本文的實施例涉及用于實施放射治療的放射治療計劃的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、放射治療或放射療法可被描述為使用電離輻射來損傷或破壞人類和動物中的不健康細胞。電離輻射可以被引導到皮膚表面上或身體內(nèi)部深處的腫瘤。電離輻射的常見形式包括x射線和帶電粒子。放射治療技術(shù)的示例是伽瑪?shù)?gamma)或萊克塞爾伽瑪?shù)?leksell?gamma)，其中，使用以較高強度和高精度會聚在目標區(qū)域(例如腫瘤)的多個較低強度伽瑪射線來照射患者。放射治療的另一個示例包括使用直線加速器(linac)，由此通過高能粒子(例如電子、高能光子等)照射目標區(qū)域。在另一示例中，使用重帶電粒子加速器(例如質(zhì)子、碳離子等)提供放射治療。

2、準確控制輻射束的放置和劑量，以向目標區(qū)域(例如腫瘤)提供規(guī)定的輻射劑量并減少對周圍健康組織(稱為危險器官或oar)的損傷。治療計劃的一個方面涉及確定要遞送的放射的合適特性以產(chǎn)生安全和有效的劑量。輻射的特性涉及例如積分通量模式。積分通量模式可以取決于束布置、能量和場尺寸，其又與可控參數(shù)(其是可優(yōu)化的)相關(guān)。通過確定這些參數(shù)的合適值，可以獲得合適的積分通量模式。治療計劃可以由治療計劃系統(tǒng)確定。

3、放射治療計劃(治療計劃)包括使用優(yōu)化過程來確定將遞送合適劑量的最優(yōu)參數(shù)集。優(yōu)化過程可以基于臨床和劑量測定目標和約束。臨床和劑量測定目標和約束的示例包括對腫瘤和關(guān)鍵器官的最大、最小和平均劑量。臨床和劑量測定目標和約束可以被稱為治療計劃目標。

4、治療計劃過程可以包括使用患者的三維圖像來識別靶區(qū)域和識別腫瘤附近的關(guān)鍵器官?？梢允褂梅指顏碜R別靶區(qū)域、待治療的區(qū)域(例如計劃靶體積(planned?targetvolume，ptv))和危及器官(organ?at?risk，oar)。在分割之后，可為患者創(chuàng)建劑量計劃，其指示ptv(例如靶)和/或oar要接收的期望輻射量。ptv可以具有不規(guī)則的體積。

5、在實際的示例中，可存在多個解剖結(jié)構(gòu)(即ptv、靶和/或oar)。例如，在頭部和頸部治療中，可能有超過20個解剖結(jié)構(gòu)。對于各個結(jié)構(gòu)，期望符合各種治療計劃目標?？梢詾榻Y(jié)構(gòu)及其目標分配不同的優(yōu)先級，以便實現(xiàn)臨床上可接受的計劃。確定滿足各種目標的治療計劃是耗時且復雜的。

6、需要用于生成治療計劃的改進的方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、如上所述，治療計劃的生成可能是耗時且復雜的，特別是當存在許多治療計劃目標時。

2、治療計劃包括執(zhí)行優(yōu)化多個參數(shù)的優(yōu)化過程，目的是向ptv提供足夠高的劑量，同時減少對周圍健康組織的劑量。通過平衡不同的治療計劃目標，例如通過區(qū)分涉及ptv處的劑量覆蓋的治療計劃目標的優(yōu)先級且然后區(qū)分涉及保護oar的治療計劃目標的優(yōu)先級，可以獲得臨床上合適的計劃。通過使一個目標優(yōu)先于另一個目標，意味著基于第一目標執(zhí)行優(yōu)化過程，然后基于具有比第一目標低的優(yōu)先級的第二目標執(zhí)行另外的優(yōu)化過程。應(yīng)當理解，在整個該過程中，優(yōu)化及其變型可以互換使用。

3、用戶(例如治療計劃者、劑量師、臨床醫(yī)生或保健工作者)可以如下實現(xiàn)臨床合適的計劃。對于各個治療計劃目標，用戶可以通過定義例如參考劑量、參考體積和/或成本函數(shù)來配置優(yōu)化器。治療計劃目標的示例可以被陳述為“97％的ptv體積應(yīng)該接收至少40gy”。該目標表示要實現(xiàn)的目標。優(yōu)化器然后將試圖找到滿足該目標的優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化器找到的解可以滿足或者可以不滿足期望目標(基于解剖結(jié)構(gòu)、放射治療機的限制和/或問題的難度)?；谒鶎崿F(xiàn)的目標，可以使用要實現(xiàn)的修訂目標來重復優(yōu)化。這種方法是耗時的，并且基于用戶對要實現(xiàn)的修訂目標的選擇而導致可變的結(jié)果。此外，當考慮多個治療計劃目標時，針對各個目標重復該方法，從而使得計劃生成更加耗時。

4、本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)設(shè)計了可以提高所生成的治療計劃的質(zhì)量并且減少生成這樣的計劃所需的時間的方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)還減少了對用戶輸入的需要。特別地，發(fā)明人已經(jīng)設(shè)計了方法和系統(tǒng)，由此，對于各個治療計劃目標，執(zhí)行優(yōu)化過程以獲得實現(xiàn)解(實現(xiàn)值)?；趯崿F(xiàn)解是否滿足治療計劃目標(參考目標)，獲得松弛目標(使用松弛值)，然后在后續(xù)步驟中使用。松弛目標沒有治療計劃目標和/或?qū)崿F(xiàn)解嚴格。松弛目標為后續(xù)步驟提供了改進的起點。松弛目標提高了在后續(xù)步驟中收斂的可能性或者在后續(xù)步驟中獲得適當結(jié)果的可能性。

5、本文的方法和系統(tǒng)解決了在放射治療計劃領(lǐng)域中出現(xiàn)的技術(shù)問題，即，如何改進治療計劃的生成。該方法可以提高所生成的治療計劃的準確性和生成的速度。該方法還使治療計劃的生成自動化。

6、根據(jù)一個方面，提供了一種用于通過放射治療系統(tǒng)實施放射治療的放射治療計劃的方法，方法包括：

7、接收參考目標，參考目標表示要由放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)的目標；

8、根據(jù)所接收的參考目標執(zhí)行優(yōu)化過程以確定參數(shù)集，參數(shù)集涉及要由放射治療系統(tǒng)遞送的輻射的特性，其中，執(zhí)行優(yōu)化過程包括：

9、優(yōu)化參數(shù)集以獲得實現(xiàn)值；

10、響應(yīng)于實現(xiàn)值不滿足參考目標，使用實現(xiàn)值和松弛值來獲得松弛目標；以及

11、使用優(yōu)化的參數(shù)集以及松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

12、可以輸出放射治療系統(tǒng)的配置以用于由放射治療系統(tǒng)遞送輻射。

13、執(zhí)行優(yōu)化過程可以包括執(zhí)行第一遍優(yōu)化，第一遍優(yōu)化包括：優(yōu)化參數(shù)集以獲得第一遍實現(xiàn)值，并且響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值不滿足參考目標，使用第一遍實現(xiàn)值和第一遍松弛值來獲得第一遍松弛目標，并且使用優(yōu)化的參數(shù)集和第一遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

14、方法通過執(zhí)行優(yōu)化(第一遍優(yōu)化)以獲得第一解(第一遍實現(xiàn)值)并且響應(yīng)于第一解不滿足期望目標(參考目標)而使用實現(xiàn)解(第一遍實現(xiàn)值)和松弛值(第一遍松弛)獲得松弛解(第一遍松弛目標)，來改進治療計劃的生成。然后，使用優(yōu)化的參數(shù)和松弛解(第一遍松弛目標)來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

15、使用松弛值(第一松弛值)來修改實現(xiàn)解(第一遍實現(xiàn)值)，以獲得松弛解(第一遍松弛目標)。隨后使用松弛解來確定放射治療系統(tǒng)的配置，而不需要來自用戶的另外輸入。使用松弛值來修改實現(xiàn)解的目的是允許后續(xù)步驟的“空間”和/或允許在后續(xù)步驟中訪問更寬的解空間。這提高了方法的性能(例如通過增加所確定的配置是可接受的可能性)并且改進了生成治療計劃的機會，而不需要另外的用戶輸入。

16、實現(xiàn)解涉及與參考目標相當?shù)牧?例如其具有相同的單位和/或含義)。

17、根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)集以及松弛解，確定放射治療系統(tǒng)的配置。例如，該配置可以涉及場修改器的布置。所確定的配置可由放射治療系統(tǒng)用于實施放射治療。

18、在一個實施例中，方法包括：

19、響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值滿足參考目標，使用優(yōu)化的參數(shù)集以及參考目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

20、當實現(xiàn)值滿足參考目標時，在后續(xù)步驟中使用該參考目標。不應(yīng)用松弛。通過使用參考目標而不是實現(xiàn)值(其滿足或優(yōu)于參考目標)，更多的空間被允許用于后續(xù)步驟。

