用于FLASH疗法治疗规划的扫描图案优化的系统和方法与流程

用于flash疗法治疗规划的扫描图案优化的系统和方法
技术领域
1.本发明的实施例总体上涉及放射治疗领域。更具体地，本发明的实施例涉及用于质子疗法治疗计划和生成扫描图案的系统和方法。


背景技术：

2.使用质子或其它离子的粒子疗法是一种类型的放射疗法，其使用外部射束向肿瘤提供靶向电离辐射。质子或其它带正电的离子被送到加速器以使粒子的能量达到预定值。然后，质子或其它离子移动通过束传输系统，其中根据需要使用磁体来成形、聚焦和/或引导质子或其它离子束。
3.标准的放射疗法将能量沿着射束到目标肿瘤的路径沉积在“点”中。然而，能量的到达也延伸到目标肿瘤的组织之外，并且可以将辐射递送到肿瘤部位周围的健康组织。这种过量的辐射可能损伤目标区域附近的正常组织或器官。此外，特定能量的选择和点的数量仅基于患者几何形状和硬件约束来决定。实现用于治疗的剂量测定标准的后续优化传统上仅在点强度上进行，这可能产生不是最佳的结果。
4.放射治疗计划可以根据目标体积和危险器官的给定剂量体积约束以及根据使用商业上可获得的治疗计划系统的计划鲁棒性来优化。使用射束特性和机器特定剂量校准计算剂量分布。然而，机器或系统限制可能导致将目标剂量分布转换为产生不可接受的或亚最佳治疗计划的机器/治疗递送系统参数。例如，所生成的治疗计划可能不使用完整的系统/机器能力，从而可能不以最有效和可靠的方式利用系统。可以使用涉及多方向优化所需的若干复杂相关计划参数(例如，能量层距离、点大小或点间隔)的修改的试错法来优化治疗计划的效率。即使优化的治疗计划最终通过了计划质量和治疗递送时间的标准，由于当前可用的商业治疗计划系统没有考虑组合计划参数的机器特定能力限制，机器上的应用可能失败或可能不能实现治疗计划期间计划目标所要求的最佳递送效率。
5.例如，在质子疗法治疗中，笔形射束跨目标区域扫描以递送辐射剂量。无论目标形状或递送场的时间如何，扫描图案都是逐行的。flash疗法向目标递送超高剂量率治疗，并且在临床前研究中已显示降低正常组织毒性。对flash作用背后的潜在生物学机制所知甚少，但假定其具有随剂量率增加而增加的益处。在笔形射束扫描(pbs)中，剂量率变得难以限定，因为每个体素的剂量率受其邻居的影响。治疗计划系统(tps)用于生成栅格图案中的点并确定点的剂量。该信息存储在治疗计划中，该治疗计划由使用光栅扫描递送剂量的质子疗法治疗系统(例如机架)执行。
6.目前，由tps创建的扫描图案限于逐行扫描，并且通常被优化以最小化患者接收的总剂量。重要的是，目前没有办法改变或定制该图案以优化flash剂量率递送。此外，用于递送剂量的现有技术使用不考虑剂量率的标准扫描图案，取决于目标的形状和大小，这可能是有问题的。例如，对于相对较大的目标，逐行扫描目标可能不是递送剂量的最有效的手段，并且实际上可以显著地降低所施加的剂量率。因此，标准扫描图案通常限于较低的剂量率，特别是在pbs flash递送的情况下。然而，对于高剂量率治疗，例如pbs flash治疗，期望
最大化应用于正常组织的剂量率。
7.因此，需要一种改进的flash治疗计划的方法，其可以最大化针对不同目标大小的剂量率，这些不同目标大小包括相对大的目标，不同的形状和不同的位置。


技术实现要素：

8.因此，本发明的实施例包括一种能够使flash治疗的剂量率最大化的flash治疗计划的改进方法。更具体地，根据本发明的实施例，本文公开了用于质子治疗计划的方法和系统，其最大化用于flash疗法治疗的不同目标大小、形状和/或位置的剂量率。根据实施例，可以例如使用tps优化器来生成非标准扫描图案，以针对处于风险中的特定体积最大化剂量率和总体flash效应。新的扫描图案可以包括场的例如被独立扫描的或为螺旋形图案的扫描子场。通常，点位置和点之间的射束路径被优化以在患者身体的限定区域中针对flash疗法治疗基本上实现期望的剂量率。
9.根据一个实施例，公开了一种用于质子疗法治疗的系统。该系统包括：机架，该机架包括被配置成发射可控质子束的喷嘴；质子疗法治疗系统，该质子疗法治疗系统根据治疗计划控制机架；以及治疗计划系统，该治疗计划系统包括用于存储图像数据和治疗计划的存储器；以及处理器，该处理器可操作以执行生成治疗计划的方法。该方法包括：接收目标体积的成像数据；将目标体的成像数据划分为包括多个子场的扫描图案，所述多个子场包括第一扫描方向和第二扫描方向；优化扫描图案以实现期望的剂量率；以及输出包括扫描图案的治疗计划。所述治疗计划可操作以指示质子疗法治疗系统根据所述扫描图案对所述目标体积执行质子疗法治疗，并且所述质子疗法治疗系统根据所述治疗计划在所述第一扫描方向上以较快的扫描速率扫描并且在所述第二扫描方向上以较慢的扫描速率扫描。治疗计划是质子疗法治疗计划。
10.根据一些实施例，该方法还包括根据优化的质子疗法治疗计划使用质子疗法治疗系统执行质子疗法治疗。
11.根据一些实施例，所述方法还包括接收所述期望的剂量率作为输入。
12.根据一些实施例，该方法还包括根据与质子疗法治疗系统相关联的机器参数来确定期望的剂量率。
13.根据一些实施例，由质子疗法治疗系统独立地扫描多个子场。
14.根据一些实施例，将目标体积的成像数据划分成包括多个子场的扫描图案是基于目标体的大小来执行的。
15.根据一些实施例，期望的剂量率是质子疗法治疗系统的上限剂量率。
16.根据另一个实施例，公开了一种质子疗法治疗的方法。该方法包括：接收目标体积的成像数据；将所述目标体积的成像数据划分为包括多个子场的扫描图案，所述多个子场包括第一扫描方向和第二扫描方向；优化所述扫描图案以实现期望的剂量率；以及输出包括所述扫描图案的质子疗法治疗计划，所述质子疗法治疗计划可操作来指示质子疗法治疗系统根据所述扫描图案执行质子疗法治疗，并且进一步地，所述质子疗法治疗系统可操作来在所述第一扫描方向上以较快的扫描速率扫描，并且可操作来在所述第二扫描方向上以较慢的扫描速率扫描。
17.根据一些实施例，该方法包括根据质子疗法治疗计划使用质子疗法治疗系统执行
质子疗法治疗。
18.根据一些实施例，所述方法包括接收所述期望的剂量率作为输入。
19.根据一些实施例，该方法包括根据与质子疗法治疗系统相关联的机器参数来确定期望的剂量率。
20.根据一些实施例，由质子疗法治疗系统独立地扫描多个子场。
21.根据一些实施例，将该目标体积的成像数据划分成包括多个子场的扫描图案是基于以下各项中的至少一项来执行的：目标体积的大小；目标体积的形状；以及目标体积的位置。
22.根据一些实施例，期望的剂量率是质子治疗系统的上限剂量率。
23.根据不同的实施例，公开了一种用于质子疗法治疗的方法。所述方法包括：接收患者的目标体积的成像数据；基于所述成像数据确定所述目标体积的大小；基于所述目标体积的大小生成扫描图案；优化所述扫描图案以将由所述患者的健康组织接收的辐射量减小到下限阈值，所述扫描图案包括基本上螺旋形的扫描图案；以及输出包括所述扫描图案的质子疗法治疗计划，所述质子疗法治疗计划可操作以指示质子疗法治疗系统根据所述扫描图案执行质子疗法治疗。
24.根据一些实施例，该方法包括根据治疗计划使用质子疗法治疗系统执行质子疗法治疗。
25.根据一些实施例，扫描图案与栅格形图案对准。
26.根据一些实施例，扫描图案不与栅格形图案对准。
27.根据一些实施例，所述质子疗法治疗计划包括执行flash质子疗法。
28.根据一些实施例，所述质子疗法治疗系统被配置用于笔形射束扫描。
附图说明
29.结合在本说明书中并形成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理：
30.图1示出了可在其上实现本文所述实施例的计算系统的示例的框图。
31.图2是示出可在其上实现根据本发明的实施例的放射治疗系统的所选组件的框图。
32.图3示出了根据本发明实施例的放射治疗系统的元件。
33.图4是示出根据本发明的实施例中用于创建优化的质子疗法治疗计划和扫描图案的过程中的组件的框图。
34.图5a是描述根据本发明实施例的用于自动创建优化的质子疗法治疗计划和扫描图案以优化剂量率的计算机控制步骤的示例性序列的流程图。
35.图5b是描绘根据本发明实施例的用于自动创建优化的质子疗法治疗计划和扫描图案以最小化由健康组织接收的辐射量的计算机控制步骤的示例性序列的流程图。
36.图6a是示例性质子疗法治疗计划和标准扫描图案的图。
37.图6b是图6a中描绘的示例性质子疗法治疗计划和标准扫描图案的剂量率直方图。
38.图7a是根据本发明实施例描绘的用于增加或最大化施加到目标体积的剂量率的示范性质子疗法治疗计划和优化扫描图案的图。
39.图7b是根据本发明实施例的图7a中描绘的示范性质子疗法治疗计划的剂量率直方图。
40.图8是根据本发明实施例描绘的用于使健康组织接收的辐射量最小化的示例性质子疗法治疗计划和优化扫描图案的图。
具体实施方式
41.现在将详细参考几个实施例。虽然将结合可选实施例来描述本主题，但是应当理解，它们并不旨在将所要求保护的主题限于这些实施例。相反，所要求保护的主题旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的所要求保护的主题的精神和范围内的替换、修改和等同物。
42.此外，在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节或其等效物的情况下实践实施例。在其它情况下，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。
43.根据方法或过程来呈现和讨论以下详细描述的部分。尽管在本文描述该方法的操作的图中公开了其步骤和顺序，但是这些步骤和顺序是示例性的。实施例非常适合于以不同于本文所描绘和描述的顺序来执行本文的附图中的流程图(例如，图5a和图5b)中所列举的各种其它步骤或步骤的变型。
44.按照过程、步骤、逻辑块、处理和其它符号表示呈现的详细描述的部分是对可在计算机存储器上执行的数据位的操作。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、过程等在这里通常被认为是导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。这些步骤是需要物理量的物理操纵的步骤。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、递送、组合、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。已经证明，主要是出于通用的原因将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字等有时是方便的。
45.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标记。除非特别说明，否则如从以下讨论中显而易见的，应当理解，利用诸如“生成”，“写入”，“包括”，“存储”，“发送”，“遍历”，“关联”，“标识”，“优化”等术语的通篇讨论指的是计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，其操纵表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据并将其转换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。
46.一些实施例可以在诸如程序模块或指令等由一个或多个计算机或其它设备执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述。一般而言，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，程序模块的功能可以在各种实施例中根据期望组合或分布。
47.用于flash疗法治疗的新颖扫描图案优化
48.给出以下描述以使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施例；其在特定应用及其要求的上下文中呈现。所属领域的技术人员将容易明白对所揭示实施例的各种修改，且本文中所界定的一般原理可在不脱离本公开的精神和范围的情况下应用于其它实施
例和应用。因此，本发明不限于所示的实施例，而是被赋予与这里公开的原理和特征一致的最宽范围。
49.根据本发明的实施例，本文公开了用于质子治疗计划的方法和系统，其最大化针对flash疗法治疗的不同目标大小、形状和位置的剂量率。根据实施例，可以例如使用tps优化器来生成非标准的、新颖的扫描图案，以最大化针对处于风险中的特定体积的剂量率和总体flash效应。新颖的扫描图案可以包括场的被独立地扫描的或者可以包括螺旋形图案的扫描子场，以实现期望的剂量率和/或使健康组织接收的辐射最小化。通常，根据本发明的实施例，光点位置和光点之间的光束路径被优化，以在患者身体的限定区域中针对flash疗法治疗基本上实现期望的剂量率。
50.根据一个实施例，由tps执行扫描图案优化以生成质子治疗计划，该质子治疗计划使质子治疗系统(例如机架)在一个方向上比在另一个方向上更快地扫描射束(例如笔形射束)，以便增加或最大化剂量率。通过使剂量率最大化，使健康组织的剂量累积时间最小化。例如，对于相对较大的目标，目标的子场可以被分成扁长形(oblong)的矩形子场，并且治疗计划指示质子治疗系统以更快的预定义扫描速率扫描矩形的长尺寸，并且相反地，以更慢的预定义扫描速率扫描矩形子场的短尺寸。例如，子场(例如长方形或矩形子场)的总大小/面积可以基于优化器试图达到的期望剂量率和/或指定的喷嘴电流来确定。根据一些实施例，扫描图案被优化以增加或最大化由质子治疗系统施加的总生物flash效应。
51.根据另一实施例，由tps执行扫描图案优化以生成质子治疗计划，该质子治疗计划使质子治疗系统(例如，机架)根据使由质子治疗系统执行的照射健康组织(例如，健康组织体素)的扫描次数最小化的扫描图案来扫描射束(例如，笔形射束)。通常，束路径中的体素将接收全剂量/剂量率，以及来自相邻射束的横向半影的一些剂量，并且这些“额外”剂量不一定产生flash剂量率。因此，由tps执行的扫描图案优化试图最小化来自相邻射束的“额外”剂量，这在flash疗法的上下文中对于确保大多数健康组织体素仅接收由治疗计划指定的健康组织剂量率是特别关键的。
52.一些实施例例如基于扫描磁体速度特性，通过减少给定目标形状和/或定向的总扫描时间来优化主扫描轴角度以最大化剂量率。
53.图1示出了可在其上实现本文所述实施例的计算系统100的示例的框图。在基本配置中，系统100包括至少一个处理单元102和存储器104。该最基本的配置在图1中由虚线106示出。系统100还可以具有附加的可选特征和/或功能。例如，系统100还可以包括附加存储器(可移除和/或不可移除)，包括但不限于固态的、磁的或光的盘或带。这种附加存储在图1中由可移除存储器108和不可移除存储器120示出。系统100还可以包含通信连接122，其允许设备例如在使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接的网络化环境中与其它设备通信。
54.系统100还包括诸如键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸输入设备等输入设备124。还包括诸如显示设备、扬声器、打印机等输出设备126。
