專利名稱：針對(duì)放射治療處置規(guī)劃的同時(shí)多模態(tài)逆向優(yōu)化的制作方法
針對(duì)放射治療處置規(guī)劃的同時(shí)多模態(tài)逆向優(yōu)化
本申請(qǐng)?jiān)诙嗄B(tài)放射治療規(guī)劃優(yōu)化過(guò)程和系統(tǒng)中尤其有用。然而，將意識(shí)到，所描述的(一項(xiàng)或多項(xiàng))技術(shù)也可在其他類型的治療規(guī)劃系統(tǒng)中、其他治療規(guī)劃系統(tǒng)中和/或其他醫(yī)學(xué)應(yīng)用中得到應(yīng)用。
用于外部射束放射治療的優(yōu)化算法已存在了一定時(shí)間。然而，全世界的癌癥治療中心都在可以提供更多類型的輻射模態(tài)時(shí)將它們并入到規(guī)劃過(guò)程中。例如，處置場(chǎng)所可以將基于質(zhì)子和光子的外部射束治療組合到針對(duì)癌癥患者的單個(gè)處方中。這樣的組合治療針對(duì)每一類型的模態(tài)使用分別的算法用于優(yōu)化給予患者的劑量。這些算法固有地確定次優(yōu)方案，因?yàn)樵搩?yōu)化方式并不同時(shí)包括所有治療類型。
在傳統(tǒng)逆向規(guī)劃算法中，軟件嘗試建立一組輻射束形狀和權(quán)重以滿足用戶定義的目標(biāo)。這些目標(biāo)可包括到達(dá)靶癌癥位點(diǎn)和/或周圍組織的最小劑量、最大劑量、均一劑量等。這些算法一次僅使用一個(gè)處置模態(tài)，其中光子是最廣泛使用的類型。從逆向、強(qiáng)度調(diào)制治療的開始和臨床應(yīng)用起，更多的癌癥中心已經(jīng)開始使用不同處置模態(tài)。這些可包括光子治療、電子治療、質(zhì)子治療、離子治療等。
目前，已有遞送輻射光子的輻射治療設(shè)備和遞送離子，例如質(zhì)子，的其他輻射治療設(shè)備。每個(gè)都有其自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。例如，離子可以聚焦到特定深度，具有更高的腫瘤殺傷力并且可以精確地瞄準(zhǔn)。光子具有更廣的分布并且針對(duì)輻照較大區(qū)域，例如分布的腫瘤、 腫瘤邊緣處的外圍區(qū)域等，特別有價(jià)值。盡管針對(duì)每種都有劑量?jī)?yōu)化程序，但是這些程序僅優(yōu)化這些模態(tài)中的一種的劑量。
在便于針對(duì)多模態(tài)輻射治療規(guī)劃等使用單個(gè)組合優(yōu)化技術(shù)，從而克服以上提及的不足的系統(tǒng)和方法的領(lǐng)域中，存在一種未解決的需要。
根據(jù)一個(gè)方面，一種便于優(yōu)化采用光子射束輻射處置和離子射束輻射處置兩者的多模態(tài)輻射治療規(guī)劃的系統(tǒng)，包括輸入圖形用戶界面(GUI)，所述輸入圖形用戶界面包括在其上向用戶呈現(xiàn)與一個(gè)或多個(gè)輻射處置規(guī)劃模擬模型相關(guān)的用戶信息的顯示器。所述系統(tǒng)還包括優(yōu)化器，所述優(yōu)化器通過(guò)在模擬期間迭代地調(diào)整針對(duì)光子治療設(shè)備和離子治療設(shè)備中的每個(gè)的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)，而同時(shí)優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)模擬模型中的來(lái)自光子治療設(shè)備和離子治療設(shè)備的劑量遞送。額外地，所述系統(tǒng)包括模擬器，所述模擬器根據(jù)優(yōu)化參數(shù)生成一個(gè)或多個(gè)模擬模型。
根據(jù)另一方面，一種優(yōu)化采用光子射束輻射處置和離子射束輻射處置兩者的多模態(tài)輻射治療規(guī)劃的方法，包括通過(guò)在模擬期間迭代地調(diào)整針對(duì)光子治療設(shè)備和離子治療設(shè)備中的每個(gè)的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)，而同時(shí)優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)模擬模型中的來(lái)自光子治療設(shè)備和離子治療設(shè)備的劑量遞送。所述方法還包括根據(jù)優(yōu)化參數(shù)生成一個(gè)或多個(gè)模擬模型。
根據(jù)另一方面，一種便于同時(shí)優(yōu)化多模態(tài)治療處置規(guī)劃的多個(gè)模式的系統(tǒng)，包括生成用于處置患者內(nèi)的感興趣體積的第一射束的第一治療設(shè)備，以及生成用于處置患者內(nèi)的感興趣體積的第二射束的第二治療設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括優(yōu)化器，所述優(yōu)化器評(píng)價(jià)一個(gè)或多個(gè)輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)并且調(diào)整與第一射束和第二射束相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化參數(shù)， 以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；以及模擬器，其基于所調(diào)整的優(yōu)化參數(shù)生成多個(gè)模擬模型。所述優(yōu)化器從所述多個(gè)模擬模型中識(shí)別最優(yōu)模擬模型，并且向控制器提供最優(yōu)模型，以使用所述第一治療設(shè)備和所述第二治療設(shè)備來(lái)運(yùn)行所述最優(yōu)模型。
一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使到達(dá)患者的輻射劑量最小化。
另一優(yōu)點(diǎn)在于改善的劑量遞送精度。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀和理解以下詳細(xì)描述將要理解本創(chuàng)新的仍進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)。
附圖僅出于圖示各方面的目的并且不應(yīng)被理解為限制。
圖I圖示了根據(jù)本文中所描述的各方面的便于多模態(tài)放射治療優(yōu)化的系統(tǒng)。
圖2圖示了一種被動(dòng)散射質(zhì)子遞送裝置。
圖3圖示了可以用于IMPT和IMRT劑量遞送的點(diǎn)掃描輻射遞送裝置。
圖4圖示了根據(jù)本文中所描述的一個(gè)或多個(gè)方面的同時(shí)優(yōu)化多模態(tài)放射治療規(guī)劃的方法，該多模態(tài)放射治療規(guī)劃用于使用MRT和IMPT設(shè)備輻照患者內(nèi)的感興趣體積。
所描述的創(chuàng)新涉及優(yōu)化光子和諸如質(zhì)子的離子的遞送的單個(gè)優(yōu)化例程。這便于使用光子和離子的組合的腫瘤處置。所述優(yōu)化是迭代過(guò)程，其中將用于優(yōu)化光子劑量的各種因素或參數(shù)以及用于優(yōu)化離子劑量的各種因素或參數(shù)進(jìn)行組合，并且具有光子和離子處置的特性和優(yōu)點(diǎn)的差異。以這種方式，在單個(gè)優(yōu)化過(guò)程中生成最優(yōu)的組合的光子和離子處置規(guī)劃。
圖I圖示了根據(jù)本文中所描述的各方面的，便于多模態(tài)放射治療優(yōu)化的系統(tǒng)10。 在傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)中，如果用戶期望組合治療，他/她過(guò)去必須分別基于每個(gè)模態(tài)創(chuàng)建規(guī)劃， 并且被迫一次僅優(yōu)化或者規(guī)劃僅一個(gè)遞送選擇，與該傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)相比，圖I的系統(tǒng)便于同時(shí)的優(yōu)化，其中，用戶可以將多個(gè)放射治療模態(tài)并入到一個(gè)組合的優(yōu)化問題中。因而，可以在優(yōu)化一種源遞送的劑量期間可以優(yōu)化和并入另一種源遞送的劑量。
因此，系統(tǒng)10包括系統(tǒng)處理器12和系統(tǒng)存儲(chǔ)器14，處理器執(zhí)行且存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，用于執(zhí)行本文中所描述的各種功能和/或方法?？刂瞥绦虮淮鎯?chǔ)在非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或存儲(chǔ)器14上，例如磁盤、硬盤驅(qū)動(dòng)等。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的其他常見形式包括，例如，軟盤、柔性盤、硬盤、磁帶或者任何其他磁性存儲(chǔ)介質(zhì)，CD-ROM、DVD或任何其他光學(xué)介質(zhì)，RAM、ROM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、它們的變型，其他存儲(chǔ)芯片或盒式磁盤，或者處理器12可以通過(guò)其讀取和運(yùn)行的任何其他有形介質(zhì)。在這一背景下，系統(tǒng)10可以實(shí)現(xiàn)在或?qū)崿F(xiàn)為一個(gè)或多個(gè)通用計(jì)算機(jī)、(一個(gè)或多個(gè))特殊用途計(jì)算機(jī)、編程微處理器或微控制器以及外圍集成電路元件、ASIC或其他集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器、硬接線電子器件或邏輯電路例如分立元件電路、可編程邏輯設(shè)備例如PLD、PLA、FPGA、圖形卡CPU (GPU) 或PAL等。
系統(tǒng)處理器12被耦合到圖形用戶界面(⑶I) 16 (例如，工作站等)，所述圖形用戶界面包括顯示器18，在其上將向用戶呈現(xiàn)信息；輸入設(shè)備20(例如，鍵盤、鼠標(biāo)、指示筆、麥克風(fēng)等)，通過(guò)其用戶將信息輸入到系統(tǒng)中；本地存儲(chǔ)器22(例如，用于緩存經(jīng)由顯示器呈現(xiàn)給用戶的數(shù)據(jù))以及⑶I處理器24 (例如，用于經(jīng)由顯示器向用戶顯示信息，經(jīng)由輸入設(shè)備接收輸入，與系統(tǒng)處理器通信等)。
系統(tǒng)處理器12也被耦合到控制多模態(tài)輻射治療模塊28的控制器26，所述多模態(tài)輻射治療模塊28包括用于光子治療的強(qiáng)度調(diào)制放射治療(MRT)設(shè)備30和用于質(zhì)子或離子(例如，氫離子、碳離子等)治療的強(qiáng)度調(diào)制質(zhì)子治療(IMPT)設(shè)備32。所述IMRT在一個(gè)實(shí)施例中包括具有多葉準(zhǔn)直器B和快門C的X射線管A，所述X射線管被裝配在能旋轉(zhuǎn)的機(jī)架上以從能選擇的角度輻照患者34。所述MPT在一個(gè)實(shí)施例中包括線性加速器D，所述線性加速器被裝配在能旋轉(zhuǎn)的機(jī)架上以從能選擇的角度輻照患者。在一個(gè)實(shí)施例中，所述 IMRT和所述IMPT共享共用機(jī)架E。這使得能夠同時(shí)地、順序地或交替地遞送所述IMRT和所述MPT處置。在另一實(shí)施例中，所述MRT和MPT位于分別的機(jī)架上。在其他實(shí)施例是利用本文中所描述的組合的規(guī)劃和優(yōu)化的分別的系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)順序的或交替的處置，患者在機(jī)架之間運(yùn)動(dòng)。在另一實(shí)施例中，所述質(zhì)子處置通過(guò)“固定”管口技術(shù)等遞送。
將要理解，盡管本文中所描述的系統(tǒng)和方法涉及強(qiáng)度調(diào)制的光子和離子治療設(shè)備，但是可以結(jié)合本文中介紹的各方面和特征而采用其他優(yōu)化過(guò)程。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，離子和光子治療設(shè)備中的一個(gè)或兩者可以是體積調(diào)制的(例如，體積調(diào)制弧形治療或 VMAT設(shè)備)。
所述MRT和MPT被用于使用組合的或雙輻射處置規(guī)劃來(lái)處置患者34。為此，優(yōu)化器模塊或算法36被存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器14上并被系統(tǒng)處理器12運(yùn)行以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化參數(shù)38優(yōu)化MRT和MPT兩者的劑量。所述優(yōu)化參數(shù)可包括但不限于射束遞送參數(shù)、 射束軌跡、劑量遞送、到達(dá)患者體內(nèi)靶體積的距離、射束強(qiáng)度、每單位時(shí)間劑量、靶上的射束布置、機(jī)器特性、劑量計(jì)算算法、感興趣體積和/或患者的輪廓等等。
在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)化器36采用針對(duì)強(qiáng)度調(diào)制放射治療的逆向規(guī)劃算法，如 McNutt等人在美國(guó)專利號(hào)6，735，277中所描述。在另一實(shí)施例中，優(yōu)化器36采用針對(duì)強(qiáng)度調(diào)制放射治療的逆向規(guī)劃算法，如Luo等人在美國(guó)專利號(hào)6，882，702中所描述。然而，所述McNutt和Luo的專利僅處理MRT優(yōu)化，而所述優(yōu)化器36執(zhí)行同時(shí)考慮使用MRT的光子劑量以及使用IMPT的質(zhì)子或離子劑量?jī)烧叩哪嫦騼?yōu)化。也就是，所述優(yōu)化器考慮與優(yōu)化 IMRT和MPT兩者劑量遞送相關(guān)聯(lián)的所有變量和參數(shù)，并且在單個(gè)優(yōu)化事件期間同時(shí)做這件事而非獨(dú)立地優(yōu)化光子治療和離子治療。
模擬器模塊或算法40存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中并且由系統(tǒng)處理器運(yùn)行以根據(jù)所述優(yōu)化參數(shù)生成模擬數(shù)據(jù)42，并且模擬數(shù)據(jù)被用來(lái)開發(fā)包括多個(gè)模擬圖像的一個(gè)或多個(gè)模擬模型44，所述模擬圖像可以由用戶在顯示器18上查看。所述優(yōu)化器迭代地調(diào)整一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化參數(shù)以調(diào)整所述模擬，直到識(shí)別最優(yōu)組合治療。所述最優(yōu)組合治療是根據(jù)所述最優(yōu)模擬是否滿足用戶指定(例如，到患者和/或健康組織的總劑量最小化、時(shí)間限制、到達(dá)靶的最大劑量遞送等)的特定處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)48 (例如，靶中心的最大劑量、遍及靶的均一劑量等) 來(lái)確定的。在另一實(shí)施例中，優(yōu)化器例如根據(jù)以下來(lái)識(shí)別預(yù)定處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)或多個(gè)患者參數(shù)和/或與患者、感興趣區(qū)域相關(guān)聯(lián)的信息等。額外地，也可由系統(tǒng)處理器(例如，通過(guò)運(yùn)行模擬器40)在整個(gè)患者以及特定區(qū)域生成劑量體積直方圖(DVH) 49。