21、在一個實施例中，使用優(yōu)化的參數(shù)集以及第一遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置包括：

22、使用第一遍松弛目標作為目標或約束來執(zhí)行優(yōu)化過程。

23、在一個實施例中，方法還包括：

24、執(zhí)行第二遍優(yōu)化，其中，執(zhí)行第二遍優(yōu)化包括：

25、響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值滿足參考目標，根據(jù)所接收的參考目標進一步優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)第二遍實現(xiàn)值；以及

26、使用第二遍實現(xiàn)值和第二遍松弛值獲得第二遍松弛目標；以及

27、使用進一步優(yōu)化的參數(shù)集以及第二遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

28、當?shù)谝槐閷崿F(xiàn)值滿足參考目標時，在第一遍優(yōu)化中不應(yīng)用松弛。執(zhí)行第二遍優(yōu)化，并且通過進一步優(yōu)化參數(shù)集，獲得更合適的解。通過獲得用于確定配置的第二遍松弛目標，在確定配置步驟中可以訪問更寬的解空間。通過在第二遍優(yōu)化中進一步優(yōu)化參數(shù)集，意味著來自第一遍的解(例如優(yōu)化的參數(shù))被用作起點。

29、在一個實施例中，使用進一步優(yōu)化的參數(shù)集以及第二遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置包括：使用第二松弛治療計劃目標作為目標或約束來執(zhí)行進一步優(yōu)化過程。

30、在一個實施例中，參數(shù)集與要遞送的輻射的積分通量模式相關(guān)。

31、在一個實施例中，參數(shù)集包括子束的權(quán)重。

32、在一個實施例中，確定放射治療系統(tǒng)的配置包括確定束成形裝置的布置。

33、在一個實施例中，束成形裝置是多葉準直器(mlc)。

34、在一個實施例中，第一遍松弛值和/或第二遍松弛值根據(jù)成本函數(shù)自動設(shè)置。這使得能夠根據(jù)在優(yōu)化中使用的成本函數(shù)來設(shè)置第一/第二遍松弛值。例如，一些成本函數(shù)可以比其他成本函數(shù)更慢地收斂。這可以提高優(yōu)化的速度和實現(xiàn)值的適合性。

35、在一個實施例中，參考目標包括成本函數(shù)、參考劑量和/或參考體積中的任一者。

36、在一個實施例中，當參考目標包括參考劑量時，成本函數(shù)包括以下函數(shù)中的任一者：最大劑量成本函數(shù)、平均劑量成本函數(shù)、連續(xù)成本函數(shù)和/或等效均勻劑量(eud)成本函數(shù)。

37、在一個實施例中，當參考目標包括參考體積時，成本函數(shù)包括以下函數(shù)中的任一者：基于劑量體積直方圖(dvh)的成本函數(shù)、靶懲罰成本函數(shù)或平行成本函數(shù)。

38、在一個實施例中，參考目標涉及以下目標中的任何一者或多者：感興趣區(qū)域、殼、計劃靶體積(ptv)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和危及器官。

39、在一個實施例中，第一遍松弛值是相對于第一遍實現(xiàn)值獲得的，并且進一步由下限值和上限值界定。這使得第一遍松弛目標能夠具有更合適的值，適應(yīng)于參考目標的類型，并且進一步改進了優(yōu)化。

40、在一個實施例中，第二松弛值小于第一松弛值。這進一步改進了優(yōu)化過程。在第一遍中，優(yōu)化器已經(jīng)通過由較大的第一松弛值約束而覆蓋寬的解空間。在第二遍中使用較小的第二松弛值縮小了解空間，并導致改進的優(yōu)化。

41、在一個實施例中，第二松弛值在第一松弛值的25％至75％之間。這是為了進一步確保由治療計劃系統(tǒng)實現(xiàn)的第二目標位于可接受的范圍內(nèi)。

42、根據(jù)一個示例，提供了一種用于通過放射治療系統(tǒng)實施放射治療的方法，方法包括：

43、接收第一參考目標和第二參考目標，各個參考目標表示要由放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)的目標；

44、對于各個參考目標，根據(jù)任何前述方法順序地優(yōu)化參數(shù)集；以及

45、使用順序優(yōu)化的參數(shù)集以及第一參考目標和第二參考目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

46、根據(jù)另一方面，提供了一種用于通過放射治療系統(tǒng)實施放射治療的放射治療計劃的方法，方法包括：

47、接收第一參考目標和第二參考目標，各個參考目標表示要由放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)的目標；

