用于控制imrt遞送復(fù)雜度的交互式基于劑量梯度的優(yōu)化技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并且尤其適用于輻射處置規(guī)劃，并且將尤其參考輻射處置規(guī) 劃來進行描述。然而，應(yīng)意識到，本申請也適用于其他醫(yī)學(xué)介入和處置流程。當(dāng)患者被診斷 患有癌癥時，能夠?qū)で笕舾商幹眠x項。一個處置選項是輻射治療。當(dāng)輻射治療被選擇時，根 據(jù)與患者有關(guān)的大量數(shù)據(jù)來構(gòu)建詳細的規(guī)劃。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的十年里，技術(shù)進步已提供了在強度調(diào)制輻射治療aMRT)、強度調(diào)制光子 治療（MPT)等領(lǐng)域中的大的飛躍，以改進劑量遞送。最近，研究興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)纳涫?置開始到劑量優(yōu)化的在規(guī)劃生成中涉及的各個任務(wù)自動化，以協(xié)助并減小臨床用戶的工作 量負擔(dān)的方法。
[0003] 規(guī)劃評估被分類為三個階段：1、物理評估，2、技術(shù)評估，以及3、臨床評估。通常在 規(guī)劃完成之后，由技術(shù)人員檢查規(guī)劃的物理方面和技術(shù)方面。由輻射腫瘤科醫(yī)師調(diào)查規(guī)劃 的臨床方面。當(dāng)前，基于覆蓋規(guī)劃的物理方面、技術(shù)方面和臨床方面的五種類別來評估MRT 規(guī)劃：1、幾何分析，2、劑量分布分析，3、劑量體積直方圖（DVH)分析，4、參數(shù)分析，以及5、遞 送能力分析。
[0004] 幾何分析被執(zhí)行以評估射束放置的最優(yōu)性。射束放置是非常重要的步驟。優(yōu)化的 質(zhì)量主要受射束的數(shù)量和其角度的影響。鑒于增加了MRT規(guī)劃的最優(yōu)性和遞送能力，已經(jīng) 制定出針對IMRT中的最優(yōu)射束放置的規(guī)則。
[0005] 劑量分布分析量化地驗證在軸向平面、冠狀平面和矢狀平面中的劑量分布的最優(yōu) 性。該分析能夠被進一步分裂為2D分析和3D分析。2D劑量分布分析隱含逐切片對劑量 分布進行評估。這種類型的分析被用于評估關(guān)于每個切片中的目標體積的規(guī)定劑量的正形 性。這種類型的分析也能夠揭露在目標體積中和目標體積周圍的冷點或熱點的分布。冷點 或熱點是在接收小于或大于預(yù)期劑量的輻射的目標和危險器官內(nèi)的區(qū)。3D分布分析在確定 劑量分布關(guān)于一組射束取向?qū)傮w目標體積的正形性如何時是有用的。
[0006] 劑量體積直方圖（DVH)是用于評估規(guī)劃的最優(yōu)性的有力工具。DVH以圖形2維格 式表不3維劑量分布。針對目標體積的DVH圖形地表不在覆蓋率、一致性和同質(zhì)性方面的 劑量分布的質(zhì)量。針對危險器官（0AR)的DVH曲線表示在平均劑量和最大劑量方面使0AR 幸免的效率。
[0007] 參數(shù)分析被執(zhí)行以量化地驗證劑量的最優(yōu)性。在該分析中使用的參數(shù)是：(a)針 對目標體積和0AR的最小劑量、平均劑量和最大劑量，以及（b)針對目標體積的覆蓋率指 標、一致性指標和同質(zhì)性指標。除了針對規(guī)劃評估的物理度量之外，在規(guī)劃評估中使用多個 生物度量。這些生物度量包括等效均勻劑量（EUD)、腫瘤控制概率（TCP)和正常組織并發(fā)癥 概率（NTCP)等。
