用于确定放射治疗系统的放射治疗计划的系统、方法和计算机程序与流程

1.本发明涉及一种用于确定放射治疗系统的放射治疗计划的系统、方法和计算机程序，该放射治疗系统包括多叶准直器(mlc)。


背景技术：

2.现今，针对放射治疗，通常使用包括多叶准直器(mlc)的放射系统。mlc包括多个可移动的叶片，并且允许使放射治疗系统所提供的放射束适应治疗区域(例如应当被放射的肿瘤)的单独形状和结构。为了优化在放射治疗期间由患者接收的放射剂量分布，使用治疗计划优化算法以最佳方式使治疗计划(即mlc的叶片的位置和放射治疗系统可以提供的注量值的序列)适应单独患者。然而，在许多情况下，使用不同的治疗计划，即使用不同的叶片位置和注量值序列，可以达到相同的放射剂量分布。在这些情况下，放射科医生基于他/她的经验决定应当对单独患者使用哪种治疗计划，即哪个叶片位置和注量值序列。然而，这个决定过程并不总是导致患者的最优的治疗计划。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种系统、方法和计算机程序，允许改进治疗计划的确定，使得可以为每个单独患者提供最佳的治疗计划。
4.在本发明的第一方面中，呈现了一种放射治疗计划确定系统，其中放射治疗计划确定系统适用于为放射治疗系统确定放射治疗计划，该放射治疗系统包括多叶准直器(mlc)，其中mlc包括多个可移动的叶片，用于使mlc的孔径成形，使得放射束在被提供给患者之前通过孔径成形，其中放射治疗计划确定系统包括a)治疗系统特性提供单元，用于提供放射治疗系统的特性，其中特性包括限定mlc的可能孔径的可能叶片位置和可由放射治疗系统提供的可能放射注量值，b)计划目标提供单元，用于提供计划目标，其中计划目标指示应向患者提供的期望的治疗性放射剂量分布，c)优化函数提供单元，用于提供优化函数，该优化函数指示放射剂量分布与计划目标的偏差，其中放射剂量分布取决于可能孔径的序列和可能放射注量值，该可能孔径的序列由可能叶片位置限定，以及其中优化函数还指示放射剂量分布在可能的孔径边缘处的不确定性，d)治疗计划优化单元，用于确定优化的治疗计划，其中治疗计划优化单元适用于确定可能孔径和可能放射注量值的序列，对于该序列，优化函数被优化，其中优化的可能孔径和优化的可能注量值的序列限定优化的治疗计划。
5.由于优化函数指示放射剂量分布在可能孔径的边缘处的不确定性，可以直接考虑放射治疗系统所提供的放射剂量分布的不确定性，例如由mlc的孔径的边缘处的散射放射或定位不准确性所致，作为优化过程的部分。因此，可以确定一种治疗计划，该治疗计划不仅关于期望的剂量分布进行了优化，而且还提供了所提供的剂量分布的尽可能小的不确定性。由于不确定性是与最佳治疗计划(即放射剂量分布)的可能偏差的度量，放射治疗计划
的低不确定性确保提供给患者的放射剂量分布非常准确地遵循所确定的放射治疗计划。因此，改进了治疗计划确定，以便可以为每个单独患者都提供更优的治疗计划。
6.放射治疗计划确定系统适用于为放射治疗系统确定放射治疗计划。放射治疗系统可以是任何一种用于放射治疗的系统，其中放射应当被提供给患者的部分，例如肿瘤。所提供的放射可以是任何一种用于医学治疗的电离放射。优选地，放射治疗系统为患者提供治疗性x射线放射。可替代地，放射治疗系统可以适用于在对患者进行质子放射治疗期间提供质子。
7.放射治疗系统包括mlc，其中mlc提供多个可移动的叶片，这些叶片可以用于使mlc的孔径成形。然后，放射治疗系统所提供的放射在被提供给患者之前通过孔径成形。在实施例中，mlc的叶片被提供为叶片对，该叶片对被设置在由mlc的叶片形成的平面中轴的每一侧。然而，也可以考虑mlc的叶片的其他布置。
8.治疗系统特性提供单元适于提供治疗系统的特性。治疗系统特性提供单元可以是存储单元，其中治疗系统的特性已经存储在该存储单元中，并且特性可以从该存储单元中检索，例如基于多个放射治疗系统的列表包含特性。同样，治疗系统特性提供单元可以是检索单元，用于从例如放射治疗系统中检索特性，该放射治疗系统的放射治疗计划应被确定，其中治疗系统特性提供单元然后适用于提供接收到的特性。
9.所提供的特性是指对提供给患者的放射剂量分布有影响的放射治疗系统的特性。具体地，特性包括限定mlc的可能孔径的可能的叶片位置和可由放射治疗系统提供的可能放射注量值。可能的叶片位置是指由于放射治疗系统的mlc的构造，可以由叶片采用的放射治疗系统的mlc的叶片的位置。例如，可能的叶片位置可以被提供为每个叶片的位置坐标，该位置坐标根据mlc的构造确定各个叶片可以采用的位置。可能的放射注量值是指可以由放射治疗系统提供的注量值。例如，可能的放射注量值可以是指放射治疗系统由于其构造可以提供的一个或多个x射线放射注量值。在实施例中，放射治疗系统可以适用于仅提供一个放射注量值，即仅提供恒定量的放射，其中在这种情况下，治疗系统特性提供单元适用于提供一个可能放射注量值作为治疗系统的特性的部分。
10.计划目标提供单元适于提供计划目标。计划目标提供单元可以是存储单元，计划目标已经被存储在该存储单元中，并且计划目标可以从该存储单元中检索。同样，计划目标提供单元可以是检索单元，用于从例如用户将计划目标输入其中的输入设备中检索计划目标，其中计划目标提供单元然后适于提供接收到的计划目标。
