[发明专利]使用多准则最佳化和渐进最佳化方案的VMAT治疗计划

说明书

可使用计算机实现的方法和系统来促进用于向患者提供放射疗法的VMAT治疗计划的生成。从种子计划开始，可经由对所述种子计划进行的一组并行最佳化操作来生成替代计划的库，每一替代计划都具有一组治疗目标的相关结果。提供了图形用户界面，经由所述图形用户界面，用户可以在由所述替代计划限定的治疗空间内导航以鉴别满意的结果。基于所述满意的结果和选自所述替代计划的候选计划，可以使用另一最佳化操作生成可递送的VMAT治疗计划。

背景技术

本公开总体上涉及用于放射疗法的治疗计划，并且更具体地涉及使用多准则最佳化和渐进最佳化方案来开发用于容积调强弧形疗法(VMAT)的治疗计划的治疗计划系统和方法。

一般来说，放射疗法由使用电离放射治疗活组织(通常是肿瘤)组成。许多不同类型的电离放射用于放射疗法，包括高能x射线、电子束和质子束。向患者施用放射疗法的过程在不同类型的放射之间可以类似。典型地，使用外部射束放射治疗系统。此类系统提供在射束源处产生所需类型的射束的直线加速器，以及包括多叶准直器(MLC)在内的准直器以使从射束源发出的射束成形。射束递送系统(包括射束源和准直器)通常安装在可移动的台架上，该台架可以围绕放置患者的治疗诊察台移动，从而允许从相对于患者不同的角度递送放射束。

这种系统用于各种治疗选择。一种选择是调强放射疗法(IMRT)，其中将射束源定位在所需的角度，并且调节MLC以控制由不同组织接收的剂量。在治疗会话期间，可以对射束源和/或MLC进行重新定位，从而允许从不同的角度递送放射。在IMRT中，当递送放射时，射束源保持静止。另一种治疗选择是容积调强弧形疗法(VMAT)，其中射束源在递送放射时围绕患者横穿成弧。在IMRT与VMAT中，首要目标是将治疗有效剂量的放射(典型地高剂量和均匀剂量)递送到患者体内的靶标体积(典型地肿瘤)，同时使递送到周围组织(特别是可能位于靶标体积附近的健康器官)的剂量减到最小。

有效的放射疗法需要治疗计划来确定将会最佳地实现所述首要目标的机器参数。在IMRT的情况下，治疗计划可以指定机器参数，例如射束源和准直器的位置(包括MLC叶片设置)、射束强度(例如，剂量率)和暴露持续时间(也称为“射束开启时间”)；该计划可以包括多个控制点，每一控制点由一组机器参数定义。在VMAT的情况下，治疗计划可以指定与IMRT中相同的所有机器参数，加上定义待横穿的弧的额外参数，以及在某些情况下使弧横穿的速度。在治疗期间，治疗计划可用于控制放射疗法系统的操作，并且根据治疗计划操作放射疗法系统使得向患者递送所需的剂量分布。

治疗计划通常是经由如下的“逆向”问题来进行：确定机器参数的最佳组合—例如射束强度、射束成形、射束方向、暴露持续时间—以将所需的总放射剂量递送到靶标体积(或多个靶标体积)，同时将递送到附近器官(有时称为“风险器官”或“OAR”)的剂量降到最低。考虑到自由度众多，逆向问题通常不适合解析解决方案。

在IMRT的情况下，已经开发出了交互式工具以帮助找到逆向问题的解决方案。传统上，此类工具被设计成通过使目标函数值降到最低来找到单一最佳解决方案。为了针对IMRT最佳化问题用公式表示目标函数，首先将所需的结果定义为多维空间中的向量。定义替代解决方案的组(其可以是无穷组)，其中每一替代解决方案都有相关的替代结果(也定义为多维空间中的向量)。成本函数被定义以量化任何给定的替代结果与所需结果之间的距离(在多维空间中)。可以使用欧几里德(Euclidean)或其它距离度量，并且可以在成本函数中为结果向量的不同分量分配不同的权重。可以通过找到使成本函数降到最低的替代解决方案来鉴别最佳解决方案。

为了将基于成本函数的最佳化方法应用于放射疗法治疗计划，结果向量可以定义为剂量分布，该剂量分布包括针对至少一个靶标体积和一定数量的非靶标体积的剂量，对于所述非靶标体积，低剂量是最佳的并且没有剂量是理想的但通常是不可实现的。如何对不同的目标进行加权尚不清楚，并且因此可合意地允许用户探索不同加权的效应，该程序有时称为多准则最佳化。