在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)10包括掃描患者以采集患者內(nèi)的感興趣區(qū)域或靶的掃描數(shù)據(jù)的CT或其他診斷掃描器50。在另一實(shí)施例中，所述掃描器50是磁共振成像(MRI)設(shè)備。所采集的數(shù)據(jù)由重建處理器52重建為存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器14中的診斷圖像數(shù)據(jù)54。分割所述診斷圖像數(shù)據(jù)以識(shí)別將要被處置的例如腫瘤的(一個(gè)或多個(gè))靶、以及將要避開的敏感組織和例如骨的致密組織的定位、尺寸、形狀等，該致密組織可能例如通過(guò)在輻射或離子到達(dá)靶之前吸收輻射或離子而不利地影響劑量遞送。基于識(shí)別靶或感興趣區(qū)域的所分割的CT圖像(或其他診斷圖像)，用戶輸入(或者系統(tǒng)確定)處置目標(biāo)信息48 (例如，最小劑量、最大劑量、在給定區(qū)域內(nèi)允許的劑量等)并且在模擬器模擬射束起始點(diǎn)、強(qiáng)度、深度、形狀或截面、覆蓋區(qū)域等以生成處置模擬模型的同時(shí)優(yōu)化器36迭代地調(diào)整優(yōu)化參數(shù)。一旦識(shí)別了優(yōu)化的模擬模型(例如，具有最小輻射劑量)，經(jīng)由顯示器18將其呈現(xiàn)給用戶用于任選地進(jìn)一步適配和調(diào)整(例如，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)等)。
根據(jù)一個(gè)范例，優(yōu)化器模塊36使用試錯(cuò)的方法調(diào)整MRT設(shè)備30的覆蓋區(qū)域、劑量、遞送參數(shù)等以及IMPT設(shè)備32的相似參數(shù)和射束穿透深度以滿足處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。給定用戶指定的處置目標(biāo)后，優(yōu)化器從優(yōu)化器模塊36的運(yùn)行期間所生成的多個(gè)模擬模型中識(shí)別最優(yōu)模擬模型。
例如，可以根據(jù)將要處置的靶體積的尺寸、形狀和/或位置來(lái)針對(duì)MPT劑量而對(duì) IMRT劑量進(jìn)行加權(quán)。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)化器在期望廣的但是具有較弱的覆蓋的靶區(qū)域中選擇IMRT處置，而在期望更準(zhǔn)確和更強(qiáng)的覆蓋處選擇IMPT處置。例如，優(yōu)化器可以建議應(yīng)用來(lái)自IMPT設(shè)備的質(zhì)子或離子射束來(lái)輻照患者內(nèi)的腫瘤，同時(shí)應(yīng)用來(lái)自IMRT設(shè)備的光子射束來(lái)輻照腫瘤附近的擴(kuò)散。頂RT也輻照腫瘤，導(dǎo)致MPT劑量被相應(yīng)地調(diào)整。MPT射束的穿透統(tǒng)計(jì)指示其將部分地處置擴(kuò)散區(qū)域的部分，導(dǎo)致IMRT劑量分布被調(diào)整。
根據(jù)另一范例，用戶輸入總的允許的輻射劑量作為處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并且優(yōu)化器通過(guò)優(yōu)化光子處置計(jì)劃、從總的或最大允許劑量中減去光子輻射量以確定最大離子輻射劑量、然后優(yōu)化離子處置規(guī)劃以符合最大允許離子劑量，來(lái)確定在每個(gè)被處置區(qū)域中將采用的離子與光子輻射的比例。由于同樣劑量的離子輻射處置通常比光子處置更具生物有害性，因而可能在計(jì)算總劑量的光子和離子組成時(shí)可對(duì)質(zhì)子劑量加權(quán)(例如，離子劑量可以乘以1.1左右的系數(shù)并且加入到光子劑量中以得到生物學(xué)等價(jià)劑量)。
將要理解，每一放射治療射束可表示不同的模態(tài)或模態(tài)的組合。多模態(tài)放射治療優(yōu)化算法36在一個(gè)實(shí)施例中還并入輻射類型的相對(duì)生物學(xué)效率以及例如組織運(yùn)動(dòng)、設(shè)置錯(cuò)誤的不確定性和圖像到密度或圖像到停止功率轉(zhuǎn)換的不確定性。計(jì)算每種射束類型的劑量并在優(yōu)化過(guò)程期間同時(shí)將其并入。處置規(guī)劃系統(tǒng)10因而能夠計(jì)算使用多個(gè)輻射源(例如，光子、電子、近距離放射治療、質(zhì)子等)的輻射劑量。由于軟件的獨(dú)特性質(zhì)，用戶能夠執(zhí)行使用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法完成的治療優(yōu)化和模擬。
繼續(xù)參考

圖1，圖2圖示了被動(dòng)散射質(zhì)子遞送裝置100。質(zhì)子劑量通常是幾層質(zhì)子能量的和，它們均是對(duì)輻射設(shè)備特性具有特異性的。輻射源102在寬的帶內(nèi)發(fā)射質(zhì)子射束 104，并且質(zhì)子射束穿過(guò)補(bǔ)償器106。經(jīng)補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)子射束108進(jìn)入患者的身體110中以輻照腫瘤或其他感興趣組織112。如果存在緊要結(jié)構(gòu)114(例如，器官、骨或要避開的其他組織)， 那么在補(bǔ)償器和患者之間定位屏蔽或類似物116以最小化到達(dá)緊要結(jié)構(gòu)的輻射劑量。
質(zhì)子射束被設(shè)置在預(yù)定深度，通常恰在感興趣體積112的底部之下。歸因于質(zhì)子射束被動(dòng)散射遞送的性質(zhì)，在患者表面附近的患者的區(qū)域118中收到相對(duì)較少的輻射劑量。隨著射束穿透更深進(jìn)入?yún)^(qū)域120，輻射劑量增加。在逼近質(zhì)子射束的最大深度的區(qū)域 122中，輻射劑量是最大的。然而，由于被動(dòng)散射方法中的質(zhì)子射束穿過(guò)太多的患者組織，因此為了實(shí)現(xiàn)靶或感興趣體積處的期望的最小劑量，可能會(huì)遞送不希望的高的輻射劑量給患者。因而，可能期望采用更聚焦的離子或質(zhì)子射束。也就是，盡管被動(dòng)散射法可以采用補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償射束在被輻射的區(qū)域的遠(yuǎn)端處的形狀、患者上的進(jìn)入輪廓的形狀以及組織的不均一性，但是它未允許近側(cè)一致性。此外，射束的散射可以導(dǎo)致熱點(diǎn)和冷點(diǎn)(高輻射或低輻射區(qū)域)。
繼續(xù)參考圖I和圖2，圖3圖示了可用于IMPT和IMRT劑量遞送的點(diǎn)掃描輻射遞送裝置150。針對(duì)MPT劑量遞送，處置規(guī)劃系統(tǒng)10執(zhí)行優(yōu)化，該優(yōu)化與針對(duì)光子放射治療優(yōu)化的MRT相似并且與其同時(shí)。也就是，優(yōu)化器36將MRT和MPT優(yōu)化組合為單個(gè)更復(fù)雜的問題來(lái)解決，并且模擬器運(yùn)行多次模擬直到找到最優(yōu)方案。所述最優(yōu)方案根據(jù)用戶輸入的目標(biāo)(例如，到達(dá)周圍組織的最小劑量、到達(dá)靶的最大劑量、處置的最大持續(xù)時(shí)間等)來(lái)確定。例如，如果腫瘤定位于臨近器官或其他緊要結(jié)構(gòu)，那么用戶可以指定在器官的Icm內(nèi)允許最大輻射劑量(例如，50格雷)，而在Icm之外允許更高的劑量。在這種情況下，優(yōu)化器可確定表示最優(yōu)方案的模擬模型包括在Icm的邊界內(nèi)使用光子射束(或者光子和離子射束劑量的組合)輻照腫瘤，并且使用離子射束(或者與施加到邊界內(nèi)的相比具有較高的離子射束組成的光子和離子射束遞送劑量的組合)輻照邊界外部的腫瘤。
在圖3的這一裝置中，輻射源152在MPT的情況下向在患者160內(nèi)遍及感興趣體積158定義的多個(gè)預(yù)定感興趣區(qū)域156 (例如，體素、球體等)遞送聚焦離子射束154，或者稱為“筆形”射束。在另一實(shí)施例中，使用蒙特卡羅模擬技術(shù)對(duì)所述離子射束(和/或所述光子射束)進(jìn)行建模或模擬。離子射束以一間隔被重定向，使得所有感興趣區(qū)域被輻照，每次一個(gè)分區(qū)。最接近患者表面的區(qū)域162接收使用被動(dòng)散射技術(shù)將會(huì)接收的較少的輻射， 而圍繞感興趣體積的區(qū)域164接收到足夠高的輻射劑量以破壞感興趣體積內(nèi)的癌細(xì)胞。由于射束是聚焦的，故可以避開任何緊要結(jié)構(gòu)166。以這種方式，去除了補(bǔ)償散射并且改善了近側(cè)一致性。
可以聚焦光子射束或?yàn)槠浯_定形狀以輻照通過(guò)對(duì)象的選定路徑。通過(guò)從不同方向輻照靶，遞送到靶的累積劑量相對(duì)較高并且遞送到其他組織的劑量相對(duì)較低。
在一個(gè)實(shí)施例中，將預(yù)定量的MPT劑量遞送到內(nèi)部感興趣區(qū)域并且較小量的 IMPT劑量遞送到表面感興趣區(qū)域，并且隨后或者在其之前為通過(guò)靶且緊鄰組織的MRT劑量。
在另一實(shí)施例中，運(yùn)行圖I的優(yōu)化器36以根據(jù)由用戶輸入的輻射治療目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化IMRT和IMPT劑量、遞送持續(xù)時(shí)間、射束深度、射束寬度或截面、(一個(gè)或多個(gè))射束靶(例如，將要被頂RT和MPT射束中的一個(gè)或兩者瞄準(zhǔn)的感興趣區(qū)域156)等。例如，優(yōu)化器36 嘗試調(diào)整單個(gè)劑量“點(diǎn)”(即，感興趣區(qū)域156)的權(quán)重和位置以實(shí)現(xiàn)用戶輸入的期望結(jié)果。
例如，用戶可能希望定義到達(dá)靶的均一劑量并定義到達(dá)正常組織的最大允許劑量。優(yōu)化器36確定機(jī)器可以怎樣以及在何處將劑量布置在患者內(nèi)的感興趣區(qū)域(例如，體素)，劑量以何種分辨率被從所有方向遞送到那些分區(qū)，以及每一分區(qū)的權(quán)重，以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。
在另一范例中，可以針對(duì)例如脊柱或前列腺的特定組織使用MPT，因?yàn)樗纳疃缺裙庾由涫菀卓刂频枚?。然后可以為深度控制不那么重要或者期望較少輻射劑量的鄰近或周圍組織使用IMRT。
MRT和MPT的原理是類似的，但是遞送各自的光子和離子劑量的方法可能不同。 因而，針對(duì)每一遞送類型的劑量計(jì)算和優(yōu)化的優(yōu)化算法考慮每一模態(tài)的固有限制和特性。 優(yōu)化器36因而考慮來(lái)自光子設(shè)備和質(zhì)子設(shè)備的所有可能的遞送限制，并且因而精確地表示現(xiàn)實(shí)世界中的問題。用戶可以實(shí)時(shí)地調(diào)整他們想要滿足的目標(biāo)的重要性、類型及數(shù)量。在一些情況下，用戶可能希望有分配給不同模態(tài)的不同目標(biāo)，例如，用戶希望利用一種模態(tài)來(lái)輻照一個(gè)靶優(yōu)于另一個(gè)靶的情況。用戶能夠經(jīng)由劑量顯示(例如，在顯示器18上)實(shí)時(shí)地可視化優(yōu)化過(guò)程的結(jié)果。
質(zhì)子每行進(jìn)一厘米比光子遞送更多的能量，并且這一能量損失在整個(gè)質(zhì)子射束的范圍內(nèi)不是恒定的。因此，優(yōu)化器在相對(duì)生物學(xué)有效性(RBE)中考慮這種變化。從質(zhì)子射束遞送的劑量可能小于光子射束并且仍提供相同的破壞結(jié)果。例如，如果確定可以通過(guò)光子以相當(dāng)于100格雷的劑量殺死腫瘤，那么通過(guò)質(zhì)子射束使用90格雷的劑量就可獲得相同的結(jié)果。
此外，考慮到在患者的設(shè)置中的不確定性和可能出現(xiàn)在質(zhì)子射束路徑內(nèi)的組織的變化，質(zhì)子射束傾向于較大的誤差范圍。優(yōu)化器也考慮這些因素。目前，使用點(diǎn)掃描技術(shù)來(lái)完成IMPT,該點(diǎn)掃描技術(shù)以類似于陰極射線管電視工作的方式掃描劑量。在一個(gè)實(shí)施例中， 質(zhì)子劑量通過(guò)使用多葉準(zhǔn)直器或類似物來(lái)調(diào)制，類似于當(dāng)今光子調(diào)制的方式，并且在MRT 和IMPT劑量遞送的組合優(yōu)化期間優(yōu)化器考慮準(zhǔn)直。
圖4圖示了根據(jù)本文中所描述的一個(gè)或多個(gè)方面的同時(shí)優(yōu)化多模態(tài)放射治療規(guī)劃的方法，該多模態(tài)放射治療規(guī)劃使用MRT和IMPT設(shè)備輻照患者內(nèi)的感興趣體積。在 200，接收輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(例如，最大劑量、最小劑量等)。在202，通過(guò)迭代地調(diào)整多個(gè)優(yōu)化參數(shù)(例如，射束強(qiáng)度、射束截面、射束深度、處置持續(xù)時(shí)間等)同時(shí)優(yōu)化離子和光子輻射處置規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)指定目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，為組合處置規(guī)劃的光子(IMRT)和質(zhì)子 (MPT)輻射組成分配不同的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。在204，模擬處置規(guī)劃的多個(gè)版本。任選地，將所模擬的規(guī)劃在顯示器上呈現(xiàn)給用戶。在206，模擬最優(yōu)組合處置規(guī)劃(例如，以最小劑量滿足目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)等)。
已參考幾個(gè)實(shí)施例描述了本創(chuàng)新。他人通過(guò)閱讀和理解先前的詳細(xì)描述可以進(jìn)行修改和變更。目的是，本創(chuàng)新被理解為包括所有這樣的修改和變更，只要它們落在所附權(quán)利要求或其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種便于對(duì)采用光子射束輻射處置和離子射束輻射處置兩者的多模態(tài)輻射治療規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)(10)，包括輸入圖形用戶界面(⑶I) (16)，包括顯示器(18)，在其上向用戶呈現(xiàn)與一個(gè)或多個(gè)輻射處置規(guī)劃模擬模型(44)相關(guān)的信息；優(yōu)化器(36)，其通過(guò)在模擬期間迭代地調(diào)整針對(duì)光子治療設(shè)備(30)和離子治療設(shè)備(32)中的每個(gè)的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)(38)，而同時(shí)優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)模擬模型(44)中的來(lái)自所述光子治療設(shè)備(30)和所述離子治療設(shè)備(32)的劑量遞送；以及模擬器(40 )，其根據(jù)所述優(yōu)化參數(shù)(38 )生成所述一個(gè)或多個(gè)模擬模型(44 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述優(yōu)化器(36)識(shí)別滿足預(yù)定義輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48)的最優(yōu)I旲擬I旲型(44)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括診斷掃描器，其采集將要使用組合的光子和離子輻射處置進(jìn)行處置的患者(34)內(nèi)的感興趣體積(112)的圖像數(shù)據(jù)；以及重建處理器(52)，其將所采集的圖像數(shù)據(jù)重建為一個(gè)或多個(gè)圖像(54)，所述模擬器(40)使用所述一個(gè)或多個(gè)圖像來(lái)識(shí)別所述患者(34)的輪廓和將要處置的所述感興趣體積 (158)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述離子治療設(shè)備發(fā)射氫離子射束、 質(zhì)子射束、碳離子射束或其他離子射束中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述最優(yōu)模擬模型(44)表示破壞所述感興趣體積(158)且相對(duì)于其他模擬模型具有所述感興趣體積外的最小組合輻射劑量的組合的光子和離子處置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述最優(yōu)模擬模型在所述顯示器上呈現(xiàn)給所述用戶。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括系統(tǒng)處理器(12)，所述系統(tǒng)處理器生成在所述顯示器(18)上呈現(xiàn)給所述用戶的一個(gè)或多個(gè)劑量體積直方圖(DVH) (49)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述光子射束和所述離子射束是筆形射束和蒙特卡羅建模射束中的一個(gè)，并且其中，所述一個(gè)或多個(gè)模擬模型(44)包括覆蓋整個(gè)感興趣體積(158)的多個(gè)感興趣區(qū)域(156)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述優(yōu)化參數(shù)包括以下中的一個(gè)或多個(gè)射束軌跡；劑量遞送；到所述感興趣體積的距離；射束強(qiáng)度；每單位時(shí)間的劑量；所述感興趣體積上或其內(nèi)的射束布置；機(jī)器特性；生物學(xué)效率；以及所述感興趣體積或患者的輪廓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還包括輸入設(shè)備(20)，用戶經(jīng)由所述輸入設(shè)備輸入針對(duì)輻射處置規(guī)劃的輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48 )。
11.根據(jù)權(quán)利要求ι- ο中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，符合以下中的至少一項(xiàng)所述光子治療設(shè)備是強(qiáng)度調(diào)制放射治療(IMRT)設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是體積調(diào)制弧形治療(VMAT)設(shè)備；所述光子治療設(shè)備是VMAT設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是強(qiáng)度調(diào)制質(zhì)子治療(MPT)S備;所述光子治療設(shè)備是MRT設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是MPT設(shè)備；以及所述光子治療設(shè)備是用于光子治療的VMAT設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是用于離子治療的VMAT設(shè)備。
12.一種對(duì)采用光子射束輻射處置和離子射束輻射處置兩者的多模態(tài)輻射治療規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化的方法，包括通過(guò)在模擬期間迭代地調(diào)整針對(duì)光子治療設(shè)備(30)和離子治療設(shè)備(32)中的每個(gè)的多個(gè)優(yōu)化參數(shù)(38)，而同時(shí)優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)模擬模型(44)中的來(lái)自所述光子治療設(shè)備(30)和所述離子治療設(shè)備(32)的劑量遞送；以及根據(jù)所述優(yōu)化參數(shù)(38 )生成所述一個(gè)或多個(gè)模擬模型(44 )。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括識(shí)別滿足預(yù)定義輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48 )的最優(yōu)模擬模型(44 )。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13中任一項(xiàng)所述的方法，還包括經(jīng)由斷層攝影掃描器和磁共振掃描器中的至少一個(gè)，采集將要使用組合的光子和離子輻射處置進(jìn)行處置的患者(14)內(nèi)的感興趣體積(112)的圖像數(shù)據(jù)；以及將所采集的圖像數(shù)據(jù)重建為一個(gè)或多個(gè)體積圖像(54)，在生成所述模擬模型(44)期間采用所述一個(gè)或多個(gè)體積圖像(54)來(lái)識(shí)別所述患者(34)的輪廓和將要處置的所述感興趣體積(158)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述離子治療設(shè)備發(fā)射氫離子射束、質(zhì)子射束、碳離子射束或其他離子射束中的一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述最優(yōu)模擬模型(44)表示輻照所述感興趣體積(158)且相對(duì)于其他模擬模型具有對(duì)所述感興趣體積外的組織的最小組合輻射劑量的組合的光子和離子處置。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-16中任一項(xiàng)所述的方法，還包括生成在所述顯示器(18)上呈現(xiàn)給所述用戶的一個(gè)或多個(gè)劑量體積直方圖(DVH) (49)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述一個(gè)或多個(gè)模擬模型(44)包括覆蓋整個(gè)感興趣體積(158)的多個(gè)感興趣區(qū)域(156)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-18中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述優(yōu)化參數(shù)包括以下中的一個(gè)或多個(gè)射束軌跡；劑量遞送；到所述感興趣體積的距離；射束強(qiáng)度；每單位時(shí)間的劑量；所述感興趣體積上或其內(nèi)的射束布置；機(jī)器特性；生物學(xué)效率；以及所述感興趣體積或患者的輪廓。
20.一種被配置為運(yùn)行用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求12-19中任一項(xiàng)所述的方法的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的處理器(12)。
21.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其承載控制處理器以執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求12-20中任一項(xiàng)所述的方法的計(jì)算機(jī)指令。
22.根據(jù)權(quán)利要求13-21所述的方法，還包括接收描述針對(duì)輻射處置規(guī)劃的預(yù)定義輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48)的用戶輸入。
23.根據(jù)權(quán)利要求12-22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，符合以下的至少一項(xiàng)所述光子治療設(shè)備是強(qiáng)度調(diào)制放射治療(IMRT)設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是用于離子治療的體積調(diào)制弧形治療(VMAT)設(shè)備；所述光子治療設(shè)備是用于光子治療的VMAT設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是強(qiáng)度調(diào)制質(zhì)子治療(MPT)設(shè)備；所述光子治療設(shè)備是MRT設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是MPT設(shè)備；以及所述光子治療設(shè)備是用于光子治療的VMAT設(shè)備并且所述離子治療設(shè)備是用于離子治療的VMAT設(shè)備。
24.一種用于同時(shí)優(yōu)化多模態(tài)治療處置規(guī)劃的多種模式的系統(tǒng)，包括第一治療設(shè)備(30)，其生成用于處置患者(34)內(nèi)的感興趣體積(18)的第一治療射束； 第二治療設(shè)備(32)，其生成用于處置所述患者(34)內(nèi)的所述感興趣體積(18)第二射束；優(yōu)化器(36)，其評(píng)價(jià)一個(gè)或多個(gè)輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48)并且調(diào)整與第一射束和第二射束相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化參數(shù)以實(shí)現(xiàn)所述一個(gè)或多個(gè)輻射處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48)；模擬器(40 )，其基于所調(diào)整的優(yōu)化參數(shù)生成多個(gè)模擬模型(44 );其中，所述優(yōu)化器從所述多個(gè)模擬模型(44)中識(shí)別最優(yōu)模擬模型并且向控制器(26) 提供所述最優(yōu)模型以用于使用所述第一治療設(shè)備(30)和所述第二治療設(shè)備(32)來(lái)運(yùn)行。
全文摘要
在執(zhí)行多模態(tài)放射治療規(guī)劃時(shí)，優(yōu)化器(36)同時(shí)優(yōu)化組合的處置規(guī)劃，該組合的處置規(guī)劃采用分別生成用于處置患者(34)內(nèi)的感興趣體積(18)的光子射束和離子射束的強(qiáng)度調(diào)制放射治療(IMRT)設(shè)備(30)和強(qiáng)度調(diào)制質(zhì)子治療(IMPT)。模擬器(40)根據(jù)優(yōu)化參數(shù)迭代地生成模擬模型(44)的多個(gè)變型，所述優(yōu)化器(36)變化所述優(yōu)化參數(shù)，直到所述模擬模型(44)滿足用戶輸入的處置目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)(48)(例如，最大劑量、劑量布置等)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102939607SQ201180028598
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
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