專利名稱:多個準(zhǔn)直器的自動選擇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例一般涉及放射治療，并且更具體地涉及放射治療中的放 射計劃。
背景技術(shù)：
腫瘤和病灶是病理解剖體的類型，其特征在于細(xì)胞的不受控制的累進(jìn)的 繁殖所導(dǎo)致的組織的異常生長，而不提供生理功能。病理解剖體可由例如手 術(shù)的侵入性操作治療，但這對病人可能是有害的并且充滿危險。治療病理解 剖體(例如腫瘤、病灶、脈管畸形、神經(jīng)錯亂等)的非侵入性方法是外部射 束放射療法。在外部射束放射療法的一種類型中，在病人定位成使腫瘤位于 射束的路徑中的情況下，外部放射源用于將一系列的x射線射束從多個角度 對準(zhǔn)腫瘤部位。隨著放射源的角度的改變，每個射束穿過腫瘤部位，但在其 到達(dá)腫瘤的途中穿過不同區(qū)域的健康組織。結(jié)果，腫瘤處的累積的放射劑量 是高的，并且對健康組織的平均放射劑量是低的。
術(shù)語"放射療法"是指放射治療操作，其中放射被施加到目標(biāo)區(qū)域用于 治療目的而不是壞死目的。與放射手術(shù)時段中使用的放射量相比，在放射療 法治療時段中使用的放射量典型地小大約一個數(shù)量級。放射療法的典型特征 在于每次治療的低劑量(例如100-200厘戈瑞(cGy))、短的治療時間(例 如，每次治療10到30分鐘)和常規(guī)的或超分級的治療(例如30到45天的治療)。為了方便起見，這里使用的術(shù)語"放射治療"意味著放射手術(shù)和/或 放射療法，除非通過放射的大小以其它方式指出。
為了輸送必需的劑量到目標(biāo)區(qū)域，同時最小化對健康組織的照射并避免 敏感的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，需要合適的治療計劃系統(tǒng)。治療計劃指定例如所施加的放 射射束的方向和強(qiáng)度，以及射束照射的持續(xù)時間的量。希望的是，治療計劃 設(shè)計成使指定的劑量(即將進(jìn)行的臨床目的所需的)被輸送到腫瘤，同時避 免對周圍健康組織并且特別地對任何重要的附近器官的過多劑量。對于較大 的、具有不規(guī)則形狀的或者靠近敏感或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的腫瘤，開發(fā)適當(dāng)?shù)闹委熡?劃系統(tǒng)是特別困難的。
治療計劃可典型地從例如射束位置、射束定向、射束形狀、射束強(qiáng)度和 希望的放射劑量約束(為了實現(xiàn)特定的臨床目的，它被放射學(xué)家認(rèn)為是必要 的)的輸入?yún)?shù)產(chǎn)生。使用先進(jìn)的建模技術(shù)和目前發(fā)展水平的優(yōu)化算法，可 開發(fā)完善的治療計劃。
已知兩類治療計劃操作正向計劃和反向計劃。在放射治療的早期，治 療計劃系統(tǒng)傾向于集中在正向計劃技術(shù)。在正向治療計劃中，醫(yī)學(xué)物理學(xué)家 確定放射劑量持續(xù)時間或射束工作時間和選定射束的軌跡，并且隨后計算多 少放射將由腫瘤、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(即要害器官)和其它健康組織吸收。對于給定 數(shù)量的射束到達(dá)腫瘤和其它結(jié)構(gòu)的劑量水平?jīng)]有獨立控制，因為在一定體積 的組織中的放射吸收由組織的性質(zhì)和體積中的每個點到射束的發(fā)出點和射 束軸線的距離確定。更具體地，醫(yī)學(xué)物理學(xué)家可基于他的經(jīng)驗"猜測"或賦 值給例如射束位置和射束強(qiáng)度的各種治療參數(shù)。治療計劃系統(tǒng)隨后計算由此 引起的劑量分布。在檢查由此引起的劑量分布之后，醫(yī)學(xué)物理學(xué)家可調(diào)節(jié)治 療參數(shù)的值。該系統(tǒng)重新計算新的由此引起的劑量分布?？梢灾貜?fù)這個過程， 直到與醫(yī)學(xué)物理學(xué)家的希望分布相比，由此引起的劑量分布使醫(yī)學(xué)物理學(xué)家 滿意。正向計劃傾向于依靠用戶的能力通過射束方向和劑量權(quán)重的各種選擇而進(jìn)行迭代，并適當(dāng)估計由此引起的劑量分布。用戶越有經(jīng)驗，越有可能產(chǎn) 生滿意的劑量分布。
正向計劃經(jīng)常利用等中心治療過程，其中，在病人被定位成使腫瘤處于 射束的旋轉(zhuǎn)中心(等中心)的情況下，外部放射源用于將一系列的X射線射 束從多個角度對準(zhǔn)腫瘤目標(biāo)。在等中心計劃中，每個可用的射束對準(zhǔn)相同的 點以形成"等中心"，該"等中心"通?？赡苁侨缜虮硎镜拇致缘那蛐蔚葎?量區(qū)域。因此，當(dāng)治療具有大體規(guī)則的(例如球形的)形狀的腫瘤時，通常 可以施加等中心計劃。放射射束由稱為準(zhǔn)直器的裝置成形。準(zhǔn)直器由對于放 射來說不透明的致密材料組成，例外的是存在放射可穿過的中空部分。然后， 放射射束的形狀和尺寸由這個中空部分(孔徑)的形狀和尺寸確定。當(dāng)我們 提及"準(zhǔn)直器尺寸"時，我們意指如在離開放射源的給定距離處測得的由給 定準(zhǔn)直器配置產(chǎn)生的放射射束的尺寸。因此，在等中心計劃中的放射劑量的 球體的尺寸可取決于準(zhǔn)直器尺寸，該準(zhǔn)直器尺寸可以是例如在離放射源大約 800毫米處測得的大約30毫米的尺寸。隨著放射源的角度的改變，每個射束 穿過腫瘤，但在其到達(dá)腫瘤的途中可能穿過不同區(qū)域的健康組織。為治療目 標(biāo)病理解剖體，多個劑量球體彼此重疊或"疊加"以試圖獲得接近匹配病理 解剖體的側(cè)影的輪廓。通過在目標(biāo)體積內(nèi)疊加等中心，可開發(fā)一種計劃，該 計劃保證幾乎所有的目標(biāo)接收足夠的劑量。結(jié)果，腫瘤處的累積的放射劑量 可以是高的，并且對健康組織的平均放射劑量可以是低的。
在基于機(jī)架的放射治療系統(tǒng)中，放射射束可由多葉準(zhǔn)直器(MLC)成形， 從而當(dāng)從放射射束源的定向看時符合目標(biāo)的側(cè)影。MLC安裝在機(jī)架上并且 耦合到線性加速器。MLC包括若干個可調(diào)節(jié)的葉片，這些葉片能夠阻擋和/ 或濾去放射以改變射束強(qiáng)度并控制放射的分布。所述葉片典型地由對放射基 本上不透明的致密材料(例如鎢)制成，并且單獨地被機(jī)械驅(qū)動以使射束進(jìn) 出放射場從而產(chǎn)生放射場形狀。圖1示出被調(diào)節(jié)以產(chǎn)生對應(yīng)于目標(biāo)側(cè)影的放射場形狀的MLC的葉片。存在兩種為MLC產(chǎn)生放射治療計劃的常規(guī)方法。
大多數(shù)放射輸送系統(tǒng)使用包圍病人的圓形機(jī)架，該圓形機(jī)架具有在圓內(nèi) 自由旋轉(zhuǎn)的線性加速器。圍繞該圓移動加速器可產(chǎn)生多個射束。射束的軌跡
可被表征為描述旋轉(zhuǎn)角度的單個角度，稱為"機(jī)架角"。對于具有MLC的常 規(guī)IMRT (強(qiáng)度調(diào)制放射療法)系統(tǒng)，通過首先在治療系統(tǒng)的每個節(jié)點，即 在每個希望角度確定優(yōu)化劑量分布而執(zhí)行治療計劃。在已經(jīng)確定劑量分布 后，考慮MLC的約束，使用葉片定序算法產(chǎn)生場形狀。就是說，產(chǎn)生一組 指令從而以給定模式移動葉片，以便盡可能接近地實現(xiàn)優(yōu)化劑量分布。在從 產(chǎn)生的葉片定序算法計算預(yù)測的劑量分布之后，進(jìn)行所關(guān)心的目標(biāo)體積
("vor)的放射治療。
