【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种放射治疗系统，其包括用于控制电离辐射束监督系统的控制系统。具体地，本公开涉及预测解剖区域的移动，特别是循环或半循环移动，以提高剂量输送的精确性。
技术介绍
1、使用外部束放射疗法治疗疾病，例如，癌症治疗，涉及向患者施加电离辐射，使得辐射能量沉积在患者身体的恶性细胞中。如果沉积足够量的能量，可能导致dna的破坏和随后辐射细胞的死亡。
2、电离辐射可以是直接或非直接电离的。直接电离辐射利用带电粒子，例如，电子、质子、α粒子和重离子。间接电离辐射利用中性粒子，例如，光子(x射线和γ射线)和中子。本公开适用于两种类型的外部束放射治疗，即，使用直接或非直接电离辐射。特别地，本公开适用于x射线或质子放射疗法。
3、质子和其他带电粒子显示适用于放射治疗的深度-剂量曲线。由于质子和其他带电粒子的质量相对较大，在组织中几乎没有横向侧向散射，因此，粒子束可以聚焦在恶性组织上，最小化对周围健康组织的剂量副作用。粒子束还可以使用布拉格峰效应(即，带电粒子将其大部分能量沉积在粒子束轨迹的最后区域中的趋势)更精确地靶向恶性组织。
4、us2016/0144201a1公开了一种创建质子治疗计划的方法，该方法包括以下步骤：将感兴趣体积划分为子体积，基于尤其是患者移动将剂量约束应用于子体积，找到质子治疗系统的一个或多个可行配置，以及选择改进或优化质子治疗的一个或多个方面的质子束配置。
5、然而，与us2016/0144201a1的质子治疗系统和其他现有技术的外部束放射治疗系统相关联的问题是，治疗期间的
6、因此，当使用现有技术系统准备治疗计划时，当计划剂量输送时，需要考虑与治疗期间患者和/或器官移动相关联的不确定性。在实践中，这种不确定性可能导致系统的操作者将系统设置为输送较低的总剂量，以避免损伤健康组织。这反过来可能导致比不存在不确定性时更低效的治疗。
7、特别地，在当前的放射治疗实践中，在胸腔和上腹腔中的肿瘤体积添加相对大的余量，以补偿呼吸运动对肿瘤剂量输送的影响。这可能导致对规定的肿瘤剂量以及治疗计划的妥协，这可能对治疗结果产生不利影响并增加辐射诱导的发病率。
8、wo2014/116868a1公开了一种用于在医学成像扫描期间追踪和补偿患者运动的运动补偿系统。该系统包括光学标记和第一和第二光学检测器，光学标记包括光学可见图案，第一和第二光学检测器被定位成分别沿着第一视线和第二视线对光学可见图案进行数字成像。该系统进一步包括：追踪引擎，其被配置为通过分析来自第一光学检测器和第二光学检测器的图像来确定对象在六个自由度中的姿态；以及控制器接口，其被配置为基于姿态生成追踪信息，并且将追踪信息电子传输到扫描仪控制器，以实现医学成像扫描仪内针对对象运动的补偿。wo2014/116868a1建议，所公开的用于追踪患者移动的方法可以被应用于治疗环境中，例如追踪例如由于呼吸引起的患者移动，以便将治疗辐射束引导到患病组织区域，同时避开周围的健康组织。
9、然而，尽管wo2014/116868a1中公开的系统可能能够借助于系统追踪光学标记并将光学标记的移动分配给患者的移动而在某种程度上追踪患者移动，但是该系统没有考虑到光学标记所附连的组织区域的动态变形或翘曲。
10、预测患者运动的生物力学模型在本领域中是已知的。例如，在以下文章中讨论了这种生物力学模型，“用于从4d ct图像预测肺运动的患者特异性生物力学模型”(2014)，fuerst等人，ieee医学成像学报34.10.1109/tmi.2014.2363611和“肿瘤运动模拟精度对肺生物力学建模方法和参数的敏感度”(2015)，tehrani等人，phys med biol.2015nov 21；60(22):8833-49.doi:10.1088/0031-9155/60/22/8833.epub 2015nov 4.pmid:26531324；pmcid:pmc4652597。然而，已知的生物力学模型，例如，在上述文章中讨论的那些，在计算上是耗时的，并且不适合在放射治疗剂量输送期间实时使用。
技术实现思路
1、考虑到上述问题，本公开的目的是提供一种放射治疗系统以及相关系统和方法，其可以至少减轻上述问题和/或减少剂量输送期间目标定位的不确定性。
2、本公开的另一个目的是提供一种放射治疗方法和系统，其涉及允许向照射目标精确剂量输送的束监督系统。
3、本公开的另一个目的是提供一种包括束监督系统的放射治疗系统，其中束监督系统可以精确地追踪照射目标。
4、本公开的又一个目的是提供一种放射治疗系统，其中可以避免对风险器官的照射。
5、本公开的进一个目的是提供一种放射治疗系统，其允许至少部分地补偿束监督系统的延迟。
6、本公开的又进一个目的是提供一种建立用于放射治疗系统中的放射治疗患者的解剖区域的模型的方法。
7、此外，本公开的目的是提供一种计算机实现的方法，该方法用于规划要在放射治疗患者的解剖区域上执行的放射治疗程序的至少一部分。
8、在本申请的独立权利要求中指定了所要求保护的专利技术。在独立权利要求中指定了所要求保护的专利技术的有利的修改和版本。
