用于提供、求取和应用照射规划的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于提供照射规划、尤其用于在照射设备中对患者进行放疗时照射目标体积的照射规划的方法。本发明还涉及一种用于提供照射规划的设备和一种用于应用照射规划的设备、尤其照射设备。此外，本发明还涉及一种用于应用所述方法的计算机程序和具有所述计算机程序的存储介质。

背景技术：

1、在放疗规划时，ct图像(计算机断层扫描)通常用于计算和优化剂量分布地图以及用于创建照射规划。视肿瘤的方位而定，患者的呼吸可能对照射、照射规划和可能的安全余量有或多或少的影响。因此已知肿瘤、例如肺癌或腹部癌症，所述肿瘤由呼吸引起地倾向于运动。肿瘤的运动可能引起，也照射健康的组织、特别是易受伤害的器官而不是作为目标体积的实际的肿瘤，然而这迫切地要避免。

2、为了能够在患者的特定的呼吸阶段中重建患者的与照射规划相关的解剖学结构、尤其肺癌或腹部癌症，可以在成像检查、记录ct图像和确定3d图像数据期间检测患者的呼吸运动。例如，对于检查区域、尤其目标体积的每个z位置，可以在呼吸循环的所有呼吸阶段上重建断层图像，所述呼吸循环尤其描绘患者的吸气和呼气并且对应于呼吸运动的周期性区段。借此可以生成在呼吸运动方面时间分辨地、即基本上在患者的呼吸循环期间不同的时刻示出检查区域的时间分辨的图像数据集或与呼吸相关联的图像系列。患者的呼吸和呼吸运动是高度患者特定的。从中得出，用于借助于医学成像设备记录数据的相同的设定参数对于每个患者而言并不是最优的。

3、照射规划迄今为止基于图像数据、尤其时间分辨的3d图像数据来确定并且在不了解和/或不考虑在照射时患者的呼吸的情况下来确定。例如基于计算机断层扫描记录(4dct)的三维重建的体积用作时间分辨的3d图像数据集。为了可以在特定的呼吸阶段中重建患者的解剖学结构，替代信号与原始数据记录同步从而建立ct原始数据与患者的呼吸之间的相关性。为了照射规划，估计肿瘤和健康的风险结构的运动、例如多个呼吸阶段并且随后将其假设为在照射时在整个呼吸循环上的运动。然后，肿瘤和健康的风险结构的如此确定的运动可以用于限定待照射的目标体积，例如根据不同的4dct阶段、重建的中度通气阶段(midventilationsphase)或最大强度投影(mip)数据集的具有附加的安全边际的内部目标体积(itv)。

4、对于最大估计，也可以仅分别考虑最大吸气和呼气的两个呼吸阶段。所述规划的精度一方面与4dct重建的图像质量相关，所述4dct重建通常由于图像伪影而受损。用于避免所述伪影的基本前提是，患者在用于确定时间分辨的3d数据的原始数据记录期间有规律地和可重复地呼吸(恒定的呼吸频率和幅值)。然而这并非对于每个患者是可行的。因此，呼吸频率和幅值上的不规则引起不一致的和不完整的原始数据，这又引起在最终的4dct重建中的图像伪影。所述伪影表示对照射规划的精度具有决定性影响的不精确性。简单地表述：伪影越强，不精确性就越大。照射规划中的不确定性越大，在照射规划中必须考虑的安全区域就越大。

5、从出版物ep 2121097 a2和de 10 2020 211 944 a1中已知一种在考虑患者呼吸的情况下的成像方法。在此考虑在患者呼吸中的不规律性并且在数据记录和数据重建期间被纳入。借此，探测并且主动使用呼吸频率和呼吸幅值中的不规则性，以便在具有明显更少的图像伪影的4dct中有效地表示患者的“代表性的”呼吸行为。所述4dct图像为照射规划提供良好的数据基础。然而当前创建照射规划并且执行照射，所述照射仅使用图像数据，而不考虑确定时间分辨的3d图像数据、尤其4dct数据采集的基本算法。在大多数情况下可以假定：患者在照射期间也不规律地呼吸从而与“理想”照射规划(基于显示患者的代表性的呼吸的图像)出现偏差。这可能引起，由于因不规律呼吸而改变的解剖学结构而不能保持照射规划的一致性。

技术实现思路

1、本发明所基于的目的在于，可以实现求取与患者及其呼吸个体化地相协调的照射规划。

2、所述目的通过本发明的实施例的特征来实现。本发明的其他有利的和部分本身创造性的实施方式和改进方案在下面的描述和附图中陈述。

3、在本发明的范围内，提出一种用于提供用于照射目标体积的照射规划的方法，所述方法包括如下步骤：

4、-检测时间分辨的3d图像数据集，其中3d图像数据集在患者的至少一个呼吸循环上是时间分辨的，其中3d图像数据集基于患者的检查区域的时间分辨的记录和成像-呼吸变化曲线，其中检查区域包括目标体积，其中成像-呼吸变化曲线基于在时间分辨的记录期间求取的与呼吸相关联的第一替代指标，

5、-检测患者的与呼吸相关联的第二替代指标，其中第二替代指标描述患者在照射期间的呼吸，

6、-基于所检测的第二替代指标求取照射-呼吸变化曲线，

7、-基于时间分辨的3d图像数据集和照射-呼吸变化曲线求取照射规划，

8、-提供用于照射目标体积的照射规划。

9、原始照射规划的实时修正、例如基于患者的呼吸和/或用于考虑患者的呼吸的实时修正尤其理解为提供照射规划。该方法尤其构成用于自动地确定照射规划。照射规划例如可以形成患者特定的照射规划，优选地用于借助于线性加速器和/或粒子照射设备进行照射。照射规划设计用于描述、确定和/或安排借助于电离辐射和/或高能粒子对目标体积的照射。照射规划尤其基于所述目标体积内的待实现的剂量分布(期望剂量分布)。照射规划用于如下目的：在优选地包括多个等能层的目标体积中沉积或施加具有高质量(例如尽可能准确地对应于期望剂量分布)的(微粒)射束的剂量。

10、在第一方法步骤中检测时间分辨的3d图像数据集、简称3d图像数据集或3d图像数据。3d图像数据集尤其形成4dct图像数据集。3d图像数据集可以由存储器、云或数据载体提供，其中检测可以理解为接收、尤其本地存储和/或备份所提供的3d图像数据集。优选地，3d图像数据集在第一方法步骤之前的方法步骤中确定和/或求取。3d图像数据集例如可以基于根据出版物ep 2121097 a2和/或de 10 2020 211 944 a1的方法确定或已根据其确定，其中出版物ep 2121097 a2和/或de 10 2020 211944a1的内容借此纳入本文。

11、3d图像数据集在患者的至少一个呼吸循环上是时间分辨的。呼吸循环尤其包括多个呼吸阶段。呼吸循环尤其包括患者的吸气和呼气作为呼吸阶段。特别地，呼吸循环恰好包括一次吸气和一次呼气。呼吸循环、尤其呼吸阶段对于患者可以不同，例如在吸气和/或呼气的深度、强度和/或持续时间上不同。在吸气和呼气之间尤其可以存在暂停阶段，所述暂停阶段对于呼吸循环可以不同。

12、3d图像数据集基于患者的检查区域的记录，尤其时间分辨的记录和/或图像序列随着时间的记录。检查区域的记录优选地借助于医学技术的成像设备进行，优选地借助于计算机断层扫描仪、正电子发射断层扫描仪或磁共振断层扫描仪进行。通过记录检查区域，可以提供原始图像数据。原始图像数据例如包括和/或形成断层图像。检查区域的记录优选地在多个呼吸循环上进行。检查区域的记录可以在所提出的方法之前或可选地作为在第一方法步骤之前的方法步骤形成根据本发明的方法的一部分。检查区域包括目标体积的部段。目标体积例如由待照射的肿瘤形成。替选地和/或补充地，目标体积由器官预设或是器官的一部分。检查区域例如是患者的如下身体部段：目标体积处于所述身体部段中。

13、时间分辨的3d图像数据集基于所记录的检查区域、尤其原始图像数据和成像-呼吸变化曲线来确定。时间分辨的3d图像数据集尤其基于成像-呼吸变化曲线来重建。成像-呼吸变化曲线例如包括和/或描述患者在记录检查区域和/或原始图像数据时的呼吸曲线。患者的反映患者的呼吸运动的呼吸曲线优选地描述在记录检查区域以确定3d图像数据期间的多个呼吸循环、尤其所有呼吸循环上的呼吸。呼吸曲线和/或成像-呼吸变化曲线基于第一替代指标来求取。第一替代指标形成与呼吸相关联的变量、尤其测量变量。第一替代指标例如可以借助于传感器来检测，例如借助于相机或呼吸带来检测。呼吸运动或成像-呼吸变化曲线通常描述患者的自由呼吸并且尤其包括患者的至少一个呼吸循环。成像-呼吸变化曲线尤其在患者的至少一个完整的呼吸循环上求取，其中完整的呼吸循环至少包括患者的一次吸气和一次呼气。优选地，所提供的呼吸曲线和/或成像-呼吸变化曲线包括多于一个的呼吸循环。呼吸循环优选地对应于呼吸运动的周期性区段。可以从成像-呼吸变化曲线、尤其呼吸曲线中确定一个呼吸循环的持续时间或多个相继的呼吸循环的平均持续时间，从而确定呼吸频率，即例如每单位时间吸气或呼气的数量。患者呼吸得越慢，呼吸频率就越高。

14、成像-呼吸变化曲线、尤其患者的呼吸曲线的变化曲线尤其可以是患者个体化的，即出现的斜率、吸气或呼气的持续时间或在此期间的具有小的运动或不具有运动的静息阶段的出现可能因患者而异，以及必要时也可能因患者的成像检查而异。这尤其也可以与(平均)呼吸频率无关地导出或至少不以简单的方式从患者的(平均)呼吸频率中导出。

15、在根据本发明的另一方法步骤中，检测、特别是测量患者的与呼吸相关联的第二替代指标。第二替代指标例如借助于传感器来检测和/或测量，例如借助于呼吸带或摄像机作为传感器检测和/或测量。第二替代指标在照射患者时检测和/或测量，例如在执行照射规划期间和/或在照射患者期间检测和/或测量。换言之，第一替代指标在记录用于成像和/或用于确定3d图像数据集的原始数据期间求取和/或测量，而第二替代指标在随后的时刻或照射患者时求取和/或测量。第二替代指标描述患者的呼吸、例如吸气阶段和呼气阶段的长度、深度和/或斜率。第一替代指标和/或第二替代指标例如描述患者的胸腔的升高和降低。

16、基于所求取的和/或所测量的第二替代指标来求取、确定和/或计算照射-呼吸变化曲线。照射-呼吸变化曲线例如包括和/或描述患者在照射和/或执行照射规划时和/或期间的呼吸曲线。照射-呼吸变化曲线尤其描述当前的呼吸和/或形成实时照射-呼吸变化曲线。为此特别地提出，实时地或定期地检测和/或测量第二替代指标。可选地，由照射-呼吸变化曲线包括的呼吸曲线描述患者在照射期间的呼吸运动和/或在多个呼吸循环上的呼吸。

17、根据本发明的方法在另一方法步骤中提出：求取照射规划。照射规划基于时间分辨的3d图像数据集和照射-呼吸变化曲线来求取。照射规划尤其可以基于原始照射规划或临时的照射规划来求取。原始照射规划例如是构成和/或适合用于照射患者、尤其可选择的目标体积或肿瘤类型的照射规划。原始照射规划可以与患者无关地构成，适配于一般的边界条件如患者的身高、年龄和/或身材。替选地，原始照射规划基于患者的3d图像数据集来求取，尤其不考虑第二替代指标和/或照射呼吸变化曲线。在此可以提出，照射规划的确定构成为原始照射规划的调整和/或修正、尤其实时调整和/或实时修正。这基于如下考虑：原始照射规划没有考虑在照射期间患者的呼吸中的呼吸阶段或偏离、例如更深或更浅，使得在患者的呼吸与正常呼吸偏离时，特别是在患者更深地或更浅地呼吸时，可能引起不期望地照射周围的健康组织。通过考虑尤其描绘当前呼吸的照射-呼吸变化曲线，可以求取照射规划，使得原始照射规划可以实时地适配于当前的呼吸和/或呼吸阶段。例如，在确定呼吸与正常呼吸有偏离的情况下基于照射-呼吸变化曲线求取照射规划时，可以在用于所述时间范围的照射规划中预设中断照射、减小待施加的剂量和/或更大的安全余量。

18、在另一方法步骤中，提供所求取的照射规划，尤其提供给用于照射患者的设备。所求取的照射规划尤其即时地或实时地提供，使得所提供的照射规划可以直接应用于照射。这允许，可以对患者的呼吸中的偏差立即做出反应，从而可以实现对患者的优化的照射。

19、本发明所基于的考虑是激励治疗工作流程，所述治疗工作流程同样在规划和执行照射时考虑与呼吸相关联的时间分辨的3d图像数据集(例如，4dct数据)的获取和重建的特性。为了确定时间分辨的3d图像数据集，计算患者的代表性的呼吸循环。在数据记录时使用所述代表性的呼吸循环，以便限定何时记录完整的呼吸循环，以及排除过浅的、过深的或过长的呼吸循环。此外，在求取时间分辨的3d图像数据集时使用代表性的呼吸循环，以便求取平均呼吸循环长度和呼吸阶段与代表性的呼吸循环之间的表征性的关系。这在重建时使用，以便补偿呼吸频率或呼吸循环的形状中的不确定性。

20、本发明尤其基于如下考虑：同样在照射规划期间(例如将呼吸变化性考虑为鲁棒的规划优化中的不确定性)使用具有不确定性信息的相同的代表性的呼吸循环(即相同的算法)，并且将其用于照射的主动控制(例如，门控)。简化地说，相同的算法用于成像和治疗(照射)，从而均匀地控制ct扫描仪或加速器中的射束时间。通过使用相同的构思以及理想地使用相同的算法的方式，可以确保：患者在照射期间的解剖学结构与作为用于先前计算的照射规划的基础的解剖学结构尽可能好地匹配。

21、可选地，所述方法包括：确定、尤其计算时间分辨的3d图像数据集。时间分辨的3d图像数据集的确定优选分开地和/或上游地进行，以求取、提供和/或执行照射规划。特别地，时间分辨的3d图像数据集的确定在空间上和/或时间上与照射规划的求取、提供和/或执行分开地进行。为了确定时间分辨的3d图像数据集，从患者的检查区域记录断层图像。例如借助于成像设备尤其计算机断层扫描仪、磁共振断层扫描仪或正电子发射断层扫描仪记录断层图像。断层图像尤其形成断层图像序列。断层图像序列优选地对于z位置(沿着患者隧道的位置)包括在时间上间隔开地记录的多个断层图像。断层图像还可以形成包括沿着z方向的断层图像的堆叠。优选地，在至少1分钟、尤其至少3分钟和特别地至少5分钟的测量持续时间上记录断层图像。断层图像优选地分别包括时间戳，其中时间戳优选地说明记录相应的断层图像的时刻。断层图像、尤其断层图像序列提供用于进一步使用、尤其用于确定3d图像数据集。

22、为了基于断层图像确定3d图像数据集，求取、确定和/或测量第一替代指标。尤其在记录断层图像期间确定、测量和/或检测第一替代指标。所测量的、所检测的和/或所确定的第一替代指标优选地形成第一替代指标信号，其中第一替代指标信号和/或第一替代指标具有时间变化曲线和/或时间改变。例如在求取、确定和/或检测第一替代指标时确定测量点，其中测量点描述在相应的测量时刻的第一替代指标的值。测量点尤其包括关于测量时刻的信息。所求取的、所确定的和/或所测量的第一替代指标描述呼吸和/或与患者在记录断层图像期间的呼吸相关联。优选地，断层图像的时间戳和测量第一替代指标的测量时刻在时间上相比较和/或关于参考时间说明。因此，第一替代指标的各一个值可以与断层图像相关联。

23、为了确定时间分辨的3d图像数据集，基于所求取的、所确定的和/或所测量的第一替代指标、特别是基于第一替代信号求取、确定和/或计算成像-呼吸变化曲线。为了确定成像-呼吸变化曲线，例如使用计算机实现的算法和/或机器学习的方法。例如，求取、确定和/或计算呼吸曲线和/或呼吸、呼吸循环和/或呼吸阶段的时间描述作为成像-呼吸变化曲线。随后基于所求取的、所确定的和/或所计算的成像-呼吸变化曲线确定时间分辨的3d图像数据集。为此可以使用机器学习的方法和/或计算机实现的算法。因此，在确定3d图像数据集时可以考虑患者在记录断层图像期间的呼吸。例如可以基于代表性的和/或正常的呼吸的断层图像求取时间分辨的3d图像数据集，特别地，可以排除具有过深的或过浅的呼吸的断层图像。

24、特别优选地，第一替代指标对应于第二替代指标。换言之，求取、确定和/或测量相同的物理的或传感的变量作为第一替代指标和第二替代指标。例如，求取、确定和/或测量胸腔的提升、呼吸空气的体积流和/或在患者的身体处的参考点的运动作为第一替代指标和/或第二替代指标。优选地，基于相同的测量方法和/或相同的传感器类型求取、确定和/或测量第一替代指标和第二替代指标。

25、在该方法的一个可行的设计方案中提出，成像-呼吸变化曲线包括多个呼吸阶段。作为呼吸阶段，成像-呼吸变化曲线和/或照射-呼吸变化曲线可以包括正常呼吸阶段、深呼吸阶段、浅呼吸阶段和/或偏离呼吸阶段。时间分辨的3d图像数据集优选地基于一个和/或多个正常呼吸阶段来求取和/或确定。换言之，时间分辨的3d图像数据集优选地描述用于正常呼吸阶段的时间分辨的3d图像数据集和/或截面图像序列。在确定时间分辨的3d图像数据集时，例如排除和/或不考虑在深呼吸阶段、浅呼吸阶段和/或偏离呼吸阶段期间记录的截面图像。原始照射规划形成和/或被确定为用于患者的正常呼吸阶段的照射规划。在求取照射规划时、尤其在实时调整照射规划或原始照射规划时，可以在正常呼吸阶段、深呼吸阶段、浅呼吸阶段和/或偏离呼吸阶段上检查照射-呼吸变化曲线，其中对于正常呼吸阶段，可以求取、设置和/或提供原始照射规划作为照射规划，其中对于深呼吸阶段、浅呼吸阶段和/或偏离呼吸阶段或与正常呼吸阶段不同的呼吸阶段，修改和/或中断作为照射规划的原始照射规划。

26、根据本发明的方法的一个设计方案提出，基于3d图像数据集和成像-呼吸变化曲线，替选地和/或补充地基于3d图像数据集和照射-呼吸变化曲线确定器官运动。例如目标体积所属的器官的运动可以理解为器官运动。器官运动尤其可以描述目标体积的运动。器官运动基于患者的呼吸或由患者的呼吸产生，使得器官运动尤其与患者的呼吸、照射-呼吸变化曲线和/或成像-呼吸变化曲线相关联。器官运动可以形成为相对于环境、例如相对于另一器官或骨架的运动。替选地和/或补充地，器官运动可以确定为绝对运动、尤其相对于世界坐标系的绝对运动。在此可以提出，基于器官运动求取照射规划。例如基于器官运动调整和/或修正原始照射规划。所述设计方案所基于的思考是：可以基于照射-呼吸变化曲线和/或成像-呼吸变化曲线求取通过呼吸引起的器官运动，使得可以根据呼吸定位到器官、尤其目标体积的运动，从而可以求取和/或实时地调整照射规划。

27、特别优选的是，照射规划和/或原始照射规划对于目标体积包括或限定安全区、也称为安全余量。安全区是区域、优选地是如下体积：所述体积设置在目标体积周围并且限定出于安全原因从照射中排除的区域，借此不会不期望地损害完好的组织和/或健康的器官。可以设有安全区，以便可以对目标体积、器官的运动或患者的运动做出反应。例如，本发明方法的一个设计方案提出，基于3d图像数据集、成像-呼吸变化曲线和/或照射-呼吸变化曲线求取、确定和/或调整安全区。例如可以提出，对于正常呼吸阶段，安全区比对于深呼吸阶段、浅呼吸阶段或偏离呼吸阶段选择得更小。所述设计方案尤其得出在不形成正常呼吸阶段的呼吸阶段期间不必中断照射的需求，这通过调整安全区来实现。

