用于放射疗法场递送时间优化的系统和方法与流程

用于放射疗法场递送时间优化的系统和方法
1.相关的美国专利
2.本技术是2020年12月8日提交的a.meijers等人的序列号no.17/115,639，题为“用于放射疗法场递送时间优化的系统和方法”的申请的部分继续申请，该申请在此通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开的实施例总体涉及放射疗法领域。更具体地，本公开的实施例涉及用于放射疗法治疗的的计算机实现的治疗规划方法和系统。


背景技术：

4.放射疗法治疗以及生物学规划的一个目的是最大化施加到靶标肿瘤的剂量同时最小化由周围(正常)组织吸收的剂量。关于肿瘤控制以及正常组织毒性的治疗结果，不仅取决于物理参数(诸如剂量)，也取决于大量其他参数(诸如生物学参数以及机器参数)
5.在最大化施加到靶标肿瘤的剂量同时最小化由周围组织吸收的剂量仍然是主要考虑时，其他因素可以被考虑为改进治疗的质量和/或接收治疗的病人的体验。例如，在多种情况下，减小或限制总体治疗时间和/或个体治疗部分是受期望的。在一些情形中，治疗可以被施加同时病人屏住呼吸以保持静止。然而，在试图最小化由周围健康组织吸收的剂量的治疗规划的现有方法中，适应基于相对短的治疗时间的某些类型的放射疗法是困难的。
6.一种放射疗法治疗技术被称为点扫描，也被称为笔形射束扫描。在点扫描中，射束被定向到由治疗计划规定的治疗靶标中的点。指定的点位置通常以针对射束的每个能量层的固定(栅格)图案被布置，并且射束被递送到能量层内的固定扫描路径。尽管一些现有的治疗规划解决方案可以在优化后移除在某个监测单元(mu)阈值下的点，但是结果的剂量以从治疗递送装备的角度看在计划质量或场递送时间方面不一定最优的方式被重新分配。


技术实现要素：

7.因此，在本领域中存在使用治疗时间作为参数(优化目标)来生成用于放射疗法的治疗计划的需要，例如，以减少总体治疗时间，或者在将总治疗时限制为可接受的值的同时仍然维持医学上可接受的剂量测定。本公开的实施例可操作以基于机器参数和知识(诸如机器特定的射束产生、传输和/或扫描逻辑、和/或最大的治疗时间值)来产生治疗场作为治疗计划的一部分，该治疗计划达成在场递送时间与剂量之间的期望平衡，并且其中治疗参数可以使用图形用户界面被调整以使得治疗时间或剂量测定被优先化。
8.公开了用于放射疗法治疗规划的计算机实现方法的实施例。在实施例中，方法包括：访问包括一个或多个治疗(能量)层的放射疗法治疗计划，其中治疗层中的每个层包括多个点；接收针对放射疗法计划的治疗时间目标的权重，基于权重以及来自治疗层的点的成本修改该点以产生经修改的层，或者减少层的数目；以及使用经修改的层或者减少了数
目的层来生成经修改的放射疗法治疗计划，其中经修改的放射疗法治疗计划可操作为由递送机器执行以根据经修改的放射疗法治疗计划将放射疗法治疗施加于靶标。
9.根据一些实施例，方法还包括修改一个或多个点以产生一个或多个经修改的层，其中使用经修改的层来生成经修改的放射疗法治疗计划。
10.根据一些实施例，点被修改以将该点的剂量贡献重新分配给一个或多个相邻点。
11.根据一些实施例，针对放射疗法治疗计划的剂量测定目标的权重也被接收。
12.根据一些实施例，剂量测定目标包括以下至少一项：剂量体积直方图(dvh)目标；等价均匀剂量(eud)目标；最小剂量目标；最大剂量目标；以及剂量下降目标。
13.根据一些实施例，方法包括基于针对经修改的放射疗法治疗计划的治疗时间目标的权重、以及放射疗法治疗计划的剂量测定目标的权重来在治疗规划系统的图形用户界面上动态呈现剂量体积直方图(dvh)。
14.根据一些实施例，针对经修改的放射疗法治疗计划的治疗时间目标的权重以及针对剂量测定目标的权重是根据从在治疗规划系统的图形用户界面上呈现的控制器(诸如滑块)中所接收的用户输入而被定义的。
