CN109529203B - 使用多准则最佳化和渐进最佳化方案的vmat治疗计划 - Google Patents

Abstract

可使用计算机实现的方法和系统来促进用于向患者提供放射疗法的VMAT治疗计划的生成。从种子计划开始，可经由对所述种子计划进行的一组并行最佳化操作来生成替代计划的库，每一替代计划都具有一组治疗目标的相关结果。提供了图形用户界面，经由所述图形用户界面，用户可以在由所述替代计划限定的治疗空间内导航以鉴别满意的结果。基于所述满意的结果和选自所述替代计划的候选计划，可以使用另一最佳化操作生成可递送的VMAT治疗计划。

Description

使用多准则最佳化和渐进最佳化方案的VMAT治疗计划

背景技术

本公开总体上涉及用于放射疗法的治疗计划，并且更具体地涉及使用多准则最佳化和渐进最佳化方案来开发用于容积调强弧形疗法(VMAT)的治疗计划的治疗计划系统和方法。

一般来说，放射疗法由使用电离放射治疗活组织(通常是肿瘤)组成。许多不同类型的电离放射用于放射疗法，包括高能x射线、电子束和质子束。向患者施用放射疗法的过程在不同类型的放射之间可以类似。典型地，使用外部射束放射治疗系统。此类系统提供在射束源处产生所需类型的射束的直线加速器，以及包括多叶准直器(MLC)在内的准直器以使从射束源发出的射束成形。射束递送系统(包括射束源和准直器)通常安装在可移动的台架上，该台架可以围绕放置患者的治疗诊察台移动，从而允许从相对于患者不同的角度递送放射束。

这种系统用于各种治疗选择。一种选择是调强放射疗法(IMRT)，其中将射束源定位在所需的角度，并且调节MLC以控制由不同组织接收的剂量。在治疗会话期间，可以对射束源和/或MLC进行重新定位，从而允许从不同的角度递送放射。在IMRT中，当递送放射时，射束源保持静止。另一种治疗选择是容积调强弧形疗法(VMAT)，其中射束源在递送放射时围绕患者横穿成弧。在IMRT与VMAT中，首要目标是将治疗有效剂量的放射(典型地高剂量和均匀剂量)递送到患者体内的靶标体积(典型地肿瘤)，同时使递送到周围组织(特别是可能位于靶标体积附近的健康器官)的剂量减到最小。

有效的放射疗法需要治疗计划来确定将会最佳地实现所述首要目标的机器参数。在IMRT的情况下，治疗计划可以指定机器参数，例如射束源和准直器的位置(包括MLC叶片设置)、射束强度(例如，剂量率)和暴露持续时间(也称为“射束开启时间”)；该计划可以包括多个控制点，每一控制点由一组机器参数定义。在VMAT的情况下，治疗计划可以指定与IMRT中相同的所有机器参数，加上定义待横穿的弧的额外参数，以及在某些情况下使弧横穿的速度。在治疗期间，治疗计划可用于控制放射疗法系统的操作，并且根据治疗计划操作放射疗法系统使得向患者递送所需的剂量分布。

治疗计划通常是经由如下的“逆向”问题来进行：确定机器参数的最佳组合—例如射束强度、射束成形、射束方向、暴露持续时间—以将所需的总放射剂量递送到靶标体积(或多个靶标体积)，同时将递送到附近器官(有时称为“风险器官”或“OAR”)的剂量降到最低。考虑到自由度众多，逆向问题通常不适合解析解决方案。

在IMRT的情况下，已经开发出了交互式工具以帮助找到逆向问题的解决方案。传统上，此类工具被设计成通过使目标函数值降到最低来找到单一最佳解决方案。为了针对IMRT最佳化问题用公式表示目标函数，首先将所需的结果定义为多维空间中的向量。定义替代解决方案的组(其可以是无穷组)，其中每一替代解决方案都有相关的替代结果(也定义为多维空间中的向量)。成本函数被定义以量化任何给定的替代结果与所需结果之间的距离(在多维空间中)。可以使用欧几里德(Euclidean)或其它距离度量，并且可以在成本函数中为结果向量的不同分量分配不同的权重。可以通过找到使成本函数降到最低的替代解决方案来鉴别最佳解决方案。

为了将基于成本函数的最佳化方法应用于放射疗法治疗计划，结果向量可以定义为剂量分布，该剂量分布包括针对至少一个靶标体积和一定数量的非靶标体积的剂量，对于所述非靶标体积，低剂量是最佳的并且没有剂量是理想的但通常是不可实现的。如何对不同的目标进行加权尚不清楚，并且因此可合意地允许用户探索不同加权的效应，该程序有时称为多准则最佳化。

交互式工具的存在在IMRT背景下有利于此类探索。此类工具接收一组治疗目标(例如，鉴别一定数量的感兴趣的体积和每一此类体积的所需剂量)。基于治疗目标，例如通过依次为每一治疗目标创建帕雷托最佳(Pareto-optimal)IMRT计划来生成替代计划的库(例如数据库)，其中每一替代计划具有相关剂量矩阵，该剂量矩阵指示治疗目标中指定的每一体积中的剂量。用户(例如，放射肿瘤学家或其它医学专业人员)通过图形用户界面与该库交互，以探索由替代计划限定的导航空间。可视化工具允许用户在该库中的计划中定义内插；例如，用户可以操作控制元件(例如屏幕上的滑块)来调整内插参数并观察对剂量分布的效应。一旦用户通过调整内插参数实现了所需的剂量分布，通过数据库计划的内插使用用户调整的参数来生成最终的治疗计划。此类界面可以提供即时、直观的技术来促进IMRT的治疗计划。

发明内容

以前，不可能基于直接机器参数的利用使这些交互技术适应于VMAT治疗计划。生成一组代表性的替代VMAT计划比IMRT计划慢得多，部分原因是暴露期间允许射束移动所引入的额外自由度。另外，在VMAT治疗计划之间进行内插以生成最终计划是无效的，这归因于与VMAT递送相关的机器参数限制的非凸性质。

