CN104307115A - 动态电子限光筒、电子容积调强拉弧放射治疗系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种动态电子限光筒、电子容积调强拉弧放射治疗系统及方法，动态电子限光筒包括：主屏蔽体，具有通孔，所述通孔供电子射束穿过；限束器，位于所述主屏蔽体之外且沿所述通孔的轴向位于所述主屏蔽体的一端，与所述主屏蔽体之间通过连接部连接；所述限束器具有叶片，所述叶片围绕形成一可供电子射束通过的射野，所述射野的形状可通过所述叶片的移动来调节。解决了现有电子限光筒的射野不能调节的问题。

Description

动态电子限光筒、电子容积调强拉弧放射治疗系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种动态电子限光筒、电子容积调强拉弧放射治疗系统及方法。

背景技术

目前临床广泛开展的放射治疗中有一个重要的概念：射野。放射治疗中，用射束从病人体表穿入、对需要照射的病变区域(称为靶区)进行照射，射野就是医生希望射束照射在病人体表上的范围。治疗中，射野形状应当尽量与靶区形状匹配(此时的射野称为适形射野)，否则，有可能会损害靶区附近的器官(称为危及器官)，甚至危及病人的生命安全。

放射治疗包括光子放射治疗和电子放射治疗，光子放射治疗采用光子射束作为照射源，而电子放射治疗则用电子射束作为照射源。临床上普遍用多叶光栅来限定和调节光子射束的射野。但是由于光子和电子的性质不同，用于光子放射治疗的多叶光栅无法对电子射束的射野进行调节，目前临床上采用电子限光筒来限定电子射束的射野。

如图1所示，传统的电子放射治疗系统包括具有放射源的直线加速器、准直设备，以及安装于准直设备下游的钨门和电子限光筒，其中准直设备可以内置于直线加速器中。放射源产生的电子射线通过准直设备形成平行的电子射束，再依次经过钨门和电子限光筒到达病人体表及靶区。

在电子放射治疗系统中，电子限光筒是对电子射束起限束作用的主要部件，其功能是限制允许通过的电子射束的宽度，形成照射在病人体表的射野。

如图2所示，电子限光筒包括中空的主屏蔽体1以及分别位于主屏蔽体1下游的接触板2和位于主屏蔽体1上游的安装板3，接触板2和安装板3均具有开口，主屏蔽体1与接触板2之间通过连接杆4固定连接。使用时，安装板3用于与上游设备连接，接触板2用于限定放射源与病人体表的距离。电子射束从安装板3进入电子限光筒，从接触板2穿出并到达病人体表。主屏蔽体1内侧设有限束层(图中未示出)、用于限定主屏蔽体1的内部沿垂直于射线方向截面的开口大小。安装板3对电子射束进行一级限束，主屏蔽体1通过其内壁对电子射束进行二级限束，接触板2对电子射束进行三级限束。电子射束穿过安装板3、主屏蔽体1和接触板2之后，射野基本确定，且不可改变。也就是说，电子限光筒的射野固定不变(称为静态射野)，为了得到适形射野，医生一般需要以一个静态射野或多个静态射野从不同角度对病人照射，同时配合为每个病人单独制作的铅挡板来进行适形。

上述系统具有以下缺陷：

第一，每一电子限光筒对应一个静态射野，如果治疗时要改变电子限光筒的射野，必须手动更换电子限光筒或利用铅挡板进行适形调整，这将增加治疗师的工作量和治疗时间。

第二，为了更好地适应病人身体的弧形轮廓、并覆盖较大面积的靶区，实际应用中通过使电子限光筒围绕一旋转中心旋转、进行电子拉弧放射治疗来实现。拉弧治疗时，通常选取在电子限光筒可旋转的弧度范围内、将电子照射源沿各电子射束中轴到皮肤距离相等的点作为等中心点，使得电子限光筒围绕等中心点旋转。这样的目的是为了保证电子限光筒的接触板到病人体表的距离(称为源皮距)不变，以达到保持电子射束的半影不变和避免撞伤病人的目的。现有技术提出在治疗时动态地移动治疗床，即移动病人来实现源皮距不变，但这种治疗方法的缺点在于：一方面，不断地移动病人容易导致摆位误差，同时也使得治疗计划的制定变得更加复杂；另一方面，由于病人体表为弧形轮廓，在每次治疗时，身体轮廓都可能发生变化，且现有电子限光筒的尺寸固定，因此，即使采用移动治疗床的方式，也很难保证在治疗时能真正避免撞伤病人。

