专利名称：治疗计划系统的改进或其相关改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及治疗计划系统，尤其是用于方文射治疗和放射外科的治疗计划系统。
背景技术：
Leksell Gamma Knife (Leksell伽玛刀)是众所周知的放射外科治疗设备，如
图1所示。它包含很多个以半球状阵列设置的放射性钴源，各个钴源用于发射射向半球中心12的射线。还提供通常为半球状的准直器14，其配备用于各个钴源10的孔眼，从而使各个钴源发射基本上成锥形(pencil-shape)的射束。
各射束汇集至中心12处，因此该位置的剂量率非常高。半球内的大部分其他位置仅被一个辐射源辐照到，或可能没被辐照到，因而剂量率非常低。接近中心12的位置会被若干个(尽管非全部)辐射源辐照到，因锥型射束的厚度不为0。因此，剂量分布由中心12的峰组成，该峰随离开所述中心的距离增加而下降。在放射外科领域，由一个等中心(isocenter)所产生的剂量分布通常称为"击"("shot")。
向多个靶标提供有效治疗解决方案变得日益重要。对多个靶标制定治疗计划的基本问题在于LGK相互作用的剂量贡献(contribution)。也就是说，给予一个靶标的剂量分布通常还会给予其他靶标一些剂量。
当有多个靶标需要治疗时，情况可能变复杂。迄今为止，这已通过多个剂量施用而将位点逐个置于在放射焦点12 (图l)上来完成。结果，各靶点都会得到初始剂量(即当位于所述装置中心12处时递送的剂量)以及本底剂量(即在不同靶标接受初始剂量时附加递送的剂量)。必须小心留神以保证总剂量(total dose)(即初始剂量加本底剂量)、尤其是靶标以外部位的总剂量不超过最大预定剂量。
现有的治疗计划系统Leksell GammaPlan 5.34 (LGP)允许同时对至多IO个不同的靶标进行规划。LGP将整体剂量(global dose)贡献考虑在内，并正确显示给予各靶标的总剂量。
发明概要
LGP不能给各个单独靶标明确开据处方剂量。相反，所开据的是整体最大剂量，其(在实践中)意指给予发生整体剂量最大值时靶标的局部处方剂量(local prescription^为获得给予其他靶标的预定剂量，LGP(在数字上)显示在各靶标存在的最大剂量，并允许使用者以1%或10%的增量改变各靶标放射等中心的相对权重(与放射时间成比例)。通过反复使用此方法，使用者最终可得到接近的为各靶标所开据的剂量。
平衡多个靶标剂量的上述方法具有若干缺点手动、耗时且需要使用者留意在治疗计划系统之外的处方等剂量(prescription isodose)-通常在纸上。最终的治疗计划并不包括这些所开据剂量的细节，因而给以后的核查或查证带来困难。使用者唯有通过反复试验才能查明处方剂量(prescription dose)事实上是否能够从物理上实现，也就是说，如果请求的是不能实现的处方方案，使用者则会浪费大量时间来确定其不可行。而且该方法不直观，难以教会新的使用者。
此外，使用者没有简单直接的方法了解局部等中心和远距离等中心的相对剂量贡献。该信息较为重要，因为强烈的相互作用可能意味着百分比等剂量与剂量梯度之间的关系可与单靶标的情况明显不同。
本发明设法解决这些难点并获得克服它们的系统。
因此，本发明提供治疗计划方法，该方法包括以下步骤确定多个治疗部位和施用到各部位的大体剂量(overall dose);对于各个特定部位而言，确定与施用到不同部位的剂量成比例的、由针对所述各个不同部位的剂量施加到该部位的整体剂量(global dose);构建剂量因子矩阵(dose factor matrix),所述矩阵包含对于各部位而言由施用到其他各部位的剂量所产生的整体剂量；对剂量因子矩阵求逆，并将其乘以包含施用到各部位大体剂量的处方矩阵(prescriptionmatrix),从而得到包含各部位局部剂量的结果矩阵。