9、如前所述，可以使用生物力学模型对解剖区域的运动进行建模。这种模型的基础偏微分方程可以使用数值计算方法在空间和时间上求解，诸如有限元分析、有限差分或有限体积方法等。可以使用允许获得模型状态的演变的时间步进方案迭代地执行计算。然而，如前所述，这种计算慢并且需要大量的计算资源，因此不适合在放射治疗剂量输送期间实时使用。
10、在论文“学习用图网络模拟复杂物理”中，sanchez-gonzalez等人，arxiv：2002.09405v2[cs.lg]14.09.2020(可在https：//arxiv.org/abs/2002.09405获得)讨论并确定了基于图网络的模拟器(gns)能够精确模拟流体、刚性固体和可变形材料相互作用的各种物理系统。
11、在上述论文中，采用了基于粒子的物理系统的表示，其中每个粒子表示系统的状态。物理动态通过粒子之间的相互作用来近似，例如，通过在它们的邻居之间交换能量和动量。基于粒子的模拟可以被视为图上的消息传递。节点对应于粒子，边对应于粒子之间的成对关系，在此基础上计算相互作用。可学习模拟器用参数化函数逼近器dθ计算动态信息，其参数可以针对某些训练目标进行优化。参数化函数逼近器有三个步骤—编码器、处理器、解码器。
12、编码器将基于粒子的状态表示嵌入为输入图，其中节点嵌入是粒子状态的学习函数，添加有向边以在具有一些潜在相互作用的粒子节点之间创建路径，并且可以添加图级嵌入来表示全局属性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种建立用于放射治疗系统(100)中的放射治疗患者(200)的解剖区域(202)的生物力学模型(300)的方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，表征所述解剖区域中的身体组织的所述至少一个特征包括表征所述解剖区域(202)与电离辐射束之间的相互作用的至少一个变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，表征所述解剖区域(202)与所述电离辐射束之间的相互作用的所述至少一个特征包括以下中的至少一者：线性阻止本领；相对阻止本领；放射密度和放射线不透性。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，将所述模型(300)表示为图神经网络系统(500)中的图的步骤包括：建立具有反映所述生物力学模型(300)的静态和动态变量的特征的图节点、图边和图全局元素；
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述解剖区域(202)的循环或半循环运动上训练所述模型(300)的步骤包括：将损失函数应用于由所述更新器(506)提供的所推断的状态(Mt+1)以及应用于与建模的解剖区域(202)相对应的解剖区域上的真实世界数据集。p>
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述真实世界数据集包括以下中的至少一者：4D计算机断层4D-CT扫描、4D磁共振成像4D-MRI和超声成像。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，其中，所述真实世界数据集包括在呼吸循环期间覆盖所述建模的解剖区域(202)的图像的演变。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基于点或基于网格的模型结合以下中的至少一者：适用于所述解剖区域(202)的物理特性的线性弹性模型和超弹性模型。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的方法，其中，第一和第二解剖子区域共享公共边界，所述方法包括在所述公共边界中向第一和第二基于点或基于网格的子模型分配公共边界条件的步骤。
11.一种规划要在放射治疗患者(200)的解剖区域(202)上执行的放射治疗程序的至少一部分的计算机实现的方法，包括：
12.一种放射治疗系统(100)，包括：
13.根据权利要求12所述的放射治疗系统(100)，其中，所述控制系统(110)被配置为指示所述束监督系统(106)基于所推断的未来状态(Mt+1)来控制所述至少一个束源(102)的所述电离辐射束(104)，以使所述至少一个束源(102)追踪所述照射目标(204)。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的放射治疗系统(100)，其中，所述控制系统(110)被配置为如果所推断的未来状态(Mt+1)指示所述照射目标将要冒险在所述电离辐射束(104)的轨迹之外，则所述控制系统(110)指示所述束监督系统(106)基于所推断的未来状态(Mt+1)来控制所述至少一个束源(102)的所述电离辐射束(104)，以阻挡所述至少一个束源(102)的所述电离辐射束(104)或关闭所述至少一个束源(102)。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的放射治疗系统(100)，其中，所述控制系统(110)被配置为如果所推断的未来状态(Mt+1)指示所述电离辐射束(104)的轨迹处于与风险器官相交的风险中，则所述控制系统(110)指示所述束监督系统(106)基于所推断的未来状态(Mt+1)来控制所述至少一个束源(102)的所述电离辐射束(104)，以阻挡所述至少一个束源(102)的所述电离辐射束(104)或关闭所述至少一个束源(102)。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的放射治疗系统(100)，其中，所述训练模型(300)是基于点或基于网格的模型(300)，包括与所述基于点或基于网格的模型(300)的点或网格节点(302)相关联的静态和/或动态特征，所述特征包括所述点或网格节点(302)的世界空间坐标(x)和表示所述解剖区域(202)的时空位移的状态变量(u)。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的放射治疗系统(100)，其中，所述图网络系统(500)被配置为将所述训练模型(300)表示为图(400)，包括具有反映所述训练模型(300)的静态和动态变量的特征的图节点(402)、图边(404)和图全局元素。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的放射治疗系统(100)，其中，所述图网络系统(500)被配置为将所述训练模型(300)的所建立的当前状态(Mt)与从所述监测系统(120)接收的所述数据相关。
19.根据权利要求18所述的放射治疗系统(100)，其中，所述监测系统(120)被...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种建立用于放射治疗系统(100)中的放射治疗患者(200)的解剖区域(202)的生物力学模型(300)的方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，表征所述解剖区域中的身体组织的所述至少一个特征包括表征所述解剖区域(202)与电离辐射束之间的相互作用的至少一个变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，表征所述解剖区域(202)与所述电离辐射束之间的相互作用的所述至少一个特征包括以下中的至少一者：线性阻止本领；相对阻止本领；放射密度和放射线不透性。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，将所述模型(300)表示为图神经网络系统(500)中的图的步骤包括：建立具有反映所述生物力学模型(300)的静态和动态变量的特征的图节点、图边和图全局元素；
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述解剖区域(202)的循环或半循环运动上训练所述模型(300)的步骤包括：将损失函数应用于由所述更新器(506)提供的所推断的状态(mt+1)以及应用于与建模的解剖区域(202)相对应的解剖区域上的真实世界数据集。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述真实世界数据集包括以下中的至少一者：4d计算机断层4d-ct扫描、4d磁共振成像4d-mri和超声成像。
7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，其中，所述真实世界数据集包括在呼吸循环期间覆盖所述建模的解剖区域(202)的图像的演变。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基于点或基于网格的模型结合以下中的至少一者：适用于所述解剖区域(202)的物理特性的线性弹性模型和超弹性模型。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的方法，其中，第一和第二解剖子区域共享公共边界，所述方法包括在所述公共边界中向第一和第二基于点或基于网格的子模型分配公共边界条件的步骤。
11.一种规划要在放射治疗患者(200)的解剖区域(202)上执行的放射治疗程序的至少一部分的计算机实现的方法，包括：
12.一种放射治疗系统(100)，包括：
13.根据权利要求12所述的放射治疗系统(100)，其中，所述控制系统(110)被配置为指示所述束监督系统(106)基于所推断的未来状态(mt+1)来控制所述至少一个束源(102)的所述电离辐射束(104)，以使所述至少一个束源(102)追踪所述照射目标(204)。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的放射治疗系统(100)，其中，所述控制系统(110)...
【专利技术属性】
技术研发人员：佩尔·哈弗德·克莱文，雅皮·多纳蒂安·阿舒，马西娅·瓦戈斯，玛丽·恩格布雷森·里特沃尔德，卡斯滕·赖登艾勒特森，
申请(专利权)人：康斯伯格光束技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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