本公開的實(shí)施例總體上涉及與放射治療計(jì)劃和治療系統(tǒng)結(jié)合使用的處理和優(yōu)化技術(shù)。具體地，本公開涉及用于使用特定計(jì)算硬件配置來識(shí)別針對(duì)放射治療療程的優(yōu)化計(jì)劃的方法。

背景技術(shù)：

1、放射療法(或“放射治療”)可用于治療哺乳動(dòng)物(例如人和動(dòng)物)組織中的癌癥或其它疾病。一種這樣的放射治療技術(shù)使用伽瑪?shù)?gamma?knife)來提供，通過其患者被大量低強(qiáng)度伽瑪射線照射，這些低強(qiáng)度伽瑪射線以高強(qiáng)度和高精度會(huì)聚在靶(例如腫瘤)處。另一種這樣的放射治療技術(shù)使用直線加速器(linear?accelerator，linac)來提供，由此腫瘤被高能粒子(例如電子、質(zhì)子、離子、高能光子等)照射。必須準(zhǔn)確地控制輻射束的放置和劑量以確保腫瘤接收規(guī)定的輻射，并且束的放置應(yīng)當(dāng)使得對(duì)周圍健康組織(通常稱為(一個(gè)或多個(gè))危及器官(organ?at?risk，oar))的損傷最小化。

2、在放射治療中，通常通過求解平衡各種沖突目標(biāo)(例如到靶的高劑量、正常組織保留和治療復(fù)雜性)的優(yōu)化問題來生成治療計(jì)劃。因此，其是一個(gè)多準(zhǔn)則優(yōu)化(multicriteriaoptimization，mco)問題。通常，使用加權(quán)和來組合不同的準(zhǔn)則，其中，各個(gè)權(quán)重確定該準(zhǔn)則的相對(duì)重要性。對(duì)于凸優(yōu)化問題，優(yōu)化試圖識(shí)別所有帕累托最優(yōu)放射治療計(jì)劃。在該上下文中，帕累托最優(yōu)計(jì)劃是指其中沒有準(zhǔn)則能夠在不惡化另一準(zhǔn)則的情況下得到改進(jìn)的放射治療計(jì)劃。

3、找到可接受的權(quán)重以開發(fā)帕累托最優(yōu)放射治療計(jì)劃通常是手動(dòng)的和乏味的試錯(cuò)過程，尤其是因?yàn)樵u(píng)估參數(shù)的單個(gè)選擇需要求解針對(duì)放射治療的完全優(yōu)化問題。取決于應(yīng)用，求解單個(gè)計(jì)劃的完全優(yōu)化問題可能花費(fèi)從幾秒到一小時(shí)來計(jì)算和評(píng)估參數(shù)組合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、提供了用于通過使用優(yōu)化方法求解可經(jīng)由參數(shù)調(diào)整的放射治療問題來生成放射治療計(jì)劃的各種實(shí)施例、方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。該優(yōu)化方法可以產(chǎn)生多個(gè)解，然后使用這些解來識(shí)別導(dǎo)致令人滿意的放射治療計(jì)劃的參數(shù)選擇。

2、放射治療問題可以表達(dá)為多準(zhǔn)則優(yōu)化(mco)問題，其中，參數(shù)對(duì)應(yīng)于臨床偏好。然后，可以使用多個(gè)解來識(shí)別帕累托表面(也稱為帕累托邊界)。如本文所用的帕累托最優(yōu)計(jì)劃是指被優(yōu)化為使得沒有準(zhǔn)則能夠在不惡化另一個(gè)準(zhǔn)則的情況下得到改進(jìn)的計(jì)劃。所有帕累托最優(yōu)計(jì)劃的集合構(gòu)成帕累托表面。

3、以下提供了一種用于放射治療計(jì)劃優(yōu)化的擴(kuò)展方法，其使用線性規(guī)劃(linearprogramming，lp)求解器的專門配置來識(shí)別帕累托表面。在一個(gè)示例中，lp求解器適于應(yīng)用交替方向乘子法(alternating?direction?method?of?multipliers，admm)技術(shù)，其使得能夠在例如gpu的并行處理硬件上執(zhí)行l(wèi)p求解器。作為結(jié)果，能夠以比順序求解快得多的方式并行地求解lp方程。

4、在各種示例中，用于這樣的放射治療計(jì)劃的操作包括：獲得用于向人類受試者提供放射治療的放射治療問題，該放射治療問題可經(jīng)由參數(shù)調(diào)整；執(zhí)行用于放射治療的遞送的治療計(jì)劃優(yōu)化，該治療計(jì)劃優(yōu)化包括：(i)從放射治療問題中識(shí)別參數(shù)化線性規(guī)劃方程；(ii)轉(zhuǎn)換參數(shù)化線性規(guī)劃方程以供并行處理硬件執(zhí)行；以及(iii)在并行處理硬件上并行地求解多個(gè)轉(zhuǎn)換后的參數(shù)化線性規(guī)劃方程，以產(chǎn)生與由放射治療問題定義的參數(shù)相對(duì)應(yīng)的放射治療問題的多個(gè)解(例如帕累托最優(yōu)解)；以及基于多個(gè)解中的至少一者生成治療計(jì)劃數(shù)據(jù)，其中這樣的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)用于生成經(jīng)由特定放射治療機(jī)器進(jìn)行放射治療的針對(duì)特定患者的放射治療計(jì)劃。

5、在進(jìn)一步的示例中，放射治療問題是多準(zhǔn)則優(yōu)化問題，并且由放射治療問題定義的參數(shù)對(duì)應(yīng)于臨床偏好。另外，執(zhí)行用于放射治療的遞送的治療計(jì)劃優(yōu)化可以包括接收求解放射治療問題的請(qǐng)求，以及接收由放射治療問題定義的參數(shù)的多個(gè)集合。例如，參數(shù)的多個(gè)集合中的參數(shù)可以涉及從放射治療機(jī)器接收放射治療的人類受試者的特定解剖區(qū)域，或者更具體地，參數(shù)的多個(gè)集合可以包括一個(gè)或多個(gè)危及器官區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)靶區(qū)域的定義。

6、如前所述，轉(zhuǎn)換線性規(guī)劃方程可以包括應(yīng)用交替方向乘子法(admm)技術(shù)。具體地，交替方向乘子法技術(shù)可以包括將線性規(guī)劃方程變換成矩陣和投影運(yùn)算(例如如下面參考方程6所述)。并行處理硬件可以包括多個(gè)圖形處理單元(graphics?processing?unit，gpu)，該多個(gè)圖形處理單元能夠并行地執(zhí)行矩陣運(yùn)算。

7、在進(jìn)一步的示例中，可以基于所生成的多個(gè)解來生成并輸出放射治療問題的解空間(例如包括帕累托最優(yōu)解的集合的帕累托表面)的表示。其他圖形表示可以包括生成圖形用戶接口(其被配置為提供配置治療計(jì)劃的功能)的顯示，以及在圖形用戶接口內(nèi)顯示與針對(duì)參數(shù)的特定集合的放射治療問題的解相關(guān)聯(lián)的信息。與所顯示的解相關(guān)聯(lián)的這樣的信息可以基于針對(duì)放射治療問題的解空間(例如帕累托表面)的表示或各個(gè)解的特性。另外，這樣的圖形用戶接口可以用于獲得用戶交互以修改參數(shù)的特定集合。

8、在進(jìn)一步的示例中，用于這樣的放射治療計(jì)劃優(yōu)化的操作還包括：基于多個(gè)解的評(píng)估來選擇放射治療問題的解；其中，治療計(jì)劃數(shù)據(jù)是基于放射治療問題的所選擇的解來生成的。例如，放射治療問題的所選擇的解可以提供近似解，從而允許用于放射治療計(jì)劃優(yōu)化的操作包括：接收對(duì)所選擇的解的附加優(yōu)化；其中，用于放射治療的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)是基于對(duì)所選擇的解的附加優(yōu)化來生成的。

9、用于放射治療的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)可以包括與放射治療機(jī)器的能力相對(duì)應(yīng)的治療遞送參數(shù)的集合。在一個(gè)示例中，放射治療使用伽瑪?shù)秮硖峁?，并且治療遞送參數(shù)的集合包括用于放射治療的遞送的等中心的集合。例如，治療遞送參數(shù)的集合還包括用于放射治療的遞送的定時(shí)和用于使用伽瑪?shù)兜姆派渲委煹倪f送的準(zhǔn)直器序列。作為另一示例，放射治療使用容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療(volumetric-modulated?arc?therapy，vmat)或調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity?modulated?radiation?therapy，imrt)來提供，例如，使用直線加速器放射治療機(jī)器，并且治療遞送參數(shù)的集合包括以下內(nèi)容中的一者或多者：用于一個(gè)或多個(gè)弧的弧控制點(diǎn)的集合、注量場(chǎng)、臺(tái)架速度以及沿著一個(gè)或多個(gè)弧的劑量率。

10、在進(jìn)一步的示例中，這些操作隨后可以是基于用于放射治療的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)使用來自放射治療機(jī)器的多個(gè)放射治療束來引起或?qū)崿F(xiàn)放射治療的遞送的操作。

11、以上概述旨在提供本專利申請(qǐng)的主題的概述。其不旨在提供對(duì)本發(fā)明主題的排他性或詳盡的解釋。包括詳細(xì)描述以提供關(guān)于本專利申請(qǐng)的進(jìn)一步信息。

技術(shù)特征：

1.一種用于放射治療計(jì)劃的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，由所述放射治療問題定義的所述參數(shù)對(duì)應(yīng)于臨床偏好。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述參數(shù)的所述多個(gè)集合中的參數(shù)涉及從所述放射治療機(jī)器接收所述放射治療的所述人類受試者的特定解剖區(qū)域。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述參數(shù)的所述多個(gè)集合包括一個(gè)或多個(gè)危及器官區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)靶區(qū)域的定義。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，轉(zhuǎn)換所述參數(shù)化線性規(guī)劃方程包括應(yīng)用交替方向乘子法技術(shù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述交替方向乘子法技術(shù)包括將所述轉(zhuǎn)換后的參數(shù)化線性規(guī)劃方程變換成矩陣運(yùn)算。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述并行處理硬件包括多個(gè)圖形處理單元(gpu)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于所述放射治療問題的所述多個(gè)解來生成解空間的表示，其中，所述解空間是包括帕累托最優(yōu)解的集合的帕累托表面。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括：

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括：

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述放射治療問題的所述所選擇的解提供近似解，其中所述方法還包括：

13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，用于所述放射治療的所述治療計(jì)劃數(shù)據(jù)包括與所述放射治療機(jī)器的能力相對(duì)應(yīng)的治療遞送參數(shù)的集合。

14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述放射治療將使用伽瑪?shù)秮硖峁⑶移渲?，所述治療遞送參數(shù)的集合包括用于所述放射治療的遞送的等中心的集合。

15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述治療遞送參數(shù)的集合還包括用于所述放射治療的遞送的定時(shí)和用于所述放射治療的遞送的準(zhǔn)直器序列。

16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述放射治療將使用直線加速器或磁共振(mr)-直線加速器放射治療機(jī)器來提供。

17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述放射治療將使用容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療(vmat)或調(diào)強(qiáng)放射治療(imrt)來提供，并且其中，所述治療遞送參數(shù)的集合包括：用于一個(gè)或多個(gè)弧的弧控制點(diǎn)的集合、注量場(chǎng)、臺(tái)架速度和沿著所述一個(gè)或多個(gè)弧的劑量率。

18.一種非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，包括用于放射治療計(jì)劃的計(jì)算機(jī)可讀指令，其中，所述指令在使用計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的方法。

19.一種被配置用于放射治療計(jì)劃的計(jì)算系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，由所述放射治療問題定義的所述參數(shù)對(duì)應(yīng)于臨床偏好。

21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)處理器還被配置為執(zhí)行以下操作：

22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)的所述多個(gè)集合中的參數(shù)涉及從所述放射治療機(jī)器接收所述放射治療的所述人類受試者的特定解剖區(qū)域。

23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)的所述多個(gè)集合包括一個(gè)或多個(gè)危及器官區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)靶區(qū)域的定義。

24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)換所述參數(shù)化線性規(guī)劃方程的所述操作包括應(yīng)用交替方向乘子法技術(shù)的操作。

25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述交替方向乘子法技術(shù)包括將所述轉(zhuǎn)換后的參數(shù)化線性規(guī)劃方程變換成矩陣運(yùn)算的操作。

26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述并行處理硬件包括多個(gè)圖形處理單元(gpu)。

27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)處理器還被配置為執(zhí)行基于所述放射治療問題的所述多個(gè)解來生成解空間的表示的操作，其中，所述解空間是包括帕累托最優(yōu)解的集合的帕累托表面。

28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)處理器還被配置為執(zhí)行以下操作：

29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)處理器還被配置為執(zhí)行以下操作：

30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述放射治療問題的所述所選擇的解提供近似解，所述一個(gè)或多個(gè)處理器還被配置為執(zhí)行以下操作：

31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，用于所述放射治療的所述治療計(jì)劃數(shù)據(jù)包括與所述放射治療機(jī)器的能力相對(duì)應(yīng)的治療遞送參數(shù)的集合。

32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述放射治療將使用伽瑪?shù)秮硖峁?，并且其中，所述治療遞送參數(shù)的集合包括用于所述放射治療的遞送的等中心的集合。

33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述治療遞送參數(shù)的集合還包括用于所述放射治療的遞送的定時(shí)和用于所述放射治療的遞送的準(zhǔn)直器序列。

34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述放射治療將使用直線加速器或磁共振(mr)-直線加速器放射治療機(jī)器來提供。

35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述放射治療將使用容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療(vmat)或調(diào)強(qiáng)放射治療(imrt)來提供，并且其中，所述治療遞送參數(shù)的集合包括：用于一個(gè)或多個(gè)弧的弧控制點(diǎn)的集合、注量場(chǎng)、臺(tái)架速度和沿著所述一個(gè)或多個(gè)弧的劑量率。

技術(shù)總結(jié)
公開了用于放射治療的動(dòng)態(tài)適應(yīng)的系統(tǒng)和方法。用于放射治療計(jì)劃的示例操作包括：獲得用于提供放射治療的放射治療問題(例如多準(zhǔn)則優(yōu)化問題)；執(zhí)行用于放射治療的遞送的治療計(jì)劃優(yōu)化；以及基于多個(gè)解中的至少一者生成治療計(jì)劃數(shù)據(jù)，其中這樣的治療計(jì)劃數(shù)據(jù)用于生成利用放射治療機(jī)器的針對(duì)特定人類受試者的放射治療計(jì)劃。在一個(gè)示例中，治療計(jì)劃優(yōu)化包括從放射治療問題中識(shí)別參數(shù)化線性規(guī)劃方程；轉(zhuǎn)換參數(shù)化線性規(guī)劃方程以供并行處理硬件執(zhí)行；以及在并行處理硬件上并行地求解多個(gè)轉(zhuǎn)換后的參數(shù)化線性規(guī)劃方程，以產(chǎn)生與定義放射治療問題的參數(shù)相對(duì)應(yīng)的放射治療問題的多個(gè)解(例如包含帕累托表面)。

技術(shù)研發(fā)人員：J·O·斯約倫德,C·A·H·諾德斯特羅姆
受保護(hù)的技術(shù)使用者：醫(yī)科達(dá)醫(yī)療器械有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2