图。在图4的示例中，系统400包括射束系统404和喷嘴406。
射束系统404生成并运输射束401。射束401可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束(例如，碳、氦和锂)。在实施例中，取决于射束的类型，射束系统404包括在朝向喷嘴406的方向上引导(例如，弯曲、转向或引导)射束系统并进入喷嘴406的组件。在实施例中，辐射疗法系统可包括一个或多个多叶准直器(MLC)；每个MLC叶片可由控制系统410独立地来回移动，以动态地形成射束可通过的孔，阻挡或不阻挡射束的部分并由此控制射束形状和曝光时间。射束系统404还可包括用于调节(例如，降低)进入喷嘴406的射束能量的组件。
喷嘴406用于将射束瞄准处理室中支撑在患者支撑设备408(如椅子或桌子)上的各种位置(目标体积)(例如，患者体内的体积)。目标体积可以是器官(处于危险中的器官)、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。目标体积可包括不健康组织(例如，肿瘤)和健康组织。可将目标体积(虚拟地)分成多个体素。子体积可包括单个体素或多个体素。
喷嘴406可安装在可相对于患者支撑设备408移动的台架上或台架的一部分，该患者支撑设备也是可移动的。在实施例中，射束系统404也安装在台架上或者是台架的一部分。在另一个实施例中，射束系统与台架分离(但是与台架通信)。
图4的控制系统410接收并实施开处方的辐射处理计划。在实施例中，控制系统410包括计算机系统，该计算机系统具有处理器、存储器、输入设备(例如，键盘)，并且可能以众所周知的方式具有显示器。控制系统410可接收关于系统400操作的数据。控制系统410可根据其接收的数据并根据开处方的辐射处理计划来控制射束系统404、喷嘴406和患者支撑设备408的参数，包括诸如射束的能量、强度、方向、大小和/或形状的参数。
如上所说明，进入喷嘴406的射束401具有特定能量。因此，在根据本公开的实施例中，喷嘴406包括影响(例如，降低、调制)射束能量的一个或多个组件。术语“射束能量调节器(beam energy adjuster)”在本文中用作影响射束能量的一个或多个组件的通用术语，以便控制射束的范围(例如，射束穿透目标的程度)，控制由射束递送的剂量，和/或控制射束的深度-剂量曲线，这取决于射束的类型。例如，对于具有布拉格峰的质子射束或离子射束，射束能量调节器可控制目标体积中Bragg峰的位置。在各种实施例中，射束能量调节器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。
在辐射疗法技术中，其中粒子射束的强度是恒定的或者在整个递送区域上被调制，诸如在强度调制辐射疗法(IMRT)和强度调制粒子疗法(IMPT)中，粒子射束强度在患者的每个处理区域(目标体积)上是变化的。取决于处理方式的不同，可用于强度调制的自由度包括射束成形(准直)、射束加权(光斑扫描)和入射角(可称为射束几何形状)。这些自由度造成实际上无限数目的潜在处理计划，并且因此一致且有效地生成和评价高质量的处理计划超出了人的能力，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处理如癌症的疾病相关联的时间限制，以及在任何给定的时间段期间正在经历或需要经历辐射疗法的大量患者。
射束401实际上可具有任何规则或不规则的横截面(例如，射束的眼图)形状。例如，可使用阻挡射束的一部分或多个部分的MLC来定义射束401的形状。不同的射束可有不同的形状。
在实施例中，射束401包括多个射束段或细射束(“beamlet”也可称为光斑)。为射束401指定最大能量(例如，80MeV)，并且将每个射束段的能量水平定义为最大能量的百分比或分数。本质上，每个射束段根据其能量水平进行加权；一些射束段被加权以具有比其他射束段更高的能量水平。通过对每个射束段的能量进行加权，实际上也对每个射束分段的强度进行加权。可使用射束能量调节器407为每个射束段实现所定义的能量水平或强度。
每个射束段可递送相对较高的剂量率(在相对较短的时间内提供相对较高的剂量)。例如，每个射束段可在不到一秒的时间内递送至少40格雷(Gy)，并且可每秒递送多达120Gy或更多。
