RU2605998C2

RU2605998C2 - Одновременная оптимизация мультимодальной инверсии для планирования радиотерапевтического лечения

Info

Publication number: RU2605998C2
Application number: RU2012157808A
Authority: RU
Inventors: Михель МЕЛЬТСНЕР; Ин СЮН; Михель КАУС
Original assignee: Конинклейке Филипс Электроникс Н.В.
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2017-01-10
Also published as: US20130090549A1; WO2011154853A1; EP2580698A1; US9155908B2; CN102939607B; RU2012157808A; CN102939607A

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системам планирования мультимодальной радиотерапии. Система для оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии, причем применяется лучевая терапия как фотонным лучом, так и ионным лучом, причем система содержит входной графический интерфейс пользователя (GUI), который содержит дисплей, оптимизатор и имитатор. Способ оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии, использующего лучевую терапию как фотонным лучом, так и ионным лучом, содержит этапы, на которых одновременно оптимизируют подачу дозы от устройства фотонной и ионной терапии в одной или более имитационных моделях, создают одну или более имитационных моделей в соответствии с параметрами оптимизации, отображают результаты процесса оптимизации в реальном времени посредством отображения дозы на дисплее, при этом оптимизированная доза, подаваемая одним из устройства фотонной терапии или устройства ионной терапии, вводится во время оптимизации дозы, подаваемой посредством другого устройства. Процессор для оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии выполнен с возможностью выполнения исполняемых компьютером команд для осуществления способа. Считываемый компьютером носитель данных, который несет компьютерные команды, управляющие процессором, чтобы выполнять способ. Изобретение позволяет минимизировать дозу облучения пациента и повысить точность подачи дозы. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Настоящая заявка находит конкретное применение при процедурах и в системах планирования мультимодальной радиотерапии. Однако, следует понимать, что описанная методика(-и) может также найти применение в других типах систем планирования терапии, других системах планирования терапии и/или других медицинских применениях.

Алгоритмы оптимизации внешней лучевой радиотерапии существуют достаточно давно. Однако онкологические центры лечения рака во всем мире вводят в процесс планирования все больше типов способов лучевой терапии по мере того, как они становятся доступными. Например, в месте лечения у онкологических больных внешние лучевые терапии на основе протонов и фотонов могут объединяться в одно назначение. Такая объединенная терапия использует отдельные алгоритмы оптимизации дозы, даваемой пациенту для каждого типа методики. Такие алгоритмы, по существу, определяют субоптимальное решение, поскольку режимы оптимизации не содержат все типов лечения одновременно.

В традиционных инверсных алгоритмах планирования программное обеспечение пытается создать набор форм и весов радиационного луча, чтобы выполнить задачи, поставленные пользователем. Эти задачи могут содержать минимальную, максимальную, однородную и т.д. дозу, подаваемую к целевому месту лечения рака и/или к окружающим органам. Эти алгоритмы используют каждый раз только одну методику лечения, причем наиболее широко используемым типом являются фотоны. Со времени внедрения и клинического использования инверсной терапии с модулированной интенсивностью большое количество онкологических центров получили доступ к другим методикам лечения. Они могут содержать фотонную, электронную, протонную, ионную терапию и т.д.

В настоящее время существуют устройства лучевой терапии, которые подают фотоны излучения, и другие устройства лучевой терапии, которые подают ионы, такие как протоны. Каждое из них обладает своими преимуществами и недостатками. Например, ионы могут быть сфокусированы на конкретную глубину, иметь более высокую мощность для убивания опухоли и могут быть точно направлены. Фотоны получили более широкое распространение и особенно ценны для облучения больших областей, таких как области распространения опухолей, периферийная область на краях опухолей и т.п. Хотя для каждого случая имеются программы оптимизации дозы, такие программы оптимизируют дозу только по одной из этих методик.

В технике для систем и способов существует неудовлетворенная потребность облегчить использование единого объединенного способа оптимизации планирования мультимодальной лучевой терапии и т.п., преодолевая, таким образом, отмеченные выше недостатки.

В соответствии с одним вариантом, система, облегчающая оптимизацию плана мультимодальной лучевой терапии, использующей лечение как фотонным пучком, так и ионным пучком, содержит входной графический интерфейс пользователя (GUI), имеющий дисплей, на котором представляется информация пользователя, связанная с одной или более имитационными моделями плана лучевой терапии (радиационной терапии). Система дополнительно содержит оптимизатор, одновременно оптимизирующий подачу дозы от устройства фотонной терапии и от устройства ионной терапии в одной или более имитационных моделей, итерационного корректирования во время моделирования множества параметров оптимизации для каждого из устройств фотонной терапии и ионной терапии. Дополнительно система содержит имитатор, который создает одну или более имитационных моделей в соответствии с параметрами оптимизации.

В соответствии с другим вариантом, способ оптимизации мультимодальной схемы лучевой терапии, использующей в качестве лечения лучевую терапию как с фотонным пучком, так и с ионным пучком, содержит одновременно оптимизацию подачи дозы от устройства фотонной терапии и от устройства ионной терапии в одной или более имитационных моделях, итерационно корректируя множество параметров оптимизации для каждого устройства фотонной терапии и ионной терапии во время имитации. Способ дополнительно содержит создание одной или более имитационных моделей в соответствии с параметрами оптимизации.

В соответствии с другим вариантом, система, которая облегчает одновременную оптимизацию многочисленных режимов плана лечения для мультимодальной терапии, содержит первое устройство терапии, которое генерирует первый луч для лечения интересующего объема у пациента, и второе устройство терапии, которое генерирует второй луч для лечения интересующего объема у пациента. Система дополнительно содержит оптимизатор, оценивающий один или более целевых критериев лучевой терапии и регулирующий один или более параметров оптимизации, связанных с первым и вторым пучками, чтобы достигнуть одного или более целевых критериев лучевой терапии, и имитатор, создающий множество имитационных моделей, основываясь на скорректированных параметрах оптимизации. Оптимизатор идентифицирует оптимальную имитационную модель из числа множества имитационных моделей и подает оптимальную модель на контроллер для выполнения, при котором используются первое устройство терапии и второе устройство терапии.

Одно из преимуществ состоит в том, что минимизируется доза облучения пациента.

Другое преимущество состоит в повышенной точности подачи дозы.

Еще одно дополнительное преимущество предмета изобретения должны оценить специалисты в данной области техники после прочтения и понимания последующего подробного описания.

Чертежи служат только для целей иллюстрации различных вариантов и не должны рассматриваться как ограничение.

Фиг.1 - система, облегчающая оптимизацию мультимодальной лучевой терапии, соответствующая различным описанным здесь вариантам.

Фиг.2 - устройство пассивной подачи рассеянных протонов.

Фиг.3 - устройство подачи излучения с бегущим пучком, которое может использоваться для подачи дозы при IMPT и IMRT.

Фиг.4 - способ одновременной оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии для облучения интересующего объема у пациента, используя устройства IMRT и IMPT, соответствующий одному или более описанным здесь вариантам.

Описанное изобретение относится к единой программе оптимизации, которая оптимизирует подачу одновременно фотонов и ионов, например протонов. Это облегчает лечение опухоли с помощью объединения фотонов и ионов. Оптимизация является итеративным процессом, при котором различные факторы или параметры для оптимизации дозы фотонов и различные факторы или параметры для оптимизации дозы ионов объединяются с различиями в характеристиках и преимуществах лечения фотонами по сравнению с ионами. Таким образом, оптимальный план лечения объединенными фотонами и ионами создается в едином процессе оптимизации.

На Фиг.1 представлена система 10, облегчающая мультимодальную оптимизацию лучевой терапии в соответствии с различными описанными здесь вариантами. В отличие от традиционных способов оптимизации, в которых, если пользователь желает объединить способы лечения, он или она должен был бы исторически создать план, основываясь на каждом из способов отдельно, и вынужден оптимизировать или планировать только один вариант подачи за один раз, система, показанная на Фиг.1, облегчает одновременную оптимизацию, за счет чего пользователь может объединить многочисленные способы лучевой терапии в одну общую задачу оптимизации. Таким образом, доза, подаваемая одним типом источника, может оптимизироваться и вводиться во время оптимизации другого типа источника.

Соответственно, система 10 содержит системный процессор 12, который исполняет компьютерные команды, и системную память 14, которая хранит исполняемые компьютерные команды для выполнения различных описанных здесь функций и/или способов. Управляющая программа хранится на постоянном считываемом компьютером носителе данных или в памяти 14, такой как диск, жесткий диск и т.п. К другим обычным формам считываемых компьютером носителей данных относятся, например, дискеты, гибкие диски, жесткие диски, магнитная лента или любой другой носитель в виде магнитного накопителя, CD-ROM, DVD или любой другой оптический носитель, RAM, ROM, PROM, EPROM, FLASH-EPROM, их разновидности, другие чипы или картриджи памяти или любой другой физический носитель, с которого процессор 12 может считывать и исполнять команды. В этом контексте система 10 может быть осуществлена на одном или более универсальных компьютерах, специализированном компьютере(-ах), программируемом микропроцессоре или микроконтроллере и внешних элементах интегральных схем, ASIC или другой интегральной схеме, цифровом сигнальном процессоре, аппаратно реализованной электронике или логической схеме, такой как схема дискретного элемента, программируемое логическое устройство, такое как PLD, PLA, FPGA, графическая карта центрального процессора (CPU) (GPU), или PAL и т.п.

