CN103536302B - 基于tps的三维剂量分布差异分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于TPS的三维剂量分布差异分析方法及系统，通过对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；根据虚拟辐射参数和预定剂量值，计算得到模拟三维剂量分布信息；控制医用加速器进行照射测试得到实测射野通量信息，计算得到实测三维剂量分布信息；对模拟和实测的三维剂量分布信息进行对比处理，对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表,有效解决了使用均匀体模与实际人体情况密度分布不同的问题，计算结果更为准确；而且本发明还会对差异程度较高的空间位置进行标识，并且生成差异统计表，使研究人员可以更加直观方便地了解具体情况。本发明可广泛应用于放疗研究领域中。

Description

基于TPS的三维剂量分布差异分析方法及系统

技术领域

本发明涉及放疗研究领域，尤其涉及一种基于TPS的三维剂量分布差异分析方法及系统。

背景技术

TPS，放射治疗计划系统。放射治疗是目前癌症的重要治疗手段之一，在采用常用的三维适形、调强放疗和三维立体定向放疗等精确放疗技术对病人进行放疗之前，需要利用放疗计划系统拟订病人的放射治疗计划。在正式实施治疗前，为了验证测试实际实施的照射剂量是否与计划系统计算所得的期望剂量一致，通常采用所谓的“均匀体模计划移植间接类比法”，其步骤如下：

1、按照临床放疗要求，医务人员对患者进行CT扫描，并在TPS中进行病人放疗计划设计；

2、用CT扫描有机玻璃、或固体水制作的均匀模体，获得体模的CT图像。这些模体中可插入电离室进行点剂量测量，或插入二维空气/半导体电离室矩阵、胶片等进行平面剂量分布测量；

3、将体模的CT图像输入放疗计划系统中，进行体模的三维重建，同时获取体模的三维密度信息；

4、利用TPS将病人放疗计划的全部照射参数移植到该体模CT图像中，在体模内再次进行剂量分布计算，得到体模中电离室测量点的剂量值，以及电离室矩阵测量面/胶片所在平面的二维剂量分布；

5、按照计划设计参数，控制医用加速器，对体模中进行模拟照射，在照射过程中，用电离室测量关注点的剂量值，或用电离矩阵/胶片对关注平面进行二维剂量分布测量，再将所测剂量值或二维剂量分布与第4步的体模中计算值进行比较。

显然，上述方法存在以下不足：

上述方法中采用的均匀体模通常只包含一种或几种（2-3种）相对均匀密度材料，与人体中各种各样的肌肉组织、肺组织、骨组织、软骨组织、空腔等在密度、形态及空间分布等方面有显著差异，对射线的影响也不一样，因此，把放疗计划移植到均匀体模进行类比，忽略了不同组织密度及其界面对射线的影响；这种方法在模拟和实测时分别采用不同的剂量计算模型进行计算，其计算结果的差异比较不够准确，而且没有对剂量分布差异进行统计分析，使得研究人员不能清楚了解差异的具体情况以及其所在的空间位置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能自动对计划设计的三维剂量分布和实际受辐照的三维剂量分布的差异进行计算的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法。

本发明的另一个目的是提供一种能自动对计划设计的三维剂量分布和实际受辐照的三维剂量分布的差异进行计算的基于TPS的三维剂量分布差异分析系统。

本发明所采用的技术方案是：

基于TPS的三维剂量分布差异分析方法，包括以下步骤：

A、对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；

B、根据虚拟辐射参数和预定剂量值，并结合CT图像，计算得到模拟三维剂量分布信息；

C、控制医用加速器进行照射测试得到实测射野通量信息，并根据CT图像，计算得到实测三维剂量分布信息；

D、对模拟三维剂量分布信息和实测三维剂量分布信息进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述的步骤B包括：

B1、根据CT图像，进行人体三维虚拟图像重建；

B2、根据虚拟辐射参数、预定剂量值和人体的三维密度分布信息，按照剂量计算模型进行计算，得到在特定照射方式下每个照射角度的模拟射野通量信息，进而计算出模拟三维剂量分布信息。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述步骤C包括：

C1、控制医用加速器进行照射测试，得到每个机架角度的实测射野通量信息；

C2、根据实测射野通量信息、CT图像和人体的三维密度分布信息，按照与步骤B2中相同的剂量计算模型进行计算，得到实测三维剂量分布信息。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述的分布差异信息包括点剂量信息、特定层面的二维剂量分布信息和剂量体积直方图。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述的特定层面包括横断面、冠状面和矢状面。