在操作中，在实施例中，射束段按顺序递送。例如，第一射束段被递送到目标体积(打开)然后关断，然后第二射束段被接通然后关断，依此类推。每个射束段可仅接通几分之一秒(例如，以毫秒为单位)。
可从不同方向、同一平面或不同平面使用和施加单一射束。或者，可在同一平面或不同平面中使用多个射束。射束的方向和/或数目可在多个处理期内变化(即，在时间上分级进行)，从而在目标体积上递送均匀的剂量。在任一时刻递送的射束数目取决于辐射处理系统(例如，图4的辐射处理系统400)中台架或喷嘴的数目以及处理计划。
评估辐射处理计划的处理参数
在根据本发明的实施例中，用于计划和评估辐射处理的计算机实施的方法包括从计算机系统存储器中访问与辐射处理计划相关联的信息。该信息包括，例如，目标体积中每体素的剂量值、目标体积中每体素的剂量率值以及在生成每体素的剂量值和每体素的剂量率值时使用的参数值。在计算机系统的显示设备上(例如，作为图形用户界面或GUI)显示包括例如目标体积或包括目标体积的图像的渲染(在此可称为第一渲染)和辐射处理计划的所选择值的渲染(在此可称为第二渲染)的渲染。当接收到对渲染中的一个渲染的区域的选择时，基于该选择而改变渲染中的另一个渲染的显示的特性。
图5、图6、图7、图8、图9和图10(图5-图10)图示了根据本发明的实施例中的可用于显示辐射处理计划和评估相关联的信息的GUI的示例。
根据本发明的实施例不限于图5-图10所示的GUI。一般而言，根据本发明的实施例中的GUI允许例如剂量、剂量率以及每体积(子体积或体素)的剂量和剂量率之间的相互依赖性易于被可视化，以用于辐射处理计划和用于评价处理结果。以下论述中的剂量、剂量率等可以是运算值(在计划期间使用例如图1的优化器模型150运算)或测量值(在处理期间和/或之后测量)。
GUI可按如下所述生成(参见图11的论述)，并且使用驻留于某种形式的计算机可读存储介质(例如，图1的计算机系统100的存储器)上的计算机可实行指令实施，并且可显示在计算机系统的输出设备(显示设备)126上。
此外，所公开的GUI可包括除包括在示例中的信息之外的信息。也就是说，除了在图5-图10的示例中描述的那些之外，GUI可包括GUI元素(例如，其他窗口或显示器)。此外，在实施例中，下拉菜单或其他类型的GUI元素(图中未示出)可用于选择和建立GUI的设置(例如，属性、阈值等)以及要在任何时候显示的信息的类型(一种或多种)。
此外，GUI不一定是静态显示器。例如，呈现在GUI中的信息可被编程为随时间变化或者响应于用户输入而变化，以图示累积剂量或剂量率随时间的变化。此外，例如，可对GUI进行编程，以依次呈现目标体积的不同横截面切片，从而为二维表示提供深度维度，或者操纵(例如，旋转)虚拟三维表示，从而可从不同的视角对其进行观看。
图5图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的GUI 500的示例。在图5的示例中，GUI 500包括第一显示窗口或渲染504，该窗口或渲染包括图像514。图像514可以是例如包括目标体积的体积的横截面视图。整个图像514可被认为是目标体积，或者图像514的一部分可被认为是目标体积。目标体积可以是器官(处于危险中的器官)、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。
在该示例中，GUI 500还包括第二显示窗口或渲染502，该窗口或渲染包括剂量-剂量率散点图506。在散点图506中，每个点(例如，点510)表示第一渲染504或图像514中的体素。
在一个实施例中，散点图506可仅包括满足用户定义要求的体素。例如，散点图506可仅包括被多于阈值数目(例如，三个)的射野或射束照射的体素。
散点图506中对感兴趣区域(例如，区域512)的选择致使第一渲染504中的对应体素(例如，区域516)以某种方式(例如，通过颜色或色调、图案、灰度等级、字母数字文本或亮度的改变)被突出显示。相反，在第一渲染504中对图像514中的感兴趣区域(例如，区域516)的选择致使第二渲染502中的对应点(例如，区域512)以某种方式(例如，通过颜色或色调、图案、灰度等级、字母数字文本或亮度的改变)被突出显示。
因此，可针对一剂量率范围来评估剂量分布，并且可针对一剂量范围来评估剂量率分布。对于FLASH RT，需要高剂量和高剂量率。因此，例如，用户可选择散点图506中的感兴趣区域(例如，高剂量和高剂量率区域)，并且可将覆盖在目标体积图像上的来自该区域的体素可视化，使得用户可检查具有不同剂量-剂量率特性的体素的精确位置。
区域512和516可包括任意数目的(一个或多个)体素。区域512和区域516的选择可使用任何类型的选择工具(矩形、套索等)来进行。
图6图示了在根据本发明的实施例中如何使用GUI 500来改进或优化辐射处理计划的示例。如上所述，可在第一渲染504中选择感兴趣的区域(例如，区域516)。例如，区域516可以是要处理的肿瘤的轮廓。响应于该选择，在第二渲染502或散点图506中突出显示对应于区域516的体素。对于FLASH RT，高剂量和高剂量率是期望的，但是对应于区域516的体素中的一些可能不在高剂量-高剂量率区域内(例如，它们可能在区域512之外)。
使用第二渲染502中的散点图506，可设定处理目标。处理目标可以是使对应于区域516的所有(或至少阈值数目的)体素在区域512内。可改变处理计划中的参数值，并且可使用图1的优化器模型150来评价经修改的计划。然后，基于经修改的计划而运算的每体素的剂量和每体素的剂量率显示在第二渲染502中，并且临床医生可容易地可视化经修改的计划是否满足处理目标。也就是说，使用GUI 500，临床医生可基于经修改的计划容易地可视化对应于区域516的所有或阈值数目的体素是否在区域512内。
散点图506中的点也可用于形成或定义图像514中的结构或轮廓。然后可将剂量率改进和优化目标分配给那些结构或轮廓，以提高处理计划的质量。
图7图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的GUI 700的示例。在图7的示例中，GUI 700包括第一渲染504，该第一渲染包括如上所述的图像514。在该示例中，GUI 700还包括第二显示窗口或渲染702，该窗口或渲染以二维(x和y)图示了射束(射束段或细射束)与目标体积相交的位置。在第二渲染702中，每个点(例如，光斑710)表示第一渲染504或图像514中与射束段相交的位置或点。
第二渲染702中的光斑可用于射束眼图中的给定射束段或射野。光斑可通过某种方式进行滤波。例如，所呈现的光斑可以是那些对目标体积贡献多于阈值量的剂量和/或多于阈值量的剂量率的射束段或射野。例如，第二渲染702可仅包括对目标体积贡献多于0.1Gy的射束段或射野的光斑。
可选择光斑集合(例如，集合712)，然后以某种方式突出显示第一渲染504或图像514中的对应体素。突出显示的体素对应于所选择光斑的位置或受对应于这些光斑的细射束影响的影响区域。相反，在第一渲染504中对图像514中的感兴趣区域(例如，区域516)的选择致使第二渲染702中的对应光斑(例如，集合712)以某种方式被突出显示。
图8图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的GUI 800的示例。在图8的示例中，GUI 800包括第一渲染504，该第一渲染包括如上所述的图像514。在该示例中，GUI 800还包括第二显示窗口或渲染802，该窗口或渲染包括DRVH 806。在DRVH 806中对感兴趣区域(例如，区域812)的选择致使第一渲染504中的对应体素(例如，区域516)以某种方式被突出显示。相反，在第一渲染504中对图像514中的感兴趣区域(例如，区域516)的选择致使DRVH 806的对应部分(例如，区域812)以某种方式被突出显示。
图9图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的GUI 900的示例。在图9的示例中，GUI 900包括第一渲染504，该第一渲染包括如上所述的图像514。在该示例中，GUI 900还包括第二显示窗口或渲染902，该窗口或渲染包括DVH 906。在DVH 906中对感兴趣区域(例如，区域912)的选择致使第一渲染504中的对应体素(例如，区域516)以某种方式被突出显示。相反，在第一渲染504中对图像514中的感兴趣区域(例如，区域516)的选择致使DVH 906的对应部分(例如，区域912)以某种方式被突出显示。