15.根据一些实施例，方法包括根据经修改的放射疗法治疗计划来仿真放射疗法，以确定实际剂量在根据经修改的放射疗法治疗计划被施加时是否符合预定义的质量标准。
16.根据一些实施例，修改来自治疗层的点包括：针对点中的每个点，基于与该点相关联的剂量以及该点的递送持续时间来计算成本；以及修改多个点中具有最高成本的点的至少一个点。
17.根据另一实施例，公开了一种用于放射疗法治疗规划的电子系统。该电子系统包括：显示设备、存储器、以及与存储器通信的处理器。处理器可操作以执行用于执行放射疗法治疗规划的方法。方法包括：访问包括一个或多个治疗层的放射疗法治疗计划，其中治疗层中的每个治疗层包括多个点；接收针对放射疗法治疗计划的治疗时间目标的权重；基于该权重以及来自治疗层的点的成本修改该点以产生经修改的治疗层，或者降低层的数目；以及使用经修改的层或者降低了数目的层来生成经修改的放射疗法治疗计划，其中经修改的放射疗法治疗计划可操作为由递送机器根据经修改的放射疗法治疗计划将放射疗法治疗施加于靶标。
18.根据不同的实施例，公开了一种非瞬态计算机可读存储介质，该非瞬态计算机可读介质包含由处理器执行的指令以使得该处理器执行放射疗法治疗规划的方法。方法包括：访问包括一个或多个治疗层的放射疗法治疗计划，其中治疗层中的每个治疗层包括多个点；接收针对放射疗法治疗计划的治疗时间目标的权重；基于该权重以及来自治疗层的点的成本修改来该点以产生经修改的治疗层，或者降低层的数目；以及使用经修改的层或者降低了数目的层来生成经修改的放射疗法计划，其中经修改的放射疗法治疗计划可操作为由递送机器执行以根据经修改的放射疗法治疗计划将放射疗法治疗施加于靶标。
19.治疗时间的减少对于改进治疗的质量以及病人的舒适性有重要意义。减少用于递送放射疗法治疗计划的治疗时间可以降低部分间(intra-fraction)未对准的风险，提高机器吞吐量，并且使得能够或着促进专门化治疗(诸如屏气固定治疗)，从而改进护理的质量和/或质子疗法的可访问性。
20.在阅读了以下具体实施方式之后，本领域技术人员将认识到根据本发明的实施例
的这些和其他目标和优点，这些实施例在各个附图中示出。
附图说明
21.被并入说明书并且形成说明书一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理，在附图中，相同的附图标记描绘相同的元素。
22.图1是根据本公开的实施例的由治疗规划系统生成的放射疗法治疗计划的示例的等剂量线的图解。
23.图2是根据本公开的实施例的描绘治疗计划的示例的层的每个点的成本的图表。
24.图3描绘了在没有时间优化或者成本降低的情况下由治疗规划系统生成的常规治疗计划的点扫描图案的示例。
25.图4描绘了根据本公开的实施例的经修改的治疗计划的点扫描图案的示例，该治疗计划使得在时间上的最高成本点被移除。
26.图5描绘了与没有成本降低的常规计划相比，图4的经修改的治疗计划的剂量测定。
27.图6描绘了根据本公开的实施例的具有显著时间上的成本降低的优化的放射疗法治疗计划的示例的等剂量线。
28.图7示出了根据本公开的实施例的两个示例放射疗法治疗计划的侧向线剂量轮廓。
29.图8是根据本公开的实施例的治疗规划系统的图形用户界面的示例的屏幕上显示，包括控制器(例如滑块)，该控制器用于向剂量测定目标和治疗时间目标指派相对权重，用于通过移除一个或多个点来生成具有降低的总成本的优化的治疗计划。
30.图9是根据本公开的实施例的治疗规划系统的图形用户界面的示例的屏幕上显示，包括用于向治疗时间目标对剂量测定目标指派相对权重的输入栏，用于通过移除一个或多个点来生成具有降低的总成本的优化的治疗计划。
31.图10是根据本公开的实施例的治疗规划系统的图形用户界面的示例的屏幕上显示，包括针对治疗计划的场的治疗递送时间的列表，该治疗计划根据递送时间目标(例如，递送系统的定时约束)来使用点缩减以减少治疗递送时间、同时也考虑治疗计划的剂量测定目标而被生成。
32.图11a以及图11b是根据本公开的实施例的治疗规划系统的图形用户界面的示例的屏幕上显示，包括剂量-体积直方图以及扫描图案和序列，其按照被指派给治疗计划的治疗时间目标和剂量测定目标的相对权重动态地被生成。
33.图12是根据本公开的实施例的用于优化放射疗法治疗计划以降低总成本/递送时间的方法中的计算机实现的步骤序列的示例的流程图。
34.图13是描绘可以在其上实现本公开的实施例的电子系统的示例的框图。
具体实施方式
35.现在将详细参考几个实施例。虽然将结合备选实施例描述主题，但将理解它们不旨在将要求保护的主题限制于这些实施例。相反，要求保护的主题旨在覆盖备选、修改和等效体，其可以包括在由所附权利要求限定的要求保护的主题的精神和范围内。
36.此外，在下面的具体实施方式中，许多具体的细节被阐述以提供所要求保护的主题的透彻的理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节的情况下或利用其等效体来实践实施例。在其他一些实例中，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊本主题的方面和特征。
37.一些实施例可以在由一个或多个电子系统(计算机或其它设备)执行的计算机可执行指令(诸如程序模块)的一般上下文中描述。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，在各种实施例中程序模块的功能性可以如所期望的被组合或分布。
38.以下具体实施方式的部分是从方法角度来呈现和讨论的。虽然在描述该方法的操作的本文的图(例如，图12)中公开了步骤和其排序，但是这样的步骤和排序仅为示例。实施例很好地适于执行本文的图的流程图中所陈述的各种其它步骤或步骤的变体，并且适于以不同于本文所描绘和描述的顺序来执行。
39.具体实施方式的某些部分以过程、步骤、逻辑块、处理、以及可以在计算机存储器上执行的对数据位的操作的其它符号表示的角度呈现。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域的其他技术人员的手段。过程，计算机执行的步骤，逻辑块，处理等在这里通常被认为是产生期望结果的步骤或指令的自相容序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够在计算机系统中被存储、传送、组合、比较以及以其他方式被操纵的电信号或磁信号的形式。主要出于通用的原因，将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数字等有时被证明是方便的。
40.然而，应当记住，所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非另有声明，如从以下讨论变得明显的，否则应当理解，在整个讨论中，利用诸如“访问”、“显示”、“写入”、“包括”、“存储”、“发送”、“遍历”、“确定”、“标识”、“观察”、“调整”、“接收”，“修改”、“生成”、“重新分配”、“仿真”等术语来指代电子(例如，计算机)系统或类似电子计算设备的动作和过程。其操纵计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理(电子)量的数据、以及将这些数据变换为计算机系统存储器或寄存器或其它这样的信息存储装置、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其它数据。
41.本文描述的实施例可以在驻留在某种形式的计算机可读存储介质上的计算机可执行指令(诸如由一个或多个计算机或其它设备执行的程序模块)的一般上下文中讨论。通过示例而非限制的方式，计算机可读存储介质可以包括非瞬态计算机存储介质和通信介质。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件，数据结构等。程序模块的功能性可以在各种实施例中按需组合或分布。
42.计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程rom(eeprom)、闪存或其它存储器技术、压缩盘rom(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)或其它光学存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其它磁存储设备、或者可用于存储期望信息并且可以被访问以检索该信息的任何其它介质。
43.用于放射疗法场递送时间优化的系统和方法
44.根据本公开的实施例，可以调整质子或离子射束的射束电流、或者每时间片段的质子或离子的数目，以最小化使用辐射来治疗靶标体积所需的时间。质子或离子射束的射束电流、或者质子或离子每时间片段的数目，可以根据治疗计划并且还根据一个或多个对治疗机器装备的限制被调整，该治疗机器设备产生质子或粒子射束并且递送以及监测辐射剂量。治疗计划可以基于病人身体的靶标体积(例如癌性肿瘤)的一个或多个计算机层析(ct)图像和/或从合适的成像技术得出的其他合适的图像，并且可以包括针对将递送给靶标体积的辐射量、以及在将递送辐射的靶标体积内的多个位置的一个或多个处方。
45.为了递送辐射的规定剂量，治疗计划可以被转换为机器参数(例如，质子或离子射束的射束电流、将由加速器发射的质子或离子每时间片段内的数目、磁流、达成在靶标体积处的质子或离子的规定能量的设置、剂量监测系统的测量范围等)。这种转换可以考虑产生质子或离子射束、并且递送以及监测辐射治疗的治疗机器设备的限制。
46.专门的软件可以被用于生成治疗计划，并且算法或过程可以被应用，该算法或过程计算质子或离子射束的射束电流，或者每时间片段的质子或离子数目，使得病人可以尽可能快地被治疗或者达成治疗时间以及剂量测定目标之间的期望平衡。另外，算法或过程可以考虑质子或离子射束的经时间优化的射束电流，或者每时间片段的质子或离子的经时间优化的数目，以确定场的每个点的持续时间。在开发治疗计划时，可以考虑每个点和整个场的确定持续时间。
47.图1描绘了根据本公开的实施例的放射疗法治疗计划的示例等剂量线100，该放射疗法治疗计划由放射疗法治疗规划系统(tps)生成、并且用于控制用于递送受控剂量的辐射的放射疗法递送系统(例如，质子疗法治疗系统)。在图1的示例中，包括多个能量层的单个场治疗计划被生成以使用2格雷(gy)的部分剂量在25个个体的治疗段(部分)递送50格雷(gy)剂量。治疗计划被配置成使用八个能量层和共计2969个点来施加放射疗法治疗。每个点由能量、用于通过光束递送剂量的点位置以及包括剂量的多个监测单元(mu)来定义。不同点的治疗时间通过考虑机器特定参数(例如，定时约束)而被确定，并且被求和以确定总的场照射时间，如下面表i中的示例所示。
48.表i
[0049][0050]
如表i所示，示例治疗计划包括66.681秒的总照射时间。治疗计划的点可以使用机
器特定知识(诸如基于与特定计划、场、层或点的递送的机器参数对应的函数)而被定义。例如，这些参数可以包括回旋加速器射束电流、指示用于特定计划或点所递送的实际剂量的mu的数目、递送时间、喷嘴中的射束电流、扫磁速度特性、扫描逻辑、以及与递送放射疗法治疗的特定机器或系统相关的其他参数。
[0051]
通常，治疗计划的点的成本是参数的函数，诸如但不限于下面的一项或多项：递送点所需的时间、点的mu、点递送期间的回旋加速器射束电流和最大可能回旋加速器射束电流，以及其它点或射束产生、传输和递送系统参数。在实施例中，治疗计划的点的成本可以根据机器特定知识使用等式来表达，诸如但不限于：
[0052]
或
[0053]
或
[0054]
或
[0055]
或，更一般的，
[0056]cspot
＝f(t
spot
，mu
spot
，i
cyclo
，i
cyclo max，
p
*
)
[0057]
在上面的等式中，c
spot
表示个体点的成本，i
cyclo max
表示最大可能的回旋加速器射束电流，i
cyclo
表示在点的递送期间的回旋加速器射束电流，mu
spot
表示个体点的mu，t
spot
表示递送个体点所需的时间，并且p*表示任何其它点或射束产生、能量选择、射束传输和/或射束递送系统参数。
[0058]
表示治疗计划总成本的成本函数的总值可以根据所有点的个体成本的总和来确定，其中n是出现在计划中的点的总数：
[0059][0060]
为了优化治疗计划，可以在不显著影响剂量测定和治疗时间的情况下修改相对高成本的一个或多个点。一般而言，修改点可以意味着从治疗计划中移除该点，或者意味着来自该点的mu或剂量贡献被分配给一个或多个相邻点，包括同一层中的点或一个或多个邻接层中的点，和/或被修改或被移除的点周围的点的位置(分布)可以被调整(也参考下面图7的讨论)。
[0061]
根据一些实施例，点(例如，点权重)被通过tps自动调节以减少点的成本和治疗计划的总成本，从而减少用于实施治疗计划的总治疗时间。治疗时间的减少对于改善治疗质量以及患者舒适性是显著的。减少用于实施放射疗法治疗计划的治疗时间可以降低运动(intra-fraction)未对准的风险，增加机器吞吐量，并且使能或促进专门的治疗，例如屏气固定治疗，从而提高护理质量和/或质子治疗的可及性。根据本公开的实施例还允许快速生成这种有效的放射疗法治疗计划。因此，根据本公开的实施例具体地改进了放射治疗规划的领域，并且总体上改进了放射疗法的领域。
[0062]
在图1的示例中，示例治疗计划的总成本是41,653,704.38个任意单位(au)。图2是描绘根据本公开实施例的图1的示例治疗计划的层(能量层，在本文中也称作治疗层或简称
为层)的每点成本的图表200。
[0063]
在图2的示例中，在图表200中描绘得较高的点与在图表200中描绘得较低的点相比与更高的时间上的成本相关联。图表200顶部的点205指示与由成本函数(诸如上述成本函数)确定的最高成本相关联的点。通过从治疗(能量)层移除点205，可以在不显著影响剂量测定的情况下降低具有经修改的层的治疗计划的总成本。在点的消除之后，具有经修改的层的治疗计划的成本函数的值可以根据机器特定的知识(例如，递送系统的定时约束)而被重新计算。具体地，对于图1-图2中描绘的示例，具有最高成本的点205的消除引起治疗计划的总成本降低13,721.95au，并且场递送时间减少0.954秒，与66.681秒的原始场递送时间相比，结果是65.727秒的场递送时间。
[0064]
图3描绘了在没有优化或成本降低的情况下，由tps生成的常规治疗计划的点扫描图案300的示例。在图3的例子中，点305是成本最高的点，但是这些点中没有一个点基于它们的时间上的成本而从原始治疗计划被移除。相比之下，图4描绘了根据本公开的实施例的经修改的治疗计划的点扫描图案400的示例，该经修改的治疗计划使最高成本点(点305)被移除。如图3-图4所示，点305的消除对计划质量没有显著的剂量测定后果，并且如图5所示，对靶标的剂量统计没有影响，这将在下面讨论。因此，通过在治疗计划中不包括点305，治疗期间的总照射时间可以被减少。
[0065]
图5是描绘了根据本公开实施例修改的治疗计划的剂量测定与未经修改的常规治疗计划相比的剂量测定的剂量-体积直方图(dvh)。如图5所示，具有降低的总成本的经修改的治疗计划的剂量测定和治疗质量505没有受到显著影响，并且在表510中没有观察到对靶标结构的剂量统计的影响；然而，处理时间有利地被减少。
[0066]
