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

1.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，并且涉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它带电粒子的放射疗法。


背景技术：

2.在放射疗法治疗中，使用质子或其它带电粒子具有若干优点。特别地，质子将朝向其路径的末端(在所谓的布拉格峰中)累积其大部分能量，使得剂量可以以较高的精度累积在患者体内的目标内。布拉格峰的位置取决于质子的能量和它们穿过的组织的密度。为了覆盖诸如肿瘤的目标区域，应用具有不同能量水平的质子，使得它们的布拉格峰将分布在肿瘤上。
3.放射疗法治疗计划中的常见挑战是确保到目标的足够高的剂量同时限制到周围组织的剂量，使得特别是有风险的器官不被损伤。在某些情况下，根据患者几何构造，当有风险的器官位于靠近目标，或者甚至位于从放射源到目标的路径中时，这可能是困难的。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提高使用质子或其它带电粒子的放射疗法治疗的效率、精度和灵活性。
5.这个目的根据本发明通过一种产生用于用至少一个治疗场来治疗患者的放射疗法治疗计划的计算机实施的方法来实现，该至少一个治疗场包括至少一个带电粒子射束，所述带电粒子诸如质子，其中每个射束将在布拉格峰中积累能量，该方法对于每个射束包括以下步骤：
6.确定射束的布拉格峰的期望位置，通常在目标内，
7.确定射束到达所确定的期望位置的期望路径，
8.确定射束的能量水平和方向以及将被施加到患者体内的射束的第一磁场的一组属性，以控制射束的方向，从而确保射束将遵循期望路径，并且其布拉格峰将被放置在所确定的期望位置。
9.根据本发明，基于质子的放射疗法计划可以通过施加磁场(优选地可变磁场)来影响质子或其它带电粒子的轨迹进行定制。以这样的方式，患者体内的质子的方向可能被影响，使得布拉格峰不一定沿着从放射源通过患者身上的进入点的直线定位。相反，可以使粒子遵循合适的路径，以使布拉格峰被定位在期望的位置。在优选实施例中，使用射束的一个进入点。这将在一个进入点给予高剂量，但也使得能够避免伤害全部周围组织。
10.每个射束的实际路径可以通过其能量和方向以及磁场的属性来控制。射束在进入患者时将具有最高能量，并且随着它们穿过患者而将损失能量。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。因此，例如，可以使射束直接穿过一些组织，并且然后改变方向。磁场的所述一组属性包括磁场的强度和方向以及可选的空间变化。
11.在一些实施例中，在射束的能量水平和方向之前确定磁场的一组属性，并且取决于磁场的属性确定射束的能量水平和方向。替代性地，可以在磁场的属性之前确定射束的能量水平和方向，并且取决于射束的能量水平和方向确定磁场的属性。如果通过联合优化迭代地确定磁场的属性以及射束的能量水平和方向，则可以获得最佳结果。
12.射束的能量水平和方向以及磁场的特性可以用于放射疗法治疗计划的生成。
13.本发明还涉及一种用于产生放射疗法治疗计划的计算机程序产品，当在计算机中执行时，该计算机程序产品将使计算机执行根据前述权利要求中的任一项的方法。计算机程序产品可以存储在存储器器件上，诸如非暂时性存储器器件。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，该程序存储器包括如上限定的计算机程序产品。
14.本发明的各方面还涉及对向患者递送放射疗法治疗。因此，本发明还涉及一种用于控制从递送设备向患者递送放射疗法治疗的计算机程序产品，所述治疗包括用至少一个带电粒子(诸如质子)射束来对患者进行放射，该计算机程序产品包括计算机可读代码装置，当在用于提供放射疗法治疗的设备的处理器中运行时，该计算机可读代码装置将使该设备用所述至少一个射束对患者进行放射同时施加第一磁场，该第一磁场被布置成使得粒子的路径弯曲，从而控制粒子的布拉格峰在患者体内的位置。如上所讨论的那样，磁场的属性包括磁场的强度和方向以及可能的时间和/或空间变化。
15.该方法还可以包括施加不同于第一磁场的第二磁场，以使得其它粒子的路径弯曲，从而将它们的布拉格峰放置在不同的位置。
16.本发明还涉及一种用于向患者提供放射疗法治疗的设备，所述设备包括：放射源，所述放射源被布置成发射包括带电粒子(诸如质子)的射束；以及用于整形所述射束的装置，所述设备还包括被布置成生成磁场的器件，所述磁场用于修改至少一个粒子在患者体内的路径，并且所述设备优选地包括处理装置，所述处理装置被布置成以修改磁场的方式控制所述器件。所述器件可以被布置成生成以下磁场，所述磁场将使粒子的路径靠近其布拉格峰弯曲。所述器件也可以被布置成随时间改变所述磁场的幅值和/或方向。
17.磁场通常用于放射疗法领域，用于在将射束朝向患者发射之前对射束进行整形和引导。本发明提出使用磁场从而在患者体内引导射束。
附图说明
18.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
19.图1示意性地示出了穿过患者的射束。
20.图2示意性地示出了根据本发明可以实现的射束的可能轨迹。
21.图3和图4示出了根据本发明的实施例的可能的质子路径。
22.图5示出了向前列腺提供放射的示例。
23.图6是根据本发明的治疗方法的流程图。
24.图7是根据本发明的治疗计划方法的流程图。
25.图8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
26.图1示意性地示出了通过患者11的截面，以及包括带电粒子(诸如质子)的射束13，该射束沿着大致直线穿过患者直到其停止并将其大部分能量累积在布拉格峰中。如本领域众所周知的那样，可以通过取决于患者几何构造，特别是粒子将会穿过的组织的密度，来控制粒子的能量从而控制射束在患者体内的路径长度以及控制布拉格峰的位置。这在图1中通过用x标记沿着路径的布拉格峰15的三个可能的点来指示。可以取决于目标的位置根据需要选择这些位置。
27.图2示出了通过患者21的相同示意截面和与图1中相同的射束23(以实线示出)。图2还示出了在第一或第二磁场被施加到射束上的情况下可能由粒子采取的第一和第二替代性路径23’、23”。如前所述，路径长度将取决于粒子的能量，并且在某种程度上取决于如上所提及的患者几何构造。对应于相同路径长度的不同路径上的点通过以虚线示出的弧25指示。可以通过控制磁场的强度和其它属性来确定粒子的轨迹与实直线23的偏离。通常，磁场是不均匀的。在优选实施例中，磁场的方向也可以被改变，以实现路径三个维度上的变化。如从图2中可以看出的那样，替代性路径23’、23”沿着路径逐渐弯曲得越来越多，这是因为粒子在它们沿着路径损失能量时将更多地被磁场影响。对应于三个不同轨迹23、23’、23”的相同路径长度，指示了三个替代性布拉格峰位置15、15’和15”。
28.图3示意性地示出了其中可以使用根据本发明的方法的情况。再次，示出了通过患者31的截面，包括至少接受最小剂量的目标37和有风险的应该接受尽可能少的剂量的第一器官38和第二器官39。用常规治疗，这将是问题，因为没有从放射源到目标37而不经过有风险的器官的直线路径。根据本发明，可以施加磁场，该磁场与粒子的初始能量和方向相结合将使得来流粒子遵循通过患者的、将避开有风险的器官38、39两者的特定轨迹，并将它们的布拉格峰放置在目标37中。一个这样的轨迹在图3中示出。
29.图4示出了其中通过施加更强的磁场，射束轨迹可以被改变得甚至更多的情况。在这种情况下，使射束43比图3中弯曲得更多，从而使得质子射束能够采取经过有风险的器官49并绕过它的路径，使得由x标记的布拉格峰将被放置在目标47中。当然，在治疗期间可以对不同的射束施加不同的场，以使得整个目标被布拉格峰覆盖。
30.其中根据本发明的方法有利的另一情况是肿瘤具有不规则的形状，并且因此难以利用常规疗法方法覆盖而不影响周围组织。
31.图5示出了其中本发明的方法可能特别有用的情况的更现实的(尽管有些理想化的)示例。示出了通过患者的截面，包括患者的前列腺和髋骨。通常，是从两个相反的方向通过髋骨来实现对前列腺的放射疗法，如通过髋骨的虚线所示的那样。这样做是为了避免损伤其它敏感组织(诸如直肠和膀胱)，但通常导致放射疗法治疗后的若干年的髋关节的问题。根据本发明，可以从髋关节的两侧的一个或优选地两个进入点执行放射疗法。射束在髋关节旁与股骨颈平行地进入，然后被磁场弯曲以到达前列腺。如可以看出的那样，为了获得前列腺的良好的覆盖，优选地使用两个射束，如上所解释那样。也可以从患者的相对侧使用两个射束，或者使用三个或更多个射束。
32.图6是根据本发明的治疗方法的流程图，指示了一个可能的步骤序列。如将理解的那样，施加每个磁场和不施加磁场的顺序可以适当地变化。在第一步骤s51中，施加带电粒子射束。在第二步骤s52中，生成将导致射束路径偏离直线的磁场。步骤s53是在继续治疗之
前查看是否应该改变磁场的判定步骤。如果是，则程序继续到步骤s54，其中磁场设置被改变并返回到步骤s52。通常根据治疗计划做出判定。如果否，则程序停止。
33.图7是根据本发明的治疗计划方法的流程图。在第一步骤s61中，确定目标的位置，并确定一个或多个布拉格峰在目标内的期望位置。理想情况下，布拉格峰应该以这样的方式定位，即，这些布拉格峰确保到整个目标的均匀剂量。在第二步骤s62中，选择期望的布拉格峰位置中的一个，然后确定通过患者到达所选择的布拉格峰位置的可能路径。在第三步骤s63中，确定到达所选择的布拉格峰位置所需的粒子能量以及将使得粒子到达所选择的布拉格峰位置的磁场的幅值和方向。如上所讨论那样，粒子能量、粒子的初始方向和磁场的属性的组合应该使粒子遵循这样的路径，该路径将避开有风险的任何器官同时将粒子能量的主要部分累积在所选择的布拉格峰位置处。步骤s64是判定步骤，其中判定是否应该对另一布拉格峰位置重复计划步骤。如果是，则程序返回到步骤s62，以便选择新的布拉格峰位置；如果否，则程序结束。
34.磁场的特征在于一组属性，所述一组属性至少包括所述磁场的强度和方向。通常，磁场将是非均匀的。在那种情况下，所述一组属性还包括关于磁场的空间变化(通常呈3d矢量场的形式)的信息。磁场也可以被布置成随时间变化。
35.图8是用于放射疗法治疗和/或治疗计划的系统80的示意性概述。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8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上的患者发射放射线的放射源85。典型地，治疗床83和机架87能够在若干维度上相对于彼此移动，以尽可能灵活且正确地向患者提供放射线。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器件，并且在此将不更详细地对其进行讨论。在这个示例中，该系统还包括用于生成磁场的装置89和用于修改磁场的装置，其中所述磁场将会影响射束的粒子在患者体内的路径。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流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/治疗单元的单独的单元。
36.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，还存在一个或多个用户输入装置98、99，该一个或多个用户输入装置98、99呈键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置或任何其它可用的用户输入装置的形式。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。
37.当系统用于计划时，数据存储器94包括临床数据和/或用于获得治疗计划的其它信息。典型地，数据存储器94包括将在治疗计划中使用的一个或多个患者图像。描绘可能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根据图7的治疗计划方法的至少一个计算机程序。程序存储器95还保存以下计算机程序，所述计算机程序被布置成使计算机执行结合图6讨论的方法步骤以使计算机控制患者的放射疗法治疗。程序存储器95还可以保存以下计算机程序，所述计算机程序被布置成例如通过控制电流和或磁场生成装置89的位置来控制磁场。
38.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若干数据存储器单元、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它计算机上。例如，计算机可以被布置成仅执行方法中的一个，还存在用于执行优化的另一计算机。