放射疗法治疗计划和递送的系统和方法与流程

本发明涉及用于基于粒子的放射疗法治疗计划和递送的系统和方法。

背景技术：

在基于粒子的放射疗法治疗中，用诸如质子的带电粒子照射患者。控制粒子，使得粒子将其大部分能量沉积在患者的特定深度，从而覆盖整个靶点。同时，一些能量将沿着通向靶点的路径沉积。每个粒子将在其路径的端部在所谓的布拉格峰中沉积其大部分能量。可以通过调整粒子的动能来控制患者体内布拉格峰的深度。可以使用电磁体控制布拉格峰的横向位置以使聚焦束偏转。这允许在患者体内良好控制的位置处递送高度局部化的剂量。由动能和射束的横向偏转的某种组合递送的剂量称为点。递送到点的粒子数量通常称为点权重。通过在三维空间的许多不同位置提供点，可以用所需的剂量分布完全覆盖靶区。此过程称为主动扫描离子束治疗，也称为笔形束扫描。

点的动能通常但不一定分布在许多离散的能量上。一组具有相同动能但横向偏转不同的点通常称为能量层。为了覆盖患者体内的期望区域，定义了不同的能量层，以使得特定能量层的粒子将其能量沉积在患者体内的特定深度处。选择能量层，使得布拉格峰将分布在待治疗的区域上。

通过优化在治疗计划系统中确定每个能量层的点权重，并且点权重被迭代地改变以实现与剂量水平或其他相关量有关的期望目标或约束。允许点权重随射束自由变化的情况称为强度调制质子治疗(impt)。

在基于光子的放射疗法中，更难以精确地控制光子将在何处沉积其能量。因此，通常使用大量来自不同角度的射束照射患者。这样，所有射束将在靶点中沉积剂量，而沉积到任何中间组织的剂量将受到限制。通常，放射疗法治疗装置包括能够在患者周围旋转以从不同角度甚至在运动过程中连续照射的机架。其中通过多个射束从不同方向照射患者的这种治疗方法被称为弧疗法或多弧疗法。在质子治疗中，已经提出使用弧治疗，但是尚未在临床上使用。

质子弧疗法涉及以来自不同角度(例如10个或更多、50个或更多或100个或更多个角度)的大量射束的序列进行照射，每个角度具有多个能量层，例如多达20个能量层。每个能量层之间以及每个角度之间的调整需要时间。弧既可以作为多个独立的射束来递送，也可以通过连续移动的弧来递送。在后一种情况下，根据我们从光子弧疗法中所知，射束将作为控制点。在下文中，如果弧是连续的，则术语“射束、射束方向或射束角”同样可以由术语“控制点”代替。总是希望减少递送时间，同时仍然保持高质量的计划，其确保对患者的有效治疗。

beaumont,xuanfengding等人在《intjradiationoncolbiolphys》(国际放射肿瘤学·生物学·物理学杂志)2016年96卷第5期第1107-1116页提出了一种用于质子弧治疗的迭代方法，该方法包括每次迭代中的控制点重采样、能量层重分布、能量层过滤和能量层重采样。每个控制点对应一个射束。定义了少量控制点，每个控制点都有多个能量层，并且优化了计划。然后，通过用一对相邻的子控制点替换一个原始控制点来拆分控制点，并且在再次优化计划之前，在子控制点之间将原始控制点的能量层拆分。具有低权重的点可以被过滤掉。可以将此过程重复多次。国际专利申请wo2017/156419也公开了弧疗法计划方法，其中通过在初次计划优化之后执行的单独的过滤过程来减少能量层的数量。可以将计划优化和能量层过滤的序列重复多于一次。

在基于光子的放射疗法和被动散射的质子放射疗法中，通过使用准直仪限制从每个角度照射的能量密度。为了避免针对每个角度制造特定于射束的孔径，自适应孔径通常用于光子治疗中。在质子治疗中已经提出使用自适应孔径，但并不普遍。在主动质子治疗中，主动引导质子以覆盖靶点，并且不需要孔径来限制初始能量密度。但是，根据装置，每个射束的横向边缘或多或少是锐利的，但是在横向边缘总会有一个模糊的区域，称为半影。为了获得更锐利的边缘，可以使用孔径。质子治疗中的孔径通常是患者和射束特定的，并且制造成本高。在弧疗法中，使用特定于射束的孔径将意味着制造大量的孔径，并且还将意味着改变用于弧内的每个射束的孔径，这既昂贵又过度耗时。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种具有缩短的递送时间的高质量治疗的基于粒子的弧放射疗法治疗计划。

本发明提出了用于计划基于粒子的放射疗法的方法，以及计算机程序产品和用于递送这种治疗的设备。特别地，本发明的方法提出了一种在保持计划质量的同时减少计划中使用的能量层数量的方法。

本发明涉及一种放射疗法治疗计划的方法，用于创建使用布置成从多个不同方向以带电粒子形式递送辐射的装置来向患者递送至少一个基于粒子的弧的计划，所述方法包括以下步骤：

a.确定包括射束角集合的至少一个弧轨迹

b.针对每个射束角确定能量层集合

c.使用设计成产生合适剂量分布的优化问题公式来优化所述计划，以使所述计划将仅使用分别来自所述射束角集合和所述能量层集合的射束角子集和能量层子集，

其中，所述优化受到设计成限制能量层数量的惩罚。

根据本发明的方法和系统使得能够优化基于粒子的弧疗法治疗计划，从而导致能量层数量少，同时仍确保计划质量。根据本发明，这可以通过单个优化来实现。尽管可能会花费更多时间，但也可以迭代执行优化。

疗法治疗计划可以包括通过弧或通过多个射束从多个不同方向以带电粒子的形式递送辐射。惩罚可以被定义为优化中使用的目标函数中的约束或项。

可以以能量层数量来表示惩罚。最小化使用的能量层数量减少计划递送时间，因为在不同的能量层之间进行改变非常耗时。可替代地，可以以相邻角度之间的能量层改变的数量来表示惩罚。例如，这将能够在改变射束角度时保持能量层，从而节省时间。也可以以能量层数量和能量层改变的数量来表示惩罚。

惩罚可以被定义为作用于整个弧上或作用于弧的一个或多个子集上，每个子集包括一个或多个射束。

为了进一步改善优化，可以使用鲁棒的优化方法来解决在计划递送期间可能发生的不确定性。

根据优选实施例，该方法还包括以下步骤：在射束轨迹中应用波纹滤波器，并控制波纹滤波器以合适的方式扩展粒子的布拉格峰，以使得能够进一步减少创建鲁棒计划所需的能量层。布拉格峰的扩展用于加宽每个能量层，从而进一步减少了所需的能量层数。

本发明还涉及一种用于控制放射疗法计划装置的计算机程序产品，其优选地存储在诸如非暂时性存储装置的载体上，所述计算机程序产品包括计算机可读代码装置，当在放射疗法计划装置的处理器中运行时，所述计算机可读代码装置将使得所述装置执行上述方法。

本发明还涉及一种放射疗法治疗计划装置，其包括处理器和保存根据上述的计算机程序产品的程序存储器，该计算机程序产品被布置为在处理器中运行以控制放射疗法治疗计划装置。

根据优选实施例，该方法还包括以下步骤：限定并应用对于每个射束或能量层特定的孔径，以将每个射束或能量层限制在其适当的横截面。这用于使每个束的横向半影变得锐利。

在一些实施例中，自适应孔径用于限制每个束方向的半影。在wo2017/082984(其描述了可从mevion获得的系统)中公开了一种用于粒子治疗系统的自适应孔径。尽管可以在根据本发明的方法和装置中使用该孔径，但是在现有技术中未预见到这样的使用。当然，在本发明的上下文中可以使用适合于使用带电粒子进行放射疗法治疗的任何可用的自适应孔径。例如，它可以是常规用于基于光子的放射疗法的类型，即，多叶准直器(mlc)，但是适用于离子疗法。

附图说明

下面将通过示例并参考附图更详细地描述本发明，在附图中

图1示出了其中可以应用本发明的放射疗法治疗系统

图2示出了接受弧治疗的患者的简化截面图

图3是根据本发明的可能方法的流程图

具体实施方式

图1是用于放射疗法治疗成像和/或计划的系统的概述。将会理解，可以以任何合适的方式来设计这样的系统，并且图1所示的设计仅是示例。将患者11放置在治疗床13上。该系统包括治疗单元10，该治疗单元10具有安装在机架17上的辐射源15，用于向位于床13上的患者发射辐射。通常，床13和机架17可以相对于彼此在若干维度上移动，以尽可能灵活和正确地向患者提供辐射。特别是，机架可以围绕床旋转，既可以在某些角度之间旋转，也可以完全360°旋转。可替代地，可以将机架固定并且可以使承载患者的床旋转。另一种替代方案是让患者坐在椅子上。在这种情况下，可以通过改变射束方向或旋转椅子来进行弧治疗。这些部分是技术人员熟知的。该系统还包括计算机21，其可以用于放射疗法计划和/或用于控制放射疗法。将会理解，计算机21可以是不连接至成像单元的单独的单元。

计算机21包括处理器23、数据存储器24和程序存储器26。优选地，还存在一个或多个用户输入装置28、29，其形式为键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置或任何其他可用的用户输入装置。用户输入装置还可以被布置为从外部存储单元接收数据。

数据存储器24包括临床数据和/或用于获得治疗计划的其他信息，包括用于计划的临床目标集合。数据存储器24还包括要在根据本发明的实施例的治疗计划中使用的用于一个或多个患者的一个或多个剂量图。程序存储器26保存其本身已知、布置用于治疗计划优化的计算机程序。程序存储器26还保存被布置为使计算机根据本发明控制患者的治疗的计算机程序。

将理解，仅示意性地示出和讨论了数据存储器24和程序存储器26。可能有若干个数据存储单元，每个数据存储单元都保存一种或多种不同类型的数据，或者可能有一个数据存储器，其以合适的结构方式保存所有数据，并且对于程序存储器也一样。一个或多个存储器也可以存储在其他计算机上。例如，计算机可以仅被布置为执行方法中的一种，存在另一台计算机用于执行优化。

图2是具有要被照射的肿瘤33的患者31的简化图。示出了三个不同的射束，每个射束从不同的角度到达肿瘤，第一射束由虚线表示，第二射束由点线表示，第三射束由点划线表示。仅为了清楚起见，射束的数量限制为三个。如上所述，常规的多弧治疗涉及用于单个治疗的序列中的大量射束，通常超过10个，每个射束具有多个能量层。本发明旨在在保持计划质量的同时减少序列中的射束数量和/或能量层数量。

在图2中可以看出，从不同角度看，肿瘤的横截面非常不同，在该示例中，第一射束的宽度w1明显大于第二射束的宽度w2。因此，如果要使用孔径，则优选使用不同形状的孔径以使每个不同的射束适应相关的横截面积。这可以通过使用动态自适应孔经来实现。

图3是本发明方法的实施例的流程图。

在步骤s31中，以任何合适的方式获得弧轨迹。弧定义了可以布置射束方向的角度区域，以及每个射束的方向。这可以通过不同的方式完成，包括

a.检索预定义的轨迹

b.用户定义轨迹

c.在考虑机器限制(例如机架和床限制以及与患者的潜在碰撞)的同时，基于患者的几何形状自动创建特定于情形的弧轨迹。

在步骤s31中检索、定义或创建的轨迹通常由弧轨迹内的起始角和终止角以及射束角集合定义。代替定义离散射束角，可以使用连续射束。可以通过机架和/或治疗床或椅子和/或准直仪的旋转来获得不同的射束角。该方法还可以包括机架或床或椅子的平移。

在步骤s31的替代c中，可以通过例如基于患者的几何形状分别优化轨迹来实现自动创建。另外，此自动创建可能是计划优化过程的一部分。例如，可以通过在计划优化过程中使用轨迹的角度作为变量来优化预定义的轨迹，以便可以在本地使用它们。另一选择是，以与基于基数约束选择能量层的常规方法类似的方式，从大量可能的轨迹开始，并基于例如基数约束来选择最佳轨迹。将在下面说明基数约束的概念。

