用于治疗计划的方法和系统与流程

本公开涉及用于治疗计划的方法和系统。更具体地，本公开涉及一种用于放射治疗计划的计算机实现的方法以及配置为执行用于放射治疗计划的方法的数据处理装置、计算机程序和非瞬时性计算机可读存储介质。

背景技术：

1、放射疗法或放疗可被描述为使用电离辐射来损伤或破坏人类和动物中的不健康细胞。电离辐射可以被引导到皮肤表面上或身体内部深处的肿瘤。电离辐射的常见形式包括x射线和带电粒子。放疗技术的示例是，使用以较高强度和高精度会聚在靶向区域(例如肿瘤)的多个较低强度伽玛射线来照射患者的伽玛刀放疗的另一个示例包括使用直线加速器(linear accelerator，“linac”)，由此通过高能粒子(例如电子、高能光子等)照射靶向区域。在另一示例中，可以使用重带电粒子加速器(例如质子、碳离子等)来提供放疗。

2、可以精确地控制辐射束的放置和剂量，以向靶向区域(例如肿瘤)提供规定剂量的辐射，并减少对周围健康组织(称为危及器官或oar)的损伤。治疗计划的一个方面顾及确定要递送的辐射的合适特征以产生安全有效的剂量。例如，辐射的特征涉及到通量图样或分布。通量图样可取决于束布置、能量和场大小，束布置、能量和场大小又与可控参数(其是可优化的)相关。通过为这些参数确定合适的值，可以获得合适的通量图样。治疗计划可以由治疗计划系统确定。

3、可以使用优化程序来建立放射疗法治疗计划(治疗计划，或简称为计划)，以确定预期将会递送合适剂量的最优参数值或最优变量值的集合。优化流程可以基于临床的和剂量测量的目标和约束。临床的和剂量测量的目标和约束的示例包括靶向区域和周围区域(例如肿瘤和关键器官)的最大、最小和平均剂量。临床的和剂量测量的目标和约束可以称为治疗计划目标。通常相对于一个或多个治疗计划参数来实行优化，以缩短束开启时间、提升剂量均匀度等。

4、治疗计划流程可以包括使用患者的图像(二维或三维)来识别靶向区域并识别靶向区域附近的关键器官。可以使用分段来识别靶向区域(或要治疗的区域，例如，计划靶向体积(planned target volume，ptv)和周围区域(或危及器官(organ at risk，oar))。在分段后，可以为患者创建剂量计划，该剂量计划指示靶向区域和/或周围区域要接收的期望辐射量。靶向区域可以具有不规则的体积，并且可以在其大小、形状和位置方面有明显的区别。

5、在实际示例中，可能存在多个解剖结构(靶向区域和/或周围区域)。例如，在头颈部治疗中，可能有超过20个解剖结构。对于每个结构，可能期望遵守各种治疗计划目标。为了达成临床上可接受的计划，这些结构和它们的目标可以被分配以不同的优先级。确定满足各种目标的治疗计划是耗时且复杂的。

6、放射治疗计划的创建通常是一个耗时的过程，在该过程中，计划者可能要在考虑到各种治疗目标或约束自身的重要性的情况下，尝试遵守各种治疗目标或约束，以产生临床上可接受的放射治疗计划。在创建涉及优化流程的放射治疗计划时所面临的常见问题包括为了达成安全和满意结果所需的冗长优化时间和高计算负担。这些过程通常涉及用户部分(例如，治疗计划者、剂量师、临床医生或保健工作者)的反复试错，其可能是耗时的，并且随着进一步的目标和约束的添加而进一步复杂化。

7、因此，期望通过改进的放疗治疗计划工作流程来减少计划时间。

技术实现思路

1、根据一方面，提供了一种用于放射治疗计划的计算机实现的方法。该方法包括：接收治疗计划参数，该治疗计划参数包括患者的靶向区域的参考剂量值和周围区域的定义剂量值。该方法还包括：确定周围区域的定义剂量值是否超过阈值。该方法还包括：响应于确定周围区域的定义剂量值未超过阈值，而修改周围区域的定义剂量值，并利用周围区域的修改剂量值来将优化流程应用于用于患者的放射治疗的治疗计划。