发明内容

本发明解决的问题是传统的电子限光筒无法调节射野形状，且在治疗时不能实时考虑病人身体的实际轮廓位置，无法真正避免撞伤病人。

为解决上述问题，本发明提供一种动态电子限光筒，包括：

主屏蔽体，具有通孔，所述通孔供电子射束穿过；

限束器，位于所述主屏蔽体之外且沿所述通孔的轴向位于所述主屏蔽体的一端，与所述主屏蔽体之间通过连接部连接；

所述限束器具有叶片，所述叶片围绕形成一可供电子射束通过的射野，所述射野的形状可通过所述叶片的移动来调节；

或者，所述限束器具有与所述连接部连接的框架，以及与所述框架可拆卸连接的限束层，所述限束层限定了一射野。

可选的，所述叶片具有多个，沿所述通孔的径向方向，多个叶片分布于多个径向平面中；

每一叶片能够相对于同一径向平面内的其他叶片平行移动，以调节所述射野的形状。

可选的，所述叶片与所述径向平面平行。

可选的，沿射线照射方向，叶片材料对应的原子序数升高。

可选的，所述连接部可相对于所述主屏蔽体伸长或缩短。

可选的，所述连接部能够在外力作用下朝向所述主屏蔽体收缩，收缩后处于伸长方向锁止状态。

可选的，所述连接部上设有机械锁，允许所述连接部朝向所述主屏蔽体收缩，并将所述连接部沿伸长方向锁止。

可选的，所述限束器上设有状态反馈装置，用于监测所述限束器与病人体表之间的距离以及所述射野的形状信息，并用于将监测到的信息反馈给一信息接收端。

本发明还提供一种电子容积调强拉弧放射治疗系统，包括：

上述任一项所述的动态电子限光筒。

可选的，还包括控制单元，用于控制所述动态电子限光筒中叶片的移动，使得叶片移动后形成的射野与目标射野相一致。

可选的，所述动态电子限光筒能够将实时的射野形状信息传输给所述控制单元，所述控制单元包括：

信息存储模块，用于储存目标射野形状信息；

信息接收模块，作为信息接收端，用于接收所述动态电子限光筒传输的实时射野形状信息；

比较模块，用于比较实时的射野形状与目标射野形状；

指示模块，用于根据所述比较模块的结果向所述叶片发送移动指示，使得所述叶片围成的射野形状与目标射野形状相一致。

可选的，所述动态电子限光筒的上游具有钨门，所述钨门的开口大小与所述动态电子限光筒的射野形状相对应；

所述钨门和所述动态电子限光筒共同作用形成电子射束在病人体表的适形射野。

本发明还提供一种电子容积调强拉弧放射治疗方法，包括：控制上述任一项所述的动态电子限光筒中叶片的移动以调整射野的形状，使得调整后的射野与目标射野相一致。

可选的，还包括：

根据用户的指定要素确定拉弧放射的各个控制点，所述控制点是电子射束的角度、强度以及所述动态电子限光筒的射野发生改变的点；

根据用户的指定要素确定每相邻两个控制点之间的所述电子射束的射线强度和总剂量值。

可选的，还包括：

设定所述动态电子限光筒到病人体表的距离；

根据设定的距离调整所述动态电子限光筒的连接部在各个控制点伸长的长度。

可选的，所述指定要素包括：靶区形状及危及器官的位置，靶区的目标剂量，危及器官的剂量约束，等中心点位置，电子容积调强拉弧放射治疗模式，拉弧治疗的起始、终止角度。

可选的，采用蒙特卡罗算法作为剂量计算方法，算出病人体内的剂量分布；

采用逆向优化方法调整所述动态电子限光筒在各个控制点的射野形状、以及每两相邻控制点之间电子射束的射线强度和总剂量值，直到95％以上靶区达到所述目标剂量，且满足所述危及器官的剂量约束。

可选的，所述逆向优化方法为模拟退火算法，列产生算法，SQP算法中的一种。

可选的，所述动态电子限光筒的上游还设有钨门，根据所述动态电子限光筒的射野形状确定所述钨门的开口大小。

可选的，所述钨门开口大小的确定方法为：

在所述动态电子限光筒的最大射野和最小射野之间的范围内选取若干离散的射野值；

获得每一离散射野值所需匹配的钨门开口大小；

采用插值或者拟合方法，获得所述动态电子限光筒的射野形状与钨门开口大小之间的关系曲线，以确定所述动态电子限光筒的每一实时射野所需匹配的钨门开口大小。

可选的，获得每一离散射野值所需匹配的钨门开口大小的方法为：

将所述动态电子限光筒的射野固定于一离散射野值，使电子射束依次穿过所述钨门和所述动态电子限光筒后照射在水模体中，获得电子射束在水模体中的剂量分布；

调整所述钨门开口大小，使得所述剂量分布的均整度、半影、光子污染、漏射满足用户设定的标准，并将得到的钨门开口大小与对应的离散射野值相匹配。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

动态电子限光筒的射野可以通过更换限束层，或者通过移动限束层的叶片来进行调节，使得动态电子限光筒的射野可以调节；相比于现有用铅挡板的方式来调节射野的方式，调节方式简单易行，可以显著降低治疗师的劳动量、节约治疗时间。

进一步，动态电子限光筒中限束层的叶片材料的原子序数沿射线照射方向升高，原子序数较低的部分可以吸收射线中能量较低的电子，原子序数较高的部分可以吸收射线中的光子，减小射束中的低能电子和光子，使得照射到病人皮肤表面的射线具有较好的均整度，减小电子和光子污染；

进一步，动态电子限光筒的连接部可以在外力的作用下自动朝向主屏蔽体收缩，但不能自动伸长，因此在治疗时，一旦限光筒碰到病人，则能够自动缩短，而不会在重力或其他外部机械力的作用下朝向病人伸长，避免撞伤病人。

进一步，将动态电子限光筒用于电子容积调强拉弧放射治疗系统进行拉弧治疗，一方面可以通过动态调节动态电子限光筒的长度来更好地适应病人的弧形身体轮廓，而不需要固定源皮距；另一方面，根据特定的靶区形状，通过逆向优化算法能够精确地计算在相邻两控制点之间的射野形状以及射线强度，以实现靶区剂量分布均匀，不需要用户手动调整。

附图说明

图1示出现有电子放射治疗系统中的组成部件；

图2是现有电子放射治疗系统中电子限光筒沿主视方向的结构示意图；

图3是现有电子放射治疗中采用包络进行电子调强的示意图；

图4示出了不同能量的电子在水模中的剂量曲线；

图5是现有电子放射治疗中采用多个不同电子能量射野拼接进行电子调强的示意图；

图6是本发明实施例中动态电子限光筒的立体示意图；

图7是本发明实施例的动态电子限光筒的限束器沿射线方向的俯视图；

图8是本发明实施例电子容积调强拉弧放射治疗系统的组织结构示意图；

图9图8的治疗实施控制装置中第一控制单元的模块图；

图10是图9中第一控制单元的工作流程图；

图11是图8的治疗实施控制装置中第二控制单元的模块图；

图12是图11中第二控制单元的工作流程图；

图13是本发明实施例电子容积调强拉弧放射治疗的示意图。

具体实施方式

临床实践表明，从电子限光筒穿出的电子射线虽然可在水模中形成均匀的剂量分布，但由于病人体表轮廓为弧形，体内组织密度不均匀，靶区形状不规则，因此当电子射束照射在病人身上时，难以保证靶区剂量均匀。

为弥补上述不足，保证靶区的剂量均匀，医学界提出了电子调强(即调整电子强度)放射治疗。目前，电子调强放射治疗有三种实现方式：

第一种是采用为病人定制的包络(Bolus)实现电子调强。如图3所示，包络B由与人体组织等效的材料制成，治疗时放置在病人体表S，通过让电子束R穿过厚薄不均的包络B来产生不均匀的电子强度分布，以此实现靶区T剂量均匀。这种方式的缺点在于必须使用较高的电子能量才能保证射线电子束能穿透包络，意味着病人的皮肤以及靶区T附近的危及器官D会受到较高的照射剂量，有损病人的健康。

第二种是采用多个不同电子能量的射线射野拼接进行电子调强，参照图4-5，图4中，横坐标代表水模深度，纵坐标代表深度剂量，各个曲线代表不同能量的电子在水模不同深度中的剂量。从图4中可以看出，不同能量的射线电子能够穿透的深度不同。利用这一特性，临床采用多个不同电子能量的射线电子束的静态射野进行拼接实现对靶区不同位置电子射线的调强(如图5所示)。这种方式的缺点在于对于不同射野需要制作不同形状的铅挡板，然后在治疗过程中手动更换铅挡板，同样会增加治疗师的工作量和治疗时间。而且，在不同能量的电子射束的拼接处，仍旧会出现剂量分布不均匀的情况。

第三种是采用专为电子射束设计的多叶光栅配合不同能量的电子射束进行调强。这种方式的缺点在于成本较高，能形成的射野范围有限，无法覆盖较大的靶区。

总之，目前对于电子放射治疗，只能在静态射野下，通过电子调强的方式来调节放射剂量，以适应病人身体的弧形轮廓，实现靶区剂量均匀。并且，目前主流的电子放射治疗计划多采用正向方法制定，即由用户手动调整射束形状和强度，误差较大。

发明人经过大量的研究和试验，对现有的电子限光筒做了创造性的改进，并利用改进后的电子限光筒提出了一套新的电子放射治疗系统和方法，以解决上述问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本实施例提供一种动态电子限光筒，参照图6，包括：

主屏蔽体10，具有供电子射束穿过的通孔(图中未标注)；

限束器20，位于主屏蔽体10之外且沿通孔的轴向(即与电子射束平行的的方向)位于主屏蔽体10的一端，与主屏蔽体10之间通过连接部30连接；

安装板40，位于主屏蔽体10相对于限束器20的另一端，安装板40上开设有与主屏蔽体10的通孔相通的开口40a。一般情况下，开口40a的大小要大于通孔的口径，使得能够进入主屏蔽体10内的电子射束的直径足够大。照射时，电子射束依次通过安装板40的开口40a、主屏蔽体10的通孔和限束器20到达病人体表。

本实施例中，参照图7，限束器20具有多个叶片21，且围绕形成一可供电子射束通过的射野20a，射野20a的形状可通过叶片21的移动来调节。其中，射野20a的“形状”包括射野的面积(或大小)和边缘形状(例如圆形、方形以及其他规则或不规则的形状)。

在其他实施例中，可以设置成：限束器20具有与连接部30连接的框架，以及与框架可拆卸连接的限束层，限束层限定了一个射野，这个射野为固定射野。在需要更换射野时，只需要将限束层从框架上拆卸下来，然后换上具有合适射野的限束层，通过更换不同的限束层来实现对射野形状的调节。

本实施例中，参照图7所示，叶片21具有四个，分别分布于沿通孔的径向方向的两个径向平面内，每个径向平面分别具有两个叶片21。每个叶片21的叶面均与径向平面平行，且在同一径向平面中的叶片能够相对于彼此平行移动，以调节射野20a的形状。如图7，两叶片21a位于第一径向平面，两叶片21b位于第二径向平面，四个叶片环绕形成一个射野20a。当叶片21a或叶片21b相对于彼此平行移动时，可以实现射野20a的放大或缩小，以此来实现射野可调。

需要注意的是，为了避免漏射，叶片21的外边缘沿径向伸出通孔所覆盖的区域。这样可以避免叶片21在移动过程中，由于叶片21的外边缘与通孔内壁之间形成径向空隙而造成漏射。

在其他实施例中，叶片的数量不限于上述值，叶片也可以分布于多个径向平面中，只要能够环绕形成一射野，并可相对于彼此移动来调节射野的形状即可。

进一步地，沿射线照射方向，叶片21材料对应的原子序数升高。本实施例中，叶片21具有沿射线照射方向排列的两层，其中靠近安装板40一侧为上层叶片，另一侧的为下层叶片，上层叶片材料的原子序数要低于下层叶片的原子序数。这样设置的目的是：通过原子序数较低的材料(即上层叶片)来吸收电子(主要是低能电子)，并慢化电子，减少韧致辐射光子，原子序数较高的材料(即下层叶片)来吸收光子，这样可以减小射束中的低能电子和光子，使得照射到病人皮肤表面的射线具有较好的均整度，减小电子和光子污染。相反，如果上层的原子序数高于下层或者只有一层原子序数较高的材料，则由于电子直接打到原子序数较高的材料会产生较多的韧致辐射光子以及散射电子，而韧致辐射光子射程达将增加病人正常组织损伤，散射电子则导致病人体表受到照射增加，因此会降低治疗效果，增加风险，因此该方案是次优方案，但仍然是本发明的保护范围内。

进一步地，连接部30可相对于主屏蔽体10伸长或缩短。本实施例中，连接部30能够在外力作用下朝向主屏蔽体10收缩，并在收缩后处于伸长方向锁止状态。这样设置的目的在于，在治疗过程中，如果动态电子限光筒的限束器20与病人体表发生接触，则连接部30能够在人体的作用力下向上收缩，使得限束器20朝向远离病人体表的方向运动，避免撞伤病人。

为了实现连接部30在收缩后处于伸长方向的锁止状态，连接部30上设有机械锁(图中未示出)，允许连接部30朝向主屏蔽体10收缩，并将连接部30沿伸长方向锁止。本实施例中，连接部30由多根连接杆组成，如图6所示，多根连接杆分布于限束器20的外周。

进一步地，限束器20上设有状态反馈装置22，用于实时监测限束器20与病人体表之间的距离以及限束器20的射野20a的形状信息，并用于将监测到的信息反馈给一信息接收端。

其中，可以用距离传感器来监测限束器20与病人体表之间的距离，用形状识别传感器来监测限束器20的射野20a的形状信息。这两类传感器可以集成在一个同一个状态反馈装置中，也可以分别置于两个状态反馈装置内。参照图8，本实施例还提供一种电子容积调强拉弧放射治疗系统，其中图8示出了本实施例中电子容积调强拉弧放射治疗系统的组织结构。系统包括CT模拟机、治疗计划装置、治疗实施控制装置、直线加速器以及上述动态电子限光筒。其中各部件的功能如下：

CT模拟机用于获得病人的初始三维图像。

治疗计划装置用于接收CT模拟机所生成的初始三维图像。医生根据初始三维图像和病人的病情制定治疗计划，并将治疗计划导入治疗计划装置。治疗计划的内容一般包括：靶区形状及危及器官的位置，靶区各个位置的目标剂量，等中心点位置(作为动态电子限光筒旋转时的旋转中心)，电子容积调强拉弧计划的模式(也就是动态电子限光筒的旋转轨迹)，拉弧治疗的起始、终止角度，在拉弧的各个位置所对应的动态电子限光筒的射野形状(也就是目标射野)和限束器20距离病人体表的距离等。治疗计划装置中配备有电子容积调强拉弧优化算法引擎，该算法引擎能够根据医生给定的靶区的目标剂量来计算出下列参数：电子射束照射的角度、需要的射线强度等。

治疗实施控制装置用于接收并执行治疗计划装置中的治疗计划。该装置中设有若干控制单元，分别用于对动态电子限光筒和直线加速器进行控制。其中，包括对叶片21的移动进行控制的第一控制单元、对连接部30的伸缩进行控制的第二控制单元，以及对直线加速器进行控制的第三控制单元。

第一控制单元能够对动态电子限光筒的叶片21的移动进行控制：动态电子限光筒将实时的射野形状信息传输给第一控制单元，第一控制单元控制动态电子限光筒中叶片21的移动、并使得叶片21移动后形成的射野20a与目标射野相一致。

参照图9，第一控制单元包括：

第一信息存储模块，用于储存目标射野形状信息；

第一信息接收模块，作为信息接收端，用于接收动态电子限光筒中状态反馈装置所传输的实时射野形状信息；

第一比较模块，用于比较实时的射野形状与目标射野形状；

第一指示模块，用于根据第一比较模块的结果向叶片21发送移动指示，使得叶片21围成的射野形状与目标射野形状相一致。

参照图10，第一控制单元对叶片21的控制过程如下：

第一信息接收模块接收状态反馈装置所反馈的限束器20的实时射野形状信息，并将该实时射野形状信息传递给第一比较模块；

第一比较模块通过对实时的射野形状与目标射野形状进行比较，并根据比较得出的结果来判定是否需要控制叶片21进行移动：如果比较的结果显示实时的射野形状与目标射野形状不一致，则第一指示模块向限束器20发出指示，控制叶片21移动，使得实时射野形状与目标射野形状一致；如果第一比较模块的结果显示实时的射野形状与目标射野形状一致，则第一指示模块向限束器20发出指示，控制叶片21停止移动，射野调节完毕。

参照图11，第二控制单元的组成与第一控制单元类似，包括：

第二信息存储模块，用于储存用户设定限束器与病人体表的距离大小信息；

第二信息接收模块，用于接收动态电子限光筒中状态反馈装置所传输的实时距离大小信息；

第二比较模块，用于比较实时的距离大小与用户设定的距离大小；

第二指示模块，用于根据第二比较模块的结果向连接部30发送移动指示，控制连接部30伸长或缩短，以使得限束器与病人体表之间的实时距离大小与用户设定的距离大小相一致。

参照图12，第二控制单元对连接部30的控制过程如下：

第二信息接收模块接收状态反馈装置所反馈的限束器与病人体表的实时距离大小信息，并将该实时距离大小信息传递给第二比较模块；

第二比较模块通过对实时的距离大小与用户设定的距离大小进行比较，并根据比较得出的结果来判定是否需要控制连接部30进行伸长或缩短：如果比较的结果显示实时的距离大小与用户设定的距离大小不一致，则第二指示模块向连接部30发出伸长或缩短的指示，连接部30进行相应的伸缩，使得实时距离大小与设定的距离大小一致；如果第二比较模块的结果显示实时的距离大小与用户设定的距离大小一致，则第二指示模块向连接部30发出指示，连接部30停止伸缩，连接部30的长度调节完毕。

第三控制单元能够根据治疗计划中指定的目标剂量来判定所需要的射线的强度，并向直线加速器的放射源发出指令，使其产生符合强度要求的射线。

直线加速器为电子直线加速器，其中集成有准直器。本实施例的直线加速器可以产生两种或两种以上能量的射线，不同能量的射线经过准直器后能够形成不同能量的电子射束，以满足不同的照射要求。

另外，直线加速器中还集成有锥束CT装置，用于在治疗前对病人进行扫描，以获得重建的三维图像，并提供给医生。医生可以根据初始三维图像和重建的三维图像比较的结果，来判定是否实施治疗计划。如果重建的三维图像与初始三维图像相差较大，则需要停止本次治疗，并重新制定治疗计划。

进一步地，继续参照图8，在本实施例的系统中，动态电子限光筒的上游、直线加速器的下游具有钨门，钨门的开口大小与动态电子限光筒的射野形状相匹配。该系统通过钨门和动态电子限光筒共同作用形成电子射束在病人体表的适形射野。

本实施例还提供一种电子容积调强拉弧放射治疗方法，包括以下步骤：

S1：获得病人的初始三维图像。

S2：医生根据初始三维图像和病人的具体病情制定治疗计划。

S3：医生将动态电子限光筒安装在直线加速器的下游，根据治疗计划，开始对病人进行治疗。

下面参照图13对各步骤进行详细说明：

步骤S1：获得病人的初始三维图像。

该步骤一般用CT模拟机来完成，即用CT模拟机对病人进行扫描，然后获得初始三维图像。

步骤S2：医生根据初始三维图像和病人的具体病情制定治疗计划。

治疗计划中包含医生根据初始三维图像以及病人的病情而设定的多个指定要素，结合图13，指定要素包括：靶区T的形状及危及器官的位置，靶区T中各个位置的目标剂量，等中心点I的位置，电子容积调强拉弧放射治疗模式，拉弧治疗的起始、终止角度等。

其中电子容积调强拉弧放射治疗模式包括：拉弧治疗时动态电子限光筒的旋转轨迹，拉弧放射的控制点C，以及每相邻两个控制点C之间的照射条件(包括电子射束的角度、强度、总剂量值以及动态电子限光筒的射野)。

需要注意的是，靶区的目标剂量仅针对射线照射在靶区的剂量值，照射条件中的总剂量值不仅包括靶区的剂量值，还包括照射在靶区(例如危及器官)之外的剂量值。

其中控制点C是照射条件发生改变的点。控制点C是位于动态电子限光筒旋转轨迹上的若干个虚拟的点，当动态电子限光筒E运行到控制点C所在的位置时，照射条件发生改变，而在相邻两控制点C之间的区域内，照射条件不变。本实施例中，各控制点C沿动态电子限光筒旋转轨迹均匀分布。

如上所述，确定好控制点之后，需要根据目标剂量获得每相邻两个控制点之间所需要的照射条件。获得方法如下：

(1)采用蒙特卡罗算法作为剂量计算方法，算出病人体内(至少包括靶区和危及器官所在的位置)的剂量分布。具体为：

(a)获取病人的初始三维图像，利用阈值算法将初始三维图像的灰度数据转换为电子密度数据，并建立相应的三维密度体积模型，其中视病人左右为X方向，上下为Y方向，前后为Z方向。将体积模型划分为一个三维矩形网格矩阵，每一网格为一个体元；

(b)将经过适形的模拟射线作为照射源对体积模型进行模拟照射，这里的模拟射线的射线强度称为模拟射线强度；

(c)根据模拟射线在体积模型中的传输过程，记录射线粒子在每个体元中所沉积的剂量；

(d)根据(c)中的记录得到体积模型中的剂量分布。

(2)采用逆向优化方法获得每相邻两个控制点之间的动态电子限光筒的射野形状(称为目标射野)以及电子射束的射线强度(称为目标射线强度)，直到95％以上靶区达到目标剂量，且满足危及器官的剂量约束，即危及器官的剂量应当符合临床要求。具体为：根据蒙特卡罗算法得到的剂量分布，计算出在模拟射线强度下，靶区各个位置获得的剂量与目标剂量之间的差值，并根据差值大小来确定：在每相邻两控制点之间的拉弧区域中，动态电子限光筒的射野所需要放大或缩小的幅度，以及射线所需要加强或减弱的幅度。然后对射野和射线强度进行相应的调整，直至95％以上的靶区达到目标剂量，危及器官剂量符合临床要求，由此得到每相邻两控制点之间的所需的射野形状(即目标射野)，以及射线强度(及目标射线强度)。

其中，上述逆向优化方法为模拟退火算法，列产生算法，SQP算法中的一种。

其中，用户可以给定或者不给定危及器官的剂量限制，如果用户不给定，则默认尽量降低靶区之外的剂量。

步骤S3：医生将动态电子限光筒安装在直线加速器的下游，根据治疗计划，开始对病人进行治疗。

将动态电子限光筒安装在直线加速器的下游后，需要设定动态电子限光筒到病人体表的距离，并根据设定的距离调整动态电子限光筒的连接部在各个控制点伸长的长度。一般情况下，如图13，该设定距离默认为3-5cm，优选为5cm。

需要注意的是，由于病人的体表轮廓会发生变化，因此在每次治疗前，需要利用与直线加速器中集成的锥束CT装置对病人进行扫描，得到重建的三维图像，将重建的三维图像与初始三维图像进行比较，观察病人体表轮廓是否改变，判定动态电子限光筒有没有撞到病人的危险。

如果在个别控制点处，动态电子限光筒的限束器距离病人体表过近，则手动进行调整；如果病人体表的整体轮廓改变较大，为保证治疗质量，则应终止此次治疗，重新对病人进行CT扫描、获得新的初始三维图像，并重新制定治疗计划。

在执行治疗计划之前，步骤S2中产生的治疗计划中的各项信息经医生批准后，需要将治疗计划以DICOM-RT格式导出，并通过网络发送到治疗实施控制装置，由治疗实施控制装置来执行治疗计划。

治疗计划的执行包括：

(1)控制直线加速器产生一适用于整个拉弧过程的基础能量电子束；

在每两相邻控制点所在的拉弧区域，根据治疗计划中对应的目标射线能量，控制直线加速器产生一针对该拉弧区域的叠加能量电子束，使得该拉弧区域的射线能量与对应的目标射线能量一致；

(2)根据治疗计划中获得的目标射野，控制上述动态电子限光筒中叶片的移动以调整每两个控制点之间的射野的形状，使得调整后的射野与对应的目标射野相一致。

需要注意的是，动态电子限光筒的上游还设有钨门，钨门的作用是用于调整射野的均整度、半影、光子污染、漏射，并使这些参数能够满足用户的要求。其中钨门的开口大小与动态电子限光筒的射野形状相关，即需要根据动态电子限光筒的射野形状来确定钨门的开口大小，以获得上述参数均能满足要求的适形射野。

具体地，钨门开口大小的确定方法为：

在动态电子限光筒的最大射野和最小射野之间的范围内选取若干离散的射野值；

获得每一离散射野值所需匹配的钨门开口大小；

采用插值或者拟合方法，获得动态电子限光筒的射野形状与钨门开口大小之间的关系曲线，以确定动态电子限光筒的每一实时射野所需匹配的钨门开口大小。

其中，获得每一离散射野值所需匹配的钨门开口大小的方法为：

将动态电子限光筒的射野固定于一离散射野值，使电子射束依次穿过钨门和动态电子限光筒后照射在水模体中，获得电子射束在水模体中的剂量分布；

调整钨门开口大小，使得剂量分布的均整度、半影、光子污染、漏射、能谱满足用户设定的标准，并将得到的钨门开口大小与对应的离散射野值相匹配。

综上可知，本实施例的治疗方法中，在各相邻控制点之间的区域，可以叠加不同能量的电子束以实现沿射束深度方向的剂量均匀。并且，在不同的控制点之间的射野和射线强度由逆向优化方法得到，不需要用户手动调整。相比于现有技术的电子调强方式，更加精准和便捷，同时由于动态电子限光筒的制造成本远低于转为电子射束设计的多叶光栅，因而也能够较好地控制成本。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (21)

