在外部射束放射治疗中控制在治疗靶标之外的剂量分布并使所述剂量分布成形制造技术

提供了在放射治疗计划中设定正常组织目标的简化的且部分自动化的方法。这些方法可以应用于多靶标情况以及单靶标情况。所述方法可以在每个靶标周围施加一个或多个靶标特定剂量下降约束，从而将每个靶标的诸如靶体积和形状的几何特性考虑在内。在一些实施方案中，方法还可以将计划拟定者对靶剂量均匀性的偏好考虑在内。在一些实施方案中，方法可以在两个靶标之间可能发生剂量桥接的位置中产生附加的剂量下降约束。

Controlling and shaping the dose distribution outside the therapeutic target in external beam radiotherapy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在外部射束放射治疗中控制在治疗靶标之外的剂量分布并使所述剂量分布成形相关申请的交叉引用本PCT申请要求于2016年9月22日提交的名称为“CONTROLLINGANDSHAPINGTHEDOSEDISTRIBUTIONOUTSIDETREATMENTTARGETSINEXTERNAL-BEAMRADIATIONTREATMENTS”的美国非临时专利申请号15/273,373的权益和优先权，所述专利申请的全部内容出于所有目的以引用的方式并入本文。
本公开总体涉及用于使用外部射束放射治疗系统进行放射疗法的治疗计划，并且更特别地涉及控制在治疗靶标之外的剂量分布并且使所述剂量分布成形。
技术介绍
一般而言，放射疗法包括使用电离辐射来治疗活组织，通常为肿瘤。有许多不同类型的电离辐射用于放射疗法中，包括高能x-射线、电子束和光子束。将放射线施用于患者的过程可能有点泛化，而不管所使用的放射线的类型如何。现代放射疗法技术包括调强放疗(“IMRT”)的使用，这通常借助于配备有多叶准直器(“MLC”)的外部放射治疗系统，诸如线性加速器。多叶准直器在一般以及尤其是IMRT领域中的使用允许放射科医师在改变放射束的形状和剂量的同时从通向靶标的给定入射方向治疗患者，从而在避免对邻近健康组织的过度辐照的同时提供大大增强的向治疗区内的靶标递送放射线的能力。然而，IMRT和其他复杂的放疗技术，诸如容积旋转调强放疗(VMAT，其中系统机架可在递送放射线的同时移动)和三维适形放疗(“3D适形”或“3DCRT”)提供给放射科医师的较大自由度已使得拟定治疗计划的任务变得更为困难。如本文所使用，术语放疗应进行广泛地解释并且意图包括用于辐照患者的各种技术，包括使用光子(诸如高能x-射线和γ射线)、粒子(诸如电子和光子束)以及放射外科手术。虽然现代线性加速器使用MLC，但是向靶区提供适形放射线的其他方法是已知的并且处在本专利技术的范围内。已开发若干技术来创建用于IMRT或适形放射疗法的放射治疗计划。一般而言，这些技术涉及解决以下的“反向”问题：确定角度、放射剂量和MLC叶片运动的最优组合以将所需的总放射剂量递送到靶标或可能递送到多个靶标，同时最小化对健康组织的辐照。这个反向问题对于拟定机架在辐照靶区的同时处于移动中的弧形疗法计划来说甚至更为复杂。迄今为止，放射肿瘤医师或诸如医学物理学家和放射剂量测试员的其他医疗专业人员已使用可用算法中的一种来拟定和优化放射治疗计划。放射治疗计划中的正常组织目标(NTO)的目的是限制到达治疗靶标周围的健康组织的放射线的量。在大脑的立体定位放射手术(SRS)中，NTO的作用甚至更为重要，因为靶标包含于正常的脑组织内，所述正常的脑组织本身是处于危险中的器官。因此，临床目标可以包括用每个靶标的处方治疗所述每个靶标并且根据垂直于靶标的表面的距离而使吸收剂量的量急剧下降到临床上不显著的水平，使得正常组织受最低程度影响。后一个要求被称为“陡峭剂量梯度”。因此，希望具有用于在放射治疗计划中控制在治疗靶标之外的剂量分布并使所述剂量分布成形的有效算法。
技术实现思路
根据本专利技术的实施方案，提供了在放射治疗计划中设定正常组织目标的简化的且部分自动化的方法。这些方法可以应用于多靶标情况以及单靶标情况。可以降低或消除对每个靶标周围的控制结构绘制轮廓的需求。相反，所述方法可以在每个靶标周围施加一个或多个靶标特定剂量下降约束，从而将诸如每个靶标的靶体积和形状的几何特性考虑在内。在一些实施方案中，方法还可以将计划拟定者对靶剂量均匀性的偏好考虑在内。在一些实施方案中，方法可以在两个靶标之间可能发生剂量桥接的位置中产生附加的剂量下降约束。其他实施方案涉及与本文描述的方法相关联的系统和计算机可读介质。参考以下具体实施方式和附图可以获得对本专利技术的实施方案的性质和优点的更好理解。附图说明图1是放射治疗系统的示意性透视图。图2是放射治疗系统的示意性侧视图。图3示意性地示出了放射治疗系统中的光子准直系统。图4示出了示例性多叶准直器(MLC)平面。图5示出了图1和图2的外部射束放射治疗系统的框图。图6示出了(a)在靶区周围的健康组织的示意性“虚拟圆环”；以及(b)示例剂量分布的截面。