放射治疗设备的制作方法

本发明涉及用于放射治疗的设备。

背景技术：

放射治疗是有害辐射束一般朝患者部位引导通常以便治疗该部位内的肿瘤的过程。辐射沿途对活细胞造成损害，并且因此抑制或减少肿瘤。如果施加明显剂量则它也损害健康组织，并且因此努力限制对健康组织的剂量同时维持对癌变组织的规定剂量。

限制对健康组织的剂量的一个明显简单的手段是从多个不同方向朝肿瘤引导射束。从而，递送到肿瘤的总剂量可以明显大于施加到周围组织的任何各部分的剂量。这样做的常见方法是在可旋转支承上安装辐射源，其中源朝支承的旋转轴线取向使得射束与轴线相交。从而，在支承旋转时，射束总是经过交点(通常称为“等中心”)但从围绕等中心的每一个辐射方向经过。这需要支承围绕患者旋转；支承具有相当大的质量并且因此这呈现的工程挑战是明显的。

限制施加到健康组织的剂量的另一个手段是所谓的“多叶准直器”或“MLC”，如在例如EP-A-314,214中示出的。多个长的窄叶片并排设置在阵列中，并且经由伺服电机而能独立控制使得它们每个可以延伸或缩回期望量。从而，通过使个体叶片移动，准直器可以做成期望的形状。一对这样的准直器(射束任一侧一个)允许射束根据期望成型，由此允许将健康组织置于阴影中。

在多叶准直器中，叶片在横过移动方向的方向上一般是薄的，以提供良好的分辨率，并且在移动方向上是长的以便提供良好的移动范围。在射束方向上，需要叶片是相对深的；甚至在由例如钨等高原子序数材料制成时，也需要这样的深度以便提供射束的充分衰减。从而，叶片相对沉重并且难以移动。

放射治疗设备的这两个方面在以精确方式治疗期间都需要移动相关几何件(在该情况下是可旋转支承和MLC叶片)。稍老的“步进式发射”方法需要几何件移动到特定位点，这可以通过已知的伺服控制法而容易检查。然而，为了改善治疗时间，更现代的治疗控制法需要几何件在特定时段内以特定(线性或旋转)速度移动，在这之后它在另外的时段内以(潜在)不同的速度移动。这引起惯性问题。

具体地，常规治疗计划可能(例如)需要几何件在时段t1内以特定速度v1、接着在后续时段t2内以速度v2移动。几何件无法并且将不立即改变它们的速度，实际上将存在追赶期，在其期间实际速度将是不正确的，如果v1>v2则太高或如果v1<v2则太低。在任一情况下，几何件将在递送剂量的至少部分期间处于不正确位点。我们早先的申请US 2009-121155-A1因此提供放射治疗设备，其包括：可移动来调整射束的几何形状的几何件，和控制单元，其设置成引起几何件的移动速度的变化并且还在几何件速度改变后持续一段时间地调整辐射源的剂量率。这试图在局部控制下通过暂时抑制剂量率来补偿惯性效应。

技术实现要素：

我们发现应对惯性效应的比较好的方法。该方法对于设备的查错系统也具有有利结果，这(进而)对系统控制架构具有有利结果。

具体地，然而US2009121155A1的方法通过暂时调整剂量率以便补偿未跟上进度或仍然太快行驶的几何件来局部应对惯性，我们现在提出通过将惯性因子并入递送计划过程而提前迎合惯性。这可以采用两种方式中的任一个来实现。优选地，在已经产生治疗计划后，它将由递送控制系统来处理，该递送控制系统将包含惯性对几何件的影响并且产生供机器实现的指令集，其反映几何件的惯性行为并且因此可以被非常紧密地遵从。备选地，代替产生假设几何件的完美无惯性行为的治疗计划并且然后补偿此，治疗计划可以包括反映几何件惯性行为的指令集并且因此可以非常紧密地被遵从。

这进而意指偏离该计划将对应地更可能指示几何件的误差。在几何件需要加速或减速时，出现误差将不再是常规的，并且从而查错体系不必为对预计路径的偏离留余地。这进而意指容错可以对应地是更严格的。

那些更严格的容限意指查错可以对每个部件局部安全实施。提供以便包含正常的惯性导致的方差的更宽容错造成的可能性是尽管所有个体部件兼容(例如如果超过一个部件处于或接近它的容错极限)，设备整体上是不兼容的。在这样的情况下，子容错的组合效应可以将设备整体带出容限。在这样的系统中，查错因此需要集中，从而考虑所有报告的部件误差使得可以检查潜在的麻烦组合。这造成显著水平的复杂性，本发明所实现的更严格容限完全避免这一点。

在一个方面中，本发明因此提供用于放射治疗设备的递送控制系统，其设置成传送治疗计划用于对放射治疗设备的递送元件递送剂量分布，该递送控制系统包括处理器、至少一个数据存储和存储在该数据存储中的程序，该程序适于促使处理器接收治疗计划、接收递送元件的惯性特性、执行关于治疗计划的过程以便产生递送计划(其考虑到惯性特性而对应于治疗计划)以及将递送计划的至少部分传送到递送元件。程序还可以促使处理器监测递送元件以顺应递送计划。

递送控制系统可以形成放射治疗设备的部分，该放射治疗设备将进一步包括多个递送件，每个具有关联的局部控制单元，递送控制系统设置成对局部控制单元提供来自递送计划的多个相继递送指令并且随后指示局部控制单元开始治疗，局部控制单元适于接收递送控制系统指令并且在接收指令后开始治疗、命令几何件移动并且监测几何件的后续实际移动、将实际移动与在递送控制系统指令中阐述的移动比较以及如果差异大于阈值则形成警报状态，递送控制系统适于如果任何局部控制单元处于警报状态则停止治疗。

在第二个方面中，本发明提供治疗计划计算机，用于形成治疗计划以用于经由放射治疗设备(其经受多个机器约束)递送剂量分布，治疗计划计算机包括处理器、至少一个数据存储和存储在该数据存储中的程序，该程序适于促使处理器接收剂量分布、接收机器约束，该机器约束采用包括至少设备的几何件的几何形状、几何件的最大速度和几何件速度的最大改变速率的形式，以及在其上执行迭代过程以便产生能够经由经受机器约束的放射治疗设备来递送剂量分布的治疗计划。

这样的治疗计划计算机可以例如产生治疗计划以供放射治疗设备使用，该放射治疗设备包括多个几何件，每个具有关联的局部控制单元，设备设置成对局部控制单元提供来自递送计划的多个相继治疗计划指令并且随后指示局部控制单元开始治疗，局部控制单元适于接收治疗计划指令并且在接收指令后开始治疗、命令几何件移动并且监测几何件的后续实际移动、将实际移动与在治疗计划指令中阐述的移动比较以及如果差异大于阈值则形成警报状态，设备适于如果任何局部控制单元处于警报状态则停止治疗。本发明涉及这样的放射治疗设备本身，和与治疗计划计算机组合的放射治疗设备。

放射治疗设备可适于假如没有局部控制单元处于警报状态则继续治疗。

附图说明

本发明的实施例现在将通过示例参考附图描述，其中：

图1示出放射治疗设备的示意布局；

图2示出通过图1的放射治疗设备的射束准直系统的示意垂直截面；

图3示出通过图1的放射治疗设备的射束准直系统的示意射束目视图；

图4示出由典型的已知治疗计划计算机所计划的准直器移动和剂量率；

图5示出对于个体递送步阶的计划准直器移动和剂量率；

图6示出由于图4的治疗计划而实际上典型获得的准直器移动和剂量率；

图7示出根据本发明提出的准直器移动和剂量率；

图8示出对于放射治疗设备的控制设置；

图9示出对于本发明的治疗计划计算机的第一实施例的流程图；

图10示出对于本发明的放射治疗设备的递送控制系统的第一实施例的流程图；

图11示出对于本发明的放射治疗设备的局部控制单元的第一实施例的流程图；

图12示出对于本发明的治疗计划计算机的第二实施例的流程图；

图13示出对于本发明的放射治疗设备的递送控制系统的第二实施例的流程图。

具体实施方式

参考图1，典型的放射治疗设备包括患者台10，在其上可以放置患者12。一般，患者台在它的六个自由度(即三个平移方向和三个旋转方向)中的任一个中可移动(在极限内)，以便将要治疗的患者的相关部分放置在治疗室内的特定位点14处，称为“等中心”。这可通过安装在固定位点处并且朝等中心14引导的若干低功率激光器而变得可见。

辐射源16安装在从可旋转支承18延伸的机架(不可见)上。辐射源可发射高能x射线或电子束或这两个的可选择选项或另一个形式的辐射。可旋转支承通常设置在墙壁或其他结构内，使得可以隐藏操作机器。支承18可以围绕经过等中心14的水平轴线旋转，并且源16在偏离该水平轴线的点处从支承18延伸但朝该轴线和等中心14引导。从而，在支承18旋转时，辐射源16从所有可能辐射方向照射围绕等中心14的区域。这提供设备限制施加到健康组织的辐射剂量同时维持施加到在治疗的肿瘤或其他病变的剂量所采用的一个方式；病变(或其相关部分)可以在整个治疗期间暴露，但周围组织将仅在直接与射束在一条直线时被暴露。

限制施加到健康组织的剂量的另一个方式是对辐射束使用准直器。这些容置为准直器集20，其与辐射源16集成并且对射束起作用以便限制它的横向延伸。它们示意地在图2和3中示出，并且包括两对准直器，每个在互相横向的方向上起作用以便在所有方向上限制射束。从而，块准直器22包括一对准直段24、26，其在x方向上来回可移动并且具有与y方向大致平行的平坦正面。通过使块前后移动，射束可以根据期望在x方向上受到限制。

第二对准直器是多叶准直器28。这些包括两个互相相对的叶片排30、32，每个叶片在y方向上来回可延伸并且在y方向上是相对长的以便允许它越过明显比例的射束宽度、在z方向上是相对深的以便允许它使射束明显衰减并且在x方向上是相对窄的以便允许有良好的分辨率。通过使个体叶片移动到期望位置，每排叶片整体可以呈现前沿，其大致可以接纳任何形状。

在这两个准直器之间，射束可以界定成大致任何需要的形状，其中块准直器限定形状在x方向上的横向延伸并且多叶准直器限定形状的剩余部分。与辐射源16的旋转移动结合，准直器允许在患者内建立复杂的三维剂量分布，其与患者的临床医生开出的处方一致。该剂量分布由具有不同形状和不同到达方向的多个射束产生，该不同形状和不同到达方向通过在治疗期间逐步或持续改变角度、剂量率和准直器形状而产生。

为了计算将递送期望剂量分布必需的旋转、剂量率和准直器形状，通常采用“治疗计划计算机”。这接收剂量分布，其通常将是示出必须接收规定辐射剂量的区域(例如病变本身)、剂量应尽可能最小化的区域和必须递送大致无辐射或比规定剂量更少的辐射的区域(例如敏感结构，其包括内脏、视神经、脊髓及类似物)的三维图。它还接收“机器约束”集，其详述设备的性质，该性质包括射束和准直器的几何形状、最大剂量率和最大旋转速度，等。然后应用算法来产生“治疗计划”，其包括考虑到需要的旋转速度、剂量率、MLC形状等和它们随时间的变化的用于放射治疗设备的详细指令。算法的细节与本发明无关并且本身是已知的；它们通过示例在WO2002/049044中论述。

典型的治疗计划在图4中示意地示出。从而，机架的旋转速度(由实线示出)计划成一开始以某一速度S1继续直到时间T1，在该时间T1它下降到S2。同时，剂量率(点线)维持某一水平D1直到T1，在该点剂量率上升到D2。准直器叶片的位置(短划线)保持在L1直到时间T1，在该点处它回退到L2。

实际上，当然，治疗计划将复杂得多。它将应对80或160个MLC叶片并且可包括剂量率和旋转速度中的更多变化。然而，图4图示原理。

实际上，设备由于各种部件的惯性而未精确递送该计划。考虑治疗计划的个体递送步阶(例如，在图4中从T0至T1的时期)，由治疗计划计算机基于系统的动态特性为该递送步阶选择特定剂量率D1(等)。由治疗计划计算机采用的算法假设所有轴线的剂量率和速率在该步阶上将是恒定的，如在图5中示出的。事实上，递送的结果在图6中示出；剂量率花一些时间爬升到期望水平，并且机架花略微更长的时间来加速到期望旋转速度。因此允许两者都超过如在US2009121155A1中阐述的它们的预定水平使得在递送步阶期间递送的总剂量和行驶的总角度是正确的。另外，存在这样的初始期，在其期间准直器仍然移到它的设置位置。可能性能未与计划的密切匹配，这从这些图是清楚的。每个部件行驶的三个阶段未对齐，并且因此跟踪性能不是最佳的。另外的复杂性引入局部控制单元，其发起并且监测个体部件移动以便在递送步阶的静态阶段通过更快移动补偿惯性。

这通过递送控制系统而使整体系统的查错复杂化。由于移动部件的惯性而引起的与治疗计划的偏离不可避免的简单原因，难以实施非常紧密的容错。因此，对于查错系统必须考虑到这些，查错系统简单地将每个部件的预计状态与它的实际状态比较，这将定期发出假阳性误差报告。因此，需要考虑整体系统，来确保使准直器移动中的延迟考虑到例如当前剂量率和当前机架位置而不成问题。这显然将产生非常复杂的查错系统。考虑到固有地更难以验证复杂系统(以及监测误差)，这是不可取的。

根据本发明，系统的所有递送部件的动态特性被轮廓化来识别它们的最大改变率(其包括剂量)。动态特性信息然后用于允许所有部件的加速和减速阶段的匹配，也包括剂量。这通过递送控制系统52(图8)而最容易进行，该递送控制系统52从治疗计划计算机50接收治疗计划并且调整在治疗计划内包含的机器命令来包含动态特性信息。备选地，动态特性信息可以用作由治疗计划计算机50使用的治疗计划算法内的机器约束，来产生治疗计划，其在没有修改的情况下直接可用。在任一情况下，剂量从而视为移动，即采用与位置等同的方式考虑特定MU(“监测器单位”)，&采用与速度等同的方式考虑MU/min(剂量率)。图7示出结果，其中剂量率和准直器位置以有意的较慢速率改变使得它们全部在与被控制的最慢件(在该情况下是机架)同时地到达它们的预计位置(或速率)。对于递送步阶之间的其他转变，不同的部件可以是最慢的，因为尽管机架特别沉重并且因此经受惯性，不同的转变可仅需要机架速度的小的改变但需要剂量率的大的改变(例如)。从而，影响射束几何形状的所有部件(“几何件”)同步移动并且不需要补偿。

从而，如在图8中示出的，治疗计划计算机基于谈论中的放射治疗设备58的期望剂量分布和个体能力以及约束的知识来形成治疗计划。这然后传递到放射治疗设备58的递送控制系统52，其然后将治疗计划(或其至少相关部分)传递到个体局部控制单元54a、54b、54c，每个控制放射治疗设备58的个体元件56a、56b、56c。在该情况下，个体元件是准直器叶片驱动器、机架旋转驱动器和剂量率。局部控制单元54然后操作元件56并且将当前状态(例如位置)报告回递送控制系统52，其通常将执行所有查错功能。

使用该方法的效果是在加速和减速阶段期间跟踪误差将与个体几何件(或射束发生器)的性能隔离。也就是说，计划和实际移动之间的分歧将指示部件故障或误操作，并且将不是部件惯性的预期结果。这允许在这些阶段期间施加严格的容限。

另一个效果是一旦步阶已经被轮廓化，轮廓可部署到负责执行移动的局部控制单元并且移动可以自主执行。这因此可以在慢或高延时网络中执行，同时仍然维持高性能水平。利用分布式控制系统，通常存在丢失通信包的可能性。如果负责控制部件(轴线、剂量率等)的处理器丢失包或经受高延时，则系统整体性能将下降并且变得不可靠。然而，根据本发明，因为它们可以自主操作，轮廓可以很好地提前传送。

图9示出根据本发明的第一实施例对于治疗计划计算机的过程流程图。这通过接受规定剂量轮廓(其反映临床医生规定的剂量轮廓)连同患者的三维结构的细节而开始100。后者可采用分段CT、MRI或类似形式的扫描，其适当地配准到剂量分布的坐标系。分段是标记CT或MRI扫描来指示在扫描内存在的各种组织类型(例如骨头、软组织、肿瘤组织、水、空气等)的性质的过程。这些不同的组织类型具有不同的x射线衰减率并且因此被治疗计划计算机考虑。配准是使扫描对齐使得它采用与系统的其他方面(其包括剂量分布和放射治疗设备)相同的坐标系的过程。

在该实施例中，计划计算机将访问放射治疗设备(其将用于递送剂量)的机器约束的定义，或对它提供这些定义以用于计划过程(步骤102)。这些阐述将使用的射束的性质、设备可以对射束(例如剂量率)做出的调整的范围、可用的准直的性质、那些准直器的形状和对那些准直器的移动的任何限制、准直器移动和机架旋转的最大速度和类似的信息。

治疗计划计算机然后基于需要的剂量分布并且引入机器约束来执行算法过程，以产生详细治疗计划(步骤106)。该过程在本领域内一般是已知的，并且可包括优化过程，其中允许候选计划朝既可在关注的设备上递送并且又递送期望剂量分布的计划迭代地演进。在由临床医生适当检查和/或自动过程后，该计划然后输出(步骤108)到放射治疗设备。

图10示出对于放射治疗设备的递送控制系统52的流程图。这监督设备并且向负责设备的个体部件的专用局部控制单元54发送指令。递送控制系统52从治疗计划计算机接收治疗计划(步骤109)并且最终将此分配到各种局部控制单元(步骤112)。这些可每个接收整个治疗计划，或只是其的与它们控制的部分有关的部分。一旦所有局部控制单元具有必需的细节并且操作者证实患者准备就绪，递送控制系统可以通过向局部控制单元发送合适的信号而触发治疗的开始(步骤114)。从那时起，事情可以与由独立时钟提供的时间信号或从递送控制单元发出的时间信号所提供的时间信号同步地进行。后者仅需要倾听来自局部控制单元的任何误差状态(步骤116)并且如果接收任一个或如果到达治疗终点(步骤118)则发送信号来停止治疗(步骤120)。

在将治疗计划分配到各种局部控制单元(步骤112)之前，递送控制系统52调整计划来考虑放射治疗设备的各种元件的惯性特性(步骤111)。对递送控制系统提供(步骤110)各种几何件的惯性的细节，即可以改变它们的速度和/或它们的位置的最大速率。对于机架，这可以是明显限制，因为旋转机架结构具有公吨数量级重量，并且从而将它加速到期望速度不是普通的任务。相似的考虑适用于准直器元件；尽管这些的质量比机架小，它们的重量由于使用致密材料(例如钨)来提供充分衰减而是明显的，并且在旋转头中的可用空间排除过大的驱动电机。对递送控制系统52提供该限制，递送控制系统52然后平滑治疗计划中的各种阶跃改变使得尽可能快地改变的最慢改变元件(必须在该时间改变的那些元件中的)确定其他元件改变的速率。从而，机架速度、准直器位置和剂量率全部在大致相同的时间开始，并且在大致相同的时间完成改变。也可以调整各种改变的时间，使得在分段期间递送正确的总剂量。这也确保同步调整几何件和剂量率，即，如在图7中示出的，在大致相同的时间开始改变并且完成它们的改变。

图11示出由负责控制放射治疗设备的几何件的局部控制单元所采用的过程。一般，对于每个物件，将存在一个这样的控制单元，但对于例如MLC叶片等紧密相关的几何件，一些的功能可组合到单个单元内。单元在治疗开始时大致完全接收治疗计划(或与之有关的计划的至少部分)(步骤122)。该计划阐述在治疗过程期间所涉及的几何件的需要移动。单元然后等待来自递送控制单元的起动触发(步骤124)并且一旦接收它则与时钟信号同步地开始依次通过治疗计划中的指令(步骤126)。作为备份，局部控制单元可具有它自己的时钟以如果暂时失去与递送控制单元的通信则允许它安全地继续。

在控制这些物件的时候，局部控制单元定期并且(优选地)频繁地将物件的实际位置与治疗计划所需要的位置比较。这可以与误差阈值比较(步骤130)，该误差阈值重要地可以设置在相对低的值，其仅反映对于该物件的位置的测量公差。对物件的惯性不必留有余地，因为在确定治疗计划中将考虑物件的惯性，并且因此对于所涉及的物件的查错过程不必将任何其他物件(如上文描述的)的状态考虑在内。

如果被告知上文的对关于所涉及的物件的部分的与计划的阈值偏离，则局部控制单元进入误差状态(步骤132)，其被传达回到递送控制系统。如果局部控制单元进入误差状态或从总控制单元接收停止信号(步骤134)，则它使过程停止(步骤136)。

对剂量率提供类似的控制单元。

这样，本发明形成治疗计划的修订版本，其中迎合放射治疗设备的各种元件的惯性效应，并且因此实际上生效的治疗计划在具有上文阐述的优势的情况下更加接近地可实现。在本发明的第二实施例中，自始记住惯性效应地形成治疗计划并且因此它不必由递送控制系统修订。

图12示出根据本发明的第二实施例对于治疗计划计算机的过程流程图。这如与第一实施例一样通过接受规定剂量轮廓(其反映临床医生规定的剂量简档)连同患者的三维结构的细节而开始100。后者可采用分段CT、MRI或类似形式的扫描，其适当地配准到剂量分布的坐标系。在该实施例中，计划计算机再次访问放射治疗设备(其将用于递送剂量)的机器约束的定义(步骤102)，但也提供(步骤104)有各种几何件的惯性的细节，即可以改变它们的速度和/或它们的位置的最大速率。对治疗计划计算机提供该限制作为要在计划过程中考虑的机器约束。还添加约束以要求同步调整几何件和剂量率，即如在图7中示出的，在大致相同的时间开始改变和完成它们的改变。

治疗计划计算机然后基于需要的剂量分布并且引入机器约束来执行算法过程，以产生详细治疗计划(步骤106)。在该情况下，计划将包括对各种几何件的惯性的补偿，因为这将包括在机器约束内。在由临床医生适当检查和/或自动过程后，该计划然后输出(步骤108)到放射治疗设备。

图13示出对于放射治疗设备的递送控制单元的流程图。递送控制单元从治疗计划计算机接收治疗计划(步骤109)并且将此分配到各种局部控制单元(步骤112)。因为治疗计划已经考虑惯性，不需要修订步骤。一旦所有局部控制单元具有必需的细节并且操作者证实患者准备就绪，递送控制单元可以通过向局部控制单元发送合适的信号而触发治疗的开始(步骤114)。从那时起，事情可以与由独立时钟提供的时间信号或与从递送控制单元发出的时间信号所提供的时间信号同步地进行。后者仅需要倾听来自局部控制单元的任何误差状态(步骤116)并且如果接收任一个或如果到达治疗终点(步骤118)则发送信号来停止治疗(步骤120)。

由局部控制单元采用的过程与对于参考图11描述的第一实施例的相同。再次对剂量率提供类似的控制单元。

这样，实现与第一实施例的相同的结果，但通过对治疗计划过程施加更大约束。

当然将理解可对上文描述的实施例做出许多变化而不偏离本发明的范围。