用于使用连续质量度量进行治疗计划的系统和方法与流程

本申请总体上涉及辐射治疗，并且更具体地，涉及用于辐射治疗的辐射治疗计划。

背景技术：

辐射疗法已经被用于治疗肿瘤组织。在辐射治疗中，从外部源朝向患者施加高能束。可以旋转的外部源(如在用于电弧疗法的情况下)产生定向到患者中的、到靶点的准直的辐射束。剂量和剂量的放置必须被精确地控制以确保肿瘤接收足够的辐射，并且使对周围健康组织的损害最小化。

通常，在执行辐射治疗之前确定辐射治疗计划。在辐射计划会话期间，在将治疗辐射递送给患者之前执行辐射治疗计划。这允许将精确和准确剂量的辐射递送给患者。本文描述了用于确定治疗计划的方法和系统的实施例。

技术实现要素：

对强度调制辐射治疗(例如，imrt，其包括静态机架imrt和vmat两者)计划的优化需要要被最小化的成本函数的定义。在一些情况下，可以定义成本函数，使得其被最大化或最小化。确定成本函数，以使其以平衡的方式考虑各种临床目标是困难的。针对多个目标(j)和多个度量(i)的总成本函数可以被限定为：

其中当rij>q(d)时，heaviside阶跃(或单位阶跃)函数的求值为零。这里，d是3d剂量矩阵，qi是质量度量，rij是针对该质量度量的目标值，并且wi标量权重目标i。

上面的公式可能没有充分考虑目标的相对重要性，或者即使在达到目标值之后继续降低剂量也是有益的。为了在治疗计划期间实现该行为，可以提供控制器来控制由治疗计划优化器执行的优化。控制器可以被配置为基于哪些已经被实现来控制不同目标的权重。然而，利用这种控制器来实现这种治疗计划装置可能是困难的。

解决上述问题的一种解决方案是‘字典排序’，其中通过将最重要的未满足的目标添加到成本函数中来搜索满足临床目标的优先列表的计划。然而，这种方法具有一些缺点，因为在实践中成本函数可能需要一些调整来满足更高水平的目标。该方法本身非常严格，并且不允许在通过接受较高优先级目标中的一个优先级目标(例如，优先级1目标)略微恶化而获得较低优先级目标(例如，优先级2目标)的较大改进的情况下进行折衷。

本文描述了新的治疗计划装置和技术。临床目标的优先列表被转换为连续质量函数，其隐式定义了效用函数。从临床目标到连续质量函数的转换可以在没有用户交互的情况下，由治疗计划装置自动执行。连续质量函数提供了一种用于指导由治疗计划装置的优化器执行的优化过程的方法，其具有比临床目标本身更多的细节。在一些情况下，临床目标可以由治疗计划装置以‘模糊’的方式没有限制顺序地处理。在一些情况下，可以使用定义明确的效用函数来优化连续质量函数。这允许治疗计划装置执行鲁棒的优化方法。本文描述的新的治疗计划装置和方法是有利的，因为它们允许系统地和直观地处理多个目标共享相同的优先级的情况或者用户想要指导不同质量度量之间的哪种类型的折衷是可接受的情况。

一种治疗计划装置，包括：质量度量生成器，被配置为基于经由用户界面接收的输入来电子地生成第一质量度量；优化器，被配置为确定针对治疗计划的治疗参数，该治疗计划由治疗机器的处理单元可执行以操作治疗机器，其中优化器被配置为基于第一质量度量来确定针对治疗计划的治疗参数；以及控制器，被配置为影响优化器如何执行优化，其中控制器被配置为提供针对第一质量度量的第一连续函数。

可选地，第一连续函数基于一个或多个优先临床目标。

可选地，连续函数被配置为影响第一质量度量的期望值在由优化器执行的优化期间何时要被实现。

可选地，连续函数被配置为影响：相对于第二质量度量和/或相对于第一质量度量的第二期望值，第一质量度量的第一期望值多快要在由优化器执行的优化中被实现。

可选地，连续函数被配置为影响第一质量度量的期望值在优化期间已经被实现之后，优化器要如何对待第一质量度量。

可选地，第一连续函数将第一质量度量的值与相应的优先度量值相关联。

可选地，优先度量值包括第一优先度量值，并且其中第一优先度量值为零。

可选地，优先度量值包括与相应的优先目标相对应的整数。

可选地，优先度量值还包括非整数，非整数表示达到优先目标之前或达到优先目标之后的状况。

可选地，优先度量值包括与第一优先临床目标的第一质量度量值相对应的第一整数，以及与第一优先临床目标的第二质量度量值相对应的第二整数。

可选地，第一连续函数包括像差函数。

可选地，质量度量生成器还被配置为电子地生成第二质量度量，并且其中控制器被配置为提供针对第二质量度量的第二连续函数。

可选地，控制器被配置为经由第一连续函数和第二连续函数两者来影响优化器如何执行优化。

可选地，第一连续函数具有针对优先度量值的第一范围的第一特性。

可选地，第一连续函数具有针对优先度量值的第二范围的第二特性，优先度量值的第二范围与优先度量值的第一范围不同。

可选地，第一连续函数包括将第一质量度量的值与相应的优先度量值相关联的数据结构。

可选地，装置被配置为基于第一连续函数来确定效用函数p，其中优化器被配置为基于效用函数来执行优化。

可选地，优化器被配置为：确定初始解s；基于初始解s计算剂量d；获得效用函数p；计算效用函数p在d周围的梯度；并将效用函数p的梯度投影到解空间中以获得s的梯度；基于初始解s和s的梯度来确定新解s’。

