CN116920285A - 辐射治疗计划中的监测单元优化约束 - Google Patents
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Abstract
对于规划放射治疗,使用包括第一目标函数和第二目标函数的组合的目标函数来评估和优化候选放射治疗计划。第一目标函数被配置用于确定剂量度量的值。第二目标函数被配置用于确定被添加到剂量度量的值的项的值,以考虑具有大于零且小于最小阈值的权重的点或子束。将该项的值添加至剂量度量的值。实际上,在治疗计划期间惩罚具有不为零且也小于最小阈值的权重的点或子束。
Description
背景技术
使用放射疗法治疗癌症是众所周知的。通常,放射疗法涉及将高能质子、光子、离子或电子辐束引导到不健康组织(例如,肿瘤或病变)的治疗目标中的目标体积中。
使用质子束的放射疗法(质子疗法)相对于使用其它类型的束具有显著的优点。质子束到达组织中的深度取决于束能量,并在该深度释放其大部分能量(递送其大部分剂量)。大部分能量被释放的深度-剂量曲线的区域被称为束的布拉格峰。
在对患者进行放射治疗之前,制定针对该患者的治疗计划。治疗计划使用可以基于过去经验的模拟和优化来限定放射疗法的各个方面。通常,治疗计划的目的是向不健康组织递送足够的辐射,同时最小化周围健康组织对该辐射的暴露。
一种放射疗法技术称为点扫描,也称为笔形束扫描。在点扫描中,束被引导到由治疗计划所制定的治疗目标中的点。对于束的每个能量层,所制定的点位置通常以固定(光栅)图案排列,并且束在能量层内的固定扫描路径上递送。通过将几个不同能量的束叠加在相邻的点上,束的布拉格峰重叠跨治疗目标递送所制定的剂量直到目标的边缘,其中超过边缘剂量急剧下降。
在治疗计划的制定过程中,为治疗目标指定点图案,然后通过尤其地调节图案中的点的权重以满足剂量测定约束来优化治疗计划。在质子治疗中,每个点的权重可以表示为监测单元的值(例如,质子数)。
出于多种原因,治疗计划者可能希望调整或优化的权重高于最小值。这些原因包括:例如,治疗***的限制(例如,***不能递送太小的剂量率或MU),每点递送更高的剂量率(例如,在小于一秒内递送20-40戈瑞(Gy)的FLASH剂量率,以及每秒多达120或更多Gy),减少要辐射的点的数量,和/或减少每点的递送(治疗)时间。
然而,制定高质量的治疗计划和实施最小的点权重值是竞争的利益。例如,如果最小值被设置得太高,则被辐射的点的数量可能低于最佳值,从而对投射的剂量-体积直方图(DVH)产生负面影响。另一方面,如果最小值被设置得太低,则被辐射的点的数量可能高于最佳值,从而延长了治疗时间(剂量递送时间)而损害患者。
发明内容
根据本发明的实施例通过向治疗计划过程中引入附加约束来提供上述问题的解决方案。通常,当生成、评估或优化放射治疗计划时,本文公开的实施例惩罚具有低于特定值的监测单元(MU;例如,点权重或子束权重)的点或子束。作为示例,用于点权重的MU可以基于点的粒子数目,而用于子束权重的MU可以基于子束的能量或强度。
更具体地,当在根据本公开的实施例中生成或评估放射治疗计划时,从计算机***存储器确定或访问分配给治疗目标内的点的权重,或分配给在治疗期间要被引导到治疗目标中的子束的权重。从计算机***存储器访问被配置用于确定剂量度量的值的第一目标函数。还从计算机***存储器中访问第二目标函数,该第二目标函数被配置用于确定作为MU值(例如,点权重或束权重的度量)的函数的项的值。使用包括第一目标函数和第二目标函数的结果的组合的目标函数来评估建议的或候选的放射治疗计划。例如,在治疗计划过程的优化阶段中使用第一目标函数的结果和第二目标函数的结果之和。在该示例中,将利用第二目标函数确定的项的值与利用第一目标函数确定的剂量度量的值相加,并且在优化过程中使用该和。优化过程产生包括最终点权重或子束权重的最终放射治疗计划。
在实施例中,第二目标函数的值是:当点或子束的MU(例如,点权重或子束权重)的值等于零时,等于零;当点或子束的MU值等于或大于最小阈值时,等于零;以及当点或子束的MU的值在零与最小阈值之间时,大于零。用第二目标函数确定的项的值是跨所有点或子束上的这些值的总和。因此,当一个或多个点或子束具有在零和最小阈值之间的MU值时,项的值大于零。实际上,在优化过程期间,项的非零值惩罚权重在零和最小阈值之间的点或子束,因为该过程的目标是最小化第一目标函数和第二目标函数的组合(例如,和)。
作为将该惩罚结合到优化过程中的结果,优化的放射治疗计划将仅包括少量的具有在零和最小阈值之间的权重的点或子束,或者将根本不包括这样的点或子束。如果优化的放射治疗计划包括权重在零和最小阈值之间的范围内的点或子束,则这些点或子束可以可选地进行后处理以将它们从该范围中去除(例如,它们的权重/MU值可以被设置为零或最小阈值)。
