CN103301580A - 一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅及其设置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，具有：多个在准直器射束方向近似平行的柱体，所述每个柱体内部具有多个高度不一致的单元块，每个柱体内的多个单元块中至少可填充两种不同衰减率的衰减材料。因此，多粒光栅进行调强时，既不会生成面积小、形状不规则的子野而影响患者受照剂量的准确度，又不会生成很多子野而导致治疗时间长。该方法和适形治疗一样，不用拆分子野或优化子野序列，直接一步到位形成所需要的强度分布。同时还具有安全、可靠、易于验证的优点，尤其是节省了治疗机的出束时间，提高治疗效率的同时延长了治疗机的有效使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于肿瘤调强放疗的光栅，尤其涉及一种笔形束中填充多个单元块的光栅。涉及专利分类号A61医学或兽医学；卫生学A61B诊断；外科；鉴定A61B18/00向人体或从人体传递非机械形式的能量的外科器械、装置或方法。
背景技术
调强放疗的实现目前多采用自动多叶光栅进行静态子野调强和动态滑窗调强，但使用光栅来实现调强有其自身的局限性。
1、静态子野调强
传统IMRT计划设计方法是分步设计模式（multi-stepmode,MS）。该方法一般是2～3步确定照射子野序列，即：第一步，优化得到照射野的强度分布；第二步，将强度分布转换为子野序列；第三步，优化每个照射子野的权重。且目前只有部分计划系统支持第三步，因而此方法通常也称为“两步法”。临床应用实践表明，该模式存在如下局限性：
1.在强度分布转换时，计划质量可能变差，本已满足的临床要求可能不再满足；
2.可能会生成一些面积小、形状很不规则的子野，这些子野可能影响患者受照剂量的准确度；
3.子野数目多，MU多，导致治疗时间长。
在两步法的基础上，又有人提出了直接子野优化（directmachineparameteroptimization,DMPO;又称directapertureoptimization,DAO），该方法是一种新的计划设计模式。该模式根据预先给定的最多子野允许数，直接优化确定每个照射野的子野形状和机器跳数，一步确定照射子野序列。国外探索性研究报道认为该方法克服了分步设计模式的部分局限，但不能完全解决上述分步设计模式的第2、3点的局限性。
2、动态滑窗调强
该种调强实现方式与静态子野调强相比，在一定程度上缩短了治疗时间，但与适形放疗相比，治疗时间还是较长。同时，由于该种调强方式要求叶片运动必须要与输出强度调制同步，对加速器的控制要求较高。此种调强方式下，一旦控制系统或光栅运行的可靠性出现问题，对治疗的影响较大，而对于自动多叶光栅这种精密设备，长期运行在射线辐照条件下，是不可能不出现故障的。因此，亟待出现一种安全、可靠、射线利用率高且治疗时间较短的调强方式。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，具有：
多个在准直器射束方向近似平行的独立的柱体，
所述每个柱体内部具有多个高度不一致的单元块，每个柱体内的多个单元块中填充有同种占位材料或同种衰减材料或者填充有至少两种不同衰减率的材料；光源经过所述的多个柱体，形成多个辐射强度不同的子野。
所述每个柱体具有与其它所述柱体一致的高度。
所述的每个柱体内部的多个单元块沿射束方向的高度，按式m×2n，m=1、2、3、4…,n=0、1、2、3、4…递增。
所述每个柱体内填充的单元块的数量和高度与其它柱体内部单元块的数量和高度一致。
所述两种衰减率不同的衰减材料中，衰减率低的材料为占位材料，衰减率高的材料为衰减材料；填充占位材料的单元块为占位块，填充衰减材料的单元块为衰减块。
一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅的设置方法，具有如下步骤：
—将准直器照射方向的射野区域划分为一个二维矩阵；每个矩阵元在射束方向设置一柱体；
—计算所述二维矩阵中每个矩阵元对射线的衰减程度，根据每个矩阵元对射线衰减程度的不同，将所述矩阵元对应的柱体，划分为多个单元块；在每个柱体的多个单元块中填充同种占位材料或同种衰减材料或者填充有至少两种不同衰减率的材料。