该方法提供了推导施用到各靶标的必需剂量，使得包括在辐照不同靶标时递送的整体剂量在内，各靶标得到恰当的总剂量(total dose)的数学直观方法。
剂量因子矩阵(即相互作用矩阵)优选为二维矩阵，因为会有 一 系列的耙点，各靶点都要考虑在内，而且各靶点将会得到由其自身的击及各个其他靶点所提供的贡献。优选所述矩阵是方阵，在这种情况下，针对各靶标的各组剂量因子将包括适用于相同靶标辐照的剂量因子；显然，该数目通常为1。
处方矩阵优选是一维矩阵，因为它仅需每个靶标有一个数值剂量。
所述治疗计划方法可以忽略某些部位，例如^f艮如某些部位因距离其它部位较远而与之相互作用不显著，则可被忽略。因为剂量因子矩阵的大小与多个治疗部位中的部位数目相对应，所以该数目的减少将会至少简化该矩阵求逆的步骤。这可能有用或没用，取决于矩阵的总体大小和可用的处理预算(proceesingbudget)。因此，我们优选多个治疗部位为由以下部位组成的较大部位组的亚组(i)多个治疗部位和(ii)特征为相互作用较小的其他部位，相互作用较小的原因在于例如所述其他部位距所述多个治疗部位内部位的距离比所述多个治疗部位内部位之间的距离更远。因此，组(ii)由与组(i)中部位在空间上分离的部位组成，且通常对应于无显著相互作用的部位。
本发明还涉及治疗计划装置。该装置包括接受多个治疗部位和施用到各治疗部位大体剂量细节的部件、处理部件和用于使结果矩阵可以得到的输出部件，其中处理部件用于(对各个特定部位)进行以下步骤确定与施用到各个不同部位剂量成比例的、由针对不同部位的剂量施加到该部位的整体剂量；构建剂量因子矩阵，所述矩阵包含对于各部位而言由施用到其他各部位的剂量所产生的整体剂量；对剂量因子矩阵求逆，并将其乘以包含施用到各部位大体剂量的处方矩阵，从而得到包含各部位局部剂量的结果矩阵。
所述治疗计划设备可以进一步包含显示部件。该部件用于显示所计划治疗的等剂量线。
治疗计划设备的其他优选方面如上文所述。
附图简述
本发明的实施方案现将参考以下附图通过实例来描述附图中，图1以简图形式显示贯穿Leksell Gamma Knife ("LGK")的二维剖
面；
图2显示由LGK获得的剂量分布；和图3说明多个靶标。
实施方案详述
图1已在上文中描述因此将不再作进一步说明。
图2显示剂量分布18以及其随着患者部位(x)沿经过LGK几何中心12的线如何变化。在中心12处，剂量在20处达到峰剂量D。剂量在峰20的两边回落，在远离所述中心处接近O。图2显示随距离增加相对低的下降率以说明这一点。
图3显示多靶标的情况。因此，其包括第一靶点22,以及另外的第二耙点24和第三耙点26,后两者与第一靶标之间的距离分别为距离"和rn。因此，当将初始剂量D,递送至第一靶点22时，第二靶点得到剂量d12,第三靶点得到剂量d13。
距离r!2和rn及剂量山2和dn在图2中显示。如果距离相差不大，即通常是(例如)已转移肿瘤的情形，(112和d13则不能忽略，因而需要在计划递送至第二靶点24和第三靶点26的初始剂量02和D3时将它们考虑在内。还应该留意的是，递送初始剂量D2(例如)还涉及使本底剂量d2l和d23分别被递送至分别位于距离r，2和r23的第一靶点22和第三靶点26。因此， 一般来讲，对于有"n"个靶点的患者而言，递送至各位点的剂量将会由一个初始剂量和(n-l)个本底剂量，即总共n个剂量组成，所有这些剂量都有所不同且取决于所述位点的相对位置。
对于各位点而言，用以补偿本底剂量而对初始剂量所作的任何调整将会改变递送至所有其他位点的本底剂量，使得又要改变其他位点的初始剂量，这继而令该调整所首先针对的位点的本底剂量改变。因此，随着n增加，计划无疑会变得更为复杂。
