本公開(kāi)的實(shí)施例一般地涉及結(jié)合放射治療計(jì)劃和治療系統(tǒng)使用的處理和優(yōu)化技術(shù)。具體而言，本公開(kāi)涉及特定計(jì)算硬件配置用來(lái)導(dǎo)航多種帕累托優(yōu)化的放療計(jì)劃的方法和用途。

背景技術(shù)：

1、放射治療(或“放療”)可用于治療哺乳動(dòng)物(如人和動(dòng)物)組織中的癌癥或其他疾病。一種此類(lèi)放療技術(shù)是使用伽馬刀提供的，通過(guò)伽馬刀，用大量低強(qiáng)度伽馬射線(xiàn)輻照患者，這些低強(qiáng)度伽馬射線(xiàn)在靶(例如，腫瘤)處以高強(qiáng)度和高精確度會(huì)聚。另一種此類(lèi)放療技術(shù)是使用直線(xiàn)加速器(linac)提供的，由此腫瘤被高能粒子(例如，電子、質(zhì)子、離子、高能光子等)輻照。必須精確控制輻射束的放置和劑量，以確保腫瘤接受規(guī)定的輻射，并且輻射束的放置應(yīng)盡量減少對(duì)周?chē)】到M織(通常稱(chēng)為風(fēng)險(xiǎn)器官(oar))的損傷。

2、在放療中，通常通過(guò)解決平衡各種沖突目標(biāo)的最優(yōu)化問(wèn)題來(lái)制定治療計(jì)劃，沖突目標(biāo)包括例如靶腫瘤的高劑量、保護(hù)健康組織和其他治療復(fù)雜性。因此，最優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化(mco)問(wèn)題。競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)的數(shù)量通常從幾個(gè)到大約10個(gè)不等，取決于腫瘤位置。通常，使用加權(quán)和來(lái)組合不同標(biāo)準(zhǔn)，其中每個(gè)權(quán)重確定該標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)重要性。對(duì)于凸最優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化試圖確定一組帕雷托最優(yōu)放療計(jì)劃的精確近似值。在這種背景下，帕雷托最優(yōu)計(jì)劃指的是其中任何一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的改善都不會(huì)導(dǎo)致另一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的惡化的放療計(jì)劃。

3、尋找可接受的權(quán)重以制定帕雷托最優(yōu)放療計(jì)劃通常是一個(gè)手動(dòng)且繁瑣的試錯(cuò)過(guò)程，尤其是因?yàn)樵u(píng)估參數(shù)的單一選擇需要求解放射治療的完整最優(yōu)化問(wèn)題。為單個(gè)計(jì)劃解決完整最優(yōu)化問(wèn)題可能需要幾秒至一小時(shí)(具體取決于其應(yīng)用)來(lái)計(jì)算和評(píng)估參數(shù)組合。此外，即使為特定放射治療制定了一組帕雷托最優(yōu)計(jì)劃，也可能需要大量時(shí)間和精力來(lái)確定、選擇和完善最適合實(shí)施的計(jì)劃。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、提供了用于評(píng)估和優(yōu)化放射治療計(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)，評(píng)估和優(yōu)化放射治療計(jì)劃包括探索或引導(dǎo)解決放射治療問(wèn)題(例如，可經(jīng)由特定參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)且使用優(yōu)化方法求解的放射治療問(wèn)題)的結(jié)果。該技術(shù)可用于評(píng)估已產(chǎn)生多個(gè)可能解的優(yōu)化方法的結(jié)果。然后，此類(lèi)評(píng)估可用于識(shí)別特定參數(shù)選擇或?qū)е聺M(mǎn)意放射治療計(jì)劃的參數(shù)的組合。

2、如本文所述，放射治療問(wèn)題可表示為多標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)化(mco)問(wèn)題，其中參數(shù)對(duì)應(yīng)于臨床偏好。針對(duì)這種放射治療問(wèn)題生成的多個(gè)解可以構(gòu)成多個(gè)帕雷托最優(yōu)計(jì)劃。本文中使用的帕雷托最優(yōu)計(jì)劃是指經(jīng)過(guò)優(yōu)化的計(jì)劃，使得在改善任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，都不會(huì)使另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)惡化。所有帕雷托最優(yōu)計(jì)劃的集合構(gòu)成帕雷托表面(也稱(chēng)為帕雷托邊界)。

3、下面提供了一種用于放射治療計(jì)劃優(yōu)化的擴(kuò)展的方法，該方法使用一種專(zhuān)門(mén)技術(shù)來(lái)導(dǎo)航mco問(wèn)題的解的帕雷托面。在一個(gè)示例中，可以利用權(quán)重空間維度較低的子流形從帕累托最優(yōu)初始點(diǎn)開(kāi)始探索帕累托面(帕累托面是路徑連接的)。然后可以基于一階最優(yōu)性條件的導(dǎo)數(shù)來(lái)估計(jì)mco問(wèn)題的解。

4、在各種示例中，用于該放射治療計(jì)劃的操作可包括用于以下步驟的過(guò)程：獲取在流形空間中限定的用于提供放射治療的放射治療問(wèn)題的多個(gè)解，探索多個(gè)解以識(shí)別子流形空間中的附加解，以及基于附加解生成治療計(jì)劃參數(shù)，其中提供治療計(jì)劃參數(shù)用于在治療計(jì)劃中經(jīng)由放射治療機(jī)遞送放射治療。放射治療問(wèn)題是多標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)化問(wèn)題，且所述多個(gè)解中的每一者具有用于調(diào)節(jié)多標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)化問(wèn)題的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)權(quán)重。

5、在一個(gè)示例中，基于以下來(lái)識(shí)別附加解并探索所述多個(gè)解；(a)從流形空間建立子流形空間，該子流形空間以比所述多個(gè)權(quán)重更少的維度表示多個(gè)解；基于放射治療問(wèn)題的一階最優(yōu)性條件的導(dǎo)數(shù)，在子流形空間中產(chǎn)生附加權(quán)重集，相對(duì)于所述多個(gè)權(quán)重確定這樣的導(dǎo)數(shù)；和(c)在子流形空間中執(zhí)行導(dǎo)航以得到附加解，該附加解對(duì)應(yīng)于其中一個(gè)附加權(quán)重集中的一者。例如，可以使用一維路徑在子流形空間中執(zhí)行導(dǎo)航。同樣，在一個(gè)示例中，一維路徑的導(dǎo)航可以從帕雷托最優(yōu)初始點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行，因?yàn)閷?dǎo)航簡(jiǎn)化為通過(guò)求解基于方向?qū)?shù)的常微分方程來(lái)尋找一維路徑。

6、在另一個(gè)示例中，附加解的識(shí)別求解了邊界值問(wèn)題，為一維路徑的導(dǎo)航提供初始點(diǎn)和最終點(diǎn)，因?yàn)樵搶?dǎo)航在初始點(diǎn)和最終點(diǎn)之間進(jìn)行插值。同樣在另一個(gè)示例中，附加解的識(shí)別解決了初始值問(wèn)題，為一維路徑的導(dǎo)航提供初始點(diǎn)，因?yàn)樵搶?dǎo)航操作至滿(mǎn)足預(yù)定停止條件。該預(yù)定停止條件可以是以下中的至少一者：時(shí)間、距離或臨床指標(biāo)的最大可接受劣化(例如，使用同步定位和地圖構(gòu)建(slam)方法改善第一臨床指標(biāo)，同時(shí)將第二臨床指標(biāo)的劣化最小化，由此來(lái)確定劣化。

7、在另一些示例中，子流形空間中的附加權(quán)重集對(duì)應(yīng)于放射治療問(wèn)題的最優(yōu)性條件的水平集。同樣在另一些示例中，導(dǎo)數(shù)是通過(guò)自動(dòng)微分提供的。同樣在另一些示例中，流形空間的至少一部分具有不可微部分。在這種不可微情形中，可以使用最小二乘法平滑地近似流形空間的不可微部分；或者，可以通過(guò)將約束作為項(xiàng)包括在目標(biāo)函數(shù)中，將違反約束與懲罰相關(guān)聯(lián)，使用障礙公式將約束問(wèn)題轉(zhuǎn)換為無(wú)約束問(wèn)題。

8、在另一些示例中，放射治療問(wèn)題的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于臨床偏好。例如，所述多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)可能涉及用于從放射治療機(jī)接收放射治療的特定解剖區(qū)域。同樣，所述多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可包括一個(gè)或更多個(gè)處于危險(xiǎn)區(qū)域的器官和一個(gè)或更多個(gè)靶區(qū)域的限定。

9、在另一些示例中，可以生成針對(duì)潛在解、附加解或放射治療問(wèn)題的解探索的其他方面的表示并輸出該表示。圖形表示可以包括從具有配置治療計(jì)劃的功能的圖形用戶(hù)界面提供的顯示，以及在圖形用戶(hù)界面中的信息顯示，該信息顯示提供了與附加解相關(guān)聯(lián)的信息。此圖形用戶(hù)界面或其他用戶(hù)界面還可以接收用戶(hù)或自動(dòng)選擇的附加解。在更進(jìn)一步的示例中，選擇的附加解為識(shí)別用于治療計(jì)劃的最終解提供了熱啟動(dòng)，并在從最終解生成治療計(jì)劃數(shù)據(jù)之前，會(huì)接收對(duì)所選附加解的一個(gè)或多個(gè)附加優(yōu)化。

10、放射治療的治療計(jì)劃參數(shù)包括與放射治療機(jī)的能力對(duì)應(yīng)的治療遞送參數(shù)的集合。在一個(gè)示例中，治療計(jì)劃用于用伽馬刀提供放射治療，且其中治療遞送參數(shù)的集合包括用于遞送放射治療的等中心集。例如，該治療遞送參數(shù)的集合還包括用于遞送放射治療的時(shí)機(jī)，及用于用伽馬刀遞送放射治療的準(zhǔn)直器序列。作為另一示例，治療計(jì)劃用于(例如，使用直線(xiàn)加速器放射治療機(jī))向放射治療提供容積弧形調(diào)強(qiáng)治療(vmat)或調(diào)強(qiáng)放射治療(imrt)，且其中治療遞送參數(shù)的集合包括以下中的一者或多者：用于一個(gè)或更多個(gè)弧形的弧形控制點(diǎn)的集合、注量場(chǎng)(fluence?field)、機(jī)架速度和沿所述一個(gè)或更多個(gè)弧形的劑量率。

11、在另一個(gè)示例中，在上述操作之后，可基于如本文所論述的生成或識(shí)別的治療計(jì)劃參數(shù)或其它數(shù)據(jù)，使用來(lái)自放射治療機(jī)的多個(gè)放射治療射束來(lái)引起或影響放射治療的遞送。

