用于无源离子放射疗法治疗的计划的系统和方法

摘要

用于无源传递一个或多个束(7)的基于离子的放射疗法计划使用了优化问题，所述优化问题被设置为允许在第一束的传递期间范围调制设备的设置和/或孔径元件的设置的改变，使得所述计划将包括在束的传递期间束的注量的调制。所述优化问题被设置为允许在每个束的传递期间孔径元件(11)、范围调制设备(9)的设置的改变，使得所述计划将包括在束的传递期间束的深度的调制。

说明书

技术领域

本发明涉及用于无源离子放射疗法治疗的计划的系统和方法，其中肿瘤利用离子束(例如，质子或重离子，如碳)被靶向。

背景技术

放射疗法通常用于治疗疾病，例如癌症。各种类型的辐射源可以被使用。目前所使用的辐射的主要类型是光子辐射。尽管比光子放射疗法更昂贵，但是基于离子的疗法，例如质子和碳离子疗法，由于其优势而变得越来越普遍。特别地，由于离子束具有被其初始能量确定的有限范围，能够更精确地控制剂量的沉积。同样地，在被称为布拉格峰的区域中，离子将在其停止的深度附近发出其大部分能量。

无源离子疗法包含施加宽广的辐射场并利用被称为无源设备的物理元件来使束成形以尽可能精确地匹配目标。束能量将控制患者体内离子的最大范围。束的横向形状由限定束线中的孔径的元件控制，诸如例如钨或黄铜的非渗透性材料的块或准直仪。高剂量区域的宽度，即扩展布拉格峰(SOBP)，例如由范围调制器或脊形滤波器控制。通常，还使用范围补偿器，其被放置在束轨迹中，以不同地影响在患者解剖结构中的不同横向位置上的束的最大深度。所述补偿器缩短了离子束的局部范围，并且被不均匀地成形，以符合肿瘤的末端边缘。传统地，无源离子疗法计划的设置，即，孔径的形状，SOBP的范围和宽度以及补偿器的形状，是通过前期计划创建的。

欧洲专利申请EP 15173971涉及通过优化来计划无源离子放射疗法治疗，并且公开了传递系统的主要组件。基本原理是，用于无源离子治疗计划的设置使用优化目标通过逆向计划被确定。该先前申请的目的是找到对于每个束角度的SOBP的最优的范围和宽度，并且设计模块以实现正确的剂量分布。

优化在诸如笔形束扫描的有源扫描离子技术中被使用作为标准。在这种类型的传递中，大量的小(笔形)束，也被称为斑点，被用于在所有三个维度上覆盖肿瘤。这些斑点被分组为不同的能量层，以达到肿瘤的不同深度。在能量层内，斑点通过扫描束线中的磁体被横向分布。通过优化从而改变斑点的强度来实现所期望的剂量分布。

当前存在更加关注有源技术而不是无源技术的趋势。主要原因是，利用主动扫描技术更容易获得适形的剂量分布，同时不需要患者专用硬件，例如补偿器和块孔径。

发明内容

本发明的目的是改进无源的基于离子的治疗计划的计划。

本发明涉及一种优化用于离子疗法的放射疗法治疗计划的方法，所述离子疗法被设计为使患者暴露于从至少第一束角度作为至少第一束而被传递的离子辐射，其中，每个束借助于无源设备被成形，所述无源设备包括：用于创建扩展布拉格峰SOBP的范围调制设备以及用于对束进行横向成形的孔径元件，使用被设置以允许在所述第一束的传递期间所述范围调制设备的设置和/或所述孔径元件的设置的改变的优化问题，使得所述计划将包括在束的传递期间束的注量的调制。所述范围调制设备的设置通常包括以下的一个或多个：电流、能量以及传递时间。

在优选实施例中，所述优化问题被设置为使得所得到的放射疗法治疗计划被设计为分别从至少第一束角度和第二束角度以至少第一束和第二束传递离子辐射，所述方法包括调制在束的传递期间的每个束的注量的步骤。

所述优化问题被优选地设置为允许在所述至少第一束的传递期间的孔径元件(11)的设置的改变，使得所述计划将包括在束的传递期间的束的横向调制。这将通过孔径的改变而能够进行束的横向调制。孔径元件可以是MLC、钳口或虹膜隔膜，或适用于离子放射疗法的任何其他可变的孔径成形元件。如果MLC被使用，它可以被控制作为静态MLC、动态MLC或以其他方式运行。

如果MLC被使用，并且被控制作为静态MLC，优化问题可以被设置为针对至少第一区段和第二区段中的传递优化至少所述第一束，并且返回所述孔径元件的设置对于所述第一区段和所述第二区段不同的计划。

如果MLC被使用，并且被控制作为动态MLC，所述优化问题可以被设置为优化所述至少第一束，其中，控制点被用于限定所述至少第一束的至少第一部分和第二部分，并且所述孔径元件的设置对于所述第一部分和所述第二部分是不同的。

可替代地，或者除了控制孔径元件之外，所述优化问题可以被设置为允许在所述至少第一束的传递期间所述范围调制设备的改变，使得所述计划将包括在束的传递期间束的深度的调制。这使得能够改变在束的传递期间的剂量的深度分布。范围调制设备可以是脊形滤波器或范围调制器轮，或用于调制束范围的任何其他合适的设备。SOBP可以被成形为具有本领域常见的扁平形状，但也可以被给定任何其他合适的形状。

所述优化问题可以被设置为针对至少第一区段和第二区段中的传递优化所述至少第一束，并且返回所述范围调制设备的设置对于所述第一区段和所述第二区段不同的计划。可替代地，所述优化问题被设置为优化所述至少第一束，其中，控制点被用于限定所述至少第一束的至少第一部分和第二部分，并且所述范围调制设备的设置对于所述第一部分和所述第二部分是不同的。如上所讨论的，这将取决于如何控制MLC。

本发明还涉及一种包括计算机可读代码装置的计算机程序产品，其在计算机中运行时将使所述计算机执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

本发明还涉及一种用于执行放射疗法的剂量计算的计算机系统，所述系统包括处理装置，所述计算机系统具有程序存储器，所述程序存储器已经在其中存储了如上所述的计算机程序产品，使得所述计算机程序产品在执行时将控制所述处理装置。

本发明还涉及一种用于传递无源离子计划的放射疗法传递系统，其中，离子从至少第一束角度在至少第一束中被传递至患者，所述系统包括用于创建扩展布拉格峰SOBP的范围调制设备以及用于对束进行横向成形的孔径元件，所述系统进一步包括用于改变在传递所述至少第一束期间所述孔径元件的设置和所述范围调制设备的设置，以调制在束的传递期间的束的注量的控制装置。

所述孔径元件优选地包括能够改变所述束的横向形状的元件，其中，所述控制装置应被布置为控制所述孔径元件，以通过利用对于至少一个束角度的孔径元件的多个设置来横向调制所述至少一个束。

所述控制装置可以进一步被布置为控制所述范围调制设备以改变SOBP宽度，使得至少两个不同的SOBT宽度被施加到同一束，以能够进行束的深度分布的调制。

如本领域中常见的，所述系统可以进一步包括范围补偿器和任何其他合适的组件。

所述优化优选地包括基于剂量级别的优化功能，但可以另外包括与其他任何相关数量有关的优化功能，例如LET或实际轨迹在离子停止的地方结束。所述方法可以与任何合适的稳健优化的方法组合。它也可以与多准则优化相结合。

附图说明

下面将通过示例并参考附图更详细地描述本发明，其中，

图1示出了用于无源离子治疗的系统的示例。

图2图示了SOBP。

图3是本发明方法的流程图。

图4图示了根据本发明的可以在剂量计划中使用的计算机系统。

具体实施方式

图1示意性地示出了本发明可以被实现的用于无源离子疗法的传递系统的示例。在图1的右侧示意性地示出了要进行离子治疗的患者1。患者1内的感兴趣区域ROI或目标3代表要接受放射疗法的器官或其他组织。目标3的最大宽度被标记为w。如本领域中常见的，还可以限定患者体内的关键区域，其是避免辐射尤其重要的区域，尽管这在图1中未被示出。

辐射源5提供具有足够的能量以实现期望的最大范围的离子束7，通常到达末端目标3边缘。通常，一个或两个散射设备(未示出)被布置以产生宽广的辐射场。可替代地，统一的扫描技术或摇摆可以被用于创建宽广的场。在无源离子疗法中，利用无源设备，剂量随后被适合于目标，即感兴趣区域。首先，在辐射的路径中，范围调制设备9被布置，以创建如将结合图4更详细地讨论的SOBP。简而言之，范围调制设备9确定SOBP的宽度w(沿束方向)，其应足够宽以覆盖目标3的区域。在范围调制设备9之后，在图1中被示出为方框11的束成形设备11被布置以横向地对束进行成形。通常由黄铜或不会被离子穿透的其他材料制成的块11具有用于让束穿过的孔径13。代替块，适合于使束横向地成形的另一种类型的设备可以被使用。如将在下面更详细地讨论的，适合的设备包括多叶准直器(MLC)、钳口、虹膜隔膜。根据传递系统的特性，MLC可以被控制以作为分段后的MLC(SMLC，有时称为静态MLC)，或者作为动态MLC(DMLC)，或者以其他适合的方式起作用。

束能量被选择使得最大离子束范围与目标的最末端的点一致。当然，更复杂的患者几何形状和目标形状通常会出现，并且对于至少某些目标范围将是太大的。为了补偿至肿瘤的末端的水等效距离的改变，范围补偿器15被引入以控制离子束横截面上的局部范围。尽管这在图1中未被示出，范围补偿器的厚度以本领域公知的方式跨束轨迹改变，以使束能量在每个点上适合于目标的末端。

范围调制设备9被布置以形成SOBP。这种范围调制设备在本领域中是已知的，包括波纹滤波器和范围调制器轮，它们是具有可变厚度的旋转盘。共同未决的申请(EP18183065.4)公开了一种波纹滤波器，该波纹滤波器能够被动态改变而不必须更换滤波器。

根据本发明，患者被暴露于从至少一个角度，优选地多个不同角度(被称为束角度)提供的辐射。这可以以任何适合的方式，通过旋转台架，或通过移动患者位于的椅子或躺椅来实现。

本发明基于这样的见解，如果治疗计划包括每个束内能够进行调制的传递参数的改变，则基于离子的放射疗法治疗能够被进一步改善。为此，传递系统进一步包括控制装置16，该控制装置16被布置以控制范围调制设备9和横向束成形设备11中的至少一个。控制包含改变一个特定的束角度的传递期间的范围调制设备9或横向束成形设备11中的一个的设置或者改变它们两者的设置，以通过改变横向束成形设备11的设置来施加至少两个不同的横向调制，和/或通过改变范围调制设备9的设置来施加两个不同的深度上的调制。

图4示意性地图示了在相对剂量方面患者内质子束的根据深度的SOBP。能够看出，剂量从平稳区域增加到最大值，该最大值关于距离w是恒定的。在SOBP之后，剂量将在短距离内下降至零。束的最大范围被表示为R。当质子束穿过目标时应出现最大发射能量，此后所发射的能量应尽可能快地下降至零。其他离子的深度剂量形状与质子情况相似，除了由于核碎片导致在SOBP之后存在低剂量尾部之外。

为了改善放射疗法计划，束的范围和无源设备，即，范围调制设备9，横向束成形设备11和范围补偿器15的设计，可以被改变。传统上，这是通过前期计划方法来完成的，通过患者几何形状的射线跟踪来计算无源设备的设计，并且每个束内的参数均保持恒定。为了能够优化允许对每个束进行调制的基于离子的治疗，优化问题必须被设计为考虑到传递系统的至少一个元件的不同设置，特别地，以允许每个束的传递期间的MU、范围调制设备和/或孔径元件的不同设置。如何实现这一点取决于所使用的元件，即，传递系统的设置。下面将针对不同元件进行讨论。

横向束成形设备11可以是MLC。当治疗中存在对于至少一个束的多个MLC位置时，这会导致束的横向调制。MLC叶位置能够作为变量被包括在优化中，这允许优化算法确定调制，该调制导致用于患者的最有益的剂量分布，如通过测量剂量的质量的至少部分基于剂量的功能测量的。

在静态准直中，使用SMLC，每个束从其束角度作为多个区段被传递。每个区段由孔径形状限定，由与束穿过孔径传递辐射的时间成比例的MLC的叶位置设置和区段MU给定。优选地，通过以下方式实现束的横向调制：当区段已经被传递时，束被关闭，并且MLC叶移动以形成新的孔径，然后束被打开以传递下一区段。因此，根据该实施例，当束被打开时，MLC叶不会移动。从束传递的总注量是其区段的注量的总和。

在动态准直中，使用DMLC，在束打开的同时MLC叶移动。通常地，但不必须地，叶从场的一侧扫掠到另一侧。这能够产出高度调制的场。如果叶从左向右扫掠并且剂量率由d表示，则右叶暴露给定点的时间点为R，左叶覆盖该点的时间点为L，则从该点传递的注量为d(L-R)。通常，对于可变的剂量率，从该点开始的注量是从R到L的剂量率的积分。由于R和L能够被改变而没有太多限制(对于叶的限制是最大叶速度和最大允许的治疗时间)，因此几乎任何注量图都能够被传递。

当使用DMLC和SMLC两者时，控制点被用于将治疗计划的细节传送给机器。对于SMLC治疗，区段被限定为具有相同的叶位置但不同的累积的MU的两个控制点。

对于所有类型的具有可变孔径的横向束成形设备，在优化问题中包括对束成形设备被允许在两个连续控制点之间变化多少的约束是合适的，以在强度调制的程度方面，限制计划的复杂性。较高的调制程度会导致计划对设置中的不确定性更加敏感。较低的调制程度也导致较短的治疗持续时间，这是有利的。也能够包括对MU被允许在控制点之间变化多少的约束。特别是，不期望有许多具有较低的MU的区段，因为这可能会使计划对相互作用的影响是敏感的。绝对或相对而言，包括对最小区段区域的约束也是可行的。对最小区段区域的较高限制将导致较小的调制，由于目标的较大部分将被每个区段覆盖。

根据本发明的实施例，通过改变一个束的传递期间的范围调制设备9的设置，SOBP的形状能够被优化，以支持深度的调制。SOBP由多个单独的布拉格峰构成。这些中的每一个都能够通过权重被控制。当各个布拉格峰的权重作为变量被包括在优化中，以使得权重在一个束的传递期间可以被改变时，深度的调制被实现。如横向调制的情况，通过对不同区段使用不同的变量集合或通过允许变量集合在控制点改变，深度的调制可以被实现。

代替单独地优化每个布拉格峰的权重，每个SOBP的范围和宽度可以被优化，以使得在所述范围和所述宽度内的布拉格峰的权重之间的关系是预定的，但是所述范围和所述宽度可以改变。权重之间的关系优选地被设置为使得SOBP在所述范围和所述宽度之间的间隔中是平坦的。为此，SOBP的权重的预定集合可以被使用，而超出范围和宽度的布拉格峰的所有权重都可以被设置为0。在这种情况下，每个区段或控制点的范围和宽度设置将导致深度的调制。

如果SOBP的整个形状的优化被执行，其中，各个布拉格峰的权重被允许自由地改变，则深度的调制也能够被实现。在这种情况下，SOBP的形状可以每个计划、每个束或如上所述每个区段或控制点地被确定。

在限制SOBP调制的优化问题中包括一个或多个约束也是可行的。例如，约束可以被添加以限制SOBP的相邻权重被允许彼此或与导致平坦的SOBP的预定权重多么不同。

如本领域中已知的，优化包含解决优化问题，其具有等式(1)中所示的一般格式。

min f(x) (1)

st x∈X

其中f(x)是变量x的质量度量，X是允许的变量值的集合。

技术人员意识到例如基于物理剂量或基于生物模型的多种测量质量的方式。作为一个示例，f(x)能够是

f(x)＝g(d(x)) (2)

其中d(x)是根据变量x的剂量，并且g测量剂量的质量，例如

其中

如技术人员意识到的，也可以考虑取决于x而不是剂量的函数或取决于x和剂量两者的函数，例如

f(x)＝g(d(x))+h(x) (4)

其中h是用于x的不同质量度量，例如，MLC形状的平滑度或改变相邻区段之间的范围和宽度所需的时间。

集合X的示例，给定x＝(r，w)是用于SOBP的范围和宽度

X＝{(r，w)：r

可替代地，如果x＝(l，r)分别是MLC的左叶和右叶的位置，X可以是：

X＝{(l，r)：l

(6)

其中m是左叶与右叶之间的最小间隙。

如本领域技术人员意识到的，存在多个可能的限制，并且上述限制仅用作示例。其他可能的参数包括指状交叉和最大尖端差。通常，x将包括比r、w或l、r更多的变量，包括诸如区段权重或控制点MU的变量。

当优化问题已经被设置时，其能够以本领域中已知的不同方式被解决。这样的方法包括基于梯度的方法，其利用关于f相对于x的梯度的信息来确定x应该如何变化，以及诸如模拟退火或遗传算法的随机方法。

上面讨论的优化是机器参数优化，其中将控制传递系统的参数被直接优化。通常，预计算步骤被执行以达到可以对区段、控制点或SOBP执行优化的条件。预计算步骤通常包含基于可能无法获得的注量图的优化，其中，每个bixel权重被允许单独改变，其随后被转换为具有机器参数的区段或控制点。bixel被定义为被用于细分强度调制的束的小强度元件，以用于治疗计划期间的强度分布优化或剂量计算。

注量图到可传递的区段或控制点的转换能够以本领域中已知的各种方式被执行。例如，对于利用SMLC技术的传递，注量图能够被离散化成多个级别，例如使用等距级别或使用聚类以确定具有变化的距离的级别。然后离散后的注量图的每个级别能够被转换为满足机器约束的多个区段。

可替代地，可以使用列生成方法(有时称为直接孔径优化)，其中区段被迭代地生成。对于每个束，注量图的梯度能够被用于计算哪个满足机器约束的区段形状将最大程度地局部地改善解。该区段然后被添加到当前的区段集合，并且区段权重优化被执行。

对于使用DMLC技术的传递，从注量图到机器参数的转换通常被解析地或使用线性编程加以执行。然后，每个bixel的权重确定左叶和右叶分别开始遍历bixel的时间之间的差值。

多个附加特征能够与根据本发明的设置相结合。对于移动的目标，横向束成形设备的可调节孔径也能够被使用以跟踪目标。同样地，稳定的目标函数能够被添加在治疗计划的优化中。稳定性可以基于设置、范围(CT到密度的解释)、患者的几何形状(器官运动)或传递时间结构(相互作用)中的不确定性。

由对应于MLC和SOBP的变量引入的多个自由度允许多种治疗。为了允许用户浏览选项，帕累托表面导航形式的多准则优化(MCO)可以被使用。此上下文中的帕累托优化在以下文献中被讨论：Thieke等人的“A new concept for interactive radiotherapyplanning with multicriteria optimization:First clinical evaluation(具有多准则优化的交互式放射疗法计划的新概念：首次临床评估)”，Radiotherapy and Oncology(放射疗法与肿瘤学)，85(2)，292-298，2007和Craft等人的“An approach for practicalmultiobjective IMRT treatment planning(一种用于实用的多目标IMRT治疗计划的方法)”，International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics(辐射肿瘤学*生物学*物理学国际期刊)，69(5)，1600-1607，2007)。这种多准则优化能够对于上述所有方法进行。该方法通过对预先计算的计划的剂量分布进行加权求和来工作。当已经找到期望的组合时，必须计算可传递的计划。通常在模拟步骤中进行计算，其中优化被执行以复制导航的剂量。得到的计划并不总是精确地复制导航的剂量。但是，某些治疗技术非常适用于组合计划，并且导致直接可传递的计划，而没有降低转换的需要。这已经针对光子DMLC和VMAT被描述(Craft等人的“Plan averaging for multicriteria navigation of slidingwindow IMRT and VMAT(滑动窗口IMRT和VMAT的多准则导航的计划平均)”，MedicalPhysics(医学物理)41(2)，021709，2014)。

对于无源质子，具有模拟步骤的MCO能够被用于任何传递技术。可直接传递的MCO能够被用于以下设置：

·具有预定的或优化的SOBP的DMLC。所有计划都必须具有与SOBP相同的形状，但是对于不同束的形状能够是不同的，并且不同计划能够分别缩放每个束的权重。

·所有计划中具有相同区段的SMLC，但是其中每个计划(甚至每个区段)能够具有单独的SOBP。

一个简单的变型是具有带有块的计划，每个束仅一个区段，但是不同的SOBP。

图3是限定本发明方法的步骤的流程图。在步骤S31中，优化问题以上述方式被限定。优化问题被设置以允许在第一束的传递期间的范围调制设备的设置和/或孔径元件的设置中的改变，使得所述计划将包括在束的传递期间束的注量的调制。在步骤S32中，优化问题被用于优化治疗计划。

图4是本发明方法可以被执行的计算机系统的示意图。计算机51包括处理器53、数据存储器54以及程序存储器55。优选地，用户输入装置58也以键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置或任何其他可用的用户输入装置的形式存在。

数据存储器被布置为保存在该方法中使用的数据，例如变量设置。

将理解的是，数据存储器54仅被示意性地示出。可能存在几个数据存储器单元，每个数据存储器单元保存一种或多种不同类型的数据，例如，一个用于值集合的数据存储器，一个用于目标函数的数据存储器，等等。

程序存储器55保存被布置为控制处理器以执行根据本发明的实施例的优化的计算机程序。