2、参考剂量值和定义剂量值是参考目标，代表放射治疗要达成的目的。剂量值通常以戈瑞(gray，gy)的si单位提供。剂量值可以是整个所考虑区域的平均剂量值。剂量值可以是基于剂量的(例如，指示要递送到靶向区域或周围区域的吸收剂量)，或者可以是基于体积的(例如，指示要递送到靶向区域或周围区域中指定体积的吸收剂量)。剂量值可以由用户来输入，或者也可以由实施方法的计算机来接收。

3、周围区域(或邻近区域，或oar)不需要与靶向区域物理接触，而是可以包括患者的除了靶向区域以外的用户希望限制或以其他方式控制吸收剂量的区域。

4、阈值可以是固定值，或者也可以是变量值，该变量值例如作为其他参数的函数而变化。在一个示例中，阈值可以是患者的靶向区域的参考剂量值的分数(fraction)(例如，50％)。

5、如果周围区域的定义剂量值未超过阈值，则方法修改周围区域的定义剂量值。例如，如果使用了固定阈值10gy，并且定义剂量为5gy，则该方法可以增加定义剂量。在一个示例中，方法可以增加定义剂量以使其对应于阈值。如果定义剂量值已经超过阈值，方法可以进行优化而不修改定义剂量值。

6、优化流程寻求确定预期会得到达成剂量的参数，该达成剂量与周围区域的修改剂量值和靶向区域的参考剂量值尽量可行地接近(即，关于任何处理和/或时间约束)。

7、广义而言，该用于放射治疗计划的方法解决了放射治疗计划领域中出现的技术问题，即，如何改善治疗计划的生成。该方法可以提高所生成的治疗计划的准确性和生成的速度。该方法还自动化了治疗计划的生成。可以理解的是，典型用户在计划放射治疗流程时可能要求周围区域的不现实的低剂量值。例如，当靶向区域(例如，癌变质量)的参考剂量值为60gy(固体上皮肿瘤治疗的典型剂量值范围为60gy至80gy)时，用户可能会将重叠oar的定义剂量值设定为低至5gy，以确定具有对oar的最小不利影响的放射治疗计划。在该示例中，5gy目标如此低，使得优化流程非常低效率，并且通常会导致次优治疗计划。发明者已经意识到，不现实的定义剂量值的自动修改，常规地提高了优化速度和所生成的治疗计划的准确性。

8、进一步地，不现实的定义剂量值的自动修改，提高了优化的鲁棒性；优化问题(即优化流程相对于目标和/或约束而寻求优化的参数)始终保持现实和可行。从优化开始就瞄准不现实的低剂量的一些技术，严重地限制了方案的空间。这意味着，潜在地，这些技术的唯一焦点可能在于这些不现实的目标。瞄向不那么激进的目标，并基于方案的可行性而逐步降低目标，可允许优化器保持在“明智”状况。换言之，本文公开的技术使得优化能够考虑到整个方案空间、所有目标和所有约束，而不会使优化滞留在不太有利的情况或优化空间中。

9、没有本文公开的技术，其他技术提供了次优计划，其通常涉及缓慢的优化流程(因为优化器需要运行更长时间来达到一些可接受的计划)。不合理的起始值通常会导致计算机(编程语言)无法有效处理的极大的成本函数(cost function)值(例如，导致“非数值”(“not-a-number”)错误)。

10、在使流程自动化的过程中，用户不需要有选择周围区域的定义剂量值的负担，该定义剂量值在解剖结构不同的患者之间可能存在显著差异。对于所考虑的特定患者，用户可能一开始并不知道定义剂量值是否现实。方法将输入更改为更合理的起始值。

11、可选地，优化流程包括确定指示靶向区域和周围区域中的预期剂量的剂量分布。该确定可以基于靶向区域的参考剂量值和周围区域的修改剂量值(即，响应于确定周围区域的定义剂量值低于阈值而修改后的周围区域的定义剂量值)。

12、可选地，响应于确定剂量分布与周围区域的修改剂量值匹配，优化流程包括：将修改剂量值朝向定义剂量值调整。在迭代优化流程期间，可能会发生这种情况：在每一遍次(pass)期间迭代地(进一步地)修改了修改剂量值。剂量分布(或其方面，例如，靶向区域或周围区域中的预期剂量)的匹配不需要精确，而是如果两个量大致相等，例如，在1％公差内或在绝对吸收度公差内，例如在0.1gy内，则可以认为这两个量匹配。然后，优化流程重复地确定剂量分布(指示靶向区域中和周围区域中的预期剂量)，直到达到针对周围区域中剂量的停止准则为止。停止准则例如可以是收敛准则，例如是其中周围区域中的获得剂量在接连的迭代之间的变化小于定义值的收敛准则，和/或可以是基于时间的准则，例如是其中已执行了定义重复次数的优化流程的基于时间的准则。

13、以这种方式，优化流程寻求制定，与没有对剂量值的迭代修改的优化流程相比，能够以“更温和”的方式达成周围区域的约束/目标定义剂量值的治疗计划。使用逐步地、自动化的方法，在整个优化流程中，优化流程的方案空间保持了可行的计算可评估性。

14、可选地，在优化流程期间，可以按固定值来将修改剂量值朝向定义剂量值调整。替代地，可以按变量值来调整修改剂量值。例如，该值可以是定义剂量值与当前修改剂量值之间的差值的百分比。

15、可选地，靶向区域的参考剂量值可以是用于靶向区域的治疗的最小剂量值。周围区域的定义剂量值可以是在靶向区域的治疗期间周围区域的最大剂量值。这些值可以由专业从业者根据放射治疗附近的特定组织或器官来选择。

16、可选地，优化流程可以寻求使成本函数最小化。成本函数可以代表周围区域和/或靶向区域中的剂量超出值。也就是说，优化流程可以考虑将可优化参数的值映射到某个数上的函数，该函数表示至少对靶向区域和周围区域的放射治疗的“成本”。成本可以称为损失。替代地，优化流程可以替代地寻求最大化目标函数(或奖励函数、利润函数等)。

17、可选地，成本函数可以是最大剂量成本函数，其实际上是可以应用于靶向区域或周围区域的硬屏障。最大剂量成本函数涉及到每当模拟区域(例如，像素或体素)中的剂量值超过最大剂量阈值时就会发挥效力的惩罚。成本函数以最大剂量作为输入。

18、可选地，成本函数可以是串行成本函数，该串行成本函数一般与串行周围区域一起使用。串行解剖结构是指即使将高剂量限制到小体积时该高剂量也会对其造成伤害的结构。示例是脊髓和肠道。该成本函数对热点施加大额惩罚，即使它们体积较小。成本函数以等效均匀剂量和幂律指数作为输入。

19、可选地，该优化流程可以相对于一个或多个可优化参数而寻求使成本函数最小化，以达到能够以临床上可接受的准确性和预期功效来治疗患者的放射治疗计划。

20、可优化参数可以包括剂量超出值，该剂量超出值是被认为可接受的剂量违规量。可优化参数可以包括束的权重；在辐射束中，可以将束划分为多个子束，其中可以确定(假设的)单位通量下的贡献。然后，子束的权重为缩放因数，子束的单位通量可以通过该缩放因数而被缩放以达到另一通量值。可优化参数可以包括束(或子束)角度，该角度可以是束相对于参考点(例如朝向靶向区域的放疗系统的辐射头)的角度。可优化参数可以包括剂量-体积直方图信息，其提供与靶向区域或周围区域的每体积分数的累积剂量相关的信息。“分数”可以使用“分数化”的过程导出，其中，在预定时段内提供一个序列的放射疗法递送(例如，45个分数)，其中每个疗法递送包括总规定剂量的一个指定分数。可优化参数可以包括辐射束的数量。可优化参数可以包括每个辐射束的剂量。可优化参数可以包括分段或控制点形状。可优化参数可以包括分段或控制点权重。优化流程可以调适这些可优化参数中的任意或全部可优化参数。

21、可选地，用于放射治疗计划的方法可以考虑多个周围区域。也就是说，治疗计划参数可以包括多个周围区域的定义剂量值。然后，该方法可以确定对应的周围区域的每个定义剂量值是否超过相应的阈值，然后相应地修改每个对应的定义剂量值。这样，可以对患者的多个周围区域重复地应用优化流程。当然，阈值对于每个周围区域可以是相同的，或者对于每个周围区域可以是不同的(例如，考虑到不同组织之间吸收剂量率的不同可接受水平)。

22、可选地，用于放射治疗计划的方法可以考虑多个靶向区域。也就是说，治疗计划参数可以包括多个靶向区域的参考剂量值。然后，该方法可以考虑每个参考剂量值，确定周围区域的定义剂量值是否超过相应的阈值，并且可以相应地修改定义剂量值。这样，可以对患者的多个靶向区域重复地应用优化流程。当然，对于每个靶向区域，周围区域的阈值可以相同。当然，该方法可以考虑多个周围区域和多个靶向区域。可以向周围区域和靶向区域两者都分配优先级值，该优先级值指示该区域的重要性。例如，方法可以，与较低优先级的区域相比，更加强调针对较高优先级的区域达成定义剂量值或参考剂量值。在一个示例中，优化流程可以最初在高优先级区域上执行，此后再转向低优先级区域。

23、可选地，阈值(对于定义剂量值)可以是可变的，这取决于优化中使用的成本函数。当面对不现实地低的定义剂量值时，不同的成本函数可能或多或少易感到计算效率低下；在为每个对应的成本函数选择量身定制的阈值的过程中，避免了潜在的低效率。

24、可选地，治疗计划参数可以包括患者的图像，该图像包括靶向区域和周围区域。一些方法可以配置为处理或预处理图像数据。例如，一些方法可以将接收到的图像数据转换为适用于放射治疗计划优化的特定格式、大小或分辨率，和/或可以处理图像数据以执行分割，定义靶向区域和周围区域。

25、可选地，用于放射治疗计划的方法可以包括：接受向图形用户界面的用户输入，其中该用户输入包括靶向区域的剂量值和周围区域的定义剂量值。

26、可选地，用于放射治疗计划的方法可以包括：输出与治疗计划对应的参数值。参数值可以包括以下中的任意或全部：束的数量、束的角度、每束的剂量、子束权重、分段或控制点形状、分段或控制点权重、剂量-体积直方图信息、剂量超出值。这样，该方法可以输出用于放疗系统的参数值(当然，以及配置设定)，从而能够向患者递送放射计划。

27、另一方面的实施例包括数据处理装置，该数据处理装置包括存储有计算机可读指令的存储器以及处理器。处理器(或控制器电路)配置为执行指令以实行用于放射治疗计划的计算机实现的方法。

28、另一方面的实施例包括一种计算机程序，该计算机程序包括有指令，当该指令由计算机执行时，使计算机执行用于放射治疗计划的计算机实现的方法。

29、另一方面的实施例包括一种非瞬时性计算机可读存储介质，该非瞬时性计算机可读存储介质包括有指令，当该指令由计算机执行时，使计算机执行用于放射治疗计划的计算机实现的方法。

30、本文描述的系统和方法可以实施在数字电子电路中或计算机硬件、固件、软件中或其组合中。这些系统和方法还可以实施为计算机程序或计算机程序产品，即，用于执行或控制一个或多个硬件模块的操作的，有形地体现在非瞬时性信息载体中(例如在机器可读存储设备中或在传播信号中)的计算机程序。计算机程序可以呈独立程序、计算机程序部分或多个计算机程序的形式，并且可以是以任何形式的编程语言(包括编译型语言或解释性语言)书写的，并且其可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适用于在数据处理环境中使用的其他单元。

31、本公开描述在特定实施例中。其他实施例也在所附权利要求的范围内。例如，本公开的步骤可以按照不同的顺序执行，且仍然能达成期望的结果。