本发明所采用的另一技术方案是：

基于TPS的三维剂量分布差异分析系统，包括：

CT图像获取模块，用于对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；

模拟信息计算模块，用于根据虚拟辐射参数和预定剂量值，并结合CT图像，计算得到模拟三维剂量分布信息；

实测信息计算模块，用于控制医用加速器进行照射测试得到实测射野通量信息，并根据CT图像，计算得到实测三维剂量分布信息；

差异分析模块，用于对模拟三维剂量分布信息和实测三维剂量分布信息进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析系统的进一步改进，所述模拟信息计算模块包括：

图像重建模块，用于根据CT图像，进行人体三维虚拟图像重建；

模拟三维剂量分布信息计算模块，用于根据虚拟辐射参数、预定剂量值和人体的三维密度分布信息，按照剂量计算模型进行计算，得到在特定照射方式下每个照射角度的模拟射野通量信息，进而计算出模拟三维剂量分布信息。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析系统的进一步改进，所述实测信息计算模块包括：

实测射野通量信息测试模块，用于控制医用加速器进行照射测试，得到每个机架角度的实测射野通量信息；

实测三维剂量分布信息计算模块，用于根据实测射野通量信息、CT图像和人体的三维密度分布信息，按照与模拟三维剂量分布信息计算模块中相同的剂量计算模型进行计算，得到实测三维剂量分布信息。

本发明的有益效果是：

本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法通过对人体进行断层扫描得到CT图像，有效解决了使用均匀体模与实际人体情况密度分布不同的问题，计算结果更为准确；在模拟和实测的计算中均采用相同的剂量计算模型，其结果的可比性更高，而且本发明还会对差异程度较高的空间位置进行标识，并且生成差异统计表，使研究人员可以更加直观方便地了解具体情况。

本发明的另一个有益效果是：

本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析系统通过CT图像获取模块、模拟信息计算模块、实测信息计算模块和差异分析模块对人体进行断层扫描得到CT图像，有效解决了使用均匀体模与实际人体情况密度分布不同的问题，计算结果更为准确；在模拟和实测的计算中均采用相同的剂量计算模型，其结果的可比性更高，而且本发明还会对差异程度较高的空间位置进行标识，并且生成差异统计表，使研究人员可以更加直观方便地了解具体情况。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的步骤流程图；

图2是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法步骤B的步骤流程图；

图3是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法步骤C的步骤流程图；

图4是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析系统的系统方框图。

具体实施方式

参照图1，图1是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的步骤流程图，结合图1，基于TPS的三维剂量分布差异分析方法，包括以下步骤：

A、对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；

B、根据虚拟辐射参数和预定剂量值，并结合CT图像，计算得到模拟三维剂量分布信息；

C、控制医用加速器进行照射测试得到实测射野通量信息，并根据CT图像，计算得到实测三维剂量分布信息；

D、对模拟三维剂量分布信息和实测三维剂量分布信息进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

图2是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法步骤B的步骤流程图，作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述的步骤B包括：

B1、根据CT图像，进行人体三维虚拟图像重建；

B2、根据虚拟辐射参数、预定剂量值和人体的三维密度分布信息，按照剂量计算模型进行计算，得到在特定照射方式下每个照射角度的模拟射野通量信息，进而计算出模拟三维剂量分布信息。

图3是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析方法步骤C的步骤流程图，作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述步骤C包括：

C1、控制医用加速器进行照射测试，得到每个机架角度的实测射野通量信息；

C2、根据实测射野通量信息、CT图像和人体的三维密度分布信息，按照与步骤B2中相同的剂量计算模型进行计算，得到实测三维剂量分布信息。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述的分布差异信息包括点剂量信息、特定层面的二维剂量分布信息和剂量体积直方图。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法的进一步改进，所述的特定层面包括横断面、冠状面和矢状面。

图4是本发明基于TPS的三维剂量分布差异分析系统的系统方框图，基于TPS的三维剂量分布差异分析系统包括：

CT图像获取模块，用于对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；

模拟信息计算模块，用于根据虚拟辐射参数和预定剂量值，并结合CT图像，计算得到模拟三维剂量分布信息；

实测信息计算模块，用于控制医用加速器进行照射测试得到实测射野通量信息，并根据CT图像，计算得到实测三维剂量分布信息；

差异分析模块，用于对模拟三维剂量分布信息和实测三维剂量分布信息进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析系统的进一步改进，所述模拟信息计算模块包括：

图像重建模块，用于根据CT图像，进行人体三维虚拟图像重建；

模拟三维剂量分布信息计算模块，用于根据虚拟辐射参数、预定剂量值和人体的三维密度分布信息，按照剂量计算模型进行计算，得到在特定照射方式下每个照射角度的模拟射野通量信息，进而计算出模拟三维剂量分布信息。

作为所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析系统的进一步改进，所述实测信息计算模块包括：

实测射野通量信息测试模块，用于控制医用加速器进行照射测试，得到每个机架角度的实测射野通量信息；

实测三维剂量分布信息计算模块，用于根据实测射野通量信息、CT图像和人体的三维密度分布信息，按照与模拟三维剂量分布信息计算模块中相同的剂量计算模型进行计算，得到实测三维剂量分布信息。

其中，所述的剂量计算模型可以为光子线计算模型、电子线计算模型和质子线计算模型等，其计算流程为：1、计算射线经过加速器机头装置约束后的二维能量注量矩阵；2、沿射线的锥形发射方向，计算人体组织中的单位比释动能；3、将能量沉淀卷积核作用于单位比释动能，得到最终的三维剂量分布信息。

以光子线计算模型为例：

1、计算射线经过加速器机头装置约束后的二维能量注量矩阵。

光子射线从加速器机头的偏转线圈出来后，经一级准直器、均整块、二级准直器、MLC或铅挡块等装置约束后，在机头下方会得到治疗计划所需的射野，此时，在垂直于射野中心轴的平面可以计算得到该平面的能量注量。

2、沿射线的锥形发射方向，计算人体组织中的单位比释动能。

从加速器机头出来的光子射线沿射线的锥形发射方向，先到达人体皮肤，然后穿透人体组织，最后从另一侧射出，在这个穿透过程中能量不断被人体组织吸收而衰减，这样在穿透路径上的每一个点都将获得不同的初始动能，即比释动能。

在计算比释动能时，先对CT图像进行网格划分，然后跟综射线的穿透路径，确定在此路径上的所有网格单元的位置，最后按能量衰减系数对此射线上的能量注量进行修正，同时考虑人体组织密度、入射角度、有效穿透深度等因素的影响。

3、将能量沉淀卷积核作用于单位比释动能，得到最终的三维剂量分布信息。

光子射线与人体组织相互作用主要是康谱顿效应，在此效应中，光子线将大部分能量交给碰撞物质，剩下一小部分能量交给次级散射光子，而次级散射光子将再与其它人体组织发生作用，可能产生下一级的散射光子，再与另外的组织发生作用，直到光子能量衰减完毕或穿透出人体组织为止。因此，为了得到准确的剂量分布，须考虑次级光子对人体组织的剂量贡献。

在均匀介质中，不同能量的光子有相应的扩散卷积核。次级散射光子的能量存在于步骤2的比释动能中，结合光子能谱表和卷积核，与比释动能进行卷积计算，可以次级光子对人体组织的贡献剂量，同样对于下一级光子，也是如此。

对于单一射野，按照上述3个步骤，即可得到此射野在人体组织的剂量分布。对于有多个子野的情况，同样可先单独计算每个子野的剂量信息，最后进行累加，即可得到合成的剂量分布。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.基于TPS的三维剂量分布差异分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；

B、根据CT图像，进行人体三维虚拟图像重建；

C、根据虚拟辐射参数、预定剂量值和人体的三维密度分布信息，按照剂量计算模型进行计算，得到在特定照射方式下每个照射角度的模拟射野通量信息，进而计算出模拟三维剂量分布信息；

D、控制医用加速器进行照射测试，得到每个机架角度的实测射野通量信息；

E、根据实测射野通量信息、CT图像和人体的三维密度分布信息，按照与步骤C中相同的剂量计算模型进行计算，得到实测三维剂量分布信息；

F、对模拟三维剂量分布信息和实测三维剂量分布信息进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。

2.根据权利要求1所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法，其特征在于：所述的分布差异信息包括点剂量信息、特定层面的二维剂量分布信息和剂量体积直方图。

3.根据权利要求2所述的基于TPS的三维剂量分布差异分析方法，其特征在于：所述的特定层面包括横断面、冠状面和矢状面。

4.基于TPS的三维剂量分布差异分析系统，其特征在于，包括：

CT图像获取模块，用于对人体进行断层扫描，得到人体的CT图像，进而得到人体的三维密度分布信息；

图像重建模块，用于根据CT图像，进行人体三维虚拟图像重建；

模拟三维剂量分布信息计算模块，用于根据虚拟辐射参数、预定剂量值和人体的三维密度分布信息，按照剂量计算模型进行计算，得到在特定照射方式下每个照射角度的模拟射野通量信息，进而计算出模拟三维剂量分布信息；

实测射野通量信息测试模块，用于控制医用加速器进行照射测试，得到每个机架角度的实测射野通量信息；

实测三维剂量分布信息计算模块，用于根据实测射野通量信息、CT图像和人体的三维密度分布信息，按照与模拟三维剂量分布信息计算模块中相同的剂量计算模型进行计算，得到实测三维剂量分布信息；

差异分析模块，用于对模拟三维剂量分布信息和实测三维剂量分布信息进行对比处理，得到分布差异信息并对差异值大于预设阈值的空间位置进行标识，进而生成差异统计表。