在步骤s33中，定义针对每个射束的能量层集合。对于笔形束扫描治疗方法，还定义针对每一层的点集合。射束方向和能量层的集合包括可以包括在治疗计划中的所有可能的射束方向和能量层。可以以任何合适的方式来选择针对每个射束方向的能量层集合。例如，根据以下的一项或多项，可以基于患者的身体特性来选择它们：

a.水等效路径长度(wepl)空间中靶点的中平面

b.wepl空间中靶点的远端边缘

c.将在impt中使用的能量层的完整集合。

对于所有射束角也可以选择相同的能量层集合，基于该能量层集合，需要能量来从所有射束角覆盖wepl空间中靶点的不同部分。这使得能够减少射束角之间的能量层改变的数量，因为在改变射束角时总是可以避免能量层的改变。

如果弧包括大量角度，则可以在每个能量层的初始点图案的设置中利用这一点来增加点间距，从而减少点总数，这将导致减少的表面剂量。

将布拉格峰放置在靶点内或紧邻靶点的一种替代方法是使用更高的能量，使得布拉格峰将被放置在患者体内的靶点后方，或者甚至可以实现穿透患者。高能量将导致靶点的半影锐化。随着射束的旋转，靶点外侧的下游剂量将被涂抹掉。在该替代方案中，单个能量层可用于所有角度，以实现最短的可能治疗时间。在该替代方案中，可以潜在地以来自每个方向的均匀能量密度来实现治疗。可以通过对于特定方向的所有点具有均匀权重的扫描机或通过散射系统来实现这样的均匀能量密度。然后减少优化以从每个方向改变均匀能量密度的权重。

在步骤s34中，基于在步骤s31和33中定义的射束方向和能量层的集合来优化治疗计划。在优化问题中，对能量层数量和/或能量层改变的数量和/或射束数量设置一个或多个惩罚。在下文中，使用单数形式的“惩罚”，但是应当理解，可以一起应用多个惩罚。惩罚可以被定义为约束，以设置绝对限制，或者被定义为目标函数中的项，以反映希望尽可能限制能量层数量。可以根据限制能量层数量、限制治疗期间能量层的变化的数量或以确保优化算法将系统地减少在治疗递送期间花费在能量层之间的改变的时间的任何其他合适方式来定义惩罚。

优化可以从射束角和能量层的完整集合开始，使得优化过程将通过去除对计划贡献最小的射束角和能量层来减少射束角和能量层数量。可替代地，优化可以从没有射束角和能量层开始，并且优化过程将继续以添加对计划做出最有用贡献的射束角和能量层。在两种情况下，所考虑的射束角和能量层都是步骤s31和s33中定义的束角和能量层。将在下面讨论两种类型的优化方法的一些更具体的示例。

可以将惩罚设置为作用于整个弧，从而将每个弧的能量层数量限制为最大值。可替代地，可以设置惩罚以分别作用于每个角度，以设置每个射束的能量层的最大数量。作为第三选择，可以定义其中每个均包含弧的子集的子弧，并且可以设置惩罚以限制每个子弧的能量层数量。如果根据目标函数设置惩罚，则同样适用。子弧可包括任何合适数量的连续束，例如，三个或五个，但是子弧也可仅包括一个射束。

特别地，如果指定惩罚以限制能量层改变的数量，则将惩罚设置到整个弧或包括一个以上角度的子弧将是合适的。这是因为在这种情况下，这种惩罚可以通过将一个射束中的最后一个能量层用作下一射束中的第一能量层来避免在两个射束之间改变能量层。

可以通过引入下述函数y来以数学方式制定能量层选择惩罚：r^m→rⁿ，其将点权重x∈r^m(在所有能量层和角度上定义)的向量映射到每个角度上每个能量层的使用量的某种度量。分量函数y1,....,yn优选地被定义为使得如果在索引i处的能量层和角度的组合具有任何权重为正的点，则yi(x)为正，否则为零。分量函数yi的一种可能公式为与某个能量层和角度相关联的子向量xⁱ的范数||xⁱ||。对每个弧的最大能量层数的惩罚可以用这种表示法表示为card(y)≤b，其中，基数运算符card(·)表示向量的非零项数。对于y的子向量，类似地制定了对子弧或各个角度的约束。以下将这些惩罚称为基数惩罚。

优化问题中的目标函数和约束应该能够对不同的数量进行优化，该不同的数量最重要的是剂量和与let相关的数量，诸如let和剂量加权的let。(如果在优化中考虑，则使用质子弧可以比普通impt更有效地将let(线性能量转移)聚焦在靶点内部。)

可以通过混合整数编程方法来解决具有基数惩罚的优化问题。启发式方法也可以用于计算问题实例的近似解，这些问题实例太大以至于无法通过计算处理。适用于能量层选择的启发式方法的示例包括但不限于：

a.连续逼近法：这种方法将从射束和能量层的完整集合开始，并在优化过程中去除一些。在这里由连续函数近似基数运算符，从而消除了问题的组合方面。可以通过一些用于连续优化的方法来解决由此产生的近似问题，诸如内点法或顺序二次规划法。将基数惩罚问题转化为连续问题的一种可能的重新表达方式是，将基数运算符表示为根据card(y)＝∑is(yi)的阶跃函数s的总和，其中，s对非正数求值为零，否则为1，然后用连续但近似的阶跃函数代替精确函数s。可以用于近似s的函数的示例是逻辑函数或误差函数，或者仅是正数部分函数。可以逐步应用该方法，以便执行多次优化，并且在优化之间提高阶跃函数逼近的精度，直到考虑到基数惩罚结果是可接受的为止。如果将基数惩罚公式化为约束条件，则表示满足约束条件。如果将基数惩罚公式化为目标函数中的一项，则该项将最小化。贪婪或反向贪婪方法：贪婪方法以选定的能量层和角度组合的空集合开头。然后，将能量层和角度的组合一一添加到该集合中，基于该组合，可以最大程度地改善当前解。此过程将继续进行，直到一个或多个基数惩罚阻止进一步添加。可以通过对每个当前未选择的组合执行点权重优化来确定在给定的迭代中要添加哪个能量层和角度，其中，将未选择的组合添加到选择组合的当前集合中。为了速度的考虑，可以将在贪婪方法的每个主要迭代中解决的许多点权重优化子问题中的最大迭代次数设置为一个较小的值。反向贪婪方法与贪婪方法相似，不同之处在于所选能量层和束角度的集合在优化开始时包含所有可能的组合。然后，在每次迭代中将导致当前解降级最小的组合丢弃，直到选择的能量层和角度的集合针对所有基数惩罚可行为止，也就是说，根据如何定义惩罚来实现或最小化惩罚。

b.列生成方法：这是贪婪或反向贪婪方法的一种变体，其中，基于梯度信息(例如，将目标函数和约束考虑在内的优值函数的梯度大小)来确定要添加或除去的能量层和角度的选择。列生成方法的运行时间比原始贪婪方法的运行时间短，因为梯度计算的成本比优化方法的成本低。

c.随机方法：基于对选定的能量层和角度的集合的随机变化的大量不同的启发式方法可用于执行能量层选择。示例包括但不限于模拟退火方法、随机交换方法、遗传方法和禁忌搜索方法。通常，如果对所选能量层和角度的当前集合的随机改变改善了当前解，则将其保留。也可以以一定的概率保留导致当前解降级的改变，以防止当前解陷入局部而非全局最优状态。

d.整数舍入方法(点过滤方法)：在该方法中，在点权重优化过程中忽略基数惩罚。然后，选择一个点子集，将该点子集的点权重截断为零，以便优化解尽可能少地退化，同时还满足基数约束。可以逐步应用该方法，以便执行多次优化，并且在优化之间删除点的小子集，直到基数约束满足或最小化为止，这取决于其制定方式，如上所述。

不同的启发式方法可以优选地彼此组合。例如，在迭代之间应用整数舍入方法以滤除点和/或能量层时，多次求解连续逼近是可行的。另一种可能性是并行利用几种不同的启发式方法，然后丢弃除最佳解或最佳解子集以外的所有解。

点过滤方法可以如本领域中已知的那样过滤掉低权重的点，但是可以附加地用于减少退化。例如，如果在同一点有许多布拉格峰或有彼此非常靠近的许多布拉格峰，则某些点可能会被滤除。点过滤方法也可用于提高计划的鲁棒性。例如，可以去除使得密度或设置错误将导致计划质量的损失而放置的布拉格峰，例如，与关键结构相邻的布拉格峰，以及如果发生错误会进入这些布拉格峰的风险。类似地，由于在wepl中具有较大变化路径(例如，通过std(wepl)/wepl指数量化)的离子产生的布拉格峰也可以被删除，因为当诸如设置和范围不确定性错误等的错误产生时，这些离子的剂量贡献会发生很大变化。

通过应用以下任一方法，可以额外地将相邻角度的能量层合并为一系列角度上的同一能量层集合(或单个能量)：

a.旨在减少相邻角度之间的能量转换次数的优化目标，

b.能量层过滤步骤中的算法，其使用了对于何时可以合并相邻角度的能量层的限制。

终点可以是对于弧中的所有角度具有单一能量集合(或单一能量)，或者对于一系列角度(即，在子弧中)具有同一能量集合。如果能量层集合中的能量层总数很低，则可以通过多个连续的单个能量弧进行递送。

步骤s35是可选步骤，其中，定义每个束的特定于射束的孔径以将每个射束限制在其适当的横截面。在对患者进行治疗期间，治疗过程由存储在治疗装置的程序存储器26中的程序控制。在该过程中，可以通过控制自适应孔径的孔径来实现在步骤s35中限定的特定于射束的孔径，所述自适应孔径诸如是可以从mevion获得并且在wo2017/082984中描述的自适应孔径。如果孔径是动态的，则进一步可能的改进是针对每个能量层调整孔径开口。得到的优化和改进的计划被存储在治疗装置的数据存储器24中。

步骤s36是可选步骤，其中，在射束轨迹中应用波纹滤波器，并控制波纹滤波器以合适的方式扩展粒子的布拉格峰，以使得能够进一步减少创建鲁棒计划所需的能量层。当意欲将布拉格峰放置在靶点后面以实现锐利的半影时，波纹滤波器还可用于在风险器官中实现更高剂量的涂抹。

为了进一步减少对周围组织的损害，可以将所描述的优化方法与以下方法相结合，在该方法中，建立在不同日期递送的不同治疗部分上递送相似弧的计划。不同的弧包括不同的射束角，因此以相同的方式覆盖靶点，但是对于不同的部分，通过患者到肿瘤的方式是不同的。

使用诸如质子之类的带电粒子的放射疗法使得能够优化高度精确的计划。反过来，这意味着小误差(例如在设置中)可能会对递送的剂量产生较大的影响。因此，根据本发明所使用的优化方法应当优选是鲁棒的优化方法。当能量层数量减少时，这一点变得更加重要。对于不同的不确定性，该方法应具有鲁棒性，以确保即使在递送中存在不确定性(例如范围和设置不确定性)的情况下也能保持计划质量。作为鲁棒性优化方法的替代方法，一种旨在针对每个角度(在正常的主动扫描计划优化中比较sfud(单场均匀剂量))或每个角度集(每个子弧)创建均匀剂量的方法将是合适的。如果希望每个角度的能量层数量少，则最可行的解决方案是旨在使每个子弧剂量均匀。

所描述的方法可以用于所有类型的主动扫描，包括点扫描、光栅扫描和线扫描。就递送时间而言，结合质子弧疗法的线扫描的实施方式将是有益的。该方法适用于计划人类的治疗，也适合计划用于临床前试验的小动物(诸如，小鼠)的治疗。只要在优化过程中包括的生物(rbe)模型中考虑了不同离子类型的不同生物效应，则所描述的方法对于质子以外的其他轻离子也同样适用，诸如氦、碳和氧。