用于计划和递送放射疗法治疗的计算机程序产品和计算机系统以及计划放射疗法治疗的方法与流程

本发明涉及一种用于放射疗法治疗计划的方法、计算机程序产品和计算机系统，以及一种用于递送放射疗法治疗的系统和一种用于控制这种递送的计算机程序产品。更具体地，本发明涉及包含质子或其他带电粒子的放射疗法。

背景技术

在常规放射疗法治疗中，放射剂量通常被分成几个部分，以最小化对不作为目标的任何组织或器官的损伤。例如，60Gy的总剂量可以以每次2Gy的30个部分给出。优化此类治疗计划的关键问题是确保目标——通常是肿瘤——接受足够高的剂量，而对任何周围组织——特别是有风险的任何器官——的剂量保持较低，以最小化持续损伤。目前，大量的研究和开发与创建尽可能精确的治疗计划和创建适形剂量分布有关。

一种稍微不同的方法是网格疗法，其中较高剂量——例如15或20Gy——以网格的形状以一个或几个部分给出。换句话说，实现了空间分割的剂量分布。网格可以通过几何上间隔开的笔状射束来实现，或者通过使用具有将让多个几何上间隔开的射束穿过的通孔的图案的孔径块来实现。众所周知，这种形式的治疗减少了对皮肤的损伤，因为射束之间的未受影响的皮肤部分将有助于损伤部分的愈合。还已经发现的是，皮肤下的组织也是如此，但对于肿瘤组织程度不同。因此，网格治疗使得能够施用足够高在肿瘤中引起显著响应同时被患者耐受的单个剂量。整个目标应该至少接受最小剂量，但是到目标的剂量不必是均匀的。当然，网格治疗也可以被施用多于一次。而且，一个或多个网格治疗之后可以是手术和/或许多常规疗法部分。

网格疗法可以与光子疗法一起使用，或者与诸如质子的带电粒子一起使用。对于质子，可以通过使用具有狭缝或孔的物理准直器来划分射束来布置网格。替代性地，可以应用合适的未校准笔状射束图案。

在质子疗法中，在粒子传播通过他们在其中传播的介质时粒子将逐渐减速。当它们减速时，它们与介质相互作用的概率增加，从而导致更多的能量被累积。在粒子停止的地方，产生了高能累积峰，称为布拉格峰。通过计划治疗使得布拉格峰将被定位在目标中，可以以高精度控制剂量。随着粒子减速，它们也将以更高的程度被散射，使得粒子射束将朝向路径的末端稍微变宽。

使用质子或其他带电粒子的网格疗法的一个挑战是按照需要尽可能多地侧向分离射束，以在健康组织中获得积极效果并且仍然获得目标中的良好剂量覆盖。克服这一点的一种方法是使用不同的射束位置以两个阶段提供网格治疗。如果使用网格块，这可以通过在阶段之间使网格块移位来实现。如果使用笔状射束，则可以在第二阶段内使射束中的每一个移位到第一阶段中没有被覆盖的位置。

网格疗法中的一个质量度量是峰谷剂量，其是光点中的剂量值(峰值或最高剂量)和光点之间的剂量值(谷值或最低剂量)之间的比率。峰谷剂量在周围组织中应该较高，并且特别是在有风险的器官中，而在目标中，剂量应该理想地均匀且较高。

Thomas Henry在他的博士论文Interlaced proton grid therapy:development of an innovative radiation treatment technique(交错质子网格疗法：创新放射治疗技术的发展)，物理系，斯德哥尔摩大学，ISBN 978-91-7797-442-0中讨论了这些问题，并研究了使用不同射束宽度的解决方案。目标是保持剂量分布的网格图案，同时以较高的最小剂量向目标递送相当均匀的剂量。为了这样做，从几个方向入射的质子小射束网格在目标体积上交错，使得它们将一起覆盖整个目标体积，同时保持目标外部的组织中的网格图案。Henry等人的Development of an interlaced-crossfiring geometry for proton grid therapy,Acta Oncologica,2017,Vol.56,No.11,1437–1443公开了一种获得均匀剂量覆盖的方法，示出了这种交错网格的具有在实验室环境中获得的实验数据的示例。

技术实现要素：

本发明的目的是提供使用带电粒子的网格疗法，其中对目标的足够高且均匀的剂量可以与将保留周围组织的峰谷剂量结合。

这个目的根据本发明通过一种产生用于网格疗法的放射疗法治疗计划的计算机实施的方法来实现，在该网格疗法中用空间分割的带电粒子——诸如质子——射束集合从辐射源辐射患者，该方法对于该射束集合中的每个射束包括以下步骤：

-确定通过患者到达第一布拉格峰位置的第一路径，

-确定穿过患者的第二路径，该第二路径的至少一部分以一定角度从第一路径指向第一偏转的布拉格峰位置。

本发明的主要思想是变化质子穿过身体的轨迹以拓宽目标内被射束覆盖的区域，同时保持在患者身体的其他部位中的间距。以这样的方式，射束进入患者身体的点可以相隔足够远，使得可以获得对皮肤和健康组织的益处，同时质子仍然可以覆盖整个目标。根据本发明，有效地增加了治疗窗口，即将损害肿瘤并保留包括有风险的器官的周围组织的实际可获得的治疗。

轨迹可以以不同的方式变化。在第一实施例中，通过变化射束角度——例如通过从不同的机架角度发射射束——来变化轨迹。在第二实施例中，通过以这样的方式施加磁场来变化轨迹，即，一些质子射束在穿过患者时将弯曲。在第一实施例中，第一和第二轨迹通过相对于患者变化来自辐射源的射束角度来实现。优选地，射束角度以逐渐改变射束角度以创建布拉格峰场的方式变化。

在第二实施例中，偏转通过至少一个磁场来实现。在这种情况下，第一和第二路径通过以下步骤实现：

-确定期望的粒子能量以使第一布拉格峰被定位在患者体内的目标内，

-确定要施加到射束以改变射束的方向从而沿着第二路径到达第一偏转的布拉格峰位置的第一磁场的方向和强度。

优选地，在这种情况下，确定第二磁场的方向和强度以改变射束的方向以沿着第三路径到达第二偏转布拉格峰位置的步骤，以允许两个以上不同的布拉格峰位置。

在一个优选实施例中，在施加射束的同时变化磁场，以便逐渐改变射束的偏转，从而创建侧向弥散的布拉格峰。这将导致目标上的更加均匀的剂量。

这些粒子在进入患者时具有最高能量，并且在它们通过患者时将损失能量。由于相比于具有较高能量的粒子，磁场将更多地影响具有较低能量的粒子，因此射束将弯曲得更靠近应该被放置在目标体积中的布拉格峰。当只在一部分时间内施加磁场、或改变磁场方向时，一些射束将在目标内弯曲而一些射束将不会。以这样的方式，射束将扩展到覆盖目标内的更大区域，同时在更靠近到患者体内的进入点处保持狭窄。因此，网格疗法的益处将保留在目标外部的组织中，而相比于现有技术目标将以更好的方式被覆盖。换句话说，可以在有风险的器官中获得较高峰谷剂量比，同时仍然有效地治疗目标。当然，可以应用两个或更多个不同的磁场来实现更好的射束扩展。优选地，在不同的时间施加第一磁场和相反的第二磁场，并且在一部分时间内不施加磁场。

磁场强度应被选择为确保射束的合适的弯曲角度，例如 1T、0T(即无磁场)和–1T。

磁场可以以任何合适的方式生成。例如，可以应用三个均匀的轴向场。替代性地，场可以由适当短开螺线管生成。这将产生较浅的边缘场和在螺线管的中心处的减小的最大场体积。这将导致目标中布拉格峰的非常好的重叠、具有背离目标的减少的偏转。

磁场通常用于放射疗法领域，用于在朝向患者发射之前整形和引导射束。在一些实施例中，本发明提出使用磁场在患者体内引导射束。

本发明还涉及一种用于计划放射疗法治疗计划的计算机程序产品，该计算机程序产品当在计算机中执行时将使计算机执行根据上述的计划方法。计算机程序产品通常存储在存储器设备——诸如非暂时性存储器设备——上。本发明还涉及一种包括处理器和程序存储器的计算机系统，该程序存储器包括这样的计算机程序产品。

本发明还涉及递送放射疗法治疗计划。因此，本发明涉及一种用于控制从递送装置向患者递送放射疗法治疗的计算机程序产品，所述治疗包括用空间分割的带电粒子——诸如质子——射束集合辐射患者，该计算机程序产品包括计算机可读代码装置，该计算机可读代码装置当在用于提供放射疗法治疗的装置的处理器中运行时将使装置以任何期望的顺序执行以下步骤：

-用该空间分割的射束集合辐射患者，使得每个射束将沿着穿过患者到达第一布拉格峰位置的第一路径，

-用该空间分割的射束集合辐射患者，使得每个射束将沿着穿过患者到达移位的布拉格峰位置的第二路径。

本发明还涉及一种用于向患者提供放射疗法治疗的装置，所述装置用于生成空间分割的带电粒子——诸如质子——射束集合，所述装置被布置成变化每个射束在患者体内的路径，以使得射束的剂量在穿过患者的健康组织的同时被空间分割并在患者体内的目标内重叠，该装置还包括：处理装置，该处理装置被布置成控制设备；以及程序存储器，该程序存储器包括用于控制如上所讨论的放射疗法治疗的递送的计算机程序产品。

如果通过磁场来实现射束的偏转，则递送装置包括用于生成将影响粒子在患者体内的路径的磁场的设备，包括以下步骤：

-用该空间分割的射束集合辐射患者，同时施加被布置成使射束的路径弯曲的第一磁场。

-用该空间分割的射束集合辐射患者，同时不施加磁场或施加被布置成使射束的路径弯曲的第二磁场。

在这种情况下，该装置包括被布置成生成用于修改每个射束中的粒子在患者体内的路径的磁场的设备。该设备优选地被布置成生成将使每个射束中的粒子的路径靠近其布拉格峰值附近的磁场。有利的是，该设备被布置成使磁场的强度和/或方向变化。

如果通过使射束角度变化来实现射束的偏转，则递送装置被布置成使空间分割的射束的射束角度变化，使得射束的剂量在穿过患者的皮肤的同时被空间分割并在目标内重叠。在这种情况下，该装置被布置成通过倾斜机架和/或患者的位置和/或取向来变化每个射束的方向。

附图说明

下面将通过示例并参考附图更详细地描述本发明，在附图中

图1示出了网格疗法的一般原理。

图2a、图2b和图2c示出了本发明的第一实施例。

图3示出了本发明的第二实施例。

图4a和图4b分别是根据第一实施例的治疗计划方法和治疗递送方法的流程图。

图5a和图5b分别是根据第二实施例的治疗计划方法和治疗递送方法的流程图。

图6示出了也可以用于治疗计划的一般剂量递送系统的示例。

具体实施方式

图1说明了网格疗法的一般原理，其被简化为两个维度。示出了穿过患者11的包括肿瘤13的截面。在这个示例中，间隔开的三个射束15指向肿瘤13。如将理解的那样，用于临床使用的网格图案将是三维的，并且包括更多数量的射束。网格可以以任何合适的方式创建，例如通过使用具有允许射束通过的开口的块、或者通过笔状射束。

在图1的左部上，存在示出了由射束产生的在患者的皮肤上的剂量分布图d的简化的图。存在对应于波束的位置的、在它们之间具有明显的谷的三个峰。射束将穿过患者的身体，使射束之间的区域基本不被影响。在右部上，存在以虚线示出了目标中的剂量分布图d’的另一图。如可以看出的那样，它具有与剂量分布图d相同的三个峰，但具有稍低的峰谷比。示出了对目标的较高且均匀的剂量的理想的剂量分布图以实线的形式示出以便进行比较。

图2a示出了涉及具有肿瘤23的患者13的类似情况。在这种情况下，射束25是质子射束，这些质子射束被间隔开并布置成使得它们的布拉格峰将位于肿瘤内部。如引言中所提及那样，并且如图2a所指示，每个射束朝向布拉格峰——即射束路径的末端27——变宽，使得肿瘤的覆盖将比所穿过的组织的覆盖更均匀。同样，在图2a的左部上，存在示出了由射束产生的在患者的皮肤上的剂量分布图d、具有与图1相似的峰的简化的图。

图2b示出了与图2a中类似的情况，唯一的区别是在患者身上施加第一磁场以使射束中的质子改变方向。如上所解释那样，对于具有较低能量的粒子方向将更多地改变，使得射束将靠近布拉格峰弯曲，即在肿瘤内弯曲。在图2b中，射束在图中向上弯曲。当然，根据磁场的方向，射束可以向任何合适的方向上弯曲。由于射束在布拉格峰附近已经变宽，因此所得到的射束形状27’将在每个射束的末端变宽和弯曲，方向和方向变化的幅值由磁场的方向和强度控制。

图2c示出了与图2b中类似但是具有不同于第一磁场的第二磁场的情况。在图2c中，与图2b中的磁场相比磁场已经被反转。质子的方向将在与图2b中示出的方向相反的方向上变化，从而引起在图中朝向末端27”向下弯曲的变宽的波束形状。图2a、图2b和图2c中的肿瘤内的所得到的图案将相互补充，使得肿瘤的所有部分能够通过相同的不同射束而被覆盖。如将理解的那样，通过在没有磁场的情况下以三个部分施加辐射并且在施加第一和第二磁场的情况下，可以改善肿瘤的覆盖，同时保持网格图案及其在患者其他组织中的益处。通过在治疗部分期间改变磁场，可以在一次操作中施加这三个部分。

在图2a的右部上，存在示出真实剂量分布图d”的图，该真实剂量分布图d”是根据图2a、图2b和图2c的肿瘤内射束的总和。真实剂量分布图以虚线的形式示出。理想剂量分布图以实线的形式示出以便进行比较。理想剂量分布示出整个肿瘤内的较高且均匀的剂量。如可以看出的那样，实际剂量分布图更接近理想剂量分布图、具有比剂量分布图d和d’更不明显峰和谷。

如将理解的那样，组合使用两个相反的磁场和没有磁场仅是示例。可能只有一个磁场、或者几个不同的磁场与没有磁场组合。替代性地，可以施加彼此不同但不一定彼此相反的两个或更多个磁场。以这样的方式，磁场可以用于影响射束，从而以最佳可能的方式覆盖整个肿瘤，同时保持与网格治疗相关联的在对患者的皮肤和其他组织的减少的伤害方面的益处。

磁场可以以任何合适的方式生成，但是优选地以使得能够控制其强度和方向的方式生成。一种优选方法是施加均匀的轴向场。合适的替代性方案是使用短开螺线管。

图3示出了替代性实施例，其中通过改变射束方向，例如通过倾斜机架，来实现肿瘤的增加的覆盖。再次，示出了穿过患者31的包括肿瘤33的截面。为了呈现的简单性，再次，三个立体射束35被示出为水平进入患者，每个射束在患者体内产生布拉格峰位置。射束中的每一个还具有两个对应的射束35’和35”，该两个对应的射束35’和35”以虚线的形式示出并且具有相同的进入点、但是分别略微向上和向下倾斜，从而产生布拉格峰位置，这些布拉格峰位置在此将被称为偏转位置。如可以看出的那样，射束将在进入点并沿着它们穿过患者的路径间隔开，但是将在肿瘤33内重叠。水平射束和对应的射束中的每一个之间的角度被选择为在进入时保持射束间距，并确保整个目标中的良好的剂量覆盖。合适的角度可以通过普通的三角学来确定。例如，假设到目标的距离是10cm，光点间距是1cm，并且系统被设置成首先将每个射束倾斜到光点的一侧并且然后倾斜到相对侧，角度应该被选择成使得偏转位置被放置在光点间距的1/3处，使得光点和偏转位置将是等距的。在这个示例中，角度变为arcsin(0.33/10)＝1.9度。角度α的一般方程可以表示为

其中s是从光点到偏转位置的期望距离，在这种情况下为1/3cm，以及d是到目标的距离。

虽然图3示出了每个射束从三个不同的角度进入并且仅在附图的平面内旋转，但是当然可以使射束仅从两个不同的角度进入、或者从四个或更多个不同的角度进入，并且还可以在三个维度上变化角度。代替变化机架角度，可以旋转治疗床来实现相同的效果。为了更多的自由度，机架和治疗床两者可以被旋转或倾斜。如果使用网格块，必须小心使得块的方向允许射束通过网格块的开口。如果块相对于射束方向倾斜太多，射束可能被块完全阻挡、或者至少以过高的程度被阻挡。这可以通过将块固定到机架上使得射束和块之间的角度是固定的来避免。如果来自不同角度的射束被布置为在进入患者的入口点相交，如图3所示，放置在患者的轮廓处的块将不必倾斜以让射束通过，或者所需的倾斜角度将更小。

图4a是计划根据本发明的第一实施例的放射疗法治疗的可能方法的流程图。在第一步骤S41中，限定目标体积，即应该被放射疗法影响的体积。在第二步骤S42中，确定布拉格峰的合适位置以提供对体积的合适覆盖，并设置相对应的射束能量。步骤S41和S42可以以本领域公知的方式执行。在第三步骤S43中，确定射束应该偏转的一个或多个角度。计算或选择角度以提供在步骤S42中确定的布拉格峰位置之间的布拉格峰。例如，可以根据等式(1)来计算角度。接下来，在步骤S43中，以某种其他方式计算或确定需要施加到射束上以使它们偏转步骤S43中确定的角度的一个或多个磁场。来自这个方法的输出O41是治疗计划，该治疗计划包括具有特定能力水平的射束集合以及被施加来偏转射束的一个或多个磁场。

在所示的示例中，假设每个射束在两个相反的方向上偏转(如图中所见向上和向下偏转)。当然，可以选择被认为合适的方向。也可以只产生一个偏转射束、或两个以上的偏转射束。例如，可以施加围绕未倾斜的射束正交偏转的四个射束。

磁场可以以任何合适的方式生成。在步骤S43中，可以变化磁场的强度和方向两者，或者仅变化强度。如果被系统启用，则磁场可以在施加束的同时变化，使得代替例如三个不同的布拉格峰，可以使射束在步骤S42中确定的布拉格峰位置周围的区域中累积能量。代替多个不同的射束方向，射束可以变化以形成圆锥形形状。

图4b是根据本发明的实施例的治疗递送方法的一般流程图。在第一步骤S420中，在没有施加磁场的情况下将质子射束集合施加到患者。质子射束将在患者体内沿着基本上直线，直到路径的末端。在步骤S422中，第一磁场被施加到质子射束，结果导致质子射束在第一方向上朝向它们的束路径的末端弯曲。在步骤S423中，第二磁场被施加到质子射束，以使质子射束在第二方向上朝向它们的束路径的末端弯曲。在判定步骤S424中，判定是否还要施加另一磁场以使质子射束向另外的方向上弯曲。如果是，方法返回到步骤S423，如图4所示，或者返回到步骤S422；如果否，方法结束。如果使用笔状射束扫描，每个射束被单独地影响；如果使用网格块来使射束成型，则全部射束以同样的方式被影响。

在步骤S422和S423中施加的磁场彼此不同，以引起质子在目标内的附加扩散。它们可以相等但相反，或者可以以任何其他合适的方式不同，包括方向和强度。磁场可以具有相同或相反的方向、但是具有不同强度，但是如果生成磁场的装备可以相对于质子射束旋转，它们也可以具有不同的方向。也可以只包括步骤S422和S423中的一个以仅施加一个磁场。当然，步骤S420可以替代地被省略，使得不存在没有影响射束的磁场的步骤。如果磁场被布置成连续变化，则每个布拉格峰可以被侧向弥散。