本发明的某些实施方案克服了此类问题，从而允许交互式VMAT治疗计划系统和方法。通过从“种子”计划开始来简化生成限定导航空间的替代计划的初始任务，该“种子”计划可以是由用户创建的VMAT计划，该VMAT计划平衡了不同的治疗目标(例如，递送到特定靶标和非靶标体积的剂量)，但可能小于临床最佳水平。从种子计划开始，可通过调整种子计划的机器参数以依次最佳化每一治疗目标来生成替代计划的库。每一替代计划可以具有相关的结果(例如，剂量分布矩阵)，其可以使用模拟技术和/或临床数据来确定。由替代计划限定的导航空间可用于支持图形用户界面(GUI)，该图形用户界面允许用户查看通过内插与一些或所有替代计划相关的治疗结果而生成的假设治疗结果(例如，剂量分布)。用户可以通过操作控制件(例如，一组滑块)来动态地调整内插权重，以修改各种治疗目标的相对重要性，并且可以即时查看对结果的效应。一旦用户通过操作控制件鉴别出满意的治疗结果，可以通过以下来确定可递送治疗计划：在替代计划的空间中鉴别候选计划并使用(用户指定的)满意治疗结果对候选计划进行最佳化操作以生成可递送计划。候选计划可以是(例如)其治疗结果最接近(用户指定的)满意治疗结果的替代计划(如使用基于控制件设置定义的权重的成本函数所确定)，并且可以通过对候选计划进行机器参数调整(例如，通过继续其具有修改的目标的最佳化)以使计划结果与(用户指定的)满意治疗结果之间的差异降到最小来生成可递送计划。在一些实施方案中，由此生成的可递送计划可以用作下一最佳化阶段的新种子计划，从而允许迭代最佳化方法。在每一阶段，用户可以决定是在VMAT治疗中使用可递送计划还是继续进行另一迭代。

下面的详细描述将提供对所要求保护的发明的性质和优点的更好理解。

附图说明

图1示出了可结合本发明使用的放射治疗系统的透视图。

图2示出了图1的放射治疗系统的侧视图。

图3示意性地示出了可以包括在图1的放射治疗系统中的光子准直系统。

图4示出了可用于图3的光子准直系统中的示例性多叶准直器平面。

图5示出了可结合本发明使用的外部射束放射治疗系统的框图。

图6示出了可以根据本发明的实施方案生成的VMAT治疗计划的简化示意图。

图7示出了根据本发明实施方案的用于最佳化VMAT治疗计划的方法的流程图。

图8示出了根据本发明实施方案的用于生成替代VMAT治疗计划的方法的流程图。

图9示出了根据本发明实施方案的GUI屏幕的实例。

图10示出了根据本发明实施方案的用于生成最终的可递送VMAT治疗计划的方法的实例。

图11示出了根据本发明实施方案的用于VMAT治疗计划的迭代最佳化的方法的流程图。

图12示出了适用于本发明的一些实施方案的计算机系统的简化框图。

定义

“放射”是指用于治疗组织(例如肿瘤)的任何粒子(例如，光子、电子、质子等)。放射的实例包括高能x射线、γ射线、电子束和质子束。不同的粒子可以对应于不同类型的放射治疗。“治疗体积”是指将经受放射的整个体积，并且有时称为“辐照体积”。“靶标结构”、“靶标体积”和“计划靶标体积”是指意图接收治疗处方剂量的组织。辐照体积通常大于靶标体积，并且可以包括并非意图接收治疗剂量的器官或组织。此类器官或组织有时称为“风险器官”(OAR)。

“放射治疗计划”(也称为“治疗计划”或“计划”)可以包括剂量分布、给定患者用于实现剂量分布的机器参数以及关于给定患者的信息。“剂量分布”提供了关于放射剂量随位置变化的信息。剂量分布可以用许多格式(例如剂量体积直方图(DVH)或剂量矩阵)表示。DVH可以以(例如)图形格式总结三维(3D)剂量分布，其中水平轴是被特定体积或结构(其可以是靶标体积、OAR或任何其它明确定义的体积)吸收的剂量(例如，以戈瑞(Gy)为单位)，并且垂直轴是体积百分比。在微分DVH中，特定剂量下的条的高度指示接收特定剂量的所讨论体积的体积百分比。在积分DVH中，特定剂量下的条的高度代表接收大于或等于该剂量的所讨论体积的体积百分比。积分DVH通常是曲线(例如，当使用小的箱尺寸时)，而微分DVH通常是不相交的条形图。DVH的缺点是它不提供空间信息；即，DVH不示出在结构内何处接收剂量。剂量矩阵可以示出身体每一部位接收的剂量。

“剂量预测模型”接收患者资料和机器参数，并输出预测获得的剂量分布。不同类型的放射治疗可以有不同的模型。患者资料可以包括诊断信息(例如，一般肿瘤位置或阶段信息)和几何信息(例如，肿瘤和患者中其它器官的空间几何形状)。特定模型可以具有与所预测剂量分布相关的准确度(可靠性)。准确度可以从一组测试放射治疗计划中来确定，这些测试放射疗法计划的剂量分布已经通过其它方式确定(例如，通过最佳化成本函数)。例如，准确度可以基于模型对通过最佳化成本函数获得的实际剂量分布的预测程度来确定。

“监测器单元”(MU)是对放射疗法的临床加速器(例如直线加速器)的机器输出的测量。监测器单元是通过监测器室来测量，所述监测器室是测量由射束递送的剂量的电离室并且内置在放射疗法直线加速器的治疗头中。直线加速器被校准以在特定条件下给出特定的吸收剂量，但中心之间的定义和测量配置会有所不同。

监测器单元的两个常见定义是：(1)当将1戈瑞(100rad)的吸收剂量递送到水等效模体中最大剂量深度的点时，该水等效模体的表面位于机器的等中心(即通常距离源100cm)且表面处的场尺寸为10cm×10cm，监测器室读数为100MU；以及(2)当将1Gy(100rad)的吸收剂量递送到模体中给定深度的点时，其中该模体的表面被定位成使得所指定点位于机器的等中心并且在等中心处的场尺寸为10cm×10cm，监测器室读数为100MU。

