专利名称：放疗传输系统和放疗治疗计划的制作方法
放疗传输系统和放疗治疗计划说明本发明涉及一种用于实现动物体的预定解剖部分放疗中的放疗传输系统。本发明还涉及一种放疗治疗计划系统以及用于产生用在实现动物体的解剖部分的放疗中的放疗治疗计划的方法。本发明还涉及一种用于产生用在实现动物体的解剖部分的放疗中的放射治疗计划的方法。本发明还涉及一种计算机程序产品，用于执行如前面所阐述的方法。在近距离放疗(brachy therapy)治疗应用中，利用一个或多个(通常具有套管针尖部的中空针)治疗导管来穿通癌组织(例如，男性前列腺)。利用所谓的后装 (after-loading)设备，治疗导管连接在患者身体的外侧，该设备具有辐射传输装置，以便使一个或多个能量发射源前进通过所述导管。在治疗之前由治疗计划系统生成的治疗计划解决方案中，能量发射源在导管内预定位置(并因此在治疗部位内)停留了预定时间。通常，预定位置被称作驻留位置，并且能量发射源停止在特定驻留位置处的预定时间被称作驻留时间。驻留位置和驻留时间在治疗计划单元中通过离散优化算法计算出来。然而，一部分治疗计划解决方案包含了用于被插入导管的一组驻留位置和驻留时间，该治疗计划解决方案提供了离散治疗解决方案。由于每个能量发射源在每个驻留位置停留一定驻留时间，在此位置中的放射剂量组成(fraction)显示点状分布，点状分布的顶点(或高度)由在所述驻留位置处停留的驻留时间的长度以及诸如发射源的有效级的其它因素来确定。这种离散治疗计划解决方案未提供理想的治疗计划解决方案，在理想的计划解决方案中旨在使得目标位置接收同一剂量覆盖，并且其中，防止围绕目标位置的健康组织接收放射。本发明涉及一种方法，其中，使得发射源在沿着导管的路径的不连续驻留位置处停留有限驻留时间的概念被沿着多导管构造中相应导管路径的连续移动所基本取代。具体地说，本发明的一个目的是，提供准确并且可靠的方式，以便利用多个导管以三维方式完成期望的剂量分布，其中，期望剂量分布的形状比球体或者圆柱体更复杂并且具有充分的体积。根据本发明的一个方面，提供放射传输装置以便利用为所述路径确定的预定速度曲线沿着所述相应路径的至少一部分移动所述至少一个能量发射源，使其以连续运动通过所述导管中的每个，通过解决用于描述空间剂量分布的函数限定的三维的优化问题而计算所述速度曲线。在一个具体实施方式
中，通过根据本发明的系统实现放射剂量和治疗，适于使发射源以可变化速度移动通过导管，其中，速度随着时间(t)变化。用于能够在脉管树内进行大致圆柱形的小体积放射的系统的实施方式从EP 1 057 500可知。在已知的系统中，由于剂量传输深度很浅，S卩，沿着容器的0. Imm长的部分距离发射源约2mm，因此，使用单个导管。已知的系统相应地适于沿着脉管导管内的轨迹来移动放射性源，轨迹与伤口的纵向尺寸完全相匹配。由于简单的几何形状(圆柱形)，发射源的速度取决于发射源的剂量速率相关的线性公式、规定的在2mm处的期望剂量以及伤口的尺寸。可以理解的是，这种线性方法不适于计算来自多个导管的三维剂量分布，所述多个导管可以以非平面的方式相对于彼此延伸，特别地，当目标体积具有复杂的形状并且体积大的，例如，具有大于Icm3的体积。应该理解的是，间歇的短程疗程通常目标体积大约是 5cm3，某些时候甚至是IOcm3或者更高。本发明的技术实质取决于以下观点，即，当符合所规定的空间剂量分布时允许沿着相应路径精确计算速度曲线。沿着导管随着变化速度来移动发射源，这可以被视作，以恒定速度移动但是该发射源沿着路径具有可变的“强度”。沿着导管I的活动性函数可以如A1 (L1)所述。从连续移动发射源通过几个导管而产生的总剂量D(I)D (χ) = Σ (A1 (L1), L1),其中，D (χ)是理想的三维剂量分布函数；D1 (A1 (L1), L1)是用于第I个导管的剂量传递函数，是沿着导管和导管在30(1^ = L(X1)的路径的活动性函数A1 (L1)的形状的函数。A1(L1)是由沿着导管的路径L1 (X)的发射源速度v(t)，即V(L)推出的。根据另一个方面，可以利用本身已知的主分量解析(Principle Component Analysis)而求解三维剂量分布函数D (χ)，其中，任何函数B (力都能被描述为加权正交函数bj，S卩，B (χ) =Σ ^jbj ω的总和。通常，谐函数bj(i)的特征在于具有限定数量的参数。当使用适当的正交函数组时，描述B(I)所需的函数Β“ι)的谐波数量将受到限定，由此限制了优化公式中的变量的个数，从而限制了用于找出最佳解决方案的计算效果。沿着导管(A(L))的活动性因此可以分解成一系列主要分量A(L) = Σ α (L)。仅当第一 3PCA分量被用于描述活动性函数A(L)时，A(L)与A’ (L)近似，即A(L) ^ A' (L) = α (L) + α 2 (L) + α 3a3 (L)。每个函数ai(L)，a2(L)和a3(L)都是活动性函数，对此可以分别地计算出剂量分布，SPD1(X)，D2(x)和1)300。可以理解的是，根据采用的形式，正交函数还可被称作为基础函数。基础函数的选择可以是相对任意的，前提是可以足够正确的表述。作为基础函数的好的选择，我们可以采用正交多项式系统，诸如切比雪夫(Chebyshev)、盖根堡(Jacobi)、 雅可比(Gegenbauer)、勒让德(Legendre)、拉盖尔(Laguerre)、厄密(Hermit)多项式，而且还有基本函数，诸如德尔塔函数、线性和分步函数(piecewise step functions)，或者，诸如sine函数的更平滑函数、高斯函数、样条(spline)和B-样条函数可以被使用。函数可以或者可以不是严格正交的。然而，函数的选择将会决定表述准确性并且将会影响表述的构件的足够的数量。后者对于优化问题的范围可以是重要的。发现了，使用低阶基础函数来求解空间剂量分布函数是有利的，因为实现了准确的计算结果(在期望的三维剂量分布和发射源沿着限定路径的速度曲线方面)，其具有合理的计算时间。因此，先前的用于剂量分布的等式可以改写为D (x) ^ D' Ν(χ) = α (χ) + α 2D2 (χ) +... + α NDN (χ)。描述D(I)所需的谐波(harmonics)的数量取决于Il D(χ)-D' Ν(χ) ||的余数的数值或者如经常在数值计算中完成，连续近似值之间的差Il D’ N(x)-D' (χ) Il。发现了，为了获取好的结果，使用第一 3PCA分量，即，在傅里叶系列中的三个谐波是足够的。还进一步注意到，可以自由地选择用于为优化算法而开发目标函数而使用的正交 PCA函数。当选择具有与目标函数类似形状的PCA函数时，最低的谐波将包含目标函数的大部分并且连续的PCA谐波的贡献将被快速地减小。目标函数与最低谐波之间的拟合越好， 足够准确地描述该问题所需的谐波越少。对于生理学形状来说(具有较低临时频率)，可以使用雪夫多项式，并且大多数时间，5-7个谐波足以描述生理学形状的98%以上。根据本发明的一个方面，发射源可以沿着所有限定的路径在设置在目标体积中的多个导管中连续地移动。可以利用预计算的速度曲线来完成这种移动，预计算速度曲线可以具有连续的或者可变的速度。此外，对于路径的至少一部分所完成的速度曲线可以与至少一个驻留位置相结合。因此，根据本发明一个方面的放疗传输系统可以还包括计算单元，计算单元布置为根据相关的计算算法来解决所述优化问题。这种计算算法可以包括PCA或者任何其它适合的优化方法。因为能量发射源不在不同的驻留位置处停止而是以连续或者大致连续的运动前进，因此，通过连续地移动能量发射源通过导管(根据预限定的速度曲线)，可以不需要步进电机的分级函数(st印ping function)。此外，没有任何预计划的驻留位置(和相关的驻留时间)提供了连续的放射剂量分布，这与理想的放射剂量分布曲线更准确地匹配。优选地，计算算法包括用于限制可允许的速度曲线的值的规则。考虑到可能的硬件限制，这种特征是有利的，因为其限定了关于可允许速度值的解决方案到可行的解决方案的范围。