对移动的关注区实施放射疗法的系统和方法.pdf

公开了一种用于将放射疗法实施到移动的关注区的系统和方法。在一种实现中，所述方法包括：产生多个用于提供放射疗法的治疗计划；依照所述多个治疗计划之一对患者实施放射疗法；在提供放射疗法的同时对所述患者进行监视；以及至少部分地基于对所述患者的监视来改变治疗计划。

权利要求书
1.  一种在关注区移动时对患者实施放射疗法的方法，该方法包括：
产生用于实施放射疗法的多个治疗计划；
通过依照所述多个治疗计划中的一个对所述患者实施放射疗法；
在所述实施放射疗法期间监视所述患者；并且
在所述实施放射疗法期间至少部分地基于所述的监视所述患者来改变到另一治疗计划。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个治疗计划中的至少两个与特定患者呼吸相有关。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个治疗计划中的至少两个在不同呼吸相开始。

4.  如权利要求1所述的方法，进一步包括：在改变治疗计划之前，预期所述患者要进至不同呼吸相。

5.  如权利要求4所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划还基于所述预期动作。

6.  如权利要求1所述的方法，进一步包括：在改变治疗计划之前，确定所述患者要进至不同呼吸相。

7.  如权利要求6所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划还基于所述确定动作。

8.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个治疗计划中的至少两个基于预定的患者呼吸轨迹。

9.  如权利要求8所述的方法，进一步包括：在改变治疗计划之前，确定所述患者呼吸模式的一部分与不同的预定呼吸轨迹更好地匹配。

10.  如权利要求9所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划还基于所述确定动作。

11.  如权利要求8所述的方法，进一步包括：在改变治疗计划之前，预期所述患者呼吸模式的即将到来部分与不同的预定呼吸轨迹更好地匹配。

12.  如权利要求11所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划还基于所述预期动作。

13.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个治疗计划的至少两个至少部分地基于所述关注区的边际。

14.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个治疗计划中的至少两个至少部分地基于所述关注区的概率分布函数。

15.  如权利要求1所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划包括基于关注区与另一治疗计划更好匹配的可能性来选择所述另一治疗计划。

16.  如权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述关注区移动的一致性，并且其中改变到另一治疗计划包括根据所述移动的所述一致性来选择所述另一治疗计划。

17.  如权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述关注区的移动的不确定性事件，和基于该不确定性事件而暂停所述系统。

18.  如权利要求1所述的方法，其中改变治疗计划包括在监视所述患者期间动态地改变治疗计划。

19.  如权利要求1所述的方法，其中所述治疗计划包括所述患者的预期移动路径，其中该方法进一步包括指示所述患者遵循所述移动路径。

20.  如权利要求19所述的方法，其中所述指示所述患者包括向所述患者提供反馈。

21.  如权利要求1所述的方法，其中监视所述患者包括评估放射疗法对所述患者的实施，并且其中所述改变到另一治疗计划包括基于所述对实施的评估来改变治疗计划。

22.  如权利要求1所述的方法，进一步包括利用先前计划至少部分地基于畸变来优化所述另一治疗计划。

23.  如权利要求1所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划包括至少部分地基于剂量测定信息来选择另一计划。

24.  如权利要求23所述的方法，其中所述剂量测定信息包括当前会话的累积剂量和所有会话的累积剂量中的至少一个。

25.  如权利要求1所述的方法，其中所述改变到另一治疗计划包括至少部分地基于校正先前实施的差异来选择另一计划。

26.  如权利要求1所述的方法，进一步包括其中所述改变到另一治疗计划包括至少部分地基于所述多个治疗计划的畸变来选择另一计划。

27.  如权利要求1所述的方法，进一步包括其中所述改变到另一治疗计划包括至少部分地基于生物学判据来选择另一计划。

28.  如权利要求1所述的方法，进一步包括监视所述患者的移动，并且至少部分地基于所述患者的四维图像以及所监视的移动来评估所实施的剂量。

29.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个计划的每一个能至少部分地基于用来实施所述放射疗法的放射系统的机械设备的参数而变。

30.  一种在关注区移动时对患者实施放射疗法的方法，通过包含有多叶准直器的放射疗法系统来实施该放射疗法，该方法包括：
产生用于实施放射疗法的治疗计划；
通过依照所述治疗计划对所述患者实施放射疗法；
在所述实施放射疗法期间监视所述患者；以及
在所述实施放射疗法期间，至少部分地基于所述的监视所述患者来改变所述多叶准直器的叶模式。

31.  如权利要求30所述的方法，其中所述改变叶模式包括重新安排所述治疗计划。

32.  如权利要求30所述的方法，其中所述改变叶模式包括改变所述治疗计划的比例。

33.  如权利要求30所述的方法，其中所述改变叶模式包括动态优化所述治疗计划。

34.  如权利要求30所述的方法，其中所述改变叶模式还基于剂量测定信息。

35.  如权利要求34所述的方法，其中所述剂量测定信息包括当前会话的累积剂量和所有会话的累积剂量中的至少一个。

36.  如权利要求34所述的方法，其中所述改变叶模式包括利用所述治疗计划来执行畸变。

37.  一种在关注区移动时对患者实施放射疗法的方法，通过放射疗法系统来实施所述放射疗法，该方法包括：
产生用于实施放射疗法的治疗计划；
通过依照所述治疗计划对所述患者实施放射疗法；
在所述实施放射疗法期间监视所述患者；以及
在所述实施放射疗法期间，至少部分地基于所述的监控所述患者来改变治疗参数。

38.  如权利要求37所述的方法，其中通过包含有多叶准直器(MLC)的放射疗法系统来实施所述放射疗法，其中所述改变治疗参数包括改变MLC参数。

39.  如权利要求38所述的方法，其中所述MLC参数包括MLC模式和MLC时序中的至少一个。

40.  如权利要求37所述的方法，其中通过包括有机架的放射疗法系统来实施所述放射疗法，并且其中所述改变治疗参数包括改变机架参数。

41.  如权利要求40所述的方法，其中所述机架参数包括机架速度和机架方向中的至少一个。

42.  如权利要求37所述的方法，其中通过包括有患者支架的放射疗法系统来实施所述放射疗法，并且其中所述改变治疗参数包括改变患者支架参数。

43.  如权利要求42所述的方法，其中所述患者支架参数包括患者支架速度和患者支架方向中的至少一个。

44.  如权利要求37所述的方法，其中通过包括有具有颚板的放射模块的放射疗法系统来实施所述放射疗法，并且其中所述改变治疗参数包括改变颚板参数。

45.  如权利要求44所述的方法，其中所述颚板参数包括颚板位置和颚板方向中的至少一个。

46.  如权利要求37所述的方法，其中通过包括有放射模块的放射疗法系统来实施所述放射疗法，并且其中所述改变治疗参数包括改变放射模块参数。

47.  如权利要求46所述的方法，其中所述放射模块参数包括放射模块输出。

说明书对移动的关注区实施放射疗法的系统和方法
相关申请
本申请要求以下述申请为基础的优先权：申请日为2005年7月22、名称为“SYSTEM AND METHOD OF DELIVERING RADIATIONTHERAPY TO A MOVING TARGET”的U.S.临时专利申请No.60/701,541，以及申请日为2005年7月22、名称为“SYSTEM ANDMETHOD FOR FEEDBACK GUIDED QUALITY ASSURANCE ANDADAPTATIONS TO RADIATION THERAPY TREATMENT”的U.S.临时专利申请No.60/701,580，这两个申请的内容通过引用并入此处供参考。
背景技术
近来，放射疗法实践已经吸收了下述技术的进展：计算机与网络、放射疗法治疗规划软件、以及医学成像技术(诸如计算机断层扫描(″CT″)、核磁共振成像(″MRI″)、超声(″US″)、以及正电子发射断层扫描(″PET″))。在有些情况下，使用某些技术用于放射疗法的计划(planning)和实施(delivery)。例如，对诸如肺肿瘤这样的移动靶进行治疗的方法，可包括，仅当靶位于指定的迹线窗口之内时才“选通”或实施放射。这样的方法是低效的，因为仅在周期性发生的时间间隔内照射靶(target)。
对移动靶进行治疗的另一种方法称为呼吸同步实施(″BSD″)。这种技术对于治疗期间要跟踪的靶使用预期的轨迹或运动路径。为此，制订了这样的计划，假定靶将保持在预期的轨迹，在整个治疗计划中所述轨迹具有预期的周期(period)和相(phase)。可使用声音和视觉引导来提示患者遵循严格定义的轨迹。然而，对于大部分放射疗法的患者来说，遵循严格定义的模式是很困难的。
发明内容
可将放射实施到移动的关注区而无需依赖该区的位置、周期以及相的先验知识。可使用多个计划之间的动态切换或者制订“即时(on thefly)”计划来反映患者解剖组织运动的变化并且更有效地应用放射治疗。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于对移动靶实施放射疗法的方法。该方法包括：产生多个治疗计划、获取与靶的移动有关的数据、确定哪一个治疗计划与该数据相对应、并且实施所选的治疗计划。
在另一实施例中，本发明提供了一种用于对移动靶实施放射疗法的方法。该方法包括：产生多个治疗计划、获取与该靶的移动有关的数据、选择与该数据的一部分相对应的治疗计划、并且当所述数据的该部分改变时在所选治疗计划之间切换。
在另一实施例中，本发明提供了一种用于在关注区移动时对患者实施放射疗法的方法。该方法包括：产生用于实施放射疗法的多个治疗计划；通过依照所述多个治疗计划中的一个来实施放射疗法；在实施放射疗法期间对所述患者进行监视；以及在实施放射疗法期间，至少部分地基于对所述患者的监视改变到另一治疗计划。
在另一实施例中，本发明提供了一种用于在关注区移动时对患者实施放射疗法的方法。通过具有多叶准直器的放射疗法系统来实施该放射疗法。该方法包括：产生用于实施放射疗法的治疗计划；通过依照所述治疗计划对所述患者实施放射疗法；在实施放射疗法期间对所述患者进行监视；以及在实施放射疗法期间，至少部分地基于对所述患者的监视来改变多叶准直器的叶模式。
在另一实施例中，本发明提供了一种用于在关注区移动时对患者实施放射疗法的方法。该方法包括：产生用于实施放射疗法的治疗计划；通过依照该治疗计划对所述患者实施放射疗法；在实施放射疗法期间对所述患者进行监视；以及在实施放射疗法期间，至少部分地基于对所述患者的所述监视来改变治疗参数。
通过考察详细说明和附图，本发明的其他各方面会变得显而易见。
附图说明
图1是放射疗法治疗系统的部分透视图和部分示意性说明。
图2是可在图1中所说明的放射疗法治疗系统中所使用的多叶准直器的部分透视图和部分示意性说明。
图3是图1的放射疗法治疗系统的示意图。
图4是可在图1的放射疗法治疗系统中使用的软件程序的方框图。
图5是运动轨迹的图示。
图6是多个运动轨迹的图示。
图7是多个运动轨迹的图示以及患者运动轨迹的图示。
图8是运动轨迹的图示。
图9是根据本发明一个实施例的用于将放射疗法治疗实施到所关注移动区的方法的流程图。
图10是根据本发明一个实施例的用于将放射疗法治疗实施到所关注移动区的方法的流程图。
图11是横向运动校正的图示。
图12是在所关注移动区的情况下静态计划的图示。
图13是在所关注移动区的情况下BSD计划的图示。
具体实施方式
在对本发明的任何实施例进行详细说明之前，应该明白，本发明并不把它的应用局限于下述的说明或下面附图中所说明的详细结构及部件布置。本发明可以有其他实施例并且可按各种方式来实施或执行。此外，还应该理解，这里所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被看作是限制。“包括”、“包含”或者“具有”以及其变化的使用在这里意味着包含后列的项和其等效体以及另外的项。除非以其他方式明确指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”、“耦合”以及其变化在这里被广义地使用并且包含直接和间接安装、连接、支撑、以及耦合。另外，“连接”和“耦合”并不限于物理的或机械的连接或耦合。
虽然这里对附图的描述中使用了诸如上、下、向下、向上、向后、底、前、后等等这样的方向参考，为了方便起见，是相对于附图(如通常观察的)使用这些参考。这些方向不是按照字面上理解，也不以任何方式限制本发明。此外，为了描述的目的在这里使用诸如“第一”、“第二”、以及“第三”这样的术语，这不是表示或暗示相对重要性或显著性。
此外，应该明白，本发明的实施例包括硬件和软件这两者，并且为了讨论的目的将电子部件或模块说明和描述为好像大多数部件是以单独以硬件实现的。然而，本领域普通技术人员根据对详细描述的阅读应该了解，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的各方面是可用软件来实现的。因而，应该注意，可使用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件来实现本发明。此外，并且如后续段落中所描述的，在附图中所说明的特定机械结构是本发明的示例性实施例并且其他的替换机械结构也是可能的。
图1图示了可向患者14提供放射疗法的放射疗法治疗系统10。放射疗法治疗可包括：基于光子的放射疗法，短程放射疗法，电子束疗法，质子、中子或粒子疗法，或者其他类型的治疗疗法。该放射疗法治疗系统10包括具有机架22的放射疗法设备18。虽然附图中所示的机架22是环形机架，即它延展整个360度弧以形成完整的环或圆，但是也可采用其他类型的装配布置。例如，可使用C型部分环机架或者机器人臂。
机架22可支撑放射模块，该放射模块具有放射源26以及可操作用于产生光子放射束34的线性加速器30。该放射模块还包括可操作用于修正或调制放射束34的调制设备42。该调制设备42提供了对放射束34的调制并且朝着患者14的方向引导放射束34。具体地说，使放射束34的方向朝着患者的一部分。广义地说，所述部分可包括整个身体，但是通常小于整个身体并且可以通过二维面积和/或三维体积来定义。期望接受放射的被称为靶(target)或靶区(示为54)的部分是关注区的例子。另一类型的关注区是危险区域。如果某部分包括危险区域，则优选将放射束从危险区域处移开。患者14可具有多于一个的需要接受放射疗法的靶区54。有时将这种调制称为强度调制放射疗法(″IMRT″)。
还可采用能够相对于患者14按各种旋转和/或轴向位置来定位放射模块的其他构架。此外，放射模块在不符合机架22形状的路径上移动。例如，该放射模块可在非圆形路径上移动，尽管所示出的机架22通常是圆形形状的。
在一种结构中，并且如图2所示的，该调制设备42包括准直设备。该准直设备包括具有一组颚板的主准直器38。所述颚板用于限定和调节放射束所穿过的孔的大小。该准直设备进一步包括多叶准直器(MLC)，该多叶准直器包括可在位置之间移动的多个交织叶50以提供强度调制。还应该注意，叶50可移动到最小限度与最大限度打开位置之间的任何地方的位置。在放射束34到达患者14上的靶54之前，所述多个交织叶50对放射束34的强度、大小以及形状进行调制。通过诸如马达或空气阀这样的致动器58来独立地控制每个叶50，使得叶50可很快地打开或关闭，从而使射线通过或阻滞射线的通过。致动器58可以是由计算机62和/或控制器来控制的。
放射疗法治疗系统10还可包括例如千伏或兆伏检测器这样的检测器66，该检测器可操作用于接收来自放射模块或者分离放射源的放射束。放射模块和检测器66可作为计算机断层扫描(CT)系统进行操作以产生患者14的CT图像。该放射模块朝着患者14中的靶54的方向发射出放射束34。可利用具有扇形几何形状、多片几何形状、或者锥形束几何形状这样的放射束34而获取CT图像。此外，可利用发射兆伏能量或千伏能量的线性加速器30而获取CT图像。靶54以及周围组织吸收一些放射。
放射疗法治疗系统10还可包括诸如床70(如图1中所说明的)这样的用于支撑患者14的患者支架。床70沿着x、y或者z方向中的至少一个轴移动。在其他结构中，患者支架可以是用于支撑患者身体任何部分的设备，并且并不局限于必须支撑整个患者身体。该系统10还可包括可对床70的位置进行操纵的驱动系统74。该驱动系统74可以由计算机62来控制。
计算机62包括用于运行各种软件程序和/或通信应用程序的操作系统。尤其是，计算机62包括可与放射疗法设备18进行通信的软件程序78。计算机62包括适于医务人员访问的任何适当的输入/输出设备。计算机62包括诸如处理器、I/O接口、以及存储设备或存储器这样的硬件。计算机62还包括诸如键盘和鼠标这样的输入设备。计算机62进一步包括诸如监视器这样的输出设备。此外，计算机62包括诸如打印机和扫描器这样的外围设备。
