CN102512762B - 移动目标的辐射治疗的系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动目标的辐射治疗。一些方面包括一种系统(100)、设备(100)、器件和方法(300，500)，用于：配置放疗射束成形装置(80)以限定治疗视野(410，610，645)，基于成像辐射束来获取处于治疗视野(410，610，645)内的患者区域(405，605)的图像，确定治疗移动模型，该模型基于所获取的图像预测治疗时段，在此期间患者区域将处于放疗射束成形装置(80)的治疗视野(410，610，645)内，以及在等于预测治疗时段的时段内将治疗辐射束输送至患者区域(405，605)。

Description

移动目标的辐射治疗的系统和装置

技术领域

本发明涉及移动目标的辐射治疗。

背景技术

下面描述的实施例通常涉及放疗（radiotherapy）治疗的输送。更特别而言，一些实施例针对移动患者区域的放疗治疗和用于输送这种治疗的系统。

描述

放疗或辐射治疗用于采用电离辐射来治疗癌症和其它疾病。传统的放疗系统生成并且引导辐射束至患者体内的目标治疗区域。辐射束通过引起细胞内的电离或其它辐射诱导细胞损伤来旨在损害或破坏目标区域内的细胞。

放疗治疗计划是旨在将输送至目标区域的辐射最大化，而将输送至健康组织的辐射最小化。就这一点而言，移动目标区域的治疗向放疗提出挑战。在一些放疗的实施例及情境中，通常遇到旨在通过辐射来治疗的移动目标。例如，立体定向辐射治疗（SBRT），其在肺癌治疗中变得越来越流行，常规地会遇到由于呼吸引起移动而导致的移动肿瘤。

移动目标的有效治疗包括检测和监视目标区域的移动，以及输送放疗射束至移动目标。大量传统技术可用于检测和监视目标移动。一些技术包括提供一种装置来监视由呼吸引起的患者外表面的起伏，而其他技术包括在患者体内提供可植入的信标装置以便在没有替代品的情况下直接监视肿瘤移动。其他一些技术包括使用X线成像。但是，用于监视目标移动的这些技术的每一个都是分离且不同于放疗治疗系统的，而且在患者内部或外部需要装置和/或系统。

一种用于解决辐射治疗输送至移动目标的传统方法包括使用围绕目标的增大余量（margin）的输送，其足够大以便考虑从标称位置的目标偏移。而所增大的余量将使得目标接收期望辐射剂量，周围健康组织或器官都处于也接收辐射的增大危险中。处理移动目标的门控治疗技术包括确定门控窗，在此期间将最小化目标移动以便输送治疗辐射。例如，只有在患者处于呼吸周期的80％呼气时，这一时段目标治疗区域的移动可能是相对静止，辐射才可被输送至目标。但是，这项技术需要计划图像（如4DCT计算机断层扫描）的获取和提供患者呼吸周期的相位指示的呼吸监视装置。用于将辐射输送至移动目标的一项提出的技术包括使用辅助装置确定目标在任何时间点的位置和形状，以及重新整形放疗系统的MLC（多叶准直仪）叶以便在任何时间点都跟随（即追踪）目标形状。但是，该技术除了放疗系统之外也需要辅助装置。

本发明的发明人已经认识到，如上所述的传统移动目标监视和治疗输送对移动目标的放疗治疗来说是效率低且存在不足的。尤其是，鉴于传统技术需要附加的、辅助的、外部和/或内部装置和过程来检测、监视以及输送辐射至移动目标，因此期望得到提供移动目标区域的治疗的其他系统

发明内容

为了解决前述问题，一些实施例提供了一种系统、方法、设备和器件，用来：配置放疗射束成形装置以限定治疗视野，基于成像辐射束在治疗视野内获取患者区域图像，确定治疗移动模型，该模型基于所获取图像预测预测治疗时段，在该时段期间患者区域将处于放疗射束成形装置的治疗视野内，以及在等于预测治疗时段的时段内将治疗辐射束输送至患者区域。

根据一些实施例，在等于患者区域处于治疗视野内的预测治疗时段的时段内，将治疗辐射束输送至患者区域。

根据一些方面，治疗视野对应于辐射治疗射束的输送的治疗区（treatmentvolume）。此外，放疗射束成形装置可被配置成延伸超过对应于用于辐射治疗射束的输送的治疗区的治疗视野。在一些方面，当放疗射束成形装置被配置成延伸超过对应于用于辐射治疗射束的输送的治疗区的治疗视野时，可基于成像辐射束来获取患者区域的图像，且该辐射治疗射束可在等于预测治疗时段的时段内被输送至患者区域，即当放疗射束成形装置被配置成对应于辐射治疗射束的输送的治疗区的治疗视野时。

各方面可包括通过将成像辐射束的脉冲群输送至成像装置并且在成像辐射束的脉冲群完成后获取成像装置的输出，从而获取患者区域的图像。

所附权利要求并非限制为所公开的实施例，然而，因为现有技术的那些可以容易地适配本文的说明书以以创建其他的实施例和应用。

附图说明

通过考虑下面附图中所示意的描述，实施例将变得容易地显而易见，其中相同的参考数字表示相同部件，且其中：

图1是根据一些实施例的治疗室的透视图；

图2是根据一些实施例的射束成形装置的图示；

图3是根据一些实施例的过程的流程图；

图4是根据一些实施例的时序图；

图5是根据一些实施例的流程图；

图6是根据一些实施例的时序图；以及

图7是根据一些实施例的成像过程的时序图。

具体实施方式

提供下面的描述以使得本领域技术人员能够作出以及使用一些实施例，并且提出发明人预期的最佳模式以便执行一些实施例。但是，对本领域的那些技术人员来说，各种修改仍旧是容易地显而易见的。

图1示意了依照一些实施例的放疗治疗室100。放疗治疗室100包括线性加速器（直线加速器）105、桌145和操作者控制台160。放疗治疗室100的各种部件可用于输送辐射束至射束对象，如患者150。根据辐射治疗计划，患者可被定位以接收射束。治疗室100的元件可在根据一些实施例的其他应用中被使用。

直线加速器105从治疗头110处生成并且发射辐射束（如x射线束）。辐射束可包括电子、光子或任何其它类型的辐射。根据一些实施例，射束展示出兆伏级范围（即>1MeV）的能量，因此可称为兆伏射束。

治疗头110耦合至机架115的发射部（projection）。机架115可控地围绕机架轴120旋转。如箭头125所示，根据一些实施例，机架115可顺时针或逆时针旋转。机架115的转动用于使治疗头110围绕轴120旋转。

在辐射发射期间（如治疗、成像、校准以及其它过程），治疗头110沿着射束轴130发射兆伏级的x线发散射束。该射束朝向直线加速器105的等角点发射。等角点可定位于射束轴130和机架轴120的交叉处。因为射束扩散以及通过治疗头110中射束成形装置的射束成形，射束可以将辐射输送至患者150的身体，而不仅仅是穿过等角点。

桌145可在辐射治疗期间以及在此所讨论的其他方面支撑患者。桌145可是可以调节的以便在等角点处协助定位患者150或患者的特定目标区域和身体。桌145还可用于支撑用于此定位、校准和/或核对的装置。

成像装置135可包括任何系统，以基于在成像装置处接收的辐射而获取图像。成像装置135可以任何方式附接至机架115，其包括可扩展和可收缩的外壳140。机架115的旋转可以使得治疗头110和成像装置135围绕等角点旋转，这样等角点在机架115的静止和旋转移动的整个期间都保持定位在治疗头110和成像装置135之间。

成像装置135可在辐射治疗之前、期间和/或之后获取投影图像。在一些实施例中，成像装置135可包括模拟或数字辐射检测器。成像装置135可用于基于从治疗头110发射的辐射而获取图像。这些图像可反映出定位在治疗头110和成像装置135之间的对象的衰减特性。这种投影图像可用于确定与成像系统相关的成像几何参数，该成像系统包括治疗头110和成像装置135。基于投影图像重建的二维投影图像和/或三维图像可用于检测、监视和记录目标区域或区（如肿瘤）位置以及目标区域或区的移动。

操作者控制台160包括输入装置165，用于从操作者处接收指令，诸如校准线性加速器105的指令和在特定时间间隔内由特定视野来配置治疗头110（如准直仪）的射束成形装置的指令。控制台160还包括输出装置170，该输出装置可包括监视器，用于呈现所获取的三维图像、线性加速器105和/或其控制元件的接口电路的操作参数。输入装置165和输出装置170耦合至处理器175和存储器180。

根据一些实施例，处理器175执行程序代码。程序代码可是可执行的以便控制线性加速器105以这里所述的各种方法和过程来操作。程序代码可存储在存储器180中，其包括一个或多个相同或不同类型的存储介质，包括但并不局限于硬盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、光盘、磁带、固态存储装置、闪存盘和信号。存储器180可存储例如初始成像几何参数、辐射治疗计划、投影图像、校准线性加速器105和/或提供辐射治疗的软件应用，以及用于执行辐射治疗的其它数据。

操作者控制台160可与线性加速器105分开定位，诸如在不同的房间，以便保护其操作者不受辐射照射。例如，线性加速器105可定位在重度屏蔽房间，诸如混凝土拱顶，其屏蔽了操作者免受由加速器105生成的辐射的照射。

图1所示的每个装置可包括比那些所示的更少或更多的元件，且不局限于图1所示的装置。

图2示意了根据一些实施例的治疗头110。治疗头110包括射束成形装置、准直仪80，其可以用于对辐射束成形以便使其与治疗计划指定的孔径一致。准直仪80包括一对钳夹（jaw）（Y钳夹）82和84以及一对钳夹（X钳夹）86和88。X钳夹86和88以及Y钳夹82和84的定位确定了开口（即视野）的尺寸和形状，辐射束可沿着轴130穿过该开口。

每对钳夹86/88和82/84围绕轴130是可旋转的。如图2中所示，X钳夹86和88可由大量单独元件形成。这些单独元件可沿着路径交叉轴130是可移动的。每个元件的移动可以单独控制的以便生成各种的孔径形状。

治疗头110还包括辅助托盘90。辅助托盘90可被配置成容纳和牢固持有在治疗计划和治疗过程中使用的附件（诸如刻线、楔等等）。根据一些实施例，治疗头110是可旋转的以便围绕轴130旋转准直仪80和辅助托盘90，从而在X钳夹86和88，Y钳夹82和84，以及辅助托盘90之间保持物理关系。

图3是根据一些实施例的过程300的流程图。过程300以及在此所述的其它过程可通过使用硬件、软件或手动装置的任何合适组合来执行。体现这些过程的软件可以存储在任何介质中，该介质包括硬盘、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、Zip^TM盘、磁带、固态存储装置或信号。下面将参照放疗治疗室100的元件来对这些过程的实例进行描述，但实施例并不局限于此。

在一些实施例中，在S305之前，操作者可以与操作者控制台160的输入装置165交互作用以便发起线性加速器105的操作，来执行放疗治疗计划。响应于使用者的交互作用，处理器175执行存储在存储器180中的系统控制应用的程序代码或指令。操作者还可操作输入装置165以发起患者150的患者区域（如肿瘤）的辐射，包括移动患者区域。根据治疗计划，发起的一些方面可包括以一定位置和角度来定位患者150、机架115和成像装置135从而进行治疗。

在S305，患者、机架和成像装置处于一定位置和角度进行治疗，线性加速器105的放疗射束成形装置被配置成限定视野。由放疗射束成形装置限定的视野限制了患者区域，该区域在成像或治疗辐射束发射期间将暴露于辐射中。在一些方面，视野根据治疗计划来成形并且对应于要接收治疗辐射的患者的治疗区。在一些实施例中，视野可大于患者区域轮廓达预定误差限度。在实例中，视野对应于治疗区，其包括预定误差限度，视野还可以在此被称为治疗视野。

在S310，获取视野内目标患者区域的图像。图像的获取可包括调整或以其它方式调谐由线性加速器105的治疗头110发射的辐射束至适于成像的一定能量和剂量率。在一些实施例中，兆伏级（MV）射束用于成像。在一些方面，可以获取患者区域的MV影片图像，用于监视视野内患者区域的移动，但实施例并不局限于此。

在S315，过程300基于所获取的图像来确定治疗移动模型。治疗移动模型可基于数学建模技术，该技术预测治疗时段或时间间隔，在此期间患者区域将处于放疗射束成形装置的视野内。

在S320，在等于预测时段的时段内将治疗辐射束输送至患者区域。这样，治疗辐射将在治疗区域处于视野内的时间间隔内将被输送至患者区域。通过连续监视视野内患者区域的移动以及必要时动态调整预测时段，可确保预测时段的准确度。操作S320可包括将治疗辐射束调整至治疗计划所规定的能量和剂量率。在一些方面，治疗辐射束的能量和剂量率可至少部分基于预测时段来调整，该预测时段基于移动患者区域所获取的图像来确定。

在一些实施例中，过程300（其包括操作S310、S315和S320）可以重复直到用于患者区域的所规定的剂量被输送至患者区域。当输送所规定的剂量至患者区域时，根据治疗计划，机架115可前进至下一个治疗角度，其中过程300可以重复以便进一步监视和输送放疗治疗至患者区域。

图4根据一些实施例，提供了用于监视和输送放疗治疗至移动患者区域的时序图。在一些实施例中，图4的时序图可涉及过程300。时序图400示意了由呼吸引起的患者区域、肿瘤405的移动。时序图包括相对于视野410的患者区域405的移动的图示，该视野是由射束成形装置80的特定配置来限定的。如图所示，围绕患者区域405的视野410中包括误差限度，即使当患者区域正好处于视野内。根据治疗计划，视野可对应于治疗区。在图4的实施例中，根据治疗计划，视野410对应于治疗区，并且在此可被称为治疗视野。

时序图400还包括如由呼吸信号420表示的患者呼吸周期的图示。呼吸信号420源自基于成像辐射束获取的MV影片图像。相应地，在此的一些实施例中，不需要辅助的外部或内部装置或系统来检测和监视患者区域405的移动。

如图4所示，当呼吸周期在80％呼气（即线430）和100呼气（即线435）之间时，患者区域405正好处于治疗视野410内。在该时段期间，可以看出患者区域405相对静止并且正好处于治疗视野410内。对于呼吸周期的其它部分，直到100％的吸气（即线425），患者区域405至少部分移动出治疗视野410。根据一些实施例，位于80％呼气和100％呼气之间的时段可对应预测治疗时段。

根据一些实施例，时序图400还包括线440，其表示成像辐射束的输送时序。根据一些实施例，线445表示治疗辐射束的输送时序。如图所示，成像辐射束和治疗辐射束以交错或交替方式来输送。这样，可以由相同的治疗头110来产生并发射成像辐射束和治疗辐射束。

图5是根据一些实施例的过程500的流程图。在一些实施例中，在S505之前，操作者可与操作者控制台160的输入装置165交互作用以便发起线性加速器105的操作，来执行放疗治疗计划。响应于使用者的交互作用，处理器175可执行存储在存储器180中的系统控制应用的程序代码或指令。操作者还可操作输入装置165以便发起患者150的患者区域（如肿瘤）的辐射，包括移动患者区域。根据治疗计划，发起的一些方面可包括以一定位置和角度来定位患者150、机架115和成像装置135从而用于治疗。

根据一些实施例，将结合图6对图5进行讨论，图6提供了一种用于监视和输送放疗治疗至移动患者区域的时序图。在一些实施例中，图6的时序图可涉及过程500，但并不局限于这些实施例。

在S505，患者、机架和成像装置处于一定位置和角度进行治疗，线性加速器105的放疗射束成形装置被配置成延伸超过治疗视野。如上所提及的，治疗视野对应患者的治疗区，该区将接收治疗辐射，其在一些实例中包括误差限度。

操作S505在时序图600中进行了示意，其中针对射束成形装置的各种配置，射束成形装置615所示为延伸超过治疗视野610。例如，在图6中，射束成形装置80所示为延伸超过治疗视野610，例如位于射束成形配置650和655。

过程500在S510处继续，其中基于输送至成像装置135的成像辐射束来获取视野645内的患者区域605的图像。图像的获取包括将由线性加速器105的治疗头110发射的辐射调整或以其它方式调谐至适于成像的能量和剂量率。在一些实施例中，获取患者区域的MV影片图像，用于监视处于视野645内的患者区域的移动，但是实施例并不局限于此。

如图6中线635指示的，当射束成形装置80延伸超过治疗视野610时，由治疗头110来输送成像辐射，用于对视野645成像。还示出了，在等于配置射束成形装置615来实现成像目的所需的时间的时段T _i 内，并没有输送成像辐射。

在S515，过程500基于所获取的图像来确定治疗移动模型。治疗移动模型可基于数学建模技术，该技术预测治疗时段或时间间隔，在此期间患者区域将处于放疗射束成形装置的视野内。在一些实施例中，治疗移动模型预测治疗时期，在此期间患者区域605处于对应治疗视野610的视野内。

在操作S520，通过基于输送至成像装置135的成像辐射束而进一步获取图像，图像获取和分析将继续。连续图像获取可在进一步监视患者区域605的移动和改进治疗移动模型的过程中是有用的。

根据治疗计划，在S525，射束成形装置80被配置成限定对应于治疗区的治疗视野。参照图6，射束成形装置615被配置成在610处限定治疗视野。如图所示，在患者的呼吸周期620处于80％的呼气（即线630）和100％呼气（即线635）之间时，患者区域605在其期间将处于视野610内的时段可出现。在此时段期间，可以看出患者区域605相对静止并且正好处于治疗视野610内。对于呼吸周期的其它部分，直到100％吸气（即线625），患者区域605至少部分移动出视野610和645。根据一些实施例，位于80％呼气和100％呼气之间的时段对应于预测治疗时间。

参照图5，过程500继续到S530，其中在等于预测时段的时段内辐射束输送至患者区域605。在一些实施例中，在患者区域预测将处于治疗视野610内的时间间隔内，治疗辐射在将被输送至患者区域。操作S530可包括将治疗辐射束调整至如治疗计划所规定的能量和剂量率。在一些方面，治疗辐射束的能量和剂量率可至少部分基于预测时段而得到调整，该预测时段是基于所获取的移动治疗区域的图像而确定的。

图6还示意了当患者区域处于治疗视野610内达治疗移动模型预测的时段时，治疗辐射输送至患者区域605。如线645所示，当射束成形装置80被配置成治疗视野610时，治疗辐射由治疗头110输送至患者区域605。时序图600还示出了，在等于配置射束成型装置615来实现治疗目的所需的时间的时段T _t 内，并没有输送成像辐射。

在一些实施例中，过程500可以重复直到输送用于患者区域的所规定的剂量。当将所规定剂量的辐射输送至患者区域605时，根据治疗计划，机架115可前进至下一个治疗角度，其中过程500可以重复以便进一步监视和输送放疗治疗至患者区域。

在一些实施例中，在此所讨论的MV影片图像可以通过将合适的肿瘤监视能量和剂量率的成像辐射束施加给以连续空转模式操作的成像装置135来获取。但是，由MV成像辐射束的发射和以空转模式操作的成像装置135的内部空转频率引起的干扰可导致成像伪影。

在一些实施例中，这里的MV影片图像可以通过同步成像装置135的曝光和其读出而获取。更特别而言，成像装置135暴露在短脉冲群的MV成像辐射中，当MV成像辐射的脉冲群完成时，可触发或激活成像装置135来提供成像装置的输出。曝光和读出成像装置135的输出的过程可快速重复发生。同步曝光和读出率可至少部分取决于产生图像所需要的曝光时间（即每幅图像所需要的剂量）和获取成像装置135输出所需要的时间。这样，因为成像装置的同时曝光和获取成像装置输出，而可由干扰已经引起的成像伪影可以避免。

图7是涉及同步的成像辐射的输出和来自成像装置135的图像的读出的时序图。如图所示，由治疗头110以短脉冲群时间（即线705）来发射成像辐射，在完成成像辐射的脉冲群时，成像装置135被触发，以读出成像装置（即线705）。在一些实施例中，成像辐射发射和面板读出的同步序列可快速重复（即连续地）发生。在一些实施例中，面板读出耗时大约67毫秒。

在此所述的多个实施例仅是为了说明的目的。因此，本领域技术人员应该认识到，通过该说明书，可以用各种修改和改变来实践其它实施例。

Claims (17)

1.一种移动目标的辐射治疗的系统，包括：

处于一定位置和角度以用于治疗的机架；

发射装置，耦合至机架来发射成像辐射束和治疗辐射束；

放疗射束成形装置，用以限定治疗视野；

成像装置，耦合至机架以便基于成像辐射束来检测处于治疗视野内的患者区域的图像；以及

处理器，用于：

确定治疗移动模型，该模型基于由成像装置使用成像辐射束检测的图像来预测预测治疗时段，在该预测治疗时段期间患者区域将处于放疗射束成形装置的治疗视野内；以及

使得发射装置在等于预测治疗时段的时段内将治疗辐射束输送至患者区域。

2.如权利要求1所述的系统，还包括所述处理器用于：

使得发射装置发射成像辐射束以用于对处于治疗视野内的患者区域进行成像。

3.如权利要求1所述的系统，其中在等于患者区域处于治疗视野内的预测治疗时段的时段内，将治疗辐射束输送至患者区域。

4.如权利要求1所述的系统，还包括所述处理器用于：

确定患者区域何时处于治疗视野内。

5.如权利要求1所述的系统，其中治疗视野对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区。

6.如权利要求5所述的系统，其中放疗射束成形装置被配置成延伸超过对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区的治疗视野。

7.如权利要求6所述的系统，其中：

当放疗射束成形装置被配置成延伸超过对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区的治疗视野时，将由成像装置基于成像辐射束来检测患者区域的图像；以及

在等于放疗射束成形装置被配置成对应于治疗辐射束的输送的治疗区的预测治疗时段的时段内，将治疗辐射束输送至患者区域。

8.如权利要求1所述的系统，其中：

发射装置发射成像辐射束的有限脉冲群至成像装置；以及

成像装置在成像辐射束的有限脉冲群的发射完成时，基于成像辐射束的有限脉冲群来提供输出。

9.一种移动目标的辐射治疗的装置，包括：

针对处于一定位置和角度以用于治疗的并且使耦合于其的发射装置发射成像辐射束和治疗辐射束的机架，配置放疗射束成形装置来限定治疗视野的装置；

基于成像辐射束获取处于治疗视野内的患者区域的图像的装置；

确定治疗移动模型的装置，该模型基于获取的图像来预测预测治疗时段，在该预测治疗时段期间患者区域将处于放疗射束成形装置的治疗视野内；以及

在等于预测治疗时段的时段内将治疗辐射束输送至患者区域的装置。

10.如权利要求9所述的装置，还包括生成成像辐射束以便对所述治疗视野内的患者区域进行成像的装置。

11.如权利要求9所述的装置，其中在等于患者区域处于治疗视野内的预测治疗时段的时段内，将治疗辐射束输送至患者区域。

12.如权利要求9所述的装置，还包括：

确定患者区域处于治疗视野内的装置。

13.如权利要求9所述的装置，其中所述患者区域至少部分在所述治疗视野内移动。

14.如权利要求9所述的装置，其中治疗视野对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区。

15.如权利要求14所述的装置，还包括：

将放疗射束成形装置配置成延伸超过对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区的治疗视野的装置。

16.如权利要求15所述的装置，其中：

当放疗射束成形装置延伸超过对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区的治疗视野时，患者区域的图像将基于成像辐射束来获取；以及

在等于预测治疗时段的时段内即当放疗射束成形装置被配置成治疗视野对应于用于治疗辐射束的输送的治疗区时，将治疗辐射束输送至患者区域。

17.如权利要求9所述的装置，其中获取患者区域的图像包括：

输送成像辐射束的脉冲群至成像装置；以及

在完成成像辐射束的脉冲群时，获取成像装置的输出。