48、根據(jù)第一參考目標和第二參考目標執(zhí)行第一遍優(yōu)化以確定參數(shù)集，參數(shù)集涉及要由放射治療系統(tǒng)遞送的輻射的特性，其中，執(zhí)行第一遍優(yōu)化包括：

49、基于第一參考目標優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)第一遍實現(xiàn)值；

50、響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值不滿足第一參考目標：

51、使用第一遍實現(xiàn)值和第一遍松弛值獲得第一遍松弛目標；以及

52、基于第二參考目標并且使用第一遍松弛目標作為約束來優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)另外的第一遍實現(xiàn)值；

53、根據(jù)第一參考目標和第二參考目標執(zhí)行第二遍優(yōu)化以確定進一步優(yōu)化的參數(shù)集，其

54、中，執(zhí)行第二遍優(yōu)化包括：

55、響應(yīng)于另外的第一遍實現(xiàn)值滿足第二參考目標：

56、基于第二參考目標優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)另外的第二遍實現(xiàn)值；

57、以及

58、使用另外的第二遍實現(xiàn)值和第二遍松弛值獲得另外的第二遍松弛目標；以及使用至少進一步優(yōu)化的參數(shù)集、第一遍松弛目標和另外的第二遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

59、根據(jù)另一方面，提供了一種用于通過放射治療系統(tǒng)實施放射治療的方法，方法包括：

60、接收第一參考目標和第二參考目標，各個參考目標表示要由放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)的目標；

61、根據(jù)第一參考目標和第二參考目標執(zhí)行第一遍優(yōu)化以確定參數(shù)集，參數(shù)集涉及要由放射治療系統(tǒng)遞送的輻射的特性，其中，執(zhí)行第一遍優(yōu)化包括：

62、基于第一參考目標優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)第一遍實現(xiàn)值；

63、響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值滿足第一參考目標：

64、基于第二參考目標使用第一參考目標作為約束來優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)另外的第一遍實現(xiàn)值；

65、根據(jù)第一參考目標和第二參考目標執(zhí)行第二遍優(yōu)化以確定進一步優(yōu)化的參數(shù)集，其中，

66、執(zhí)行第二遍優(yōu)化包括：

67、響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值滿足第一參考目標：

68、基于第一參考目標優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)第二遍實現(xiàn)值；以及

69、使用第二遍實現(xiàn)值和第二遍松弛值獲得第二遍松弛目標；以及

70、使用至少進一步優(yōu)化的參數(shù)集以及第二遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

71、根據(jù)另一方面，提供了一種用于通過放射治療裝置實施放射治療的治療計劃系統(tǒng)，治療計劃系統(tǒng)包括處理器，其被配置為：

72、接收參考目標，參考目標表示要由放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)的目標；

73、根據(jù)所接收的參考目標執(zhí)行第一遍優(yōu)化以確定參數(shù)集，參數(shù)集涉及要由放射治療系統(tǒng)遞送的輻射的特性，其中，執(zhí)行第一遍優(yōu)化包括：

74、優(yōu)化參數(shù)集，使得放射治療系統(tǒng)實現(xiàn)第一遍實現(xiàn)值；

75、響應(yīng)于第一遍實現(xiàn)值不滿足參考目標，使用第一遍實現(xiàn)值和第一遍松弛值來獲得第一遍松弛目標；

76、使用優(yōu)化的參數(shù)集以及第一遍松弛目標來確定放射治療系統(tǒng)的配置。

77、在實施例中，治療計劃系統(tǒng)包括處理器，其被配置為執(zhí)行上述方法中的任何方法。

78、根據(jù)另一方面，提供了一種包括計算機可執(zhí)行指令的計算機可讀介質(zhì)，計算機可執(zhí)行指令被配置為使處理器執(zhí)行上述方法中的任何方法。

79、在實施例中，方法是用于通過放射治療系統(tǒng)實施放射治療的放射治療計劃的方法。

80、在一些示例中，可以輸出放射治療系統(tǒng)的配置以用于由放射治療系統(tǒng)遞送輻射。

81、方法是計算機實現(xiàn)的方法。由于根據(jù)示例的一些方法可以通過軟件來實現(xiàn)，因此一些示例涵蓋在任何合適的載體介質(zhì)上提供給通用計算機的計算機代碼。載體介質(zhì)可以包括任何存儲介質(zhì)(例如軟盤、cd?rom、磁設(shè)備或可編程存儲設(shè)備)或者任何瞬態(tài)介質(zhì)(例如任何信號，例如電、光或微波信號)。載體介質(zhì)可以包括非瞬態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)。