图6描绘了根据本公开的实施例被生成并且被优化的放射疗法治疗计划的示例的等剂量线600。治疗计划由放射疗法tps生成，并且用于控制放射疗法系统(例如，质子疗法治疗系统)以递送规定剂量的辐射。在图6的示例中，相对于图1的示例，例如，使用8个能量层和总体1872个点，治疗计划基本被减少到14,912.01au的总成本函数值。此外，与66.681秒的原始治疗时间(表i)相比，治疗计划的递送时间有利地并且显著地减少至25.285秒。基于机器特定参数所确定的针对不同层的治疗时间在以下表ii中表示。
[0067]
表ii
[0068]
[0069]
虽然靶标体积剂量统计被维持并且与原始计划可比较，但是剂量适形性的降低可能导致对风险器官(oar)的剂量增加，这可以在图7的图表700中观察到，该曲线图示出了两个示例放射疗法治疗计划的侧向线剂量轮廓。更具体地，在图7的示例中，计划3(其相对于计划4是关于递送时间更快的计划)具有更宽的侧向半影，其可以导致相对于计划4更高的oar剂量，而计划4(其相对于计划3是关于递送时间更慢的计划)具有更尖锐的侧向半影，该侧向半影可以导致相对于计划3更低的oar剂量。因此，根据一些实施例，不是移除点及其相关联的剂量贡献，而是该点的剂量贡献可以被重新分配给相邻点，这可以有利地在某些情况下减少治疗时间优化/减少的总体剂量测定影响。
[0070]
如上所述，治疗规划系统可以使用机器特定知识来生成成本函数，用于例如根据递送系统的定时约束来优化场递送时间。本公开的一些实施例可以根据由tps例如经由图形用户界面(gui)接收到的用户输入，基于场递送时间与剂量测定特征之间的规定平衡来生成优化的治疗计划。例如，如图8所示，在图形gui 800上显示的滑块805的末端815使治疗计划的优化偏向于减少递送时间，并且滑块805的末端810使治疗计划的优化偏向于使剂量测定影响最小化和/或满足剂量测定目标。滑块中间的值同等地优先考虑减少的治疗时间和剂量测定影响，以达成治疗时间与治疗质量/剂量测定之间的平衡。通过执行计划优化以移除最昂贵的一个或多个点，如图10和11a所示，通过与gui 800交互来调整滑块动态地更新递送时间信息和相应的剂量分配以及剂量-体积直方图(dvh)曲线。当然，可以使用其它形式的输入来定义治疗时间减少和剂量测定保持的相应权重，诸如按钮，数值输入栏等。
[0071]
在图9的示例中，示例屏幕上图形用户界面900包括用于定义治疗时间目标(例如，治疗递送时间目标)的相对权重的数值输入栏905。当优化治疗计划时，可以由终端用户录入在0与100之间的值，以在优化治疗计划时将零权重指派给治疗递送时间，全权重(100)使得剂量测定目标根本被不考虑，或者基于治疗时间减少和剂量测定目标的加权组合来优化所得到的治疗计划的在0与100之间的权重。在优化期间，可以考虑与计划的剂量测定特性相关的其他优化目标，诸如dvh目标，等价均匀剂量(eud)目标，最小和最大剂量目标，剂量下降(或正常组织)目标等。此外，这些目标可以被定义为对于多场景优化是鲁棒的。在一个实施例中，这些目标的完整集合可以被认为是针对优化目的的“剂量测定目标”。
[0072]
图10描绘了根据本公开的实施例的包括滑块1005的屏幕上图形用户界面1000的示例，滑块1005定义的剂量测定目标与递送时间目标的相应权重用于生成优化的治疗计划，例如以减少递送时间而没有显著的剂量测定影响。调整gui 1000中的滑块1005动态地更新递送时间信息1010和相应的剂量分配1015。以这种方式，用户可以方便地且有效地定义剂量测定目标和递送时间目标的不同权重，并且立即查看因此产生的对治疗递送时间和剂量分配的影响。当达成期望的平衡时，优化的治疗计划可以被生成，用于递送由优化的治疗计划定义的规定的放射疗法治疗，有利地产生更好的总体治疗质量和/或减少的治疗时间。
[0073]
图11a和11b示出了根据本公开的实施例的屏幕上图形用户界面1100的示例，图形用户界面1100包括dvh 1105和响应于图10中的滑块1005所定义的值而产生的点扫描图案1110。任何常见形式的数据输入可被用于定义剂量测定目标和递送时间目标的相应权重，以生成优化的治疗计划。通过观察与剂量测定和递送时间目标的不同权重对应的dvh 1105和点扫描图案1110，可以生成满足由临床医生的用户输入确定的放射疗法治疗的特定需要
(例如考虑递送系统的任何特定约束)的优化的计划。
[0074]
通过治疗递送机器递送的实际剂量经常不同于由放射疗法治疗计划定义的静态剂量。因此，本公开的一些实施例可以用作验证措施，以确保实际被递送给患者的剂量是合理的，并且符合为患者安全而实施的质量控制措施。例如，与治疗规划系统中的计划静态剂量分配相比，治疗机器处的递送动力学可以显著地影响由治疗递送机器实际递送的剂量。因此，治疗规划系统可以配备有机器特定递送动力学和/或参数化的模型，以执行治疗计划的仿真递送并且提供结果度量，以与放射疗法治疗计划的计划剂量分配相比较来评估所递送的剂量分配。以这种方式，作为安全/质量控制措施，不安全或不切实际的治疗可以被标识并且被避免，并且更优化的治疗计划可以被生成，该治疗计划递送安全和高质量的剂量分配以例如符合健康或安全质量标准地有效治疗靶标体积。
[0075]
虽然本文公开的本公开的几个实施例生成用于质子疗法的优化治疗计划，但是本公开的实施例也很适合于其它形式的放射疗法治疗(例如电子射束，光子射束，离子射束或原子核射束(诸如碳、氦和锂))。此外，本文公开的用于降低治疗计划的总成本的点过滤优化方法可以用于生物学驱动的治疗计划和flash应用中的剂量率优化，在生物学驱动的治疗规划和flash应用中的定时与潜在的反应机制有关，包括但不限于防止辐射引入的缺氧和dna损伤/修复。本公开实施例的点过滤优化过程还可以用于过滤和重新分配跨场的剂量，以利用治疗递送机器的全强度调制能力。例如，可以在其它有贡献的场中交叉检查对递送时间和剂量两者都有显著贡献的点，以确定来自不同场的另一层是否以更时间高翔的方式对剂量有贡献。
[0076]
根据一些实施例，还考虑成本函数的惩罚和进一步扩展。例如，附加的惩罚可以与由于可能受患者运动影响的治疗和射束定向而要求更严格的时间限制的场相关联。当计划在患者仿真期间要求四维计算机断层摄影(4dct)扫描时，可在吸气末和呼气末阶段之间执行可变形图像配准。基于所获取的变形矢量场，有可能确定主要运动方向，并且惩罚来自指向垂直于主要运动方向的点(场)的剂量贡献，同时有利于指向更平行于主要运动方向的点(场)，从而使计划适应患者特定的需要。
[0077]
图12是描绘用于产生优化的放射疗法治疗计划的方法或过程1200的计算机实现的步骤的序列的示例的流程图，该优化的放射疗法治疗计划基于机器参数和知识(诸如机器特定的扫描逻辑和/或最大治疗时间值)来达成场递送时间与剂量之间的期望平衡。过程1200可以实现为存储在非瞬态计算机可读存储介质(存储器)中并且在处理器上执行的程序代码(指令)。
[0078]
在步骤1205，放射疗法治疗计划由放射疗法治疗规划系统访问或生成。放射疗法治疗计划包括多个(一个或多个)具有带有相关联剂量的点的治疗层。点的治疗递送时间可以根据机器特定的知识来确定，机器特定的知识与根据治疗计划递送放射疗法治疗的递送机器相关的机器特定知识来确定。点的成本可以根据剂量和治疗递送时间被确定。
[0079]
在步骤1210，权重被指派给放射疗法治疗计划的治疗时间目标。例如，治疗时间目标可以包括减少总治疗时间或设置最大治疗时间。
[0080]
在步骤1215，基于相应点的成本和被指派给治疗时间目标的权重，放射疗法治疗计划的层的一个或多个点被修改(例如，如上所述被移除或被重新分配)。根据一些实施例，根据被指派给治疗规划系统的剂量测定目标的权重，一个或多个点被修改。剂量测定目标
可包括例如dvh目标，等价均匀剂量(eud)目标，最小和最大剂量目标，剂量下降(或正常组织)目标等。根据一些实施例，点由tps自动调整以降低点的成本和治疗计划的总成本，从而减少用于递送治疗计划的总治疗时间。根据一些实施例，来自层的点的mu可以被重新分配给相邻层的点，或者层可以被移除并且该层的点可以重新被分配。
[0081]
在步骤1220，优化的放射疗法治疗计划根据在步骤1215中锁修改的层被生成，并且被保存到计算机存储器中。
[0082]
本公开的实施例涉及用于根据如上所述的机器特定知识来规划和优化放射疗法治疗计划以减少放射疗法治疗的递送时间的计算机系统。用户可以(例如使用gui)录入一个值，该值通过移除相对高成本的点而没有显著的剂量测定影响来定义与剂量测定目标相比应用于递送时间目标的相对权重。如上所述，由于需要考虑的不同参数、这些参数的值的范围、这些参数的相互关系、对有效但最小化对患者风险的治疗计划的需要、以及对快速生成高质量治疗计划的需要，因此在计算机系统上一致地执行的治疗规划系统的使用对于如本文所公开的放射疗法治疗规划是重要的。以下讨论描述了这样的计算机系统的示例。
[0083]
在图13的示例中，电子或计算机系统1312包括用于运行软件应用(例如，放射疗法治疗规划系统)的中央处理单元(cpu)1301和可选的操作系统。计算机存储器包括随机存取存储器1302和/或只读存储器1303，该只读存储器1303存储供cpu 1301使用的应用程序和数据。数据存储设备1304为应用和数据提供非易失性存储装置并且可以包括固定磁盘驱动器、可移除磁盘驱动器、闪存设备、以及cd-rom、dvd-rom或其它光学存储设备。可选的用户输入1306和1307包括将来自一个或多个用户的输入传递给计算机系统1312的设备(例如，鼠标、操纵杆、相机、触摸屏和/或麦克风)。
[0084]
计算机系统存储器包括与治疗规划系统相关联的计算机可读指令、数据结构、程序模块等。治疗规划系统可以被分布在计算机存储介质的某种组合上，或者可以被分布在联网计算机的某种组合上。根据在此公开的实施例，治疗规划系统用于评估和产生放射疗法治疗计划。
[0085]
通信或网络接口1308允许计算机系统1312经由电子通信网络(包括有线和/或无线通信并且包括内联网或互联网)与其他计算机系统、网络或设备通信。显示设备1310可以是能够响应于来自计算机系统1312的信号显示视觉信息的任何设备，并且可以例如包括平板触敏显示器。计算机系统1312的组件(包括cpu 1301、存储器1302和1303、数据存储装置1304、用户输入装置1306及图形子系统1305)可以经由一个或多个数据总线耦合。
[0086]
在图13的实施例中，图形子系统1305是可选的，并且可以与数据总线和计算机系统1312的组件耦合。图形系统1305可以包括物理图形处理单元(gpu)和图形/视频存储器。gpu可以包括一个或一个以上光栅化器、变换引擎和几何引擎，并且从渲染命令生成像素数据以创建输出图像。物理gpu可以被配置为可以由并行执行的多个应用或进程并行(例如，同时)使用的多个虚拟gpu，或者多个物理gpu可以被同时使用。图形子系统1305可以向显示设备1310输出显示数据，例如，以使经修改的治疗计划的dvh和剂量分配可视化，并且利用图形用户界面在显示设备1310上呈现滑块或输入栏。
[0087]
在诸如强度调制辐射治疗(imrt)，强度调制粒子治疗(impt)和点扫描(例如笔形射束扫描)的放射疗法治疗技术中(其中粒子束的强度跨整个递送区域是恒定的或经调制的)，射束强度跨患者的每个治疗区域(治疗靶标中的体积)是变化的。取决于治疗模态，可
用于强度调制的自由度包括但不限于射束成形(准直)、射束加权(点扫描)、点的数目和布置、以及入射角(其可以被称为束几何形状)。这些自由度导致潜在治疗计划的有效地无限数目的潜在治疗计划，并且因此导致一致地和有效地生成并且评估高质量的治疗计划超出了人类的能力并且依赖于计算机系统的使用，特别是考虑到与使用放射疗法来治疗如癌症的疾病相关联的时间约束，以及在任何给定时间段期间经历或需要经历放射疗法的大量患者。
[0088]
本公开的实施例因此被描述。虽然已经在特定实施例中描述了本公开，但是本公开不应当被解释为受这些实施例的限制，而是根据所附权利要求来解释。