自適應體外射束輻射治療中改進的基于表面跟蹤的運動管理與動態(tài)規(guī)劃方法
【技術領域】
[0001]本申請總體涉及體外射束輻射治療(EBRT)。本申請尤其結合基于表面跟蹤的運動管理與動態(tài)規(guī)劃應用，并且將尤其參考其進行描述。然而，要理解，本申請也適用于其他應用情境，并且不必然限于前述應用。
【背景技術】
[0002]EBRT是在跨許多星期的多個部分遞送的，但通常是基于單個靜態(tài)處置計劃來設計的。未能將部分中運動(例如呼吸運動、心臟運動等)和部分間運動(例如因累進的輻射損傷造成的腫瘤收縮)考慮在內可能導致對靶(例如腫瘤)的不完全劑量覆蓋和對周圍正常組織的損傷，周圍正常組織可能包括危及器官(OAR)。為了確保對靶的完全覆蓋，常常在靶周圍增加裕量。這些裕量常常是靜態(tài)的并且足夠大以覆蓋靶的整個運動范圍。然而，裕量可能增加對周圍正常組織的損傷，尤其是在呼吸周期的某些相位期間。腫瘤可能在部分的過程期間收縮，因此，如果處置射束未得到適當調節(jié)的話，會加重對周圍正常組織的損傷并使其變成處置射束的“熱點”。
[0003]為了解決部分中和部分間運動的問題，已提出了動態(tài)規(guī)劃靶體積(PTV)裕量和遞送門控?；谑占降膶崟r運動數(shù)據(jù)和靶運動預測模型，通過改變PTV輪廓來動態(tài)地調節(jié)PTV裕量。例如，通過改變多葉準直器(MLC)葉片在線性粒子加速器(LINAC)上的位置，來跟隨靶的路徑。遞送門控使用對在處置遞送期間捕獲的靶收集到的實時運動數(shù)據(jù)，以確定處置射束是否需要被開啟或關閉。用于量化實時運動的途徑包括無線電磁(EM)轉發(fā)器、板上成像(例如磁共振成像(MRI)和超聲(US))、身體表面跟蹤等等。身體表面跟蹤(例如，使用高速相機)便宜并且針對實時運動量化易于實施。然而，為了利用表面運動數(shù)據(jù)，需要準確了解身體表面運動與內部靶運動之間的對應關系。
[0004]先前已與來自流程前四維(4D)計算機斷層攝影(CT)圖像的解剖數(shù)據(jù)相結合提出了身體表面跟蹤，以預測靶運動模式。以此方式使用身體表面跟蹤，針對呼吸周期中的每個時相定義了外部身體形狀與內部靶形狀之間的對應關系。因此，給出在處置遞送期間的任意時刻檢測到的特定身體表面形狀，就能夠預測內部靶形狀和位置。預測的準確性依賴于呼吸在內部器官運動上的表現(xiàn)的再現(xiàn)性。預測能夠被用于實施遞送門控方案，或實時動態(tài)PTV裕量，由此周圍正常組織和OAR處于較少的輻射暴露的風險。
[0005]利用前述途徑預測靶運動模式的挑戰(zhàn)包括前述途徑不能量化在輻射過程期間發(fā)生的患者特異性的腫瘤形狀和大小改變。腫瘤收縮是輻射治療期間經常發(fā)生的，尤其是在中后部分期間。事實上，輻射治療常常被用于在外科手術去除之前使腫瘤收縮。此外，在處置期間，可能存在呼吸模式上的輕微改變，該輕微改變使外部身體形狀與內部靶形狀之間的相關性隨時間變化。配準誤差則會在處置期間累積，導致對用于處置遞送的靶運動不正確的預測。因此，基于腫瘤的原始大小和形狀設計遞送門控方案和動態(tài)處置計劃不僅效率低，而且還會導致對周圍正常組織有害的定量給藥。
[0006]本申請?zhí)峁┮环N克服了上述問題以及其他問題的新的且改進的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內容】

[0007]根據(jù)一個方面，提供了一種用于處置患者的內部靶的治療系統(tǒng)。所述治療系統(tǒng)包括至少一個處理器，所述至少一個處理器被編程為接收用于處置所述內部靶的處置計劃。所述處置計劃包括多個處置部分，所述處置部分包括基于流程前規(guī)劃圖像和流程前跟蹤數(shù)據(jù)的所述內部靶與外部身體表面之間的對應關系。所述至少一個處理器還被配置為，在所述多個處置部分中的選定的處置部分之前，接收所述靶的部分前規(guī)劃圖像，接收所述患者的所述外部身體表面的跟蹤數(shù)據(jù)，并且基于接收到的部分前規(guī)劃圖像和接收到的跟蹤數(shù)據(jù)來更新所述內部靶與所述外部身體表面之間的所述對應關系。所述至少一個處理器還被編程為將所述處置計劃和所述經更新的對應關系提供到治療遞送系統(tǒng)，所述治療遞送系統(tǒng)被配置為根據(jù)所述處置計劃并且使用所述經更新的對應關系向所述患者遞送治療。
[0008]根據(jù)另一方面，提供了一種用于處置患者的內部靶的治療方法。接收用于處置所述內部靶的處置計劃。所述處置計劃包括多個處置部分，所述處置部分包括基于流程前規(guī)劃圖像和流程前跟蹤數(shù)據(jù)的所述內部靶與外部身體表面之間的對應關系。在所述多個處置部分中的選定的處置部分之前，接收所述靶的部分前規(guī)劃圖像，接收所述患者的所述外部身體表面的跟蹤數(shù)據(jù)，并且基于接收到的部分前規(guī)劃圖像和接收到的跟蹤數(shù)據(jù)來更新所述內部靶與所述外部身體表面之間的所述對應關系。將所述處置計劃和所述經更新的對應關系提供到治療遞送系統(tǒng)，所述治療遞送系統(tǒng)被配置為根據(jù)所述處置計劃并且使用所述經更新的對應關系來向所述患者遞送治療。
[0009]根據(jù)另一方面，提供了一種用于處置患者的內部靶的治療遞送系統(tǒng)。所述治療系統(tǒng)包括被配置為生成用于處置所述內部靶的處置計劃的規(guī)劃系統(tǒng)。所述處置計劃包括多個處置部分。所述治療系統(tǒng)還包括同步模塊，所述同步模塊被配置為，在選自所述多個處置部分的一個或多個處置部分中的每個之前，更新所述內部靶的大小和形狀并針對經更新的靶大小和形狀更新所述處置計劃。所述規(guī)劃系統(tǒng)被配置為將經更新的處置計劃提供到遞送控制系統(tǒng)，所述遞送控制系統(tǒng)被配置為根據(jù)所述經更新的處置計劃向所述患者遞送治療。
[0010]—個優(yōu)點在于在預測靶運動模式時將腫瘤收縮考慮在內。
[0011]另一優(yōu)點在于對正常組織的減少的劑量，正常組織可能包括圍繞靶的危及器官(OAR) ο
[0012]另一優(yōu)點在于對靶的更為完全的劑量。
[0013]另一優(yōu)點在于對靶和OAR運動的改進的跟蹤。
[0014]另一優(yōu)點在于減小的規(guī)劃靶體積(PTV)裕量。
[0015]另一優(yōu)點在于改進的遞送門控。
[0016]本領域普通技術人員在閱讀并理解了下文的詳細描述后，將認識到本發(fā)明再另外的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017]本發(fā)明可以采取各種部件和部件的布置，及各個步驟和步驟的安排的形式。附圖僅出于圖示優(yōu)選的實施例的目的并且不應被解讀為限制本發(fā)明。
[0018]圖1圖示了將身體表面跟蹤來改進治療遞送的治療系統(tǒng)。
[0019]圖2圖示了圖1的治療系統(tǒng)的工作流的范例。
[0020]圖3圖示了圖1的治療系統(tǒng)的工作流的另一更詳細的范例。
【具體實施方式】
[0021 ] 參考圖1，治療系統(tǒng)10 (例如，體外射束輻射治療(EBRT)系統(tǒng))包括流程前成像系統(tǒng)12，流程前成像系統(tǒng)12生成患者16的靶以及患者16的圍繞靶的正常組織的流程前規(guī)劃圖像14。周圍正常組織通常包括一個或多個危及器官(OAR)，并且靶通常是待處置的病變，例如腫瘤。另外，流程前規(guī)劃圖像14能夠包括患者16的鄰近靶的外部身體表面。例如，在靶為患者16的肺部中的腫瘤時，外部身體表面是患者16的外部胸表面。
[0022]流程前規(guī)劃圖像14通常是四維(4D)的，其中，其通常包括針對多個時間點中的每個的三維(3D)圖像。這與僅包括單個時間點的3D圖像形成對比。所述多個時間點能夠，例如，對應于患者16的運動周期(例如患者的呼吸周期)的時相并且適當?shù)乜缭蕉鄠€運動周期。流程前規(guī)劃圖像14能夠使用任意成像模態(tài)來生成，但適當?shù)厥鞘褂糜嬎銠C斷層攝影(CT)、正電子發(fā)射斷層攝影(PET)、磁共振(MR)、單光子發(fā)射計算機斷層攝影(SPECT)、超聲(US)、錐形束計算機斷層攝影(CBCT)等等中的一種生成的。
[0023]治療系統(tǒng)10的流程前跟蹤系統(tǒng)18在流程前規(guī)劃圖像14的生成期間測量患者
16的外部身體表面--其能夠被包括在流程前規(guī)劃圖像14中--以生成流程前跟蹤數(shù)據(jù)
20。流程前跟蹤數(shù)據(jù)20包括在流程前規(guī)劃圖像14的時間點對患者16的外部身體表面的樣本測量(例如大小、形狀、輪廓等等)。通常，流程前跟蹤系統(tǒng)18使用一個或多個高速相機以生成流程前跟蹤數(shù)據(jù)20。然而，也預期用于生成流程前跟蹤數(shù)據(jù)20的其他途徑。
[0024]治療系統(tǒng)10的規(guī)劃系統(tǒng)22從流程前成像系統(tǒng)12接收流程前規(guī)劃圖像14 (例如4D CT圖像)，并從流程前跟蹤系統(tǒng)18接收流程前跟蹤數(shù)據(jù)20 (例如患者16的外部身體表面的4D圖像)。流程前規(guī)劃圖像14和流程前跟蹤數(shù)據(jù)18被應用到規(guī)劃系統(tǒng)22的多個模塊，包括分割模塊24、用戶接口模塊26、同步模塊28、配準模塊30、身體表面跟蹤模塊32以及優(yōu)化模塊34，以生成針對患者16的處置計劃36，以及外部身體表面與靶之間的對應關系38 ο
[0025]分割模塊24接收圖像(例如流程前規(guī)劃圖像14)并在圖像中描繪一個或多個感興趣區(qū)域(ROI)，例如靶和/SOAR。ROI通常是利用沿圖像中ROI的邊界的輪廓來描繪的。描繪能夠是自動和/或手動執(zhí)行的。對于自動描繪，能夠采用任意數(shù)目的已知分割算法。對于手動描繪，分割模塊24與用戶接口模塊26合作，以允許臨床醫(yī)師手動描繪圖像中的區(qū)域和/或手動調節(jié)對圖像中的區(qū)域的自動描繪。
[0026]用戶接口模塊26為與規(guī)劃系統(tǒng)22的用戶輸出設備40 (例如顯示器)相關聯(lián)的用戶提供了用戶接口。用戶接口能夠允許用戶進行以下中的至少一種:描繪圖像中的R0I，修改對圖像中的ROI的描繪，以及觀看