用于放射疗法治疗的静态设备以及这种设备的设计方法与流程

1.本发明涉及一种用于放射疗法治疗的无源设备以及设计这种设备的方法。


背景技术：

2.在基于离子的放射疗法治疗中，利用质子束或一些其他类型的离子对患者进行照射。基于离子的治疗是有利的，因为通过控制离子的能量和方向，能够以高精度控制每一离子沉积其能量的体积。实现均匀或非均匀照射场的一种常见方式是使用笔形束扫描，其中不同方向和能量级的许多小的束被引导向目标内的不同点。术语笔形束扫描包括许多不同的扫描方法，诸如点扫描、或线扫描或栅格扫描。
3.然而，在一些情况下，期望使用具有单能的静态宽束结合用于对场进行定形的不同类型的有源或无源设备来对场进行定形和调制。
4.众所周知，在基于离子的放射疗法中，通过提供由衰减离子能量的材料制成的变化厚度的元件，使用诸如补偿器的无源设备来控制离子的最大范围，从而根据补偿器的厚度来缩短离子的路径。
5.离子沉积其大部分能量的点被称为布拉格(bragg)峰，并且在离子轨迹的末端附近被很好地定义。除了借助于补偿器影响布拉格峰的位置之外，用于在深度方向上扩展布拉格峰以实现在目标体积上的均匀剂量覆盖的设备是已知的。为了实现这一点，通常使用具有不同厚度区域的旋转盘，并且已经使用了大约每秒30转的旋转速度。其他设备包括波纹滤波器，也称为脊形滤波器，这是包括具有规则脊形图案的盘的设备，其将调制束以在深度方向上扩宽布拉格峰。
6.近年来，flash疗法已经引起了人们的兴趣，因为它承诺以更短和更少的分数进行有效的治疗，并具有附加的益处，因此节省了医院资源，并且从患者的角度来看也更有效。在flash疗法中，以非常高的剂量率的非常短的脉冲进行治疗照射，通常以40gy/s或更高的剂量率在几分之一秒内进行。时间方面对于实现与flash治疗相关联的优点是至关重要的。以如此短的时间，利用扫描束的治疗必须在一个单一的能量级进行，因为能量级的每一次变化都需要一秒的数量级。因此，传统的笔形束扫描方法不起作用。此外，在传统无源疗法中使用旋转盘来创建展开的布拉格峰也将是不可行的。
7.simeonov et al.:3d range-modulator for scanned particle therapy:development,monte carlo simulations and experimental evaluation；2017phys.med.biol.62 7075(西蒙诺夫(simeonov)等人：用于扫描粒子疗法的3d范围调制器：开发、蒙特卡罗(monte carlo)模拟和实验评估；2017 phys.med.biol.62 7075)，提出了一种静态元件，该静态元件包括有效地用作补偿器的变化厚度的盘，并且在该盘的表面上布置有多个具有明确形状和不同长度的细销，以调制布拉格峰的必要偏移。该元件结合了补偿器和能量滤波器的功能，从而允许pbs计划在每个束仅具有单个能量层的情况下被传送，以减少传送时间。基于患者的几何形状和目标的期望剂量，借助于射线追踪结合放射路径长度的概念来设计该元件。在实践中，这涉及跟随穿过患者的多条视线，记录该线与目
标的近侧和远侧表面相交的深度。该盘部分被设计成具有变化的厚度，以充当适合于目标的远侧表面的补偿器，并且近侧-远侧距离被用于计算销的长度和形状，以使得场将覆盖整个目标。该方法使静态设备能够创建与目标的远侧和近侧边缘都符合的均匀或接近均匀的剂量分布。该设备可以通过3d打印来制造。
8.期望能够创建更复杂的剂量分布，例如，能够对重叠的场进行共同优化。
