CN103083820A - 一种剂量引导精确放射治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种剂量引导精确放射治疗系统，用于改进现有放射治疗系统与相关仪器设备的实施精度，该系统首先通过输入与预处理模块进行机器数据与放射治疗计划输入与预处理，其次利用在线剂量计算模块，实时监测放射治疗过程中的体外剂量，并通过实时的剂量反演获取体内的照射剂量，再次利用在线剂量验证与控制模块对照射剂量与计划剂量对比，进行剂量验证与剂量控制，从而保证照射剂量与计划剂量精确吻合，最后通过报表与输出模块给出治疗实施的结果报告。本发明集成了在线剂量计算、在线剂量验证与控制等模块，克服了目前放疗仪器装置不能保证照射剂量与计划剂量的精确吻合问题。

Description

一种剂量引导精确放射治疗系统

技术领域

本发明涉及一种剂量引导精确放射治疗系统，属于核物理、核技术及应用、放射医学等多学科交叉领域中的精确放射治疗计划与控制系统与仪器装置改进方向。

背景技术

在现有的放射治疗相关系统的设备中，缺乏对放射治疗的实时在线的三维剂量验证以及质量控制系统的技术，从而导致目前的设备难以保证照射剂量与计划剂量精确吻合。目前已有的技术主要包括：胶片剂量验证系统、矩阵电离室剂量验证系统和穿透式电离室剂量验证系统。胶片剂量验证系统是将胶片夹在等效水或者简单模体中进行二维的剂量学验证，是一种放射治疗前或者放射治疗后的体外剂量验证方法，因为胶片不能放置在患者体内进行三维剂量学验证，因此不能保证体实际体内接收的照射剂量与计划剂量吻合；另外，限于胶片读取速度慢、测量误差较大、缺乏在线剂量计算、在线剂量验证与控制，因此不能保证照射剂量的准确性。矩阵电离室剂量验证系统是矩阵电离室结合固体等效水在放疗前对治疗计划进行二维剂量验证，它解决了胶片剂量获取速度慢、误差大的问题，但由于它是离体的二维剂量验证不能保证病人实际接受剂量的准确性。穿透式电离室剂量验证系统是将电离室固定在加速器机头上，治疗病人时可以实时获取加速器源通量用于进行三维剂量计算，但穿透式电离室对射线有一定的衰减，因此它改变了源的通量分布，同样会造成治疗计划剂量和病人实际接受剂量不一致的问题。针对以上系统的不足，本发明提供了一种剂量引导精确放射治疗系统，用于改进现有放射治疗系统与相关仪器设备的实施的精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种剂量引导精确放射治疗系统，通过测量的剂量，并利用在线剂量反演方法引导放射治疗计划，进行精确的实时的质量控制治疗，从而达到照射剂量与计划剂量精确吻合的放射治疗控制装置，可改进现有医疗仪器在该领域的照射精度。

本发明所采用的技术方案实现如下：

一种剂量引导精确放射治疗系统，其特征在于由如下模块组成：输入与预处理模块、在线剂量计算模块、在线剂量验证与控制模块、报表与输出模块和数据库管理模块；输入与预处理模块、在线剂量计算模块、在线剂量验证与控制模块、报表与输出模块按照先后次序依次连接；输入与预处理模块、在线剂量计算模块、在线剂量验证与控制模块、报表与输出模块都与数据库管理连接在一起；

a）、所述的输入与预处理模块包括：机器数据模块、放疗计划模块；机器数据模块、放疗计划模块都包括：打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存模块；

b）、所述的在线剂量计算模块包括：剂量采集模块、在线剂量反演模块；剂量采集模块与在线剂量反演模块按照次序依次连接；剂量采集模块包括：成像面板剂量测量模块、电离室剂量测量模块；在线剂量反演模块包括通量反演模块、剂量计算模块；通量反演模块与剂量计算模块按照先后次序依次连接；成像面板剂量测量模块包括射线数据采集模块、灰度-剂量转换模块；射线数据采集模块、灰度-剂量转换模块按照先后次序依次连接；电离室剂量测量模块包括：矩阵电离室剂量测量模块、指型电离室剂量测量模块；

c）、所述的在线剂量验证与控制模块包括：剂量验证模块、剂量控制模块；剂量验证模块与剂量控制模块按照先后次序依次连接；剂量控制模块包括：指令输入模块、指令翻译模块；指令输入模块、指令翻译模块按照先后次序依次连接；

d）、所述的报表与输出模块包括：评价结果输出项选择模块、评价结果输出项屏幕显示模块、评价结果输出模块；评价结果输出项选择模块、评价结果输出项屏幕显示模块、评价结果输出模块按照先后次序依次连接；

e）、所述的数据库管理模块包括：输入与预处理数据管理模块、在线剂量计算数据管理模块、在线剂量验证与控制数据管理模块、报表与输出数据管理模块，并且这些模块都包括打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存模块。

其中上述剂量引导精确放射治疗系统，其通过如下运行过程实现：（1）选择开始；（2）放疗计划是否导入，“否”则导入放疗计划，并转第（2）步，“是”则转第（3）步；（3）输入与预处理，并与数据库管理交互；（4）是否完成剂量测量，“否”则进行剂量测量，并转第（4）步，“是”则转第（5）步；（5）在线剂量计算，并与数据库管理交互；（6）在线剂量验证与控制，并与数据库管理交互；（7）本次运行是否结束，“否”转第（5）步，“是”转第（8）步；（8）报表与输出，并与数据库管理交互；（9）运行结束。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明集成了在线剂量计算、在线剂量验证与控制等模块，通过剂量学引导放射治疗计划进行精确的实时的质量控制治疗从而达到照射剂量与计划剂量精确吻合。首先通过输入与预处理进行机器数据与放射治疗计划输入与预处理，其次利用在线剂量计算模块，快速重建体内的三维照射剂量，再次利用在线剂量验证与控制模块进行剂量验证，判断误差是否在阈值以内，如果否，则判断误差来源并纠正误差，给治疗机发出纠正指令，如果是则继续照射，从而保证照射剂量与计划剂量精确吻合。

（2）本发明克服了已有技术中验证速度慢，精度不高以及改变计划剂量等问题。

附图说明

图1是本发明主模块结构图；

图2是本发明举例说明的一个头部仿真模型；

图3是本发明举例说明的一个头部仿真模型X射线图；

图4是本发明举例说明的一个头部仿真模型（头部肿瘤病例）的放疗计划；

图5是本发明举例说明的一个头部仿真模型（头部肿瘤病例）的在线剂量计算结果；

图6本发明举例说明的一个头部仿真模型（头部肿瘤病例）的剂量偏差评价结果；

图7是本发明的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种剂量引导精确放射治疗系统，由如下模块组成：输入与预处理、在线剂量计算、在线剂量验证与控制、报表与输出、数据库管理；输入与预处理、在线剂量计算、在线剂量验证与控制、报表与输出按照先后次序依次连接；输入与预处理、在线剂量计算、在线剂量验证与控制、报表与输出都与数据库管理连接在一起；

a）、所述的输入与预处理包括：机器数据、放疗计划；机器数据、放疗计划都包括：打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存；

具体实施流程：首先，将治疗机的机器数据导入，即利用三维扫描水箱测量的三维剂量、输出因子等放射治疗机器的参数，导入系统；其次将放疗计划导入Dicom协议所规定的内容；最后将放疗计划根据照射剂量比例划分为两个计划：预照射计划、后续照射计划，划分比例没有特殊要求，以实际的需要为准，但注意最低剂量要满足放疗机器的照射稳定性；在以上具体实施流程中，用户可以对数据进行叠加以便其正确性，也可以进行数据删除、修复并保存；

如图2所示，为实验采用的人体仿真头模，该头模是我们采用人体组织等效材料进行器官填充方法设计，并由相关单位制作而成；如图3所示为X射线透视图—该透视图采用PerkinElmer生产的MV非晶硅成像面板，在80kV，280mA的X射线条件下的成像获得。实验开展前先获取该头模的CT：分辨率为512×512×80，对应尺寸为30.59cm×30.5676cm×20cm。如图4所示，为导入的上述仿真头部肿瘤病例的放疗计划；

b）、所述的在线剂量计算模块包括：剂量采集模块、在线剂量反演模块；剂量采集模块与在线剂量反演模块按照次序依次连接；剂量采集模块包括：成像面板剂量测量模块、电离室剂量测量模块；在线剂量反演模块包括通量反演模块、剂量计算模块；通量反演模块与剂量计算模块按照先后次序依次连接；成像面板剂量测量模块包括射线数据采集模块、灰度-剂量转换模块；射线数据采集模块、灰度-剂量转换模块按照先后次序依次连接；电离室剂量测量模块包括：矩阵电离室剂量测量模块、指型电离室剂量测量模块；

具体实施流程：首先，用户在实施前剂量采集中选取成像面板剂量测量与电离室剂量测量中的一种进行剂量采集；然后，通过剂量采集获得的体外二维剂量依次进行通量反演、剂量计算，快速重建获得体内的三维照射剂量；详细处理如下：

采用如下蒙特卡罗有限笔形束（MCFSPB）模型，假设高能射线入射在均匀水中，设(r,z)为柱坐标系下的三维坐标，r为径向方向，z为深度方向，MCFSPB模型采用如下的数学公式来描述，

D(r,z)＝∫Ф(r′)p(r-r′,z)d²r′   （1）

其中，

D(r,z)：三维剂量分布函数；

Ф(r′)：强度分布（积分通量率）函数；放射源为医用加速器放射源，为点源；根据点源的特性，强度在源方向的截面具有相同的函数分布形式，因此实际只要求得到某一个截面的强度即可获得其他截面的强度。所求的强度就是在源到皮肤表面距离的强度分布；

p(r,z)：笔形束核函数；其中p(r-r′,z)表示笔形束核函数在点为(r-r′,z)的值；采用蒙特卡罗模拟计算放射源在某一能谱情况下，纯水中有限小射野垂直入射情况下的三维剂量，即获得p(r,z)。具体的实施流程如下：

（1）测量医用加速器的百分深度剂量（PDD）曲线；

（2）反演获得医用加速器的能谱：根据第（1）步获取的PDD，利用第一步反演得到加速器的能谱信息，参考：李贵,等;基于多算法放射源反演方法,专利号：ZL200910116116.0

（3）蒙特卡罗模拟笔形束照射水模体：将第（2）步骤反演得到的能谱是作为蒙特卡罗模拟的输入条件。然后使用蒙特卡罗程序（本实现采用EGSnrc程序）模拟如下情况：定义高能光子射束垂直入射到均匀水模体的表面中心轴上，该模体模型为40.0cm×40.0cm×40.0cm立方体，照射的射野的尺寸为0.2cm×0.2cm——这些尺寸可以根据实际需要调整。在对此模拟中，可以获取高能光子入射到水模体内的三维剂量分布；

（4）根据模拟结果，获取笔核数据：利用空间对称性，根据的蒙特卡罗程序的输出文件的格式（EGSnrc的程序格式为*.3ddose）提取平行于射线方向、过射线中心轴的某平面上的剂量分布，包括：中心轴的百分深度剂量曲线PDD和不同深度的离轴剂量分布OAR（Off-Axis Ratio）——具体根据实际需要的深度提取，本实现采用0.1cm为间隔，从深度范围为0.1cm~40cm提取，提取后的数据作为笔核数据供剂量计算程序调用。

然后，将式（1）中的关于入射点r′的积分，离散成有限个单元野，变成了关于单元野的求和，即写成如下的数学表达：

D(r,z)＝∑∑Ф(r′)p(r-r′,z)Δr′²   （2）

这样，具体计算过程中，将模体划分为有限个单元格，根据(r,z)柱坐标系提取有限笔形束对应的剂量点p(r-r′,z)以及对应强度Ф(r′)，根据式（2）进行求和，即获取三维的剂量分布。

然而，上述的剂量计算方法需要获取强度分布函数Ф(r′)；实验表明，强度具有“马鞍”形状的分布，因此在进行剂量计算时强度不能简单处理为0-1的强度形式。

机器数据是放疗计划系统常用的数据，包括了医用加速器照射三维扫描水箱的三维剂量分布；另外，二维的电离室矩阵也可以测量等效水中的二维剂量，并且该设备也逐渐普及到各个放疗单位。基于此，可以利用二维电离室矩阵或者三维扫描水箱等放疗设备测量得到的二维或者三维剂量分布，并通过逆向求解式（2）即可以反演得到医用加速器的强度分布函数，从而利用式（2）求的三维剂量分布。根据反演理论与最优化理论，基于MCFSPB反演模型，可以采用如下的数学模型描述：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Min}& \mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(D(r,z)-D^{\′}(r,z))}^2}/M\\ \mathrm{ST}:& D(r,z)=\mathrm{\Σ\Σ\Φ}\left(r^{\′}\right)p(r-r^{\′},z)\mathrm{\Δ}{r}^{\′2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，

Min：反演算法中的最小目标值；

ST：约束条件；

σ：平均误差；

M：测量的数据点个数；

r′：积分变量；

r_c：源到等中心面的径向坐标；其中，等中心面为等中心点所在的与水平面平行的面；

D(r,z)：测量剂量；

D′(r,z)：重建剂量；

其中注意，至少需要测量获得某一深度h所在的截面的剂量D(r′,h)，才能保证方程（3）的解满足要求。实施求解方程（3）时，采用的反演算法包括线性反演算法与非线性反演算法，或者组合，具体采用何种算法没有特殊要求，具体实施以这些反演算法是否满足收敛精度要求为准，求解式（3）即可获得强度Ф(r)；具体操作为：首先，对式（3）进行了离散化采样；其次，为了加快收敛速度，这些反演算法进行了初始化，并且收敛误差降低到一定程度即认为得到最优解；收敛误差根据实际要求的精度设置，没有特殊的要求，实现时，收敛误差一般在计算设备精度所允许的范围内设置。

可采用了精确快速的共轭梯度算法（Conjugate-Gradient）进行反演，强度初始化为0，并根据临床一般只关心射野以内的“高剂量区”的特点，发展了“马太效应”策略：剂量越大给予的权重愈大，剂量越低给予的权重越低。马太效应（Matthew Effect）：来自圣经《新约·马太福音》寓言：“凡有的，还要加给他叫他多余；没有的，连他所有的也要夺过来”。基于“马太效应”策略的共轭梯度算法的数学公式描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{k+1}={\mathrm{Mx}}^k+t_k{p}^k\\ p^0=-\▿f\left(x^0\right)\\ p^{k+1}=-\▿f\left(x^{k+1}\right)+{\mathrm{\λ}}_k{p}^k\\ {\mathrm{\λ}}_k=\frac{{\left|\right|\▿f\left(x^{k+1}\right)\left|\right|}^2}{{\left({\mathrm{\λ}}_{k-1}\right)}^T[f\left(x^{k+1}\right)-f\left(x^k\right)]},k=\mathrm{0,1},...,n-2\end{array}\right.---\left(4\right)$

M：“马太效应”策略权重；

t_k：优化步长；

P^k+1：优化方向；

f(x^k)：以变量为x^k的函数；

λ_k：优化参数。

式（4）中第三个式子是采用Dai和Yuan（D-Y）在1999年提出的一种非线性共扼梯度法。D-Y方法的一个重要特征就是它在Wolfe线性搜索下，总能产生下降方向，因此被广泛使用。在D-Y方法基础上，本方法增加了M因子作为“马太效应”策略权重，以便应用于放疗中照射射野内剂量高，而照射射野外几乎只有漏射线或者背景噪声的特点。M因子与剂量大小成正比，按照剂量分布以最大值归一给出。经大量测试证明了基于“马太效应”策略的共轭梯度算法的优越性；

通过引入非均匀修正，MCFSPB模型即可进一步应用于非均匀模体，采用如下的数学表达式描述：

D(r，z)＝C_F∫Ф(r′)p(r-r′,z)d²r′   （5）

离散后，式（5）写成，

D(r,z)＝C_F∑∑Ф(r′)p(r-r′,z)Δr′²   （6）

其中，

D(r,z)：三维剂量分布；

E_max：放射源的最大能量；

(r,z)：柱坐标系下的三维坐标，r为径向方向，z为深度方向；

r′：积分变量；

p(r,z)：在(r,z)点的笔形束核函数；p(r-r′,z)：表示笔形束核函数在点为(r-r′,z)值；

Ф(r′)：反演的强度分布函数；根据式（3）与式（4）的强度反演方法获得；

C_F：非均匀介质的相对于纯水的修正因子；该因子是对非均匀模体的剂量修正，可采用目前广泛使用的组织空气比法（又称组织最大剂量比法）、有效衰减系数法、同等剂量曲线移动法、电子密度法（又称Batho修正法或组织空气比指数校正法）等非均匀修正方法或者这些方法的组合直接获得；即通过对模体拍摄CT，根据CT与电子密度的转换关系转换，获得第i层非均匀模体中介质的电子密度ρ_i；然后将ρ_i作为权重计算相对于厚度为d_i的纯水的有效深度d′，其中，

$d^{\′}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i{d}_i---\left(7\right)$

通过d′可直接查询国际辐射单位与测量委员会（ICRU）报告或国际放射防护委员会（ICRP）报告可获得采用组织空气比法、有效衰减系数法、同等剂量曲线移动法、电子密度法等非均匀修正方法对应的C_F；其中C_F由于是对非均匀模体的非均匀修正，取值与上述d′查表结果有关，没有特殊要求，具体实施以这些方法的精度范围是否满足实际精度要求为准；本研究所采用的非均匀修正方法为Batho修正法。

如图5所示，为一个头部肿瘤病例在线剂量计算的结果，其中显示了离源100cm的中间射线束的剂量分布，其中该图显示剂量范围0.02~0.12，剂量已经做了归一化处理。

c）、所述的在线剂量验证与控制包括：剂量验证、剂量控制；剂量验证与剂量控制按照先后次序依次连接；剂量控制包括：指令输入、指令翻译；指令输入、指令翻译按照先后次序依次连接；

具体实施流程：首先，将第三步获取的三维照射剂量与第一步获取的计划剂量进行对比，进行在线的剂量验证，采用剂量偏差、位置偏差、伽马分析方法以及DVH对比分析来判断误差是否在阈值以内，如果否，则判断误差来源并纠正误差，给治疗机发出纠正指令，如果是则继续照射，保证照射剂量与计划剂量精确吻合；

d）、所述的报表与输出模块包括：评价结果输出项选择模块、评价结果输出项屏幕显示模块、评价结果输出模块；评价结果输出项选择模块、评价结果输出项屏幕显示模块、评价结果输出模块按照先后次序依次连接；

具体实施流程：照射结束后，用户根据需要，依次进行评价结果输出项选择、评价结果屏幕显示、评价结果输出，给出剂量引导精确放射治疗系统的治疗过程纪录，包括纠正的误差情况、照射剂量分布等；如图6显示了一个头部肿瘤病例中，离源100cm中间射线束的剂量偏差评价结果，该图显示了最大剂量偏差是1.2%；

e）、所述的数据库管理包括：输入与预处理数据管理、在线剂量计算数据管理、在线剂量验证与控制数据管理、报表与输出数据管理，并且这些模块都包括打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存；

具体实施流程：系统运行所产生的数据，通过数据库进行管理，并且照射前与照射后，用户都可以通过数据库管理模块对数据进行管理，包括打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存。

如图7所示，一种剂量引导精确放射治疗系统，其通过如下运行过程实现：（1）选择开始；（2）放疗计划是否导入，“否”则导入放疗计划，并转第（2）步，“是”则转第（3）步；（3）输入与预处理，并与数据库管理交互；（4）是否完成剂量测量，“否”则进行剂量测量，并转第（4）步，“是”则转第（5）步；（5）在线剂量计算，并与数据库管理交互；（6）在线剂量验证与控制，并与数据库管理交互；（7）本次运行是否结束，“否”转第（5）步，“是”转第（8）步；（8）报表与输出，并与数据库管理交互；（9）运行结束。

Claims (2)

1.一种剂量引导精确放射治疗系统，其特征在于由如下模块组成：输入与预处理模块、在线剂量计算模块、在线剂量验证与控制模块、报表与输出模块和数据库管理模块；输入与预处理模块、在线剂量计算模块、在线剂量验证与控制模块、报表与输出模块按照先后次序依次连接；输入与预处理模块、在线剂量计算模块、在线剂量验证与控制模块、报表与输出模块都与数据库管理模块连接在一起；其中，

a）、所述的输入与预处理模块包括：机器数据模块、放疗计划模块；机器数据模块、放疗计划模块都包括：打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存模块；

b）、所述的在线剂量计算模块包括：剂量采集模块、在线剂量反演模块；剂量采集模块与在线剂量反演模块按照次序依次连接；剂量采集模块包括：成像面板剂量测量模块、电离室剂量测量模块；在线剂量反演模块包括通量反演模块、剂量计算模块；通量反演模块与剂量计算模块按照先后次序依次连接；成像面板剂量测量模块包括射线数据采集模块、灰度-剂量转换模块；射线数据采集模块、灰度-剂量转换模块按照先后次序依次连接；电离室剂量测量模块包括：矩阵电离室剂量测量模块、指型电离室剂量测量模块；

c）、所述的在线剂量验证与控制模块包括：剂量验证模块、剂量控制模块；剂量验证模块与剂量控制模块按照先后次序依次连接；剂量控制模块包括：指令输入模块、指令翻译模块；指令输入模块、指令翻译模块按照先后次序依次连接；

d）、所述的报表与输出模块包括：评价结果输出项选择模块、评价结果输出项屏幕显示模块、评价结果输出模块；评价结果输出项选择模块、评价结果输出项屏幕显示模块、评价结果输出模块按照先后次序依次连接；

e）、所述的数据库管理模块包括：输入与预处理数据管理模块、在线剂量计算数据管理模块、在线剂量验证与控制数据管理模块、报表与输出数据管理模块，并且都包括打开、导入、划分、叠加、修复、删除、保存模块。

2.根据权利要求1所述的一种剂量引导精确放射治疗系统，其特征在于，通过如下运行过程实现：（1）选择开始；（2）放疗计划是否导入，“否”则导入放疗计划，并转第（2）步，“是”则转第（3）步；（3）输入与预处理，并与数据库管理交互；（4）是否完成剂量测量，“否”则进行剂量测量，并转第（4）步，“是”则转第（5）步；（5）在线剂量计算，并与数据库管理交互；（6）在线剂量验证与控制，并与数据库管理交互；（7）本次运行是否结束，“否”转第（5）步，“是”转第（8）步；（8）报表与输出，并与数据库管理交互；（9）运行结束。

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