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CN111107901A - 辐射疗法计划和治疗的几何方面 - Google Patents

辐射疗法计划和治疗的几何方面 Download PDF

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CN111107901A
CN111107901A CN201880061424.5A CN201880061424A CN111107901A CN 111107901 A CN111107901 A CN 111107901A CN 201880061424 A CN201880061424 A CN 201880061424A CN 111107901 A CN111107901 A CN 111107901A
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CN
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beams
target
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dose
radiation therapy
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Application number
CN201880061424.5A
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R·范德斯特拉滕
E·阿贝尔
C·史密斯
A·马利亚里
T·科普南
J·斯达-拉克
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Siemens Healthineers International AG
Varian Medical Systems Inc
Original Assignee
Varian Medical Systems International AG
Varian Medical Systems Inc
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Abstract

辐射治疗计划包括：确定要被引导到靶标中射束的数目，确定射束的方向(例如，机架角度)以及确定射束中的每个射束的能量水平。射束的数目、射束的方向和能量水平被确定，使得射束在靶标外部不重叠，并且规定剂量将遍及整个靶标被递送。

Description

辐射疗法计划和治疗的几何方面
相关的美国申请
本申请与R.Vanderstraeten等人在2017年07月21日提交的题目为“Dose Aspectsof Radiation Therapy Planning and Treatment(辐射疗法计划和治疗的剂量方面)”的美国申请号15/657094，案卷号VAR-17-009-US有关，通过引用以其整体并入于此。
背景技术
使用辐射疗法来治疗癌症是众所周知的。通常，辐射疗法涉及将高能质子、光子、离子或电子辐射(“治疗性辐射”)的射束引导到靶标(target)或靶标体积(例如，肿瘤或病变)中。
在利用辐射治疗患者之前，制定针对该患者的治疗计划。计划基于过去的经验，使用模拟和优化来定义疗法的各个方面。通常，治疗计划的目的是向靶标提供足够的辐射，同时最小化周围正常的、健康的组织对辐射的暴露。
计划者的靶标是找到关于多个临床靶标最佳的解决方案，在朝着一个靶标的改进可能对达到另一靶标有不利影响的意义上，多个临床靶标可能是相互矛盾的。例如，使肝脏免于接收辐射的剂量的治疗计划可能会导致胃接收太多的辐射。这些类型的权衡会导致一个迭代过程，在该过程中，计划者会创建不同的计划，以找到最适合于实现期望结果的一个计划。
最近的辐射生物学研究已经证明了在单个短时间段内向靶标递送完整的相对较高治疗辐射剂量的有效性。这种类型的治疗在本文中通常被称为FLASH辐射疗法(FLASHRT)。迄今为止的证据表明，在正常的、健康的组织仅在很短的时间段内暴露于单次辐射时，FLASH RT有利地使该组织免于受到损伤。因此，FLASH RT引入了常规辐射治疗计划中未被考虑或未被实现的重要约束。
发明内容
在诸如强度调制粒子疗法(IMPT)的强度调制辐射疗法(IMRT)中，射束强度跨患者的每个治疗区域(靶标)变化。根据治疗模式(modality)，强度调制可用的自由度包括射束整形(准直)、射束加权(斑点扫描)和入射角(其可以被称为射束几何形状)。这些自由度实际上导致了无限数目的潜在治疗计划，因此一致和有效地生成和评估高质量的治疗计划超出了人类的能力，并且依赖于计算系统的使用，特别是考虑到与使用辐射疗法来治疗如癌症的疾病相关联的时间约束，以及在任何给定时间段内经受或需要经受辐射疗法的患者的大的数目。
根据本发明的实施例提供了用于FLASH辐射疗法(FLASH RT)的辐射治疗计划的改进方法，以及基于这种计划的改进的辐射治疗。在实施例中，确定要递送到靶标中并且均匀地遍及靶标的规定剂量。确定用于将射束递送到靶标中的方向(例如，相对于患者或靶标的机架角度，或相对于患者或靶标的喷嘴方向)。这可以包括确定射束的数目(要从其递送射束的方向的数目)。方向被确定，以使射束在靶标外部不重叠；即，为了利用FLASH RT的正常组织保留作用，正常(健康)组织的每个子体积仅被辐射一次。射束可以在靶标内部重叠。射束的路径可以位于相同的平面内，也可以位于不同的平面内。射束中的每个的能量也被确定。射束的数目、射束的方向和射束能量被确定，以使靶标内部的计算或预测的累积剂量满足遍及靶标的规定剂量。迭代过程可以被用来确定射束的数目、射束的方向和射束能量。
在实施例中，针对各方向中的每个方向(针对射束中的每个)确定射束能量。针对每个方向的射束能量被确定，以使所计算的遍及靶标(在射束的路径重叠的靶标内部的位置)的累计剂量满足规定剂量。在实施例中，射束包括多个射束段或子射束。在一个或多个这种实施例中，射束的最大能量被指定，并且射束段中的每个的能量被确定为最大射束能量的百分比(100％或更少)或等效分数。通常，射束可以具有相同的能量或不同的能量，并且每个射束可以具有一定范围的能量。因此，不同的能量可以在不同方向上被递送，并且不同的能量可以在每个方向上被递送。
根据本发明的实施例通过将FLASH RT扩展到多个更广泛的治疗平台和靶标部位(例如肿瘤)来改进辐射治疗计划和治疗本身。针对FLASH剂量率以及甚至针对非FLASH剂量率，与常规技术相比，根据设计，通过减少(如果不是最小化的话)到正常组织(靶标外部)的剂量(在一些情况下为积分剂量)的幅度，如本文描述的那样生成的治疗计划对于使正常组织免受辐射是优越的。当与FLASH剂量率一起使用时，可以简化患者运动的管理。尽管治疗计划仍然是一项复杂的任务，但相对于常规计划，它得到了简化。
总而言之，根据本公开的实施例涉及生成和实现最有效(相对于其他计划)并且具有最小的(或最可接受的)副作用(例如，在被治疗的区域之外的最低剂量)的治疗计划。因此，根据本发明的实施例具体地改进了辐射治疗计划的领域，并且一般地改进了辐射疗法的领域。根据本发明的实施例允许快速生成更有效的治疗计划。而且，根据本发明的实施例有助于改进计算机系统的功能，因为例如通过降低生成治疗计划的复杂性，制定计划需要和消耗更少的计算资源，这也意味着释放计算机资源来执行其他任务。
除了IMRT和IMPT，根据本发明的实施例还可以用在空间分级辐射疗法中，包括高剂量空间分级格栅辐射疗法和微射束辐射疗法。
在已经阅读了在以下各个附图中图示的以下详细描述之后，本领域技术人员将认识到根据本发明的实施例的这些和其他目的和优点。
本发明内容被提供以简化的形式介绍概念的选择，其在下面的以下详细描述中被进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
包含在本说明书中并形成本说明书一部分的附图图示了本公开的实施例，并且与详细描述一起用于说明本公开的原理，其中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是可以在其上实现本文描述的实施例的计算系统的示例的框图。
图2是图示在根据本发明的实施例中的自动辐射疗法治疗计划系统的示例的框图。
图3图示了根据本发明的实施例的基于知识的计划系统。
图4A是示出可以在其上实现根据本发明的实施例的辐射疗法系统的所选择的部件的框图。
图4B是图示在根据本发明的实施例中的相对于患者支撑设备的机架和喷嘴的非共面布置的框图。
图4C是图示在根据本发明的实施例中的相对于患者支撑设备的机架和喷嘴的共面布置的框图。
图4D是图示在根据本发明的实施例中的机架和喷嘴围绕患者支撑设备的移动的框图。
图5是在根据本发明的实施例中的用于生成辐射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图。
图6A图示了在根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。
图6B图示了在根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的横截面图。
图6C图示了在根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。
图7A图示了在根据本发明的实施例中的射束的射束俯视图(eye view)。
图7B是在根据本发明的实施例中的射束段的深度剂量曲线的示例。
图7C图示了在根据本发明的实施例中的靶标和包括射束段的射束的横截面图。
图8是在根据本发明的实施例中的计算机实现的辐射治疗方法的示例的流程图。
图9图示了在根据本发明的实施例中的递送辐射疗法治疗的方法。
图10A和图10B图示了在根据本发明的实施例中的递送辐射疗法治疗的方法。
图11图示了在根据本发明的实施例中的多叶准直器。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，这些实施例的示例在附图中被图示。尽管结合这些实施例进行了描述，但是应当理解，它们并不旨在将本公开限制于这些实施例。相反，本公开旨在覆盖备选方案、修改和等同物，它们可以被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他实例中，未详细描述公知的方法、过程(procedure)、部件和电路，以免不必要地模糊本公开的各方面。
根据过程、逻辑块、处理以及对计算机存储器内的数据位的操作的其他符号表示来呈现以下详细描述的一些部分。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将其工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的手段。在本申请中，过程、逻辑块、过程(process)等被认为是导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。步骤是利用物理量的物理操纵的那些步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够在计算系统中被存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时已经证明将这些信号称为事务、位、值、元素、符号、字符、样本、像素等是方便的。
然而，应当牢记，所有这些和类似术语应当与适当的物理量相关联，并且仅仅是被应用于这些量的方便标记。除非从下面的讨论中另外明确指出，否则应当理解，在整个本公开中，利用诸如“确定”、“访问”、“引导”、“控制”、“定义”、“布置”、“生成”等术语的讨论指的是计算系统或类似电子计算设备或处理器(例如，图1的计算系统100)的动作和过程(例如，图5和图8的流程图)。计算系统或类似的电子计算设备在计算系统存储器、寄存器或其他这种信息存储、传输或显示设备内操纵和转变被表示为物理(电子)量的数据。诸如“剂量”或“注量”的术语通常是指剂量值或注量值；从周围讨论的上下文中，这些术语的使用将变得清楚。
根据方法来呈现和讨论以下详细描述的部分。尽管本文在描述该方法的操作的图(例如，图5和图8)中公开了其步骤和顺序，但是这些步骤和顺序是示例性的。实施例非常适于执行本文的图的流程图中列举的各种其他步骤或步骤的变型，并且非常适于以不同于本文所描绘和描述的序列来执行。
可以在由一个或多个计算机或其他设备执行的计算机可执行指令的一般上下文中讨论本文描述的实施例，计算机可执行指令驻留在某种形式的计算机可读存储介质(诸如程序模块)上。通过示例而非限制，计算机可读存储介质可以包括非瞬态计算机存储介质和通信介质。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在各种实施例中，可以根据需要组合或分布程序模块的功能。
计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存或其他存储器技术、压缩盘ROM(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)或其他光学存储装置、磁盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储设备或可以用于存储期望信息并可以被访问以取回该信息的任何其他介质。
通信介质可以体现计算机可执行指令、数据结构和程序模块，并且包括任何信息递送介质。通过示例而非限制，通信介质包括诸如有线网络或直接有线连接的有线介质，以及诸如声学、射频(RF)、红外和其他无线介质的无线介质。上述的任何组合也可以被包括在计算机可读介质的范围内。
图1示出了可以在其上实现本文描述的实施例的计算系统100的示例的框图。在其最基本的配置中，系统100包括至少一个处理单元102和存储器104。该最基本的配置在图1中由虚线106图示。系统100还可以具有附加的特征和/或功能性。例如，系统100还可以包括附加存储装置(可移除和/或不可移除)，包括但不限于磁盘、光盘或磁带。这种附加存储装置在图1中由可移除存储装置108和不可移除存储装置120图示。系统100还可以包含(多个)通信连接122，其允许该设备与其他设备通信，例如，在联网的环境中使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接。
系统100还包括(多个)输入设备124，诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等。还包括诸如显示设备、扬声器、打印机等的(多个)输出设备126。
在图1的示例中，存储器104包括与“优化器”模型150相关联的计算机可读指令、数据结构、程序模块等。然而，优化器模型150可以替代地驻留在由系统100使用的计算机存储介质中的任何一个中，或者可以分布在计算机存储介质的某种组合上，或者可以分布在联网的计算机的某种组合上。下面描述优化器模型150的功能性。
图2是图示在根据本发明的实施例中的自动辐射疗法治疗计划系统200的示例的框图。系统200包括用于接收患者特定的信息(数据)201的输入接口210、实现优化器模型150的数据处理部件220和输出接口230。系统200的全部或部分可以被实现为在计算系统100(图1)上/使用计算系统100的软件程序、硬件逻辑或其组合。
在图2的示例中，患者特定的信息被提供给优化器模型150并由其处理。优化器模型150产生预测结果。然后可以基于预测结果生成治疗计划。
图3图示了在根据本发明的实施例中的基于知识的计划系统300。在图3的示例中，系统300包括知识库302和治疗计划工具集310。知识库302包括患者记录304(例如，辐射治疗计划)、治疗类型306和统计模型308。图3的示例中的治疗计划工具集310包括当前患者记录312、治疗类型314、医学图像处理模块316、优化器模型(模块)150、剂量分配模块320和最终辐射治疗计划322。
治疗计划工具集310在知识库302(患者记录304)中搜索与当前患者记录312类似的之前患者记录。统计模型308可以用于将当前患者记录的预测结果312与统计患者进行比较。使用当前患者记录312、所选择的治疗类型306和所选择的统计模型308，工具集310生成辐射治疗计划322。
更具体地，基于过去的临床经验，当患者呈现特定的诊断、阶段、年龄、体重、性别、合并症等时，可以存在最常使用的治疗类型。通过选择计划者过去对类似患者使用的治疗类型，可以选择第一步治疗类型314。医学图像处理模块316提供对二维横截面切片(例如，来自计算机断层扫描或磁共振成像)的自动轮廓和自动分割，以使用当前患者记录312中的医学图像形成三维(3D)图像。剂量分布图由剂量分布模块320计算，剂量分布模块320可以利用优化器模型150。
在根据本发明的实施例中，优化器模型150使用剂量预测模型来帮助塑造剂量分布。优化器模型150可以为当前患者提供例如3D剂量分布、注量和相关联的剂量-体积直方图。
图4A是示出辐射疗法系统400的所选择的部件的框图，可以在辐射疗法系统400上实现根据本发明的实施例。在图4A的示例中，系统400包括射束系统404和喷嘴406。
射束系统404生成射束401并且将其运输到喷嘴406。通常，射束401可以是质子射束、电子射束、光子射束、离子射束或原子核射束(例如碳、氦、和锂)。在实施例中，射束401是质子射束。在另一实施例中，射束401是离子射束。
在实施例中，取决于射束的类型，射束系统404包括在朝向和进入喷嘴406的方向上引导(例如，弯曲、转向或指引)射束通过系统的部件。在实施例中，辐射疗法系统400还可以包括一个或多个多叶准直器(MLC)；每个MLC叶可以由控制系统410独立地来回移动，以动态地成形射束可以穿过的孔径，以阻挡或不阻挡射束的部分，并且由此控制射束的形状和曝光时间。射束系统404还可以包括用于调整(例如，减少)进入喷嘴406的射束能量的部件。
喷嘴406可以被安装在机架上或是机架的一部分(图4B、图4C和图4D)，机架可以相对于患者支撑设备408移动，患者支撑设备408也可以是可移动的。在实施例中，加速器和射束运输系统404也被安装在机架上或是机架的一部分。在另一实施例中，加速器和射束运输系统与机架分离(但与机架通信)。
喷嘴406用于将射束对准在治疗室中被支撑在患者支撑设备408上的对象(例如患者)内的各个位置(靶标)。在实施例中，患者支撑设备408是将患者支撑在仰卧姿势(position)的桌子或诊察台。在另一实施例中，患者支撑设备408是患者坐在其中的椅子。相对于诊察台或桌子，椅子可以提供一些优势。一些患者仰卧姿势不舒服或发现很难保持在该姿势。椅子可以比诊察台更容易被移动。相对于诊察台，椅子可以具有更多的自由度。换言之，通过使用椅子，与使用诊察台相比，可以以更多的方式更舒适地改变患者相对于喷嘴406的位置。如此，使用椅子使患者相对于喷嘴406移动可以减少较重的机架需要移动的次数或根本地消除了移动机架的需求。如果不需要移动机架，则喷嘴406可以保持静止，指向单个方向，而射束仅指向治疗室的一个墙。因此，仅那一个墙需要较厚的屏蔽，这降低了成本并且还减少了整个房间的占用空间。椅子中的直立姿势的运动幅度也比躺在诊察台上小。这对于高精度治疗是有利的。另外，在直立姿势中，绝对肺体积更大，这可以减少平均肺部剂量。椅子还提供更大的立体角度覆盖、无碰撞和实时跟踪。
靶标可以是器官、器官的一部分(例如器官内的体积或区域)、肿瘤、患病组织或患者轮廓。
图4A的控制系统410接收并且实现规定的治疗计划。在实施例中，控制系统410包括计算机系统，以众所周知的方式，计算机系统具有处理器、存储器、输入设备(例如，键盘)并且可能具有显示器。控制系统410可以接收关于系统400的操作的数据。控制系统410可以根据它接收的数据并且根据规定的治疗计划，来控制射束系统404、喷嘴406和患者支撑设备408的参数，包括诸如能量、强度、方向、大小和/或射束的形状的参数。
如上所述，进入喷嘴406的射束具有指定的能量。因此，在根据本公开的实施例中，喷嘴406包括影响(例如，降低、调制)射束的能量的一个或多个部件。术语“射束能量调整器”在本文中用作一个或多个部件的通用术语，该一个或多个部件影响射束中的粒子的能量，以便根据射束的类型，来控制射束的范围(例如，射束穿透到靶标中的程度)、控制由射束递送的剂量和/或控制射束的深度剂量曲线。例如，对于具有布拉格峰的质子射束或离子射束，射束能量调整器可以控制布拉格峰在靶标中的位置。在各种实施例中，射束能量调整器407包括范围调制器、范围移位器、或范围调制器和范围移位器两者。即，当使用术语“射束能量调整器”时，则所讨论的元件可以是范围调制器、范围移位器或范围调制器和范围移位器两者。在(所提交的)题目为“Radiation Therapy Systems and Methods(辐射疗法系统和方法)”的美国申请号15/089,330的共同待决的专利申请中公开了用于质子射束和离子射束的射束能量调整器的示例；然而，本发明不限于此。
图4B是图示在根据本发明的实施例中的相对于患者支撑设备408的机架420和喷嘴406的非共面布置的框图。图4C是图示在根据本发明的实施例中的相对于患者支撑设备408的机架420和喷嘴406的共面布置的框图，并且还图示了机架和喷嘴围绕患者支撑设备的移动。图4D是图示在根据本发明的实施例中的机架420和喷嘴406围绕患者支撑设备408的移动的框图。该移动可以以非共面布置或以共面布置出现。
图5是在根据本发明的实施例中的用于生成辐射治疗计划的计算机实现的操作的示例的流程图500。流程图500可以被实现为驻留在某种形式的计算机可读存储介质上(例如，使用图1的计算系统100)的计算机可执行指令(例如，图1的优化器模型150)。
在诸如强度调制粒子疗法(IMPT)的强度调制辐射疗法(IMRT)中，射束强度跨患者的每个治疗区域(靶标)变化。取决于治疗方式，可用于强度调制的自由度包括射束整形(准直)、射束加权(斑点扫描)和入射角(其可以被称为射束几何形状)。这些自由度实际上导致了无限数目的潜在治疗计划，并且因此一致和有效地生成和评估高质量的治疗计划超出了人类的能力，并且依赖于计算系统的使用，特别是考虑到与使用辐射疗法来治疗如癌症的疾病相关联的时间约束，以及在任何给定时间段内经受或需要经受辐射疗法的患者的大的数目。
在图5的框502中，从计算系统的存储器中确定或访问要被递送到靶标中并且遍及靶标的规定剂量。靶标的每个部分可以由至少一个3D元素(被称为体素(voxel))表示；一个部分可能包含多于一个体素。在本文中靶标或体素的一部分也可以被称为子体积；子体积可以包括一个或多个部分或一个或多个体素。如下面将详细描述的，每个部分或体素可以接收来自从不同方向递送的一个或多个射束的辐射。规定剂量例如针对靶标的每个部分或体素定义剂量值或最小剂量值和最大剂量值。在实施例中，对于靶标的所有部分(子体积或体素)，规定剂量是相同的，以便为整个靶标规定均匀的剂量。
在框504中，从计算系统的存储器中确定或访问用于将射束递送到靶标中的方向(例如，相对于患者或靶标的机架角度，或相对于患者或靶标的喷嘴方向)。确定或访问射束方向的操作还包括确定或访问射束的数目(要从其递送射束的方向的数目)。通常，当生成辐射治疗计划时，一个目的是确定使靶标外部的组织的每个子体积或体素的辐射时间最小化的射束路径。理想地，靶标外部的每个子体积或体素最多仅与单个射束相交。即，理想地，射束的路径在靶标外部不重叠。如果允许在射束路径之间有一些重叠，则理想地，靶标外部的每个子体积或体素都由不超过两个射束交叉，而大多数仅由单个射束交叉。在实施例中，作为实现上述目的的一种手段，方向被确定，以使在靶标外部的射束的路径之间的总重叠量被最小化。在另一个这种实施例中，方向被确定，以使射束的路径在靶标外部完全不重叠。射束的路径在靶标内可以重叠。射束的路径可以在相同的平面内，或者它们也可以在不同的平面中。结合图6A、图6B和图6C提供了附加信息。
当确定射束方向时，可以考虑任何数目的其他因素。这些因素可以包括在射束的俯视图中的射束的形状和大小(例如，高度H和宽度W，或直径)(参见图7A)。这些因素还可以包括，例如，射束将穿过的健康组织的量或类型。即，如果一个射束方向穿过健康组织更短的距离或避免穿过重要器官，则该射束方向可能比另一个射束方向更有利，并且可以被相应地加权。
在图5的框506中，针对方向中的每个(针对射束中的每个)确定射束能量或强度，或者从计算系统的存储器访问射束能量或强度。针对每个方向的射束能量或强度被确定，以使在靶标内部的位置处的所预测或所计算的累积剂量(例如，使用图1的优化器模型150计算的剂量)满足如框502中定义的规定剂量。针对每个方向的射束能量或强度被确定，以使在靶标内部的所预测或计算的累积剂量(例如，使用图1的优化器模型150计算的剂量)满足框502中定义的规定剂量。在实施例中，射束包括多个射束段或子射束。在一个或多个这种实施例中，射束的最大能量(例如80MeV)被指定，并且射束段中的每个的能量被确定为最大射束能量的百分比(100％或更小)或等效分数。通常，射束可以具有相同的能量或不同的能量，并且每个射束可以具有一定范围的能量。因此，可以在不同的方向上递送不同的能量或强度，并且可以在每个方向上递送不同的能量或强度。结合图7A、图7B和图7C提供附加的信息。
尽管图5的框502、框504和框506中的操作被呈现为以串行并且以一定的顺序出现，但是本发明不限于此。这些操作可以以不同的顺序和/或并行地执行，并且它们还可以以迭代的方式执行，因为用于递送规定剂量的射束的数目(并且因此，方向的数目)、射束方向以及射束能量或强度(和/或射束段能量或强度)是相互关联的。射束的数目、其方向和其能量被确定，使得在所有子体积或体素处的计算或预测的剂量相同或在指定的公差范围内，以便遍及整个靶标递送均匀或令人满意的均匀剂量(规定剂量)。特别地，在实施例中，不允许射束在靶标外部重叠；在该限制下，射束的数目、其方向和其能量被确定，以便遍及整个靶标递送规定剂量。如上所述，由于需要考虑的不同的参数、这些参数的值的范围、这些参数的相互关系、对治疗计划有效而又最小化患者的风险的需求以及快速生成高质量的治疗计划的需求，如本文所公开的，在计算系统100(图1)上一致执行的优化器模型150的使用对于辐射治疗计划是重要的。
在确定了射束的数目、其方向和其能量的最终的值的集合之后，那些值(以及本领域已知的其他参数的其他值)就可以被存储在计算机系统的存储器中作为辐射治疗计划，随后可以从该存储器访问该辐射治疗计划。
图6A图示了在根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。在图6A的示例中，多个射束(由射束602例示)在相同的平面中。每个射束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，在实施例中，每个射束可以递送足以用于FLASH RT的剂量(例如，在不到一秒的时间内至少四(4)个灰度(Gy)，并且在不到一秒的时间内多达20Gy或50Gy或更多)。在实施例中，该范围是0.01Gy-500 Gy。如本文所描述的，每个射束可以包括一个或多个射束段或子射束。在该示例中，射束的路径仅在靶标604内重叠，并且在周围组织606中的靶标外部不重叠。
尽管在图6A中示出了多个射束，但这并不意味着所有射束必须同时或以重叠的时间段被递送，尽管它们可以如此。在任一时间递送的射束的数目取决于在辐射治疗系统(例如，图4A的辐射治疗系统400)中的机架或喷嘴的数目以及取决于治疗计划。
图6B图示了在根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的横截面图。在该示例中，射束(由射束605和607例示)仅在靶标内重叠并且在相同的平面中。该图以重叠的方式描绘了射束，以证明靶标604的每个部分接收到一定剂量的辐射。
在图6A和图6B的示例中，射束被图示为未延伸超过靶标604的远端边缘(质子射束或离子射束可能是这种情况)；然而，本发明不限于此。每个射束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个射束可以递送足以用于FLASH RT的剂量。
如将结合图7C进一步讨论的，对于其中射束(例如质子射束或离子射束)具有布拉格峰的实现，沿着穿过靶标604的射束路径的整个长度，由射束(或射束段)递送的剂量不必是均匀的。因此，例如，对于质子射束或离子射束，在靶标604的近端部分(或边缘)608处的由射束605递送的剂量可以不同于(例如，小于)在靶标的远端部分(或边缘)610处的由该射束递送的剂量(这里，近端和远端是参考射束605的源)。这对每个质子射束或离子射束同样成立。
基于递送到并且穿过靶标604的每个部分的射束的数目，递送到该部分的剂量是累积的。例如，被射束605和607覆盖的靶标604的部分接收总剂量，该总剂量是由射束605递送的剂量与由射束607递送的剂量之和。在实施例中，射束(射束段)的能量被准确地确定，使得即使沿着每个射束(或射束段)的剂量不均匀，也可以在靶标604内和遍及靶标604实现均匀的累积剂量分布。
图6C图示了在根据本发明的实施例中的射束几何形状的示例的透视图。在图6C的示例中，射束(由射束612例示)在不同的平面中。如本文所描述的，每个射束可以包括一个或多个射束段或子射束。在该示例中，射束的路径仅在靶标604内重叠，并且在周围组织606的靶标外部不重叠。尽管图中示出了多个射束，但并非所有射束都必须同时或以重叠的时间段被递送，如上所述。每个射束可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个射束可以递送足以用于FLASH RT的剂量。
对于使用质子射束或离子射束的实现，在靶标604的相应的近端部分(或边缘)处的由每个射束递送的剂量可以不同于(例如，小于)在靶标的相应的远端部分(或边缘)处的由该射束递送的剂量(与前面一样，近端和远端参考射束的源)。
基于递送到并且穿过靶标604的每个部分的射束的数目，递送到该部分的剂量是累积的。为了简单起见，并非所有的射束都在附图中示出；通常，射束的数目足以在靶标604内实现均匀的累积剂量分布。
通常，可以将靶标的表面视为具有多个离散的小平面。从这个角度来看，对于光子射束以外的射束，每个入射射束与每个小平面正交，使得射束不会在靶标外部重叠。在光子射束的情况下，每个入射射束平行于小平面，并且不与靶标外部的其他射束重叠。
图7A图示了在根据本发明的实施例中的射束702的射束俯视图(BEV)。即，图7A图示了射束的横截面。图6A、图6B和图6C的射束是射束702的示例。射束702被图示为是具有高度H和宽度W的矩形形状。然而，本发明不限于此，并且射束702可以具有几乎任何规则或不规则的横截面(例如，BEV)形状。例如，可以使用阻挡射束的一个或多个部分的MLC来定义射束702的形状。不同的射束可以具有不同的形状。
在图7A的实施例中，射束702包括由射束段704、706和708例示的多个射束段或子射束(也可以被称为斑点)。对射束702指定最大能量(例如80MeV)，并且将射束段中的每个的能量水平定义为最大能量的百分比或分数。通过加权每个射束段的能量，实际上每个射束段的强度也被加权。每个射束段的能量被定义，使得射束段将递送规定剂量的一部分，以便在与射束中的其他射束段结合，并且与其他射束(和射束段)结合的情况下，满足规定剂量的均匀(均质)的累积剂量将在靶标的体积内和遍及靶标的体积被递送。可以使用图4A的射束能量调整器407为每个射束段实现定义的能量水平或强度。
每个射束段可以在相对短的时间段内递送相对高的剂量。例如，每个射束段可以在不到一秒的时间内递送至少4Gy，并且可以在不到一秒的时间内递送多达20Gy或50Gy或更多。可以使用图4A的射束能量调整器407来控制每个射束段的能量或强度，以使射束段具有足够的能量来到达靶标的远端边缘。
在操作中，在实施例中，射束段被顺序地递送。例如，射束段704被递送到靶标(开启)然后关闭，然后射束段706开启然后关闭，然后射束段708开启然后关闭，依此类推。每个射束段可以在一秒的一部分(在毫秒的数量级)内被开启。
图7B是在根据本发明的实施例中的针对具有布拉格峰的射束(诸如，质子射束或离子射束)的射束段的深度剂量曲线的示例。图7B的示例示出了作为靶标中的深度(距射束源的距离)的函数的计算的剂量水平。可以使用射束能量调整器407(图4A)控制每个射束段的能量水平或强度，以使布拉格峰在位于靶标的远端边缘处(邻近或附近)的部分中，如图7B中所示。
再次参考回图6B，可以看出(或推论出)，与在靶标的边缘处相比，每个射束的更大部分朝向靶标604的中心重叠，并且与在靶标的边缘处相比，更多的射束在靶标604的中心处或附近重叠。例如，射束602和603在靶标604的近端边缘608处不重叠，朝向靶标的中心重叠得更多，在靶标的中心处或附近完全重叠，并且经过靶标中心和在远端边缘610处部分重叠。所有射束在靶标604的中心重叠，但是所有射束在靶标的边缘不重叠。如本文之前所提到的，由每个射束贡献的剂量是累积的，并且靶标604可以由被称为体素或子体积的3D元素表示。每个体素或子体积将从自不同方向递送的一个或多个射束段接收辐射。针对体素/子体积的总剂量是由体素接收的每个射束段递送的剂量的总和。通过对具有布拉格峰的射束(例如，质子射束和离子射束)的射束段(如图7B的示例所示)整形，被较少的射束(射束段)穿过的靶标604中的部分或体素或子体积将接收较大的每射束段剂量，因为那些射束段的布拉格峰与这些部分/体素/子体积的位置重合，而被较更多射束(射束段)穿过的靶标中的部分/体素/子体积将接收较小的每射束段剂量，因为后面射束段的布拉格峰与后面部分/体素的位置不重合。换言之，每个射束的布拉格峰都位于靶标604的远端，在这里，射束之间重叠较少，并且在射束之间重叠较多的靶标内部的位置处的每射束剂量小于布拉格峰。以这种方式，对于使用具有布拉格峰的射束的实施例，可以在靶标604内和遍及靶标604递送均匀的剂量。
图7C图示了在根据本发明的实施例中的不规则形状的靶标715和射束720的横截面图，射束720在纵向上包括四个射束段721、722、723和724。如上所述，射束段721、722、723和724中的每个射束段的能量可以被单独地定义和独立控制(例如，使用图4A的射束能量调整器407)，以使射束段具有足够的能量以达到靶标715的远端边缘。特别地，对于具有布拉格峰的射束(如质子射束和离子射束)，可以使用射束能量调整器407独立地控制射束段721、722、723和724的能量水平，以使每个射束段的布拉格峰在位于靶标715的远端边缘处(邻近或附近)的部分中。以这种方式，射束720的范围可以被整形，以使其在纵向上遵循靶标715的形状。可以根据靶标715的形状的复杂性来指定每个射束段的横截面尺寸(例如，高度、宽度或直径)。例如，如果靶标表面相对均匀(例如，平坦)，则射束段的尺寸可以更大。
图8是在根据本发明的实施例中的计算机实现的辐射治疗方法的示例的流程图800。流程图800可以被实现为驻留在某种形式的计算机可读存储介质上的计算机可执行指令(例如，使用图4的控制系统410)。
在图8的框802中，辐射治疗计划被访问。辐射治疗计划包括要被均匀地遍及靶标递送的规定剂量、射束的数目、射束的方向和射束的射束能量，其中射束的数目、射束的方向和射束中的每个的射束能量被确定，以使在靶标内部的子体积处的所计算的累积剂量满足规定剂量。可以使用结合图5描述的方法来生成这种辐射治疗计划。
在框804中，根据治疗计划将射束引导到靶标中，由此均匀地遍及靶标递送规定剂量。
图9图示了在根据本发明的实现中的使用快速旋转(例如，滑环)机架将光子FLASH辐射疗法治疗递送至靶标(例如，肿瘤)和靶标外部的正常(健康)组织两者的方法。在这些实施例中，使用诸如体积调制电弧疗法(VMAT)或断层疗法的IMRT类型，在逐个切片或逐个小体积的基础上执行治疗。在图9中，示出了三个处于风险中的器官(OAR1、OAR2和OAR3)和计划靶标体积(PTV；例如肿瘤)。如所图示的，当源在两个不同的机架位置(A和D)时，OAR1在点902处被辐射两次，从而导致有限的Ti(到单个子体积的不同辐射之间的时间)。这意味着在治疗计划中应当考虑Ti。在逐个切片的基础上进行治疗的优点在于，由于减少了每单位时间的MLC叶片行进长度，因此降低了MLC叶片速度要求。在实施例中，为了保持FLASH效果，机架的移动被控制，因此在前进到下一个切片之前不经过180度以上，以便避免相对的射束辐射相同的体积。可以使用诸如连续台运动或步进摄影(step-and-shoot)(SS)的模式递送治疗。在两种模式下，都要注意确保切片之间的过渡区域仍然是FLASH类型的，因为过渡区域中的一些子体积可能会从两个不同的切片位置被(部分地)辐射。
在本实施例中，通过以下示例来说明系统要求。为了以40Gy/sec的速度递送20Gy，机架应当在不到0.5秒(60RPM)的时间内旋转180度。假设切片为5毫米，MLC调制因子为3，则可以使用常规辐射疗法设备达到所需的机架和MLC叶片速度。与高速MLC相关的技术包括气动驱动或电磁驱动。
图10A和图10B图示了在根据本发明的实施例中的使用固定机架角度递送光子FLASH辐射疗法治疗的方法。在这些实施例中，仅针对正常组织维持FLASH标准。在图10的示例中，图10A中示出了三个固定的场(A、B和C)。MLC叶片可以在逐个切片的基础上穿过轴向体积前进，以最小化叶片行进距离并最小化Ti。治疗计划被相应地设计，使得仅通过最小数目的机架角度来辐射正常组织的给定体积以进一步使Ti最小化。然而，在本实施例中的一些中，由于不希望维持FLASH标准，因此可以从多个机架角度辐射PTV(例如，肿瘤)。
与图9的实施例相比，只要治疗计划被约束为使得仅从附近的机架角度辐射正常组织的给定体积，由此使Ti最小化，就可以放宽机架旋转和MLC叶片速度的要求。在实施例中，MLC应当能够在等于切片厚度的短距离上快速移动；这可以使用采用气动驱动的MLC(例如，二进制MLC)来实现。
图11图示了在根据本发明的实施例中的量化的多层MLC 1100。在实施例中，每个层仅部分衰减。另外，在实施例中，整个组件能够在轴向(z)方向上移动以覆盖多个切片，而不必移动患者。沿轴向的运动不必与单个叶片的快速运动一样快。同样，如果叶片运动足够快(例如，叶片1102或叶片1104可以利用静止的或实心的阻挡器代替)，则不必具有MLC组件的两个半部。
在图9、图10和图11的实施例中，可实现高于25Gy/sec的递送剂量率。在实施例中，可以有利地减小或最小化Ti(分离相同子体积的不同辐射的时间间隔的长度)。例如，为了以40Gy/sec的速率在单个射束增量中递送总共四个Gy，所需的时间量是0.1秒。相比之下，为了维持剂量率标准并且以两个相等的射束增量(每个射束增量两个Gy)递送四个Gy，每个射束增量将以40Gy/sec的速率在0.05秒内被递送。期望减少或最小化Ti(两个增量之间的时间)，以满足在短时间内递送大剂量的标准，并且仍然能够利用FLASH RT的正常组织保留效应。实际上，在该示例中，如果两个射束增量穿过正常组织的相同子体积，则如果Ti足够短，则可以认为该子体积仅被辐射一次。
总之，根据本发明的实施例通过将FLASH RT扩展到多个更广泛的治疗平台和靶标部位来改进辐射治疗计划和治疗本身。即使是针对非FLASH剂量率，与常规的技术相比，根据设计，通过减少(如果不是最小化的话)到正常组织(靶标外部)的剂量(在一些情况下为积分剂量)的幅度，如本文描述的那样生成的治疗计划对于使正常组织免受辐射是优越的。当与FLASH剂量率一起使用时，可以简化患者运动的管理。尽管找到竞争且相关的参数之间的平衡仍然是一个复杂的任务，但相对于常规计划，治疗计划得到了简化。本文描述的技术可以用于立体定向辐射外科以及具有单个或多个转移的立体定向身体辐射疗法。
除了IMRT和IMPT，根据本发明的实施例还可以用在空间分级辐射疗法，包括高剂量空间分级格栅辐射疗法和微射束辐射疗法。
尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不必限于上述特定特征或动作。而是，上述特定特征和动作被公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (19)

1.一种计算系统，包括：
中央处理单元(CPU)；以及
存储器，被耦合到所述CPU并且具有存储在其中的指令，所述指令在由所述计算系统执行时使所述计算系统执行操作以生成辐射治疗计划，所述操作包括：
访问要被递送到所述靶标中、并且遍及所述靶标的最小规定剂量；
确定射束的数目和所述射束的方向，其中所述方向被确定，使得所述射束在所述靶标外部不重叠；以及
确定针对所述射束中的每个射束的射束能量，其中所述射束的数目、所述射束的所述方向、和针对所述射束中的每个射束的所述射束能量被确定，使得整个所述靶标接收所述最小规定剂量。
2.根据权利要求1所述的计算系统，其中所述射束在所述靶标内部重叠。
3.根据权利要求1所述的计算系统，其中所述射束包括具有在相同的平面中的路径的射束。
4.根据权利要求1所述的计算系统，其中所述射束包括具有在不同平面中的路径的射束。
5.根据权利要求1所述的计算系统，其中所述射束包括具有多个射束段的射束，其中所述操作还包括：
确定针对所述射束的最大射束能量；以及
将针对所述射束段中的每个射束段的射束能量确定为所述最大射束能量的百分比。
6.根据权利要求5所述的计算系统，其中所述射束选自由质子射束和离子射束组成的组，并且具有与所述射束相关联的相应的布拉格峰，其中所述射束段中的每个射束段被控制，以将其相应的布拉格峰定位在位于所述靶标的远端边缘的所述靶标的一部分中。
7.根据权利要求1所述的计算系统，其中所述射束的数目、所述射束的所述方向、和针对所述射束中的每个射束的所述射束能量使用迭代过程而被确定，其中所述操作还包括：在所述迭代过程中调整所述射束的数目、所述射束的所述方向、和针对所述射束中的每个射束的所述射束能量。
8.一种非瞬态计算机可读存储介质，其具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算系统执行辐射治疗计划的方法，所述方法包括：
访问指定要被递送到靶标中、并且遍布所述靶标的规定剂量的信息；
确定要被引导到所述靶标中的射束的数目；
确定用于将所述射束引导到所述靶标中的机架角度；以及
确定针对所述射束中的每个射束的射束能量，其中所述射束的数目、所述机架角度、和针对所述射束中的每个射束的所述射束能量被确定，使得所述射束在所述靶标外部不重叠，并且在所述靶标内部的所有子体积处的所计算的累积剂量满足所述规定剂量。
9.根据权利要求8所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述机架角度被确定，使得所述射束在所述靶标内部重叠。
10.根据权利要求8所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述机架角度被确定，使得所述射束在相同的平面中。
11.根据权利要求8所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述机架角度被确定，使得所述射束在不同的平面中。
12.根据权利要求8所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述射束中的每个射束包括相应的多个射束段，其中所述方法还包括：
确定针对所述射束中的每个射束的相应的最大射束能量；以及
将针对每个相应的多个射束段中的每个射束段的射束能量确定为所述相应的最大射束能量的百分比。
13.根据权利要求12所述的非瞬态计算机可读存储介质，其中所述射束选自由质子射束和离子射束组成的组，并且具有与所述射束相关联的相应的布拉格峰，其中每个相应的多个射束段中的每个射束段被控制，以将其相应的布拉格峰定位在位于所述靶标的远端边缘的所述靶标的一部分中。
14.一种辐射治疗方法，包括：
访问辐射治疗计划，所述辐射治疗计划包括要遍及靶标被均匀递送的规定剂量、射束的数目、所述射束的方向、以及针对所述射束的射束能量，其中所述射束的数目、所述射束的所述方向、和针对所述射束中的每个射束的所述射束能量被确定，使得所述射束在所述靶标外部不重叠，并且所述规定剂量被计算以遍及整个所述靶标地被递送；以及
根据所述辐射治疗计划将所述射束引导到所述靶标中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述射束在所述靶标内部重叠。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述射束的路径在相同的平面中。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述射束的路径在不同的平面中。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述射束中的每个射束具有与其相关联的相应的最大能量，并且包括多个射束段；并且其中所述引导包括将所述射束段中的每个射束段引导到所述靶标中，所述射束段中的每个射束段具有相应的能量，所述相应的能量是所述相应的最大能量的百分比。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述射束选自由质子射束和离子射束组成的组，并且具有与所述射束相关联的相应的布拉格峰，其中所述射束段中的每个射束段被控制，以将其相应的布拉格峰定位在位于所述靶标的远端边缘的所述靶标的一部分中。
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