9.同在申请中的专利申请ep20192106.1公开了一种设计用于基于离子的放射疗法治疗传送的补偿设备的方法，该设备包括基本上盘形的结构，该结构在盘的一侧上包括多个细长元件。该设计方法涉及基于实际治疗计划的特性来调整细长元件中的每一个的形状，通过执行初始计划的剂量计算来确定实际计划的期望能量调制的至少一个参数特性，并且基于该至少一个参数来计算多个细长元件中的每一个的形状，以调制传送束的剂量，以模拟每个束的初始计划的剂量。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种如上所述的补偿设备的设计方法。
11.本公开涉及一种设计基于离子的放射疗法治疗传送中使用的补偿设备的方法，所述设备包括基本上盘形的结构，该结构在该盘的一侧上包括多个细长元件，所述方法包括以下步骤
12.·
获得补偿设备的模型，其属性由模型参数集合定义，
13.·
获得优化问题，所述优化问题定义计划目标，
14.·
优化计划参数集合的值以实现计划目标，该计划参数包括该模型参数集合中的参数。
15.通常，该计划参数还包括标准计划参数，诸如点权重。计划目标通常被定义为确保对目标的均匀剂量，同时不伤害其他组织，并且尤其是处于危险中的器官。获得优化问题的步骤可以包括基于当前患者解剖结构来公式化优化问题，或者使用预先公式化的优化问题。
16.获得合适的优化问题并使用它来优化补偿设备，能够如所定义的快速可靠设计补偿设备。它还能够在设计过程中考虑其他有利方面，例如鲁棒性、基于线性能量转移(let)的目标或基于相对生物效应(rbe)的目标。
17.该方法还可以包括选择用于细长主体或多个细长主体的材料。替代地，材料可以已经被预先选定。形状和材料属性的组合确定了细长元件如何影响束。细长主体通常由其基底的形状和尺寸以及其高度来定义。
18.从优化过程得到的计划可以被用作向患者传送的最终计划，或者照原样或者在补偿设备已经被设计之后的附加优化步骤之后。在后者情况下，该方法包括以下步骤：重新优化标准计划参数并考虑补偿设备的参数。这优选地在优化中不涉及补偿设备的计划参数的情况下完成。
19.为了准备生产得到的补偿设备，该方法可以包括以下步骤：基于补偿设备的计划参数获得指示每个细长元件的形状的元件形状数据，并且使用该元件形状数据来产生包括用于设计补偿设备的指令的文件。该文件可以被用于控制例如由3d打印机执行的制造过程。
20.治疗计划可以是笔形束扫描计划或宽束计划，诸如双散射计划或利用单一能量的单散射计划，即没有展开的布拉格峰。如上所述，术语笔形束扫描覆盖许多不同的扫描方法，包括点扫描、线扫描或栅格扫描。
21.本公开还涉及一种制造用于基于离子的放射疗法治疗传送的补偿设备的方法，包括执行前述任一项方法，并使用从计划得到的形状数据以产生包括用于设计补偿设备的指令的文件，并且使用该文件来控制制造。
22.本公开还涉及一种包括计算机可读代码装置的计算机程序产品，当计算机可读代码装置在计算机中运行时将使该计算机执行根据前述实施例中的任一个所述的方法。计算机产品可以包括保存该代码装置的非暂时性存储器。
23.本公开还涉及一种包括程序存储器和处理装置的计算机系统，该处理装置被布置成执行在程序存储器中找到的程序，所述程序存储器包括根据上述的计算机程序产品。
24.补偿设备适用于不同类型的基于离子的放射疗法治疗。它非常适合在flash疗法中使用，因为它是一个无源部件，其在治疗期间没有任何移动部分的情况下工作；然而，它也可以被用于常规疗法。这将能够减少治疗期间使用的能量级的数量，甚至能够仅使用一个能级实现完全的目标覆盖。
25.本文中描述的设计方法允许在设计补偿器元件时考虑到复杂的准则，因为任何期望的准则都可以被表示为初始优化问题的一部分，包括可变rbe剂量优化、let目标和束特定目标函数。因此，重叠的场的共同优化能够实现。还可以应用关于诸如患者位置和密度等因素中的不确定性的鲁棒优化，这将导致在不同场境下更可靠地工作的计划。
26.该方法还可以包括设计要与补偿器设备一起使用的通道阵列设备，所述通道阵列设备包括基本上盘形的结构，该结构包括通道阵列。
27.在一些实施例中，考虑到补偿设备的设计，通道阵列设备可以在补偿设备之后设计。在此情况下，该方法可以进一步包括
28.·
获得通道阵列设备的模型，其属性由模型参数集合定义，
29.·
获得优化问题，鉴于为补偿设备获得的计划参数，所述优化问题定义了通道阵列设备的计划目标，
30.·
优化计划参数集合的值以实现计划目标，该计划参数包括该通道阵列设备的该模型参数集合中的参数。
31.在其他实施例中，补偿设备和通道阵列设备在一个过程中一起被优化。在该情况下，该方法包括以下步骤：获得定义补偿设备和通道阵列设备一起起作用的联合计划目标的优化问题，以及优化该补偿设备和通道阵列设备的联合计划参数集合的值以实现该联合计划目标，
32.在所有实施例中，通道阵列参数的开始推测能够通过使用射线追踪方法和简单的几何考虑来获得，其中通道区域与通道的位置处的期望通量成比例。通道阵列设备可以以与补偿设备相同的方式制造，或者与补偿设备一起制造，或者在分开的操作中制造。
33.通道阵列设备的目的是减少满足计划目标所需的入射质子通量的调制量。通道的深度和大小确定了有多少入射质子穿过每个通道附近区域中的阵列设备盘。这将影响通道下游区域中的剂量。在理想的情况下，由此可能具有均匀的入射通量，并且仍然实现剂量分布，其中在没有通道阵列设备的情况下将需要横向地调制的通量。这允许第一公开的补偿
设备用于宽束照射。通道的形状和布置能够通过射线追踪方法或者通过优化方法来确定。
34.射线追踪方法将现有计划的通量作为起点应用。然后，现有计划的粒子通量分布被用于计算对于给定的入射通量再现现有计划的通量所需的通道空隙的大小和分布。
35.通常，计划参数还包括标准计划参数，诸如点权重。计划目标通常被定义为确保对目标的均匀剂量，同时不伤害其他组织，并且尤其是处于危险中的器官。附加的计划目标能够是该解决方案应该产生尽可能均匀的入射通量或者具有任何其他期望的形状。获得优化问题的步骤可以包括基于当前患者的解剖结构来公式化优化问题，或者使用预先公式化的优化问题。
36.通道阵列设备与补偿设备的组合使用允许也3d适形剂量也被传送用于宽束照射。
37.本公开还涉及一种包括计算机可读代码装置的计算机程序产品，当该计算机可读代码装置在计算机中运行时将使该计算机执行根据前述实施例中的任一个所述的方法。计算机产品可以包括保存该代码装置的非暂时性存储器。
38.本公开还涉及一种包括程序存储器和处理装置的计算机系统，该处理装置被布置成执行在程序存储器中找到的程序，所述程序存储器包括根据上述的计算机程序产品。
附图说明
39.下文将通过示例的方式并参考附图更详细地描述本发明。
40.图1图示本说明书中公开的设备的示例。
41.图2a图示如何可以将图1的设备应用于放射疗法。
42.图2b图示设备上游的入射束的剂量深度以及在患者体内产生的深度剂量分布。
43.图3a图示可以与图1中所示的设备一起使用的通道阵列设备。
44.图3b图示图3a的通道阵列设备与诸如图1所示设备的补偿器设备的组件。
45.图4是用于设计调制设备的一个方法的流程图。
46.图5是用于设计通道阵列设备的一个方法的流程图。
47.图6是用于一起设计调制设备和通道阵列设备的方法的流程图。
48.图7是其中可以实行本发明方法的计算机系统的示意图。
具体实施方式
49.图1示出根据本发明的实施例的无源调制设备10的示例。该设备包括补偿器元件11，该补偿器元件11基本上是跨其区域具有变化厚度的盘。该厚度被设计成使入射辐射场符合目标的远端。在该盘上，布置有钉形结构13的形式的多个突起，通常是与补偿器元件相同的材料。突起13通常以网格图案被放置在盘上，每一个占据盘的例如1.5
×
1.5mm2的区域。突起13具有不同的高度和形状，被选择以使得穿过该设备的束将被调制成具有以期望的方式覆盖整个目标的布拉格峰。当然，补偿器元件的大小、形状和厚度、补偿器元件上突起的布置以及它们的大小和高度应被选择成符合目标，包括合适的余量。
50.图2a示出插入在发射均匀辐射场23的辐射源21与患者25之间的图1的设备，该设备被简化示出为椭圆形并包括目标27。辐射场由设备10调制以使得辐射的能量谱在穿过设备后将创建符合目标的形状的剂量场。在图2a中，所示出的目标具有简单的近似圆形的形式，但根据本发明，也能够处理更复杂的形状。
51.图2b对应于图2a的情况。左边的图描绘了设备上游入射束的深度剂量。能够看出，大部分剂量将被沉积在一个特定的深度，对应于束中质子的能量。右边的图描绘了在束穿过调制设备10之后的深度剂量。能够看出，深度剂量具有更宽的范围，对应于遍及目标27的剂量沉积。尽管图2a和图2b示出了插入束中的调制设备10，其中突起13位于盘11的下游，但是它也可以被放置在相反的方向，即突起位于盘的上游。
52.根据本发明，通过直接优化其几何参数来优化调制设备。这些参数通常包括补偿器11的厚度以及突起中的每一个的宽度和长度。宽度和横截面形状可以在每一突起的长度上变化。像素网格图案可以作为约束被包括在优化问题中，或者可以是优化问题中的优化参数。像素网格图案定义了突起中的每一个的基底，在此处它们与补偿器11连接。替代地，每一突起的基底可以在优化中被自由地选择。
53.为每个像素设计的突起不必被成形为销或具有任何类型的对称性，尽管圆形对称性可以比更复杂的形状更容易实现。相反，它能够是从补偿器元件沿平行于束的方向延伸的任何类型的细长主体或细长主体集合。它可以在一个像素内由许多不同的突起构成，诸如长钉、销或细长片。在一个像素中延伸的一个或多个细长主体的不同分数的长度使得穿过该像素的离子将被不同地影响，从而产生吸收能量的频谱。
54.图3a示出了具有开放管道或通道阵列的通道阵列设备，其可以与图1、图2a和图2b中描述的调制设备一起使用，或者与离子疗法中使用的任何其他补偿设备一起使用。通道阵列设备优选地由高z材料制成，并且被成形为具有窄通道阵列的盘或者延伸穿过盘至每个通道特定的深度的通道。每个通道可以具有任何合适的横截面，例如圆形或方形。调谐大小以阻挡一定量的质子通量。质子的去除将导致处于浅深度的不均匀剂量。由于散射效应和束的初始发射率，随着深度增加，来自相邻通道的剂量将在通道阵列设备的更下游合并，以在目标中产生足够平滑的剂量。处于浅深度的剂量不均匀性实际上是有益的，因为它实际上增强了上游危险器官组织中所寻求的flash效应。通道阵列设备可以以任何合适的方式被设计，但是优选地通过优化来设计，这将在下文更详细地论述。
55.图3b示出与补偿设备一起使用的图3a的通道阵列设备的布置，该补偿设备可以是如上文讨论的调制设备10。在图3b中，通道阵列设备被放置在补偿设备的上游，但它还可以被放置在下游。
56.当与调制设备10一起使用时，通道阵列设备的通道可以但并非必须与调制设备的突起以相同的网格图案被放置，使得每个通道在束的方向上与一个突起的最长部分对齐。当与不包括阵列或网格图案的补偿设备一起使用时，通道可以以任何合适的方式被放置。
57.调制设备和通道阵列设备可以是如上讨论一起使用的两个分开的单元，但是它们也可以被接合在一起，或者被制造成集成单元。
58.图4是可以被用于设计调制设备10的方法的流程图。该方法的输入数据s41包括用于调制设备的计划参数集合，在一些实施例中包括盘11的厚度、突起13中的每一个的底部的形状和大小以及每个突起的长度。替代地，突起的基底的形状和/或大小可以被预定义并被添加作为约束。如上所述，突起能够具有任何合适的形状，并且甚至可以具有相对于它们的基底以及其长度的不同形状和/或大小。
59.最初，还获得了被用于优化调制设备的优化问题s42。该优化问题包括与调制设备应该如何影响入射辐射相关的目标函数和/或约束。在步骤s43中，基于该优化问题执行优
化。
60.作为示例，调制设备的优化问题能够通过以下步骤所描述的来设置：
61.·
定义笛卡尔网格(在水平和竖直方向上具有相同的间距)，该网格定义了细长主体的横向位置。
62.·
在该场内部的网格点(像素)放置细长主体。
63.·
给定细长主体具有二次基底且在某个高度被截断的棱锥体形状。
64.·
棱锥体基底的侧边等于或小于笛卡尔网格的间距。
65.·
每个棱锥体的几何形状由基底的大小、二次表面的高度和大小以及截断棱锥体的顶端来指定。
66.·
每个棱锥体被放置在代表补偿器的立体体积上。该补偿器具有与网格间距相同的基底大小和高度，其值进行优化。
67.·
在优化过程期间，棱锥体的几何形状参数是变化的，直到找到最优几何形状为止。
68.·
几何形状参数与其他参数一起优化，诸如分开地优化的点权重。
69.上面的规格是作为示例给出的。通道阵列设备能够是整体优化的一部分，或者也可以被分开地优化。用于优化的合适参数是孔的直径。
70.每个细长主体或主体集合的得到的形状数据s44可以被用于三角测量，以产生cad文件，该cad文件可以被用于例如通过3d打印来生产补偿设备。替代地，可以执行一些附加的优化步骤s45，以在生产得到的补偿设备之前对其进行改进，即，通过在s46中输出最终形状数据之前考虑来自细长体的可能的散射。
71.在确定每个束的补偿设备的几何形状之后，可以包括一个或多个其他附加优化步骤，执行最终的pbs重新优化，在该重新优化中考虑补偿设备的固定几何形状。这将有助于进一步调谐计划。最终优化是利用每个计划的单个能量层来执行的。该最终优化能够包括多个束和任何类型的高级目标函数，诸如与rbe剂量、let或鲁棒性相关的函数。
72.替代地，能够利用多个能量层来进行附加的优化。如果补偿设备的设计和效应是完美的，那么所优化的计划应该将所有的权重放在单个能量层中。如果层权重分散超过某个极限，则该数据能够被用于调整补偿设备的几何形状。能够迭代该过程，直到补偿设备的几何形状在迭代之间稳定。类似的方法应该可能应用于无源计划的标准补偿器的优化。
73.如上所述，得到的调制设备可以被用于对任何类型的基于离子的放射疗法治疗的场进行定形和调制。特别地，它将能够减少所使用的能量层的数量，使得治疗的传送更快。优选地，通过设计细长主体使得它们确保从一个场覆盖整个三维目标，能够进行仅使用一个能量层的传送。
74.图5是可以被用于设计通道阵列设备31的方法的流程图。在该实施例中，通道阵列设备31被设计成与现有调制设备或补偿设备一起使用。该方法的输入数据s51是与通道阵列设备一起使用的补偿设备或调制设备10的几何形状，以及扫描束或宽束的质子通量分布。输入数据还包括通道阵列设备的模型参数集合，诸如厚度和通道的数量和尺寸。还获得了优化问题，鉴于为补偿设备10获得的计划参数，定义通道阵列设备31的计划目标。补偿或调制设备可以是结合图1讨论的调制设备10。可以通过结合图4讨论的方法、通过上述同在申请中的申请中讨论的方法或通过任何其他方法来设计补偿或调制设备。治疗计划可以是
涉及宽束质子通量分布的flash计划或使用笔形扫描传送的flash计划。
75.在步骤s53中，基于输入数据s51和优化问题s52来优化通道阵列设备31，其具有由模型参数集合定义的属性，包括例如通道阵列设备的厚度和通道尺寸。补偿设备的几何形状被用于确定通道的数量及其位置。通道的数量及其位置也能够独立于补偿设备的几何形状来确定。通道阵列板的厚度应该足以完全阻止没有穿过通道空隙的入射粒子。
76.通道可以是圆柱轴沿着束方向的圆柱形形状，或者是任何其他合适的形状。对于圆柱形通道，直径由几何射线追踪方法确定，其中传输与通道的横截面面积成比例。通道直径也能够通过直接优化方法来确定，其中直径是与诸如补偿设备的点权重和几何形状参数的优化问题的其他自由变量一起进行优化的自由变量。
77.作为最终的步骤s54，每个通道的形状信息被用于产生可以被用于制造设备的控制数据。这可以涉及使用三角测量的形状信息来产生可以被用于制造设备的cad文件。例如，cad文件可以被发送到3d打印机，可选步骤s55将根据cad文件中的信息来打印设备。当然，可以使用另一合适的制造方法。
78.图6是替代方法的流程图，其中通道阵列设备31与补偿器设备或调制器设备10一起设计。通道阵列设备具有与结合图5讨论的相同的属性。在该实施例中，输入数据s61包括用于获得补偿器设备和通道阵列设备的组合的联合计划参数集合，包括补偿器或调制器设备和通道阵列设备的形状和大小以及它们在治疗期间的距离。鉴于联合计划参数，优化问题s62定义了调制设备10和通道阵列设备31的组合的联合计划目标。在步骤s63中，调制器设备10和通道阵列设备31被一起优化以实现该联合计划目标。在步骤s64中，以与步骤s54中相同的方式，基于在优化中确定的参数产生控制数据。与先前一样，步骤s65是制造调制设备10或其他补偿器设备和通道阵列设备31的可选步骤。
79.在所有实施例中，调制设备10和通道阵列设备31可以相对于束的方向基本上同心地被定位成彼此相距一定距离或彼此相邻。
80.图7是可以实行根据本发明的优化的计算机系统的示意性概述。计算机51包括处理器53、数据存储器54和程序存储器55。优选地，还存在一个或多个用户输入部件57、58，以键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置和/或任何其他可用的用户输入装置的形式。用户输入装置还可以被布置成从外部存储器单元接收数据。
81.在数据存储器54中找到所优化的pbs治疗计划。该治疗计划可以被产生在计算机51中，或者以本领域中已知的任何方式从另一存储装置接收。数据存储器还包括将在患者的实际治疗中使用的剂量传送束的特性，即，将由补偿设备调制的束。
82.数据存储器54还保存调制设备的属性，诸如其材料成分。如果材料是已知的，它的属性可以被存储。如果该过程包括从要被使用大量可用材料中选择一种，所有可用材料的属性都应被存储，包括它们的质量密度和制造限制。如将理解的，仅示意性示出数据存储器54。可以存在若干数据存储器单元，每个数据存储器单元保存一个或多个不同类型的数据，例如，一个数据存储器用于补偿设备的设计等。
83.程序存储器55保存被布置成控制处理器执行根据本发明的设计过程的计算机程序。程序存储器还可以保存指令，该指令用于如何将补偿设备的设计转换成对制造机器的指令，例如被布置以生产补偿设备的3d打印机。像数据存储器54一样，程序存储器也可以实现为一个或若干单元，视情况而定。