可选地，第一质量度量包括：平均剂量、最大剂量、目标覆盖率或具有大于指定剂量水平的剂量的器官的相对或绝对体积。

一种治疗计划方法，包括：由质量度量生成器基于经由用户界面接收的输入，来电子地生成第一质量度量；由控制器提供针对第一质量度量的第一连续函数；以及由优化器确定针对治疗计划的治疗参数，该治疗计划由治疗机器的处理单元可执行以操作治疗机器，其中针对治疗计划的治疗参数基于第一质量度量而被确定；其中基于由优化器执行的优化来确定治疗参数，并且其中优化被控制器影响。

一种产品，该产品包括存储一组指令的非暂态介质，指令的执行使治疗计划方法被执行，治疗计划方法包括：由质量度量生成器基于经由用户界面接收的输入，来电子地生成第一质量度量；由控制器提供针对第一质量度量的第一连续函数；以及由优化器确定针对治疗计划的治疗参数，该治疗计划由治疗机器的处理单元可执行以操作治疗机器，其中基于第一质量度量来确定针对治疗计划的治疗参数；其中基于由优化器执行的优化来确定治疗参数，并且其中优化被控制器影响。

通过阅读实施例的以下详细描述，其他和另外的方面和特征将变得明显。

附图说明

附图图示了实施例的设计和用途，其中相似的元件以共同的附图标记指代。这些附图不一定按比例绘制。为了更好地理解如何获得上述和其它优点和目的，在附图中图示的实施例的更具体的描述将被呈现。这些附图仅描绘了通常的实施例，并且因此不被视为对其范围的限制。

图1图示了根据治疗计划的用于递送辐射的系统，该治疗计划根据本文描述的实施例而被确定；

图2图示了根据一些实施例的用于确定治疗计划的装置；

图3图示了优先临床目标的示例；

图4图示了与不同临床目标的质量度量相关联的连续函数的示例；

图5a-图5c图示了质量指数与相关联的计划质量之间的关系的示例；

图6图示了根据一些实施例的用于确定治疗计划的方法；以及

图7是治疗计划装置的框图。

具体实施方式

在下文中参考附图描述各种实施例。应当注意，附图不按比例绘制，并且贯穿附图，类似结构或功能的元件由相同的附图标记表示。还应当注意，附图仅旨在便于实施例的描述。它们不旨在作为本发明的穷举描述或作为对本发明的范围的限制。此外，图示的实施例不必具有所示出的所有方面或优点。结合特定实施例描述的方面或优点不必限于那个实施例，并且可以在任何其它实施例中实施，即使没有如此说明。

图1图示了根据使用本文描述的技术确定的治疗计划来递送辐射的辐射治疗系统10。系统10包括机架12(以臂的形式)、用于支撑患者的患者支撑件14、以及用于控制机架12的操作的控制系统18。系统10还包括在患者28被支撑在支撑件14上时将辐射束26投射到患者28的辐射源20、以及用于控制辐射束26的递送的准直器系统22。辐射源20可以在不同实施例中被配置为生成锥形光束、扇形光束或其他类型的辐射束。

在说明的实施例中，辐射源20是用于提供治疗能量的治疗辐射源。在其他实施例中，除了作为治疗辐射源之外，辐射源20也可以是用于提供诊断能量的诊断辐射源。在这种情况下，系统10将包括位于相对于源20的操作位置处(例如，在支撑件14下方)的成像器(诸如成像器100)。在一些实施例中，治疗能量一般为160千电子伏特(kev)或更大，并且更通常地为1兆电子伏特(mev)或更大的那些能量，并且诊断能量一般为低于高能量范围，并且更通常地低于160kev的那些能量。在其他实施例中，治疗能量和诊断能量可以具有其他能量水平，并且分别是指用于治疗和诊断目的的能量。在一些实施例中，辐射源20能够在约10kev与约20mev之间的范围内的多个光子能量水平出生成x射线辐射。在2005年05月03日授权的名称为“radiotherapyapparatusequippedwithanarticulablegantryforpositioninganimagingunit”的美国专利号6888919，和2010年01月19日授权的名称为“multi-energyx-raysource”的美国专利号7649981中描述了能够在不同能量水平下生成x射线辐射的辐射源。在一些实施例中，辐射源20可以被配置为发射高能中子、电子、质子或其他带电粒子。在另外的实施例中，辐射源20可以是诊断辐射源。在说明的实施例中，辐射源20耦合到臂架12。备选地，辐射源20可以位于孔内。

在说明的实施例中，控制系统18包括耦合到控制器40的处理器54(诸如，计算机处理器)。控制系统18还可以包括用于显示数据的监控器56和用于输入数据的输入设备58(诸如，键盘或鼠标)。在说明性的实施例中，机架12围绕患者16可旋转并且在治疗程序期间，机架12围绕患者16旋转(如在电弧疗法中那样)。在其他实施例中，机架12在治疗程序期间不围绕患者16旋转。在这种情况下，机架12可以是固定的，并且患者支撑件14是可旋转的。辐射源20、准直器系统22和机架12(如果机架12是可旋转的)的操作由控制器40控制，控制器40将功率信号和定时信号提供到辐射源20和准直器系统22，并且基于从处理器54接收的信号控制机架12的旋转速度和位置。尽管控制器40被示为是与机架12和处理器54分离的组件，但是在备选实施例中，控制器40可以是机架12或处理器54的一部分。

应当注意，系统10不限于上述配置，并且在其他实施例中系统10可以具有其他配置。例如，在其他实施例中，系统10可以具有不同的形状。在其他实施例中，系统10的辐射源20可以具有不同的运动范围和/或自由度。例如，在其他实施例中，辐射源20可以完全通过360°范围或部分地通过小于360°的范围围绕患者28旋转。而且，在其他实施例中，辐射源20相对于患者28可平移。另外，辐射源20不限于递送x射线形式的治疗能量，并且可以递送其他类型的辐射能量。例如，在其他实施例中，辐射源20可以是用于递送治疗患者的质子的质子源，或者可以是用于递送其他类型的粒子以用于治疗患者的其他类型的粒子源。