28、尤其提出，照射规划包括照射变量，其中尤其在求取照射规划时确定和/或规定照射变量。例如，为了求取照射规划，基于3d图像数据集、照射-呼吸变化曲线和/或成像-呼吸变化曲线调整原始照射规划的照射变量。作为照射变量，照射规划例如包括射束直径、用于照射的射束的焦点方位、射束的剂量率、射束的脉冲和/或射束在患者上的接收点。

29、本发明的一个设计方案提出，基于所记录的断层图像和照射-呼吸变化曲线借助于第一算法求取3d图像数据集。第一算法构成用于在求取3d图像数据集时考虑在记录断层图像、尤其成像-呼吸变化曲线期间的呼吸。基于3d图像数据集和照射-呼吸变化曲线求取照射规划优选借助于第二算法进行。第二算法构成和/或设立用于基于成像-呼吸变化曲线求取照射规划和/或调整原始照射规划。第二算法尤其构成用于基于第二替代指标求取成像-呼吸变化曲线。优选地，第一算法和第二算法基于替代指标的相似的或相同的利用。第一算法和第二算法尤其构成和/或设立为对替代信号进行相同或相似的处理以得到呼吸变化曲线。特别地，第二算法通过迁移学习从第一算法中获得或第二算法通过迁移学习已从第一算法中获得。

30、特别优选的是，基于断层图像和成像-呼吸变化曲线借助于机器学习确定3d图像数据集。尤其也可以提出，基于第一替代指标借助于机器学习求取成像-呼吸变化曲线。还可以提出，借助于机器学习，基于第二替代指标确定和/或求取照射-呼吸变化曲线，和/或基于3d图像数据集和照射-呼吸变化曲线确定和/或求取照射规划。机器学习可以借助于经训练的函数来进行，例如第一算法和/或第二算法形成经训练的函数和/或机器学习的算法。

31、用于求取照射规划的设备形成本发明的另一主题。所述设备例如可以形成计算设备，例如以个人计算机或云设备的形式的计算设备。特别优选的是，所述设备是照射设备或照射设备的一部分。所述设备包括第一检测单元和第二检测单元、第一求取单元和第二求取单元以及提供单元。其中，第一检测单元构成用于检测时间分辨的3d图像数据集，其中3d图像数据集在患者的至少一个呼吸循环上是时间分辨的，其中3d图像数据集基于患者的检查区域的时间分辨的记录和成像-呼吸变化曲线，其中检查区域包括目标体积，其中成像-呼吸变化曲线基于在时间分辨的记录期间求取的与呼吸相关联的第一替代指标。第二检测单元构成用于检测患者的与呼吸相关联的第二替代指标，其中第二替代指标描述患者在照射期间的呼吸。第一求取单元构成用于基于所检测的第二替代指标求取照射-呼吸变化曲线。第二求取单元构成用于基于时间分辨的3d图像数据集和照射-呼吸变化曲线求取照射规划。提供单元构成用于提供用于照射目标体积的照射规划。

32、用于应用和/或执行照射规划的设备形成本发明的另一主题。所述设备尤其形成照射设备。设备、尤其照射设备例如包括和/或形成用于照射患者的线性加速器。用于应用和/或执行照射规划的设备尤其包括照射源，所述照射源构成用于输出电离辐射的射束和/或由粒子构成的射束(粒子射束)，以照射目标体积。用于应用和/或执行照射规划的设备包括应用单元，其中应用单元构成用于执行和/或应用例如由用于求取照射规划的设备提供的照射规划，例如对应于照射规划操控辐射源，以输出射束。

33、计算机程序产品形成本发明的另一主题。计算机程序产品包括和/或形成计算机程序，所述计算机程序可以直接加载到计算装置中。计算机程序产品具有程序段。计算机程序产品、尤其计算机程序和/或程序段构成用于当在计算装置或用于提供照射规划的设备中执行计算机程序时，执行根据本发明的用于提供照射规划的方法的步骤。

34、本发明还涉及一种计算机可读介质，例如dvd存储器、cd存储器、usb存储器或云存储器。根据本发明的计算机程序和/或计算机程序产品存储在介质上。