【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及辐射的规划和输送。特定实施例提供了用于规划和输送用于辐射治疗的剂量分布的方法和系统。
技术介绍
在处理癌症以及一些其他医学状况下使用辐射。在辐射与组织相互作用时，在组织之内传递和沉积来自放射粒子的能量。能量通常沉积在传递的附近。最大沉积通常接近相互作用的点。沉积的能量对细胞造成损伤，最终可能导致细胞死亡。通常将沉积的能量的量描述为福射剂量，单位为Gray (Gy)。IGray等于每千克介质I焦耳。福射处理的基本目标是通过沉积足够的辐射剂量以根除对象体内的癌细胞。辐射剂量能够损伤或杀死癌细胞和健康组织细胞。通常在辐射处理期间一些健康组织将接收到辐射剂量。例如，源自辐射源并通过对象投射的辐射束将沿其路径沉积辐射剂量。位于路径之内的任何健康组织通常将接收一些辐射剂量。此外，由于辐射散射和其他辐射传输机制，一些辐射剂量通常将沉积在射束路径外部，进入健康组织中。辐射治疗的挑战之一是在癌组织中沉积剂量，同时使健康组织接收的剂量最小化。此外，一些健康组织对辐射剂量比其他组织更敏感，使得在那些组织中避免辐射剂量更加重要。现代辐射输送系统能够输送复杂的剂量分布。辐射治疗临床医生期望能够评估、确定和/或优化向肿瘤输送剂量与使输送给健康组织的剂量最小化之间的折衷。当前用于评估这些折衷的技术(例如处理计划优化)麻烦笨重，使操作员无法迅速直接操作和评估可实现的剂量分布。期望改进用于估计可实现的剂量分布并可能改进输送到癌组织和健康组织的辐射剂量之间的折衷的评估的系统和方法。
技术实现思路
以下实施例及其各方面是结合意在进行示范和例示而非限制范围的系统、工具和方法描述和例示...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.22 US 61/398,2861.一种用于允许操作可由辐射输送设备针对对象的提议处理而输送的可实现剂量分布估计的方法，所述可实现剂量分布估计是在体素的三维范围上定义的，其中每个体素均有剂量值，所述方法包括 (a)确定期望修改剂量值的剂量修改体素和对应的期望剂量修改的大小； (b)对于多个射束中的每个 (i)将射束表征为小射束的二维阵列，其中每个小射束与对应的强度值和表示小射束向空间中的投射的射线相关联；并且 (ii)识别具有与剂量修改体素相交的关联射线的一个或多个剂量变化小射束； (c)修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值；以及 (d)更新可实现剂量分布估计以解释剂量变化小射束中的所述至少一个的修改强度值。2.根据权利要求1所述的方法，其中确定剂量修改体素包括接收对剂量质量度量的请求修改作为输入；以及使用对剂量质量度量的请求修改以确定剂量修改体素。3.根据权利要求2所述的方法，其中确定期望剂量修改的大小包括使用对剂量质量度量的请求修改以确定期望剂量修改的大小。4.根据权利要求2和3的任一项所述的方法，其中接收对剂量质量度量的请求修改作为输入包括允许操作员通过用户接口输入对剂量质量度量的请求修改。5.根据权利要求4所述的方法，其中允许操作员输入对剂量质量度量的请求修改包括允许操作员利用键盘和计算机指针装置中的一个或多个与用户接口相交互。6.根据权利要求2和3的任一项所述的方法，其中接收对剂量质量度量的请求修改作为输入包括从如下之一接收请求修改在外部计算机系统上工作的自动化过程；以及在与所述方法相同的计算机系统上工作的自动化过程。7.根据权利要求2到6的任一项所述的方法，其中使用对剂量质量度量的请求修改以确定剂量修改体素包括对依据剂量质量度量的值表达剂量坐标和大小的逆剂量质量度量函数求解。8.根据权利要求2到6的任一项所述的方法，其中剂量质量度量包括与对象体内组织结构相关联的DVH曲线，且其中使用对剂量质量度量的请求修改以确定剂量修改体素包括将对象的组织结构中的体素识别为剂量修改体素。9.根据权利要求8所述的方法，其中将对象的组织结构中的体素识别为剂量修改体素包括将对象的组织结构中的所有体素识别为剂量修改体素，并针对每个剂量修改体素执行步骤(b)、(C)和(d)。10.根据权利要求8和9的任一项所述的方法，其中将对象的组织结构中的体素识别为剂量修改体素包括接收对象的图像数据，所述图像数据包括组织结构的图像；以及基于图像数据将特定体素与组织结构相关联。11.根据权利要求2到6的任一项所述的方法，其中剂量质量度量包括DVH曲线，且其中使用对剂量质量度量的请求修改以确定剂量修改体素包括 识别DVH曲线上的请求修改的位置具有剂量值D_selected ;以及 识别剂量值在范围D_selected土 Δ中的可实现剂量分布估计中的体素为剂量修改体素，其中Λ是范围参数。12.根据权利要求11所述的方法，其中使用对剂量质量度量的请求修改以确定剂量修改体素包括如果尝试识别剂量值在范围D_selected土 Δ中的可实现剂量分布估计中的体素未成功，则增大范围参数△并利用增大的范围参数△重复尝试识别体素。13.根据权利要求11所述的方法，其中识别剂量值在范围D^elected土Λ中的可实现剂量分布估计中的体素为剂量修改体素包括识别剂量值在范围D_selected土 Δ中的多个候选剂量修改体素。14.根据权利要求13所述的方法，其中如果多个候选剂量修改体素包括数量大于阈值数量Vmax的候选剂量修改体素，那么所述方法包括减小范围参数△并利用减小的范围参数 Δ重复尝试将剂量值在范围D_selected土 Λ中的可实现剂量分布估计中的体素识别为剂量修改体素。15.根据权利要求13和14的任一项所述的方法，包括选择多个候选剂量修改体素为剂量修改体素并针对每个剂量修改体素执行步骤(b)、(c)和(d)。16.根据权利要求1所述的方法，其中确定剂量修改体素和对应的期望剂量修改的大小包括接收剂量修改体素和期望剂量修改的大小的直接指示作为输入。17.根据权利要求16所述的方法，其中接收直接指示作为输入包括允许操作员通过用户接口输入直接指示。18.根据权利要求17所述的方法，其中允许操作员输入直接指示包括允许操作员利用键盘和计算机指针装置中的一个或多个与用户接口相交互。19.根据权利要求16所述的方法，其中接收直接指示作为输入包括从如下之一接收直接指示在外部计算机系统上工作的自动化过程；以及在与所述方法相同的计算机系统上工作的自动化过程。20.根据权利要求1到19的任一项所述的方法，包括确定一个或多个辅助剂量修改体素和对应的针对辅助剂量修改体素的期望剂量修改的大小，并在执行步骤(b)、(c)和(d) 时将辅助剂量修改值作为剂量修改体素处理。21.根据权利要求20所述的方法，其中确定一个或多个辅助剂量修改体素包括确定所述一个或多个辅助剂量修改体素在邻近剂量修改体素的边界区域中。22.根据权利要求20到21的任一项所述的方法，其中对应的针对辅助剂量修改体素的期望剂量修改的大小小于针对剂量修改体素的期望剂量修改的大小。23.根据权利要求1所述的方法，其中确定期望剂量修改的大小包括确定该大小为如下一个或多个针对剂量修改体素的剂量值的分数f (O ^ I);针对剂量修改体素的位置处的组织结构的最大剂量限制的分数f (O ^f^l);针对剂量修改体素的位置处的靶组织结构的处方剂量量的分数f (O ^ I);与计算机指针装置的运动成比例的量；操作员输入的量；操作员可配置的固定量；作为执行所述方法的系统的参数的固定量。24.根据权利要求1到23的任一项所述的方法，其中修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值包括向剂量变化小射束中的所述至少一个的每个分配同一大小的强度值变化。25.根据权利要求1到23的任一项所述的方法，其中修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值包括向剂量变化小射束中的所述至少一个的每个分配同一百分比变化的强度值变化。26.根据权利要求1到25的任一项所述的方法，其中修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值包括修改所识别的剂量变化小射束的子集的强度值。27.根据权利要求26所述的方法，其中所识别的剂量变化小射束的子集包括如下之一从每第η个射束起的一个或多个所识别的剂量变化小射束，其中η为正整数；以及所识别的剂量变化小射束的随机选择的子集。28.根据权利要求1到23的任一项所述的方法，其中修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值包括根据取决于期望剂量修改大小和剂量变化小射束中的所述至少一个的数量的函数针对剂量变化小射束中的所述至少一个确定强度值变化的大小。29.根据权利要求28所述的方法，其中所述函数与期望剂量修改的大小成比例并与剂量变化小射束中的所述至少一个的数量成反比。30.根据权利要求1到29的任一项所述的方法，其中修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值包括使提议的强度值修改受到一个或多个强度限制。31.根据权利要求30所述的方法，其中一个或多个强度限制包括如下一个或多个剂量变化小射束中的所述至少一个的强度值必须大于最小阈值；剂量变化小射束中的所述至少一个的强度值必须小于最大阈值；剂量变化小射束中的所述至少一个的强度值和一个或多个相邻小射束的强度值之间的空间变化必须小于最大变化阈值。32.根据权利要求30到31的任一项所述的方法，其中，如果使提议的强度值修改受到一个或多个强度限制断定违反了任何强度限制，那么在执行步骤(d)之前，所述方法包括解决对强度限制的违反，其中解决对强度限制的违反包括如下一个或多个调节期望剂量修改的大小并利用调节的期望剂量修改的大小执行步骤(b)、(c)和(d);在执行步骤(d)时不考虑导致对强度限制的违反的剂量变化小射束；以及进一步修改剂量变化小射束中的所述至少一个的强度值，直到不再违反强度限制。33.根据权利要求1到32的任一项所述的方法，包括针对多个射束中的每个并针对一个或多个剂量变化小射束中的每个，确定一个或多个辅助剂量变化小射束并在执行步骤(C)和(d)时将辅助剂量变化小射束作为剂量变化小射束处理。34.根据权利要求33所述的方法，其中针对多个射束中的每个并针对一个或多个剂量变化小射束中的每个确定一个或多个辅助剂量变化小射束包括确定所述一个或多个辅助剂量变化小射束在邻近剂量变化小射束的边界区域中。35.根据权利要求34所述的方法，其中修改剂量变化小射束中的至少一个的强度值包括针对剂量变化小射束中的所述至少一个中的每个，将邻近剂量变化小射束的边界区域中的辅助剂量变化小射束的强度值修改小于剂量变化小射束的变化的大小的大小。36.根据权利要求1到35的任一项所述的方法，其中更新可实现剂量分布估计包括使用剂量估计技术以确定可归因于剂量变化小射束中的至少一个的修改强度值的剂量贡献，所述剂量估计技术包括如下一个或多个蒙特卡洛、塌陷椎体卷积、锐方向性射束、各向异性解析算法和波尔茨曼方程解算器。37.根据权利要求36所述的方法，其中使用剂量估计技术以确定可归因于剂量变化小射束中的至少一个的修改强度值的剂量贡献包括向现有可实现剂量分布估计增加或减去剂量贡献，所增加或减去的剂量贡献至少部分可归因于剂量变化小射束中的所述至少一个的修改强度值的实际变化。38.根据权利要求36所述的方法，其中使用剂量估计技术以确定可归因于剂量变化小射束中的至少一个的修改强度值的剂量贡献包括用替换剂量贡献替换现有可实现剂量分布估计的部分，所述替换剂量贡献至少部分可归因于剂量变化小射束中的所述至少一个的实际强度值。39.根据权利要求1到35的任一项所述的方法，其中更新可实现剂量分布估计包括，对于包括一个或多个剂量变化小射束的多个射束中的每个卷积小射束的二维阵列的强度值与二维剂量估计内核以获得二维卷积强度分布，所述二维卷积强度分布包括针对每个小射束的卷积强度值；以及对于小射束的二维阵列中的每个小射束识别被与小射束相关联的射线相交的体素； 以及向相交的体素增加剂量贡献，所增加的剂量贡献基于小射束的卷积强度值。40.根据权利要求39所述的方法，其中剂量估计内核包括二维点扩展函数。41.根据权利要求39所述的方法，其中剂量估计内核包括二维点扩展函数的线性组八口 ο42.根据权利要求41所述的方法，其中点扩展函数的线性组合包括高斯函数的线性组口 ο43.根据权利要求39到42的任一项所述的方法，其中卷积小射束的二维阵列的强度值与二维剂量估计内核包括将小射束的二维阵列的强度值的傅里叶变换乘以二维剂量估计内核的傅里叶变换以获得傅里叶乘法结果；以及确定傅里叶乘法结果的傅里叶逆变换以获得二维卷积强度分布。44.根据权利要求43所述的方法，其中二维剂量估计内核的傅里叶变换存储于可存取存储器中。45.根据权利要求39到44的任一项所述的方法，其中，在来自单个射束的多个射线与特定体素相交的情况下，向所述特定体素增加剂量贡献包括基于与所述多个射线对应的多个小射束的卷积强度值的线性组合增加剂量贡献。46.根据权利要求39到45的任一项所述的方法，其中，对于小射束的二维阵列中的每个小射束并对于每个相交的体素，所增加的剂量贡献基于小射束的卷积强度值乘以衰减因子，所述衰减因子随着对象体内的相交体素的深度减小。47.根据权利要求46所述的方法，其中所述衰减因子具有a(d)=Be_kd的形式，其中， d是对象体内的相交体素的深度，B和k是衰减因子参数。48.根据权利要求1到35的任一项所述的方法，其中更新可实现剂量分布估计包括，对于包括一个或多个剂量变化小射束的多个射束中的每个卷积小射束的二维阵列的强度值与多个二维剂量估计内核以获得对应的多个二维卷积强度分布，每个二维卷积强度分布包括针对每个小射束的卷积强度值，其中每个剂量估计内核与不同射束能量相关联；以及对于小射束的二维阵列中的每个小射束识别被与小射束相关联的射线相交的体素； 以及向相交的体素增加剂量贡献，针对任一个相交体素的剂量贡献基于来自所述多个二维卷积强度分布之一的小射束的卷积强度值，所述多个二维卷积强度分布之一是基于射束的射束能量选择的。49.根据权利要求1到35的任一项所述的方法，其中更新可实现剂量分布估计包括，对于包括一个或多个剂量变化小射束的多个射束中的每个卷积小射束的二维阵列的强度值与多个二维剂量估计内核以获得对应的多个二维卷积强度分布，每个二维卷积强度分布包括针对每个小射束的卷积强度值，其中每个剂量估计内核与不同范围的组织密度相关联；以及 对于小射束的二维阵列中的每个小射束识别被与小射束相关联的射线相交的体素；以及向相交的体素增加剂量贡献，针对任一个相交体素的剂量贡献基于来自多个二维卷积强度分布之一的小射束的卷积强度值，所述多个二维卷积强度分布之一是基于一个相交体素的组织密度选择的。50.根据权利要求1到49的任一项所述的方法，其中更新可实现剂量分布估计包括缩放更新的可实现剂量分布估计，使得更新的可实现剂量分布估计更密切地近似于与剂量修改体素对应的期望剂量修改的大小。51.根据权利要求1到50的任一项所述的方法，其中更新可实现剂量分布估计包括使更新的可实现剂量分布受到一个或多个剂量限制。52.根据权利要求51所述的方法，其中一个或多个剂量限制包括如下一个或多个更新的可实现剂量分布必须不将与对象体内的靶组织结构对应的体素中的剂...
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