CN102728006A - 用于辐照规划的方法和辐照规划装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于粒子治疗辐照流程的辐照规划的方法，其中沿着多个在射线方向上先后布置的等能量层(13，15，17，18)来施加剂量，包括以下步骤：规定待辐照的目标体积(11)，确定最近侧的等能量层(13)关于待辐照的目标体积(11)的第一位置，在使用第一位置的条件下确定在该最近侧的等能量层(13)的远侧的至少另一个等能量层(17，18)关于待辐照的目标体积(11)的第二位置。此外，本发明还涉及一种相应的辐照规划装置。

Description

用于辐照规划的方法和辐照规划装置

技术领域

本发明涉及一种用于粒子治疗辐射方法的规划方法，其中逐个等能量层地在待辐照的目标体积中施加待沉积的剂量。此外，本发明还涉及一种相应的辐照规划装置。

背景技术

粒子治疗是现有的用于治疗组织、特别是肿瘤疾病的方法。然而，辐照方法还应用于非治疗领域。属于此的例如有研究工作，诸如用于产品开发，在对非生命体模体或身体进行的粒子治疗的领域内，对材料的辐照等。

在此，将带电粒子例如质子或碳离子或其他粒子加速到高能量，形成为粒子束并且经过高能量辐照传输系统传输到一个或多个辐照空间。在这些辐照空间的一个中利用粒子束辐照具有目标体积的待照射的对象。

可以逐个等能量层地进行利用粒子的辐照。在此将待照射的目标体积划分为多个在射线方向上先后的等能量层。每个等能量层与一个特定的粒子能量相关，该特定的粒子能量通过具有该能量的粒子到待照射的目标体积中的入射来表征。

在辐照时，相应设置粒子能量，以便利用期望的剂量照射对应的等能量层。在照射了该等能量层之后，改变粒子能量，以便照射下一个等能量层。该流程一直被重复，直到照射了所有等能量层并且由此利用期望的剂量完全地照射了目标体积。

在等能量层内部，可以以不同方式沉积剂量。例如，应用如下的扫描方法：其中粒子束连续地在等能量层内部的不同的位置上偏转，以便在那里分别给出期望的剂量。

例如，在DE102008009765A1中描述了逐个等能量层地照射。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于逐个等能量层的粒子治疗辐照流程的规划方法，其使得可以利用额定剂量照射目标体积并且在此同时保护围绕目标体积的组织。此外，本发明还涉及一种照射规划装置，在该照射规划装置上可以执行这样的规划方法。

上述技术问题是通过按照本发明的方法和装置解决的。

该用于粒子治疗辐照流程的辐照规划的方法(其中沿着多个在射线方向上先后布置的等能量层来施加剂量)包括以下步骤：

-规定待辐照的目标体积，

-确定最近侧的等能量层关于待辐照的目标体积的第一位置，

-在使用第一位置的条件下确定在该最近侧的等能量层的远侧的至少另一个等能量层关于待辐照的目标体积的第二位置。

远侧和近侧的表达在此涉及等能量层关于射线方向的位置。“近侧”意味着在射线方向上来看位于前面并且与粒子的小能量或与小入射深度相关。“远侧”意味着在射线方向上来看位于后面并且与粒子的高能量或与大的入射深度相关。

本发明基于以下认识，即，迄今为止的对于逐个等能量层地辐照的规划方法具有缺陷。例如，在迄今为止的规划方法中在目标体积中以固定距离定位等能量层。这一点通常这样进行，即，这样定位远侧的等能量层，使得目标体积恰好还被覆盖。属于远侧的等能量层的粒子的入射深度由此与目标体积的远侧的边匹配地来选择。

这样，不取决于肿瘤形状地通过等能量层互相的固定距离给出其他等能量层的位置。于是，根据目标体积的形状并根据等能量层的距离可能出现：由于最近侧的等能量层的位置，在射线方向上位于目标体积前面的区域负担了极大的剂量。

可以看出，粒子束的布拉格峰选择得越宽，则该效应越大。也就是说这随着等能量层的宽度更大而发生。由此等能量层与等能量层的间隔同样变得更大。于是，最近侧的等能量层以并非不重要的方式伸入到位于目标体积前面的区域中的可能性增加。

对于该问题的可能解决方案，所述解决方案基于布拉格峰的缩小(或基于等能量层的间隔的缩小)，具有如下结果，即，需要更大数量的等能量层，以便覆盖目标体积。但是，随后的辐照却导致辐照持续时间的延长。

使用推注(Bolus)，即，材料片(Material-Platte)，以强制产生所选择的能量的附加的(必要时目标体积特定的)改变，以便将剂量沉积与目标体积精确匹配的其他解决方案，由于射线散射和射线分裂而提高了辐照的开销并且产生了附加的负面效应。

在此处提出的规划方法中，现在首先考察最近侧的等能量层。其位置可以这样来选择，使得尽可能小的高剂量被沉积在实际的目标体积前面的区域中。可以这样来选择该位置，使得在辐照最近侧的等能量层时在此沉积的剂量的位于目标体积中的部分大于沉积的剂量的在射线方向上来看位于目标体积前面的部分。剂量的位于目标体积中的部分特别地可以是位于目标体积前的部分双倍大或甚至更大。然后，确定目标体积中一个或多个位于更远侧的等能量层(或其位置)。位于更远侧的其他等能量层的位置的确定，也就是例如其在目标体积中的位置和其相互的距离的情况，可以这样来进行，使得通过进一步的辐照规划可以实现或实现在目标体积中期望的额定剂量分布。

在等能量层在目标体积中定位之后，例如可以定义等能量层中的网格点，对于所述网格点然后在辐照规划的过程中确定，哪个剂量与网格点对应。

最后，按照这种方式实现了，尽可能目标精确地在目标体积中给出待沉积的剂量，即使当利用扩张的布拉格峰来规划辐照时。

等能量层关于目标体积的位置的确定可以通过如下来进行，即，目标体积中等能量层的位置首先通过对目标体积和等能量层的纯几何考察来确定。例如等能量层可以通过几何参数来表征，并且建立在等能量层的位置和目标体积之间的关系。根据该几何确定的位置然后可以确定粒子的能量，所述能量与目标体积中的该位置相关。

不过，等能量层关于目标体积的位置的确定还可以通过如下来进行，即，不是几何地，而是间接经过等能量层的能量来确定所述位置。因为等能量层在目标体积中的所述位置与等能量层的能量固定相关，所以等能量层关于目标体积的位置还可以经过其能量来确定，而不必首先几何地确定位置。以这种方式，可以更好地顾及加速器的边界条件。如果加速器例如仅允许按照离散的级别来改变粒子能量，则可以从一开始仅允许目标体积中与离散的能量级别相应的那些位置。通过选择最合适的能量级别然后可以确定最近侧的等能量层的位置。

在该方法中最后网格距离是灵活的并且可以与目标体积的几何形状更好匹配，特别是比刚性方案中更好地匹配。对目标体积的近侧的几何形状的考虑在等能量层的选择中被考虑。由此近侧的等能量层的位置可以与目标体积最佳匹配。避免了在正常组织中的高剂量施加。

在一个扩展中，其位置根据第一位置被规划的至少另一个等能量层，位于最近侧的等能量层和最远侧的等能量层之间。该第二位置然后通过如下来确定，即，确定最远侧的等能量层关于待辐照的目标体积的第三位置，并且在使用第三位置的条件下进行第二位置的确定。

在该扩展中因此首先确定最近侧的和最远侧的等能量层的位置。据此进行位于这两个等能量层之间的另一个等能量层的位置确定。利用该实施方式，可以简单地确保，远侧的等能量层也合适地置于目标体积的远侧的边。在此另一个等能量层的位置确定，也就是例如其在目标体积中的位置和其互相的间隔的确定，这样来进行，使得在目标体积中期望的额定剂量分布通过另一个辐照规划来实现。

在一种实施方式变形中，在确定等能量层的位置时可以确定高剂量区域，其表征具有确定的剂量施加的与等能量层对应的区域，并且在使用与该等能量层对应的高剂量区域的条件下进行等能量层的位置确定。

高剂量区域例如可以表征等能量层的区域，在该区域中例如剂量曲线位于布拉格峰最大值的确定的百分比值上。高剂量区域因此表征在射线方向上等能量层的尺寸或厚度。当在定位时还考察高剂量区域或在射线方向上等能量层的尺寸时，可以改善等能量层的定位并且更精确地与目标体积匹配。

层的高剂量区域在此取决于使用的离子种类的能量拓宽(英语：“EnergyStraggling，能量分散”)、起始能量以及例如取决于待使用的波纹滤波器的厚度。特别地，在高能量拓宽和/或具有大的高剂量区域的大的波纹滤波器情况下，可以利用辐照规划方法实现在正常组织剂量上的重大节省或避免在从小的过渡到大的波纹滤波器时正常组织剂量的提高。

特别地可以确定高剂量区域或其尺寸，并且具体来说根据使用的粒子种类、使用的粒子的起始能量和/或在规划的辐照中要使用的粒子治疗装置的设置。这样的设置例如可以是布拉格峰扩展装置例如波纹滤波器的特性，其最后对层的高剂量区域是多大具有影响。

该确定例如可以通过使用在表中或数据库中存储的值来进行，该值存储了粒子种类、粒子能量和/或待使用的波纹滤波器。

在一种实施方式中在确定最近侧等能量层的第一位置时可以这样定位对应的高剂量区域，使得高剂量区域的近侧的边比高剂量区域的远侧的边更靠近目标体积的近侧的边或靠近最近侧的位置。以这种方式确保属于近侧的等能量层的高剂量的大部分可以被施加在目标体积中而不是在目标体积前面。

在确定最远侧的等能量层的第三位置时可以这样定位对应的高剂量区域，使得高剂量区域的远侧的边比高剂量区域的近侧的边更靠近目标体积的远侧的边或靠近最远侧的位置。以这种方式确保属于远侧的等能量层的高剂量的大部分可以被施加在目标体积中而不是在目标体积后。

位于最近侧的等能量层后面的等能量层可以等距地分布或者也可以以可变的间隔，如在DE102008009765A1中描述的那样。

在该方法的一种实施方式中，可以进行目标体积到水当量体的换算。等能量层关于目标体积的位置的确定然后可以在使用换算的目标体积的条件下进行。

在该实施方式中由此至少部分地借助水当量体进行。这一点在等能量层位置的进一步位置确定中带来优点，因为在水当量体中等能量层具有平的形状并且因为等能量层的高剂量区域具有简单的几何形状、例如矩形。

可以特别简单地计算与目标体积的近侧或远侧的边的距离。

用于粒子治疗辐照流程的辐照规划的辐照规划装置(其中沿着多个在射线方向上先后布置的等能量层施加剂量)包括：

a)用于预先给出待辐照的目标体积的输入装置，

b)层定位装置，

-用于确定最近侧的等能量层关于待辐照的目标体积的第一位置，和

-用于在使用第一位置的条件下确定位于最近侧的等能量层的远侧的另一个等能量层关于待辐照的目标体积的第二位置。

辐照规划装置可以构造为用于执行按照方法权利要求中任一项所述的方法，例如通过层定位装置的相应构造。

前面和以下对各个特征、其优点和其作用的描述既涉及装置类别也涉及方法类别，而无需在每种情况下个别地详细指出；在此公开的单个特征也可以按照与示出的组合不同。

附图说明

以下借助附图详细解释本发明的实施方式，但是并不限于此。其中，

图1示出了按照现有技术在水当量的目标体积中的层定位，

图2示出了按照本发明的实施方式、现有技术，在水当量的目标体积中的层定位，

图3示出了按照本发明的另一个实施方式在水当量的目标体积中的层定位，

图4示出了在具有以刚性网格间隔的层定位的病例上的剂量分布，

图5示出了具有层定位的同一个病例，其中近侧的等能量层与目标体积匹配，

图6示出了辐照规划方法的实施方式的方法步骤的示意图，并且

图7示出了可以用来执行层定位的辐照规划装置的例子。

具体实施方式

图1示出了目标体积11，其位于(此处未示出的)目标对象中并且其在辐照时要以尽可能均匀的额定剂量被辐照。包围目标体积11的相邻区域(通常是要保护的组织)应当被施加尽可能小的剂量。

此处示出的目标体积11已经被换算为水当量体。这意味着，换算后的目标体积11的每个体素对到达的粒子束与由水构成的体素同样强地进行制动。将实际的目标对象或目标体积换算到水当量的目标对象或目标体积的细节，例如可以在

M等人的文章“Treatment planning for heavy-ion radiotherapy：physical beam model and dose optimization”Phys.Med.Biol.45(2000)3299-3317中找到。

图1中示出了按照现有技术的辐照规划。

目标体积11被划分为相等的有效范围(Reichweite)的等能量层13、15、17。箭头示出了粒子束的入射方向。这些等能量层13、15、17以固定的距离在目标体积11上分布。在利用碳离子辐照的情况下例如可以使用3mm的层距离。远侧的等能量层15在此这样选择，使得该层的布拉格峰恰好还覆盖目标体积11的远侧的边19。按照布拉格峰的剂量的下降是非常陡的。由此确保，远离目标体积11的区域仅负担非常小的剂量。

按照该方案等能量层13、15、17在目标体积11上的划分是相对刚性的。取决于目标体积11的形状，可能发生欠剂量或超剂量。此外，高剂量区域可能相对强地到达位于目标体积前面的区域，该区域通常是应当受保护的。

图2示出了按照本发明的实施例，其具有改进的层划分。在此，解释了在该方法中首先被选择的最近侧的等能量层13的定位。

理想地，这样定位最近侧的等能量层13，使得该等能量层13的高剂量区域13′刚好还覆盖目标体积11，这例如通过高剂量区域13′的近侧的边23位于目标体积11的近侧的边25或目标体积11的最近侧的点上来实现。然而这一点并非总是可能的，因为例如由于粒子治疗设备的限制，近侧的等能量层13不能被任意细致地定位。

于是，在定位最近侧的等能量层13时可以注意，高剂量区域13′的近侧21比高剂量区域13′的远侧23更靠近目标体积11的近侧的边25或最近侧的点。按照这种方式确保了，在该等能量层13的情况下在目标体积11中可以比在目标体积11前面的区域中施加更多剂量。

在定位了最近侧的等能量层13之后，可以这样定位接下来的远侧的等能量层，使得目标体积11然后利用等能量层完整覆盖。

图2示出了对位于较远侧的等能量层17的定位。该等能量层17的位置可以根据最近侧的等能量层13的位置来确定。因此，例如可以这样布置第二近的等能量层17，使得其高剂量区域17′与最近侧的等能量层13的高剂量区域13′紧邻。

然后，可以根据第二近的等能量层17的位置来确定(未示出)第三近的等能量层的位置。位置的该确定由此间接地根据最近的等能量层13的位置来进行(经过第二近的等能量层17的位置)。然后，可以按照类似方式定位之后跟随的等能量层，直到整个目标体积11被先后跟随的等能量层覆盖。

在此处示出的实施例中，由此位于最近侧的等能量层13的远侧的那些等能量层的所有位置至少间接根据最近的等能量层13的位置来确定。

这一点例如可以通过选择规则的距离来进行，该距离例如这样被选择，使得最远的等能量层刚好还覆盖目标体积11。还可以采用如在DE102008009765A1中描述的方法。

图3示出了一个实施例，其中，在第一步骤中规划最近的等能量层13和最远的等能量层15的位置。最近的等能量层13的位置确定如上所述进行。

最远的等能量层15的位置确定这样进行，使得最远的等能量层15刚好还覆盖目标体积11的远的一面。这一点例如可以通过如下来进行，即，这样定位所属的高剂量区域15′，使得高剂量区域15′的远侧的边19比高剂量区域15′的近侧的边27更靠近目标体积11的远侧的位置。

于是，可以选择位于最近侧的等能量层13和最远侧的等能量层15之间的等能量层17、18，例如结合图3所述的那样。在这种情况下，根据最近的等能量层13的位置来进行对位于之间的等能量层17、18的定位。在第二远的的等能量层18和最远的等能量层15的情况下，高剂量区域15′、18′比在位于更近的等能量层17的情况下更强地重叠。

但是，对布置在最近的和最远的等能量层之间的至少几个等能量层的位置确定，还可以通过如下来进行，即，位置确定还可以在考虑最远的等能量层的位置的条件下来进行。按照这种方式高剂量区域的必要时所需的重叠，可以在多个等能量层之间被划分(在此未示出)。

一般地在此优选如下的划分，在所述划分的情况下目标体积11的远的半边或在远的部分中的高剂量区域比在目标体积11的近的半边或近的部分中更强重叠。在辐照目标体积11的较远部分时目标体积11的较近部分已经施加了预剂量，从而具有“预剂量”的该辐照使得可以选择更大的层间隔并且由此在高剂量区域伴随更小重叠。

图4示出了用于目标体积的剂量分布的病例，该剂量分布利用按照现有技术的辐照规划方法已经被换算。图5示出了用于相同目标体积的剂量分布，所述剂量分布利用具有等能量层的近侧的适应性定位的辐照规划方法已经被换算。

分别示出了CT图像，其中对作为待辐照的目标体积的前列腺41以及作为待保护的危险器官的膀胱45和直肠43成像。

图4中的例子示出了根据对于两个场的等剂量线的剂量分布，其中选择恒定的网格或恒定的层距离并且用于辐照的等能量层具有3mm波纹滤波器。

图5相反地示出了对于同样两个场的相同CT层位置上的剂量分布，其中近侧的等能量层有针对地与目标体积匹配并且用于辐照的等能量层具有4mm波纹滤波器(可以通过两个交叉的更小深度的波纹滤波器来实现)。可以看出，尽管能量分布更大(并且由此高剂量区域更大)，但是还是可以实现肿瘤的近侧稍微改进的正常组织剂量。这两个垂直的黑线用于定向并且对于标准网格标记95％等剂量线的近侧伸展。

最后该例子示出通过灵巧选择和考虑近侧的能量层及其位置避免健康组织中的剂量。

图6示出了可以在该方法的一个实施方式中被执行的方法步骤的示意性流程图。

在第一步骤中，在待辐照的目标对象中预先给出目标体积。例如可以在规划计算机断层造影仪数据组中标记目标体积，例如与应用者交互地或者借助分割方法。在确定了目标体积之后，可以确定入射方向，从该入射方向应当辐照目标体积(步骤61)。可以选择对于等能量层的辐照的布拉格峰的伸展，或者等能量层的厚度或等能量层的高剂量区域的厚度。

此外，可以根据入射方向或场方向进行待辐照的目标体积到水当量体的转换(步骤63)。

随后进行对最近侧的等能量层关于目标体积的位置的确定(步骤65)。

然后进行对最远侧的等能量层关于目标体积的位置的确定(步骤67)。

然后，这样定位位于最近侧的和最远侧的之间的至少另一个等能量层，使得该定位根据最近侧的等能量层的位置并且必要时根据最远侧的等能量层的位置来进行(步骤69)。

在进行了覆盖目标体积的层的层定位之后，然后可以进行按照公知方法的进一步辐照规划(步骤71)。例如然后可以确定在层中的在扫描方法中应当开始辐照的那些网格点。然后同样可以确定应当用来辐照每个层的剂量。例如可以确定精确的粒子数，以该粒子数应当辐照层的每个待开始的网格点，以实现目标体积中规划的额定剂量。进一步的辐照规划在此使用等能量层的位置，如先前被确定的那样。

图7示出了可以用来执行这样的方法的辐照规划装置的图示。辐照规划装置例如可以在计算机单元73中实现。

计算机单元73具有用于加载后面的辐照规划所基于的成像数据组72的接口75。

经过输入装置77，应用者可以在成像数据组72中标记待辐照的目标体积，特别是借助分割算法。

计算机单元73还包括层定位模块79，其被配置为，确定最近侧的等能量层关于待辐照的目标体积的第一位置，并且在使用第一位置的条件下确定在最近侧的等能量层的远侧的至少另一个等能量层关于待辐照的目标体积的第二位置。计算机单元73和特别是层定位模块79可以这样配置，使得可以如上所述执行该方法的实施方式。

在进行了层定位之后，辐照规划模块81可以基于层定位建立辐照规划83并且将其例如存储在数据库中。

Claims (8)

1.一种用于粒子治疗辐照流程的辐照规划的方法，其中沿着多个在射线方向上先后布置的等能量层(13，15，17，18)来施加剂量，包括以下步骤：

-规定待辐照的目标体积(11)，

-确定最近侧的等能量层(13)关于所述待辐照的目标体积(11)的第一位置，

-在使用第一位置的条件下确定在该最近侧的等能量层(13)的远侧的至少另一个等能量层(17，18)关于该待辐照的目标体积(11)的第二位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少另一个等能量层(17，18)位于最近侧的等能量层(13)和最远侧的等能量层(15)之间，并且其中，该第二位置通过如下来确定，即，确定最远侧的等能量层(15)关于所述待辐照的目标体积(11)的第三位置，并且在使用第三位置的条件下确定第二位置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在确定等能量层(13，15，17，18)的位置时确定高剂量区域(13′，15′，17′，18′)，其表征具有确定的剂量施加的与等能量层对应的区域，并且在使用与该等能量层(13，15，17，18)对应的高剂量区域(13′，15′，17′，18′)的条件下进行对等能量层(13，15，17，18)的位置确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述高剂量区域(13′，15′，17′，18′)的尺寸，并且具体来说是根据所使用的粒子种类、所使用的粒子的起始能量和/或在规划的辐照中要使用的粒子治疗装置的设置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在确定最近侧的等能量层(13)的第一位置时这样定位对应的高剂量区域(13′)，使得高剂量区域(13′)的近侧的边(21)比高剂量区域(13′)的远侧的边(23)更靠近目标体积(11)的近侧的边(25)。

6.根据上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，进行所述目标体积(11)到水当量体的换算，并且其中，在使用换算后的目标体积的条件下进行最近侧的等能量层(13)关于待辐照的目标体积(11)的第一位置的确定。

7.一种用于粒子治疗辐照流程的辐照规划的辐照规划装置，其中沿着多个在射线方向上先后布置的等能量层(13，15，17，18)施加剂量，所述辐照规划装置包括：

输入装置(77)，用于预先给出待辐照的目标体积(11)，

层定位装置(79)，

-用于确定最近侧的等能量层(13)关于所述待辐照的目标体积(11)的第一位置，和

-用于在使用第一位置的条件下确定位于最近侧的等能量层(13)的远侧的另一个等能量层(17，18)关于该待辐照的目标体积(11)的第二位置。

8.根据权利要求7所述的辐照规划装置，其中，所述辐照规划装置被构造为用于执行权利要求1至6中任一项所述的方法。

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