專利名稱：根據生物學模型修改放射療法治療計劃的方法和系統的制作方法
根據生物學模型修改放射療法治療計劃的方法和系統技術領域本申請要求2005年7月22日提交的、名稱為"SYSTEM AND METHOD FOR FEEDBACK GUIDED QUALITY ASSURANCE AND ADAPTATIONS TO RADIATION THERAPY TREATMENT"的美國臨 時專利申請No. 60/701, 580的優(yōu)先權，其全部內容通過引用而包含于 此。
背景技術：
在過去的幾十年里，已經把計算機和聯網技術、放射療法治療計 劃軟件以及醫(yī)學成像器械(CT、 MRI、 US和PET)的改進結合進了放 射療法實踐中。這些改進促進了圖像導引放射療法("IGRT")的發(fā)展。 IGRT是利用患者內部解剖結構的截面圖像以更好地把放射劑量對準腫 瘤同時減少對健康器官的輻射暴露的放射療法。用調強放射療法 (IMRT)控制實施到腫瘤的放射劑量，其包括改變放射束的尺寸、形 狀、以及強度以便符合患者腫瘤的尺寸、形狀和位置。IGRT和IMRT 使對腫瘤的控制得到了改善，同時還降低了由于腫瘤周圍健康組織的 輻射導致急劇副作用的可能性。IMRT正在成為多個國家的護理標準。然而，在很多情況下，由于 時間、資源和付款的限制，并不用IMRT來治療患者。可以使用患者的 每曰圖像來確保IMRT計劃生成的高梯度位于患者治療的正確位置處。 而且，這些圖像可以提供如果需要則在線或離線調整計劃所需的信息。在放射療法領域中，公知地，具有可能在患者治療的療程中出現 的不確定性和變化的很多來源。有些來源表示隨機誤差，諸如每天患 者擺位位置的小差異。其它來源被歸結于生理變化，治療期間如果患者的腫瘤退化或患者體重下降則可能發(fā)生該生理變化。第三種可能的 類型與動作有關。動作可能與其它類型交疊，因為有些動作可能是更 加隨機并不可預測的，諸如患者咳嗽或放屁，而有時其它動作可以是 更規(guī)律的，諸如呼吸動作。發(fā)明內容在放射療法中，不確定性能夠影響患者治療的質量。例如，當向 耙區(qū)實施治療劑量時，標準慣例是也治療耙周圍的高劑量"邊緣 (margin)"區(qū)域。這有助于確保靶接即使在治療療程期間或者甚至在 單次放射治療期間位置改變也能接收期望劑量。靶的位置越不明確， 通常就越需要使用較大的邊緣。適應性放射療法通常指的是下述原理，g卩，在放射療法治療的療 程期間使用反饋來改善將來的治療?？梢栽陔x線適應性療法過程和在 線適應性療法過程中使用反饋。在患者沒有正在接受治療時，諸如在 治療次之間，發(fā)生離線適應性療法。在此的一個版本中，在每次放射 治療期間，在每次放射治療前或后獲取患者的新CT圖像。在從前幾次 治療獲取圖像之后，對圖像進行評估從而確定靶結構的多日位置的有 效包絡。接著，可以制訂新計劃以便更好地反映靶結構的動作范圍， 而不是利用動作的規(guī)范假設。離線適應性療法的更復雜版本，是在每 次之后重新計算實施的劑量，并累積這些劑量，在累積期間可以利用 變形技術以便解決內部動作。之后可以比較累積劑量和計劃劑量，以 及如果注意到存在差異，則可以修改后續(xù)治療以便解決這種變化。通常在患者處于治療室中的同時，可能而非必須在治療實施期間， 發(fā)生在線適應性療法過程。例如，有些放射療法治療系統帶有成像系 統，諸如在線CT或X射線系統?？梢栽谥委熐笆褂眠@些系統來驗證或 調節(jié)用于治療實施的患者擺位。成像系統還可以用來在實際的治療實 施期間對治療進行修改。例如，成像系統可以與治療協同使用，以便 修改治療實施從而反映患者解剖結構的變化。本發(fā)明的一個方面，是公開適應性療法技術應用的新時機，另一 個方面是提供用于適應性療法的新方法。具體而言，通常適應性療法 集中在用于修改患者的治療的反饋上，但是本發(fā)明集中在質量保證環(huán) 境中所用的適應性療法過程上。在整個系統核査的情況下，這尤為正 確。例如，可以用檢測器來收集表示有多少治療束已經穿過患者的信 息，由此可以確定治療輸出的大小以及實施所用過的任何放射樣式(pattern)。該實施核査過程的好處是可以使操作者檢測機器實施中的 錯誤，諸如不正確的葉樣式或機器輸出。然而，驗證機器正確運行本身并不能保證治療計劃的正確實施， 因為還需要驗證用來對機器進行編程的外部輸入是有效并一致的。因 此，本發(fā)明的一個方面包括用于整個治療過程的改進的質量保證的適 應性類型反饋循環(huán)的更廣義概念。在這方面，本發(fā)明包括下列步驟定位治療的患者，以及使用圖像導引的方法來確定患者的位置，根據 圖像導引按照治療的需要重定位患者，以及開始治療。隨后，在治療 期間或之后，重新計算患者劑量并結合治療之前或期間收集到的患者 圖像信息。這些步驟都完成之后，收集質量保證數據以便分析沒有按 計劃實施的程度，驗證在新的可用數據的情況下計劃的實施是否合理。 