專利名稱：用于遞送放射治療的運動自適應優(yōu)化的系統(tǒng)和方法
用于遞送放射治療的運動自適應優(yōu)化的系統(tǒng)和方法相關申請本申請要求于2009年3月5日提交的序號為12/398，869的美國專利申請和于 2008年10月27日提交的序號為12/259，038的美國專利申請的優(yōu)先權。所述兩個申請的全部內容在此并入作為參考。
背景技術：
眾所周知腫瘤在放療療法治療的遞送期間和之間會發(fā)生移動(Webb，2006a， Langen和Jones，2001)。報導過的實時運動補償法主要基于循跡。亦即，通過如所計劃那樣在相同時間將相同強度的放射束置于腫瘤基準幀中的相同位置上，有效實現補償。這些方法通過直線加速器循跡(Nuyttens等，2006，Murphy，2004)、MLC循跡(Keall等，2001， Keall等，2006，Neicu等，200 或治療床循跡(D' Souza等，200 來執(zhí)行，并且可以表征為硬件解決方案。Papiez 等(Papiez 等，2005，Papiez 和 Rangaraj，2005，Papiez 等，2007，Papiez 等，1999，Papiez 和 Timmerman, 2008，Papiez 等，1994，Papiez 和 Langer, 2006，Papiez 等， 2002, Papieza, 2004) ,McMahon ^ (McMahon 等，2007a，McMahon 等，2007b)和 Webb 等(Webb 和Birmie，2006，Webb，2006b)將腫瘤運動結合到動態(tài)MLC葉片速度優(yōu)化中。這些方法被認為是運動補償的軟件途徑?；谘E的方法旨在一旦檢測到運動，即可完全和即時地補償運動誤差。這樣的方案被認為是開環(huán)方法，因為它們并沒有明確地模擬來自硬件限制和/或預測的補償誤差。這些開環(huán)循跡方法對硬件例如MLC、直線加速器或治療床等的速度和位置準確度，以及對運動預測的準確度，有著非常高的要求。

發(fā)明內容
現有技術中的調強放射治療(“IMRT”)遞送遵循所計劃的葉片序列。所述葉片序列在治療計劃期間進行優(yōu)化，其采取一定的治療構型，包括患者擺位、解剖結構和生理狀態(tài)。但是，難以在治療計劃過程期間準確地模擬實時治療構型，例如患者呼吸。治療遞送條件與計劃條件的偏差導致未達最佳劑量分布。特別是，對移動中的腫瘤進行的IMRT遞送， 本質上是動態(tài)的，會導致在整個腫瘤體積上的熱和冷點。由于分次內(intra-fraction)運動的復雜性，這種運動不僅是患者特有的，而是對于同一患者而言也在這一秒到下一秒之間變化，導致腫瘤運動的精確建模乃至長期預測仍然是不可實行的任務。但是，實時運動補償因為它并沒有非常依賴于關于分次內運動的先驗知識或假設，反而是有前途的。本發(fā)明包括IMRT遞送的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，它結合實時優(yōu)化來應對累積誤差和適應未來放射。已經開發(fā)了用于放射治療遞送的實時運動自適應優(yōu)化(“ΜΑΟ”)的可行工作流程。放射治療遞送的特點在于多個投射。MAO引導下的遞送恰在每個投射的遞送之前， 更新運動編碼的累積劑量并優(yōu)化葉片序列。MAO技術包括幾個實時程序，包括運動檢測和預測、遞送的劑量累積、未來劑量估算和投射優(yōu)化。當實時執(zhí)行MAO時，這些程序將在少于一個投射的時間中施行。這些MAO程序的測試花時不到100ms。利用模擬的ID情形、真實的治療計劃和來自臨床上肺和前列腺患者的運動跡線， 將MAO引導的遞送與兩個其它類型的遞送相比較，該兩個其他類型的遞送為運動無補償遞送(MD)和靜態(tài)遞送(SD)。結果顯示，所提出的MAO技術有效補償了所有測試病例的運動誤差。無論運動是規(guī)則或不規(guī)則的呼吸，還是小或大的前列腺運動，MAO引導的遞送的劑量分布和DVH很好地達到了 SD的水平。那些結果從概念上證明了所提出的方法適用于放射治療遞送中的實時運動補償。 實時優(yōu)化的方法可以用于自適應放射治療(ART)，以補償各種各樣的遞送誤差。在一個實施例中，本發(fā)明提供了遞送放射療法治療的方法。所述方法包括生成患者的治療計劃和將患者定位以接收放射。機器參數基本上被實時監(jiān)視。監(jiān)視機器參數包括分析關于所述機器參數的信息和所述參數如何影響遞送給患者的劑量。至少一部分治療計劃基本上實時地進行優(yōu)化，以結合來自所監(jiān)視的機器參數的所分析的信息。所述方法進一步包括向患者遞送優(yōu)化的治療計劃的至少一部分。本發(fā)明的其它方面將通過考慮具體說明和附圖而變得明白。


圖1是放射療法治療系統(tǒng)的透視圖。圖2是可用于圖1所示的放射療法治療系統(tǒng)的多葉片準直儀的透視圖。圖3是圖1的放射療法治療系統(tǒng)的示意圖。圖4是用于放射療法治療系統(tǒng)的軟件程序的示意圖。圖5是示出實時MAO引導的放射治療遞送的流程圖。圖6示出了運動u沿著葉片方向(cos (Φ-π/2)，8 η(φ-π/2),0)的投影，其中 Φ是源方向的角度。圖7示出了實時MAO時間線。對第η個投射的優(yōu)化發(fā)生在第(η_1)個投射中。完成了優(yōu)化之后，將結果在第η個投射開始之前發(fā)送到機器以遞送指令。圖8圖形示出了 ID矩形劑量剖面曲線(profile)的實時MAD遞送的仿真結果。圖9圖形示出了實時MAO引導的遞送的仿真結果。圖10圖形示出了實時MAD遞送的仿真結果，其中上圖中的運動模擬了 Lujan型規(guī)則呼吸，T = 4. 3sec, A = 20mm, b = 0，和 η = 3。圖11圖形示出了實時MAO引導的遞送的仿真結果。圖12圖形示出了從真實的肺癌患者測量的呼吸跡線(上圖)的仿真結果。圖13圖形示出了實時MAO引導的遞送的呼吸跡線的仿真結果。圖14圖形示出了對M-形計劃弦圖(sinogram)的仿真結果。圖15示出對于處于螺旋斷層放射療法治療下的肺癌患者進行不同遞送方法的 DVH比較。圖16示出對于在不同呼吸跡線下的處于螺旋斷層放射療法治療下的肺癌患者進行不同遞送方法的DVH比較。圖17示出圖16所示病例的劑量分布。
圖18示出對于處于螺旋斷層放射療法治療下的前列腺癌患者進行不同遞送方法的DVH比較。圖19示出對于正在經歷分次內前列腺運動的前列腺患者進行不同遞送方法的 DVH比較。圖20示出對于正在經歷分次內前列腺運動的前列腺患者進行不同遞送方法的 DVH比較。圖21示出圖20所示病例的劑量分布。圖22是示出實時ART的流程圖。圖23是示出根據本發(fā)明的能夠操作以優(yōu)化治療計劃的動態(tài)編程環(huán)路的流程圖。具體說明在詳細解釋本發(fā)明的任何實施例之前，要理解，本發(fā)明沒有將其應用局限于以下說明書中闡明或以下圖中顯示的結構細節(jié)和部件布置上。本發(fā)明能夠有其它實施例，并且能夠以各種方式實踐或執(zhí)行。此外，要理解，本文使用的措辭和術語是出于說明的目的，不應該被認為是限制。本文中使用的“包括”、“包含”或“具有”及其變型意味著包涵此后列出的項目及其等價物以及附加項。除非指定或以其它方式加以限制，術語“安裝的”、“連接的”、“支持的”和“偶聯(lián)的”及其變型以廣義使用，并包涵直接和間接的安裝、連接、支持和偶聯(lián)。雖然對圖進行說明時在本文中，可以進行方向參照，例如上、下、向下、向上、向后、 底、前、后等等，，這些參照是為了方便起見相對于圖(按照正常觀看)做出的。這些方向不準備從字面取意，或以任何形式限制本發(fā)明。另外，術語例如“第一”、“第二”和“第三”在本文使用是為了說明的目的，不意圖表示或暗示相對重要性或意義。另外要理解，本發(fā)明的實施例包括硬件、軟件和電子部件或模塊，為了討論起見， 對它們的說明和描述可以視為大部分部件只在硬件中實行一樣。但是，本領域的普通技術人員在閱讀本詳細說明書的基礎上，將認識到，在至少一個實施例中，本發(fā)明基于電子的方面可以在軟件中實行。因此，應注意，可以利用以多個硬件和軟件為基礎的裝置以及多個不同的結構部件來實行本發(fā)明。此外，并且如后面的段落所述，在圖中示出的特定機械構造是打算例示本發(fā)明的實施例，其它的替代機械構造也是可能的。圖1示出可以向患者14提供放射療法的放射療法治療系統(tǒng)10。放射療法治療可以包括基于光子的放射療法，近距放射療法，電子束療法，質子、中子或粒子療法，或其它類型的治療療法。放射療法治療系統(tǒng)10包括機架18。機架18可以支持放射模塊22，放射模塊22可以包括放射源M和線性加速器26 (也稱為“直線加速器”)，可用于產生放射束30。 雖然圖中顯示的機架18是環(huán)形機架，S卩，它延伸通過整個360°弧以產生完整的環(huán)或圈，但其它類型的安裝布置也可以使用。例如，可以使用C-型、部分環(huán)形機架或機械臂。也可以采用能夠將放射模塊22定位在相對于患者14的各種旋轉和/或軸向位置處的任何其它框架。另外，放射源24可以沿著不遵循機架18形狀的路線行進。例如，放射源對可以沿著非圓形路線行進，雖然所示出的機架18通常是圓形的。所示出的實施例的機架18限定了機架孔32，治療期間患者14移動到該機架孔32中。放射模塊22還可以包括調制裝置34，其可用于修改或調制放射束30。調制裝置 34提供放射束30的調制并將放射束30導向朝著患者14。具體地說，放射束34被導向朝著患者的部位38。寬泛地講，該部位可以包括整個身體，但是通常小于整個身體并可以由二維面積和/或三維體積來限定。需要接受放射的部位或區(qū)域，可以稱為靶或靶區(qū)，是感興趣區(qū)的例子。另一種感興趣區(qū)是危及區(qū)。如果部分中包括危及區(qū)，則放射束優(yōu)選偏轉離開該危及區(qū)。這樣的調制有時稱為調強放療(“IMRT”)。調制裝置34可以包括圖2所示的準直裝置42。該準直裝置42包括一組顎件46， 它們限定并調整了可以通過放射束30的孔徑50的大小。顎件46包括上顎件M和下顎件 58。上顎件M和下顎件58可以移動，以調整孔徑50的大小。顎件46的位置調節(jié)遞送給患者14的束30的形狀。在一個實施例中，和在圖2中示出，調制裝置34可以包含多葉片準直器62 (也稱為“MLC”)，該準直器包括多個交錯的葉片66，可用于從一個位置移動到另一個位置，以提供強度調制。還要注意，葉片66可以移動到最小和最大打開位置之間的任何位置。多個交錯的葉片66在放射束30到達患者14上的部位38之前，調制放射束30的強度、大小和形狀。各個葉片66由致動器70、例如電動機或空氣閥獨立控制，以便葉片66可以迅速開閉， 以容許或阻斷放射線的通過。致動器70可以由電腦74和/或控制器來控制。放射療法治療系統(tǒng)10還可以包括檢測器78，例如千伏或兆伏檢測器，用于接收放射束30，如圖1所示。直線加速器沈和檢測器78還可以作為計算機X射線斷層攝影(CT) 系統(tǒng)操作，以產生患者14的CT圖像。直線加速器沈向著患者14中的部位38發(fā)出放射束30。部位38吸收部分放射。檢測器78檢測或測量被部位38吸收的放射量。在直線加速器沈圍繞患者14旋轉并向著患者14發(fā)出放射線的同時，檢測器78從不同角度采集吸收數據。采集的吸收數據被傳送到計算機74以處理該吸收數據并產生患者的身體組織和器官的圖像。圖像還可以顯示骨、軟組織和血管。系統(tǒng)10還可以包括患者支撐裝置，例如治療床82，其可用于在治療期間支撐患者14的至少一部分。雖然所示出的治療床82被設計成支撐患者14的整個身體，但在本發(fā)明的其他實施例中，患者支撐物不需要支撐整個身體，而是可以設計成在治療期間只支撐患者14的一部分。治療床82沿著軸84(即Y軸) 移入和移出放射場。治療床82還能夠如圖1所示沿著X和Z軸移動。圖2和3中所示的計算機74包括運行各種軟件程序和/或通訊應用程序的操作系統(tǒng)。特別是，計算機74可以包括(一個或多個)軟件程序90，用于與放射療法治療系統(tǒng) 10通訊。計算機74可以包括適于由醫(yī)務人員訪問的任何適當的輸入/輸出裝置。計算機 74可以包括典型的硬件例如處理器、I/O接口和存儲裝置或存儲器。計算機74還可以包括輸入裝置，例如鍵盤和鼠標。計算機74還可以包括標準輸出裝置，例如監(jiān)視器。另外，計算機74可以包括外圍設備，例如打印機和掃描儀。計算機74可以與其它計算機74和放射療法治療系統(tǒng)10聯(lián)網。其它計算機74可以包括另外的和/或不同的計算機程序和軟件，不需要與本文描述的計算機74 一致。計算機74和放射療法治療系統(tǒng)10可以與網絡94通訊。計算機74和放射療法治療系統(tǒng)10還可以與(一個或多個)數據庫98和(一個或多個)服務器102通訊。要注意(一個或多個)軟件程序90還可以駐留在(一個或多個)服務器102上。網絡94可以按照任何聯(lián)網技術或布局或者技術和布局的組合來建立，并可以包括多個子網絡。圖3顯示的計算機和系統(tǒng)之間的連接可以通過局域網(“LAN”)、廣域網 (“WAN”)、公共交換電話網絡(“PSTN”)、無線網絡、內聯(lián)網、因特網或者任何其它適當的網絡來實現。在醫(yī)院或醫(yī)療護理機構中，圖3顯示的計算機和系統(tǒng)之間的通訊可以通過健康信息交換第七層協(xié)議(“HL7”)協(xié)議或任何版本的其它協(xié)議和/或其它需要的協(xié)議來實現。HL7是標準協(xié)議，規(guī)定了來自不同賣方的兩種計算機應用程序(發(fā)送器和接收器)之間接口的實現，用于醫(yī)療環(huán)境中的電子數據交換。HL7可以允許醫(yī)療機構交換來自不同的應用系統(tǒng)的關鍵數據集。具體地說，HL7可以定義要交換的數據、互換的時間和誤差到應用程序的通訊。該格式在本質上通常是通用的，并可加以配置以滿足所涉及的應用的需要。圖3所示的計算機和系統(tǒng)之間的通訊還可以通過任何版本的醫(yī)療數字成像和通訊(DICOM)協(xié)議和/或其它需要的協(xié)議來產生。DICOM是NEMA建立的國際通訊標準，定義了用于在不同件的醫(yī)療設備之間傳送醫(yī)學圖像相關數據的格式。DICOM RT表示放射療法數據專用的標準。圖3中的雙向箭頭通常表示圖3中顯示的網絡94與計算機74和系統(tǒng)10中任何一個之間的雙向通訊和信息傳輸。但是，對于有些醫(yī)療和計算機化設備，可能僅僅需要單向通訊和信息傳輸。軟件程序90 (在圖4中以方框圖形式示出)包括多個模塊，它們彼此通訊以執(zhí)行放射療法治療過程的功能。各種模塊也彼此通訊以判斷放射療法治療計劃的遞送是否如預期發(fā)生。軟件程序90包括治療計劃模塊106，用于根據醫(yī)務人員向系統(tǒng)10的數據輸入來產生患者14的治療計劃。數據包括患者14的至少一部分的一個或多個圖像(例如，計劃圖像和/或治療前圖像)。治療計劃模塊106將治療分成多個分次(fraction)，并根據醫(yī)務人員的處方輸入確定各個分次或治療的放射劑量。治療計劃模塊106還確定部位38的放射劑量。放射劑量可以基于在部位38周圍勾畫的各種輪廓，所述各種輪廓限定部位38周圍的邊緣。多個部位38可以存在并包括在相同的治療計劃中。治療計劃包括向患者遞送放射的多個投射。治療計劃模塊106還可用于限定各個投射的時間段。治療計劃模塊106能夠調整超出所有投射的總時間段的各個投射的時間段，以置入緩沖器中來遞送治療計劃。換句話說，治療計劃模塊106可以有意不充分利用遞送能力，使得能夠有更多的再優(yōu)化機會。軟件程序90還包括圖像模塊108，其可用于獲取患者14的至少一部分的圖像。圖像模塊108可以指示機載圖像裝置，例如CT成像裝置，以根據期望方案在治療開始之前、治療期間和治療之后獲取患者14的圖像。在一個方面，圖像模塊108在患者14基本上處于治療位置的同時獲取患者14的圖像。其它離線成像裝置或系統(tǒng)可用來獲取患者14的治療前圖像，例如非定量CT、MRI、PET、SPECT、超聲、透射成像、熒光透視法、基于射頻的定位等等。 獲得的(一個或多個)治療前圖像可用于患者14的配準和/或用于產生變形圖，以識別在一個或多個計劃圖像與一個或多個治療前、治療期間或治療后圖像之間的差別。獲得的圖像還可用于患者14的配準和/或用于確定或預測要遞送給患者14的放射劑量。獲得的圖像還可用于確定患者14在先前治療或分次照射期間接收的放射劑量。圖像模塊108還可用來在患者14接收治療的同時獲取患者14的至少一部分的圖像，以確定患者14實時接收的放射劑量。軟件程序90還包括優(yōu)化模塊110，其可用于在治療遞送之前和期間優(yōu)化治療計劃。治療遞送期間的實時優(yōu)化最好要考慮各種因素，例如患者解剖和生理變化(例如呼吸及其他移動等等)和機器配置改變(例如射線束輸出因數，治療床誤差，葉片誤差等等)。 射束強度的實時修改可以應對這些改變(例如實時再優(yōu)化子束)。優(yōu)化模塊110考慮到累積誤差以調整用于遞送給患者的未來放射的治療計劃。優(yōu)化模塊110恰在每個投射剛要遞送之前更新運動編碼的累積劑量并優(yōu)化葉片打開時間。對優(yōu)化治療計劃的另外細節(jié)在下面論述。軟件程序90還包括患者定位模塊114，用于針對具體治療分次，將患者14相對于機架18的等中心定位和對準。當患者在治療床82上的同時，患者定位模塊114取得患者 14的圖像，并將患者14的當前位置與基準圖像中患者的位置進行比較。基準圖象可以是計劃圖像、任何治療前圖像、或計劃圖像和治療前圖像的組合。如果患者的位置需要調整，患者定位模塊114向驅動系統(tǒng)86提供指令來移動治療床82，或者可以將患者14手動移動到新的位置。在一種構造中，患者定位模塊114可以從定位在治療室中的激光器接收數據，以提供相對于機架18的等中心的患者位置數據。根據來自激光器的數據，患者定位模塊114 向驅動系統(tǒng)86提供指令，該驅動系統(tǒng)86移動治療床82以實現患者14相對于機架18的正確對準。要注意，激光器以外的裝置和系統(tǒng)可用于向患者定位模塊114提供數據，以協(xié)助對準過程?；颊叨ㄎ荒K114還可用于在治療期間檢測和/或監(jiān)視患者運動?；颊叨ㄎ荒K 110可以與運動檢測系統(tǒng)112通信和/或將其結合，所述運動檢測系統(tǒng)112例如χ射線、室內CT、激光定位裝置、照相機系統(tǒng)、肺活量計、超聲、張力測量、胸帶等等。患者運動可以是不規(guī)律的或非預期的，以及不需要遵循平滑或可再生的路徑。軟件程序90還包括治療遞送模塊118，可用于指示放射療法治療系統(tǒng)10按照治療計劃向患者14遞送治療分次。治療遞送模塊114可以產生指令并向機架18、直線加速器沈、調制裝置34和驅動系統(tǒng)86發(fā)送指令，以向患者14遞送放射。指令協(xié)調了機架18、 調制裝置34和驅動系統(tǒng)86的必要移動，以如治療計劃中指定那樣，向正確的靶以正確量遞送放射束30。治療遞送模塊118還計算待遞送的放射束的適當樣式(pattern)、位置和強度，以匹配如由治療計劃指定的處方。放射束30的樣式由調制裝置34產生，更具體是通過多葉片準直器中多個葉片的移動產生。治療遞送模塊118可以利用規(guī)范的、預定的或模板葉片樣式，以根據治療參數產生放射束30的適當樣式。治療遞送模塊118還可以包括典型范例的樣式庫，可以訪問所述典型范例的樣式庫以比較當前的患者數據，來確定放射束30的樣式。軟件程序90還包括反饋模塊122，可用于在患者治療期間從放射療法治療系統(tǒng)10 接收數據。反饋模塊122可以從放射療法治療裝置接收數據，并可以包括與患者傳輸數據、 離子室數據、MLC數據、系統(tǒng)溫度、部件速度和/或位置、流率等相關的信息。反饋模塊122 還可以接收與治療參數、患者接收的輻射劑量的量、在治療期間獲得的圖像數據和患者移動相關的數據。另外，反饋模塊122可以從使用者和/或其它源接收輸入數據。反饋模塊 122取得并儲存數據，直到需要進一步處理。軟件程序90還包括分析模塊126，可用于分析來自反饋模塊122的數據，以判斷治療計劃的遞送是否如預期發(fā)生并根據新獲得的數據確認所計劃的遞送是合理的。分析模塊1 還可以根據接收的數據和/或補充輸入的數據，判斷在治療計劃的遞送期間是否發(fā)生問題。例如，分析模塊126可以判斷問題是否與放射療法治療裝置10的誤差、解剖誤差例如患者移動、和/或臨床誤差例如數據輸入誤差有關。分析模塊1 可以檢測放射療法治療裝置10中與治療床82、裝置輸出(即直線加速器沈輸出變動)、機架18、多葉片準直器62、患者擺位和放射療法治療裝置10的部件之間的定時誤差相關的誤差。例如，分析模塊1 可以判斷在計劃期間是否執(zhí)行了治療床更換、在計劃期間是否正確使用和考慮了固定裝置、在治療期間位置和速度是否正確。分析模塊126可以判斷在放射療法治療裝置10 的輸出參數中是否發(fā)生了改變或變動。就機架18而言，分析模塊1 可以判斷機架18的速度和定位是否存在誤差。分析模塊126可以接收數據以判斷多葉片準直器62是否被恰當操作。例如，分析模塊1 可以判斷葉片66是否在正確時間移動，是否有任何葉片66被卡在原位，葉片定時是否被恰當校準，以及葉片調制樣式對于任何給出的治療計劃是否正確。 分析模塊1 還可以針對任何給出的治療計劃來確認患者擺位、定向和位置。分析模塊1 還可以確認機架18、治療床62、直線加速器26、葉片66之間的定時是正確的。分析模塊1 還可以利用形變配準數據以確?；颊?4跨多個分次接收正確的放射劑量。當分析所述劑量時，有用的是，跨多個治療分次累計劑量以判定是否加劇了任何誤差或它們是否互相消減。配準是用于跨多個圖像確定患者的解剖或生理的位置之間的相關性的方法。形變配準是確定患者的解剖或生理的位置之間的相關性以考慮到在圖像、相或時間之間解剖結構中的非剛性改變的方法?；趤碜苑派浏煼ㄖ委熝b置10的在線圖像和反饋重新計算待遞送給患者14的放射劑量，以確保已經或正在向患者14遞送正確的劑量。分析模塊1 還可以出于質量保證的目的，利用與基于形變的圖像的輪廓勾畫相關的數據。形變配準技術可用于為新圖像產生自動或半自動的輪廓。一般說來，已經為計劃或其它基線患者圖像限定了輪廓集，但是對于新圖像來說，輪廓集通常不是現成可用的。比起需要操作者手動勾畫圖像輪廓，執(zhí)行形變圖像配準可以更快和更一致，然后使用形變結果作為基礎以修改原始輪廓集來反映新的患者解剖結構。基于以前可得到的圖像和輪廓的集，已經開發(fā)了相似的基于模板的輪廓勾畫算法族，以為最新可得到的圖像產生輪廓。這些基于模板的算法可基于以前的患者圖像和輪廓、或可能基于規(guī)范的或圖譜(atlas)患者圖像和輪廓，為新的患者圖像勾畫輪廓。這可以作為累計每日圖像中劑量的工具，針對自適應治療而執(zhí)行，其中各個每日圖像都具有自動的每日輪廓。此外，雖然這些算法以前用于基于規(guī)范的或圖譜的圖像生成新輪廓的情形，但本發(fā)明的新的方面是將這些技術應用于在圖像引導的放射療法期間產生的具體的大量圖像數據和圖像類型。具體地說，這包括同一患者的多個圖像的基于形變和模板的輪廓勾畫，其中可能只存在用于一個圖像的輪廓集?；颊叩倪@多個圖像可以通過使用在線或室內患者成像系統(tǒng)產生，圖像可能在不同的日子取得， 或者這些圖像可能得自“4D”成像系統(tǒng)，例如CT掃描器，其中各個圖像代表一個運動相，例如呼吸相。還應當注意，在線或者室內成像系統(tǒng)可能是與基準圖像相同、相似或者不同的影像設備。例如，基準圖像可能是CT圖像，而在線圖像可以是CT、錐形束CT、兆伏CT、MRI、超聲或者不同的影像設備。通過將這些輪廓勾畫技術接口到質量保證和自適應治療的應用， 有可能既從圖像的輪廓勾畫節(jié)省可觀量的時間，并且該方法還可以提高在相同患者的多個圖像(不同的時間取得或者代表不同的相)之間輪廓的一致性。已知手動的輪廓可能苦于無再現性，而自動產生的輪廓能夠有潛力在將初始輪廓的原理應用于產生后續(xù)輪廓中更為一致。
使用形變配準技術的輪廓勾畫過程的另一個益處是，產生的輪廓可以提供形變過程的驗證。如果產生的輪廓密切反映人們將手動繪制的輪廓，那么這是良好的指示表明形變過程是合理的；然而，如果自動輪廓的相關性較低，則向使用者表明也許形變是不適當的，而且也向使用者提供機會查證手動輪廓，以檢查錯誤或不一致。本方法的另一個方面是基于形變的輪廓可以用作用于自適應過程的輪廓的粗糙草圖，并加以手動編輯以反映用于在線圖像的期望輪廓。這樣做時，形變過程能因此再運行，約束形變圖以將初始輪廓與手動編輯的自動輪廓相匹配，并且這有助于引導在其余圖像中的一致結果。分析模塊1 還可用于為了質量保證的目的，利用形變圖在不同的圖像上執(zhí)行劑量計算?？梢岳眯巫儓D來聯(lián)系多個圖像，其中一個圖像是對劑量計算有用的計劃圖像，而另一個圖像，例如在線圖像，具有定性值，但是不太直接應用于劑量計算。這種聯(lián)系然后可以用來將更為定量的圖像“再映射”到在線或定量性較低的圖像的定性形狀。所得到的再映射后的圖像將比其它兩個圖像中的任何一個更適宜用于劑量計算或定量應用，因為它將具有第一個圖像的定量利益，而且具有第二個圖像中所包含的更新后的解剖信息。這在各種情況下可能是有用的，例如第一個圖像(例如計劃圖像)是CT而另外的圖像缺乏定量的圖象值(例如MRI、PET、SPECT、超聲或非定量CT等圖像)的情況。代替定量限制或除了定量限制之外，這種方法的類似應用將是校正幾何失真、缺陷和/或不完備。例如，很好地表現解剖結構但是包含幾何失真的當前MRI圖像可以被再映射到沒有失真的CT圖像?；蛘撸?可以使用多個圖像來在表現解剖變化的同時校正失真。從上文注意到，重要的是能夠在計劃圖像之后獲得的患者圖像上重新計算劑量。 給出這些劑量，還可用于針對多個遞送分次累計這些劑量。這些劑量可以基于所述劑量在物理空間中的位置而相加，但是更好的方法是將形變方法結合到所述過程中，以便基于接收所述劑量的結構來相加劑量，即便所述結構已經改變了位置。然而，有可能依靠這種技術來執(zhí)行新類型的自適應治療。在重新計算劑量的情形下，本發(fā)明有幾個其它方面來提高或者促進這一過程。例如，在記錄應用于患者的任何每日配準之后，有可能基于圖像引導，在重新計算劑量時將這些相同的配準可選地應用于患者圖像。這可以自動或半自動執(zhí)行?；蛘?，可以用不同的配準重新計算劑量。好處是通過自動地使用記錄的配準，重新計算所遞送的劑量的過程得以簡化和流水線化(streamline)。此外，通過具有針對不同的配準重新計算劑量的能力，人們能夠進行試驗以確定是否其它的患者對準方案也許更有效或不那么有效。并且通過不使用記錄的配準，人們可以確定在不存在圖像引導的情況下，將對治療產生什么影響。劑量再計算過程還可以通過填補不完整圖像來提高。這是因為尺寸受限的圖像， 無論在軸平面和/或在上/下方向上受限，都可以降低劑量計算的準確度。克服它的方法是用其它圖像數據，例如來自計劃圖像的數據，來填補尺寸受限的圖像。這種填補方法可以對在軸向或上/下方受限的數據奏效。另外，另一個用于填補上/下方數據的方法是根據需要重復不完整圖像的末端切片，直至數據對于改進劑量計算而言足夠大為止。圖5示出了實時MAO引導的放射治療遞送的流程圖。在這個流程圖中，治療計劃系統(tǒng)(TPQ用來優(yōu)化計劃的弦圖，但是在所述計劃過程中沒有加上運動邊緣。這種方法不改變治療床、機架速度或顎件位置。換句話說，在放射遞送期間，恰如所計劃的，治療床和機架以定速移動，并且顎件處于固定位置。借助一些替代物或直接通過治療束來實時檢測/更新腫瘤位置，同時本發(fā)明的運動管理系統(tǒng)獨立于運動檢測方法。計劃的弦圖與累積的遞送劑量、估算的未來劑量和預測的腫瘤位置一起，被饋送到優(yōu)化過程中，以輸出用于下次投射的葉片打開時間。這被認為是閉環(huán)過程，因為優(yōu)化器的輸出作為指令被發(fā)送到機器以遞送劑量，以及遞送的劑量通過4D劑量計算器進行實時累計并發(fā)送回(作為輸入)到優(yōu)化器。4D劑量計算器用來實時累計遞送的劑量直至最后一次遞送的投射。估計待在未來投射(在下個投射以外)中遞送的劑量。根據對于下個投射預測的腫瘤位置和累計的遞送劑量，實時優(yōu)化下個投射的葉片打開時間，以應付累計遞送誤差和未來劑量估計。優(yōu)化后的葉片打開時間用來控制調制下個投射的放射遞送的MLC。該流程圖將放射遞送過程建模為負反饋系統(tǒng)。為了實時執(zhí)行該流程圖，按照所示， 除了離線計劃步驟以外，所述過程必須在少于一個投射的時間內施行。投射時間可以被認為是實時MAO技術的時間分辨率，因為每個投射系統(tǒng)只優(yōu)化一次。TomoTherapy 放射治療系統(tǒng)的最小投射時間是大約200ms，其對應于機架每旋轉10秒有51個投射。以下注釋貫穿本文檔全文使用B 大小為MXN的計劃子束劑量的矩陣，其中M是體素的數量而N是子束的數量。 B的各列是來自單位強度的子束(葉片)的劑量分布。w 利用投射序數i和葉片序數j標記的葉片注量(葉片打開時間)的弦圖，w =
K,j} ο^ 通過在計劃步驟中優(yōu)化而獲得并用hat符號強調的計劃弦圖。w 根據腫瘤運動從計劃弦圖調節(jié)并用波形符號強調的遞送弦圖。δ 機架每轉的治療床移動。P 機架每轉的投射數，對于現行的螺旋形TomoTherapy放射療法治療系統(tǒng)典型為 P = 51。u = (ux, uy, uz)腫瘤運動乂中的上標指示第i個投射的運動。理論計劃優(yōu)化IMRT計劃優(yōu)化一般可以公式化為約束非線性優(yōu)化問題
權利要求
1.一種遞送放射療法治療的方法，所述方法包含為患者生成治療計劃；將患者定位以接收放射；基本上實時地監(jiān)視機器參數，所述監(jiān)視包括分析關于機器參數以及參數如何影響遞送給患者的劑量的信息；基本上實時地優(yōu)化治療計劃的至少一部分，以結合來自所監(jiān)視的機器參數的所分析的信息；和向患者遞送優(yōu)化后的治療計劃的至少一部分。
2.權利要求1的遞送放射療法治療的方法，進一步包含基本上實時地累計遞送給患者的放射劑量的量。
3.權利要求2的遞送放射療法治療的方法，其中，累計遞送給患者的放射劑量的量包括在患者的4D表示上使用劑量計算。
4.權利要求2的遞送放射療法治療的方法，進一步包含估算待在未來投射中遞送給患者的放射劑量的量。
5.權利要求4的遞送放射療法治療的方法，進一步包含根據所估算的待在未來投射中遞送給患者的放射劑量的量以及在未來投射期間患者靶的預測位置，來調節(jié)治療計劃。
6.權利要求2的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地累計遞送的劑量結合與遞送指令、遞送誤差檢測和患者運動檢測中的至少一個有關的信息。
7.權利要求2的遞送放射療法治療的方法，其中，累計劑量包括累計當前劑量加上以前遞送的劑量加上未來待遞送的劑量，使得優(yōu)化后的計劃最佳地匹配或改善計劃的劑量。
8.權利要求2的遞送放射療法治療的方法，其中，累計劑量基于對治療的實時修改。
9.權利要求1的遞送放射療法治療的方法，其中，治療計劃包括多個投射，并且其中， 優(yōu)化治療計劃的至少一部分包括優(yōu)化待在一個投射中遞送的放射劑量的量，以補償在之前投射中發(fā)生的累計的遞送誤差。
10.權利要求9的遞送放射療法治療的方法，其中，累計的遞送誤差基于來自之前投射的累計放射劑量、所估算的待在未來投射中遞送的放射劑量以及在下個投射期間的患者的預測構型。
11.權利要求10的遞送放射療法治療的方法，其中，累計的遞送誤差包括來自之前分次的遞送誤差。
12.權利要求9的遞送放射療法治療的方法，其中，累計的遞送誤差包括直線加速器輸出因數變化。
13.權利要求9的遞送放射療法治療的方法，其中，累計的遞送誤差包括MLC葉片位置誤差。
14.權利要求9的遞送放射療法治療的方法，其中，累計的遞送誤差包括直線加速器位置誤差、治療床位置誤差、顎件位置誤差和補償器誤差中的一種。
15.權利要求9的遞送放射療法治療的方法，其中，累計的遞送誤差在隨后的治療遞送中進行補償。
16.權利要求1的遞送放射療法治療的方法，其中，優(yōu)化治療計劃的至少一部分包括經由閉合反饋環(huán)路將改變結合到治療計劃中。
17.權利要求1的遞送放射療法治療的方法，進一步包含基本上實時地監(jiān)視患者的變化。
18.權利要求17的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地監(jiān)視患者的變化包括檢測患者呼吸相。
19.權利要求17的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地監(jiān)視患者的變化包括檢測腫瘤運動或腫瘤形變。
20.權利要求17的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地監(jiān)視患者的變化包括預測患者呼吸相。
21.權利要求17的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地監(jiān)視患者的變化包括預測腫瘤運動或腫瘤形變。
22.權利要求17的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地優(yōu)化計劃的至少一部分包括預測患者變化。
23.權利要求1的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地優(yōu)化計劃的至少一部分包括預測機器參數。
24.權利要求23的遞送放射療法治療的方法，其中，預測是基于有關機器參數的先驗模型。
25.權利要求23的遞送放射療法治療的方法，其中，預測是基于有關機器參數的動態(tài)模型。
26.權利要求1的遞送放射療法治療的方法，其中，基本上實時地優(yōu)化計劃的至少一部分包括利用動態(tài)編程以對治療遞送指令進行優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明提供了優(yōu)化放射療法治療的遞送的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)實時地優(yōu)化治療遞送以考慮各種因素，例如患者解剖和生理變化(例如呼吸及其他移動等等)以及機器配置改變(例如射線束輸出因數，治療床誤差，葉片誤差等等)。
文檔編號A61N5/10GK102316930SQ200980150098
公開日2012年1月11日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權日2008年10月27日
發(fā)明者盧衛(wèi)國, 古斯塔沃·H·奧利弗拉, 肯尼斯·J·盧卡拉, 陳明麗, 陳泉 申請人:斷層放療公司