12、以上
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
旨在提供本專(zhuān)利申請(qǐng)的主題概述。本公開(kāi)并不旨在對(duì)發(fā)明主題提供排他性或窮盡的解釋。本公開(kāi)包含具體實(shí)施方式以提供關(guān)于本專(zhuān)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)施的方法，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用一維路徑在所述子流形空間中執(zhí)行所述導(dǎo)航。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，從帕雷托最優(yōu)初始點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行所述一維路徑的所述導(dǎo)航，且其中所述導(dǎo)航簡(jiǎn)化為通過(guò)求解基于定向?qū)?shù)的常微分方程來(lái)找到所述一維路徑。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，為了識(shí)別所述附加解求解邊界值問(wèn)題，其中為所述一維路徑的所述導(dǎo)航提供初始點(diǎn)和最終點(diǎn)，并且其中所述導(dǎo)航在所述初始點(diǎn)和所述最終點(diǎn)之間進(jìn)行插值。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，為了識(shí)別所述附加解求解初始值問(wèn)題，其中為所述一維路徑的所述導(dǎo)航提供初始點(diǎn)，并且其中所述導(dǎo)航操作至滿(mǎn)足預(yù)定停止條件。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述預(yù)定停止條件是：時(shí)間、距離或臨床指標(biāo)的最大可接受劣化。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述預(yù)定停止條件是臨床指標(biāo)的最大可接受劣化，其中同步定位和地圖構(gòu)建(slam)方法用于在所述一維路徑上執(zhí)行所述導(dǎo)航，其中所述slam方法識(shí)別對(duì)第一臨床指標(biāo)的改善，同時(shí)將第二臨床指標(biāo)的劣化最小化。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述子流形空間中的所述附加權(quán)重集對(duì)應(yīng)于所述放射治療問(wèn)題的所述最優(yōu)性條件的水平集。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述導(dǎo)數(shù)是通過(guò)自動(dòng)微分提供的。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述流形空間的至少一部分具有不可微部分。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，使用最小二乘法平滑地近似所述流形空間的所述不可微部分。

12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，通過(guò)將約束作為項(xiàng)包括在目標(biāo)函數(shù)中，將違反所述約束與懲罰相關(guān)聯(lián)，使用障礙公式將約束問(wèn)題轉(zhuǎn)換為無(wú)約束問(wèn)題。

13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述放射治療問(wèn)題的所述多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于臨床偏好，且其中所述多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涉及用于從所述放射治療機(jī)接收所述放射治療的特定解剖區(qū)域。

14.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(wèn)題的所述多個(gè)解生成解空間的表示，其中所述解空間是包括帕雷托最優(yōu)解集的帕雷托表面。

15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括：

16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括：

17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述附加解提供熱啟動(dòng)以識(shí)別用于所述治療計(jì)劃的解，所述方法還包括：

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

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述治療計(jì)劃用于用伽馬刀提供所述放射治療，且其中所述治療遞送參數(shù)的集合包括用于遞送所述放射治療的等中心集。

20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述治療遞送參數(shù)的集合還包括用于遞送所述放射治療的時(shí)機(jī)，及用于遞送所述放射治療的準(zhǔn)直器序列。

21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述治療計(jì)劃用于用直線(xiàn)加速器或磁共振(mr)-直線(xiàn)加速器放射治療機(jī)提供所述放射治療。

22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述治療計(jì)劃用于向所述放射治療提供容積弧形調(diào)強(qiáng)治療(vmat)或調(diào)強(qiáng)放射治療(imrt)，且其中所述治療遞送參數(shù)的集合包括：用于一個(gè)或更多個(gè)弧形的弧形控制點(diǎn)的集合、注量場(chǎng)、機(jī)架速度和沿所述一個(gè)或更多個(gè)弧形的劑量率。

23.一種包括用于放射治療計(jì)劃的計(jì)算機(jī)可讀指令的非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中當(dāng)所述指令被計(jì)算機(jī)器執(zhí)行時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)器執(zhí)行權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的方法。

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

25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，使用一維路徑在所述子流形空間中執(zhí)行所述導(dǎo)航。

26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，從帕雷托最優(yōu)初始點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行所述一維路徑的所述導(dǎo)航，且其中所述導(dǎo)航簡(jiǎn)化為通過(guò)求解基于定向?qū)?shù)的常微分方程來(lái)找到所述一維路徑。

27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，為了識(shí)別所述附加解求解邊界值問(wèn)題，其中為所述一維路徑的所述導(dǎo)航提供初始點(diǎn)和最終點(diǎn)，并且其中所述導(dǎo)航在所述初始點(diǎn)和所述最終點(diǎn)之間進(jìn)行插值。

28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，為了識(shí)別所述附加解求解初始值問(wèn)題，其中為所述一維路徑的所述導(dǎo)航提供初始點(diǎn)，并且其中所述導(dǎo)航操作至滿(mǎn)足預(yù)定停止條件。

29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定停止條件是：時(shí)間、距離或臨床指標(biāo)的最大可接受劣化。

30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定停止條件是臨床指標(biāo)的最大可接受劣化，其中同步定位和地圖構(gòu)建(slam)方法用于在所述一維路徑上執(zhí)行所述導(dǎo)航，其中所述slam方法識(shí)別對(duì)第一臨床指標(biāo)的改善，同時(shí)將第二臨床指標(biāo)的劣化最小化。

31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述子流形空間中的所述附加權(quán)重集對(duì)應(yīng)于所述放射治療問(wèn)題的所述最優(yōu)性條件的水平集。

32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述導(dǎo)數(shù)是通過(guò)自動(dòng)微分提供的。

33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述流形空間的至少一部分具有不可微部分。

34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，使用最小二乘法平滑地近似所述流形空間的所述不可微部分。

35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，通過(guò)將約束作為項(xiàng)包括在目標(biāo)函數(shù)中，將違反所述約束與懲罰相關(guān)聯(lián)，使用障礙公式將約束問(wèn)題轉(zhuǎn)換為無(wú)約束問(wèn)題。

36.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述放射治療問(wèn)題的所述多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)于臨床偏好，且其中所述多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涉及用于從所述放射治療機(jī)接收所述放射治療的特定解剖區(qū)域。

37.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或更多個(gè)處理器還被配置為執(zhí)行以下操作：

38.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或更多個(gè)處理器被配置為執(zhí)行以下操作：

39.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或更多個(gè)處理器被配置為執(zhí)行以下操作：

40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述附加解提供熱啟動(dòng)以識(shí)別用于所述治療計(jì)劃的解，所述一個(gè)或更多個(gè)處理器被配置為執(zhí)行以下操作：

41.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述放射治療的所述治療計(jì)劃參數(shù)包括與所述放射治療機(jī)的能力對(duì)應(yīng)的治療遞送參數(shù)的集合。

42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述治療計(jì)劃用于用伽馬刀提供所述放射治療，且其中所述治療遞送參數(shù)的集合包括用于遞送所述放射治療的等中心集。

43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述治療遞送參數(shù)的集合還包括用于遞送所述放射治療的時(shí)機(jī)，及用于遞送所述放射治療的準(zhǔn)直器序列。

44.根據(jù)權(quán)利要求41所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述治療計(jì)劃用于用直線(xiàn)加速器或磁共振(mr)-直線(xiàn)加速器放射治療機(jī)提供所述放射治療。

45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的計(jì)算系統(tǒng)，其中，所述治療計(jì)劃用于向所述放射治療提供容積弧形調(diào)強(qiáng)治療(vmat)或調(diào)強(qiáng)放射治療(imrt)，且其中所述治療遞送參數(shù)的集合包括：用于一個(gè)或更多個(gè)弧形的弧形控制點(diǎn)的集合、注量場(chǎng)、機(jī)架速度和沿所述一個(gè)或更多個(gè)弧形的劑量率。

技術(shù)總結(jié)
公開(kāi)了用于探索和調(diào)整放射治療計(jì)劃的系統(tǒng)和方法。用于放射治療計(jì)劃的示例性操作包括：獲取放射治療問(wèn)題的多個(gè)解(例如，帕雷托最優(yōu)解)，探索多個(gè)解以識(shí)別子流形空間中的附加解(例如，帕雷托表面的探索)，以及基于附加解生成治療計(jì)劃參數(shù)，用于在放射治療中使用。在一個(gè)示例中，探索多個(gè)解包括：從流形空間建立子流形空間，該子流形空間以比權(quán)重更少的維度表示多個(gè)解；基于放射治療問(wèn)題的一階最優(yōu)性條件的導(dǎo)數(shù)，在子流形空間中產(chǎn)生附加權(quán)重集，導(dǎo)數(shù)是相對(duì)于權(quán)重確定的；和在子流形空間中導(dǎo)航以得到附加解，該附加解對(duì)應(yīng)于附加權(quán)重集中的一者。

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