因此，避免了非常缓慢且非常高的局部速度。此外，计算算法可以设置为允许发射源沿着相应路径的连续移动与被限定在所述路径内的发射源的至少一个驻留位置之间的结合。在连续方法中用于限定最佳剂量的参数将与已知的步进式方法相同。肿瘤(目标区域)应该接受高的相同的剂量，而且周围的器官(特别地重要器官)不应该受到伤害。在临床实践中，肿瘤组织的轮廓用作目标区域的界限，并且理想的解决方案(1(1))是，轮廓内的组织接受完全的100%的相同的剂量，而轮廓外的组织不接受任何剂量。在实践中，这是不可行的，因此，最佳解决方案0(1)将会达到理想的解决方案，其中，参数(诸如目标区域中实现的同一性、在轮廓处的剂量梯度的斜率、和周围组织和重要器官接收的剂量)通过向前和/或惩罚性(penalty)函数而被在优化问题中建模。在优化中的另一个参数是使用导管的数量。为了防止患者受伤，优选的是使用少量导管的计划。然而，当具有少量的导管时，最佳解决方案的同样性将会受到限制。因此， 导管的数量应该是优化过程中参数之一。为了便于后者的优化，导管的形状和空间导管分布也应该被考虑到优化等式中。因为不同的束缚或者因素可能对最佳解决方案具有相反的作用，变得明显的是， 没有单个的最佳解决方案，但是有一组最佳解决方案，从该组最佳选择方案中，医师可以根CN 102458577 A说明书4/11 页据他的/她的临床观点和经验来选择。这可以设计出多种可视装置。实质上，肿瘤的轮廓是优化过程中最重要的参数当剂量仅在肿瘤内传输而不在肿瘤外传输时，自动到达与束缚相关的其它区域。第二最重要的参数是在目标体积中的剂量的同一性，并且第三重要优化参数是用于实现剂量分布的导管的数量。由于导管参数(数量、形状和在目标区域的分布)限定了剂量的形状和同一性，当优化剂量图案时，在当前时间之前的更宽意义上的导管的优化可以是相关的。连续方法将会方便该优化以及所确定最佳剂量分布的实际实现。尽管已经参照发射源的通过导管的连续移动而描述了该过程，但是，应该理解的是，为了在一些情况中获得最优剂量分布，有必要或者可能理想的是，在导管中的一个或多个点处使发射源中止或者停止一段短的时间段。一种另选的方法可以是发射源通过导管“缓慢”移动的概念。在最小化所规定的剂量与接收剂量之间的错误的方面，用于剂量分布的数学模型以及优化问题的设置可以如下推导，即，允许发射源在导管中具有最佳的缓慢分布方式(或者其往复运动的速度)。考虑具有η个导管的系统，每个导管都包含具有恒定活动性a的移动放射性发射源，并且其中，已知导管的在3D空间(x，y，z)中的几何形状。使Si (1)是距离发射源的开始位置的距离1处的第i个导管内的发射源的缓慢性。 缓慢性是发射源的速度的倒数Si(I) = IAi(I)0 Ai(I) =BXsi(I)是用于第i个导管的活动性的分布。为了解释Ai(I),注意Ai(I) Δ1 =aAti，其中，Δ ti是发射源移动距离Δ1 所需的时间间隔。假设对于每个导管来说我们具有坐标转换(X，1，z) =Ti(I),则发射源的位置可以在3D空间中被确定为1的函数。在一定点处通过3D矢量(X，Y，Ζ)给出的剂量可以计算为Cli(X5YjZ) = / (1/Γ 2(1,Χ, Y,Z)) XAi(I)cIl = aX f (l/r/(1, Χ, Y, Ζ)) X Si (1) dl， (1)其中，Αα,Χ,Υ,Ζ)= Il Ti (1)-(X，Y，Ζ) Il (II. Il 是欧几里得(Euclidian)标准) 是由3D矢量Ti (1)和(X，Y，Z)给予的点之间的距离通过有限级数(finite series，序列)表示Si (1)，从而来进行等式(1)的离散Si(I) =Σ CijX Fj(I), i = 1, ...n，j = l，...m(2)其中，Vj(l)是优先(prior) i的已知基础函数，并且Cij是未知的系数。注意， Fj(I)可以具有正值和负值，以确保准确地描述Si(I)。在形式O)中使用级数(序列)表示的实例来自于所有的物理领域。基础函数的选择可以是相对任意的，前提是足够正确表述是可能的。