55.在图1的示例中，存储器104包括计算机可读指令、数据结构、程序模块等。取决于如何使用，系统100(通过执行适当的指令等)可以用于实现计划系统，该计划系统用于生成质子治疗计划，该质子治疗计划使质子治疗系统(例如机架)在一个方向上比在另一个方向上更快地扫描射束(例如笔形射束)，以便增加或最大化剂量率。例如，对于相对较大的目标，目标的子场可以被分成扁长形的矩形子场，并且治疗计划指示质子治疗系统以更快的
预定义扫描速率扫描矩形的长尺寸，并且以更慢的预定义扫描速率扫描矩形的短尺寸。还可以优化质子治疗计划的扫描图案，以使质子治疗系统以使健康组织接收的辐射量最小化的扫描图案扫描射束。更一般地，系统100可用于产生和/或优化根据本发明的质子疗法治疗计划。
56.图2是示出根据本发明的实施例可在其上实现的放射治疗系统200的所选组件的框图。在图2的示例中，系统200包括加速器和射束传输系统204，其可操作以产生和/或加速射束201。根据本发明的实施例可以产生和递送各种类型的束，包括例如质子束、电子束、中子束、光子束、离子束或原子核束(例如，使用诸如碳、氦或锂的元素)。加速器和射束传输系统204的操作和参数被控制，使得射束的强度、能量、大小和/或形状在患者的治疗期间根据如上所述由系统100产生并存储在系统100内的优化放射治疗计划被动态地调制或控制。
57.最近的放射生物学研究已经证明了在单一的短时间段内向目标递送完整的、相对高的治疗放射剂量的有效性。这种类型的治疗在本文中通常称为flash放射疗法(flash rt)。迄今为止的证据表明，当组织仅暴露于单次照射仅非常短的时间段时，flash rt有利地避免了正常健康组织的损伤。对于flash rt，加速器和射束传输系统204可以生成射束，该射束可以在小于一秒内递送至少四(4)戈瑞(gy)，并且可以在小于一秒内递送多达40gy或更多。控制系统210可以执行用于flash rt的治疗计划，并且该计划可以由执行根据本发明实施例的优化算法或过程的系统100生成或优化。
58.喷嘴206用于将射束对准治疗室中支撑在患者支撑装置208(例如，椅子、躺椅或台子)上的患者内的各个位置(例如，目标的各个位置)。例如，目标可以是器官、器官的一部分(例如，器官内的体积或区域)、肿瘤、患病组织或患者轮廓。
59.喷嘴206可以安装在机架结构(图3)上或者可以是机架结构的一部分，机架结构可以相对于患者支撑装置208移动，患者支撑装置208也可以是可移动的。在实施例中，加速器和射束传输系统204也被安装在机架结构上或是机架结构的一部分；在另一实施例中，加速器和射束传输系统与机架结构分离(但与其连通)。
60.图2的控制系统210接收并执行根据本发明实施例生成和/或优化的规定治疗计划。在实施例中，控制系统210包括具有处理器、存储器、输入设备(例如，键盘)和可选的显示器的计算系统；图1的系统100是用于控制系统210的这种平台的示例。控制系统210可以接收关于系统200的操作的数据。控制系统210可以根据控制系统210接收的数据和根据放射治疗计划来控制加速器和射束传输系统204、喷嘴206和患者支撑装置208的参数，该参数包括诸如射束的能量、强度、大小和/或形状、喷嘴的方向以及患者支撑装置(和患者)相对于喷嘴的位置的参数。
61.图3示出了根据本发明实施例的用于治疗患者304的放射治疗系统300的元件。系统300是例如图2的放射治疗系统200的实现方式的示例。在实施例中，机架302和喷嘴306可以沿着患者304的长度和/或围绕患者上下移动，并且机架和喷嘴可以彼此独立地移动。虽然在图3的示例中患者304是仰卧的，但是本发明不限于此。例如，患者304可代之以坐在椅子中或以任何定向定位。机架302可以由使用根据本发明实施例生成的优化治疗计划的治疗系统控制。
62.关于图4，根据本发明的实施例描述了用于成像和治疗患者304的示例性质子治疗系统400。在图4的示例中，使用图像系统402对患者304进行成像，该图像系统402使用例如x
射线、磁共振成像(mri)和计算机断层摄影(ct)。例如，当使用ct或mri成像时，从3d体积获取一系列二维(2d)图像并将其存储在存储器中。每个2d图像是3d体积的截面“切片”的图像。所得到的2d横截面切片的集合可以被组合以创建患者解剖结构(例如，内部器官)的3d模型或重建并存储在存储器中。3d模型将包含感兴趣的器官，其可以被称为感兴趣的结构。这些感兴趣的器官包括放射治疗靶向的器官(目标)，以及在治疗期间可能处于辐射暴露风险的其他器官。根据一些实施例，成像过程是与治疗计划过程分离的过程，并且治疗计划过程可以包括例如从先前的成像会话接收存储的成像数据。
63.3d模型的一个目的是准备放射治疗计划。为了开发特定于患者的放射治疗计划，从3d模型中提取信息以确定参数，例如器官形状、器官体积、肿瘤形状、器官中的肿瘤位置、以及与受影响的器官和任何肿瘤相关的几种其它感兴趣结构的位置或定向。例如，放射治疗计划可以指定使用多少个放射射束以及将从哪个角度递送每个射束。
64.在根据本发明的实施例中，来自图像系统402的图像被输入到计划系统404。在实施例中，计划系统404包括具有处理器、存储器、输入设备(例如，键盘)和显示器的计算系统。图1的系统100是计划系统404的平台的示例。
65.继续参考图4，计划系统404执行能够产生用于治疗患者304的优化治疗计划的软件。治疗计划系统404可以接收由图像系统402生成的成像数据，以实现用于生成质子治疗计划的计划系统，该计划系统使得质子治疗系统300在一个方向上比在另一个方向上更快地扫描射束，以便增加或最大化剂量率，或者实现规定的剂量率406，该规定的剂量率406可以可选地由计划系统404接收作为输入。例如，对于相对大的目标，目标的子场可以被分成扁长形的矩形子场，并且治疗计划408指示质子治疗系统以更快的预定义扫描速率扫描矩形的长尺寸，并且相反地，以更慢的预定义扫描速率扫描矩形的短尺寸。
66.质子治疗计划408的扫描图案也可以被优化以使质子治疗系统300以最小化健康组织接收的辐射量的扫描图案扫描射束。更一般地，计划系统404可用于生成和/或优化根据本发明的质子疗法治疗计划。治疗计划系统404根据优化算法输出优化计划408。然后使用优化计划408来配置治疗系统300，用于例如使用机架302对患者304执行质子疗法治疗。
67.关于图5a，根据本发明的实施例描述了用于自动生成质子疗法治疗计划的计算机实现的步骤500的示例性序列。过程500产生质子治疗计划，其被优化以增加或最大化由质子疗法治疗系统施加到正常/健康组织的剂量率，同时最大化由目标体积接收的剂量并最小化由正常组织接收的剂量。
68.在步骤501，接收目标体积的成像数据。图像数据可以源自计算机存储器或源自患者的目标体积的扫描。
69.在步骤502，目标体积的成像数据被分成包括多个子场的扫描图案。子场包括第一扫描方向和第二扫描方向。
70.在步骤503，优化扫描图案以实现期望的剂量率。
71.在步骤504，输出包括扫描图案的质子疗法治疗计划，该质子疗法治疗计划包括扫描方法。质子疗法治疗计划可操作以指示质子疗法治疗系统根据扫描图案执行质子疗法治疗。质子疗法治疗系统根据扫描方法进行扫描，其中在第一扫描方向上以较快的扫描速率进行扫描，并且相反地，在第二扫描方向上以较慢的扫描速率进行扫描。
72.根据一些实施例，接收定制剂量率作为用户输入并用作期望剂量率。
73.根据一些实施例，期望的剂量率基于质子治疗系统可以产生的最大剂量率。例如，可以根据与质子疗法治疗系统相关联的机器参数来确定最大剂量率和期望剂量率。根据一些实施例，治疗计划系统存储机器扫描参数，以便优化剂量率的治疗计划(例如，最大化正常组织的剂量率)。机器扫描参数可以包括剂量分量和定时分量。剂量率可以基于剂量率定时分量和期望剂量来最大化。
74.关于图5b，根据本发明的实施例描述了用于自动生成质子疗法治疗计划的计算机实现的步骤550的示例性序列。过程550产生质子治疗计划，该质子治疗计划被优化以最小化在治疗目标体积时由患者的健康组织接收的总剂量。
75.在步骤551，接收目标体积的成像数据。图像数据可以源自计算机存储器或源自患者的目标体积的扫描。
76.在步骤552，基于涉及成像数据的计算来确定目标体积的大小、形状和/或位置。
77.在步骤553，基于目标体积的大小、形状和/或位置生成扫描图案。
78.在步骤554，优化扫描图案以最小化由患者的健康组织接收的辐射量。扫描图案可以包括基本上螺旋形的扫描图案。
79.在步骤555，输出包括扫描图案的质子疗法治疗计划。质子疗法治疗计划可操作以指示质子疗法治疗系统根据扫描图案执行质子疗法治疗。
80.关于图6a，描绘了示例性质子疗法治疗计划600，其包括应用于目标体积(例如，肿瘤或器官)的标准扫描图案601，所述目标体积被用于质子疗法治疗的正常组织包围。该治疗计划600未针对pbs flash输送进行优化，因为治疗计划600是基于患者接收的总剂量使用有限优化而生成的。图6a中描绘的治疗计划600可以不使用全部系统/机器能力(例如，剂量率)，因为治疗计划600被生成用以优化总剂量并且不考虑剂量率。因此，标准扫描图案601被限制在比使用质子治疗系统可实现的剂量率更低的剂量率，这在pbs flash输送的情况下尤其不利。如图6a所示，治疗计划被进一步约束，因为(由扫描图案上的“x”表示的)治疗点必须与栅格形图案对准，并且治疗点不能被放置在栅格形图案的线之间。如图7a所示，flash治疗计划的更有效的方法使用根据本发明优化的新颖的扫描图案，以实现更高的剂量率。
81.图6b描绘对应于示范性质子疗法治疗计划600的剂量率直方图650，所述示范性质子疗法治疗计划600包括应用于图6a中所描绘的目标体积的标准扫描图案601。与使用根据本发明实施例优化的质子疗法治疗计划的扫描图案实现的剂量率相比，使用标准扫描图案601实现的剂量率相对较低(120gy/s)。
82.关于图7a，示出了根据本发明并适用于pbs flash递送的示例性优化质子疗法治疗计划700。治疗计划700包括优化的扫描图案701，其使得质子治疗系统(例如，机架)在一个方向上比在另一个方向上更快地扫描射束(例如，笔形射束)，以有利地实现相对高的剂量率。例如，在图7a所示的示例中，使用优化的扫描图案701施加的射束在矩形子场703的垂直方向702上比在水平方向704上扫描得更快，以优化质子治疗系统施加的剂量率。根据一些实施例，基于期望的剂量率和/或给定的喷嘴电流来确定子场703的大小/面积。如图7a所示，扫描图案和所施加的点与栅格形图案对准。然而，应理解的是，扫描图案及其点可以自由放置而不遵从栅格形图案，如图8所示。
83.图7b描绘对应于示范性质子疗法治疗计划700的剂量率直方图750，所述示范性质
子疗法治疗计划700包含应用于图7a中所描绘的目标体积的标准扫描图案701。与使用标准扫描图案实现的剂量率相比，使用标准扫描图案701实现的剂量率相对较高(310gy/s)，并且适合于pbs flash递送。
84.关于图8，示出了示例性的优化质子疗法治疗计划800，其包括使质子疗法系统(例如，机架)扫描射束(例如，笔形射束)以施加期望的剂量率并最小化由健康组织(例如，健康组织体素)接收的辐射量的扫描图案801。例如，在图8所示的示例中，射束以螺旋形图案扫描以使健康组织接收的剂量最小。根据一些实施例，螺旋形图案的大小/面积基于期望的剂量率、目标体积的大小/形状和/或给定的喷嘴电流而被确定。如图8所示，扫描图案和所施加的点被自由放置而不遵从栅格形图案。这样，扫描图案可以更好地遵从目标体积的大小/形状，并且可以最小化健康组织接收的辐射量。
85.因此，本发明的实施例描述了一种改进的flash治疗计划方法，该方法可以使包括相对大的目标的不同目标大小、形状和位置的剂量率最大化。虽然已经在特定实施例中描述了本发明，但是应当理解，本发明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。