用于递送放射治疗的运动自适应优化的系统和方法

专利名称：用于递送放射治疗的运动自适应优化的系统和方法
用于递送放射治疗的运动自适应优化的系统和方法相关申请本申请要求于2009年3月5日提交的序号为12/398，869的美国专利申请和于 2008年10月27日提交的序号为12/259，038的美国专利申请的优先权。所述两个申请的全部内容在此并入作为参考。
背景技术：
众所周知肿瘤在放疗疗法治疗的递送期间和之间会发生移动(Webb，2006a， Langen和Jones，2001)。报导过的实时运动补偿法主要基于循迹。亦即，通过如所计划那样在相同时间将相同强度的放射束置于肿瘤基准帧中的相同位置上，有效实现补偿。这些方法通过直线加速器循迹(Nuyttens等，2006，Murphy，2004)、MLC循迹(Keall等，2001， Keall等，2006，Neicu等，200 或治疗床循迹(D' Souza等，200 来执行，并且可以表征为硬件解决方案。Papiez 等(Papiez 等，2005，Papiez 和 Rangaraj，2005，Papiez 等，2007，Papiez 等，1999，Papiez 和 Timmerman, 2008，Papiez 等，1994，Papiez 和 Langer, 2006，Papiez 等， 2002, Papieza, 2004) ,McMahon ^ (McMahon 等，2007a，McMahon 等，2007b)和 Webb 等(Webb 和Birmie，2006，Webb，2006b)将肿瘤运动结合到动态MLC叶片速度优化中。这些方法被认为是运动补偿的软件途径。基于循迹的方法旨在一旦检测到运动，即可完全和即时地补偿运动误差。这样的方案被认为是开环方法，因为它们并没有明确地模拟来自硬件限制和/或预测的补偿误差。这些开环循迹方法对硬件例如MLC、直线加速器或治疗床等的速度和位置准确度，以及对运动预测的准确度，有着非常高的要求。

发明内容
现有技术中的调强放射治疗(“IMRT”)递送遵循所计划的叶片序列。所述叶片序列在治疗计划期间进行优化，其采取一定的治疗构型，包括患者摆位、解剖结构和生理状态。但是，难以在治疗计划过程期间准确地模拟实时治疗构型，例如患者呼吸。治疗递送条件与计划条件的偏差导致未达最佳剂量分布。特别是，对移动中的肿瘤进行的IMRT递送， 本质上是动态的，会导致在整个肿瘤体积上的热和冷点。由于分次内(intra-fraction)运动的复杂性，这种运动不仅是患者特有的，而是对于同一患者而言也在这一秒到下一秒之间变化，导致肿瘤运动的精确建模乃至长期预测仍然是不可实行的任务。但是，实时运动补偿因为它并没有非常依赖于关于分次内运动的先验知识或假设，反而是有前途的。本发明包括IMRT递送的闭环反馈系统，它结合实时优化来应对累积误差和适应未来放射。已经开发了用于放射治疗递送的实时运动自适应优化(“ΜΑΟ”)的可行工作流程。放射治疗递送的特点在于多个投射。MAO引导下的递送恰在每个投射的递送之前， 更新运动编码的累积剂量并优化叶片序列。MAO技术包括几个实时程序，包括运动检测和预测、递送的剂量累积、未来剂量估算和投射优化。当实时执行MAO时，这些程序将在少于一个投射的时间中施行。这些MAO程序的测试花时不到100ms。利用模拟的ID情形、真实的治疗计划和来自临床上肺和前列腺患者的运动迹线， 将MAO引导的递送与两个其它类型的递送相比较，该两个其他类型的递送为运动无补偿递送(MD)和静态递送(SD)。结果显示，所提出的MAO技术有效补偿了所有测试病例的运动误差。无论运动是规则或不规则的呼吸，还是小或大的前列腺运动，MAO引导的递送的剂量分布和DVH很好地达到了 SD的水平。那些结果从概念上证明了所提出的方法适用于放射治疗递送中的实时运动补偿。 实时优化的方法可以用于自适应放射治疗(ART)，以补偿各种各样的递送误差。在一个实施例中，本发明提供了递送放射疗法治疗的方法。所述方法包括生成患者的治疗计划和将患者定位以接收放射。机器参数基本上被实时监视。监视机器参数包括分析关于所述机器参数的信息和所述参数如何影响递送给患者的剂量。至少一部分治疗计划基本上实时地进行优化，以结合来自所监视的机器参数的所分析的信息。所述方法进一步包括向患者递送优化的治疗计划的至少一部分。本发明的其它方面将通过考虑具体说明和附图而变得明白。


图1是放射疗法治疗系统的透视图。图2是可用于图1所示的放射疗法治疗系统的多叶片准直仪的透视图。图3是图1的放射疗法治疗系统的示意图。图4是用于放射疗法治疗系统的软件程序的示意图。图5是示出实时MAO引导的放射治疗递送的流程图。图6示出了运动u沿着叶片方向(cos (Φ-π/2)，8 η(φ-π/2),0)的投影，其中 Φ是源方向的角度。图7示出了实时MAO时间线。对第η个投射的优化发生在第(η_1)个投射中。完成了优化之后，将结果在第η个投射开始之前发送到机器以递送指令。图8图形示出了 ID矩形剂量剖面曲线(profile)的实时MAD递送的仿真结果。图9图形示出了实时MAO引导的递送的仿真结果。图10图形示出了实时MAD递送的仿真结果，其中上图中的运动模拟了 Lujan型规则呼吸，T = 4. 3sec, A = 20mm, b = 0，和 η = 3。图11图形示出了实时MAO引导的递送的仿真结果。图12图形示出了从真实的肺癌患者测量的呼吸迹线(上图)的仿真结果。图13图形示出了实时MAO引导的递送的呼吸迹线的仿真结果。图14图形示出了对M-形计划弦图(sinogram)的仿真结果。图15示出对于处于螺旋断层放射疗法治疗下的肺癌患者进行不同递送方法的 DVH比较。图16示出对于在不同呼吸迹线下的处于螺旋断层放射疗法治疗下的肺癌患者进行不同递送方法的DVH比较。图17示出图16所示病例的剂量分布。
图18示出对于处于螺旋断层放射疗法治疗下的前列腺癌患者进行不同递送方法的DVH比较。图19示出对于正在经历分次内前列腺运动的前列腺患者进行不同递送方法的 DVH比较。图20示出对于正在经历分次内前列腺运动的前列腺患者进行不同递送方法的 DVH比较。图21示出图20所示病例的剂量分布。图22是示出实时ART的流程图。图23是示出根据本发明的能够操作以优化治疗计划的动态编程环路的流程图。具体说明在详细解释本发明的任何实施例之前，要理解，本发明没有将其应用局限于以下说明书中阐明或以下图中显示的结构细节和部件布置上。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式实践或执行。此外，要理解，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的，不应该被认为是限制。本文中使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变型意味着包涵此后列出的项目及其等价物以及附加项。除非指定或以其它方式加以限制，术语“安装的”、“连接的”、“支持的”和“偶联的”及其变型以广义使用，并包涵直接和间接的安装、连接、支持和偶联。虽然对图进行说明时在本文中，可以进行方向参照，例如上、下、向下、向上、向后、 底、前、后等等，，这些参照是为了方便起见相对于图(按照正常观看)做出的。这些方向不准备从字面取意，或以任何形式限制本发明。另外，术语例如“第一”、“第二”和“第三”在本文使用是为了说明的目的，不意图表示或暗示相对重要性或意义。另外要理解，本发明的实施例包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论起见， 对它们的说明和描述可以视为大部分部件只在硬件中实行一样。但是，本领域的普通技术人员在阅读本详细说明书的基础上，将认识到，在至少一个实施例中，本发明基于电子的方面可以在软件中实行。因此，应注意，可以利用以多个硬件和软件为基础的装置以及多个不同的结构部件来实行本发明。此外，并且如后面的段落所述，在图中示出的特定机械构造是打算例示本发明的实施例，其它的替代机械构造也是可能的。图1示出可以向患者14提供放射疗法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，近距放射疗法，电子束疗法，质子、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可以包括放射源M和线性加速器26 (也称为“直线加速器”)，可用于产生放射束30。 虽然图中显示的机架18是环形机架，S卩，它延伸通过整个360°弧以产生完整的环或圈，但其它类型的安装布置也可以使用。例如，可以使用C-型、部分环形机架或机械臂。也可以采用能够将放射模块22定位在相对于患者14的各种旋转和/或轴向位置处的任何其它框架。另外，放射源24可以沿着不遵循机架18形状的路线行进。例如，放射源对可以沿着非圆形路线行进，虽然所示出的机架18通常是圆形的。所示出的实施例的机架18限定了机架孔32，治疗期间患者14移动到该机架孔32中。放射模块22还可以包括调制装置34，其可用于修改或调制放射束30。调制装置 34提供放射束30的调制并将放射束30导向朝着患者14。具体地说，放射束34被导向朝着患者的部位38。宽泛地讲，该部位可以包括整个身体，但是通常小于整个身体并可以由二维面积和/或三维体积来限定。需要接受放射的部位或区域，可以称为靶或靶区，是感兴趣区的例子。另一种感兴趣区是危及区。如果部分中包括危及区，则放射束优选偏转离开该危及区。这样的调制有时称为调强放疗(“IMRT”)。调制装置34可以包括图2所示的准直装置42。该准直装置42包括一组颚件46， 它们限定并调整了可以通过放射束30的孔径50的大小。颚件46包括上颚件M和下颚件 58。上颚件M和下颚件58可以移动，以调整孔径50的大小。颚件46的位置调节递送给患者14的束30的形状。在一个实施例中，和在图2中示出，调制装置34可以包含多叶片准直器62 (也称为“MLC”)，该准直器包括多个交错的叶片66，可用于从一个位置移动到另一个位置，以提供强度调制。还要注意，叶片66可以移动到最小和最大打开位置之间的任何位置。多个交错的叶片66在放射束30到达患者14上的部位38之前，调制放射束30的强度、大小和形状。各个叶片66由致动器70、例如电动机或空气阀独立控制，以便叶片66可以迅速开闭， 以容许或阻断放射线的通过。致动器70可以由电脑74和/或控制器来控制。放射疗法治疗系统10还可以包括检测器78，例如千伏或兆伏检测器，用于接收放射束30，如图1所示。直线加速器沈和检测器78还可以作为计算机X射线断层摄影(CT) 系统操作，以产生患者14的CT图像。直线加速器沈向着患者14中的部位38发出放射束30。部位38吸收部分放射。检测器78检测或测量被部位38吸收的放射量。在直线加速器沈围绕患者14旋转并向着患者14发出放射线的同时，检测器78从不同角度采集吸收数据。采集的吸收数据被传送到计算机74以处理该吸收数据并产生患者的身体组织和器官的图像。图像还可以显示骨、软组织和血管。系统10还可以包括患者支撑装置，例如治疗床82，其可用于在治疗期间支撑患者14的至少一部分。虽然所示出的治疗床82被设计成支撑患者14的整个身体，但在本发明的其他实施例中，患者支撑物不需要支撑整个身体，而是可以设计成在治疗期间只支撑患者14的一部分。治疗床82沿着轴84(即Y轴) 移入和移出放射场。治疗床82还能够如图1所示沿着X和Z轴移动。图2和3中所示的计算机74包括运行各种软件程序和/或通讯应用程序的操作系统。特别是，计算机74可以包括(一个或多个)软件程序90，用于与放射疗法治疗系统 10通讯。计算机74可以包括适于由医务人员访问的任何适当的输入/输出装置。计算机 74可以包括典型的硬件例如处理器、I/O接口和存储装置或存储器。计算机74还可以包括输入装置，例如键盘和鼠标。计算机74还可以包括标准输出装置，例如监视器。另外，计算机74可以包括外围设备，例如打印机和扫描仪。计算机74可以与其它计算机74和放射疗法治疗系统10联网。其它计算机74可以包括另外的和/或不同的计算机程序和软件，不需要与本文描述的计算机74 一致。计算机74和放射疗法治疗系统10可以与网络94通讯。计算机74和放射疗法治疗系统10还可以与(一个或多个)数据库98和(一个或多个)服务器102通讯。要注意(一个或多个)软件程序90还可以驻留在(一个或多个)服务器102上。网络94可以按照任何联网技术或布局或者技术和布局的组合来建立，并可以包括多个子网络。图3显示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、因特网或者任何其它适当的网络来实现。在医院或医疗护理机构中，图3显示的计算机和系统之间的通讯可以通过健康信息交换第七层协议(“HL7”)协议或任何版本的其它协议和/或其它需要的协议来实现。HL7是标准协议，规定了来自不同卖方的两种计算机应用程序(发送器和接收器)之间接口的实现，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的应用系统的关键数据集。具体地说，HL7可以定义要交换的数据、互换的时间和误差到应用程序的通讯。该格式在本质上通常是通用的，并可加以配置以满足所涉及的应用的需要。图3所示的计算机和系统之间的通讯还可以通过任何版本的医疗数字成像和通讯(DICOM)协议和/或其它需要的协议来产生。DICOM是NEMA建立的国际通讯标准，定义了用于在不同件的医疗设备之间传送医学图像相关数据的格式。DICOM RT表示放射疗法数据专用的标准。图3中的双向箭头通常表示图3中显示的网络94与计算机74和系统10中任何一个之间的双向通讯和信息传输。但是，对于有些医疗和计算机化设备，可能仅仅需要单向通讯和信息传输。软件程序90 (在图4中以方框图形式示出)包括多个模块，它们彼此通讯以执行放射疗法治疗过程的功能。各种模块也彼此通讯以判断放射疗法治疗计划的递送是否如预期发生。软件程序90包括治疗计划模块106，用于根据医务人员向系统10的数据输入来产生患者14的治疗计划。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将治疗分成多个分次(fraction)，并根据医务人员的处方输入确定各个分次或治疗的放射剂量。治疗计划模块106还确定部位38的放射剂量。放射剂量可以基于在部位38周围勾画的各种轮廓，所述各种轮廓限定部位38周围的边缘。多个部位38可以存在并包括在相同的治疗计划中。治疗计划包括向患者递送放射的多个投射。治疗计划模块106还可用于限定各个投射的时间段。治疗计划模块106能够调整超出所有投射的总时间段的各个投射的时间段，以置入缓冲器中来递送治疗计划。换句话说，治疗计划模块106可以有意不充分利用递送能力，使得能够有更多的再优化机会。软件程序90还包括图像模块108，其可用于获取患者14的至少一部分的图像。图像模块108可以指示机载图像装置，例如CT成像装置，以根据期望方案在治疗开始之前、治疗期间和治疗之后获取患者14的图像。在一个方面，图像模块108在患者14基本上处于治疗位置的同时获取患者14的图像。其它离线成像装置或系统可用来获取患者14的治疗前图像，例如非定量CT、MRI、PET、SPECT、超声、透射成像、荧光透视法、基于射频的定位等等。 获得的(一个或多个)治疗前图像可用于患者14的配准和/或用于产生变形图，以识别在一个或多个计划图像与一个或多个治疗前、治疗期间或治疗后图像之间的差别。获得的图像还可用于患者14的配准和/或用于确定或预测要递送给患者14的放射剂量。获得的图像还可用于确定患者14在先前治疗或分次照射期间接收的放射剂量。图像模块108还可用来在患者14接收治疗的同时获取患者14的至少一部分的图像，以确定患者14实时接收的放射剂量。软件程序90还包括优化模块110，其可用于在治疗递送之前和期间优化治疗计划。治疗递送期间的实时优化最好要考虑各种因素，例如患者解剖和生理变化(例如呼吸及其他移动等等)和机器配置改变(例如射线束输出因数，治疗床误差，叶片误差等等)。 射束强度的实时修改可以应对这些改变(例如实时再优化子束)。优化模块110考虑到累积误差以调整用于递送给患者的未来放射的治疗计划。优化模块110恰在每个投射刚要递送之前更新运动编码的累积剂量并优化叶片打开时间。对优化治疗计划的另外细节在下面论述。软件程序90还包括患者定位模块114，用于针对具体治疗分次，将患者14相对于机架18的等中心定位和对准。当患者在治疗床82上的同时，患者定位模块114取得患者 14的图像，并将患者14的当前位置与基准图像中患者的位置进行比较。基准图象可以是计划图像、任何治疗前图像、或计划图像和治疗前图像的组合。如果患者的位置需要调整，患者定位模块114向驱动系统86提供指令来移动治疗床82，或者可以将患者14手动移动到新的位置。在一种构造中，患者定位模块114可以从定位在治疗室中的激光器接收数据，以提供相对于机架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114 向驱动系统86提供指令，该驱动系统86移动治疗床82以实现患者14相对于机架18的正确对准。要注意，激光器以外的装置和系统可用于向患者定位模块114提供数据，以协助对准过程。患者定位模块114还可用于在治疗期间检测和/或监视患者运动。患者定位模块 110可以与运动检测系统112通信和/或将其结合，所述运动检测系统112例如χ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。患者运动可以是不规律的或非预期的，以及不需要遵循平滑或可再生的路径。软件程序90还包括治疗递送模块118，可用于指示放射疗法治疗系统10按照治疗计划向患者14递送治疗分次。治疗递送模块114可以产生指令并向机架18、直线加速器沈、调制装置34和驱动系统86发送指令，以向患者14递送放射。指令协调了机架18、 调制装置34和驱动系统86的必要移动，以如治疗计划中指定那样，向正确的靶以正确量递送放射束30。治疗递送模块118还计算待递送的放射束的适当样式(pattern)、位置和强度，以匹配如由治疗计划指定的处方。放射束30的样式由调制装置34产生，更具体是通过多叶片准直器中多个叶片的移动产生。治疗递送模块118可以利用规范的、预定的或模板叶片样式，以根据治疗参数产生放射束30的适当样式。治疗递送模块118还可以包括典型范例的样式库，可以访问所述典型范例的样式库以比较当前的患者数据，来确定放射束30的样式。软件程序90还包括反馈模块122，可用于在患者治疗期间从放射疗法治疗系统10 接收数据。反馈模块122可以从放射疗法治疗装置接收数据，并可以包括与患者传输数据、 离子室数据、MLC数据、系统温度、部件速度和/或位置、流率等相关的信息。反馈模块122 还可以接收与治疗参数、患者接收的辐射剂量的量、在治疗期间获得的图像数据和患者移动相关的数据。另外，反馈模块122可以从使用者和/或其它源接收输入数据。反馈模块 122取得并储存数据，直到需要进一步处理。软件程序90还包括分析模块126，可用于分析来自反馈模块122的数据，以判断治疗计划的递送是否如预期发生并根据新获得的数据确认所计划的递送是合理的。分析模块1 还可以根据接收的数据和/或补充输入的数据，判断在治疗计划的递送期间是否发生问题。例如，分析模块126可以判断问题是否与放射疗法治疗装置10的误差、解剖误差例如患者移动、和/或临床误差例如数据输入误差有关。分析模块1 可以检测放射疗法治疗装置10中与治疗床82、装置输出(即直线加速器沈输出变动)、机架18、多叶片准直器62、患者摆位和放射疗法治疗装置10的部件之间的定时误差相关的误差。例如，分析模块1 可以判断在计划期间是否执行了治疗床更换、在计划期间是否正确使用和考虑了固定装置、在治疗期间位置和速度是否正确。分析模块126可以判断在放射疗法治疗装置10 的输出参数中是否发生了改变或变动。就机架18而言，分析模块1 可以判断机架18的速度和定位是否存在误差。分析模块126可以接收数据以判断多叶片准直器62是否被恰当操作。例如，分析模块1 可以判断叶片66是否在正确时间移动，是否有任何叶片66被卡在原位，叶片定时是否被恰当校准，以及叶片调制样式对于任何给出的治疗计划是否正确。 分析模块1 还可以针对任何给出的治疗计划来确认患者摆位、定向和位置。分析模块1 还可以确认机架18、治疗床62、直线加速器26、叶片66之间的定时是正确的。分析模块1 还可以利用形变配准数据以确保患者14跨多个分次接收正确的放射剂量。当分析所述剂量时，有用的是，跨多个治疗分次累计剂量以判定是否加剧了任何误差或它们是否互相消减。配准是用于跨多个图像确定患者的解剖或生理的位置之间的相关性的方法。形变配准是确定患者的解剖或生理的位置之间的相关性以考虑到在图像、相或时间之间解剖结构中的非刚性改变的方法。基于来自放射疗法治疗装置10的在线图像和反馈重新计算待递送给患者14的放射剂量，以确保已经或正在向患者14递送正确的剂量。