[发明专利]凸逆计划方法

说明书

本发明涉及放射治疗领域。具体地，本发明涉及用于针对放射治疗系统制订治疗计划的方法。该方法包括为关注区域设置反映临床标准的若干目标，生成要被传递到这些关注区域的辐射剂量分布。提供用于基于目标对所传递的辐射进行优化的凸优化函数，并使用凸优化函数为具体治疗配置(包括用于辐射剂量分布的射束形状设置)计算剂量分布。制定治疗计划，包括基于治疗配置确定在治疗期间要被传递的辐射剂量分布，并选择满足临床标准的最佳治疗计划。

技术领域

本发明涉及放射治疗领域。具体地，本发明涉及用于对放射治疗系统中的患者的治疗环节进行计划和优化的方法和系统。

背景技术

多年来，外科技术的发展取得了很大的进步。例如，需要脑外科手术的患者可以选择进行非侵入性手术，其大大减小了对患者的创伤。

用于非侵入性手术的一种系统是Leksell GammaPerfexion系统，其通过伽马辐射提供这种手术。辐射从大量固定的放射源发出，并通过准直器(即用于获得横截面小的射束的通道或隧道)聚焦到被定义的靶标或治疗体积。每个放射源提供一定剂量的伽马辐射，其本身不足以损害介入组织。然而，组织破坏发生在来自多个辐射源的辐射束相交或会聚导致辐射达到组织破坏水平的地方。以下将会聚点称为“焦点”。

放射治疗(包括例如伽玛刀放射外科手术)中的治疗计划优化旨在，在向患者(例如，正在治疗肿瘤的患者)体内的靶标体积提供足够高的剂量的同时，使传递至邻近正常组织的剂量最小化。在治疗计划优化中，必须考虑至少三个竞争因素：向靶标体积传递足够高的剂量，留出周围的正常或健康组织，以及使治疗时间尽可能短。

治疗计划优化的过程包括对相对等中心位置或射束方向、射束形状设置(例如准直器配置)和流量进行优化。例如，在Leksell GammaPerfexion系统中，治疗计划优化可以包括对使用的发射(shot)数量、发射大小、发射时间和发射位置进行优化。靶标体积的不规则性和大小极大地影响用于对处理进行优化的相对等中心位置或射束方向、射束形状设置(例如准直器配置)和流量。

在治疗计划制订中，逆向治疗计划越来越受到关注。逆向计划通常指治疗计划制订中的寻求可交付的治疗计划以满足若干标准的阶段。逆向计划可以与正向计划形成对比，在正向计划中，操作员手动放置、权衡和改变发射的形状。逆向计划的承诺是缩短计划时间和提高计划质量。今天，逆向计划有时与正向计划紧密结合(例如，在伽玛刀随附的软件Leksell GammaPlan中)。它基于相对的等剂量，并使用放射外科手术中众所周知的指标。这有利于从正向计划到逆向计划的过渡，并且可能是广泛采用逆向计划的原因之一。基于相对等剂量的逆向计划器的缺点和目标的复杂性在于由此产生的优化问题本身难以求解。在实际情况下，它需要在计算时间和最终较差局部最优的风险之间进行折衷。这使得很难探索可以实现的权衡取舍，特别是在具有多个冲突目标的复杂情况下。例如多发转移病例，其中至少一个转移与风险器官(organ at risk)相邻。顺便说一下，在这种情况下，也可能希望指定一些必须满足的标准，这是目前的逆向计划器缺乏的能力。

在目前的用于伽玛刀放射外科的逆向治疗计划制订中，相对的等剂量是基本的关注对象。这是启发式方法，源于以下观点：在某一等剂量水平剂量下降最陡，该等剂量水平应该与靶标边界重合。顺便说一下，这对于单次发射是正确的，但是当剂量分布是来自多次发射的贡献的总和时，不一定是正确的。注意，利用陡峭的梯度预先假定位置精度高。对于等中心，决策变量是位置、准直器配置和射束开启时间。等中心位置在优化期间移动，准直器配置被视为所有可能的准直器配置的集合中的一个离散元素。在目标函数中没有明确处理风险器官，这可能是严重的局限。显然，风险器官的耐受剂量以绝对剂量给出，但在目前的计划制订模式中，绝对剂量仅在完成计划后分配。这导致优化问题非常困难，因为任何解决方法都需要大量计算或者存在返回不令人满意的局部方案的风险。

因此，需要更有效的方法来计划和优化治疗。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于对放射治疗系统中患者的治疗环节进行计划和优化的改进的方法和系统。