将所述每个柱体划分成多个单元块的步骤中，同一柱体在射束方向的多个单元块的高度按m×2n，m=1、2、3、4…,n=0、1、2、3、4…递增。
所述每个矩阵元对射线衰减率的计算方法如下：
以窄束方式计算射线衰减率，利用公式：
I=I0e-μx
式中，μ为射线的衰变常数，x为射线穿过衰减材料的厚度；I/I0：经过不同厚度的衰减材质的射线强度与初始强度的比值。
所述不同衰减率的衰减材料中，衰减率低的材料为占位材料；衰减率高的材料为衰减材料。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅及其设置方法，既不会生成面积小、形状不规则的子野而影响患者受照剂量的准确度，又不会生成很多子野而导致治疗时间长。该方法和适形治疗一样，不用拆分子野或优化子野序列，直接一步到位形成所需要的强度分布。同时还具有安全、可靠、易于验证的优点，尤其是节省了治疗机的出束时间，提高治疗效率的同时延长了治疗机的有效使用寿命。
本专利为国家国际科技合作专项资助（项目编号：2012DFA10700）科研成果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的多粒光栅示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，主要由多个相互独立的柱体组成，所述的多个柱体在准直器的射束方向近似平行。
在每个独立的柱体内部被划分成多个不同高度的单元块（单元粒），为了能够产生对放射线不同的衰减率，每个单元块中分别填充有不同衰减率的衰减材料。
对于不同衰减率的柱体，其内部不同的单元块填充的材质也不相同，比如在矩阵元中，起占位作用的矩阵元对应的柱体内部，只需要填充一种对射线衰减率低的材料，即占位材料即可。在矩阵元中，主要起衰减作用的矩阵元对应的柱体内部，根据实际对射线的衰减率，结合现有的衰减材质，在柱体中不同的单元块中填充不同衰减率的材质，填充高衰减率材质的单元块作为该柱体的衰减块，填充低衰减率低材质的单元块作为该柱体的占位块。
所述每个柱体内部所填充的单元块（单元粒）的高度按照一定的顺序摆放，作为一个较佳的实施方式，由靠近放射线源的一端开始依次增加，优选的，按式m×2n，n=0、1、2、3、4…，m=0、1、2、3、4…递增。
实际安装时，计算每个柱体对应的衰减率，根据现有的衰减材料的衰减特性，判定该柱体中所需要的衰减材料的厚度，选择该柱体中厚度一致的单元块，将衰减材料填充在所述的单元块中，该柱体的其余单元块填充无衰减的占位材料即可。
一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅的设置方法，主要包括如下步骤：
将准直器照射方向的射野（与照射方向垂直的投影面）切分为一个二维矩阵。
根据每个矩阵元对应的不同的衰减率，计算每个矩阵元中填充的单元块（单元粒）的数量和种类。作为一种实施方式：
沿射束方向的单元块高度，按m×2n，m=0、1、2、3、4…；n=0、1、2、3、4…的规律，以该柱体靠近射线源的一端为起始端，将所述柱体划分成满足m×2n递增关系的多个单元块（单元粒）。
计算所述矩阵中每个矩阵元对放射线的衰减率，作为一个较佳的实施方式，以窄束的方式计算每个矩阵元的衰减率，利用公式：
I=I0e-μx
式中，μ为射线的衰变常数，x为射线穿过衰减材料的厚度；I/I0：经过不同厚度的衰减材质的射线强度与初始强度的比值。
计算出每个矩阵元对应的衰减率后，根据该衰减率和衰减材料的物理特性，结合计算出每个柱体中各单元块的厚度（高度），确定每个矩阵元所在柱体中哪些单元块（单元粒）中填充衰减材料，即为衰减块（衰减粒），哪些单元块中填充占位材料，即为占位块（占位材料）。
作为另一个较佳的实施方式，也可以用规律性变化的射线衰减率组合，反向计算出立体衰减粒的高度及材料，来满足该BEV射束方向的强度分布要求。
实施例1，
沿BEV方向射野大小为200mm×200mm，二维矩阵由20×20个矩阵元组成，即每个矩阵元大小为10mm×10mm，柱体高度组合设置成2×2n，其中一个矩阵元的射线透过率为86%为例：
使用6MV的X射线，用钨合金进行屏蔽，即以钨作为衰减材料。
以窄束方式计算射线衰减率：
I=I0e-μx＝I0e-0.0418ρx
其中：μ为射线的衰变常数：μ＝0.0418ρ；钨合金密度（ρ）取值：17.8g/cm3；x：射线穿过的钨合金厚度；I/I0：经过不同厚度钨合金后的强度与初始强度的比值。射线经过不同厚度钨合金后的衰减值详见下表：
满足其中一个矩阵元（即传统光栅中的笔形束，本专利中所述的柱体）的射线透过率为86%有多种衰减粒和材料组合，下面列举其中的一种：每个矩阵元柱体以2×2n（n=0、1、2、3、4…）组合高度为例，柱体总高为62mm，由2mm、4mm、8mm、16mm、32mm五个衰减粒组成，其中2mm高衰减粒为钨合金，另外四个衰减粒为低衰减性质的材料（本文中认为其对射线没有衰减），射线经过该矩阵元后强度约衰减为原来的86%。
如图1所示：20×20个灰色方块组成的二维矩阵，代表沿BEV方向200mm×200mm大小的射野，每个矩阵元大小为10mm×10mm。图中黑色表示的矩阵元为要满足射线透过率为86%的笔形束，右侧柱体黑色代表钨合金（衰减材料的“衰减粒”），白色代表低衰减性质的材料（占位材料的“占位粒”），数值代表每个衰减粒沿射线方向的高度值。
以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，具有：
多个在准直器射束方向近似平行的独立的柱体，
所述每个柱体内部具有多个高度不一致的单元块，每个柱体内的多个单元块中填充有同种占位材料或同种衰减材料或者填充有至少两种不同衰减率的材料；光源经过所述的多个柱体，形成多个辐射强度不同的子野。
2.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，其特征还在于：所述每个柱体具有与其它所述柱体一致的高度。
3.根据权利要求1所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，其特征还在于：所述的每个柱体内部的多个单元块沿射束方向的高度，按式m×2n，m=1、2、3、4…,n=0、1、2、3、4…递增。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，其特征还在于：所述每个柱体内填充的单元块的数量和高度与其它柱体内部单元块的数量和高度一致。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅，其特征还在于：所述两种衰减率不同的衰减材料中，衰减率低的材料为占位材料，衰减率高的材料为衰减材料；填充占位材料的单元块为占位块，填充衰减材料的单元块为衰减块。
6.一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅的设置方法，具有如下步骤：
—将准直器照射方向的射野区域划分为一个二维矩阵；每个矩阵元在射束方向设置一柱体；
—计算所述二维矩阵中每个矩阵元对射线的衰减程度，根据每个矩阵元对射线衰减程度的不同，将所述矩阵元对应的柱体，划分为多个单元块；在每个柱体的多个单元块中填充同种占位材料或同种衰减材料或者填充有至少两种不同衰减率的材料。
7.根据权利要求6所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅的设置方法，其特征还在于：将所述每个柱体划分成多个单元块的步骤中，同一柱体在射束方向的多个单元块的高度按m×2n，m=1、2、3、4…,n=0、1、2、3、4…递增。
8.根据权利要求6所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅的设置方法，其特征还在于：所述每个矩阵元对射线衰减率的计算方法如下：
以窄束方式计算射线衰减率，利用公式：
I=I0e-μx
式中，μ为射线的衰变常数，x为射线穿过衰减材料的厚度；I/I0：经过不同厚度的衰减材质的射线强度与初始强度的比值。
9.根据权利要求6-8任意一项权利要求所述的一种用于肿瘤调强放疗的多粒光栅的设置方法，其特征还在于：所述不同衰减率的衰减材料中，衰减率低的材料为占位材料；衰减率高的材料为衰减材料。
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