專利名稱：用于調(diào)強弧形治療序列化與最優(yōu)化的方法和裝置的制作方法
用于調(diào)強弧形治療序列化與最優(yōu)化的方法和裝置本申請要求2007年10月16日提交的序列號為60/980，228的美國臨時專利申請 的權(quán)利，該申請被特地以引用的方式整體并入本文。本申請涉及輻射處置。本申請在醫(yī)學腫瘤學中的輻射處置方面具有具體應(yīng)用，其 還涉及需要對經(jīng)受處置的對象施加輻射劑量的其他醫(yī)學和非醫(yī)學應(yīng)用。調(diào)強放射治療(IMRT)是在二十世紀九十年代發(fā)展起來的處置技術(shù)，并且已經(jīng)從 大約2000年開始在世界范圍內(nèi)臨床使用。IMRT具有產(chǎn)生這樣的處置計劃的優(yōu)點，即在所 述處置計劃中，與傳統(tǒng)的處置技術(shù)相比，處于危險中的器官接受低得多的劑量。臨床IMRT 處置已經(jīng)專門地使用靜態(tài)射束(這種情況下，臺架在處置期間不移動)；僅僅多葉準直器 (MLC)移動。 傳統(tǒng)的IMRT處置是以預(yù)先確定的角度繞患者施予的。在每個角度，有一系列的子 野(segment)或MLC孔徑形狀。在處置機器在各角度和子野間移動時，所述射束被關(guān)閉。這 一“停工時間”延長了處置時間。調(diào)強弧形治療(IMAT)使用弧形射束而不是靜態(tài)射束。在傳統(tǒng)的IMRT以及IMAT處 置中，MLC葉片的行程部分地決定了處置將花費的時間。與傳統(tǒng)的IMRT相比，IMAT的優(yōu)點 是它能夠產(chǎn)生這樣的處置計劃，即在所述處置計劃中，處于危險中的器官接受更少的劑量， 而腫瘤仍然可以在短得多的施予時間內(nèi)接受規(guī)定的劑量。通過使用連續(xù)IMAT弧，射束總是 在工作，因此消除了所述停工時間。IMAT技術(shù)的另一方面是處置計劃過程的流水化。通常，期望產(chǎn)生這樣的處置計劃， 即最大化施加于腫瘤或其他病灶的處置劑量，同時最小化對周邊組織的損害。為了實現(xiàn)某 些情況下精確的劑量分布，可能需要大量的射束角度。增加這種角度的數(shù)量通常會增加處 置計劃過程的工作量和計算復(fù)雜度。這進而趨向于增加處置計劃時間，或反過來，需要使用 相對功能更強大的計算機。在IMAT計劃中，用戶可能僅必須指定弧度參數(shù)，并且對于多數(shù) 情況，默認值將是合適的。在其他各點都相同的情況下，期望降低對患者施加期望的處置所需要的時間，同 時仍然施予近似于所指定的劑量的處置。同樣地，期望降低處置計劃過程的計算復(fù)雜度。本申請的各方面解決了這些及其他問題。根據(jù)第一方面，一種方法包括對于包括在沿弧的第一角度定位處的第一和第二 子野的調(diào)強弧形治療處置計劃，確定沿所述弧的所述第一和第二子野的期望的分布，其中 每個子野在唯一的角度位置處。所述方法還包括根據(jù)所確定的分布來分布所述第一和第二子野。根據(jù)另一方面，一種裝置包括用于對于包括在沿弧的定位處的第一和第二子野 的調(diào)強弧形治療處置計劃確定沿所述弧的第一和第二子野的期望的位置的模塊。所述裝置 還包括用于根據(jù)所述期望的位置來定位所述第一和第二子野的模塊。根據(jù)另一方面，一種計算機可讀存儲介質(zhì)包含指令，當被計算機處理器執(zhí)行所述 指令時，所述指令使得所述處理器執(zhí)行一種方法。所述方法包括結(jié)合包括位于沿處置施予 弧的第一射束位置的第一和第二子野的輻射處置計劃，將所述第一子野重新定位到第一子位置并且將所述第二子野重新定位到第二子位置。根據(jù)另一方面，一種計算機可讀存儲介質(zhì)包含指令，當被處理器執(zhí)行時，所述指令 使得所述處理器執(zhí)行一種方法。所述方法包括結(jié)合包括位于沿處置弧的第一射束位置的 第一和第二子野的調(diào)強弧形治療處置計劃，在第一定位附近沿所述弧分布所述第一和第二子野。本發(fā)明是以示例的方式舉例說明的，并且不限于附圖中的圖形，在附圖中，同樣的 參考標記指代相似的元件，其中

