專利名稱：用于適形放射治療的計(jì)劃系統(tǒng)、方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及放射治療，更具體地說(shuō)，涉及腫瘤的適形放射治療，并尤其涉及用于適形放療的放療治療計(jì)劃系統(tǒng)、方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，腫瘤的放射療法有兩個(gè)目標(biāo)根除腫瘤并避免損壞存在于腫瘤附近的健康組織和器官。已知的是，如果向腫瘤體積投放足夠的輻射劑量，就可以完全根除絕大多數(shù)腫瘤；但是，由于對(duì)腫瘤周圍的健康組織或靠近腫瘤的其他健康人體器官的損害，因此可能因使用必要的有效輻射劑量而導(dǎo)致并發(fā)癥。適形放療的目標(biāo)就是將所投放的輻射劑量?jī)H限于由腫瘤的外表面所定義的腫瘤體積，同時(shí)最小化對(duì)周圍健康組織或鄰近健康器官的輻射劑量。
適形放療已經(jīng)通過(guò)一定范圍的技術(shù)在常規(guī)技術(shù)上取得了進(jìn)展，并且通常使用線性加速器(“LINAC”)作為用于治療腫瘤的輻射束源。線性加速器通常具有輻射束源，它繞患者旋轉(zhuǎn)，并將輻射束指向要治療的腫瘤。輻射束的射束強(qiáng)度是預(yù)定的且恒定的射束強(qiáng)度?？梢詫⒕哂锌蓚€(gè)別地移入和移出輻射束路徑的多個(gè)葉片或指形突出部分的多葉準(zhǔn)直儀編程為，跟蹤在輻射束透過(guò)腫瘤時(shí)所見的腫瘤空間輪廓，或旋轉(zhuǎn)輻射束源過(guò)程中的腫瘤的“射束眼視圖”，該輻射束源安裝在LINAC的可旋轉(zhuǎn)臺(tái)架上。多葉準(zhǔn)直儀的多個(gè)葉片構(gòu)成在輻射束的行進(jìn)路徑方向上腫瘤體積所呈現(xiàn)的腫瘤形狀的外形，由此阻止輻射照射到位于所呈現(xiàn)給輻射束的腫瘤空間外形之外的組織，取決于射束相對(duì)于腫瘤體積的特定輻射方向。
適形放療的另一方法包括使用獨(dú)立控制的準(zhǔn)直儀卡爪，它可以在一組單獨(dú)的準(zhǔn)直儀卡爪隨著線性加速器臺(tái)架旋轉(zhuǎn)而跟蹤靶區(qū)體積的同時(shí)，在靜止的患者身上掃描狹縫場(chǎng)。還有一種方法是使用LINAC的附加裝置，其能夠在患者身上掃描狹縫，在進(jìn)行掃描狹縫時(shí)，修改整個(gè)狹縫中的輻射束的強(qiáng)度。
適形放療治療的又一方法是使用其能量可改變的高能光子的細(xì)筆射束。將射束在腫瘤靶區(qū)體積上掃描，以便在安裝光子射束源的臺(tái)架的每個(gè)方向上投放最佳的可能輻射劑量分布。
與此類現(xiàn)有技術(shù)的適形放療方法有關(guān)的主要問(wèn)題是，如果腫瘤體積具有凹的邊界或凹面，則改變輻射束的空間配置或輪廓僅是時(shí)間上的部分成功。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)在與放療射束的路徑平行的平面上，腫瘤的褶積或外表面是凹入或凹陷的時(shí)，腫瘤的厚度沿輻射束的路徑變化，且健康的組織或器官可能位于腫瘤外部凹面形成的凹處內(nèi)。
為了能夠治療具有凹邊界的腫瘤，需要改變腫瘤表面上的輻射束強(qiáng)度，以及改變射束的外部配置，以適應(yīng)呈現(xiàn)給輻射束的腫瘤的形狀。每個(gè)輻射束片段的射束強(qiáng)度應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)為具有與輻射束透過(guò)腫瘤的部分的厚度相關(guān)的射束強(qiáng)度。例如，在輻射束要透過(guò)腫瘤的厚部分的情況下，射束強(qiáng)度應(yīng)該高于輻射束透過(guò)腫瘤的薄部分時(shí)。
已經(jīng)開發(fā)了專用的掃描射束治療機(jī)器，其中可以通過(guò)使用高能光子的掃描筆射束來(lái)實(shí)現(xiàn)射束強(qiáng)度調(diào)節(jié)。通過(guò)增加生成射束的電子槍的功率來(lái)調(diào)節(jié)該設(shè)備的射束強(qiáng)度。在計(jì)算機(jī)控制下指導(dǎo)功率增加，通過(guò)移動(dòng)安裝了電子槍的臺(tái)架和其上躺著患者的臺(tái)面，來(lái)在腫瘤周圍操縱槍。效果其一是，用隨著電子槍在腫瘤上的移動(dòng)而由刷子上的涂劑量(施加到電子槍的功率量)改變的涂劑(輻射束強(qiáng)度)的厚度或強(qiáng)度逐漸地“涂抹”目標(biāo)。利用直接射束能量調(diào)節(jié)的此類專用掃描射束治療機(jī)器在它們的使用和操作上是昂貴的，且非常耗時(shí)，并被認(rèn)為由于治療射束的計(jì)算機(jī)控制問(wèn)題已將它們與很大的患者易感性聯(lián)系起來(lái)。
已經(jīng)開發(fā)了適形放療的其他方法和設(shè)備，它們通過(guò)利用多個(gè)輻射束片段根據(jù)組織體積中腫瘤的厚度在空間上調(diào)節(jié)組織體積上的輻射束的射束強(qiáng)度。此類方法和設(shè)備在射束進(jìn)入患者身體之前，利用設(shè)在輻射束內(nèi)的機(jī)架中的衰減葉片或閘板。腫瘤以切片形式曝露于輻射，每個(gè)切片由閘板選擇性地分段。
前述方法和設(shè)備設(shè)計(jì)為將結(jié)構(gòu)曝露于輻射的部分最小化。但是，因?yàn)闊o(wú)法完全防止周圍結(jié)構(gòu)的曝露，所以期望優(yōu)化治療計(jì)劃，以根除腫瘤體積的同時(shí)最小化投放到周圍結(jié)構(gòu)的輻射。用于優(yōu)化治療計(jì)劃的現(xiàn)有方法和設(shè)備使用計(jì)算機(jī)，基于模擬內(nèi)科醫(yī)生對(duì)治療計(jì)劃的評(píng)估的計(jì)分函數(shù)來(lái)對(duì)可能的計(jì)劃進(jìn)行評(píng)定。
現(xiàn)有方法和設(shè)備利用基于表征腫瘤和周圍組織或結(jié)構(gòu)的不同部分的輻射成本的目標(biāo)成本函數(shù)建立最優(yōu)治療計(jì)劃的計(jì)算方法?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的一個(gè)此類計(jì)算方法是模擬退火。現(xiàn)有模擬退火方法利用成本函數(shù)，其中考慮腫瘤體積的欠曝相對(duì)于周圍結(jié)構(gòu)的過(guò)曝的成本。但是，現(xiàn)有方法中使用的成本函數(shù)一般不將結(jié)構(gòu)體積作為一個(gè)整體考慮，而僅依賴于與結(jié)構(gòu)內(nèi)離散點(diǎn)相關(guān)的成本，再者，一般不考慮變化的周圍結(jié)構(gòu)類型的相對(duì)重要度。例如，某些結(jié)構(gòu)類型在它們的功能中是冗余的，并可以完全根除結(jié)構(gòu)體積的相當(dāng)大部分，同時(shí)保留它們的功能。另一些結(jié)構(gòu)類型在完全根除其結(jié)構(gòu)的任何部分情況下喪失了它們的功能。因此，只要結(jié)構(gòu)的任何部分都沒(méi)受到致命的劑量，更敏感的結(jié)構(gòu)體積就可以接收所測(cè)量的輻射劑量。
治療計(jì)劃的優(yōu)化中所利用的現(xiàn)有成本函數(shù)在常規(guī)上不考慮與不同類型結(jié)構(gòu)相關(guān)的這種變化的成本。在優(yōu)化治療計(jì)劃之后，內(nèi)科醫(yī)生必須評(píng)估每個(gè)計(jì)算的治療計(jì)劃，以判斷是否與期望的治療目標(biāo)相符。如果計(jì)算的治療計(jì)劃不滿足治療目標(biāo)，則重復(fù)此優(yōu)化過(guò)程，直到計(jì)算治療計(jì)劃可以滿足內(nèi)科醫(yī)生針對(duì)腫瘤體積和周圍結(jié)構(gòu)的治療目標(biāo)為止。再者，現(xiàn)有方法和設(shè)備在常規(guī)上無(wú)法使內(nèi)科醫(yī)生能夠在建立期望的劑量分布時(shí)利用與累計(jì)劑量體積直方圖(“CDVH”)或劑量體積直方圖(“DVH”)曲線相關(guān)的慣用部分體積數(shù)據(jù)。
與本申請(qǐng)共同轉(zhuǎn)讓的、題為“輻射劑量測(cè)定的計(jì)劃方法和設(shè)備”的美國(guó)專利No.6,038,283中公開了一種用于確定對(duì)患者身上腫瘤靶區(qū)體積施加輻射同時(shí)最小化結(jié)構(gòu)體積的輻射的優(yōu)化輻射束配置的方法和設(shè)備，該申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于本文。該方法和設(shè)備使用基于可由CDVH或DVH表示的期望部分體積數(shù)據(jù)的比較的迭代成本函數(shù)。
在題為“輻射劑量測(cè)定的計(jì)劃方法和設(shè)備”的美國(guó)專利No.6,393,096中公開了一種用于確定對(duì)患者身上腫瘤靶區(qū)體積施加輻射同時(shí)最小化結(jié)構(gòu)體積的輻射的優(yōu)化輻射束配置的方法和設(shè)備。
許多前述系統(tǒng)取代了常規(guī)的前向計(jì)劃方法論。在前向計(jì)劃的情況中，用戶通過(guò)指定射束方向及其強(qiáng)度來(lái)開始，且計(jì)算機(jī)確定劑量計(jì)算，為用戶顯示所得，然后基于滿足目標(biāo)的程度，用戶返回并改變射束參數(shù)。前述系統(tǒng)利用逆向計(jì)劃。在逆向計(jì)劃系統(tǒng)中，專業(yè)人員/用戶以他或她希望達(dá)到的目標(biāo)開始，針對(duì)用戶希望腫瘤獲得多少劑量以及保留其他健康組織的程度為患者制定處方。計(jì)算機(jī)然后計(jì)算所有不同的治療計(jì)劃參數(shù)，即，從不同方向施加射束時(shí)的射束方向和相應(yīng)強(qiáng)度?；旧希谀嫦蛴?jì)劃中，用戶以臨床目標(biāo)開始，并讓計(jì)算機(jī)確定射束強(qiáng)度，而在前向計(jì)劃系統(tǒng)中，用戶以射束布局開始，基本上相對(duì)于目標(biāo)評(píng)估該計(jì)劃的效果，并以此迭代它們。
在前述系統(tǒng)中，用戶從計(jì)算機(jī)斷層造影(“CT”)掃描或磁共振成像(“MRI”)掃描開始。例如從CT掃描，例如，用戶以解剖學(xué)方式標(biāo)識(shí)組織，通常是逐個(gè)切片地，將用戶想治療的與用戶想保留的分隔開。例如，用戶可將一個(gè)項(xiàng)標(biāo)識(shí)為腫瘤，將另一個(gè)項(xiàng)標(biāo)識(shí)為前列腺，將再一個(gè)項(xiàng)標(biāo)識(shí)為膀胱等。一般來(lái)說(shuō)，用戶將使用定點(diǎn)裝置或鼠標(biāo)來(lái)畫出內(nèi)科醫(yī)生在多個(gè)切片的每一個(gè)內(nèi)要治療的區(qū)域，因?yàn)镃T掃描提供患者身體的一組順序切片。該過(guò)程可能是耗時(shí)的。有利的應(yīng)該是，如果在CT掃描中腫瘤非常好分辨，或用戶選擇了其他圖像來(lái)檢查腫瘤，則用戶可以采用自動(dòng)化工具以使用戶能夠僅在腫瘤或靶區(qū)上“點(diǎn)擊”，并自動(dòng)地確定和標(biāo)記腫瘤的邊界位置。
已經(jīng)使用DVH曲線作為處方以及反饋機(jī)制，從而用戶根據(jù)此類DVH曲線來(lái)指定目標(biāo)。DVH曲線表示個(gè)體結(jié)構(gòu)正在獲得多少劑量的概要。例如，用戶可為靶區(qū)指定要接收對(duì)靶區(qū)的80％投放的某個(gè)最小劑量水平的期望，以及還有對(duì)靶區(qū)的90％投放的某個(gè)最小劑量水平的期望，作為用戶確信需要如何治療腫瘤或靶區(qū)的表示。計(jì)算機(jī)然后設(shè)計(jì)治療計(jì)劃。在計(jì)算機(jī)已確切確定了如何治療患者之后，DVH是用于概括該治療以及供用戶復(fù)查的機(jī)制。例如，用戶請(qǐng)求特定的曲線，并且計(jì)算機(jī)顯示所導(dǎo)出的治療計(jì)劃的實(shí)際曲線。以此方式使用DVH曲線是表示供內(nèi)科醫(yī)生用于計(jì)劃評(píng)估的這種信息的一種熟悉且通用方式。
為了定義DVH處方，用戶通常以圖形描述開始，并在屏幕上的圖形上拖動(dòng)多個(gè)點(diǎn)，或在文本字段框中輸入數(shù)字。通過(guò)任一方式，用戶定義了DVH曲線。結(jié)果本質(zhì)上是希望列表—用戶可達(dá)到這種DVH曲線的愿望。在用戶完成所建議的DVH曲線之后，現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)入與進(jìn)一步的用戶輸入無(wú)關(guān)的優(yōu)化過(guò)程。該程序通常可花費(fèi)至少10分鐘。計(jì)算結(jié)果是將可能全部可達(dá)到或不可能全部達(dá)到的所有不同的“希望”返回到治療的實(shí)際計(jì)劃中。但是，表示由計(jì)算機(jī)處理的計(jì)劃的體積統(tǒng)計(jì)的DVH曲線是不可操控的。有利的應(yīng)是，提供體積對(duì)統(tǒng)計(jì)的直接操控。
DVH曲線是概括計(jì)劃的劑量測(cè)定屬性的一種方式。在逆向計(jì)劃優(yōu)化之后，用戶通常檢查優(yōu)化計(jì)劃的實(shí)際DVH曲線。用戶可將實(shí)際達(dá)到的DVH曲線與DVH處方相比較，以判斷是否滿足所設(shè)計(jì)的治療計(jì)劃。所滿足的可以是如下問(wèn)題(1)是否有足夠的劑量足以到達(dá)腫瘤；(2)是否有太多劑量到達(dá)腫瘤的某些部位；和/或(3)多少劑量到達(dá)未標(biāo)識(shí)為腫瘤的健康結(jié)構(gòu)?？梢员硎镜乃薪M織(靶區(qū)和結(jié)構(gòu))各在DVH曲線上概括。例如，如果腫瘤位于前列腺，則通常會(huì)在前列腺的圖形上為用戶提供單個(gè)曲線，而對(duì)膀胱提供另一個(gè)曲線，等等。
可以通過(guò)確切地查看CT切片來(lái)更詳細(xì)地檢查結(jié)果，得出在DVH曲線中概括的相同結(jié)論。CT掃描切片通常具有顯示施加于每個(gè)切片離散部分的各種劑量水平的疊加層。即，用戶可基于施加于任何特定感興趣器官的劑量水平來(lái)得出結(jié)論。在NOMOS公司(本申請(qǐng)的受讓人)經(jīng)銷的、商標(biāo)為CORVUS的計(jì)劃系統(tǒng)中，通過(guò)使用在CT掃描切片上繪制的等劑量曲線來(lái)描述個(gè)體切片中的劑量。等劑量曲線看上去像一個(gè)表示指定劑量水平例如50 Gy的通常不同著色的線的等高線圖，其中特定曲線內(nèi)的每一個(gè)均達(dá)到至少50 Gy。
有利的應(yīng)該是，降低在決定給定治療計(jì)劃中所涉及的時(shí)間量。任何特定患者可能有用戶找到確信是最佳的計(jì)劃之前所確定的兩種或三種不同的治療計(jì)劃。還應(yīng)有利的是，如果這些系統(tǒng)為用戶提供了對(duì)發(fā)生在計(jì)劃優(yōu)化過(guò)程內(nèi)的用戶更容易理解的更直觀的直接控制。
傳統(tǒng)上，DVH曲線僅被用作一種形式的計(jì)劃評(píng)估工具；但是，前述系統(tǒng)的其中一些包括提前繪制DVH曲線—用戶必須在初期確定期望的目標(biāo)。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有利的應(yīng)該是，立即顯示用戶的請(qǐng)求，并相應(yīng)地顯示計(jì)劃系統(tǒng)可達(dá)到的。如果存在不同目標(biāo)之間的折衷，則對(duì)于計(jì)劃系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有利的應(yīng)是，將它們以動(dòng)態(tài)交互方式顯示給用戶，并允許用戶動(dòng)態(tài)地編輯這些目標(biāo)，以及改變用戶指定處方的項(xiàng)。還應(yīng)該有利的是提供動(dòng)態(tài)約束平衡，即，用于調(diào)整劑量測(cè)定目標(biāo)同時(shí)查看患者身上劑量的至少一個(gè)表示的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
放射治療計(jì)劃包括平衡各種常常相互排斥的目標(biāo)。一旦表示了這些目標(biāo)，治療計(jì)劃系統(tǒng)就必須知道它們的相對(duì)屬性是什么，以便以最優(yōu)方式平衡它們。目前的許多治療計(jì)劃系統(tǒng)要求用戶明確地對(duì)可能是困難、不精確且潛在耗時(shí)的過(guò)程的目標(biāo)設(shè)定優(yōu)先級(jí)。例如，在“完美世界”中，用戶可以要求整個(gè)前列腺靶區(qū)接收50 Gy，而相應(yīng)地對(duì)位于1毫米外的直腸根本不施加劑量。事實(shí)上，這個(gè)任務(wù)在物理上是不可能的。所以，問(wèn)題變成平衡這兩個(gè)目標(biāo)，并確定哪個(gè)目標(biāo)比另一個(gè)更重要。治療計(jì)劃先前已經(jīng)要求用戶提前指定優(yōu)先級(jí)。在一些系統(tǒng)中，當(dāng)輸入DVH曲線時(shí)用戶所做的部分是，在以非常高水平的劑量施加到靶區(qū)和不傷害有危險(xiǎn)器官(“OAR”)之間設(shè)定優(yōu)先級(jí)。對(duì)于治療計(jì)劃者來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)這種優(yōu)先級(jí)可能是困難且耗時(shí)的任務(wù)。因此，有利的應(yīng)是，將用戶實(shí)施的優(yōu)先級(jí)設(shè)定的需求最小化。
申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到有兩個(gè)特征可以根除用戶實(shí)施的優(yōu)先級(jí)設(shè)定的需要首先，在與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的交互期間，算法可以有效地認(rèn)為用戶的最后一次輸入是最重要的需求。其次，用戶可以選擇將先前的輸入撤消到任何期望的程度。例如，如果用戶決定從結(jié)構(gòu)移除或最小化劑量，則按優(yōu)先級(jí)，該動(dòng)作是最重要的需求。用戶就可以知道該優(yōu)先級(jí)的后果，并可以通過(guò)部分撤消它來(lái)對(duì)其重要度執(zhí)行后退。在交互過(guò)程中這種雙優(yōu)先化概念是隱含式的。但是，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和相關(guān)算法需要理解這些不同目標(biāo)的關(guān)系。因?yàn)橛脩魧⑿履繕?biāo)堆疊在舊目標(biāo)之上，所以系統(tǒng)需要知道應(yīng)該如何平衡這些目標(biāo)。有利的應(yīng)該是，提供自動(dòng)約束加權(quán)，即，又能夠根據(jù)用戶動(dòng)作推導(dǎo)優(yōu)先級(jí)設(shè)定的交互性水平和以不是直接輸入此類優(yōu)先級(jí)的計(jì)劃調(diào)整形式的用戶輸入序列；最終的結(jié)果是根據(jù)用戶的經(jīng)驗(yàn)消除此類優(yōu)先級(jí)的理念。
現(xiàn)有計(jì)劃系統(tǒng)一般需要用戶以如下兩種方式的其中一種對(duì)患者治療計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整改變投放參數(shù)(例如射束方向和尺寸)；或改變體積劑量目標(biāo)。因此，應(yīng)該有利的是，提供對(duì)斷層造影掃描上等劑量圖上的等劑量等高線的實(shí)時(shí)直接操控。還應(yīng)該有利的是，提供允許可投放DVH曲線的直接操控而不是潛在不可能的理想化處方的間接制定的計(jì)劃系統(tǒng)。
某種程度上，放療治療計(jì)劃仍是平衡而折衷的技術(shù)。應(yīng)該有利的是，提供部分“改變功能的撤消”以幫助希望制定計(jì)劃變更的用戶發(fā)現(xiàn)特定改變需要犧牲什么。相應(yīng)地應(yīng)該有利的是，為用戶提供實(shí)時(shí)控制，使用戶可以動(dòng)態(tài)地完全或部分撤消一個(gè)改變，并探索折衷方案，以便快速選擇最優(yōu)平衡。
因?yàn)樵O(shè)計(jì)放療治療計(jì)劃就是探索這些折衷方案和其他可能性，所以一些治療計(jì)劃系統(tǒng)已經(jīng)在提供節(jié)省計(jì)劃中用于后續(xù)比較的幾個(gè)迭代并允許“回溯”的部件上顯示出有益之處。因此應(yīng)該有利的是，為用戶提供實(shí)時(shí)控制，使用戶可以建立這些計(jì)劃“檢查點(diǎn)”的任何兩個(gè)作為單個(gè)連續(xù)區(qū)上的端點(diǎn)，并且應(yīng)該還有利的是，為用戶提供在檢查點(diǎn)之間插值以提取新版本供進(jìn)一步比較或?qū)嵤┑牟考?br> 為了與其他系統(tǒng)最有效地交互操作，應(yīng)該期望，可以靈活調(diào)整的新系統(tǒng)，如本發(fā)明的系統(tǒng)，能夠在會(huì)生成與另一個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建的完全相同的治療計(jì)劃的其自身公式中自動(dòng)生成治療目標(biāo)。此特征會(huì)使新系統(tǒng)可以“轉(zhuǎn)載”并調(diào)整其他系統(tǒng)創(chuàng)建的治療計(jì)劃。因此應(yīng)該有利的是，提供一種具有優(yōu)化處方匹配功能的系統(tǒng)，該功能實(shí)施一種設(shè)計(jì)適合治療目標(biāo)及其相應(yīng)加權(quán)的算法。
為了能夠在目前的生成計(jì)算機(jī)硬件上進(jìn)行實(shí)時(shí)交互式計(jì)劃調(diào)整，必須以與快速優(yōu)化兼容而在功能上顯著下降的方式重新聲明計(jì)算機(jī)頻繁優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。一種方法是重新制定目標(biāo)，以使對(duì)目標(biāo)函數(shù)的每個(gè)組成部分(contributor)在其一階導(dǎo)數(shù)中是單調(diào)的。利用目標(biāo)組成部分的單調(diào)一階導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化基本上涉及影響函數(shù)，或成本函數(shù)中的項(xiàng)，并且它提供使某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以快速進(jìn)行計(jì)算的那些函數(shù)的數(shù)學(xué)類。根據(jù)劑量函數(shù)制定每個(gè)目標(biāo)組成部分。通過(guò)指定該函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是單調(diào)的，使得導(dǎo)數(shù)始終上升、下降或不變化，決不開始上升然后下降，可以啟用不同類的優(yōu)化。因此，應(yīng)該有利的是，提供一種利用具有目標(biāo)組成部分的單調(diào)一階導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化的系統(tǒng)。
可以通過(guò)有效地對(duì)患者多個(gè)部位的CT或其他圖像進(jìn)行采樣以嘗試捕捉治療計(jì)劃的所有重要方面，來(lái)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)使用采樣來(lái)提高速度和交互性，采樣標(biāo)識(shí)患者體內(nèi)要模擬治療劑量的更少的點(diǎn)。必須充分地分布這些點(diǎn)，以使軟件“意識(shí)到”所有重要的劑量特征；但是，因?yàn)橹匾扰c這種點(diǎn)的數(shù)量成反比，所以希望標(biāo)識(shí)滿足該標(biāo)準(zhǔn)的最小可能集合。因此，應(yīng)該有利的是，提供一種具有用于自動(dòng)選擇最少計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)的算法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
注量(fluence)圖是如何通過(guò)投放裝置的特定位置投放輻射的空間圖。計(jì)劃投放機(jī)制常常需要射束注量采取特定的離散值，而優(yōu)化器可以在離散空間或連續(xù)空間中工作。因此，應(yīng)該有利的是，提供一種將最優(yōu)計(jì)劃轉(zhuǎn)換成可投放的離散計(jì)劃的設(shè)備。
不同的輻射投放裝置將具有對(duì)它們實(shí)際能做什么的不同約束。例如，可以調(diào)整僅為數(shù)毫米跨度的射束泄出，以及可能必須進(jìn)行更大的1厘米或更大跨度的調(diào)整。另一個(gè)約束是注量圖內(nèi)的變化度。例如，計(jì)劃圖可能需要在射束中央透過(guò)100％的射束，而在特定部位要透過(guò)50％的射束。模式折疊離散化是一種設(shè)計(jì)最佳利用設(shè)備的注量圖的方法。歷史上，將注量圖約束為具有某個(gè)水平，諸如10％步長(zhǎng)，即，投放裝置可以在一個(gè)點(diǎn)上具有50％的透明度，而非52％透明度。這些約束限制用戶可以設(shè)計(jì)的治療計(jì)劃。模式折疊離散化評(píng)估患者的給定治療計(jì)劃，并且如果限制于離散數(shù)量的水平，則它確定那些水平的哪一個(gè)是最優(yōu)的。例如，最優(yōu)水平可以不是10％、20％、30％、40％和50％，而可以是13％、14％、15％、80％和90％。以其基本形式的模式折疊離散化采用注量圖中所有期望的透射(劑量水平)的直方圖，每個(gè)點(diǎn)表示一組輻射水平，在峰值水平處分割圖形，將右側(cè)滑到左，并添加重疊點(diǎn)。重復(fù)該過(guò)程，直到算法已達(dá)到對(duì)應(yīng)于投放設(shè)備所約束數(shù)量的特定數(shù)量的峰值為止。因?yàn)樗玫膶?shí)際水平可能對(duì)治療簡(jiǎn)單性和速度都有很大影響，且一個(gè)治療計(jì)劃的最優(yōu)水平通常與另一個(gè)的不同，所以應(yīng)該有利的是，提供一種快速估算任何給定治療領(lǐng)域的理想注量水平的“模式折疊”離散化算法。
因此，本技術(shù)一直在探索一種用于腫瘤治療的適形放療的系統(tǒng)、方法和設(shè)備，其中它易于使用且便宜；具有被認(rèn)為是對(duì)于患者安全是高度安全的因素；使用簡(jiǎn)單的約束條件和把它們調(diào)到滿足內(nèi)科醫(yī)生的沖突的且不固定的治療目標(biāo)的快速優(yōu)化器，同時(shí)考慮靶區(qū)腫瘤體積和多種結(jié)構(gòu)類型方面的目標(biāo)，來(lái)計(jì)算最優(yōu)治療計(jì)劃；并利用顯示等劑量等高線圖、相關(guān)DVH曲線、其他統(tǒng)計(jì)以及使用戶可以為每個(gè)靶區(qū)腫瘤體積和組織結(jié)構(gòu)類型建立期望的劑量分布的工具的圖形用戶界面(“GUI”)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)前述內(nèi)容，本發(fā)明實(shí)施例有利地提供一種系統(tǒng)，用于確定將輻射施加于腫瘤靶區(qū)體積同時(shí)最小化患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置。有利地，本發(fā)明實(shí)施例提供一種計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備，它可以立即顯示用戶的請(qǐng)求，同時(shí)還顯示計(jì)劃系統(tǒng)能達(dá)到其中哪些請(qǐng)求，并可使用戶能夠動(dòng)態(tài)地編輯目標(biāo)和改變用戶指定處方所依據(jù)的項(xiàng)。有利地，本發(fā)明實(shí)施例提供了利用輸入裝置對(duì)層析成像掃描上的等劑量圖上的等劑量等高線的實(shí)時(shí)直接操控和劑量測(cè)定統(tǒng)計(jì)的直接操控，并為用戶提供調(diào)整個(gè)體約束的能力，最好一次調(diào)整一個(gè)約束，這又使得對(duì)等劑量等高線和劑量測(cè)定統(tǒng)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。
有利地，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)構(gòu)造具有對(duì)應(yīng)于先例(precedent)計(jì)劃的輻射束配置的極值的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來(lái)提供任意/外部先例輻射治療計(jì)劃的計(jì)劃匹配。有利地，本發(fā)明實(shí)施例包括計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備，它可提供動(dòng)態(tài)約束平衡，即，用于調(diào)整劑量測(cè)定目標(biāo)同時(shí)查看患者身上劑量的至少一個(gè)表示的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并提供自動(dòng)約束加權(quán)，即，又能夠根據(jù)用戶動(dòng)作推導(dǎo)出優(yōu)先化的交互性等級(jí)和以計(jì)劃調(diào)整而非此類優(yōu)先級(jí)的直接輸入形式的用戶輸入序列。有利地，本發(fā)明實(shí)施例為用戶提供一種實(shí)時(shí)控制，允許用戶動(dòng)態(tài)地全部或部分撤消一個(gè)改變，并探索治療計(jì)劃之間的折衷，以便快速地在多個(gè)版本的治療計(jì)劃之間以及在不同系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的治療計(jì)劃之間選擇一個(gè)最佳平衡。有利地，本發(fā)明實(shí)施例提供包括一種自動(dòng)選擇最少計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)的算法的軟件。有利地，本發(fā)明實(shí)施例提供用于將最優(yōu)計(jì)劃轉(zhuǎn)換成可投放的離散計(jì)劃的軟件。
本發(fā)明實(shí)施例提供一種系統(tǒng)，用于確定將輻射施加于腫瘤靶區(qū)體積同時(shí)最小化患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置。例如，在本發(fā)明實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備，該計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備包含治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)，具有用于在其中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)劃優(yōu)化軟件的存儲(chǔ)器；以及輸入裝置，與治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信，以便為用戶提供對(duì)計(jì)劃優(yōu)化軟件的控制功能的訪問(wèn)。一種優(yōu)選地通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信的圖像收集裝置，向計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備提供腫瘤靶區(qū)體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少二維圖像切片。存儲(chǔ)在治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的計(jì)劃優(yōu)化軟件以計(jì)算方式獲得所建議的輻射束配置，并以計(jì)算方式基于多個(gè)約束迭代地優(yōu)化所建議的輻射束配置，以形成最優(yōu)輻射束配置。計(jì)劃優(yōu)化軟件可以包括圖形用戶界面，以顯示每個(gè)建議的輻射束配置的圖像切片、圖形對(duì)象以及輻射劑量分布的圖形表示。該軟件適于從輸入裝置接收輸入，以操控在圖形用戶界面上顯示的輻射劑量分布的表示。一種通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信的適形放療投放裝置，可以將最優(yōu)輻射束配置施加于患者。
輻射劑量分布的圖形表示可以采取含有多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式。等劑量圖的等劑量等高線可以由用戶直接操控，以改變靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，以產(chǎn)生最優(yōu)輻射束配置。輻射劑量分布的圖形表示還可以采取感興趣的靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的累計(jì)劑量體積直方圖或劑量體積直方圖的形式，通稱為“DVH”或“DVH曲線”，或者它們的其他劑量-體積統(tǒng)計(jì)形式。DVH圖或曲線可由用戶直接操控，以改變輻射劑量，由此產(chǎn)生最優(yōu)輻射束配置。
該計(jì)劃優(yōu)化軟件包括一組指令，當(dāng)由諸如與計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備相關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，使該計(jì)算機(jī)執(zhí)行各種功能和操作，以設(shè)計(jì)最優(yōu)輻射治療計(jì)劃。該軟件以圖形方式顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的圖像切片，并以圖形方式在圖像切片上顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量。輻射劑量可以采取包括根據(jù)第一輻射束配置的多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式。等劑量圖的等劑量等高線可由用戶操控，來(lái)改變對(duì)靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，以產(chǎn)生第二輻射束配置。
例如，該軟件可以優(yōu)選地與采取如鼠標(biāo)或觸摸屏等定點(diǎn)裝置形式的輸入裝置對(duì)接，以允許用戶“抓取”和“拖動(dòng)”，并將等劑量等高線拖出或拖入相鄰靶區(qū)或結(jié)構(gòu)體積。又例如，該軟件還可允許用戶“落下(drop)”或“雕刻(sculpt)”指示所選等劑量等高線的期望位置的路徑。該軟件在各種約束條件下，試圖使所選等劑量等高線與期望的路徑相符。再者，該軟件可允許用戶選擇要被“擦除”的等劑量等高線。功能上，該軟件在各種約束條件下，將所選等劑量等高線內(nèi)的輻射劑量的值設(shè)為等于或接近于該等劑量等高線外的輻射劑量的值。
輻射劑量還可以采取根據(jù)第一輻射束配置的各種劑量-體積統(tǒng)計(jì)的形式，優(yōu)選地采取DVH圖或曲線的形式。DVH曲線可由用戶操控，以改變對(duì)靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，以產(chǎn)生第二輻射束配置。例如，該軟件可與輸入裝置對(duì)接，以允許用戶“抓取”和“拖動(dòng)”DVH曲線，由此改變?cè)试S接收多于預(yù)定劑量水平的輻射的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的百分比，或改變可按所選百分比的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積超出的輻射劑量水平。
用戶可以輸入感興趣的靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的最大和/或最小輻射劑量，其可用來(lái)約束等劑量等高線操控和DVH曲線操控，以防止用戶無(wú)意中引起不期望的附屬劑量變化。用戶還可以提供維持劑量測(cè)定質(zhì)量和維持輻射投放裝置的輻射投放效率之間的期望平衡，它可以用于約束用戶的等劑量等高線和DVH曲線操控，以便將輻射投放效率維持在期望效率閾值以上。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，計(jì)劃優(yōu)化軟件可以引入在外部生成的輻射治療計(jì)劃；構(gòu)造具有該計(jì)劃的輻射束配置所對(duì)應(yīng)的極值的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；以及施加該函數(shù)，以形成具有大致與在外部生成的輻射治療計(jì)劃的劑量分布相同的劑量分布的輻射治療計(jì)劃。
為此，該軟件首先可通過(guò)對(duì)計(jì)劃的輻射劑量分布進(jìn)行有偏置或沒(méi)有偏置的隨機(jī)采樣，形成多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和多個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)。該軟件然后可使用這些點(diǎn)處的劑量值(第一值)來(lái)通過(guò)對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)向目標(biāo)函數(shù)添加一個(gè)項(xiàng)來(lái)形成優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，各個(gè)項(xiàng)提供目標(biāo)函數(shù)的極值。選擇與靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)相關(guān)的項(xiàng)，以使在第二輻射治療計(jì)劃的靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)處的第二輻射劑量值與各個(gè)第一輻射劑量值基本上不同或基本上非期望地不同時(shí)，目標(biāo)函數(shù)懲罰輻射劑量?；蛘撸撥浖梢酝ㄟ^(guò)迭代地調(diào)整目標(biāo)函數(shù)的約束的至少其中之一來(lái)形成優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，計(jì)劃優(yōu)化軟件可根據(jù)常被稱為“檢查點(diǎn)”的一對(duì)輻射治療計(jì)劃來(lái)確定最優(yōu)的輻射束配置。該軟件可以建立兩個(gè)檢查點(diǎn)作為單個(gè)連續(xù)區(qū)上的端點(diǎn)，并響應(yīng)用戶控制的輸入裝置的用戶操控，在兩個(gè)檢查點(diǎn)之間插值，以形成并顯示中間建議的輻射治療計(jì)劃。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，插值是線性的，并在每個(gè)計(jì)劃的輻射分布中的每個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)處兩個(gè)檢查點(diǎn)的輻射劑量值之間完成。與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例形成的其他計(jì)劃一樣，這個(gè)中間計(jì)劃可通過(guò)將多個(gè)輻射束強(qiáng)度離散化成與預(yù)先選擇的適形放療投放裝置兼容的相應(yīng)多個(gè)輻射束強(qiáng)度設(shè)置值，容易地轉(zhuǎn)換成可投放的離散輻射治療計(jì)劃。
本發(fā)明的實(shí)施例還包括用于確定將輻射施加于腫瘤靶區(qū)體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置的方法。例如，在本發(fā)明實(shí)施例中，一種方法包括以圖形方式顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的圖像切片。該方法還包括以圖形方式在圖像切片上顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，并采取包括根據(jù)定義第一治療計(jì)劃的第一輻射束配置的多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式；以及利用輸入或定點(diǎn)裝置操控等劑量圖的所顯示等劑量等高線的至少其中之一，以形成并顯示定義第二輻射治療計(jì)劃的第二輻射束配置。一種相關(guān)的方法包括以圖形方式顯示根據(jù)定義第一治療計(jì)劃的第一輻射束配置的多個(gè)劑量體積直方圖形式的靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量；以及利用定點(diǎn)裝置操控所顯示劑量體積直方圖的至少其中之一，以形成并顯示定義第二輻射治療計(jì)劃的第二輻射束配置。
在本發(fā)明實(shí)施例中，提供一種方法，用于通過(guò)二維輻射劑量分布的重新計(jì)算和顯示來(lái)便于對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃進(jìn)行交互式調(diào)整。例如，一種方法可包括以圖形方式顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的圖像切片，并同時(shí)以圖形方式在圖像切片上顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量分布，并采取包括根據(jù)定義第一治療計(jì)劃的第一輻射束配置的多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式。可改變靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積中任一個(gè)或二者的輻射劑量分布，以形成定義第二治療計(jì)劃的第二輻射束配置。有利地，為了確保性能，僅需要重新計(jì)算和顯示在顯示的圖像切片上所顯示的二維劑量分布，以為用戶提供足夠的信息來(lái)分析第二治療計(jì)劃。
一種利用如上所述那些的采樣點(diǎn)的相關(guān)方法包括以圖形方式顯示根據(jù)多個(gè)采樣點(diǎn)的輻射劑量值定義劑量-體積統(tǒng)計(jì)的多個(gè)劑量體積直方圖形式的靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的輻射劑量；以及改變靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)中任一個(gè)或二者的輻射劑量分布，以形成第二輻射束配置。重新計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)處的輻射劑量值，并根據(jù)該采樣點(diǎn)的重新計(jì)算的輻射劑量值，顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的劑量-體積統(tǒng)計(jì)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)選擇一組采樣點(diǎn)(以隨機(jī)方式或具有偏置的隨機(jī)方式)，并應(yīng)用由每個(gè)采樣點(diǎn)處的輻射劑量值約束的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，來(lái)提供對(duì)所建議輻射治療計(jì)劃的迭代快速重新計(jì)算和顯示，以形成第二輻射束配置。一種相關(guān)的方法包括選擇用于計(jì)劃優(yōu)化的第一組采樣點(diǎn)，以及用于計(jì)劃評(píng)估的、與第一組分開的第二組采樣點(diǎn)。由計(jì)劃優(yōu)化采樣點(diǎn)處的輻射劑量值約束的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)提供第二輻射治療計(jì)劃的快速確定，其中計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)提供第二輻射治療計(jì)劃的快速顯示。
本發(fā)明實(shí)施例還包括一種方法，用于根據(jù)其特征在于具有任意輻射束強(qiáng)度值的輻射治療計(jì)劃形成具有一個(gè)固定集合的離散輻射束強(qiáng)度值的、用于將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃。例如，在本發(fā)明實(shí)施例中，一種方法包括提供候選輻射治療計(jì)劃以及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以迭代地評(píng)估候選輻射治療計(jì)劃。因此，該方法包括迭代地評(píng)估候選輻射治療計(jì)劃，以形成滿足任何預(yù)先選擇的臨床目標(biāo)并具有任意輻射束強(qiáng)度值的最優(yōu)輻射束配置，該最優(yōu)射束配置定義先例輻射治療計(jì)劃。利用在候選輻射治療計(jì)劃的優(yōu)化期間評(píng)估的至少兩個(gè)輻射治療計(jì)劃迭代，可推導(dǎo)出基本上匹配先例輻射治療計(jì)劃的臨床輻射投放目標(biāo)所需的離散輻射束強(qiáng)度的組合。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)如下步驟提供對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃的輻射劑量分布的快速計(jì)算和顯示通過(guò)對(duì)第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成輻射束配置的多個(gè)采樣點(diǎn)；確定多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；以及對(duì)每個(gè)靶區(qū)腫瘤體積和至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積標(biāo)識(shí)多個(gè)采樣點(diǎn)中具有最高值的第一集合以及多個(gè)采樣點(diǎn)中具有最低值的第二集合。一種梯度上升算法則可應(yīng)用于各第一組，以確定并顯示靶區(qū)腫瘤體積和至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積最大的輻射劑量，而一種梯度下降算法可應(yīng)用于各第二集合，以確定并顯示靶區(qū)腫瘤體積和至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積最小的輻射劑量。
有利地，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于腫瘤治療的系統(tǒng)、方法和設(shè)備，其中它易于使用且便宜；具有被確信對(duì)于患者安全是高度安全的因素；使用簡(jiǎn)單的約束條件和調(diào)整為滿足內(nèi)科醫(yī)生的沖突且不固定的治療目標(biāo)的快速優(yōu)化器，同時(shí)考慮目標(biāo)腫瘤體積和多種結(jié)構(gòu)類型方面的目標(biāo)，來(lái)計(jì)算最優(yōu)治療計(jì)劃；以及利用顯示等劑量等高線圖、相關(guān)DVH曲線、其他統(tǒng)計(jì)的圖形用戶界面(“GUI”)，以及允許用戶為每個(gè)靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積類型建立期望劑量分布的工具。


所以，可以更詳細(xì)地理解使本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他方面變得顯而易見的方式，對(duì)上文簡(jiǎn)單概述的本發(fā)明的更具體描述可以參考附圖所示的并構(gòu)成本說(shuō)明書一部分的其實(shí)施例。但是要注意，附圖僅圖示本發(fā)明的各種實(shí)施例，并不因此被視為本發(fā)明范圍的限制，因?yàn)樗€可以包括其他有效的實(shí)施例，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的輻射獲取、計(jì)劃和投放系統(tǒng)的局部示意圖；圖2A-C是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的輻射計(jì)劃系統(tǒng)的流程圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面的平面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面內(nèi)的掃描顯示窗口的平面圖；圖5A-G是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面的結(jié)果窗口內(nèi)所含的可選擇標(biāo)簽的一個(gè)子集的平面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面的平面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面的平面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面的平面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面內(nèi)提供最大劑量值和/或最小劑量值的用戶輸入的窗口的平面圖；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖形用戶界面內(nèi)顯示梯度下降算法和梯度上升算法的計(jì)算結(jié)果的窗口的平面圖。
具體實(shí)施例方式
下文將參考附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中圖示本發(fā)明的實(shí)施例。但是本發(fā)明可以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，且不應(yīng)視為將本發(fā)明限制于所闡述的圖示實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例，使得本公開將是徹底和完整的，而且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明范圍。所有附圖中相似的標(biāo)號(hào)指代相似的組件，而加撇的符號(hào)(如果使用的話)表示另一些實(shí)施例中的相似組件。
現(xiàn)代輻射治療設(shè)備，如線性加速器(“LINAC”)通過(guò)如下方式照射腫瘤點(diǎn)沿變化的弧線產(chǎn)生多個(gè)通道，這些弧線沿著不同的入口路徑逼近靶區(qū)體積，每個(gè)弧線指向位于靶區(qū)體積中心的點(diǎn)，通常稱為治療體積的等中心。治療射束的每個(gè)通道將照射腫瘤和周圍結(jié)構(gòu)的在該弧線內(nèi)通過(guò)的部分。通過(guò)利用這種多個(gè)射束通道，治療場(chǎng)的某些部分僅被一些射束弧線照射，而治療場(chǎng)的其他部分被每個(gè)射束弧線照射，由此導(dǎo)致最高劑量集中發(fā)生在等中心處。
本發(fā)明的實(shí)施例，也許最好如圖1-3中所示，有利地提供輻射治療計(jì)劃系統(tǒng)30，用于確定將輻射施加于腫瘤靶區(qū)體積同時(shí)最小化患者身上結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置或計(jì)劃；一種設(shè)備，用于確定并顯示最優(yōu)計(jì)劃的各種迭代；以及實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的方法。參考圖1，可以使用如下組件執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)化方法圖像收集裝置31；輻射投放裝置39；計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35，包括常規(guī)計(jì)算機(jī)或一組計(jì)算機(jī)；以及計(jì)劃優(yōu)化軟件36，它利用本發(fā)明的優(yōu)化方法；以及測(cè)試設(shè)備37。所有上述組件可經(jīng)由常規(guī)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)33對(duì)接。
本發(fā)明的計(jì)劃優(yōu)化軟件36計(jì)算最佳治療計(jì)劃或射束配置，這應(yīng)理解為包括治療場(chǎng)周圍的最優(yōu)射束位置，和/或射束加權(quán)或射束強(qiáng)度的最優(yōu)陣列，另外被稱為強(qiáng)度圖或注量分布圖或二者。最優(yōu)射束配置通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)最初以計(jì)算方式迭代地增加所建議的射束加權(quán)，并結(jié)合成本函數(shù)來(lái)確保射束加權(quán)的迭代變化不會(huì)導(dǎo)致對(duì)正在受到所建議劑量的組織或結(jié)構(gòu)體積不可接受的曝露。這樣用戶可以使得實(shí)施附加的迭代，以獲得增加的性能。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明實(shí)施例有利地包括改進(jìn)的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃系統(tǒng)30，它考慮到靶區(qū)和多個(gè)周圍結(jié)構(gòu)類型的多個(gè)治療參數(shù)。系統(tǒng)30包括位于至少一個(gè)計(jì)算機(jī)上的計(jì)劃優(yōu)化軟件36以便以計(jì)算方式獲得建議的輻射束配置；以及以計(jì)算方式基于至少一個(gè)約束類型迭代地改變所建議的輻射束配置，該約束類型實(shí)現(xiàn)成本函數(shù)和偏導(dǎo)函數(shù)。系統(tǒng)30還包括圖像收集裝置31(圖1)，例如計(jì)算機(jī)斷層掃描(“CT”)裝置或磁共振成像(“MRI”)裝置，以與計(jì)劃優(yōu)化軟件36對(duì)接，來(lái)提供腫瘤靶區(qū)體積的至少二維掃描或圖像161(圖3)。系統(tǒng)30還包括圖形用戶界面150(圖3)，以顯示圖像161并提供用戶界面選項(xiàng)。系統(tǒng)30還包括輻射投放裝置39(圖1)，例如具有多葉片準(zhǔn)直儀的LINAC或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其他裝置，用于操控輻射束，以便根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)化方法投放輻射劑量。注意，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知和理解的，軟件36可以采取微代碼、程序、例行程序和符號(hào)語(yǔ)言的形式，它們提供控制硬件運(yùn)行并指導(dǎo)其操作的一組或多組特定的有序操作。
圖2A-C圖示了用于結(jié)合本發(fā)明的系統(tǒng)30創(chuàng)建輻射治療計(jì)劃的方法，圖2A圖示一般性總流程圖。系統(tǒng)30可以兩種模式實(shí)施第一種是圖2B“計(jì)劃調(diào)整(Tweak)”模式，其中系統(tǒng)30接收外部生成的先例計(jì)劃，調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，以便模擬該計(jì)劃，然后就能夠執(zhí)行迭代操控。在圖2C中圖示了第二種模式，它是“獨(dú)立”模式，其包含步驟的一個(gè)子集(圖2B的計(jì)劃調(diào)整模式的步驟99-101和107-111)。第一種模式或計(jì)劃調(diào)整模式將結(jié)合圖2A和2B來(lái)描述，以便提供實(shí)施本發(fā)明各種實(shí)施例的環(huán)境。注意，該環(huán)境是為說(shuō)明目的而提供的，且不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。
形成先例輻射治療計(jì)劃的第一步通常稱為圖像獲取步驟99。在該步驟中，首先優(yōu)選地通過(guò)常規(guī)CT掃描或MRI技術(shù)獲得圖像，CT掃描或MRI技術(shù)產(chǎn)生表示以解剖學(xué)精確度顯示的組織的“切片”的圖像161。用戶則直接將圖像161傳送到計(jì)算機(jī)計(jì)劃系統(tǒng)35(圖1)，或傳送到可被計(jì)算機(jī)計(jì)劃系統(tǒng)35訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)。這通常經(jīng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)33(圖1)來(lái)實(shí)現(xiàn)；但是，還可以利用其他方法，包括人工數(shù)據(jù)傳送。
下一步一般稱為注冊(cè)過(guò)程步驟100。這是對(duì)準(zhǔn)要通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的適形放療治療的患者的身體部位的一組常規(guī)軸向切片圖像161的過(guò)程步驟。這些構(gòu)成完整的CT或MRI研究的“切片”序列表示患者特定部位的三維圖片，以便允許可視化為有效的三維數(shù)據(jù)集。通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，確定已知幾何形狀的共有標(biāo)記，并翹曲(warp)要正確對(duì)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，得到結(jié)果數(shù)據(jù)。結(jié)果分辨率設(shè)為基于所利用的已知患者固定裝置在幾何上是正確的。如果已從膠片掃描了圖像161，則基于圖像中包含的參考灰度條實(shí)現(xiàn)灰階圖像標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)合分辨率調(diào)整所需的采樣和濾波，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知和理解的常規(guī)二維圖像翹曲技術(shù)。由計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的操作員輸入圖像切片間距，并通過(guò)已知的患者固定裝置幾何形狀進(jìn)行驗(yàn)證。
下一步一般稱為解剖工具步驟101。用戶標(biāo)識(shí)對(duì)于輻射計(jì)劃重要的結(jié)構(gòu)的三維體積，由此用戶通常在圖像上基于逐個(gè)切片地標(biāo)識(shí)解剖結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，用戶將使用輸入裝置(未示出)，如光筆、跟蹤球、觸摸屏、觸摸墊、鍵盤或鼠標(biāo)，以在多個(gè)掃描切片的每一個(gè)中繪制內(nèi)科醫(yī)生想要治療的區(qū)域。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35(圖1)的計(jì)劃優(yōu)化軟件36可以代之提供自動(dòng)化工具和相關(guān)算法，以便選擇腫瘤邊界，即，如果在例如層析成像掃描的圖像161上很好地分辨出腫瘤的話。自動(dòng)化工具可以允許用戶剛好“點(diǎn)擊”在工具上，并且軟件36將自動(dòng)確定腫瘤邊界的位置。
該方法的下一步一般稱為射束定位步驟102。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35以相應(yīng)射束位置確定初始治療計(jì)劃。射束定位步驟102一般先于處方面板步驟103。
處方面板步驟103允許內(nèi)科醫(yī)生將先前步驟中所用的放療治療的期望目標(biāo)輸入到計(jì)劃設(shè)備35中，然后在后續(xù)的計(jì)劃優(yōu)化步驟107中利用它們。
再次參考圖2A和2B，本發(fā)明方法的下一步是測(cè)試儀器調(diào)試步驟104。使輻射束位置和射束加權(quán)或輻射束段的射束強(qiáng)度的最優(yōu)結(jié)果集合與投放裝置39(圖1)的投放能力相適應(yīng)?？梢岳玫^(guò)程來(lái)考慮輸出系數(shù)(OF)調(diào)整、投放裝置39的多葉準(zhǔn)直儀的葉片移動(dòng)定時(shí)以及同時(shí)移動(dòng)以達(dá)到投放裝置39的控制信息的限制，其表示可以在投放裝置39的操作限制內(nèi)投放的治療計(jì)劃。
在劑量模擬步驟105中，如果實(shí)施，則基于例如投放裝置39(圖1)的控制信息模擬對(duì)患者的輻射劑量。該步驟中可用的一種算法基于本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知和理解的三維修改的路徑長(zhǎng)度技術(shù)。
再次參考圖2A和2B，計(jì)劃方法的下一步是計(jì)劃轉(zhuǎn)換步驟106。本發(fā)明的系統(tǒng)30可以包括幾個(gè)與當(dāng)前治療計(jì)劃實(shí)踐的重大不同。例如，用戶可對(duì)同一患者在多個(gè)非常不同的治療計(jì)劃之間插值。這些治療計(jì)劃的其中一個(gè)可以通過(guò)上文標(biāo)識(shí)的CORVUS系統(tǒng)創(chuàng)建，另一個(gè)計(jì)劃可以通過(guò)具有不同設(shè)計(jì)方法的不同系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建。為了最有效地與其他系統(tǒng)互相操作，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35一般必須能夠自動(dòng)生成其自己公式中表示的治療目標(biāo)，其中該公式將產(chǎn)生與另一個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建的計(jì)劃實(shí)質(zhì)上相同的治療計(jì)劃。這使計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35能夠“轉(zhuǎn)載”和調(diào)整由其他系統(tǒng)創(chuàng)建的各種治療計(jì)劃。提供一種算法，它設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹委熌繕?biāo)及其相應(yīng)的加權(quán)。
在本發(fā)明的“計(jì)劃調(diào)整”實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35提供一種對(duì)于本實(shí)施唯一的目標(biāo)函數(shù)組成部分或“點(diǎn)約束”，表示多個(gè)所選采樣計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)以及附加的約束，下文將對(duì)此描述。這些點(diǎn)自動(dòng)分布在整個(gè)靶區(qū)和周圍結(jié)構(gòu)上。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的計(jì)劃匹配部分引入一個(gè)計(jì)劃時(shí)，它可以將計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)分散到靶區(qū)邊界、靶區(qū)內(nèi)部、有危險(xiǎn)器官(“OAR”)邊界以及Dmax點(diǎn)的所選位置，下文將對(duì)此描述。該分布一般通過(guò)隨機(jī)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是可將隨機(jī)采樣偏置，以增加特定相關(guān)性區(qū)域中的采樣概率，例如與靶區(qū)腫瘤體積的外邊界鄰接的區(qū)域。
靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)可通過(guò)對(duì)另一系統(tǒng)創(chuàng)建的治療計(jì)劃的輻射劑量分布或射束配置進(jìn)行隨機(jī)采樣來(lái)獲得。計(jì)劃優(yōu)化軟件36確定靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量的值。然后可通過(guò)對(duì)每個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和每個(gè)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)添加一個(gè)項(xiàng)，來(lái)構(gòu)造或修改優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。每個(gè)項(xiàng)為目標(biāo)函數(shù)提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于先例輻射治療計(jì)劃的輻射束配置的極值(最小或最大約束)。
當(dāng)建議的輻射治療計(jì)劃的相應(yīng)各個(gè)采樣點(diǎn)處的輻射劑量值基本上與先例輻射治療計(jì)劃的輻射束配置的各個(gè)輻射劑量值不同時(shí)，與靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)或結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)相關(guān)的每個(gè)項(xiàng)懲罰(penalize)輻射劑量。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，當(dāng)建議的輻射治療計(jì)劃的相應(yīng)各個(gè)采樣點(diǎn)處的輻射劑量值非期望地基本上與先例輻射治療計(jì)劃的輻射束配置的各個(gè)輻射劑量值不同時(shí)，與靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)或結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)相關(guān)的每個(gè)項(xiàng)懲罰輻射劑量。相似地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，施加與靶區(qū)腫瘤體積劑量-體積統(tǒng)計(jì)或結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)相關(guān)的每個(gè)項(xiàng)，以使在建議的輻射治療計(jì)劃的相應(yīng)各個(gè)采樣點(diǎn)處的輻射劑量值非期望地基本上與各自輻射劑量值不同時(shí)，目標(biāo)函數(shù)懲罰對(duì)應(yīng)的劑量-體積統(tǒng)計(jì)。
在分布這些計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)之后，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35能以可施加在不同位置的不同類型的成本組成部分進(jìn)行試驗(yàn)，生成與所引入的相同的治療計(jì)劃。一般來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有附加約束的情況下，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35不會(huì)完全成功使根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的治療計(jì)劃與引入的治療計(jì)劃相符，因?yàn)橐氲闹委熡?jì)劃可能分析不同的點(diǎn)和使用不同的成本組成部分。因此，下文所述的點(diǎn)約束向計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35提供了另一個(gè)工具，以自動(dòng)(無(wú)需用戶驅(qū)動(dòng))改變和對(duì)治療計(jì)劃進(jìn)行微調(diào)，以使它基本上與引入的計(jì)劃相似。
計(jì)劃轉(zhuǎn)換步驟106的最終結(jié)果是，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35將先有計(jì)劃變形或轉(zhuǎn)換成為供根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化引擎使用而適當(dāng)?shù)馗袷交挠?jì)劃。這可通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)首先確定表示用于形成引入的輻射治療計(jì)劃的原始臨床目標(biāo)的輻射束配置(輻射劑量分布)；并形成優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以用于設(shè)計(jì)具有基本上匹配先例輻射治療計(jì)劃的臨床輻射投放目標(biāo)的臨床屬性的輻射治療計(jì)劃。
參考圖2A、2B和2C，在計(jì)劃優(yōu)化步驟107中，輻射計(jì)劃優(yōu)化是一個(gè)特定情況的反問(wèn)題，其中目標(biāo)是確定最優(yōu)投放方案(多個(gè)集合的輻射束和/或強(qiáng)度)以獲得劑量處方。該步驟可應(yīng)用于“調(diào)整”模式(圖2B)和“獨(dú)立”模式(圖2C)。在“調(diào)整”模式中，如上參考圖2B所述，用戶運(yùn)行另一個(gè)計(jì)劃系統(tǒng)，如CORVUS計(jì)劃系統(tǒng)，以生成該計(jì)劃系統(tǒng)的最優(yōu)計(jì)劃。然后轉(zhuǎn)換或引入該計(jì)劃，以便利用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯，該優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可通過(guò)迭代地調(diào)整至少一個(gè)約束來(lái)形成，以使該優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的極值對(duì)應(yīng)于與第一輻射劑量分布以及由此的所引入治療計(jì)劃的原始臨床目標(biāo)大致相同的輻射劑量分布。這樣，用戶就可以運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35來(lái)“調(diào)整”引入的計(jì)劃。
然后可應(yīng)用計(jì)劃系統(tǒng)工具，如下文所述的，來(lái)調(diào)整該計(jì)劃。這些新工具可賦予用戶對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備進(jìn)行更多特定請(qǐng)求的能力，由此提供對(duì)劑量分布的更細(xì)粒度、更流動(dòng)的控制。引入的計(jì)劃可能在外部計(jì)劃系統(tǒng)成本函數(shù)中已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)。但是，因?yàn)榕R床醫(yī)生可能有較之在外部系統(tǒng)的成本函數(shù)中實(shí)施的那些目標(biāo)稍微不同的目標(biāo)，所以臨床醫(yī)生可能期望對(duì)最優(yōu)計(jì)劃進(jìn)行修改。新工具為臨床醫(yī)生提供了無(wú)論最初是如何得出的計(jì)劃均能夠?qū)υ撚?jì)劃進(jìn)行微調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。
參考圖2C的“獨(dú)立”實(shí)施例，當(dāng)用戶輸入初始或更新的目標(biāo)信息時(shí)，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35實(shí)質(zhì)上直接進(jìn)入交互式計(jì)劃階段。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以相對(duì)快速地(在交互式時(shí)間幀中)顯示來(lái)自正在設(shè)計(jì)或修改的實(shí)際治療計(jì)劃的等劑量等高線162(圖3)和累計(jì)劑量體積直方圖或劑量體積直方圖，通稱為“DVH”或“DVH曲線”175(圖3)，二者都可由用戶直接且以圖形方式操控。
無(wú)需坐下來(lái)，或許花5或10分鐘寫處方，等待或許10分鐘時(shí)間生成計(jì)劃優(yōu)化，然后評(píng)估結(jié)果并重復(fù)該過(guò)程，有利地根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為用戶提供了可顯示每個(gè)建議的輻射束配置的輻射劑量分布的圖形表示的更流動(dòng)的平臺(tái)。例如，用戶決定對(duì)前列腺下50 Gy的劑量，并按此輸入。然后50 Gy的劑量將顯示在前列腺周圍的屏幕上。用戶就可以檢查結(jié)果，并判定OAR正在接收太多的劑量。用戶可以對(duì)特定OAR進(jìn)行調(diào)整，由此將過(guò)量的劑量推出感興趣的OAR以外。用戶然后可以再次檢查結(jié)果，并進(jìn)行適合的調(diào)整。有利地，為用戶提供了在這些迭代演化輻射治療計(jì)劃時(shí)觀察它們的演化的能力，由此能夠非常詳細(xì)地對(duì)計(jì)劃進(jìn)行微調(diào)。
更具體地說(shuō)，或許最好如圖3所示，為了幫助輻射治療計(jì)劃的優(yōu)化，本發(fā)明的實(shí)施例有利地在GUI 150的掃描窗口160中顯示的CT掃描或其他層析成像類型掃描圖像161上為用戶提供等劑量圖162。本發(fā)明的實(shí)施例還有利地為用戶提供了DVH曲線175。為用戶提供了GUI 150和軟件36，該軟件包括用于數(shù)據(jù)輸入和操控GUI 150上顯示的信息的算法。GUI 150可以顯示交互式工具，例如下拉菜單151、151′、復(fù)選框152、152′、文本字段框，如靶區(qū)“目標(biāo)劑量”153或結(jié)構(gòu)“劑量限制”153′、分別用于如靶區(qū)“均勻度”或結(jié)構(gòu)“重要度”的參數(shù)的滑動(dòng)控件154、154′以及屏幕指針163，通過(guò)使用輸入裝置該指針可以操控在圖像161和/或DVH曲線175中顯示的等劑量等高線162。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，期望目標(biāo)的輸入可以通過(guò)輸入到計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的圖形用戶界面(GUI)150的至少一個(gè)下拉菜單151、151′、復(fù)選框152、152′、文本輸入字段153、153′來(lái)實(shí)現(xiàn)。還可以通過(guò)所規(guī)定DVH的創(chuàng)建和調(diào)整，如在分析窗口170(圖3)所示的那些曲線，來(lái)啟動(dòng)目標(biāo)建立。當(dāng)用戶將目標(biāo)輸入到設(shè)備35中時(shí)，可以制定所規(guī)定的DVH。注意，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，顯示可實(shí)現(xiàn)的輻射治療計(jì)劃的相關(guān)DVH曲線175可通過(guò)個(gè)別或共同操控各種下拉菜單151、151′、復(fù)選框輸入152、152′、文本輸入字段153、153′、等劑量等高線162以及直接操控(通過(guò)使用定點(diǎn)裝置)DVH曲線175本身來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
例如，對(duì)于靶區(qū)和結(jié)構(gòu)，用戶可以輸入表示目標(biāo)的數(shù)字，諸如(1)在文本框153中輸入靶區(qū)劑量目標(biāo)值(例如67.24 Gy)；以及(2)在文本框153′中輸入結(jié)構(gòu)劑量限制(例如68 Gy)。對(duì)于靶區(qū)和結(jié)構(gòu)二者而言，GUI 150可以顯示小圖形或滑動(dòng)條157，其功能是允許用戶沿滑動(dòng)控件154、154′的長(zhǎng)度“拖動(dòng)”滑動(dòng)條157，以建立由文本框153、153′中的數(shù)字輸入所描述的相同結(jié)果。
計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的約束和調(diào)整它們的快速優(yōu)化器，同時(shí)還提供用于直接操控等劑量等高線或等高線162的環(huán)境和動(dòng)態(tài)平衡的相沖突目標(biāo)。理想情況下，目標(biāo)函數(shù)的組成部分或約束條件是連續(xù)的，且具有單調(diào)的一階導(dǎo)數(shù)，并實(shí)現(xiàn)分段線性的成本函數(shù)。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以將輻射治療計(jì)劃變成“記分”S，它等于個(gè)體成本組成部分乘以其分配的優(yōu)先級(jí)或加權(quán)的值之總和，其中S=ΣWxCxx=1n;]]>式中Cx是成本組成部分，n表示第n個(gè)組成部分，Wx是分配給第n個(gè)成本組成部分的優(yōu)先級(jí)或加權(quán)。這些成本組成部分或影響函數(shù)可以采取約束的形式，這些約束又是輻射束加權(quán)或劑量的函數(shù)。在優(yōu)選實(shí)施例中，下文所述的治療計(jì)劃“記分”S是成本組成部分的函數(shù)，成本組成部分又由至少(但不限于)一個(gè)或多個(gè)如下約束構(gòu)成1.靶區(qū)邊界；2.靶區(qū)內(nèi)部/靶區(qū)覆蓋范圍；3.有危險(xiǎn)器官(OAR)邊界；4.Dmax點(diǎn)位于每個(gè)射束的Dmax點(diǎn)上；以及5.上拉/下拉點(diǎn)這些點(diǎn)位于用戶劃出的線上。
6.點(diǎn)約束(僅計(jì)劃匹配實(shí)施例適用)。
每種約束類型都按各個(gè)約束的感興趣的各個(gè)點(diǎn)所在位置和患者體內(nèi)所關(guān)心的區(qū)域劃分。這些約束類型的每一種必須實(shí)現(xiàn)成本函數(shù)和偏導(dǎo)函數(shù)(相對(duì)于特定射束注量)。下文描述這些約束的具體效果。射束加權(quán)有效地描述輻射治療計(jì)劃，并且成本函數(shù)通過(guò)產(chǎn)生記分來(lái)評(píng)估輻射治療計(jì)劃，其中任何個(gè)體成本組成部分或約束可以是輻射束加權(quán)的子集的函數(shù)。還有，在優(yōu)化迭代期間計(jì)算成本的同時(shí)，僅對(duì)與約束相關(guān)的體元(約束體元)下劑量。
還是參考圖3，在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以提供動(dòng)態(tài)約束平衡，即，一種實(shí)時(shí)方法，用于調(diào)整劑量測(cè)定目標(biāo)，同時(shí)查看顯示在GUI 150的掃描窗口160中的患者身上劑量的至少一個(gè)表示，例如CT掃描上的等劑量圖162或其他層析成像類型掃描或圖像161。在該實(shí)施例中，軟件36包括用于通過(guò)使用用戶交互式工具動(dòng)態(tài)地操控輻射治療計(jì)劃的算法，交互式工具諸如下拉菜單151、151′、復(fù)選框152、152′、文本字段框153、153′、滑動(dòng)控件154、154′以及定位以操控在圖像161中顯示的DVH曲線175、等劑量等高線162的屏幕指針163。
評(píng)估輻射治療計(jì)劃的各種迭代一般要求對(duì)患者全身的計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)進(jìn)行采樣。該采樣可以是完全隨機(jī)的，或隨機(jī)但含有偏置，以增加鄰近靶區(qū)腫瘤體積的外部邊界處的采樣概率，它可以有利地利用較少計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)提供更多信息。為了增加對(duì)計(jì)劃評(píng)估的可靠性，選擇的計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)最好不是由計(jì)算機(jī)計(jì)劃系統(tǒng)35(圖1)的計(jì)劃優(yōu)化軟件36用于執(zhí)行和顯示輻射治療計(jì)劃的各種迭代的同一隨機(jī)選擇點(diǎn)。
前述約束可以提供可應(yīng)用的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，以便有效地執(zhí)行輻射治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)和評(píng)估。再者，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的軟件36可以提供上述約束，連同本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其他約束，由此在函數(shù)上將這些約束設(shè)為懲罰計(jì)劃的記分S，或使該計(jì)劃的吸引力較小。
上文標(biāo)識(shí)的約束的前兩個(gè)是靶區(qū)邊界和靶區(qū)內(nèi)部/靶區(qū)覆蓋范圍。靶區(qū)邊界表示腫瘤的形狀。軟件36的算法通過(guò)檢查沿靶區(qū)邊界的計(jì)劃采樣點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)該約束。將邊界設(shè)在實(shí)際邊界內(nèi)或外的計(jì)劃將產(chǎn)生用戶更期望的計(jì)劃。該影響函數(shù)的直觀描述基本采取分段線性的倒轉(zhuǎn)陷波的形式，且本領(lǐng)域技術(shù)人員將其描述為創(chuàng)建良好地使它們的相關(guān)體元向處方劑量趨近。此外，還設(shè)有滑動(dòng)控件154或其他形式的調(diào)整控件，以對(duì)整個(gè)計(jì)劃調(diào)整邊界正確選擇的加權(quán)或重要度。
設(shè)有靶區(qū)內(nèi)部約束，以確保給靶區(qū)至少最小的劑量。該約束在靶區(qū)體元中的劑量低于目標(biāo)劑量的情況下懲罰計(jì)劃，并由此嘗試使劑量上升。還設(shè)有可以是單獨(dú)約束或與靶區(qū)內(nèi)部約束組合的靶區(qū)覆蓋范圍約束，以確保整個(gè)靶區(qū)獲得最小劑量且是均勻的。但是該約束在靶區(qū)體元中的劑量高于目標(biāo)劑量的情況下懲罰計(jì)劃，并由此嘗試使劑量下降。在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)有與滑動(dòng)控件154相似的滑動(dòng)控件154″或其他形式的調(diào)整控件，以調(diào)整這些約束的重要度。
設(shè)有OAR邊界約束，以確保健康器官不曝露于過(guò)量劑量的輻射，即，超出劑量限制的輻射。該約束懲罰OAR體元內(nèi)的過(guò)量劑量。在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)有滑動(dòng)控件154′或其他形式的調(diào)整控件，以調(diào)整該約束的重要度。
Dmax點(diǎn)約束描述了沿著每個(gè)射束的其劑量因該特定射束而是最高的點(diǎn)。Dmax點(diǎn)約束設(shè)為控制不在靶區(qū)中的劑量。在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)有軟件36的算法，它忽略落在靶區(qū)中的任何點(diǎn)，并將落在OAR內(nèi)的任何點(diǎn)添加到“OAR邊界”體元。
上拉/下拉點(diǎn)約束由沿著用戶劃出的線的一組點(diǎn)定義。在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)有軟件36的算法，以使劑量高于或低于閾值—當(dāng)該線起始于其劑量較沿線的平均劑量高的點(diǎn)時(shí)高于閾值，或當(dāng)平均劑量較高時(shí)低于閾值。一種元數(shù)據(jù)優(yōu)化可以平衡這些約束的強(qiáng)度，以確保它們僅強(qiáng)到足以被滿足。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以提供自動(dòng)約束加權(quán)。治療計(jì)劃由平衡各種常常互斥的目標(biāo)構(gòu)成。一旦表示了這些目標(biāo)，治療計(jì)劃設(shè)備35就必須知道它們的相對(duì)屬性是什么，以便以最優(yōu)方式平衡它們。如上所述，許多治療計(jì)劃系統(tǒng)要求用戶明確地對(duì)可能是困難、不嚴(yán)密且潛在耗時(shí)的過(guò)程的目標(biāo)設(shè)定優(yōu)先級(jí)。概念上，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35和相關(guān)算法需要理解治療計(jì)劃所封裝的不同目標(biāo)的關(guān)系，以及因?yàn)橛脩魧⑿履繕?biāo)堆疊在舊目標(biāo)之上所以應(yīng)該如何平衡那些目標(biāo)。有利地，本發(fā)明的實(shí)施例可提供自動(dòng)約束加權(quán)，即，能夠根據(jù)用戶動(dòng)作導(dǎo)出優(yōu)先級(jí)設(shè)定的交互性等級(jí)以及計(jì)劃調(diào)整形式而不是通過(guò)直接輸入用戶確定的優(yōu)先級(jí)的用戶輸入序列。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的軟件36可將導(dǎo)出的優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)變成確定賦予特定目標(biāo)的內(nèi)部“加權(quán)”的數(shù)值。自動(dòng)約束加權(quán)是一種方法，借此每次用戶添加新目標(biāo)并進(jìn)行調(diào)整時(shí)，算法對(duì)該新目標(biāo)分配某個(gè)等級(jí)的重要度，并將另一組目標(biāo)例如50個(gè)目標(biāo)保持在其各自等級(jí)的重要度，并以對(duì)用戶無(wú)縫的方式計(jì)算那些重要度。在優(yōu)選實(shí)施例中，在每個(gè)搜索嘗試時(shí)執(zhí)行單獨(dú)優(yōu)化的一種簡(jiǎn)單搜索方法提供了這種自動(dòng)轉(zhuǎn)變。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，參考圖3，優(yōu)先級(jí)設(shè)定的實(shí)際實(shí)施可以由滑動(dòng)控件例如滑動(dòng)控件154的使用和/或常規(guī)定點(diǎn)裝置(未示出)的使用來(lái)獲得，該常規(guī)定點(diǎn)裝置操作屏幕指針163直接操控(“拖動(dòng)”)由等劑量等高線162或DVH曲線175表示的劑量。例如，從用戶的角度來(lái)看，可以使用敏感組織保留滑動(dòng)控件154′將劑量移出可以通過(guò)軟件36觀察的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在該結(jié)構(gòu)中設(shè)置零劑量的絕對(duì)目標(biāo)。但是，在軟件36的限制內(nèi)，添加新目標(biāo)實(shí)際上相當(dāng)于對(duì)由一系列加權(quán)的成本組成部分組成的總成本函數(shù)添加新的項(xiàng)，和/或改變其他項(xiàng)的加權(quán)。再者，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，拖動(dòng)劑量(等劑量等高線162或DVH曲線175)對(duì)總成本函數(shù)添加新項(xiàng)；并且控制滑動(dòng)控件154，例如將劑量推出器官，改變了預(yù)先存在項(xiàng)的其中之一。
再次參考圖3，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，可以通過(guò)交互式計(jì)劃劑量修改來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)調(diào)整直接操控等劑量等高線162(通常稱為等劑量“等高線圖”)，并直接操控DVH曲線175，其中輸出然后將是對(duì)等劑量等高線162和DVH曲線175的改變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)地更新靶區(qū)的近似DVH和OAR DVH的橫坐標(biāo)截距和/或估算的OAR的最大劑量。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在空閑期間嘗試更新它們的低優(yōu)先級(jí)線程，它們被“抓取”到充分詳細(xì)的程度。
參考圖3、4、6、7和8，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，至少有5個(gè)主要選項(xiàng)提供給用戶，用于將劑量推出腫瘤體積或相鄰的結(jié)構(gòu)體積。第一選項(xiàng)提供對(duì)受影響的腫瘤體積或組織結(jié)構(gòu)的全局調(diào)整。例如，用戶可以標(biāo)記或選擇受劑量影響的組織結(jié)構(gòu)，例如整個(gè)直腸?？梢詮南吕藛?51′中選擇結(jié)構(gòu)。用戶可以調(diào)整相關(guān)的滑動(dòng)控件154′，來(lái)減少受影響結(jié)構(gòu)中的劑量，或在相關(guān)文本框153′中輸入減少的劑量值。但是，該調(diào)整可能改變或可能不改變受影響結(jié)構(gòu)的任何特定部分中的劑量，但會(huì)集中在只要是受影響結(jié)構(gòu)的“最熱部分”或結(jié)構(gòu)中接收到最大劑量的部分。如果最熱部分也是用戶所關(guān)注的部分，則調(diào)整應(yīng)該是有效的。如果感興趣區(qū)域不是受影響結(jié)構(gòu)的最熱部分，則該調(diào)整會(huì)在它影響結(jié)構(gòu)內(nèi)感興趣的點(diǎn)時(shí)或之前影響受影響結(jié)構(gòu)的另一部分。而不是使用滑動(dòng)控件154′，用戶可改為檢查GUI150的掃描窗口160的CT或其他層析成像類型掃描161上的等劑量等高線圖162，下文對(duì)此進(jìn)行描述。
其余的用戶選項(xiàng)更靈活，且趨向于響應(yīng)上的更局部化。參考圖3和4，用戶可以檢查包括掃描窗口160的GUI 150，其中窗口160包括覆蓋或拉過(guò)受影響結(jié)構(gòu)例如直腸的等劑量等高線162。如上所述，等劑量等高線162對(duì)應(yīng)于通常投放到一部分靶區(qū)或結(jié)構(gòu)的劑量。GUI150提供對(duì)例如CT切片161上的那些等劑量等高線162的直接操控。可為用戶提供能力，以通過(guò)使用常規(guī)定點(diǎn)裝置(未示出)或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知且理解的其他適合輸入裝置來(lái)操控等劑量等高線162，其他適合輸入裝置可由屏幕指針163表示。軟件36包括允許用戶“抓取”等劑量等高線162并將其“拖動(dòng)”到所選位置的算法。但是，輻射不僅僅讓人進(jìn)行孤立的改變。當(dāng)用戶釋放定點(diǎn)裝置對(duì)感興趣的等劑量等高線162的“抓取”時(shí)，其他參數(shù)也將相應(yīng)地改變。該釋放命令算法輸出新的計(jì)劃，其中調(diào)整的等劑量等高線162構(gòu)成添加的約束。新的等劑量等高線“等高線圖”提供由拖動(dòng)感興趣的等劑量等高線162所導(dǎo)致的主反饋。
直接操控一個(gè)等劑量等高線162可使等劑量等高線162或在不同位置的另一個(gè)等劑量等高線162′凸出。通過(guò)這種可視化，用戶就可以確定因未請(qǐng)求的偏離而導(dǎo)致的變化是否是不利的，并且如果不利，則確定到何種程度。參考圖4，可以選擇或“點(diǎn)擊”表示偏離劑量的等劑量等高線162′，并將其拖過(guò)或拖出受影響結(jié)構(gòu)。例如，用戶可以點(diǎn)擊該等劑量等高線162′并將其拖出直腸。當(dāng)釋放定點(diǎn)裝置或鼠標(biāo)按鈕(未示出)時(shí)，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35將基于用戶先前請(qǐng)求的一切結(jié)合劑量不進(jìn)入先前受影響的結(jié)構(gòu)例如直腸的約束，來(lái)重新計(jì)算另一個(gè)新計(jì)劃。在此備選方案中，該調(diào)整主要僅影向感興趣的“熱點(diǎn)”，而非整個(gè)靶區(qū)或結(jié)構(gòu)。拖動(dòng)感興趣的等劑量等高線162的概念上的影響是，改變了等劑量等高線162、162′曲線穿過(guò)患者的路線。
注意“正?！眱?yōu)化過(guò)程優(yōu)化用戶定義的約束的邊界內(nèi)的輻射束方向和/或強(qiáng)度。元數(shù)據(jù)優(yōu)化過(guò)程代之可以迭代地調(diào)整約束本身，以實(shí)現(xiàn)與引入的治療計(jì)劃的那些目標(biāo)一致的目標(biāo)。一種元數(shù)據(jù)優(yōu)化可以平衡上述約束的強(qiáng)度，以便確保它們剛好強(qiáng)到足夠被滿足。再者，響應(yīng)最大和/或最小劑量值164、165(圖9)的輸入，軟件36可以約束用戶對(duì)等劑量等高線的操控，以防止不期望的附屬劑量變化，如上文所述。
再次參考圖4，以數(shù)學(xué)方式拖動(dòng)劑量在開始拖動(dòng)點(diǎn)191與停止拖動(dòng)點(diǎn)192之間形成了線190。在計(jì)算上，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的軟件36的一種算法試圖確保感興趣的特定等劑量等高線162′不與通過(guò)拖動(dòng)形成的線190交叉。也就是說(shuō)，沿著線190建立的約束可實(shí)施為，在非期望的劑量水平大于期望的劑量水平的情況下，將沿著用戶選擇的線的劑量約束為不超過(guò)期望的劑量水平的值水平，并可實(shí)施為在非期望的劑量水平小于期望的劑量水平的情況下，將沿著用戶選擇的線的劑量約束為不低于期望的劑量水平的值水平。
在非期望的劑量位于開始拖動(dòng)點(diǎn)與停止拖動(dòng)點(diǎn)191、192之間的情況下，該目標(biāo)還可以通過(guò)對(duì)沿著從開始拖動(dòng)點(diǎn)191到結(jié)束點(diǎn)192的線190的劑量取平均來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后，在線190起始于劑量高于沿著線190的平均劑量的點(diǎn)時(shí)，該算法使計(jì)量上升，而在平均劑量較高時(shí)，使計(jì)量下降。例如，如果半島形劑量突入到一個(gè)器官中，則開始點(diǎn)191可以在例如70 Gy的等劑量等高線162′處?？梢酝ㄟ^(guò)拖動(dòng)該等劑量等高線162穿過(guò)例如80 Gy的另一個(gè)等劑量等高線162″，結(jié)束于70 Gy的停止點(diǎn)192，來(lái)形成線190。如果沿著該線的平均是73 Gy，則平均劑量會(huì)高于開始點(diǎn)，所以算法會(huì)假設(shè)用戶希望將劑量沿著該線向下推。
在另一個(gè)示例中，用戶期望使用“拖動(dòng)劑量”的備選方式將“熱點(diǎn)”推出健康組織結(jié)構(gòu)的部分之外。用戶通過(guò)利用與屏幕指針163相關(guān)的定點(diǎn)裝置操控等劑量等高線162來(lái)拖動(dòng)劑量，并拖動(dòng)等劑量等高線162穿過(guò)“熱點(diǎn)”并在其上。此過(guò)程類似抓取等高線圖的等高線，并將該等高線拖動(dòng)到等高線圖上描繪的山脈的頂峰上，即，用戶將定點(diǎn)裝置放在剛好在波峰等高線之外的某個(gè)地方，拖動(dòng)過(guò)波峰，并在波峰的相對(duì)側(cè)上釋放重新定位的等高線。
軟件36的相關(guān)算法可以建立沿著線190的約束，以使沿著兩點(diǎn)191與192之間的線190均接收不到高于用戶最初開始拖動(dòng)時(shí)所注明的劑量水平。理想情況下，如本例所述，算法會(huì)移除山脈的波峰。但是，如果波峰非常寬，則用戶動(dòng)作可僅沿著線190的任一側(cè)并在其上切開一個(gè)新波谷。如果這樣，用戶可進(jìn)行附加的嘗試，或考慮備選方法，例如上述的全局滑動(dòng)器控制方法。注意，相應(yīng)地，在用戶代之期望擴(kuò)展等劑量等高線來(lái)增加附近區(qū)域中的輻射劑量的情況下，軟件36的相關(guān)算法可建立一個(gè)約束，以使沿著在開始拖動(dòng)點(diǎn)與結(jié)束拖動(dòng)點(diǎn)之間形成的線接收不到小于開始拖動(dòng)點(diǎn)的劑量的劑量。
或許最好如圖3和圖6所示，軟件36可包括一種算法，該算法(1)允許用戶“選擇”或“標(biāo)記”圖像切片161上具有用戶期望的劑量水平的等劑量等高線162″的部分193或其他等劑量代表值；并(2)允許用戶操控或“拖動(dòng)”用戶輸入裝置，以將沿著用戶期望的路徑194(如虛線所示)的建議的等劑量等高線從圖像切片161上的所選位置193“繪制”或“雕刻”到第二所選位置，優(yōu)選為在等劑量等高線162″的附近或與之相鄰。響應(yīng)該選擇和用戶操控輸入裝置以形成用戶期望的路徑194，軟件36將等劑量等高線162重新定位為大致與用戶期望的路徑194相鄰，由此重新形成等劑量等高線162″，并由此形成新的輻射束配置。與如上所述的等劑量等高線操控一樣，最好釋放輸入裝置命令算法輸出新的計(jì)劃，其中調(diào)整的等劑量等高線形成添加的約束。
注意，軟件36可包括用于約束上述兩種所描述的等劑量等高線操控方法以防止非期望的附屬劑量變化的供應(yīng)。用戶可以為靶區(qū)腫瘤體積或結(jié)構(gòu)體積輸入最大和最小輻射劑量值164、165(圖9)中的任一個(gè)或二者兼有。響應(yīng)于用戶輸入的最大和/或最小劑量值164、165，軟件36防止會(huì)導(dǎo)致輻射劑量偏離到用戶提供的劑量約束以外的等劑量等高線162″的移動(dòng)。
或許最好如圖7所示，軟件36可以包括一種算法該算法提供一種工具，允許用戶“選擇”或“標(biāo)記”等劑量等高線162，以在功能上“擦除”高輻射異常或熱點(diǎn)(如圖所示)、低輻射異常，或執(zhí)行更全局性的最大劑量降低。對(duì)于高輻射異常，向應(yīng)于用戶選擇等劑量等高線162″，軟件36可將等劑量等高線162內(nèi)的輻射劑量值設(shè)為約等于等劑量等高線162外的輻射劑量值。對(duì)于低輻射異常，軟件36可將等劑量等高線162內(nèi)的輻射劑量值設(shè)為約等于等劑量等高線162外的輻射劑量值。在任一種情況中，在等劑量等高線162內(nèi)的劑量移位在概念上擦除了等劑量等高線162。
與上述兩種形式的等劑量等高線操控一樣，釋放輸入裝置優(yōu)選地命令算法輸出新的計(jì)劃，其中等劑量等高線162的值改變形成了添加的約束。還有，與上述兩種形式的等劑量等高線操控一樣，軟件36還可包括用于約束等劑量等高線操控的該方法以防止非期望的附屬劑量變化的供應(yīng)。用戶可以為靶區(qū)腫瘤體積或結(jié)構(gòu)體積輸入最大和最小輻射劑量值164、165(圖9)中的任一個(gè)或二者兼有。向應(yīng)用戶所作的最大和/或最小劑量值164、165的輸入，軟件36可防止會(huì)導(dǎo)致輻射劑量偏離到用戶提供的劑量約束以外的所選等劑量等高線162內(nèi)的任何劑量變化。
或許最好如圖3和8所示，軟件36可以包括一種算法，該算法允許用戶“抓取”并“拖動(dòng)”DVH曲線175′以降低/增加接收多于預(yù)定輻射劑量水平的腫瘤體積或結(jié)構(gòu)體積的百分比，如圖8所示，降低/增加給定百分比的腫瘤體積或結(jié)構(gòu)體積的過(guò)量劑量的水平，或它們之間的中間組合。利用輸入裝置優(yōu)選地以定點(diǎn)裝置的形式，用戶可以選擇DVH曲線175′位于所選位置196的部分，它指示允許接收多于預(yù)定輻射劑量水平198的靶區(qū)腫瘤體積(或相鄰結(jié)構(gòu)體積)的百分比197。響應(yīng)于用戶利用輸入裝置沿著用戶期望的路徑將DVH曲線175′的所選部分196拖動(dòng)到另一個(gè)位置，軟件36改變?cè)试S接收多于預(yù)定輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積(或相鄰結(jié)構(gòu)體積)的百分比197，由此形成具有允許接收多于預(yù)定輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積(或相鄰結(jié)構(gòu)體積)的用戶期望百分比199的新的輻射束配置。
與如上所述的等劑量等高線操控/擦除一樣，優(yōu)選地釋放輸入裝置命令算法輸出新的計(jì)劃，其中調(diào)整的DVH 175′形成添加的約束。還有，與等劑量等高線操控/擦除一樣，軟件36還可包括用于約束用戶所作的這種類型的DVH曲線操控以防止非期望的附屬劑量變化的供應(yīng)。用戶可以為靶區(qū)腫瘤體積或結(jié)構(gòu)體積輸入最大和最小輻射劑量值的其中任一個(gè)或二者兼有。響應(yīng)于用戶所作的最大和/或最小劑量值164、165(圖9)的輸入，軟件36可防止會(huì)導(dǎo)致輻射劑量偏離到用戶提供的劑量約束以外的任何劑量變化。
參考圖3，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，為用戶提供滑動(dòng)控件155，它允許部分撤消或回滾(unroll)通過(guò)等劑量等高線162的拖動(dòng)促使的改變。如上所述，當(dāng)用戶拖動(dòng)感興趣的等劑量等高線162并然后釋放它時(shí)，用戶使等劑量等高線“等高線圖”在掃描窗口160中重新繪制輻射治療計(jì)劃(“檢查點(diǎn)”)的新圖片。由此，向用戶呈現(xiàn)確定“建議的”改變的效果所需的信息。在概念上，用戶已請(qǐng)求了輻射治療計(jì)劃中的改變，而不知道有什么折衷或這些改變涉及到什么。盡管如此，用戶一般需要認(rèn)識(shí)到什么附屬地發(fā)生變化以及建議的修改影響該附屬變化的程度。由此，向用戶呈現(xiàn)滑動(dòng)控件155(部分撤消滑動(dòng)器)，其中用戶可以滑動(dòng)滑動(dòng)器155的滑柄157以漸增地“回退”建議的修改。雖然其他方法在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是優(yōu)選地通過(guò)在計(jì)劃優(yōu)化軟件36所用的采樣點(diǎn)的劑量值之間的線性插值(對(duì)應(yīng)于射束強(qiáng)度的線性插值)來(lái)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)器155的功能，下文對(duì)此予以更詳細(xì)描述。
部分撤消滑動(dòng)器155基本相當(dāng)于回退裝置，它自動(dòng)封裝用戶進(jìn)行的最后調(diào)整。再者，在優(yōu)選實(shí)施例中，部分撤消滑動(dòng)器155的缺省狀態(tài)是，在釋放感興趣的等劑量等高線162時(shí)其滑柄157位于最右端位置，且掃描窗口160相應(yīng)地顯示修改的計(jì)劃。如果用戶將滑動(dòng)器滑柄157完全滑動(dòng)到左邊，則算法完全撤消該修改。將滑柄157滑動(dòng)回右邊，則完全重新建立該修改，以便用戶可以實(shí)時(shí)地完全或隨著用戶來(lái)回滑動(dòng)滑柄157而漸增地實(shí)現(xiàn)修改的效果。有利地，用戶可以更容易地理解折衷的程度。用戶可以選擇任何中間點(diǎn)來(lái)查看調(diào)整之前的計(jì)劃配置和調(diào)整的結(jié)果。
例如，用戶復(fù)查覆蓋GUI 150的掃描窗口160中圖像161的等劑量等高線162，并確定正在向健康器官結(jié)構(gòu)如直腸投放過(guò)多的劑量。用戶利用與屏幕指針163相關(guān)聯(lián)的定點(diǎn)裝置，并抓取感興趣的等劑量等高線162，相應(yīng)地將劑量完全地推出直腸。在該示例中，假定導(dǎo)致小于所期望的調(diào)整導(dǎo)致了附屬區(qū)域。用戶不滿意該調(diào)整結(jié)果，則試驗(yàn)以通過(guò)來(lái)回移動(dòng)部分撤消滑動(dòng)器155的滑柄157來(lái)調(diào)整，隨著每次漸增都檢查在屏幕上改變的等劑量等高線162。在用戶移動(dòng)部分撤消滑動(dòng)器155的滑柄157時(shí)，使等劑量等高線162“流動(dòng)性地”移進(jìn)和移出直腸，用戶選擇對(duì)應(yīng)于最佳可能折衷的等劑量等高線位置。當(dāng)釋放部分撤消滑動(dòng)器155的滑柄157時(shí)，算法提供更新的治療計(jì)劃。然后用戶繼續(xù)結(jié)果的檢查，并相應(yīng)地作出其他改變。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35提供用于內(nèi)插注量圖的能力。該能力為用戶提供了檢查多個(gè)參考計(jì)劃方案之間完整范圍的選項(xiàng)的靈活性。例如，在本發(fā)明實(shí)施例中，部分撤消算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)滑動(dòng)控件155，如上所述，它具有允許用戶快速執(zhí)行改變的部分撤消的作用。在其最簡(jiǎn)單的形式中，改變的部分撤消功能考慮到平均治療計(jì)劃的創(chuàng)建，即，例如相當(dāng)于在概念上是調(diào)整前的計(jì)劃與調(diào)整后的計(jì)劃之間的“中途”的計(jì)劃方案。相關(guān)算法可以平均劑量(劑量矩陣之間的插值)，并平均推導(dǎo)出感興趣的劑量的注量模式(射束強(qiáng)度分布之間的插值)。只要該算法受限于某個(gè)集合的約束，算法就能以響應(yīng)方式執(zhí)行該操作，并會(huì)產(chǎn)生在調(diào)整前的治療計(jì)劃與調(diào)整后的治療計(jì)劃之間的連續(xù)區(qū)內(nèi)所選的治療計(jì)劃。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35根據(jù)期望的時(shí)間性能提供對(duì)約束的不同等級(jí)的此類限制。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃系統(tǒng)35提供了在“檢查點(diǎn)”之間插值的能力。一些治療計(jì)劃系統(tǒng)提供了用于以更新版本的形式保存或臨時(shí)存儲(chǔ)治療計(jì)劃的多個(gè)迭代以供后續(xù)比較和允許回溯的部件。為用戶提供了實(shí)時(shí)控制，允許用戶建立任何兩個(gè)計(jì)劃(“檢查點(diǎn)”)作為單個(gè)連續(xù)區(qū)上的端點(diǎn)，由此在探索各種可能發(fā)生的可能性方面為用戶提供了增強(qiáng)的速度和自由度。參考圖3，GUI顯示器150可包括按鈕158、下拉菜單(未示出)或允許訪問(wèn)到計(jì)劃列表的類似裝置，以及按鈕158′、下拉菜單(未示出)或者能夠?qū)?dāng)前計(jì)劃添加到列表的類似裝置。在檢查點(diǎn)之間插值功能可允許用戶作一些改變，將修改的計(jì)劃存儲(chǔ)為另一個(gè)版本，并然后稍后再調(diào)用任何先前版本，以便基本上在那些版本或先前版本之間的連續(xù)區(qū)內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)，或利用當(dāng)前的顯示計(jì)劃，以進(jìn)一步設(shè)計(jì)更可能發(fā)生的版本。
在概念上，在檢查點(diǎn)之間插值功能是多層次撤消，它可以在功能上利用評(píng)估/優(yōu)化采樣點(diǎn)的劑量值之間的線性插值。但是該功能不限于僅比較利用本系統(tǒng)工具創(chuàng)建的計(jì)劃的先前版本。兩個(gè)檢查點(diǎn)之間的插值可通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)首先確定表示在不同平臺(tái)上創(chuàng)建的第一和第二檢查點(diǎn)的輻射劑量分布的相應(yīng)一組點(diǎn)中每一個(gè)處的輻射劑量值。注意，雖然其他方法也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是該功能優(yōu)選地使用在表示第一和第二檢查點(diǎn)的輻射劑量分布的多組點(diǎn)的輻射劑量值之間應(yīng)用的線性插值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
計(jì)劃優(yōu)化軟件36可以通過(guò)輻射束強(qiáng)度的離散化將中間(或最后)建議的輻射治療計(jì)劃轉(zhuǎn)換成可投放的離散輻射治療計(jì)劃，將該輻射束配置形成與預(yù)先選擇的投放裝置39如適形放療投放裝置兼容的相應(yīng)輻射束強(qiáng)度設(shè)置。軟件36就可以自動(dòng)以圖形方式向用戶顯示可投放的離散輻射治療計(jì)劃。這可通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)提供受輻射劑量分布中每個(gè)點(diǎn)處或表示輻射劑量分布的采樣集合處的輻射劑量值約束的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。
為了允許在當(dāng)前代計(jì)算機(jī)硬件上實(shí)施上文引用的實(shí)時(shí)交互式計(jì)劃調(diào)整，可以定義或重新聲明處理各個(gè)優(yōu)化算法的計(jì)算機(jī)頻繁優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，以使它可與快速(臨時(shí))優(yōu)化兼容，而在性能上沒(méi)有顯著降低。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可提供具有目標(biāo)組成部分的單調(diào)一階導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化。計(jì)算計(jì)劃設(shè)備35可以提供一種算法，它將這些目標(biāo)重新公式化，以使目標(biāo)函數(shù)的每個(gè)組成部分在其一階導(dǎo)數(shù)中是單調(diào)的，以便在執(zhí)行優(yōu)化所需的時(shí)間上實(shí)現(xiàn)顯著縮減。通過(guò)集中關(guān)注計(jì)算機(jī)必須頻繁優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，而非優(yōu)化的每個(gè)目標(biāo)函數(shù)，能以最小的計(jì)算工作量實(shí)現(xiàn)計(jì)算時(shí)間上的顯著縮減。注意，盡管如此，將該算法應(yīng)用于優(yōu)化的所有目標(biāo)函數(shù)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)選擇是提供時(shí)間優(yōu)化的另一種方法。為評(píng)估輻射治療計(jì)劃的各種迭代而選擇樣本點(diǎn)可顯著提高時(shí)間性能。這種采樣可以是完全隨機(jī)的，或是隨機(jī)的但具有增加與特定相關(guān)性的區(qū)域相鄰的采樣概率的偏置。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35提供一種算法，用于通過(guò)在患者體內(nèi)標(biāo)識(shí)模擬治療劑量的比典型數(shù)量少的計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)，來(lái)自動(dòng)選擇最少計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)，以增強(qiáng)速度和交互性。這些計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)充分地分布，以使軟件36“知道”重要的劑量特征。因?yàn)樾阅芘c這種計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)的數(shù)量成反比，所以算法可以標(biāo)識(shí)出滿足該標(biāo)準(zhǔn)的最小可能集合，作為計(jì)劃評(píng)估點(diǎn)數(shù)量的折衷既約束了性能又指示了精度。
例如，可能有計(jì)算劑量以用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的腫瘤的1000個(gè)不同部分，而且可能有50000個(gè)其他點(diǎn)散布在患者身上。如果算法選擇該50000個(gè)點(diǎn)，則它會(huì)提供非常精確的治療計(jì)劃描述，但是計(jì)算會(huì)花費(fèi)不可接受的時(shí)間量。如果算法僅選擇5個(gè)點(diǎn)，則結(jié)果會(huì)是非常不精確的治療計(jì)劃描述。但是，如果算法選擇500個(gè)點(diǎn)，則其精度將取決于那些點(diǎn)在策略上所處的位置。因此，各個(gè)算法可以選擇適當(dāng)位置中的最小可能數(shù)量的點(diǎn)，以便具有仍充分定義投放到患者身上的劑量的最小數(shù)量的點(diǎn)。
多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和多個(gè)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)可通過(guò)對(duì)先例輻射治療計(jì)劃的輻射劑量分布或射束配置進(jìn)行隨機(jī)采樣來(lái)獲得，如之前所述。該輻射治療計(jì)劃可以是引入的計(jì)劃或建議的輻射治療計(jì)劃的先前迭代。計(jì)劃優(yōu)化軟件36確定靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量的值。然后可通過(guò)對(duì)每個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和每個(gè)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)添加一個(gè)項(xiàng)，來(lái)構(gòu)造或修改優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。每個(gè)項(xiàng)為目標(biāo)函數(shù)提供一個(gè)極值(最小或最大約束)，其對(duì)應(yīng)于先例輻射治療計(jì)劃的輻射束配置。
注意，為了確保使用樣本點(diǎn)而非整個(gè)輻射劑量分布設(shè)計(jì)的輻射治療計(jì)劃的完整性，軟件36可單獨(dú)提供要用于計(jì)劃評(píng)估的隨機(jī)采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)與用于計(jì)劃優(yōu)化的那些采樣點(diǎn)分開且不同。也就是說(shuō)，軟件36可以構(gòu)造受與用于計(jì)劃評(píng)估的采樣點(diǎn)不同的多個(gè)計(jì)劃優(yōu)化采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值所約束的目標(biāo)函數(shù)。由此，用戶在評(píng)估建議的治療計(jì)劃，而不是僅評(píng)估軟件36所利用的數(shù)學(xué)模型。
可以通過(guò)使用選擇性的重新計(jì)算進(jìn)一步增加時(shí)間效率。例如，為了執(zhí)行評(píng)估建議的輻射治療計(jì)劃的迭代，一般為用戶提供二維圖像切片，如圖3所示的圖像161。因此，軟件36僅需要重新計(jì)算與當(dāng)前顯示的圖像161相關(guān)的計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)的輻射劑量值，而無(wú)需重新計(jì)算包括當(dāng)前未顯示的圖像的每個(gè)圖像切片的每個(gè)計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)的輻射劑量值。
還可以通過(guò)使用共軛梯度算法以確定和顯示每個(gè)靶區(qū)或結(jié)構(gòu)的輻射劑量最小和最大值來(lái)進(jìn)一步增加時(shí)間效率。例如，軟件36可以為靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的每一個(gè)標(biāo)識(shí)具有最高輻射劑量值的小集合采樣點(diǎn)(例如5個(gè)采樣點(diǎn))和具有最低輻射劑量值的小集合采樣點(diǎn)。軟件36可將梯度上升算法應(yīng)用于具有最高輻射劑量值的每個(gè)小集合，以確定和顯示(圖10)靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量最大值166。相應(yīng)地，軟件36可將梯度下降算法應(yīng)用于具有最低輻射劑量值的小集合，以確定和顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量最小值167。利用小集合的采樣點(diǎn)而非所有采樣點(diǎn)或整個(gè)輻射劑量分布，顯著地縮減了計(jì)算靶區(qū)和結(jié)構(gòu)的最小和最大輻射劑量值所需的時(shí)間。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，算法還可產(chǎn)生兩個(gè)不同集合的計(jì)劃評(píng)估采樣第一集合與在目標(biāo)函數(shù)中評(píng)估的點(diǎn)(即，有助于反饋的那些點(diǎn))一致。第二集合與用于制定DVH曲線和其他統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)一致。該算法比算法計(jì)算DVH曲線和其他統(tǒng)計(jì)更頻繁地評(píng)估該目標(biāo)函數(shù)。因此算法能負(fù)擔(dān)得起將更多點(diǎn)用于后一個(gè)集合。因此，該算法通過(guò)在需要重新計(jì)算目標(biāo)函數(shù)時(shí)使用更小子集的點(diǎn)而獲得了時(shí)間效率。
可添加快速IMRT投放效率提高滑動(dòng)控件156或其他適合的工具(圖3)，以提供附加的約束，該附加約束可通過(guò)添加可以主導(dǎo)優(yōu)化過(guò)程的附加成本組成部分并由此最小化其他組成部分的作用來(lái)用于約束解。也就是說(shuō)，可將與輻射束場(chǎng)段(field segment)數(shù)量成比例的約束和與平均輻射束衰減(適于強(qiáng)度調(diào)制的放療系統(tǒng))成比例的約束添加到目標(biāo)函數(shù)，作為控制輻射治療計(jì)劃的效率的方法。這種約束的組合使用戶能夠控制劑量測(cè)定質(zhì)量(計(jì)劃較好地滿足與劑量分布相關(guān)的臨床目標(biāo)的程度)與投放效率(投放速度)之間的折衷。
例如，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如果劑量測(cè)定成本(與劑量分布質(zhì)量相關(guān)的成本)低于最大可接受水平，則總成本劑量不包括投放成本的分量，例如，總成本＝劑量測(cè)定成本。但是，如果劑量測(cè)定成本高于最大可接受水平，則可由投放成本來(lái)約束總成本，例如總成本＝劑量測(cè)定成本+LS*(投放成本-可接受水平)；其中LS是大正數(shù)，并且“投放成本”與投放的時(shí)間效率相關(guān)。如果投放裝置39的復(fù)雜度基于總的監(jiān)視單元，而非總的分段計(jì)數(shù)(如MIMiC的情況)，則“投放成本”可定義為下式DeliveryCost=Σb=0NumPencilBeams-1(1-RelativeIntensity[b])NumPencilBeams;]]>其中NumPencilBeams是擊中靶區(qū)腫瘤體積的筆束的數(shù)量，并且RelativeIntensity范圍是從0到1，其中1表示全照射。為了有效率的計(jì)劃，準(zhǔn)直儀葉片對(duì)于大多數(shù)時(shí)間是打開的。對(duì)于無(wú)效的計(jì)劃，RelativeIntensity接近0。
再次參考圖2A、2B和2C，計(jì)劃系統(tǒng)30的下一步通常描述為儀器調(diào)試(Fitting)步驟108。使輻射束位置和射束加權(quán)或輻射束分段的射束強(qiáng)度的最優(yōu)結(jié)果集合與投放裝置39的投放能力適應(yīng)。換言之，當(dāng)使用各種滑動(dòng)控件如滑動(dòng)控件154并使用屏幕指針163拖動(dòng)等劑量等高線162等完成治療計(jì)劃的微調(diào)時(shí)，下一個(gè)主要步驟是進(jìn)行對(duì)于所選投放裝置39的類型唯一的適當(dāng)轉(zhuǎn)換，并將制定的輻射治療計(jì)劃傳送到所選的投放裝置39，用于治療患者。注意，雖然圖示為單獨(dú)的步驟，但在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，儀器調(diào)試步驟108優(yōu)選地在功能上與計(jì)劃優(yōu)化步驟107組合在一起。
軟件36提高多個(gè)不同的輸出，具體取決于所選的裝置39。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可提供多個(gè)附加的其他數(shù)據(jù)和圖形，它們?cè)试S用戶驗(yàn)證結(jié)果，并允許用戶“試行”輻射治療計(jì)劃，將計(jì)劃的劑量傳送到測(cè)試設(shè)備37。這有利地為用戶提供了能力以確保治療計(jì)劃結(jié)果與計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35和用戶期望它們達(dá)到的相匹配。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，GUI顯示器150可包括按鈕(未示出)、下拉菜單(未示出)或允許用戶批準(zhǔn)輻射治療計(jì)劃的類似裝置。注意，通常用戶必須響應(yīng)于安全性協(xié)議，例如輸入密碼，以完成輻射治療計(jì)劃的批準(zhǔn)。然后，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以自動(dòng)通過(guò)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)33建立至所選投放裝置39的連接，并傳送與特定患者相關(guān)的特定輻射治療計(jì)劃。在其最基本的形式中，在該設(shè)計(jì)階段的輻射治療計(jì)劃命令投放裝置39關(guān)于要從多個(gè)不同的方向投放多少和多長(zhǎng)時(shí)間的輻射。
所設(shè)計(jì)的計(jì)劃可能或不可能總是與所選的投放裝置39兼容。各種投放裝置39的各種計(jì)劃投放機(jī)制通常要求射束注量取特定的離散值，而各種實(shí)施例的優(yōu)化器可以在離散或連續(xù)的空間工作。對(duì)于計(jì)劃優(yōu)化是在連續(xù)空間中設(shè)計(jì)的實(shí)施例，可單獨(dú)或以組合方式使用各種方法，如“模式折疊”離散化和“推導(dǎo)的波谷”離散化或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其他離散化方法，作為用于將這種最優(yōu)計(jì)劃轉(zhuǎn)換成可投放的離散計(jì)劃的機(jī)制。例如，為了通過(guò)典型多葉片準(zhǔn)直儀簡(jiǎn)化和/或加速?gòu)?qiáng)度調(diào)制的治療場(chǎng)的投放，通常在確定最優(yōu)治療注量圖時(shí)使用有限數(shù)量的離散強(qiáng)度水平。目前許多系統(tǒng)提供了多組簡(jiǎn)單的這些水平(例如0-100％，按10％的步長(zhǎng))。但是，所用的實(shí)際水平可能對(duì)治療簡(jiǎn)易性和速度都有重大影響。同樣，一個(gè)治療計(jì)劃的最優(yōu)水平通常不同于另一個(gè)的最優(yōu)水平。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35還可提供一種優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其可用來(lái)根據(jù)以具有任意輻射束強(qiáng)度值為特征的先例輻射治療計(jì)劃，設(shè)計(jì)出具有固定集合的離散輻射束強(qiáng)度值的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃。目標(biāo)函數(shù)可迭代地評(píng)估先例輻射治療計(jì)劃和從該先例輻射治療計(jì)劃導(dǎo)出的多個(gè)后續(xù)輻射治療計(jì)劃，以確定離散輻射束強(qiáng)度的組合。根據(jù)此確定，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的軟件36可提供一個(gè)具有基本上匹配先例輻射治療計(jì)劃的臨床輻射投放目標(biāo)的臨床屬性的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可保持多個(gè)輻射治療計(jì)劃的記錄，其可由優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行評(píng)估。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造為，使它可以根據(jù)評(píng)估的輻射治療計(jì)劃，推導(dǎo)出基本上匹配先例輻射治療計(jì)劃的臨床輻射投放目標(biāo)所需的離散輻射束強(qiáng)度的組合。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35包括“模式折疊”離散化算法，以提供給定治療場(chǎng)的理想注量水平的快速估算。該算法通過(guò)在注量概率分布中標(biāo)識(shí)它們來(lái)標(biāo)識(shí)注量離散化的最優(yōu)水平。在一個(gè)實(shí)施例中，算法在離散水平應(yīng)該可分解成這些水平的子集的組合的假設(shè)下執(zhí)行，使得使用log2N水平的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)N個(gè)水平。該算法通過(guò)從以各種分辨率根據(jù)注量數(shù)據(jù)推導(dǎo)的概率分布中選擇顯著的模式來(lái)工作。概率估算器通過(guò)擴(kuò)大樣本窗口，逐漸地平滑所估算的分布，直到有少于預(yù)定常量的模式為止。按照覆蓋注量好壞程度(模式的大小)及其與折疊分布的相關(guān)性(如果模式通過(guò)折疊將被加強(qiáng)則相關(guān)性較高，如果它們將被分散則相關(guān)性較低)，來(lái)評(píng)估這些模式。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35還可提供一種算法，它利用“推導(dǎo)的波谷”離散化。在預(yù)定義離散強(qiáng)度水平的情況中，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可包括一種提供啟發(fā)式技術(shù)的算法，它基于推導(dǎo)的梯度將距離從最優(yōu)值調(diào)整到鄰近的離散點(diǎn)。軟件36可以提供方向矢量，它概括了對(duì)最優(yōu)值的逼近。在軟件36利用共軛梯度方法的實(shí)施例中，方向矢量應(yīng)該是所行進(jìn)的最后方向。在軟件36利用下坡方法的情況中，方向矢量應(yīng)該是從最近的試驗(yàn)點(diǎn)到最終的最優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于推導(dǎo)的波谷離散化，一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的假設(shè)是，該方向沿著目標(biāo)函數(shù)中的淺波谷，因此它是最小梯度的方向。優(yōu)選地，將點(diǎn)P處的成本模擬為CP=Co+||P-O||(a+[b-a]||[G^×(P-O)/||P-O||]||);]]>其中CP＝在P點(diǎn)處評(píng)估的目標(biāo)函數(shù)；CO＝最低成本；O＝連續(xù)空間中的最優(yōu)點(diǎn)；以及 ＝來(lái)自優(yōu)化器的梯度單位矢量；a＝沿著G矢量的梯度；以及b＝沿著正交矢量的梯度；并且其中“a”，和“b”梯度通過(guò)估算兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)并求解來(lái)計(jì)算。
該函數(shù)將成本模擬為，最優(yōu)成本加上從當(dāng)前點(diǎn)到最優(yōu)點(diǎn)的距離的大小，乘以a矢量加上a與b矢量之間差之和，按作為梯度單位矢量與從當(dāng)前點(diǎn)到最優(yōu)點(diǎn)的線的交叉積的項(xiàng)進(jìn)行換算，除以從當(dāng)前點(diǎn)到最優(yōu)點(diǎn)的線的量值?？梢员４孢@些點(diǎn)成本，以與最終的算法提名比較，因此選擇好的初始候選點(diǎn)提高性能。該算法可以使用最接近的離散點(diǎn)，以及具有跳躍到第二接近的離散水平的尺度的至少1/4但不大于3/4的點(diǎn)，其中跳躍的尺度是基于該點(diǎn)要跳躍必須移動(dòng)的距離來(lái)選擇的。
再次參考圖2A、2B和2C，下一步是劑量模擬步驟109。該步驟在功能上與步驟105是相同的步驟，只是它是在使用本發(fā)明計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的優(yōu)化引擎進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化期間或之后執(zhí)行的。對(duì)患者的輻射劑量基于投放裝置39的控制信息來(lái)模擬。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35同時(shí)向投放裝置39和用戶提供許多輸出?！叭恕毙枰獧z查全部結(jié)果，因此，如前文所述，計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35可以提供附加圖形和數(shù)據(jù)，以讓用戶在沒(méi)有患者的情況下“試行”治療計(jì)劃，并且測(cè)量投放到測(cè)試設(shè)備37的劑量以確定計(jì)算機(jī)優(yōu)化的輻射治療計(jì)劃是否與用戶的期望一致，以及確保投放裝置39的輸出與輻射治療計(jì)劃匹配。
參考圖2A、2B和2C中的判斷框，如判斷步驟110所標(biāo)識(shí)的，用戶判斷計(jì)算機(jī)優(yōu)化的輻射治療計(jì)劃是否滿足期望。如果滿足，則用戶繼續(xù)到輸出過(guò)程和投放步驟111。如果確定計(jì)劃或結(jié)果是不可接受的、非期望的或甚至僅是易受改進(jìn)，則用戶返回(循環(huán)回)步驟107-109，并就附加修改、檢查或分析方面執(zhí)行計(jì)劃優(yōu)化步驟107，以便編輯劑量處方或移動(dòng)等劑量等高線162；關(guān)于射束的計(jì)算機(jī)優(yōu)化執(zhí)行儀器調(diào)試步驟108，以及關(guān)于執(zhí)行模擬以便復(fù)查而再次執(zhí)行劑量模擬步驟109。該循環(huán)可以繼續(xù)，直到用戶確定計(jì)劃是可接受的為止。
輸出過(guò)程和投放步驟111允許內(nèi)科醫(yī)生復(fù)查模擬的輻射劑量信息，并批準(zhǔn)用于最終患者投放的輻射計(jì)劃。在這種復(fù)查和批準(zhǔn)之后，將用于控制特定輻射投放情況的投放裝置的數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，或直接和/或間接通過(guò)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)33來(lái)發(fā)送。發(fā)送的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為特定患者的治療計(jì)劃，由此該計(jì)劃提供要投放的輻射的多少和投放的方向。該數(shù)據(jù)還可包括例如與投放裝置39相關(guān)的多葉準(zhǔn)直儀中的定時(shí)和構(gòu)件移動(dòng)的指令、輻射源設(shè)置信息以及常規(guī)的患者信息。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，用戶只需“點(diǎn)擊”一個(gè)按鈕或下拉菜單中的一個(gè)菜單項(xiàng)來(lái)啟動(dòng)相關(guān)的算法。在典型情況中，內(nèi)科醫(yī)生或技師將批準(zhǔn)該輻射治療計(jì)劃，并輸入密碼，然后這又將自動(dòng)使得建立網(wǎng)絡(luò)與投放裝置39的連接。
如前所述，圖2A圖示了利用本發(fā)明的計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35創(chuàng)建輻射治療計(jì)劃的程序，由此該設(shè)備以兩種模式操作，第一種是圖2B所示的“計(jì)劃調(diào)整”模式，而第二種是圖2C所示的“獨(dú)立”模式，它利用上述步驟的一個(gè)子集。參考圖2C，“獨(dú)立”模式包括步驟99-101，獲取腫瘤圖像并建立初始射束位置，然后跳過(guò)一般僅對(duì)于將如CORVUS計(jì)劃系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)計(jì)劃轉(zhuǎn)換成本發(fā)明計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35中計(jì)劃的表示所需的步驟102-106，然后直接跳到步驟107以進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化、步驟108以進(jìn)行儀器調(diào)試射束優(yōu)化、步驟109以進(jìn)行劑量模擬供復(fù)查、步驟110以進(jìn)行迭代循環(huán)判斷，直到計(jì)劃接受為止，并最后進(jìn)行到輸出處理和投放步驟111。
本發(fā)明的實(shí)施例包括圖形用戶界面。主要參考圖3，如計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備可以具有圖形用戶界面(GUI)150，通過(guò)該界面在功能上顯示和訪問(wèn)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。諸如GUI 150的GUI可以呈現(xiàn)按圖形形式顯示的GUI對(duì)象諸如圖標(biāo)和菜單的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序、文檔和數(shù)據(jù)文件。GUI對(duì)象可由用戶操控，以控制和激活系統(tǒng)和應(yīng)用功能。用戶可通過(guò)如鼠標(biāo)、觸摸屏或其他輸入裝置(未示出)的定點(diǎn)裝置來(lái)操控GUI對(duì)象。鼠標(biāo)是一種輸入裝置，當(dāng)它在表面上沿著相應(yīng)方向移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)了顯示屏指針，例如顯示屏指針163。鼠標(biāo)通常具有多個(gè)按鈕，可以按下(“點(diǎn)擊”)這些按鈕來(lái)選擇指針正在指向的GUI對(duì)象，以及激活該GUI對(duì)象的相關(guān)功能。GUI操作系統(tǒng)和應(yīng)用還可以稱為“指向并點(diǎn)擊”系統(tǒng)。
GUI對(duì)象可以包括用戶可選擇的界面，如下拉菜單151、復(fù)選框152、文本輸入字段153、按鈕158以及滑動(dòng)控件154(它可包括能用鼠標(biāo)或其他定點(diǎn)裝置拖動(dòng)而在釋放時(shí)引起GUI對(duì)象的相關(guān)功能的更新的水平或垂直柄或條157)。GUI 150還可以腫瘤或腫瘤切片的至少一個(gè)圖形圖像形式，如在掃描窗口160中顯示的掃描圖像161，來(lái)顯示GUI對(duì)象。GUI 150還可同時(shí)顯示其他圖形圖像，如描繪相對(duì)于腫瘤部位相關(guān)地繪制的等劑量變化的等劑量等高線162。GUI 150還可顯示以分析窗口170中的圖形顯示標(biāo)簽、計(jì)算或由應(yīng)用軟件輸入或輸出的其他統(tǒng)計(jì)的形式的至少一個(gè)GUI對(duì)象。
如前所述，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例顯示多個(gè)用戶可選擇界面，如下拉菜單151和選擇器按鈕158；至少一個(gè)掃描窗口160，諸如具有含等劑量等高線162的劑量疊加層的CT掃描圖像161；以及以屏幕顯示指針形式的“手動(dòng)工具”，它可允許用戶通常一點(diǎn)一點(diǎn)滑動(dòng)地畫出用戶認(rèn)為是腫瘤物質(zhì)的東西的輪廓。該工具通常顯示為與屏幕指針163相似的鼠標(biāo)型指針。GUI 150還可包括自動(dòng)體積結(jié)構(gòu)選擇器(未示出)，其可允許用戶僅“點(diǎn)擊”它，由此它會(huì)自動(dòng)定位腫瘤的邊界，并自動(dòng)調(diào)整非常好分辨腫瘤的位置。此外，GUI 150還可以包括用戶可選擇的界面，如下拉菜單151、151′或復(fù)選框152、152′來(lái)選擇靶區(qū)或結(jié)構(gòu)；文本輸入字段153、153′(例如劑量目標(biāo)、劑量限制)；用于調(diào)整各種參數(shù)重要度的滑動(dòng)控件154、154′、154″、用于在計(jì)劃之間插值或調(diào)整軟件性能的滑動(dòng)控件155、156；以及呈現(xiàn)各種統(tǒng)計(jì)的分析窗口170的選擇標(biāo)簽171。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，部分GUI窗口顯示150是上下文有關(guān)的。該界面包括具有可選擇組件的至少一個(gè)下拉菜單151。為了說(shuō)明目的并參考圖3，“靶區(qū)”選擇180致力于基于靶區(qū)組織器官的類型選擇不同健康組織器官。其中的特定靶區(qū)選擇將允許有關(guān)該特定靶區(qū)的相關(guān)輸入或調(diào)整。在備選實(shí)施例中，可代之以使用一系列標(biāo)簽或復(fù)選框(未示出)。優(yōu)選實(shí)施例包括用于“靶區(qū)”選擇180的下拉菜單151和用于健康組織“結(jié)構(gòu)”選擇181的下拉菜單151′。
例如，如果“靶區(qū)”腫瘤是由前列腺癌所致，則通常治療計(jì)劃的感興趣的健康組織“結(jié)構(gòu)”將包括直腸和膀胱。用戶會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)的下拉菜單151來(lái)標(biāo)識(shí)和訪問(wèn)結(jié)構(gòu)選擇181，以選擇每一個(gè)感興趣的健康器官。結(jié)合文本輸入字段153′的控制會(huì)提供能力以調(diào)整“劑量限制”或分別針對(duì)所選健康器官，即，如果用戶從列表中選擇了膀胱，則顯示的控制施加于膀胱，如果用戶從列表中選擇了直腸，則同樣的控制施加于直腸。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，GUI 150還包括選擇器按鈕，如選擇器按鈕158，其中“單擊”將啟動(dòng)相關(guān)算法。至少其中一個(gè)按鈕，按鈕158與檢查點(diǎn)有關(guān)，由此按鈕158的選擇產(chǎn)生顯示可編輯的所保存計(jì)劃的屏幕上列表。另一個(gè)按鈕158′通常啟動(dòng)算法，以將計(jì)劃與相關(guān)的約束參數(shù)一起保存。但是，與選擇器按鈕158、158′有關(guān)的功能可代之與類似于下拉菜單151的下拉菜單有關(guān)，或分配給該下拉菜單，并且反之亦然，或其他發(fā)起一個(gè)事件的GUI方法。
如上所述，GUI 150包括顯示掃描或其他圖像161的窗口160。在解剖工具步驟101和計(jì)劃優(yōu)化步驟107期間一般最著重利用掃描161。掃描161提供以完整形式或逐個(gè)切片的三維圖像的二維表示。本發(fā)明的計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35包括一種算法，它以等劑量等高線162的形式顯示和反映當(dāng)前或所選的計(jì)劃參數(shù)，如計(jì)劃輻射束強(qiáng)度?；蛘?，代替使用等劑量等高線162在個(gè)體切片上顯示劑量，用戶可以選擇以透明彩色涂層的形式進(jìn)行顯示，例如，如果有較多劑量，則較紅，而如果有較少劑量，則較藍(lán)。
或許最好如圖3和4所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，屏幕顯示定點(diǎn)裝置163，通常采用鼠標(biāo)指針或十字準(zhǔn)線的形式，對(duì)輸入裝置(未示出)作出響應(yīng)。該裝置支持上述的幾種特征。在一個(gè)實(shí)施例中，作為一種輸入劑量或結(jié)構(gòu)限制的方法，可以通過(guò)“抓取”圖形上的線或等高線來(lái)操控它們的位置，為用戶提供操控DVH曲線175的能力。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，還通過(guò)使用定點(diǎn)裝置抓取并拖動(dòng)等劑量等高線到用戶期望該等劑量等高線應(yīng)在的位置，為用戶提供能力以操控等劑量等高線本身，如等劑量等高線162、162′。在等劑量等高線例如等劑量等高線162′的圖像上拖動(dòng)，通過(guò)沿著開始拖動(dòng)點(diǎn)191與停止拖動(dòng)點(diǎn)192之間的線190建立絕對(duì)約束，來(lái)拖動(dòng)劑量。當(dāng)用戶釋放定點(diǎn)裝置對(duì)等劑量等高線162′的“抓取”時(shí)，該動(dòng)作命令軟件36的算法輸出一個(gè)新計(jì)劃，其中拖動(dòng)的線190形成附加的約束。定點(diǎn)裝置還可用于更基本的GUI功能，諸如選擇下拉菜單項(xiàng)151、“點(diǎn)擊”按鈕158、選擇復(fù)選框152或抓取滑動(dòng)控件154、155或156的滑柄157。在另一個(gè)實(shí)施例中，GUI 150提供屏幕上的劑量指示器，以指示掃描窗口160上任何給定點(diǎn)處的劑量。將定點(diǎn)裝置163定位于疊加在層析成像掃描161上的等劑量等高線上或附近，使得顯示腫瘤結(jié)構(gòu)中特定點(diǎn)的劑量值。將鼠標(biāo)在圖像上移動(dòng)將獲得連續(xù)更新的劑量測(cè)量。在另一個(gè)實(shí)施例中，隨著十字準(zhǔn)線光標(biāo)的移動(dòng)，立即在其附近顯示屏幕上的劑量值。在再一個(gè)備選實(shí)施例中，GUI 150提供直接的劑量繪制，由此用戶建立或標(biāo)識(shí)靶區(qū)或結(jié)構(gòu)，并將它們約束在所選的等劑量等高線162。在本實(shí)施例中，通常使用單獨(dú)的控件(未示出)來(lái)建立劑量繪制模式。
復(fù)選框是一種將簡(jiǎn)單信息輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)/設(shè)備的簡(jiǎn)單工具。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，其中對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35的期望輸入僅是一個(gè)項(xiàng)在優(yōu)化過(guò)程中的可選擇包含，可以利用復(fù)選框152。例如，復(fù)選框152可用于選擇前列腺作為靶區(qū)或直腸作為健康組織結(jié)構(gòu)。
文本輸入字段是一種將數(shù)值數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)/設(shè)備算法的簡(jiǎn)單工具。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，文本輸入字段153可用于輸入靶區(qū)目標(biāo)劑量和健康結(jié)構(gòu)劑量限制，雖然其他處方參數(shù)也是可能的。
滑動(dòng)器控件也是一種用于將離散和非離散可調(diào)整參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)/設(shè)備算法的簡(jiǎn)單工具。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，滑動(dòng)器控件154、155、156是輸入各種可調(diào)整參數(shù)的優(yōu)選方法。對(duì)于至少一個(gè)靶區(qū)，用戶會(huì)在“靶區(qū)劑量”所對(duì)應(yīng)的文本輸入字段153中指定期望的劑量水平。這可通過(guò)為下拉菜單151所選的至少一個(gè)靶區(qū)的每一個(gè)在文本輸入字段153中輸入數(shù)值輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，用戶會(huì)在前列腺的目標(biāo)劑量字段157中輸入數(shù)值67.25。相應(yīng)地，GUI 150顯示至少一個(gè)但通常兩個(gè)或更多個(gè)滑動(dòng)控件154、154″來(lái)設(shè)置在計(jì)算機(jī)的輻射治療計(jì)劃的計(jì)算中使用的限制?；旧希趦?yōu)選配置中，滑動(dòng)控件154、154′設(shè)為約束所選靶區(qū)的均勻度和適形度，如圖3所示。
例如，對(duì)于一些靶區(qū)腫瘤，用戶會(huì)希望約束最大劑量水平，以避免在靶區(qū)腫瘤中輸入太多的劑量。在其他情況中，用戶可能不關(guān)心劑量水平，并因此可允許計(jì)算機(jī)輸入如算法所確定的那么多的劑量，以便提供最優(yōu)計(jì)劃。在其他情況中，用戶可能關(guān)心所有靶區(qū)達(dá)到至少X的劑量水平。在又一些情況中，用戶可能關(guān)心所有靶區(qū)達(dá)到X與Y之間的劑量水平。此外，如滑動(dòng)控件154′的滑動(dòng)控件對(duì)于指令如“重要度”的結(jié)構(gòu)約束也是有效的。
又例如，在使用圖3的“靶區(qū)均勻度”滑動(dòng)控件154″時(shí)，用戶在靶區(qū)前列腺腫瘤的文本輸入字段153中輸入50 Gy的目標(biāo)劑量。計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備35然后設(shè)計(jì)并顯示在腫瘤各處顯示50 Gy的計(jì)劃。但是，由于腫瘤的形狀原因，該計(jì)劃導(dǎo)致80 Gy投放到位于腫瘤中間的某個(gè)部位。用戶確定該劑量過(guò)多。用戶選擇“靶區(qū)均勻度”滑動(dòng)控件154″，它用作對(duì)算法不允許“熱點(diǎn)”的影響輸入。用戶用鼠標(biāo)、指針或等效裝置“點(diǎn)擊”“靶區(qū)均勻度”滑動(dòng)控件154″的控制“滑柄”157，并滑動(dòng)該滑柄157。在優(yōu)選實(shí)施例中，用戶會(huì)將滑柄157滑動(dòng)到右邊。在用戶釋放裝置(鼠標(biāo)按鈕)之前不會(huì)有任何情況發(fā)生，由此滑柄157處在新位置上。釋放裝置(鼠標(biāo)按鈕)的效果導(dǎo)致重新計(jì)算并顯示修正的或新的治療計(jì)劃。運(yùn)行該特定控件甚至還有效地將劑量的變化限制在腫瘤內(nèi)。如果在屏幕160上繪制的80 Gy亮點(diǎn)或80 Gy等劑量等高線162仍存在，則滑動(dòng)滑柄157位置上的進(jìn)一步增加在功能上應(yīng)該導(dǎo)致80 Gy亮點(diǎn)或等劑量等高線162從屏幕160中消失。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，滑動(dòng)控件155結(jié)合“部分撤消”功能使用，由此提供動(dòng)態(tài)調(diào)整，以在進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)直接插值注量或劑量，并當(dāng)釋放該控件時(shí)解析插值約束參數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，類似于滑動(dòng)控件155的滑動(dòng)控件也以上述方式在“檢查點(diǎn)”(先前保存的輻射治療計(jì)劃)之間插值時(shí)起作用。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，屏幕的一小部分，分析窗口170致力于顯示選擇標(biāo)簽。選擇標(biāo)簽171(圖3、4和5A-G)用于顯示用戶在評(píng)估計(jì)劃時(shí)所用的各種計(jì)劃優(yōu)化輸出。這些標(biāo)簽包括相關(guān)的輸出信息，諸如Isodoses(等劑量)200(圖5A)；Structures(結(jié)構(gòu))201(圖5B)；Measure(測(cè)量)202(圖5C)；Win/Level(窗口/水平)203(圖5D)；DVH curves(DVH曲線)206(圖5E)；以及Stats(統(tǒng)計(jì))207(圖5F-5G)。在備選實(shí)施例中，屏幕的一小部分可致力于執(zhí)行標(biāo)簽171的功能上等效輸出的一組工具。參考圖5A，分析窗口170中的Isodose(等劑量)標(biāo)簽200顯示在GUI 150的掃描窗口160的層析成像類型掃描161中描繪的等劑量等高線162的顏色和劑量水平。參考圖5B，Structures(結(jié)構(gòu))標(biāo)簽201顯示按鈕、復(fù)選框以及提供屏幕上的結(jié)構(gòu)的外觀模板的顯示框。參考圖5C，Measure(測(cè)量)標(biāo)簽202提供一種用于對(duì)GUI 150的掃描窗口160的掃描161上的點(diǎn)處的圖像值和劑量進(jìn)行采樣的工具。參考圖5D，Win/Level(窗口/水平)標(biāo)簽203包括圖像161亮度和對(duì)比度的控件204、205。參考圖5E，DVH標(biāo)簽206顯示各種DVH。參考圖5F，Stats(統(tǒng)計(jì))標(biāo)簽207顯示為每個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)劃的實(shí)際最小、最大和平均劑量。參考圖5G，Stats(統(tǒng)計(jì))標(biāo)簽207還顯示投放機(jī)器設(shè)置的概要，當(dāng)選擇了“Delivery(投放)”指示器209時(shí)，顯示輻射值和復(fù)雜度。
重要的是要注意，雖然本發(fā)明的實(shí)施例是在完整功能系統(tǒng)的環(huán)境中描述的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的機(jī)制和/或其各方面能夠以多種形式在一個(gè)或多個(gè)處理器等上執(zhí)行的指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的形式分布，并且不管實(shí)際用于執(zhí)行分布的特定類型的信號(hào)承載介質(zhì)如何，本發(fā)明都同樣適用。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例包括諸如只讀存儲(chǔ)器(ROM)或電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)的非易失性硬編碼類型介質(zhì)、諸如軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器和CD-ROM的可記錄類型介質(zhì)以及諸如數(shù)字和模擬通信鏈路的傳輸類型介質(zhì)。
在附圖和說(shuō)明書中，已公開了本發(fā)明的典型優(yōu)選實(shí)施例及一些備選實(shí)施例，并且雖然采用了特定術(shù)語(yǔ)，但是這些術(shù)語(yǔ)僅是在描述性意義上而非限制的目的來(lái)使用的。本發(fā)明相當(dāng)詳細(xì)地具體參考了這些圖示的實(shí)施例進(jìn)行描述。但是，顯然的是，可在如前述說(shuō)明中描述的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改和改變。例如，雖然作為系統(tǒng)30的各種組件之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)33來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是這些數(shù)據(jù)也可容易地通過(guò)其他方式“手工運(yùn)送”或傳送。又例如，GUI的各種組件是可互換的，例如，復(fù)選框可由下拉菜單來(lái)替代，并且反之亦然。
權(quán)利要求
1.一種用于確定將輻射施加于腫瘤靶區(qū)體積同時(shí)最小化患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備，包括治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)，具有用于在其中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)劃優(yōu)化軟件的存儲(chǔ)器；以及輸入裝置，與所述治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信，以為用戶提供對(duì)所述計(jì)劃優(yōu)化軟件的控制功能的訪問(wèn)；通信網(wǎng)絡(luò)，與所述治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信；圖像收集裝置，通過(guò)所述通信網(wǎng)絡(luò)與所述治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信，以提供所述腫瘤靶區(qū)體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少二維圖像切片；所述計(jì)劃優(yōu)化軟件，其存儲(chǔ)在所述治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)的所述存儲(chǔ)器中，以計(jì)算方式獲得建議的輻射束配置，并以計(jì)算方式基于多個(gè)約束迭代地優(yōu)化所述建議的輻射束配置，以形成最優(yōu)輻射束配置，所述計(jì)劃優(yōu)化軟件包括圖形用戶界面，以顯示每個(gè)建議的輻射束配置的所述圖像切片、圖形對(duì)象以及輻射劑量分布的圖形表示，所述軟件適合于從所述輸入裝置接收輸入，以操控所述圖形用戶界面上顯示的輻射劑量分布的表示；以及適形放療投放裝置，通過(guò)所述通信網(wǎng)絡(luò)與所述治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信，以將所述最優(yōu)輻射束配置施加于患者。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中輻射劑量分布的所述圖形表示采取含有多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式，所述等劑量圖的所述等劑量等高線可由用戶直接操控，來(lái)改變所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的輻射劑量，以產(chǎn)生所述最優(yōu)輻射束配置。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中輻射劑量分布的所述圖形表示采取多個(gè)劑量體積直方圖的形式，至少一個(gè)劑量體積直方圖可由用戶直接操控，來(lái)改變所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的輻射劑量，以產(chǎn)生所述最優(yōu)輻射束配置。
4.計(jì)劃優(yōu)化軟件，用于確定將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置，所述軟件包括一組指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作以圖形方式顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的圖像切片；以及以圖形方式在所述圖像切片上顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，并采取包括根據(jù)第一輻射束配置的多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式，所述等劑量圖的所述等劑量等高線可由用戶直接操控，來(lái)改變所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的輻射劑量，以產(chǎn)生第二輻射束配置。
5.如權(quán)利要求4所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與定點(diǎn)裝置對(duì)接，以改變顯示的第一輻射束配置；以及響應(yīng)對(duì)所述定點(diǎn)裝置的用戶輸入，沿著連接具有期望的劑量水平的開始拖動(dòng)點(diǎn)和具有非期望的劑量水平的結(jié)束拖動(dòng)點(diǎn)的用戶選擇的線建立約束，并將所述結(jié)束拖動(dòng)點(diǎn)處的劑量水平設(shè)為基本上等于所述期望的劑量水平，從而形成第二輻射束配置。
6.如權(quán)利要求5所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，其中當(dāng)所述非期望的劑量水平大于所述期望的劑量水平時(shí)，沿著所述用戶選擇的線建立的所述約束將沿著所述用戶選擇的線的劑量約束為不超過(guò)所述期望的劑量水平的值水平，且其中當(dāng)所述非期望的劑量水平小于所述期望的劑量水平時(shí)，沿著所述用戶選擇的線建立的所述約束將沿著所述用戶選擇的線的劑量約束為不低于所述期望的劑量水平的值水平。
7.如權(quán)利要求4所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與定點(diǎn)裝置對(duì)接，以改變顯示的第一輻射束配置；以及響應(yīng)對(duì)所述定點(diǎn)裝置的用戶輸入，選擇具有用戶期望的劑量水平的等劑量等高線的第一部分，并響應(yīng)所述用戶沿著用戶期望的路徑將所述定點(diǎn)裝置從所述圖像切片上的第一所選位置拖動(dòng)到所述圖像切片上的第二所選位置，將所述等劑量等高線重新定位為基本上與所述用戶期望的路徑相鄰，從而形成第二輻射束配置。
8.如權(quán)利要求4所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與定點(diǎn)裝置對(duì)接，以改變顯示的輻射束配置；以及響應(yīng)用戶選擇根據(jù)第一輻射束配置的等劑量等高線，將所述等劑量等高線內(nèi)的輻射劑量值設(shè)為基本上等于所述等劑量等高線外的輻射劑量值，從而形成第二輻射束配置。
9.如權(quán)利要求4所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與用戶控制的輸入裝置對(duì)接，以接收所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的最小和最大輻射劑量的至少其中之一，以便定義極值輸入；以及響應(yīng)所述極值輸入，約束所述用戶的等劑量等高線操控，以防止非期望的附屬劑量變化。
10.如權(quán)利要求4所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與用戶控制的輸入裝置對(duì)接，以接收維持劑量測(cè)定質(zhì)量與維持輻射投放裝置的輻射投放效率之間的用戶期望的平衡，以定義效率閾值；以及響應(yīng)所述效率閾值，約束所述用戶的等劑量等高線操控，以將輻射投放效率維持在所述效率閾值以上。
11.計(jì)劃優(yōu)化軟件，用于確定將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置，所述軟件包括一組指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作以圖形方式顯示根據(jù)第一輻射束配置的多個(gè)劑量體積直方圖形式的所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，至少一個(gè)劑量體積直方圖可由用戶直接操控，來(lái)改變所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的輻射劑量，以產(chǎn)生第二輻射束配置。
12.如權(quán)利要求11所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與定點(diǎn)裝置對(duì)接，以改變顯示的第一輻射束配置；響應(yīng)對(duì)所述定點(diǎn)裝置的用戶輸入，選擇位于第一所選位置的劑量體積直方圖的一部分，并指示允許接收大于預(yù)定輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的第一百分比；以及響應(yīng)所述用戶利用所述輸入裝置沿著用戶期望的路徑將所述劑量體積直方圖的選擇的部分拖動(dòng)到第二所選位置，改變?cè)试S接收大于所述預(yù)定輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的各自百分比，從而形成第二輻射束配置。
13.如權(quán)利要求11所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與用戶控制的輸入裝置對(duì)接，以接收所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的最小和最大輻射劑量的至少其中之一，以定義極值輸入；以及響應(yīng)所述極值輸入，約束所述用戶的劑量體積直方圖操控，以防止非期望的附屬劑量變化。
14.如權(quán)利要求11所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作與用戶控制的輸入裝置對(duì)接，以接收輻射投放裝置的輻射投放成本與輻射投放效率之間的用戶期望的平衡，以定義效率閾值；以及響應(yīng)所述效率閾值，約束所述用戶的劑量體積直方圖操控，以將輻射投放效率維持在所述效率閾值以上。
15.計(jì)劃優(yōu)化軟件，用于根據(jù)在外部形成的輻射治療計(jì)劃確定將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置，所述軟件包括一組指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作接收由外部系統(tǒng)創(chuàng)建的具有定義第一輻射劑量分布的第一輻射束配置的第一輻射治療計(jì)劃；以及構(gòu)造具有對(duì)應(yīng)于第一輻射治療計(jì)劃的第一輻射束配置的極值的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以形成具有大致與第一輻射劑量分布相同的第二輻射劑量分布的第二輻射治療計(jì)劃。
16.如權(quán)利要求15所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，其中當(dāng)由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的所述指令還使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作通過(guò)對(duì)第一輻射治療計(jì)劃的第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和多個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)；確定所述多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和所述多個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的第一輻射劑量值；以及通過(guò)對(duì)每一個(gè)所述多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和每一個(gè)所述多個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)添加一項(xiàng)，形成所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其中各項(xiàng)為所述目標(biāo)函數(shù)提供極值，并且其中選擇與所述靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)相關(guān)的項(xiàng)，以便在第二輻射治療計(jì)劃的任一個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)處的第二輻射劑量值與各自第一輻射劑量值基本上不同時(shí)，所述目標(biāo)函數(shù)懲罰輻射劑量。
17.如權(quán)利要求15所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，其中所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括多個(gè)約束，并且其中當(dāng)由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的所述指令還使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作確定第一輻射劑量分布；以及通過(guò)迭代地調(diào)整所述多個(gè)約束的至少其中之一，形成所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以使所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的極值對(duì)應(yīng)于大致與第一輻射劑量分布相同的輻射劑量分布。
18.如權(quán)利要求15所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，其中當(dāng)由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的所述指令還使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作通過(guò)對(duì)第一輻射治療計(jì)劃的第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和多個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)；確定定義采樣的輻射劑量分布的所述多個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)和所述多個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的第一輻射劑量值；響應(yīng)所述采樣的輻射劑量分布，確定每個(gè)靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的劑量-體積統(tǒng)計(jì)；以及通過(guò)對(duì)所述靶區(qū)腫瘤體積劑量-體積統(tǒng)計(jì)和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積劑量-體積統(tǒng)計(jì)的每一個(gè)的目標(biāo)函數(shù)添加一項(xiàng)，形成所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其中各項(xiàng)為所述目標(biāo)函數(shù)提供極值，并且其中選擇與所述靶區(qū)腫瘤體積劑量-體積統(tǒng)計(jì)相關(guān)的項(xiàng)，以便在第二輻射治療計(jì)劃的任一個(gè)靶區(qū)腫瘤體積采樣點(diǎn)處的第二輻射劑量值基本上與各自第一輻射劑量值非期望地不同時(shí)，所述目標(biāo)函數(shù)懲罰所述靶區(qū)腫瘤體積的所述劑量-體積統(tǒng)計(jì)。
19.計(jì)劃優(yōu)化軟件，用于根據(jù)一對(duì)輻射治療計(jì)劃確定將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置，所述軟件包括一組指令，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作訪問(wèn)第一和第二輻射治療計(jì)劃，各輻射治療計(jì)劃定義檢查點(diǎn)，建立兩個(gè)檢查點(diǎn)作為單個(gè)連續(xù)區(qū)上的端點(diǎn)；與用戶控制的輸入裝置對(duì)接；以及響應(yīng)所述用戶控制的輸入裝置的用戶操控，在所述兩個(gè)檢查點(diǎn)之間插值，以形成并顯示中間建議的輻射治療計(jì)劃。
20.如權(quán)利要求19所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，其中當(dāng)由所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)使所述計(jì)算機(jī)在所述兩個(gè)檢查點(diǎn)之間插值的所述指令還使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作確定包括第一檢查點(diǎn)的輻射劑量分布的多個(gè)點(diǎn)的每一個(gè)處的第一輻射劑量值；確定包括第二檢查點(diǎn)的輻射劑量分布的多個(gè)相應(yīng)點(diǎn)的每一個(gè)處的第二輻射劑量值；以及在相應(yīng)的第一和第二輻射劑量值之間線性地插值。
21.如權(quán)利要求20所述的計(jì)劃優(yōu)化軟件，其中所述中間建議的輻射治療計(jì)劃包括由多個(gè)輻射束強(qiáng)度組成的輻射束配置，所述軟件還包括一組指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述指令時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如下操作通過(guò)將所述多個(gè)輻射束強(qiáng)度離散化成與預(yù)先選擇的適形放療投放裝置兼容的相應(yīng)多個(gè)輻射束強(qiáng)度設(shè)置，將所述中間建議的輻射治療計(jì)劃轉(zhuǎn)換成可投放的離散輻射治療計(jì)劃；以及以圖形方式顯示所述可投放的離散輻射治療計(jì)劃。
22.一種用于確定將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置的方法，所述方法包括如下步驟以圖形方式顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的圖像切片；以圖形方式在所述圖像切片上顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量，并采取包括根據(jù)定義第一治療計(jì)劃的第一輻射束配置的多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式；以及利用定點(diǎn)裝置操控所述等劑量圖的顯示的等劑量等高線的至少其中之一，以形成并顯示定義第二輻射治療計(jì)劃的第二輻射束配置。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中操控所述顯示的等劑量等高線的至少其中之一的步驟包括如下步驟利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式選擇位于第一所選位置并具有期望的第一劑量水平的等劑量等高線的一部分；利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式將所述等劑量等高線的選擇的部分從所述圖像切片上的第一所選位置拖動(dòng)到具有非期望的第二劑量水平的所述圖像切片上的第二所選位置；以及響應(yīng)第一劑量水平從第一所選位置到第二所選位置的移動(dòng)，將第二所選位置的第二劑量水平設(shè)為基本上等于期望的第一劑量水平，從而形成第二治療計(jì)劃。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括如下步驟在所述圖像切片上的第一和第二所選位置之間建立約束，其中當(dāng)所述非期望的劑量水平大于所述期望的劑量水平時(shí)，所述約束將正好在第一和第二所選位置之間的劑量約束為不超過(guò)所述期望的劑量水平的值水平，并且其中當(dāng)所述非期望的劑量水平小于所述期望的劑量水平時(shí)，所述約束將正好在第一和第二所選位置之間的劑量約束為不低于所述期望的劑量水平的值水平。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中操控所述顯示的等劑量等高線的至少其中之一的步驟包括如下步驟利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式選擇位于第一所選位置并具有用戶期望的劑量水平的等劑量等高線的一部分；利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式標(biāo)記從所述圖像切片上第一所選位置到所述圖像切片上與所述等劑量等高線的分開部分相鄰的第二所選位置的用戶期望的路徑，基本上包圍所述圖像切片中由所述等劑量等高線包圍的部分；以及響應(yīng)所述用戶期望的路徑的所述標(biāo)記，形成具有被約束為與所述用戶期望的路徑相鄰的所述期望的劑量水平的第二治療計(jì)劃。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其中操控所述顯示的等劑量等高線的至少其中之一的步驟包括如下步驟利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式選擇根據(jù)第一輻射束配置的等劑量等高線；以及響應(yīng)所述等劑量等高線的選擇，將所述等劑量等高線內(nèi)的輻射劑量值矯正為大致等于所述等劑量等高線外的輻射劑量值的值，從而形成第二輻射束配置。
27.一種用于確定將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射束配置的方法，所述方法包括如下步驟以圖形方式顯示根據(jù)定義第一治療計(jì)劃的第一輻射束配置的多個(gè)劑量體積直方圖形式的所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量；以及利用定點(diǎn)裝置操控顯示的劑量體積直方圖的至少其中之一，以形成并顯示定義第二治療計(jì)劃的第二輻射束配置。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中操控所述顯示的劑量體積直方圖的至少其中之一的步驟包括如下步驟利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式選擇在第一所選位置的劑量體積直方圖的一部分，并指示允許接收大于預(yù)先選擇的輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的第一百分比；利用所述定點(diǎn)裝置以圖形方式將所述劑量體積直方圖的選擇的部分從第一所選位置沿著用戶期望的路徑拖動(dòng)到第二所選位置，第二所選位置指示允許接收大于預(yù)先選擇的輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的第二百分比；以及響應(yīng)所述劑量體積直方圖的所述選擇的部分從第一所選位置到第二所選位置的移動(dòng)，改變?cè)试S接收大于所述預(yù)定輻射劑量水平的靶區(qū)腫瘤體積或非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的百分比，從而形成第二輻射束配置。
29.一種用于根據(jù)在外部形成的治療計(jì)劃形成將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃的方法，所述方法包括如下步驟提供計(jì)算機(jī)和圖像收集裝置，以獲得所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少二維圖像；提供圖形用戶界面，以顯示所述圖像并顯示用戶界面選項(xiàng)；在所述圖像中標(biāo)識(shí)所述靶區(qū)腫瘤體積和重要的非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積；接收由外部系統(tǒng)創(chuàng)建的具有第一輻射束配置的第一輻射治療計(jì)劃；以及響應(yīng)第一輻射治療計(jì)劃，構(gòu)造具有對(duì)應(yīng)于第一輻射治療計(jì)劃的第一輻射束配置的極值的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。
30.一種用于形成將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃的方法，所述方法包括如下步驟提供適于實(shí)現(xiàn)所述最優(yōu)輻射治療計(jì)劃的適形放療投放裝置，所述投放裝置其特征在于具有輻射束投放強(qiáng)度以及分別由所述最優(yōu)輻射治療計(jì)劃控制的多個(gè)輻射束場(chǎng)段；構(gòu)造具有多個(gè)約束的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以形成所述最優(yōu)輻射治療計(jì)劃；以及對(duì)所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)添加與輻射束場(chǎng)段的數(shù)量成比例的約束和與平均輻射束衰減成比例的約束的至少其中之一，從而控制所述最優(yōu)輻射治療計(jì)劃的效率。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中當(dāng)時(shí)間效率降低到所選閾值以下時(shí)，與輻射束場(chǎng)段的數(shù)量成比例的所述約束在值上增加。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其中與平均輻射束衰減成比例的所述約束控制在輻射治療期間要投放的無(wú)效輻射的總量。
33.一種通過(guò)二維輻射劑量分布的重新計(jì)算和顯示來(lái)便于對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃進(jìn)行交互式調(diào)整的方法，所述方法包括如下步驟以圖形方式顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的圖像切片；同時(shí)以圖形方式在所述圖像切片上顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量分布，并采取包括根據(jù)定義第一治療計(jì)劃的第一輻射束配置的多個(gè)等劑量等高線的等劑量圖的形式；以及改變所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的至少其中之一的所述輻射劑量分布，以形成定義第二治療計(jì)劃的第二輻射束配置；僅重新計(jì)算在顯示的圖像切片上所顯示的所述二維劑量分布；及顯示重新計(jì)算的二維劑量分布。
34.一種通過(guò)劑量-體積統(tǒng)計(jì)的重新計(jì)算和顯示來(lái)便于對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃進(jìn)行交互式計(jì)劃調(diào)整的方法，所述方法包括如下步驟根據(jù)第一輻射束配置，提供靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的第一輻射劑量分布；通過(guò)對(duì)第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成第一輻射束配置的多個(gè)采樣點(diǎn)；確定所述多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；以圖形方式顯示根據(jù)所述多個(gè)采樣點(diǎn)的輻射劑量值定義劑量-體積統(tǒng)計(jì)的多個(gè)劑量體積直方圖形式的所述靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的輻射劑量；改變所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的至少其中之一的輻射劑量分布，以形成第二輻射束配置；重新計(jì)算所述多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；以及根據(jù)所述多個(gè)采樣點(diǎn)的重新計(jì)算的輻射劑量值，顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的劑量-體積統(tǒng)計(jì)。
35.一種通過(guò)輻射治療計(jì)劃優(yōu)化來(lái)便于對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃進(jìn)行交互式計(jì)劃調(diào)整的方法，所述方法包括如下步驟根據(jù)第一輻射束配置，提供靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的第一輻射劑量分布；通過(guò)對(duì)第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成第一輻射束配置的多個(gè)采樣點(diǎn)；確定所述多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；提供由所述多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的所述輻射劑量值約束的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；應(yīng)用所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以形成第二輻射束配置；重新計(jì)算所述多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的所述輻射劑量值；以及根據(jù)所述多個(gè)采樣點(diǎn)的重新計(jì)算的輻射值，顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的所述輻射劑量分布。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述靶區(qū)腫瘤體積具有外邊界，并且其中將所述隨機(jī)采樣進(jìn)行偏置，以增加與所述靶區(qū)腫瘤體積的所述外邊界相鄰處的采樣概率。
37.一種通過(guò)輻射治療計(jì)劃優(yōu)化以及劑量-體積統(tǒng)計(jì)的重新計(jì)算和顯示來(lái)便于對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃進(jìn)行交互式計(jì)劃調(diào)整的方法，所述方法包括如下步驟根據(jù)第一輻射束配置，提供靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的第一輻射劑量分布；通過(guò)對(duì)第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成第一輻射束配置的多個(gè)計(jì)劃優(yōu)化采樣點(diǎn)，每個(gè)計(jì)劃優(yōu)化采樣點(diǎn)具有一個(gè)輻射劑量值；通過(guò)對(duì)第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，單獨(dú)地根據(jù)所述計(jì)劃優(yōu)化采樣點(diǎn)形成第一輻射束配置的多個(gè)計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)；確定所述多個(gè)優(yōu)化計(jì)劃采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；確定所述多個(gè)計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；提供由所述多個(gè)計(jì)劃優(yōu)化采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值約束的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；以圖形方式顯示根據(jù)所述多個(gè)計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)的值定義劑量-體積統(tǒng)計(jì)的多個(gè)劑量體積直方圖形式的所述靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的輻射劑量；應(yīng)用所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以形成第二輻射束配置；重新計(jì)算第二輻射束配置的所述多個(gè)計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；以及根據(jù)所述多個(gè)計(jì)劃評(píng)估采樣點(diǎn)的重新計(jì)算的值，顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的所述劑量-體積統(tǒng)計(jì)。
38.一種根據(jù)其特征在于具有任意輻射束強(qiáng)度值的輻射治療計(jì)劃形成具有一個(gè)固定集合的離散輻射束強(qiáng)度值的、用于將輻射施加于靶區(qū)腫瘤體積同時(shí)最小化對(duì)患者身上非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射的最優(yōu)輻射治療計(jì)劃的方法，所述方法包括如下步驟提供候選輻射治療計(jì)劃和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以迭代地評(píng)估所述候選輻射治療計(jì)劃；迭代地評(píng)估所述候選輻射治療計(jì)劃以形成滿足多個(gè)預(yù)先選擇的臨床目標(biāo)并具有任意輻射束強(qiáng)度值的最優(yōu)輻射束配置，定義先例輻射治療計(jì)劃；提供在所述候選輻射治療計(jì)劃的優(yōu)化期間評(píng)估的至少兩個(gè)輻射治療計(jì)劃迭代的記錄；以及響應(yīng)所述迭代的評(píng)估，根據(jù)評(píng)估的所述至少兩個(gè)輻射治療計(jì)劃，推導(dǎo)出基本上匹配所述先例輻射治療計(jì)劃的臨床輻射投放目標(biāo)所需的離散輻射束強(qiáng)度的組合，從而形成所述最優(yōu)輻射治療計(jì)劃。
39.一種通過(guò)重新計(jì)算和顯示靶區(qū)腫瘤體積和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量最小值和輻射劑量最大值來(lái)便于對(duì)建議的輻射治療計(jì)劃進(jìn)行交互式計(jì)劃調(diào)整的方法，所述方法包括如下步驟根據(jù)輻射束配置，提供所述靶區(qū)腫瘤體積和至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的輻射劑量分布；通過(guò)對(duì)第一輻射劑量分布進(jìn)行隨機(jī)采樣，形成所述輻射束配置的多個(gè)采樣點(diǎn)；確定所述多個(gè)采樣點(diǎn)的每一個(gè)處的輻射劑量值；對(duì)于所述靶區(qū)腫瘤體積和所述至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積中的每一個(gè)，標(biāo)識(shí)所述多個(gè)采樣點(diǎn)中具有最高值的第一集合和所述多個(gè)采樣點(diǎn)中具有最低值的第二集合；將梯度上升算法應(yīng)用于各第一集合，以確定并顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的所述輻射劑量最大值；以及將梯度下降算法應(yīng)用于各第二集合，以確定并顯示所述靶區(qū)腫瘤體積和所述至少一個(gè)非靶區(qū)結(jié)構(gòu)體積的所述輻射劑量最小值。
全文摘要
提供一種用于確定最優(yōu)輻射束配置的系統(tǒng)和相關(guān)方法。該系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)計(jì)劃設(shè)備，該計(jì)劃設(shè)備又包括治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)，該優(yōu)化計(jì)算機(jī)具有與治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信的存儲(chǔ)器和輸入裝置，以向用戶提供對(duì)計(jì)劃優(yōu)化軟件的控制功能的訪問(wèn)。圖像收集裝置通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信，以提供腫瘤靶區(qū)和非靶區(qū)結(jié)構(gòu)的圖像切片。計(jì)劃優(yōu)化軟件以計(jì)算方式獲得所建議的輻射束配置，然后基于約束迭代地對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以形成最優(yōu)輻射束配置。然后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與治療計(jì)劃優(yōu)化計(jì)算機(jī)通信的適形放療投放裝置向患者應(yīng)用最優(yōu)輻射束配置。
文檔編號(hào)A61N5/10GK1953782SQ200480035489
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2004年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月7日
發(fā)明者R·賴克, M·羅姆斯伯格三世 申請(qǐng)人:諾莫斯公司