出于实际原因，磁场通常将延伸到患者体外，并且因此即使在患者体外也影响射束，但随着距患者的距离增加而更少地影响射束。如上所讨论那样，必须注意网格块，如果存在，不阻挡射束。对于这个实施例，靠近患者并以独立于机架角度的固定角度放置栅格块是合适但不是必须的。

图5a是计划根据本发明的第二实施例的放射疗法治疗的可能方法的流程图。

在第一步骤S51中，限定目标体积，即应该被放射疗法影响的体积。在第二步骤S52中，确定布拉格峰的合适位置以提供对体积的合适覆盖，并设置对应的射束能量。步骤S51和S52可以以本领域公知的方式执行。在第三步骤S53中，确定射束应该偏转的一个或多个角度。例如根据上文的等式(1)计算或以其他方式选择角度以提供在步骤S42中确定的布拉格峰位置之间的布拉格峰。接下来，在步骤S43中，确定实现这些角度所需的机架角度或机架和治疗床之间的相对位置。来自这个方法的输出O41是治疗计划，该治疗计划包括具有特定能量水平的射束集合、以及被施加来偏转射束的一个或多个机架角度和/或机架/治疗床位置。

图5b是根据第二实施例的可能的治疗递送方法的流程图。在第一步骤S520中，施加一个或多个带电粒子射束。在第二步骤S522中，改变一个或多个射束的入射角，并且在第三步骤S523中，再次施加射束。步骤S524是确定另一入射角是否将用于射束的判定步骤。如果是，则方法返回到步骤S522，如果否，方法结束。

图6是用于放射疗法治疗和/或治疗计划的系统80的概述。如可以理解的那样，这种系统可以以任何合适的方式设计，并且图6中示出的设计只是示例。患者81被定位在治疗床83上。该系统包括成像/治疗单元，该成像/治疗单元具有安装在机架87中用于向被定位在治疗床83上的患者发射辐射的辐射源85。通常，治疗床83和机架87可在几个维度上相对于彼此移动，以尽可能灵活和正确地向患者提供辐射。这些零件及其功能是技术人员熟知的。通常，存在被提供来侧向和在深度上整形射束的许多无源设备，并且在此将不更详细地对其进行讨论。布置用于提供射束的网格——例如以栅格块的形式——的装置，或者用于提供笔状射束的装置。在这个示例中，该系统还包括用于生成将影响射束的粒子在患者体内的路径的磁场的装置89和用于修改磁场的装置。用于生成磁场的装置89可以是任何合适的装置，诸如一个或多个磁体、或者一个或多个线圈。修改装置可以是例如被布置成修改磁体或线圈的位置和方向并控制通过线圈的电流的任何类型的装置。该系统还包括计算机91，该计算机可以用于放射疗法治疗计划和/或用于控制放射疗法治疗。如将理解的那样，计算机91可以是不连接到成像/治疗单元的分离的单元。

计算机91包括处理器93、数据存储器94和程序存储器95。优选地，还存在呈键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置或任何其他可用的用户输入装置的形式的一个或多个用户输入装置98、99。用户输入装置也可以被布置成从外部存储器单元接收数据。

数据存储器94包括临床数据和/或用于获得治疗计划的其他信息。典型地，数据存储器94包括将在根据本发明的实施例的治疗计划中使用的一个或多个患者图像。对于如图2a至图2c和图4所示的使用磁场来改变射束路径的实施例，描绘可能的磁场的场图必须是可用的，例如在数据存储器94中。场图被输入到粒子传输模拟中作为剂量计算的一部分。程序存储器95保存被布置成使处理器执行例如根据图4a或图5a的治疗计划方法的至少一个计算机程序和/或被布置成使计算机控制例如根据图4b或图5b的患者的放射疗法治疗的计算机程序。

如将理解的是，数据存储器94和程序存储器95只是示意性地示出和讨论。可以存在各自保存一种或多种不同类型的数据的几个数据存储器单元、或者以适当结构化的方式保存所有数据的一个数据存储器，并且程序存储器也是如此。一个或多个存储器也可以被存储在其他计算机上。例如，计算机可以被布置为仅执行方法中的一个，还存在用于执行优化的另一计算机。