CN104884126B - 实时自适应剂量计算辐射治疗 - Google Patents
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Abstract
一种辐射治疗系统(1),包括:超声(US)成像单元(2)、配准单元(30)、US运动单元(44)、以及实时剂量计算引擎(46)。所述超声(US)成像单元(2)生成对象身体(4)区域的基线和实时US图像(3),所述对象身体(4)区域包括靶和一个或多个危及器官(OAR)。所述配准单元(30)可变形地配准规划图像(32)与所述基线US图像(36),并将所述规划图像(32)中的组织的辐射吸收性质映射(66)到所述基线US图像(36)。所述US运动单元(44)基于所述实时US图像在辐射治疗处置期间测量所述靶体积和OAR的运动。所述实时剂量计算引擎(46)基于从所述基线或规划图像映射到所述实时3D US图像(3)的所述组织辐射吸收性质,计算递送到所述组织的实时辐射剂量。
Description
技术领域
以下总体涉及辐射治疗和医学成像。其具体结合辐射治疗实时剂量计算和三维实时超声成像而应用,并将尤其参考该应用进行描述。然而,将理解,本发明也应用于其他使用场景,并且不必须被限制到前述应用。
背景技术
辐射治疗(RT)识别并递送辐射以杀死靶区中的癌细胞,同时保留围绕靶区并且包括危及器官(OAR)的正常细胞。针对RT的规划过程对分成部分的剂量或随时间的剂量的辐射的递送进行规划。分成部分的处置改进了对癌细胞的破坏率,并且允许正常细胞恢复。规划过程是确定辐射束的大小、形状、方向和持续时间,以将最大剂量精确递送到靶区,同时使对OAR的暴露最小化的详细过程。在对规划剂量的计算中考虑在每个辐射束的路径中的不同组织密度(例如骨、软组织和器官组织)。通常,计算机断层摄影(CT)X-射线图像被用于评价各个辐射路径中的不同组织密度,并提供衰减信息。CT图像能够提供高分辨率并且包括对应于组织密度的对比度。
在RT处置期间使用诸如线性加速器(LINAC)的设备递送通过RT规划形成的规划,以在定时的持续时间递送具有选择的形状和大小的来自不同方向的辐射的射束。在RT递送中的最近改进包括在RT递送期间利用超声(US)对靶区的识别。US使用高频声波以提供实时图像,并且该高频声波不干扰并行的辐射处置束,或者相反辐射束不干扰US成像。通过机械臂将发送并接收声音的US探头或换能器保持在相对于患者的身体的恰当位置处。US通过相对于任意辐射束的投影路径,识别在患者的身体内部的靶,改善了靶向性。其他方法包括在前列腺(或其他靶)中使用植入的基准物(例如利用US成像可见的种子)、荧光检查或其他实时/机载成像,以改善靶向性。医疗保健从业者监视通常被叠加在US或规划图像上的投影路径,并且能够中断处置,或者通过移动患者支撑体或约束患者的卧榻来调节患者位置。由RT规划软件记录和评价图像,并且医疗保健从业者在下一分成部分的处置中做出任意调节。
然而,患者组织在处置递送期间(例如由于心脏或呼吸运动而)移动。患者有时会咳嗽、打喷嚏或排气,这可能短暂地改变靶、周围组织和或OAR的位置,将靶移出或将OAR移入辐射束的路径,等。目前的技术并不监测或计算在RT处置期间递送到靶区、周围组织、OAR的实际剂量,这意味着在分成部分的处置中健康组织可能超剂量或者靶区剂量不足。在处置递送期间不跟踪体积数据。在分次处置之间执行分析、剂量计算或评价。
发明内容
以下公开一种在RT中的新的且改进的实时自适应剂量计算,其解决了上述问题及其他问题。
根据一个方面,一种辐射治疗系统就,包括:超声(US)成像单元、配准单元、US运动单元、以及实时剂量计算引擎。所述超声(US)成像单元生成对象身体区域的基线US图像和实时US图像,所述对象身体区域包括靶和一个或多个危及器官(OAR)。所述配准单元可变形地配准规划图像与所述基线超声(US)图像,并将所述规划图像中的组织的辐射吸收性质映射到所述基线US图像。所述US运动单元基于所述实时US图像来在辐射治疗处置期间测量所述靶体积和OAR的运动。所述实时剂量计算引擎基于所映射的组织辐射吸收性质和所述实时3D US图像来计算递送到所述组织的实时辐射剂量。