在這點上，反饋的概念不再用來根據患者或實施的變化來表示治療的 變化，而是用來檢査原始實施本身。作為例子，可以為患者制訂治療計劃，除非用來計劃的圖像諸如 采用了不正確的密度校準而變壞。在這種情況下，治療計劃將基于不 正確的信息，可能不向患者實施正確的劑量。然而，很多質量保證技 術不會檢測到該錯誤，因為它們驗證機器是否按指令操作，而不檢驗 給機器的指令是否基于正確的輸入信息。同樣地，有些適應性療法技 術可以應用到該實施，但是如果該例子的校準問題仍存在，則適應調整后的治療仍面臨類似的缺陷。為了質量保證，可以使用多個過程來擴展反饋的使用。例如，在 一個實施例中，該過程將包括上面描述的實施驗證技術。這些方法所 提供的機器性能的檢査，是整個系統質量保證工具箱中的有價值的部 分。而且，實施驗證過程可以被擴展到分析其它系統錯誤，諸如基于 具有殘缺視野的圖像的實施。在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種修改(adapting)治療計劃的方法。該方法包括下述步驟為患者準備治療計劃，獲取患者的圖像，執(zhí)行圖像的可變形配準，獲取關于實施到患者的放射劑量的數據，應 用生物學模型以便把實施的放射劑量和患者效用相關聯，以及根據可 變形配準和生物學模型來修改治療計劃。在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種向患者實施放射療法的方法。該方法包括下述步驟在患者處于第一位置的同時獲取患者的至少一部分的在線圖像，計算將要實施到患者的預測(predictive)放射 劑量，應用生物學模型以便確定預測放射劑量對第一位置中的患者的 生物效應。在又一個實施例中，本發(fā)明提供一種計算機程序，其包含于計算 機可讀介質中并可由計算機執(zhí)行，該計算機程序被用于治療系統中。 計算機程序包括治療計劃模塊，可操作用來為患者生成治療計劃； 圖像獲取模塊，可操作用來獲取患者的至少一部分的圖像；變形模塊， 可操作用來生成在至少兩個圖像之間的可變形配準；建模模塊，可操 作用來把實施到患者的放射劑量和該放射劑量對患者的效用關聯起 來，以便根據可變形配準和生物學模型來修改治療計劃。結合下面的詳細描述以及所附附圖，本發(fā)明的其它方面將變得明顯。


圖1是放射療法治療系統的透視圖。圖2是圖1中所示的放射療法治療系統中可以使用的多葉準直器 的透視圖。圖3是圖1的放射療法治療系統的示意性圖。 圖4是放射療法治療系統中所用的軟件程序的示意圖。 圖5是根據本發(fā)明的一個實施例估算實施到患者的放射劑量的方 法的流程圖。
具體實施方式
在詳細解釋本發(fā)明的實施例之前，應該明白本發(fā)明的應用并不局 限于下列描述中提出的或在下列附圖中示出的結構細節(jié)和部件配置。 本發(fā)明可以是其它實施例并以其它方式實施或執(zhí)行。還應該明白此處 所用的措詞或術語是用于描述而不是用于限制的。這里所用的"包括"、 "包含"或"具有"及其各種變形，意思是包含其后所列的項目和其等價物以及其它項目。除非具體說明或另外限制，術語"安裝"、"連接"、"支 持"和"耦合"及其變形被寬泛使用并包含直接和間接安裝、連接、支持 和耦合。此外，"連接"和"耦合"并不局限于物理或機械連接或耦合。雖然這里在描述附圖時使用了方向性標記，諸如上、下、向下、 向上、向后、底、前、后等，然而這些標記只是為了方便相對于附圖 而言的(按通?？捶?。這些方向不意圖用字面意思或以任何方式限 制本發(fā)明。此外，這里使用的諸如"第一"、"第二"和"第三"這樣的術語， 是用來描述的，而不用來指示或暗示相對重要性或顯著性。此外，應該明白，本發(fā)明的實施例既包括硬件、軟件也包括電子 部件或模塊，為了討論，這些可以被說明或描述成大部分部件單獨用 硬件實現。然而，本領域中的普通技術人員，在閱讀完這里的詳細描 述的基礎上，將知道，在至少一個實施例中，可以用軟件來實施基于本發(fā)明的基于電子的方面。同樣地，應該注意到，可以用多個基于硬 件和軟件的裝置以及多個不同結構的部件來實施本發(fā)明。此外，如在 后面段落中描述的，附圖中示出的具體機械構造用來舉例說明本發(fā)明 的實施例，還可以使用其它備選的機械構造。圖1示出了能夠為患者14提供放射治療的放射療法治療系統10。放 射療法治療可以包括基于光子的放射療法、短程療法、電子束療法、 光子、中子或粒子療法，或其它類型的治療療法。放射療法治療系統10包括機架18。機架18可以支持放射模塊22，放射模塊22包括放射源 24和線性加速器26，其可操作用來生成放射束30。雖然附圖中示出的 機架18是環(huán)形機架，即其延伸通過整個360。的弧形從而生成完整的環(huán) 或圓，但是還可以采用其它類型的安裝布置。例如，可以使用C型、部 分環(huán)形機架或機器人臂?？梢允褂媚軌蛟谙鄬τ诨颊?4的各種旋轉和/ 或軸向位置處定位放射模塊22的框架。此外，放射源24可以在不遵循 機架18的形狀的路線上移動。