图10图示了根据本发明的实施例中的可用于评估辐射处理计划的GUI 1000的示例。在图10的示例中，GUI 1000包括第一渲染504，该第一渲染包括如上所述的图像514。在该示例中，GUI 1000还包括第二显示窗口或渲染1002，该窗口或渲染图示了相对生物有效性(RBE)和剂量率或剂量的散点图1006。可使用除RBE之外的标记或度量。在第二渲染1002中，散点图1006中的每个点(例如，点1010)表示第一渲染504或图像514中的体素。
在散点图1006中对感兴趣区域(例如，区域1012)的选择致使第一渲染504中的对应体素(例如，区域516)以某种方式被突出显示。相反，在第一渲染504中对图像514中的感兴趣区域(例如，区域516)的选择致使第二渲染1002或散点图1006中的对应点(例如，区域1012)以某种方式被突出显示。
图5-图10的GUI中的信息可用于研究辐射处理的结果，特别是用于评价FLASH RT。例如，图像514可在处理后获取，并且图像中的结构、器官或轮廓可被映射到上述散点图中的点。例如，如果在图像514的区域中检测到纤维化，则可选择该区域，并且相应散点图中的对应体素将被突出显示，从而允许研究者或临床医生将纤维化与剂量、剂量率和/或RBE相关联。一般而言，结果可容易地与处理目标(临床目标)和处理计划中的参数值相关联，并且该信息可用于例如改进处理计划和验证FLASH RT的疗效。
图11为根据本发明的实施例中的用于辐射处理计划的计算机实施的操作的示例的流程图1100。流程图1100可被实施为驻留于某种形式的计算机可读存储介质(例如，在图1的计算机系统100的存储器中)上的计算机可实行指令(例如，图1的优化器模型150)。
在图11的块1102中，定义了提议的辐射处理计划(例如，使用图1和图2的优化器模型150)，将其存储在计算机系统存储器中，并从该存储器中访问。所提议的辐射处理计划标识目标体积，并且包括目标体积中每体素的剂量值，以及目标体积中每体素的剂量率值。提议的辐射处理计划包括能够影响和/或用于运算或生成剂量和剂量率值的参数值，以及其他参数值。可影响剂量和剂量率的参数包括但是不限于目标体积的照射次数、每次照射的持续时间(照射时间)以及每次照射中沉积的剂量。这些参数还可包括将被引导到目标体积中的射束(细射束)的方向、目标体积中每个射束(细射束)与目标体积相交的位置(光斑)以及每个射束/细射束的能量。参数还可包括施加辐射的时间段(例如，在诸如一小时的时间段内施加多次辐射，该时间段内的每次辐射与下一次辐射相隔另一时间段)和每个辐射时间段之间的时间间隔(例如，每一小时长的时间段与下一个时间段相隔一天)。如果目标体积被分成子体积或体素，则参数值可基于每子体积或每体素(例如，每子体积或每体素的值)。
可在优化模型150(图3)中利用适当的(一个或多个)剂量阈值曲线(例如，正常组织备用剂量对剂量率或照射时间的关系)，以建立辐射处理计划的剂量限值。例如，适当的(例如，组织相关性的)剂量阈值曲线可用于确定射束方向(台架角度)和射束段权重。也就是说，可在辐射处理计划期间调节影响剂量的参数，从而满足剂量阈值曲线中的限值。剂量阈值曲线可以是组织相关性的。例如，肺部的剂量阈值曲线可不同于大脑的剂量阈值曲线。
剂量限值可包括但是不限于：目标中每个子体积(体素)的最大照射时间限值(例如，对于目标组织的每个体素，处理时间小于x1秒)；对于目标外部的每个子体积(体素)的照射时间的最大限值(例如，对于正常组织的每个体素，处理时间小于x2秒；x1和x2可相同或不同)；目标中每个子体积(体素)的剂量率的最小限值(例如，对于目标组织的每个体素，剂量率大于y1 Gy/sec)；以及对于目标外部的每个子体积(体素)的剂量率的最小限值(例如，对于正常组织的每个体素，剂量率大于y2 Gy/sec；y1和y2可相同或不同)。一般而言，这些限值旨在最大限度地减少正常组织被照射的时间。
在图11的块1104中，在一个实施例中，渲染显示在输出设备上(例如，图1的显示设备126)。该渲染可包括但是不限于包括目标体积的图像的渲染，以及所选择值的渲染，如图5-图10的示例中所述。
在图11的块1106中，在一个实施例中，接收输入，其中输入包括对渲染中的一个中的区域的选择，如图5-图10的示例中所述。
在图11的块1108中，在一个实施例中，响应于接收到输入，基于选择而改变渲染中的另一个渲染的显示的特性，如图5-图10的示例中所述。
在图11的块1110中，可选择性地或在必要时迭代调节所提议的辐射处理计划的参数值中的部分或全部，以确定最终参数值集，从而产生最符合患者处理目标(临床目标)的开处方的(最终的)辐射处理计划。
在块1112中，最终参数值集随后包括在用于处理患者的开处方的辐射处理计划中。
在块1114中，根据开处方的辐射处理计划对患者进行处理，并且生成和存储结果和成果，以用于上述后续评价。
虽然图11中的操作被呈现为以串联和特定顺序发生，但是本发明并不局限于此。这些操作可按不同的顺序和/或并行地执行，并且它们也可按迭代的方式执行。如上所述，由于需要考虑不同的参数、这些参数的值的范围、这些参数之间的相互关系、对处理计划有效且对患者的风险最小化的需求以及快速生成高质量处理计划的需求，使用在计算机系统100(图1)上一致执行的优化器模型150用于如本文所公开的辐射处理计划是重要的。
总之，根据本发明的实施例通过将FLASH RT扩展至更广泛的处理平台和目标部位，改进了辐射处理计划和处理本身。与常规技术相比，通过设计减少(如果不是最小化的话)对正常组织(在目标之外)的剂量的量级(以及在一些情况下的整体)，即使对于非FLASH剂量率，如本文所描述的生成的处理计划在使正常组织免受辐射方面也是优越的。使用FLASH RT，在维持高剂量率(FLASH剂量率)的同时，实现了由临床医生开处方的并包括在辐射处理计划中的剂量。利用FLASH剂量率，患者运动的管理被简化，因为剂量在短时间内(例如，少于一秒)被施加。处理计划虽然仍然是在竞争与相关参数之间找到平衡的复杂任务，但是相对于常规计划来说有所简化。本文所描述的技术可用于立体定向辐射外科以及具有单个或多个转移的立体定向身体辐射疗法。
除上述益处之外，通过允许计划者容易地可视化处理计划的关键元素(例如，每体素的剂量率)、容易地可视化对计划变化的这些元素的影响，以及容易地可视化不同计划之间的比较，GUI便于处理计划。
除了其中粒子射束的强度是恒定的或者在整个递送射野上被调制的辐射疗法技术(诸如IMRT和IMPT)之外，根据本发明的实施例可用于空间分级辐射疗法，包括高剂量空间分级栅格辐射疗法、微射束辐射疗法和微射束辐射疗法。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法行为的语言描述了主题，但是应理解，所附权利要求中定义的主题不一定限于上述具体特征或动作。相反，上面描述的具体特征和动作是作为实施权利要求的示例形式公开的。
Claims (20)
1.一种计算机系统，包括：
处理器；
显示设备，耦合到所述处理器；以及
存储器，耦合到所述处理器并且包括指令，所述指令在被实行时，引起所述处理器执行一种方法，所述方法包括：
访问与辐射处理计划相关联的信息，其中所述信息包括多个值，所述多个值包括目标体积中每体素的剂量值、所述目标体积中每体素的剂量率值、以及用于生成所述每体素的剂量值和所述每体素的剂量率值的参数值；
在所述显示设备上显示多个渲染，所述多个渲染包括：包括所述目标体积的图像的渲染，以及所述多个值中的所选择值的渲染；
接收输入，所述输入包括对所述多个渲染中的第一渲染的区域的选择；以及
响应于接收到所述输入，基于所述选择而改变所述多个渲染中的第二渲染的显示的特性。
2.根据权利要求1所述的计算机系统，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染包括剂量-剂量率散点图。
3.根据权利要求2所述的计算机系统，其中所述散点图中的体素是与多于阈值数目的辐射射束相交的体素。
4.根据权利要求1所述的计算机系统，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染包括所述辐射处理计划的剂量-体积直方图的渲染。
5.根据权利要求1所述的计算机系统，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染包括所述辐射处理计划的剂量率-体积直方图的渲染。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的计算机系统，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染包括示出所述目标体积中与辐射射束相交的位置的渲染。
7.根据权利要求6所述的计算机系统，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染中的位置是所述射束递送多于阈值量的剂量的位置。
8.根据权利要求6所述的计算机系统，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染中的位置是所述射束递送多于阈值量的剂量率的位置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机系统，其中所述多个值还包括每体素的相对生物有效性(RBE)，并且其中所述多个值中的所选择值的所述渲染包括RBE-剂量率散点图。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的计算机系统，其中所述显示的特性选自由以下各项组成的组：颜色；图案；灰度；字母数字文本；以及亮度。
11.一种非暂态计算机可读存储介质，具有用于引起计算机系统执行对辐射处理有用的方法的计算机可实行指令，所述方法包括：
访问用于照射目标体积中的体积的辐射处理计划中的信息，其中所述体积包括多个体素；
根据所述辐射处理计划中的所述信息确定所述多个体素中的每个体素的剂量；
根据所述辐射处理计划中的所述信息确定所述多个体素中的每个体素的剂量率；
在所述计算机系统的显示设备上显示包括多个渲染的图形用户界面，所述多个渲染包括：表示所述目标体积的图像的第一渲染，以及基于所述多个体素中的每个体素的所述剂量和所述多个体素中的每个体素的所述剂量率中的至少一项的第二渲染；
响应于接收到包括对所述第一渲染的区域的选择的输入，改变所述第二渲染的显示的特性；以及
响应于接收到包括对所述第二渲染的区域的选择的输入，改变所述第一渲染的显示的特性。
12.根据权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述第二渲染包括剂量-剂量率散点图。
13.根据权利要求12所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述散点图中的体素是与多于阈值数目的辐射射束相交的体素。
14.根据权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述第二渲染包括所述辐射处理计划的剂量-体积直方图的渲染。
15.根据权利要求11所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述第二渲染包括所述辐射处理计划的剂量率-体积直方图的渲染。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述信息包括每体素的相对生物有效性(RBE)，并且其中所述第二渲染包括RBE-剂量率散点图。
17.一种非暂态计算机可读存储介质，具有用于引起计算机系统执行对辐射处理有用的方法的计算机可实行指令，所述方法包括：
访问辐射处理计划，所述辐射处理计划包括多个值，所述多个值包括将被引导向目标体积中的体积并且进入所述体积中的射束的数目、所述目标中与所述射束相交的位置以及所述射束中的每一个射束的剂量率范围，其中所述体积包括多个体素；
在所述计算机系统的显示设备上显示包括多个渲染的图形用户界面，所述多个渲染包括：表示所述目标的图像的第一渲染，以及表示所述多个值中的所选择值的第二渲染；
响应于接收到包括对所述第一渲染的区域的选择的输入，改变所述第二渲染的显示的特性；以及
响应于接收到包括对所述第二渲染的区域的选择的输入，改变所述第一渲染的显示的特性。
18.根据权利要求17所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述第二渲染包括示出所述目标体积中与辐射射束相交的位置的渲染。
19.根据权利要求18所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染中的位置是所述射束递送多于阈值量的剂量的位置。
20.根据权利要求18或19所述的非暂态计算机可读存储介质，其中所述多个值中的所选择值的所述渲染中的位置是所述射束递送多于阈值量的剂量率的位置。
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