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

背景技術(shù)：

1、放射治療(或“放療”)可用于治療哺乳動物(如人和動物)組織中的癌癥或其他疾病。一種此類放療技術(shù)是使用伽馬刀提供的，通過伽馬刀，用大量低強度伽馬射線輻照患者，這些低強度伽馬射線在靶(例如，腫瘤)處以高強度和高精確度會聚。另一種此類放療技術(shù)是使用直線加速器(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盡量減少對周圍健康組織(通常稱為風險器官(oar))的損傷。

2、在放療中，通常通過解決平衡各種沖突目標的最優(yōu)化問題來制定治療計劃，沖突目標包括例如靶腫瘤的高劑量、保護健康組織和其他治療復雜性。因此，最優(yōu)化問題是一個多標準優(yōu)化(mco)問題。競爭目標的數(shù)量通常從幾個到大約10個不等，取決于腫瘤位置。通常，使用加權(quán)和來組合不同標準，其中每個權(quán)重確定該標準的相對重要性。對于凸最優(yōu)化問題，優(yōu)化試圖確定一組帕雷托最優(yōu)放療計劃的精確近似值。在這種背景下，帕雷托最優(yōu)計劃指的是其中任何一項標準的改善都不會導致另一項標準的惡化的放療計劃。

3、尋找可接受的權(quán)重以制定帕雷托最優(yōu)放療計劃通常是一個手動且繁瑣的試錯過程，尤其是因為評估參數(shù)的單一選擇需要求解放射治療的完整最優(yōu)化問題。為單個計劃解決完整最優(yōu)化問題可能需要幾秒至一小時(具體取決于其應用)來計算和評估參數(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)計劃，也可能需要大量時間和精力來確定、選擇和完善最適合實施的計劃。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、提供了用于評估和優(yōu)化放射治療計劃的各種實施例、方法、系統(tǒng)和計算機可讀介質(zhì)，評估和優(yōu)化放射治療計劃包括探索或引導解決放射治療問題(例如，可經(jīng)由特定參數(shù)化標準調(diào)節(jié)且使用優(yōu)化方法求解的放射治療問題)的結(jié)果。該技術(shù)可用于評估已產(chǎn)生多個可能解的優(yōu)化方法的結(jié)果。然后，此類評估可用于識別特定參數(shù)選擇或?qū)е聺M意放射治療計劃的參數(shù)的組合。

2、如本文所述，放射治療問題可表示為多標準最優(yōu)化(mco)問題，其中參數(shù)對應于臨床偏好。針對這種放射治療問題生成的多個解可以構(gòu)成多個帕雷托最優(yōu)計劃。本文中使用的帕雷托最優(yōu)計劃是指經(jīng)過優(yōu)化的計劃，使得在改善任何一個標準的同時，都不會使另一個標準惡化。所有帕雷托最優(yōu)計劃的集合構(gòu)成帕雷托表面(也稱為帕雷托邊界)。

3、下面提供了一種用于放射治療計劃優(yōu)化的擴展的方法，該方法使用一種專門技術(shù)來導航mco問題的解的帕雷托面。在一個示例中，可以利用權(quán)重空間維度較低的子流形從帕累托最優(yōu)初始點開始探索帕累托面(帕累托面是路徑連接的)。然后可以基于一階最優(yōu)性條件的導數(shù)來估計mco問題的解。

4、在各種示例中，用于該放射治療計劃的操作可包括用于以下步驟的過程：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題的多個解，探索多個解以識別子流形空間中的附加解，以及基于附加解生成治療計劃參數(shù)，其中提供治療計劃參數(shù)用于在治療計劃中經(jīng)由放射治療機遞送放射治療。放射治療問題是多標準最優(yōu)化問題，且所述多個解中的每一者具有用于調(diào)節(jié)多標準最優(yōu)化問題的多個標準的多個權(quán)重。

5、在一個示例中，基于以下來識別附加解并探索所述多個解；(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權(quán)重更少的維度表示多個解；基于放射治療問題的一階最優(yōu)性條件的導數(shù)，在子流形空間中產(chǎn)生附加權(quán)重集，相對于所述多個權(quán)重確定這樣的導數(shù)；和(c)在子流形空間中執(zhí)行導航以得到附加解，該附加解對應于其中一個附加權(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)行導航。同樣，在一個示例中，一維路徑的導航可以從帕雷托最優(yōu)初始點開始執(zhí)行，因為導航簡化為通過求解基于方向?qū)?shù)的常微分方程來尋找一維路徑。

6、在另一個示例中，附加解的識別求解了邊界值問題，為一維路徑的導航提供初始點和最終點，因為該導航在初始點和最終點之間進行插值。同樣在另一個示例中，附加解的識別解決了初始值問題，為一維路徑的導航提供初始點，因為該導航操作至滿足預定停止條件。該預定停止條件可以是以下中的至少一者：時間、距離或臨床指標的最大可接受劣化(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，同時將第二臨床指標的劣化最小化，由此來確定劣化。

7、在另一些示例中，子流形空間中的附加權(quán)重集對應于放射治療問題的最優(yōu)性條件的水平集。同樣在另一些示例中，導數(shù)是通過自動微分提供的。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，可以通過將約束作為項包括在目標函數(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題轉(zhuǎn)換為無約束問題。

8、在另一些示例中，放射治療問題的多個標準對應于臨床偏好。例如，所述多個標準的參數(shù)可能涉及用于從放射治療機接收放射治療的特定解剖區(qū)域。同樣，所述多個標準可包括一個或更多個處于危險區(qū)域的器官和一個或更多個靶區(qū)域的限定。

9、在另一些示例中，可以生成針對潛在解、附加解或放射治療問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劃的功能的圖形用戶界面提供的顯示，以及在圖形用戶界面中的信息顯示，該信息顯示提供了與附加解相關(guān)聯(lián)的信息。此圖形用戶界面或其他用戶界面還可以接收用戶或自動選擇的附加解。在更進一步的示例中，選擇的附加解為識別用于治療計劃的最終解提供了熱啟動，并在從最終解生成治療計劃數(shù)據(jù)之前，會接收對所選附加解的一個或多個附加優(yōu)化。

10、放射治療的治療計劃參數(shù)包括與放射治療機的能力對應的治療遞送參數(shù)的集合。在一個示例中，治療計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機，及用于用伽馬刀遞送放射治療的準直器序列。作為另一示例，治療計劃用于(例如，使用直線加速器放射治療機)向放射治療提供容積弧形調(diào)強治療(vmat)或調(diào)強放射治療(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：用于一個或更多個弧形的弧形控制點的集合、注量場(fluence?field)、機架速度和沿所述一個或更多個弧形的劑量率。

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

12、以上
技術(shù)實現(xiàn)要素：
旨在提供本專利申請的主題概述。本公開并不旨在對發(fā)明主題提供排他性或窮盡的解釋。本公開包含具體實施方式以提供關(guān)于本專利申請的進一步信息。

技術(shù)特征：

1.一種用于放射治療計劃的計算機實施的方法，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)初始點開始執(zhí)行所述一維路徑的所述導航，且其中所述導航簡化為通過求解基于定向?qū)?shù)的常微分方程來找到所述一維路徑。

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

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

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

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述預定停止條件是臨床指標的最大可接受劣化，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)行所述導航，其中所述slam方法識別對第一臨床指標的改善，同時將第二臨床指標的劣化最小化。

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)重集對應于所述放射治療問題的所述最優(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，所述導數(shù)是通過自動微分提供的。

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，通過將約束作為項包括在目標函數(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題轉(zhuǎn)換為無約束問題。

13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述放射治療問題的所述多個標準對應于臨床偏好，且其中所述多個標準中的至少一個標準涉及用于從所述放射治療機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題的所述多個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以識別用于所述治療計劃的解，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劃參數(shù)包括與所述放射治療機的能力對應的治療遞送參數(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機，及用于遞送所述放射治療的準直器序列。

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

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

23.一種包括用于放射治療計劃的計算機可讀指令的非瞬時性計算機可讀存儲介質(zhì)，其中當所述指令被計算機器執(zhí)行時，使所述計算機器執(zhí)行權(quán)利要求1至22中任一項所述的方法。

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

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

26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的計算系統(tǒng)，其中，從帕雷托最優(yōu)初始點開始執(zhí)行所述一維路徑的所述導航，且其中所述導航簡化為通過求解基于定向?qū)?shù)的常微分方程來找到所述一維路徑。

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

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

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

30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的計算系統(tǒng)，其中，所述預定停止條件是臨床指標的最大可接受劣化，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)行所述導航，其中所述slam方法識別對第一臨床指標的改善，同時將第二臨床指標的劣化最小化。

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

32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計算系統(tǒng)，其中，所述導數(shù)是通過自動微分提供的。

33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計算系統(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所述的計算系統(tǒng)，其中，通過將約束作為項包括在目標函數(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題轉(zhuǎn)換為無約束問題。

36.根據(jù)權(quán)利要求24所述的計算系統(tǒng)，其中，所述放射治療問題的所述多個標準對應于臨床偏好，且其中所述多個標準中的至少一個標準涉及用于從所述放射治療機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所述的計算系統(tǒng)，其中，所述一個或更多個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所述的計算系統(tǒng)，其中，所述一個或更多個處理器被配置為執(zhí)行以下操作：

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

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

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

42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的計算系統(tǒng)，其中，所述治療計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機，及用于遞送所述放射治療的準直器序列。

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

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

技術(shù)總結(jié)
公開了用于探索和調(diào)整放射治療計劃的系統(tǒng)和方法。用于放射治療計劃的示例性操作包括：獲取放射治療問題的多個解(例如，帕雷托最優(yōu)解)，探索多個解以識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劃參數(shù)，用于在放射治療中使用。在一個示例中，探索多個解包括：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解；基于放射治療問題的一階最優(yōu)性條件的導數(shù)，在子流形空間中產(chǎn)生附加權(quán)重集，導數(shù)是相對于權(quán)重確定的；和在子流形空間中導航以得到附加解，該附加解對應于附加權(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
受保護的技術(shù)使用者：醫(yī)科達醫(yī)療器械有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2