一些直线加速器使用源轴距离(SAD)而不是源表面距离(SSD)进行校准，并且校准(监测器单元定义)可能会因医院习惯而异。早期放射疗法是使用“恒定SSD”治疗来进行，并且因此采取监测器单元的定义来反映这种校准几何形状。现代放射疗法是使用等中心放射治疗计划来进行，所以监测器单元的更新定义是以基于源轴距离(SAD)的等中心处的几何形状为基础的。

本公开中使用的与治疗场相关的术语“空间点”指的是与一组外部射束放射治疗系统的治疗轴坐标值相关的几何点。空间点由等中心的位置、患者支持物的位置和角度、台架角度、准直器角度以及每一MLC叶片的位置来限定。术语“控制点”是指放射治疗场的参数点，该参数点包括关于治疗轴的空间信息，并且还可以指定准直器设置、射束强度或剂量率(例如，使用MU计数和/或仪表值权重的相关概念)和/或射束源的运动速度(包括支撑射束源的可移动台架的速度)。

具体实施方式

本发明的某些实施方案涉及交互式VMAT治疗计划系统和方法。通过从“种子”计划开始来简化生成限定导航空间的替代计划的初始任务，该“种子”计划可以是由用户创建的VMAT计划，该VMAT计划平衡了不同的治疗目标(例如，递送到特定靶标和非靶标体积的剂量)，但可能小于临床最佳水平。从种子计划开始，可通过调整种子计划的机器参数依次最佳化每一替代计划来生成替代计划的库。每一替代计划可以具有相关的结果(例如，相关的剂量分布矩阵)，其可以使用模拟技术和/或临床数据来确定。由替代计划限定的导航空间可用于支持图形用户界面(GUI)，该图形用户界面允许用户查看通过内插与一些或所有替代计划相关的治疗结果而生成的假设治疗结果(例如，剂量分布)。用户可以通过操作控制件(例如，一组滑块)来动态地调整内插权重，以修改各种治疗目标的相对重要性，并且可以即时查看对结果的效应。一旦用户通过操作控制件鉴别出满意的治疗结果，可以通过以下来确定可递送治疗计划：在替代计划的空间中鉴别候选计划并使用(用户指定的)满意治疗结果对候选计划进行最佳化操作以生成可递送计划。候选计划可以是(例如)其治疗结果最接近(用户指定的)满意治疗结果的替代计划(如使用基于控制件设置定义的权重的成本函数所确定)，并且可以通过对候选计划进行机器参数调整(例如，通过继续其具有修改的目标的最佳化)以使计划结果与(用户指定的)满意治疗结果之间的差异降到最小来生成可递送计划。在一些实施方案中，由此生成的可递送计划可以用作下一最佳化阶段的新种子计划，从而允许迭代最佳化方法。在每一阶段，用户可以决定是在VMAT治疗中使用可递送计划还是继续进行另一迭代。

外部射束疗法(EBT)也称为外部放射疗法，它是一种将一束或多束高能x射线递送到患者肿瘤的方法。射束在患者体外生成(通常通过直线加速器)，并且靶向肿瘤部位。

图1和图2绘示了可结合本发明使用的放射治疗系统100。图1示出了放射治疗系统100(在这种情况下并入直线加速器)的透视图。放射治疗系统100能够生成用于治疗诊察台35上患者的放射疗法治疗的电子(粒子)束或x射线(光子)束。为了本说明的目的，将假定x射线辐照。然而，本领域技术人员将理解，相同的原理适用于其它系统，包括电子束系统和重离子(例如质子)束系统。

支架10支撑具有治疗头30的可旋转台架20。在支架10旁边布置有控制单元(未示出)，该控制单元包括用于控制放射治疗系统100的不同操作模式的控制电路。高压电源设置在支架内或台架中，以向定位在位于台架20中的加速器导件上的电子枪(未示出)提供电压。电子是从电子枪发射到导件(未示出)中，所述电子在该导件中被加速。电源提供RF(微波)功率用于在波导内生成电场。从电子枪发射的电子在波导中被电场加速，并且以典型地兆伏能量的高能电子束的形式离开波导。然后，电子束撞击合适的金属靶，向前发射高能x射线。

图2示出了放射治疗系统100的稍微更详细的侧视图。患者P被示出躺在治疗诊察台35上。如上所述形成的x射线以发散射束104从治疗头30中的金属靶发射。典型地，垂直于图2中页面的患者平面116定位在距离x射线源(例如，金属靶)约一米处，并且台架20的轴位于患者平面116中，使得当旋转台架20时，治疗头30中的靶标与等中心178之间的距离保持恒定。等中心178是位于患者平面116与射束中心轴122之间的交叉点处的点。待辐照的治疗体积位于等中心178周围。

图3示意性地示出了光子准直系统300，该光子准直系统具有上夹爪310(即Y1和Y2夹爪；为了清楚起见，省略Y1夹爪)、下夹爪320(即X1和X2夹爪)和多叶准直器(MLC)330。指示了患者平面116中的场尺寸和等中心178的位置。MLC 330的上夹爪310、下夹爪320和叶片332至少部分地由x射线阻挡材料制成，并且定位在治疗头30(图2所示)中以限定患者平面116处的x射线束的宽度。典型地，夹爪310和320是可移动的，并且当完全打开时，在患者平面116处限定约40cm×40cm的最大射束宽度。MLC 330定位在治疗头30的出口，以使x射线束进一步成形。自MLC在1990年引入以来，它已经成为大多数放射治疗系统的标准特征。本发明的受让人出售的当前MLC使用多达120片单独可控的叶片(典型地薄钨片)，所述叶片可以在系统软件的控制下移入或移出x射线束。

图4示出了示例性的MLC平面，该平面具有多个以相对的成对布置的叶片332，以及通过选定的叶片运动产生的孔口415。放射穿过孔口415并且通过孔口415成形。因此，MLC330可用于使x射线准直，以从各个角度提供肿瘤的保形治疗(“3D保形”)以及调强放射疗法(“IMRT”)，由此将不同的放射剂量递送到治疗区的不同部分。治疗体积(即x射线束治疗路径中接近等中心178的辐照体积)是由夹爪310和320、MLC 330的叶片序列和准直器角度(即MLC 330位于治疗头30中的角度)来限定。在一些实施方案中，夹爪310和320的位置、MLC330的叶片序列和准直器角度都是可控的机器参数；在其它实施方案中，这些参数中的一些可以是固定的。

