根据生物学模型修改放射疗法治疗计划的方法和系统的制作方法

专利名称：根据生物学模型修改放射疗法治疗计划的方法和系统的制作方法
根据生物学模型修改放射疗法治疗计划的方法和系统技术领域本申请要求2005年7月22日提交的、名称为"SYSTEM AND METHOD FOR FEEDBACK GUIDED QUALITY ASSURANCE AND ADAPTATIONS TO RADIATION THERAPY TREATMENT"的美国临 时专利申请No. 60/701, 580的优先权，其全部内容通过引用而包含于 此。
背景技术：
在过去的几十年里，已经把计算机和联网技术、放射疗法治疗计 划软件以及医学成像器械(CT、 MRI、 US和PET)的改进结合进了放 射疗法实践中。这些改进促进了图像导引放射疗法("IGRT")的发展。 IGRT是利用患者内部解剖结构的截面图像以更好地把放射剂量对准肿 瘤同时减少对健康器官的辐射暴露的放射疗法。用调强放射疗法 (IMRT)控制实施到肿瘤的放射剂量，其包括改变放射束的尺寸、形 状、以及强度以便符合患者肿瘤的尺寸、形状和位置。IGRT和IMRT 使对肿瘤的控制得到了改善，同时还降低了由于肿瘤周围健康组织的 辐射导致急剧副作用的可能性。IMRT正在成为多个国家的护理标准。然而，在很多情况下，由于 时间、资源和付款的限制，并不用IMRT来治疗患者。可以使用患者的 每曰图像来确保IMRT计划生成的高梯度位于患者治疗的正确位置处。 而且，这些图像可以提供如果需要则在线或离线调整计划所需的信息。在放射疗法领域中，公知地，具有可能在患者治疗的疗程中出现 的不确定性和变化的很多来源。有些来源表示随机误差，诸如每天患 者摆位位置的小差异。其它来源被归结于生理变化，治疗期间如果患者的肿瘤退化或患者体重下降则可能发生该生理变化。第三种可能的 类型与动作有关。动作可能与其它类型交叠，因为有些动作可能是更 加随机并不可预测的，诸如患者咳嗽或放屁，而有时其它动作可以是 更规律的，诸如呼吸动作。发明内容在放射疗法中，不确定性能够影响患者治疗的质量。例如，当向 耙区实施治疗剂量时，标准惯例是也治疗耙周围的高剂量"边缘 (margin)"区域。这有助于确保靶接即使在治疗疗程期间或者甚至在 单次放射治疗期间位置改变也能接收期望剂量。靶的位置越不明确， 通常就越需要使用较大的边缘。适应性放射疗法通常指的是下述原理，g卩，在放射疗法治疗的疗 程期间使用反馈来改善将来的治疗。可以在离线适应性疗法过程和在 线适应性疗法过程中使用反馈。在患者没有正在接受治疗时，诸如在 治疗次之间，发生离线适应性疗法。在此的一个版本中，在每次放射 治疗期间，在每次放射治疗前或后获取患者的新CT图像。在从前几次 治疗获取图像之后，对图像进行评估从而确定靶结构的多日位置的有 效包络。接着，可以制订新计划以便更好地反映靶结构的动作范围， 而不是利用动作的规范假设。离线适应性疗法的更复杂版本，是在每 次之后重新计算实施的剂量，并累积这些剂量，在累积期间可以利用 变形技术以便解决内部动作。之后可以比较累积剂量和计划剂量，以 及如果注意到存在差异，则可以修改后续治疗以便解决这种变化。通常在患者处于治疗室中的同时，可能而非必须在治疗实施期间， 发生在线适应性疗法过程。例如，有些放射疗法治疗系统带有成像系 统，诸如在线CT或X射线系统。可以在治疗前使用这些系统来验证或 调节用于治疗实施的患者摆位。成像系统还可以用来在实际的治疗实 施期间对治疗进行修改。例如，成像系统可以与治疗协同使用，以便 修改治疗实施从而反映患者解剖结构的变化。本发明的一个方面，是公开适应性疗法技术应用的新时机，另一 个方面是提供用于适应性疗法的新方法。具体而言，通常适应性疗法 集中在用于修改患者的治疗的反馈上，但是本发明集中在质量保证环 境中所用的适应性疗法过程上。在整个系统核査的情况下，这尤为正 确。例如，可以用检测器来收集表示有多少治疗束已经穿过患者的信 息，由此可以确定治疗输出的大小以及实施所用过的任何放射样式(pattern)。该实施核査过程的好处是可以使操作者检测机器实施中的 错误，诸如不正确的叶样式或机器输出。然而，验证机器正确运行本身并不能保证治疗计划的正确实施， 因为还需要验证用来对机器进行编程的外部输入是有效并一致的。因 此，本发明的一个方面包括用于整个治疗过程的改进的质量保证的适 应性类型反馈循环的更广义概念。在这方面，本发明包括下列步骤定位治疗的患者，以及使用图像导引的方法来确定患者的位置，根据 图像导引按照治疗的需要重定位患者，以及开始治疗。随后，在治疗 期间或之后，重新计算患者剂量并结合治疗之前或期间收集到的患者 图像信息。这些步骤都完成之后，收集质量保证数据以便分析没有按 计划实施的程度，验证在新的可用数据的情况下计划的实施是否合理。 