图2图示了治疗计划装置200。治疗计划装置200可以被配置为提供由治疗机器(诸如，图1中所示的治疗机器)执行的治疗计划。治疗计划装置200包括质量度量生成器202，质量度量生成器202被配置为基于经由用户界面接收的输入来电子地生成第一质量度量。治疗计划装置200还包括控制器222和优化器230。控制器222和优化器230可以被认为是治疗计划器220的一部分。优化器230被配置为确定针对治疗计划的治疗参数，该治疗计划可由治疗机器(诸如，图1中所示的治疗机器)的处理单元执行以操作治疗机器。优化器230被配置为基于第一质量度量来确定用于治疗计划的治疗参数。控制器222被配置为影响优化器230如何执行优化。在说明的实施例中，控制器222被配置为提供针对第一质量度量的第一连续函数，该第一连续函数用于影响优化器230执行优化以确定针对治疗计划的治疗参数的方式。

凭借非限制性示例，第一质量度量可以是平均剂量、最大剂量、目标覆盖率，或具有大于指定剂量水平的剂量的器官的相对或绝对体积等。

在一些实施例中，第一连续函数可以基于一个或多个优先临床目标。

通常，临床目标可以被表示为质量度量(q)及其相关联的目标值。临床目标的示例可以是：脊柱最大剂量小于50gy、小于处方剂量的相对ptv体积小于5％、左腮腺的平均剂量小于20gy、具有30gy的最大剂量的直肠的体积小于3立方厘米、目标结构外部的最大剂量小于处方剂量的105％，等等。注意，在治疗计划装置200中，如果与不同的目标值相关联，则相同质量度量可能会出现在多个不同目标中。而且，治疗计划可能涉及多个临床目标，该多个目标被表示为具有(多个)对应目标值的不同的相应质量度量。

如果目标组中的每个目标组具有描述其与其他目标相比的重要性的优先级，则该目标集被称为‘优先’。注意，在纯字典排序中，每个目标具有独特的优先级，否则优化过程将对共享相同优先级的那些目标的内部优先级做出随机假设。在本文描述的一个或多个实施例中，优先级的概念附接于计划质量。在一些情况下，可以命名优先级水平(优先度量值)，以便较小的优先级值(较小的优先度量值)意味着该优先级更加重要。因此，可以将该数字视为优先级的顺序。在图示的实施例中，优先级顺序0具有特殊含义，因为如果不是具有优先级0的所有目标都未满足，则该计划将不被接受进行治疗。因此，在0优先级的组内的目标的内部排序并不重要。在其他实施例中，优先级水平(优先度量值)的编号可以与所描述的不同。

在一些实施例中，计划质量可以被认为是与所实现的目标相关联。因此，优先度量值可以被认为是计划质量值。例如，对于满足直到优先级n的所有临床目标(并且因此不满足优先级n+1的至少一个目标)的计划，计划质量接近范围[n，n+1]。如果刚好勉强满足具有优先级n的目标，则质量接近下限；并且如果几乎满足具有优先级n+1的目标，则质量接近上限。因此，如果计划恰好满足具有优先级大于n+1的许多目标，则计划质量被认为略大于n+1。

图3图示了优先临床目标的示例。如图3中所示，存在三个质量度量(即脊柱最大剂量、目标覆盖率、平均直肠剂量)，其限定了六个目标。注意，目标中的一个目标是‘剩余目标’：它是具有最低优先级的目标，并且它不具有目标值，因为它仅规定如果多个计划满足从优先级0到2的所有目标，则具有最低直肠平均剂量的那个目标将被选择。在一些实施例中，可以将‘非剂量学’参数添加到目标。例如，最大允许mu可以被规定为2000(限定新的优先级0的目标)，或者如果平均直肠剂量低于35gy意味着使用大于1500的mu(限定新的优先级1的目标)，则追求平均直肠剂量低于35gy没有意义。非剂量质量度量的其他示例可以是‘治疗时间’、‘平均叶片对开放度’等。

在一些实施例中，可以通过分配依赖于质量度量的计划质量来从各个质量度量推导出计划质量。这意味着，只要评估质量度量中的一个质量度量，就可以限定计划质量是什么。然后，总计划质量将是这些单独的依赖于质量度量的计划质量的函数。在一些实施例中，可以基于临床知识来确定连续函数gi。在一些情况下，可能只需要针对某种类型的治疗限定一次连续函数。在治疗计划期间，治疗计划装置的优化器然后将使用从连续函数gi得到的效用函数来寻找针对特定患者的最佳解决方案。

根据一些实施例，治疗计划装置200提供限定计划质量的连续方式(连续函数)。这种计划质量可以用作优化过程中的效用函数。在这种情况下，可以利用优化算法来最大化或最小化效用函数，并获得具有最高可能质量的治疗计划。在一些实施例中，优化算法可能需要效用函数的梯度的计算。

在一些实施例中，连续函数可以被配置为影响在由优化器230执行的优化期间何时(即，在时间上)实现第一质量度量的期望值。备选地或附加地，连续函数可以被配置为影响：相对于第二质量度量和/或相对于第一质量度量的第二期望值，第一质量度量的第一期望值多快要在由优化器230执行的优化中被实现。备选地或附加地，连续函数可以被配置为影响在优化期间已经实现第一质量度量的期望值之后，优化器230要如何对待第一质量度量。