图7示出了患者的颅区的示例性截面图像。图8示出了示例性图形用户界面，其中计划拟定者可以输入治疗靶标的优化目标。图9示出了根据本专利技术的一个实施方案的用于在计划放射治疗中使用虚拟圆锥体正常组织目标(VCNTO)算法的示例性图形用户界面。图10示出了示例性治疗几何结构，其中在患者体内的感兴趣的域中存在三个治疗靶标。图11示出了靶区之内的示例性剂量分布。图12示出了VCNTO算法可以根据本专利技术的实施方案产生的示例性剂量下降约束曲线。图13示出了根据本专利技术的实施方案的具有远离彼此约4mm定位的两个靶标的优化计划的示例性剂量分布。图14是根据本专利技术的实施方案的在放射治疗计划中控制在患者体内的一个或多个治疗靶区之外的剂量分布的方法的简化流程图。图15示出了可与根据本专利技术的实施方案的系统和方法一起使用的示例计算机系统的框图。术语“放射线”指代用于治疗组织，例如肿瘤的任何粒子(例如，光子、电子、质子等)。放射线的实例包括高能x-射线、γ射线、电子束以及质子束。不同的粒子可以对应于不同类型的放射治疗。“治疗区”指代将经受放射线，且有时被称为“辐照区”的整个体积。“靶结构”、“靶区”和“计划靶区”(“PTV”)指代意图接受治疗性处方剂量的组织。“放射治疗计划”可以包括剂量分布、用于针对给定患者实现剂量分布的机器参数和与给定患者有关的信息。剂量分布提供与放射剂量随位置变化有关的信息。“剂量分布”可以呈现许多形式，例如剂量体积直方图(DVH)或剂量矩阵。DVH可以图形2D格式汇总三维(3D)剂量分布，例如其中水平轴线为由靶结构(例如，肿瘤)吸收的剂量(例如，以戈瑞-Gy单位计)，并且竖直轴线为体积百分率。在微分DVH中，特定剂量处的柱条的高度指示接受特定剂量的靶结构的体积。在积分DVH中，特定剂量处的柱条的高度表示接受大于或等于所述剂量的结构的体积。积分DVH通常是曲线(例如，在使用小组距时)，而微分DVH通常是互斥条形图。DVH的缺点在于其不提供空间信息；即，DVH不能显示结构内何处接受剂量。剂量矩阵可以提供身体的每个部位接受的剂量。“剂量下降区域”可以包括紧挨着靶区外部的区域中的体素。“剂量下降约束轮廓”可以包括对在靶区之外的每个体素的上限剂量约束。“剂量下降约束包络”可以包括对在靶区之外的每个体素的另一个上限剂量约束。“剂量下降约束曲线”可以是限定在靶区之外的上限剂量约束的远离靶区的表面且在正交于所述表面的方向上的距离的函数。具体实施方式放射治疗计划中的正常组织目标(NTO)的目的是限制到达治疗靶标周围的健康组织的放射线的量。在大脑的立体定位放射手术(SRS)中，NTO的作用甚至更为重要，因为靶标包含于正常的脑组织内，所述正常的脑组织本身是处于危险中的器官。因此，临床目标可以包括用每个靶标的处方治疗所述每个靶标并且根据垂直于靶标的表面的距离而使吸收剂量的量急剧下降到临床上不显著的水平。后一个要求被称为“陡峭剂量梯度”。剂量处方通常取决于诸如靶标的体积的许多因素。本专利技术的一些实施方案提供在放射治疗计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在放射治疗计划中控制在患者的感兴趣的域内的一个或多个治疗靶区之外的剂量分布以用于使用外部射束放射治疗系统来将放射线递送到一个或多个治疗靶标的方法，所述方法包括：由计算机系统接收与所述一个或多个靶区有关的几何信息，其中所述一个或多个靶区包括第一靶区，并且其中所述几何信息包括所述第一靶区的轮廓信息；由所述计算机系统接收包括针对所述第一靶区的剂量下限的剂量处方；由所述计算机系统基于(i)所述第一靶区的所述轮廓信息和(ii)针对所述第一靶区的所述剂量下限而确定针对在所述第一靶区之外的体素的第一剂量下降约束轮廓，其中所述第一剂量下降约束轮廓包括针对在所述第一靶区之外的每个体素的、由第一剂量下降约束曲线限定的第一上限剂量约束；由所述计算机系统获得成本函数，所述成本函数包括第一项，所述第一项与在所述第一靶区之外的每个相应的体素处的剂量值相对于所述第一剂量下降约束轮廓在所述相应的体素处的对应值的超出量成比例；以及由所述计算机系统使用所述成本函数来确定最优治疗计划，其中所述最优治疗计划针对在所述第一靶区之外的体素产生符合所述第一剂量下降约束轮廓的剂量分布，并且其中所述最优放射治疗计划包括控制点序列和多叶准直器(MLC)叶片序列以供所述外部射束放射治疗系统使用来递送所述放射线。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.22 US 15/273,3731.