對于具有MLC的常規(guī)3D適形系統(tǒng)，通過首先匹配MLC的葉片到目標(biāo) 側(cè)影而執(zhí)行治療計劃。在這種情況下，沒有葉片定序算法，因此計劃部件僅 設(shè)法從那個機(jī)架角度匹配每個射束的形狀到目標(biāo)的側(cè)影。一旦已經(jīng)確定MLC 的位置，就可產(chǎn)生預(yù)測的劑量分布，并且進(jìn)行目標(biāo)VOI的放射治療。
輸送放射治療的另一模式是由CyberKnife⑧(射波刀⑧)系統(tǒng)提供的模 式。取代圍繞病人沿圓周移動放射輸送裝置，放射輸送裝置安裝在能自由地 進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的多關(guān)節(jié)機(jī)器人操縱器上。因此，可相對于病人從寬范 圍的位置和定向輸送放射，而不是限制到在圓弧內(nèi)選定的角度，機(jī)架安裝的 線性加速器可在該圓弧上移動。


在附圖的圖中，通過例子的方式而不是限制的方式示出了本發(fā)明，其中: 圖1是被調(diào)節(jié)以符合病理解剖體的多葉準(zhǔn)直器的平面圖； 圖2是顯示CT圖像的切片的治療計劃軟件的圖形輸出的示意圖； 圖3是示出用于病理解剖體的理想DVH的曲線圖；圖4是示出用于關(guān)鍵區(qū)域的希望DVH的曲線圖；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有空間節(jié)點的放射治療系統(tǒng)的透視
圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的不同定向的準(zhǔn)直器的透視圖； 圖7A是治療計劃算法的一個實施的流程圖；
圖7B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的治療計劃算法的一個實施的流程
圖；
圖7C是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例在空間節(jié)點處的預(yù)優(yōu)化的流程圖； 圖8A-8K是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的預(yù)優(yōu)化算法的示意圖； 圖9A-9B是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的預(yù)優(yōu)化算法的示意圖； 圖10A-10B是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的預(yù)優(yōu)化算法的示意圖； 圖11A-E是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對應(yīng)于治療計劃算法的用戶界 面的屏幕截圖；
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在病理解剖體處的非等中心放射射 束輸送的透視圖；
圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于診斷成像和/或治療輸送的系統(tǒng) 的框圖；以及
圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于診斷成像和/或治療輸送的系統(tǒng) 的透視圖。
具體實施方式
在下面的描述中，為了說明的目的，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供本發(fā) 明的徹底理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯然的是，可以在沒有這些 具體細(xì)節(jié)的情況下實施本發(fā)明。換句話說，熟知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)沒有被 詳細(xì)地示出或者以框圖的形式被示出，以便避免不必要地模糊此描述的理解。
在該描述中，提及"一個實施例"或"實施例"意指結(jié)合該實施例描述 的特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。短語"在 一個實施例中"在本說明書中的各處出現(xiàn)，不一定全部指的是相同實施例。
描述了用來自動化用于放射治療系統(tǒng)的一個或多個放射射束參數(shù)的選 擇的設(shè)備和方法。在一個特定實施例中，該設(shè)備和方法自動地選擇射束尺寸。 在另一實施例中，該設(shè)備和方法自動地確定射束形狀。在又一實施例中，該 設(shè)備和方法自動地確定射束定向?？梢岳斫獾剑撛O(shè)備和方法可自動地確定 射束尺寸、射束形狀和射束定向的組合。該設(shè)備和方法的實施例也可自動地 選擇多個準(zhǔn)直器。該設(shè)備和方法的實施例也可基于自動確定的射束參數(shù)自動 地選擇一個或多個準(zhǔn)直器。
與正向計劃相比，在反向計劃中，醫(yī)學(xué)物理學(xué)家指定希望的劑量分布， 例如獨立地指定對于腫瘤的最小劑量和對于其它健康組織的最大劑量，并且 治療計劃模塊隨后選擇射束的方向、距離以及總數(shù)量和強(qiáng)度以便實現(xiàn)指定的 劑量條件。在用戶指定并輸入希望的劑量分布(例如，最小和最大劑量)的 情況下，反向計劃模塊選擇并優(yōu)化劑量權(quán)重和/或射束方向，即選擇導(dǎo)致這種 分布的最優(yōu)的射朿組。
在反向計劃期間，所關(guān)心的體積(VOI)用于代表相對于施加的放射劑 量作為目標(biāo)的或避免的用戶定義的結(jié)構(gòu)。就是說，以計算出的次序布置放射
源，從而將放射劑量限制到代表需要治療的腫瘤的.VOI中，而盡可能避免對 代表關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的VOI的放射劑量。 一旦目標(biāo)(例如腫瘤)VOI己經(jīng)被限定， 并且關(guān)鍵VOI和軟組織(既不是由目標(biāo)也不是由關(guān)鍵VOI代表的治療區(qū)域
內(nèi)的所有組織)體積已經(jīng)被指定，負(fù)責(zé)的放射腫瘤學(xué)家或醫(yī)學(xué)物理學(xué)家指定
例如對于目標(biāo)VOI的最小放射劑量以及對于正常和關(guān)鍵健康組織的最大放
射劑量。然后，該軟件依靠放射治療系統(tǒng)的定位能力產(chǎn)生反向治療計劃，從而滿足治療計劃的劑量約束。
圖2是顯示CT圖像的切片的治療計劃系統(tǒng)的圖形輸出的構(gòu)思圖示。CT
圖像的圖示包括作為治療目標(biāo)的病理解剖體以及位于病理解剖體附近的關(guān) 鍵區(qū)域。治療計劃軟件使得在關(guān)鍵區(qū)域周圍能夠產(chǎn)生關(guān)鍵區(qū)域輪廓并且在病 理解剖體周圍能夠產(chǎn)生目標(biāo)區(qū)域輪廓。常規(guī)地，用戶手動地在由治療計劃軟
件使用的顯示器上描繪點(例如，圖2的輪廓線上的一些點)，從而產(chǎn)生相
應(yīng)的輪廓。雖然這可能看起來是容易的任務(wù)，但由于病理的和正常的解剖體 的三維性質(zhì)和不規(guī)則性，這種匹配是困難的?；谥付ǖ膶τ谀繕?biāo)區(qū)域的最 小劑量和對于關(guān)鍵區(qū)域的最大劑量，治療計劃軟件為目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生劑量等量 線。該劑量等量線是恒定劑量的線，并且代表用于目標(biāo)區(qū)域的指定處方劑量
的給定劑量百分比(例如，60°/。、 70%、 80%等)或絕對劑量值(例如，2000 厘戈瑞)。理想地，代表被認(rèn)為臨床有效的劑量的最小量的劑量等量線應(yīng)當(dāng) 完美地匹配目標(biāo)區(qū)域的輪廓。在一些情況下，由治療計劃軟件產(chǎn)生的劑量等 量線不是最優(yōu)的，并且可能包括關(guān)鍵區(qū)域的一些部分，如圖2中所示。
有效的放射治療系統(tǒng)的兩個主要要求是均勻性和適形性。均勻性是目標(biāo) 體積(例如，諸如腫瘤、病灶、脈管畸形等的病理解剖體)上的放射劑量的 一致性，并且可由劑量體積直方圖(DVH)表征。DVH在y軸上代表體積， 作為絕對測量值或VOI體積的百分比。在x軸上是劑量值，作為絕對劑量或 作為給定劑量(例如，最大劑量或處方劑量)的百分比。DVH曲線圖示出 VOI的多少體積被大于或等于x軸上的相應(yīng)劑量值的劑量覆蓋。用于病理解 剖體的理想DVH將是如圖3中所示的矩形函數(shù)，其中劑量是病理解剖體的 體積上的指定劑量的百分之一百。用于關(guān)鍵區(qū)域的所希望的DVH將具有圖 4中示出的外形，其中關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)的體積接收盡可能少的指定劑量。
適形性是放射劑量匹配(符合)目標(biāo)(例如，腫瘤)的形狀和廣度以避 免對關(guān)鍵的鄰近結(jié)構(gòu)的損害。更具體地，適形性是目標(biāo)VOI內(nèi)處方(Rx)劑量的量(施加的劑量的量)的度量。可以使用適形性指標(biāo)(CI)測量適形 性，CI =在^RX劑量時的總體積/在》RX劑量時的目標(biāo)體積。完美的適 形性導(dǎo)致CI=1。借助常規(guī)的放射療法治療，使用治療計劃軟件，臨床醫(yī)生
識別對應(yīng)VOI的劑量等量線以便施加治療劑量(例如，3000 cGy)。
放射治療計劃的目的是找到一組放射射束，該組放射射束包括產(chǎn)生匹配 臨床目標(biāo)(例如，對于目標(biāo)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最小和最大劑量、適形性和均勻性) 的劑量分布的每個射束的位置、形狀和"權(quán)重"(由該射束輸送的放射的量)。 在例如CyberKnife⑧系統(tǒng)的基于機(jī)器人的放射治療中，放射射束可以移動到 相對于病人的多種位置和定向。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括一組空間節(jié)點的放射治療輸送系統(tǒng) 100的工作空間的透視圖，在該節(jié)點處布置放射源。放射治療輸送系統(tǒng)100 的示出的實施例包括放射源105、治療床110、檢測器115A禾n 115B (共同 稱為115，也稱為成像器)、成像源120A和120B (共同稱為120)以及機(jī)器 人臂125。
放射治療輸送系統(tǒng)100可用于執(zhí)行放射治療(例如，放射手術(shù)和/或放 射療法)，從而治療或破壞病人內(nèi)的病灶(例如，腫瘤組織)。在放射治療期 間，病人靠在治療床UO上，該治療床被操縱以將描述目標(biāo)的所關(guān)心的體積
("vor)布置到預(yù)設(shè)位置或布置在放射源105可接近的操作范圍(例如，
視場)內(nèi)。在一個實施例中，放射治療輸送系統(tǒng)100是圖像引導(dǎo)的放射治療 輸送系統(tǒng)。成像源120和檢測器115合起來是成像引導(dǎo)系統(tǒng)，該成像引導(dǎo)系 統(tǒng)提供治療床110及其上的病人的位置以及放射源105相對于病人內(nèi)的VOI 的對準(zhǔn)的可視控制。在一個實施例中，治療床IIO可耦合到例如機(jī)器人臂的 定位系統(tǒng)(未示出)，該定位系統(tǒng)從成像引導(dǎo)系統(tǒng)接收反饋，以便精確控制 病人內(nèi)的VOI相對于放射源105的位移和定向。
在一個實施例中，機(jī)器人臂125具有多個(例如六個)自由度，能夠在其操作范圍內(nèi)以幾乎無限的可能性定位放射源105。允許這種類型的移動將 導(dǎo)致數(shù)個挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)為了治療特定VOI而確定射束位置和軌跡時，大量 位置的可能性創(chuàng)造了治療計劃系統(tǒng)要解決的難題。第二，在機(jī)器人臂125的
操作范圍內(nèi)允許不受約束的移動可導(dǎo)致放射源105和病人或其它靜止對象之 間的可能的碰撞。通過限制放射源105到有限數(shù)量的空間節(jié)點可解決這些問 題，放射源105可從這些節(jié)點發(fā)出放射射束并進(jìn)一步在空間節(jié)點之間創(chuàng)建機(jī) 器人臂125必須遵循的特定路徑(已知的安全路徑)。
空間節(jié)點和互連這些空間節(jié)點的相關(guān)聯(lián)的安全路徑的集合被稱為"工作 空間"或"節(jié)點集"。圖5示出工作空間130，該工作空間130包括每個都由 "+ "符號表示的許多空間節(jié)點135 (僅僅兩個被標(biāo)出)。對于不同的病人工 作區(qū)域，可以產(chǎn)生并限定多個不同的工作空間。例如，工作空間130可以是 球形的(如所示的)并且被限定用來治療位于病人的頭部內(nèi)的VOI?？蛇x地， 工作空間130可具有其它幾何形狀(例如橢圓形的)并且被限定用來治療位 于病人的其它區(qū)域內(nèi)的VOI。另外，可以限定多個工作空間130用于病人的 不同部分，每一個具有不同的半徑或源到軸的距離("SAD")，例如650mm 和800mm。 SAD是放射源105中用于光子產(chǎn)生的電子目標(biāo)和由VOI描述的 目標(biāo)之間的距離。SAD限定工作空間的表面面積。在橢圓形工作空間的一個 實施例中，SAD可從900mm到1000mm變動。可以使用其它SAD。
空間節(jié)點135位于工作空間130的表面上?？臻g節(jié)點135代表允許放射 源105停止并輸送一定劑量的放射到病人內(nèi)的VOI的位置。在治療計劃的輸 送期間，機(jī)器人臂125遵循預(yù)定路徑將放射源105移動到每一個空間節(jié)點 135。在一個實施例中，即使特定的治療計劃不要求從特定的空間節(jié)點135 輸送一定劑量的放射，但由于放射源105沿預(yù)定安全路徑落下，放射源105 將仍然訪問那個特定空間節(jié)點135。在其它實施例中，機(jī)器人使用節(jié)點之間 的容許躍遷的更詳細(xì)的認(rèn)知可跳過未使用的節(jié)點。圖5示出包括示例性數(shù)量的空間節(jié)點135的全部節(jié)點集。該全部節(jié)點集
可包括大體上均勻分布在工作空間130的幾何表面上的空間節(jié)點135。該全 部節(jié)點集包括所有已規(guī)劃的空間節(jié)'點135并提供可用數(shù)量的空間節(jié)點135以 便為大多數(shù)疾病和相關(guān)聯(lián)的VOI有效地確定治療計劃解決方案。全部節(jié)點集 提供適當(dāng)大量的空間節(jié)點135，使得可以為多種多樣的不同VOI獲取均勻性 和適形性閾值，同時提供足夠的有利位置以避免病人內(nèi)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)?？梢岳?解到，全部節(jié)點集可包括比示出的或論述的更多或更少的空間節(jié)點135。例 如，由于處理能力增加以及創(chuàng)建治療計劃獲得的經(jīng)驗，空間節(jié)點135的平均 數(shù)量可隨著時間增加，從而提供更大的靈活性和更高質(zhì)量的治療計劃。在一 些實施例中，目標(biāo)基于它們的部位可以具有預(yù)定的空間節(jié)點集。典型地通過 相同或類似部位中的類似目標(biāo)的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)該集。
圖6示出放射源105在節(jié)點處的重新定向。如上所述，放射源105可布 置在任何空間節(jié)點135。此外，在每個節(jié)點處，放射源可被重新定向。例如， 放射源105可在節(jié)點135處以角度on布置在第一定向(定向1)。放射源105 也可在相同節(jié)點135以角度c^被重新定向到任何數(shù)量的定向。在一個實施 例中，放射源105在每個節(jié)點135處(以十二個不同角度011...0112)可被重新 定向到十二個不同定向?？梢岳斫獾?，放射源105可被重新定向到更少的定 向或更多的定向。如圖6所示， 一個定向(定向1)可以以穿過VOI的中心 的角度輸送放射射束。其它定向可在VOI內(nèi)但不是穿過VOI的中心輸送放 射射束，并且還有一些其它定向可在VOI外輸送放射射束?？梢岳斫獾?，治 療計劃系統(tǒng)可自動排除在VOI外輸送放射射束的定向。
圖7A-7C示出用來產(chǎn)生用于治療計劃系統(tǒng)中的治療計劃的示例性算法。 在一個實施例中，該算法是迭代算法，它優(yōu)化最大劑量約束之上和最小劑量 約束之下的偏差。迭代計劃算法首先產(chǎn)生一組候選射束并執(zhí)行初始劑量分布 計算，并且隨后通過改變一個或多個射束的權(quán)重試圖改善初始劑量分布計算。在另一實施例中，該算法執(zhí)行凸優(yōu)化，例如Simplex (單純型)算法。
可由凸優(yōu)化優(yōu)化的成本函數(shù)的一個例子是遭受最小/最大劑量約束的監(jiān)視器
單元的數(shù)量(與允許治療射束的時間的總量線性相關(guān))。Simplex算法在該技 術(shù)領(lǐng)域中是熟知的?？蛇x地，可使用其它迭代和非迭代優(yōu)化算法。在一個實 施例中，可以使用兩種算法的組合。在任何情況下，用戶的目標(biāo)描繪被轉(zhuǎn)化 成VOI位屏蔽(即用于描繪的3D圖像體積上的疊加，使得3D圖像的每個 位置具有代表每個VOI的位，如果給定VOI與那個圖像位置重疊，則該位 設(shè)置為"1"，否則設(shè)置為"0")以便與治療計劃算法一起使用。
典型地，治療計劃算法需要用戶識別目標(biāo)。治療計劃算法典型地向用戶 給出2D圖像的層疊，該2D圖像的層疊組合起來以代表病人的3D治療區(qū)域， 并且需要用戶識別隨后被組合以限定3D目標(biāo)體積(目標(biāo)VOI)的2D圖像 上的輪廓。在一個實施例中，目標(biāo)識別包括邊緣檢測和將邊緣轉(zhuǎn)化為圖像空 間中的一系列點的組合。這個成系列的點隨后可組合以產(chǎn)生呈現(xiàn)在3D圖像 頂部上的3D結(jié)構(gòu)。在密歇根大學(xué)工程學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)部機(jī)器人技術(shù)和集成 制造中心Delp等人的"Edge Detection Using Contour Tracing", RSD-TR-12-83 (1983) 43中進(jìn)一步詳細(xì)描述了邊緣檢測。在赫爾大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系Mat, Ruzinoor Che的MSC計算機(jī)圖形和虛擬環(huán)境論文"Evaluation of Silhouette Rendering Algorithms in Terrain Visualisation" (http:staf.uum.edu.my/ruzinoor/ dissertation.htm)中進(jìn)一步詳細(xì)描述了點的取輪廓。用于目標(biāo)識別的其它熟 知的方法可用在治療計劃算法中。
圖7A示出用來產(chǎn)生治療計劃的過程200。在圖7A示出的實施中，過程 200以描繪目標(biāo)VOI (塊205)開始。在圖7A的實施中，用戶識別目標(biāo)，并 且系統(tǒng)創(chuàng)建目標(biāo)VOI (塊210)。為簡潔起見，我們此后將這個過程稱為"用 戶識別目標(biāo)VOI"，并且類似地對于用戶識別關(guān)鍵結(jié)構(gòu)VOI。
過程200在塊215處通過識別劑量約束而繼續(xù)。劑量約束包括例如但不限于最小目標(biāo)VOI劑量、對健康組織的最大容許劑量、均勻性程度、適形 性程度、總的射束工作時間、監(jiān)視器單元的總數(shù)和射束數(shù)量。在圖7A的實 施中，用戶也識別劑量約束(塊220)。可選地，用戶可首先識別劑量約束并
隨后識別目標(biāo)VOI，或者用戶可識別一些劑量約束，識別目標(biāo)VOI，并隨后
識別其它劑量約束。
過程200在用戶手動選擇射束形狀和射束尺寸的塊225處繼續(xù)?？梢岳?解到，通過手動選擇射束形狀和射束尺寸，用戶手動地選擇要用于治療輸送 的準(zhǔn)直器。由治療計劃算法隨機(jī)地確定射束定向。治療計劃算法可結(jié)合VOI 位屏蔽使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，從而識別導(dǎo)致射束交叉VOI中的內(nèi)部或表面點的定向。
該過程在為候選射束產(chǎn)生劑量屏蔽的塊230處繼續(xù)。劑量屏蔽是由射束 輸送到空間中的一組部位的標(biāo)準(zhǔn)化到射束的持續(xù)時間的放射劑量的量的表 示。劑量屏蔽中的一個示例要素將是體素部位，比方說病人的CT圖像中的 (128， 203， 245)，以及每秒射束工作時間1 cGy的劑量值?？梢允褂糜脕?產(chǎn)生劑量屏蔽的任何熟知的過程。在圖7A的實施中，候選射束是隨機(jī)產(chǎn)生 的(塊235)。治療計劃算法可結(jié)合可用射束的數(shù)量、尺寸、位置、定向或其 組合而使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，從而產(chǎn)生候選射束集。在塊240，為候選射束優(yōu) 化射束權(quán)重?？梢允褂糜脕韮?yōu)化射束權(quán)重的任何熟知的過程。如上所述，劑 量計算和/或射束優(yōu)化可以是迭代的、凸的或組合算法。
過程200在產(chǎn)生治療計劃的塊245處結(jié)束。治療計劃可以隨后使用放射 治療系統(tǒng)被輸送到病人。在一個實施例中，放射治療系統(tǒng)是上面參考圖5描 述的放射治療系統(tǒng)100。
圖7B示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用來產(chǎn)生治療計劃的另一過程 300。在圖7B示出的實施中，該過程以識別目標(biāo)VOI (塊305)開始。在圖 7B的實施中，用戶識別目標(biāo)VOI (塊310)，如上所述。該過程在塊315處通過識別劑量約束而繼續(xù)。劑量約束包括例如但不限于最小VOI劑量、對 健康組織的最大容許劑量、均勻性程度、適形性程度、總的射束工作時間、 監(jiān)視器單元的總數(shù)和射束數(shù)量。在圖7B的實施中，用戶也識別劑量約束(塊
320)?？蛇x地，用戶可首先識別劑量約束并隨后識別目標(biāo)VOI，或者用戶可 識別一些劑量約束，識別目標(biāo)VOI，并隨后識別其它劑量約束。
該過程在自動確定一個或多個射束參數(shù)的塊325處繼續(xù)。在一個實施例
中，射束參數(shù)包括例如，射束定向、射束形狀和射束尺寸的一個或多個。
用來自動確定一個或多個射束參數(shù)的示例性算法在下面被公開?？梢岳斫?到，因為治療計劃算法自動確定射束參數(shù)，因此治療計劃算法也可自動選擇 一個或多個準(zhǔn)直器尺寸以便最好地滿足已經(jīng)施加的劑量約束。在一個實施例
中，準(zhǔn)直器是固定孔徑準(zhǔn)直器。在另一個實施例中，準(zhǔn)直器是可變光闌(iris) 準(zhǔn)直器。對于可變光闌準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器孔徑的形狀是固定的，但在治療時段 期間可連續(xù)地或以尺寸的固定增量的方式改變孔徑的尺寸。在一個實施例 中，IRIS準(zhǔn)直器可以是德國海德爾堡的Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ，亥姆霍茲協(xié)會的德國癌癥研究中心)開發(fā)的IRIS準(zhǔn)直器。
該過程在為候選射束產(chǎn)生劑量屏蔽的塊330處繼續(xù)?？梢允褂糜脕懋a(chǎn)生 劑量屏蔽的任何熟知的過程。在圖7B的實施中，使用在塊325處確定的射 束參數(shù)來確定候選射束。也可以使用劑量約束和VOI位屏蔽來確定候選射 束。在塊340，為候選射束優(yōu)化射束權(quán)重?？梢允褂糜脕韮?yōu)化射束權(quán)重的任 何熟知的過程。如上所述，劑量計算和/或射束優(yōu)化可以是迭代的、凸的或組 合算法。
過程300在產(chǎn)生治療計劃的塊345處結(jié)束。治療計劃可以隨后使用放射 治療系統(tǒng)被輸送到病人。在一個實施例中，放射治療系統(tǒng)是上面參考圖5描 述的放射治療系統(tǒng)100。
圖7C示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用來自動確定一個或多個射束參數(shù)的迭代過程400。如圖7C中所示，過程400在塊405確定是否需要分析 節(jié)點。在圖7C的過程中提及的節(jié)點可以是圖5的空間節(jié)點135。如果需要 分析節(jié)點(塊405)，則在塊410識別目標(biāo)側(cè)影，在塊420確定劑量約束，在 塊430使用目標(biāo)的幾何形狀自動確定形狀和減尺寸，在塊440使用打包算法 (packing algorithm)自動確定定向和/或尺寸。該過程返回到塊405并在每 個節(jié)點重復(fù)自身，直到?jīng)]有節(jié)點剩余。當(dāng)沒有節(jié)點剩余時，該過程繼續(xù)到產(chǎn) 生劑量屏蔽的塊450。
使用目標(biāo)幾何形狀用來確定形狀和/尺寸的示例性過程和使用打包算法 用來確定定向和/或尺寸的示例性過程在下面被公開。也可以理解到，圖7C 的迭代過程可包括更少的步驟或更多的步驟。例如，迭代過程可以僅包括在 每個節(jié)點自動確定射束定向、形狀和尺寸的一個或多個。也可以理解到，迭 代過程中的步驟的次序可以改變。例如，在使用目標(biāo)幾何形狀確定形狀和/ 或尺寸之前，可以使用打包算法確定定向和/或尺寸。
也可以理解到，治療計劃算法可包括用戶選擇(圖7A)和自動確定(圖 7B和7C)的組合。例如，用戶可手動選擇射束尺寸和射束形狀，而治療計 劃算法自動確定射束定向。在另一例子中，用戶手動選擇射束形狀，并且治 療計劃算法自動確定射束尺寸和射束定向。此外，由于系統(tǒng)約束，準(zhǔn)直器的 數(shù)量可以是固定的。類似地，準(zhǔn)直器尺寸可以是固定的(例如，單個準(zhǔn)直器 尺寸)或者被限制到尺寸的離散集。具有連續(xù)可變尺寸的射束的配置可被四 舍五入到最接近的容許準(zhǔn)直器尺寸。
如上面參考圖7B和7C說明的，治療計劃可包括自動確定一個或多個 射束參數(shù)。圖8A-10B示出用來自動確定射束參數(shù)的示例性算法的一個方面。
圖8A-8K示出使用打包算法用來自動確定射束參數(shù)的示例性過程的一 個方面。用于將VOI打包在放射治療計劃系統(tǒng)的打包算法中的對象對應(yīng)于放 射射束的橫截面。放射射束依次對應(yīng)于由一個或多個準(zhǔn)直器產(chǎn)生的放射外形。這樣，打包對象限定一個或多個射束參數(shù)。射束參數(shù)可用于自動選擇一 個或多個準(zhǔn)直器。例如，打包對象的尺寸可限定準(zhǔn)直器的尺寸，并且打包對 象的形狀可限定準(zhǔn)直器的形狀。類似地，打包形狀的中心可限定準(zhǔn)直器的定 向，該定向通過獲得從節(jié)點到打包形狀的中心的直線而被限定。
例如彭尼打包(penny packing)(對于等尺寸的圓)或圓打包(circle packing)(對于變化尺寸的圓)算法的打包算法產(chǎn)生一組圓，該組圓以非重 疊的圓最佳地填充例如目標(biāo)側(cè)影的對象。圖8A示出目標(biāo)(VOI) 500，根據(jù) 彭尼打包算法，多個圓505布置在VOI 500中而不允許有重疊?？蛇x的打包 算法找到一組重疊的圓，這些圓的聯(lián)合體在該對象中。圖8B示出重疊的彭 尼打包算法。在圖8B中，圓505布置在目標(biāo)500中，使得每個圓的至少一 部分重疊另一個圓?？梢岳斫獾?，重疊的程度可不同于圖8B中示出的情形。 在計算幾何學(xué)2003年第25期第233-356頁上的Collins等人的"A circle packing algorithm"和在SCG '01 2001年第212-221頁上的Chen等人的 "Algorithms for Congruent Sphere Packing and Applications"描述了不例性圓 打包算法。可選地，可使用在該技術(shù)領(lǐng)域：
中已知的其它打包算法。
圓(或其它打包對象)可以是固定尺寸或多個尺寸。圖8C示出打包算 法可使用不同尺寸的打包對象。圖8C示出VOI 500，該VOI 500具有第一 尺寸的圓510、第二尺寸的圓515和第三尺寸的圓520。在圖8C中，圓510 大于圓515，圓515大于圓520?？梢岳斫獾?，打包算法可以使用少于三個 或多于三個的尺寸，并且該尺寸可以不同于示出的尺寸。
對于給定準(zhǔn)直器尺寸，通過檢驗預(yù)測的劑量分布(例如，如劑量屏蔽所 表示的)的橫截面可以確定用于打包算法的對象的尺寸。例如，獲取具有 30mm準(zhǔn)直器直徑的射束的劑量屏蔽的橫截面，并且獲取具有大于1 cGy/秒 的值的橫截面中的所有要素，可以給出半徑15mm的圓的近似。
如上面說明的，打包算法可以是重疊算法。中軸變換是示例性重疊打包算法。中軸變換是最大內(nèi)切圓盤的中心的軌跡。最大內(nèi)切圓盤是半徑等于到 達(dá)最近邊界點的距離的圓盤，該圓盤不會完全地包含在以該對象中的任何其 它點作為中心的任何其它內(nèi)切圓盤中。所有最大內(nèi)切圓盤的集的聯(lián)合體是該 對象自身(即VOI)。該構(gòu)架加上在所有構(gòu)架點處的最大圓盤的半徑是對稱
車由變換。在IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence的 1996年第18巻第11期第1055-1066頁的Ge等人發(fā)表的題目為"On the
了示例性中軸變換算法。可選地，可以使用該技術(shù)領(lǐng)域：
中已知的其它中軸變 換算法或非重疊算法。
圖8D和8E示出VOI的中軸變換。圖8D示出具有不規(guī)則幾何形狀的 VOI 500，該VOI 500使用中軸變換算法在其內(nèi)形成構(gòu)架525。圖8E示出簡 單目標(biāo)幾何形狀的中軸變換算法?？梢岳斫獾?，中軸變換算法也可用于更復(fù) 雜的目標(biāo)幾何形狀；簡單的目標(biāo)幾何形狀僅僅用于方便描述。在圖8E中， VOI 500a包括構(gòu)架525a。沿構(gòu)架525a布置圓505a。構(gòu)架525a用于確定可 能的圓505a的集。基于劑量約束，該算法隨后決定那些圓505a的哪一個可 用于滿足劑量約束。例如，如果算法識別100個圓505a，該算法可僅僅挑選 五個圓505a，以及因此相應(yīng)的準(zhǔn)直器尺寸和定向，用于治療目的。此外，可 以識別重疊的最大量，且/或未覆蓋區(qū)域的最大量可由用戶限定或基于例如均 勻性、最大劑量和適形性的劑量約束被計算，從而排除一些圓505a。
圖8F示出V01 500，該VOI 500具有目標(biāo)側(cè)影530的第一輪廓和目標(biāo) 側(cè)影540的第二輪廓。如果用戶希望例如適形性，打包算法可以使用與實際 側(cè)影500相對的目標(biāo)側(cè)影530的第一輪廓。如果用戶希望例如劑量均勻性， 打包算法可以使用與實際側(cè)影500相對的目標(biāo)側(cè)影540的第二輪廓。