根据本发明，规划多靶标治疗的工作流程的第一步与规划单靶标治疗的步骤非常类似(或相同)。因此，各靶标在开始时单独作计划，即就如仅有一个靶标的情况，无需考虑靶标间的相互作用。使用者为各靶标选择局部等剂量和给予该等剂量的处方剂量(例如对50%等剂量为20Gy)。"等剂量"是由剂量相等的点连成的面(或在二维面上视为线)。它使得可对剂量分布容易地通过目测来进行评价，尽管实际剂量在三维中有所变化。 一般而言，所述剂量分布类似于高斯分布，因此与位置有关的剂量变化率在60。/。等剂量线附近为最大。因此，临床使用者通常设法将40°/。 - 60%之间的等剂量置于耙标的物理边界处，以使靶标内的剂量最大，而使靶标外的剂量最小。给予靶标内所选的参考点的40 Gy剂量通常表示为(例如)"50%等剂量为20 Gy"的剂量，因为由这样的分布所递送的峰剂量会是40 Gy。
其余的变量无疑是剂量的量，其反映在所施用放射时间上，并在治疗计划系统中作为施用到各辐照的"权重"来表示。按照以下实例将剂量分别开给各靶标。4厶'吝/s标老才^/量W确定
靶标名 所选靶标的 对等剂量所开出的对参考点所开出
等剂量 剂量(Gy) 的剂量
A 50% 20 40
B 40% 10 25
为了说明并非必须使用50%，给标靶B选出的等剂量为40%而非50%。
最后一栏通过所选的等剂量线和处方剂量自动计算得到。参考点已自动设定为各靶标内所述击的最大剂量点。
剂量处方的开据可以在局部计划步骤之前或之后进入，因为(如上所述)它们是相互独立的。
下一步是平衡靶标之间的相互作用。如果靶标之间因距离非常大以致其相互作用可忽略不计，那么通常不必作所述平衡就可完成计划。然而，在许多情况下一个靶标中的击将会显著影响其他靶标中的总剂量，因而需要平衡局部贡献与整体贡献，以得到对各耙标开据的剂量。根据本发明，这如下文所述自动完成。结果可如下
4 2.《动乎銜:各/&#局部豸##说;^遂^
#巴标名所选靶标的对等剂量线所开对参考点所来自局部 来自其他乾
等剂量线 据的剂量(Gy) 开据的剂量击的剂量标的剂量
A 50% 20 40 3723 2.7"7
B 概 10 25 13.83 11.17
在此实例中，我们发现给予标靶A的剂量主要来自局部击，因此可能该局部计划无需修改就可被接受。
然而，对于靶标B我们发现局部贡献与整体贡献的大小大体相同，这表明需要仔细^T查此靶标的剂量分布。如果来自其他靶标的贡献(在该例子中为靶标A)相当平直(fairly flat),那么我们不必做太多工作，因为剂量梯度随后不受局部贡献的影响。然而，如果整体贡献增添了
9显著梯度，那么可能需要通过调整靶标B的击来进行补偿。
我们现已得到所有靶标的处方剂量，但如果发现等剂量线的移动超过可接受的限度，则可能需要在考虑总剂量时调整计划。此时，可
以将整体剂量贡献考虑在内，计算并评估各靶标的剂量柱状图(dosevolume histogram, "DVH，，)。
在以上讨论中，我们提及以下自动化程序计算对局部剂量的整体贡献并相应调整局部剂量，以获得开据的大体局部剂量。现对此进行描述。这无疑是一个并非无足轻重的问题，对一个靶标局部剂量分布所作的修改影响整体剂量分布，后者继而影响其他每个耙标的局部剂量分布；对那些其他靶标局部剂量分布所作的相应调整随后影响前述一个靶标的剂量分布，这意味着经调整的局部剂量分布原则上不再是正确的。
我们将n定义为靶标的数目，并且使各靶标有其固定的参考点。所述参考点通常但不一定为局部击最大剂量点。令mij为由递送至耙标j的击产生的给予特定靶标i的剂量比率。例如，如果耙标3的参考点位于靶标5局部击的20%等剂量线，那么m35=0.2。