回到图3的示例，由于有三个质量度量，因此也存在限定三个不同的计划质量(g脊柱最大剂量、g目标覆盖率、g直肠平均剂量)的三个函数。为了清楚起见，以数值越小越好的方式限定目标覆盖率(即具有小于目标剂量的ptv中的相对体积)。现在可以限定连续函数g。首先，对于低于p＝0(低于优先级0的目标)的计划质量，可能需要考虑连续函数g。注意，尽管在达到优先级质量0之前如何对计划计分并不重要(因为这种计划将不被接受进行处理)，但它仍然是期望的，以指导优化过程来搜索解决方案空间。在一些实施例中，连续函数g可以以低于零(例如，-1)的对应计划质量值开始。然后，将连续函数g限定为逐渐增加到0，同时对应的质量度量值正在改变(例如，减小)在优先级组0中的目标的目标值。在其他实施例中，不是以一些任意限定的高值开始质量度量值，然后让质量度量值在优化期间减小以达到目标值，而是可以任意限定质量度量值以从低值(例如，0)开始，然后质量度量值可以在优化期间增加以达到目标值。图4图示了针对图3的质量度量“脊柱最大剂量”的连续函数502、针对图3的质量度量“目标覆盖率”的连续函数504以及针对图3的质量度量“平均直肠剂量”的连续函数506。

在一些实施例中，治疗计划装置200可以包括被配置为生成(多个)连续函数的连续函数生成器。在一些情况下，由治疗计划装置200提供的用户界面可以允许用户输入(多个)参数以限定针对不同质量度量的连续函数。(多个)参数的输入以限定连续函数可以被认为是配置连续函数的示例。附加地或备选地，用户界面可以允许用户从先前形成的连续函数的列表中选择期望的连续函数。用户还可以使用用户界面来修改针对特定患者的所选择的连续函数。连续函数的修改可以被认为是配置连续函数的另一示例。在其他实施例中，连续函数生成器可以被配置为针对某个用户限定的质量度量(或临床目标)自动地生成连续函数。例如，连续函数生成器可以被配置为自动将临床目标转换为连续函数。连续函数将具有临床目标以用于影响优化器230执行治疗计划优化的方式的更多信息。

如图4中所示，直到达到优先级水平(或计划质量)0之后，与连续函数506(g直肠平均剂量)相关联的直肠平均剂量的值才开始减小。这是因为直肠平均剂量不涉及任何优先级水平0的目标(并且不被认为在计划接受中起关键作用)。因此，当p略小于1时，直肠平均剂量的值开始减小，并且该值继续减小以当p达到1时达到35gy。可以基于临床医师如何考虑‘直肠平均剂量小于35gy’的临床目标相对于具有优先级1的其他临床目标(例如，‘ptv冷区域小于2％’的临床目标)的重要性来选择g直肠平均剂量的最小值。如果两个临床目标都可以被满足，则计划质量将达到p＝1。另一方面，如果两个临床目标都不能被满足，则是目标覆盖率质量度量(与连续函数504相关联)决定了总计划质量。特别地，如果平均直肠剂量从p仅略小于1时的值开始减小，则意味着只要ptv冷区域显著大于总ptv体积的2％，则是目标覆盖率质量度量决定总计划质量。备选地，配置g直肠平均剂量可以被配置，以便当p几乎达到0时，直肠平均剂量的值将开始减小。这意味着一旦计划可接受(计划质量达到值0)，则减小直肠平均剂量和ptv冷区域体积两者几乎同等重要。

由于‘脊柱最大剂量’仅涉及优先级组0中的临床目标，因此在达到45gy点后，g脊柱最大剂量将直射至无穷大(即p值将射穿1、2等)(参见图4中的曲线502，其表示g的倒数，并且在优先度量值0之后具有平坦的斜率)。这意味着，一旦实现计划质量0，该质量度量就不在计划质量定义中扮演任何另外角色。注意，在脊柱最大剂量减少到45gy目标值以下之后，通过使g脊柱最大剂量迅速增加(但以有限的斜率)，还可以引入更平滑的行为。有限斜率可以反映对45gy阈值添加一些余量的临床需求，并且它假设计划质量1对应于具有一定的余量。

类似地，在已经达到与优先级组1中的目标相关联的目标水平之后，g目标覆盖率开始随增加的斜率而增加(即，p值增加)(参见图4中的曲线504，它表示g的倒数)。这反映了在达到2％的目标水平之后，继续关注ptv中的冷区域的进一步减少的临床兴趣越来越小。

最后，值得注意的是，即使在达到最后的目标水平之后，g直肠平均剂量仍以合理的斜率保持增加(参见图4中的曲线506，其表示g的倒数)。这指示在达到所有定义的目标之后，剩余目标就主导优化。

如上所述，在一些实施例中，第一连续函数可以将第一质量度量的值与相应的优先度量值相关联。例如，第一连续函数可以包括将第一质量度量的值与相应的优先度量值相关联的数据结构。在一些情况下，第一连续函数可以具有针对优先级度量值的第一范围的第一特性、以及针对优先级度量值的第二范围的第二特性，优先级度量值的第二范围与优先级度量值的第一范围不同。

同样如本文所述，在一些实施例中，优先度量值可以包括与相应的优先目标相对应的整数。例如，优先度量值可以是表示最高优先级目标的0、表示第二高优先级目标的1等。备选地，优先度量值可以是表示最高优先级目标的1、表示第二高优先级目标的2等。而且，在一些实施例中，优先度量值还可以包括非整数，非整数表示在达到优先目标之前或达到优先目标之后的状况。

同样如本文所述，在一些实施例中，优先度量值可以包括与第一优先临床目标的第一质量度量值相对应的第一整数，以及与第一优先临床目标的第二质量度量值相对应的第二整数。

同样如本文所述，在一些实施例中，质量度量生成器202还被配置为电子地生成第二质量度量。在这种情况下，控制器222被配置为提供针对第二质量度量的第二连续函数。而且，在一些实施例中，控制器222可以被配置为经由第一连续函数和第二连续函数两者影响优化器230如何执行优化。

在确定了单独的连续函数g之后，它们可以由治疗计划装置200组合以形成或限定总计划质量。以下是可以如何限定总计划质量的一些示例。

1)最小质量作为计划质量：在一些实施例中，最小质量可以被用作计划质量。在这种实施方式中，总计划质量值由所有单独的g函数的最小值获得。在其他实施例中，代替使用最小函数，可以利用soft-min代替最小函数。在一些情况下，可以通过对soft-max函数的指数函数参量添加负号来限定soft-min。注意，引入soft-min函数引入了一个新参数，该新参数描述了单个质量度量中的微小差异如何显著。该参数具有临床意义。

2)在其他实施例中，总计划质量可以被限定为使与从单独的g(或它们的反函数)计算的单独的计划质量的差最小化的那个计划质量。该实施方式引入了一组单独的权重。这些权重的临床意义是，它们提供了一种方法来限定超出目标值的临床上的显著改善或目标值的在临床上无意义违反。

3)在另外的实施例中，总计划质量可以被限定为使对不同的质量度量得分的像差最小化的那个计划质量。像差函数是g连续函数的一般化。像差指示如果调用具有质量度量值q的计划来具有计划质量p’，则会造成多大的误差。因此，像差是p和q两者的函数。在一些情况下，对于p＝g(q)，像差函数具有0值。对于任何更大的p，像差可能为正(例如)，以指示根据g，计划应当被评估为更低。对于任何更小的p，像差可能为负(例如)。还有其他方法来限定像差。例如，像差可以如上面所描述的那样限定，并且可以进一步乘以常数。在一些实施例中，可以通过最小化总平方像差来评估总计划质量。

存在限定像差函数的自由(因此允许描述临床问题的多种可能性)。然而，对于一般的可解性，有利的是，像差函数相对于p和相对于q两者都是单调的。还可以将单个临床目标系统地转换成标准像差函数。

在一些实施例中，为了限定总计划质量，用户还可以为针对临床质量度量中的每个临床质量度量限定灵敏度(将在像差函数定义中使用)。例如，灵敏度可以被限定为s^-直肠平均剂量＝1gy(这意味着在被认为临床显著之前，直肠平均剂量需要在目标值之外改善1gy)。作为另一示例，灵敏度可以被限定为s⁺直肠平均剂量＝0.1gy(这意味着目标违反在被认为显著之前，直肠平均剂量可以比目标值差0.1gy)。这些参数对可以用作针对直肠平均剂量的敏感性参数。类似地，可以对每个质量度量限定参数对。这些使治疗计划装置的优化器了解如何做出折衷。

在用户限定了临床目标以指示对特定计划任务的临床需求(诸如，低风险前列腺治疗)之后，并且在确定了针对临床目标的连续函数之后，治疗计划装置的优化器然后可以利用这种信息来执行优化以便确定针对治疗计划的治疗参数。

应当注意，在一些情况下，效用函数是否不能以明确的数学公式呈现并不重要。这是因为在一些实施例中可以代替地使用隐式函数。对隐式函数的评估可能比评估显式函数更加复杂，但这并不是计算负担，因为隐式效用函数仅是少数几个质量度量(每个均是显式函数)的函数。因此，可以通过由优化器230在每次优化迭代期间对低自由度优化问题求解来实现对隐式函数的评估。另外，对于许多隐式函数，可以求解在给定点周围的显式梯度，并且因此可以在梯度搜索优化方法(诸如最速下降法、共轭梯度法、随机梯度法等)中使用这种隐式效用函数。

在一些实施例中，第一连续函数可以包括像差函数。在这种情况下，治疗计划装置200的优化器230可以使用(多个)像差函数来实施优化算法。例如，可以通过采用以上限定的g并且将灵敏度参数与它们组合来限定像差函数w。在一个实施方式中，像差可以被限定为：

wi(p,qi)＝si⁺(p–gi(qi))ifp–gi(qi)>0

si^-(gi(qi)-p)ifp–gi(qi)<0

0ifp–gi(qi)＝0

然后待优化的效用函数是：

治疗计划装置200的优化器230然后可以基于以下算法来对优化问题求解：

1)确定初始解s(可以是一组注量图或叶序列等)

2)基于初始解s计算剂量d

3)限定与所计算的剂量d相关的p

4)计算p在所计算的剂量d周围的梯度

5)将p的梯度投影到解空间s中以获得s的梯度

6)基于旧解s和s的梯度寻找新解s’

7)如果优化器230尚未达到收敛，则重复项2-6。

因此，如上所述，在一些实施例中，治疗计划装置200被配置为基于第一连续函数来确定效用函数p。例如，治疗计划器220可以利用第一连续函数本身作为效用函数p。备选地，治疗计划器220可以基于第一连续函数的一个或多个特征来确定效用函数p。在一些实施例中，优化器230被配置为基于效用函数来执行优化。

特别地，如上所述，在一些实施例中，优化器230可以被配置为：(1)确定初始解s；(2)基于初始解s计算剂量d；(3)获得效用函数p；(4)计算效用函数p在d周围的梯度；以及(5)将效用函数p的梯度投影到解空间中以获得s的梯度。(6)基于初始解s和s的梯度来确定新解s’。而且，在一些实施例中，优化器230被配置为重复以上项(2)-(6)，直到解收敛为止。该解导致针对治疗计划而被确定的一个或多个治疗参数。治疗计划可以被存储在非暂态介质中以用于以后使用。例如，治疗计划可以被稍后检索，并且由治疗系统(诸如图1的系统)执行，以用于操作治疗系统来递送用于治疗患者的治疗辐射。

可以数学地描述以上技术。如所讨论的，图3图示了优先临床目标的示例。在示例中，优先级0的目标是最高优先级目标，它描述了计划中必须满足的特征。目标的形式为qi<rij，其中qi是某个质量度量(例如，它可能是剂量d、机器参数等的函数)，并且rij是相关联的目标值(例如标量)。只有在找到满足所有优先级0的目标的解之后，才评估具有优先级1的目标(优先级1的目标)。类似地，只有在找到满足所有优先级0的目标和优先级1的目标的解之后，才评估具有优先级2的目标(优先级2的目标)。最后，可以实现剩余目标，以指示在满足了所有更高优先级水平的目标之后，如何继续优化。