圖1描述了處置計劃和施予系統(tǒng)；圖2描述了方法；圖3A、3B和3C描述了射束位置、子野和重新定位的子野。現(xiàn)在，轉(zhuǎn)到圖1，輻射處置計劃器102開發(fā)了用于由輻射處置施予系統(tǒng)104施予的 處置計劃。如圖所示，施予系統(tǒng)104包括輻射源112、射束整形器114以及定位器120。輻射 源112可以包括線性加速器、輻射材料、粒子輻射源(例如，質(zhì)子源)或其他電離輻射源。射束整形器114整形來自輻射源112的輻射，以產(chǎn)生施加于對象106的靶118的 空間變化的輻射束116。因此，例如，可以調(diào)整所述射束的形狀，以使得當沿射束116的方向 觀察時(即，沿射束的視線)大體符合靶118的形狀。還可以操作射束整形器114以調(diào)整 射束116的相對空間強度，從而將相對更高(或更低)的輻射劑量施加于靶118的不同區(qū) 域。在一種實現(xiàn)方式中，射束整形器114包括多葉準直器(MLC)。MLC通常包括多個插 入到輻射源112和對象106之間的可移動的輻射衰減葉片。所述葉片因此限定了施予輻射 所通過的孔徑。通常，MLC還包括可調(diào)節(jié)的準直器角度設(shè)置，其限定了 MLC圍繞軸的旋轉(zhuǎn)位 置，所述軸大體平行于射束116的軸。因此，MLC孔徑以及準直器角度設(shè)置用于調(diào)整輻射束 116的時間變化特性。定位器120改變射束116和對象106的相對位置，從而使得從多個不同的方向或 射束位置施加輻射。根據(jù)施予系統(tǒng)104的配置，定位器120的設(shè)置可以解決諸如病床108 的角度和/或空間位置、輻射源112和射束整形器114相對于對象106的角度位置等問題。對于調(diào)強弧形治療(IMAT)系統(tǒng)的情況，射束116穿過一個或多個相對于靶118的 弧或軌跡103。射束116運動的角速度可以繞弧103變化。通常隨著射束116的相對運動 在時間上同時施加輻射，其中射束整形器114的設(shè)置隨著射束116的運動而變化。射束116 將很可能在不同的弧子野之間具有可變的劑量率，并且射束116不需要持續(xù)施加，并且例 如，可以在射束116將不利地影響危險器官的那些位置將其關(guān)閉。處置計劃器102計劃將由處置設(shè)備104施加的IMAT處置。更具體地，處置計劃器 102試圖開發(fā)最優(yōu)地滿足處置目標122的處置計劃，諸如將施加于靶118的最小劑量、將施 加于靶118外部(例如，施加于危險器官或施加于其他健康組織)的最大輻射劑量、最小和 最大劑量體積目標、劑量均勻性目標等中的一個或多個?；?射束參數(shù)126描述在開發(fā)處置計劃期間 由處置計劃器102所使用的諸如對于 射束軌跡的期望起始和結(jié)束角度、病床角度等中的一個或多個的參數(shù)?？商娲?，弧/射束 參數(shù)126中的一個或多個可以被視為通過處置計劃器102或優(yōu)化器132優(yōu)化的變量。
如圖所示，處置計劃器102包括劑量計算器128、一個或多個目標函數(shù)130、優(yōu)化器 132以及通用處置計劃軟件(TPS)工具134。在當前可用的TPS系統(tǒng)中，適當?shù)膭┝坑嬎闫?128和TPS工具134當前可用。大多數(shù)TPS系統(tǒng)還具有IMRT優(yōu)化器和目標函數(shù)，所述優(yōu)化 器和目標函數(shù)可以被適當?shù)匦薷暮?或復(fù)用，以用作優(yōu)化器132和目標函數(shù)130。
所述處置計劃系統(tǒng)還包括人機接口 136，諸如計算機實現(xiàn)的圖形用戶界面(⑶I)， 所述圖形用戶界面在弧生成和最優(yōu)化過程中指導(dǎo)用戶。人機接口 136還允許用戶手動地針 對可以在一個序列中計算的參數(shù)的多個組合限定弧參數(shù)。處置計劃器102還可以包括確定最優(yōu)的弧/射束參數(shù)126的弧發(fā)生器138，特別是 在用戶很難限定這種參數(shù)的情況中。優(yōu)化器132產(chǎn)生針對沿一個或多個弧的不同射束位置(所述射束位置有時被稱作 控制點)的注量圖140。在典型的IMAT處置計劃中，所述射束位置最初以大約十(10)度到 二十(20)度的間隔分隔開，盡管還可預(yù)期更大或更小數(shù)量的射束位置以及不相等的間隔。 通常，增加射束位置的數(shù)量給予優(yōu)化器132更多的自由度，并且產(chǎn)生更精確的劑量分布。然 而，增加射束位置的數(shù)量也趨向于增加所需計算的復(fù)雜度，并且因此增加生成處置計劃所 需的時間。因此，增加射束的數(shù)量具有收益遞減點。轉(zhuǎn)換器142將注量圖140轉(zhuǎn)換為處置計劃，所述處置計劃包括近似或以其他方式 產(chǎn)生期望的注量圖的處置設(shè)備設(shè)置144。更具體地，對于沿所述弧的每個射束位置，所述轉(zhuǎn) 換器生成射束整形器144設(shè)置(例如，對于MLC的孔徑設(shè)置和準直器角度)，所述射束整形 器144設(shè)置產(chǎn)生期望的注量分布。根據(jù)所期望的注量分布的復(fù)雜度，射束位置可以包括多 個子野。可以小心地限制處置設(shè)備設(shè)置144的數(shù)量，以確保最優(yōu)化的殘余量沒有不必要的 過載。每個子野包括不同的射束整形器114設(shè)置。再次對于MLC的示例，所述子野可以包 括不同的孔徑和/或準直器角度設(shè)置。正如將意識到的，在給定射束位置執(zhí)行多個子野將通常增加施予IMAT處置所需 的時間，這是因為需要多個弧旋轉(zhuǎn)。在給定射束位置的相對大數(shù)量的子野還指示了在所述 射束位置的相對高的空間復(fù)雜度。針對這一問題的一種方法是在原始射束位置附近建立附 加的射束位置，并且持續(xù)最優(yōu)化過程以便減小在所述射束位置的子野的數(shù)量。然而，這樣做 趨向于增加計劃過程的復(fù)雜度?？商娲鼗蚋郊拥兀缓?，子野分布器146沿所述弧分布不同的子野。更具體地， 對于每個射束位置，子野分布器146將所述射束位置的子野分布到在所述射束位置附近的 子位置。所述子位置優(yōu)選選擇為使得由所分布的子野授予的劑量分布近似于原始子野的劑 量分布。更具體地，所述子位置的定位、所述子野沿所述弧分布的順序以及所述分布的其 他相關(guān)方面是根據(jù)分布標準150建立的。例如，可以選擇子野被定位于子位置之中的順序， 以最小化所需的射束整形器114運動。對于MLC，例如，可以選擇所述順序以最小化所述運 動和/或MLC葉片的速度或運動。作為另一示例，可以基于有待分布的子野的數(shù)量以及鄰近 射束位置的定位選擇所述子位置的定位。再進一步，所述子位置可以定中心于代表中點的 定位之間，所述中點是對其分布子野的射束區(qū)域和所述射束區(qū)域的一階近鄰之間的中點。 根據(jù)諸如一階近鄰的位置和有待分布的子野的數(shù)量的因素，所述子位置可以或可以不關(guān)于 所述射束位置對稱。示例性的子野分布和子位置將在下面更詳細地描述。
機器參數(shù)優(yōu)化器148使用直接機器參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，以進一步優(yōu)化所分布的子野，例如最小化葉片運動以及避免機器約束。如果優(yōu)化器148確定出不能滿足所要求的目標， 則可以基于在轉(zhuǎn)換過程142期間拒絕的子野，智能地插入附加的子野?，F(xiàn)在，將參考圖2和圖3描述操作。在202建立處置目標。在204生成注量圖。為了說明簡單，并參考圖3A，將假設(shè)所述處置計劃包括360° 度的圓形軌跡或弧302，并且在三(3)個射束位置304P30U043生成注量圖，這三(3)個 射束位置沿所述軌跡等間隔地分隔開(S卩，以120°的間隔)。在206所述注量圖被轉(zhuǎn)換為處置設(shè)備設(shè)置。再次出于解釋的目的，將假設(shè)在第一 射束位置301需要一(1)個子野306i，在第二射束位置3042需要二(2)個子野SOS1,2，而在 第三射束位置3043需要三(3)個子野310^3。