Method for planning and delivery of dynamic spherical irradiation of target in patient

Abstract

Embodiments of the present disclosure relate to the technical field of radiation treatment, and provide a method of dynamically irradiating a target in a patient from a large solid angle representing a portion of a sphere and a method for planning such dynamic radiation treatment. The method comprises: directing a beam of radiation from an external source of radiation at the target in the patient while dynamically moving the external source of radiation concentrically about a common isocenter following one or more planned paths on a sphere, so that the source of radiation can move through a plurality of different latitudinal and longitudinal angles to irradiate the target from more non-coplanar orientations, and can perform irradiation while moving, thereby improving the comprehensiveness, effectiveness and efficiency of transmitting a radiation energy to the target.

Description

METHOD FOR PLANNING AND DELIVERY OF DYNAMIC SPHERICAL IRRADIATION OF TARGET IN PATIENTTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates to the technical field of radiation treatment, and in particular, relates to a method of dynamically irradiating a target in a patient from a large solid angle occupying part of a sphere and a method for planning such dynamic radiation treatment.BACKGROUND

[0002] A radiation treatment is used to treat cancer and other conditions of patients. More than half of cancer patients receive some form of radiation therapy as part of their treatment. One commonly used form of radiation therapy is external beam radiation therapy. In external beam radiation treatment, a high energy, photon, electron or proton beam generated by a machine, such as accelerator, a gamma-ray beam emitted from isotope or charged particles generated from a particle accelerator is / are directed at a target (such as tumor or cancerous cells) in an object (such as a patient) . While the radiation kills the cancerous cells, it also harms normal tissue and organs along the path of the radiation beams. Therefore, the purpose of the radiation therapy is to deliver the required dose of radiation to the target, while minimizing the radiation dose to surrounding normal tissue that may cause complications and harm to the patient as much as possible.

[0003] To facilitate the Formula, a spherical coordinate system is established by taking an axis along height of the patient as the south-north axis. The origin is placed at the midpoint of the treated target, so that the radiation angle can be expressed by longitude and latitude. In a common radiation therapy system, the source of radiation may only move along a ring of the equator (the latitude is 0 degree) , that is, the limitation to the radiation angle only with an angle in a longitude direction and without an angle in a latitude direction restrains the treatment effect.SUMMARY

[0004] Embodiments of the present disclosure provide a method of irradiating a target in a patient from a wide solid angle with the beam dynamically moving along both longitudes and latitudes and a method for planning such dynamic radiation treatments, alleviating the limitations in the prior art that the movement of the source of radiation cannot effectively treat patients due to the lack of an angle in a latitude direction.

[0005] According to a first aspect, the present disclosure provides a method of irradiating a target in a patient. The method comprises directing a beam of radiation from an external source of radiation at the target in the patient while dynamically moving the external source of radiation concentrically about a common isocenter following one or more paths on a sphere, whereupon the beam of radiation irradiates the target in the patient.

[0006] In one embodiment, a radius of the sphere is fixed, and the origin of the sphere is at a single static isocenter location.

[0007] In one embodiment, at least one of the aperture shape of the beam of radiation, the machine dose rate, or speed of movement of the external source of radiation varies during irradiation throughout the different points of concentrical movement about the common isocenter or during maintenance of the external source of radiation at a fixed longitudinal and latitudinal angle on the sphere.

[0008] In one embodiment, the planned moving path (s) of the external source of radiation are confined within at least one region of the sphere which is a subset of a total available spherical surface provided by a treatment machine.

[0009] In one embodiment, the external source of radiation is moved concentrically about the common isocenter at varying speeds and directions.

[0010] In one embodiment, the method further comprises continuously or discontinuously moving the patient during irradiation.

[0011] According to a second aspect, embodiments of the present application provide a method of designing a dynamic radiation treatment by aiming the external beam of radiation from a spherical region at a common isocenter following at least one movement path. The method comprises i) determining at least one region of the sphere within which an external source of radiation is moved for a given treatment anatomy from a total available spherical surface, as a spherical domain with boundaries, based on at least one three-dimensional image of the patient; ii) calculating or optimizing an intensity pattern of the beam of radiation at a set of fixed angles within the boundaries of the spherical domain; iii) converting the intensity patterns obtained in ii) into overlapping apertures of different shapes and dose weights; iv) constructing a continuous path of dynamic movement of the external source of radiation that smoothly connects all the apertures of the beam of radiation obtained in iii) , as one or more planned paths of movement of the external source of radiation on the sphere; and v) converting a dynamic treatment sequence into instructions understandable by a treatment machine for executing the dynamic treatment plan, so that a dynamic treatment involving continuous rotation in both longitudes and latitudes is designed and delivered.

[0012] In one embodiment, a merit of a beam direction can be evaluated by an angular preference score.

[0013] In one embodiment, the spherical domain can be determined by evaluating an angular preference score using a coarse-to-fine angular sampling scheme.

[0014] In one embodiment, the spherical domain can be determined using deep learning from prior cases or be refined from a prior case.

[0015] In one embodiment, the intensity pattern at every beam angle within the boundaries of the spherical domain is deterministically calculated using an angular preference function.

[0016] In one embodiment, wherein the construction of the continuous path of dynamic movement of the external source of radiation considers the physical constraints and capabilities of the treatment machine, wherein physical difficulties are converted to travel distances, so that the travel salesman algorithm can be used to find a path of least distance, resulting in the easiest dynamic delivery sequence.

[0017] In one embodiment, the continuous path of dynamic movement of the external source of radiation optimized according to the above is further smoothed by: going through each grid point along an initial path; leaving one of the grid points as it is, where the one of the grid points sits on a straight line connecting a preceding angle and a succeeding angle; or moving aperture directing at one of the grid points to a neighboring angle that sits on a straight line connecting a preceding and a succeeding angle of the one of the grid points, by a distance smaller than a predetermined distance threshold, where the one of the grid points doesn't sit on the straight line.

[0018] According to a third aspect, the present disclosure provides a method of planning a dynamic radiation treatment involving moving a source of radiation within a portion of a sphere, which method first determines a region to confine the movement of the external source of radiation for a given case of treatment, the determination comprises: i) selecting a plurality of angles within the total available spherical surface by a first predetermined interval; ii) calculating an angular preference score for the selected angles in i) and eliminate angles with a score lower than a preset threshold, with the remaining angles  form the estimate of the first boundary or first boundaries if the remaining angles form more than one region; iii) extending outwards from the first boundaries in both latitude and longitude to yield a set of new angles, by a second predetermined interval smaller than the first predetermined interval; and iv) when at least one of the set of new angles has an angular preference score above the preset threshold, using the at least one of the set of new angles as a new boundary angle; or when none of the set of new angles has an angular preference score above the preset threshold, using the first boundaries as the determined boundaries of the spherical surface.

[0019] The beneficial effects brought by the technical solutions provided by the present disclosure are as follows:

[0020] the embodiments of the present disclosure can direct a beam of radiation from an external source of radiation at the target in the patient while dynamically moving the external source of radiation about a common isocenter following one or more planned paths on a sphere, so that the source of radiation can move to a plurality of different latitudinal and longitudinal angles to irradiate the target from a wide solid angle, and can perform irradiation (or radiation) while moving, thereby improving the comprehensiveness, effectiveness and efficiency of transmitting an ionizing energy to the target. According to the present disclosure, the external source of radiation is moved on the spherical region according to the plan with less damage to the normal tissues and bigger damage to the target, so that the patient can be treated effectively.

[0021] For illustrative purposes, the principles of the present invention are described by referencing various exemplary embodiments. Although certain embodiments of the invention are specifically described herein, one of ordinary skill in the art will readily recognize that the same principles are equally applicable to, and can be employed in other systems and methods. Before explaining the disclosed embodiments of the present invention in detail, it is to be understood that the invention is not limited in its application to the details of any particular embodiment shown. Additionally, the terminology used herein is for the purpose of description and not of limitation. Furthermore, although certain methods are described with reference to steps that are presented herein in a certain order, in many instances, these steps may be performed in any order as may be appreciated by one skilled in the art; the novel method is therefore not limited to the particular arrangement of steps disclosed herein.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0022] To more clearly explain the technical solutions in the embodiments of the present disclosure, the accompanying drawings that need to be used in the description of the embodiments are simply described below.

[0023] FIG. 1a and FIG. 1b are respectively schematic diagrams of mechanical structures allowing a source of radiation to rotate in a longitude direction and a latitude direction according to an embodiment of the present disclosure;

[0024] FIG. 2 is a flowchart of a method for designing a dynamic radiation treatment according to an embodiment of the present disclosure;

[0025] FIG. 3a is a schematic diagram of a path of movement before smoothing according to an embodiment of the present disclosure;

[0026] FIG. 3b is a schematic diagram of a path of movement after smoothing according to an embodiment of the present disclosure;

[0027] FIG. 4 is a schematic diagram of an arc dynamic transportation control point according to an embodiment of the present disclosure;

[0028] FIG. 5 is a flowchart of a method for planning a dynamic radiation treatment according to an embodiment of the present disclosure;

[0029] FIG. 6 is a schematic diagram of an angular preference score on treatment of liver cancer according to an embodiment of the present disclosure;

[0030] FIG. 7a to FIG. 7d are schematic diagrams of a process for determining coarse-to-fine sampling of a spherical region according to an embodiment of the present disclosure; and

[0031] FIG. 8 is a schematic diagram showing a spherical domain for a case of liver cancer in the central right lobe of the liver according to an embodiment of the present disclosure, showing beams from the left side are excluded.DETAILED DESCRIPTION

[0032] The embodiments of the present disclosure will be described below in combination with the accompanying drawings of the present disclosure. It should be understood that the following embodiments described in combination with the drawings are exemplary descriptions to explain the technical solutions of the embodiments of the present disclosure, and do not constitute a restriction to the technical solutions of the embodiments of the present disclosure.

[0033] Those skilled in the art can understand that the singular forms such as “a” , “an” and “the” used herein may also include the plural forms unless otherwise stated. It should be further understood that the terms “including” and “comprising” used in the embodiments of the present disclosure mean that corresponding features may be implemented as the presented features, information, data, steps, operations, elements and / or components, but they do not exclude to be implemented as other features, information, data, steps, operations, elements, components and / or the combinations thereof supported by the technical field. It should be understood that when referred to as being “connected” or “coupled” to another element, an element may be directly connected or coupled to another element, or may be connected to another element through an intermediate element. In addition, “connected” or “coupled” used herein may include wireless connection or wireless coupling. The term “and / or” used here refers to at least one of the items defined by the term, for example, “A and / or B” may be implemented as “A” , implemented as “B” , or implemented as “Aand B” .

[0034] To clarify the objective, technical solutions and advantages of the present disclosure, the embodiments of the present disclosure will be further described in detail below in conjunction with the accompanying drawings.

[0035] It is found through studies that before a patient is treated with radiation, a radiation treatment plan must be developed through a process called ″treatment planning, ″ which begins with simulation. During simulation, detailed imaging scans with the patient positioned similar to the treatment condition are performed to reveal the location of a patient′s tumor and the normal structures around it. These scans are usually performed using computed tomography (CT) , but they also can be performed using magnetic resonance imaging (MRI) , x-rays or ultrasound..

[0036] Common types of external-beam radiation therapy include three-dimensional conformational radiation therapy (3D-CRT) and Intensity-modulated radiation therapy (IMRT) . 3D-CRT allows the radiation beams to be shaped from a limited number of fields to conform to the beam′s eye-view of the target area. IMRT provides more freedom than 3D-CRT by allowing the intensities of the radiation beams to vary within a radiation field in addition to field shaping. The goal of IMRT is to increase the radiation dose to the areas that need it and reduce radiation exposure to specific sensitive areas of surrounding normal tissue. The treatment planning system optimizes the beam intensity distribution to achieve maximally this goal.

[0037] Compared with 3D-CRT, IMRT can reduce the risk of some side effects, such as damage to the salivary glands (which can cause dry mouth or xerostomia) , when the head and neck are treated with radiation therapy.

[0038] In tomography, the patient is translated linearly as the source of radiation is making circular movements, thereby the relative motion of the radiation beam and the patient is a helix. Because the gantry on which the linear accelerator is mounted can only rotate in a single transverse plane, such ″coplanar″ rotational IMRT methods limit the range of beam directions available to create an optimal plan. Consequently, these techniques have not been shown to create significantly better dose distributions than IMRT with fixed beams.

[0039] At present, there is a method to make the treatment delivery using the C-arm linear accelerators more efficient by combining coplanar source of radiation rotation along a circle and dynamic field-shaping. This method has been widely adopted and routinely used in the field of radiation therapy. However, in all such rotational treatments, the source rotates in a circle, around the patient. Most existing linear accelerators or teletherapy machines can rotate around one axis by the rotation of the gantry on which the source of radiation is mounted. The locus of the source of radiation forms a circle. During gantry rotation, the radiation beam is pointed at the rotational center, commonly referred to as the ″isocenter. ″ The best beam angle may not be on the circle, but at an angle outside the plane of the circle. In recognizing that sometimes the best angles are off-plane, the treatment table, on which the patient is supported, is often rotated by a small angle. Because humans are thicker laterally than in the anterior to posterior direction, and that the patients are supported typically in supine or prone positions such couch rotation would force the radiation beams to traverse even longer distances than lateral beams to reach the target site.

[0040] Studies have shown that iftens of intensity-modulated beams can be directed from non-coplanar angles, the added freedom can generate much improved radiation dose distributions. However, current techniques for delivering such treatments are inefficient, each beam takes a few minutes, making the total treatment time too long for widespread adoption.

[0041] One of the techniques for delivering intensity modulated radiation from a large number of beam angles is CyberKnife system, which employs a linear accelerator mounted on a robotic arm. It can deliver radiation from a large number of non-coplanar angles, but the practical number of beam angles is limited by the long treatment times associated with a large number of independent beams.

[0042] Meanwhile, A number of new radiation treatment systems have been proposed that could allow more natural non-coplanar beam directions. These proposed mechanical arrangements share a common feature of being able to direct beams from non-coplanar angles from a substantial portion of a sphere rather than a transverse circle without rotating the treatment couch. However, delivering tens of intensity-modulated beams through a large number of non-coplanar angles, though more natural and easier with these proposed new designs, would still be too time-consuming to be practical. None of these proposed mechanical arrangements disclosed a method to efficiently deliver a treatment that can fully utilize the added freedom of latitudinal movement or how such treatment be designed.

[0043] A method of irradiating a target in a patient and a method for planning a dynamic radiation treatment, provided by the present disclosure, aim to solve the above technical problems in the prior art.

[0044] Referring to FIG. la and FIG. lb, they show a schematic diagram of a mechanical structure allowing a source 10 of radiation to rotate in a longitude direction and a latitude  direction. A plane where the axis of a patient is located is an angle in a longitude direction, and a plane perpendicular to the axis of the patient is an angle in a latitude direction.

[0045] The present disclosure provides a method of irradiating a target in a patient. The method of irradiating the target in the patient according to the present disclosure may adopt the mechanical structure shown in FIG. la and FIG. lb. In combination with FIG. 6, the method comprises a beam of radiation from an external source 10 of radiation is directed to the target 20 in the patient while the external source 10 of radiation is dynamically moved about a common isocenter following one or more planned paths on a sphere, and the beam of radiation irradiates the target 20 in the patient.

[0046] The target 20 comprises a lesion of a tumor or cancerous cells.

[0047] According to the embodiments of the present disclosure, the beam of radiation from the external source 10 of radiation is directed to the target 20 in the patient while the external source 10 of radiation is dynamically moved about a common isocenter following one or more planned paths on a sphere, so that the source of radiation 10 moves to a plurality of different angles in the latitude direction for radiation, the target 20 can be irradiated from more three-dimensional orientations, irradiation can be performed while moving, and the comprehensiveness, effectiveness and efficiency of transmitting a radiation quantity to the target 20 can be improved. According to the present disclosure, the external source 10 of radiation is moved on the spherical region according to the plan with less damage to the normal tissues and bigger damage to the target, so that the patient can be treated effectively.

[0048] According to the embodiments of the present disclosure, it provides the radiation treatment method and the method for designing this treatment by moving the source of radiation 10 to one part of the sphere, which is not limited to rotating in a plane as in the existing radiation treatment system, but moving the source of radiation 10 on the spherical surface.

[0049] In some embodiments, a radius of the sphere is fixed, and an origin of the sphere is at a single, static isocenter location.

[0050] The beam of radiation is not turned off during the treatment, and a machine head constantly moves on one spherical surface around the origin.

[0051] In some embodiments, at least one of the shape of an aperture of the beam of radiation, the machine dose rate, or speed of movement of the external source 10 of radiation varies during irradiation throughout different points of concentrical movement about the common isocenter or during maintenance of the external source 10 of radiation at a fixed longitudinal and latitudinal angle on the sphere.

[0052] In some embodiments, the one or more planned paths of the external source of radiation are confined within at least one region of the sphere which is a subset of the total available spherical surface provided by a treatment machine.

[0053] In some embodiments, the external source 10 of radiation is moved concentrically about the common isocenter at varying speeds and directions.

[0054] In some embodiments, the method for irradiating the target in the patient further comprises continuously or discontinuously moving the patient during irradiation.

[0055] The method for irradiating the target in the patient provided by the present disclosure may be called spherical intensity modulated arc therapy, the beam of radiation always points at the origin, the shape of the aperture of the beam changes continuously, the intensity of radiation also changes continuously, and the speed of movement of the machine head also changes continuously.

[0056] The method for irradiating the target in the patient provided by the present disclosure comprises: continuously or discontinuously moving the source of radiation 10 in the surface of the sphere, whiling aiming the beam of radiation at a fixed point, the fixed  point is preferably placed in the target 20 of the patient; changing the shape and size of the aperture of the beam in the moving process of the source of radiation, while changing the radiation intensity and / or the speed of movement. The patient is placed on a supporting bed in the sphere, and the patient may be continuously or sequentially moved during radiation.

[0057] Specifically, the method for irradiating the target in the patient provided by the present disclosure is a method for irradiating the target 20 of the patient based on at least part of spherical surface region with the target 20 of an object being the center of the sphere, which is called a 4π treatment method in the present disclosure, because the complete sphere contains 4 π steradian (sr) solid angle. . The method comprises: constantly or continuously moving the source of radiation 10 on the surface of the sphere in the space, while aiming the beam of radiation at one fixed point, where the fixed point is the origin of the sphere, preferably arranged (or selected) in the target 20 of the patient; and changing the shape or size of the beam of radiation in the moving process of the source of radiation 10, while changing the radiation intensity and / or the speed of movement. The sphere is not necessarily a physical sphere, but is an imaginary sphere. The origin of the sphere is fixed, and is usually called an isocenter in the radiation treatment with the radius fixed. The patient is placed on the supporting bed in the sphere.

[0058] For the convenience of description, in the present disclosure, the angle of the virtual ring around the patient's long axis (head-to-toe) on the axial plane, in which the patient's long axis (head-to-toe) is located, is defined as longitudinal angle, and the angle of the virtual ring around the patient on the plane perpendicular to the transverse plane of the patient's waist is defined as latitudinal angle. The radiation beam always aims at a common isocenter, which is the origin of the sphere, during the movement of the source of radiation. The intensity of the beam of radiation, the shape of the aperture of the beam of radiation, or both the intensity and the shape of the aperture of the beam of radiation can be varied during irradiation throughout different points of longitudinal and / or latitudinal rotation or during maintenance of the external source of radiation at a single, static location. The method can further comprise continuously or discontinuously moving the patient during irradiation.

[0059] The existing radiation treatment machine is mainly a linear accelerator; which can't provide a 4π treatment method. It is feasible to achieve a certain degree of non-planar angle by rotating the supporting bed of the patient, but the increased non-planar beam direction is limited. Since the patient is usually at a supine or prone position, the non-planar angle increased by rotating the bed is on two sides of the patient, which is not as useful as in the front and back direction of the patient. Therefore, the 4π treatment method is not suitable for the existing treatment machine which only can rotate the source of radiation circumferentially. The 4π treatment method is invented specially for a machine that allows the source of radiation 10 to rotate in both longitude and latitude directions.

[0060] Continuously referring to FIG. 1a and FIG. 1b, they show two schematic diagrams of mechanical structures that allow the source of radiation 10 to rotate in both longitude and latitude directions, where the double-headed arrow indicated by x indicates an extending direction of a latitude or along a latitude direction, and the double-headed arrow indicated by y indicates an extending direction of a longitude or along a longitude direction. For the two given machines, the ranges of longitudinal and latitudinal movements are limited. The limited range defines the section of the sphere surface, within which the source of radiation can move and angles the beam can be directed towards the isocenter. Although the method is termed 4π arc, the actual solid angle within which the beams can be directed towards the isocenter is much less than 4π steradians. For all practical purpose, it is also not necessary to direct beams from the whole sphere to the tumor in a patient. For tumors  not located in the head, the larger the latitudinal angle from the equator, the less efficient it is in delivering the dose to the target 20, because the beam has to traverse a long distance through the normal tissues and organs. For the same reason, depending on the location of the target 20 relative to its surrounding tissues and organs, it is also unnecessary and possibly detrimental to use all the possible beam angles.

[0061] During treatment, the region of the imaginary sphere within which the source of radiation 10 moves during the treatment is referred to as the “Spherical Domain” . Although the method is referred to as 4π arc therapy, the path or trajectory of the source of radiation 10 does not follow an arc in the traditional sense. The trajectory of the source movement is a tortuous curve connecting hundreds to thousands of points, called control points, on the spherical surface. The trajectory can also cross itself at various locations numerous times. Microscopically, the section of the trajectory from one control point to the next control point is an arc. Macroscopically, the source of radiation 10 moves in a tortuous and irregular path within the spherical domain bound by a solid angle smaller than what is available.

[0062] Based on the same invention idea, referring to FIG. 2, the embodiments of the present application provide a method for designing a dynamic radiation treatment by aiming the external beam of radiation from a spherical region at a common isocenter following at least one planned path. The method comprises step S201 to step S205.

[0063] S201: at least one region of the sphere is determined as a spherical domain with boundaries from the total available spherical surface, and the external source of radiation 10 is moved in the region for treating the target 20, based on at least one three-dimensional image of the patient.

[0064] S202: an intensity pattern of the beam of radiation at a set of fixed angles within the boundaries of the spherical domain is calculated or optimized.

[0065] The embodiments of the present disclosure propose a deterministic solution for obtaining the intensity patterns and a unique aperture-based optimization method for converting the intensity patterns to aperture shapes that quickly converges to the best plan quality. The formulism for angular preference score can also be used as a measure of the preference of each beamlet. By using the deterministic directional preference score, it can quickly obtain reasonable intensity patterns for all the beams within the chosen spherical domain. Although these intensity distributions may not be the optimal ones, they are close to the optimal and sufficient for providing the initial shapes of the apertures and dose weights, which will be subject to further optimization. Therefore, the eventual optimality is achieved through optimizing the aperture shapes and their dose weights.

[0066] S203: the intensity patterns obtained in step S202 are converted into overlapping apertures of different shapes and dose weights.

[0067] In practice, many algorithms used for optimizing conventional intensity-modulated radiation therapy can be adopted for optimizing the intensity distributions at all of the selected beam angles and converting them into overlapping aperture shapes, or to optimize the aperture shapes directly. These algorithms include gradient decent, simulated annealing, and Genetic Algorithm. The optimization can also operate on different variables. Some methods optimize the beam intensities (Webb S (1994) Optimizing the planning of intensity-modulated radiotherapy. Phys Med Biol 39 (12) : 2229-2246) while others directly optimize the aperture shapes and their weightings (Shepard DM, Earl MA, Li XA, Naqvi SA, Yu CX. Direct Aperture Optimization: A Turnkey Solution for Step-and-shoot IMRT. Med. Phys. 2002 Jun; 29 (6) : 1007-18) . In general, stochastic methods are used in an iterative fashion to optimize the intensity distributions or aperture shapes and dose weights.

[0068] Optionally, the positions of a plurality of beam angles in the spherical region may be determined by the following method: within the spherical domain, a fine grid consisted  of points or beam directions (spaced at 5-10 degrees interval) are first defined. Along each of these beam directions, a beam is set with the beam boundary initialized to the beam's eye view of the planning target plus a small margin, that is, the beam is slightly larger than the target boundary projected on a plane perpendicular to the beam axis. The area within each of the initial beam boundaries is then divided into a grid of small beams or beamlets.

[0069] Because each beamlet traverses a different set of organs and tissues as well as the target 20, some beamlets delivers more dose to the tumor and less dose to the normal structures than others and thereby should have larger weightings or intensities. The optimal intensity distribution in each field can then be realized by delivering overlapping apertures of different shapes and weights.

[0070] S204: a continuous path of dynamic movement of the external source 10 of radiation that smoothly connects all the apertures of the beamlets obtained in step S203 as one or more paths of movement of the external source of radiation 10 on the sphere is constructed.

[0071] Optionally, one or more paths of movement of the external source of radiation 10 on the sphere serves as a planned path of movement, that is, a planned path.

[0072] Specifically, the candidate path is connected field shapes on the fixed grid points. and can be tortuous especially when angle contains multiple apertures. The first task is to see if the path can be further smoothed. This process is shown in FIG. 3a and FIG. 3b, showing that the movement trajectory is smoothed by re-locating the optimized aperture to an adjacent angle.

[0073] Referring to FIG. 3a, it shows a schematic diagram of the path of movement before smoothing. Referring to FIG. 3b, it shows a schematic diagram of the path of movement after smoothing. The horizontal axis indicating longitudinal angles and the vertical axis indicating the latitudinal angles. FIG. 3b is obtained by modifying the position of some of the apertures based on FIG. 3a. In the figure, the nodes of the curves represent the apertures, so that right-angled corners among any three adjacent apertures are avoided, the distance between the two vertical apertures on the rightmost side becomes smaller. Going through each angular grid point along the path, ifit sits on the straight line connecting the preceding angle and the succeeding angle, nothing needs to be done. If it does not sit on the straight line, the aperture at the given angle will be moved to a neighboring angle that sits on the straight line connecting the preceding and succeeding angles. If the movement exceeds a threshold, such as a third of the angular interval used for the optimization, only move the connecting aperture by the threshold angle towards the direction of movement.

[0074] it is found that such smoothing of the path by moving apertures to neighboring angles should not have much effect on the resulting dose distribution based on the fact that radiation delivery is insensitive to small angular errors (Kruse JJ: On the insensitivity of single field planar dosimetry to IMRT inaccuracies. Med Phys 2010, 37: 2516-2524. 10.1118 / 1.3425781) , and based on 20 years of experience of delivering intensity modulated arc treatments, where most of the radiation is delivered away from the angles used for dose calculations. However, such path smoothing will make treatment deliver much easier by further eliminating sharp turns.

[0075] During the delivery of 4π arc, the beam aperture shape varies dynamically from one angle to the next while the beam is kept on. Keeping the beam on while change beam angle and aperture shape is the key to keep the treatment time short. The field aperture during the transition from one angle to the next angle varies with time, but not necessarily following a specific equation. It may reach the next shape at any point within the moving  segment. This can result in dosimetric uncertainties when the angular interval used for optimization is large.

[0076] These transitional shapes as well as the relocation of apertures during the path smoothing process described above are not reflected in the dose distribution at the end of the optimization. To give more control over the aperture shape transition and provide a dose distribution that is more reflective of the actual delivery, it is necessary to add transitional shapes along the path and assign weights to these transitional shapes. These added apertures becomes new control points in the treatment plan and the dose distribution calculated from the new set of control points will more closely reflect the actually delivered dose distribution. Typically, only two more transition shapes need to be added for each optimized aperture, one to the incoming side of the path and one to the departing side of the path, dividing each travel segment into 3 sub-segments. The most obvious approach to obtain the transitional aperture shapes in the disclosure is through linear interpolation.

[0077] Specifically, the movement path is connected to the shape of the field on the fixed grid point. In particular, when each beam angle comprises a plurality of apertures, the path may be tortuous. A first task is to see ifthe path may be further smoothed. This process is shown in FIG. 3a and FIG. 3b, showing that the movement trajectory is smoothed by re-locating the optimized aperture to the adjacent angle.

[0078] In making such moving trajectories, it is important not to have the source of radiation 10 make stop-and-go and sharp turns because of the typical heavy weight of the source of radiation 10. It is also important that the shape of the radiation aperture is not required to make changes larger than what the multi-leaf collimator can physically make during the time of transition from one control point to the next.

[0079] When the source of radiation moves from one discrete beam angle to the next, the aperture shape also transitions from the optimized shape at one angle to that at the next angle while the beam stays on. The transitional beam apertures at the angles between each pair of discrete beam angles should be considered in the final dose calculation.

[0080] S205: the dynamic treatment sequence is converted into instructions understandable by the treatment machine for executing the dynamic treatment plan.

[0081] Therefore, a dynamic treatment method involving continuous rotation in both longitudes and latitudes is designed and provided.

[0082] The method for designing the dynamic radiation treatment provided by the present disclosure is designed in advance by using a series of algorithms according to the geometric relationship between the lesion disclosed by the three-dimensional image of the patient and the surrounding normal tissues and the severity of the toxic and side effects of the radiation on these normal tissues. The present disclosure provides how to design a spherical intensity modulated arc therapy. Such therapy may be expressed by a control language of a treatment system to be directly input into the treatment control system to control the whole process of the therapy, and also can be translated by the treatment control system into a control instruction to control the whole process of the therapy.

[0083] Specifically, according to the method for designing the dynamic radiation treatment provided by the present disclosure, it writes the dynamic delivery sequence as a set of control points. The treatment machine delivers the 4π arc plan by executing a set of control points. Radiation machines keep track of how much radiation has been emitted by measuring and counting the radiation emitted in monitor unit or MU. The MU is calibrated to represent a fixed dose in a fixed geometry. Each defined point is called a control point and the space between two successive control points is called a segment in the art of dynamic radiation delivery.

[0084] Specifically, the source of radiation 10 may always output a real-time radiation aperture, and a real-time radiation dose (MU) and a real-time speed of movement at any potion between any adjacent beam angles, in the moving process between two apertures in the moving path. An increment of the radiation dose (segment MU) at any position between any two adjacent beam angles may be obtained through calculation according to an increment of the radiation dose (segment MU) and the position of each beam angle, and the speed of movement between any two adjacent beam angles.

[0085] Referring to FIG. 4, it shows a schematic diagram of arc dynamic transmission of control points, where aperture represents aperture. Each control point defines the starting radiation dose (MU) , the beam angle, the coordinates of the patient support system of the target 20, the position of all the multi-leaf collimator leaf positions that together define the field aperture, the dose rate, the speed of movement of the radiation source in both longitude and latitude, the collimator angle, and any other variables that are involved in the treatment. During radiation treatment, the source of radiation 10 moves from one angle to the next as defined by the current control point and the next. The speed of movement is predefined by dividing the total number of MUs by the total angular movement (in degrees) of the entire dynamic delivery sequence (the path length) . Typically, MU is the only independent variable and everything else is enslaved to MU.

[0086] The starting MU of the first control point is 0 and at the last control point is the total MU of the entire treatment. The segment MU, defined as the increase of the starting MUs from the current control point to the next control point, is the number of MUs to be delivered within the segment of motion. Ifthe segment MU is large, a higher dose rate is assigned to keep the speed of movement constant and vice versa. If a segment requires a dose rate that is beyond the achievable range of the given radiation machine, then the speed of movement is varied to ensure faithful and smooth delivery of the segment MU. Because dose rate is electronically controlled, dose rate variation should always take priority.

[0087] Specifically, according to the embodiments of the present disclosure, the dynamic delivery sequence is written into a set of control points understandable by the treatment machine's control system, the dynamic delivery sequence is converted into a set of control points for efficient dynamic treatment delivery, and a dynamic treatment strategy involving continuous rotation in both longitudes and latitudes is formed.

[0088] According to the embodiments of the present disclosure, the beam of radiation from the external source of radiation 10 is directed to the target in the patient, while the source of radiation 10 is dynamically moved concentrically around a fixed point along the path of movement on the spherical region, and the shape of the aperture of the beam of radiation, the machine dose rate, and / or speed of movement of the external source of radiation vary (varies) . Furthermore, a method for controlling a radiation device according to the embodiments of the present disclosure is to use a travel salesman algorithm to connect all the apertures in all the beams of radiation into a dynamic delivery sequence by converting the physical difficulties into travel distances, so that the dynamic delivery sequence generated accordingly can be delivered by the easiest dynamic delivery sequence considering the machine's physical constraints and capabilities.

[0089] According to the embodiments of the present disclosure, the beam of radiation from the external source of radiation 10 is directed to the target in the patient, while the source of radiation 10 is dynamically moved concentrically around a fixed point along the planned path on the sphere, and the shape of the aperture of the beam of radiation, the machine dose rate and / or the speed of movement vary (varies) . According to the embodiments of the present disclosure, the dynamic field-shaping is combined with the moving the source of radiation in a part of the sphere.

[0090] In some embodiments, a merit of a beam direction can be evaluated by an angular preference score.

[0091] In some embodiments, the spherical domain can be determined by evaluating the angular preference score using a coarse-to-fine angular sampling scheme.

[0092] In some embodiments, the spherical domain can be determined using deep learning from prior cases or be refined from a prior case.

[0093] In practical application, it is unnecessary for the planning system to find the optimal spherical domain for each treatment case. Before the planning system is deployed for clinical use, the spherical domains for all common treatment sites and for each site, such as lung and liver, different target locations will be carefully optimized and stored in the database. With each new case, the spherical domain of the same site and location will be taken. If there is no perfect match, the spherical domain of the closest geometric relationship will be taken as the initial guess and only the angles neighboring the boundary will be sampled as a refinement. Each new case will then be added to the database. With time, the number of the spherical domains adapted for the various patient in the database increases, the need for refinement will gradually diminish and a perfect match will always be found.

[0094] In some embodiments, the intensity pattern at every beam angle within the boundaries of the spherical domain is deterministically calculated using the angular preference function.

[0095] In some embodiments, the construction of the continuous path of dynamic movement of the external source of radiation 10 considers the physical constraints and capabilities of the treatment machine, where the physical difficulties are converted to “travel distances” , so that the “travel salesman algorithm” can be used to find the “path of least distance” , resulting in the easiest dynamic delivery sequence.

[0096] In some embodiments, the continuous path of dynamic movement of the external source of radiation 10 optimized according to the above is further smoothed by: going through each grid point along an initial path; leaving one of the grid points as it is, where the one of the grid points sits on a straight line connecting a preceding angle and a succeeding angle; or moving an aperture directing at one of the grid points to a neighboring angle that sits on a straight line connecting a preceding angle and a succeeding angle of the one of the grid points, by a distance smaller than a predetermined distance threshold, where the one of the grid points doesn't sit on the straight line.

[0097] Optionally, distances between the angle at a grid point and the a preceding and a succeeding angle of the grid point are less than a preset distance threshold.

[0098] Specifically, it requires connecting apertures to form a continuous path of movement of the radiation source. There are nearly infinite ways to make such connections. For example, one could start from the lowest latitude, moving through all longitudinal angles before moving to the next latitude as in raster scanning. However, although simple, the longitudinal motion must stop and making a 180° turn at the boundary of the spherical domain. Because the radiation machine is typically heavy, weighing a few tons, such stop-and-go and 180° turn is undesirable. Moreover, the aperture shapes from one longitudinal point to the next may be very different, making it impossible to synchronize the motion of the source of radiation and the changing of aperture shapes. Each beam angle can also contain multiple apertures, which may also not “connected” , requiring large movements of the multi-leaf collimator to transition from one shape to the next.

[0099] Based on the above analysis, one moving path is designed for the source of radiation 10 to go through the apertures of the beam angles of all the beams of radiation with the minimum distance of travel. It first looks for a beam direction on the boundary of  the spherical domain that is most isolated, i.e., with least number of neighbors, as our starting angle. Then, all physical difficulties are assigned, such as acceleration and deceleration of the radiation source, turning angle and maximum distance of collimator leaf travel from one aperture shape to the next, as “distances” of travel. Any segmental “distance” from one angle to the next that exceeds the physical limitations of the treatment delivery machine, for example, requiring the source move more than 10 degrees or a multi-collimator leaf to move more than 2cm, will be assigned an exceptional distance to prevent the path containing such a moving segment. Ifan angle contains N apertures, this angle will be approached N times each from one of its neighboring angles. The algorithm will then provide a path of “shortest travel distance” that connects all the beam angles without containing a physically impossible segment.

[0100] If it is impossible to connect all the apertures in all the beam angles within a single moving path, the system will break the delivery into two or more paths. To make the break have minimal effect on the delivery, a “move only” segment is added where the radiation beam is paused to allow the machine to move the beam to the next angle and the aperture shape to move to the next shape.

[0101] The method for designing the dynamic radiation treatment according to the embodiments of the present disclosure is a method for planning and designing 4π treatment. The method comprises an optimization software running on a computer, commonly known as the treatment planning system. The software uses the three-dimensional or four-dimensional (the 4th dimension is time) images of the patient, which reveals the anatomical relationships of the target (or targets) 20 and its (or their) surrounding organs and tissues, to plan or design an optimal treatment that maximally irradiate the target 20 and, at the same time, minimally damage the surrounding organs and tissues.

[0102] According to the method for designing the dynamic radiation treatment provided by the embodiments of the present disclosure, all the radiation angles are connected into a curve, so that the machine head can complete the treatment by traveling along the curve once. Firstly, the time from one shape to another shape, the absolute value of the acceleration of the machine head, and all the mechanical difficulties are converted into the distance that a “traveling salesman” has to go, each radiation angle is the customer he has to stop, and then the path of the shortest distance is evaluated by the “traveling salesman” algorithm. It is protected that the movement of the machine head is not an ordered arc that is “first longitudinally and then latitudinally or first latitudinally and then longitudinally” , but an irregular movement determined by the “shortest distance” . This treatment therapy will not require the machine head to rush to the edge and then tum around immediately. Meanwhile, in order to form a single trajectory and make the treatment smoother, the overlapped radiation angles may be pushed to the adjacent angle.

[0103] The present disclosure seeks to fulfill the need of an efficient radiation treatment delivery method using these newly proposed radiation treatment machines by moving the radiation source within the optimal subsets of the available solid angle. Specifically, the present disclosure proposes the combination of dynamic field-shaping and movement of the radiation source within a portion of a sphere that causes least harm to the normal tissues while delivering the most damage to the target. During radiation treatment, the beam angle, the aperture shape and the machine dose rate may all change simultaneously, so that the entire treatment can be delivered in a single or a few dynamic sequences.

[0104] The embodiments of the present disclosure provide an algorithm of determining the optimal portions of a sphere, within which the radiation beams are most optimally directed to the target 20 based on the location of the target 20 relative to the surrounding structures. Further, the embodiments of the present disclosure provide an algorithm of  optimizing the radiation treatment allowing the source of radiation 10 to move within the optimal portion of the sphere along an optimal path. The resultant treatment plan provides one or a few (less than 5) continuous trajectories of the movement of the radiation source, the varying speed of movement at each point of the trajectory, the varying beam aperture shape at each point of the trajectory, and the varying beam intensity at each point of the trajectory. In such optimizations, the physical limitations of the machine, such as the speed of changing field shape and the speed and acceleration / deceleration of movement of the source of radiation, are taken into account so that the optimized plan can be executed accurately and smoothly.

[0105] Based on the same inventive concept, referring to FIG. 5, the present disclosure provides amethod of planning a dynamic radiation treatment involving moving the source of radiation 10 within a portion of a sphere. The method first determines one or more regions to confine the movement of the external source of radiation 10 for the given case of treatment. The method comprises: step S501 to step S504.

[0106] S501: a plurality of angles within the total available spherical surface are selected by a first predetermined interval.

[0107] Specifically, a set of feasible beam angles given by the treatment machine,  is the total available space, where θ and  are longitudinal and latitudinal angles. In general, using all possible beam angles is both unnecessary and suboptimal for a specific treatment. To determine if a specific beam angle belongs to the spherical domain, radiation beam at this angle must effectively irradiating the target while causing very small damage to the surrounding tissues. The planning system first samples the total available space either randomly or in a deterministic fashion.

[0108] S502: the angular preference score for the selected angles in step S501 is calculated and the angles with a score lower than a preset threshold are eliminated, with the remaining angles form the estimate of the first boundary or first boundaries ifthe remaining angles form more than one region.

[0109] Specifically,

[0110] For each sample beam direction, a directional preference score is evaluated as shown in Formula I:

[0111] In Formula I, P is the ratio of weighted linear energy transfers in the planning target volume (PTV) to that in all other non-target tissues / organs. Where WPTV is the weighting assigned to the target volume, and Wi is the weighting assigned to organ i that is not within the PTV. Since different organs have different importance in terms of radiation toxicity, different organs-at-risk may take different weightings. “u” is that linear attenuation coefficient which is a function of the type of tissue / structure. “l” is the traversing distance along the beam direction. Obviously, if the tumor is shaped like asausage, beam directions along the length of the tumor would get the highest Preference Score. Likewise, beam directions that must traverse long distances through normal tissues / organs before hitting the tumor will get a low Preference score.

[0112] S503: outward extension is performed from the first boundaries in both latitude and longitude to yield a set of new angles, by a second predetermined interval smaller than the first predetermined interval.

[0113] Referring to FIG. 6, it shows a schematic diagram of an angular preference score on the treatment of liver cancer. The planning target volume (PTV) is shown and the center of mass of the target 20 is indicated by “O” . To illustrate the computation of angular preference, two candidate beam angles are illustrated by two lines with an arrow at the incident side, and the first beam S 1 of radiation and the second beam S2 of radiation are respectively beams of radiation that are incident from two candidate beam angles. Essentially, the angular preference score is the ratio of the energy transferred by the beam to the PTV and to the other structures. Of the two beam angles, the first beam S 1 from patient's right posterior (left on image) is more preferable than the second beam S2 from the patient's left posterior (right on the image) because: 1) the first beam S1 is less attenuated than the second beam S2 before reaching the PTV, and 2) the ratio of length through the PTV to the length through normal organs is larger with the first beam S 1 than the second beam S2.

[0114] To quickly determine the optimal spherical domain, a coarse-to-fine sampling scheme is preferred. From the total available space,  the planning system samples a limited number of angles either deterministically or randomly. Angular preference scores are calculated for the coarsely sampled angles. A threshold that is typically ＞30%below the mean score will be used to eliminate those angles of lower score.

[0115] Referring to FIG. 7a to FIG. 7b, they are schematic diagrams of a process for determining coarse-to-fine sampling of a spherical domain. FIG. 7a shows a schematic diagram of an assumed total space of a spherical region, where -45, -30, -15, 0, 15 and 30 respectively represent a plurality of latitudes, the interval between any two adjacent latitudes is 15°, 0 represents that the latitude is 0, that is, the position where the equator in the spherical surface of the present disclosure is located, and the symbol in front of the number is mainly used to distinguish whether it belongs to south latitude or north latitude.

[0116] FIG. 7b shows a schematic diagram of an initial beam angle of an initial coarse sample, where the cross icon is the initial beam angle. FIG. 7c shows a schematic diagram of a first candidate beam angle with the angular preference score higher than a first design threshold, where the cross icon is the first candidate beam angle, -180, -165, ..., to 180 represent a plurality of longitudes of the spherical surface of the present disclosure, and the interval between any two longitudes is 15°.

[0117] FIG. 7d shows a schematic diagram of fine sampling at the first candidate beam angle located at the boundary and refining the boundary of the spherical domain, where the stellate icon is the boundary beam angle.

[0118] Assume is the total available space (Fig. 7a) . Based on the fact that the most desirable beams lie closer to the equator (0 degree in latitude) , the planning system samples the total space by every 15 degrees along the equator, every 30 degrees along ±15 degrees latitude, every 45 degrees along ±30 degrees latitude, and every 60 degrees along -45 degrees latitude. These intervals are for used to illustrate the principle of initial sampling without limiting the sampling intervals since other sampling intervals can also be used. With this sampling scheme, 62 angles are sampled as illustrated in Fig. 7b. Angular preference scores are calculated for these 62 sampling angles and the mean and threshold will be applied to eliminate angles with low scores. From the remaining angles illustrated in Fig. 7c, the angles that are at the boundary are identified. All the angles within the boundary are within the spherical domain and no fine sampling is needed. From this boundary, a much finer sample, for example, 7.5 degrees in both latitude and longitude, are extended outwards to yield a set of new finer sampling points. If any of these points have a score above the threshold, it will be used as the new  boundary point. This way, a new set of boundary points will be generated. If desirable, an even finer expansion can be used to further refine the boundary of the spherical domain. Practically, it is not necessary to be finer than a few degrees.

[0119] S504: when at least one of the set of new angles has an angular preference score above the preset threshold, the at least one of the set of new angles is used as a new boundary angle; or when none of the set of new angles has an angular preference score above the preset threshold, the first boundaries are used as the determined boundaries of the spherical surface.

[0120] The method for planning the dynamic radiation treatment provided by the present disclosure is to sample the beam angle “from coarse to fine” and determine the merit of the angle by an entropy ratio so as to finally obtain the boundaries of the spherical domain. The spherical domain may be several regions which are not connected. The present disclosure does not use the radiation angle that can be reached by the machine head, but localizes the domain first. Furthermore, the method for planning the dynamic radiation treatment provided by the present disclosure is to determine the merit of the angle by a “coarse-to-fine” radiation angle sampling method and the entropy ratio. Meanwhile, a database may be established, a comparable case is searched out of the database, and the domain of the comparable case can be directly used.

[0121] Referring to FIG. 8, it is a schematic diagram showing that a spherical domain for a case of liver cancer in the central right lobe of the liver, showing beams from the left side are excluded. FIG. 8 is the spherical domain calculated by the embodiment of the present disclosure for the liver cancer case shown in FIG. 6, and the dots represent the boundary points of the spherical domain. The beam angles are bounded within -30 degrees and 30 degrees in latitude, no more than 30 degrees from the plane perpendicular to the patient axis. Because the target 20 is in the right lobe, beams from the left, left anterior oblique and left posterior oblique are all excluded. However, beam angles within 30 degrees away from the anterior / posterior direction are judged to be useful and included in the spherical domain.

[0122] Optionally, according to the present disclosure, the positions of the plurality of beam angles in the spherical domain may be determined by the following modes: within the spherical domain, a fine grid of points or beam directions (spaced at 5-10 degrees interval) are first defined. Along each of these beam directions, a beam is set with the beam boundary initialized to the beam's eye view of the planning target plus a small margin, that is, the beam is slightly larger than the target boundary projected on a plane perpendicular to the beam axis. The area within each of the initial beam boundaries is then divided into a grid of small beams or beamlets. According to the present disclosure, the optimal intensity distribution in each field can be then realized by delivering overlapping apertures of different shapes and weights.

[0123] The present disclosure optimizes the intensity distribution of the radiation angles included in the spherical domain, and converts the intensity distribution into the overlapping apertures. Since the number of the beam angles is increased by an order of magnitude, the traditional optimization method will not be applicable. Therefore, according to the present disclosure, a “big movement” is forced by a method for making the entropy ratio directly approximate the intensity distribution and changing the height of the cross section of the intensity distribution for each iteration during optimization so as to accelerate the convergence of the optimization process.

[0124] It should be understood that although the steps in the flowcharts of the embodiments of the present disclosure, each operation step is indicated by arrows, the sequence of the steps is not limited to the sequence indicated by the arrows. Unless explicitly stated in the present disclosure, the steps in each flowchart may be performed in  other sequences according to requirements in some implementation scenarios of the embodiments of the present disclosure. Moreover, some or all steps in each flowchart are based on the actual implementation scenarios, and may include a plurality of sub-steps or a plurality of stages. Part or all of the sub-steps or stages may be performed at the same time, and each sub-step or stage of these sub-steps or stages may also be performed respectively at different times. In the scenarios of different times, the sequence of these sub-steps or stages may be flexibly configured according to requirements, which will not be limited by the embodiments of the present disclosure.

[0125] The above is only part of the embodiments of the present disclosure. It should be pointed out that for those of ordinary skill in the technical field, other similar implementation methods based on the technical ideas of the present disclosure are also within the protection scope of the embodiments of the present disclosure without deviating from the technical conception of the scheme of the present disclosure.

Claims

1.A method of irradiating a target in a patient, which method comprisesdirecting a beam of radiation from an external source of radiation at the target in the patient while dynamically moving the external source of radiation concentrically about a common isocenter following one or more planned paths on a sphere, whereupon the beam of radiation irradiates the target in the patient.2.The method of claim 1, wherein a radius of the sphere is fixed, and an origin of the sphere is at a single, static isocenter location.3.The method of claim 2, wherein at least one of a shape of an aperture of the beam of radiation, a machine dose rate, or speed of movement of the external source of radiation varies during irradiation throughout different points of concentrical movement about the common isocenter or during maintenance of the external source of radiation at a fixed longitudinal and latitudinal angle on the sphere.4.The method of claim 1, wherein the one or more planned paths of the external source of radiation are confined within at least one region of the sphere which is a subset of the total available spherical surface provided by a treatment machine.5.The method of claim 1, wherein the external source of radiation is moved concentrically about the common isocenter at varying speeds and directions.6.The method of claim 1, further comprises continuously or discontinuously moving the patient during irradiation.7.A method of designing a dynamic radiation treatment by aiming a beam of radiation from a spherical region at a common isocenter following one or more planned paths on a sphere, which method comprisesi) determining at least one region of the sphere within which an external source of radiation is moved for a given treatment anatomy from a total available spherical surface, as a spherical domain with boundaries, based on at least one three-dimensional image of the patient;ii) calculating or optimizing an intensity pattern of the beam of radiation at a set of fixed angles within the boundaries of the spherical domain;iii) converting the intensity patterns obtained in ii) into overlapping apertures of different shapes and dose weights;iv) constructing a continuous path of dynamic movement of the external source of radiation that smoothly connects all the apertures of the beam of radiation obtained in iii) , as one or more planned paths of movement of the external source of radiation on the sphere; andv) converting a dynamic treatment sequence into instructions understandable by a treatment machine for executing the dynamic treatment plan, so that a dynamic treatment involving continuous rotation in both longitudes and latitudes is designed and delivered.8.The method of claim 7, wherein a merit of a beam direction can be evaluated by an angular preference score.9.The method of claim 7, wherein the spherical domain can be determined by evaluating the angular preference score using a coarse-to-fine angular sampling scheme.10.The method of claim 7, wherein the spherical domain can be determined using deep learning from prior cases or be refined from a prior case.11.The method of claim 7, wherein the intensity pattern at every beam angle within the boundaries of the spherical domain is deterministically calculated using an angular preference function.12.The method of claim 7, wherein the construction of the continuous path of dynamic movement of the external source of radiation considers the physical constraints and capabilities of the treatment machine, wherein physical difficulties are converted to travel distances, so that the travel salesman algorithm can be used to find a path of least distance, resulting in the easiest dynamic delivery sequence.13.The method of claim 11, wherein the continuous path of dynamic movement of the external source of radiation optimized is further smoothed by:going through each grid point along an initial path;leaving one of the grid points as it is, where the one of the grid points sits on a straight line connecting a preceding angle and a succeeding angle; ormoving an aperture directing at one of the grid points to a neighboring angle that sits on a straight line connecting a preceding and a succeeding angle of the one of the grid points, by a distance smaller than a predetermined distance threshold, where the one of the grid points doesn’ t sit on the straight line.14.A method of planning a dynamic radiation treatment involving moving an external source of radiation within a portion of a sphere, which method first determines one or more regions to confine the movement of the external source of radiation for a given case of treatment, the determination comprises:i)selecting a plurality of angles within the total available spherical surface by a first predetermined interval;ii) calculating an angular preference score for the selected angles in i) and eliminating angles with a score lower than a preset threshold, with the remaining angles form the estimate of the first boundary or first boundaries if the remaining angles form more than one region;iii) extending outwards from the first boundaries in both latitude and longitude to yield a set of new angles, by a second predetermined interval smaller than the first predetermined interval; andiv) when at least one of the set of new angles has an angular preference score above the preset threshold, using the at least one of the set of new angles as a new boundary angle; or when none of the set of new angles has an angular preference score above the preset threshold, using the first boundaries as the determined boundaries of the spherical surface.

Images