根据本公开的实施例提供了可用于生成包括FLASH RT的放射治疗(RT)的放射治疗计划的方法。对于FLASH RT,可以使用在小于1秒内递送大于40戈瑞(Gy)的剂量。
因此,可以通过治疗计划***自动调整点权重或束权重,以满足治疗***的限制、递送每个点更高的剂量率(例如,FLASH剂量率)、减少在治疗期间要辐射的点的数量、减少治疗所需的子束的数量、和/或减少每个点或子束的递送(治疗)时间。因此,根据本公开的实施例具体地改进了放射治疗计划领域,并且总体上改进了放射疗法领域。
在阅读了以下详细说明之后,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,这些详细说明在各个附图中示出。
提供本发明内容以引入将在以下详细描述中进一步描述的构思的选择。本发明内容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
附图结合在本说明书中并形成其一部分,其中相同的数字表示相同的元件,附图示出了根据本公开的实施例,并与详细描述一起用于解释本公开的原理。附图不必按比例绘制。
图1是可在其上实现本文所述实施例的计算机***的示例的框图。
图2A和图2B示出了根据本公开的实施例中的治疗目标的束眼视图的示例。
图3和图4是示出根据本公开的实施例中的自动放射疗法治疗计划过程的示例的框图。
图5是根据本公开的实施例中的最小监测单元(MU)目标函数的示例的图形表示。
图6是示出在根据本公开的实施例中作为在放射治疗计划中使用最小MU目标函数的结果的权重(MU)的分布的示例的直方图。
图7是示出在根据本公开的实施例中作为在放射治疗计划中使用最小MU目标函数的结果的权重(MU)分布的另一示例的直方图。
图8和图9是根据本公开的实施例中用于放射治疗计划的计算机实现的方法的示例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例,该各种实施例的示例在附图中示出。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,本公开旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替换、修改和等同物。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,应当理解,可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下,没有详细描述公知的方法、过程、部件和电路,以免不必要地模糊本公开的各方面。
下面的详细描述的某些部分按照过程、逻辑块、处理和对计算机存储器内的数据位的操作的其它符号表示来呈现。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域的其他技术人员的手段。在本申请中,过程、逻辑块、过程等被认为是导致期望结果的步骤或指令的自相容序列。这些步骤是利用物理量的物理操纵的步骤。通常,尽管不是必须的,这些量采取能够在计算机***中被存储、递送、组合、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因,将这些信号称为事务、比特、值、元素、符号、字符、样本、像素等有时被证明是方便的。
然而,应当记住,所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联,并且仅仅是应用于这些量的方便标记。除非特别声明,否则如从以下讨论中显而易见的,应当理解,在整个本公开中,利用诸如“访问”,“确定”,“存储”,“分配”,“调整”,“组合”,“求和”,“添加”,“优化”,“最小化”,“产生”,“生成”,“标识”,“设置”,“增加”,“评估”,“计算”等术语的讨论是指计算机***或类似电子计算设备或处理器(例如,图1的计算机***100)的动作和过程(例如,图8和9的流程图)。计算机***或类似的电子计算设备操纵并转换表示为计算机***存储器、寄存器或其它这种信息存储、传输或显示设备内的物理(电子)量的数据。
下面的讨论可以包括诸如“权重”,“度量”,“强度”,“监测单元”等术语。除非另有说明,否则值与每个这样的术语相关联。例如,权重(例如,点或子束的权重)具有值,并且度量具有值。为了简单起见,术语“权重”或“度量”或“强度”或“监测单元”可以指权重或度量或强度或MU本身的值,除非另有说明或从讨论中显而易见。
根据方法或过程呈现和讨论以下详细描述的部分。尽管这里公开了其操作和排序,但是这样的操作和排序仅仅是示例。实施例非常适合于执行这里描述的各种其它操作或操作的变型。
可以在由一个或多个计算机或其它设备执行的、驻留在诸如程序模块等某种形式的计算机可读存储介质上的计算机可执行指令的一般上下文中讨论本文所描述的实施例。作为示例而非限制,计算机可读存储介质可包括非暂时性计算机存储介质和通信介质。一般而言,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,程序模块的功能可按需组合或分布。
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、程序模块或其它数据等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,只读存储器(ROM),电可擦除可编程ROM(EEPROM),闪存或其它存储器技术,压缩盘ROM(CD-ROM),数字多功能盘(DVD)或其它光或磁存储设备,或可用于存储所需信息并可被访问以检取该信息的任何其它介质。
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,并且包括任何信息传递介质。作为示例而非限制,通信介质包括诸如有线网络或直接线连接的有线介质,以及诸如声学、射频(RF),红外和其它无线介质的无线介质。上述任何的组合也可以包括在计算机可读介质的范围内。
图1示出了可在其上实现本文所述实施例的计算机***100的示例的框图。在其最基本的配置中,***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示出。***100还可以具有附加的特征和/或功能。例如,***100还可以包括附加存储(可移除和/或不可移除),包括但不限于磁盘或光盘或磁带。这种附加存储在图1中由可移除存储108和不可移除存储120示出。***100还可以包含通信连接122,其允许设备例如在使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接的网络化环境中与其它设备通信。
***100还包括诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等输入设备124。还包括诸如显示设备、扬声器、打印机等输出设备126。显示装置可以是例如阴极射线管显示器、发光二极管显示器或液晶显示器。
引言
在图1的示例中,存储器104包括与治疗计划***(TPS)150相关联的计算机可读指令、数据结构、程序模块等,该治疗计划***(TPS)150也可以被称为优化器。然而,TPS 150可以替代地驻留在由计算机***100使用的计算机存储介质中的任一个中,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计算机的某种组合上。TPS 150用于生成和评估候选(建议的)治疗计划并产生最终(优化的)治疗计划。
更具体地,所提出的放射治疗计划被限定(例如,使用图1的TPS 150)、存储在计算机***存储器中,并从该存储器访问。治疗形式包括调强放射疗法(IMRT)和调强粒子疗法(IMPT)。
在IMRT实施例中,质子、离子或光子束包括多个束段或子束。在束被引导到治疗目标之前或同时,使用多叶准直器(MLC)对束进行整形。在一个或多个这样的实施例中,指定了束的最大能量(例如80Mev),并且每个子束的能量被确定为最大束能量的百分比(100%或更少)或等效分数。因此,每个子束可以基于其能级被加权。通过基于每个子束的能量进行加权,每个子束实际上也基于其强度进行加权。
在IMPT(例如,点扫描)实施例中,如治疗计划所制定的,将质子或离子束引导到治疗目标中的点。对于束的每个能量层,制定的点位置通常以固定(光栅)图案排列,并且束在能量层内的固定扫描路径上被递送。每个点可以基于例如其在被束辐射时接收的质子数来加权。
所提出的放射治疗计划包括可以影响剂量和/或剂量率的参数值以及其它参数。根据治疗方式,参数可包括但不限于:束形状(准直);用于点(笔形束)扫描的点的数量和排列,以及点权重;子束权值;子束强度或能量;束/子束方向;处方剂量和处方剂量率;目标体积的辐射数;每次辐射的持续时间(辐射时间);以及在每个辐射中沉积的剂量。参数还可以包括施加辐射的时间段(例如,在诸如一小时的时间段上施加多个辐射,其中每个辐射在时间段中与下一个辐射隔开另一时间段)以及每个辐射时间段之间的时间间隔(例如,每个小时长的时间段与下一个隔开一天)。
大量的参数和它们的值的范围可以导致有效地无限数量的潜在治疗计划,并且因此一致且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***的使用,特别是考虑到与使用放射疗法来治疗像癌症的疾病相关联的时间约束,以及在任何给定时间段期间经历或需要经历放射疗法的大量患者。