1.一种动态电子限光筒，包括：

主屏蔽体，具有通孔，所述通孔供电子射束穿过；

限束器，位于所述主屏蔽体之外且沿所述通孔的轴向位于所述主屏蔽体的一端，与所述主屏蔽体之间通过连接部连接；

其特征在于，所述限束器具有叶片，所述叶片围绕形成一可供电子射束通过的射野，所述射野的形状可通过所述叶片的移动来调节；

或者，所述限束器具有与所述连接部连接的框架，以及与所述框架可拆卸连接的限束层，所述限束层限定了一射野。

2.如权利要求1所述的动态电子限光筒，其特征在于，所述叶片具有多个，沿所述通孔的径向方向，多个叶片分布于多个径向平面中；

每一叶片能够相对于同一径向平面内的其他叶片平行移动，以调节所述射野的形状。

3.如权利要求2所述的动态电子限光筒，其特征在于，所述叶片与所述径向平面平行。

4.如权利要求1所述的动态电子限光筒，其特征在于，沿射线照射方向，叶片材料对应的原子序数升高。

5.如权利要求1所述的动态电子限光筒，其特征在于，所述连接部可相对于所述主屏蔽体伸长或缩短。

6.如权利要求5所述的动态电子限光筒，其特征在于，所述连接部能够在外力作用下朝向所述主屏蔽体收缩，收缩后处于伸长方向锁止状态。

7.如权利要求6所述的动态电子限光筒，其特征在于，所述连接部上设有机械锁，允许所述连接部朝向所述主屏蔽体收缩，并将所述连接部沿伸长方向锁止。

8.如权利要求1所述的动态电子限光筒，其特征在于，所述限束器上设有状态反馈装置，用于监测所述限束器与病人体表之间的距离以及所述射野的形状信息，并用于将监测到的信息反馈给一信息接收端。

9.一种电子容积调强拉弧放射治疗系统，其特征在于，包括：

权利要求1-8任一项所述的动态电子限光筒。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括控制单元，用于控制所述动态电子限光筒中叶片的移动，使得叶片移动后形成的射野与目标射野相一致。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述动态电子限光筒能够将实时的射野形状信息传输给所述控制单元，所述控制单元包括：

信息存储模块，用于储存目标射野形状信息；

信息接收模块，作为信息接收端，用于接收所述动态电子限光筒传输的实时射野形状信息；

比较模块，用于比较实时的射野形状与目标射野形状；

指示模块，用于根据所述比较模块的结果向所述叶片发送移动指示，使得所述叶片围成的射野形状与目标射野形状相一致。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述动态电子限光筒的上游具有钨门，所述钨门的开口大小与所述动态电子限光筒的射野形状相对应；

所述钨门和所述动态电子限光筒共同作用形成电子射束在病人体表的适形射野。

13.一种电子容积调强拉弧放射治疗方法，其特征在于，包括：控制权利要求1-8任一项所述的动态电子限光筒中叶片的移动以调整射野的形状，使得调整后的射野与目标射野相一致。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

根据用户的指定要素确定拉弧放射的各个控制点，所述控制点是电子射束的角度、强度以及所述动态电子限光筒的射野发生改变的点；

根据用户的指定要素确定每相邻两个控制点之间的所述电子射束的射线强度和总剂量值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

设定所述动态电子限光筒到病人体表的距离；

根据设定的距离调整所述动态电子限光筒的连接部在各个控制点伸长的长度。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述指定要素包括：靶区形状及危及器官的位置，靶区的目标剂量，危及器官的剂量约束，等中心点位置，电子容积调强拉弧放射治疗模式，拉弧治疗的起始、终止角度。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，采用蒙特卡罗算法作为剂量计算方法，算出病人体内的剂量分布；

采用逆向优化方法调整所述动态电子限光筒在各个控制点的射野形状、以及每两相邻控制点之间电子射束的射线强度和总剂量值，直到95％以上靶区达到所述目标剂量，且满足所述危及器官的剂量约束。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述逆向优化方法为模拟退火算法，列产生算法，SQP算法中的一种。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述动态电子限光筒的上游还设有钨门，根据所述动态电子限光筒的射野形状确定所述钨门的开口大小。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述钨门开口大小的确定方法为：

在所述动态电子限光筒的最大射野和最小射野之间的范围内选取若干离散的射野值；

获得每一离散射野值所需匹配的钨门开口大小；

采用插值或者拟合方法，获得所述动态电子限光筒的射野形状与钨门开口大小之间的关系曲线，以确定所述动态电子限光筒的每一实时射野所需匹配的钨门开口大小。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，获得每一离散射野值所需匹配的钨门开口大小的方法为：

将所述动态电子限光筒的射野固定于一离散射野值，使电子射束依次穿过所述钨门和所述动态电子限光筒后照射在水模体中，获得电子射束在水模体中的剂量分布；

调整所述钨门开口大小，使得所述剂量分布的均整度、半影、光子污染、漏射满足用户设定的标准，并将得到的钨门开口大小与对应的离散射野值相匹配。