用于生物治疗规划和决策支持的系统和方法与流程
本发明的各实施例一般涉及放射疗法治疗领域。更具体地，本发明的各实施例涉及用于放射疗法治疗的计算机实现治疗规划方法和系统。
背景技术
基于生物参数的放射疗法治疗规划在本领域中被称为生物规划。放射疗法治疗和生物规划的一个目标是使供应给目标肿瘤的剂量最大，同时使周围(正常)组织所吸收的剂量最小。关于肿瘤控制和正常组织毒性的治疗转归不仅取决于诸如剂量之类的物理参数，而且还取决于在治疗时可能已知或未知的多种生物参数。
放射疗法治疗规划通常涉及从体外实验中提取数据，其中细胞系被照射，并且细胞存活曲线用于定义不同细胞类型的α-β比例。肿瘤控制概率(TCP)和正常组织并发症概率(NTCP)的概率模型得以创建，并且用于临床决策。然而，TCP/NTCP模型的临床相关性尚不确定，社区对模型的准确性及其预测值的信心水平较低。而且，尚不清楚可能需要哪些生物学输入才能实现有效的生物规划并支持以特定方式治疗特定患者的决策。
目前，在治疗规划和决策制定中涵盖生物参数尚未被集成到治疗规划系统中。治疗计划通常仅基于物理剂量并且以3D显示。将治疗计划与转归相关联的任何相关生物学知识都不会被评估或会与计划质量剂量度量指标分开实现。例如，大多数诊所仅使用剂量测定的终点目标作为生物学影响的代理，诸如“不超过x的最大脊髓剂量”。
为了使用生物信息来指导使用当前技术的治疗决策，必须从治疗规划系统中提取物理记录参数，诸如剂量，并且必须为处于评估中的每个研究参数在内部单独地构建转归建模。这导致针对研究开发了几种辐射疗法的生物模型，但没有一个在临床上被接受用于实际治疗规划。而且，剂量通常使用彩色洗涤图进行可视化；然而，目前没有内置显示方法以类似方式可视化用户定义的生物学输入功能。
对于临床研究和临床试验，很少有工具可以允许研究人员测试将输入(4D物理测量的数量/“已知”的数量)与输出(例如，生物学可观察量，诸如毒性、在3D计算机断层扫描(CT)上观察的细胞损伤、甚至患者报告的转归)相关的生物模型。附加地，很少有工具允许用户以合理方式针对放射疗法对输入进行编译。一个常见问题是用户不知道将哪个治疗计划应用于注册(registry)，因为随着时间的推移可能会调整并修改不同版本的治疗计划。例如，一个治疗计划(包括3D剂量分布)可以表示在给定患者解剖结构上的特定射束布置和/或射束参数的情况下，在获取模拟CT时的剂量如何沉积的快照。因此，治疗计划和剂量测定终点通常作为输入而为注册服务，但这种输入带来了很大程度的不确定性。
在许多情况下，辐射可以以亚毫米精度被递送到肿瘤，同时大部分保留正常组织，最终导致杀死肿瘤细胞。然而，肿瘤细胞的避开辐射的细胞杀死效应和/或产生耐受机制的能力可以抵消放射疗法的肿瘤细胞杀死作用，这可能限制放射疗法治疗癌症的疗法效果。更进一步地，正常组织毒性的潜在性可能会影响辐射疗法作为治疗范例的疗法窗口。递送超高剂量辐射被认为使正常组织免受辐射引起的毒性的影响，从而增大疗法窗口。然而，通过将超高剂量辐射与靶向药物组合或使用生物标志物进行患者分层，可以进一步扩大疗法窗口。
技术实现要素：
本发明的各实施例提供用于放射疗法治疗规划的集成解决方案，其使得能够准确记录并累积物理参数作为输入(例如，剂量、剂量率、每体素的照射时间等)。评估用户定义的函数以使输入参数与4D生物转归相关。所得生物参数可以在计算机显示器上可视化为生物转归图，以评估决策，支持决策，并且优化关于放射疗法治疗计划参数的决策，例如，用于支持临床试验和相关临床研究。将生物信息纳入治疗规划系统实现了能够使用超高剂量辐射的生物优化治疗。生物参数可以逐个体素地包含在治疗规划中，并且结果可以显示为生物图。
根据一个实施例，公开了一种用于放射疗法治疗规划的计算机实现方法。该方法包括：接收物理输入参数；评估治疗假设以确定物理输入参数与生物转归之间的关系；使用基于该关系的输入函数来生成生物转归图；在显示设备上显示生物转归图以可视化关系；以及基于生物转归图中所描绘的关系来优化放射疗法治疗计划。
根据一些实施例，输入函数表示生物模型。
根据一些实施例，优化放射疗法治疗计划包括：使递送到正常组织的剂量最小。
根据一些实施例，计算机实现方法包括：通过分析治疗后图像来确定生物转归。
根据一些实施例，优化放射治疗计划包括：优化放射疗法治疗计划的物理剂量和生物剂量；并且该方法还包括：向物理剂量和生物剂量指派优先级水平。
根据一些实施例，显示生物转归图包括：将生物转归图叠加在3D剂量图之上。
根据一些实施例，生物转归图包括3D图像。
根据一些实施例，生物转归图包括随时间而发生变化的4D图像。
根据一些实施例，接收物理输入参数包括：将物理输入参数累积为4D物理测量。
根据一些实施例，物理输入参数与体素相关联。
根据一些实施例，物理输入参数包括剂量和剂量率中的至少一者。
根据一些实施例，物理输入参数包括辐照时间和射束重叠中的至少一者。
根据一些实施例，生物转归包括毒性水平。
根据一些实施方案，生物转归包括全身生物标志物和遗传生物标志物中的至少一者。
根据另一实施例，公开了一种用于放射疗法治疗规划的系统。该系统包括显示器、存储器、以及与存储器通信的处理器，该处理器执行用于执行放射疗法治疗规划方法的指令。该方法包括：接收物理输入参数；评估治疗假设以确定物理输入参数与生物转归之间的关系；使用基于该关系的输入函数来生成生物转归图；在计算机控制的显示设备上显示生物转归图以可视化关系；以及基于生物转归图中所描绘的关系来优化放射疗法治疗计划。
根据另一实施例，公开了一种非暂态计算机可读存储介质，包含指令，这些指令由处理器执行以使得处理器执行放射疗法治疗规划方法。该方法包括：接收物理输入参数；评估治疗假设以确定物理输入参数与生物转归之间的关系；使用基于该关系的输入函数生成生物转归图；在计算机控制的显示设备上显示生物转归图以可视化关系；以及基于生物转归图中所描绘的关系来优化放射疗法治疗计划。
附图说明
并入本说明书中并且形成其一部分的附图图示了本公开的实施例并且与描述一起用于解释本公开的原理，其中相同数字描绘相同元件。
图1是示例性物理参数输入图以及依据根据本发明的实施例所描绘的用户定义的函数或模型生成的所得生物转归图的图。
图2是描绘了根据本发明的实施例的用于基于物理输入参数和生物模型来执行生物规划的计算机实现步骤的示例性序列的流程图。
图3是描绘了可以在其上实现本发明的实施例的示例性计算机系统的框图。
具体实施方式
现在，详细参考几个实施例。虽然结合备选实施例对主题进行了描述，但是应当理解，它们并不旨在将所要求保护的主题限制于这些实施例。反之，所要求保护的主题旨在涵盖备选方案、修改和等同物，其可以包括在由所附权利要求限定的所要求保护的主题的精神和范围之内。
更进一步地，在以下具体实施方式中，对许多具体细节进行了阐述，以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员应当认识到，在没有这些具体细节或其等同物的情况下，可以实践实施例。在其他实例中，尚未对众所周知的方法、程序、部件和电路进行详细描述，以免不必要地模糊主题的各个方面和特征。
一些实施例可以在由一个或多个计算机或其他设备执行的计算机可执行指令(诸如程序模块)的一般上下文中描述。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。通常，程序模块的功能可以根据需要在各个实施例中组合或分布。
以下具体实施方式的各部分就方法的方面来呈现和讨论。尽管在下文描述该方法的操作的附图(例如，图2)中公开了其步骤和排序，但是这些步骤和排序是示例性的。实施例非常适于执行本文中的附图的流程图中所列举的步骤的变体或各种其他步骤，并且以与本文中描绘和描述的顺序不同的顺序来进行。
具体实施方式的一些部分就程序、步骤、逻辑块、处理和可以在计算机存储器上执行的数据位操作的其他符号表示的方面来呈现。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地向本领域的其他技术人员传达他们工作的实质的手段。程序、计算机执行步骤、逻辑块、过程等在本文中通常被认为是导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操作的步骤。通常，尽管不一定，但是这些数量采用能够在计算机系统中存储、传送、组合、比较和以其他方式操作的电信号或磁信号的形式。有时，主要是出于常用的原因，将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字等已被证明是方便的。
然而，应当记住，所有这些和类似术语要将与适当物理量相关联，并且仅仅是应用于这些数量的方便标签。除非从以下讨论中清楚地另有说明，否则应当领会，自始至终，利用诸如“访问”、“显示”、“写入”、“包括”、“存储”、“传输”、“遍历”、“确定”、“标识”、“观察”、“调整”等之类的术语的讨论是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，其在计算机系统的寄存器和存储器内操纵表示为物理(电子)量的数据并且将其变换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储器、传输或显示设备内的物理量的其他数据。
用于生物治疗规划和决策支持的系统和方法
本发明的各实施例提供用于放射治疗计划的集成解决方案，其使得能够准确记录和累积物理参数作为输入(例如，剂量、剂量率、每体素的照射时间等)。评估基于生物模型的用户定义的函数，以将输入参数与生物规划的生物转归相关。生物参数可以在计算机屏幕上可视化为生物转归图，以评估决策，提供决策支持，并且优化关于放射疗法治疗计划参数的决策，例如，用于支持临床试验和相关临床研究。本发明的实施例可以通过基于物理输入参数(诸如升高的生物标志物)确定应当将患者组指派到试验的哪个分支并且通过跟踪该患者组随着时间的转归结果以评估临床研究假设，来为临床试验提供决策支持。
放射生物当量(RBE)剂量是一种度量，它把从实验得出的生物参数考虑在内，并且通过特定因子修改剂量。然后，经修改的剂量成为RBE剂量，并且用于治疗规划和优化。本发明的各实施例有利地使得能够基于剂量如何受到除剂量测定之外的生物因素影响，来生成治疗计划。而且，除了用于临床研究和假设评估的剂量之外，本发明的各实施例还可以用作用于评估各种终点的研究工具。根据一些实施例，软件工具由计算机系统执行，该计算机系统将已知物理参数(诸如剂量、每体素辐射时间)作为输入，并且允许用户使用计算机系统测试临床研究假设。例如，用户可以使用软件工具将体素已经被照射的时间与体素中的毒性相关，并且结果可以作为4D生物转归图显示在计算机屏幕上。
本发明的各实施例可以使用计算机系统自动评估治疗后图像，其中根据假设模型或生物模型来向3D物理参数图的体素指派毒性分数。此后，可以通过在计算机系统的显示设备上渲染图像或视频来可视化和/或量化诸如照射时间和毒性之类的输入与输出之间的关系(例如，相关性)。例如，除了传统剂量图之外，该关系还可以用于定义用于生成3D图的函数或模型，以基于相关度量(例如，照射时间)来可视化该关系并且协助治疗规划和优化。根据一些实施例，输入与输出之间的关系被可视化为包括随时间而发生改变的3D图像的4D视频图。评估时间分量以生成随时间而发生的事件的4D视频图，并且在计算机系统的显示设备上渲染4D视频。
根据一些实施例，用于治疗计划的生物参数被使用治疗规划工具在每个体素的基础上进行定义，并且生物转归图根据函数或模型生成，并且显示给用户。以这种方式生成的肿瘤控制概率(TCP)规划和正常组织并发症概率(NTCP)规划可能包括与集成系统中的治疗规划相关的任何用户定义的生物参数，并且度量以3D或4D渲染以跟踪计划适应并且累积实际递送剂量。这样，用户可以使用计算机实现治疗规划工具自动可视化并量化由研究假设产生的关系和/或相关性，并且支持治疗规划和优化决策。
而且，本文中所公开的治疗规划工具可以跟踪或接收在模拟阶段计算的已知3D剂量并且覆盖或以其他方式可视化生物模型以基于所计算的剂量来执行生物评估。该工具可以同时优化物理剂量和生物剂量，并且确定指派给生物剂量或物理剂量的优先级。这样，计算机实现工具可以在治疗规划评估阶段评估生物模型，并且将生物因素纳入计划优化过程。例如，生物规划可以建立在物理剂量优化之上，以可视化输入与输出之间的关系。
根据一些实施例，辐射治疗与免疫调节剂进行组合以提高放射功效(局部和全身)以及免疫调节剂的功效。辐射-免疫调节剂的组合方案可能需要基于免疫调节剂作用机制、分级图案和原发肿瘤位置，来向肿瘤递送超高剂量辐射、了解最佳剂量和顺序，以最终实现最佳响应。更进一步地，超高剂量辐射可以促进免疫细胞渗透到肿瘤核心深处，从而将免疫沙漠转化为具有免疫活性的肿瘤，因此潜在提高免疫调节方案的功效。例如，辐射诱导的肿瘤细胞死亡导致来自溶解细胞的肿瘤抗原释放，增加抗原递呈细胞上的MHC-1表达，并且增强肿瘤内T细胞群体的多样性。这些因素(尤其地)是引起人体自身免疫系统的激活以根除癌细胞的关键。正在探索免疫调节剂以激活人体自身的免疫系统，但已知其作为单一疗法具有局限性(例如，患者的响应率)。因此，本发明的实施例可以结合例如检查点抑制剂、共刺激剂、广谱免疫调节剂和趋化因子抑制剂以及巨噬细胞迁移抑制剂。
关于图1，根据本发明的实施例描绘了示例性物理参数输入图101以及根据用户定义的函数或模型102(例如，临床假设)生成的所得生物转归图103的图形100。这样的图可以作为计算机存储器中存储的数据来实现，并且通过计算机在显示器或打印机上渲染以进行可视化。与典型研究假设试验相比较，本发明的实施例使得能够以更准确的方式累积输入数据，在典型研究假设试验中，用户必须首先从组织多肽特异性抗原(TPS)中提取物理参数并且在不同的环境中构建定制代码以测试研究假设，用于标识重要相关性，并且将数据输入回到TPS。输入数据101可以包括但不限于3D输入数据，诸如例如，来自基于锥形射束计算机断层扫描(CBCT)的每日剂量计算的剂量累积、来自计划适应的剂量累积、每体素累积的照射时间、每体素累积剂量率、以及每体素射束重叠。基于体素的治疗规划可以基于物理参数(例如，剂量、剂量率、照射时间)的3D体素记录与基于3D体素的输出的相关性来执行。非3D的输入数据(诸如肿瘤大小、患者报告的转归、存活、局部控制、生物标志物、患者病史和人口统计信息、先前放射疗法治疗数据、与疾病表现相关联的细胞/生物时间尺度、癌症位置、以及细胞生命周期(例如，放射敏感性))也可以包括在输入数据101中。输入数据101可以由用户手动输入，或由计算机系统根据辐射疗法系统所跟踪的治疗计划或物理指标自动输入。
用户定义的函数或模型102用于基于物理参数输入与基于每个体素的生物转归之间的关系(例如，相关性)来生成生物转归图。例如，用户定义的函数102可以基于表示照射时间与毒性(例如，毒性随时间与照射时间相关的增加)之间的关系的生物模型、与较低毒性相关的较高剂量率、以及与全局放射敏感性增加相关的较高水平的生物标志物。而且，与传统技术相比较，本发明的实施例使得能够更准确地存储输出数据103。例如，随着时间的推移，毒性可以与基于计算机断层扫描(CT)/磁共振成像(MRI)/正电子放射断层扫描(PET)的每个体素的细胞损伤和肿瘤响应一起存储。有利的是，本发明的实施例使得能够基于用户定义的函数102的生物模型来将准确输入101与准确输出103相关。用户定义的函数102可以例如基于毒性、全身生物标志物或遗传生物标志物、放射灵敏度、成像信息(解剖、功能、分子)和闪光效应。
关于图2，根据本发明的实施例描绘了用于实现过程200的计算机实现步骤的示例性序列，该过程用于基于物理输入参数和生物模型来执行生物规划。这些步骤可以实现为存储在存储器中并且由计算机处理器执行的程序代码。在步骤201处，所记录的物理参数被接收作为输入。例如，物理参数可以包括所记录的剂量、剂量率、照射时间和/或射束重叠，并且物理参数可以与治疗图的体素相关联。根据一些实施例，步骤201包括随时间的记录/累积物理输入参数，诸如剂量累积、每体素累积的照射时间和/或每体素累积剂量率。输入数据可以由用户手动输入，或由计算机系统根据放射治疗系统所跟踪的治疗计划或物理度量指标自动输入。
在步骤202处，对假设(例如，临床研究假设)进行测试，以使输入参数与生物参数或转归相关。例如，步骤202可以包括：使体素的照射时间与体素的毒性水平(转归)相关。根据一些实施例，通过评估治疗后图像或其他数据来确定生物转归。例如，本领域已知的放射学技术可以用于自动将治疗后图像与生物转归值相关联以评估假设或模型。
在步骤203处，生物转归图基于表示生物模型的输入函数而被生成，以为治疗图的每个体素指派值(例如，毒性得分)。在步骤204处，生物转归图显示在显示设备上以可视化输入参数与生物参数或转归之间的关系(例如，相关性)。例如，生物转归图可以叠加在3D剂量图之上以可视化生物转归图与3D剂量图之间的关系和差异。根据一些实施例，在步骤204处，包括时间分量以生成随时间而发生的事件的4D视频图。在步骤205处，基于生物转归图中所描绘的相关性来优化治疗规划过程。根据一些实施例，优化放射疗法治疗计划包括：优化或调整放射疗法治疗计划的物理剂量和生物剂量。而且，一些实施例还基于生物转归图向物理剂量和生物剂量指派优先级水平。
示例性计算机系统
本发明的各实施例涉及用于通过可视化和量化由测试假设产生的相关性，来规划并优化放射疗法治疗计划的计算机系统。以下讨论描述了这样的示例性计算机系统。
在图3的示例中，示例性计算机系统312包括用于运行软件应用(例如，工作负载管理应用)和可选的操作系统的中央处理单元(CPU)501。随机存取存储器302和只读存储器303存储供CPU 301使用的应用和数据。数据存储设备304为应用和数据提供非易失性存储并且可以包括固定磁盘驱动器、可移除磁盘驱动器、闪存设备和CD-ROM、DVD-ROM或其他光学存储设备。可选的用户输入306和307包括将来自一个或多个用户的输入传达到计算机系统312的设备(例如，鼠标、操纵杆、相机、触摸屏和/或麦克风)。
通信或网络接口308允许计算机系统312经由电子通信网络与其他计算机系统、网络或设备通信，该电子通信网络包括有线通信和/或无线通信并且包括内联网或互连网。显示设备310可以是能够响应于来自计算机系统312的信号而显示视觉信息的任何设备并且可以包括例如平板触敏显示器。包括CPU 301、存储器302/303、数据存储装置304、用户输入设备306和图形子系统305在内的计算机系统312的部件可以经由一个或多个数据总线300耦合。
在图3的实施例中，图形子系统305是可选的并且可以与数据总线和计算机系统312的部件耦合。图形系统305可以包括物理图形处理单元(GPU)和图形/视频存储器。GPU可能包括一个或多个光栅器、变换引擎和几何引擎，并且从渲染命令生成像素数据以创建输出图像。物理GPU可以被配置为多个虚拟GPU，这些虚拟GPU可以由并行执行的若干个应用或进程并行(例如，并发)使用，或可以同时使用多个物理GPU。图形子系统305可以将显示数据输出到显示设备310，例如，以可视化以3D渲染的测试假设的生物转归与如上文所讨论的3D剂量图之间的相关性和/或差异。
因此，对本发明的实施例进行了描述。虽然已经在特定实施例中对本发明进行了描述，但是应当领会，本发明不应被解释为受这些实施例的限制，而是根据所附权利要求来解释。