如图3所示的，该放射疗法设备18直接与计算机62进行通信和/或通过网络82与计算机62进行通信。该放射疗法设备18还通过网络82与其他放射疗法设备18进行通信。同样，每个放射疗法设备18的计算机62可与另一放射疗法设备18的计算机62进行通信。该计算机62和放射疗法设备18还可与数据库86和服务器90进行通信。多个数据库86和服务器90还可与网络82进行通信。应该注意的是软件程序78还可驻留于服务器90中。
可根据任何网络技术或拓扑或者技术与拓扑的结合来建造网络82并且该网络82可包括多个子网路。可通过局域网(″LAN″)、广域网(″WAN″)、公共交换电话网(″PSTN″)、无线网络、内联网、因特网、或者任何其他适当的网络来实现图3所示的计算机62与设备18的连接。在医院或者医疗卫生机构中，可通过医疗信息交换第七层(Health Level Seven，″HL7″)协议或者具有任何版本和/或另外所需协议的其他协议来实现图3所示的计算机62与设备18之间的通信。HL7是一种标准协议，用于规定来自不同厂商的两个计算机应用(发送方和接收方)之间的接口实现，从而在医疗卫生环境中进行电子数据交换。HL7使得医疗卫生机构可交换来自不同应用系统的关键数据集。具体地说，HL7可定义待交换的数据、互换的时序以及对应用报错的通信。格式通常在实质上是通用的并且可将其配置成满足所涉及的应用的需要。
还可通过具有任何版本的医学数字成像与通信(″DICOM″)协议和/或其他所需协议来实现图3所示的计算机62与放射疗法设备18之间的通信。DICOM是美国电气制造商协会(″NEMA″)所制订的国际通信标准，该标准定义了在不同医疗设备之间传递与医学图像相关的数据所使用的格式。DICOM RT是指专用于放射疗法数据的标准。
图3中的双向箭头通常表示在网络82与计算机62、放射疗法设备18以及图3中所示的其他部件中的任何一个之间进行的双向通信和信息传递。然而，对于一些医疗设备而言，仅需单向的通信和信息传递。
如上所述，多叶准直器可提供对放射束34的强度调制，从而适应变化的条件和关注的区。更具体地说，可通过移动多叶准直器46的叶50而使放射束34的强度增加或减少。然而，运动中的靶54(例如肺肿瘤、心脏、消化道等等)很难利用连续束34来治疗，因为它通常不按照重复模式移动。
如下所述，软件程序78可根据关注区的实际移动改变实施到患者14的放射量，从而适应所关注的移动区。在图4中对根据本发明一个实施例的示例性软件程序78进行示意性说明。该软件程序提供了一类解决方案，用于把放射实施到关注区而无需依赖关注区的位置、周期以及相的先验知识。一种方法是利用预产生的实施计划族以及计划之间的动态切换来反映患者解剖运动的变化。
一种实现是从优化BSD型治疗开始，它假定了整个治疗期间的靶迹线、呼吸相以及周期。然而，除了优化这一个计划之外，还可优化另外一组计划，每个计划潜在地具有不同周期、呼吸相或者相对于基本BSD计划而变的其他参数。此后，在治疗期间，患者首先试图遵循BSD计划中所示的靶轨迹。然而，如果患者呼吸与该计划的偏离超过了指定阈值，那么该计划自动切换到与当前区域参数匹配更佳的替换计划。图7中的粗线说明了对任选患者的呼吸轨迹的实施。因此，该方法的一个益处是可利用自动错误校正来进行BSD质量的实施，并且降低了对患者的运动重现性的需要。
在另一种实现中，并不是遵照基本的四维(″4D″)计划，而是在整个实施当中随着患者的自由呼吸，自动转换计划。如果希望，可识别出诸如咳嗽这样的特别不稳定的呼吸，并且可暂时延迟治疗直到呼吸再次落入指定的容限范围之内。类似地，如果有这样的呼吸相或运动区域，其中没有很好限定关注区的位置，那么可在这些相期间有意地避开治疗。可在计划期间进行这种决策，但是还可根据所察觉到的患者的生理解剖变化来动态的进行这种决策。
可利用不同的可能判据产生一系列计划。在系统10维持所有这些计划或者它们的多种可能组合，从而在需要时进行实施。通过合适的评估设备并且根据实时决策，可能还结合先前的基于预期呼吸情形的评估，来对呼吸模式进行评估。该系统10评估和选择待实施的计划或计划组合。所选出的计划可与先前的各次照射(fraction)或者先前实施的治疗的部分积累。随着计划被实施，可记录信息(或者例如用于结合实时剂量重建)并且可能用来细化用于实施进一步放射的任何计划(或者在当前会话期间或者将来会话期间)。
图4公开了可利用软件程序78使用的各模块。这些模块包括最优化模块95、计划选择模块142、获取模块94、实施模块97、患者反馈模块100、以及质量保证模块146。下面对这些模块的各种实现进行描述。然而，应该明白的是，在系统10的所有构造中并不是都需要所有模块，并且可利用软件程序78来使用图4中未示出的其他模块。而且显而易见的是，可将这些模块合并成所示的数目较少的模块，所述每个模块可包括这里的描述中未公开的附加材料，并且模块的名称是为了便于进行描述。
A.最优化模块
如上所述，用于最优化的一个方法是最优化4D计划组，每个计划表示不同的运动相(或周期等)。通过无限或有限傅里叶展开来描述和/或近似呼吸循环。在最优化模块95的一种可能实现中，把特定呼吸循环(breathing cycle)描述成具有不同频率、振幅、相位等等的正弦和余弦型函数的线性组合的时间函数(参见例如图7)，该函数随时间变化。在这个条件下，最优化模块95产生了一组计划，每一个计划表示在特定时间要实施的可接受计划。通过使这些计划或计划组合变得可用，可产生对更复杂的“规则”或“不规则”呼吸模式的实施。
在最优化模块95的另一实现中，这些计划不需要每个都表示给定参数的完整4D计划(例如周期或迹线)，但是各表示静态实施的计划组适于运动循环的单个相。随着关注区移动，经过其不同运动相，这些计划会自动切换。类似地可在相之间内插，从而产生更多图像、优化更大数目的相-计划和/或选择特定于相的计划。
此外，对于任何给定相或者使用不同优化判据的参数组，可使多个计划可用。例如，对每个呼吸相，不是仅仅优化一个计划，而是可以优化多个计划组。这可能要求用于每个呼吸相的一个计划具有窄边际(margin)，而用于每个呼吸相的其他计划具有较宽边际(或者有其他约束改变)。随着治疗进行，不但可基于关注区的位置、周期和/或相并且还可基于它的速度、不确定性和/或畸变(deformation)来动态选择计划。在明确限定了靶54的情况下，可从窄边际组中动态选择计划；然而在较低确定性的情况下，可选择较宽边际的计划。
跨多相图像优化剂量的一种方法使最优化模块95计算用于每个相的剂量细射束(beamlet)，并且此后根据与该图像有关的图像畸变映射来变形细射束。虽然可应用该方法，但是这不是必需的，因为可计算用于每个相的剂量，并且然后利用畸变来添加，使得不需要这种畸变调节的细射束。
B.计划选择模块
用来选择计划的方法可以基于多个可能的判据。在计划选择模块142的一种实现中，该计划基于上述诸如关注区的位置、周期和/或相这样的判据，这些判据的每一个可以通过运动检测设备89和获取模块94来获取。同样，还可包含不确定性和/或解剖信息。从诸如但并不限于照相机系统、激光系统、X射线或氟系统、CT、MRI、PET、单光子发射计算机断层扫描(″SPECT″)、在线CT、锥形射束CT、植入标记、射频(″RF″)定位器、超声、呼吸带或气囊、植入X射线源、声传感器、应变仪、RF发射器、以及基于电极的阻抗测量这样的适当设备获得这些测量值。
在另一实现中，计划选择模块142基于剂量测定特征来选择计划。更具体地说，为每个优化计划部分定义期望的剂量分配。此后在治疗期间，计划选择模块142确定哪个可用计划与给出患者当前解剖和靶信息的计划剂量最佳匹配。该计算涉及实时剂量计算，但是可通过简化的或者预计算的运算来近似。
在又一种实现中，计划选择模块利用预计算的运算来结合畸变。这种实现使物理空间中的剂量与特定组织/靶中的剂量相关。通过结合畸变，很容易选择与特定区域中期望剂量分配相匹配的计划。在申请日为2005年7月22、名称为“SYSTEM AND METHOD FORFEEDBACK GUIDED QUALITY ASSURANCE AND ADAPTATIONSTO RADIATION THERAPY TREATMENT”的U.S.临时专利申请No.60/701,580中描述了示例性畸变技术和运算，该申请的内容通过引用并入这里供参考。
在可能也要求畸变的另一实现中，期望剂量不仅仅试图与计划剂量匹配，并且计划选择模块142同时设法弥补与先前各次照射或者正实施的照射中较早部分的任何剂量差异。
在计划选择模块142的另一实现中，动态计划选择不仅仅基于匹配剂量分配(或者累积剂量分配、畸变剂量分配、或者畸变累积剂量分配)，而且还可使用诸如靶剂量、敏感结构剂量、或者剂量容积直方图(″DVHs″)这样的其他判据。类似地，计划选择还基于获得给定生物结果。并且在这种实现中，可将生物估计器结合到剂量累积和/或计划选择处理中。计划选择模块142还可结合与患者有关的生物和临床反馈，从而使得对可更好耐受这些计划的区域、时间或者患者使用更侵入型的计划，并且对更敏感的位置、时间或者患者使用更保守型的计划。
计划选择模块的动态计划选择还不必仅基于患者的当前信息，还可使用过去信息来计算测量滞后并且利用解剖变化的适当预期实施计划并对测量和处理的延迟进行补偿。
在软件程序78的另一实现中，不是事先优化动态可选计划的一些或全部。利用快速优化器，在应用放射疗法期间产生这些计划。类似地，在应用放射疗法期间修改现有计划以反映生理变化或解剖变化。换句话说，最优化模块95和计划选择模块142密切地相互作用(或者被集成)以提供快速最优化器和选择模块。
C.包括机械跟踪子模块的获取模块
可利用多种多样的用于跟踪患者生理状况的运动检测设备和相关获取软件来执行对患者呼吸相或运动状态的跟踪。获取模块94包括运动或机械跟踪子模块96。示例性运动检测设备包括但不限于肺活量计、摄相机系统、立体摄像机、激光系统、透视、X射线系统、CT、植入标记、RF标记、MRI、应变仪、以及电极阻抗测量。
在获取模块94的一种实现中，代替或除了仅描述跟踪方法，还利用诸如通过兆伏CT、千伏CT、或者锥形射束CT系统在实施期间所收集的数据来执行跟踪。机械跟踪模块96对来自这些系统的数据进行处理以识别位置、相以及关注区的位置，并且还识别患者的呼吸相和解剖变化。或者从重构图像、或者从投影数据、或者从重构与投影数据的混合来提取这种信息。这种实现还可结合来自先前或一般图像或投影数据组的先验信息。
例如，根据计划图像建立肿瘤迹线的4D模型，并且利用投影数据来验证该模型并且识别患者当前呼吸相。为关注的结构或标记的存在性和位置检查正弦图(sinogram)。这种信息识别患者当前或近来的呼吸相、肿瘤的位置、肿瘤是否离开任何预测的地理或时间轨迹、以及哪个其他计划对目前或将来的解剖结构实施剂量有用。在单一或正交入口/CT投影中，这种信息还可通过放大而用于检测位置。
在另一实现中，机械跟踪子模块96使用这种信息对计划选择中应考虑的各种延迟(测量位置、测量治疗床等等)进行分析。该信息还可验证预期靶54(或关注区)迹线保持有效，并且可区分低频(基本运动)与高频(噪音、不规则性)以估计合适的补偿额。在机械跟踪子模块96的一些实现中，通过动态床校正可部分实现这种补偿。
当使用所传输的放射来检测相和/或位置时，优选使不必要的放射最小化。为此，获取模块94的一种实现使用作为治疗的一部分而实施的放射。该数据通常在范围方面受到限制，因为治疗典型地仅用于把放射实施到靶区54。然而，所获得的数据量适用于识别关注区的必要特征、位置或者相。
在另一实现中，获取模块94获取下述附加信息，该附加信息是从简短“闪动”的附加MLC叶片打开所获得的，用于建立患者的较大区域的数据传输。当需要更多数据时，可以更经常地这样做，或者利用更多数量的叶片来做；或者可以不经常这样做，或者利用较少叶片来做，这提供了较少信息，但是节省了剂量并根据需要进行验证。
还可将降低剂量的原理应用于成像系统而无需附装MLC。例如，如果附加源(诸如X射线源)和检测器用于验证，那么在该领域中熟知的是通过在荧光透视模式下运行这样的系统，用于在一些情况下跟踪运动和相。然而，这可能向患者提供很高的剂量。因此，在另一实现中，与连续使用相反，机械跟踪子模块96利用非常慢的或不连续的透视用法来对相和/或位置信息进行检测与验证。例如，不是使用连续跟踪，而是在特定一些时间选取透视框来确定或证实靶(或关注区)位置或相。这些时间可以是等间隔的，或者是基于其他的患者反馈而间隔开的，或者是基于预期运动相或位置而间隔开的。因而，这种实现可用于单独测量或者可用于利用低剂量内部图像来证实外部或基于代理(surrogate)的验证设备。
1.通过强度调制放射疗法(″IMRT″)进行实时呼吸运动监视
为使放射疗法从三维(″3D″)扩展到四维(″4D″)，对肿瘤位置的实时跟踪或对内部器官的运动的监视是很重要的。所有4D放射疗法技术，不论是基于选通、跟踪、BSD、还是自由呼吸实施(″FBD″)技术，都需要实时知晓呼吸状态或者至少知晓肿瘤位置。一些可用的呼吸监视技术包括标记方法和气流方法。这两个方法通过某种代理(surrogate)来对呼吸运动进行间接监视。标记方法使用外部或内部标记作为代理。照相机(用于外部标记)或透视设备(用于内部标记)用于对这些标记进行跟踪。气流方法使用高温计对呼吸期间的气流进行测量，并且所述气流用作呼吸运动的代理。这些代理方法的缺点包括：1)代理与内部呼吸运动相关到何种程度以及是哪类相关是有疑问的；2)呼吸运动是复杂的4D畸变过程，因此具有一个或少量参数的代理对于很大身体部分的呼吸运动运动而言只具有非常有限的表示；以及3)代理与呼吸运动之间存在(可能不稳定)延迟。
一个替换方法包括对呼吸运动进行监视的直接方法。该方法对相对于治疗束的内脏器官运动直接进行监视。该方法可以在具有检测器系统的系统10中直接实现。检测器系统的示例是TomoTherapy公司所提供的HI-ART商标放射疗法系统，该公司的网址是www.tomotherapy.com。不需要诸如照相机、肺活量计、或者透视设备这样的附加设备。不需要额外放射。
例如，放射疗法治疗系统具有整套的3D图像，每个3D图像是患者在某个呼吸状态(或相)下的快照。计划流量映射(或正弦图)在治疗之前通常是可用的。根据患者的3D表示，对于计划正弦图的每个投影(线)而言，计算机62通过直接射线跟踪或蒙特卡洛模拟来计算检测器响应(输出信号)。因此，对于4D图像的所有N个相而言，该系统预计算每个投影的N个输出信号。在进行了预计算之后，对呼吸运动的监视就很简单了。该系统仅需把实际检测器信号与预计算的N个检测器信号进行比较，具有最大相似性度量的一个检测器信号给出了此时的呼吸相。简单相关性可用作相似性度量。可将该相关性定义为：
[e1]
ci=2(si-s‾)(s-s‾)||si-s‾||2+||s-s‾||2;]]>其中
si是与第i相相对应的预计算的检测信号，
s是所测量的检测信号，
并且s是N个相监测器信号的平均，s‾=1NΣ1Nsi]]>，并且
其中检测器信号说明了来自所有检测器的信号的矢量。
D.包括机械控制子模块的实施模块
在一些构造中，机械方法可用于对上述自由呼吸技术进行校正或者利用传统计划(例如静态计划、屏气计划等等)来使用。例如，主准直器38可连同用于调制射束的调制设备42跟随关注区的运动。作为另一示例，使用床70以便于动态重新定位。
在一种构造中，机械跟踪模块96连续地确定整个实施期间的患者相。通过实施模块97的机械控制子模块99来确定任何相关结构与计划位置的偏移。子模块99将所述偏移分解成横向分量和纵向分量。通过移动主准直器38来计算治疗期间(更通用的)受下-上方向运动影响的靶54。主准直器38包括位于调制设备42之前的一组颚板。所述颚板限定和调节放射束可通过的孔的大小。作为替换，分段的主准直使得可创建跟随靶54的形状并且通过调制设备42来对射束进行调制。还可结合使用床运动以创建其他运动或者扩大运动程度。
与校正运动的其他机械技术的区别在于这里所介绍的技术不使用调制设备42来计算下-上方向的运动。而使用主准直器38单独地或者与床70相结合地跟随此方向上的运动。理论上，一个优点是不必改变计划来校正这种运动(除了对不同方向的输出的少许调节)。然而，还可将这种技术结合到在这里所描述的动态计划修改或切换方法中。此外，可对不同准直器位置而优化动态计划以结合与不同颚板位置有关的任何射束变化。在另一实现中，机械控制子模块99对变化建模而无需单独的计划。
还可计算对其他(非下-上)方向上的运动的校正。利用床70或者通过计算倒逆平方校正(inverse square correction)的MLC调制时间的简单变化来对射束方向的校正进行校正。床运动还可单独地或者与MLC时间变化相结合地用于计算这种运动。
通过改变叶片模式或者通过叶片模式与床运动的组合来计算与射束相垂直的平面(即不是下-上方向)上的运动。应该注意，既可将诸如准直器运动这样的机械运动结合到计划处理之中，或者响应所检测的运动而执行这样的机械运动。也就是说，在有些情况下，准直器运动是基于预期的患者呼吸轨迹而预编程的。然而，如果患者的运动没有遵循该预期的轨迹，则动态改变准直器运动或者计划。在其他情况下，准直器38的运动是对患者运动偏移的纯补偿方法。在这些情况下，实时地计算靶54和敏感结构运动。可以设想，改变准直器38的运动或者改变叶片模式会导致治疗计划的重新安排或者改变治疗计划的比例。
E.患者反馈模块
虽然在这里所描述的各种技术旨在使患者摆脱所要求呼吸模式的约束，但是不是要求患者呼吸无需来自导引系统的任何帮助，也不是无需任何“靶”呼吸轨迹。而是，在系统100的一些构造中，即使患者偏离预想的呼吸轨迹，也可相应地动态地调节治疗。
在这方面，患者反馈模块100可向患者提供有关运动控制的反馈以及可能的引导信号。这可利用护目镜系统、内部的或者从机架可见的视频投影(可能通过镜面玻璃或者辅助设备可见的)、声频反馈等等来执行。
患者反馈模块100还可通过在呼吸器的帮助之下使患者故意地呼吸来帮助患者运动。呼吸器有助于使患者按更可再现的呼吸模式来标准化，但是理论上仍可通过使用多个计划和动态计划切换来对偏移进行处理。在一些情况下，还可以是患者主动呼吸结合通风器适于实施三维(″3D″)计划。
F.质量保证模块
系统10的一些构造的另一方面提供了用于质量保证和验证的各种技术。例如，用于适用于验证幻像的质量保证模块的一个这种技术是制订有意区别的各计划，使得可利用诸如离子室、闪烁液、薄膜、热发光剂量计(″TLDs″)、二极管检测器、平板成像器、或者其他放射性检测器或监视器这样的外部测量设备很容易确定要实施的计划。然后通过改变运动响应曲线，该系统验证该计划是如何快速地且适当地改变响应。
在另一实现中，质量保证模块146根据从治疗中记录的运动轨迹对4D图像组进行剂量重算，从而执行应用于患者和幻像上的验证。跨各4D图像所积聚的剂量提供了净实施剂量，理论上可对畸变做调节。该剂量与在患者上的或与患者相分离的内部点所测量的剂量进行比较，以验证所述净剂量测定效果以及移动区域和非移动区域被正确处理。除了在这里所描述的自由呼吸调节实施之外，可将基于所测量的运动模式的4D剂量计算的这个方面同样应用于其他的实施。
详细示例
图9示出了根据本发明一个实施例的用于将放射疗法实施到关注的移动区的方法的流程图。软件程序78产生(模块174)多个用于表示预期运动(例如患者呼吸模式)的轨迹102-130(图5和6)。通过最优化模块95来优化各治疗计划(模块178)以对应于各轨迹102-130。例如，可优化每个治疗计划以对应于轨迹102-130中的一个。作为另一示例，可优化多个治疗计划并且然后进行组合以对应于轨迹102-130中的一个。患者14试图(块182)遵循轨迹102-130中的一个。当实施治疗时，获取模块94获取与关注区(例如靶54)的移动相关的运动数据。机械跟踪模块96接收(块190)来自运动检测设备89的运动数据(示为运动轨迹138)。计划选择模块142确定(块194)运动数据是否偏离患者14所遵循的所选轨迹。计划选择模块142把偏移与某个范围进行比较以确定该偏移是否大于指定的阈值。计划选择模块142确定(块198)哪个轨迹102-130目前与运动最紧密对应。计划选择模块142选择(块202)与所识别的轨迹102-130相对应的治疗计划。患者的治疗可以包括多个治疗计划的一部分的实施，因为所选计划可自动切换以对应患者的实际运动。这最佳地示为图7的线134。当线134改变到不同的运动轨迹102-130时，选择相应的计划。可向患者提供来自患者反馈模块100的患者反馈以促进更一致的轨迹134。
图10示出了包含在放射疗法治疗的管理之中的处理的流程图。该处理从计划产生(块300)开始。如上所述，利用数学模型、畸变模型、以及生理模型来确定计划和相。在产生了多个计划(块304)之后，将它们加载到放射疗法设备18(块308)。更具体地说，可将这些计划加载到计算机62，该计算机62具有可对放射疗法设备18的各部件和操作进行控制的能力(例如通过实施模块97)。
在已将治疗计划存储在放射疗法设备18(或计算机62)之后，开始患者14的放射疗法治疗。在治疗的第一阶段，对移动模式进行监视和评估(块312)。如上所述，可利用例如移动检测设备89和获取模块94对移动模式进行测量。在对运动模式进行监视之后，可根据运动模式产生可能的治疗计划列表(块316)。可根据计划与患者14的运动模式之间的时间和空间关系来评估该治疗计划。在确定了可能治疗计划列表之后，可选择治疗计划或者治疗计划的组合(块320)。可根据计算机62自动选择治疗计划，或者通过医生或其他专业人员手动选择治疗计划。通常选择与关注区的运动最紧密匹配的计划或计划的组合。在选择了治疗计划之后，对它进行评估(块324)。评估参数可以包括与关注区的位置、关注区的畸变、所管理的剂量、或者上述的组合有关的信息。在一些实施例中，如果对块320中所选的计划进行了评估(例如通过质量保证模块146)并且认为它不是有效的治疗，则该处理返回到块316以重新评估要实施的可能治疗计划。
然而，如果对治疗计划进行了评估并且推测它具有预期的结果，则通过放射疗法设备18来实施它(块328)。在实施该计划期间，该处理可返回，并且可重复后续的动作。在其他实现中，在实施了计划之后，要对它进行验证(块332)。实施验证可用于确定实际上实施给患者14的放射剂量以及所发生的畸变。如上所述，剂量和畸变信息对随后实现的计划有影响。在验证了计划的实施之后，该处理返回到块300的计划产生阶段，并且重复该处理。在其他实现中，该处理返回到运动评估块312，并且重复该处理的其余部分。
1.详细示例：对用于使靶移动的螺旋型共面IMRT射束的实施
如上所述，可结合本发明的示例性放射疗法治疗系统是TomoTherapy公司所提供的HI-ART商标的放射疗法系统，该公司网址为www.tomotherapy.com。TOMOTHERAPY HI-ART商标系统是螺旋型放射疗法治疗系统的示例，在许多方面它优于传统的IMRT。对螺旋型共面强度调制射束的实施是一个示例性优点。在一个实施例中，螺旋型实施系统典型地具有以下特征：1、固定颚板宽度；2、固定颚板位置和朝向；3、恒定的床速度；4、恒定的机架转速；以及5、强度调制的一维(ID)双MLC。
但是在另一方面，这种实施系统的简单性也揭示了在移动关注区(例如由呼吸运动引起的靶移动)情况下的一些限制。在螺旋型系统中不容易实现用于移动关注区的传统选通和跟踪技术。例如，选通技术需要停止机架的旋转或床的移动。跟踪技术需要实时颚板倾斜。如果患者始终遵循所计划的呼吸模型，则BSD是吸引人的。但是螺旋型系统很难校正任何相外呼吸(out-of-phase-breathing)。
对于改进的螺旋型形系统的一种构造，该系统假定以下内容：1、可实时确定靶位置；2、靶移动是刚体运动，即使有畸变，与刚体运动相比，该畸变也是可以忽略的；以及3、一个投影之内的靶移动是可以忽略的。通过预治疗患者身体的4D表示(诸如4D CT)与实时相确定技术(诸如利用照相机、如上面所示的肺活量计或治疗射束)的组合，假定1是可行的。对于大多数情况而言假定2是合理的。对于传统IMRT中所使用的跟踪技术，这还是基本假定。假定3实际上是诸如TomoTherapy公司所提供的HI-ART系统这样的一些实施系统的时间分辨率。
在一些构造中，螺旋型实施是按投影方式的。每个投影由三个参数表示：
k是旋转指数(k是整数)；
φ是机架角度(φ∈[O，2π])；以及
p是MLC叶指数，p∈[-P2,P2]]]>
对(k，φ)由投影指数组成。时间t与投影指数成线性正比t＝t(k，φ)。
设Δz是每旋转的床前进量。那么床位置是：
[e2]Z(k,φ)=(k+φ2π)ΔZ]]>
设I＝I(k，φ，p)是计划正弦图。函数值I(k，φ，p)表示在投影(k，φ)对叶p的按时间的射束。计划本身可基于静态患者模型(3D计划)或BSD模型(4D计划)。
设I′＝I′(k，φ，p)是实施正弦图。该节的一个目的是确定移动靶情况下的I′＝I′(k，φ，p)。
设：
x＝x(k，φ)：位于投影(k，φ)的计划靶位置。计划本身可基于静态患者模型(3D计划)或BSD模型(4D计划)。x＝(x，y，z)。
x′＝x′(k，φ)：位于投影(k，φ)的实施靶位置。这是根据假定1来确定的。
u＝u(k，φ)＝x′(k，φ)-x(k，φ)：实施与计划之间的靶位移；u＝(ux，uy，uz)。
可以进一步将横向靶位移分解成与射束方向相垂直(与MLC线平行)的分量u⊥和与射束方向平行的分量uII。结果是：
[e3]u⊥(k，φ)＝ux(k，φ)cosφ+uy(k，φ)sinφ
[e4]uII(k，φ)＝ux(k，φ)sinφ+uy(k，φ)cosφ
对平行于射束方向的运动分量uII，需要倒平方校正和衰减校正。设校正系数是r
[e5]r＝r1(k，φ)r2(k，φ)
其中r1(k，φ)是倒平方校正。设s(k，φ)是计划源至靶的距离，
[e6]r1(k,φ)=[s(k,φ)+uII(k,φ)]2s(k,φ)2]]>
并且设r2(k，φ)是衰减校正：
[e7]r2(k,φ)=exp(-∫0s(k,φ)μdt)exp(-∫0s(k,φ)+uIIμdt)]]>
仅当该系统具有4D CT，公式[e7]是可行的，否则该系统使用某些其他近似。
可通过移动MLC模式校正与射束方向相垂直的面内的运动分量进行校正。即：
[e8]p′(k，φ)＝p(k，φ)+u⊥(k，φ)
为了对Z分量运动进行校正，需要移动投影。而且，必须保持与计划正弦图相同的机架角度使得RAR具有如计划的最佳间隔。因此，我们仅需改变旋转指数k：
[e9]k′=k+round(uZΔZ)]]>
[e10]φ′＝φ
还可能的是由于任选的运动模式而使若干投影映射到相同投影上并且一些投影根本没有映射。必须考虑使用于每个投影最大可获得的按时间的射束是Imax，从而使得对任意移动靶54的实施策略如下述伪代码描述的那样。
设I＝I(k，φ，p)是计划正弦图
当使得I＝I(k，φ，p)＞0
对每个旋转指数k循环
对每个机架φ循环
获得计划靶位置x
确定真实靶位置x′
计算位移u＝x-x′
用公式[e3]至[e4]计算uII和u⊥
用公式[e5]至[e6]计算面内平行运动校正系数r
计算k′=k+round(uZΔZ)]]>
对每个MLC指数p循环
计算p′＝p+μ⊥
计算I′(k，φ，p)＝min(I(k′，φ，p′)，Imax)
设I(k，φ，p)＝I(k，φ，p)-I′(k，φ，p)
施加校正I′(k，φ，p)＝rI′(k，φ，p)
实施I′(k，φ，p)
对循环尾
对循环尾
对循环尾
当循环尾
图11是横向运动校正的表示。虚线是计划靶位置和射束强度，实线是所实施的靶位置和射束强度。
图12是对移动靶54实施静态计划的螺旋型系统的说明。实线是每个投影的计划靶位置。虚线是实施期间的实际靶位置。方块指出了所计划的投影，并且三角形指出了当机架和床处于该位置时的实际靶。圆圈指出了此时需要实施的投影。该圆圈通常位于两个旋转之间。通常需要内插法来确定射束强度。
图13与图12相类似，除了计划呼吸运动的特定模式(BSD计划，实线)，同时实际靶位置(虚线)也不同于BSD计划。方块指出了所计划的投影，并且三角形指出了当机架和床处于该位置时的实际靶。圆圈指出了此时需要实施的投影。该圆圈通常位于两个旋转之间。需要使用内插法来确定射束强度。
因此，本发明尤其提供了用于将放射疗法实施到关注的移动区的新的且有用的系统和方法。在权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。