在一些情况下，可以从被手动确定为最佳工作的组中选择针对优先级目标类别的权重wj。附加启发(heuristic)可以被手动输入和/或被确定，以用于检查所实现的目标是否仍然被实现。而且，优先级类别中的目标的顺序可能会影响哪个目标获得更多的权重。因此，这种技术涉及复杂的手动调节的启发系统。

根据一些实施例，首先获得优先目标。在一些情况下，优先目标可以由用户经由治疗计划装置的用户界面输入。优先目标可以由具有一个或多个值(目标值)的质量度量来表示。考虑一组质量度量{qi}。质量度量可以是‘目标覆盖率’、‘脊髓最大剂量’或‘腮腺的平均剂量’等。质量度量可以是剂量矩阵d的函数，但这不是必需的，并且对于本文描述的实施例是可选的。在一些情况下，质量量度可以基于例如生物学效应、递送稳健性、给定的mu等。以下表示法(notation)假设qi是d的函数，但剂量矩阵可以利用(多个)机器参数代替。临床目标是声明qi<rij，其中rij是与临床目标j相关的目标值。每个临床目标也与优先级pj相关联。在不丧失一般性的情况下，{pj}可以是自然数，其中pj＝0具有特殊意义，即它描述了可接受的计划。注意，在一些情况下，一个以上的pj可以具有相同的优先级。

根据一些实施例，与质量度量qi有关的所有临床目标可以被组合成具有反函数gi:r+→r+的单个连续的、单调递减的函数qi:r+→r+，其中r+是一组正实数。函数被限定，使得针对具有与qi相关的优先级pi的每个临床目标j，下式适用：rij＝qi(pi)。连续gi可以被理解为对具有某个优先级的目标是否被满足的‘模糊’解释。例如，值gi(45gy)＝1.9意味着质量得分45gy不能满足与水平2的优先级相关的质量度量qi的所有方面，但是该计划显著地超过了由具有优先级水平pj＝1的目标rij描述的质量。关系gi＝gi(qi)将连续质量度量值qi映射到连续质量指数gi中。因此，单独的质量度量为qi，并且基于单个质量度量限定计划质量的函数为g。

效用函数可以被限定为p＝p({gi})，并且优化问题是寻找使效用函数最大化或最小化的剂量分布(或机器控制点序列)。在一些情况下，效用函数也可以被呈现为p＝p({gi(qi(d))})＝p^*(d)，其中p^*是被编写为剂量矩阵的函数的效用函数，而剂量矩阵又可以被呈现为注量(fluence)像素值或机器参数的函数。效用p是标量值，其可以被理解为最能描述任意计划的质量的单个数字。例如，如果计划a具有比计划b更高的p值，则这指示计划a被认为比计划b更好。可以使用各种技术来制定效用函数，该效用函数最佳地描述评估治疗计划的临床实践。

效用函数的一种可能选择源于以下考虑：由最小的单独的质量因子最好地描述计划质量：

该效用函数尽管非常简单，但具有一个问题，即其相对于d的梯度仅具有源于最小gi的一个分量。这意味着优化将在与最小质量因子相对应的目标被满足的时刻处停止。在实践中，这种公式通常过于严格，因为它不允许进行任何折衷考虑，折衷考虑即：为了获得在一些较低质量目标值上的显著增加而允许在一些较高质量目标值上的边际减少的情况。

为了寻找合适的效用函数，没有必要将p限定为显式函数，但是可以从最小化问题p＝argminpm(p,d)(即找到使给定函数m(p,d)最小化的p)求解p是足够的。备选地，p可以被呈现为基于等式b(p,d)＝0的寻根问题。注意，m(p,d)的微分将导致公式b(p,d)＝0。

在一些实施例中，效用函数可以被如下实现：

m1(p,d)＝∑i[wi(qi(p)-qi(d))]²

其中wi在qi(p)-qi(d)>0(即，不满足给定目标)时具有恒定值，并且在qi(p)-qi(d)<0(即，满足给定的目标)时，具有另一更小的恒定值，以确保未被满足的目标给出大的多的贡献。该函数的直观含义是搜索尽可能好地描述单独的目标的单个值p。如果所测量的质量度量qi(d)与限定的关系qi(p)没有显著差异，则认为值p很好地描述了单独的目标j。

注意，可以容易地创建和实施对所描述的公式m1的变型。例如，可以用任何函数wi(qi(p)-qi(d))代替wi，并且qi(p)-qi(d)可以用非线性函数代替。函数的确切形状取决于如何实际地解释目标的临床偏好。在一些实施例中，如果不同临床目标的优先级被认为是绝对的(即，在任何情况下，在满足更高水平的目标之前都不考虑更低水平的目标)，则p1可以是合适的效用函数。在一些实施例中，如果由于折衷获得了其他临床目标上的显著改善，则m1可以是合适的效用函数，其在允许打破更高优先级的目标时更具‘机会性’。

为了将成本(效用)函数用作有效的优化算法的一部分，如果它的梯度可以被显式地呈现，则是有益的。使用隐式效用函数作为梯度流的一部分，可以如下地实施优化方法：针对产生剂量分布d’的解候选，第一步骤是通过使m(p,d’)最小化来计算{qi(d’)}并且求解p。优化过程可以被转换成寻找dm/dp(p,d)＝d’的根，其中dm1/dp是部分地由p得到的隐式效用函数。该优化任务对计算的要求不高。在知道p之后，就可以通过相对于d对dm/dp(p,d)进行微分来计算在d’周围的梯dp/dd，并且从该等式求解dp/dd。在一些情况下，可以利用该梯度来创建注量矩阵的梯度。可以在下一个(多个)优化迭代中使用该注量矩阵来找到解。例如，针对函数m1，梯度dp/dd～∑iwidqi/dd。

注意，从临床目标生成qi(以及m中的附加参数，诸如wi)的可能性很多。如所讨论的，图4图示了基于图3中的优先临床目标的连续函数qi(p)的示例。目标以虚和连续曲线呈现，表示连续函数的连续曲线穿过它们。原则上，曲线的连续被平滑地实施，但是某些附加信息可以被使用(参见图中的文本)。注意，曲线在p＝0之前是连续的，以允许从不满足优先级0的目标的初始条件开始达到可接受的计划。在p＝2之后，曲线也是连续的，以考虑剩余目标，从而允许在所有目标被满足之后，可以由治疗计划装置进一步对计划进行改善。曲线规范的详细信息仅仅是示例。基于图4中所示的连续函数的示例，可以观察到以下示例性准则，这些准则可以允许直接从一组优先目标获得良好的近似：

(1)如果在达到某个目标水平后，任何另外的改善都是无关紧要的，则qi以平线继续(例如，参见由图4中的线502表示的函数)。

(2)如果相同的质量度量qi具有两个具有不同优先级的目标水平，则qi从较高优先级目标值逐渐变为较低优先级值(例如，参见由图4中的线504表示的函数)。

(3)如果某些质量度量qi不具有高于pj的优先级目标，则曲线处于最大值，直到接近优先级pj(例如，参见由图4中线506表示的函数)。

如图4中所示，所有的qi都是从可以达到的最大可能值qi开始，但是该曲线的形状在p＝0之前没有临床相关性，因为以p<0结尾的任何解都是不可接受的。在其他实施例中，一个或多个qi可以从最低可能值或其他任意限定的值开始。

在一些实施例中，形式b(p,d)的更一般的解可以是：

其中wi(qi,p)是描述质量指标与相关联的计划质量之间的有符号的‘偏差’的函数。例如，可以针对wi指定以下质量以将这种更通用的方法映射到上面的连续目标定义：

(1)当qi＝qi(p)：wi(qi(p),p)＝0,时，wi(qi,p)消失，

所以对于任何给定的p和相关联的qi(p)，偏差消失。

(2)wq(qi)＝wi(qi,po)(其中，p＝po)是描述如何处理偏差的单调递增函数，参见图5a-图5c，在下面进行说明。

(3)为了避免b1具有多个根，可能希望使wp(p)＝wi(qio,p)(其中，qi(d)＝qio)是单调递减函数。

虽然b1相当通用，但它假设达到一个目标的重要性不取决于是否会满足其他目标。在一些实施例中，可以提供另一函数形式以便呈现这种相关性。

图5a-图5c示出了wi(q,p)(其中，p＝po)的三个不同示例。图5a描述了类似于针对函数m1的情况：给出了线性响应，但是对目标值的违反被认为比超过该目标值更加严重。图5b描述了一种行为，其中目标值的指定最大违反是可接受的，并且超出目标的益处在一些点达到饱和。图5c描述了图5b的变型，其中曲线被移动，使得总是满足给定的目标。

在一些实施例中，对于用户而言，获得单独的gi作为优化过程的输出，以查看哪些特征对最终解的贡献最大可能是有用的。本文描述的治疗计划装置可以被配置为提供这种输出。在一些情况下，如果效用函数被公式化为示例b1(p,d)，则可以由治疗计划装置呈现单独的wi(qi(d),p)。

图6图示了根据一些实施例的治疗计划方法600。治疗计划方法600包括：由质量度量生成器基于经由用户界面接收的输入，来电子地生成第一质量度量(项602)；由控制器提供针对第一质量度量的第一连续函数(项604)；以及由优化器确定针对治疗计划的治疗参数，该治疗计划由治疗机器的处理单元可执行以操作治疗机器，其中针对治疗计划的治疗参数基于第一质量度量而被确定，其中治疗参数基于由优化器执行的优化而被确定，并且其中优化被控制器影响(项606)。

在一些实施例中，可以提供一种用于实施本文描述的一个或多个特征的产品。该产品可以包括存储一组指令的非瞬态介质，该一组指令的执行导致执行治疗计划方法。例如，治疗计划方法可以是图6的方法600。治疗计划方法可以包括：由质量度量生成器基于经由用户界面接收的输入，来电子地生成第一质量度量；由控制器提供针对第一质量度量的第一连续函数；以及由优化器确定针对治疗计划的治疗参数，该治疗计划由治疗机器的处理单元可执行以操作治疗机器，其中针对治疗计划的治疗参数基于第一质量度量而被确定。在说明的实施例中，治疗参数基于由优化器执行的优化而被确定，其中优化被控制器影响。在一些实施例中，一组指令可以包括用于实施质量度量生成器202的指令和用于实施治疗计划器220的指令。用于实施治疗计划器220的指令可以包括用于实施控制器222的指令和用于实施优化器230的指令。

如上所述，本文描述的治疗计划装置200和方法300的实施例通过使治疗计划装置更准确地实现临床目标来提供治疗计划装置的技术改进。结果是正确地反映期望的临床目标的治疗计划，使得当通过治疗机器执行治疗计划时，将实现期望的临床目标。这在现实世界中具有实际和具体的影响。而且，本文描述的控制器222是有利的，因为它提供的连续函数比仅临床目标的质量度量更详细。连续函数影响治疗计划器220执行优化以确定治疗计划的治疗参数的方式。因此，控制器222及其提供的连续函数可以更准确地和理想地控制优化器230执行优化以确定治疗参数的方式。

尽管已经参考递送x射线形式的治疗辐射描述了上述实施例，但是在其他实施例中，本文描述的系统和技术可以用于其他类型的治疗能量。例如，在其他实施例中，辐射源20可以是用于递送质子以治疗患者的质子源，或者可以是用于递送电子的电子源。因此，本文描述的治疗计划技术的实施例可以用于确定其他类型的治疗(诸如，质子治疗)的治疗计划。