根据另一方面,一种辐射治疗的方法,包括生成对象身体区域的基线US图像和实时超声(US)规划图像,所述对象身体区域包括靶和一个或多个危及器官(OAR)。可变形地配准规划图像与所述基线3D US图像。将所述规划图像中的所述组织的辐射吸收性质映射到所述基线US图像。基于所述实时US图像在辐射治疗处置期间测量所述靶和危及器官的实时运动。基于所映射的组织辐射吸收性质和所述实时3D US图像,计算递送到所述组织的实时辐射剂量。
根据另一方面,一种辐射治疗系统,包括线性加速器(LINAC)、机器人控制的超声(US)成像单元、配准单元、US运动单元、以及剂量计算引擎。所述LINAC生成到对象身体中的至少一个靶体积中的多个辐射的射束,每个束具有基于辐射处置计划的大小、形状、方向、强度和持续时间。所述机器人控制的超声(US)成像单元生成所述对象身体的区域的三维(3D)US图像,所述对象身体的区域包括所述至少一个靶体积以及暴露于所述多个辐射的射束的周围组织,所述多个辐射束被同时递送到所述周围组织并且相对于所述3D US图像定位。所述配准单元可变形地配准计算机断层摄影(CT)X射线规划图像与在处置之前由所述US单元生成的基线超声(US)图像,并将基于所述CT规划图像的组织密度映射到所述基线3DUS图像以生成3D组织密度图。所述US运动单元测量所述靶体积和周围组织的运动,并将所述3D组织密度图配准到由所述US成像单元生成的所述实时3D US图像。所述剂量计算引擎基于所述3D组织密度图、所述实时US图像和所测量的运动来计算递送到所述至少一个靶体积、危及器官和周围组织的实时辐射剂量。
一个优点在于计算在辐射的递送期间的实时辐射剂量。
另一优点在于基于所递送的剂量能够在RT递送期间采取行动。
另一优点在于在逐个体素的基础上对靶区、周围组织和OAR的实时辐射剂量的测量。
另一优点在于针对不同组织的实时辐射剂量测量。
另一优点在于对RT规划的实时调节。
本领域普通技术人员在阅读并理解了下面的详细描述后将认识到再另外的优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各个步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的,并且不应被解释为对本发明的限制。
图1示意性地图示了实时自适应剂量计算RT系统的实施例。
图2流程图示了一种实时自适应剂量计算辐射治疗的方法。
具体实施方式
参考图1,示意性地图示了实时自适应剂量计算RT系统1的实施例。所述系统包括实时三维(3D)成像单元2,例如超声(US)成像单元、荧光检查成像设备等等。实时3D US成像单元生成对象身体4区域的实时3D US图像3。对象身体区域的US图像3包括辐射从诸如线性加速器(LINAC)6的辐射源被同时递送到的组织。US图像3被存储在存储器中,存储器能够包括处理器存储器、计算机存储器或诸如磁盘存储装置的永久性存储器。在对象被定位在对象支撑体8(例如卧榻或床)上的同时,相对于所投影的辐射束测量被暴露于辐射的组织。
实时3D US单元2包括一个或多个处理器10、显示设备12、以及至少一个输入设备14。处理器10、显示设备12和输入设备14能够被实现在工作站16中,例如控制台、操作者接口等等。工作站能够是单个台式计算机、经由网络连接的多个台式计算机、服务器计算机、膝上型计算机、平板电脑、它们组合等等。处理器能够是单个处理器或多个处理器。每个处理器能够是单核或多核处理器。输入设备能够包括键盘、鼠标、麦克风等等。显示设备能够包括计算机显示器、电视屏幕、触摸屏、触觉电子显示器、阴极射线管(CRT)、存储管、矢量显示器、平板显示器、真空荧光显示器(VF)、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)、投影机、头戴式显示器、等等。