例如，即使示出機架18通常圓形，放射 源24可以在非圓形路線上移動。放射模塊22還可以包括可操作用來修改或調制放射束30的調制裝 置34。調制裝置34提供放射束30的調制并把放射束30引導向著患者14。 具體而言，把放射束30引導向著患者的一部分。廣泛來說，該部分可 以包括整個身體，但是通常比整個身體小并可由二維面積或三維體積 來勾畫輪廓。期望接收輻射的部分，可以被稱為靶38或靶區(qū)38，它是 關注區(qū)域的一個例子。靶38還可以包括圍繞或部分圍繞靶的邊緣。其 它類型的關注區(qū)域是危險區(qū)域。如果某部分包括危險區(qū)域，則放射束 最好從危險區(qū)域轉移。患者14可以具有不止一個需要接受放射療法的 耙區(qū)。這種調制有時被叫做調強放射療法("IMRT")。如圖2所示，調制裝置34可以包括準直裝置42。準直裝置42包括一 組顎件46，其定義并調節(jié)放射束30可以通過的孔50的尺寸。顎件46包 括上顎件54和下顎件58。上顎件54和下顎件58可移動以便調節(jié)孔50的尺寸。在一個實施例中，以及如圖2所示，調制裝置34可以包括多葉準直 器62,其包括多個交錯的葉66，其可操作以從一個位置移動到另一個 位置以便提供強度葉調制。還應該注意，葉66可以被移動到最小和最 大打開位置之間的任意位置。多個交錯的葉66在放射束30到達患者14 上的靶38之前調制放射束30的強度、尺寸和形狀。每個葉66都由一個 諸如馬達或空氣閥的致動器70獨立控制，以便葉66可以快速打開或關 閉從而允許或阻止射線通過。致動器70可以由計算機74和/或控制器控 制。放射療法治療系統10還可以包括檢測器78，例如千伏或兆伏電壓 檢測器，其可操作用于接收放射束30。線性加速器26和檢測器78還可 以操作作為X射線計算機斷層攝影(CT)系統，以便生成患者14的CT 圖像。線性加速器26向患者14中的靶38發(fā)射放射束30。靶38吸收一些 福射。檢測器78檢測或測量被靶38所吸收的輻射量。隨著線性加速器 26繞著患者14旋轉并發(fā)射輻射，檢測器78從多個角度收集吸收數據。 收集的吸收數據被傳送給計算機74，以便處理吸收數據并生成患者身 體組織和器官的圖像。圖像還可以示出骨骼、軟組織和血管?？梢岳镁哂猩刃螏缀涡螤?、多片幾何形狀或錐形束幾何形狀的 放射束30獲得CT圖像。此外，還可以利用實施兆伏電壓能量或千伏電 壓能量的線性加速器26獲得CT圖像。還應該注意，可以將所獲得的CT 圖像與先前獲得的CT圖像配準(來自放射療法治療系統10或其它圖像 獲得裝置，諸如其他CT掃描儀、MRI系統以及PET系統)。例如，患者 14的先前獲得的CT圖像可以包括通過勾畫輪廓過程完成的識別出的靶 38?？梢詫⒒颊?4的新獲得的CT圖像與先前獲得的CT圖像配準，以便 幫助識別新CT圖像中的靶38。這種配準過程可以使用剛性或可變形配 準工具。在有些實施例中，放射療法治療系統10可以包括X射線源和CT圖像檢測器。X射線源和CT圖像檢測器以與上述線性加速器26和檢測器 78相似的方式工作，以便獲得圖像數據。圖像數據被傳送給計算機74， 在此對其進行處理以便生成患者身體組織和器官的圖像。放射療法治療系統10還可以包括支持患者14的患者支持件，諸如 治療床82 (在圖l中示出)。治療床82沿著x、 y或者z方向上的至少一個 軸84移動。在本發(fā)明的其它實施例中，患者支持件可以是適于支持患 者身體任一部分的裝置?；颊咧С旨幌抻诒仨氈С终麄€患者身體。 系統10還可以包括可操作以操縱治療床82的位置的驅動系統86。驅動 系統86可以由計算機74控制。在圖2和3中示出的計算機74，包括用于運行各種軟件程序和/或通 信應用程序的操作系統。尤其是，計算機74可以包括操作以與放射療 法治療系統10通信的(多個)軟件程序90。(多個)軟件程序90能夠 操作以從外部軟件程序和硬件接收數據，并且應該注意的是，還可以 把數據輸入給(多個)軟件程序卯。計算機74可以包括適于由醫(yī)務人員訪問的任何適合輸入/輸出裝 置。計算機74可以包括諸如處理器、1/0接口以及存儲裝置或存儲器的 典型硬件。計算機74還可以包括諸如鍵盤和鼠標的輸入裝置。計算機 74還可以包括諸如監(jiān)視器的標準輸出裝置。此外，計算機74可以包括 諸如打印機和掃描儀的外圍設備。計算機74可以與其它計算機74以及放射療法治療系統10聯網。其 它計算機74可以包括其它和/或不同的計算機程序以及軟件，而不必與 此處描述的計算機74相同。計算機74和放射療法治療系統10可以與網 絡94通信。計算機74和放射療法治療系統10還可以與(多個)數據庫 98和(多個)服務器102通信。應該注意，(多個)軟件程序90還可以 駐留在(多個)服務器102上。可以根據任意網絡技術或網絡布局或技術和布局的組合來構建網絡94，網絡94可以包括多個子網絡。圖3中示出的計算機和系統之間的 連接可以通過局域網("LAN")、廣域網("WAN")、公共交換電話 網絡("PSTN")、無線網絡、內聯網、因特網或任意其它合適的網絡 來構成。在醫(yī)院或醫(yī)療設施中，圖3中所示的計算機和系統之間的通信， 可以通過健康信息交換第七層協議("HL7")或任何版本的其它協議和 /或其它要求的協議來進行。HL7是規(guī)定兩個來自不同賣方的計算機應 用程序(發(fā)送器和接收器)之間的接口的實施的標準協議，用于醫(yī)療 環(huán)境中的電子數據交換。HL7可以允許醫(yī)療機構交換來自不同應用程序 系統的重要數據集。尤其是，HL7可以定義將要交換的數據、交換的計 時以及與應用程序的出錯通信。格式通常實質上是通用的并可配置為 滿足所涉及應用程序的需要。圖3中所示出的計算機和系統之間的通信還可以通過具有任意版 本的醫(yī)學數字成像和通信("DICOM")協議和/或其它需要的協議來進 行。DICOM是由NEMA開發(fā)的國際通信標準，其定義了用來在醫(yī)學設 備的不同件之間傳輸關于醫(yī)學圖像的數據的格式。DICOM RT指的是放 射治療數據專用的標準。圖3中的雙向箭頭通常表示在圖3中所示出的網絡94和任一計算機 74以及系統10之間的雙向通信和信息傳輸。然而，對于某些醫(yī)學和計 算機化設備來說，可能只需單向通信和信息傳輸。圖4是軟件程序90的示意圖示。軟件程序90包括多個互相通信以便 執(zhí)行放射療法治療過程的功能的模塊。軟件程序90包括治療計劃模塊106，其可操作用于根據醫(yī)務人員輸 入到系統10的數據為患者14生成治療計劃。數據包括患者14的至少一 部分的一個或多個圖像(例如計劃圖像和/或治療前圖像)。治療計劃模塊106把治療分成多次，并根據醫(yī)務人員輸入的處方為每次或每個治療確定放射劑量。治療計劃模塊106還根據圍繞靶38畫出的各種輪廓為 耙38確定放射劑量。在同一治療計劃中可以出現并包括多個靶38。軟件程序90還包括患者定位模塊110，其可操作用來為特定次的治 療相對于機架18的等中心定位并對準患者14。當患者在治療床82上 時，患者定位模塊110獲取患者14的圖像并對患者14的當前位置和 患者在計劃或先前獲得的圖像中的位置進行比較。如果需要調整患者 的位置，患者定位模塊IIO就提供指令給驅動系統86以便移動治療床 82，或者把患者14手動地移動到新位置。在一個方面中，患者定位模塊110可以從位于治療室內的激光器 接收數據，以便提供相對于機架18的等中心的患者位置數據。根據 來自激光器的數據，患者定位模塊110向驅動系統86提供指令，驅動 系統86移動治療床82以獲得患者14相對于機架18的正確對準。應 該注意到，除了激光器之外的裝置和系統也可用于向患者定位模塊110 提供數據以有助于對準過程。患者定位模塊110還可操作用來檢測和/或監(jiān)視患者在治療期間的 動作?；颊叨ㄎ荒K110可以與動作檢測系統114通信和/或包括動作 檢測系統114,諸如X射線、室內CT、激光定位裝置、照相機系統、 肺活量計、超聲、張力測量、胸帶等等。患者動作可以是無規(guī)律的或 者預料不到的，并且不需按照平滑的或者可再現的路徑。軟件程序卯還包括圖像模塊118，其可操作用來獲取患者14的至 少一部分的圖像。圖像模塊118可以根據期望協議在治療開始之前、 治療期間、和治療之后，指示諸如CT成像裝置的機載圖像裝置以獲取 患者14的圖像。在一個方面中，圖像模塊118在患者14基本上處于 治療位置的同時獲取患者14的圖像。還可以使用其它離線成像裝置或 者系統來獲取患者14的治療前圖像，諸如非定量CT、 MRI、 PET、SPECT、超聲、透射成像、熒光檢査、基于RF的定位等等。所獲取的 (多個)治療前圖像可以用于患者14的配準和/或生成變形映射，以便識別在一個或多個計劃圖像與治療前、治療期間或者治療后圖像的一 個或多個之間的差異。獲取的圖像還可以被用于患者14的配準和/或確定或者預測將要 實施到患者14的放射劑量。獲取的圖像還可用于確定患者在先前的治 療期間或者在先前次治療期間接收的放射劑量。圖像模塊118還可操 作用來在患者正在接收治療的同時獲取患者14的至少一部分的圖像， 以便確定患者14正在實時接收的放射劑量。軟件程序90還包括可操作用來接收數據的變形模塊122，該數據 諸如來自圖像模塊118以及治療計劃模塊106的圖像數據，及來自治 療計劃模塊106的其他患者和系統數據，以便生成圖像的變形映射。 變形模塊122可以使用變形技術確定所有實施的治療的放射劑量的累 積。變形模塊122可以生成變形映射，以便識別在一個或多個圖像之 間的差異，這些圖像例如計劃圖像、治療前圖像、治療期間圖像和治 療后圖像。例如，可以使用變形映射來把多個圖像關聯起來，其中一 個圖像是可用于劑量計算的計劃圖像，而諸如在線圖像的另一個圖像 具有定性值但很少直接用于劑量計算。隨后，這種關系可以用來把更 定量的圖像"再映射"到在線或者更少定量的圖像的定性形狀。所得 到的再映射的圖像將比另外兩個圖像中的任何一個都更適合劑量計算 或者定量性的應用，因為它將具有第一圖像的定量性益處并且也具有 如包含在第二圖像中的更新后的解剖信息。這在很多情況下都很有用， 諸如第一圖像(例如計劃圖像)是CT圖像而第二圖像缺乏定量性圖像 值時(例如MRI、 PET、 SPECT、超聲、或者非定量性CT等圖像)。代替或者除定量性限制之外，變形模塊122也可以校正幾何失真、不完美、和/或不完備。例如，較好地表示解剖結構但包括幾何失真的 當前的MRI圖像可以被再映射到不失真的CT圖像?；蛘?，可使用多 個圖像來在表示解剖變化的同時校正失真。變形映射可用于計算在計劃圖像之后獲取的患者圖像上的放射劑 量。其還可用于累積多次實施的劑量?？梢愿鶕┝吭谏眢w空間中的位置來對劑量進行相加，但另一種方法將把變形方法結合到該過程中， 以便即使結構已經改變了位置也能根據接收劑量的結構來對劑量進行相加。變形模塊122可以計算患者14已經從先前實施的放射次接收的輻射的劑量?？梢詾榱斯串嫲?8周圍的輪廓生成變形映射。軟件程序90可以 包括可用操作來在圖像上生成一個或多個輪廓的輪廓模塊126。通常， 醫(yī)務人員手動地在計劃圖像上勾畫靶38周圍的輪廓。該過程費時。新 獲取的圖像(例如治療前圖像)不具有勾畫的輪廓。希望能夠根據舊 圖像在新圖像上生成輪廓。變形映射可用于幫助勾畫輪廓過程，并能 夠在提供質量保證措施的同時為醫(yī)務人員節(jié)約時間。還可以為新圖像(例如治療前圖像)自動地或者半自動地生成輪 廓。該過程始于計劃或者其它具有初始輪廓集的基準患者圖像。當執(zhí) 行質量保證或者適應性療法時，通常具有輪廓尚不可用的新圖像。不 是要求醫(yī)務人員手動地勾畫新圖像的輪廓，而是可以更迅速更一致地 執(zhí)行可變形圖像配準，然后使用該變形結果作為基礎來修改初始輪廓 集，以便反應新的患者解剖結構。通常，已知地，手動輪廓會遭受不 可再現性，而自動生成的輪廓可能在對后續(xù)輪廓的生成應用初始輪廓 的原理時更一致。已經開發(fā)出類似的基于模版的勾畫輪廓算法的族，以便根據先前 可用的圖像和輪廓集為新的可用圖像生成輪廓。這些基于模板的算法 可以根據先前的患者圖像和輪廓，或者可以根據規(guī)范或者圖譜患者圖像和輪廓，來勾畫新患者圖像的輪廓。可以為適應性療法執(zhí)行這些， 作為累積在每日圖像中的劑量的方法，其中每日圖像的每一個具有自 動每日輪廓。本發(fā)明的一個方面是，對放射療法質量保證和適應性療 法應用基于變形的輪廓勾畫或者基于模板的輪廓勾畫。在該方面，本 發(fā)明把這些技術應用到在圖像引導放射療法期間出現的特定大量圖像 數據和圖像類型上。具體地說，這包括相同患者的多個圖像的變形和 基于模板的輪廓勾畫，其中輪廓集可能只為一個圖像存在?；颊叩亩?個圖像可以通過使用在線或者室內患者成像系統生成，圖像可能在不 同日期得到，或者這些圖像可以由諸如CT掃描儀的"4D"成像系統 得到，其中每個圖像都表示動作的相，諸如呼吸相。還應注意，在線 或者室內成像系統可以是與參考圖像相同的、類似的或者不同的模態(tài) (modality)。例如，參考圖像可以是CT圖像，而在線圖像可以是CT 圖像、錐形束CT圖像、兆伏CT圖像、MRI圖像、超聲圖像、或者由 不同的系統或裝置生成的圖像。通過把這些輪廓勾畫的技術轉用到質 量保證和適應性療法的應用，可以從圖像的輪廓勾畫節(jié)省相當可觀的 時間，而該方法還可以提高同一患者的多個圖像(在不同時間獲得或 表示不同相)之間的輪廓的一致性。該過程的另一個好處是生成的輪廓提供了對變形過程的驗證。如 果生成的輪廓緊密地反映了會手動繪出的輪廓，則是變形過程合理的 良好指示；然而如果自動輪廓較不相關，則向醫(yī)務人員指出該變形可 能不合適，并向醫(yī)務人員提供檢驗手動輪廓以便檢查錯誤或者不一致 的機會。本發(fā)明的另一個方面是，基于變形的輪廓可以用作適應性過 程的輪廓的草圖，并被手工編輯以便反映在線圖像的期望輪廓。當執(zhí) 行這些時，可以由此重新運行變形過程，限制變形映射以便使初始輪 廓與手動編輯的自動輪廓匹配，這有助于通過其余的圖像來導向(direct) —致的結果。在把一個圖像配準到另一個圖像的情況下描述以上的變形過程 時，其還可通過可變形地把一組兩個或多個圖像與另一組一個或多個圖像配準來作用。例如，如果有兩對圖像，每對包括MRI和CT圖像， 則變形映射能夠在MRI具有更多信息的區(qū)域把兩個MRI圖像配準到一 起，并在CT具有更多信息的區(qū)域把兩個CT圖像配準到一起。由此 能把這些變形組合起來?；蛘邎D像之間的變形映射可以一起使用，例 如用于使用CT變形映射來校正MRI圖像和變形中的幾何失真、不完 美、和/或不完備，在校正該失真、不完美、和/或不完備之后，使用 MRI變形映射以更好地分析軟組織的動作。 一般來講，該過程通過變 形使成像得到了改善，因為通過應用表示像解剖尺寸、形狀、和內容 的信息的變形技術，可以更好地理解不良圖像，由此得到了改善。