分析模块1 还可以出于质量保证的目的，利用与基于形变的图像的轮廓勾画相关的数据。形变配准技术可用于为新图像产生自动或半自动的轮廓。一般说来，已经为计划或其它基线患者图像限定了轮廓集，但是对于新图像来说，轮廓集通常不是现成可用的。比起需要操作者手动勾画图像轮廓，执行形变图像配准可以更快和更一致，然后使用形变结果作为基础以修改原始轮廓集来反映新的患者解剖结构。基于以前可得到的图像和轮廓的集，已经开发了相似的基于模板的轮廓勾画算法族，以为最新可得到的图像产生轮廓。这些基于模板的算法可基于以前的患者图像和轮廓、或可能基于规范的或图谱(atlas)患者图像和轮廓，为新的患者图像勾画轮廓。这可以作为累计每日图像中剂量的工具，针对自适应治疗而执行，其中各个每日图像都具有自动的每日轮廓。此外，虽然这些算法以前用于基于规范的或图谱的图像生成新轮廓的情形，但本发明的新的方面是将这些技术应用于在图像引导的放射疗法期间产生的具体的大量图像数据和图像类型。具体地说，这包括同一患者的多个图像的基于形变和模板的轮廓勾画，其中可能只存在用于一个图像的轮廓集。患者的这多个图像可以通过使用在线或室内患者成像系统产生，图像可能在不同的日子取得， 或者这些图像可能得自“4D”成像系统，例如CT扫描器，其中各个图像代表一个运动相，例如呼吸相。还应当注意，在线或者室内成像系统可能是与基准图像相同、相似或者不同的影像设备。例如，基准图像可能是CT图像，而在线图像可以是CT、锥形束CT、兆伏CT、MRI、超声或者不同的影像设备。通过将这些轮廓勾画技术接口到质量保证和自适应治疗的应用， 有可能既从图像的轮廓勾画节省可观量的时间，并且该方法还可以提高在相同患者的多个图像(不同的时间取得或者代表不同的相)之间轮廓的一致性。已知手动的轮廓可能苦于无再现性，而自动产生的轮廓能够有潜力在将初始轮廓的原理应用于产生后续轮廓中更为一致。
使用形变配准技术的轮廓勾画过程的另一个益处是，产生的轮廓可以提供形变过程的验证。如果产生的轮廓密切反映人们将手动绘制的轮廓，那么这是良好的指示表明形变过程是合理的；然而，如果自动轮廓的相关性较低，则向使用者表明也许形变是不适当的，而且也向使用者提供机会查证手动轮廓，以检查错误或不一致。本方法的另一个方面是基于形变的轮廓可以用作用于自适应过程的轮廓的粗糙草图，并加以手动编辑以反映用于在线图像的期望轮廓。这样做时，形变过程能因此再运行，约束形变图以将初始轮廓与手动编辑的自动轮廓相匹配，并且这有助于引导在其余图像中的一致结果。分析模块1 还可用于为了质量保证的目的，利用形变图在不同的图像上执行剂量计算。可以利用形变图来联系多个图像，其中一个图像是对剂量计算有用的计划图像，而另一个图像，例如在线图像，具有定性值，但是不太直接应用于剂量计算。这种联系然后可以用来将更为定量的图像“再映射”到在线或定量性较低的图像的定性形状。所得到的再映射后的图像将比其它两个图像中的任何一个更适宜用于剂量计算或定量应用，因为它将具有第一个图像的定量利益，而且具有第二个图像中所包含的更新后的解剖信息。这在各种情况下可能是有用的，例如第一个图像(例如计划图像)是CT而另外的图像缺乏定量的图象值(例如MRI、PET、SPECT、超声或非定量CT等图像)的情况。代替定量限制或除了定量限制之外，这种方法的类似应用将是校正几何失真、缺陷和/或不完备。例如，很好地表现解剖结构但是包含几何失真的当前MRI图像可以被再映射到没有失真的CT图像。或者， 可以使用多个图像来在表现解剖变化的同时校正失真。从上文注意到，重要的是能够在计划图像之后获得的患者图像上重新计算剂量。 给出这些剂量，还可用于针对多个递送分次累计这些剂量。这些剂量可以基于所述剂量在物理空间中的位置而相加，但是更好的方法是将形变方法结合到所述过程中，以便基于接收所述剂量的结构来相加剂量，即便所述结构已经改变了位置。然而，有可能依靠这种技术来执行新类型的自适应治疗。在重新计算剂量的情形下，本发明有几个其它方面来提高或者促进这一过程。例如，在记录应用于患者的任何每日配准之后，有可能基于图像引导，在重新计算剂量时将这些相同的配准可选地应用于患者图像。这可以自动或半自动执行。或者，可以用不同的配准重新计算剂量。好处是通过自动地使用记录的配准，重新计算所递送的剂量的过程得以简化和流水线化(streamline)。此外，通过具有针对不同的配准重新计算剂量的能力，人们能够进行试验以确定是否其它的患者对准方案也许更有效或不那么有效。并且通过不使用记录的配准，人们可以确定在不存在图像引导的情况下，将对治疗产生什么影响。剂量再计算过程还可以通过填补不完整图像来提高。这是因为尺寸受限的图像， 无论在轴平面和/或在上/下方向上受限，都可以降低剂量计算的准确度。克服它的方法是用其它图像数据，例如来自计划图像的数据，来填补尺寸受限的图像。这种填补方法可以对在轴向或上/下方受限的数据奏效。另外，另一个用于填补上/下方数据的方法是根据需要重复不完整图像的末端切片，直至数据对于改进剂量计算而言足够大为止。图5示出了实时MAO引导的放射治疗递送的流程图。在这个流程图中，治疗计划系统(TPQ用来优化计划的弦图，但是在所述计划过程中没有加上运动边缘。这种方法不改变治疗床、机架速度或颚件位置。换句话说，在放射递送期间，恰如所计划的，治疗床和机架以定速移动，并且颚件处于固定位置。借助一些替代物或直接通过治疗束来实时检测/更新肿瘤位置，同时本发明的运动管理系统独立于运动检测方法。计划的弦图与累积的递送剂量、估算的未来剂量和预测的肿瘤位置一起，被馈送到优化过程中，以输出用于下次投射的叶片打开时间。这被认为是闭环过程，因为优化器的输出作为指令被发送到机器以递送剂量，以及递送的剂量通过4D剂量计算器进行实时累计并发送回(作为输入)到优化器。4D剂量计算器用来实时累计递送的剂量直至最后一次递送的投射。估计待在未来投射(在下个投射以外)中递送的剂量。根据对于下个投射预测的肿瘤位置和累计的递送剂量，实时优化下个投射的叶片打开时间，以应付累计递送误差和未来剂量估计。优化后的叶片打开时间用来控制调制下个投射的放射递送的MLC。该流程图将放射递送过程建模为负反馈系统。为了实时执行该流程图，按照所示， 除了离线计划步骤以外，所述过程必须在少于一个投射的时间内施行。投射时间可以被认为是实时MAO技术的时间分辨率，因为每个投射系统只优化一次。TomoTherapy 放射治疗系统的最小投射时间是大约200ms，其对应于机架每旋转10秒有51个投射。以下注释贯穿本文档全文使用B 大小为MXN的计划子束剂量的矩阵，其中M是体素的数量而N是子束的数量。 B的各列是来自单位强度的子束(叶片)的剂量分布。w 利用投射序数i和叶片序数j标记的叶片注量(叶片打开时间)的弦图，w =
K,j} ο^ 通过在计划步骤中优化而获得并用hat符号强调的计划弦图。w 根据肿瘤运动从计划弦图调节并用波形符号强调的递送弦图。δ 机架每转的治疗床移动。P 机架每转的投射数，对于现行的螺旋形TomoTherapy放射疗法治疗系统典型为 P = 51。u = (ux, uy, uz)肿瘤运动乂中的上标指示第i个投射的运动。理论计划优化IMRT计划优化一般可以公式化为约束非线性优化问题
权利要求
1.一种递送放射疗法治疗的方法，所述方法包含为患者生成治疗计划；将患者定位以接收放射；基本上实时地监视机器参数，所述监视包括分析关于机器参数以及参数如何影响递送给患者的剂量的信息；基本上实时地优化治疗计划的至少一部分，以结合来自所监视的机器参数的所分析的信息；和向患者递送优化后的治疗计划的至少一部分。
2.权利要求1的递送放射疗法治疗的方法，进一步包含基本上实时地累计递送给患者的放射剂量的量。
3.权利要求2的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计递送给患者的放射剂量的量包括在患者的4D表示上使用剂量计算。
4.权利要求2的递送放射疗法治疗的方法，进一步包含估算待在未来投射中递送给患者的放射剂量的量。
5.权利要求4的递送放射疗法治疗的方法，进一步包含根据所估算的待在未来投射中递送给患者的放射剂量的量以及在未来投射期间患者靶的预测位置，来调节治疗计划。
6.权利要求2的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地累计递送的剂量结合与递送指令、递送误差检测和患者运动检测中的至少一个有关的信息。
7.权利要求2的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计剂量包括累计当前剂量加上以前递送的剂量加上未来待递送的剂量，使得优化后的计划最佳地匹配或改善计划的剂量。
8.权利要求2的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计剂量基于对治疗的实时修改。
9.权利要求1的递送放射疗法治疗的方法，其中，治疗计划包括多个投射，并且其中， 优化治疗计划的至少一部分包括优化待在一个投射中递送的放射剂量的量，以补偿在之前投射中发生的累计的递送误差。
10.权利要求9的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计的递送误差基于来自之前投射的累计放射剂量、所估算的待在未来投射中递送的放射剂量以及在下个投射期间的患者的预测构型。
11.权利要求10的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计的递送误差包括来自之前分次的递送误差。
12.权利要求9的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计的递送误差包括直线加速器输出因数变化。
13.权利要求9的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计的递送误差包括MLC叶片位置误差。
14.权利要求9的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计的递送误差包括直线加速器位置误差、治疗床位置误差、颚件位置误差和补偿器误差中的一种。
15.权利要求9的递送放射疗法治疗的方法，其中，累计的递送误差在随后的治疗递送中进行补偿。
16.权利要求1的递送放射疗法治疗的方法，其中，优化治疗计划的至少一部分包括经由闭合反馈环路将改变结合到治疗计划中。
17.权利要求1的递送放射疗法治疗的方法，进一步包含基本上实时地监视患者的变化。
18.权利要求17的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地监视患者的变化包括检测患者呼吸相。
19.权利要求17的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地监视患者的变化包括检测肿瘤运动或肿瘤形变。
20.权利要求17的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地监视患者的变化包括预测患者呼吸相。
21.权利要求17的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地监视患者的变化包括预测肿瘤运动或肿瘤形变。
22.权利要求17的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地优化计划的至少一部分包括预测患者变化。
23.权利要求1的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地优化计划的至少一部分包括预测机器参数。
24.权利要求23的递送放射疗法治疗的方法，其中，预测是基于有关机器参数的先验模型。
25.权利要求23的递送放射疗法治疗的方法，其中，预测是基于有关机器参数的动态模型。
26.权利要求1的递送放射疗法治疗的方法，其中，基本上实时地优化计划的至少一部分包括利用动态编程以对治疗递送指令进行优化。
全文摘要
本发明提供了优化放射疗法治疗的递送的系统和方法。所述系统实时地优化治疗递送以考虑各种因素，例如患者解剖和生理变化(例如呼吸及其他移动等等)以及机器配置改变(例如射线束输出因数，治疗床误差，叶片误差等等)。
文档编号A61N5/10GK102316930SQ200980150098
公开日2012年1月11日 申请日期2009年10月26日 优先权日2008年10月27日
发明者卢卫国, 古斯塔沃·H·奥利弗拉, 肯尼斯·J·卢卡拉, 陈明丽, 陈泉 申请人:断层放疗公司