实时3D US单元2包括机器人操纵器18,其操纵受计算机控制的机器人控制22控制的US探头20或换能器。实时3D US单元2能够包括触觉接口24,所述触觉接口24用于通过机器人控制22对US探头20的定位。实时3D US单元2包括一个或多个光学跟踪设备26,所述光学跟踪设备26跟踪机器人操纵器、LINAC和对象身体的位置。跟踪设备能够包括在LINAC的机架、机器人臂、对象支撑体等等上的激光器、视频、RF跟踪器,或者机电反馈设备。机器人控制22控制操作器18或机械臂以避免在辐射的递送期间与LINAC 6和LINAC束的碰撞。机器人控制定位US探头,以提供与辐射递送同时地接收辐射剂量的对象身体区域的实时3D US图像。
LINAC 6基于辐射治疗规划将辐射的射束发射到定位于对象身体4中的至少一个靶体积中。每个辐射的射束具有预定的大小、形状、方向或取向、强度和持续时间,并受LINAC控制28控制。LINAC 6关于被支撑在对象支撑体8上的对象身体移动。对象支撑体能够移动用于与LINAC对准。LINAC控制能够被实施在工作站16或单独的工作站中,并且操作为针对LINAC的控制台。LINAC控制28提供关于到实时3D US单元2的辐射束的轨迹、形状、大小及其他信息。
系统包括图像配准单元30,其从存储器(例如存储装置管理系统、图片存档及通信系统(PACS)、放射科信息系统(RIS)等等),或从扫描器34直接接收规划图像32,例如CT、MR、PET或SPECT图像或它们的组合。系统包括分割单元35,所述分割单元35分割靶体积和任意OAR。例如,前列腺中的肿瘤被分割为靶体积,并且对象的前列腺、膀胱和直肠被分割为OAR。分割单元能够识别所分割的结构,所分割的结构被实时US图像3或规划图像的显示设备12叠加在显示器上。例如,具有靶体积和OAR的图像能够包括靶体积的边界的颜色对比和/或OAR的边界的不同颜色对比。
图像配准单元30可变形地配准所分割的规划图像32与3D US基线图像36。基线图像36是在第一分成部分的递送之前采集的,并且能够在分成的部分之间被再次采集并再次配准。配准过程生成变形向量38,变形向量被用于例如基于Hounsfield单位来从规划图像导入(port)组织密度,并将组织密度映射到被存储在存储器中的基线3D US图像作为3D组织图40。分割也被映射到所述3D组织图。在一个实施例中,所分割的边界被从规划图像映射到3D US基线图像。各个分割的区域每个能够被针对每个区域内的组织分配一名义密度或其他辐射衰减因数。
在辐射处置期间,3D US运动单元4使用来自跟踪系统26的信息以及直接与3D US基线图像或规划图像的图像比较,将每个实时3D US图像配准到3D组织图。亦即,3D组织图被变换成靶区域和OAR的当前形状和位置。测量到的运动可能是由于呼吸运动、心脏运动、患者移动以及诸如咳嗽、打喷嚏、排气等的单一瞬时事件。
实时剂量引擎46基于被映射到实时US图像3的3D组织密度来计算递送到组织的实时辐射剂量。实时剂量引擎包括在计算中所映射的每个辐射的射束经过的组织密度。更具体地,剂量引擎对被所配准的3D组织图的每个体素吸收的辐射的量进行积分。基于由3D运动单元44识别的运动将组织图的靶体积和OAR变换到当前位置和形状,使得能够确定沿辐射束轨迹的体素。计算针对实时3D US图像的每个体素累积的实时辐射剂量基于辐射束的初始强度、沿通向并相交于每个体素的轨迹的衰减、以及有多少辐射在轨迹与体素相交的时间被沉积在体素中。随着处置束、靶区域和OAR相对于它们在规划图像中的名义位置移动,在处置期间与每个体素相交的全部轨迹上对沉积的剂量进行积分或加和。累积剂量图能够任选地包括基于针对每个体素所计算并累积的实时剂量的投影累积剂量图,以及基于从RT处置计划所规划的分次处置中的剩余部分的投影值。累积剂量能够被映射和/或叠加在规划图上。