在208重新分布子野306、308、310。在一種實現(xiàn)方式中，各子位置間的角度距離如 下計算等式1 其中，θ s是對于射束位置m在各子位置間的距離，θ 是對于在射束位置m的第 一側(cè)的一階近鄰的射束位置，θ m+1是對于在射束位置m的第二側(cè)的一階近鄰的射束位置， 并且N是對于射束位置m的子野的數(shù)量。在所述第一側(cè)，最外面的射束子位置以距離93偏 離射束位置m-1和射束位置m之間的中間位置。在所述第二側(cè)，最外面的射束子位置同樣 以距離θ s偏離射束位置m+1和射束位置m之間的中間位置。圖3B中示出了圖3A中的射束位置和子野的這種分布。因此，射束子野306i的位 置沒有變化，射束子野308i和3082以四十度(40° )的角度距離分隔開，而射束子野31(V 3102、3103以三十度(30° )的角度距離分隔開。要注意，子野沿弧302分布的順序是基于 所期望的排序標準選擇的。圖3C描述了 N = 4個子野314^相對于射束位置312m的重新分布。如圖所示，所 述處置計劃是這樣的，即在射束位置312m和相鄰射束位置之間的距離是不相等的對于射 束位置312m是十度(10° )，而對于射束位置312m+1是二十度(20° )。子位置是以三度 (3° )的距離分隔的。如將意識到的，所述子位置定中心于分別位于射束位置312m的第一 和第二側(cè)的射束位置中點316^314。這種布置的一個優(yōu)點是，所述分布趨向于反映所述處置計劃的空間復(fù)雜度。所述 弧的那些需要相對復(fù)雜的注量分布的區(qū)域容納相對更大數(shù)量的子位置。此外，鄰近射束位 置的子野分布不重疊。在步驟210優(yōu)化所重新分布的子野，以產(chǎn)生處置設(shè)備設(shè)置。在212，將所述處置設(shè)備設(shè)置遞送至處置設(shè)備104。在214，將所述處置施加至對象。變型是可預(yù)期的。例如，在給定射束位置的重新分布的子野之間的間隔可以是不 相等的。此外，射束位置的各子野可以沿比等式1中所描述的相對更靠近或更遠離射束位 置的子位置的范圍定位。在前一種情況中，所施加的處置通常趨向于更接近地近似于所期望的處置。在后一種情況，所述處置的施予將相對更不可能受到射束整形器114的運動特 性的約束。此外，可以根據(jù)作為對其重新分布子野的射束位置的二(或更高)階近鄰的射 束位置來確定各子位置之間的間隔。分布所述子野的順序也可以基于標準而不是射束整形器114的運動而變化。例 如，可以分布所述子野，以便提供最接近地近似于所期望的劑量分布的劑量分布。如果由于一個或多個原因，子野對處置計劃的貢獻不滿足特定的標準，也可以篩 選所述子野。例如，具有低于特定的閾值的監(jiān)測單元設(shè)置的子野可以使得處置劑量率降低， 并且不能為處置計劃提供多少貢獻。另一示例可以是具有動態(tài)不同的射束整形器114設(shè)置 的兩個鄰近的子野。施予這一弧子野的效率可能不高，并且，除非其可以被重新分布，篩選 可能是有利的。
更進一步，所述計劃過程還可以包括利用不同數(shù)量的弧和/或弧參數(shù)的多次試 驗。在這種情況下，各個試驗的結(jié)果可以在對照⑶I中呈現(xiàn)給用戶，所述⑶I將呈現(xiàn)圖像集 /劑量分布窗口、設(shè)備體積直方圖(DVH)曲線和/或?qū)⒃试S用戶評估各個處置計劃的其他信 肩、ο將意識到的是，可以經(jīng)由硬件和/或計算機軟件或固件的不同的組合實現(xiàn)上述技 術(shù)的變型。對于軟件、固件等，計算機可讀指令可以被存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)中。當被 計算機處理器執(zhí)行時，所述指令使得所述處理器執(zhí)行所述技術(shù)。所述指令還可以位于遠程 并且根據(jù)需要進行訪問，例如通過經(jīng)由因特網(wǎng)進行下載。已經(jīng)參考優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明。通過閱讀和理解前面的詳細描述，其他人 員可以進行修改和變更。本發(fā)明意在被解釋為包括所有這種修改和變更，只要它們落入隨 附的權(quán)利要求或其等價物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種方法，包括對于包括在沿弧(302)的第一定位(3043)處的第一(3101)和第二(3102)子野的調(diào)強弧形治療處置計劃，確定沿所述弧的所述第一和第二子野的期望的分布；根據(jù)所確定的分布來分布所述第一和第二子野。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所確定的分布包括順序和間隔(es)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，包括在沿所述弧的第一位置處定位所述第一子野，以及 在沿所述弧的第二位置處定位所述第二子野。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述處置計劃包括在所述第一定位處的第三 (3143)子野，所述確定包括確定所述第三子野的期望的分布，并且所述分布包括根據(jù)所確 定的分布來分布所述第三子野。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述確定包括確定其中所述第一和第二子野之間 的間隔等于所述第二和第三子野之間的間隔的分布。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，包括根據(jù)如下關(guān)系確定所述間隔
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述處置計劃包括沿所述弧的第二(304》和第三 (3042)定位，所述第二和第三定位每個都包括子野(306、308)，所分布的所述第一定位的第一子野被設(shè)置在所述第一和第二定位之間，并且離所述第一和第二定位的中點第一距離， 所重新分布的第二子野被設(shè)置為離所述第一和第三定位的中點第二距離，并且所述第一和 第二距離是相等的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定期望的分布包括確定沿所述弧的所述子野的 順序，所述順序最小化射束整形器(114)的運動。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，包括確定在所述第一定位處的期望的注量分布；將所述注量分布轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生所述期望的注量分布的處置設(shè)備設(shè)置(144)，其中，所述設(shè) 置包括所述第一和第二子野。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，包括根據(jù)直接機器參數(shù)優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化所分布的子野。
11.一種裝置，包括用于對于包括在沿弧的定位處的第一(314i)和第二(3142)子野的調(diào)強弧形治療處置 計劃確定沿所述弧的所述第一和第二子野的期望的位置的模塊(146)；用于根據(jù)所述期望的位置來定位所述第一和第二子野的模塊(146)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，包括優(yōu)化器(132)，其確定在所述定位處的期望的注量分布(140)；轉(zhuǎn)換器(142)，其將所述注量分布轉(zhuǎn)換為包括所述第一和第二子野的處置設(shè)備設(shè)置 (144)。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，包括輻射處置設(shè)備(104)。
14.一種包含指令的計算機可讀存儲介質(zhì)，當被計算機處理器執(zhí)行時，所述指令使得所 述處理器執(zhí)行一種方法，所述方法包括結(jié)合包括位于沿處置施予弧的第一射束位置的第一和第二子野的輻射處置計劃，將所述第一子野重新定位到第一子位置； 將所述第二子野重新定位到第二子位置。