Системный процессор 12 соединяется с графическим интерфейсом 16 пользователя (GUI) (например, с рабочей станцией и т.п.), который содержит дисплей 18, на котором информация представляется пользователю, устройство 20 ввода (например, клавиатура, "мышь", стилус, микрофон и т.д.), посредством которого пользователь вводит информацию в систему, локальную память 22 (например, для буферирования данных, представляемых пользователю через дисплей) и процессор 24 GUI (например, для отображения информации пользователю через дисплей, принимая входные данные через устройство ввода, связи с системным процессором и т.д.).

Системный процессор 12 также соединяется с контроллером 26, управляющим модулем 28 мультимодальной лучевой терапии, который содержит устройство 30 лучевой терапии с модулированной интенсивностью (IMRT) для фотонной терапии и устройство 32 протонной терапии с модулированной интенсивностью (IMPT) для протонной или ионной терапии (например, ионы водорода, ионы углерода и т.д.). IMRT в одном варианте осуществления содержит рентгеновскую трубку А с многостворчатым коллиматором B и затвором C, которая монтируется на вращающейся портальной раме, чтобы облучать пациента 34 с выбираемых углов. IMPT в одном варианте осуществления содержит линейный ускоритель D, который крепится к вращающейся портальной раме, чтобы облучать пациента с выбранных углов. В одном варианте осуществления IMRT и IMPT совместно используют общую портальную раму E. Это позволяет предоставлять лечение с помощью IMRT и IMPT одновременно, последовательно или поочередно. В другом варианте осуществления IMRT и IMPT находятся на отдельных портальных рамах. Пациент движется между портальными рамами для последовательной или переменной обработки, тогда как другие варианты осуществления являются отдельными системами, которые пользуются преимуществами объединенного планирования и оптимизации, как описано здесь. В другом варианте осуществления протонное лечение предоставляется способом "неподвижного" наконечника и т.п.

Следует понимать, что хотя описанные здесь системы и способы связаны с устройствами фотонной или ионной терапии с модулированной интенсивностью, в сочетании с представленными здесь вариантами и признаками могут использоваться процессы оптимизации. Например, в одном варианте осуществления устройство ионной терапии или устройство фотонной терапии или и то, и другое могут быть объемно модулированными (например, устройство объемно модулированной арк-терапии или VMAT).

IMRT и IMPT используются для лечения пациента 34, используя объединенный или двойной план лучевой терапии. С этой целью, модуль оптимизатора или алгоритм 36 хранится в системной памяти 14 и выполняется системным процессором 12, чтобы одновременно оптимизировать дозу IMRT и IMPT как функцию одного или более параметров 38 оптимизации. К параметрам оптимизации могут относиться, в частности, параметры подачи пучка, траектория пучка, подача дозы, расстояние до целевого объема внутри пациента, интенсивность пучка, доза в единицу времени, расположение луча на мишени, характеристики аппаратуры, алгоритмы вычисления дозы, построение контура интересующего объема и/или пациента и т.д.) и т.д.

В одном из вариантов осуществления оптимизатор 36 использует алгоритм инверсного планирования лучевой терапии с модулированной интенсивностью, такой, который описывается в патенте США № 6735277, автор McNutt и др. В другом варианте осуществления оптимизатор 36 использует алгоритм инверсного планирования для лучевой терапии с модулированной интенсивностью, такой, который описывается в патенте США № 6882702, автор Luo и др. Однако, там, где патенты McNutt и Luo имеют дело с оптимизацией IMRT, оптимизатор 36 выполняет инверсную оптимизацию, которая одновременно учитывает как дозу фотонов, используя IMRT, так и дозу протонов или ионов, используя IMPT. То есть оптимизатор учитывает все переменные и параметры, связанные с оптимизацией подачи дозы как IMRT, так и IMPT, и делает это одновременно во время единого события оптимизации вместо отдельной оптимизации терапии фотонами и ионами.

Модуль имитатора или алгоритм 40 хранятся в системной памяти и выполняются системным процессором, чтобы создавать данные 42 имитации в соответствии с параметрами оптимизации, и данные имитации используются для разработки одной или более имитационных моделей 44, содержащих множество изображений имитации, которые могут просматриваться пользователем на дисплее 18. Оптимизатор итерационно корректирует один или более параметров оптимизации, чтобы скорректировать имитации, пока не будет идентифицирована оптимальная объединенная терапия. Оптимальная объединенная терапия определяется как функция того, соответствует ли оптимальная имитация определенным целевым критериям 48 лечения (например, максимум делается в центре мишени, однородная доза по всей мишени и т.д.), определенным пользователем (например, минимизация общей дозы для пациента и/или здоровой ткани, временные ограничения, подача максимальной дозы к мишени и т.д.). В другом варианте осуществления оптимизатор идентифицирует заданные целевые критерии лечения, например, как функцию одного или более параметров пациента и/или информацию, связанную с пациентом, интересующей областью и т.д. Дополнительно, графики 49 гистограммы объема дозы (DVH) также могут быть созданы системным процессором (например, посредством исполнения имитатора 40) для всего пациента, а также для определенных областей.

В одном варианте осуществления система 10 содержит компьютерный томограф (СТ) или другой диагностический сканер 50, который сканирует пациента, чтобы получить данные сканирования интересующей области или мишени у пациента. В другом варианте осуществления сканер 50 является магнитно-резонансным томографом (MRI). Собранные данные реконструируются процессором 52 реконструкции в данные 54 диагностического изображения, хранящиеся в системной памяти 14. Данные диагностического изображения сегментируются, чтобы идентифицировать местоположение, размер, форму и т.д. цели(-ей), такой как опухоль, подлежащая лечению, а также чувствительной ткани, которой следует избегать при облучении, и плотной ткани, такой как кость, которая может оказать негативное влияние на подачу дозы, например, поглощая излучение или ионы, прежде чем они достигнут мишени. Основываясь на сегментированном СТ-изображении (или другом диагностическом изображении), которое идентифицирует мишень или интересующую область, пользователь вводит (или система определяет) целевую информацию 48 лечения (например, минимальная доза, максимальная доза, доза, разрешенная в данной области, и т.д.) и оптимизатор 36 итерационно корректирует параметры оптимизации, в то время как имитатор моделирует точки возникновения луча, интенсивности, глубины, формы или поперечные сечения, области охвата и т.д., чтобы создать имитационные модели лечения. Как только оптимизированная имитационная модель (например, с минимальной дозой облучения) идентифицирована, она представляется пользователю через дисплей 18 для возможной дополнительной адаптации и корректировки (например, посредством ручной настройки параметров оптимизации и т.п.).

В соответствии с примером, модуль 36 оптимизатора корректирует зону охвата, дозу, параметры подачи и т.д. для устройства 30 IMRT и аналогичные параметры и глубину проникновения луча для устройства 32 IMPT, чтобы они соответствовали целевым критериям лечения, используя подход проб и ошибок. Учитывая назначенные пользователем цели лечения, оптимизатор идентифицирует оптимальную имитационную модель из числа множества имитационных моделей, создаваемых во время работы модуля 36 оптимизатора.

Например, доза IMRT может быть взвешена относительно дозы IMPT как функция размера, формы и/или местоположения целевого объема, подлежащего лечению. В одном из вариантов осуществления лечение посредством IMRT выбирается оптимизатором в областях мишени, где требуется широкое, но менее эффективное покрытие, тогда как лечение IMPT выбирается там, где требуется более точное и более мощное покрытие. Например, оптимизатор может предложить применение протонного или ионного луча от устройства IMPT для облучения опухоли у пациента вместе с применением фотонного луча от устройства IMRT, чтобы облучить широкую зону вокруг опухоли. IMRT также облучает опухоль, заставляя соответственно корректировать дозу IMPT. Статистика проникновения луча IMPT указывает, что он будет частично лечить участки широкой области вокруг опухоли, и это заставляет корректировать распределение дозы IMRT.

В соответствии с другим примером, пользователь вводит общую допустимую дозу облучения в качестве целевого критерия лечения и оптимизатор определяет отношение ионного излучения к фотонному излучению, которое должно использоваться в каждой области зоны лечения, оптимизируя план лечения фотонами, вычитая количество фотонного излучения из суммарной или максимально допустимой дозы, чтобы определить максимальную дозу ионного облучения, и затем оптимизируя план лечение ионами так, чтобы он соответствовал максимально допустимой ионной дозе. Так как ионная лучевая терапия биологически обычно более вредна, чем лечение фотонами при той же самой дозе, протонная доза может быть взвешена при вычислении фотонной и ионной составляющих в суммарной дозе (например, ионная доза может быть умножена на коэффициент приблизительно 1,1 и прибавлена к фотонной дозе, чтобы сравнять общую биологически эквивалентную дозу).

Следует понимать, что каждый луч лучевой терапии может представлять разную методику или комбинацию методик. Мультимодальный алгоритм 36 оптимизации лучевой терапии в одном из вариантов осуществления дополнительно содержит относительную биологическую эффективность типа излучения, а также неопределенности, такие как движение органов, погрешность настройки и неопределенности преобразования изображения-плотность или изображение-пропадание мощности. Доза каждого типа луча вычисляется и одновременно объединяется во время процесса оптимизации. Система 10 планирования лечения, таким образом, способна вычислить дозу облучения при многочисленных источниках излучения (например, фотоны, электроны, брахитерапия, протоны и т.д.). Благодаря уникальному характеру программного обеспечения, пользователь может выполнить оптимизацию терапии и имитаций, которые не могут быть сделаны при традиционных технологиях.

Продолжая ссылку на Фиг.1, на Фиг.2 представлено устройство 100 пассивной подачи рассеянных протонов. Доза протонов обычно является суммированием нескольких уровней энергии протонов, полностью соответствующих характеристикам излучающего устройства. Источник 102 излучения испускает протонные лучи 104 в широкой полосе и протонные лучи проходятся через компенсатор 106. Компенсированные протонные лучи 108 проходят в тело 110 пациента, чтобы облучить опухоль или другой интересующий объем 112. При наличии критической структуры 114 (например, орган, кость или другая ткань, которой следует избегать), между компенсатором и пациентом располагается экран 116 и т.п., чтобы минимизировать дозу облучения для критической структуры.

Протонный луч настраивается на заданную глубину, обычно несколько ниже основания интересующего объема 112. Из-за характера пассивной рассеянной подачи протонных лучей относительно меньшая доза облучения получается в области 118 пациента вблизи поверхности пациента. По мере того как лучи проникают глубже в область 120, доза облучения увеличивается. В области 122 в направлении максимальной глубины проникновения протонных лучей доза облучения максимальна. Однако, поскольку протонные лучи при подходе с пассивным рассеиванием пересекают большой объем ткани пациента, пациенту может быть подана нежелательно высокая доза облучения, чтобы достигнуть требуемой минимальной дозы на мишени или в интересующем объеме. Поэтому может потребоваться использование более сфокусированного ионного или протонного луча. То есть, хотя подход с пассивным рассеиванием может использовать компенсатор, чтобы компенсировать луч по форме дистального конца облучаемой области, форму входного контура на пациенте и неоднородности в ткани, он не позволяет получить соответствие на проксимальном конце. Дополнительно, рассеиватель лучей может привести к появлению горячих и холодных пятен (областей высокого или низкого облучения).

Продолжая ссылку на Фиг.1 и 2, на Фиг.3 представлено устройство 150 подачи излучения с бегущим лучом, которое может использоваться для подачи доз при IMPT и IMRT. Для подачи дозы IMPT система 10 планирования лечения выполняет оптимизацию, подобную и одновременную с IMRT, для оптимизации фотонной лучевой терапии. То есть оптимизатор 36 объединяет оптимизацию IMRT и IMPT в единую, более сложную задачу, которая должна быть решена, и имитатор использует многочисленные имитации, пока не найдет оптимальное решение. Оптимальное решение определяется как функция введенных пользователем целей (например, минимальные дозы для окружающей ткани, максимальные дозы для мишени, максимальная продолжительность лечения и т.д.). Например, если опухоль располагается вблизи органа или другой критической структуры, то пользователь может указать, что максимальная доза облучения (например, 50 Гр) разрешается в пределах 1 см органа, в то время как более высокая доза разрешается за пределами 1 см. В этом случае, оптимизатор может определить, что имитационная модель, представляющая оптимальное решение, содержит облучение опухоли в пределах 1-сантиметровой границы фотонным лучом (или объединением доз фотонного и ионного лучей) и облучение опухоли за пределами границы облучения ионным лучом (или объединением подачи фотонного и ионного лучей с более высокой компонентой ионного луча, чем та, которая применяется на границе).

В этом устройстве на Фиг.3 источник 152 излучения подает сфокусированный ионный луч 154 в случае IMPT, также называемый "остронаправленный" луч, к множеству заданных интересующих областей 156 (например, вокселы, сферы и т.д.), определенных по всему интересующему объему 158 у пациента 160. В другом варианте осуществления ионный луч (и/или фотонный луч) моделируется или имитируется, используя методику имитации Монте-Карло. Ионный луч перенаправляется с интервалами, так что облучается весь интересующий объем, по одной зоне каждый раз. Область 162, ближайшая к поверхности пациента, получает меньше излучения, чем при использовании методики пассивного рассеивания, в то время как область 164, окружающая интересующий объем, получает достаточно высокую дозу облучения, чтобы уничтожать раковые клетки в интересующем объеме. Поскольку луч сфокусирован, любых критических структур 166 можно избежать. Таким образом, исключается компенсационный рассеиватель и проксимальное соответствие улучшается.

Фотонные лучи могут быть сфокусированы или сформированы, чтобы облучать выбранную траекторию прохождения через объект. Облучая мишень с различных направлений, накопленная доза, подаваемая к мишени, оказывается относительно высокой, а доза, поданная к другим тканям, оказывается относительно низкой.

В одном варианте осуществления доза IMPT заданной величины подается к внутренним интересующим областям, а доза IMPT меньшей величины подается к поверхностным интересующим областям и сопровождается или ей предшествуют дозы IMRT через мишень и близко соседствующую ткань.

В другом варианте осуществления оптимизатор 36, показанный на Фиг.1, работает, чтобы одновременно оптимизировать дозу IMRT и IMPT, продолжительность подачи, глубину проникновения луча, ширину луча или поперечное сечение, мишень(-и) луча (например, интересующие области 156, на которые должны нацеливаться один или оба луча IMRT и IMPT) и т.д., в соответствии с целями лучевой терапии, введенными пользователем. Например, оптимизатор 36 пытается скорректировать веса и положения индивидуальных "пятен" дозы (то есть, интересующих областей 156), чтобы достигнуть желаемого результата, который введен пользователем.

Например, пользователь может захотеть определить однородную дозу для мишени и определить максимальную допустимую дозу для обычного куска ткани. Оптимизатор 36 определяет, как и где аппаратура может разместить интересующие области (например, вокселы), дозы внутри пациента, при каком решении доза для этих зон может быть подана во всех направлениях, и вес каждой зоны, чтобы достигнуть желаемого результата.

В другом примере IMPT может использоваться для конкретных тканей, таких как позвоночник или простата, так как ее глубиной намного легче управлять, чем для фотонного луча. IMRT может затем использоваться для соседней или окружающей ткани, где управление по глубине менее важно или где требуется меньшая доза облучения.

Концепции IMRT и IMPT схожи, тогда как способ, которым подаются соответствующие фотонные и ионные дозы, может различаться. Таким образом, алгоритмы оптимизации для вычисления дозы и оптимизации для каждого типа подачи принимают во внимание существующие ограничения и характеристики каждой методики. Оптимизатор 36 поэтому рассматривает все возможные ограничения подачи как от фотонных, так и от протонных устройств и, таким образом, точно представляет задачу в реальном мире. Пользователь может в режиме реального времени корректировать важность, типы и количество целей, которые он хотел бы удовлетворить. В некоторых случаях, пользователь может захотеть назначить различные цели различным методикам, например, если пользователь хочет избирательно облучать одну мишень по одной методике больше, чем другую мишень. Пользователь имеет возможность визуализировать результаты процесса оптимизации в режиме реального времени путем отображения на дисплее дозы (например, на дисплее 18).

Протон несет больше энергии в расчете на сантиметр траектории, чем фотон, и для него потеря энергии не постоянна по всей траектории протонного луча. Поэтому оптимизатор учитывает этот разброс относительной биологической эффективности (RBE). Доза, доставляемая протонным лучом, может быть меньше, чем фотонным лучом, и все же обеспечивать тот же самый разрушающий эффект. Например, если определено, что опухоль может быть убита дозой фотонов со значением 100 Гр, то тогда тот же самый результат может быть получен, используя 90 Гр дозы протонного луча.

Кроме того, протонные лучи подвержены большему полю ошибок, создавая неопределенность в настройке для пациента и разброс тканей, которые могут появляться в пределах траектории протонного пучка. Эти факторы также учитываются оптимизатором. В настоящий момент, IMPT проводится, используя технологию бегущего луча, который сканирует дозу подобно тому, как работает телевизионная электронно-лучевая трубка. В одном варианте осуществления протонная доза модулируется с использованием многостворчатого коллиматора и т.п. подобно способу, которым в настоящее время модулируются фотоны, и коллимация учитывается оптимизатором во время объединенной оптимизации подачи доз IMRT и IMPT.

На Фиг.4 представлен способ одновременной оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии для облучения интересующего объема у пациента, используя устройства IMRT и IMPT, в соответствии с одним или более описанными здесь вариантами. На этапе 200 принимаются целевые критерии лучевой терапии (например, максимальная доза, минимальная доза и т.д.). На этапе 202 планы ионной и фотонной лучевой терапии одновременно оптимизируются, итерационно корректируя множество параметров оптимизации (например, интенсивность луча, поперечное сечение луча, глубина проникновения луча, продолжительность лечения и т.д.), чтобы достигнуть указанных целевых критериев. В одном из вариантов осуществления различные целевые критерии назначаются фотонной (IMRT) и протонной (IMPT) компонентам излучения объединенного плана лечения. На этапе 204 имитируется множество версий схем лечения. Имитированные схемы дополнительно предоставляются пользователю на дисплее. На этапе 206 имитируется оптимальная объединенная схема лечения (например, как удовлетворяющая целевым критериям минимальной дозы и т.д.).

Изобретение было описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления.

У специалистов после прочтения и понимания настоящего подробного описания могут возникнуть предложения по модификации и изменениям. Подразумевается, что изобретение должно рассматриваться как содержащее все такие модификации и изменения, пока они попадают в рамки объема приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.

Claims

1. Система (10) для оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии, причем при упомянутом плане применяется лучевая терапия как фотонным лучом, так и ионным лучом, причем система содержит:

входной графический интерфейс пользователя (GUI) (16), который содержит:

дисплей (18), на котором пользователю представляется информация, связанная с одной или более имитационными моделями плана лучевой терапии (44);

оптимизатор (36), выполненный с возможностью одновременной оптимизации подачи дозы от устройства (30) фотонной терапии и от устройства (32) ионной терапии в одной или более имитационных моделях (44), посредством итерационной коррекции множества параметров (38) оптимизации для каждого устройства (30) фотонной терапии и устройства (32) ионной терапии во время имитации; и

имитатор (40), выполненный с возможностью создания одной или более имитационных моделей (44) в соответствии с параметрами (38) оптимизации, причем система выполнена с возможностью отображения результатов процесса оптимизации в реальном времени посредством отображения дозы на дисплее (18);

при этом оптимизированная доза, подаваемая одним из устройства (30) фотонной терапии или устройства (32) ионной терапии, вводится во время оптимизации дозы, подаваемой посредством другого устройства.

2. Система по п. 1, в которой оптимизатор (36) идентифицирует оптимальную имитационную модель (44), которая удовлетворяет заданным целевым критериям (48) лучевой терапии.

3. Система по любому из пп. 1 или 2, дополнительно содержащая:

диагностический сканер, получающий данные изображения интересующего объема (112) у пациента (34), подлежащего терапии, используя объединенную фотонную и ионную лучевую терапию; и

процессор (52) реконструкции, который реконструирует полученные данные изображения в одно или более изображений (54), используемых имитатором (40) для идентификации контуров пациента (34) и интересующего объема (158), подлежащего терапии.

4. Система по п. 1, в которой устройство ионной терапии испускает одно из водородного ионного луча, протонного луча, углеродного ионного луча или другого ионного луча.

5. Система по п. 2, в которой оптимальная имитационная модель (44) представляет объединенную фотонную и ионную терапию, которая разрушает интересующий объем (158), с минимальной объединенной дозой облучения вне интересующего объема по сравнению с другими имитационными моделями.

6. Система по п. 2, в которой оптимальная имитационная модель представляется пользователю на дисплее.

7. Система по п. 1, дополнительно содержащая системный процессор (12), который создает один или более графиков гистограмм объема дозы (DVH) (49), которые представляются пользователю на дисплее (18).

8. Система по п. 1, в которой фотонный луч и ионный луч являются одним из остронаправленных лучей или лучей, смоделированных по методу Монте-Карло, и причем одна или более имитационных моделей (44) содержат множество интересующих областей (156), охватывающих весь интересующий объем (158).

9. Система по п. 1, в которой параметры оптимизации включают в себя одно или более из следующего:

траектории луча;

подачи дозы;

расстояния до интересующего объема;

интенсивности луча;

дозы за единицу времени;

расположения луча на интересующем объеме или внутри него;

характеристики аппаратуры;

биологической эффективности; и

контуров интересующего объема или пациента.

10. Система по п. 1, дополнительно содержащая устройство (20) ввода, через которое пользователь вводит целевые критерии (48) лучевой терапии для плана лучевой терапии.

11. Система по п. 1, в которой по меньшей мере одно из:

устройства фотонной терапии является устройством лучевой терапии с модулированной интенсивностью (IMRT) и устройства ионной терапии является устройством дуговой терапии с модулированным объемом (VMAT);

устройства фотонной терапии является устройством VMAT и устройства ионной терапии является устройством протонной терапии с модулированной интенсивностью (IMPT);

устройства фотонной терапии является устройством IMRT и устройства ионной терапии является устройством IMPT; и

устройства фотонной терапии является устройством VMAT для фотонной терапии и устройства ионной терапии является устройством VMAT для ионной терапии.

12. Способ оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии, использующего лучевую терапию как фотонным лучом, так и ионным лучом, содержащий этапы, на которых:

одновременно оптимизируют подачу дозы от устройства (30) фотонной терапии и устройства (32) ионной терапии в одной или более имитационных моделях (44), посредством итерационной коррекции множества параметров (38) оптимизации для каждого устройства (30) фотонной терапии и устройства (32) ионной терапии во время имитации;

создают одну или более имитационных моделей (44) в соответствии с параметрами (38) оптимизации, посредством имитации протонного или ионного луча;

отображают результаты процесса оптимизации в реальном времени посредством отображения дозы на дисплее (18);

13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этап, на котором:

идентифицируют оптимальную имитационную модель (44), удовлетворяющую заданным целевым критериям (48) лучевой терапии.

14. Способ по любому из пп. 12 или 13, дополнительно содержащий этапы, на которых:

получают, посредством по меньшей мере одного из томографического сканера или магнитно-резонансного сканера, данные изображения интересующего объема (112) у пациента (34), подлежащего терапии, используя объединенную фотонную и ионную лучевую терапию; и

реконструируют полученные данные изображения в одно или более объемных изображений (54), используемых во время генерации имитационных моделей (44), чтобы идентифицировать контуры пациента (34) и интересующего объема (158), предназначенные для терапии.

15. Способ по п. 12, в котором устройство ионной терапии испускает один из водородного ионного луча, протонного луча, углеродного ионного луча или другого ионного луча.

16. Способ по п. 13, в котором оптимальная имитационная модель (44) представляет объединенную фотонную и ионную терапию, при которой интересующий объем (158) облучается минимальной объединенной дозой облучения ткани, расположенной вне интересующего объема, по сравнению с другими имитационными моделями.

17. Способ по п. 12, дополнительно содержащий создание одного или более графиков объемных гистограмм дозы (DVH) (49), которые представляются пользователю на дисплее (18).

18. Способ по п. 12, в котором одна или более имитационных моделей (44) содержат множество интересующих областей (156), которые покрывают весь интересующий объем (158).

19. Способ по п. 12, в котором параметры оптимизации включают в себя одно или более из следующего:

траектории луча;

подачи дозы;

расстояния до интересующего объема;

интенсивности луча;

дозы на единицу времени;

расположения луча на интересующем объеме или в внутри него;

характеристики аппаратуры;

биологической эффективности; и

20. Процессор (12) для оптимизации плана мультимодальной лучевой терапии, причем при упомянутом плане применяется лучевая терапия как фотонным лучом, так и ионным лучом, при этом процессор (12) выполнен с возможностью выполнения исполняемых компьютером команд для выполнения способа по любому из пп. 12-19.

21. Считываемый компьютером носитель данных, который несет компьютерные команды, управляющие процессором, чтобы выполнять способ по любому из пп. 12-19.

22. Способ по п. 13, дополнительно содержащий прием ввода данных от пользователя, который описывает заданные целевые критерии лучевой терапии (48) для плана лучевой терапии.

23. Способ по п. 12, в котором по меньшей мере одно из:

устройства фотонной терапии является устройством лучевой терапии с модулированной интенсивностью (IMRT) и устройства ионной терапии является устройством дуговой терапии с модулированным объемом (VMAT) для ионной терапии;

устройства фотонной терапии является устройством VMAT для фотонной терапии и устройства ионной терапии является устройством протонной терапии с модулированной интенсивностью (IMPT);

24. Система по любому из пп. 1-2, 4-10,

в которой оптимизатор идентифицирует оптимальную имитационную модель из одной или более имитационных моделей (44) и предоставляет идентифицированную оптимальную модель контроллеру (26) для выполнения, используя первое устройство (30) для терапии и второе устройство (32) для терапии.