以下總體上涉及放射治療遞送，并且更具體地涉及利用非共面軌跡的容積調(diào)強弧形治療(vmat)。

背景技術(shù)：

在強度調(diào)制放射治療(imrt)中，非共面射束的使用產(chǎn)生相比于共面計劃具有改善的器官節(jié)省的處置計劃。當(dāng)前的放射治療規(guī)劃系統(tǒng)一般具有用于優(yōu)化非共面入射射束方向的有限支持。這是至少部分地由于問題的組合性質(zhì)而造成的。當(dāng)前的方法(例如，模擬退火或整數(shù)規(guī)劃)在計算上太過昂貴以至于在實際中不能使用。

容積調(diào)強弧形治療(vmat)指的是當(dāng)機架(以及因此處置射束)旋轉(zhuǎn)時處置射束連續(xù)發(fā)射的放射治療處置。通過當(dāng)機架圍繞患者移動時遞送輻射，vmat允許減少處置時間。不幸的是，vmat遞送受限于例如通過固定的診察臺角度(例如，零)實現(xiàn)的共面射束。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本文中描述的各個方面解決了上面提及的問題和/或其他問題。

在一個方面中，一種方法包括確定候選射束方向的集合。輻射治療方法還包括使用射束角度選擇算法基于注量優(yōu)化從候選射束方向的所述集合選擇感興趣的非共面射束方向的子集。所述輻射治療方法還包括基于射束軌跡算法來確定遞送選項的集合，其中，所述遞送選項至少包括在輻射處置遞送期間的非共面軌跡。所述輻射治療方法還包括優(yōu)化所述遞送選項以生成具有非共面射束軌跡的vmat處置計劃。對所述遞送選項的所述優(yōu)化包括優(yōu)化至少一個機器參數(shù)。

在另一方面中，一種輻射處置系統(tǒng)包括候選射束方向確定器，所述候選射束方向確定器被配置為確定候選射束方向的集合。所述系統(tǒng)還包括射束方向選擇器，所述射束方向選擇器被配置為使用射束角度選擇算法基于注量優(yōu)化從候選射束方向的所述集合選擇非共面射束方向的子集。所述系統(tǒng)還包括射束軌跡確定器，所述射束軌跡確定器被配置為確定遞送選項的集合，所述遞送選項至少包括涉及在容積弧形遞送期間的射束旋轉(zhuǎn)和對象支撐物旋轉(zhuǎn)兩者的遞送。所述系統(tǒng)還包括計劃優(yōu)化器，所述計劃優(yōu)化器被配置為優(yōu)化所述遞送選項，所述優(yōu)化生成具有非共面射束方向的vmat輻射計劃。

在另一方面中，一種被編碼有計算機可執(zhí)行指令的非瞬態(tài)計算機可讀介質(zhì)，所述計算機可執(zhí)行指令當(dāng)由處理器執(zhí)行時令所述處理器：確定候選射束方向的集合，使用射束角度選擇算法基于注量優(yōu)化從候選射束方向的所述集合選擇非共面射束的子集，基于射束軌跡算法來確定遞送選項的集合，其中，所述遞送選項至少包括：涉及在容積弧形遞送期間的射束旋轉(zhuǎn)和對象支撐物旋轉(zhuǎn)兩者的遞送，優(yōu)化所述遞送選項，所述優(yōu)化生成具有非共面射束方向的vmat輻射計劃，并且基于在基于信號來旋轉(zhuǎn)射束并旋轉(zhuǎn)所述對象支撐物時的非共面軌跡來控制處于vmat模式中的輻射處置系統(tǒng)以連續(xù)遞送輻射。

附圖說明

本發(fā)明可以采取各種部件和各種部件的布置，以及各個步驟和各個步驟的安排的形式。附圖僅出于圖示優(yōu)選實施例的目的，并且不得被解釋為對本發(fā)明的限制。

圖1示意性地圖示了包括被配置為生成具有非共面軌跡計劃的vmat的輻射處置規(guī)劃器的示范性輻射治療系統(tǒng)。

圖2示意地圖示了輻射處置規(guī)劃器的范例。

圖3圖示了用于具有非共面軌跡的vmat的示范性方法。

具體實施方式

圖1示意性地圖示了輻射治療系統(tǒng)100，例如，線性加速器或直線加速器。輻射治療系統(tǒng)100包括靜止機架102和旋轉(zhuǎn)機架104，所述旋轉(zhuǎn)機架104被可旋轉(zhuǎn)地附接到靜止機架102。旋轉(zhuǎn)機架104關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸106圍繞處置區(qū)域108旋轉(zhuǎn)(例如180°等)。

靜止機架102包括處置頭110，所述處置頭110具有遞送處置輻射的治療(例如，兆伏(mv)輻射)源112和能夠?qū)㈦x開處置頭110的輻射場整形成任意形狀的準直器114(例如，多葉準直器)。輻射源112配合旋轉(zhuǎn)機架104圍繞處置區(qū)域108旋轉(zhuǎn)。準直器114包括能夠獨立地移動以對場進行整形的一組狹口。

對象支撐物116(例如，診察臺)支撐在處置區(qū)域108中的對象的部分。所圖示的患者支撐物116包括被配置為平移進和平移出處置區(qū)域108的臺面118和被配置為圍繞樞轉(zhuǎn)點122旋轉(zhuǎn)的基部120，所述基部120在垂直于處置頭110和兆伏輻射源112的旋轉(zhuǎn)平面的平面中旋轉(zhuǎn)患者。

控制器124被配置為控制旋轉(zhuǎn)機架104和對象支撐物116的同時旋轉(zhuǎn)和在處置(例如，vmat模式)期間通過兆伏輻射源112對處置輻射的連續(xù)遞送。控制器124也被配置為針對一種或多種其他模式來控制系統(tǒng)100，例如，在一組射束位置處的步進-擊發(fā)遞送、組合的容積弧形和步進-擊發(fā)遞送，以及一個或多個共面或非共面弧形遞送。

輻射處置規(guī)劃器126創(chuàng)建輻射處置計劃。這包括用于vmat模式的具有針對非共面射束的射束軌跡的處置計劃。如在下面更加詳細地描述的，輻射處置規(guī)劃器126采用計算高效的迭代方法以使用組合的優(yōu)化模型來確定用于vmat模式的非共面軌跡。這包括共面弧形治療規(guī)劃算法針對更復(fù)雜的非共面處置規(guī)劃設(shè)置的調(diào)整。該方法也允許強加機器的實際遞送限制和調(diào)節(jié)處置時間與處置計劃質(zhì)量之間的權(quán)衡。這樣，系統(tǒng)100允許相對于imrt模式的減少的處置時間，同時具有相比于共面計劃的改善的器官節(jié)省。

應(yīng)當(dāng)意識到，輻射處置規(guī)劃器126能夠經(jīng)由執(zhí)行一個或多個計算機可讀指令的一個或多個處理器(例如，微處理器、中央處理單元、控制器等)來實施。在一個實例中，一個或多個計算機可讀指令被編碼在非瞬態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)上，例如，物理存儲器和/或其他非瞬態(tài)介質(zhì)。額外地或備選地，計算機可讀指令中的至少一個能夠由載波、信號和/或其他瞬態(tài)介質(zhì)來承載。

操作者控制臺128包括人類可讀輸出設(shè)備(例如，顯示器)和輸入設(shè)備(例如，鍵盤和/或鼠標)。能在控制臺128上訪問的軟件允許操作者控制輻射治療系統(tǒng)100的操作。例如，操作者能夠選擇并加載用于具有非共面射束的vmat模式(或共面射束，具有非共面射束或共面射束的imrt模式等)的處置計劃。響應(yīng)于此，控制臺128向控制器124發(fā)送命令信號，所述命令信號引起控制器124同時對旋轉(zhuǎn)機架104和對象支撐物116進行旋轉(zhuǎn)，同時輻射源112連續(xù)遞送輻射。

圖2圖示了輻射處置規(guī)劃器126的非限制性范例。

輻射處置規(guī)劃器126包括候選射束方向確定器202。候選射束方向確定器202考慮預(yù)定標準204而確定一組候選射束方向。預(yù)定標準204的范例包括旋轉(zhuǎn)機架104與對象支撐物116的碰撞以及旋轉(zhuǎn)機架104與由對象支撐物116支撐的對象的碰撞。其他標準204可以阻止某些射束，即使它們不會碰撞。例如，一些機器可能不允許后-下射束(即，如果診察臺處于±90°，則朝向桌臺旋轉(zhuǎn)機架超過180°。

其他標準可以包括要求不進入通過丟失的ct切片的射束和/或作為“有利”射束的射束。“不利”射束的范例是導(dǎo)致患者中的大離開劑量的上-下射束、進入通過眼睛的射束等。排除代替在確定候選射束方向之前懲罰不利射束可以從開始減少候選射束的數(shù)量，并且因此減少計算時間。然而，對不利射束的排除也能夠在優(yōu)化期間被實現(xiàn)。在本文中也考慮其他標準。

排除基于旋轉(zhuǎn)機架104與對象支撐物116的碰撞的射束和某些射束(即使它們不會碰撞)能夠通過機器模型來實現(xiàn)。為了排除基于旋轉(zhuǎn)機架104與患者的碰撞的射束，可以利用對具有取決于桌臺平移的無碰撞角度和一般患者模型的圖表的生成。在becker等人的“collisionindicatorchartsforgantry-couchpositioncombinationsforsiemensoncorandelektainfinitylinacs”(journalofappliedclinicalmedicalphysics，第14卷，第5期，2013年)中討論了這種情況的范例。

輻射處置規(guī)劃器126還包括射束方向選擇器206。射束方向選擇器206基于候選射束方向和/或其他射束方向(例如，已經(jīng)選擇的射束位置)的集合來選擇非共面射束方向的集合，所述非共面射束方向的集合能夠在第一次迭代中為空集。為此，射束方向選擇器206基于一個或多個射束方向確定算法208來識別候選射束方向的子集，作為非共面射束方向的集合。

在一個實例中，非共面射束方向的集合基于注量優(yōu)化來識別。示范性注量優(yōu)化在公式1中示出：

公式1：

最小化f(d)，

其中，d表示劑量分布，并且f是量化劑量分布d與處置目標的偏差的目標函數(shù)。劑量分布d能夠如公式2所示的那樣來確定：

公式2：

其中，b表示候選射束方向的集合，c表示接收的候選射束方向的集合的識別的子集，b表示射束標引，x^b表示針對射束b的小射束強度的向量，d^b表示對應(yīng)的劑量-注量矩陣，m表示劑量計算方法，例如與基于小射束的更適當(dāng)?shù)膭┝坑嬎惴椒ńY(jié)合使用的基于筒串卷積或蒙特卡洛的方法，并且xref表示標引有b的參考注量強度的集合。

算法208中的至少一個定義了迭代射束角度選擇方法，其中，射束方向被識別并且被依次添加到處置計劃。例如，在一個實例中，在迭代n中，處置計劃由包括n個射束的射束集合cn組成。為了選擇下一個射束，每個剩余的候選射束被單獨地添加到全集，并且射束方向選擇器206求解公式1。

隨后，產(chǎn)生最低目標函數(shù)值的候選射束被添加到射束全集cn。該方法在本文中被稱為“貪婪的”射束角度選擇方法，這是因為在每一次迭代中，它缺乏遠見地選擇產(chǎn)生最大即刻改善的射束。相比于用于射束角優(yōu)化的隨機搜索方法，該方法能夠產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠媱澷|(zhì)量。以下描述了能夠加速迭代射束選擇的示范性近似。

在一種方法(在本文中被稱為“預(yù)測未來”方法)中，射束方向選擇器206通過執(zhí)行基于梯度下降的算法的少量(例如，5、10、20、50次等)迭代僅近似地求解公式1。在固定次數(shù)的迭代之后達到的目標函數(shù)值表示用于候選射束的質(zhì)量的得分。在一個范例中，使用對limited-memorybroyden–fletcher–goldfarb–shannon(l-bfgs)優(yōu)化的擴展。所述l-bfgs優(yōu)化在使用有限量的計算機存儲器來對broyden–fletcher–goldfarb–shanno(bfgs)算法進行近似的擬牛頓方法的家族中。

擴展的方法(l-bfgs-b)將l-bfgs擴展到邊界約束的問題，所述邊界約束的問題僅需要來自優(yōu)化目標的一階信息(即，需要在每一次迭代中計算目標函數(shù)值及其梯度，但不是hessian)。這樣，能夠使用預(yù)測未來策略在射束角度選擇內(nèi)使用該方法。zhu等人的“l(fā)-bfgs-b,fortranroutinesforlargescaleboundconstrainedoptimization.acm”(transactionsonmathematicalsoftware，第23卷，第4期，第550-560頁，1997年)中討論了l-bfgs-b方法。

在另一方法(在本文中也被稱為“梯度范數(shù)”方法)中，射束方向選擇器206通過僅考慮在第一次迭代中的目標函數(shù)的梯度的范數(shù)以獲得射束得分來選擇射束角度。更具體地，目標函數(shù)的梯度的負投影指示目標函數(shù)隨著新添加的射束的權(quán)重增加而減小的速率。這類似于凸優(yōu)化中使用的列生成方法中的標準變量選擇方法。

利用該方法，射束角度選擇過程通過僅考慮第一次迭代中的目標函數(shù)的梯度而被進一步簡化。在添加先前的射束之后，cn中的所有射束的注量圖被固定在其最優(yōu)值處，而新的候選射束b具有零注量。目標函數(shù)的投影的負梯度是當(dāng)前解處的最陡的可行下降方向。例如，對于每一個候選射束向量的范數(shù)如公式3所示的那樣來計算：

公式3：

其充當(dāng)由將射束b添加到射束全集cn引起的f的最優(yōu)值的改善的一階估計。關(guān)于小射束強度的偏導(dǎo)數(shù)對于被包括在cn中的所有小波束來說為零，非負約束對于所述cn來說是不綁定的。具有投影的梯度范數(shù)的最大值的候選射束被添加到射束全集。

在“預(yù)測未來”方法和“梯度范數(shù)”方法兩者中，射束方向選擇器206添加具有最佳得分的射束。隨后，射束方向選擇器206針對新的射束全集求解公式1，并且在下一個射束被選擇之前，所有射束的注量圖被固定到其最優(yōu)值。一旦非共面射束方向的集合被選擇，得到的射束角度充當(dāng)下一描述的弧形治療軌跡的錨固點。

選擇新射束的額外方法包括利用選定的射束位置和所有候選射束位置進行求解。為此，獲得的目標值與全部集合減去候選射束位置中的一個進行比較。引起目標值的最大退化的移除識別到當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的解的感興趣的候選射束位置。

輻射處置規(guī)劃器126還包括射束軌跡確定器210，所述射束軌跡確定器210基于(一個或多個)射束軌跡算法212來確定遞送選項的集合。所述遞送選項能夠包括：1)射束位置的集合處的步進-擊發(fā)遞送；2)組合的容積弧形和步進-擊發(fā)遞送；3)一個或多個共面或非共面弧形遞送；和/或4)涉及在容積弧形遞送期間的機架和對象支撐物116旋轉(zhuǎn)的遞送。候選遞送軌跡之間的差異能夠包括對象支撐物116移動的數(shù)量和/或量。

對于涉及在容積弧形遞送期間的旋轉(zhuǎn)機架104和對象支撐物116旋轉(zhuǎn)的遞送，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過規(guī)定的射束角度的最短射束軌跡是組合優(yōu)化問題的變型。也就是，對于每對射束角度，距離能夠被定義為將旋轉(zhuǎn)機架104和對象支撐物116從一個角度重新定位到另一角度所需的最少時間量。感興趣的射束軌跡是訪問每個射束角度而不必返回到第一射束角度的最短路徑。

該軌跡能夠通過射束角度被訪問的順序(或序列)來確定。在一個實例中，最高安全機架和對象支撐物旋轉(zhuǎn)速度近似相同，并且旋轉(zhuǎn)機架104和對象支撐物116同時旋轉(zhuǎn)。在該實例的情況下，每一條軌跡的長度能夠以角度而非時間來測量，并且用于兩個(診察臺、機架)位置(c1，g1)與(c2，g2)之間的距離的度量能夠使用公式4來找到：

公式4：

max(|c1-g1|，|c2-g2|)。

例如，具有長360度的軌跡在與沒有對象支撐物旋轉(zhuǎn)的全共面機架弧形相同的時間量方面是可跟蹤的。如果需要的話，距離度量能夠被修改。例如，通過假設(shè)更低的診察臺速度，具有更少對象支撐物116旋轉(zhuǎn)的軌跡以更多旋轉(zhuǎn)機架104運動的代價而變得有利。類似地，連接兩個完全不同的碰撞避免對的最短軌跡能夠?qū)е屡鲎?。軌跡長度能夠使用連接(c1，g1)與(c2，g2)的最短碰撞避免路徑的長度而不使用公式4，所述最短碰撞避免路徑的長度能夠使用建立的最短路徑算法來計算。

為了找到近似規(guī)定的長度的射束軌跡，“預(yù)測未來”方法被用于逐一識別射束角度。在射束角度被添加到全集之后，訪問這些角度中的每個的最短軌跡被確定。在papadimitriou等人的“combinatorialoptimization”(dover，1998年)和vazirani的“approximationalgorithms”(springer，2003年)中討論了能夠用于確定訪問這些角度中的每個的最短軌跡的方法的非限制性范例。示范性停止標準能夠用于在該軌跡短于共面360度弧形時繼續(xù)。這允許找到能與全部共面vmat弧形近似相同的時間量遞送的非共面vmat計劃。

盡管該方法及其變型是非確定性多項式時間(np)困難的，但是它們能夠針對少量的射束角度(例如，10-20個射束角度)進行求解。這些實例能夠使用已知的整數(shù)規(guī)劃求解器(例如，cplex或gurobi和/或其他求解器)容易迅速地(例如，在幾秒內(nèi))進行求解。在gurobi的“optimization.gurobioptimizer，version5.6”(http://www.gurobi.com/products/gurobi-optimizer/gurobi-overview)和ibmcorp.cplexuser'smanual，version12.6.(http://pic.dhe.ibm.com/infocenter/cosinfoc/v12r6/topic/ilog.odms.cplex.help/cplex/homepages/usrmancplex.html)中討論了這樣的求解器的范例。

射束軌跡確定器210使用錨固點和在例如針對對象支撐物116和旋轉(zhuǎn)機架104兩者以恒定速度在錨固點之間移動的情況中錨固點被訪問的優(yōu)化順序來確定最終的射束軌跡。對于最終的規(guī)劃，射束軌跡確定器210針對預(yù)定的分辨率使用沿著射束軌跡的劑量-影響矩陣。為此目的，在一個非限制性實例中，全部軌跡被分成關(guān)于通過劑量計算的葉片和角度靈敏度的調(diào)制而被(例如，相等地或不等地)間隔開的多個節(jié)段(例如，180個、更多、或更少)。

輻射處置規(guī)劃器126還包括計劃優(yōu)化器214，所述計劃優(yōu)化器214基于(一個或多個)優(yōu)化算法216對計劃進行優(yōu)化。在一個實例中，優(yōu)化包括對另外的機器參數(shù)(例如，mlc葉片位置和/或其他機器參數(shù))進行優(yōu)化。一旦射束軌跡被固定，最終的計劃能夠通過調(diào)整先前針對共面vmat開發(fā)的vmat算法來獲得。vmat優(yōu)化劑量并非固有地依賴于共面射束軌跡，并且能夠被一般化為給定的非共面軌跡。一種方法是使用滑動窗口vmat優(yōu)化算法216。

在該方法中，弧形被分成k個弧形區(qū)段。在每個弧形區(qū)段中，mlc葉片單向地移動穿過場，遞送強度調(diào)制的場?？紤]到充分的處置時間，具有k個葉片掃掠的共面vmat計劃的計劃質(zhì)量接近具有等距射束的k-射束imrt計劃的計劃質(zhì)量。在papp等人的“directleaftrajectoryoptimizationforvolumetricmodulatedarctherapyplanningwithslidingwindowdelivery”(medicalphysics，第41卷，第011701期，2014年1月)中討論了這樣的方法的范例。

預(yù)想到變型。

在變型中，對象支撐物116的加速被并入遞送時間。大的(減)加速要被避免，這是因為它對于患者來說是不舒服的，并且增加了在遞送期間患者位置的不確定性。

在另一變型中，遞送的軌跡能夠基于允許的軌跡的庫、基于針對其他患者創(chuàng)建的已經(jīng)批準的計劃的集合、或基于僅涉及非常有限的診察臺移動和/或加速的那些軌跡。

在又一變型中，被確定的潛在軌跡不需要與選定的射束位置精確交疊。

圖3圖示了用于具有非共面軌跡的vmat的示范性方法。

應(yīng)當(dāng)意識到，在本文中描述的方法中的動作的順序不是限制性的。這樣，在本文中預(yù)想到其他順序。額外地，可以省略一個或多個動作，和/或可以包括一個或多個額外的動作。

在302處，如在本文中所描述的那樣和/或以另外的方式獲得感興趣的射束方向的候選集合。

在304處，如在本文中所描述的那樣和/或以另外的方式從感興趣的射束位置的候選集合獲得感興趣的非共面射束方向的子集。

在306處，如在本文中所描述的那樣和/或以另外的方式基于感興趣的射束方向的子集來確定遞送選項。

在308處，如在本文中所描述的那樣和/或以另外的方式優(yōu)化遞送選項。

在310處，確定是否存在要處理的感興趣的射束方向的另一候選集合。如果存在的話，動作302-310利用選定的集合和新的候選集合進行重復(fù)。如果不存在的話，創(chuàng)建具有非共面軌跡的vmat輻射處置計劃，并且將所述具有非共面軌跡的vmat輻射處置計劃傳送給控制臺128以控制輻射處置系統(tǒng)100。

在本文中的方法可以通過被編碼或被嵌入在計算機可讀存儲介質(zhì)上的計算機可讀指令來實施，所述計算機可讀指令當(dāng)由(一個或多個)計算機處理器執(zhí)行時令(一個或多個)處理器執(zhí)行所描述的動作。額外地或備選地，計算機可讀指令中的至少一個由信號、載波和/或其他瞬態(tài)介質(zhì)來承載。

在一個非限制性實例中，輻射治療系統(tǒng)100在vmat遞送期間僅具有一個旋轉(zhuǎn)軸/射束位置的自由度。在另一非限制性實例中，輻射治療系統(tǒng)100具有超過一個的自由度，所述超過一個的自由度能夠與對象支撐物116的旋轉(zhuǎn)組合使用或在沒有對象支撐物116的旋轉(zhuǎn)的情況下使用。

已經(jīng)參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。他人在閱讀和理解前面的具體描述的情況下可以想到修改和替代。本文旨在將本發(fā)明解釋為包括所有這樣的修改和替代，只要它們落入權(quán)利要求書及其等價方案的范圍內(nèi)。