应当注意，在本说明书中使用的术语“连续函数”不一定要求该函数对于值的所有范围都是连续的。连续函数对于值的任何范围或对于值的所有范围可以是连续的。

而且，术语“效用函数”和“成本函数”可以互换，并且如本说明书中使用的，可以指代在治疗计划优化期间由优化器最大化或最小化的任何函数。

治疗计划装置

图7是图示治疗计划装置1200的一个实施例的框图。治疗计划装置1200可以是图2的治疗计划装置200。如图7中所示，治疗计划装置1200包括用于通信信息的总线1202或其他通信机制、以及与总线1202耦合以用于处理信息的处理器1204。处理器1204可以为图1的处理器54或用于执行本文描述的各种功能的另一处理器的示例。治疗计划装置1200还包括耦合到总线1202以用于存储信息和要由处理器1204执行的指令的主存储器1206(诸如，随机存取存储器(ram)或其他动态存储设备)。主存储器1206还可以用于在执行由处理器1204执行的指令期间存储临时变量或其他中间信息。治疗计划装置1200进一步包括耦合到总线1202以用于存储静态信息和用于处理器1204的指令的只读存储器(rom)1208或其他静态存储设备。提供数据存储设备1210(诸如，磁盘或光盘)并且将其耦合到总线1202以用于存储信息和指令。

治疗计划装置1200可以经由总线1202耦合到显示器1212(诸如，平板)以用于向用户显示信息。包括字母数字键和其他键的输入设备1214被耦合到总线1202，以用于将信息和命令选择通信到处理器1204。另一类型的用户输入设备是光标控制器1216(诸如，鼠标、轨迹球或光标方向键)，以用于将方向信息和命令选择通信到处理器1204并且用于控制显示器1212上的光标移动。该输入设备通常具有在两个轴(第一轴(例如，x)和第二轴(例如，y))上的两个自由度，其允许设备指定平面中的位置。

治疗计划装置1200可以用于执行根据本文描述的实施例的各种功能(例如，计算)。根据一个实施例，治疗计划装置1200响应于处理器1204执行包含在主存储器1206中的一个或多个指令的一个或多个序列而提供这种使用。可以将这种指令从另一个计算机可读介质(诸如，存储设备1210)读取到主存储器1206中。包含在主存储器1206中的指令序列的执行使处理器1204执行本文描述的过程动作。在多处理装置中的一个或多个处理器也可以被采用来执行包含在主存储器1206中的指令的序列。在备选的实施例中，可以代替或结合软件指令来使用硬接线电路装置以实施本发明。因此，本发明的实施例不限于硬件电路装置和软件的任何特定组合。

如本文使用的术语“计算机可读介质”是指参与将指令提供给处理器1204以用于执行的任何介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于：非易失性介质、易失性介质和传输介质。例如，非易失性介质包括光盘或磁盘，诸如存储设备1210。易失性介质包括动态存储器，诸如主存储器1206。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，其包括包含总线1202的导线。传输介质也可以采取声波或光波的形式，诸如在无线电波和红外数据通信期间生成的那些传输介质。

例如，计算机可读介质的常见的形式包括软盘、软性磁盘、硬盘、磁带或任何其他磁性介质、cd-rom、任何其他光学介质、穿孔卡片、纸带、具有穿孔图案的任何其他物理介质、ram、prom和eprom、flash-eprom、任何其他存储器芯片或存储盒、如下文所述的载波或计算机可以读取的任何其他介质。

各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器1204以用于执行。例如，可以最初在远程计算机的磁盘上携带指令。远程计算机可以将指令载入到其动态存储器中并且使用调制解调器通过电话线发送指令。在治疗计划装置1200本地的调制解调器可以接收电话线上的数据并且使用红外发射机将该数据转换为红外信号。耦合到总线1202的红外检测器可以接收红外信号中携带的数据并且将数据放置在总线1202上。总线1202将数据携带到主存储器1206，处理器1204从该主存储器1206检索和执行指令。在处理器1204执行由主存储器1206接收的指令之前或之后，可以可选地将这些指令存储在存储设备1210上。

治疗计划装置1200还包括耦合到总线1202的通信接口1218。通信接口1218提供耦合到网络链路1220的双向数据通信，该网络链路1220连接到局部网络1222。例如，通信接口1218可以是综合服务数字网络(isdn)卡或调制解调器，以将数据通信连接提供到对应类型的电话线。作为另一示例，通信接口1218可以是局域网(lan)卡，以将数据通信连接提供到兼容的lan。也可以实施无线链路。在任何这种实施方式中，通信接口1218发送和接收电信号、电磁信号或光学信号，该电信号、电磁信号或光学信号携带表示各种类型的信息的数据流。

网络链路1220通常通过一个或多个网络将数据通信提供到其他设备。例如，网络链路1220可以通过局部网络1222将连接提供到主机计算机1224或提供到装备1226，装备1226诸如是辐射束源或操作地耦合到辐射束源的开关。通过网络链路1220传送的数据流可以包括电信号、电磁信号或光学信号。通过各种网络的信号和在网络链路1220上并且通过通信接口1218的信号是传送信息的载波的示例性形式，该通信接口1218将数据携带到治疗计划装置1200并且从治疗计划装置1200携带数据。治疗计划装置1200可以通过网络、网络链路1220和通信接口1218发送消息和接收数据(包括程序代码)。

尽管已经示出和描述特定实施例，但是将理解，这些实施例不旨在限制所要求保护的发明，并且对本领域技术人员清楚的是，可以在不脱离所要求保护的发明的精神和范围的情况下，进行各种变化和修改。因此，说明书和附图应当被认为是说明性意义而不是限制性意义。所要求保护的发明旨在覆盖备选、修改和等效物。