[0008] 遞送能力分析被執(zhí)行以便評估在劑量遞送方面的規(guī)劃的魯棒性如何。該分析涉及 對諸如以下的參數(shù)的驗證：段數(shù)、每段的最小或平均機器跳數(shù)（MU)、最小段面積（MSA)、總 遞送時間等。MU是在輻射治療中對線性加速器的機器輸出的量度。遞送能力分析揭露了規(guī) 劃實際上是否是可遞送的。
[0009] 輻射處置規(guī)劃（RTP)評估是耗時的過程，其也要求專業(yè)技術(shù)。頂RT中使用的逆向 規(guī)劃方法學(xué)是復(fù)雜的過程，其潛在地容易受噪聲和高頻空間波動的影響，所述高頻空間波 動產(chǎn)生尖銳的注量峰和谷，例如梯度。這些特征在它們幫助實現(xiàn)被給予處置規(guī)劃系統(tǒng)的目 標時，被認為是期望的。然而，這些特征能夠?qū)е路瞧谕挠绊?，包括機器跳數(shù)（MU)的大的 增加、對幾何不確定性的敏感，以及延長的遞送時間。得到的MU與射束的強度分布中的波 動的頻率和幅度直接成比例。另一問題是由于過度的MU(Sr熱"點）而由透射和泄漏被 遞送到患者的額外劑量。當(dāng)強度模式變得更為復(fù)雜時，所計算的、定序的和遞送的強度模式 之間的差異增加。
[0010] 開發(fā)出了試圖通過減小遞送的MRT射束中的不必要的調(diào)制來增加頂RT過程的效 率的方法。解決該問題的一種方法是在優(yōu)化之后并入平滑算法，這產(chǎn)生更為連續(xù)的強度模 式，以改進遞送能力并減小過度MU。然而，通過平滑來減小射束復(fù)雜度的嘗試通常導(dǎo)致規(guī)劃 劣化，因為平滑算法不能夠區(qū)分期望的與非期望的調(diào)制的區(qū)。
[0011] 另一種方法是接受一些高強度峰對于產(chǎn)生質(zhì)量規(guī)劃而言是不必要的。能夠通過在 優(yōu)化過程中針對規(guī)劃應(yīng)用"強度限制"來避免不必要的調(diào)制。這樣的細射束強度限制方法 不準確，因為其難以確定可應(yīng)用在整個DVH規(guī)劃上的單個截止強度水平?；诳讖降捻擱T 技術(shù)，諸如直接孔徑優(yōu)化（DA0)和直接機器參數(shù)優(yōu)化（DMP0)，幫助減小一些遞送復(fù)雜度。然 而，直接基于孔徑的優(yōu)化問題比基于注量的優(yōu)化要更加難以解決得多。在基于孔徑的技術(shù) 中，良好的起始點對優(yōu)化而言是必要的，以確保高質(zhì)量規(guī)劃。對合適的最大分段數(shù)量的選擇 在直接基于孔徑的優(yōu)化方法中是重要的，以在規(guī)劃最優(yōu)性與劑量遞送能力之間尋求平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本申請?zhí)峁┝艘环N用于控制頂RT遞送復(fù)雜度的改進的基于劑量梯度的優(yōu)化技 術(shù)。
[0013] 根據(jù)本申請的一個優(yōu)選方法，提供了一種用于優(yōu)化強度調(diào)制輻射治療規(guī)劃的方 法，包括：根據(jù)初始規(guī)劃指定的設(shè)置來優(yōu)化規(guī)劃，以創(chuàng)建在射束方向視圖（eyeview)中的 經(jīng)優(yōu)化的劑量分布；根據(jù)在所述射束方向視圖中的所述經(jīng)優(yōu)化的劑量分布來生成劑量梯度 圖；并且指定針對在射束方向視圖中的用戶指定的區(qū)域的新劑量梯度。
[0014] 根據(jù)本申請的一個優(yōu)選實施例，提供了一種處置規(guī)劃優(yōu)化系統(tǒng)，包括：用戶接口， 其用于接收來自用戶的輸入；非暫態(tài)存儲器模塊，其用于存儲包括來自多個源的數(shù)據(jù)的處 置規(guī)劃數(shù)據(jù)集；以及優(yōu)化器。所述優(yōu)化器被編程為：根據(jù)初始規(guī)劃指定的設(shè)置來優(yōu)化所述 規(guī)劃，以創(chuàng)建在射束方向視圖中的經(jīng)優(yōu)化的劑量分布；根據(jù)在射束方向視圖中的所述經(jīng)優(yōu) 化的劑量分布來生成劑量梯度圖；并且指定針對在射束方向視圖中的用戶指定的區(qū)域的新 劑量梯度。
[0015] 根據(jù)本申請的另一方法，提供了一種基于劑量梯度的優(yōu)化方法，包括：根據(jù)初始規(guī) 劃指定的設(shè)置來優(yōu)化所述規(guī)劃，以創(chuàng)建針對射束方向視圖的經(jīng)優(yōu)化的劑量分布；將所述劑 量分布劃分為多個細射束；計算針對所述多個細射束中的每個細射束的第一劑量梯度值； 根據(jù)每個細射束的所述劑量梯度值來編譯劑量梯度圖；確定在每個射束方向視圖的所述劑 量梯度圖內(nèi)的不足劑量梯度；描繪在所述劑量梯度圖內(nèi)的關(guān)于所述不足劑量梯度的子區(qū) 域；指定針對所描繪的子區(qū)域的用戶劑量梯度；并且使用所述用戶劑量梯度來執(zhí)行第二優(yōu) 化。
[0016] -個優(yōu)點在于校準時間和成本得以減小。
[0017] 另一優(yōu)點是對在優(yōu)化之后的規(guī)劃質(zhì)量的可能改變的增加的可預(yù)測性。
[0018] -個另外的優(yōu)點是更容易識別過度調(diào)制的細射束。
[0019] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀并理解了以下詳細描述后將意識到本發(fā)明的另外的 優(yōu)點。
【附圖說明】
[0020] 本發(fā)明可以采取各種部件和各部件的布置的形式，并且可以采取各種步驟和各步 驟的安排的形式。附圖僅出于圖示優(yōu)選實施例的目的，而不應(yīng)被解讀為對本發(fā)明的限制。
[0021] 圖1描繪了輻射治療規(guī)劃評估系統(tǒng)的實施例。
[0022] 圖2描繪了劑量分布圖（上）和基于所述劑量分布圖的導(dǎo)出的對應(yīng)的劑量梯度圖 (下）。
[0023]圖3描繪了針對一個射束的射束方向視圖（上）以及在優(yōu)化和轉(zhuǎn)換之后的對應(yīng)的 開放密度矩陣（下）。
[0024] 圖4描繪了用于劑量梯度優(yōu)化的方法。
[0025] 圖5描繪了用初始優(yōu)化規(guī)劃的方法。
[0026] 圖6描繪了用于生成劑量梯度的方法。
[0027] 圖7描繪了用于指定新劑量梯度的方法。
【具體實施方式】
[0028] 本申請?zhí)峁┦褂没趧┝刻荻鹊膬?yōu)化來優(yōu)化頂RT規(guī)劃的功能。本申請?zhí)峁┐鎯?和訪問特定于患者的處置規(guī)劃數(shù)據(jù)的功能，其中，所述數(shù)據(jù)包括多個分布式源。本申請?zhí)峁?執(zhí)行對處置規(guī)劃的初始優(yōu)化的功能。本申請?zhí)峁┗谔幹靡?guī)劃數(shù)據(jù)來生成劑量梯度圖的功 能。本申請?zhí)峁┝酸槍υ谏涫较蛞晥D中的特定區(qū)域并且針對來自規(guī)劃中使用的多個射束 的單個射束來指定劑量梯度的功能。本申請還提供執(zhí)行對規(guī)劃的最終優(yōu)化的功能。本申請 提供接受用戶輸入并實時向用戶顯示結(jié)果以用于規(guī)劃操縱的功能。
[0029] 劑量梯度與強度調(diào)制直接成比例，使得修改梯度類似于修改劑量的強度調(diào)制。圖 1描繪了用于提供基于劑量梯度的優(yōu)化以控制處置規(guī)劃遞送復(fù)雜度的系統(tǒng)的實施例。優(yōu)化 系統(tǒng)包括用戶接口 2,所述用戶