一种用于放疗治疗计划的优化的方法、计算机程序产品和系统技术方案

一种放射治疗计划的优化方法使用鲁棒优化来处理由于患者运动在一个疗程期间发生的不同场景。优化基于运动的周期和幅度、周期内的疗程的起始点以及递送时间结构。

An optimized method, computer program, and system for the treatment of radiotherapy

An optimization method of radiation therapy plan uses robust optimization to deal with different scenes that occur during a course of treatment due to the movement of the patient. The optimization is based on the cycle and amplitude of the movement, the starting point of the period of the course and the structure of the delivery time.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于放疗治疗计划的优化的方法、计算机程序产品和系统
本专利技术涉及放射治疗领域，尤其涉及在放射治疗疗程期间对患者运动的补偿。
技术介绍
放射治疗涉及使患者体内的靶如肿瘤接受一个或多个辐射束。理想情况下，应当向靶递送特定的剂量并且而应当对周围组织的辐射最小。特别地，应当最小化对诸如心脏的关键组织或器官的辐射。在一组临床目标中规定用于各种组织和器官的最大和最小剂量。通常，放射治疗分布在若干疗程(session)或分次(fraction)中，例如数天或数周中每天一次。分次通常在几分钟的时间内递送。已经考虑到在分次之间患者身体发生的变化，例如肿瘤收缩或运动，开发了适应性放射治疗方法。在每一分次之后或者在多个分次之后，可以响应实际的累积剂量和/或例如患者解剖结构的变化，重新优化治疗计划。然而，在分次期间患者的身体运动并不罕见，使得靶相对于射束连续位移。特别是，如果肿瘤位于肺部，病人的呼吸循环将导致肿瘤在分次期间上下运动，并且可能横向运动数次，而射束将相对于固定的基准位置瞄准。循环运动也会发生在其他器官如肝脏中，即使幅度通常低于肺部的幅度。这种运动会导致部分治疗计划被递送到与计划不同的患者几何体。当以与患者几何形状的变化类似的时间尺度递送计划时，会导致计划和递送剂量之间的大偏差。这被称为相互作用效应。相互作用效应在所有类型的放射治疗中都是问题，特别是在通过笔形射束扫描提供的离子治疗中，其中，使用射束以不同能量的粒子逐层扫描肿瘤体积，直到覆盖整个肿瘤为止。试图减少相互作用效应包括门控技术，以在运动循环的特定部分如在吸气开始时提供治疗。这意味着递送分次所需的时间将显著增加，因为辐射只能在每个周期的受限部分进行。运动减缓技术也被使用，其中，患者的运动受到限制。这种方法通常会导致患者不适，特别是当肺运动受到限制时。在一定程度上，通过呼吸辅导来控制患者的呼吸循环可以减少问题。在离子笔束扫描中，使用重绘(repainting)策略，其中，多次递送射束以在运动循环中获得统计拖尾效应。由于每个能量层的递送时间按照该特定层的绘制的次数来缩放，所以该方法显著地增加了递送分次的时间。还尝试过使用射束追踪技术，包含连续地追踪靶并且实时地将射束调整到靶的实际位置。这种方法是有希望的，但由于目前的技术局限，可能需要几年的时间才能达到临床实践。此外，靶的确切位置不可避免地存在一些剩余的不确定性。已经使用鲁棒优化来处理范围和设置的不确定性，以及将完整计划及时递送到4DCT数据集中的每个阶段。文献“把呼吸运动中的不确定性结合到4D治疗计划优化中”(见Heath,UnkelbachandOelfke:Incorporatinguncertaintiesinrespiratorymotioninto4Dtreatmentplanoptimization,MedicalPhysics36,3059(2009)；doi10.1118/1.3148582)公开了一种考虑到呼吸运动不确定性的方法，其中，基于4DCT图像集，将呼吸循环分成区间。确定每个运动体素的运动轨迹，并计算每个区间花费的时间。由此产生的剂量分布基于整个计划将被递送到每个区间，由该区间中花费的时间加权的假设。然而，在该现有技术中，不考虑运动循环中的不同阶段的完整计划的分布。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种可靠的方法，即使靶在分次期间运动，也能确保治疗计划的目标得以实现。本专利技术致力于减少或丢弃在治疗分次期间，由患者的运动引起的相互作用效应。本专利技术涉及一种优化在至少一个疗程中向患者身体递送辐射的放射治疗计划的方法，包括下述步骤：-获得初始放射治疗计划，-获得复合目标函数，所述复合目标函数基于所述患者身体的至少一个部位的至少一个临床目标，-对在一个疗程期间改变的至少一个变量至少选择第一场景，以影响至所述至少一个部位的剂量递送，-计算用于所述场景的一个疗程的剂量分布，-基于所计算的剂量分布，执行所述治疗计划的鲁棒优化。根据本专利技术，在治疗计划期间，应用鲁棒优化。该鲁棒优化考虑到变化过大以致影响在递送治疗分次所需的时段中的剂量递送的至少一个因素，确保剂量递送将满足临床目标，而不管有关一个或多个因素的若干可能场景中的哪一个在疗程期间真正适用。这些因素通常包括循环运动的性质，例如其周期、幅度和形状、治疗开始循环的阶段以及递送本身的时间结构。结果是相对于相互作用效应鲁棒的治疗计划。