为了递送所制定的放射剂量/放射剂量率,可以将放射治疗计划转换(例如,通过TPS 150)为机器参数。机器参数可以包括例如质子、离子或光子束的束电流,由加速器发射的每个时间段的质子、离子或光子的数目,磁体电流,在目标体积处实现所制定的质子、离子或光子的能量的设置,以及剂量监测***的测量范围。因此,这种转换考虑了产生束并递送和监测放射治疗的治疗机设备的限制。
在治疗期间,在示例性实施例中,束进入放射疗法机器的喷嘴,其可以包括影响(例如,减小,调制)束的能量的一个或多个部件,以根据束的类型来控制由束递送的剂量/剂量率和/或控制束的剂量对深度曲线。例如,对于具有布拉格峰的质子束或离子束,喷嘴可以相对于束轴横向地控制治疗目标中的布拉格峰的位置。在其它实施例中,在喷嘴外部(例如,喷嘴的上游)执行能量调制。
在实施例中,喷嘴安装在可移动的机架上,使得可以从相对于患者支撑设备上的患者(治疗目标)的不同方向(角度)递送束,并且还可以改变患者支撑设备相对于束的位置。
图2A示出了根据本公开的一些(例如,IMPT)实施例中的治疗目标208的束眼视图的示例。治疗目标208可以与被治疗体积的形状一致(例如,治疗目标的轮廓可以与肿瘤的轮廓一致),治疗目标可以大于被治疗体积,或者治疗目标可以对应于被治疗体积的一部分(例如,子体积)。
在这些实施例中,点(例如点204和206)的布置被映射到治疗目标208上。每个点对应于治疗目标208中的特定位置。治疗目标208中的点可以用点扫描束(笔形束)的光栅扫描(二维发射)辐射。一般而言,第一笔形束瞄准治疗目标208中的第一点204,剂量率被递送到该点,然后第二笔形束瞄准治疗目标中的第二点206,剂量率被递送到第二点,依此类推。重量或MU值为零的点不被辐射。
每个点扫描束可以向每个点递送相对高的剂量率(在相对短的时间段内的相对高的剂量)。例如,如果需要,点扫描束可以在不到一秒的时间内向每个点递送超过40戈瑞(Gy)。
图2B示出了根据本公开的其他(例如,IMRT)实施例中的治疗目标208的束眼视图的示例。在这些实施例中,用于辐射治疗目标208的束220包括被映射到治疗目标208上的子束阵列(例如,子束214和216)。每个小束对应于治疗目标208中的特定位置。指定束220的最大能量,并且将每个子束214,216等的能量确定为最大束能量的百分比或分数。
每个子束可以递送相对高的剂量率(在相对短的时间段内的相对高的剂量)。例如,如果需要,每个子束可以在不到一秒的时间内递送40戈瑞(Gy)以上。在治疗期间不使用权重或MU值为零的子束。
自动放射治疗计划过程
图3是示出根据本公开的实施例中的自动放射疗法治疗计划过程300的示例的框图。过程300可以整体或部分地在计算机***100(图1)上/使用计算机***100(图1)而被实现为软件程序、硬件逻辑或其组合。
在图3的框302中,获得患者的三维(3D)图像,并且患者中的器官和其他结构(患者几何形状)可以被分割和轮廓化。在框304和306中,该信息和诸如上述的其他信息被用于制定和评估治疗计划,如下面结合图4进一步描述的。
在框308中,如果治疗计划令人满意(例如,其满足临床目标),则该计划可用于患者的治疗。如果不是,则可以迭代地修改治疗计划和/或临床目标的方面,直到生成令人满意的计划。临床目标可以用例如一组质量度量来表示,诸如目标均匀性,与治疗目标的一致性,关键器官保护等,具有用于质量度量的相应目标值。
图4是示出根据本公开的实施例中的自动放射疗法治疗计划过程400的示例的框图。过程400可以整体或部分地在计算机***100(图1)上/使用计算机***100(图1)实现为软件程序、硬件逻辑或其组合。过程400通常对应于图3的框304和306。
在图4的示例中,TPS 150访问或接收(例如,从图1的存储器104)包括诸如上述参数的参数的信息。TPS 150还可以访问或接收特定于待治疗患者的信息(例如,患者几何形状),该信息包括描述治疗目标(感兴趣区域ROI)的信息,后者可以包括计划目标体积(PTV),大体肿瘤体积(GTV),临床目标体积(CTV)和风险器官(OAR)。
TPS 150还访问或接收为患者的治疗而定义的目标函数。目标函数是能够对实现特定临床目标有影响的变量(诸如上述参数的参数)的数学公式。更具体地,目标函数用于评估建议的放射治疗计划,以确定是否满足为患者的治疗指定的临床目标。
剂量目标函数f(d)的一个示例是:f(d)=∑(wi)(di–dp)2),其中wi是治疗目标中每体素的权重,di是根据建议的治疗计划预计要接收的每体素的剂量,dp是每体素的制定剂量,并且总和∑是对治疗目标中的所有体素i求和。体素可以是由点扫描束辐射的治疗目标中的点,或者可以对应于治疗目标中的、子束被引导到其中的位置。在该示例中,目标是最小化剂量目标函数的值(在该示例中,随着函数的值减小,跨治疗目标的剂量变得更加均匀)。实际上,可以有几个目标函数(除了剂量目标函数之外)被最小化,以便获得最佳的最终治疗计划。目标函数可能相互冲突;也就是说,最小化一个目标函数可能惩罚另一个目标函数,因此最小化所有目标函数可能是不可实现的。因此,在实施例中,对目标函数进行加权和求和以提供所有目标函数的总和,然后将该总和最小化。