在这点上，反馈的概念不再用来根据患者或实施的变化来表示治疗的 变化，而是用来检査原始实施本身。作为例子，可以为患者制订治疗计划，除非用来计划的图像诸如 采用了不正确的密度校准而变坏。在这种情况下，治疗计划将基于不 正确的信息，可能不向患者实施正确的剂量。然而，很多质量保证技 术不会检测到该错误，因为它们验证机器是否按指令操作，而不检验 给机器的指令是否基于正确的输入信息。同样地，有些适应性疗法技 术可以应用到该实施，但是如果该例子的校准问题仍存在，则适应调整后的治疗仍面临类似的缺陷。为了质量保证，可以使用多个过程来扩展反馈的使用。例如，在 一个实施例中，该过程将包括上面描述的实施验证技术。这些方法所 提供的机器性能的检査，是整个系统质量保证工具箱中的有价值的部 分。而且，实施验证过程可以被扩展到分析其它系统错误，诸如基于 具有残缺视野的图像的实施。在一个实施例中，本发明提供了一种修改(adapting)治疗计划的方法。该方法包括下述步骤为患者准备治疗计划，获取患者的图像，执行图像的可变形配准，获取关于实施到患者的放射剂量的数据，应 用生物学模型以便把实施的放射剂量和患者效用相关联，以及根据可 变形配准和生物学模型来修改治疗计划。在另一个实施例中，本发明提供了一种向患者实施放射疗法的方法。该方法包括下述步骤在患者处于第一位置的同时获取患者的至少一部分的在线图像，计算将要实施到患者的预测(predictive)放射 剂量，应用生物学模型以便确定预测放射剂量对第一位置中的患者的 生物效应。在又一个实施例中，本发明提供一种计算机程序，其包含于计算 机可读介质中并可由计算机执行，该计算机程序被用于治疗系统中。 计算机程序包括治疗计划模块，可操作用来为患者生成治疗计划； 图像获取模块，可操作用来获取患者的至少一部分的图像；变形模块， 可操作用来生成在至少两个图像之间的可变形配准；建模模块，可操 作用来把实施到患者的放射剂量和该放射剂量对患者的效用关联起 来，以便根据可变形配准和生物学模型来修改治疗计划。结合下面的详细描述以及所附附图，本发明的其它方面将变得明显。


图1是放射疗法治疗系统的透视图。图2是图1中所示的放射疗法治疗系统中可以使用的多叶准直器 的透视图。图3是图1的放射疗法治疗系统的示意性图。 图4是放射疗法治疗系统中所用的软件程序的示意图。 图5是根据本发明的一个实施例估算实施到患者的放射剂量的方 法的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的实施例之前，应该明白本发明的应用并不局 限于下列描述中提出的或在下列附图中示出的结构细节和部件配置。 本发明可以是其它实施例并以其它方式实施或执行。还应该明白此处 所用的措词或术语是用于描述而不是用于限制的。这里所用的"包括"、 "包含"或"具有"及其各种变形，意思是包含其后所列的项目和其等价物以及其它项目。除非具体说明或另外限制，术语"安装"、"连接"、"支 持"和"耦合"及其变形被宽泛使用并包含直接和间接安装、连接、支持 和耦合。此外，"连接"和"耦合"并不局限于物理或机械连接或耦合。虽然这里在描述附图时使用了方向性标记，诸如上、下、向下、 向上、向后、底、前、后等，然而这些标记只是为了方便相对于附图 而言的(按通常看法)。这些方向不意图用字面意思或以任何方式限 制本发明。此外，这里使用的诸如"第一"、"第二"和"第三"这样的术语， 是用来描述的，而不用来指示或暗示相对重要性或显著性。此外，应该明白，本发明的实施例既包括硬件、软件也包括电子 部件或模块，为了讨论，这些可以被说明或描述成大部分部件单独用 硬件实现。然而，本领域中的普通技术人员，在阅读完这里的详细描 述的基础上，将知道，在至少一个实施例中，可以用软件来实施基于本发明的基于电子的方面。同样地，应该注意到，可以用多个基于硬 件和软件的装置以及多个不同结构的部件来实施本发明。此外，如在 后面段落中描述的，附图中示出的具体机械构造用来举例说明本发明 的实施例，还可以使用其它备选的机械构造。图1示出了能够为患者14提供放射治疗的放射疗法治疗系统10。放 射疗法治疗可以包括基于光子的放射疗法、短程疗法、电子束疗法、 光子、中子或粒子疗法，或其它类型的治疗疗法。放射疗法治疗系统10包括机架18。机架18可以支持放射模块22，放射模块22包括放射源 24和线性加速器26，其可操作用来生成放射束30。虽然附图中示出的 机架18是环形机架，即其延伸通过整个360。的弧形从而生成完整的环 或圆，但是还可以采用其它类型的安装布置。例如，可以使用C型、部 分环形机架或机器人臂。可以使用能够在相对于患者14的各种旋转和/ 或轴向位置处定位放射模块22的框架。此外，放射源24可以在不遵循 机架18的形状的路线上移动。例如，即使示出机架18通常圆形，放射 源24可以在非圆形路线上移动。放射模块22还可以包括可操作用来修改或调制放射束30的调制装 置34。调制装置34提供放射束30的调制并把放射束30引导向着患者14。 具体而言，把放射束30引导向着患者的一部分。广泛来说，该部分可 以包括整个身体，但是通常比整个身体小并可由二维面积或三维体积 来勾画轮廓。期望接收辐射的部分，可以被称为靶38或靶区38，它是 关注区域的一个例子。靶38还可以包括围绕或部分围绕靶的边缘。其 它类型的关注区域是危险区域。如果某部分包括危险区域，则放射束 最好从危险区域转移。患者14可以具有不止一个需要接受放射疗法的 耙区。这种调制有时被叫做调强放射疗法("IMRT")。如图2所示，调制装置34可以包括准直装置42。准直装置42包括一 组颚件46，其定义并调节放射束30可以通过的孔50的尺寸。颚件46包 括上颚件54和下颚件58。上颚件54和下颚件58可移动以便调节孔50的尺寸。在一个实施例中，以及如图2所示，调制装置34可以包括多叶准直 器62,其包括多个交错的叶66，其可操作以从一个位置移动到另一个 位置以便提供强度叶调制。还应该注意，叶66可以被移动到最小和最 大打开位置之间的任意位置。多个交错的叶66在放射束30到达患者14 上的靶38之前调制放射束30的强度、尺寸和形状。每个叶66都由一个 诸如马达或空气阀的致动器70独立控制，以便叶66可以快速打开或关 闭从而允许或阻止射线通过。致动器70可以由计算机74和/或控制器控 制。放射疗法治疗系统10还可以包括检测器78，例如千伏或兆伏电压 检测器，其可操作用于接收放射束30。线性加速器26和检测器78还可 以操作作为X射线计算机断层摄影(CT)系统，以便生成患者14的CT 图像。线性加速器26向患者14中的靶38发射放射束30。靶38吸收一些 福射。检测器78检测或测量被靶38所吸收的辐射量。随着线性加速器 26绕着患者14旋转并发射辐射，检测器78从多个角度收集吸收数据。 收集的吸收数据被传送给计算机74，以便处理吸收数据并生成患者身 体组织和器官的图像。图像还可以示出骨骼、软组织和血管。可以利用具有扇形几何形状、多片几何形状或锥形束几何形状的 放射束30获得CT图像。此外，还可以利用实施兆伏电压能量或千伏电 压能量的线性加速器26获得CT图像。还应该注意，可以将所获得的CT 图像与先前获得的CT图像配准(来自放射疗法治疗系统10或其它图像 获得装置，诸如其他CT扫描仪、MRI系统以及PET系统)。例如，患者 14的先前获得的CT图像可以包括通过勾画轮廓过程完成的识别出的靶 38。可以将患者14的新获得的CT图像与先前获得的CT图像配准，以便 帮助识别新CT图像中的靶38。这种配准过程可以使用刚性或可变形配 准工具。在有些实施例中，放射疗法治疗系统10可以包括X射线源和CT图像检测器。X射线源和CT图像检测器以与上述线性加速器26和检测器 78相似的方式工作，以便获得图像数据。图像数据被传送给计算机74， 在此对其进行处理以便生成患者身体组织和器官的图像。放射疗法治疗系统10还可以包括支持患者14的患者支持件，诸如 治疗床82 (在图l中示出)。治疗床82沿着x、 y或者z方向上的至少一个 轴84移动。在本发明的其它实施例中，患者支持件可以是适于支持患 者身体任一部分的装置。患者支持件不限于必须支持整个患者身体。 系统10还可以包括可操作以操纵治疗床82的位置的驱动系统86。驱动 系统86可以由计算机74控制。在图2和3中示出的计算机74，包括用于运行各种软件程序和/或通 信应用程序的操作系统。尤其是，计算机74可以包括操作以与放射疗 法治疗系统10通信的(多个)软件程序90。(多个)软件程序90能够 操作以从外部软件程序和硬件接收数据，并且应该注意的是，还可以 把数据输入给(多个)软件程序卯。计算机74可以包括适于由医务人员访问的任何适合输入/输出装 置。计算机74可以包括诸如处理器、1/0接口以及存储装置或存储器的 典型硬件。计算机74还可以包括诸如键盘和鼠标的输入装置。计算机 74还可以包括诸如监视器的标准输出装置。此外，计算机74可以包括 诸如打印机和扫描仪的外围设备。计算机74可以与其它计算机74以及放射疗法治疗系统10联网。其 它计算机74可以包括其它和/或不同的计算机程序以及软件，而不必与 此处描述的计算机74相同。计算机74和放射疗法治疗系统10可以与网 络94通信。计算机74和放射疗法治疗系统10还可以与(多个)数据库 98和(多个)服务器102通信。应该注意，(多个)软件程序90还可以 驻留在(多个)服务器102上。可以根据任意网络技术或网络布局或技术和布局的组合来构建网络94，网络94可以包括多个子网络。图3中示出的计算机和系统之间的 连接可以通过局域网("LAN")、广域网("WAN")、公共交换电话 网络("PSTN")、无线网络、内联网、因特网或任意其它合适的网络 来构成。在医院或医疗设施中，图3中所示的计算机和系统之间的通信， 可以通过健康信息交换第七层协议("HL7")或任何版本的其它协议和 /或其它要求的协议来进行。HL7是规定两个来自不同卖方的计算机应 用程序(发送器和接收器)之间的接口的实施的标准协议，用于医疗 环境中的电子数据交换。HL7可以允许医疗机构交换来自不同应用程序 系统的重要数据集。尤其是，HL7可以定义将要交换的数据、交换的计 时以及与应用程序的出错通信。格式通常实质上是通用的并可配置为 满足所涉及应用程序的需要。图3中所示出的计算机和系统之间的通信还可以通过具有任意版 本的医学数字成像和通信("DICOM")协议和/或其它需要的协议来进 行。DICOM是由NEMA开发的国际通信标准，其定义了用来在医学设 备的不同件之间传输关于医学图像的数据的格式。DICOM RT指的是放 射治疗数据专用的标准。图3中的双向箭头通常表示在图3中所示出的网络94和任一计算机 74以及系统10之间的双向通信和信息传输。然而，对于某些医学和计 算机化设备来说，可能只需单向通信和信息传输。图4是软件程序90的示意图示。软件程序90包括多个互相通信以便 执行放射疗法治疗过程的功能的模块。软件程序90包括治疗计划模块106，其可操作用于根据医务人员输 入到系统10的数据为患者14生成治疗计划。数据包括患者14的至少一 部分的一个或多个图像(例如计划图像和/或治疗前图像)。治疗计划模块106把治疗分成多次，并根据医务人员输入的处方为每次或每个治疗确定放射剂量。治疗计划模块106还根据围绕靶38画出的各种轮廓为 耙38确定放射剂量。在同一治疗计划中可以出现并包括多个靶38。软件程序90还包括患者定位模块110，其可操作用来为特定次的治 疗相对于机架18的等中心定位并对准患者14。当患者在治疗床82上 时，患者定位模块110获取患者14的图像并对患者14的当前位置和 患者在计划或先前获得的图像中的位置进行比较。如果需要调整患者 的位置，患者定位模块IIO就提供指令给驱动系统86以便移动治疗床 82，或者把患者14手动地移动到新位置。在一个方面中，患者定位模块110可以从位于治疗室内的激光器 接收数据，以便提供相对于机架18的等中心的患者位置数据。根据 来自激光器的数据，患者定位模块110向驱动系统86提供指令，驱动 系统86移动治疗床82以获得患者14相对于机架18的正确对准。应 该注意到，除了激光器之外的装置和系统也可用于向患者定位模块110 提供数据以有助于对准过程。患者定位模块110还可操作用来检测和/或监视患者在治疗期间的 动作。患者定位模块110可以与动作检测系统114通信和/或包括动作 检测系统114,诸如X射线、室内CT、激光定位装置、照相机系统、 肺活量计、超声、张力测量、胸带等等。患者动作可以是无规律的或 者预料不到的，并且不需按照平滑的或者可再现的路径。软件程序卯还包括图像模块118，其可操作用来获取患者14的至 少一部分的图像。图像模块118可以根据期望协议在治疗开始之前、 治疗期间、和治疗之后，指示诸如CT成像装置的机载图像装置以获取 患者14的图像。在一个方面中，图像模块118在患者14基本上处于 治疗位置的同时获取患者14的图像。还可以使用其它离线成像装置或 者系统来获取患者14的治疗前图像，诸如非定量CT、 MRI、 PET、SPECT、超声、透射成像、荧光检査、基于RF的定位等等。所获取的 (多个)治疗前图像可以用于患者14的配准和/或生成变形映射，以便识别在一个或多个计划图像与治疗前、治疗期间或者治疗后图像的一 个或多个之间的差异。获取的图像还可以被用于患者14的配准和/或确定或者预测将要 实施到患者14的放射剂量。获取的图像还可用于确定患者在先前的治 疗期间或者在先前次治疗期间接收的放射剂量。图像模块118还可操 作用来在患者正在接收治疗的同时获取患者14的至少一部分的图像， 以便确定患者14正在实时接收的放射剂量。软件程序90还包括可操作用来接收数据的变形模块122，该数据 诸如来自图像模块118以及治疗计划模块106的图像数据，及来自治 疗计划模块106的其他患者和系统数据，以便生成图像的变形映射。 变形模块122可以使用变形技术确定所有实施的治疗的放射剂量的累 积。变形模块122可以生成变形映射，以便识别在一个或多个图像之 间的差异，这些图像例如计划图像、治疗前图像、治疗期间图像和治 疗后图像。例如，可以使用变形映射来把多个图像关联起来，其中一 个图像是可用于剂量计算的计划图像，而诸如在线图像的另一个图像 具有定性值但很少直接用于剂量计算。随后，这种关系可以用来把更 定量的图像"再映射"到在线或者更少定量的图像的定性形状。所得 到的再映射的图像将比另外两个图像中的任何一个都更适合剂量计算 或者定量性的应用，因为它将具有第一图像的定量性益处并且也具有 如包含在第二图像中的更新后的解剖信息。这在很多情况下都很有用， 诸如第一图像(例如计划图像)是CT图像而第二图像缺乏定量性图像 值时(例如MRI、 PET、 SPECT、超声、或者非定量性CT等图像)。代替或者除定量性限制之外，变形模块122也可以校正几何失真、不完美、和/或不完备。例如，较好地表示解剖结构但包括几何失真的 当前的MRI图像可以被再映射到不失真的CT图像。或者，可使用多 个图像来在表示解剖变化的同时校正失真。变形映射可用于计算在计划图像之后获取的患者图像上的放射剂 量。其还可用于累积多次实施的剂量。可以根据剂量在身体空间中的位置来对剂量进行相加，但另一种方法将把变形方法结合到该过程中， 以便即使结构已经改变了位置也能根据接收剂量的结构来对剂量进行相加。变形模块122可以计算患者14已经从先前实施的放射次接收的辐射的剂量。可以为了勾画耙38周围的轮廓生成变形映射。软件程序90可以 包括可用操作来在图像上生成一个或多个轮廓的轮廓模块126。通常， 医务人员手动地在计划图像上勾画靶38周围的轮廓。该过程费时。新 获取的图像(例如治疗前图像)不具有勾画的轮廓。希望能够根据旧 图像在新图像上生成轮廓。变形映射可用于帮助勾画轮廓过程，并能 够在提供质量保证措施的同时为医务人员节约时间。还可以为新图像(例如治疗前图像)自动地或者半自动地生成轮 廓。该过程始于计划或者其它具有初始轮廓集的基准患者图像。当执 行质量保证或者适应性疗法时，通常具有轮廓尚不可用的新图像。不 是要求医务人员手动地勾画新图像的轮廓，而是可以更迅速更一致地 执行可变形图像配准，然后使用该变形结果作为基础来修改初始轮廓 集，以便反应新的患者解剖结构。通常，已知地，手动轮廓会遭受不 可再现性，而自动生成的轮廓可能在对后续轮廓的生成应用初始轮廓 的原理时更一致。已经开发出类似的基于模版的勾画轮廓算法的族，以便根据先前 可用的图像和轮廓集为新的可用图像生成轮廓。这些基于模板的算法 可以根据先前的患者图像和轮廓，或者可以根据规范或者图谱患者图像和轮廓，来勾画新患者图像的轮廓。可以为适应性疗法执行这些， 作为累积在每日图像中的剂量的方法，其中每日图像的每一个具有自 动每日轮廓。本发明的一个方面是，对放射疗法质量保证和适应性疗 法应用基于变形的轮廓勾画或者基于模板的轮廓勾画。在该方面，本 发明把这些技术应用到在图像引导放射疗法期间出现的特定大量图像 数据和图像类型上。具体地说，这包括相同患者的多个图像的变形和 基于模板的轮廓勾画，其中轮廓集可能只为一个图像存在。患者的多 个图像可以通过使用在线或者室内患者成像系统生成，图像可能在不 同日期得到，或者这些图像可以由诸如CT扫描仪的"4D"成像系统 得到，其中每个图像都表示动作的相，诸如呼吸相。还应注意，在线 或者室内成像系统可以是与参考图像相同的、类似的或者不同的模态 (modality)。例如，参考图像可以是CT图像，而在线图像可以是CT 图像、锥形束CT图像、兆伏CT图像、MRI图像、超声图像、或者由 不同的系统或装置生成的图像。通过把这些轮廓勾画的技术转用到质 量保证和适应性疗法的应用，可以从图像的轮廓勾画节省相当可观的 时间，而该方法还可以提高同一患者的多个图像(在不同时间获得或 表示不同相)之间的轮廓的一致性。该过程的另一个好处是生成的轮廓提供了对变形过程的验证。如 果生成的轮廓紧密地反映了会手动绘出的轮廓，则是变形过程合理的 良好指示；然而如果自动轮廓较不相关，则向医务人员指出该变形可 能不合适，并向医务人员提供检验手动轮廓以便检查错误或者不一致 的机会。本发明的另一个方面是，基于变形的轮廓可以用作适应性过 程的轮廓的草图，并被手工编辑以便反映在线图像的期望轮廓。当执 行这些时，可以由此重新运行变形过程，限制变形映射以便使初始轮 廓与手动编辑的自动轮廓匹配，这有助于通过其余的图像来导向(direct) —致的结果。在把一个图像配准到另一个图像的情况下描述以上的变形过程 时，其还可通过可变形地把一组两个或多个图像与另一组一个或多个图像配准来作用。例如，如果有两对图像，每对包括MRI和CT图像， 则变形映射能够在MRI具有更多信息的区域把两个MRI图像配准到一 起，并在CT具有更多信息的区域把两个CT图像配准到一起。由此 能把这些变形组合起来。或者图像之间的变形映射可以一起使用，例 如用于使用CT变形映射来校正MRI图像和变形中的几何失真、不完 美、和/或不完备，在校正该失真、不完美、和/或不完备之后，使用 MRI变形映射以更好地分析软组织的动作。 一般来讲，该过程通过变 形使成像得到了改善，因为通过应用表示像解剖尺寸、形状、和内容 的信息的变形技术，可以更好地理解不良图像，由此得到了改善。该 信息可以被结合到图像重建、修改、或者增强过程中。软件程序90还包括建模模块130，其可操作用来为特定的治疗生 成和应用生物学模型以评估生物效用。生物学模型可以基于描述辐射 对组织、肿瘤以及器官的效用并利用对规定或者实施的剂量的认识的 测量结果和模型。建模模块130可以应用生物学模型来确定患者效用， 以及患者的位置和/或运动对于规定放射剂量的实施的影响。根据生物 效应，医务人员可以调整患者14、系统设置、或者对治疗计划进行其 它调整。可以在患者配准过程中结合生物信息，以便识别使发射剂量 具有优选生物效用的患者14的优选位置。建模模块130可以使用关于实际实施到患者的放射剂量以及所实 施的放射剂量的生物效用的数据，以便应用生物学模型把实施到患者 的放射剂量和相应的患者效用关联起来。把放射剂量和患者效用关联 起来，意味着简单的比较或者对生物学模型的主动约束(active constraint)。实施的净放射剂量(利用变形技术累积的)可用于评估 继续该治疗将得到的生物效用，而且，可以为优选的生物效用来评估 用于修改治疗的可能备选。所得到的分次放射治疗进度表、剂量分布 以及计划，可以反映信息的该顶点(culmination)。可以通过对患者的身体观察和/或利用生物跟踪器，来随着时间流逝跟踪患者或确定患者或生物效用。例如，生物跟踪器可以包括患者 14能够吞入和/或被注入到患者14中的患者标记和放射性材料。本发明的一个方面是利用具有变形和适应性疗法的组合的生物学 模型。特别是，当作为适应性疗法的一个方面累积辐射剂量时，最好 使用变形技术，因为这有助于把实际接受的剂量与特定的组织关联起 来，而不是与身体空间关联起来。假定这样，希望根据剂量导致的生物效应来分析接收的剂量，而不是完全根据物理(physical)剂量的量 来分析接收的剂量。基于剂量累积的生物学和变形的特定扩充，适用于4D图像和4D 剂量计算的情况。"4D"图像是3D图像容积的集，每个3D图像容 积表示动作样式的"相"，诸如呼吸。可以通过利用生物学评估器根 据依赖于动作的剂量分布来评估依赖于动作的生物效用，从而增强在 4DCT(或4DMRI等)图像的合适部分上的患者动作和剂量计算。建 模模块130可以更准确地在3D容积其中一个上面重新计算剂量。建模模块130可操作用来接收患者数据(实时和历史性的)、患 者图像(例如计划图像和/或治疗前图像)、患者位置数据、解剖位置 数据、以及系统或者机器数据。建模模块130可以通过下述方法来确 定实施到患者14的放射剂量的量利用来自动作检测系统114的数据 来识别患者在任一给定时间所处的相，以及每次在与患者的瞬时位置 最匹配的4D CT图像的相中则重新计算放射剂量。根据对患者实际正 在接收的放射剂量的量的更好的理解，医务人员可以调节治疗计划、 治疗期间的患者位置/配准、剂量量、剂量分布、以及其它参数和系统 设置。还可以在更新后的4D CT图像以及诸如治疗前或治疗期间获得 的4D PET或4D MRI的其它类型的4D图像上执行剂量计算。可以在治疗结束和/或治疗的疗程期间执行应用生物学模型的过 程，以便可以检测并校正任何差异。在一种实施中，实施的总净放射剂量(利用变形技术累积的)被用于评估继续该治疗对患者14产生的 生物效用，也可以为优选的生物效用评估用于修改治疗的可能备选。 可以修改得到的分次放射治疗进度表、剂量分布以及计划，以便反映 信息的该顶点(culmination)。可以结合的附加信息是贯穿治疗所看到 的或者来自规范的患者研究的动作的范围、大小以及分布。可以执行 治疗计划的优化或者适应性修改，以便解决该动作的生物效用，还可 以修改计划以便最好地解决它。类似地，基于生物学的适应性疗法不 必依靠物理剂量信息，而是可以利用对化学疗法剂(chemotherapy agent)实施的了解，尤其是利用可以用PET、 SPECT或者其它原子医 学设备成像的标记剂。可以根据实施的其他剂、它们的位置，或根据 放射免疫疗法实施或者反馈，来定义或者修改剂量瞄准。该过程可以被扩展为不仅持续整个治疗期间，还可以被扩展为在 患者的寿命期间跟踪患者剂量和生物效用的方法。建模模块130可以 生成在患者的寿命期间接收的放射剂量的模型，并可以结合剂量历史、 预期生物恢复、生物效用及其他参数。当为患者14设计新放射疗法治 疗计划及其他医疗计划时，可以利用对该历史的了解。还可以结合生物信息以供患者配准之用。该方法改善了当前的配 准方法，其中在线图像被用来根据图像内容、计划的剂量分布、计划 轮廓等来对准患者。在一个实施例中，该方法将会收集在线图像，自 动勾画它的轮廓(可以使用上面讨论的基于变形的技术)，执行预测 剂量计算，以及然后为给定的患者位置评估生物效用。利用该模型， 能基于找到导致实施剂量产生最佳或者优选的生物效用的图像位置， 来执行配准。本发明的另一个方面是，为了生物学评估的目的，使用可用的先 验知识来更好或更容易地识别结构。例如，生物学模型通常要求在图 像中的组织类型或者结构的定义，因为不同类型的结构可以对放射剂 量产生不同的反应。通过在患者质量保证和适应性疗法的情况下执行生物学分析，通常假定具有计划图像和初始轮廓。由此，当收集新的 在线图像时，在该图像中的结构可以不仅根据原始图像信息还根据相 对于先验图像的图像处理被自动识别为特定的生物结构。通过监视响应于实施剂量和/或修复机制的剂的生物摄取的变化， 还可以更直接地把生物建模方法应用到剂量重建。例如，FLT可以用 于生物剂量重建，其可以与利用生物学模型的物理剂量重建进行比较。适应性生物疗法还可以与遗传测试(genetic testing) —起使用， 因为遗传测试能够识别其它成像模态还不能检测到的细胞水平发生转 移的患者。适应性疗法可以施加到这些患者以便基于病历和剂量测定 估算来估算何处已经接收了剂量、转移的可能区域，由此确定将要向可能的转移区域实施剂量的治疗计划。本发明的另一个方面是,不仅可以单独根据接收的辐射剂量来应 用适应性疗法，还可以根据在患者治疗中的预测趋势、临床结果、机 器变化、和/或生物标记来应用适应性疗法。例如，如果检测到肿瘤正 在縮小或者正常的组织结构正在逐渐转移的趋势，则适应性计划过程 不仅能解决患者的当前状态和到目前为止实施的剂量，还可以生成反 映解剖结构的预期进一步变化的计划。类似地，当在治疗的疗程期间 分析累积剂量信息时，医务人员还可以考虑患者正在遭受的临床效用 和副作用的水平，或者根据临床发现或者根据可用的生物标记或者测 试。如果几乎感觉不到副作用，就继续进行更积极的适应性疗法治疗， 然而如果检测到更多并发症，就可以修该该疗法以更好地避免影响区 域。此外，可以修改计划来补偿检测到的机器变化，诸如输出、能量 或者校准的变化。该方面的变化是执行放射活组织检査(radiobiopsy)。在治疗早期， 或者在辐射治疗完全开始之前，患者14可以接收一次对局部区域的大 剂量辐射治疗，或者可以接收只对局部区域的剂量的辐射治疗。可以监视对于该区域的生物效用，以便确定该区域的性质，诸如是否为肿 瘤性的以及是什么类型。可以根据这些结果，来确定治疗的合适疗程， 并把已经实施的剂量结合到计划过程中。软件程序90还包括治疗实施模块134，其可操作用来指示放射疗 法治疗系统10根据治疗计划向患者14实施放射疗法。治疗实施模块 134可以生成并传送指令给机架18、线性加速器26、调制装置34以及 治疗床驱动系统86，以便向患者14实施辐射。该指令协调机架18、 调制装置34以及治疗床驱动系统86的需要运动，以便按照治疗计划 中规定向正确的靶以正确量实施辐射束30。治疗实施模块134还计算将要实施的放射束30的合适的样式 (pattern)、位置以及强度，以便与治疗计划规定的处方匹配。放射束 30的样式由调制装置34生成，具体而言是通过多叶准直器中的多个叶 的运动生成。治疗实施模块134可以根据治疗参数使用规范的、预定 的或者模板叶样式来生成放射束30的合适的样式。治疗实施模块134 还可以包括可以被访问的典型情况的样式库，其中与当前患者数据进 行比较以便确定放射束30的样式。图5示出了根据本发明一个实施例的修改放射疗法治疗计划的方 法的流程图。医务人员根据患者数据、图像或者其它信息为患者14生 成(在200)治疗计划。当患者14准备好治疗时，医务人员在实施治 疗之前利用患者定位模块110的协助，把患者14定位(在204)在治 疗床82上。当患者在治疗床82上的同时，医务人员开始(在20S)获 取患者14的一个或多个图像。正确地定位患者14之后，医务人员启 动(在212)治疗计划的实施。在治疗计划的实施之前、期间和/或之 后，变形模块118执行(在216)患者14的一个或多个图像的可变形 配准。建模模块130获取(在220)关于实施到患者的放射剂量的数据。 建模模块130应用(在224)将实施的放射剂量与患者效用相关联的生 物学模型。建模模块130还根据可变形配准和生物学模型来修改/更改(在228)放射疗法治疗计划。在下列权利要求中陈述了本发明的各种特征和优点。
权利要求
1.一种修改治疗计划的方法，该方法包括为患者准备治疗计划；获取所述患者的图像；执行所述图像的可变形配准；获取关于实施到所述患者的放射剂量的数据；应用生物学模型来将实施的所述放射剂量和患者效用相关联；以及根据所述可变形配准和所述生物学模型来修改所述治疗计划。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述治疗计划是放射疗法 治疗计划。
3. 根据权利要求l所述的方法，还包括根据所述放射剂量对于所 述患者的效用来调整所述生物学模型。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，能够利用患者标记和生物 跟踪器中的一个来确定所述放射剂量对于所述患者的所述效用。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括在一段时间期间跟踪所 述患者效用如何与所述生物学模型相关联。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述一段时间是所述患者 的寿命。
7. 根据权利要求5所述的方法，还包括根据所述关联来调节生物 学模型参数。
8. 根据权利要求l所述的方法，还包括根据所述患者效用来修改所述治疗计划。
9. 根据权利要求l所述的方法，还包括评估所述患者的关注区域 是否移动，并且其中，修改所述治疗计划的行为结合与所述关注区域 的移动有关的信息。
10. 根据权利要求1所述的方法，还包括根据先前治疗中实施 到所述患者的所述放射剂量的所述患者效用，来定位所述患者以供治 疗。
11. 根据权利要求1所述的方法，还包括监视所述患者效用的趋 势并根据所述趋势来修改所述治疗计划。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述修改所述治疗计划的行为还包括自动选择用于评估的生物学模型，并自动应用所述生 物学模型来修改所述治疗计划。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物学模型是数学 模型。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物学模型是经验 模型。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物学模型是基于 解剖影响的生物效用。
16. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物学模型基于患 者度量。
17. 根据权利要求1所述的方法，还包括执行遗传测试，以便识别正在被治疗的患者情况是否易于重新发生。
18. —种向患者实施放射疗法的方法，该方法包括 当患者在第一位置的同时，获取所述患者的至少一部分的在线图像；计算将要实施到所述患者的预测放射剂量；以及应用生物学模型来确定所述预测放射剂量对所述第一位置中的所 述患者产生的生物效用。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括在所述图像中围绕关 注区域的至少一部分生成轮廓。
20. 根据权利要求19所述的方法，还包括确定向所述轮廓内的 所述关注区域实施所述预测放射剂量对所述患者产生的所述生物效 用。
21. 根据权利要求19所述的方法，其中，生成所述轮廓的行为包 括在两个图像之间生成变形映射，识别在所述图像的一个图像中的勾画的结构，以及 应用所述变形映射来将来自所述一个图像的所述勾画的结构关联 到另一个图像上，从而生成基于变形的勾画的结构。
22. 根据权利要求21所述的方法，还包括修改所述基于变形的 勾画的结构，并响应于修改所述基于变形的勾画的结构的行为，来更 新所述变形映射。
23. 根据权利要求21所述的方法，还包括根据先前获取的轮廓 和结构，来识别所述轮廓中的生物物质。
24. —种能够由计算机执行的计算机程序，其包含于计算机可读介质中，该计算机程序用于治疗系统中，该计算机程序包括 治疗计划模块，可操作用来为患者生成治疗计划； 图像获取模块，可操作用来获取所述患者的至少一部分的图像； 变形模块，可操作用来生成所述图像的至少两个图像之间的可变形配准；以及建模模块，可操作用来将实施到所述患者的放射剂量和所述放射 剂量对所述患者产生的效用相关联，并且根据所述可变形配准和生物 学模型来修改所述治疗计划。
全文摘要
一种修改放射疗法治疗计划的系统和方法。该方法包括下述步骤为患者准备治疗计划，获取患者的图像，执行图像的可变形配准，获取关于实施到患者的放射剂量的数据，应用把实施的放射剂量和患者效用关联起来的生物学模型，根据可变形配准和生物学模型来修改放射疗法治疗计划。
文档编号A61N5/10GK101267858SQ200680034655
公开日2008年9月17日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年7月22日
发明者保罗·J·莱克韦德, 卢卫国, 古斯塔沃·H·奥利弗拉, 托马斯·R·麦克基, 杰弗里·M·卡帕拓斯, 肯尼斯·J·卢卡拉, 艾里克·斯楚纳尔 申请人:断层放疗公司