一种在放射治疗计划中控制在患者的感兴趣的域内的一个或多个治疗靶区之外的剂量分布以用于使用外部射束放射治疗系统来将放射线递送到一个或多个治疗靶标的方法，所述方法包括：由计算机系统接收与所述一个或多个靶区有关的几何信息，其中所述一个或多个靶区包括第一靶区，并且其中所述几何信息包括所述第一靶区的轮廓信息；由所述计算机系统接收包括针对所述第一靶区的剂量下限的剂量处方；由所述计算机系统基于(i)所述第一靶区的所述轮廓信息和(ii)针对所述第一靶区的所述剂量下限而确定针对在所述第一靶区之外的体素的第一剂量下降约束轮廓，其中所述第一剂量下降约束轮廓包括针对在所述第一靶区之外的每个体素的、由第一剂量下降约束曲线限定的第一上限剂量约束；由所述计算机系统获得成本函数，所述成本函数包括第一项，所述第一项与在所述第一靶区之外的每个相应的体素处的剂量值相对于所述第一剂量下降约束轮廓在所述相应的体素处的对应值的超出量成比例；以及由所述计算机系统使用所述成本函数来确定最优治疗计划，其中所述最优治疗计划针对在所述第一靶区之外的体素产生符合所述第一剂量下降约束轮廓的剂量分布，并且其中所述最优放射治疗计划包括控制点序列和多叶准直器(MLC)叶片序列以供所述外部射束放射治疗系统使用来递送所述放射线。2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述最优治疗计划包括：由所述计算机系统识别多个候选放射治疗计划，每个候选放射治疗计划具有相应的控制点序列和相应的多叶准直器(MLC)叶片序列以用于使用所述外部射束放射治疗系统来递送所述放射线；针对所述多个候选放射治疗计划中的每一个：确定针对在所述第一靶区之外的体素的对应的剂量分布；以及基于所述对应的剂量分布和所述第一剂量下降约束轮廓而确定所述成本函数的所述第一项的值；以及在所述多个候选放射治疗计划中选择最小化所述成本函数的所述最优放射治疗计划。3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：向所述外部射束放射治疗系统的控制电路传输所述最优放射治疗计划，以使所述外部射束放射治疗系统根据所述最优放射治疗计划的所述控制点序列和所述多叶准直器(MLC)叶片序列而将所述放射线递送到所述一个或多个治疗靶标。4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中所述成本函数的所述第一项与在所述第一靶区之外的每个相应的体素处的所述剂量值相对于所述第一剂量下降约束轮廓在所述相应的体素处的所述对应值的所述超出量的平方成比例。5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一剂量下降约束曲线根据远离所述第一靶区的表面并在正交于所述表面的方向上的距离而以指数方式大幅衰减。6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一剂量下降约束曲线针对远离所述第一靶区的所述表面的距离渐近地衰减到针对所述第一靶区的所述剂量下限的预定百分率。7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：所述剂量处方还包括针对所述第一靶区的剂量上限；并且确定所述第一剂量下降约束轮廓是基于针对所述第一靶区的所述剂量下限和所述剂量上限两者。8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中：所述一个或多个靶区还包括第二靶区；与所述一个或多个靶区有关的所述几何信息还包括所述第二靶区的轮廓信息；所述剂量处方还包括针对所述第二靶区的剂量下限；并且所述方法还包括：基于(i)所述第二靶区的所述轮廓信息和(ii)针对所述第二靶区的所述剂量下限而确定针对在所述第二靶区之外的体素的第二剂量下降约束轮廓，其中所述第二剂量下降约束轮廓包括针对在所述第二靶区之外的每个体素的、由第二剂量下降约束曲线限定的第二上限剂量约束；并且其中所述成本函数的所述第一项进一步与在所述第二靶区之外的每个相应的体素处的剂量值相对于所述第二剂量下降约束轮廓在所述相应的体素处的对应值的超出量成比例。9.如权利要求8所述的方法，其中所述第一剂量下降约束曲线和所述第二剂量下降约束曲线中的每一个针对远离所述第一靶区的所述表面和所述第二靶区的表面的距离渐近地衰减到以下中的较大者的预定百分率：(i)针对所述第一靶区的所述剂量下限和(ii)针对所述第二靶区的所述剂量下限。10.如权利要求8或9所述的方法，其中对于在所述第一靶区和所述第二靶区之外的区域中的每个相应的体素，所述成本函数的所述第一项与所述相应的体素处的剂量值相对于以下中的较大者的超出量成比例：(i)所述第一剂量下降约束轮廓在所述相应的体素处的对应值，以及(ii)所述第二剂量下降约束轮廓在所述相应的体素处的对应值。11.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括：由所述计算机系统确定针对在所述第一靶区之外的体素的第一剂量下降约束包络，其中所述第一剂量下降约...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·奥尔里拉，M·韦尼奥，J·佩尔托拉，J·诺德，
申请(专利权)人：瓦里安医疗系统国际股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH