自适应剂量累积算法的制作方法

1.本公开内容总体上涉及辐射疗法或放射疗法。更具体地，本公开内容涉及用于在放射疗法治疗分段期间实时计算累积剂量的系统和方法。


背景技术：

2.放射疗法用于治疗哺乳动物(例如，人和动物)组织中的癌症和其他疾病。放射疗法包括基于直线粒子加速器(linac)的放射疗法和环形粒子加速器(例如，回旋加速器、同步加速器和同步回旋加速器)。应准确控制辐射束的方向和形状以确保目标肿瘤接受规定的辐射，并且束的布置应尽量使得对周围健康组织的损害最小化，该周围健康组织包括通常称为危及器官(oar)的特别敏感的器官。治疗规划可以用于控制辐射束参数，并且放射疗法装置通过根据治疗计划向患者递送空间上变化的剂量分布来实现治疗。


技术实现要素：

3.在一些实施方式中，提供了用于执行操作的计算机实现的方法、暂态或非暂态计算机可读介质以及包括存储器和处理器的系统，所述操作包括：由一个或更多个处理器在向患者递送放射疗法治疗分段期间以第一速率获得患者的一个或更多个图像；通过以低于第一速率的第二速率对一个或更多个图像进行采样而基于以第一速率获得的一个或更多个图像以第二速率生成患者运动信息；在放射疗法治疗分段的递送期间，以大于第一速率的第三速率接收放射疗法治疗装置设置；在放射疗法治疗分段的递送期间，基于生成的患者运动信息和放射疗法治疗装置设置计算具有第一准确度水平的递送至患者的剂量；以及在放射疗法治疗分段的递送期间，使用一个或更多个先前的剂量计算以低于第一速率的速率确定具有与第一准确度水平相比第二较高的准确度水平的递送至患者的累积剂量的实时测量。
4.在一些实施方式中，操作还包括：确定对剂量进行计算和累积的第四速率，第四速率低于第一速率；以及基于对剂量进行计算的第四速率设置对一个或更多个图像进行采样的第二速率。
5.在一些实施方式中，生成患者运动信息包括：调整对一个或更多个图像的集合进行采样的第二速率，以从生成的患者运动信息中忽略和排除一个或更多个图像中以第一速率获得的部分。
6.在一些实施方式中，使用高级蒙特卡罗剂量计算技术来计算剂量，从而导致具有与第一准确度水平相对应的噪声水平的剂量分布。
7.在一些实施方式中，以第四速率计算剂量，使得以第四速率输出针对放射疗法治疗分段的多个剂量计算中的每一个，多个剂量计算中的每一个分别具有低于第二准确度水平的准确度水平，并且所述操作还包括：将多个剂量计算中的每一个转换到参考几何结构的相同参照系，并且以各自的增量累积多个剂量计算中的每一个，以确定累积剂量的实时测量，其中，累积中的每个增量使剂量测定指数的准确度水平增加。
8.在一些实施方式中，第二速率被设置为足以分辨患者的运动模式的值，其中，每个个体剂量计算的准确度水平包括个体高级蒙特卡罗剂量计算，其中，第二准确度水平包括累积的三维(3d)蒙特卡罗剂量计算。
9.在一些实施方式中，剂量测定指数包括以下中至少之一：从3d剂量分布提取的定量单个测量、接近最大剂量、接近最小剂量或剂量分布与目标体积之间的一致性测量。
10.在一些实施方式中，剂量测定指数包括剂量值直方图(dvh)或dvh测量。
11.在一些实施方式中，操作还包括：通过提取累积的3d蒙特卡罗剂量计算中的3d部分的子集来计算剂量测定指数，该剂量测定指数具有比第一准确度水平和第二准确度水平高的第三准确度水平。
12.在一些实施方式中，操作还包括：基于生成患者运动信息的第二速率将放射疗法治疗装置设置压缩成单个有效区段，其中，基于压缩的放射疗法治疗装置设置计算剂量。
13.在一些实施方式中，以第三速率接收的放射疗法治疗装置设置包括在放射疗法治疗分段的与第三速率相对应的给定时间间隔期间执行的对放射疗法治疗装置设置的一组更新，该方法还包括将由多个束递送区段递送的总注量聚集到单个有效区段中。
14.在一些实施方式中，单个有效区段包括每个束限制装置(bld)元件对的起始位置和停止位置，其中，计算有效区段包括：针对每个bld元件对，包括用于执行以下项的操作：针对一组更新中的每次更新，获得bld元件对的所有位置；在一组更新中的获得的位置中识别当前bld元件对中的每个bld元件对的最大位置；在一组更新中的获得的位置中识别当前bld元件对中的每个bld元件对的最小位置；将最小位置指定为当前bld元件对中的每个bld元件对的起始位置；以及将最大位置指定为当前bld元件对中的每个bld元件对的停止位置。
15.在一些实施方式中，bld元件对包括多叶准直器(mlc)的夹片对或mlc的叶片对中的至少一者，并且所述操作还包括：确定针对一组更新中的每次更新递送的监测单元(mu)的数目；累积针对一组更新的确定的mu的数目以计算总注量；以及将累计的mu分配至有效区段。
16.在一些实施方式中，所述操作还包括：基于所确定的在放射疗法治疗分段的递送期间递送至患者的累积剂量的实时测量，以第四速率生成剂量累积的可视化。
17.在一些实施方式中，可视化示出了放射疗法治疗分段的实时进展，以及所述操作还包括：获得基于参考放射疗法治疗计划计算的参考剂量测定指数；以及通过以图形方式显示相对于参考剂量测定指数的基于累积剂量的相同剂量测定指数而在可视化中呈现实时进展。
18.在一些实施方式中，所述操作还包括：在放射疗法治疗分段的递送期间基于确定的剂量的实时测量和一个或更多个另外的因素来门控或调整放射疗法治疗装置设置。
19.在一些实施方式中，患者运动信息通过以下操作生成：将患者运动模型应用于患者的一个或更多个参考图像以创建运动估计；以及使用运动估计将患者解剖结构变形到当前状态。
20.在一些实施方式中，计算剂量包括与放射疗法治疗分段的第一部分相对应的第一计算剂量，该方法还包括：对第一计算剂量的微分剂量体积直方图进行降噪，同时计算用于放射疗法治疗分段的第二部分的第二剂量。
21.上述概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其并不旨在提供对本发明主题的排他性或详尽解释。包括具体实施方式以提供关于本专利申请的其他信息。
附图说明
22.在不一定按比例绘制的附图中，贯穿若干视图，相似的附图标记描述基本上相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记表示基本上相似的部件的不同实例。附图通过示例的方式而非通过限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施方式。
23.图1是根据一些示例的适于在放射疗法治疗分段期间执行实时剂量计算的说明性放射疗法系统。
24.图2是根据本公开内容的一些示例的说明性图像引导的放射疗法装置。
25.图3是根据本公开内容的一些示例的放射疗法治疗装置部件的说明性更新速率。
26.图4是根据本公开内容的一些示例的说明性有效束限制装置区段表示。
27.图5是根据本公开内容的一些示例的剂量累积的说明性可视化。
28.图6示出了根据本公开内容的一些示例的用于在放射疗法治疗分段期间执行实时剂量计算的示例性操作的流程图。
具体实施方式
29.本公开内容包括用于通过在放射疗法治疗分段期间实时计算剂量累积来改进和增强放射疗法治疗的各种技术。这样的实时剂量累积计算可以在放射疗法治疗会话期间用作质量保证(qa)措施，以使用户或操作者确信治疗正在根据治疗计划进行。所公开的技术可以适用于各种医学治疗和诊断设置或放射疗法治疗设备和装置。
30.由于存在严重损伤和晚期效应的风险，应当使放射疗法治疗中至重要器官和健康组织的剂量最小化。然而，通常在患者的第一次治疗会话之前基于患者的一个或一些图像集(例如，患者的时间快照)执行治疗规划。具体地，递送放射疗法的常规方式是在治疗开始之前几天或者甚至几周使用计算机断层成像(ct)、磁共振成像(mri)和/或正电子发射断层成像(pet)对患者进行成像。基于患者解剖结构的一个快照，创建治疗计划，并且在整个治疗过程中使用相同的计划。治疗计划由不同重量——累计计量——的一些束区段组成，所述一些束区段使用塑造区段的注量的不同多叶准直器和夹片设置(例如，束限制装置)以离散或连续的机架角度递送。
31.基于治疗计划，以若干分段(通常为5至40个分段)递送治疗，最常见的是每天一次。一个分段需要约几分钟来递送。患者解剖结构由于例如体重减轻或由于内部器官改变形状和相对位置的事实而可以在各分段之间(分段间)改变，以及患者解剖结构由于例如呼吸而可以在一个分段内(分段内)改变。尽管存在这些不确定性，但确保足够的目标剂量覆盖的标准方法是在留有一定裕量的情况下扩大辐照体积。然而，由于大的空间不确定性，裕量可能导致大量的正常组织被辐照，从而导致早期(例如，皮肤、膀胱或消化道炎症)和晚期(例如，纤维化、萎缩、血管损伤、不育、认知问题或继发性癌症)正常组织并发症的风险增加。
32.在治疗机器处引入精细的成像可能性使得能够在每个分段的递送紧之前对处于治疗位置的患者进行再成像。然后，可以在递送之前根据这些日常图像来调整治疗计划，这
被称为在线自适应放射疗法。因此，利用在线自适应技术，可以考虑并补偿解剖结构中的分段间的变化。然而，仍然需要通过向目标(肿瘤)体积增加裕量来解决分段内的变化。可以使这些裕量小于常规放射疗法的裕量，在常规放射疗法中，单个治疗计划被用于整个治疗过程。
33.实现临床治疗计划的qa的一种方式是：在治疗之前，在配备有测量沉积剂量的检测器的体模上递送计划。然后，将基于治疗计划计算的剂量与测量的剂量进行比较，如果它们在一定的容差内一致，则认为按照治疗机器所预期的那样递送计划。然而，在在线和实时自适应放射疗法中，不可能预先测量剂量，这是因为在患者在治疗床上(在线)时创建或调整治疗计划，或者响应于变化的解剖结构(实时)而实时连续调整治疗计划。考虑到基于测量的患者qa在在线和实时情况下是不可能的，剂量计算和累积可以在患者qa中起着核心作用。根据所公开的技术，治疗分段的递送期间的实时成像与对治疗机器设置的访问一起可以离线地(在该分段已经被递送之后)或者实时地使用以计算和累积在治疗分段的递送期间递送给患者的剂量。为了加快和提高实时剂量计算的效率，在每次剂量计算时仅考虑实时成像和治疗机器设置的足够部分。也就是说，在计算剂量时，考虑足以分辨患者运动的少于所有患者成像和治疗机器设置的子集。以这种方式，每个增量下的尽管由于增加的噪声和较小的信息集(例如，成像和机器设置)而不太准确的计算的剂量仍然足以说明患者移动和由治疗机器递送的辐照。此外，通过累积具有较低准确度水平的多个个体剂量计算，可以确定具有较高准确度水平的实时剂量累积并将其用于准确地表示在治疗分段期间递送给患者的剂量。
34.然后，以这种方式计算的剂量可以作为患者qa的一部分用作治疗递送的验证。根据一些实施方式，不同级别的动作可以基于实时剂量计算和累积而发生。例如，可以简单地记录治疗以在没有另外的动作的情况下用于验证，以及/或者可以基于患者的器官运动和计算的剂量关闭或打开放射疗法治疗束。在一些情况下，可以使用mlc来跟随或跟踪患者运动。
35.为了执行实时剂量计算和累积，所公开的实施方式在向患者递送放射疗法治疗分段期间以第一速率获得患者的一个或更多个图像，并基于以第一速率获得的一个或更多个图像以第二速率生成患者运动信息。在治疗分段的递送期间以第三速率接收放射疗法治疗装置设置，并且基于所生成的患者运动信息和放射疗法治疗装置设置计算具有第一准确度水平的递送给患者的剂量。在一些情况下，利用高级蒙特卡罗(monte carlo)剂量计算来计算具有第一准确度水平的剂量，该高级蒙特卡罗剂量计算由于速度要求而导致具有相对高的噪声水平的剂量分布(例如，3d剂量分布)。这样的具有第一准确度水平的3d剂量分布本身不足以确定递送给患者的剂量。所计算的剂量用于在该分段的递送期间确定具有第二较高的准确度水平的递送给患者的累积剂量的实时测量。第二准确度水平可以是由于dvh度量而对具有第一准确度水平的3d剂量体积元素中的一些进行相加。然后，通过累积具有第一准确度水平的多个个体剂量计算，可以确定具有较高准确度水平(例如，比第二准确度水平高的第三准确度水平)的实时剂量累积并将其用于准确地表示在治疗分段期间递送给患者的剂量。如本文中所提及的，剂量累积表示治疗递送的个体剂量增量的连续或周期性计算，其中，考虑患者解剖结构和治疗机器设置的变化并且随后将其映射回一个共同的参考患者解剖结构并进行概括。
36.在一些情况下，以分辨患者运动(诸如呼吸、肠运动、内部器官运动和变形等)的速率(例如，2hz)输出剂量计算和累积。也就是说，剂量累积的时间分辨率可以被设置为2hz或表示感兴趣的患者运动的任何其他合适的值。为了以这样的分辨患者运动的速率提供剂量累积，以至少与患者运动相对应的速率(例如，2hz)获得(例如，采样)在剂量计算中使用的患者的实时图像。
37.图1示出了示例性放射疗法系统100，该示例性放射疗法系统100适于使用本文所讨论的方法中的一种或更多种来执行放射疗法计划处理操作。执行这些放射疗法计划处理操作，以使得放射疗法系统100能够基于捕获的医学成像数据和疗法剂量计算或放射疗法机器配置参数的特定方面向患者提供辐射疗法。特别地，以下处理操作可以被实现为由治疗处理逻辑120实现的实时剂量计算工作流130的一部分。然而，应当理解，可以提供以下治疗处理逻辑120的许多变化和使用情况，其包括数据验证、可视化和其他医学评估和诊断设置。
38.放射疗法系统100包括托管治疗处理逻辑120的放射疗法处理计算系统110。放射疗法处理计算系统110可以连接至网络(未示出)，并且这样的网络可以连接至因特网。例如，网络可以将放射疗法处理计算系统110与一个或更多个医疗信息源(例如，放射学信息系统(ris)、医疗记录系统(例如，电子医疗记录(emr)/电子健康记录(ehr)系统)、肿瘤学信息系统(ois))、一个或更多个图像数据源150、图像获取装置170(例如，成像模态)、治疗装置180(例如，辐射疗法装置，在本文中也称为放射疗法装置)和治疗数据源160连接。
39.例如，放射疗法处理计算系统110可以被配置成实时监测当前患者几何结构，以计算给定分段内至受试者的剂量递送(例如，根据以第一速率(诸如5hz)捕获的一个或更多个mr图像)。为了加速和提高剂量计算的效率，放射疗法处理计算系统110对当前患者几何结构的足以分辨患者运动的一部分进行采样。也就是，放射疗法处理计算系统110可以以第二速率(诸如2.5hz)对一个或更多个mr图像进行采样，以跳过每隔一个的mr图像并减少由剂量计算技术处理的数据量。考虑到2.5hz的第二速率仍然大于2hz的患者运动，数目减少的mr图像仍然足以分辨患者运动。虽然在治疗分段的给定间隔(例如，分段的增量)期间以第一速率获得患者图像，但是放射疗法处理计算系统110还以比获得患者图像的第一速率和第二速率快的第三速率(例如，第三速率是25hz)获得放射疗法装置设置或参数。放射疗法处理计算系统110可以计算放射疗法装置设置或参数的有效表示以减少由剂量计算技术处理的数据量，该有效表示包括少于以第三速率获得的所有信息的信息。在一些情况下，有效表示可以基于对患者图像进行采样的第二速率来压缩以第三速率获得的放射疗法装置设置或参数。有效表示表示从未被压缩的放射疗法装置设置或参数递送的总注量。在治疗分段的每个间隔或增量处，放射疗法处理计算系统110通过将高级蒙特卡罗剂量计算技术应用于根据采样图像和放射疗法装置设置的有效表示确定的3d患者模型来计算个体剂量，以模拟多个入射粒子的辐射传输并生成具有与第一准确度水平相对应的噪声水平的剂量分布。
40.放射疗法处理计算系统110类似地在治疗分段的第二间隔或增量期间对患者的图像进行采样，并计算第二间隔或增量的有效放射疗法装置设置或参数。放射疗法处理计算系统110计算用于第二间隔的具有第一准确度水平的另一剂量，并将该剂量与先前计算的剂量累积。结果是具有与个体剂量计算的准确度水平相比第二较高的准确度水平的实时剂
量累积。放射疗法处理计算系统110将多个剂量计算中的每一个转换到患者的参考几何结构的相同参照系，并以各自的增量累积多个剂量计算中的每一个，以确定累积剂量的实时测量。在一些情况下，累积中的每个增量使剂量测定指数的准确度水平增加。剂量测定指数包括以下项中的至少一个：从例如3d剂量分布或累积剂量体积直方图(dvh)提取的定量单个测量、接近最大剂量dvh测量、接近最小剂量dvh测量、微分dvh测量、另一dvh测量、或剂量分布与目标体积之间的一致性测量。
41.放射疗法处理计算系统110可以包括处理电路系统112、存储器114、存储装置116和其他硬件和软件可操作特征例如用户接口142、通信接口(未示出)等。存储装置116可以存储暂态或非暂态计算机可执行指令，例如操作系统、辐射疗法治疗计划(例如，训练数据、治疗规划策略、患者移动模型、患者变形模型、束递送区段信息、患者的3d和/或2d图像信息和装置调整参数等)、软件程序(例如，图像处理软件、图像或解剖可视化软件等)以及由处理电路系统112执行的任何其他计算机可执行指令。
42.在示例中，处理电路系统112可以包括处理装置，例如一个或更多个通用处理装置，例如微处理器、中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、加速处理单元(apu)等。更特别地，处理电路系统112可以是复杂指令集计算(cisc)微处理器、精简指令集计算(risc)微处理器、超长指令字(vliw)微处理器、实现其他指令集的处理器或实现指令集的组合的处理器。处理电路系统112也可以由诸如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)、片上系统(soc)等的一个或更多个专用处理装置来实现。
43.如本领域技术人员将认识到的，在一些示例中，处理电路系统112可以是专用处理器，而不是通用处理器。处理电路系统112可以包括一个或更多个已知的处理装置，例如由intel
tm
制造的pentium
tm
、core
tm
、xeon
tm
或系列的微处理器，由amd
tm
制造的turion
tm
、athlon
tm
、sempron
tm
、opteron
tm
、fx
tm
、phenom
tm
系列的处理器，或由太阳微系统公司(sun microsystems)制造的各种处理器中的任何处理器。处理电路系统112也可以包括图形处理单元，例如由nvidia
tm
制造的制造的系列的gpu，由intel
tm
制造的gma、iris
tm
系列或由amd
tm
制造的radeon
tm
系列的gpu。处理电路系统112还可以包括加速处理单元例如由intel
tm
制造的xeon phi
tm
系列。所公开的实施方式不限于以其他方式被配置成满足识别、分析、维护、生成和/或提供大量数据或操纵这样的数据以执行本文中公开的方法的计算需求的任何类型的处理器。此外，术语“处理器”可以包括多于一个物理(基于电路系统)处理器或基于软件的处理器，例如多核设计或各自具有多核设计的多个处理器。处理电路系统112可以执行存储在存储器114中并从存储装置116访问的暂态或非暂态计算机程序指令序列，以执行将在下面更详细地说明的各种操作、过程、方法。应当理解，放射疗法系统100中的任何部件可以单独实现并作为独立装置进行操作，并且可以耦接至放射疗法系统100中的任何其他部件以执行本公开内容中描述的技术。
44.存储器114可以包括只读存储器(rom)、相变随机存取存储器(pram)、静态随机存取存储器(sram)、闪速存储器、随机存取存储器(ram)、动态随机存取存储器(dram)例如同步dram(sdram)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、静态存储器(例如，闪速存储器、闪存盘、静态随机存取存储器)以及其他类型的随机存取存储器、高速缓冲存储器、寄存器、致密盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)或其他光存储装置、盒式磁带、其他磁存储
装置、或者可以用于存储能够由处理器系统112或者任何其他类型计算机装置访问的包括图像、训练数据、ml技术参数、装置适配功能、数据或者暂态或非暂态计算机可执行指令(例如，以任何格式存储)的信息的任何其他非暂态介质。例如，计算机程序指令可以由处理电路系统112访问，可以从rom或任何其他合适的存储器位置被读取，并且可以被加载到ram中以由处理电路系统112执行。
45.存储装置116可以构成包括暂态或非暂态机器可读介质的驱动单元，在该暂态或非暂态机器可读介质上存储有由本文中描述的方法或功能(在各种示例中，包括治疗处理逻辑120和用户接口142)中的任何一个或者更多个实施或利用的一个或更多个暂态或非暂态指令集和数据结构(例如，软件)。在由放射疗法处理计算系统110执行指令期间，指令还可以全部或至少部分地驻留在存储器114内和/或处理电路系统112内，其中存储器114和处理电路系统112也构成暂态或非暂态机器可读介质。
46.存储器114和存储装置116可以构成非暂态计算机可读介质。例如，存储器114和存储装置116可以将用于一个或更多个软件应用的暂态或非暂态指令存储或加载在计算机可读介质上。利用存储器114和存储装置116存储或加载的软件应用可以包括例如用于通用计算机系统以及软件控制的装置的操作系统。放射疗法处理计算系统110还可以操作包括用于实现治疗处理逻辑120和用户接口142的软件代码的各种软件程序。此外，存储器114和存储装置116可以存储或加载整个软件应用、软件应用的一部分或者与软件应用相关联的代码或数据，其能够由处理电路系统112执行。在其他示例中，存储器114和存储装置116可以存储、加载和操纵一个或更多个辐射疗法治疗计划、成像数据、分段数据、治疗可视化、直方图或测量结果等。可以预期，软件程序不仅可以被存储在存储装置116和存储器114上，而且还可以存储在诸如硬盘驱动器、计算机磁盘、cd-rom、dvd、蓝光dvd、usb闪存驱动器、sd卡、记忆棒的可移除计算机介质上或任何其他合适的介质上；也可以通过网络传送或接收这样的软件程序。
47.尽管未描绘，但是放射疗法处理计算系统110可以包括通信接口、网络接口卡和通信电路系统。示例通信接口可以包括例如网络适配器、线缆连接器、串行连接器、usb连接器、并行连接器、高速数据传输适配器(例如，诸如光纤、usb 3.0、雷电接口(thunderbolt)等)、无线网络适配器(例如，诸如ieee 802.11/wi-fi适配器)、电信适配器(例如，与3g、4g/lte和5g网络等进行通信)等。这样的通信接口可以包括一个或更多个数字和/或模拟通信装置，一个或更多个数字和/或模拟通信装置允许机器经由网络与其他机器和装置例如位于远处的部件进行通信。网络可以提供局域网(lan)、无线网络、云计算环境(例如，软件即服务、平台即服务、基础设施即服务等)、客户端-服务器、广域网(wan)等的功能。例如，网络可以是可以包括其他系统(包括与医学成像或放射疗法操作相关联的附加图像处理计算系统或基于图像的部件)的lan或wan。
48.在示例中，放射疗法处理计算系统110可以从图像数据源150(例如，ct、pet和/或mr图像)获得图像数据152，以托管在存储装置116和存储器114上。在另一示例中，软件程序可以代替患者图像的功能，例如强调图像信息的一些方面的图像的有符号距离功能或经处理的版本。
49.在示例中，放射疗法处理计算系统110可以从图像数据源150获得图像数据152或向图像数据源150传送图像数据152。在其他示例中，作为由实时剂量计算工作流130生成的
放射疗法装置参数调整或区段适配的结果，治疗数据源160接收或更新规划数据162；图像数据源150还可以提供或托管图像数据152以在实时剂量计算工作流130中使用。
50.处理电路系统112可以通信地耦接至存储器114和存储装置116，并且处理电路系统112可以被配置成从存储器114或存储装置116执行存储在其上的计算机可执行指令。处理电路系统112可以执行指令以使来自图像数据152的医学图像在存储器114中被接收或获得并且使用治疗处理逻辑120来处理。
51.此外，处理电路系统112可以利用软件程序来生成中间数据，例如要由例如神经网络模型、机器学习模型、实时剂量计算工作流130使用的更新参数，或者如本文所讨论的装置参数调整或区段适配的生成所涉及的其他方面。此外，使用本文进一步讨论的技术，这样的软件程序可以利用治疗处理逻辑120来实现实时剂量计算工作流130以产生更新的放射疗法参数以提供给治疗数据源160来修改在给定分段内递送至目标的剂量和/或用于在输出装置146上呈现。处理电路系统112随后可以经由通信接口和网络向治疗装置180传输更新的放射疗法参数，其中更新的参数将用于经由治疗装置180用辐射来治疗患者，与实时剂量计算工作流130的结果一致。软件程序和实时剂量计算工作流130的其他输出和使用可以与放射疗法处理计算系统110的使用一起发生。放射疗法参数(也称为控制点)可以包括针对给定治疗分段的每个区段或部分的mlc位置和设置、机架角度、辐射剂量的量(例如，监测单元(mu)的量)、放射疗法束方向、辐射束大小、弧形放置、束开关持续时间、机器参数、机架速度、mri脉冲序列、它们的任意组合等等。
52.在示例中，图像数据152可以包括一个或更多个mr图像(例如，2d mri、3d mri、2d流式mri、4d mri、4d体积mri、4d影像mri等)、功能mri图像(例如，fmri、dce-mri、扩散mri)、计算机断层扫描(ct)图像(例如，2d ct、2d锥束ct、3d ct、3d cbct、4d ct、4dcbct)、超声图像(例如，2d超声、3d超声、4d超声)、正电子发射断层扫描(pet)图像、x射线图像、荧光镜图像、放疗射野图像、单光子发射计算机断层扫描(spect)图像、计算机生成的合成图像(例如，伪ct图像)、无线电信标，患者表面的激光扫描等。此外，图像数据152还可以包括以下或与以下相关联：医学图像处理数据例如训练图像和地表真实图像(ground truth image)、轮廓图像和剂量图像。在其他示例中，可以以非图像格式(例如，坐标、映射等)来表示解剖区域的等效表示。
53.在示例中，可以从图像获取装置170接收图像数据152，并且该图像数据152可以存储在图像数据源150(例如，图片存档与通信系统(pacs，picture archiving and communication system)、供应商中立档案库(vna，vendor neutral archive)、医疗记录或信息系统、数据仓库等)中的一个或更多个中。因此，图像获取装置170可以包括mri成像装置、ct成像装置、pet成像装置、超声成像装置、荧光镜装置、spect成像装置、集成的线性加速器和mri成像装置、cbct成像装置或用于获得患者的医学图像的其他医学成像装置。可以以图像获取装置170和放射疗法处理计算系统110可以用于执行与所公开的实施方式一致的操作的任何数据类型或任何格式类型(例如，以医学数字成像和通信(dicom)格式)接收和存储图像数据152。此外，在一些示例中，本文中讨论的模型可以被训练成处理原始图像数据格式或其衍生。
54.在示例中，图像获取装置170可以与治疗装置180集成为单个设备(例如，与线性加速器组合的mri装置，也被称为“mri-linac”)。例如，这样的mri-linac可以用于确定患者体
内目标的位置，从而根据辐射疗法治疗计划将辐射束准确地引导到预定目标。例如，辐射疗法治疗计划可以提供关于要施加至每个患者的特定辐射剂量的信息。辐射疗法治疗计划还可以包括其他放射疗法信息和放射疗法装置参数，例如束角度、剂量-体积直方图信息、疗法期间要使用的辐射束的数量、每束的剂量等。mri-linac可以用于计算、生成和/或更新患者变形模型，以使患者的3d或2d图像的与给定束递送区段相对应的图像部分变形。mri-linac可以用于提供治疗分段的各个增量/间隔处的实时患者图像(或患者图像的子集)和机器设置或参数，以连续或周期性地计算用于增量/间隔的剂量，并基于这样计算的剂量确定实时剂量累积。
55.放射疗法处理计算系统110可以通过网络与外部数据库进行通信，以发送/接收与图像处理和放射疗法操作有关的多个各种类型的数据。例如，外部数据库可以包括机器数据(包括装置约束)，该机器数据提供与治疗装置180、图像获取装置170或者与放射疗法或医疗过程有关的其他机器相关联的信息。机器数据信息可以包括辐射束大小、弧形放置、束开关持续时间、机器参数、区段、mlc配置、机架速度、mri脉冲序列等。外部数据库可以是存储装置并且可以配备有适当的数据库管理软件程序。此外，这样的数据库或数据源可以包括以中央方式或分布式方式定位的多个装置或系统。
56.放射疗法处理计算系统110可以使用一个或更多个通信接口经由网络收集并获得数据并且与其他系统进行通信，一个或更多个通信接口通信地耦接至处理电路系统112和存储器114。例如，通信接口可以提供放射疗法处理计算系统110与放射疗法系统部件之间的通信连接(例如，允许与外部装置交换数据)。例如，在一些示例中，通信接口可以具有与输出装置146或输入装置148的适当的接口电路系统以连接至用户接口142，用户接口142可以是用户可以通过其将信息输入至放射疗法系统中的硬件键盘、小键盘或触摸屏。
57.作为示例，输出装置146可以包括显示装置，该显示装置输出用户接口142的表示以及医学图像、治疗计划以及这样的计划的训练、生成、验证或实现的状态的一个或更多个方面、可视化或表示。输出装置146可以包括一个或更多个显示屏，一个或更多个显示屏显示医学图像、接口信息、治疗规划参数(例如，轮廓、剂量、束角度、标签、映射等)、治疗计划、针对给定的治疗分段被识别和变形的图像部分、目标、定位目标和/或跟踪目标、或与用户有关的任何信息。输出装置146可以基于所确定的在放射疗法治疗分段的递送期间递送给患者的剂量的实时测量向用户提供剂量累积的可视化。可视化示出了放射疗法治疗分段的进展。在一些情况下，通过以下方式生成可视化：获得基于参考放射疗法治疗计划计算的参考剂量测定指数，并且通过以图形方式显示相对于参考剂量测定指数的基于累积剂量的相同剂量测定指数而在可视化中呈现进展。
58.连接至用户接口142的输入装置148可以是键盘、小键盘、触摸屏或用户可以使用其向放射疗法系统100输入信息的任何类型的装置。可替选地，输出装置146、输入装置148以及用户接口142的特征可以被集成到诸如智能电话或平板计算机(例如苹果联想三星等)的单个装置中。
59.此外，放射疗法系统100的任何部件和所有部件均可以被实现为虚拟机(例如，经由vmware、hyper-v以及类似的虚拟化平台)或独立装置。例如，虚拟机可以是用作硬件的软件。因此，虚拟机可以包括共同用作硬件的至少一个或更多个虚拟处理器、一个或更多个虚
拟存储器以及一个或更多个虚拟通信接口。例如，放射疗法处理计算系统110、图像数据源150或类似部件可以被实现为虚拟机或被实现在基于云的虚拟化环境内。
60.图像获取装置170可以被配置成针对感兴趣区域(例如，目标器官、目标肿瘤或这两者)获取患者的解剖结构的一个或更多个图像。典型地为2d图像或切片的每个图像可以包括一个或更多个参数(例如，2d切片厚度、取向和位置等)。在示例中，图像获取装置170可以获取任何取向的2d切片。例如，2d切片的取向可以包括矢状取向(sagittal orientation)、冠状取向(oronal orientation)或轴向取向。处理电路系统112可以调整一个或更多个参数例如2d切片的厚度和/或取向，以包括目标器官和/或目标肿瘤。在示例中，可以根据诸如3d cbct或ct或mri体积的信息来确定2d切片。当患者正在经受辐射疗法治疗时，例如当使用治疗装置180时，可以由图像获取装置170“近实时”地获取这样的2d切片(其中如本领域已知的，“近实时”意味着在图像获取与治疗之间没有滞后(或具有最小的滞后)的情况下获取数据)。在示例中，可以使用一个或更多个2d切片的堆叠来生成感兴趣区域的3d体积表示。
61.图2示出了示例性图像引导的辐射疗法装置202，该图像引导的辐射疗法装置202包括辐射源例如x射线源或线性加速器、床216、成像检测器214和辐射疗法输出部204。辐射疗法装置202可以被配置成发射辐射疗法束208以向患者提供疗法。辐射疗法输出部204可以包括一个或更多个衰减器或准直器，例如多叶准直器(mlc)。
62.作为示例，患者可以被安置在由治疗床216支承的区域212中，以根据辐射疗法治疗计划接收辐射疗法剂量。辐射疗法输出部204可以安装或附接至机架206或其他机械支承件。当床216被插入到治疗区域中时，一个或更多个底盘马达(未示出)可以使机架206和辐射疗法输出部204围绕床216旋转。在示例中，当床216被插入到治疗区域中时，机架206可以围绕床216连续地旋转。在另一示例中，当床216被插入到治疗区域中时，机架206可以旋转至预定位置。例如，机架206可以被配置成使疗法输出部204围绕轴线(“a”)旋转。床216和辐射疗法输出部204两者都可以独立地移动到患者周围的其他位置，例如，能够沿着横向方向(“t”)移动、能够沿着侧向方向(“l”)移动，或者围绕一个或更多个其他轴线旋转，例如围绕横轴(表示为“r”)旋转。通信地连接至一个或更多个致动器(未示出)的控制器可以控制床216的移动或旋转，以根据辐射疗法治疗计划将患者适当地安置在辐射疗法束208内或辐射疗法束208外。床216和机架206两者均能够以多个自由度彼此独立地移动，这允许患者被安置成使得辐射疗法束208可以精确地对准肿瘤。
63.坐标系(包括轴a、t和l)可以具有位于等中心210处的原点。等中心210可以限定为如下位置：在该位置处，辐射疗法束208的中心轴与坐标轴的原点相交，例如以将规定的辐射剂量递送至患者身上的位置或体内的位置。可替选地，等中心210可以限定为如下位置：在该位置处，针对由机架206安置的辐射疗法输出部204围绕轴线a的各种旋转位置，辐射疗法束208的中心轴与患者相交。
64.机架206还可以具有附接的成像检测器214。成像检测器214优选地被定位成与辐射源(输出部204)相对，并且在示例中，成像检测器214可以位于辐射疗法束208的场内。成像检测器214可以优选地与辐射疗法输出部204相对地安装在机架206上，例如以保持与辐射疗法束208对准。随着机架206旋转，成像检测器214围绕旋转轴旋转。在示例中，成像检测器214可以是平板检测器(例如，直接检测器或闪烁体检测器)。以这种方式，成像检测器214
可以用于监测辐射疗法束208，或者成像检测器214可以用于对患者的解剖结构进行成像，例如射野成像。辐射疗法装置202的控制电路系统可以集成在放射疗法系统100内或远离放射疗法系统100。
65.在说明性示例中，可以自动地安置床216、疗法输出部204或机架206中的一个或更多个，并且疗法输出部204可以根据用于特定疗法递送实例的指定剂量来建立辐射疗法束208。可以根据辐射疗法治疗计划例如使用机架206、床216或疗法输出部204的一个或更多个不同的取向或位置来指定疗法递送的序列。疗法递送可以顺序地发生，但是可以在患者身上或患者体内的期望治疗位点中相交，例如在等中心210处相交。由此，可以将辐射疗法的规定的累积剂量递送至治疗位点，同时可以减少或避免对治疗位点附近的组织的损害。
66.因此，图2特别地示出了辐射疗法装置202的示例，其可操作以与放射疗法治疗计划和在给定分段内调整的装置的参数一致地或根据放射疗法治疗计划和在给定分段内调整的装置的参数向患者提供放射疗法治疗，具有其中辐射疗法输出部可以围绕中心轴线(例如，轴线“a”)旋转的配置。可以使用其他辐射疗法输出部配置。例如，可以将辐射疗法输出部安装至具有多个自由度的机器人臂或操纵器。在另一示例中，疗法输出部可以是固定的，例如位于与患者侧向分开的区域中，并且可以使用支承患者的平台来将辐射疗法等中心与患者体内的指定目标位点对准。在另一示例中，辐射疗法装置可以是线性加速器和图像获取装置的组合。在一些示例中，图像获取装置可以是mri、x射线、ct、cbct、螺旋ct、pet、spect、光学层析成像、荧光成像、超声成像或放疗射野成像装置等，如本领域普通技术人员将认识到的。
67.返回参照图1，实时剂量计算工作流130包括患者图像信息132、基于这些图像、放射疗法装置参数134构建的3d患者模型以及剂量计算和累积处理136。在实现方式中，由实时剂量计算工作流130实现的处理可以在给定的治疗分段期间(例如，当每个束递送区段开始或结束时)以及/或者在患者经历给定治疗分段之前或之后实时执行。
68.在示例中，实时剂量计算工作流130获得针对给定患者的放射疗法治疗计划。可以由临床医生生成放射疗法治疗计划，以在一个或更多个放射疗法治疗分段期间进行放射疗法的递送。放射疗法治疗计划包括表示oar的患者的图像信息和待辐照的目标。图像信息可以是2d或3d mr或ct图像的集合。放射疗法治疗计划还包括多个放射疗法束递送区段。每个束递送区段限定在整个放射疗法治疗分段中使用的一组放射疗法装置控制点。特别地，一个束递送区段限定在治疗分段的第一时间点或时间间隔期间使用的第一组控制点，并且第二束递送区段限定在治疗分段的第二时间点或时间间隔期间使用的第二组控制点，第二时间点或时间间隔在第一时间点之后、之前和/或邻近第一时间点。多个束递送区段限定了整个治疗分段中使用的束递送参数。放射疗法治疗计划还包括一个或更多个目标体积和/或一个或更多个oar的描绘。
69.在示例中，实时剂量计算工作流130生成、获得和/或更新患者变形模型。患者变形模型表示在即将到来的、实时的和/或过去的治疗分段期间患者和/或患者的区域的估计或预测的移动。在实施方式中，患者变形模型基于在放射疗法治疗分段之前或在放射疗法治疗分段期间捕获的患者的一个或更多个描述中的至少一个来生成。一个或更多个描述可以基于一个或更多个磁共振(mr)图像、一个或更多个计算机断层扫描(ct)图像、一个或更多个锥束计算机断层扫描(cbct)图像、表面扫描或无线电信标来生成。患者变形模型可以表
示在治疗分段期间和/或整个治疗分段中特定时间或时间间隔处实际和/或估计(预测)的患者移动。患者变形模型可以作为一个或更多个位移向量来提供。
70.在一些实施方式中，患者图像信息132通过在给定分段内以第一速率(诸如5hz)捕获患者的一个或更多个mr图像来实时监测当前患者几何结构。患者图像信息132对当前患者几何结构中足以分辨患者运动的一部分进行采样。在示例中，患者图像信息132以第二速率(诸如2.5hz)对患者的一个或更多个mr图像进行采样，以跳过每隔一个的mr图像并减少由剂量计算技术处理的数据量。
71.虽然在治疗分段的给定间隔(例如，分段的增量)期间以第一速率获得患者图像，但是放射疗法装置参数134以比获得患者图像的第一速率和第二速率快的第三速率(例如，第三速率是25hz)获得放射疗法装置设置或参数。放射疗法装置参数134可以计算放射疗法装置设置或参数的有效表示以减少由剂量计算技术处理的数据量，该有效表示包括少于以第三速率获得的所有信息的信息。例如，放射疗法装置参数134将以第三速率获得的放射疗法装置设置压缩成表示从未被压缩的放射疗法装置设置或参数递送的总注量的有效表示。
72.在治疗分段的每个间隔或增量处，剂量计算和累积处理136通过将高级蒙特卡罗剂量计算技术应用于采样图像和放射疗法装置设置的有效表示来计算个体剂量，以模拟多个入射粒子的辐射传输并生成具有与第一准确度水平相对应的噪声水平的剂量分布。在一些情况下，剂量计算和累积处理136实现剂量引擎，该剂量引擎使用患者解剖结构(几何结构和组织表征)的完整描述以及机器设置或控制点(mlc和/或夹片位置、监测单元、机架角度)作为输入。在一些实现方式中，剂量计算和累积处理136开始于通过一个或更多个mr患者图像来获取和重构2d图像。剂量计算和累积处理136将患者运动模型应用于所得的2d图像，以创建由剂量引擎使用的运动估计。在一些情况下，运动估计的输出描述了相对于参考状态i
ref
的患者运动。
73.与图像获取和运动估计创建并行，剂量计算和累积处理136基于在治疗分段的给定间隔处向患者递送的辐射来接收治疗机器设置或控制点。治疗机器设置作为更新的流被接收，所述更新包含描述在治疗分段的该时间点或时间间隔处的机器状态的机器设置。剂量计算和累积处理136使用运动估计将患者解剖结构变形为其当前状态，并将患者解剖结构与从治疗机器接收的输入相结合，以在患者解剖结构的参考表示中连续计算和累积剂量。出于剂量计算的目的，患者被表示为体积元素、体素的3d矩阵。至给定体素的剂量取决于患者的当前几何结构和定义当前辐射场的治疗机器设置。可以基于实时获取的患者的2d mr图像的流来估计患者的3d运动。在一些情况下，基于采样的2d图像集(例如，以与患者运动相对应的第二速率(诸如2.5hz)生成的2d图像)来估计患者的3d运动。
74.参考几何结构中位置r的累积剂量被计算为下面等式1中的和：
[0075][0076]
其中，n是治疗期间的计算迭代的次数，以及是针对i：迭代的剂量增量。上标指定在哪个解剖结构中表示剂量，以及下标指定计算哪个迭代(例如，是在i
ref
患者解剖结构中表示的i：迭代的剂量)。运动估计提供了i
ref
与ii之间的几何变换，
和剂量计算期间的辐射传输在ii的解剖结构中执行，以产生剂量分布量分布根据下面的等式2来计算：
[0077][0078]
和两者都被表示为描述每个个体体素的运动的变形矢量场(dvf)。在一些情况下，基于(以第二速率2.5hz采样的)采样的患者图像集和压缩以第三速率(例如，25hz)接收的束限制装置的多个设置的有效区段来计算累积剂量在这样的情况下，基于下面讨论的等式5来计算每个增量下的
[0079]
随后，剂量计算和累积处理136根据剂量分布计算相关特征诸如剂量测定指数，并且可以生成向用户或操作者呈现相关特征的可视化。结合图5示出并描述了说明性可视化。
[0080]
图3是根据本公开内容的一些示例的放射疗法治疗装置部件的说明性更新速率。也就是，如图3所示，放射疗法系统100的每个部件可以以不同的速率提供信息。例如，mr装置或图像获取装置170可以以5hz获取2d/3d图像，并且随后的运动建模以相同(或较高)的速度处理图像。在这种情况下，运动估计也以5hz产生。机器设置(linac控制点)可以以25hz被流式传输或接收。在一些情况下，输出和计算剂量累积的速度要求是2hz。呈现给用户的带有剂量累积的图示的gui以被感知为实时的速度向用户提供更新，在一些情况下，该速度为大于或小于2hz的速率。所公开的实施方式通过采样和使用少于所有患者运动图像(例如，2.5hz的患者图像)的图像并生成表示由放射疗法装置递送的与以25hz接收的机器设置相对应的总注量的有效区段来应对不同部件的节奏。
[0081]
在一些情况下，剂量计算和累积处理136使用mlc叶片和夹片的位置、机架角度、针对当前辐射束递送的mu和表示运动估计的dvf来计算给定增量下的剂量。任何其他控制点可以用于计算给定增量的剂量。出于标记的目的，剂量引擎被定义为d(t)＝d(i，tu)，其计算给定患者解剖结构i(t)和治疗机器设置(控制点)tu(t)的剂量。
[0082]
用于处理各种输入数据源以计算剂量的一种方式是将(以5hz接收的)患者运动的每次更新与和长度为t的相同时隙相关联的治疗机器设置配对。等式2中作为患者运动状态ii的函数的每个剂量增量基于如下面的等式3所定义的治疗机器在相应时隙内递送的量：
[0083][0084]
其中，tu(t)是时间t处的机器设置，以及ii是第i时隙处的患者运动状态。在这种情况下，针对每次患者运动更新开始一次计算。在剂量计算比运动估计更新慢的情况下，增加的输入数据队列保持等待由剂量累积进行处理，这导致在gui中向用户呈现结果的滞后。
[0085]
根据一些实施方式，为了解决这个问题，将患者运动状态的采样率降低给定量(诸如降低2倍)。这意味着每隔一个的患者运动更新被忽略，并且根据下面的等式4来计算累积剂量的跨越长度为2δt的时隙的每个增量：
[0086]
[0087]
与治疗进展相比，这种近似将剂量计算的迭代次数减少了一半并且减少了最终累积剂量的总滞后。这使得能够在患者状态的充分采样与每次迭代的剂量的准确计算之间进行权衡。
[0088]
在一些情况下，不是降低采样率，可以使所有的剂量增量计算并行化以减少输入数据的队列。在这样的情况下，在计算每个增量下的剂量时考虑所有的患者运动更新信息，但是系统资源的复杂性会增加。
[0089]
在一些实施方式中，来自治疗装置的包含机器设置或控制点的实时流以(大于生成患者运动估计的速率的)第三速率(例如，25hz)进行操作。如果患者运动的采样率是2.5hz的第二速率，则剂量累积的每个增量将具有十次治疗机器设置(区段)的更新。这将导致十次单独的剂量计算，这在实时环境中会花费太长时间。为了提高剂量计算和装置的效率并加速剂量计算和累积，机器设置或控制点的所有排队的区段均被压缩成一个单独的有效区段。为了说明实施方式，mlc的一个叶片对(即，两个相对的叶片)可以被类似地压缩成有效区段，但是束限制装置的任何其他对(例如，夹片对和/或其他mlc叶片对)也可以被类似地压缩成有效区段。
[0090]
治疗装置设置的流可以指示叶片对在时间t＝0处的起始位置，并提供具有新位置的五次连续更新，并且还可以提供每次更新中递送的mu的数目。扩展到任意更新次数都很简单。有效区段被计算以准确地表示从该有效区段对其进行压缩的所有机器设置更新递送的总注量。为了生成有效区段，针对有效区段的mu的数目被计算作为更新中所有mu的总和。有效区段s
eff
是动态区段，在该动态区段中，每个叶片的开始位置和停止位置不必相同。假设在每个准直元件的开始位置与停止位置之间进行线性运动。每个叶片的开始位置被选择作为更新中的各位置中的最小值，而停止位置被选择作为更新中的各位置中的最大值。然后，用于计算累积剂量的每个增量的剂量表达式被提供为下面的等式5：
[0091][0092]
图4中示出了根据五次机器更新创建s
eff
的图形图示，包括该方法引入的近似的影响的指示。s
eff
的引入会高估和低估剂量，主要是在半影区。
[0093]
在一些实现方式中，放射疗法装置参数134通过分析束限制装置的对来压缩放射疗法装置参数。例如，放射疗法装置参数134识别与时间t0至t5相对应的给定增量或区段的放射疗法装置参数集中的一对叶片410和412。放射疗法装置参数134搜索该对中的第一叶片410在区段的增量的给定时间内的所有位置，以识别第一叶片410的最小延伸位置和第一叶片410的最大延伸位置。放射疗法装置参数134可以确定：在时间t3处，第一叶片410处于最大延伸位置430，以及在时间t5处，第一叶片410处于最小延伸位置420。作为响应，放射疗法装置参数134可以生成第一有效叶片区段，该第一有效叶片区段在时间t
0 440处开始于最小延伸位置420，以及在(与接收到的参数流中的最后时间点相对应的)时间t
5 450处结束于最大延伸位置430。
[0094]
类似地，放射疗法装置参数134搜索该对中的第二叶片412在区段的增量的给定时间内的所有位置，以识别第二叶片412的最小延伸位置和第二叶片412的最大延伸位置。放射疗法装置参数134可以确定：在时间t5处，第二叶片412处于最大延伸位置422，以及在时
间t4处，第二叶片412处于最小延伸位置432。作为响应，放射疗法装置参数134可以生成第二有效叶片区段，该第二有效叶片区段在时间t
0 440处开始于最小延伸位置432，以及在(与接收到的参数流中的最后时间点相对应的)时间t
5 450处结束于最大延伸位置422。
[0095]
放射疗法装置参数134还获得在每个时间点处的区段的增量的给定时间内递送的所有mu。放射疗法装置参数134对在区段的增量的给定时间期间递送的所有mu求和，以计算有效区段从t
0 440到时间t
5 450的总mu。类似的技术可以类似地应用于任何其他类型的束限制装置对(例如，夹片对和/或叶片对的各种组合)，以计算一个或更多个有效区段。
[0096]
放射疗法装置参数134在计算给定增量的剂量时使用具有总mu的有效区段作为放射疗法装置设置，而不是使用从时间t0到t5接收的所有设置。这减少了剂量计算技术使用的总信息量，并加速了剂量计算和累积的输出。
[0097]
在一些情况下，剂量计算和累积处理136实现蒙特卡罗(mc)剂量计算过程以计算剂量和剂量累积。由mc计算的剂量本质上存在噪声，其中噪声水平(以及因此计算的剂量的准确性)与模拟的辐射传输期间使用的模拟的初级粒子/历史粒子(histories)的数目直接相关。剂量计算时间随模拟的粒子的数目线性增加。在mc中，患者被表示为体素的3d矩阵，其中每个体素包含材料成分和质量密度。当根据第i次迭代计算剂量时，使用由来自运动模型的dvf描述的变换将具有材料和密度的患者解剖结构表示从i
ref
变形到ii。根据下面的等式6计算患者解剖结构ii中的密度表示
[0098][0099]
其中，使用三线性插值来计算密度这是因为密度可以被视为连续量。材料成分被视为离散量并根据等式7进行计算：
[0100][0101]
并且材料成分使用最近邻插值来实现。然后，每体素的剂量被计算为和的函数。
[0102]
给定体素中的噪声取决于该体素中的剂量沉积的数目。dvh度量通常用于评估3d剂量分布，而不是至个体体素的剂量，并且考虑至许多体素的剂量(诸如d
2％
或d
98％
)的dvh度量本质上比基础剂量分布具有更少的噪声。因此，在dvh度量中给定相同噪声水平的情况下，大的目标的每体素噪声比小的目标的每体素噪声高。因为通常向目标递送均匀的剂量，所以微分dvh将是规定目标剂量周围的尖峰。在oar的情况下，情况将会不同，这是因为微分dvh将具有较大的传播。作为均匀剂量的结果，与oar度量相比，至目标的剂量d
2％
或d
98％
对噪声更敏感。根据所公开的实施方式，累积剂量的噪声水平随着根据等式1和2对剂量进行累积而降低(即，剂量累积的准确度水平增加)，这是因为累积等同于增加模拟中粒子的数目。也就是说，随着将每个个体剂量计算(具有高噪声水平)与先前的剂量计算(具有相似的高噪声水平)进行累积，总的累积剂量计算噪声降低。以这种方式，累积剂量d
2％
或d
98％
中的噪声以高水平开始，并且在多次迭代之后(例如，随着越来越多的个体剂量计算被执行和累积)变得显著较低。
[0103]
在一些实施方式中，在使用先前的剂量计算来计算和累积个体剂量之后，累积剂量和/或个体剂量计算被降噪以增强或改进累积剂量的准确度水平。累积剂量和/或个体剂量与在后续迭代中计算的后续剂量并行地被降噪。以这种方式，在针对后续迭代计算剂量的同时，对先前的剂量累积进行降噪和改进，以进一步减少针对后续迭代执行的累积剂量计算中的噪声。具体地，如以上所提到的，在治疗分段期间实时执行的剂量计算的每次迭代产生非常嘈杂的剂量分布噪声是由于如下事实：与常规剂量计算相比，模拟的粒子少得多。然后根据等式1对总剂量进行累积，这导致累积剂量中的噪声显著减少，这是因为累积中的每个增量使得每个体素能够模拟更多的粒子。也就是说，可以考虑非常嘈杂的剂量分布，这是因为剂量分布中的噪声随着累积的增加而减少。此外，不计算和评估完整的3d剂量分布，而是计算和评估从根据等式1得到的累积剂量中提取的累积dvh测量或微分dvh测量。
[0104]
根据一些实施方式，在提取相关dvh测量之前对微分dvh进行降噪，以使得能够提高剂量计算和累积的速度和效率。如果微分dvh中的每剂量水平的噪声是已知的或者可以被建模，则这是可能的。为此目的，噪声微分dvh f
noise
可以被理解为下面的等式8a：
[0105][0106]
其中，f0是无噪声微分dvh，以及k是对微分dvh中的每剂量水平的不确定性进行建模的数学函数。如果每个剂量箱(bin)中的k是已知的或者可以被建模，则无噪声的dvh f0可以通过求解等式8a来重构。在一些实施方式中，k根据下面的等式8b：
[0107][0108]
其中，σ是与剂量水平的平方根成比例的函数。
[0109]
根据所公开的实施方式，通过采用其中在微分dvh上设置界限以确保非负性的优化问题来重构无噪声dvh。
[0110]
优化问题被设置为最小二乘最小化问题，在最小二乘最小化问题中，模糊估计的无噪声信号(等式8a被离散成剂量箱)由下面的等式10表示：
[0111][0112]
(等式10)
[0113]
其中，fj是离散的f0。要被最小化的误差函数由等式11表示：
[0114][0115]
不是采用迭代方法来解决优化问题，而是根据等式12来解决最小二乘问题的最小化：
[0116]
[0117]
使用其中可以设置fj上的界限的优化(例如，l-bfgs-b方法)来确保所得到的降噪的微分dvh的非负性。在一些实施方式中，可以在已经递送治疗分段之后使用离线分段内剂量累积来对递送的治疗分段执行患者qa。离线分段内剂量累积可以是应用于递送的治疗分段的被记录的患者移动信息和机器参数的完整mc。也就是说，在递送治疗分段之后，可以从日志文件中获得整个治疗分段中的所有患者移动信息和所有相应的机器参数。然后，可以应用常规mc以使用获得的患者移动信息和机器参数来计算具有高准确度水平的累积剂量以获得治疗分段的累积剂量。也就是说，在递送治疗分段之后，不需要执行患者移动信息和机器参数(例如，束限制装置的有效分段)的近似，而是可以考虑所有这样的信息。这是因为时间并不重要并且可以执行完整的计算以获得非常准确的剂量累积，只要这样的计算在递送另一治疗分段之前完成即可。在一些情况下，存储机器参数的日志文件在治疗期间每40毫秒更新，以用于离线剂量累积。此外，可以使用在治疗分段期间捕获的2d或3d图像的日志来重建患者运动。将机器设置与并发的患者运动进行配对构成了每个增量的剂量累积输入。然后，该分段的所有增量的总的总和剂量可以与基于在线治疗计划计算的剂量进行比较，并且可以用作患者qa方法以验证递送至患者的剂量对应于预期的剂量。
[0118]
在一些情况下，可以将给定增量或所有增量的总剂量与基于患者几何结构和机器参数近似实时计算的估计剂量累积进行比较。这实现如下qa：对在先前治疗分段期间的实时剂量累积期间进行的近似进行的，并且潜在地用于改变在后续治疗分段的递送期间考虑的患者几何结构和机器参数的近似。也就是，剂量累积的离线分段内和分段间剂量累积的3d分布可以用于调整后续分段(例如，用作离线调整的基础)。例如，可以向用户提供机会来补偿当前总剂量分布中的任何热点或冷点(例如，其中剂量偏离期望的均匀间隔的较小体素集)。
[0119]
在一些实施方式中，在治疗分段的递送期间，在图形用户接口中向用户呈现实时剂量累积，以告知用户关于治疗的进展。图5是根据本公开内容的一些示例的剂量累积的说明性可视化。该可视化可以包括两个部分。例如，可视化左侧的第一部分可以实时地根据束-眼睛-视图以图形方式描绘目标投影和束限制装置(例如，mlc)位置。同时，在可视化右侧的第二部分中，参考几何结构的累积剂量被呈现为mu的函数。这使得用户能够可视地看到：随着治疗的进行，累积剂量计算与根据治疗计划的目标剂量的比较情况。在一些情况下，所显示的剂量测定测量是在规划期间用于评估治疗计划的相同测量或者是在规划期间用于评估治疗计划的测量的子集。在一些实现方式中，可视化的第二部分呈现针对基于参考患者几何结构的静态参考治疗计划计算的剂量测定测量d
98％
(mu)，从而可以对治疗进展进行比较和验证。
[0120]
在一些实施方式中，可以基于当前计算的实时累积剂量与基于静态参考计划和患者几何结构计算的剂量测定测量的比较情况来自动或手动地门控(打开/关闭)束。也就是说，如果实时累积剂量超过参考剂量测定测量多于阈值量，则可以自动或手动地关闭用于治疗分段的给定部分的束。另外地或可替选地，可以基于当前计算的实时累积剂量与基于静态参考计划和患者几何结构计算的剂量测定测量的比较情况来执行mlc跟踪。在一些情况下，mlc跟踪可以仅使用几何输入。
[0121]
图6是示出根据示例实施方式的在执行过程600时实时剂量计算工作流130的示例操作的流程图。过程600可以以计算机可读指令实施以用于由一个或更多个处理器执行，使
得过程600的操作可以部分地或全部地由治疗处理逻辑120的功能部件执行；因此，下面参照其通过示例的方式描述过程600。然而，在其他实施方式中，过程600的操作中的至少一些操作可以部署在各种其他硬件配置上。因此，过程600并不旨在限于治疗处理逻辑120，并且可以全部地或部分地由任何其他部件来实现。过程600的操作中的一些操作或所有操作可以是并行的、无序的或被完全省略。
[0122]
在操作610处，治疗处理逻辑120在向患者递送放射疗法治疗分段期间以第一速率获得患者的一个或更多个图像。
[0123]
在操作620处，治疗处理逻辑120基于以第一速率获得的一个或更多个图像，以第二速率生成患者运动信息。
[0124]
在操作630处，治疗处理逻辑120在放射疗法治疗分段的递送期间以第三速率接收放射疗法治疗装置设置。
[0125]
在操作640处，治疗处理逻辑120在放射疗法治疗分段的递送期间，基于生成的患者运动信息和放射疗法治疗装置设置计算具有第一准确度水平的递送至患者的剂量。
[0126]
在操作650处，治疗处理逻辑120在放射疗法治疗分段的递送期间，使用一个或更多个先前的剂量计算确定具有与第一准确度水平相比第二较高的准确度水平的递送至患者的累积剂量的实时测量。
[0127]
如先前所讨论的，各个电子计算系统或装置可以实现如本文中所讨论的方法或功能操作中的一个或更多个。在一个或更多个实施方式中，放射疗法处理计算系统110可以被配置成、适于或用于控制或操作图像引导的辐射疗法装置202，执行或实现过程600的操作，或者执行本文所讨论的其他方法中的任何一个或更多个。在各种实施方式中，这样的电子计算系统或装置作为独立装置进行操作或者可以连接(例如，联网)至其他机器。例如，这样的计算系统或装置可以在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的能力进行操作，或者在对等式(或分布式)网络环境中作为对等机器进行操作。计算系统或装置的特征可以由个人计算机(pc)、平板pc、个人数字助理(pda)、蜂窝电话、web装置或者能够执行指定要由该机器采取的动作的指令(顺序的或以其他方式)的任何机器来实施。
[0128]
也如上所指示的，以上讨论的功能可以通过存储在机器可读介质上的指令、逻辑或其他信息来实现。尽管可能已经在各种示例中参考单个介质描述了机器可读介质，但是术语“机器可读介质”可以包括存储一个或更多个暂态或非暂态指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓冲存储器和服务器)。术语“机器可读介质”也应该被认为包括如下任何有形介质：所述任何有形介质能够存储、编码或携载用于由机器执行并且使机器执行本发明主题的方法中的任何一种或更多种方法的暂态或非暂态指令，或者所述任何有形介质能够存储、编码或携载由这样的指令利用或与这样的指令相关联的数据结构。
[0129]
以上具体实施方式包括对附图的参考，附图形成了具体实施方式的一部分。附图通过说明的方式而不是通过限制的方式示出了可以实践本发明主题的具体实施方式。这些实施方式在本文中也被称为“示例”。这样的示例可以包括除了示出的或描述的元素之外的元素。然而，本公开内容还预期了仅提供示出的或描述的那些元素的示例。此外，本公开内容还预期了使用关于特定示例(或者特定示例的一个或更多个方面)或关于在本文中示出或描述的其他示例(或者其他示例的一个或更多个方面)示出或描述的那些元素(或者那些
元素的一个或更多个方面)的任何组合或排列的示例。
[0130]
本文献中引用的所有出版物、专利和专利文献都通过引用将其全部内容并入本文中，就好像通过引用单独地并入一样。如果在本文献与通过引用并入的那些文献之间存在不一致用法，则并入的参考中的用法应当被视为对本文献的用法的补充；对于矛盾的不一致，以本文献中的用法为准。
[0131]
在本文献中，在介绍本发明主题的各个方面的元素或其实施方式中的元素时使用术语“一”、“一个”、“该”和“所述”以如在专利文献中常见的那样包括元素中的一个或多于一个或更多个，独立于“至少一个”或者“一个或更多个”的任何其他实例或用法。在本文献中，除非另有指示，否则术语“或”用于指非排他性的或者使得“a或b”包括“包括a但不包括b”、“包括b但不包括a”以及包括“a和b”。
[0132]
在所附权利要求中，术语“包含(including)”和“其中(in which)”被用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英语等同物。此外，在所附权利要求中，术语“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有”旨在是开放性的，以意指除了所列出的元素之外可能还存在附加元素，使得在权利要求中的这样的术语(例如，包括(comprising)、包含(including)、具有)之后的仍被认为落入该权利要求的范围内。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标记，并不旨在对其对象施加数值要求。
[0133]
本发明主题还涉及一种适合、被配置或被操作成用于执行本文中的操作的计算系统。该系统可以是针对所需目的而专门构建的，或者该系统可以包括通过存储在计算机中的计算机程序(例如，指令、代码等)选择性地激活或重新配置的通用计算机。除非另有说明，否则本文中示出和描述的本发明的实施方式中的操作的实施或执行的顺序不是必要的。也就是说，除非另有说明，否则可以以任何顺序执行操作，并且本发明的实施方式可以包括与本文中公开的操作相比附加或更少的操作。例如，预期到，在另外的操作之前、与另外的操作同时或在另外的操作之后实施或执行特定操作在本发明主题的方面的范围内。
[0134]
鉴于以上内容，将看到，实现了本发明主题的若干目的并且获得了其他有益的结果。已经详细地描述了本发明主题的方面，将明显的是，在不偏离如所附权利要求书中限定的本发明主题的方面的范围的情况下，修改和变化是可能的。由于在不偏离本发明主题的方面的范围的情况下可以在上述构造、产品和方法中进行各种改变，所以上述说明书中包含的以及附图中示出的所有内容旨在应被解释为说明性的而非限制意义。
[0135]
本文中描述的示例可以在各种实施方式中实现。例如，一个实施方式包括一种计算装置，该计算装置包括处理硬件(例如，处理器或其他处理电路系统)和包括在其上实施的指令的存储器硬件(例如，存储装置或易失性存储器)，使得所述指令在由处理硬件执行时使计算装置实现、执行或协调用于这些技术和系统配置的电子操作。本文讨论的另一实施方式包括一种例如可以由机器可读介质或其他存储装置实施的计算机程序产品，该计算机程序产品提供用于实现、执行或协调用于这些技术和系统配置的电子操作的暂态或非暂态指令。本文讨论的另一实施方式包括一种方法，该方法能够在计算装置的处理硬件上操作以实现、执行或协调用于这些技术和系统配置的电子操作。
[0136]
在其他实施方式中，可以在分布式或集中式计算系统中提供实现上述电子操作的各方面的逻辑、命令或者暂态或非暂态指令，该分布式或集中式计算系统包括用于计算系
统例如台式计算机或笔记本个人计算机、移动装置例如平板计算机、上网本和智能电话、客户端和服务器托管的机器实例等的任何数量的形式因素。本文中讨论的另一实施方式包括将本文中讨论的技术并入其他形式，包括并入被编程的逻辑、硬件配置或者专用的部件或模块的其他形式，其包括具有用于执行这样的技术的功能的相应装置的设备。用于实现这样的技术的功能的相应算法可以包括上述电子操作中的一些或全部的序列或者在附图和以下详细描述中所描绘的其他方面。
[0137]
以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，以上描述的示例(或示例的一个或更多个方面)可以彼此结合使用。另外，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开内容的教导。尽管本文中描述的材料的尺寸、类型以及示例参数、功能和实现方式旨在限定本发明主题的参数，但是它们绝不是限制性的实施方式，而是示例性的实施方式。在回顾以上描述之后，许多其他实施方式对本领域技术人员而言将是明显的。因此，应当参考所附权利要求以及这样的权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本发明主题的范围。
[0138]
此外，在以上具体实施方式中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开内容。这不应该被解释为意指：未要求保护的公开特征对任何权利要求都是必不可少的。而是，本发明主题可能在于少于特定公开的实施方式的所有特征。因此，所附权利要求由此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求自身独立地作为单独的实施方式。应当参考所附权利要求以及这样的权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本发明主题的范围。