在优选实施例中，至少一个变量包括下述中的至少一个：-所述至少一个部位的运动的周期和/或幅度和/或形状，-在疗程开始时所述患者的至少一个部位的位置，-向所述患者递送辐射的时间结构。在许多情况下，所述患者运动是循环运动。在这种情况下，该方法优选包括定义所述循环运动的周期中的若干阶段。患者的至少一个部位的位置将优选与若干阶段中的特定阶段有关，其中，放射治疗疗程被调度以开始。本专利技术方法被设计考虑分次内变化，即，在一个单个分次期间发生的变化。在放射治疗过期中，该方法可以与相对于分次间变化(例如肿瘤收缩或生长)的鲁棒优化结合。还可以相对于系统误差，诸如图像采集期间病人设置错误或从CT数量到密度和/或停止功率比的转换的误差，执行鲁棒优化。放射治疗也可以是自适应的，是指评估多个疗程后的治疗结果，并且在后续疗程前，基于该评估调整计划。评估可以考虑实际的累积剂量、患者体内器官或部位的运动、患者体内靶和/或其他器官大小的变化等。优选，选择至少一种场景的步骤包括选择至少两种不同的场景。在这种情况下，该方法优选还包括下述步骤：-对至少一个变量定义标称值，并且把所述标称值用于所述第一场景，以及-对所述至少一个变量定义不同于所述标称值的第二值并且把所述第二值用于所述第二场景。为了考虑标称值附近的变化，该方法还包括选择至少三种场景并且还包括下述步骤：-定义不同于所述标称值的第三值，所述第三值与所述标称值之间的差具有所述第二值与所述标称值之间的差的相反符号，并且把所述第三值用于所述第三场景。可以自由选择待定义的场景的总数。通常，在需要覆盖足够多个相关场景和将计算时间在可接受水平上的益处之间会有一个折衷。所述至少一个靶剂量值通常至少与患者身体的第一部位的最小剂量值有关，以确保肿瘤接收足够的辐射剂量。通常还可以设定患者身体的第二部位的最大剂量值，以限制递送到一个或多个关键器官的剂量。靶剂量值可以设定对整个部位的最小值或最大值，或者设定更复杂的目标，例如该部位的至少一定百分比应当至少接收最小剂量值。本专利技术还涉及一种计算机程序产品，包括计算机可读代码装置，当在计算机中运行所述计算机程序产品时，使所述计算机执行如前述权利要求中任一项所述的方法。如本领域所公知的，计算机程序产品通常存储在载体上，该载体可以是任何类型的数据载体。本专利技术还涉及一种用于执行放射治疗的剂量计算的计算机系统，所述计算机系统包括处理装置并且具有在其中存储根据上文的计算机程序产品的存储器，以这种方式，当所述计算机程序产品被执行时，将控制所述处理装置。计算机优选还包括数据存储器，用于存储将用在优化过程中的信息，诸如患者的4DCT扫描集以及用于治疗的初始治疗计划和/或临床目标。处理装置可以另外被设置成执行4DCT扫描集中的图像之间的图像配准。附图说明在下文中参考附图更详细地公开本专利技术，其中：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种优化在至少一个疗程中向患者身体递送辐射的放射治疗计划的方法，包括下述步骤：a.获得初始放射治疗计划(S1)，b.获得复合目标函数，所述复合目标函数基于所述患者身体的至少一个部位(3)的至少一个临床目标，c.对在一个疗程期间改变的至少一个变量至少选择第一场景，使得影响至所述至少一个部位的剂量递送(S6)，d.计算用于所述场景的一个疗程的剂量分布(S7)，e.基于所计算的剂量分布，执行所述治疗计划的鲁棒优化(S8)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.14 EP 15163564.61.一种优化在至少一个疗程中向患者身体递送辐射的放射治疗计划的方法，包括下述步骤：a.获得初始放射治疗计划(S1)，b.获得复合目标函数，所述复合目标函数基于所述患者身体的至少一个部位(3)的至少一个临床目标，c.对在一个疗程期间改变的至少一个变量至少选择第一场景，使得影响至所述至少一个部位的剂量递送(S6)，d.计算用于所述场景的一个疗程的剂量分布(S7)，e.基于所计算的剂量分布，执行所述治疗计划的鲁棒优化(S8)。2.如权利要求1所述的方法，进一步包括至少选择不同于所述第一场景的第二场景，以及f.对所述至少一个变量定义标称值，并且把所述标称值用于所述第一场景，以及g.对所述至少一个变量定义不同于所述标称值的第二值并且把所述第二值用于所述第二场景。3.如权利要求2所述的方法，进一步包括选择不同于所述第一场景和第二场景的第三场景的步骤，以及h.定义不同于所述标称值的第三值，所述第三值与所述标称值之间的差具有所述第二值与所述标称值之间的差的相反符号，并且把所述第三值用于所述第三场景。4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个变量包括下述中的至少一个：-所述至少一个部位(3)的运动的周期和/或幅度和/或形状，-在疗程开始时，所述患者的至少一个部位(3)的位置，-向所述患者递送辐射的时间结构。5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述患者运动是循环运动，所述方法包括定义所述循环运动的周期中的若干阶段。6.如权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个变量包括下述中的至少一个：-所述至少一个部位(3)的运动的周期和/或幅度和/或形状，...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔宾·弗雷德里克松，埃里克·恩瓦尔，
申请(专利权)人：光线搜索实验室公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE