用于对放射剂量输送进行优化的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及用于对放射剂量输送进行在计算方面高效的优化的改进方法和系统。该优化包括确定用于将放射治疗射束映射到患者体区的改进形式的目标函数，该体区具有至少一个靶区和至少一个非靶区。该目标函数具有与该至少一个靶区相关的第一项以及与该至少一个非靶区相关的第二项。该优化还包括确定该目标函数的最小值，由此限制被映射为穿过至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过至少一个非靶区的子射束的权重为零的情况下，该第二项才为零。该限制有助于避免负射束权重的出现，由此便于利用矩阵求逆在计算上高效地确定该目标函数的最小值。在该优化之后，根据该目标函数的所确定的最小值来输送放射治疗。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于对放射剂量输送(delivery)进行优化的方法和系统。更具体地，本专利技术涉及一种确定用于对放射剂量输送进行计划的目标函数的最小值的高效并且有效的方法。
技术介绍
对于癌症患者，放射治疗被认为是一种有价值的治疗形式。放射治疗涉及向患者体内的肿瘤位置发射放射能量。可以根据前向计划技术或逆向计划技术来进行放射治疗计划。前向计划涉及输送初始计划的放射剂量，然后通过以反复试验的方式观察或推测先前剂量的功效，来输送后续的剂量。因此，通过前向计划对剂量输送进行的优化是根据人工观察和经验来进行的。相反，逆向计划试图计算出经优化的剂量输送，然后逆向操作，以确定合适的放射射束(beam)特性，以输送该优化剂量。对于断层扫描放射治疗(Tomotherapy)或强度调制放射治疗(IMRT)放射输送技术，可以执行对肿瘤的放射治疗的逆向计划。这两种技术都涉及从各个角度方向朝向肿瘤位置发射放射射束，该放射射束通常由多叶准直器(MLC)进行了准直。对于断层扫描放射治疗，采用螺旋弧来逐层地(slice by slice)照射肿瘤，而对于IMRT，使用多强度调制锥形射束从多个不同的方向照射肿瘤。为了确保患者得到最佳的治疗，必须确保放射剂量主要累积(deposit)在肿瘤区(volume)内，而不是在周围组织或器官中。已经发现，对于下述的操作存在一些问题快速且可靠地确定优化，以使得对于肿瘤位置的剂量输送最大，同时使得对于其他器官或组织的放射剂量输送最小。快速优化算法不仅对于设计良好的放射治疗计划，而且对于未来的交互自适应治疗技术的成功实施是很重要的。使用数值搜索的常规优化算法(例如具有正射束权重约束的已知共轭梯度搜索)通常需要涉及很长的计算时间的多次迭代，并且可能由于陷入(trap)目标函数的局部最小值而导致次优计划。可以使用常规的二次目标函数来确定该逆向问题的直接解，而无需强加正射束权重约束。这种解的计算较快，但是导致了不现实(负)的射束强度。当引入要求射束强度为正的特殊条件(即，通过迫使负强度值为零)时，通过线性代数方程求解该二次目标函数产生了具有明显人为干预(artifact)的放射治疗剂量分布。这些人为干预可以使原本可能被优化的剂量输送明显劣化。因此，对于寻找目标函数的最小值，计算强度较大的数值搜索是优选的，而不是使用次优剂量输送来对患者进行治疗。目前的IMRT计划优化的另一个缺点是，仅可以采用大约7到11个不同的机架角度(gantry angle)，因为对较大数量的射束的目标函数进行优化，该技术的计算量太大。鉴于现有系统的以上缺点，希望提供一种用于优化剂量输送的方法和系统，其解决或改善了上述缺点中的一个或更多个。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供了一种放射剂量的输送方法。该方法包括确定用于将放射射束映射到体区的目标函数的步骤，该体区包括至少一个靶区和至少一个非靶区。所述目标函数包括与所述至少一个靶区相关的第一项，以及与所述至少一个非靶区相关的第二项。该方法还包括确定该目标函数的最小值，由此限制被映射为穿过至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过所述至少一个非靶区的子射束(beamlet)的权重为零的情况下，该第二项才为零。基于所确定的目标函数的最小值来输送放射。在另一方面，本专利技术提供了一种确定用于对体区映射放射射束的目标函数的方法，该体区包括至少一个靶区和至少一个非靶区。该目标函数包括与该至少一个靶区相关的第一项，以及与该至少一个非靶区相关的第二项。该方法包括确定该目标函数的最小值，由此限制被映射为穿过所述至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过所述至少一个非靶区的子射束的强度为零情况下，该第二项才为零。在另一方面，本专利技术提供了一种提供放射的方法，包括确定目标函数，该目标函数用于优化对靶区的放射剂量输送，该目标函数具有对称项，以使得剂量输送能够相对于靶区的轴对称；以及基于该目标函数来提供放射。在另一方面，本专利技术提供了一种用于对放射剂量输送进行优化的系统。该系统包括用于确定目标函数的计算机处理装置，该目标函数用于将放射射束映射到包括至少一个靶区和至少一个非靶区的体区，该目标函数包括与该至少一个靶区相关的第一项，以及与该至少一个非靶区相关的第二项。该计算机处理装置被构造用来确定该目标函数的最小值，由此限制被映射为穿过所述至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过所述至少一个非靶区的子射束的权重为零的情况下，该第二项才为零。该系统还包括数据通信装置，其可操作地与该计算机处理装置相关联，用于向放射输送装置提供数据，该放射输送装置用于根据所确定的该目标函数的最小值来向体区输送放射。在另一方面，本专利技术提供了计算机可读存储器，其上存储有可在计算机系统上执行以使该计算机系统执行剂量优化方法的计算机程序指令。该剂量优化方法包括确定目标函数，该目标函数用于对体区映射放射射束，该体区包括至少一个靶区和至少一个非靶区，该目标函数包括与该至少一个靶区相关的第一项，以及与该至少一个非靶区相关的第二项；以及确定该目标函数的最小值，由此限制被映射为穿过至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过该至少一个非靶区的子射束的强度为零情况下，该第二项才为零。在以上方面中，优选地，通过IMRT或断层扫描放射治疗来进行放射输送。有利的是，本专利技术的实施例使得能够根据一组线性代数方程的解来使目标函数最小。尽管存在多种求解线性方程组的方法，但是优选的方法基于对子射束交叉矩阵的逆矩阵的确定。由于在此描述的确定目标函数的最小值的方法，所以确定子射束交叉矩阵的逆矩阵大大减小了产生子射束的反常的负射束权重的可能性。因此，可以消除与负射束权重以及强加于优化方法以避免负射束权重的约束相关的问题。更有利的是，由于本专利技术所采用的技术使得可以将该优化构成为求解代数线性方程，所以使用显著改善的处理时间代替了寻找目标函数的全局最小值所需的冗长处理时间。这种处理效率的提高在数量级上是可测量的。例如，本技术可以在几秒钟或几分钟内完成，而某些现有技术需要花费几个小时。因此，利用根据本专利技术的方法和系统，医务人员可以大大缩短放射治疗计划所需的时间，同时提供高度优化的剂量输送计划。更有利的是，与以前的IMRT技术相比，本专利技术的实施例使得能够采用较大量的放射输送角度。这得益于根据本专利技术的执行优化的高计算效率，并且提供了对于肿瘤位置的较高质量的适形(conformal)剂量分布以及在避免将放射输送到所危及的器官或者并未构成目标位置的一部分的其他器官或组织方面提供了更好的质量优化。在以下的详细说明中将对本专利技术的多个方面和多个实施例的这些和其他特征进行详细说明。附图说明图1是根据本专利技术实施例的在剂量输送优化中使用的总体处理的流程图；图2是图1所示的总体处理的器官和轮廓数字化子处理的流程图；图3是图1所示的处理的射束和子射束建立子处理的流程图；图4是图1所示的处理的剂量计算子处理的流程图；图5是图1所示的处理的预优化计算子处理的流程图；图6是图1所示的处理的子射束优化子处理的流程图；图7是图1所示的处理的结果和统计信息输出子处理的流程图； 图8是根据本专利技术实施例的用于剂量输送优化的系统的框图；以及图9A至9D示出了示例性优化剂量分布图和对应的剂量-区直方图。具体实施例方式本专利技术总体上涉及用于优化对患者体内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于放射剂量输送的方法，包括以下步骤：确定用于将放射射束映射到体区的目标函数，该体区包括至少一个靶区和至少一个非靶区，所述目标函数包括与所述至少一个靶区相关的第一项以及与所述至少一个非靶区相关的第二项；确定所述目标函数的 最小值，由此限制被映射为穿过所述至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过所述至少一个非靶区的子射束的权重为零的情况下，所述第二项才为零；以及基于所述目标函数的所确定的最小值来输送放射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-12-12 60/528,775;US 2004-4-30 60/566,433;U1.一种用于放射剂量输送的方法，包括以下步骤确定用于将放射射束映射到体区的目标函数，该体区包括至少一个靶区和至少一个非靶区，所述目标函数包括与所述至少一个靶区相关的第一项以及与所述至少一个非靶区相关的第二项；确定所述目标函数的最小值，由此限制被映射为穿过所述至少一个非靶区的射束，以使得仅在穿过所述至少一个非靶区的子射束的权重为零的情况下，所述第二项才为零；以及基于所述目标函数的所确定的最小值来输送放射。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于所有的多个非靶区部分，所述第二项包括与相应非靶区部分相关的子射束总和的非靶区总和，各个子射束总和是该子射束的经平方的权重与相应非靶区部分处的经平方的计划放射剂量累积的乘积的总和。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标函数还包括与所危及的器官(OAR)区相关的第三项，并且其中，对于所有的多个OAR区部分，所述第三项包括与相应OAR区部分相关的子射束总和的OAR总和，各个子射束总和是该子射束的经平方的权重与相应OAR区部分处的经平方的计划放射剂量累积的乘积的总和。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标函数还包括一对称项，用于使得能够相对于所述至少一个靶区的轴线进行对称的剂量输送。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述对称项是以下形式 其中，OSYM是所述对称项，而wi是多个放射射束的子射束i的权重。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述对称项为正，并且对于所有的i，当wi＝1时其最小值为零，其中wi是多个放射射束的子射束i的权重。7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定最小值的所述步骤包括求解线性方程组，以确定所述子射束的权重。8.根据权利要求7所述的方法，其中，对于各个子射束，使用子射束交叉矩阵的矩阵求逆来生成所述线性方程组的解。9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过所述逆子射束交叉矩阵与子射束剂量累积阵列的乘积来生成所述线性方程组的解。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述子射束交叉矩阵包括分别与所述至少一个靶区和所述至少一个非靶区相对应的器官区矩阵的总和，每一个器官区矩阵都由各自的重要性参数进行了加权。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述子射束交叉矩阵还包括一对称项，该对称项具有用于对该对称项进行加权的对称重要性参数。12.根据权利要求1所述的方法，还包括接收与所述至少一个靶区或者所述至少一个非靶区的二维轮廓相关的轮廓数据；根据所述轮廓数据确定所述轮廓是顺时针取向还是逆时针取向；以及如果所述轮廓被确定为逆时针，则改变所述轮廓数据的顺序，以使所述轮廓顺时针取向。13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定所述轮廓是顺时针取向还是逆时针取向还包括a)确定所述轮廓的最上部顶点；b)确定所述轮廓的最下部顶点；c)确定所述轮廓的最右侧顶点，该最右侧顶点不是所述最上部顶点也不是所述最下部顶点；d)确定所述轮廓的最左侧顶点，该最左侧顶点不是所述最上部顶点也不是所述最下部顶点；以及e)根据所述最上部、最下部、最右侧和最左侧顶点相对于彼此的相对顺时针顺序来确定所述轮廓取向。14.根据权利要求12所述的方法，还包括根据所述轮廓数据推断连续轮廓；确定所述连续轮廓的所有右边界和左边界；以及如果所述体区的一个单元位于一对相对的右边界和左边界之间，则确定该单元位于所述连续轮廓内。15.根据权利要求14所述的方法，其中，如果所述轮廓数据表示向上延伸的轮廓点序列，则确定边界为左边界，而如果所述轮廓数据表示向下延伸的轮廓点序列，则确定边界为右边界。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述体区被垂直分为多个预定尺寸的单元，并且所述放射射束被映射到所述体区，以使得所述放射射束的多个组成部分在尺寸上与所述单元的尺寸成比例。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述多个组成部分被分解为不一致尺寸的多个线性连续部分。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个连续部分的线性尺寸不一致，并且是所述单元的宽度尺寸的1到2倍。19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述线性尺寸为所述宽度...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞缪尔佩德罗高曼，杰里J巴蒂斯塔，杰夫Z陈，
申请(专利权)人：西安大略大学，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]