图5示出了实现图1和图2的放射治疗系统100的外部射束放射治疗系统500的框图。放射治疗系统500包括射束源510、射束孔口520、台架530和诊察台540。射束源510被配置以生成治疗放射束。此放射束可以包括x射线、粒子等等。射束孔口520包括可调多叶准直器(MLC)522，该可调多叶准直器可以是上述MLC 330的实现方式，其用于空间过滤放射束。诊察台540可以是图1和图2的治疗诊察台35的实现方式，其被配置以在治疗期间支撑患者并对患者进行定位。诊察台540可具有六个自由度(平移偏移X、Y和Z，以及旋转、俯仰和偏航)，所述自由度可被视为机器参数。

台架530可以是台架20的实现方式，其收容射束源510和射束孔口520。台架530可以围绕固定轴移动(例如可旋转)，并且容积调强弧形疗法(VMAT)治疗可以通过在射束源510递送射束的同时旋转台架530来进行。待横穿的弧(例如，起点和终点)和/或横穿速度可以视为额外的机器参数。

在一些实施方案中，射束源510可以被配置以生成成像放射以及治疗放射。因此，放射治疗系统500还可以包括图像采集系统550，该图像采集系统包括一个或多个安装到台架530(例如，在与射束孔口520相对的臂上)的成像检测器。

放射治疗系统500还包括控制电路560用于控制射束源510、射束孔口520、台架530、诊察台540和图像采集系统550的操作。控制电路560可以包括硬件、软件和存储器用于控制放射治疗系统500的这些各个组件的操作。控制电路560可以包括固定用途的硬布线平台，或者可以包括部分地或全部地可编程平台。控制电路560可以被配置以实施本文所描述的各种步骤、措施和其它功能。在一些实施方案中，控制电路560可以包括用于接收和存储放射治疗计划的存储器，该放射治疗计划限定了一个或多个治疗场的空间点或控制点。然后，控制电路560可以向放射治疗系统500的各个组件(例如射束源510、射束孔口520、台架530和诊察台540)发送控制信号，以执行放射治疗计划。在一些实施方案中，控制电路560可以包括最佳化引擎以确定放射治疗计划；在其它实施方案中，最佳化引擎可以设置在单独的计算机系统中，该计算机系统经由网络界面或计算机可读存储介质向控制电路560递送放射治疗计划。

在本发明的某些实施方案中，可由放射治疗系统100(或放射治疗系统500)执行的放射治疗计划包括VMAT治疗计划。图6示出了可以根据本发明的实施方案生成的VMAT治疗计划的简化示意图。假定患者602位于治疗诊察台35上。等中心178以黑点表示，并且患者可以被定位成使得等中心178在靶标体积(例如，待辐照的肿瘤)内。VMAT弧604可以通过台架20绕其轴的旋转来限定。更具体地，台架20从治疗头位于起始位置606的起始定向旋转到治疗头位于结束位置608的结束定向。在治疗期间，当治疗头30使VMAT弧604从起始位置606横穿到结束位置608时，从治疗头30连续发射射束610。在VMAT弧604的横穿期间，射束尺寸(例如，由图3所示的夹爪和MLC限定)和患者602的位置(由治疗诊察台35的自由度控制)可以保持恒定或变化。射束角度也可以相对于台架20保持恒定或变化。

为了控制机器参数，起始位置606和结束位置608可以各自被识别为VMAT治疗计划的控制点，并且限定射束孔口、剂量率和患者设置的一组机器参数可与每一控制点相关。在一些实施方案中，可以沿着VMAT弧604限定一个或多个额外的中间控制点612，并且可以通过在控制点之间作出一系列平滑过渡来进行VMAT治疗。除了两个或更多个控制点以外，VMAT治疗计划可以包括旋转速度信息或指定VMAT弧604(或其特定段)的横穿速度的其它信息。因为射束610进入患者602身体的方向在VMAT弧604的横穿期间变化，所以有可能向等中心178附近的组织提供高剂量的放射同时周围组织接收较低的剂量。然而，最佳化剂量分布可能是一个具有挑战性的问题，因为VMAT治疗计划提供了许多自由度(即，可分开调整的机器参数)，并且修改的效应可能不明显。

因此，本发明的某些实施方案提供了工具(例如，计算机实现的方法)，以便于使用交互式用户界面最佳化VMAT治疗计划。所述工具可以利用现有的最佳化算法来生成最佳化不同治疗目标的替代计划的库，其中每一替代计划都有相关的结果(例如剂量分布矩阵)。经由图形用户界面，用户可以通过调整给予不同治疗目标的权重来对由替代计划限定的空间进行交互地导航，并且响应于用户导航，可通过根据给予不同治疗目标的权重在与各个替代计划相关的剂量分布之间进行内插来快速地计算近似剂量分布。这允许图形用户界面响应于用户作出的调整提供即时反馈。一旦用户选择了所需的剂量分布，就可以通过对选自替代计划的库的候选计划进行最佳化方法来生成“可递送的”治疗计划。

图7示出了根据本发明实施方案的用于最佳化VMAT治疗计划的方法700的流程图。方法700可以在(例如)使用放射治疗系统500(图5)的控制电路560的计算机系统或另一计算机系统中进行。

在方框702，方法700可以从获得“种子”计划和一组治疗目标开始。种子计划可以是(例如)由用户使用常规工具和技术创建的平衡VMAT计划，或者其可以以某种其它方式(例如，经由如下所述的方法700的先前迭代)来创建。治疗目标可以包括鉴别一组感兴趣的体积和每一体积所需的放射剂量。例如，一个感兴趣的体积可以是靶标体积(例如，肿瘤占据的体积)，其治疗目标典型地是提供治疗有效剂量。在一些情形中，可能有多个靶标体积，并且每一靶标体积都可以有单独的治疗目标。其它感兴趣的体积可以对应于不同的风险器官(OAR)和/或单一OAR的不同部分，其治疗目标典型地是使剂量降到最低。通常，在这些目标之间存在取舍，并且在不增加递送到另一个OAR的剂量和/或降低递送到靶标体积的剂量的情况下，通常不可能使递送到一个OAR的剂量降到最低。

在方框704，方法700可以从种子计划生成替代计划的库(或组)，例如，通过修改种子计划的机器参数并评价该修改对剂量分布的效应来进行。对于每一替代计划，该库可以存储机器参数和相关结果(例如，使用剂量分布模型预测的剂量分布)。该库可以作为(例如)数据库或其它结构化数据存储来实现。

在一些实施方案中，替代计划的生成基于帕雷托最佳化，其中一个治疗目标被最佳化到该治疗目标的进一步改进会使其它治疗目标中的至少一个的结果恶化的程度。图8示出了根据本发明实施方案的可以在方框704实现的计划生成方法800的流程图。通过调整种子计划的机器参数使方法800继续进行，以生成对于每一治疗目标都为帕雷托最佳的替代计划。在方框802，选择一个治疗目标进行最佳化。在方框804，对种子计划进行机器参数最佳化，以产生关于所选治疗目标为帕雷托最佳的计划。此方法可以包括调整种子计划的控制点权重和孔径，以及评价该调整对剂量分布的效应(例如，使用剂量分布模型)。在一些实施方案中，该继续最佳化方法本质上可以是迭代的，以收敛于对于选定的治疗目标最佳的计划。在方框806，将在方框804产生的帕雷托最佳计划作为替代计划添加到替代计划的库中。对于每一替代计划，该库可以存储机器参数(例如，控制点权重和孔径)和计算的剂量分布。在方框808，如果有更多的治疗目标要最佳化，则方法800可以返回到方框802以选择下一个要最佳化的治疗目标。一旦最佳化了每一治疗目标，方法800便在方框810结束，并且方法700可以继续。应当理解，由于方法800中的每一最佳化都是从相同的种子计划开始的，因此方法800的实例可以针对一些或所有治疗目标并行地执行，这可以大大加快替代治疗计划的库的生成。因此，尽管描述了顺序执行，但也考虑了并行执行。还应当理解，该库不限于每一治疗目标一个替代计划。在一些实施方案中，可以生成更多数量的替代计划，以更好地覆盖不同治疗目标之间可能的取舍空间。

再次参考图7，在已经生成替代计划的库之后，在方框706，方法700可以生成图形用户界面(GUI)，用户经由该图形用户界面可以导航由治疗目标组限定的空间，以评价各种治疗目标之间的取舍。

图9示出了根据本发明实施方案的可以实现的GUI屏幕900的实例。区域902和904是控制区域。在此实例中，区域902提供治疗目标的列表，例如用户选择的感兴趣区域的列表。不同的治疗目标可以用颜色编码，以便于理解所提供的其它信息。区域904提供对应于每一治疗目标的单独的用户可操作的控制件。在此实例中，控制件是作为用户可以移动的虚拟滑块来实现(例如，经由用鼠标、触控笔、手指或其它指向装置进行的拖动操作)；可以取代其它控制件类型。通过移动区域904中的控制件，用户可以指示不同治疗目标的相对重要性(或权重)。增加特定治疗目标的重要性可能会将治疗选择局限在特定范围内，并且也可能会影响关于其它治疗目标所能达到的结果范围。因此，当用户移动一个滑块时，其它滑块可以自动地移动以反映不同治疗目标之间的相关性。

区域906和908提供关于结果的视觉反馈。在一些实施方案中，当用户移动区域904中的滑块时，区域906和908中显示的数据即时自动地更新。区域906中示出了各个感兴趣区域的剂量体积直方图(DVH)(用颜色编码以匹配区域902和904)。区域908中示出了穿过患者身体的特定层片的剂量分布图。(颜色编码示于图例910中。)在这个实例中，示出了单一矢状层片。在一些实施方案中，GUI屏幕900可以提供额外的控制，以允许用户选择一个或多个层片以在任何给定时间观看，所述层片包括横向和/或前向层片以及不同深度的层片。DVH和剂量分布图的生成可以通过使用基于滑块位置生成的内插权重来内插库中替代计划的剂量分布来进行。这种内插可以即时进行，从而允许交互操作，由此用户可以调整区域904中的滑块并查看区域906和/或908中的效应。

应当理解，GUI屏幕900是说明性的。可以取代其它类型的控制件，并且可以根据需要修改各个区域的布局和内容。治疗目标的选择将取决于给定情形下放射治疗的特定目标。在一些实施方案中，GUI屏幕900和支持的内插方法可以利用在最佳化IMRT治疗计划的情况下已使用的现有技术。

再次参考图7，可以继续GUI的操作和更新(方框706)，直到在方框708，用户指示已经产生满意的结果(例如，满意的剂量分布)为止。例如，一旦与图9的GUI屏幕900交互的用户已导航到提供满意剂量分布的滑块设置的组合，用户便可以点击或选择“OK”按钮912。在这种情形下，“满意”应理解为意指用户对以下满意：(1)使用当前滑块设置内插的剂量分布满足治疗目标(例如，杀死肿瘤细胞同时避免或限制对健康组织的伤害)；和/或(2)滑块设置的进一步调整不可能导致额外的改进。

在方框710，方法700可以基于用户满意的结果生成可递送的治疗计划。在VMAT计划(不同于IMRT计划)的情况下，内插不同计划的机器参数通常是没有帮助的。因此，可以使用其它方法来生成可递送计划。

图10示出了根据本发明实施方案的用于生成可递送治疗计划的方法1000的实例。方法1000可以在(例如)方法700的方框710处执行，在该点处用户已经鉴别出对应于当前滑块设置的满意的结果(例如，剂量分布)。在方框1002，方法1000可以从替代计划的库中选择“候选”计划。在一些实施方案中，候选计划被选择为库中的单一替代计划，该计划的相关剂量分布最接近所需的剂量分布，其中接近度可以根据用户分配的权重(其可以从滑块设置中推导出)来测量。在其它实施方案中，可以使用其它技术来选择候选计划，例如在多个各自具有在接近所需剂量分布的某个接近度阈值内的相关剂量分布的计划之间内插。在方框1004，方法1000可以通过(例如)使用(用户鉴别的)满意结果来定义治疗目标组来继续最佳化，对候选计划进行机器参数调整最佳化。此最佳化的结果可用作最终可递送计划。

一旦在方框710生成了可递送计划，方法700就可以结束。此后，可递送计划可用于控制放射治疗系统100(或放射治疗系统500)的操作，以对患者进行VMAT治疗。例如，在方法700在控制电路560中实现的实施方案中，用户可以指令控制电路560以根据可递送计划进行VMAT治疗。在方法700在不同的计算机系统上实现的实施方案中，可递送计划可以计算机可读格式(例如，符合特定语法的配置文件)表示，并且可使用任何可用的文件传输机制(例如，网络传输、可移动存储介质)递送到控制电路560。控制电路560可以读取并执行可递送计划。

在一些实施方案中，用户选择的结果可能不是最佳可实现的结果。因此，可能期望支持进一步的最佳化。例如，一旦在方法700的方框710生成了可递送计划，此计划可以通过迭代地执行方法700而被用作新一轮最佳化的种子计划。

图11示出了根据本发明实施方案的用于迭代最佳化的方法1100的流程图。方法1100可以在使用(例如)放射治疗系统500(图5)的控制电路560的计算机系统或另一计算机系统中进行。

在方框1102，获得种子计划。这可以类似于方法700的方框702。

在方框1104，进行交互式最佳化方法以生成可递送计划。这可以例如使用方法700的方框704-710来实现。

在方框1106，可在(例如)有些类似于图9的GUI屏幕900的GUI屏幕中将可递送计划的剂量分布信息呈现给用户。例如，在方法700的方框710生成的可递送计划的剂量分布可以使用建模算法来计算并且可以使用DVH视图、剂量矩阵视图等来显示。

在方框1108，方法1100可以确定用户是请求另一迭代还是接受可递送计划。例如，在方框1106呈现给用户的GUI屏幕可以包括给到用户的指示是接受可递送计划还是继续探索治疗空间的提示符号。如果用户接受可递送计划，则在方框1110，可将可递送计划提供给(例如)控制电路560，从而可使用可递送计划来进行VMAT治疗。如果在方框1108，用户选择继续探索治疗空间，则在方框1112，可以选择可递送计划作为新的种子计划，并且方法1100可以返回到方框1104以进行另一交互式最佳化方法，该另一交互式最佳化方法包括基于新的种子计划生成额外的替代计划。在一些实施方案中，可以将这些额外的替代计划添加到在方框1104的先前迭代期间创建的替代计划的库中，而不是替换该库，从而逐渐扩展可用信息的量。

方法1100可以重复任何次数。预计在生成新的替代计划时，以及可能地在生成最终可递送计划时，用户可能需要等待一小段时间。然而，在每一阶段，可以如上所述进行治疗空间的交互式导航。

应当理解，本文描述的各种方法是说明性的，并且变化和修改是可能的。除非内部逻辑需要特定顺序，否则依序描述的操作或方框可以并行执行，操作顺序可以改变，并且结合不同方框描述的操作可以被组合。此外，不必在本发明的每一实施方案中进行本文描述的每一操作；可以省略一些操作，并且可以添加本文未具体描述的其它操作。

本文描述的方法可以在各种设计的计算机系统中实现。图12示出了适用于本发明的一些实施方案的计算机系统1200的简化框图。计算机系统1200包括经由系统总线1275互连的多个不同子系统。核心子系统包括输入/输出(I/O)控制器1271、系统存储器1272(例如，DRAM、SRAM、PROM和/或其它计算机可读介质)和中央处理器1273。中央处理器1273可以使用一个或多个可编程集成电路(包括单核和/或多核微处理器)来实现，它通过执行可以存储(至少暂时地)在系统存储器1272中的程序代码来控制计算机系统1200的操作。因此，中央处理器1273可以与每一子系统通信，并且可以控制来自系统存储器1272或存储装置1279的指令的执行，以及子系统之间的信息交换。类似地，本文提到的任何数据都可以从一个组件递送到另一个组件，并且可以输出到用户(或从用户输入)。在一些实施方案中，中央处理器1273可以耦合到一个或多个协处理器，例如一个或多个被设计用于高通量并行处理的图形处理单元(未示出)。

I/O控制器1271允许其它组件通信地耦合到中央处理器1273，并且中央处理器1273可以从其它组件接收输入和/或经由I/O控制器1271向其它组件发送输出。因此，以下额外子系统可通信地耦合到中央处理器1273：例如打印机1274；用户输入装置1278(例如键盘、鼠标等)；存储装置1279(例如，各种计算机可读介质，例如硬盘驱动器或其它固定存储装置、可移动磁盘、可移动固态存储器装置，例如USB拇指驱动器等)；监测器1276，其耦合到显示配接器1282；和类似装置。耦合到I/O控制器1271的周边设备和I/O装置可以使用本领域已知的各种互连标准(例如串行端口1277)连接到计算机系统。也可以支持无线局域网连接性(例如，经由蓝牙或Wi-Fi等)。

在一些实施方案中，可以提供网络界面1281来实现计算机系统1200与其它计算机系统之间的通信，例如经由以太网、Wi-Fi等。网络界面1281可以支持与局域网和/或诸如因特网的广域网的连接。因此，例如，方法700和/或方法1100可以在计算机系统1200的一个实例中实现，该实例可以将最终可递送的计划传达到放射治疗系统100(例如，包括控制电路560)本地的计算机系统1200的另一实例。

在一些实施方案中，计算机系统1200作为具有一些或所有上述子系统的单一计算机设备来实现。在一些实施方案中，计算机系统1200的单一实例可以包括例如通过内部界面连接在一起的相同组件或子系统的多个实例。在一些实施方案中，计算机系统1200的两个或更多个实例(其可以根据需要类似地或不同地配置)可以通过网络通信。在此类实施方案中，一个实例可以视为客户端，并且另一个实例可以视为服务器。

应当理解，本发明的实施方案可以使用硬件(例如，应用专用集成电路或场效可编程门阵列)以控制逻辑的形式和/或使用具有一般可编程处理器的计算机软件以模块化或集成方式来实现。如本文所使用，处理器包括单一集成芯片上的多核处理器，或者单一电路板上的多个微处理器，或者以其它方式联网在一起以协调方式操作。基于本文提供的公开内容和教导，本领域普通技术人员将知道和了解使用硬件和硬件和/或软件的组合来实现本发明的实施方案的其它方式和/或方法。

尽管已经参考特定实施方案描述了本发明，但是了解本公开的本领域技术人员将会认识到可以进行各种变化和修改。例如，由于射束生成技术目前存在的限制，VMAT治疗目前仅使用电磁放射(高能光子，如x射线或γ射线)来进行。预计在给定合适的射束生成器的情况下，将来可以用其它类型的放射(例如，电子束、质子束或其它重离子束)进行VMAT治疗，并且本文所描述种类的系统和方法也可用于对那些类型放射的治疗计划进行最佳化。

作为另一实例，本文描述的治疗目标通常涉及放射的剂量分布。在一些情况下，在治疗计划中也可能对与剂量分布不直接相关的目标感兴趣。例如，倘若放射被递送到肺中或肺附近的靶标体积，则通常建议患者在射束开启时间(即连续放射暴露的持续时间，例如台架20使VMAT弧604横穿所需的时间)内屏住呼吸。屏气可以使肺部或邻近组织的运动减到最少，从而允许放射更可靠地递送到预期靶标。对于患者来说，并不是总能长时间屏气。因此，在本文所述的治疗计划方法的一些实施方案中，可以基于将VMAT治疗的射束开启时间(例如，给定弧的横穿)限制到合理的屏气时间来定义一个或多个额外的治疗目标，并且可以为每一此类治疗目标提供用户可操作的控制。在一些实施方案中，交互式GUI屏幕可以提供关于射束开启时间的信息，该信息可以从库中替代计划的射束开启时间内插。也可以定义与治疗时间或其它目标相关的其它治疗目标，并且可以使用类似于本文所描述实例的GUI来支持此类目标的交互式最佳化。

在上文描述的一些实施方案中，VMAT治疗由射束源横穿的单一弧组成。在临床实践中，放射疗法会话可以包括几个VMAT治疗，并且还可以包括一个或多个IMRT治疗连同一个或多个VMAT治疗。本文所描述的方法可以用于计划单个VMAT治疗，并且其它方法可以用于计划包括多个VMAT和/或IMRT治疗的会话。

本文所描述的各种特征(例如方法、设备、计算机可读介质等)可以使用专用组件和/或可编程处理器和/或其它可编程装置的任何组合来实现。本文所描述的各种方法可以在相同的处理器或不同的处理器的任何组合上实现。倘若组件被描述为被配置以进行某些操作，则此类配置可以通过(例如)设计电子电路以进行操作、通过对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程以进行操作或其任何组合来完成。此外，尽管上述实施方案可能提到特定的硬件和软件组件，但是本领域技术人员将了解，也可以使用硬件和/或软件组件的不同组合，并且被描述为在硬件中实施的具体操作也可以在软件中实现，或者反之亦然。

本申请中描述的任何软件实现的组件或功能都可以以由处理器执行的软件代码的形式实现；此类代码可以使用任何合适的计算机语言(例如Java、C++或Perl)使用(例如)常规或面向对象技术来创建。软件代码可以作为一系列指令或命令存储在用于存储和/或传输的计算机可读介质上，合适的介质包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁介质(例如硬驱动器或软盘)，或者光学介质(例如光盘(CD)或DVD(数字通用磁盘)、闪存等)。计算机可读介质也可以是多个此类介质的组合。

此类程序还可以使用载波信号进行编码和传输，所述载波信号适用于经由符合各种协议的有线、光学和/或无线网络(包括因特网)进行传输。用程序代码编码的计算机可读介质可以与相容装置包装在一起或者与其它装置分开提供(例如，经由因特网下载)。任何此类计算机可读介质都可以驻留在单一计算机产品(例如，硬驱动器、CD或整个计算机系统)之上或以内，并且可以存在于系统或网络内的不同计算机产品之上或以内。

本文所描述的任何方法都可以用包括一个或多个处理器的计算机系统来全部或部分地进行，该计算机系统可以被配置以进行所述步骤。因此，实施方案可以涉及被配置以进行本文所描述的任何方法的步骤的计算机系统，潜在地不同的组件进行不同的步骤或不同的步骤组。

因此，尽管已经参考特定实施方案描述了本发明，但是应当理解，本发明由所附权利要求限定。

Claims (26)

1.一种用于生成容积调强弧形疗法VMAT治疗计划的计算机系统，所述容积调强弧形疗法VMAT治疗计划能够被用于向患者提供放射疗法，其中所述计算机系统包括处理器和存储器，所述存储器被耦合至所述处理器并且包括存储于其上的指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述计算机系统：

提供包括用于VMAT治疗的多个替代计划的库，所述多个替代计划表示由多个治疗目标限定的治疗空间，每一替代计划具有所述多个治疗目标的相关结果；

生成具有可由用户操作以在所述治疗空间内导航的多个导航控制件的图形用户界面，部分地基于与所述库中的所述替代计划相关的所述结果并且部分地基于所述导航控制件的当前设置，所述图形用户界面呈现动态更新的当前结果；

经由所述图形用户界面接收用户输入，所述用户输入指示所述当前结果是满意的结果；

基于所述满意的结果，从所述库中的所述多个替代计划中选择候选计划；以及

使用所述满意的结果对所述候选计划进行机器参数最佳化，以生成可递送计划；

其中提供所述库包括：

从用户接收种子计划和指示所述多个治疗目标的信息；

从所述种子计划创建多个最佳化的计划，其中每一最佳化的计划都是通过调整所述种子计划的机器参数相对于所述治疗目标中的一个不同的治疗目标来最佳化的；以及

将所述最佳化的计划中的每一个作为所述替代计划之一包括在所述库中。

2.如权利要求1所述的计算机系统，其中每一最佳化的计划关于所述治疗目标是帕雷托最佳的。

3.如权利要求1所述的计算机系统，其中所述种子计划包括一组控制点，并且其中调整所述种子计划的所述机器参数包括修改所述组控制点中的一个或多个控制点。

4.如权利要求3所述的计算机系统，其中每一控制点指定产生放射束的射束源的空间位置，并且使所述空间位置与以下中的一者或多者相关：

所述射束源的准直器设置；

所述射束的剂量率；或

所述射束源的运动速度。

5.如权利要求1所述的计算机系统，其中所述候选计划包括一组控制点，并且其中对所述候选计划进行机器参数调整包括修改所述组控制点中的一个或多个控制点。

6.如权利要求5所述的计算机系统，其中每一控制点指定产生放射束的射束源的空间位置，并且使所述空间位置与以下中的一者或多者相关：

所述射束源的准直器设置；

所述射束的剂量率；或

所述射束源的运动速度。

7.如权利要求1所述的计算机系统，其中所述多个治疗目标包括对应于待递送到靶标体积的放射剂量的第一治疗目标以及对应于待递送到位于所述靶标体积附近的风险器官的放射剂量的第二治疗目标。

8.如权利要求7所述的计算机系统，其中所述靶标体积对应于肿瘤的位置。

9.如权利要求7所述的计算机系统，其中所述多个治疗目标还包括对应于VMAT治疗的射束开启时间的第三治疗目标。

10.如权利要求1所述的计算机系统，其中所述图形用户界面的所述导航控制件可操作以指示所述治疗目标中的每一个的相对重要性。

11.如权利要求1所述的计算机系统，其中通过从至少一些所述替代计划的所述相关结果中内插来生成所述图形用户界面中呈现的所述动态更新的当前结果。

12.如权利要求11所述的计算机系统，其中所述内插至少部分地基于所述导航控制件的所述当前设置。

13.如权利要求1所述的计算机系统，其中所述候选计划是所述库中的所述替代计划中的一个，所述候选计划与所述库中的任何其它替代计划相比更加接近地匹配满意的结果。

14.一种用于生成容积调强弧形疗法VMAT治疗计划的计算机系统，所述容积调强弧形疗法VMAT治疗计划能够被用于向患者提供放射疗法，其中所述计算机系统包括处理器和存储器，所述存储器被耦合至所述处理器并且包括存储于其上的指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述计算机系统：

获得种子计划和一组治疗目标；

使用所述种子计划进行交互式最佳化方法的迭代，其中所述交互式最佳化方法的所述迭代使得生成可递送计划；

从用户接收指示所述可递送计划是否被接受的输入；

如果所述可递送计划被接受，则提供所述可递送计划以用于放射治疗系统；以及

如果所述可递送计划不被接受，则选择所述可递送计划作为新的种子计划，并且进行所述交互式最佳化方法的另一迭代，

其中所述交互式最佳化方法的每一迭代都包括：

提供包括用于VMAT治疗的多个替代计划的库，所述多个替代计划表示由多个治疗目标限定的治疗空间，每一替代计划都具有所述多个治疗目标的相关结果，至少一些所述替代计划是基于所述种子计划生成的；

生成具有可由用户操作以在所述治疗空间内导航的多个导航控制件的图形用户界面，部分地基于与所述库中的所述替代计划相关的所述结果并且部分地基于所述导航控制件的当前设置，所述图形用户界面呈现动态更新的当前结果；

经由所述图形用户界面接收用户输入，所述用户输入指示所述当前结果是满意的结果；

基于所述满意的结果，从所述库中的所述多个替代计划中选择候选计划；以及

使用所述满意的结果对所述候选计划进行机器参数最佳化，以生成所述可递送计划；

其中提供所述库包括：

从所述种子计划创建多个最佳化的计划，其中每一最佳化的计划是相对于所述治疗目标中的一个不同的治疗目标来最佳化的；以及

将所述最佳化的计划中的每一个作为所述替代计划之一包括在所述库中。

15.如权利要求14所述的计算机系统，其中每一最佳化的计划关于所述治疗目标是帕雷托最佳的。

16.如权利要求14所述的计算机系统，其中所述种子计划包括一组控制点，并且其中调整所述种子计划的机器参数包括修改所述组控制点中的一个或多个控制点。

17.如权利要求16所述的计算机系统，其中每一控制点指定产生放射束的射束源的空间位置，并且使所述空间位置与以下中的一者或多者相关：

所述射束源的准直器设置；

所述射束的剂量率；或

所述射束源的运动速度。

18.如权利要求14所述的计算机系统，其中，对于所述交互式最佳化方法的每一迭代，所述候选计划包括一组控制点，并且其中对所述候选计划进行所述机器参数调整包括修改所述组控制点中的一个或多个控制点。

19.如权利要求18所述的计算机系统，其中每一控制点指定产生放射束的射束源的空间位置，并且使所述空间位置与以下中的一者或多者相关：

所述射束源的准直器设置；

所述射束的剂量率；或

所述射束源的运动速度。

20.如权利要求14所述的计算机系统，其中所述组治疗目标包括对应于待递送到靶标体积的放射剂量的第一治疗目标以及对应于待递送到位于所述靶标体积附近的风险器官的放射剂量的第二治疗目标。

21.如权利要求20所述的计算机系统，其中所述靶标体积对应于肿瘤的位置。

22.如权利要求20所述的计算机系统，其中所述组治疗目标还包括对应于VMAT治疗的持续时间的第三治疗目标。

23.如权利要求14所述的计算机系统，其中所述图形用户界面的所述导航控制件可操作以指示所述治疗目标中的每一个的相对重要性。

24.如权利要求14所述的计算机系统，其中通过从至少一些所述替代计划的所述相关结果中内插来生成所述图形用户界面中呈现的所述动态更新的当前结果。

25.如权利要求24所述的计算机系统，其中所述内插至少部分地基于所述导航控制件的所述当前设置。

26.如权利要求14所述的计算机系统，其中所述候选计划是所述库中的所述替代计划中的一个，所述候选计划与所述库中的任何其它替代计划相比更加接近地匹配所述满意的结果。

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