本公开特别感兴趣的是点权重和子束权重,以及与点权重或子束权重相关联或受其影响的目标函数。该目标函数在本文中通常称为剂量测定目标函数。
再次参考图4,在一些(例如,IMPT)实施例中,由TPS 150访问或接收的信息包括但不限于点的数量和位置(图案或布置),治疗目标中的每个点的权重的值(例如,初始值),以及考虑PTV和OAR的剂量目标的剂量测定目标函数。每个点的权重可以表示为对应于例如每个点的粒子(例如,质子或离子)的数目的监测单元(MU)的值。如上所述(参见图2A的讨论),每个点对应于治疗目标中的位置。这样,每个点权重可以被称为“位置(locational)”权重或基于位置的权重:点对应于位置,权重对应于点,因此点权重对应于位置。实质上,在这些实施例中,将点权重分配给治疗目标内的相应位置或与治疗目标内的相应位置相关联。
在其他(例如,IMRT)实施例中,由TPS 150访问或接收的信息包括但不限于:子束的数目,每个子束的权重的值(例如,初始值)(其中,权重对应于束能量的分数或百分比),以及考虑PTV和OAR的剂量目标的剂量测定目标函数。每个子束的权重可以表示为对应于例如作为束强度或能量的分数或百分比的子束的强度或能量的MU的值。如上所述(参见图2B的讨论),每个子束对应于治疗目标中的位置。类似于点权重的情况,每个子束权重可以被称为位置权重或基于位置的权重:子束对应于位置,权重对应于该子束,因此子束权重对应于该位置。实质上,在这些实施例中,子束权重被分配给治疗目标内的相应位置或与治疗目标内的相应位置相关联。
当生成和优化治疗计划时,TPS 150可以相对于例如剂量测定目标函数来调整点或子束的权重。伴随本文已经提到的目标,另一目标是确定和输出一组最终权重,使得在治疗期间,治疗目标将接收均匀剂量(跨治疗目标的均匀剂量),并且所递送的剂量将更紧密地符合治疗目标的边缘。
放射治疗计划中的监测单元优化约束
总的来说,在根据本公开的实施例中,将附加约束引入到治疗计划过程中。通常,当生成或评估放射治疗计划时,本文公开的实施例以低于某一值的权重(例如,MU值)惩罚点或子束。
更具体地,考虑剂量目标(例如,OAR和PTV剂量目标)的基于剂量的目标函数f_D被公式化。另一目标函数——这里称为最小MU目标函数f_MU——也被公式化。基于剂量的目标函数f_D在本文中可以被称为第一目标函数,并且最小MU目标函数f_MU在本文中可以被称为第二目标函数。
如将从以下讨论中理解的,f_MU引入对优化过程的约束,该约束以低于阈值(最小)值的MU惩罚点或子束。然后在优化过程中使用第一和第二目标函数的值的组合,这里称为总目标函数f_total。具体地,总目标函数是基于剂量的(第一)目标函数和最小MU(第二)目标函数的值之和,其在所有点或子束上求和:f_total=f_D+f_MU。
上面给出了基于剂量的目标函数f_D的示例。最小MU目标函数的示例由下式给出:
其中N是点或子束的数目。下面给出fMU(MUj)的示例(见图5)。
通常,对于具有MU(点或子束权重)为零的点j或子束j,用于点或子束的fMU(MUj)的值为零;对于具有大于或等于最小阈值的MU(点或子束权重)的点j或子束j,用于点或子束的fMU(MUj)的值为零;以及对于具有在零和最小阈值之间的MU(点或子束权重)的点j或子束j,用于点或子束的fMU(MUj)的值为非零。因此,f_total的值将由于具有点权重的点或具有子束权重的子束在零与最小阈值之间增加。因为优化过程的目标是最小化f_total的值(至与其他目标函数的交互所允许的程度),所以在优化过程期间,在零与最小阈值之间惩罚具有点权重的点或具有子束权重的子束。
图5是根据本公开的实施例中的最小MU目标函数500的示例的图形表示。在图5的示例中,最小MU目标函数500由下式定义:
fMU(MUj)=(4xj/MUmin)(1-(xj/MUmin));
其中x是点j或子束j的点或子束权重(以MU的值表示),MUmin是MU的最小值(最小阈值MU_min)。然而,fMU(MUj)的公式不限于该示例。
最小MU目标函数被配置(公式化)为确定f_MU的值,该f_MU的值被添加到f_D的值以考虑具有大于零且小于最小阈值的权重(MU)的点或子束。f_MU的值在本文中可以被称为项(例如,项的值,并且f_D的值在本文中可以被称为剂量度量的值。这里,点或子束的权重可以是其初始权重,或者可以是作为优化过程的一部分而迭代确定的中间(非最终)值。
在实施例中,具有大于零且小于最小阈值的权重的点j或子束j的fMU(MUj)的值是该点或子束的权重的函数。在实施例中,fMU(MUj)的值为:当点或子束的权重等于零(f_MU(x=0)=0)时等于零,当该权重等于或大于最小阈值(f_MU(x≥MU_min)=0)时等于零,并且当该权重在零与最小阈值之间时大于零。
在图5的示例中,最小MU目标函数500是对称的(例如,抛物线)。然而,实施例不限于此。作为示例,最小MU目标函数可以是非对称的,或者可以具有在零和阈值之间的恒定值。在该示例中,最小MU目标函数的最大值可以不同于(例如,小于或大于)1.0的值,并且该最大值在优化过程期间可以保持相同或者可以改变(增加或减少)。而且,最小阈值可以是不同于100的值。在实施例中,最小阈值是由治疗计划器选择的值,并且可以保持相同或者可以在优化过程期间改变。
此外,定义最小MU目标函数的公式可以在优化过程期间改变,或者可以在整个过程中保持相同。此外,如果存在要针对特定患者评估的多个建议(候选)治疗计划,则最小MU目标函数和/或最小阈值对于正被优化的每个治疗计划可以相同或不同。
在实施例中,优先级值与治疗目标中的每个结构或体积相关联,并且优先级值还与最小MU目标函数相关联。例如,优先级值可以与PTV相关联,并且优先级值可以与GTV相关联。在这样的实施例中,优先级值类似地与最小MU目标函数相关联,以建立该目标函数相对于治疗目标中的结构或体积的相对优先级。优先级值由治疗计划者选择,并且可以保持相同或者可以在优化过程期间改变。
图6是示出在根据本公开的实施例中的放射治疗计划中的优化过程中使用图5的最小MU目标函数500的结果的MU(例如,点权重或子束权重)的分布的示例的直方图600。从图中可以看出,在优化的治疗计划中不存在具有在0和100(在该示例中为最小阈值)之间的值的MU。
因此,如图6的示例所示,点权重或束权重可以由TPS 150自动调节,以满足治疗***的限制、在每点递送更高的剂量率(例如,在小于一秒内递送40Gy以上的FLASH剂量)、减少治疗期间要辐射的点的数目、减少用于治疗的子束的数目、和/或减少递送(治疗)时间。因此,根据本公开的实施例具体地改进了放射治疗计划领域,并且总体上改进了放射治疗领域。
如在图6的示例中,具有在零与最小阈值之间的范围内的权重(MU)的点或子束的缺乏可能不总是结果。换句话说,在优化之后,可能存在具有在该范围内的权重的点或子束,在这种情况下,在零和最小阈值之间的点或子束权重可以可选地在如下所述的后处理中被去除。
图7是示出在优化过程中作为使用图5的最小MU目标函数500的结果的点或子束权重(MU)的分布的另一示例的直方图700。在该示例中,优化过程的输出包括具有在0和100之间的MU的点或子束。该结构能够发生,是因为最小MU目标函数向优化过程引入了“软”约束,该“软”约束惩罚权重(MU)在零和最小阈值之间的点或子束,这与自动去除这些点或子束的“硬”约束形成对比。
在实施例中,在优化之后具有在零与最小阈值之间的点权重或子束权重(MU)的点或子束的权重被调整。在一个实施例中,这样的点或子束的权重被设置为零或最小阈值。在图7的示例中,小于最小阈值的一半的点权重或子束权重被设置为零,而大于或等于最小阈值的一半的点权重或子束权重被设置为最小阈值。然而,所公开的发明不限于使用如刚刚描述的示例中的一半作为截止值。
当在优化之后在零与最小阈值之间存在点权重或子束权重时,可以使用其他方法。例如,可以改变最小MU目标函数的形状。
在优化之后调整具有在零和最小阈值之间的点权重或子束权重的点或子束的权重是可选的。作为示例,关于是否调整点权重或子束权重的决策可以依照如下方式而作出:基于那些点或子束对递送(治疗)时间的影响,或者基于调整针对被优化的治疗计划而生成的那些点或子束的权重对剂量-体积直方图的影响,或者基于这样的点或子束的数目。
上面的描述可以扩展到包括这样的实施例,其中最大阈值也被指定,并且最大MU目标函数也被公式化以惩罚具有大于或等于最大阈值的权重的点或子束。例如,可以配置(公式化)最大MU目标函数以确定项的值,所述项的值可以被添加到剂量度量f_D的值以考虑具有大于或等于最大阈值的权重的点或子束。该公式对于具有在最小和最大阈值之间的权重的点或子束输出零的值,并且对于具有大于或等于最大阈值的权重的点或子束输出大于零的值。最大MU目标函数可以与最小MU目标函数组合成单个目标函数。
图8和图9分别是根据本公开的实施例中用于放射治疗计划的计算机实现的方法的示例的流程图800和900。流程图800和900可被实现为驻留在某种形式的计算机可读存储介质(例如,图1的计算机***100的存储器中)上的计算机可执行指令(例如,图1的TPS150)。
虽然图8和图9的流程图中的操作被呈现为串联地并且以特定顺序发生,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,并且它们也可以以迭代的方式执行。如上所述,由于所需考虑的不同参数、这些参数的值的范围、这些参数的相互关系、对患者有效但风险最小的治疗计划的需求、以及对快速生成高质量治疗计划的需求,所以使用在计算机***100(图1)上一致执行的治疗计划***150,以用于如本文所公开的放射治疗计划是重要的。
在图8的框802中,从计算机***存储器访问放射治疗计划。治疗计划包括分配给治疗目标内的每个点或子束的相应权重。如上所述,点权重或子束权重均可被称为位置权重,其涉及在或可能在治疗目标内的位置。
在框804中,确定放射治疗计划的剂量度量的值(例如,利用基于剂量的目标函数f_D)。
在框806中,确定作为点权重或子束权重的函数的项的值(例如,利用最小MU目标函数f_MU),并且将该值添加到剂量度量的值。当治疗计划包括具有大于零且小于最小阈值的权重的点或子束时,项的值大于零。
在框808中,使用(但不限于)剂量度量和项的值之和来评估放射治疗计划。
在图9的框902中,从计算机***存储器访问被配置用于确定剂量度量的值的第一目标函数(例如,基于剂量的目标函数f_D)。
在框904中,还从计算机***存储器访问第二目标函数(例如,最小MU目标函数f_MU),该第二目标函数被配置成用于确定考虑了具有在零与最小阈值之间的权重的点或子束的项的值。在实施例中,第二目标函数的值是:当点或子束的MU的值(例如,点权重或子束权重)等于零时,等于零;当点或子束的MU值等于或大于最小阈值时,等于零;以及当点或子束的MU的值在零与最小阈值之间时,大于零。用第二目标函数所确定的项的值是跨所有点或子束的这些值的总和。
在框906中,使用包括(但不限于)第一目标函数和第二目标函数的组合的目标函数来评估放射治疗计划。
在实施例中,框808和906的评估包括:对包括第一目标函数和第二目标函数的组合的目标函数求和的总目标函数进行优化(例如,确定其最小值),以产生包括点或小束的最终权重的最终(优化的)放射治疗计划。
在框908中,在实施例中,如果优化的放射治疗计划包括具有小于最小阈值的权重的点或子束,则该点或子束的权重可选地设置为零或最小阈值。
虽然这里公开的实施例产生用于质子、离子和光子治疗的优化治疗计划,但是本发明的实施例也非常适合于其它形式的放射治疗(例如电子束或原子核束(例如碳,氦和锂))。
本文公开的方法还可用于立体定向放射外科(stereotactic radiosurgery)以及具有单个或多个转移病灶(metastases)的立体定向体放射疗法。
虽然已经用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题,但是应当理解,所附权利要求中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反,上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而公开的。
Claims (20)
1.一种计算机***,包括:
处理器;以及
耦合到所述处理器并且包括指令的存储器,所述指令在被执行时使所述处理器执行用于规划治疗目标的放射治疗的方法,所述方法包括:
从所述存储器访问针对所述治疗目标的放射治疗计划;
使用所述放射治疗计划中的信息来确定剂量度量的值;
将使用对应于所述治疗目标中的相应位置的权重所确定的项的值添加到所述剂量度量的值,其中当对应于所述治疗目标中的位置的权重大于零且小于最小阈值时,所述项的值大于零;以及
使用所述剂量度量和所述项的值的和来评估所述放射治疗计划。
2.根据权利要求1所述的计算机***,其中所述确定、所述添加和所述评估包括:
从所述存储器访问第一目标函数,所述第一目标函数被配置用于确定所述剂量度量的值;
从所述存储器访问第二目标函数,所述第二目标函数被配置用于确定所述项的值;以及
使用包括所述第一目标函数和所述第二目标函数的组合的目标函数来评估所述放射治疗计划。
3.根据权利要求2所述的计算机***,其中所述评估所述放射治疗计划包括最小化总目标函数以产生包括对应于所述治疗目标中的位置的最终权重的最终放射治疗计划,所述总目标函数包括多个目标函数的总和,所述多个目标函数包括所述第一目标函数和所述第二目标函数的组合。
4.根据权利要求1所述的计算机***,其中所述项的值等于使用所述权重所确定的值的和,其中当所述权重均等于零时,所述项的值等于零,当所述权重均等于或大于所述最小阈值时,所述项的值等于零,否则所述项的值大于零。
5.根据权利要求1所述的计算机***,其中当所述权重大于最大阈值时,所述项的值也大于零。
6.根据权利要求1所述的计算机***,其中所述权重选自在放射治疗期间由以下构成的组:所述治疗目标中的位置处的点的点权重,以及被引导到所述治疗目标中的所述位置中的束的子束的子束权重;
其中点的权重是基于选自以下构成的组中的值:所述点的监测单元的数目,以及所述点的质子的数目;并且
其中子束的权重基于选自以下构成的组中的值:所述束的能量的分数,所述束的能量的百分比,所述束的强度的分数和所述束的强度的百分比。
7.根据权利要求1所述的计算机***,其中所述方法还包括:
在执行对所述放射治疗计划进行所述评估之后,标识与所述治疗目标中的位置相对应并且小于所述最小阈值的权重;以及
将小于所述最小阈值的所述权重设置为选自以下构成的组中的值:零,以及所述最小阈值。
8.一种计算机***,包括:
处理器;以及
耦合到所述处理器并且包括指令的存储器,所述指令在被执行时使所述处理器执行用于规划治疗目标的放射治疗的方法,所述方法包括:
从所述存储器访问包括用于所述治疗目标的放射治疗计划的信息;以及
使用包括第一目标函数和第二目标函数的组合的目标函数来优化所述放射治疗计划,其中所述第一目标函数被配置用于基于所述放射治疗计划中的信息来确定所述治疗目标的剂量度量的值,其中所述第二目标函数被配置用于确定作为权重的函数的项的值,所述权重对应于所述治疗目标中的位置,并且其中当对应于所述治疗目标中的位置的权重大于零且小于最小阈值时,所述项的值大于零。
9.根据权利要求8所述的计算机***,其中所述项的值等于使用所述权重所确定的值之和,其中当所述权重均等于零时,所述项的值等于零,当所述权重均等于或大于所述最小阈值时,所述项的值等于零,否则所述项的值大于零。
10.根据权利要求8所述的计算机***,其中所述权重选自在放射治疗期间由以下构成的组:所述治疗目标中的所述位置处的点的点权重,以及被引导到所述治疗目标中的所述位置中的束的子束的子束权重;
其中点的权重是基于选自以下构成的组中的值:所述点的监测单元的数目,以及所述点的质子的数目;并且
其中子束的权重基于选自以下构成的组中的值:所述束的能量的分数,所述束的能量的百分比,所述束的强度的分数和所述束的强度的百分比。
11.根据权利要求8所述的计算机***,其中所述优化包括最小化总目标函数,所述总目标函数包括多个目标函数的总和,所述多个目标函数包括所述第一目标函数和所述第二目标函数的组合。
12.根据权利要求8所述的计算机***,其中所述方法还包括:
在所述优化之后,标识与所述治疗目标中的位置相对应并且小于所述最小阈值的权重;以及
将小于所述最小阈值的所述权重设置为选自以下构成的组中的值:零,以及所述最小阈值。
13.根据权利要求8所述的计算机***,其中当所述权重大于最大阈值时,所述项的值也大于零。
14.根据权利要求8所述的计算机***,其中所述优化产生最终放射治疗计划,所述最终放射治疗计划包括对应于所述治疗目标中的所述位置的最终权重。
15.一种用于规划治疗目标的放射治疗的计算机实现的方法,所述方法包括:
从计算机***的存储器访问包括用于所述治疗目标的候选放射治疗计划的信息;
访问被配置用于确定剂量度量的第一目标函数;
访问第二目标函数,所述第二目标函数被配置用于确定使用对应于所述治疗目标中的位置的权重的项的值,其中当对应于所述治疗目标中的位置的权重大于零且小于最小阈值时,所述项的值大于零;以及
使用包括所述第一目标函数和所述第二目标函数的组合的目标函数来优化所述候选放射治疗计划,其中所述优化包括:优化包括多个目标函数的总和的总目标函数,所述多个目标函数包括所述第一目标函数和所述第二目标函数的组合。
16.根据权利要求15所述的计算机实现的方法,其中所述项的值等于使用所述权重所确定的值之和,其中当所述权重均等于零时,所述项的值等于零,当所述权重均等于或大于所述最小阈值时,所述项的值等于零,否则所述项的值大于零。
17.根据权利要求15所述的计算机实现的方法,其中所述优化产生最终放射治疗计划,所述最终放射治疗计划包括对应于所述治疗目标中的所述位置的最终权重。
18.根据权利要求15所述的计算机实现的方法,其中所述权重选自在放射治疗期间由以下构成的组:所述治疗目标中的所述位置处的点的点权重,以及被引导到所述治疗目标中的位置中的束的子束的子束权重;
其中点的权重是基于选自以下构成的组中的值:所述点的监测单元的数目,以及所述点的质子的数目;并且
其中子束的权重基于选自以下构成的组中的值:所述束的能量的分数,所述束的能量的百分比,所述束的强度的分数和所述束的强度的百分比。
19.根据权利要求15所述的计算机实现的方法,还包括:
在执行所述优化之后,标识与所述治疗目标中的位置相对应且小于所述最小阈值的权重;以及
将小于所述最小阈值的所述权重设置为选自以下构成的值:零,以及所述最小阈值。
20.根据权利要求15所述的计算机实现的方法,还包括:利用所述第二目标函数增加所述治疗目标中具有大于最大阈值的权重的位置的权重。
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