用于粒子疗法治疗计划的频谱建模系统、方法和设备技术方案

用于粒子辐射治疗中所使用的治疗计划算法的非高斯能量分布建模的系统、设备和方法。

Spectrum Modeling System, Method and Equipment for Particle Therapy Planning

Systems, equipment and methods for non-Gauss energy distribution modeling of treatment planning algorithms used in particle radiation therapy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于粒子疗法治疗计划的频谱建模系统、方法和设备
本公开一般涉及粒子治疗，并且更具体地，涉及用于质子和其他带电粒子(例如，中子、电子、重离子等)治疗加速器的治疗计划算法的频谱建模。
技术介绍
放射外科和放射疗法系统是放射疗法治疗系统，其通过向病理解剖结构(即，目标)递送规定剂量的辐射(X射线、伽马射线、电子、质子和/或离子)，同时最小化对周围组织和关键解剖结构的辐射暴露，来使用外部辐射束来治疗病理解剖结构(肿瘤、病变、血管畸形、神经障碍等)。由于在治疗期间被递送给患者的高辐射剂量，放射疗法要求高空间精确度以确保肿瘤或异常(即，目标)在周围正常组织被保留的同时接收规定剂量。通常，放射疗法治疗包括几个阶段。第一阶段，通过使用计算机断层扫描(CT)、锥形束CBCT、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、3D旋转血管造影(3DRA)或超声技术中的任何一个(或其组合)来构建感兴趣区域(头部、身体等)中的解剖结构的精确三维(3D)图。这确定了解剖结构内目标的准确坐标，即，定位身体内的肿瘤或异常并定义其准确的形状和大小。第二阶段，同时考虑到各种医学约束，用于辐射束的运动路径被计算以递送剂量分布，该剂量分布是外科医生认为可接受的。在该阶段期间，专家团队使用专用计算机软件开发治疗计划，以通过设计从不同角度和平面聚集在目标区域的辐射束，最佳地照射肿瘤并最小化对周围正常组织的剂量。第三阶段，放射治疗计划被执行。在该阶段期间，辐射剂量根据规定的治疗计划被递送给患者。通常，放射疗法治疗计划是将辐射束和患者解剖结构两者的模型作为输入，并且产生用来递送放射治疗(即，射束能量、射束形状和每个射束中要被递送的光子数量等)的机器指令，以及患者中的预期辐射剂量分布作为输出的程序。尽管治疗计划程序对于不同的辐射类型具有一些共同的特性，但是与光子(即，X射线)相反，粒子的使用(质子、中子、重离子等)在设计和优化治疗参数时具有许多特定的含义。差异主要来自于这一事实：诸如质子的粒子将其大部分能量汇积在在它们的轨道端处的高剂量峰中(称为布拉格峰)，确保质子停留在布拉格峰，然而光子在患者表面或其下方达到最大剂量，并且它们汇积剂量超过目标。通常，在粒子疗法中，患者体内的预期剂量分布基于剂量计算模型来确定，该剂量计算模型考虑不同深度处的剂量(即，深度剂量)以及横向方向上的剂量分布(即，横向剂量分布)。由于带电粒子束的一些特性取决于束的初始能量，因此针对带电粒子的治疗计划还对被用于治疗的处于不同能量的粒子的深度剂量分布进行建模。因此，深度剂量分布通常包括粒子的能量分布。通常，粒子的能量分布由高斯分布近似。然而，已经发现，对于较低的能量，粒子的能量分布不一定是高斯分布。结果，使用高斯分布来对粒子的能量分布建模以生成深度剂量分布可能导致剂量分布的不太准确的建模。不准确的剂量分布模型导致治疗计划的不准确性，这可以在计划的和实际的递送剂量之间引入显著差异。
技术实现思路
公开了用于使用非高斯分布对对象/主体/材料中的一个或多个粒子束(例如带电粒子束)的能量分布进行建模的系统和方法。在示例性实施例中，一个或多个粒子束是质子束、中子束和/或重离子束中的一个。在示例性实施例中，对象/主体/材料是患者。在示例性实施例中，非高斯模型包括误差函数的组合。在示例性实施例中，非高斯模型由下式给出：其中p是能量E的分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。在示例性实施例中，非高斯模型由下式给出：其中p是能量E的分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。在示例性实施例中，深度剂量分布使用非高斯能量分布模型来确定。在实施例中，使用采用非高斯能量分布模型的剂量计算算法来计算对象/主体/材料中的辐射剂量。治疗计划系统、方法和模块也被公开，其被配置为使用非高斯模型从粒子疗法系统确定用于一个或多个粒子束或其部分的能量分布。在示例性实施例中，所确定的能量分布被用来计算患者体内的来自一个或多个粒子束或其部分的剂量。在实施例中，剂量计算可以采用分析函数或随机算法。粒子疗法系统也被公开，粒子疗法系统可以包括：束生成系统，用于生成一个或多个粒子束；束运输系统，用于运送来自束生成系统的一个或多个粒子束；至少一个治疗站，用于利用一个或多个粒子束照射对象/主体/材料，治疗站被耦合到束运输系统以接收所运送的一个或多个粒子束或其部分；治疗计划模块，该治疗计划模块基于一个或多个粒子束或其部分内的粒子的能量分布来确定用于对象/主体/材料的照射计划；以及控制器，被配置为至少控制束运输系统和治疗系统以实现照射计划。在示例性实施例中，对象/主体/材料是患者。在示例性实施例中，治疗计划模块被配置为基于非高斯模型确定能量分布。在实施例中，治疗计划模块被配置为使用所确定的能量分布来计算来自患者内部的一个或多个粒子束或其部分的剂量，并且剂量计算可以采用分析函数或随机算法。在实施例中，非高斯模型包括误差函数的组合。在实施例中，束生成系统包括回旋加速器，以及束运输系统可以包括能量分析和选择系统。能量分析和选择系统可以包括降能器和能量限定狭缝中的至少一个。方法也被公开，包括使用非高斯模型从粒子加速器估计一个或多个粒子束或其部分中的粒子的能量分布。在示例性实施例中，方法进一步包括：至少部分地基于所确定的能量分布，例如利用一个或多个粒子束或其部分照射对象/主体/材料，诸如患者。在示例性实施例中，方法可以进一步包括，基于所确定的能量分布计算来自患者内部的一个或多个粒子束或其部分的剂量。计算剂量可以采用分析函数或随机算法。在示例性实施例中，照射包括使用降能器和能量限定狭缝中的至少一个从粒子加速器调整一个或多个粒子束或其部分的能量。在示例性实施例中，非高斯模型包括误差函数的组合。在示例性实施例中，粒子束包括质子、离子或其他带电粒子。非暂时性计算机可读介质也被公开，包括用于执行全部书面公开中所公开的方法步骤中的任何一个或组合的指令。附图说明实施例在下文中将参考附图来描述，附图不一定按比例绘制。在适用的情况下，一些特征可以不被示出以帮助说明和描述基础特征。在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。图1是示出根据所公开技术主题的一个或多个实施例的治疗系统的各种组件的关系的简化示意图。图2示出了根据所公开技术主题的一个或多个实施例的治疗系统的通过机架组件对患者的粒子照射。图3示出了根据所公开技术主题的一个或多个实施例的治疗系统中的粒子束生成和运输的各种组件的关系。图4示出了根据所公开技术主题的一个或多个实施例的计划治疗设备的各种组件的简化示意图。图5是根据所公开技术主题的一个或多个实施例，在具有给定初始能量扩散的质子疗法系统中所测量的('原始')布拉格峰周围的80MeV质子深度剂量分布的图，其被近似为高斯分布或由基于误差函数的模型近似。图6A至图6B是针对能量狭缝的两种不同配置的图4的能量分布模型的图。图7是类似于图5的图，但是示出针对160MeV质子束的深度剂量曲线的布拉格峰区域。图8是根据所公开技术主题的不同实施例的用于实施治疗计划的示例性过程。具体实施方式由于高能粒子的布拉格峰，高能粒子提供优于其他外部束辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种治疗计划模块，被配置为使用非高斯模型来确定针对来自粒子疗法系统的一个或多个粒子束或其部分的能量的分布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.31 US 62/315,7431.一种治疗计划模块，被配置为使用非高斯模型来确定针对来自粒子疗法系统的一个或多个粒子束或其部分的能量的分布。2.根据权利要求1所述的治疗计划模块，其中所述非高斯模型包括误差函数的组合。3.根据权利要求2所述的治疗计划模块，其中所述模型由下式给出：其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d是定义频谱边界的斜率的参数。4.根据权利要求2所述的治疗计划模块，其中所述模型由下式给出：其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b和b2是轮廓半部的宽度，c是平均能量，以及d和d2是定义频谱上边界和下边界的斜率的参数。5.根据权利要求1所述的治疗计划模块，其中所述模型进一步被配置为使用所确定的所述能量分布来计算来自在介质内部的所述一个或多个粒子束或其部分的剂量。6.根据权利要求5所述的治疗计划模块，其中所述剂量计算采用分析函数或随机算法。7.一种粒子疗法系统，包括：束生成系统，用于生成一个或多个粒子束；束运输系统，用于运送来自所述束生成系统的所述一个或多个粒子束；至少一个治疗站，用于利用所述一个或多个粒子束照射介质/患者，所述治疗站被耦合到所述束运输系统以接收所运送的所述一个或多个粒子束或其部分；治疗计划模块，所述治疗计划模块基于所述一个或多个粒子束或其部分内的粒子的能量分布来确定用于所述介质/患者的照射计划；以及控制器，被配置为至少控制所述束运输系统和所述治疗系统以实现所述照射计划，其中所述治疗计划模块被配置为基于非高斯模型确定所述能量分布。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述治疗计划模块被配置为使用所确定的所述能量分布来计算来自在所述介质/患者内部的所述一个或多个粒子束或其部分的剂量。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述剂量计算采用分析函数或随机算法。10.根据权利要求7所述的系统，其中所述非高斯模型包括误差函数的组合。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述模型由下式给出：其中p是能量E的所述分布，a是归一化常数，b是轮廓半部的宽度，c是...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·武尔夫，
申请(专利权)人：瓦里安医疗系统粒子疗法有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE