技术领域
背景技术
[0002] 放射治疗仪代表性地是由治疗控制计算机来控制的。装备了多叶式
准直仪(“MLC”)的治疗控制计算机可以被认为包含控制射线发生的射线控制计算机，控制MLC形状的MLC控制计算机和控制
机架位置的机架控制计算机。这些计算机可能在实际上是一个或更多的计算机，但是在本文中认为是系统的独立功能性元件。
[0003] “Mu”是“监视单元”的缩写，是用来说明放射治疗仪放射量单元的术语。一个mu等同于在定义明确的校准条件下配送给患者的单位剂量。在治疗计划计算机中模拟了mu与剂量的关系。使用者与患者
处方之间以剂量为单位来交互，而治疗计划计算机以mu为单位来制定治疗计划。治疗计划计算机的一项任务是要确定为了在患者体内达到特定的剂量而需要通过仪器配送的mu，不仅根据在患者
肿瘤位置足够高的剂量还根据在患者其他部位足够低的剂量来确定。非正式地，使用术语“
剂量率”的意思是“mu率”。
[0004] 强度调制放射疗法是很多放射疗法技术的统称术语，这些技术本质上配送给病人的放射束不同。这些不同可以是空间上的，时间的上，或者两者都有。
[0005] 已知的线性
电子加速配送技术包括下列各项。
[0006] 分段或静态多叶式准直仪-“SMLC”-是在放射过程中呈静态的多叶式准直仪(“MLC”)。这种MLC移动在放射之间从一个形状到下一个形状。在一个结构中，放射停止和MLC移动的点是由放射量测定
硬件和射线控制计算机控制的。这使得每一MLC形状有格外精确的配送剂量。另一可选择的系统使用DMLC结构来获得相同的效果。这种MLC控制计算机监视配送剂量并当它探测到它应该移动到下一个形状时阻止放射。与这种结构相关的不可避免的控制系统延迟导致不确定的每一MLC形状的剂量以及偶尔遗漏了形状。
[0007] 动态MLC-DMLC-是在放射过程中移动的带有固定机架的MLC。这种MLC按照配送剂量的函数线性移动从一个形状到下一个。这种MLC控制系统必须监视配送剂量，并且存在不可避免的延迟。在老系统上这个延迟是200-300ms，对于新近的系统大约是40-50ms。这个延迟与MLC的响应共同导致形状滞后于剂量。这在文献中有详尽报道，但普遍认为这在临床上并不是很多。
[0008] 旋转DMLC-RDMLC-其中是在放射过程中机架保持恒定转动期间MLC移动。机架以每度恒定的mu转动。这种MLC按照配送剂量的函数线性移动从一个形状到下一个。通常以绕弧一定的间隔来定义形状，但这并不是必须的。这可由大致上独立的MLC，放射和机架控制计算机实现。
[0009] 增强旋转DMLC-ERDMLC-是其中在放射过程中机架进行转动并且机架以每度变化的mu转动期间MLC移动。通过变化的机架速度或变化的剂量率(或两者都)可以实现后者。Gent大学曾分析了单独使用可变剂量率机架，认为其并不是优选选择因为它要求更长的配送时间。这种MLC以配送剂量为函数从一个形状线性移动到下一个。通常以绕弧一定的间隔来定义形状和剂量，但这并不是必须的。这种技术在MLC、放射和机架控制计算机之间要求非常高的集成度，并且到目前为止没有可用的线性电子加速器能够生产出ERDMLC。因此目前这只在理论上是可能的。
[0010] 治疗技术包括相容的治疗计划功能和线性电子加速器配送功能，以及已知的技术如下所示：
[0011] 强度调制放射治疗-IMRT-是一系列具有可用SMLC和DMLC配送的相关剂量的MLC形状。这些形状规定在有限个固定机架位置，代表性地是5到9。形状和剂量由试图达到使用者设定的目标的最优化来设定。这项治疗计划功能通常是MLC约束和配送技术特有的。
[0012] 旋转保形弧治疗-RCAT-涉及当叶与靶体积的投影动态相符的时候机架的恒定的旋转。这项技术已经在日本使用了很多年。配送技术是RDMLC并且其只使用一个弧。
[0013] 强度调制弧治疗-IMAT-涉及治疗计划功能，其中弧和叶的位置并不是根据靶体积的投影来设定而是由试图向靶和关键结构配送必需剂量分布的优化路径来设定。通常在机架
角度的不同范围内使用许多弧。优化类似于IMRT，但包含增加的
旋转机架的灵活性。IMAT可以由RDMLC配送，但这在每度恒定mu的优化上增加了的限制，结果形成了亚优化的计划。更加理想地，允许完全自由的优化和使用ERDMLC配送技术。这样配送时间格外快，复杂的计划代表性地是3分钟。表面上这项技术看起来和RCAT一样，但在如何决定MLC形状上是不同的。
[0014] 例如，在Duthoy等“Clinical implementation of intensity-modulated arc therapy(IMAT)for rectal cancer”，International Journal of Radiation Oncology，Volume 60，Issue 3，1 November 2004，pp 794-806，(Duthoy等的“直肠癌强度调制弧治疗(IMAT)临床实现”，国际放射肿瘤学报，第60卷，第三期，2004年11月1日，794-806页)中讨论到IMAT，其结尾是“We identified significant potential for improvements both at the levels of planning and delivery.The single most important technical improvement for IMAT is the implementation of a variable gantry speed(我们确认在计划和配送层次上有重大改进的潜
力。IMAT的单项最重要的技术改进是可变机架速的实现)”，也就是能够实现ERDMLC的仪器。
[0015] 优化分段-口径单弧治疗-OSAMAT-是只使用一个弧的IMAT的特殊类别。这对于一些临床指示似乎是适用的。它也可以被认为是RCAT的精化。与IMAT相似的配送技术可以是简单的RDMLC但更理想是ERDMLC。它的配送时间格外的快，代表性地是1分钟。
[0016] 弧调制优化
算法-AMOA-是三维直线医疗系统使用的技术。叶形状根据解剖设定(如同RCAT)，然后弧分成更小的大约20度的亚弧并且为了给出最佳的剂量分布优化这些亚弧每度的重量或mu(与IMAT或IMRT相似)。因此，这是一种不使用改变叶位置选项的IMAT或OSAMAT的形式。这可以非常快地进行计划和配送，特别是使用ERDMLC配送技术。
[0017] 螺旋强度调制弧治疗-HIMAT-是IMAT技术的发展，随着机架转动患者被同时纵向平移。这有效地使可治疗区域的纵向长度没有限制，并且真正地能够与
断层治疗配送方案竞争。US 5818902和WO97/13552显示了这项技术的详细资料。代表性地是MLC为固定取向而叶在患者身上移动。MLC可以具有高
分辨率叶和有限区域尺寸，同时区域尺寸可以通过使用螺旋技术来扩展。
[0018] HIMAT的配送技术可以是简单的RDMLC，因为多重旋转可以提供从一定角度增加的剂量的灵活性。其配送时间格外快，复杂的计划代表性地是3分钟。
发明内容
[0019] ERDMLC配送技术可提供一些优势，特别对于IMAT和HIMAT治疗计划。然而，在实践中还没有证明配送ERDMLC是可能的。因此在能力方面接近于ERDMLC而在技术上配送可行的配送技术将会很有价值。
[0020] 过去，全部都是给定每旋转度固定的mu，以名义上恒定的旋转速度和恒定剂量率配送弧。这就要求对治疗计划优化进行约束，降低了计划的临床品质。此外，多叶式准直仪的叶存在最大移动速度，并且因此对于给定剂量率和剂量的弧段存在可以移动的最大距离。这也是对计划的约束，限制了计划的品质。
[0021] 如果允许治疗计划计算机中的优化改变每度的mu，那么就会在放射的路径中有极少关键器官的机架角度处注入更多的剂量。例如，在治疗前列腺时，随着机架转动，膀胱和直肠进出放射的路径。完全避免放射这些器官是不可能的，同时这也不是所期望的(否则对前列腺放射剂量可能不足)但如果在控制对关键器官的剂量方面提供优化有更多的灵活性那么就能够减少不需要的剂量。
[0022] 如果能降低弧的剂量率，就可以提供计划更多的灵活性但会增加配送的时间，这是不合乎需要的。本发明的目的是去除治疗计划过程的此类约束，并且由此将计划的品质最大化，同时保持快速的配送时间。快速配送时间对于部
门效率和(在高
精度图像指导放射治疗中)防止器官在成像和放射完成之间移动，是重要的。
[0023] 根据本发明，治疗计划计算机按“控制点”的顺序说明了期望的治疗。每个“控制点”定义了机架的一个位置、在这个和下一个(或上一个)控制点之间配送的剂量、以及该控制点处MLC的形状。控制点的每个连续对定义了(介于它们之间)弧段。
[0024] 这项治疗通过在介于第n个和第n+1个控制点之间，以用于配送需要的剂量而结合的旋转速度和剂量率，移动机架从第n个控制点的位置到第n+1个控制点的位置，同
时移动MLC叶使得当机架位于第n+1个控制点处时叶处于对应那一点的正确的位置。典型地，MLC叶以确保其移动的距离始终与已配送到弧段的剂量线性相关的速率移动。然后对介于第n+1和第n+2个控制点之间的弧段重复这个过程，并且继续直到治疗结束。
[0025] 根据本发明的一个方面，一种放射治疗仪，其包括能够沿射束轴发射治疗放射束的源，被设置成用于准直所述束到期望形状的多叶式准直仪，其中所述源可绕与所述射束轴
正交并相交的旋
转轴线旋转因而绕该轴线作出弧，
[0026] 其进一步包括能够控制所述源的剂量/时间率、所述源的旋转速度和所述多叶式准直仪位置的控制部件，
[0027] 所述控制部件被设置成用于接收其中将所述弧分成多个名义上的弧段的治疗计划，所述治疗计划
指定了所述弧段的总剂量和开始及结束多叶式准直仪位置，以及用于根据对于弧段的该计划，通过计算对于所述弧段多个因素所需要的总时间、选择表示最长时间的因素、以及控制所述放射治疗仪使得所选择的因素以其相应的最大值运转而其他因素以选择的降低的速率运转以与所述最长时间相配，从而来控制所述源，所述多个因素包括：
[0028] i.多叶式准直仪叶从所述弧段开始时的指
定位置到所述弧段结束时的指定位置以最大叶速度的移动；
[0029] ii.所述源从所述弧段的开始到结束以最大源旋转速度的旋转；
[0030] iii.以每次最大剂量率的剂量的配送。
[0031] 根据本发明的另一个方面，一种治疗计划仪，用于放射治疗仪，所述放射治疗仪包括：(i)源，其能够(a)沿射束轴发射治疗放射束和(b)绕与所述射束轴正交并相交的
旋转轴线旋转，从而绕该轴线作出弧，(ii)被设置成用于准直所述射束到期望形状的多叶式准直仪，和(iii)能够控制所述源的剂量率、所述源的旋转和所述多叶式准直仪的控制部件；
[0032] 所述治疗计划仪被设置成用于将所述弧分割成多个名义上的弧段以及准备治疗计划，所述治疗计划包括适于配送第一指定剂量、并在这期间所述源旋转第一指定角度、并且所述多叶式准直仪以每度第一指定速率改
变形状的第一弧段，以及适于配送第二指定剂量并在这期间所述源旋转第二指定角度、并且所述多叶式准直仪以每度第二指定速率改变形状的第二弧段，使得至少所述第一和第二指定剂量、所述第一和第二指定角度、以及所述每度第一和第二指定速率中之一在所述第一和第二弧段之间不同。
[0033] 因而，我们提出一种放射治疗仪，其包括能够沿射束轴发射治疗放射束的源、设置成用于准直射束到期望的形状的多叶式准直仪，其中源是可绕与射束轴基本上正交并相交的旋转轴线旋转因而绕旋转轴线作出弧，进一步包括能够控制源的剂量/时间率、源旋转速度和多叶式准直仪位置的控制部件，这种控制部件设置成用于接收其中弧被分成多个名义上的弧段的治疗计划，治疗计划规定了弧段的总剂量和开始及结束MLC位置，并且用于控制源与该计划一致，该计划对于第一弧使得至少旋转速度和剂量率中的一个是恒定的并且多叶式准直仪改变形状，对于第二弧段使得至少旋转速度和剂量率中的一个是恒定的，其
水平不同于在第一弧段期间采用的恒定水平，通过以下来实现：针对多个因素来计算该弧段所需要的总时间，这些因素包括MLC叶从弧段开始时的指定位置到弧段结束时的指定位置以最大叶速度移动，源从弧段开始到结束以最大源旋转速度旋转，剂量以最大每时间剂量率配送；选择表示最长时间的因素；以及控制仪器使得所选择的因素以其相应的最大值运转而其他因素以降低的速率运转从而与最长时间相配。
[0034] 本控制部件典型地包括：治疗控制计算机和
驱动器。
[0035] 优选地，本放射治疗仪被设置成用于监视在治疗中实际配送的剂量以及源和/或MLC的实际位置，将其对照该治疗计划，并且伺服源/MLC的位置和或剂量率使得配送剂量和源位置之间的实际关系符合该治疗计划。
[0036] 同样的，优选地本放射治疗仪被设置成用于监视治疗中实际配送的剂量和患者定位控制系统的实际位置，将其对照治疗计划，并且伺服患者定位控制系统的位置和或剂量率使得配送剂量和患者定位控制系统的位置之间的实际关系符合治疗计划。
[0037] 优选地，本放射在第一弧段和第二弧段之间不被中断。
[0038] 这样，就制造出充分接近于ERDMLC的系统，实际上意味着它在大多数用途中可以当作ERDMLC系统。这使得我们能够进一步提出一种用于这种放射治疗仪的治疗计划仪，其包括(i)源，其能够(a)沿射束轴发射治疗放射束和(b)绕与射束轴基本正交并相交的旋转轴线旋转，从而绕该轴线作出弧，(ii)被设置成用于准直射束到期望的形状的多叶式准直仪，和(iii)能够控制源的剂量率、源的旋转和多叶式准直仪的控制部件，本治疗计划仪被设置成用于将弧分割成多个名义上的弧段以及准备治疗计划，其包括第一弧段适合的使得通过在配送一定数量mu的第一指定剂量的过程中源转过一定数量度数的第一指定角度并且多叶式准直仪以每度第一指定速率改变形状，并且类似地在第二弧段上适于配送第二指定剂量的过程中源转过第二指定角度并且多叶式准直仪以每度第二指定速率改变形状，使得至少第一和第二指定剂量、第一和第二指定角度、每度第一和第二指定速率、每度旋转的mu和每mm MLC叶移动的mu中之一恒定且恒定水平在第一和第二弧段之间不同。
[0039] 因为结构简单性的原因，射束轴和源的旋转轴线最好大致上相互正交。
[0040] 如同从上文中可以明显看出，我们更优选旋转速度和剂量率在弧段上都是恒定的，但是至少其中之一在第一弧段和第二弧段之间是不同的。
[0041] 一般地，我们计划第一弧段和第二弧段是连续的。可是，可能存在个别连续的弧段实际上确实具有相同旋转速度和剂量率的特殊情况。然而，在如本发明的治疗计划中存在弧段对中至少一个是不同的。
[0042] 本治疗计划仪当然包括为传送治疗计划到放射仪的一些形式的输出部件。
[0043] 本治疗计划仪可以进一步规定包括治疗中患者定位控制系统的移动的治疗计划，在某种意义上与源的移动和/或剂量配送相关联。这将(和其他因素)使得能够提供HIMAT治疗。
附图说明
[0044] 本发明的
实施例现在将通过例子和参照附图来说明，其中：
[0045] 图1是显示关于叶位置和剂量的来自治疗计划计算机的优化控制点的图；
[0046] 图2是显示随着治疗
进程关于机架位置和配送的剂量的从治疗计划计算机优化的控制点的图，并且显示采用恒定的每度mu的的近似值；
[0047] 图3显示图2中控制点在剂量率和同样的近似方面的效果；
[0048] 图4显示剂量率(实线)和旋转速度(虚线)理想的计算；
[0049] 图5显示在没有连续可变剂量率的系统中剂量率(实线)和旋转速度(虚线)实际的计算；和
[0050] 图6显示计算机之间的关系。
具体实施方式
[0051] 期望的治疗通过治疗计划计算机按“控制点”的顺序来说明。每个“控制点”定义了机架的位置、在这个和下一个(或上一个)控制点之间待被配送的剂量、和控制点处MLC的形状。控制点的每个连续对定义了(它们之间)弧段。
[0052] 控制点可以(理论上)绕整个弧有策略地间隔。然而，得到相对廉价处理能力意味着这样做的努力得不到什么收益。并且因此典型地，控制点绕弧有规律地间隔，例如每度、每几度，或每几分之一度。
[0053] 这项治疗通过在介于第n个和第n+1个控制点之间，以用于配送需要的剂量而结合的旋转速度和剂量率，移动机架从第n个控制点的位置到第n+1个控制点的位置来实施，同时以基本上恒定的速率移动MLC叶使得当机架位于第n+1个控制点处时叶处于对应那一点的正确的位置。这个过程从n＝1开始，并且然后对于介于第n+1个和第n+2个控制点之间的弧段重复，并且继续直到治疗结束。
[0054] 因而，图1和2显示用于治疗的控制点的图案。图1用图表显示当治疗进行时控制点在具体的MLC叶位置方面的详情。在治疗中，根据到目前已配送的总mu剂量监看，叶最初扩展，收缩，并且随后再次扩展。虚线显示叶的瞬时位置，假定控制仪以不变的速率在控制点之间移动叶使得在达到下一点以前叶处于期望的位置。对于(典型地)80个叶中的每一个都存在相似的图表；每一个图表一般具有超过6个控制点，例如45、90或180个控制点。
[0055] 图2显示当机架旋转时控制点在配送总剂量方面的的详情。因而，控制点在单调上升比例上。然而，在连续的控制点之间的增加量是变化的，对应于配送更多放射和更少放射的某些机架角度。后者通常对应于被关键结构模糊的靶区结构的角度。配送剂量的变化可以通过剂量率每时间或机架旋转速度或两者的变化来实现。很清楚，在位置范围之间配送的累积剂量的减少可以通过增加旋转速度或减少剂量率来实现。图2显示虚线中由需要恒定mu每度决定的近似值；这降低了灵活性并且要求较少优化的剂量分布，或要求经由MLC位置接受变化因此延长了治疗时间。
[0056] 图3显示图2根据每一机架角度的剂量率的结果。在某些机架角度，剂量率较高，表明可得到靶区结构的清晰视图。在其他机架角度，剂量率显著降低表明靶区可能被关键结构模糊了。
[0057] 因而，图1到3图解了由治疗计划计算机生成的治疗计划，解除了由先前已有仪器强加的约束。现在对于放射治疗仪的治疗控制计算机要作的是将治疗计划转换成机架移动、剂量率和MLC移动的集合。
[0058] 现在，配送每一弧段的最短时间可能由剂量或机架或MLC中任一个叶来定义。因而：
[0059] 最短剂量时间＝控制点间剂量/最大剂量率，
[0060] 最短机架时间＝机架移动距离/最大机架速度，
[0061] 最短叶时间＝叶移动距离/最大叶速度，(针对每个移动叶考虑)[0062] 弧段的最短时间于是这些最小值中最大的。这就定义了时间限制参数，可能是机架、剂量或80个叶中任一个。
[0063] 如果剂量不是时间限制参数，那么就可以选择期望的剂量率，计算如下：
[0064] 期望剂量率＝控制点剂量/最短时间
[0065] 如果剂量是时间限制参数，那么选择的剂量率当然就是最大剂量率。
[0066] 机架和叶的期望速度可以由选择的剂量率来计算如下：
[0067] 期望弧段时间＝控制点剂量/选择的剂量率
[0068] 期望机架速度＝机架移动距离/期望弧段时间
[0069] 以及对于MLC中的叶中的每个：
[0070] 期望叶速度＝叶移动距离/期望弧段时间
[0071] 图4显示剂量率和机架速度之间的选择，为了图示忽略MLC叶速度的影响。x轴是达到的每度剂量率，相当于两控制点间配送的累积剂量。实线是剂量率，而虚线是机架旋转速度。两者都具有施加了使用的特定仪器的限制的最大速率。因而，有特定的每单位旋转剂量D，这是仪器在其最大旋转速度和最大剂量率(每单位时间)下运转达到的。
[0072] 为了达到高于D的每单位旋转剂量，旋转速度必需成反比例地减小，并且这个区域内旋转速度(虚线)因此显示出1/x曲线而剂量率(实线)是不变的。为了达到低于D的每单位旋转剂量，剂量率必需如显示的成比例地减少。
[0073] 图4因此以图表的形式说明了上文的计算。
[0074] 应该注意到某些放射治疗仪实际上并不允许连续变化剂量率。而剂量率仅仅只能采用大量预设值中的一个。这种情况下，应选择小于期望剂量率的最高可获得剂量率。其他的因素于是可以按上文的方法决定。
[0075] 这在图5中说明。这与图4对应，除了图4中剂量率是线性的区域，剂量率被促使阶梯式增大到最大剂量率。通过采用一系列1/x曲线给每个阶梯的旋转
速度曲线来对这个补偿，而不是简单地补偿最大剂量率。因而，使用没有每单位时间连续可变的剂量率的仪器将导致在需要的治疗时间方面而不是剂量分布方面吃亏。
[0076] 理想地，对实际配送剂量伺服实际位置，并且因此实际速度将与期望速度稍稍不同。然而，期望速度是确保伺服系统最佳运转非常有用的参数。
[0077] 这样，就制造出充分接近于ERDMLC的系统，实际上意味着它在大多数用途中可以当作ERDMLC系统。
[0078] 图6显示系统中不同的计算机之间的关系。治疗计划计算机生成定义了治疗的治疗计划并且将其传送给治疗控制计算机。这决定了对于每一弧段哪个因素是时间限制因素并且因此能够指示MLC控制计算机、机架控制计算机、和放射控制计算机中每一个关于在弧段中它们的特定项的操作。
[0079] 实际中，决定是否每一个图示的计算机都应该作为独立实体存在或是否某些或都应该合并成单个处理器是必要的。这个决定取决于期望的计算负荷和可用的处理能力的模式。
[0080] 这样的治疗计划可以在与那些当前使用的基本上类似的放射治疗机器上实现。本发明要求的物理上的区别在于控制仪器和治疗计划仪器；实际放射头和驱动它的部件，它的MLC和其他系统可以与当前使用的一样。然而，对于该仪器存在某些对采用这种方式运转的机器的上下文中有用的改动。
[0081] 首先，放射头的卷绕系统将受益于能够移动超过360°，例如2、3或更多圈。这将允许操作者不停地处理3或更多IMAT弧，并且从下面以连续弧成像和治疗患者。
[0082] 第二，我们提出将整个机器封装在一套
外壳内，与CT或MR机器的类型相似，优选地其射膛封
锁在在内部的端部。封装移动的部件解除了发生危险碰撞的可能性并且因此使机架的速度能够相当顺利地从1RPM增加到至少2或可能到5或6，显著减少了治疗时间。增加的速度也为锥形射束图像获取提供新选项，例如图像可以在单个屏息时间内获取从而消除了呼吸运动导致的任何假象。
[0083] 最后，为了在高旋转速度下进一步减少治疗时间我们提出去除通常放置在射束路径上以提供穿过设备光阑更为均匀的放射强度的平坦滤光件。这些滤光件当然起了减少光阑中间区域的射束强度的作用，并且因此在均匀性和总剂量之间折中。反而在治疗计划中对非平或非均匀的射束特征化和补偿。这将避免与射束强度非均匀性相关的困难，因为在其他治疗参数中将做出调整，并且能够使得治疗时间的减少与获得去除平坦滤光件的放射的“恢复”可以相抵。
[0084] 可以在不偏离本发明的范围内做出上述说明的实施例的很多变化，这当然是不言自明的。