圖8G示出應(yīng)用于打包算法的射束的侵蝕和擴(kuò)張。在圖8G中，VOI 500b 包括圓505b，每個圓具有圓530b的第一輪廓和圓540b的第二輪廓。第一輪廓530b對應(yīng)于放射射束的侵蝕且第二輪廓540b對應(yīng)于放射射束的擴(kuò)張。侵
蝕和擴(kuò)張分別允許重疊打包算法變成非重疊算法以及非重疊算法變成重疊 算法。
圖8H-K示出打包算法，其打包對象具有不同的形狀和形狀的組合。在 一個實施例中，打包對象的形狀是幾何基元(即，準(zhǔn)直器的形狀是幾何基元)。 示例性幾何基元包括例如圓、橢圓、六邊形、正多邊形和不規(guī)則多邊形(例 如梯形)。
圖8H示出以橢圓500打包的VOI 500,它對應(yīng)于橢圓形放射射束(即， 橢圓形準(zhǔn)直器)。圖8I示出以圓555和橢圓560打包的VO1 500。圖8J示出 以六邊形565打包的目標(biāo)500。圖8K示出以六邊形570、橢圓575和圓580 打包的目標(biāo)500。可以理解到，用于治療計劃算法的形狀類型、形狀組合等 可以不同于圖8H-8K中示出的那些算法。
如圖8A-8H中示出的，不同尺寸和/或形狀和/或不同定向的準(zhǔn)直器的使 用對于不規(guī)則成形的目標(biāo)可以是特別有利的。例如，大的準(zhǔn)直器可快速輸送 劑量到目標(biāo)的中心部分，而較小的準(zhǔn)直器可輸送劑量以符合周邊的不規(guī)則形 狀。此外，不同尺寸和/或形狀和/或不同定向的準(zhǔn)直器的使用可導(dǎo)致更有效 的治療計劃。
圖9A和9B示出示例性算法，在該算法中，使用目標(biāo)(VOI) 600的幾 何形狀自動確定一個或多個射束參數(shù)。在J Nucl Med 1990年第31期第 1717-1722頁的Alpert等人發(fā)表的題目為"The Principal Axes Transformation -A Method for Image Registration"的論文中公開了一種示例性算法。如上所 述，射束參數(shù)導(dǎo)致一個或多個準(zhǔn)直器的選擇。準(zhǔn)直器可選擇作為形狀的特征 幾何尺寸和/或特征度量的函數(shù)。可以使用形狀的各種度量，包括最小和最大 主軸的比率、偏心率的各種度量和表面與體積的比率(有或沒有標(biāo)準(zhǔn)化到相 同體積的球體的表面與體積的比率)。圖9A示出具有質(zhì)心605的VOI 600。在質(zhì)心605處，準(zhǔn)直器被示出在 目標(biāo)600的中心。以質(zhì)心605為原點的坐標(biāo)系615被示出。在一個實施例中， 準(zhǔn)直器被選擇作為特征幾何尺寸的特定百分比。例如，確定用戶描繪的目標(biāo) 的主要軸(主軸)，并且選擇準(zhǔn)直器作為最小主軸的特定百分比。在示出的 實施例中，主軸由坐標(biāo)系615表示，并且最小主軸由軸620表示。在一個實 施例中，準(zhǔn)直器尺寸可以是最小主軸的100%到200%?？梢岳斫獾?，準(zhǔn)直器 尺寸也可以小于最小主軸的100%。
圖9B示出穿過目標(biāo)600的中心的軸625。多個軸630示出為垂直于軸 625。在一個實施例中，軸630用于目標(biāo)625的均方根分析。均方根分析可 用于識別射束尺寸。
治療計劃算法從每個節(jié)點位置分析VOI以發(fā)現(xiàn)一個或多個準(zhǔn)直器尺寸， 使得對應(yīng)于可用準(zhǔn)直器的一個或多個特征尺寸(例如一個或多個直徑的圓) 的幾何基元(即打包對象形狀)最佳地填充或打包遭受劑量約束的VOI。圖 IOA和10B從兩個不同的節(jié)點位置示出目標(biāo)(VOI)。圖IOA從第一位置示 出VOI 700a，且圖IOB從第二位置示出VOI700b。取決于位置，相同的VOI 具有不同的形狀。VOI 700a和700b都被示出為打包有圓705，但VOI 700b 比VOI 700a被更有效地打包。如上所述，打包對象的形狀及其尺寸對應(yīng)于 準(zhǔn)直器形狀和尺寸，并且其在VOI中的位置對應(yīng)于在每個節(jié)點位置處用于產(chǎn) 生候選射束的射束定向。
圖11A-E是用于治療計劃系統(tǒng)的用戶界面800的示例性屏幕截圖。可以 理解到，用戶界面和屏幕截圖可不同于那些示出的和描述的。如圖IIA中所 示，治療區(qū)域的圖像被加載到治療計劃系統(tǒng)中。圖IIB示出包含目標(biāo)的橫截 面的不同2D圖像切片。如圖11C中所示，用戶可將如上所述的各種劑量約 束輸入用戶界面800。圖IID示出使用這里描述的算法產(chǎn)生的用于目標(biāo)的治 療計劃。圖IIE示出用于目標(biāo)的治療計劃，在該治療計劃中自動地選擇準(zhǔn)直器尺寸?？蛇x地，用戶可配備有建議的準(zhǔn)直器尺寸，并且可接受和/或修改建 議的準(zhǔn)直器尺寸。
應(yīng)當(dāng)注意到，可結(jié)合正向計劃和/或反向計劃技術(shù)(例如，等中心的和 非等中心的、或適形的、射束幾何形狀)使用本發(fā)明的實施例以開發(fā)治療計 劃。圖12示出基于適形計劃的在目標(biāo)區(qū)域的非等中心放射射束輸送的二維 透視圖。應(yīng)當(dāng)注意，圖12中示出四個射束射束一1901、射束_2 902、射束
—3 903和射束一4 904僅僅為了容易論述，并且實際治療計劃可包括多于或少 于四個的射束。此外，四個射束代表適形計劃，其中每個射束穿過目標(biāo)區(qū)域 900 (例如，病理解剖體)內(nèi)的多個點。在適形計劃中， 一些射束可以相交 或匯聚在公共點，或者可以不相交或匯聚在公共點，并且雖然四個射束在圖 12的透視圖中看起來相交，但射束在它們實際的三維空間中可能不相交。放 射射束僅需要與目標(biāo)體積相交，并且不必匯聚在目標(biāo)900內(nèi)的單個點或等中 心上。在一個實施例中，適形計劃利用圖像引導(dǎo)的基于機(jī)器人的放射治療系 統(tǒng)(例如，用來執(zhí)行放射手術(shù))，例如CyberKnife⑧系統(tǒng)，因為LINAC定位 機(jī)構(gòu)(例如，圖14的機(jī)器人臂3012)可以以多個自由度自由地來回移動， 因而允許LINAC的放射射束指向空間中的任何地方。
圖13示出可用于執(zhí)行放射治療的系統(tǒng)的一個實施例，其中可實施本發(fā) 明的特征。如下面描述的和圖13中示出的，系統(tǒng)4000可包括診斷成像系統(tǒng) 1000，治療計劃系統(tǒng)2000和治療輸送系統(tǒng)100。診斷成像系統(tǒng)IOOO可以是 能夠產(chǎn)生病人中的治療區(qū)域的醫(yī)學(xué)診斷圖像的任何系統(tǒng)，它可用于隨后的醫(yī) 學(xué)診斷、治療計劃和/或治療輸送。例如，診斷成像系統(tǒng)IOOO可以是計算機(jī) 斷層掃描(CT)系統(tǒng)、磁共振成像(MRI)系統(tǒng)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET) 系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)等等。為了容易論述，診斷成像系統(tǒng)IOOO可以在下面涉及 CTx射線成像形態(tài)時被不時地論述。然而，例如上面那些成像形態(tài)的其它成 像形態(tài)也可以使用。診斷成像系統(tǒng)1000包括成像源1010，用來產(chǎn)生成像射束(例如，X
射線、超聲波、無線電頻率波等)；和成像檢測器1020，用來檢測和接收由 成像源IOIO產(chǎn)生的射束，或者由來自成像源的射束激發(fā)的次級射束或發(fā)射 (例如，在MRI或PET掃描中)。在一個實施例中，診斷成像系統(tǒng)1000可 包括兩個或更多診斷X射線源和兩個或更多相應(yīng)的成像檢測器。例如，兩個 x射線源可布置在要被成像的病人周圍，以彼此成角度(例如，90度、45 度等)的方式被固定，并且穿過病人對準(zhǔn)成像檢測器，該成像檢測器可沿直 徑方向與x射線源相對。也可使用單個大的成像檢測器或多個成像檢測器， 這些檢測器將由每個x射線成像源照亮?？蛇x地，可使用其它數(shù)量和配置的 成像源和成像檢測器。
成像源1010和成像檢測器1020耦合到數(shù)字處理系統(tǒng)1030以控制成像 操作和處理圖像數(shù)據(jù)。診斷成像系統(tǒng)IOOO包括總線或其它裝置1035，用 來在數(shù)字處理系統(tǒng)1030、成像源1010和成像檢測器1020之間傳送數(shù)據(jù)和命 令。數(shù)字處理系統(tǒng)1030可包括一個或多個通用處理器(例如微處理器)，例 如數(shù)字信號處理器(DSP)的專用處理器，或例如控制器或現(xiàn)場可編程門陣 列(FPGA)的其它類型的裝置。數(shù)字處理系統(tǒng)1030也可包括其它部件(未 示出)，例如存儲器、存儲裝置、網(wǎng)絡(luò)適配器等。數(shù)字處理系統(tǒng)1030可配置 成以標(biāo)準(zhǔn)的格式產(chǎn)生數(shù)字診斷圖像，例如以DICOM (醫(yī)學(xué)中的數(shù)字成像和 通信)格式。在其它實施例中，數(shù)字處理系統(tǒng)1030可產(chǎn)生其它標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo) 準(zhǔn)數(shù)字圖像格式。數(shù)字處理系統(tǒng)1030可在數(shù)據(jù)鏈路1500上傳輸診斷圖像文 件(例如前述DICOM格式的文件)到治療計劃系統(tǒng)2000，該數(shù)據(jù)鏈路1500 可以是例如直接鏈路、局域網(wǎng)(LAN)鏈路或諸如因特網(wǎng)的廣域網(wǎng)(WAN) 鏈路。此外，在系統(tǒng)之間被傳送的信息可以被拉或推過連接系統(tǒng)的通信介質(zhì)， 例如在遠(yuǎn)程診斷或治療計劃配置中。在遠(yuǎn)程診斷或治療計劃中，用戶可利用 本發(fā)明的實施例來進(jìn)行診斷或治療計劃，而不考慮系統(tǒng)用戶和病人之間的物理分離的存在。
治療計劃系統(tǒng)2000包括處理裝置2010，用于接收和處理圖像數(shù)據(jù)。
處理裝置2010可代表一個或多個通用處理器(例如微處理器)、例如數(shù)字信 號處理器(DSP)的專用處理器、或例如控制器或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 的其它類型的裝置。處理裝置2010可配置成執(zhí)行用來實施這里論述的治療 計劃系統(tǒng)2000的操作的指令，該指令例如可從存儲器2030和/或系統(tǒng)存儲器 2020加載在處理裝置2010中。
治療計劃系統(tǒng)2000也可包括系統(tǒng)存儲器2020，該系統(tǒng)存儲器2020可包 括隨機(jī)存取存儲器(RAM)或其它動態(tài)存儲裝置，通過總線2055耦合到 處理裝置2010，用來存儲要由處理裝置2010執(zhí)行的信息和指令。在處理裝 置2010執(zhí)行指令期間，系統(tǒng)存儲器2020也可用于存儲臨時變量或其它中間 信息。系統(tǒng)存儲器2020也可包括耦合到總線2055的只讀存儲器(ROM) 和/或其它靜態(tài)存儲裝置，用來存儲用于處理裝置2010的靜態(tài)信息和指令。
治療計劃系統(tǒng)2000也可包括存儲裝置2030，代表耦合到總線2055 的一個或多個存儲裝置(例如磁盤驅(qū)動器或光盤驅(qū)動器)，用來存儲信息和 指令。存儲裝置2030可用于存儲用來實施這里論述的治療計劃方法的指令。
處理裝置2010也可耦合到顯示裝置2040，例如陰極射線管(CRT)或 液晶顯示器(LCD)，用來向用戶顯示信息(例如VOI的二維或三維的顯示)。 例如鍵盤的輸入裝置2050可耦合到處理裝置2010，用來將信息和/命令選擇 傳達(dá)到處理裝置2010。 一個或多個其它用戶輸入裝置(例如鼠標(biāo)、跟蹤球或 光標(biāo)方向鍵)也可用于傳達(dá)方向信息，從而選擇用于處理裝置2010的命令 并在顯示器2040上控制光標(biāo)移動。
可以理解到，治療計劃系統(tǒng)2000僅代表治療計劃系統(tǒng)的一個例子，它 可具有許多不同配置和體系，它可包括比治療計劃系統(tǒng)2000更多的部件或 更少的部件，并且它可與本發(fā)明一起使用。例如， 一些系統(tǒng)通常具有多個總線，例如外圍總線、專用緩存總線等。治療計劃系統(tǒng)2000也可包括MIRIT (醫(yī)學(xué)圖像檢査和導(dǎo)入工具)以支持DICOM導(dǎo)入(因此圖像可被融合并且 目標(biāo)描繪在不同系統(tǒng)上并隨后導(dǎo)入治療計劃系統(tǒng)以便計劃和劑量計算)和擴(kuò) 展的圖像融合能力，該擴(kuò)展的圖像融合能力允許用戶在各種成像形態(tài)(例如， MRI、 CT、 PET等)的任一個下進(jìn)行治療計劃和觀察劑量分布。治療計劃系 統(tǒng)在該技術(shù)領(lǐng)域：
中是已知的；因此，不輯供更詳細(xì)的論述。
治療計劃系統(tǒng)2000可與例如治療輸送系統(tǒng)100的治療輸送系統(tǒng)共享其 數(shù)據(jù)庫(例如，存儲在存儲裝置2030的數(shù)據(jù))，使得數(shù)據(jù)庫在治療輸送之前 可以不必從治療計劃系統(tǒng)導(dǎo)出。治療計劃系統(tǒng)2000可通過數(shù)據(jù)鏈路2500鏈 接到治療輸送系統(tǒng)IOO，該數(shù)據(jù)鏈路可以是直接鏈路、LAN鏈路或WAN鏈 路，如上面關(guān)于數(shù)據(jù)鏈路1500所論述的。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路1500和2500 被實施為LAN或WAN連接時，診斷成像系統(tǒng)1000、治療計劃系統(tǒng)2000和 /或治療輸送系統(tǒng)100的任何幾個可處于分散的部位，使得這些系統(tǒng)可以在物 理上彼此遠(yuǎn)離?？蛇x地，診斷成像系統(tǒng)2000、治療計劃系統(tǒng)2000和/或治療 輸送系統(tǒng)100的任何幾個可以彼此集成在一個或多個系統(tǒng)中。
治療輸送系統(tǒng)100包括治療學(xué)的和/或外科的放射源105，以依照治療計 劃施加指定的放射劑量到目標(biāo)體積。治療輸送系統(tǒng)100也可包括成像系統(tǒng) 3020以捕獲病人體積(包括目標(biāo)體積)的內(nèi)部治療圖像，用來與上述診斷圖 像配準(zhǔn)或關(guān)聯(lián)，以便相對于放射源定位病人。治療輸送系統(tǒng)IOO也可包括數(shù) 字處理系統(tǒng)3030以控制放射源105、成像系統(tǒng)3020和例如治療床110的病 人支撐裝置。數(shù)字處理系統(tǒng)3030可包括一個或多個通用處理器(例如微處 理器)、例如數(shù)字信號處理器(DSP)的專用處理器、或例如控制器或現(xiàn)場 可編程門陣列(FPGA)的其它類型的裝置。數(shù)字處理系統(tǒng)3030也可包括其 它部件(未示出)，例如存儲器、存儲裝置、網(wǎng)絡(luò)適配器等。數(shù)字處理系統(tǒng) 3030可通過總線3045或其它類型的控制和通信接口耦合到放射源105、成像系統(tǒng)3020和治療床110。
在一個實施例中，如圖14中示出的，治療輸送系統(tǒng)IOO可以是圖像引 導(dǎo)的基于機(jī)器人的放射治療系統(tǒng)(例如，用來執(zhí)行放射手術(shù))，例如由加利 福尼亞的艾可瑞公司(Accuray Incorporated of California)幵發(fā)的CyberKnife 系統(tǒng)。在圖14中，放射源105可由安裝在機(jī)器人臂3012的端部上的線性加 速器(LINAC)代表，該機(jī)器人臂3012具有多個(例如5個或更多)自由 度，以便定位LINAC從而在病人周圍的操作體積(例如，球體)中用從許 多角度輸送的射束照射病理解剖體(目標(biāo)區(qū)域或體積)。治療可涉及具有單 個等中心(匯聚點)、多個等中心或具有非等中心通路(即，在如圖12中示 出的目標(biāo)內(nèi)，射束僅需要與病理目標(biāo)體積相交并且不必匯聚在單個點或等中 心上)的射束路徑。如在治療計劃期間確定的，治療可在單個時段(單部分) 中或在少數(shù)時段中被輸送。在一個實施例中，借助治療傳輸系統(tǒng)100，可以 根據(jù)治療計劃輸送放射射束，而不需要在手術(shù)前治療計劃階段期間將病人固 定到剛性的外部框架以將目標(biāo)體積的內(nèi)部手術(shù)位置與目標(biāo)體積的位置對準(zhǔn)。
在圖14中，成像系統(tǒng)3020可由X射線源120A和120B以及X射線圖 像檢測器(成像器)115A和115B表示。在一個實施例中，例如，兩個x射 線源120A禾n 120B可以名義上對準(zhǔn)以投射從兩個不同的角位置(例如，分 開90度、45度等)穿過病人的成像x射線射束，并穿過治療床110上的病 人對準(zhǔn)各自的檢測器115A和115B。在另一個實施例中，可使用由每個x射 線成像源照亮的單個大的成像器?？蛇x地，可使用其它數(shù)量和配置的成像源 和成像器。
數(shù)字處理系統(tǒng)3030可實施算法以將從成像系統(tǒng)3020獲得的圖像與手術(shù) 前治療計劃圖像配準(zhǔn)(即為其確定公共坐標(biāo)系)，以便在治療輸送系統(tǒng)100 內(nèi)對準(zhǔn)治療床110上的病人，并相對于目標(biāo)體積精確定位放射源。
治療床110可耦合到具有多個(例如5個或更多)自由度的另一機(jī)器人臂(未示出)。床臂可具有五個旋轉(zhuǎn)自由度和一個大體上豎直的線性自由度。 可選地，該床臂可具有六個旋轉(zhuǎn)自由度和一個大體上豎直的線性自由度或至 少四個旋轉(zhuǎn)自由度。該床臂可豎直地安裝到柱或壁上，或者水平地安裝到基 座、地板或天花板上?？蛇x地，治療床110可以是另一機(jī)械機(jī)構(gòu)(例如由加 利福尼亞的艾可瑞公司開發(fā)的Axum⑧治療床)的部件，或者是本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的另一種類型的常規(guī)治療臺。
應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的方法和設(shè)備不限于僅用于醫(yī)學(xué)診斷成像和治療。 在替代實施例中，這里的方法和設(shè)備可用于醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域：
之外的應(yīng)用，例如 工業(yè)成像和材料的非破壞性測試(例如，汽車工業(yè)中的電機(jī)組、航空工業(yè)中 的飛機(jī)機(jī)身、建筑業(yè)中的焊接和石油工業(yè)中的鉆孔巖心)以及地震勘測。在 這種應(yīng)用中，例如，"治療"可廣泛地指由治療計劃系統(tǒng)控制的操作的實現(xiàn)， 例如射束(例如，放射的、聲學(xué)的，等等)的施加。
在前述說明書中，己經(jīng)參考本發(fā)明的具體示例性實施例描述了本發(fā)明。 然而，顯然的是，可以在不偏離如所附權(quán)利要求
中闡述的本發(fā)明的寬泛的精 神和范圍的情況下對本發(fā)明作出各種修改和改變。因此，本說明書和附圖被 認(rèn)為是說明性意義的而不是限制性意義的。
權(quán)利要求
1.一種方法，該方法包括
自動選擇多個準(zhǔn)直器以在多個治療節(jié)點輸送放射；以及
通過所述多個準(zhǔn)直器自動計算在所述多個治療節(jié)點中的每一個要被輸送的放射劑量所對應(yīng)的射束持續(xù)時間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的方法，其中自動選擇多個準(zhǔn)直器包括自動確定 準(zhǔn)直器尺寸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的方法，其中自動選擇多個準(zhǔn)直器包括自動確定 準(zhǔn)直器形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，該方法還包括自動確定所述多個準(zhǔn)直器 中的每一個的定向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述多個準(zhǔn)直器中的一個或多個是 固定孔徑準(zhǔn)直器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述多個準(zhǔn)直器中的一個或多個是 可變光闌準(zhǔn)直器。
7. —種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用來自動選擇多個準(zhǔn)直器以在多個治療節(jié)點輸送放射的裝置；以及 用來通過所述多個準(zhǔn)直器自動計算在所述多個治療節(jié)點中的每一個要 被輸送的放射劑量所對應(yīng)的射束持續(xù)時間的裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求
7所述的系統(tǒng)，其中所述多個準(zhǔn)直器中的一個或多個是固定孔徑準(zhǔn)直器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求
7所述的系統(tǒng)，其中所述多個準(zhǔn)直器中的一個或多個是 可變光闌準(zhǔn)直器。
10. —種設(shè)備，該設(shè)備包括放射射束治療系統(tǒng)，該放射射束治療系統(tǒng)具有用于將放射射束輸送到治 療部位的多個準(zhǔn)直器；以及放射治療計劃系統(tǒng)，該放射治療計劃系統(tǒng)可操作地耦合到所述放射射束 治療系統(tǒng)，該放射治療計劃系統(tǒng)用于自動選擇所述多個準(zhǔn)直器中的若干個準(zhǔn) 直器以在多個治療節(jié)點輸送放射并通過所述多個準(zhǔn)直器來自動計算在所述 多個治療節(jié)點中的每一個要被輸送的放射劑量所對應(yīng)的射束持續(xù)時間。
11. 根據(jù)權(quán)利要求
IO所述的設(shè)備，其中所述多個準(zhǔn)直器中的一個或多個 是固定孔徑準(zhǔn)直器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求
IO所述的設(shè)備，其中所述多個準(zhǔn)直器中的一個或多個 是可變光闌準(zhǔn)直器。
專利摘要
公開了一種用于在多個治療節(jié)點中的每一個自動確定射束參數(shù)的系統(tǒng)和方法。所述射束參數(shù)可包括射束形狀、射束尺寸和/或射束定向。也公開了在放射治療系統(tǒng)中用于自動選擇多個準(zhǔn)直器的系統(tǒng)和方法。
文檔編號G21K1/02GKCN101410910SQ200780011575
公開日2009年4月15日 申請日期2007年4月6日
發(fā)明者C·R·莫勒, J·B·韋斯特, J·W·阿利森 申請人:艾可瑞公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan