CN102847237A

CN102847237A - 一种头部立体定位放射治疗装置

Info

Publication number: CN102847237A
Application number: CN2011101772049A
Authority: CN
Inventors: 姚毅
Original assignee: SUZHOU LINATECH MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU LINATECH MEDICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: CN102847237B

Abstract

本发明公开了一种头部立体定位放射治疗装置，在加速器上集成X射线发射器和数字图像探测平板，通过CBCT功能迅速得到病人的三维图象，在得到三维图象后，软件通过算法将该组数据中的肿瘤坐标快速定位在等中心上；由于本技术方案的独有结构，CBCT只需要旋转120度即可迅速得到病人的三维图象，所耗时间非常短，因此可在一个时间周期中，得到病人的多组三维图像，在这几组图像中，肿瘤由于呼吸运动所造成的位置的变化就被记录了下来，通过算法比对多组三维图像的肿瘤位置（配准），根据图像组之间的位移差，在放射治疗计划系统（TPS）中来设计4D计划。

Description

一种头部立体定位放射治疗装置

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别涉及与加速器治疗仪配合使用的一种头部立体定位放射治疗装置。

背景技术

在对肿瘤（靶区）进行放射治疗时，有如下重要指标：

第一，肿瘤的精确定位。在3D空间中，医生或物理师首先在CT室扫描病人的CT图像，通过算法将一系列CT图像重建成三维图像，此时，可定位三维图象中肿瘤的三维坐标。然后医生或物理师将病人放置到加速器室进行复位，将肿瘤的三维坐标与加速器的治疗等中心（isocenter）精确重合。最后开始治疗。但在这种方式中，存在一个问题，当病人呼吸的时候，肿瘤位置会随着呼吸运动而在一定范围内变化，也就是说，肿瘤并不是固定在等中心位置，这将会造成治疗中肿瘤及周围受保护器官所接受的剂量出现偏差。

另外，CT室与加速器室一般相隔较远，如果利用“扫一次CT，做一次复位”的方式来实现时间轴的跟踪，耗时耗力，不可取。有的医院将CT和加速器安装在一个房间，并且共用一张床板，当需要扫CT时，移动床板至CT位置，需要治疗时，移动床板至加速器位置，这样比较麻烦，而且安装机器需要一个很大的房间，比较占地方，成本消耗太大。同时，CT扫描时采用的传统断层扫描方式，需要旋转多圈才能得到一组CT，比较耗时。

第二，照射剂量的控制和验证。目前的剂量验证是这样做的，一个数字图像探测平板与加速器机头正交摆放，加速器发射射线，平板接收剂量，并生成一幅数字图像（相当于给剂量拍了一张灰度照片），图像各点由于所受剂量强度的不同（剂量强度由照射时间及叠加照射次数决定），灰度的深浅各不相同，深色的部分剂量高（灰度值高），浅色的部分剂量低（灰度值低），通过定义好的剂量-灰度值映射表，我们可换算出各点的实际照射剂量。该图像被导入到验证系统中，通过读取图像中的剂量，并将其与TPS制作的计划中对应点的理想剂量进行比对，得到验证结果。其缺点是：仍然由于4D空间中时间轴的影响，肿瘤在呼吸运动中位置产生一定变化，如使用3D空间的方式进行验证，剂量会有一定的误差。

综上所述，目前放疗市场上没有一个专门为治疗头部的立体定向放射治疗装置，一般都是头体集成的，头部的定位精度不够高。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种通过4D空间的跟踪，使剂量跟随肿瘤的时间轴运动轨迹，达到精确治疗，同时节省时间和成本的头部立体定位放射治疗装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种头部立体定位放射治疗装置，包括：

一个环形导轨，设置于环形导轨上的适配器，安装于所述适配器上面的加速器，至少一个安装于所述环形导轨并可沿其滑动的数字图像探测平板，至少一个安装于所述环形导轨并可沿其滑动的的射线发射装置。

优选的，所述适配器下面还装设有控制射线通过的面积和形状的光栅。

优选的，所述光栅为电动多叶片光栅。

优选的，所述光栅上还设有至少一个摄像头。

本发明内容涉及的相关技术内容，阐述如下：

锥形束CT技术：

近年发展起来的基于大面积非晶硅数字化x射线探测板的锥形束CT(cone beam CT，CBCT)，具有体积小、重量轻、开放式架构的特点，可以直接整合到直线加速器上。机架旋转一周就能获取和重建一个体积范围内的CT图像。这个体积内的CT影像重建后的三维患者模型，可以与治疗计划的患者模型匹配比较，并得到治疗床需要调节的参数。根据采用放射线能量的不同分为两种，即：采用kV级x射线的kV．CBCT和采用MV级x射线的MV．CBCT。

(1)KV-CBCT：平板探测器的读数装置和探测器结合在一起，本身就具有提高空间分辨率的优势，因此，kV-CBCT可以达到比传统CT更高的空间分辨率，密度分辨率也足以分辨软组织结构，可以通过肿瘤本身成像引导放疗。而且该系统的射线利用效率高，患者接受的射线剂量少，使它可以作为一种实时监测手段。因此，CBCT具有在治疗位置进行x线透视、摄片和容积成像的多重功能，对在线复位很有价值，成为目前IGRT开发和应用的热点。但其密度分辨率，尤其是低对比度密度分辨率与先进的CT比，还有差距。

(2)MV—CBCT：Pouliot等用低剂量MV．CBCT获得无脉冲伪影的三维图像，融合计划kV CT图像，并进行位置校正，椎管和鼻咽融合精确到1 mm。Nakagawa等也应用MV-CBCT进行在线校正。MV．CBCT的x线源和治疗束同源是其优点。而且MVx线具有旁向散射少的特点，适用于评估精确电子密度，故可以同时作为剂量学监测设备。但与kv．CBCT相比，它在图像分辨率、信噪比和成像剂量上处于明显劣势。

无论采用何种CT技术，如果在CT扫描和加速器照射时加进了时间变量因素，就称为四维放射(four dimensional radiotherapy，4DRT)，相应的加进了时间变量因素的CT扫描，称之为四维CT(four dimensional computed tomography，4DCT)。4DCT扫描截取患者在某一时段内不同时刻的CT扫描序列，图像按相位重建，得到该时段内肿瘤和重要器官的3D图像随时间变化的序列。应用4DCT模拟定位，治疗时再应用CBCT获得的肿瘤或重要器官的3D图像与4DCT序列的3D图像比较后的结果，控制加速器进行实时照射，完成4DRT

动态螺旋断层放疗技术：

动态螺旋断层放射治疗(helical tomotherapy)系统是一个将治疗计划、剂量计算、兆伏级CT扫描、定位和螺旋照射治疗功能集为一体的调强放疗系统。采用类似CT的模式，从360度聚焦断层照射肿瘤，靶区适形性佳，剂量分布均匀，使正常组织及器官得到最大限度的保护；具有图像引导放射治疗功能，每次放疗前在治疗机上进行CT扫描，确认治疗体位在三维空间上与治疗计划一致后再行放疗，从而保证了治疗的精确性；可在每次治疗后推算出肿瘤接收到的剂量，从而可以及时调整后续的治疗剂量，从而保证了治疗剂量的准确性。

图像引导放射治疗技术：

图像引导放射治疗（IGRT）是一种四维的放射治疗技术，它在三维放疗技术的基础上加入了时间因数的概念，充分考虑了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗间的位移误差，如呼吸和蠕动运动、日常摆位误差、靶区收缩等引起放疗剂量分布的变化和对治疗计划的影响等方面的情况，在患者进行治疗前、治疗中利用各种先进的影像设备对肿瘤及正常器官进行实时的监控，并能根据器官位置的变化调整治疗条件使照射野紧紧“追随”靶区，使之能做到真正意义上的精确治疗。

4D概念：

3D就是空间的概念也就是由X、Y、Z三个轴组成的空间.而4D根据爱因斯坦的理论就是加上了时间的概念。从而时间与空间相结合就成了所谓的4D空间。

放射治疗计划系统（TPS）：

基本流程：导入CT图像，在每一层CT图像上勾画肿瘤（靶区）轮廓，勾画受保护器官的轮廓，添加机器数据，添加照射野（决定机架旋转角度，即照射方向），添加适形（如利用光栅叶片形成该射野下靶区的照射形状），计算照射剂量，导出计划文件。其中，需要软件来制作放射治疗计划。

后续工作：将该计划文件传输到光栅或加速器进行治疗。

光栅叶片的动态运动（Sliding）：

在加速器发射射线的过程中，叶片从一端向另一端不间断的运动，以控制加速器发射的射线通过的形状及面积大小。

采用本技术方案的有益效果是：在加速器上集成X射线发射器和数字图像探测平板，通过CBCT功能迅速得到病人的三维图象，在得到三维图象后，软件通过算法将该组数据中的肿瘤坐标快速定位在等中心上；由于本技术方案的独有结构，CBCT只需要旋转120度即可迅速得到病人的三维图象，所耗时间非常短，因此可在一个时间周期中，得到病人的多组三维图像，在这几组图像中，肿瘤由于呼吸运动所造成的位置的变化就被记录了下来，通过算法比对多组三维图像的肿瘤位置（配准），根据图像组之间的位移差，在放射治疗计划系统（TPS）中来设计4D计划。此后计算出照射剂量后将此4D计划传输到光栅及加速器进行治疗。在加速器进行照射的过程中，光栅叶片根据计划给定的位置，在时间周期中，不断地做规律的往返滑动（sliding），以跟随肿瘤的呼吸运动。使得治疗精度大大提高，降低了对正常组织的伤害。

附图说明

图1是本发明一种头部立体定位放射治疗装置的示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.环形导轨 21.加速器 22.适配器 23.光栅 24.摄像头 3.射线发射组织 4.数字图像探测平板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1，

如图1所示，一种头部立体定位放射治疗装置，包括：

一个环形导轨1，设置于环形导轨上的适配器22，安装于所述适配器上面的加速器21，一个安装于所述环形导轨并可沿其滑动的数字图像探测平板4，一个安装于所述环形导轨并可沿其滑动的的射线发射装置3。该射线发射装置3为X射线发射装置。

所述适配器22下面还装设有控制射线通过的面积和形状的光栅23。所述光栅23为电动多叶片光栅。所述光栅23上还设有两个个摄像头24。

适配器22和环形导轨1固定连接或集成为一体，并直接安装在加速器21机头上；电动多叶光栅直接安装在适配器22上，随环形导轨1进行旋转；摄像头24安装在电动多叶光栅上；X射线发射装置和数字图像探测平板4安装在环形导轨1上，且都可以等中心为圆心沿环形导轨1作旋转运动，同时也可随环形导轨1以及适配器22和加速器21一起进行旋转。

本实施例可实现两种工况，其一，使X射线发射装置和数字图像探测平板4位置分别位于环形导轨1的同一直径的两端，利用X射线发射装置和数字图像探测平板4配合，可实现KV能量级4D CBCT功能。X射线发射装置和数字图像探测平板4始终保持相对正交的摆放位置，且沿环形导轨1绕等中心旋转，同时X射线发射器对靶区（肿瘤）进行KV级能量照射，数字图像探测平板4接收照射剂量并按照捕获间隔（capture interval）生成一系列图像，这些图像通过软件计算，可生成病人头部的立体图像。

其二，使数字图像探测平板4和加速器21位置分别位于环形导轨1的同一直径的两端，利用数字图像探测平板4与加速器21的MV级能量的配合使用，可以替代目前市面上昂贵的专用剂量验证产品，实现放射治疗剂量验证（Dosimetry）功能。当数字图像探测平板4捕获加速器21的MV级能量照射的图像后，软件根据图像记录的灰度值，将其转换为剂量值，并于设计计划中的剂量进行对比和验证。可做加速器、TPS（放射治疗计划系统）、电动多叶光栅的定期验证。

两个摄像头24被安装在电动多叶光栅上，从BEV视角望向靶区（肿瘤）方向，实时监控及记录靶区的呼吸运动（速率、轨迹、位置）蠕动运动、日常摆位误差、靶区收缩等信息，通过软件处理将信息进行反馈，实现4D Tracking功能。

同时结合数字图像探测平板4与加速器21保持正交的摆放位置，在加速器21出束治疗过程中，摄像头24一边监控及记录以上信息并进行反馈，数字图像探测平板4则不断拍摄一系列的MV级图像，并同样将靶区的位置信息反馈给软件系统，与摄像头24记录信息进行比对、配准和校正，然后通过软件控制电动多叶光栅叶片的运动，使其与靶区的运动相吻合，从而实现IGRT功能。

本实施例上集成X射线发射器和数字图像探测平板4，通过CBCT功能迅速得到病人的三维图象，在得到三维图象后，软件通过算法将该组数据中的肿瘤坐标快速定位在等中心上；由于CBCT只需要旋转120度即可迅速得到病人的三维图象，所耗时间非常短，因此可在一个时间周期中，得到病人的多组三维图像，在这几组图像中，肿瘤由于呼吸运动所造成的位置的变化就被记录了下来，通过算法比对多组三维图像的肿瘤位置（配准），根据图像组之间的位移差，在放射治疗计划系统（TPS）中来设计4D计划。

在计算出照射剂量后将此4D计划传输给设备的控制系统，控制光栅23及加速器21进行治疗。在加速器21进行照射的过程中，光栅23叶片根据计划给定的位置，在时间周期中，不断地做规律的往返滑动（sliding），以跟随肿瘤的呼吸运动。同时数字图像探测平板4与加速器21正交摆放，通过治疗4D计划，加速器21将精确的照射肿瘤，在治疗过程中，数字图像探测平板4以一个固定的频率获取一系列包含剂量-灰度值的数字图像（如每2s获取一张图像），并将这些图像传输到验证软件中，通过与4D计划计算的理想剂量进行比对，得到更精确的剂量验证结果。

本实施例的一些基本参数如下：

(1) 平板探测精度：1024*1024*8bit以上；

(2) 创建图像：及时迅速的自动显示并存储图像；

(3) 定位/配准精度：平移<0.5mm，旋转<0.5度；

(4) 效率：以每秒一幅的速率获取图像；

(5) 计算时间：15s；

(6) 剂量精确度：>95%；

(7) 探测模式：单曝光、双曝光、以及治疗序列曝光模式。

实施例2，

其余与实施例1相同，不同之处在于，数字图像探测平板4为两个，一个与加速器21位置对应，配合加速器使用，另一个与射线发射装置3位置对应，并同步转动和配合使用，提高整个设备的响应速度。

上述实施例中，数字图像探测平板4、射线发射装置3、摄像头24均可根据需要来确定为采用一个、两个或是三个或其他数量。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种头部立体定位放射治疗装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的头部立体定位放射治疗装置，其特征在于，所述适配器下面还装设有控制射线通过的面积和形状的光栅。

3.根据权利要求2所述的头部立体定位放射治疗装置，其特征在于，所述光栅为电动多叶片光栅。

4.根据权利要求2或3所述的头部立体定位放射治疗装置，其特征在于，所述光栅上还设有至少一个摄像头。