11.计划目标是指单独患者的放射治疗应达到的目标。具体地，计划目标指示应向患者提供的期望的治疗性放射剂量分布。例如，计划目标可以指定患者体内应当接收高放射剂量的区域或患者体内应(如果可能)仅接收低放射剂量的区域或甚至根本不应当接收任何放射的区域。计划目标，例如应接收不同的放射剂量的区域，可以由放射科医生基于先前获取到的患者感兴趣的区域的图像来确定。例如，放射科医生可以确定和选择其中应当接收高放射剂量的肿瘤区域、如果可能的话仅接收低放射剂量的周围组织区域以及包括根本不应接收任何放射的放射敏感器官的区域。这些计划目标然后指示期望的治疗性放射剂量分布。然而，在其他实施例中，用户，如放射科医生，可以直接将期望的放射剂量分布作为计划目标提供给计划目标提供单元，例如经由输入单元。
12.优化函数提供单元适于优化优化函数。优化函数提供单元可以是存储单元，优化
函数已经被存储在该存储单元中，并且优化函数可以从该存储单元中检索。例如，存储单元可以包括不同的优化函数，其中优化函数提供单元适于选择优化函数，例如基于放射治疗系统的特性。同样，优化函数提供单元可以是检索单元，用于从例如输入单元中检索优化函数，用户可以使用该输入单元来选择优化函数，其中优化函数提供单元然后适于提供接收到的优化函数。优化函数指示放射剂量分布与计划目标的偏差。例如，优化函数可以提供任意放射剂量分布与计划目标之间的差异，例如通过指出在放射剂量分布方面未达到计划目标的区域。在实施例中，优化函数可以被直接计算为放射剂量分布与期望的治疗性放射剂量分布之间的差异，该期望的治疗性放射剂量分布作为计划目标的部分被提供或基于计划目标所给出的信息而被确定。
13.放射剂量分布取决于可能孔径和可能放射注量值的序列，该可能孔径由可能位置限定。可能孔径和可能放射注量值的序列可以由至少一个可能孔径和至少一个可能注量值限定，但是也可以是指在放射治疗期间应按时间顺序提供给患者的多个可能孔径和可能放射注量值。优选地，序列的所有可能孔径都与一个可能注量值相关联。在其他实施例中，在可能孔径的序列中，序列的每个可能孔径也都可以与一个以上的注量值相关联。与一个或多个可能放射注量值相关联的每个可能孔径都限定放射剂量分布，以便可能孔径和可能放射注量值的序列限定部分放射剂量分布的序列，其中所有放射剂量分布的总和限定了当放射治疗系统根据序列提供放射时由患者接收的放射剂量分布。
14.优化函数还指示放射剂量分布在可能的孔径的边缘处的不确定性。例如，可能的孔径的边缘处的不确定性可以由这些边缘处的放射散射引起或由于限定孔径的叶片的定位不准确性而导致。mlc的可能的孔径的边缘的位置的不确定性直接导致可能孔径所限定的放射剂量分布的不确定性。放射剂量分布的这种不确定性可以是针对可能孔径的一个或多个边缘(最好是所有边缘)而被建模的。然后对优化函数进行调整，以便其考虑到放射剂量分布的这些不确定性。优选地，优化函数取决于这些不确定性。
15.治疗计划优化单元适于确定优化的治疗计划，其中优化的治疗计划由优化的可能孔径和优化的可能注量值的序列限定。为了确定优化的治疗计划，治疗计划优化单元适用于确定可能孔径和可能放射注量值的序列，对于该序列，优化函数被优化。具体地，如果放射剂量分布与计划目标之间的偏差变得很小，例如尽可能小，则优化优化函数。基于优化函数的数学限定，偏差的最小化可以是指优化函数的最小化或最大化，即确定优化函数的局部或全局极值。例如，治疗计划优化单元可以适用于使用迭代方法，如梯度下降方法，或直接方法，如直接机器参数优化，用于找到优化的治疗计划。此外，治疗计划优化单元可以适用于使用两步优化方法来优化优化函数，其中在第一步骤中，优化注量分布，并且在第二步骤中，将优化的注量分布转换为可能孔径的序列，即可能叶片位置，以及放射注量值。可替代地，治疗计划优化单元可以适用于在一个步骤中优化优化函数，例如通过使用直接机器参数优化算法，其中孔径和放射注量值的序列，即机器参数，被同时优化。在这种情况下，可以使用非线性优化方法，该方法可以处理例如非线性约束，以在目标方面优化优化函数。如果应以静态调强(step-and-shoot)协议或容积调强放射治疗协议提供放射治疗，则优选地使用这种方法。可替代地，治疗计划优化单元还可以适于使用列生成方法。
16.由于优化函数指示放射剂量分布在限定放射剂量分布的可能孔径的边缘处的不确定性，在确定可能孔径和可能放射注量值的序列期间，也考虑放射剂量分布的这种不确
定性，对于该序列，优化函数被优化，即优化的治疗计划也关于这些不确定性而被优化。
17.在实施例中，放射剂量分布的不确定性是基于限定可能孔径的mlc的可能叶片位置和基于放射剂量分布所依赖的可能放射注量值来确定的。由于可能叶片位置限定可能孔径，因此也限定可能孔径的边缘，由可能孔径的序列限定的放射剂量分布的不确定性可以基于限定可能孔径的可能叶片位置而被非常准确地确定。此外，在优选的实施例中，放射剂量分布是基于限定可能孔径的叶片的尖端的位置来确定的。例如，如果mlc包括沿mlc的轴设置的叶片对，则每个叶片的尖端都限定与mlc的轴平行的孔径的边缘，即mlc的叶片的运动方向上的边缘。可替代地或附加地，放射剂量分布的不确定性也可以是基于相邻叶片之间的边缘来确定的，其中相邻叶片的叶片位置限定相邻叶片之间的边缘的长度。具体地，包括围绕mlc的轴设置的叶片对的mlc的相邻叶片之间的边缘限定孔径的边缘，该孔径的边缘垂直于mlc的轴，即垂直于mlc的叶片的运动方向。此外，在确定放射剂量分布的不确定性时，最好也考虑到与可能孔径相关联的放射注量值。例如，可能孔径所限定的放射剂量分布的不确定性可以被认为与关联于可能孔径的放射注量值成比例。
18.在优选实施例中，可能孔径和可能注量值的序列所限定的放射剂量分布的不确定性是基于每个部分放射剂量分布的不确定性来确定的，该部分放射剂量分布由与作为序列的部分的可能注量值相关联的每个可能孔径限定，该可能孔径限定放射剂量分布。例如，不确定性可以是针对每个部分放射剂量分布而被建模的，并且然后可以将影响放射剂量分布的所有部分放射剂量分布的所有不确定性求和。
19.在实施例中，治疗计划优化单元适用于确定可能孔径和可能注量值的序列，优化函数针对该序列被优化，使得可能孔径和可能注量值的序列被优选为优化的治疗计划，该优化的治疗计划导致放射剂量分布的不确定性较小。优选地，确定优化的治疗计划，使得由所确定的优化的治疗计划限定的放射剂量分布的不确定性低于由另一种治疗计划限定的放射剂量分布的不确定性，其中两种放射剂量分布是相同的。例如，如果在优化期间，找到两种治疗计划，这两种治疗计划向患者提供相同的最佳剂量分布，但是包括不同的可能孔径和可能注量值的序列，则优化优化函数，以便从这两种计划中选择向放射剂量分布提供低不确定性的计划作为优化的治疗计划。在实施例中，优化函数可以被优化，使得优化的治疗计划的放射剂量分布的不确定性尽可能小。在实施例中，在优化函数中为放射剂量分布的不确定性预先确定和提供权重，使得不确定性低的治疗计划在优化函数的优化过程中包括比不确定性较高的治疗计划更高的权重。附加地或可替代地，治疗计划优化单元可以适用于确定可能孔径和可能注量值的序列，优化函数针对该序列被优化，使得可能孔径和可能注量值的序列被优选为优化的治疗计划，该优化的治疗计划导致放射剂量分布的同质不确定性。同质不确定性是指在不同点上不确定性没有累积的不确定性分布。例如，如果不确定性的方差低于预定阈值，则可以认为不确定性是同质的，其中可以确定方差v，例如通过使用数学项v＝∫(u(x)-avg(u(x)))2dx，其中u是不确定性。备选地，如果项∫u(x)2dx低于预定阈值，则可以认为不确定性是同质的。阈值可以是根据预期的不确定性分布或基于一般的理论或实验数据来确定的，关于该一般的理论或实验数据，不确定性的异质性对于特定的放射治疗是可接受的。在实施例中，放射剂量分布的不确定性是基于以每个可能孔径的至少一个边缘为中心的不确定性函数来建模的，其中边缘的不确定性函数包括与对应边缘的预期不确定性对应的宽度。不确定性函数可以是任何一种适于对限定放射剂量分布的可
能孔径的边缘所导致的放射剂量分布的不确定性进行建模的函数。在优选实施例中，不确定性函数是指高斯型函数。然而，不确定性函数也可以指另一个概率函数，例如三次样条的相应缩放和归一化基函数或不对称函数(如伽玛分布)。
20.不确定性函数包括与对应边缘的预期不确定性对应的宽度，不确定性以该边缘为中心。可以确定预期不确定性，例如基于mlc的已知构造裕度、mlc的叶片的散射特性、针对mlc执行的校准测量、mlc的叶片的定位准确度等。为了确定宽度，例如可以使用标准体膜，并且使其接受放射治疗计划，其中针对不同的叶片位置，可以确定该放射治疗计划的模拟剂量和所测量到的剂量之间的差异。基于这些测量，可以确定给定mlc的对应边缘的不确定性的宽度。
21.在优选实施例中，针对每个边缘的不确定性函数都利用可能注量值进行加权，该可能注量值与边缘所属的可能孔径相关联。基于与边缘相关联的可能注量值(即边缘所属的可能孔径)对每个边缘的不确定性函数进行加权，允许考虑不确定性对与对应孔径相关联的注量值的依赖性。
22.在实施例中，使用下式确定mlc的叶片对的叶片的运动方向上放射剂量分布的不确定性：
23.u＝∫(∑iwi(ei(x-x
l，i
)+ei(x
r，i-x)))2dx，
24.其中wi对应于与可能孔径关联的可能注量值，ei(x)是指限定不确定性的分布的不确定性函数，x
l,i
和x
r,i
是指mlc的一对叶片的可能的左叶片位置和右叶片位置，并且x在x方向上在孔径大小之上行进，该x方向被限定为叶片对的叶片的运动方向，即叶片的位置可以改变的方向。上面的函数包括对x的积分，然而，x方向可以是任何方向。上式提供了x方向上叶片对的不确定性，其中叶片对的叶片之间的较小开口包括较高的不确定性。
25.此外，在实施例中，上述不确定性函数也可以扩展为考虑相对于其他方向的边缘，例如相对于垂直于x方向(即沿y方向)的方向的边缘。这些不确定性可能包括x方向上的不确定性以外的其他特性，例如由于mlc在这个方向上的其他构造约束。优选地，确定y方向上孔径的不确定性，使得具有粗糙边缘的孔径与具有较圆的开口区域的孔径相比具有更高的不确定性。
26.还考虑y方向的放射剂量分布的不确定性可以例如按照下面的解释来表述。行i中左叶片的左下边缘的不确定性可以表示为
[0027][0028]
其中y
l,i
是一对叶片的左叶片的下边缘在行i朝向行i-1中的位置，ei(y)是指限定叶片的下边缘的y方向上不确定性的分布的不确定性函数，并且y是不确定性函数ei(y)为非零的域。对于行i的其他边缘，可以给出等同的公式，即：
[0029][0030]
[0031][0032]
其中针对叶片对的所有边缘，不确定性函数ei(y)可以不同。然后，通过对所有叶片对的所有发生项求和，例如用对应的注量值对项进行加权，可以确定x方向和y方向上的不确定性。
[0033]
在实施例中，优化函数用下式表示：
[0034]o×
d+λu，
[0035]
其中d是指偏差并且λ是指用于在优化函数o的优化过程中对不确定性u的影响进行加权的权重。权重λ可以通过经验来确定，例如通过测量，并且可以取决于应当使用的放射治疗协议。权重可以提供给用户，例如通过在显示器上的用户界面上提供它，并且用户可以在治疗计划的计划过程中调整权重，例如在治疗计划的不确定性(即质量)和治疗计划的其他目标满足之间实现期望的折衷。
[0036]
在实施例中，放射治疗系统被配置为从多个方向提供放射束，其中治疗系统特性提供单元适于提供放射治疗系统的可能束方向作为放射治疗系统的特性，其中放射剂量分布还取决于可能放射方向的序列，以及其中不确定性是基于为每个部分放射剂量分布确定的不确定性来确定的，该部分放射剂量分布由作为限定放射剂量分布的序列的部分的可能方向、可能孔径和可能注量值限定。例如，放射治疗系统可以适于通过移动放射束生成单元从不同的方向提供放射治疗，该放射束生成单元适于生成到患者周围的不同方向的放射束。然后，可能束方向可以由放射束生成单元的可能位置和可能角度限定，在该可能角度下，放射束生成单元可以向患者提供放射束。在该实施例中，放射治疗计划由可能位置、可能孔径和可能注量值的序列限定。基于与可能方向相关联的可能孔径和可能注量值，可以为每个可能方向确定部分放射剂量分布，该可能方向是限定放射剂量分布的可能方向的序列的部分。此外，对于这些部分放射剂量分布中的每个部分放射剂量分布，可以基于相关联的可能孔径和相关联的注量值确定不确定性，并且可以基于每个部分放射剂量分布的不确定性确定放射剂量分布的不确定性。
[0037]
在实施例中，可能的放射方向序列的每个放射方向与限定放射方向的放射剂量分布的至少一个可能孔径和至少一个可能注量值相关联，其中不确定性是基于与可能方向序列的每个可能方向相关联的每个部分放射剂量分布的不确定性的总和来确定的。具体地，在该实施例中，放射治疗系统适用于根据静态调强协议提供放射治疗作为多个离散束方向的序列，其中每个束方向都与一个或多个孔径和注量值相关联。在这些情况下，不确定性可以是基于每个部分放射剂量分布的不确定性的总和来确定的，该部分放射剂量分布与限定放射剂量分布的可能方向的序列的每个可能方向相关联。
[0038]
在另一个实施例中，放射治疗系统适于在可能束方向、叶片位置和注量值之间连续改变，同时生成放射束，其中连续改变的可能束方向、叶片位置和注量值的序列所造成的放射剂量分布的不确定性是基于对不确定性进行求和来估计的，这些不确定性是针对部分放射剂量分布而确定的，该放射剂量分布是针对连续改变的可能方向序列的多个方向确定的。针对多个方向确定的不确定性可以在求和之前传播到患者内。优选地，放射治疗系统适于根据容积调强放射治疗协议提供放射治疗，以便在放射束的旋转过程中，即在束方向的连续改变过程中，也可以连续改变叶片位置和注量值。在这种情况下，放射剂量分布是通过
确定离散方向集的部分放射剂量分布来获得的，这些离散方向是通过对足够密集的(例如每四度)连续运动进行采样，随后对这些部分放射剂量分布进行求和来获得的。由连续序列根据容积调强放射治疗协议提供的放射剂量分布的不确定性然后可以被相应地确定，即可以是基于对为从多个束方向提供的一些部分放射剂量分布确定的不确定性进行求和以及通过对所有束方向上的不确定性进行求和来估计的。
[0039]
在实施例中，还考虑由小弧近似所造成的不确定性确定不确定性，该小弧近似用于从连续改变的可能束方向、叶片位置和注量值的序列确定放射剂量分布。例如，在下面的文章中可以找到用于在根据容积调强放射治疗协议提供放射治疗的情况下确定放射剂量分布的小弧近似的详细解释：s.webb等人，physics in medicine&biology，第54卷，第4345-4360页(2009)，“some considerations concerning volume-modulated arc therapy:a stepping stone towards a general theory”、v.feygelman等人，journal of applied clinical medical physics，第11卷，第99-116页(2010)，“initial dosimetric evaluation of smartarc-a novel vmat treatment planning module implemented in a multi-vendor delivery chain”以及j.park等人，the british journal of radiology，第88卷，1049页(2015)，“the effect of mlc speed and acceleration on the plan delivery accuracy of vmat”。
[0040]
对于叶片在提供放射治疗的过程中必须迅速移动的情况，小弧近似可以给放射剂量分布带来进一步的不确定性。还基于小弧近似所造成的不确定性确定放射剂量分布的不确定性，可以导致放射治疗计划对于容积调强放射治疗的情况得到进一步优化。例如，基于计算使用第一角间距(例如四度角间距)通过小弧近似计算的放射剂量分布与使用第二角间距(例如二度角间距)通过小弧近似估计的放射剂量分布之间的差异，可以计算小弧近似所造成的不确定性。在这种情况下，不确定性描述了通过从离散角位置进行求和来近似连续积分的不确定性，就像用小弧近似一样。从这种效应确定不确定性的一种可能性是，构造不确定性函数集，对于连续离散采样点之间(即不同的角位置之间)的每个间隔，这些不确定性函数都有可适应的宽度。所确定的不确定性函数然后可以与从一个采样点跨越到下一个采样点的间隔的中心相关联。这允许根据mlc孔径的不确定性的上述确定来确定小弧近似的不确定性。在这种情况下，加权可以是基于例如相邻mlc孔径的注量值的线性组合。
[0041]
在本发明的另一个方面中，呈现了一种用于向患者提供放射治疗的放射治疗系统，其中放射治疗系统包括：a)放射束生成单元，适于生成带有至少一个可能注量值的放射束，其中放射束生成单元还适用于向患者提供放射束，b)mlc，包括多个可移动的叶片，这些叶片可移动到多个可能叶片位置，用于使mlc的孔径成形，以便放射束在被提供给患者之前通过孔径成形，c)根据权利要求1所述的放射治疗计划确定系统，用于确定优化的放射治疗计划，该放射治疗计划包括优化的可能叶片位置和优化的可能注量值的序列，以及d)放射治疗控制单元，用于控制放射束生成单元和mlc，以便将治疗计划提供给患者。
[0042]
在本发明的另一个方面中，呈现了一种放射治疗计划确定方法，其中放射治疗计划确定方法适用于为放射治疗系统确定放射治疗计划，该放射治疗系统包括mlc，其中mlc包括多个可移动的叶片，用于使mlc的孔径成形，以便放射束在被提供给患者之前通过孔径成形，其中放射治疗计划确定方法包括a)提供治疗系统的特性，其中该特性包括限定mlc的可能孔径的可能叶片位置和由放射治疗系统可提供的可能放射注量值，b)提供计划目标，
其中该计划目标指示应向患者提供的期望的治疗性放射剂量分布，c)提供优化函数，该优化函数指示放射剂量分布与计划目标的偏差，其中放射剂量分布取决于可能孔径和可能放射注量值的序列，该可能孔径由叶片位置限定，以及其中优化函数还指示放射剂量分布在可能的孔径边缘的不确定性，以及d)通过确定可能孔径和可能放射注量值的序列确定优化的治疗计划，优化函数针对该序列被优化，其中优化的可能孔径和优化的可能注量值的序列限定优化的治疗计划。
[0043]
在本发明的另一个方面中，呈现了一种用于确定放射治疗系统的放射治疗计划的计算机程序，该放射治疗系统包括mlc，其中计算机程序包括程序代码装置，用于在系统执行计算机程序时，使上述放射治疗计划确定系统执行上述放射治疗计划确定方法。
[0044]
应当理解，根据权利要求1所述的放射治疗计划确定系统、根据权利要求13所述的放射治疗系统、根据权利要求14所述的放射治疗计划确定方法和根据权利要求15所述的计算机程序具有相似的和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的。
[0045]
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与对应的独立权利要求的任何组合。
[0046]
本发明的这些和其他方面通过下文所述的实施例将变得明显，并且将参考下文所述的实施例进行说明。
附图说明
[0047]
在以下图中：
[0048]
图1示意性地和示例性地示出了包括根据本发明的放射治疗计划确定系统的放射治疗系统的实施例，用于向患者提供放射治疗。
[0049]
图2示意性地和示例性地示出了确定放射剂量分布的不确定性的基本原则，
[0050]
图3示意性地和示例性地示出了确定mlc孔径的边缘的不确定性的原则，以及
[0051]
图4示出了示例性地图示了用于确定放射治疗计划的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
[0052]
图1示意性地和示例性地示出了根据本发明的包括放射治疗计划确定系统的放射治疗系统的实施例。在以下实施例中，放射治疗系统100包括放射束生成单元101，该放射束生成单元101适于生成放射束，该放射束被提供给躺在患者检查床121上的患者122。放射束生成单元101适于生成带有具有一个可能注量值的放射束。优选地，放射束生成单元101适用于生成具有多个不同的注量值的放射束。
[0053]
此外，放射治疗系统100包括mlc 102，该mlc 102包括多个可移动的叶片，这些叶片可移动到多个可能叶片位置，用于使mlc 102的孔径成形。例如，在图3中给出了mlc 102的示意示例，图3示出了多了个叶片，例如叶片对311、312，以及由叶片形成的孔径340。mlc 102由放射治疗系统100提供，使得它被设置在放射束生成单元101与躺在患者检查床121上的患者122之间。mlc 102适于在放射束提供给患者122之前根据由mlc 102形成的孔径使放射束生成单元101所提供的放射束成形。基于由放射束生成单元101生成的放射，调整mlc 102，使得放射无法穿过区域，在这些区域中，mlc 102的叶片设置在放射束中。因此，放射束只能穿过mlc 102的孔径。
[0054]
在该实施例中，放射治疗系统100还包括放射治疗控制单元103，适用于根据放射治疗计划控制放射束生成单元101和mlc 102。具体地，放射治疗计划包括mlc 102的可能叶片位置和可以由放射束生成单元101生成的可能放射注量值的序列。然后，放射治疗控制单元103适于通过控制放射束生成单元101根据注量值序列生成放射束和通过根据放射治疗计划按照孔径或叶片位置的序列控制mlc 102，将放射治疗计划提供给患者122。
[0055]
在该实施例中，放射治疗系统100包括放射治疗计划确定系统110。放射治疗计划确定系统110适用于将优化的放射治疗计划提供给放射治疗控制单元103，其中放射治疗控制单元103然后适用于根据优化的放射治疗计划控制放射束生成单元101和mlc 102。
[0056]
放射治疗计划确定系统110包括治疗系统特性提供单元111、计划目标提供单元112、优化函数提供单元113和治疗计划优化单元114。
[0057]
治疗系统特性提供单元111适用于提供放射治疗系统100的特性。具体地，治疗系统特性提供单元111适用于提供限定mlc 102的可能孔径的可能叶片位置和放射生成单元101的可能放射注量值作为放射治疗系统100的特性。治疗系统特性提供单元111可以提供可能叶片位置，例如作为mlc 102的叶片的尖端的可能坐标。此外，治疗系统特性提供单元111可以提供可能放射注量值，作为可能放射注量值或可以由放射束生成单元101生成的可能放射束注量值的范围的列表。
[0058]
治疗系统特性提供单元111还可以适于提供放射治疗系统100的附加特性。例如，如果放射系统100适用于还从不同的方向提供放射，则治疗系统特性提供单元111可以适用于提供放射治疗系统100的可能束方向作为特性。
[0059]
在该实施例中，治疗系统特性提供单元111适于从存储单元接收治疗系统特性，放射治疗系统特性存储在该存储单元上，例如以手动的形式或以特性列表的形式。然而，在其他实施例中，治疗系统特性还可以由用户提供给输入单元，然后可以由治疗系统特性提供单元111从输入单元接收。
[0060]
计划目标提供单元112适用于应被提供给患者122的放射治疗的计划目标。例如，计划目标提供单元112可以适于与显示单元104和/或输入单元105(如键盘或目标)进行通信，用于接收来自用户(如放射科医生)的计划目标。计划目标指示应当被提供给患者122的期望的治疗性放射剂量分布。例如，放射科医生可以在患者122的计算机断层摄影图像上确定肿瘤区域，在放射治疗期间，该肿瘤区域应接受预定放射剂量的放射。此外，放射科医生可以确定肿瘤周围的健康组织的区域，该区域应接收尽可能少的放射，并且还为该区域提供不应超过的放射剂量阈值。附加地，放射科医生可以提供区域，包括根本不应当接收任何放射的器官，如主动脉或大脑的部分。放射科医生所提供的计划目标指示应被提供给患者122的期望的治疗性放射剂量分布。然而，由于放射治疗系统100的具体构造，这可能不可能向患者122提供这种完全理想的期望的放射剂量分布，以便必须确定治疗计划为患者122提供尽可能好地实现计划目标的放射剂量分布。在一些情况下，放射科医生还可能为计划目标提供权重，该权重指示对应计划目标的重要性，并且利用该权重可以影响确定优化的治疗计划期间的优化过程。
[0061]
优化函数提供单元113适于提供指示放射剂量分布与计划目标的偏差的优化函数。此外，优化函数还指示放射剂量分布在可能孔径的边缘处的不确定性，例如由于在mlc 102的叶片的位置的散射放射或不确定性。放射剂量分布在可能孔径的边缘处的这些不确
定性可以是基于mlc 102的可能叶片位置和限定放射剂量分布的可能放射注量值来计算的。下面将关于图2和图3解释基于考虑mlc 102的边缘处的不确定性的一般原理的示例。
[0062]
图2示出了两个示意示例210和220，其中在这些示例210、220中，使用不同的孔径序列提供放射剂量分布211、221。两个示例210和220的所示图表包括表示患者122接收到的注量值211的y轴201和表示形成对应孔径的两个叶片的x位置的x轴202，该孔径的放射剂量分布如图所示。两个示例220、222的放射剂量分布211、221是类似的，并且由两个孔径(例如，孔径212和213)的序列形成，其中每个孔径都与一个注量值相关联。
[0063]
在第一示例210中，放射剂量分布211是通过第一孔径213和第二孔径212实现的，该第一孔径213包括左叶片的叶片位置零和右叶片的叶片位置四，该第二孔径212具有左叶片的叶片位置零和右叶片的叶片位置一。两个孔径213和212都与同一注量值相关联。针对该情况，放射剂量分布在孔径的边缘的不确定性用沿x轴的曲线214、215和216示例性地表示。在放射剂量分布211的每个位置，在该位置处，在孔径212、213的序列中可以找到x方向上叶片的边缘，根据不确定性函数215和216提供不确定性。在位置零处，不确定性函数214是不确定性函数215和216的两倍，因为在这点上，孔径序列的两个孔径212、213包括x方向上的边缘，使得在该个位置处的不确定性函数组合，特别是求和。
[0064]
在第二示例220中，放射剂量分布221是通过提供孔径222和223的序列来实现的。孔径223由该孔径223的左叶片的位置一和右叶片的叶片位置四限定。孔径222由左叶片的位置零和右叶片的位置一限定，并且与注量值相关联，该注量值是孔径223的两倍。如通过在x轴202处示例性地表示的不确定性224、225和226能够看到的，该放射剂量分布的不确定性与第一放射剂量分布211的不确定性完全不同。具体地，不确定性224是不确定性226的两倍，尽管只有一个边缘，即孔径222的边缘，在序列中位于位置零。然而，由于孔径222的注量值是孔径223的注量值的两倍，与孔径222相关联的不确定性也是与孔径223相关联的不确定性的两倍。这也导致了不确定性225，对于该不确定性225，必须考虑序列中的位置一还存在两个边缘，导致不确定性225比不确定性226高三倍的。
[0065]
从这个示意示例清楚地看出，虽然孔径和注量值序列都导致相同的放射剂量分布211、221，但是在第二示例220(即第二序列)中的放射剂量分布的不确定性远远高于第一示例210(即第一序列)。基于这一原则，很明显，如果选择根据第一示例210的放射治疗计划作为优化的放射治疗计划，则患者122在提供放射治疗计划期间接收到的放射剂量分布的不确定性可以降低。
[0066]
作为示例，该原理可以用数学公式表述如下。对于这个数学示例，只考虑x方向上孔径的边缘，可能mlc孔径i可以用下式描述
[0067]bi
(x)＝h(x-x
l，i
)
·
h(x
r，j-x)，
[0068]
其中h(x)是指heavyside阶跃函数，并且x
l,i
和x
r,i
是指可能孔径bi(x)的mlc 102的一对叶片的可能的左叶片位置和右叶片位置。在该示例中，计划目标可以以期望的放射剂量分布f(x)的形式来考虑。在这种情况下，指示放射剂量分布与计划目标的偏差的函数d可以表述为：
[0069]
d＝∫f(x)-∑iwi·bi
(x))2dx wi≥0，
[0070]
其中wi是指与可能孔径bi(x)相关联的可能注量值。i的总和表示所有部分放射剂量分布的总和，这些部分放射剂量分布由可能孔径和注量值限定，这些可能孔径和注量值
是限定放射剂量分布的序列的部分。
[0071]
在该示例中，不确定性u可以是通过使用每个边缘的不确定性函数ei(x)来限定的。然后，不确定性可以用下式表示，即建模：
[0072]
u＝∫(∑iwi(ei(x-x
l，i
)+ei(x
r，i-x)))2dx。
[0073]
在优选示例中，可以选择不确定性函数作为高斯函数。然后，优化函数可以作为o＝d+λu被提供，其中λ表示在优化优化函数o期间对不确定性u的影响进行加权的权重。在该数学公式中，可以最小化优化函数，以提供优化的治疗计划。
[0074]
在最小化该优化函数期间，孔径的边缘处的不确定性被考虑，并且导致对放射治疗计划的偏好，即可能孔径和可能注量值序列，包括尽可能少的不确定性。特别地，返回图2中所给出的示例，在该示例中，优化上面提供的这种优化函数将导致符合第一示例210而不符合第二示例220的放射治疗计划。
[0075]
图3示例性地的示出了mlc 102，包括沿mlc 102的轴设置的叶片对，如由叶片312和311形成的叶片对，这些叶片对形成孔径340。在该示例中，根据上式计算的不确定性是指x方向上的边缘区域，用数字320表示。然而，上面给出的公式也可以扩展到考虑y方向上两个孔径之间的边缘区域330。这种情况下的不确定性可以根据x方向上边缘的不确定性来表述。
[0076]
然后，治疗计划优化单元114适于优化优化函数，即确定可能孔径和可能放射注量值的序列，对于该序列，优化函数被优化。治疗计划优化单元114可以根据已知的优化算法(例如迭代优化算法)优化优化函数。由于考虑到放射剂量分布在可能孔径的边缘的不确定性，由治疗计划优化单元114确定的优化的治疗计划将包括患者122所接收到的放射剂量分布的尽可能小的不确定性。
[0077]
图4示出了示例性地图示了确定放射治疗计划的方法的实施例的流程图。放射治疗计划确定方法400包括第一步骤410，即提供放射治疗系统100的特性。特性包括限定mlc 102的可能孔径的可能叶片位置和可由放射治疗系统100(例如放射束生成单元101)提供的可能放射注量值。在第二步骤420中，提供计划目标，其中计划目标指示应被提供给患者122的期望的治疗性放射剂量分布。在步骤430中提供优化函数。优化函数可以根据上述原则提供，并且指示放射剂量分布与计划目标的偏差以及放射剂量分布在可能孔径的边缘处的不确定性。在最后一个步骤440中，通过确定可能孔径和可能放射注量值的序列来确定优化的治疗计划，对于该序列，优化函数被优化。然后，优化的可能孔径和优化的可能注量值的序列限定优化的治疗计划，该优化的治疗计划可以使用放射治疗系统100被提供给患者122。
[0078]
尽管在上述实施例中，放射束只从一个方向被提供给患者122，但是在其他实施例中，放射治疗系统100可以适用于还从不同的方向向患者122提供放射束。例如，放射治疗系统100可以适用于根据静态调强协议提供放射治疗，其中具有相关联的可能孔径和相关联的可能放射注量值的放射束方向序列作为放射治疗计划提供给患者122。在该情况下，可以确定优化函数，例如根据上面的示例性函数，作为其中j是指序列的不同束方向，即根据静态调强协议的放射治疗计划。因此，可以确定由可能束方向、孔径和注量值的序列限定的放射剂量分布的不确定性作为部分放射剂量分布的不确定性的总和，这些部分放射剂量分布由与序列的可能束方向相关联的孔径和注量值限定。
[0079]
此外，放射治疗系统100可以适用于以容积调强放射治疗的形式提供放射疗法，其中以这种治疗形式，提供放射治疗计划作为束方向和相关联的可能孔径和可能放射值的连续序列，即在放射束生成单元101和mlc 102围绕患者122运动期间，连续向患者122发出放射，因此在从序列的一个孔径和序列的一个注量值变成序列的另一个孔径或另一个注量值期间也是如此。在这种情况下，计算不确定性的一种可能性是从注量面(即表示图3中所示的mlc的二维空间)将不确定性传播到患者身体内，并且通过对患者身体上的不确定性进行整合，累积序列的不同束方向的不确定性。然后，可以将得到的不确定性添加到偏差d，以如上述相同的方式提供优化函数o。
[0080]
在该实施例中，当确定不确定性时，可以考虑用于确定容积调强放射治疗协议的放射剂量分布的近似所造成的附加的不确定性。例如，这些不确定性可以由叶片的运动导致，特别是由于mlc的构造限制，快速运动的叶片的准确运动和速度包括一些不确定性。可以确定这些不确定性，例如在小弧近似的情况下，通过在小弧近似中使用第一角间距计算第一放射剂量分布，然后通过在小弧近似中假设第二角间距并且确定第一放射剂量分布和第二放射剂量分布之间的差异来计算第二放射剂量分布。这种差异指示使用小弧近似计算放射剂量分布所引入的不确定性。例如，总放射剂量分布可以用两种稍微不同的近似表示：
[0081][0082]
其中d
2i
(其中i＝0,...n)是指为第一角间距确定的部分放射剂量分布，dj(其中j＝0,
…
2n)是指使用第二角间距所确定的同一放射治疗计划的部分放射剂量分布，该第二角间距比第一角间距细，并且w
2i
和wj是指相应的注量值。总放射剂量分布的这些近似之间的差异可以用作由于有限的近似而产生的不确定性的度量。取差异的平方并且将其与一些适当的比例因子相乘，可以用作患者域中的三维不确定性函数，如上所述，该三维不确定性函数可以用于通过对患者域进行整合来确定不确定性。
[0083]
通常仅近似地描述mlc，并且特别是mlc的叶片位置，对放射治疗计划优化的模拟放射剂量分布的影响通常。特别地，叶片尖端会造成不确定性，例如由于散射放射和定位不准确性。如果两个mlc孔径邻接，例如在限定放射治疗计划的孔径的序列中，则这种效应会被放大。如果优选包括一个大mlc孔径形状的序列，而不是包括两个理论上应产生相同的放射剂量分布的较小mlc孔径形状的序列，则可以减少这种不确定性效应。
[0084]
当前的放射治疗计划优化算法并没有考虑放射剂量分布的上述解释的不确定性，而是使用经验规则，例如该经验规则更喜欢使用监测单元较少的计划来生成高质量计划。这使得设计生成放射治疗计划的算法变得困难，这些放射治疗计划限定mlc孔径形状的序列，这些形状满足临床医生和剂量测定师对好的放射治疗计划的准确性的大量经验预期。
[0085]
本发明的基本思想是，在放射治疗计划优化期间，除了模拟放射剂量分布，即应当根据计划目标优化的放射剂量分布，使用放射剂量分布的不确定性作为附加标准。对于mlc的每个叶片尖端，不确定性都可以通过高斯型函数进行建模，该高斯型函数用与以叶片尖端为中心的相应mlc孔径相关联的注量值以及与预期的不确定性对应的宽度进行加权。为了使用不确定性，通过添加不确定性的度量来惩罚要被最小化的目标函数。例如，当在叶片测序过程中，通过离散mlc孔径对注量图进行优化来近似连续的放射剂量分布时，用加权均方剂量不确定性惩罚结果，即优选包括mlc孔径的序列，从而产生较小的不确定性或更均匀
的不确定性分布。类似地，在导致静态调强协议的优化的治疗计划的直接机器参数优化中，可以将注量面中不确定性的加权度量添加到要被最小化的目标函数，即优化函数。对于容积调强放射治疗，剂量不确定性可以投射到表示患者身体并且累积的体积中，例如与剂量本身类似，其中目标函数，即优化函数，由身体体积和/或目标和危险器官上所累积的不确定性的加权度量惩罚。
[0086]
针对静态调强协议，例如肿瘤是用不同的放射束方向进行放射的，其中每个束方向都可以与具有相关联的注量值的多个mlc孔径相关联。在一个实施例中，使用直接机器参数优化(dmpo)优化优化函数，可以给定机器参数(即可能mlc孔径的可能叶片位置和与mlc孔径相关联的可能注量值)以及计划目标(例如肿瘤中的最小放射剂量或危险器官中的最大放射剂量)确定患者身体中的放射剂量分布，其中根据机器参数最小化目标函数，即优化函数。目标函数可以量化期望的放射剂量分布的计划目标与模拟放射剂量分布的偏差。不确定性可以通过最小化优化函数来考虑，该优化函数也由所有束方向的不确定性的总和限定并且包括对不确定性进行加权的权重。
[0087]
在容积调强放射治疗(vmat)中，线性加速器，即放射束生成单元，围绕患者旋转，同时准直器中的叶片移动，并且持续向目标(例如肿瘤)发出放射。在这种情况下，可以以与静态调强协议不同的方式计算放射剂量分布不确定性，在该静态调强协议中，放射是通过多个mlc孔径从同一方向发出的。在这种情况下，不确定性可以从注量面传播到患者身体内，并且在不同的束方向上累积，就像在这种情况下可以计算患者身体内的剂量。不确定性的度量然后可以通过对患者身体的受放射部分、目标区域和/或与危险器官对应的区域的不确定性进行整合来计算。同样，结果不确定性然后可以添加到目标函数，以解释通过最小化生成的放射治疗计划的不确定性。
[0088]
在vmat的情况下，可以考虑放射剂量分布的附加不确定性，该不确定性是由例如小弧近似造成的。例如，在快速移动的叶片的情况下，这种近似会在估计放射剂量分布的过程中导致不准确性。例如，四度角间距与两度角间距的剂量计算之间的差异可以用于量化患者身体的受放射部分、目标区域和/或与危险器官对应的区域的不确定性，并且用作不确定性的度量。通常，关于不确定性的信息可以通过用户界面(即显示器)显示，以支持剂量测定师、物理学家和临床医生进行计划生成和质量保证。
[0089]
虽然在上述实施例中，放射治疗计划确定系统是放射治疗系统的部分，但是在其他实施例中，放射治疗计划确定系统可以是独立的系统或连接到多个不同的放射治疗系统的系统。
[0090]
通过对附图、公开内容以及所附权利要求的研究，所公开的实施例的其他变型在实践所要求的发明的同时可以被本领域技术人员理解和实现。
[0091]
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
[0092]
单个单元或设备可以实现权利要求中所述的几个项的功能。在相互不同的从属权利要求中说明某些措施这一事实并不指示这些措施的组合不能够被有利地使用。
[0093]
程序(如提供放射治疗系统特性、计划目标和目标函数)或程序(如确定由一个或几个单元或设备执行的优化的治疗计划)可以由任何其他数量的单元或设备执行。例如，这些程序可以由单个设备执行。这些程序可以实施为计算机程序的程序代码装置和/或专用
硬件。
[0094]
计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，诸如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以按照其他形式分布，诸如通过互联网或其他无线通信系统。
[0095]
权利要求书中的任何参考符号都不应被理解为限制范围。
[0096]
本发明涉及一种用于确定放射治疗系统的放射治疗计划的系统，包括多叶准直器。放射治疗计划确定系统包括：治疗系统特性提供单元，其中特性包括可能叶片位置和可能放射注量值；计划目标提供单元，其中计划目标指示期望的治疗性放射剂量分布；优化函数提供单元，其中优化函数指示放射剂量分布与计划目标的偏差以及放射剂量分布在可能孔径的边缘处的不确定性；以及治疗计划优化单元，适用于确定可能孔径和可能放射注量值的序列，对于该序列，优化函数被优化。因此，可以为每个单独患者提供最佳治疗计划。