專利名稱：治療計劃系統(tǒng)的改進或其相關改進的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及治療計劃系統(tǒng)，尤其是用于方文射治療和放射外科的治療計劃系統(tǒng)。
背景技術：
Leksell Gamma Knife (Leksell伽瑪?shù)?是眾所周知的放射外科治療設備，如

圖1所示。它包含很多個以半球狀陣列設置的放射性鈷源，各個鈷源用于發(fā)射射向半球中心12的射線。還提供通常為半球狀的準直器14，其配備用于各個鈷源10的孔眼，從而使各個鈷源發(fā)射基本上成錐形(pencil-shape)的射束。
各射束匯集至中心12處，因此該位置的劑量率非常高。半球內的大部分其他位置僅被一個輻射源輻照到，或可能沒被輻照到，因而劑量率非常低。接近中心12的位置會被若干個(盡管非全部)輻射源輻照到，因錐型射束的厚度不為0。因此，劑量分布由中心12的峰組成，該峰隨離開所述中心的距離增加而下降。在放射外科領域，由一個等中心(isocenter)所產生的劑量分布通常稱為"擊"("shot")。
向多個靶標提供有效治療解決方案變得日益重要。對多個靶標制定治療計劃的基本問題在于LGK相互作用的劑量貢獻(contribution)。也就是說，給予一個靶標的劑量分布通常還會給予其他靶標一些劑量。
當有多個靶標需要治療時，情況可能變復雜。迄今為止，這已通過多個劑量施用而將位點逐個置于在放射焦點12 (圖l)上來完成。結果，各靶點都會得到初始劑量(即當位于所述裝置中心12處時遞送的劑量)以及本底劑量(即在不同靶標接受初始劑量時附加遞送的劑量)。必須小心留神以保證總劑量(total dose)(即初始劑量加本底劑量)、尤其是靶標以外部位的總劑量不超過最大預定劑量。
現(xiàn)有的治療計劃系統(tǒng)Leksell GammaPlan 5.34 (LGP)允許同時對至多IO個不同的靶標進行規(guī)劃。LGP將整體劑量(global dose)貢獻考慮在內，并正確顯示給予各靶標的總劑量。
發(fā)明概要
LGP不能給各個單獨靶標明確開據(jù)處方劑量。相反，所開據(jù)的是整體最大劑量，其(在實踐中)意指給予發(fā)生整體劑量最大值時靶標的局部處方劑量(local prescription^為獲得給予其他靶標的預定劑量，LGP(在數(shù)字上)顯示在各靶標存在的最大劑量，并允許使用者以1%或10%的增量改變各靶標放射等中心的相對權重(與放射時間成比例)。通過反復使用此方法，使用者最終可得到接近的為各靶標所開據(jù)的劑量。
平衡多個靶標劑量的上述方法具有若干缺點手動、耗時且需要使用者留意在治療計劃系統(tǒng)之外的處方等劑量(prescription isodose)-通常在紙上。最終的治療計劃并不包括這些所開據(jù)劑量的細節(jié)，因而給以后的核查或查證帶來困難。使用者唯有通過反復試驗才能查明處方劑量(prescription dose)事實上是否能夠從物理上實現(xiàn)，也就是說，如果請求的是不能實現(xiàn)的處方方案，使用者則會浪費大量時間來確定其不可行。而且該方法不直觀，難以教會新的使用者。
此外，使用者沒有簡單直接的方法了解局部等中心和遠距離等中心的相對劑量貢獻。該信息較為重要，因為強烈的相互作用可能意味著百分比等劑量與劑量梯度之間的關系可與單靶標的情況明顯不同。
本發(fā)明設法解決這些難點并獲得克服它們的系統(tǒng)。
因此，本發(fā)明提供治療計劃方法，該方法包括以下步驟確定多個治療部位和施用到各部位的大體劑量(overall dose);對于各個特定部位而言，確定與施用到不同部位的劑量成比例的、由針對所述各個不同部位的劑量施加到該部位的整體劑量(global dose);構建劑量因子矩陣(dose factor matrix),所述矩陣包含對于各部位而言由施用到其他各部位的劑量所產生的整體劑量；對劑量因子矩陣求逆，并將其乘以包含施用到各部位大體劑量的處方矩陣(prescriptionmatrix),從而得到包含各部位局部劑量的結果矩陣。
該方法提供了推導施用到各靶標的必需劑量，使得包括在輻照不同靶標時遞送的整體劑量在內，各靶標得到恰當?shù)目倓┝?total dose)的數(shù)學直觀方法。
劑量因子矩陣(即相互作用矩陣)優(yōu)選為二維矩陣，因為會有 一 系列的耙點，各靶點都要考慮在內，而且各靶點將會得到由其自身的擊及各個其他靶點所提供的貢獻。優(yōu)選所述矩陣是方陣，在這種情況下，針對各靶標的各組劑量因子將包括適用于相同靶標輻照的劑量因子；顯然，該數(shù)目通常為1。
處方矩陣優(yōu)選是一維矩陣，因為它僅需每個靶標有一個數(shù)值劑量。
所述治療計劃方法可以忽略某些部位，例如^f艮如某些部位因距離其它部位較遠而與之相互作用不顯著，則可被忽略。因為劑量因子矩陣的大小與多個治療部位中的部位數(shù)目相對應，所以該數(shù)目的減少將會至少簡化該矩陣求逆的步驟。這可能有用或沒用，取決于矩陣的總體大小和可用的處理預算(proceesingbudget)。因此，我們優(yōu)選多個治療部位為由以下部位組成的較大部位組的亞組(i)多個治療部位和(ii)特征為相互作用較小的其他部位，相互作用較小的原因在于例如所述其他部位距所述多個治療部位內部位的距離比所述多個治療部位內部位之間的距離更遠。因此，組(ii)由與組(i)中部位在空間上分離的部位組成，且通常對應于無顯著相互作用的部位。
本發(fā)明還涉及治療計劃裝置。該裝置包括接受多個治療部位和施用到各治療部位大體劑量細節(jié)的部件、處理部件和用于使結果矩陣可以得到的輸出部件，其中處理部件用于(對各個特定部位)進行以下步驟確定與施用到各個不同部位劑量成比例的、由針對不同部位的劑量施加到該部位的整體劑量；構建劑量因子矩陣，所述矩陣包含對于各部位而言由施用到其他各部位的劑量所產生的整體劑量；對劑量因子矩陣求逆，并將其乘以包含施用到各部位大體劑量的處方矩陣，從而得到包含各部位局部劑量的結果矩陣。
所述治療計劃設備可以進一步包含顯示部件。該部件用于顯示所計劃治療的等劑量線。
治療計劃設備的其他優(yōu)選方面如上文所述。
附圖簡述
本發(fā)明的實施方案現(xiàn)將參考以下附圖通過實例來描述附圖中，圖1以簡圖形式顯示貫穿Leksell Gamma Knife ("LGK")的二維剖
面；
圖2顯示由LGK獲得的劑量分布；和圖3說明多個靶標。
實施方案詳述
圖1已在上文中描述因此將不再作進一步說明。
圖2顯示劑量分布18以及其隨著患者部位(x)沿經(jīng)過LGK幾何中心12的線如何變化。在中心12處，劑量在20處達到峰劑量D。劑量在峰20的兩邊回落，在遠離所述中心處接近O。圖2顯示隨距離增加相對低的下降率以說明這一點。
圖3顯示多靶標的情況。因此，其包括第一靶點22,以及另外的第二耙點24和第三耙點26,后兩者與第一靶標之間的距離分別為距離"和rn。因此，當將初始劑量D,遞送至第一靶點22時，第二靶點得到劑量d12,第三靶點得到劑量d13。
距離r!2和rn及劑量山2和dn在圖2中顯示。如果距離相差不大，即通常是(例如)已轉移腫瘤的情形，(112和d13則不能忽略，因而需要在計劃遞送至第二靶點24和第三靶點26的初始劑量02和D3時將它們考慮在內。還應該留意的是，遞送初始劑量D2(例如)還涉及使本底劑量d2l和d23分別被遞送至分別位于距離r，2和r23的第一靶點22和第三靶點26。因此， 一般來講，對于有"n"個靶點的患者而言，遞送至各位點的劑量將會由一個初始劑量和(n-l)個本底劑量，即總共n個劑量組成，所有這些劑量都有所不同且取決于所述位點的相對位置。
對于各位點而言，用以補償本底劑量而對初始劑量所作的任何調整將會改變遞送至所有其他位點的本底劑量，使得又要改變其他位點的初始劑量，這繼而令該調整所首先針對的位點的本底劑量改變。因此，隨著n增加，計劃無疑會變得更為復雜。
根據(jù)本發(fā)明，規(guī)劃多靶標治療的工作流程的第一步與規(guī)劃單靶標治療的步驟非常類似(或相同)。因此，各靶標在開始時單獨作計劃，即就如僅有一個靶標的情況，無需考慮靶標間的相互作用。使用者為各靶標選擇局部等劑量和給予該等劑量的處方劑量(例如對50%等劑量為20Gy)。"等劑量"是由劑量相等的點連成的面(或在二維面上視為線)。它使得可對劑量分布容易地通過目測來進行評價，盡管實際劑量在三維中有所變化。 一般而言，所述劑量分布類似于高斯分布，因此與位置有關的劑量變化率在60。/。等劑量線附近為最大。因此，臨床使用者通常設法將40°/。 - 60%之間的等劑量置于耙標的物理邊界處，以使靶標內的劑量最大，而使靶標外的劑量最小。給予靶標內所選的參考點的40 Gy劑量通常表示為(例如)"50%等劑量為20 Gy"的劑量，因為由這樣的分布所遞送的峰劑量會是40 Gy。
其余的變量無疑是劑量的量，其反映在所施用放射時間上，并在治療計劃系統(tǒng)中作為施用到各輻照的"權重"來表示。按照以下實例將劑量分別開給各靶標。4厶'吝/s標老才^/量W確定
靶標名 所選靶標的 對等劑量所開出的對參考點所開出
等劑量 劑量(Gy) 的劑量
A 50% 20 40
B 40% 10 25
為了說明并非必須使用50%，給標靶B選出的等劑量為40%而非50%。
最后一欄通過所選的等劑量線和處方劑量自動計算得到。參考點已自動設定為各靶標內所述擊的最大劑量點。
劑量處方的開據(jù)可以在局部計劃步驟之前或之后進入，因為(如上所述)它們是相互獨立的。
下一步是平衡靶標之間的相互作用。如果靶標之間因距離非常大以致其相互作用可忽略不計，那么通常不必作所述平衡就可完成計劃。然而，在許多情況下一個靶標中的擊將會顯著影響其他靶標中的總劑量，因而需要平衡局部貢獻與整體貢獻，以得到對各耙標開據(jù)的劑量。根據(jù)本發(fā)明，這如下文所述自動完成。結果可如下
4 2.《動乎銜:各/&#局部豸##說;^遂^
#巴標名所選靶標的對等劑量線所開對參考點所來自局部 來自其他乾
等劑量線 據(jù)的劑量(Gy) 開據(jù)的劑量擊的劑量標的劑量
A 50% 20 40 3723 2.7"7
B 概 10 25 13.83 11.17
在此實例中，我們發(fā)現(xiàn)給予標靶A的劑量主要來自局部擊，因此可能該局部計劃無需修改就可被接受。
然而，對于靶標B我們發(fā)現(xiàn)局部貢獻與整體貢獻的大小大體相同，這表明需要仔細^T查此靶標的劑量分布。如果來自其他靶標的貢獻(在該例子中為靶標A)相當平直(fairly flat),那么我們不必做太多工作，因為劑量梯度隨后不受局部貢獻的影響。然而，如果整體貢獻增添了
9顯著梯度，那么可能需要通過調整靶標B的擊來進行補償。
我們現(xiàn)已得到所有靶標的處方劑量，但如果發(fā)現(xiàn)等劑量線的移動超過可接受的限度，則可能需要在考慮總劑量時調整計劃。此時，可
以將整體劑量貢獻考慮在內，計算并評估各靶標的劑量柱狀圖(dosevolume histogram, "DVH，，)。
在以上討論中，我們提及以下自動化程序計算對局部劑量的整體貢獻并相應調整局部劑量，以獲得開據(jù)的大體局部劑量?，F(xiàn)對此進行描述。這無疑是一個并非無足輕重的問題，對一個靶標局部劑量分布所作的修改影響整體劑量分布，后者繼而影響其他每個耙標的局部劑量分布；對那些其他靶標局部劑量分布所作的相應調整隨后影響前述一個靶標的劑量分布，這意味著經(jīng)調整的局部劑量分布原則上不再是正確的。
我們將n定義為靶標的數(shù)目，并且使各靶標有其固定的參考點。所述參考點通常但不一定為局部擊最大劑量點。令mij為由遞送至耙標j的擊產生的給予特定靶標i的劑量比率。例如，如果耙標3的參考點位于靶標5局部擊的20%等劑量線，那么m35=0.2。
各靶標參考點的總劑量f,則可以如下表示<formula>formula see original document page 10</formula>
其中《為靶標/中的局部擊給予該靶標的最大劑量。矩陣形式的此關系可以更簡潔地表示為,=柳
通過對此關系求逆，我們可以直接且非迭代地確定為達到給定處方劑量f而通過各靶標的擊給予局部參考點的所需劑量
這使得系統(tǒng)能顯示給使用者對各靶標的局部貢獻4以及整體貢獻6-4，如表2所示。此方法的優(yōu)點在于有已確立的數(shù)學算法用于確定
逆矩陣；因此，通過選擇將問題以此形式表示且通過將靶標之間的距離表示為等劑量水平而非實際距離，我們取得解決問題的直接方法。
在實際執(zhí)行中，某些變型可能有利。例如，rf的各元素可以縮放某個量，而Af的列可以縮放該量的逆。此變型在數(shù)學上與以上給出的描述相等。
如果靶標之間的相互作用強烈，且開據(jù)的劑量差異顯著，那么可能會發(fā)生最優(yōu)解中含有負劑量d，從而無法從物理上實現(xiàn)。這可以通過以下實例說明。兩個不同耙標A和B中的參考點。和"同時位于另一靶標的50%局部等劑量處。我們將20Gy開給。，將4Gy開給"。數(shù)學解則為給予24Gy局部劑量至。，給予-8Gy局部劑量至"
給予。的總劑量=24 + 0.5*(-8) Gy = 20 Gy
給予 的總劑量=-8 + 0.5*24Gy = 4Gy
遺憾的是，產生負劑量值是不可能的，因此我們必須將就非最優(yōu)解。所述非最優(yōu)解可以用許多方法來確定。 一個方法是尋求盡可能接近處方劑量而同時滿足以下約束的劑量(i)局部劑量值均不為負數(shù)，和(ii)給予各靶標的總劑量大于或等于處方劑量。這是約束最優(yōu)化問題，可以例如用二次規(guī)劃法來求解。在所述實例中，我們可以得出的最佳結果是給予20 Gy至A， OGy至B,致使A和B的整體劑量分別為20Gy和10Gy。
盡管如此，上述治療計劃方法通過存在負局部劑量立即顯示沒有可實現(xiàn)的解。用迭代法，臨床醫(yī)師(在更復雜的計劃上)在放棄之前可能要耗費大量時間；甚至在以后可能仍有疑問究竟是該計劃實際上無可實現(xiàn)的解，還是只不過該臨床醫(yī)師能力有限。
上述方法有賴于為各靶標選擇參考點，以使其不依賴于為其他靶標而定的劑量計劃。此特性允許我們找到解決上述得到開給各靶標的參考劑量的問題的閉型解(closed-form solution)(若其存在的話)。
當以局部模式進行規(guī)劃時，按上述說明運作的系統(tǒng)可自動將100°/。參考點調整為獲得此靶標的擊貢獻最大的點。這意味著可能存在獲得其他擊貢獻的劑量點，意味著有效劑量顯示為超過100%。這從數(shù)學上來說是沒有錯的，因為各局部百分比水平的參考點為局部施用的劑量，但這可能在剛開始時會讓某些使用者感到疑惑。
為減少對此潛在的疑惑，可給所述系統(tǒng)提供以下功能搜尋并顯
示整個治療量中的實際最大值點及該點的劑量。如果使用者偏好顯示相對于此實際最大量的等劑量，則可以提供使百分比等劑量標準化為該整體最大量的顯示模式。所選的等劑量應該以相同的方式變化，因
而不會使等劑量線移動；結果僅僅是它們的標記發(fā)生變化(例如從50%到46%)。然而，在此模式中，局部參考點仍用作處方等劑量的基礎。否則，不同耙標的等劑量水平會相互依賴，對一個耙標所作的任何改變都可能需要反復調整其他靶標，這將非常難以充分理解?？偠灾?，所述系統(tǒng)可以提供以下三種類型的等劑量顯示
1. 局部模式僅有局部擊的百分比等劑量。用于規(guī)劃單獨劑量并
劃分相對于靶點面的等劑量面。
2. 微調模式所有擊給予所選靶標的劑量的百分比等劑量或絕對
劑量值。百分比值基于來自局部擊的最大劑量或所有擊給予該靶標的最大劑量。劑量曲線僅在所選的劑量矩陣中顯示(以避免掃視不同靶標而不改變所選耙標時所引起的疑惑——人們也可以想象自動改變所選的靶標)。
3. 整體模式各處顯示的所有靶標的絕對劑量值。這用于檢查臨
界結構(critical structure)的劑量。應當了解的是，可以在不背離本發(fā)明范圍的情況下對上述實施方案作出許多變化。
權利要求
1. 治療計劃方法，所述方法包括以下步驟確定多個治療部位和施用到各部位的大體劑量；對于各個特定部位而言，確定與施用到不同部位劑量成比例的、由針對所述各個不同部位的劑量施加到所述部位的整體劑量；采用數(shù)學優(yōu)化法自動平衡整體劑量貢獻和施用至各部位的局部劑量，從而得到給予各部位的大體處方劑量。
2. 權利要求1的治療計劃方法，其中所述數(shù)學優(yōu)化法包括 構建劑量因子矩陣，所述矩陣包含對于各部位而言由施用到其他各部位的劑量所產生的整體劑量貢獻；對所述劑量因子矩陣求逆，并將其乘以包含施用到各部位的大體 劑量的處方矩陣，從而得到包含各部位局部劑量的結果矩陣。
3. 權利要求2的治療計劃方法，其中所述劑量因子矩陣為二維矩陣。
4. 權利要求2或3的治療計劃方法，其中所述處方矩陣為一維矩陣。
5. 前述權利要求中任一項的治療計劃方法，其中所述多個治療部 位為由以下部位組成的部位組的亞組(i)所述多個治療部位和(ii)其他 部位，所述其他部位與所述多個治療部位內部位的距離比所述多個治 療部位內部位之間的距離更遠。
6. 治療計劃裝置，所述裝置包含接受多個治療部位和施用到各治療部位大體劑量之細節(jié)的部件； 處理部件，其用于i. 對各個特定部位，確定與施用到不同部位劑量成比例的、 由針對所述各個不同部位的劑量施加到所述部位的整體劑量；ii. 構建劑量因子矩陣，所述矩陣包含對于各部位而言由施 用到其他各部位的劑量所產生的整體劑量；iii.對劑量因子矩陣求逆，并將其乘以包含施用到各部位的大體劑量的處方矩陣，從而得到包含各部位局部劑量的結果矩陣；和用于使結果矩陣可以得到的輸出部件。
7. 權利要求6的治療計劃裝置，所述裝置進一步包含顯示部件。
8. 權利要求7的治療計劃裝置，所述裝置用于顯示所規(guī)劃治療的等劑量。
9. 權利要求6-8中任一項的治療計劃裝置，其中所述劑量因子矩陣為二維矩陣。
10. 權利要求6-9中任一項的治療計劃裝置，其中所述處方矩陣為一維矩陣。
11. 權利要求6-10中任一項的治療計劃裝置，其中所述多個治療部位為由以下部位組成的部位組的亞組(i)多個治療部位和(ii)其他部位，所述其他部位與所述多個治療部位內部位的相互作用較小。
12. 權利要求11的治療計劃裝置，其中所述其他部位與所述多個治療部位內部位的距離比所述多個治療部位內部位之間的距離更遠。
13. 基本如本文參考附圖所述的和/或由附圖所述的治療計劃方法。
14. 基本如本文參考附圖所述的和/或由附圖所述的治療計劃裝置。
全文摘要
治療計劃方法，其包括以下步驟確定多個治療部位和施用到各部位的大體劑量；對于各個特定部位而言，確定與施用到不同部位劑量成比例的、由針對所述各個不同部位的劑量施加到該部位的整體劑量；構建劑量因子矩陣，所述矩陣包含對于各部位而言由施用到其他各部位的劑量所產生的整體劑量；對所述劑量因子矩陣求逆，并將其乘以包含施用到各部位大體劑量的處方矩陣，從而得到包含各部位局部劑量的結果矩陣。該方法提供了通過數(shù)學計算直接得到施用到各靶標的所需劑量的方法，其包含遞送的整體劑量以及輻照不同靶標，從而使各靶標接受到恰當?shù)目倓┝?。所述治療計劃方法可以忽略某些部位，例如假如某些部位因距離其它部位較遠而與之相互作用不顯著，則可被忽略。本發(fā)明還描述了治療計劃的相應裝置。
文檔編號A61N5/10GK101547720SQ200780044559
公開日2009年9月30日 申請日期2007年10月2日 優(yōu)先權日2006年10月3日
發(fā)明者J·加丁, P·利德貝里, P·基艾 申請人:伊利克塔股份有限公司