專利名稱：放療傳輸系統和放療治療計劃的制作方法
放療傳輸系統和放療治療計劃說明本發明涉及一種用于實現動物體的預定解剖部分放療中的放療傳輸系統。本發明還涉及一種放療治療計劃系統以及用于產生用在實現動物體的解剖部分的放療中的放療治療計劃的方法。本發明還涉及一種用于產生用在實現動物體的解剖部分的放療中的放射治療計劃的方法。本發明還涉及一種計算機程序產品，用于執行如前面所闡述的方法。在近距離放療(brachy therapy)治療應用中，利用一個或多個(通常具有套管針尖部的中空針)治療導管來穿通癌組織(例如，男性前列腺)。利用所謂的后裝 (after-loading)設備，治療導管連接在患者身體的外側，該設備具有輻射傳輸裝置，以便使一個或多個能量發射源前進通過所述導管。在治療之前由治療計劃系統生成的治療計劃解決方案中，能量發射源在導管內預定位置(并因此在治療部位內)停留了預定時間。通常，預定位置被稱作駐留位置，并且能量發射源停止在特定駐留位置處的預定時間被稱作駐留時間。駐留位置和駐留時間在治療計劃單元中通過離散優化算法計算出來。然而，一部分治療計劃解決方案包含了用于被插入導管的一組駐留位置和駐留時間，該治療計劃解決方案提供了離散治療解決方案。由于每個能量發射源在每個駐留位置停留一定駐留時間，在此位置中的放射劑量組成(fraction)顯示點狀分布，點狀分布的頂點(或高度)由在所述駐留位置處停留的駐留時間的長度以及諸如發射源的有效級的其它因素來確定。這種離散治療計劃解決方案未提供理想的治療計劃解決方案，在理想的計劃解決方案中旨在使得目標位置接收同一劑量覆蓋，并且其中，防止圍繞目標位置的健康組織接收放射。本發明涉及一種方法，其中，使得發射源在沿著導管的路徑的不連續駐留位置處停留有限駐留時間的概念被沿著多導管構造中相應導管路徑的連續移動所基本取代。具體地說，本發明的一個目的是，提供準確并且可靠的方式，以便利用多個導管以三維方式完成期望的劑量分布，其中，期望劑量分布的形狀比球體或者圓柱體更復雜并且具有充分的體積。根據本發明的一個方面，提供放射傳輸裝置以便利用為所述路徑確定的預定速度曲線沿著所述相應路徑的至少一部分移動所述至少一個能量發射源，使其以連續運動通過所述導管中的每個，通過解決用于描述空間劑量分布的函數限定的三維的優化問題而計算所述速度曲線。在一個具體實施方式
中，通過根據本發明的系統實現放射劑量和治療，適于使發射源以可變化速度移動通過導管，其中，速度隨著時間(t)變化。用于能夠在脈管樹內進行大致圓柱形的小體積放射的系統的實施方式從EP 1 057 500可知。在已知的系統中，由于劑量傳輸深度很淺，S卩，沿著容器的0. Imm長的部分距離發射源約2mm，因此，使用單個導管。已知的系統相應地適于沿著脈管導管內的軌跡來移動放射性源，軌跡與傷口的縱向尺寸完全相匹配。由于簡單的幾何形狀(圓柱形)，發射源的速度取決于發射源的劑量速率相關的線性公式、規定的在2mm處的期望劑量以及傷口的尺寸。可以理解的是，這種線性方法不適于計算來自多個導管的三維劑量分布，所述多個導管可以以非平面的方式相對于彼此延伸，特別地，當目標體積具有復雜的形狀并且體積大的，例如，具有大于Icm3的體積。應該理解的是，間歇的短程療程通常目標體積大約是 5cm3，某些時候甚至是IOcm3或者更高。本發明的技術實質取決于以下觀點，即，當符合所規定的空間劑量分布時允許沿著相應路徑精確計算速度曲線。沿著導管隨著變化速度來移動發射源，這可以被視作，以恒定速度移動但是該發射源沿著路徑具有可變的“強度”。沿著導管I的活動性函數可以如A1 (L1)所述。從連續移動發射源通過幾個導管而產生的總劑量D(I)D (χ) = Σ (A1 (L1), L1),其中，D (χ)是理想的三維劑量分布函數；D1 (A1 (L1), L1)是用于第I個導管的劑量傳遞函數，是沿著導管和導管在30(1^ = L(X1)的路徑的活動性函數A1 (L1)的形狀的函數。A1(L1)是由沿著導管的路徑L1 (X)的發射源速度v(t)，即V(L)推出的。根據另一個方面，可以利用本身已知的主分量解析(Principle Component Analysis)而求解三維劑量分布函數D (χ)，其中，任何函數B (力都能被描述為加權正交函數bj，S卩，B (χ) =Σ ^jbj ω的總和。通常，諧函數bj(i)的特征在于具有限定數量的參數。當使用適當的正交函數組時，描述B(I)所需的函數Β“ι)的諧波數量將受到限定，由此限制了優化公式中的變量的個數，從而限制了用于找出最佳解決方案的計算效果。沿著導管(A(L))的活動性因此可以分解成一系列主要分量A(L) = Σ α (L)。僅當第一 3PCA分量被用于描述活動性函數A(L)時，A(L)與A’ (L)近似，即A(L) ^ A' (L) = α (L) + α 2 (L) + α 3a3 (L)。每個函數ai(L)，a2(L)和a3(L)都是活動性函數，對此可以分別地計算出劑量分布，SPD1(X)，D2(x)和1)300。可以理解的是，根據采用的形式，正交函數還可被稱作為基礎函數。基礎函數的選擇可以是相對任意的，前提是可以足夠正確的表述。作為基礎函數的好的選擇，我們可以采用正交多項式系統，諸如切比雪夫(Chebyshev)、蓋根堡(Jacobi)、 雅可比(Gegenbauer)、勒讓德(Legendre)、拉蓋爾(Laguerre)、厄密(Hermit)多項式，而且還有基本函數，諸如德爾塔函數、線性和分步函數(piecewise step functions)，或者，諸如sine函數的更平滑函數、高斯函數、樣條(spline)和B-樣條函數可以被使用。函數可以或者可以不是嚴格正交的。然而，函數的選擇將會決定表述準確性并且將會影響表述的構件的足夠的數量。后者對于優化問題的范圍可以是重要的。發現了，使用低階基礎函數來求解空間劑量分布函數是有利的，因為實現了準確的計算結果(在期望的三維劑量分布和發射源沿著限定路徑的速度曲線方面)，其具有合理的計算時間。因此，先前的用于劑量分布的等式可以改寫為D (x) ^ D' Ν(χ) = α (χ) + α 2D2 (χ) +... + α NDN (χ)。描述D(I)所需的諧波(harmonics)的數量取決于Il D(χ)-D' Ν(χ) ||的余數的數值或者如經常在數值計算中完成，連續近似值之間的差Il D’ N(x)-D' (χ) Il。發現了，為了獲取好的結果，使用第一 3PCA分量，即，在傅里葉系列中的三個諧波是足夠的。還進一步注意到，可以自由地選擇用于為優化算法而開發目標函數而使用的正交 PCA函數。當選擇具有與目標函數類似形狀的PCA函數時，最低的諧波將包含目標函數的大部分并且連續的PCA諧波的貢獻將被快速地減小。目標函數與最低諧波之間的擬合越好， 足夠準確地描述該問題所需的諧波越少。對于生理學形狀來說(具有較低臨時頻率)，可以使用雪夫多項式，并且大多數時間，5-7個諧波足以描述生理學形狀的98%以上。根據本發明的一個方面，發射源可以沿著所有限定的路徑在設置在目標體積中的多個導管中連續地移動。可以利用預計算的速度曲線來完成這種移動，預計算速度曲線可以具有連續的或者可變的速度。此外，對于路徑的至少一部分所完成的速度曲線可以與至少一個駐留位置相結合。因此，根據本發明一個方面的放療傳輸系統可以還包括計算單元，計算單元布置為根據相關的計算算法來解決所述優化問題。這種計算算法可以包括PCA或者任何其它適合的優化方法。因為能量發射源不在不同的駐留位置處停止而是以連續或者大致連續的運動前進，因此，通過連續地移動能量發射源通過導管(根據預限定的速度曲線)，可以不需要步進電機的分級函數(st印ping function)。此外，沒有任何預計劃的駐留位置(和相關的駐留時間)提供了連續的放射劑量分布，這與理想的放射劑量分布曲線更準確地匹配。優選地，計算算法包括用于限制可允許的速度曲線的值的規則。