15.如權(quán)利要求14所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述輻射處置計劃包括位于沿 所述處置施予弧的第二射束位置的第三和第四子野，并且所述方法包括將所述第三子野重新定位到第三子位置； 將所述第四子野重新定位到第四子位置。
16.如權(quán)利要求14所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述輻射處置計劃包括作為在 所述第一射束位置的第一側(cè)上的所述第一射束位置的一階近鄰的第二射束位置和作為在 所述第一射束位置的第二側(cè)上的所述第一射束位置的一階近鄰的第三射束位置，并且所述 方法包括根據(jù)所述第二和第三射束位置之間距離確定所述第一和第二子位置。
17.如權(quán)利要求14所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述方法包括根據(jù)位于所述第 一射束位置的子野的數(shù)量確定所述第一和第二子位置。
18.如權(quán)利要求14所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述處置計劃包括位于所述第 一射束位置的第三子野，并且所述方法包括將所述第三子野重新定位到第三子位置；選擇所述第一和第二子位置的相對定位，以便最小化處置施予設(shè)備(104)的運動。
19.如權(quán)利要求14所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述方法包括生成所述處置計劃。
20.一種包含指令的計算機可讀存儲介質(zhì)，當被處理器執(zhí)行時，所述指令使得所述處理 器執(zhí)行一種方法，所述方法包括結(jié)合包括位于沿處置弧的第一射束位置的第一和第二子 野的調(diào)強弧形治療處置計劃，在第一定位附近沿所述弧分布所述第一和第二子野。
21.如權(quán)利要求20所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述處置計劃包括多個位于所 述第一射束位置的子野，并且所述方法包括重新定位所述多個子野中的每一個。
22.如權(quán)利要求20所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述第一射束位置位于作為所 述第一射束位置的一階近鄰的第二和第三射束位置之間，所述第一射束位置包括多個子 野，并且所述分布包括分布所述多個子野中的每一個，使得所分布的子野被定位為與所述 第二或第三位置想比更靠近所述第一位置。
23.如權(quán)利要求20所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述方法包括優(yōu)化所分布的子野。
24.如權(quán)利要求20所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述方法包括將指示所分布的 子野的信息遞送至處置設(shè)備(104)。
全文摘要
處置計劃器(102)在沿處置弧(302)的各個定位(304，312)處產(chǎn)生指示期望的注量分布的注量圖(140)。轉(zhuǎn)換器(142)將所述注量分布(140)轉(zhuǎn)換為處置設(shè)備設(shè)置(144)。所述設(shè)置(144)可以包括多個子野。子野分布器(146)將所述設(shè)置分布到在其原始位置附近的定位。
文檔編號A61N5/10GK101848745SQ200880111689
公開日2010年9月29日 申請日期2008年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
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