CN106061554A - 用于患者专用放疗的治疗验证和质量保障的***和方法 - Google Patents

Abstract

一种放射治疗验证和质量保障方法可包括接收患者至少一个部位的至少一组第一医学图像。患者该部位的三维模型可基于该至少一组第一医学图像生成。至少一个辐射剂量计可被***该模型的至少一部分中。该辐射剂量计被构造成测量放射曝露量。可依照由治疗计划***生成的放射治疗计划对该模型进行照射。该模型的读数可被采用或执行用于测量递送辐射剂量的三维分布。

Description

用于患者专用放疗的治疗验证和质量保障的***和方法

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2013年9月11日申请的美国临时申请号No.61/876,269，发明名称为“患者专用放疗的治疗验证和质量保障方法”的权利，其内容通过引用全部结合于此。

背景技术

放射疗法或放疗(RT)是一种治疗癌症的常见的治疗方式。放疗过程的目标是使肿瘤曝露于足够剂量的放射中以消灭全部癌细胞。放射剂量通常接近于正常身体组织的耐受水平。因此，有必要高精度和精准地确定受照身体不同部位的剂量水平。

近来在放射学和生物成像学成像中取得的进步改善了对于癌症的诊断和治疗。对于放射治疗来说，这些进步使得精确描绘肿瘤和肿瘤内部的抗辐射亚体成为可能。因此，经常需要采用复杂和不同类的剂量递送。现代的放疗技术，比如强度调制放疗(IMRT)、体积弧形疗法(VMAT)、立体定向放射手术/放射治疗(SRS/SRT)和质子治疗(PT)使得实现这种复杂的剂量模式成为可能。

由于放射疗法越来越趋向于可以为每个个体患者实现个人定制，这增加了支撑治疗计划***(TPS)和剂量递送***的复杂度。这反过来就需要对用于验证***表现和完成在临床实践中可靠的预前治疗规划验证(PTPV)的质量保障(QA)方法进行改进。

因此，这些复杂的放疗疗程需要在患者接受放疗前进行完善的治疗规划、对放射场的优化、和对规划剂量递送的验证。期望在与临床相关维度的三维体积内高精度和灵敏度地测量计划治疗场的效果。

发明内容

验证患者的治疗剂量典型地是通过剂量测量体模(phantom)实现的。体模模拟身体组织并利用辐射剂量计在治疗过程施加到患者身上之前测量放射剂量。但是传统的体模不是患者专用的。

一般地，本公开根据特定实施方式提供用于患者专用放射治疗计划验证和质量保障的***和方法。所述方法和***通常可以包括：接收患者的至少一个部位的至少一组第一医学图像；基于所述至少一组第一医学图像生成患者的该部位的三维模型；将辐射剂量计***该三维模型的一部分中，该辐射剂量计被构造成测量放射曝露量(exposure toradiation)；依照放射治疗计划，照射含有该辐射剂量计的该三维模型的至少一部分；以及扫描受照射的含有该辐射剂量计的该三维模型以提供至少一个读出图像。扫描步骤可由医学成像装置(例如MRI扫描仪)执行。

在一个示例性实施方式中，本公开针对的是个性化(患者专用)治疗计划验证过程，这提高了现代放疗技术的精确度和效率。在至少一项实施方式中，该过程可以在基于MRI的聚合物凝胶放射量测定技术实现的高空间分辨率(例如，～1x1x1mm³)、全体积、三维(“3D”)放射量测定法的基础上进行。

一个实施方式包括利用3D打印技术的制造过程和使用至少部分空心的模型或体模，其被设计成至少根据骨结构复制患者外部解剖结构和内部解剖结构的至少一部分，其在此被称为患者专用的放射量测定体模或PSDP。PSDP可为每个单独的患者定制并可填充仍保持液态的聚合物凝胶(比如凝胶制备之后就立即填充)。患者专用的治疗计划和照射过程可被施加在PSDP上(也就是说，PSDP可被当做是真实患者接受治疗)。随后，通过照射的模型的磁共振成像(MRI)可实现高空间分辨率的3D剂量测量。这些磁共振图像，其中可能包括试验性获得的剂量数据，随后可被融合或与真实的患者计划CT图像对比，所述CT图像包括计划靶体积(PTV)、危及器官(OAR)和/或算出的剂量图。通过对比计算出的(TPS)与试验获得的(聚合物凝胶)3D剂量数据之间的差异可寻求并有助于完成个性化治疗前和/或治疗后计划验证。

放射肿瘤医师和/或医疗物理师可在患者治疗前获知或知晓以下信息：(i)将要递送到患者实体的实际3D剂量模式及其与对应的TPS算出的剂量模式之间的差别，其中测试计量测量模型是根据患者解剖学结构而非标准几何学形状(例如目前在临床实践中所采用的立方体或圆柱形)制成；以及(ii)相对于患者的外部和内部解剖结构剂量模式可能或应当被递送到的精确的几何位置。根据上述结果(主要是3D剂量对比和剂量体积直方图(DVH)对比(试验得出和计算出的)以及对应的放射生物学指数对比)，可以为真实的患者制定出新的更恰当的照射策略方案。同时，可以实现对TPS和递送***性能的持续优化(提高几何等中心精度，提高小型光子场或质子场剂量测定的精度进而改善了TPS性能)。本公开还涉及使用本公开的***和方法进行治疗后回溯计划的验证。

本公开消除了现有技术中放射方法所存在的问题，因为PSDP可根据骨结构复制患者的外部轮廓及内部解剖结构，以便重建后的复制模型(“模型”)与真实患者图像的融合或配准，从而获得个性化治疗验证和患者保障程序。

附图说明

前述的发明内容以及下文中本发明的详细说明均在结合附图阅读时更便于理解。基于对本发明解释说明的目的，在附图中示出了各种不同的示例性实施方式。但是，应当理解本发明不受所示出的具体布置和手段的限制。

图1是对患者实际头部CT扫描得到的一组医学图像或图像集合。

图2A-2C分别为图1的CT扫描的轴向、矢状方向和冠状方向的重建结果。

图3A和3B是根据本公开实施方式的PSDP的顶部透视图。

图4A和4B显示了根据本公开实施方式的设置用于照射的PSDP的图像。

图5是根据本公开实施方式的照射后的PSDP经MRI扫描得到的一组读出图像(自旋-自旋弛豫时间(spin-spin relaxation time)(T2)图像(轴向切片))或图像集合。

图6A-6C分别为图5示出的图像经重建得到的PSDP轴向、矢状方向和冠状方向的图像。

图7A和7B显示了图1和图5、或图2A-2C和图6A-6C的图像数据组的融合配准情况。背景图为真实的患者CT扫描图，较亮图像(包括暗色高剂量区域)为照射后的PSDP MR图像。较暗区域为试验性剂量测量区域。

图8A和8B显示了图7A和7B的融合配准情况，其中叠加了TPS理论剂量计算量(彩色等剂量线)。

图11是真实的患者CT扫描图与根据本公开实施方式的模型MRI图像配准融合的图像。

图12是根据本公开实施方式的方法流程图。

图13是用于执行本文公开的至少某些程序的示例性运算装置的示意图。

具体实施方式

本公开一般涉及的是患者专用放射治疗计划验证和质量保障***、装置和方法。在下文的介绍中仅出于方便的考虑会用到某些术语，但并非是限制性的。除非本文中另有说明，表述“一”、“一个”和“该”并不限于表示一个元素，而是应被解读为“至少一个”。

本公开的***或方法可包括获取或接收活体患者至少一个部位(例如，颅区和/或胸区)的一组或多组放疗医学图像。放疗医学图像可包括x射线计算机断层扫描(CT)图像、磁共振图像(MRI)、正电子放射断层(PET)图像等中的一种或多种或其任意组合。所述图像可按照治疗计划***(TPS)为确定受照射区域以及确定应免受照射的区域而被采集。

放疗医学图像组可被用来生成患者一个部位的三维模型，其在本文中被称为患者专用剂量测定体模或PSDP。图3中显示了PSDP的一个实例。PSDP可包括内部骨骼结构和/或器官中的任一个或两者，以及外表面轮廓。换句话说，PSDP可根据外部轮廓和骨骼结构(内部和外部)的重复或复制出特定的患者解剖结构，比如头部或颈部或胸部。因此，每个PSDP可以为每个患者进行独特地或专门地设计。PSDP可由使用三维(3D)打印机快速成型技术成形。3D打印能够制造几乎任何形状的坚固物体。在特定实施方式中，医学图像是使用市售软件(例如，GEOMAGIC)处理并使用市售的3D打印机(例如，3D***投影3510HDPlus)打印。一旦完成，PSDP可以是至少部分空心的，并且可以是由一种或多种材料形成，例如，陶瓷材料、聚合物材料(例如，环氧树脂、有机玻璃)等。在特定实施方式中，用来形成至少一部分或全部PSDP的材料被设计成具有在与电离辐射相互作用方面与骨骼相似的特性(例如，CT值为大于约500或大于约700或大于或等于约1,000HU)。PSDP还可具有大体上固态的外部表面，和/或可包括一个或多个伸入空心内部的间隔的开口。另外，PSDP可包括隔室，其用于代替各种解剖学特征比如，例如，脑、骨骼和腔室。

辐射剂量计被引入到PSDP的至少一部分中。辐射剂量计可以是任何适于内含于PSDP中的物品或装置并被构造成测量放射线照射量；所述辐射剂量计可被至少部分地或完整地***PSDP的一部分中。适合的辐射剂量计包括那些由于与电离辐射发生相互作用而引起的辐射剂量计体积内特定光学特性发生可预测性改变的装置。这些光学特性对一些参数灵敏，例如光散射度、吸光度、折射率及其组合。此外，适合的辐射剂量计包括那些由于与电离辐射发生相互作用而引起的辐射剂量计体积内自旋-自旋弛豫时间发生可预测性改变的装置。适合的辐射剂量计实例包括但不限于能够测量辐射照射量的任何装置、设备或物质，比如聚合物凝胶辐射剂量计，一个或多个一维(1D)点状辐射剂量计，比如电离室、二极管等，一个或多个1D点状辐射剂量计的线性阵列，一个或多个点状辐射剂量计或2D辐射剂量计的二维(2D)阵列，比如放射摄影或辐射变色薄膜、一个或多个辐射剂量计的3D阵列等。在特定实施方式中，辐射剂量计是聚合物凝胶辐射剂量计，其被设计成具有在与电离辐射相互作用方面与软组织相似的特性(CT值约为0HU或小于约400或小于约100或小于约30或小于约0)。PSDP可绕该辐射剂量计制造，或者该辐射剂量计可在模型制造好后被引入。

在特定实施方式中，辐射剂量计为聚合物凝胶辐射剂量计。聚合物凝胶辐射剂量计可记录并将保存三维形式的空间剂量沉积信息。聚合物凝胶辐射剂量计可由对辐射敏感的聚合物制成，其一旦受到照射则以所吸收的辐射剂量的函数发生聚合作用。适合的聚合物凝胶辐射剂量计包括水凝胶，其中溶解有选定的单体和交联物以便照射所产生的不溶于水的自由基引起单体发生聚合反应从而使单体转变成聚合物。产生的聚合物的量可以是所吸收剂量的函数。凝胶矩阵的一个功能是将聚合物结构保持原位，以保留所吸收剂量的空间信息。所述聚合物凝胶可被制备成液态并倾倒入患者某部位的三维模型中并在其中发生固化。

聚合物凝胶辐射剂量计是市场上可以买到的或现有技术已知的并已被证实适用于剂量测定用途，因为它们在一定的宽动态范围内展现出线性的剂量响应。它们目前通过使用传统的放射治疗(RT)装置照射并最终传送到MRI装置并成像的方式被用于研究和质量保障用途。

含有辐射剂量计的PSDP可根据为活体患者制定的治疗计划接受照射。PSDP可被当作它就是活体患者那样进行放置并接受照射(参见例如，图4)。随后，PSDP可被成像以确定PSDP内的放射剂量分布情况。例如，对于辐射剂量计是聚合物凝胶的情况，PSDP可用MRI扫描转化为患者专用的剂量测定体模(参见例如，图5和图6)。所述剂量测定体模也可通过使用聚合物凝胶校准数据被转变成辐射剂量图。

在特定实施例中，剂量测定体模可与患者的医学图像(参见例如，图7)结合(即融合配准)。存在这种融合配准的可能是由于PSDP提供了精确的、患者专用的解剖学数据。这样，带有由治疗计划***生成的3D剂量运算结果的医学图像信息就可以与从患者专用剂量测定体模确定得出的3D剂量分布情况进行对比。该对比可通过使用TPS或任意其他能够进行融合配准的医学成像软件完成。这种融合配准是通过对照医学图像和PSDP中的骨骼结构和外部轮廓实现的。该质量保障步骤协助放射肿瘤医师和/或医疗物理师，例如，仔细考察治疗方案的剂量测定和几何精度。该对照可显示出相对于使用治疗计划实际递送的3D剂量，由TPS计算得出的3D剂量分布情况，和/或递送剂量的空间几何精度。因此，本公开的***和方法显示了如同实际递送的辐射剂量被递送到活体患者的期望几何/空间区域的情况。随后可基于本公开的***和方法对放射治疗方案考虑或实施修正或更改。

正如从本文内容中可以确信的那样，本公开的方法和/或产品不仅对治疗前计划验证有用，对治疗后的计划验证，即回溯，也有用。治疗后程序由于记录了治疗是如何递送的因此对患者的医疗记录可以是有用的。根据现有技术，现在患者的医疗记录仅是理论性的。然而，根据本公开，患者的医疗记录可以包括对特定患者实际做过的事情。本公开的方法和/或产品在提供治疗是如何递送的以及何种组织受影响等信息方面是有用的。

递送治疗所需的数字信息(例如，每个患者的TPS和肿瘤治疗信息***数据)在治疗后被长期地存储。因此，已被递送给患者的同种治疗方案可使用PSDP重复生成。这可以是有用的，例如，证实治疗是否产生副作用，如由于视神经受到辐射而导致视力丧失。根据现有技术的方法和***，(即使TPS显示出某些不同，但由于TPS是基于多种假设理论计算得出的)无法证实这种情况。本公开的***和方法使用同一个患者的解剖学数据和同一个治疗的数字信息重现了发生过的事件。因此，整个治疗都可以在任意时间重复生成。

本公开的方法和/或产品在审计方面也是有用的。对RT部门要进行例行审计，本公开的方法可用于上述目的。本公开的***和方法可被用来构建选定的PSDP，对PSDP的治疗即可递送。试验和理论(TPS)数据的比较可被用于审计中。

现在具体地参照附图，其中相同数字在全文中均指代相同元件，图1-11示出了根据本公开特定实施方式的一种用于个性化(患者专用)放射治疗验证(RTV)和质量保障(QA)的***和/或方法。如上所述，本公开的***和方法可被应用于每个单独的放疗患者以获得更精确有效的放射治疗，并可被用于所有放疗形式和用于实施放疗的所有种类的电离辐射。

参见图1-2C，本公开的***和方法可包括获取或接收活体患者至少一个部位的一组或多组放疗医学图像20。本公开涉及和显示的患者部位是头骨或头部。但是，本文公开的***或方法可用来更有效地治疗患者的任意一种或多种身体部位，比如腹部区域。放疗医学图像20可包括x射线计算机断层扫描(CT)图像(图1，2A-2C)、磁共振图像(MRI)、正电子放射断层造影(PET)图像等中的一种或多种或其任意组合。

参见图3A和3B，在一个示例性实施方式中，一个或多个CT扫描图20可被发送到或输入到三维(3D)打印机。打印机可被构造成打印或形成一个或多个PSDP，其被设计为复制患者在CT扫描图中示出的一个或多个部位(图10中所示步骤50)。因此，每个PSDP 24可以为每个患者进行独特地或专门地设计。一旦完成，每个PSDP 24可以是至少部分空心的，并且可根据外部轮廓和骨骼结构(内部和外部)重复或复制出特定的患者解剖结构，比如头骨或颈部。PSDP 24可具有大体上坚固的外部表面(图3B)，和/或可包括一个或多个伸入至少部分空心的内部的间隔的开口。模型24可被构造成接收或包括能够测量辐射照射量的辐射剂量计。例如，液态的聚合物凝胶辐射剂量计可被***PSDP 24中以基本填充PSDP 24的空心内腔(参见图10的步骤52)。

在一个示例性实施方式中，可根据由治疗计划***(TPS)生成的放射治疗计划(RTP)对PSDP 24进行照射(参见图10的步骤54)。正如本领域技术人员已知的，RTP被典型地用于在真实活体患者身上实施放疗照射。在本申请的至少一个实施方式中，在对真实活体患者实施RTP之前，RTP可先在PSDP 24上进行“测试”，以完成个性化放射治疗验证和质量保障。例如，当PSDP 24是患者头部的模型时，PSDP 24可被放置在治疗室并将PSDP 24就当成是活体患者那样进行照射(参见图4A和4B)。

参见图5和6，在一个示例性实施方式中，可使用例如，MRI对PSDP 24进行扫描，以便测量PSDP 24内部递送剂量的三维分布(参见图10的步骤56)。对PSDP 24全部照射体积进行3D-MRI扫描可以获得高空间分辨率的3D-T2参量图或标准临床T2权重图像。图5和图6的读出图像中较深区域表示了高剂量区域。在操作中，从T2图评估得到的T2值越低，剂量越高。通过使用聚合物凝胶校准数据[D＝f(T2)，D：剂量]，T2参量图可被转换成实际的辐射剂量图。

图7A和7B显示的是真实患者的CT图像和PSDP 24的MRI图像之间的融合配准或对比情况(参见图10的步骤58)。CT图像可含有TPS算出的剂量分布，MRI图像可含有聚合物凝胶测量到的剂量分布。相应地，TPS理论剂量计算结果(彩色的等剂量线)可叠加融合配准，如图8和9中所示。这使得对整个治疗方案的定性和/或定量对比和评估能够实现。例如，在剂量图出现问题的地方(例如，剂量图将会影响到要害器官时)，治疗计划可进行修正。

上述的一种或多种技术和/或实施方式可由软件实现或包含软件，例如在一个或多个运算装置210上执行的示例模块(参见图10)。当然地，本文介绍的模块示出了多种不同的功能，并且不限于任意实施方式的结构或功能。此外，根据不同的设计考虑，多个模块的功能可被不同地分割，并可由更多或更少的模块实现。

每个运算装置210可包括一个或多个处理装置211，其被设计用来处理例如以非暂态模式存储在一个或多个存储装置213上的计算机可读指令(也就是代码)。通过处理这些指令，处理装置211可执行本文中公开的步骤和/或功能。每个处理装置可以是实体的或虚拟的。在多任务处理***中，多个处理单元可执行计算机可执行指令来提高处理能力。存储装置213可以使任何类型的非暂态存储装置(例如，光存储装置、磁性存储装置、固态存储装置等)。存储装置213可以是可移除的或不可移除的，并且可以包括磁盘、磁性光盘、磁带或卡带、只读型光盘、可重写光盘、数字化视频光盘、蓝光光盘、固态磁盘或任何其他可用来存储信息的介质。可选地，指令可被存储在一个或多个远程存储装置中，例如通过网络或互联网接入的存储装置。

每个运算装置210额外地可具有内存212，一个或多个输入控制器216，一个或多个输出控制器215，和/或一个或多个通讯接口240。内存212可以是易失性存储器(例如，寄存器、缓存、RAM等)、非易失型存储器(如ROM、EEPROM、闪存等)或它们的组合。在至少一个实施方式中，内存212可存储有实现所述技术的软件。

互连机构214，例如总线、控制器或网络，其可操作性地将运算装置210的组件耦联起来，包括处理器211、内存212、存储装置213、输入控制器216、输出控制器215、通讯接口240及任何其他装置(例如，网络控制器、声音控制器等)。输出控制器215可***作性地耦联(例如，经由有线或无线连接)到一个或多个输出装置220(例如，监视器、电视、移动设备屏幕、触摸屏、打印机、扬声器等)，通过这种方式使得输出控制器215可(例如，响应执行模块的操作)以变换在显示装置220上的显示。输入控制器216可***作性地耦联(例如，经由有线或无线连接)到输入装置230(例如，鼠标、键盘、触摸板、滚动球、触摸屏、笔、游戏控制器、语音输入装置、扫描装置、数字相机等)，通过这种方式使得来自用户的输入能够被接收。

通讯连接240可允许通过通讯介质与另一运算实体进行通讯。通讯介质传输诸如计算机可执行指令、音频或视频信息、或在调制数据信号中包含的其他数据等信息。调制数据信号是具有一个或多个特征组或以上述方式改变以将信息编码到信号中的信号。作为非限制性的示例，通讯介质包括由电、光、RF、红外、声及其他载体实现的有线或无线技术。

图11画出了运算装置210、输出装置220及输入装置230，仅出于方便识别的目的将它们画成了单独的装置。但是，运算装置210、输出装置220和/或输入装置230可以是单独的装置(例如通过电线连接了显示器和鼠标的个人电脑)，也可以是集成在单个装置中(例如具有触摸显示屏的移动设备，比如智能手机或平板电脑)，或任何装置的组合(例如，操作性地耦合到触摸屏显示装置的运算装置，附接在单个显示装置和输入装置上的多个运算装置等)。运算装置210可以是一个或多个服务器，例如网络服务器群、集群式服务器环境或运行在远程运算装置上的云服务器。

因此，本发明完全适于取得所述的及其本身固有的效果和优点。尽管本领域的技术人员可作出大量的改变，上述改变均包括在由所附权利要求书在某种程度上解释说明的本发明精神之内。

Claims (16)

1.一种方法，包括：

接收患者的至少一个部位的至少一组第一医学图像；

基于该至少一组第一医学图像生成该患者的该部位的三维模型；

将辐射剂量计***该三维模型的一部分中，该辐射剂量计被构造成测量放射曝露量；

照射含有该辐射剂量计的该三维模型的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述照射是依照放射治疗计划实施的。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：扫描受照射的含有该辐射剂量计的该三维模型以提供至少一个读出图像。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

将所述至少一个读出图像与治疗计划***计算出的至少一个三维剂量分布进行对比。

5.根据权利要求1-4所述的方法，其中所述辐射剂量计为聚合物凝胶辐射剂量计。

6.根据权利要求1-4所述的方法，其中所述辐射剂量计为点状辐射剂量计、点状辐射剂量计的线性阵列、点状辐射剂量计的二维阵列、点状辐射剂量计的三维阵列中的至少一个和至少一个二维辐射剂量计中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一组第一医学图像是通过计算机断层摄影术、磁共振成像术、正电子放射断层摄影术中的至少一个获得的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维模型被切割为平面以与至少一个二维辐射剂量计配合使用。

9.根据权利要求8所述的方法，其中二维辐射剂量计为放射摄影或辐射变色薄膜。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维模型包括多个构造成容纳辐射剂量计的开口。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维模型由陶瓷材料、聚合物材料及其组合的至少一种构造而成。

12.一种方法，包括：

接收对患者的至少头部进行CT或MRI扫描的多幅扫描图像；

将CT或MRI扫描的多幅扫描图像的至少某些图像输入三维打印机以制成患者头部的至少一部分的三维模型；

将聚合物凝胶辐射剂量计***所述三维模型中。

13.一种方法，包括：

照射患者头部的至少一部分的三维模型的至少一部分，其中聚合物凝胶辐射剂量计位于该三维模型中，

使用磁共振成像扫描受照射的三维模型以测量向所述模型递送的三维辐射剂量分布。

14.一种***，包括：

患者的一部分的三维复制品；和

至少一个位于所述复制品内的辐射剂量计。

15.权利要求13所述的***，其中所述复制品由CT值大于500的材料形成。

16.权利要求13所述的***，其中所述辐射剂量计为聚合物凝胶辐射剂量计。