作为基础函数的好的选择，可以使用诸如切比雪夫盖根堡、雅可比、勒让德、拉盖尔、厄密多项式的正交多项式的系统。此夕卜，可以使用诸如德尔塔函数、线性和分步函数的基本函数，或者诸如sine函数的更光滑函数、高斯函数，样条函数和B-样条函数的基础函数。函数可以是或者可以不是严格正交的。然而，函数的选择将会决定表述的准确性并且将会影响表述的构件的足够的数量。后者对于优化问题的范围是重要的因素。在用于剂量的等式⑴中，利用级数(序列)来表示缓慢性Cli (X，Y，Z) = aX / (l/r/(1，X，Y，Ζ)) X Σ CijX ￥j(l)dl=Σ CijX [aX f (l/if (1，X，Y，Ζ)) X Ψ」(1) dl]
=Σ CijXqij(X5YjZ),, (3)其中，qiJ(X，Y，Z) = aX / (l/ri2(l，X，Y，Z))X Vj(I)Cll (4)是被第i个导管传输的第j个“基本”剂量。如果可能的话，qij(X，Y，Z)的值可以是使用数值积分(numerical integration)方法或者分析公式而预先计算出来的。通过第i个导管传输的总剂量是采用系数的m个基本剂量的总和。假设(X， Y，z)属于限定了规定剂量D(X，Y，Ζ)的区域的离散组Ω。短程治疗优化问题可以限定为找出使规定的剂量分布和计算出的剂量分布之间的差距最小化的这种系数 Cij (根据Ω)。在获得Cij以后，经由(2)计算缓慢性，并且将发射源的速度确定为1的函数 (用于每个导管)。数学上，优化问题可以如下限定
权利要求
1.一种放疗传输系统，用在实现动物体的预定解剖部分的放疗中以传输指定的空间剂量分布，所述放射治疗系统包括多个导管，被设计成位于所述解剖部分中，每个导管为至少一个能量发射源限定了至少一个路径；放射传输装置，用于利用预定速度曲线以连续运动方式沿所述路径移动所述至少一个能量发射源使其沿所述相应路径的至少一部分通过所述导管中的每个导管，所述速度曲线是通过解决为了描述空间剂量分布的函数而限定的三维中的优化问题而确定的。
2.根据权利要求1所述的放疗传输系统，其中，描述空间剂量分布的所述函数至少取决于导管的数量、发射源活动性函数、发射源速度、发射源路径。
3.根据权利要求2所述的放疗传输系统，其中，基于基础函数和相关系数，利用主分量分析而求解描述空间剂量分布的所述函数。
4.根据权利要求3所述的放疗传输系统，其中，使用低阶基础函数来求解所述空间剂量分布函数，优选地，低阶的三至七基础函数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的放疗传输系统，还包括计算单元，所述计算单元设置成基于相关计算算法来求解所述优化问题。
6.根据权利要求5所述的放疗传输系统，其中，所述相关计算算法包括用于限定所述速度曲线的允许值的标准。
7.根据权利要求6所述的放疗传输系统，其中，所述计算算法设置成允许所述发射源的连续移动与所述发射源的至少一个驻留位置之间的结合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的放疗传输系统，其中，在所述连续移动期间，所述放射传输装置以可变化速度沿所述路径移动所述至少一个能量发射源通过所述导管中的一个导管的至少一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的放疗传输系统，其中，所述治疗传输装置的每个路径具有沿所述路径的限定的开始位置与结束位置，并且所述至少一个能量发射源以限定速度曲线在沿所述路径的所述开始位置与所述结束位置之间移动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的放疗传输系统，其中，用于特定导管的限定速度曲线与所述导管的放射剂量分布是反向对应的。
11.根据前述权利要求中一项或多项所述的放疗传输系统，其中，所述多个导管是中空针。
12.—种放疗治疗计划系统，用在实现动物体的预定解剖部分的放疗中，其利用具有相应路径的布置在三维中的多个导管以容纳至少一个发射源，所述放射治疗计划系统包括输入装置，用于接收与待治疗的解剖部分相对应的图像数据；治疗计划装置，用于产生用来实现所述放疗的放射治疗计划，所述治疗计划包括的信息至少关于在所述待治疗的解剖部分中的所述导管的数量、位置和方向；以及期望的空间放射剂量分布，其中，所述治疗计划装置产生放射治疗计划，其中，所述至少一个能量发射源利用一速度曲线以基本连续的运动沿着所述相应路径的至少一部分移动通过所述导管，通过解决在为了空间剂量分布函数限定的三维中的优化问题来确定所述速度曲线。
13.根据权利要求12所述的放疗治疗计划系统，其中，基于基础函数和相关系数利用主分量分析而求解所述空间剂量分布函数。
14.根据权利要求13所述的放疗治疗计划系统，其中，利用低阶基础函数来求解所述空间剂量分布函数，优选地，低阶的三至七基础函数。
15.根据前述权利要求12至14中任一项所述的放疗治疗计划系统，还包括计算单元， 所述计算单元设置成基于相关计算算法来求解所述优化问题。
16.根据权利要求15所述的放疗治疗计划系统，其中，所述相关计算算法包括用于限定所述速度曲线的允许值的标准。
17.根据权利要求16所述的放疗治疗计划系统，其中，所述计算算法设置成允许所述发射源的连续移动与所述发射源的至少一个驻留位置之间的结合。
18.根据前述权利要求12至17中任一项所述的放疗治疗计划系统，其中，所述治疗计划装置产生放射治疗计划，其中，所述至少一个能量发射源以可变速度沿所述路径移动通过所述导管中的一个导管。
19.一种用于产生用在实现动物体的解剖部分的放疗中的放射治疗计划的方法，其中， 多个导管沿三维中一确定方向插入到所述解剖部分中，每个导管限定了用于至少一个能量发射源的路径，使用放射传输装置，所述至少一个能量发射源能够沿所述路径移动通过所述导管，所述治疗计划包括的信息关于在待治疗的解剖部分内的所述导管的数量和对应方向；对于所述一个或多个导管中的每个导管的用于所述至少一个能量发射源的一个或多个速度曲线；根据所述能量发射源的用于所述导管中的每个导管的空间放射剂量分布，所述能量发射源沿所述路径根据所述速度曲线而移动通过所述导管的至少一部分，其中，所述方法包括如下步骤通过求解在为了空间剂量分布函数而限定的三维中的优化问题来确定所述速度曲线。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述至少一个能量发射源的在沿所述路径的一特定位置处的速度曲线与所述能量发射源在所述位置处的放射剂量贡献是反向对应的。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述治疗计划包括所述发射源的连续移动与所述发射源的至少一个驻留位置之间的结合。
22.—种计算机程序产品，包括用于使处理器执行根据前述权利要求19至21中任一项所述的方法的步骤的指令。
23.根据权利要求22所述的计算机程序，设置成输出数据或者包括用于控制放射传输装置的指令，以便利用预定速度曲线以连续运动方式沿所述路径移动所述至少一个能量发射源使其沿所述相应路径的至少一部分通过所述导管中的每个导管。
全文摘要
本发明涉及一种放疗传输系统，用于实现动物体的预定解剖部分的放疗中，其中，放射传输装置利用预定速度曲线以连续运动方式沿所述路径移动所述至少一个能量发射源使其沿所述相应路径的至少一部分通过所述导管中的每个导管，所述速度曲线是通过解决为了描述空间剂量分布的函数而限定的三维中的优化问题而确定的。本发明还涉及一种放疗治疗计划系统以及用于产生用在实现动物体的解剖部分的放疗中的放射治疗计划的方法，其中，放射源连续移动通过该解剖部分。
文档编号A61N5/10GK102458577SQ201080035930
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者安德烈·布朗尼科夫, 扬·威廉·胡贝特·梅杰斯 申请人:核通有限公司