各靶标参考点的总剂量f,则可以如下表示<formula>formula see original document page 10</formula>
其中《为靶标/中的局部击给予该靶标的最大剂量。矩阵形式的此关系可以更简洁地表示为,=柳
通过对此关系求逆，我们可以直接且非迭代地确定为达到给定处方剂量f而通过各靶标的击给予局部参考点的所需剂量
这使得系统能显示给使用者对各靶标的局部贡献4以及整体贡献6-4，如表2所示。此方法的优点在于有已确立的数学算法用于确定
逆矩阵；因此，通过选择将问题以此形式表示且通过将靶标之间的距离表示为等剂量水平而非实际距离，我们取得解决问题的直接方法。
在实际执行中，某些变型可能有利。例如，rf的各元素可以缩放某个量，而Af的列可以缩放该量的逆。此变型在数学上与以上给出的描述相等。
如果靶标之间的相互作用强烈，且开据的剂量差异显著，那么可能会发生最优解中含有负剂量d，从而无法从物理上实现。这可以通过以下实例说明。两个不同耙标A和B中的参考点。和"同时位于另一靶标的50%局部等剂量处。我们将20Gy开给。，将4Gy开给"。数学解则为给予24Gy局部剂量至。，给予-8Gy局部剂量至"
给予。的总剂量=24 + 0.5*(-8) Gy = 20 Gy
给予 的总剂量=-8 + 0.5*24Gy = 4Gy
遗憾的是，产生负剂量值是不可能的，因此我们必须将就非最优解。所述非最优解可以用许多方法来确定。 一个方法是寻求尽可能接近处方剂量而同时满足以下约束的剂量(i)局部剂量值均不为负数，和(ii)给予各靶标的总剂量大于或等于处方剂量。这是约束最优化问题，可以例如用二次规划法来求解。在所述实例中，我们可以得出的最佳结果是给予20 Gy至A， OGy至B,致使A和B的整体剂量分别为20Gy和10Gy。
尽管如此，上述治疗计划方法通过存在负局部剂量立即显示没有可实现的解。用迭代法，临床医师(在更复杂的计划上)在放弃之前可能要耗费大量时间；甚至在以后可能仍有疑问究竟是该计划实际上无可实现的解，还是只不过该临床医师能力有限。
上述方法有赖于为各靶标选择参考点，以使其不依赖于为其他靶标而定的剂量计划。此特性允许我们找到解决上述得到开给各靶标的参考剂量的问题的闭型解(closed-form solution)(若其存在的话)。
当以局部模式进行规划时，按上述说明运作的系统可自动将100°/。参考点调整为获得此靶标的击贡献最大的点。这意味着可能存在获得其他击贡献的剂量点，意味着有效剂量显示为超过100%。这从数学上来说是没有错的，因为各局部百分比水平的参考点为局部施用的剂量，但这可能在刚开始时会让某些使用者感到疑惑。
为减少对此潜在的疑惑，可给所述系统提供以下功能搜寻并显
示整个治疗量中的实际最大值点及该点的剂量。如果使用者偏好显示相对于此实际最大量的等剂量，则可以提供使百分比等剂量标准化为该整体最大量的显示模式。所选的等剂量应该以相同的方式变化，因
而不会使等剂量线移动；结果仅仅是它们的标记发生变化(例如从50%到46%)。然而，在此模式中，局部参考点仍用作处方等剂量的基础。否则，不同耙标的等剂量水平会相互依赖，对一个耙标所作的任何改变都可能需要反复调整其他靶标，这将非常难以充分理解。总而言之，所述系统可以提供以下三种类型的等剂量显示
1. 局部模式仅有局部击的百分比等剂量。用于规划单独剂量并
划分相对于靶点面的等剂量面。
2. 微调模式所有击给予所选靶标的剂量的百分比等剂量或绝对
剂量值。百分比值基于来自局部击的最大剂量或所有击给予该靶标的最大剂量。剂量曲线仅在所选的剂量矩阵中显示(以避免扫视不同靶标而不改变所选耙标时所引起的疑惑——人们也可以想象自动改变所选的靶标)。
3. 整体模式各处显示的所有靶标的绝对剂量值。这用于检查临
界结构(critical structure)的剂量。应当了解的是，可以在不背离本发明范围的情况下对上述实施方案作出许多变化。
权利要求
1. 治疗计划方法，所述方法包括以下步骤确定多个治疗部位和施用到各部位的大体剂量；对于各个特定部位而言，确定与施用到不同部位剂量成比例的、由针对所述各个不同部位的剂量施加到所述部位的整体剂量；采用数学优化法自动平衡整体剂量贡献和施用至各部位的局部剂量，从而得到给予各部位的大体处方剂量。
2. 权利要求1的治疗计划方法，其中所述数学优化法包括 构建剂量因子矩阵，所述矩阵包含对于各部位而言由施用到其他各部位的剂量所产生的整体剂量贡献；对所述剂量因子矩阵求逆，并将其乘以包含施用到各部位的大体 剂量的处方矩阵，从而得到包含各部位局部剂量的结果矩阵。
3. 权利要求2的治疗计划方法，其中所述剂量因子矩阵为二维矩阵。
4. 权利要求2或3的治疗计划方法，其中所述处方矩阵为一维矩阵。
5. 前述权利要求中任一项的治疗计划方法，其中所述多个治疗部 位为由以下部位组成的部位组的亚组(i)所述多个治疗部位和(ii)其他 部位，所述其他部位与所述多个治疗部位内部位的距离比所述多个治 疗部位内部位之间的距离更远。
6. 治疗计划装置，所述装置包含接受多个治疗部位和施用到各治疗部位大体剂量之细节的部件； 处理部件，其用于i. 对各个特定部位，确定与施用到不同部位剂量成比例的、 由针对所述各个不同部位的剂量施加到所述部位的整体剂量；ii. 构建剂量因子矩阵，所述矩阵包含对于各部位而言由施 用到其他各部位的剂量所产生的整体剂量；iii.对剂量因子矩阵求逆，并将其乘以包含施用到各部位的大体剂量的处方矩阵，从而得到包含各部位局部剂量的结果矩阵；和用于使结果矩阵可以得到的输出部件。
7. 权利要求6的治疗计划装置，所述装置进一步包含显示部件。
8. 权利要求7的治疗计划装置，所述装置用于显示所规划治疗的等剂量。
9. 权利要求6-8中任一项的治疗计划装置，其中所述剂量因子矩阵为二维矩阵。
10. 权利要求6-9中任一项的治疗计划装置，其中所述处方矩阵为一维矩阵。
11. 权利要求6-10中任一项的治疗计划装置，其中所述多个治疗部位为由以下部位组成的部位组的亚组(i)多个治疗部位和(ii)其他部位，所述其他部位与所述多个治疗部位内部位的相互作用较小。
12. 权利要求11的治疗计划装置，其中所述其他部位与所述多个治疗部位内部位的距离比所述多个治疗部位内部位之间的距离更远。
13. 基本如本文参考附图所述的和/或由附图所述的治疗计划方法。
14. 基本如本文参考附图所述的和/或由附图所述的治疗计划装置。
全文摘要
治疗计划方法，其包括以下步骤确定多个治疗部位和施用到各部位的大体剂量；对于各个特定部位而言，确定与施用到不同部位剂量成比例的、由针对所述各个不同部位的剂量施加到该部位的整体剂量；构建剂量因子矩阵，所述矩阵包含对于各部位而言由施用到其他各部位的剂量所产生的整体剂量；对所述剂量因子矩阵求逆，并将其乘以包含施用到各部位大体剂量的处方矩阵，从而得到包含各部位局部剂量的结果矩阵。该方法提供了通过数学计算直接得到施用到各靶标的所需剂量的方法，其包含递送的整体剂量以及辐照不同靶标，从而使各靶标接受到恰当的总剂量。所述治疗计划方法可以忽略某些部位，例如假如某些部位因距离其它部位较远而与之相互作用不显著，则可被忽略。本发明还描述了治疗计划的相应装置。
文档编号A61N5/10GK101547720SQ200780044559
公开日2009年9月30日 申请日期2007年10月2日 优先权日2006年10月3日
发明者J·加丁, P·利德贝里, P·基艾 申请人:伊利克塔股份有限公司