該 信息可以被結合到圖像重建、修改、或者增強過程中。軟件程序90還包括建模模塊130，其可操作用來為特定的治療生 成和應用生物學模型以評估生物效用。生物學模型可以基于描述輻射 對組織、腫瘤以及器官的效用并利用對規(guī)定或者實施的劑量的認識的 測量結果和模型。建模模塊130可以應用生物學模型來確定患者效用， 以及患者的位置和/或運動對于規(guī)定放射劑量的實施的影響。根據生物 效應，醫(yī)務人員可以調整患者14、系統設置、或者對治療計劃進行其 它調整。可以在患者配準過程中結合生物信息，以便識別使發(fā)射劑量 具有優(yōu)選生物效用的患者14的優(yōu)選位置。建模模塊130可以使用關于實際實施到患者的放射劑量以及所實 施的放射劑量的生物效用的數據，以便應用生物學模型把實施到患者 的放射劑量和相應的患者效用關聯起來。把放射劑量和患者效用關聯 起來，意味著簡單的比較或者對生物學模型的主動約束(active constraint)。實施的凈放射劑量(利用變形技術累積的)可用于評估 繼續(xù)該治療將得到的生物效用，而且，可以為優(yōu)選的生物效用來評估 用于修改治療的可能備選。所得到的分次放射治療進度表、劑量分布 以及計劃，可以反映信息的該頂點(culmination)。可以通過對患者的身體觀察和/或利用生物跟蹤器，來隨著時間流逝跟蹤患者或確定患者或生物效用。例如，生物跟蹤器可以包括患者 14能夠吞入和/或被注入到患者14中的患者標記和放射性材料。本發(fā)明的一個方面是利用具有變形和適應性療法的組合的生物學 模型。特別是，當作為適應性療法的一個方面累積輻射劑量時，最好 使用變形技術，因為這有助于把實際接受的劑量與特定的組織關聯起 來，而不是與身體空間關聯起來。假定這樣，希望根據劑量導致的生物效應來分析接收的劑量，而不是完全根據物理(physical)劑量的量 來分析接收的劑量?；趧┝坷鄯e的生物學和變形的特定擴充，適用于4D圖像和4D 劑量計算的情況。"4D"圖像是3D圖像容積的集，每個3D圖像容 積表示動作樣式的"相"，諸如呼吸。可以通過利用生物學評估器根 據依賴于動作的劑量分布來評估依賴于動作的生物效用，從而增強在 4DCT(或4DMRI等)圖像的合適部分上的患者動作和劑量計算。建 模模塊130可以更準確地在3D容積其中一個上面重新計算劑量。建模模塊130可操作用來接收患者數據(實時和歷史性的)、患 者圖像(例如計劃圖像和/或治療前圖像)、患者位置數據、解剖位置 數據、以及系統或者機器數據。建模模塊130可以通過下述方法來確 定實施到患者14的放射劑量的量利用來自動作檢測系統114的數據 來識別患者在任一給定時間所處的相，以及每次在與患者的瞬時位置 最匹配的4D CT圖像的相中則重新計算放射劑量。根據對患者實際正 在接收的放射劑量的量的更好的理解，醫(yī)務人員可以調節(jié)治療計劃、 治療期間的患者位置/配準、劑量量、劑量分布、以及其它參數和系統 設置。還可以在更新后的4D CT圖像以及諸如治療前或治療期間獲得 的4D PET或4D MRI的其它類型的4D圖像上執(zhí)行劑量計算?？梢栽谥委熃Y束和/或治療的療程期間執(zhí)行應用生物學模型的過 程，以便可以檢測并校正任何差異。在一種實施中，實施的總凈放射劑量(利用變形技術累積的)被用于評估繼續(xù)該治療對患者14產生的 生物效用，也可以為優(yōu)選的生物效用評估用于修改治療的可能備選。 可以修改得到的分次放射治療進度表、劑量分布以及計劃，以便反映 信息的該頂點(culmination)?？梢越Y合的附加信息是貫穿治療所看到 的或者來自規(guī)范的患者研究的動作的范圍、大小以及分布?？梢詧?zhí)行 治療計劃的優(yōu)化或者適應性修改，以便解決該動作的生物效用，還可 以修改計劃以便最好地解決它。類似地，基于生物學的適應性療法不 必依靠物理劑量信息，而是可以利用對化學療法劑(chemotherapy agent)實施的了解，尤其是利用可以用PET、 SPECT或者其它原子醫(yī) 學設備成像的標記劑?？梢愿鶕嵤┑钠渌麆?、它們的位置，或根據 放射免疫療法實施或者反饋，來定義或者修改劑量瞄準。該過程可以被擴展為不僅持續(xù)整個治療期間，還可以被擴展為在 患者的壽命期間跟蹤患者劑量和生物效用的方法。建模模塊130可以 生成在患者的壽命期間接收的放射劑量的模型，并可以結合劑量歷史、 預期生物恢復、生物效用及其他參數。當為患者14設計新放射療法治 療計劃及其他醫(yī)療計劃時，可以利用對該歷史的了解。還可以結合生物信息以供患者配準之用。該方法改善了當前的配 準方法，其中在線圖像被用來根據圖像內容、計劃的劑量分布、計劃 輪廓等來對準患者。在一個實施例中，該方法將會收集在線圖像，自 動勾畫它的輪廓(可以使用上面討論的基于變形的技術)，執(zhí)行預測 劑量計算，以及然后為給定的患者位置評估生物效用。利用該模型， 能基于找到導致實施劑量產生最佳或者優(yōu)選的生物效用的圖像位置， 來執(zhí)行配準。本發(fā)明的另一個方面是，為了生物學評估的目的，使用可用的先 驗知識來更好或更容易地識別結構。例如，生物學模型通常要求在圖 像中的組織類型或者結構的定義，因為不同類型的結構可以對放射劑 量產生不同的反應。通過在患者質量保證和適應性療法的情況下執(zhí)行生物學分析，通常假定具有計劃圖像和初始輪廓。由此，當收集新的 在線圖像時，在該圖像中的結構可以不僅根據原始圖像信息還根據相 對于先驗圖像的圖像處理被自動識別為特定的生物結構。通過監(jiān)視響應于實施劑量和/或修復機制的劑的生物攝取的變化， 還可以更直接地把生物建模方法應用到劑量重建。例如，FLT可以用 于生物劑量重建，其可以與利用生物學模型的物理劑量重建進行比較。適應性生物療法還可以與遺傳測試(genetic testing) —起使用， 因為遺傳測試能夠識別其它成像模態(tài)還不能檢測到的細胞水平發(fā)生轉 移的患者。適應性療法可以施加到這些患者以便基于病歷和劑量測定 估算來估算何處已經接收了劑量、轉移的可能區(qū)域，由此確定將要向可能的轉移區(qū)域實施劑量的治療計劃。本發(fā)明的另一個方面是,不僅可以單獨根據接收的輻射劑量來應 用適應性療法，還可以根據在患者治療中的預測趨勢、臨床結果、機 器變化、和/或生物標記來應用適應性療法。例如，如果檢測到腫瘤正 在縮小或者正常的組織結構正在逐漸轉移的趨勢，則適應性計劃過程 不僅能解決患者的當前狀態(tài)和到目前為止實施的劑量，還可以生成反 映解剖結構的預期進一步變化的計劃。類似地，當在治療的療程期間 分析累積劑量信息時，醫(yī)務人員還可以考慮患者正在遭受的臨床效用 和副作用的水平，或者根據臨床發(fā)現或者根據可用的生物標記或者測 試。如果幾乎感覺不到副作用，就繼續(xù)進行更積極的適應性療法治療， 然而如果檢測到更多并發(fā)癥，就可以修該該療法以更好地避免影響區(qū) 域。此外，可以修改計劃來補償檢測到的機器變化，諸如輸出、能量 或者校準的變化。該方面的變化是執(zhí)行放射活組織檢査(radiobiopsy)。在治療早期， 或者在輻射治療完全開始之前，患者14可以接收一次對局部區(qū)域的大 劑量輻射治療，或者可以接收只對局部區(qū)域的劑量的輻射治療。可以監(jiān)視對于該區(qū)域的生物效用，以便確定該區(qū)域的性質，諸如是否為腫 瘤性的以及是什么類型?？梢愿鶕@些結果，來確定治療的合適療程， 并把已經實施的劑量結合到計劃過程中。軟件程序90還包括治療實施模塊134，其可操作用來指示放射療 法治療系統10根據治療計劃向患者14實施放射療法。治療實施模塊 134可以生成并傳送指令給機架18、線性加速器26、調制裝置34以及 治療床驅動系統86，以便向患者14實施輻射。該指令協調機架18、 調制裝置34以及治療床驅動系統86的需要運動，以便按照治療計劃 中規(guī)定向正確的靶以正確量實施輻射束30。治療實施模塊134還計算將要實施的放射束30的合適的樣式 (pattern)、位置以及強度，以便與治療計劃規(guī)定的處方匹配。放射束 30的樣式由調制裝置34生成，具體而言是通過多葉準直器中的多個葉 的運動生成。治療實施模塊134可以根據治療參數使用規(guī)范的、預定 的或者模板葉樣式來生成放射束30的合適的樣式。治療實施模塊134 還可以包括可以被訪問的典型情況的樣式庫，其中與當前患者數據進 行比較以便確定放射束30的樣式。圖5示出了根據本發(fā)明一個實施例的修改放射療法治療計劃的方 法的流程圖。醫(yī)務人員根據患者數據、圖像或者其它信息為患者14生 成(在200)治療計劃。當患者14準備好治療時，醫(yī)務人員在實施治 療之前利用患者定位模塊110的協助，把患者14定位(在204)在治 療床82上。當患者在治療床82上的同時，醫(yī)務人員開始(在20S)獲 取患者14的一個或多個圖像。正確地定位患者14之后，醫(yī)務人員啟 動(在212)治療計劃的實施。在治療計劃的實施之前、期間和/或之 后，變形模塊118執(zhí)行(在216)患者14的一個或多個圖像的可變形 配準。建模模塊130獲取(在220)關于實施到患者的放射劑量的數據。 建模模塊130應用(在224)將實施的放射劑量與患者效用相關聯的生 物學模型。建模模塊130還根據可變形配準和生物學模型來修改/更改(在228)放射療法治療計劃。在下列權利要求中陳述了本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點。
權利要求
1.一種修改治療計劃的方法，該方法包括為患者準備治療計劃；獲取所述患者的圖像；執(zhí)行所述圖像的可變形配準；獲取關于實施到所述患者的放射劑量的數據；應用生物學模型來將實施的所述放射劑量和患者效用相關聯；以及根據所述可變形配準和所述生物學模型來修改所述治療計劃。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述治療計劃是放射療法 治療計劃。
3. 根據權利要求l所述的方法，還包括根據所述放射劑量對于所 述患者的效用來調整所述生物學模型。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中，能夠利用患者標記和生物 跟蹤器中的一個來確定所述放射劑量對于所述患者的所述效用。
5. 根據權利要求1所述的方法，還包括在一段時間期間跟蹤所 述患者效用如何與所述生物學模型相關聯。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中，所述一段時間是所述患者 的壽命。
7. 根據權利要求5所述的方法，還包括根據所述關聯來調節(jié)生物 學模型參數。
8. 根據權利要求l所述的方法，還包括根據所述患者效用來修改所述治療計劃。
9. 根據權利要求l所述的方法，還包括評估所述患者的關注區(qū)域 是否移動，并且其中，修改所述治療計劃的行為結合與所述關注區(qū)域 的移動有關的信息。
10. 根據權利要求1所述的方法，還包括根據先前治療中實施 到所述患者的所述放射劑量的所述患者效用，來定位所述患者以供治 療。
11. 根據權利要求1所述的方法，還包括監(jiān)視所述患者效用的趨 勢并根據所述趨勢來修改所述治療計劃。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述修改所述治療計劃的行為還包括自動選擇用于評估的生物學模型，并自動應用所述生 物學模型來修改所述治療計劃。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物學模型是數學 模型。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物學模型是經驗 模型。
15. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物學模型是基于 解剖影響的生物效用。
16. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述生物學模型基于患 者度量。
17. 根據權利要求1所述的方法，還包括執(zhí)行遺傳測試，以便識別正在被治療的患者情況是否易于重新發(fā)生。
18. —種向患者實施放射療法的方法，該方法包括 當患者在第一位置的同時，獲取所述患者的至少一部分的在線圖像；計算將要實施到所述患者的預測放射劑量；以及應用生物學模型來確定所述預測放射劑量對所述第一位置中的所 述患者產生的生物效用。
19. 根據權利要求18所述的方法，還包括在所述圖像中圍繞關 注區(qū)域的至少一部分生成輪廓。
20. 根據權利要求19所述的方法，還包括確定向所述輪廓內的 所述關注區(qū)域實施所述預測放射劑量對所述患者產生的所述生物效 用。
21. 根據權利要求19所述的方法，其中，生成所述輪廓的行為包 括在兩個圖像之間生成變形映射，識別在所述圖像的一個圖像中的勾畫的結構，以及 應用所述變形映射來將來自所述一個圖像的所述勾畫的結構關聯 到另一個圖像上，從而生成基于變形的勾畫的結構。
22. 根據權利要求21所述的方法，還包括修改所述基于變形的 勾畫的結構，并響應于修改所述基于變形的勾畫的結構的行為，來更 新所述變形映射。
23. 根據權利要求21所述的方法，還包括根據先前獲取的輪廓 和結構，來識別所述輪廓中的生物物質。
24. —種能夠由計算機執(zhí)行的計算機程序，其包含于計算機可讀介質中，該計算機程序用于治療系統中，該計算機程序包括 治療計劃模塊，可操作用來為患者生成治療計劃； 圖像獲取模塊，可操作用來獲取所述患者的至少一部分的圖像； 變形模塊，可操作用來生成所述圖像的至少兩個圖像之間的可變形配準；以及建模模塊，可操作用來將實施到所述患者的放射劑量和所述放射 劑量對所述患者產生的效用相關聯，并且根據所述可變形配準和生物 學模型來修改所述治療計劃。
全文摘要
一種修改放射療法治療計劃的系統和方法。該方法包括下述步驟為患者準備治療計劃，獲取患者的圖像，執(zhí)行圖像的可變形配準，獲取關于實施到患者的放射劑量的數據，應用把實施的放射劑量和患者效用關聯起來的生物學模型，根據可變形配準和生物學模型來修改放射療法治療計劃。
文檔編號A61N5/10GK101267858SQ200680034655
公開日2008年9月17日 申請日期2006年7月21日 優(yōu)先權日2005年7月22日
發(fā)明者保羅·J·萊克韋德, 盧衛(wèi)國, 古斯塔沃·H·奧利弗拉, 托馬斯·R·麥克基, 杰弗里·M·卡帕拓斯, 肯尼斯·J·盧卡拉, 艾里克·斯楚納爾 申請人:斷層放療公司