考慮到可能的硬件限制，這種特征是有利的，因為其限定了關于可允許速度值的解決方案到可行的解決方案的范圍。因此，避免了非常緩慢且非常高的局部速度。此外，計算算法可以設置為允許發射源沿著相應路徑的連續移動與被限定在所述路徑內的發射源的至少一個駐留位置之間的結合。在連續方法中用于限定最佳劑量的參數將與已知的步進式方法相同。腫瘤(目標區域)應該接受高的相同的劑量，而且周圍的器官(特別地重要器官)不應該受到傷害。在臨床實踐中，腫瘤組織的輪廓用作目標區域的界限，并且理想的解決方案(1(1))是，輪廓內的組織接受完全的100%的相同的劑量，而輪廓外的組織不接受任何劑量。在實踐中，這是不可行的，因此，最佳解決方案0(1)將會達到理想的解決方案，其中，參數(諸如目標區域中實現的同一性、在輪廓處的劑量梯度的斜率、和周圍組織和重要器官接收的劑量)通過向前和/或懲罰性(penalty)函數而被在優化問題中建模。在優化中的另一個參數是使用導管的數量。為了防止患者受傷，優選的是使用少量導管的計劃。然而，當具有少量的導管時，最佳解決方案的同樣性將會受到限制。因此， 導管的數量應該是優化過程中參數之一。為了便于后者的優化，導管的形狀和空間導管分布也應該被考慮到優化等式中。因為不同的束縛或者因素可能對最佳解決方案具有相反的作用，變得明顯的是， 沒有單個的最佳解決方案，但是有一組最佳解決方案，從該組最佳選擇方案中，醫師可以根CN 102458577 A說明書4/11 頁據他的/她的臨床觀點和經驗來選擇。這可以設計出多種可視裝置。實質上，腫瘤的輪廓是優化過程中最重要的參數當劑量僅在腫瘤內傳輸而不在腫瘤外傳輸時，自動到達與束縛相關的其它區域。第二最重要的參數是在目標體積中的劑量的同一性，并且第三重要優化參數是用于實現劑量分布的導管的數量。由于導管參數(數量、形狀和在目標區域的分布)限定了劑量的形狀和同一性，當優化劑量圖案時，在當前時間之前的更寬意義上的導管的優化可以是相關的。連續方法將會方便該優化以及所確定最佳劑量分布的實際實現。盡管已經參照發射源的通過導管的連續移動而描述了該過程，但是，應該理解的是，為了在一些情況中獲得最優劑量分布，有必要或者可能理想的是，在導管中的一個或多個點處使發射源中止或者停止一段短的時間段。一種另選的方法可以是發射源通過導管“緩慢”移動的概念。在最小化所規定的劑量與接收劑量之間的錯誤的方面，用于劑量分布的數學模型以及優化問題的設置可以如下推導，即，允許發射源在導管中具有最佳的緩慢分布方式(或者其往復運動的速度)。考慮具有η個導管的系統，每個導管都包含具有恒定活動性a的移動放射性發射源，并且其中，已知導管的在3D空間(x，y，z)中的幾何形狀。使Si (1)是距離發射源的開始位置的距離1處的第i個導管內的發射源的緩慢性。 緩慢性是發射源的速度的倒數Si(I) = IAi(I)0 Ai(I) =BXsi(I)是用于第i個導管的活動性的分布。為了解釋Ai(I),注意Ai(I) Δ1 =aAti，其中，Δ ti是發射源移動距離Δ1 所需的時間間隔。假設對于每個導管來說我們具有坐標轉換(X，1，z) =Ti(I),則發射源的位置可以在3D空間中被確定為1的函數。在一定點處通過3D矢量(X，Y，Ζ)給出的劑量可以計算為Cli(X5YjZ) = / (1/Γ 2(1,Χ, Y,Z)) XAi(I)cIl = aX f (l/r/(1, Χ, Y, Ζ)) X Si (1) dl， (1)其中，Αα,Χ,Υ,Ζ)= Il Ti (1)-(X，Y，Ζ) Il (II. Il 是歐幾里得(Euclidian)標準) 是由3D矢量Ti (1)和(X，Y，Z)給予的點之間的距離通過有限級數(finite series，序列)表示Si (1)，從而來進行等式(1)的離散Si(I) =Σ CijX Fj(I), i = 1, ...n，j = l，...m(2)其中，Vj(l)是優先(prior) i的已知基礎函數，并且Cij是未知的系數。注意， Fj(I)可以具有正值和負值，以確保準確地描述Si(I)。在形式O)中使用級數(序列)表示的實例來自于所有的物理領域。基礎函數的選擇可以是相對任意的，前提是足夠正確表述是可能的。作為基礎函數的好的選擇，可以使用諸如切比雪夫蓋根堡、雅可比、勒讓德、拉蓋爾、厄密多項式的正交多項式的系統。此夕卜，可以使用諸如德爾塔函數、線性和分步函數的基本函數，或者諸如sine函數的更光滑函數、高斯函數，樣條函數和B-樣條函數的基礎函數。函數可以是或者可以不是嚴格正交的。然而，函數的選擇將會決定表述的準確性并且將會影響表述的構件的足夠的數量。后者對于優化問題的范圍是重要的因素。在用于劑量的等式⑴中，利用級數(序列)來表示緩慢性Cli (X，Y，Z) = aX / (l/r/(1，X，Y，Ζ)) X Σ CijX ￥j(l)dl=Σ CijX [aX f (l/if (1，X，Y，Ζ)) X Ψ」(1) dl]
=Σ CijXqij(X5YjZ),, (3)其中，qiJ(X，Y，Z) = aX / (l/ri2(l，X，Y，Z))X Vj(I)Cll (4)是被第i個導管傳輸的第j個“基本”劑量。如果可能的話，qij(X，Y，Z)的值可以是使用數值積分(numerical integration)方法或者分析公式而預先計算出來的。通過第i個導管傳輸的總劑量是采用系數的m個基本劑量的總和。假設(X， Y，z)屬于限定了規定劑量D(X，Y，Ζ)的區域的離散組Ω。短程治療優化問題可以限定為找出使規定的劑量分布和計算出的劑量分布之間的差距最小化的這種系數 Cij (根據Ω)。在獲得Cij以后，經由(2)計算緩慢性，并且將發射源的速度確定為1的函數 (用于每個導管)。數學上，優化問題可以如下限定
權利要求
1.一種放療傳輸系統，用在實現動物體的預定解剖部分的放療中以傳輸指定的空間劑量分布，所述放射治療系統包括多個導管，被設計成位于所述解剖部分中，每個導管為至少一個能量發射源限定了至少一個路徑；放射傳輸裝置，用于利用預定速度曲線以連續運動方式沿所述路徑移動所述至少一個能量發射源使其沿所述相應路徑的至少一部分通過所述導管中的每個導管，所述速度曲線是通過解決為了描述空間劑量分布的函數而限定的三維中的優化問題而確定的。
2.根據權利要求1所述的放療傳輸系統，其中，描述空間劑量分布的所述函數至少取決于導管的數量、發射源活動性函數、發射源速度、發射源路徑。
3.根據權利要求2所述的放療傳輸系統，其中，基于基礎函數和相關系數，利用主分量分析而求解描述空間劑量分布的所述函數。
4.根據權利要求3所述的放療傳輸系統，其中，使用低階基礎函數來求解所述空間劑量分布函數，優選地，低階的三至七基礎函數。
5.根據前述權利要求中任一項所述的放療傳輸系統，還包括計算單元，所述計算單元設置成基于相關計算算法來求解所述優化問題。
6.根據權利要求5所述的放療傳輸系統，其中，所述相關計算算法包括用于限定所述速度曲線的允許值的標準。
7.根據權利要求6所述的放療傳輸系統，其中，所述計算算法設置成允許所述發射源的連續移動與所述發射源的至少一個駐留位置之間的結合。
8.根據前述權利要求中任一項所述的放療傳輸系統，其中，在所述連續移動期間，所述放射傳輸裝置以可變化速度沿所述路徑移動所述至少一個能量發射源通過所述導管中的一個導管的至少一部分。
9.根據前述權利要求中任一項所述的放療傳輸系統，其中，所述治療傳輸裝置的每個路徑具有沿所述路徑的限定的開始位置與結束位置，并且所述至少一個能量發射源以限定速度曲線在沿所述路徑的所述開始位置與所述結束位置之間移動。
10.根據前述權利要求中任一項所述的放療傳輸系統，其中，用于特定導管的限定速度曲線與所述導管的放射劑量分布是反向對應的。
11.根據前述權利要求中一項或多項所述的放療傳輸系統，其中，所述多個導管是中空針。
12.—種放療治療計劃系統，用在實現動物體的預定解剖部分的放療中，其利用具有相應路徑的布置在三維中的多個導管以容納至少一個發射源，所述放射治療計劃系統包括輸入裝置，用于接收與待治療的解剖部分相對應的圖像數據；治療計劃裝置，用于產生用來實現所述放療的放射治療計劃，所述治療計劃包括的信息至少關于在所述待治療的解剖部分中的所述導管的數量、位置和方向；以及期望的空間放射劑量分布，其中，所述治療計劃裝置產生放射治療計劃，其中，所述至少一個能量發射源利用一速度曲線以基本連續的運動沿著所述相應路徑的至少一部分移動通過所述導管，通過解決在為了空間劑量分布函數限定的三維中的優化問題來確定所述速度曲線。
13.根據權利要求12所述的放療治療計劃系統，其中，基于基礎函數和相關系數利用主分量分析而求解所述空間劑量分布函數。
14.根據權利要求13所述的放療治療計劃系統，其中，利用低階基礎函數來求解所述空間劑量分布函數，優選地，低階的三至七基礎函數。
15.根據前述權利要求12至14中任一項所述的放療治療計劃系統，還包括計算單元， 所述計算單元設置成基于相關計算算法來求解所述優化問題。
16.根據權利要求15所述的放療治療計劃系統，其中，所述相關計算算法包括用于限定所述速度曲線的允許值的標準。
17.根據權利要求16所述的放療治療計劃系統，其中，所述計算算法設置成允許所述發射源的連續移動與所述發射源的至少一個駐留位置之間的結合。
18.根據前述權利要求12至17中任一項所述的放療治療計劃系統，其中，所述治療計劃裝置產生放射治療計劃，其中，所述至少一個能量發射源以可變速度沿所述路徑移動通過所述導管中的一個導管。
19.一種用于產生用在實現動物體的解剖部分的放療中的放射治療計劃的方法，其中， 多個導管沿三維中一確定方向插入到所述解剖部分中，每個導管限定了用于至少一個能量發射源的路徑，使用放射傳輸裝置，所述至少一個能量發射源能夠沿所述路徑移動通過所述導管，所述治療計劃包括的信息關于在待治療的解剖部分內的所述導管的數量和對應方向；對于所述一個或多個導管中的每個導管的用于所述至少一個能量發射源的一個或多個速度曲線；根據所述能量發射源的用于所述導管中的每個導管的空間放射劑量分布，所述能量發射源沿所述路徑根據所述速度曲線而移動通過所述導管的至少一部分，其中，所述方法包括如下步驟通過求解在為了空間劑量分布函數而限定的三維中的優化問題來確定所述速度曲線。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述至少一個能量發射源的在沿所述路徑的一特定位置處的速度曲線與所述能量發射源在所述位置處的放射劑量貢獻是反向對應的。
21.根據權利要求19或20所述的方法，其中，所述治療計劃包括所述發射源的連續移動與所述發射源的至少一個駐留位置之間的結合。
22.—種計算機程序產品，包括用于使處理器執行根據前述權利要求19至21中任一項所述的方法的步驟的指令。
23.根據權利要求22所述的計算機程序，設置成輸出數據或者包括用于控制放射傳輸裝置的指令，以便利用預定速度曲線以連續運動方式沿所述路徑移動所述至少一個能量發射源使其沿所述相應路徑的至少一部分通過所述導管中的每個導管。
全文摘要
本發明涉及一種放療傳輸系統，用于實現動物體的預定解剖部分的放療中，其中，放射傳輸裝置利用預定速度曲線以連續運動方式沿所述路徑移動所述至少一個能量發射源使其沿所述相應路徑的至少一部分通過所述導管中的每個導管，所述速度曲線是通過解決為了描述空間劑量分布的函數而限定的三維中的優化問題而確定的。本發明還涉及一種放療治療計劃系統以及用于產生用在實現動物體的解剖部分的放療中的放射治療計劃的方法，其中，放射源連續移動通過該解剖部分。
文檔編號A61N5/10GK102458577SQ201080035930
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月11日 優先權日2009年6月11日
發明者安德烈·布朗尼科夫, 揚·威廉·胡貝特·梅杰斯 申請人:核通有限公司