累积剂量图46能够被系统用于修改处置过程。能够例如通过在靶体积中达到规划剂量和/或最大容许阈值剂量达到OAR时,在分成的部分期间终止过程,来修改处置过程。备选地,能够通过修改分成的部分处置中剩余的一个或多个规划辐射束,来修改处置过程。能够在大小、心脏、方向、强度和/或持续时间上修改一个或多个辐射束。例如,主动脉肿瘤的位置随着呼吸和心脏节律而变换,并且来自特定角度的束能够在特定的节律序列期间被窄化和/或门控,以使到心脏组织的暴露最小化。在另一范例中,患者咳嗽并且辐射束被暂时门控直到靶体积返回位置。在两种情况中,在整个过程中针对即使很小的移动计算实时剂量,该移动将靶体积留在束的中心,但可能移动周围组织。累积剂量也能够被用于修改或重新计算未来分次。
累积剂量图46能够被显示在显示设备12上,被叠加在实时3D US图像3、基线图像36和/或规划CT图像32上。累积剂量图能够被显示为累积剂量或投影累积剂量。累积剂量图能够被显示为累积剂量图或投影累积剂量图与来自RT处置计划的规划剂量图之间的差。
各个单元或控制2、22、28、30、42、44、46适当地由电子数据处理设备(例如工作站16的电子处理器或电子处理设备10),或者由通过网络与工作站16操作性连接的基于网络的服务器计算机,等等来实现。此外,所公开的成像、配准、分割、映射、控制和剂量计算技术适当地使用存储指令(例如软件)的永久性存储介质来实施,该指令可由电子数据处理设备读取并且可由电子数据处理设备运动,以执行所公开的成像、配准、分割、映射、控制和剂量计算技术。
参考图2,流程图示了一种实时自适应剂量计算RT的方法。步骤能够在概念上被划分成之前的步骤——作为RT规划的部分和/或在辐射到对象的递送之前执行;以及在RT处置期间执行的或作为RT处置的部分的步骤。RT规划在以在步骤54中从扫描器34对一个或多个3D规划图像32的采集开始而形成的。规划图像包括针对辐射治疗的一个或多个靶体积,并且通常包括OAR。在步骤56中和所确立的规划中分割并分析规划图像,RT规划包括分次的处置。每个分次处置包括一系列对来自LINAC 6的辐射的射束的规划暴露。每个辐射的射束均针对大小、形状、轨迹、强度、持续时间等等得到规划。在步骤58中核实并记录RT处置计划。核实能够包括对LINAC 6的以及实时3D US单元2的机器人臂18的操纵器的移动的模拟。规划包括被LINAC 6的加速度计控制28和US单元2的机器人控制22使用的信息。
在步骤60中,利用实时3D US成像单元2来采集基线3D US图像36。基线图像是在第一个分成的部分之前采集的。基线图像36被存储在存储器中。基线能够在每个分成部分的处置之前被重新采集。在步骤62中通过可变形图像配准单元30将所采集的3D US基线图像36可变形地与所分割的规划图像32配准。可变形配准过程生成变形向量38。如果在分成部分的处置之间重新采集基线图像,则重新采集的基线图像能够被配准到第一次采集的3DUS基线图像、配准到彼此、和/或到配准3D CT规划图像。基线图像包括辐射的射束要递送到的组织。
在步骤64中,将组织密度(例如以Hounsfield单位)从规划图像导入到所配准的US基线图像。在步骤66中基于变形向量将组织密度映射到所配准的3D US基线图像。3D组织图40和变形向量38被存储在存储器中。3D组织图40提供针对辐射的射束的衰减的信息。
在步骤68中,基于RT处置计划将辐射递送到患者的组织,RT处置计划包括具有大小、形状、强度、持续时间和相对于被支撑在患者支撑体8上的患者4的取向的辐射的射束。来自LINAC 6的辐射束受加速度计控制28控制。同时,在步骤70中,受机器人控制22控制的实时3D US成像单元采集在辐射束的路径中的组织的3D实时US图像3。在步骤72中,估计组织的运动。由3D运动单元44测量所分割的靶体积的OAR的运动。在步骤74中,基于实时测量的运动映射3D组织图40的每个体素,以变换到其当前位置。
在步骤76中,实时剂量计算引擎46基于实时3D US图像3和经针对运动调节的3D组织密度图40,计算递送到组织的实时辐射剂量。相对于实时3D US图像3跟踪并测量来自LINAC 6的辐射束。针对实时3D US图像中的每个体素计算实时辐射剂量。针对分成部分的处置在剂量图48中累积实时辐射剂量。实时累积辐射剂量48能够包括针对分成部分的处置的剩余部分的投影剂量。实时累积辐射剂量48能够被显示设备叠加在3D US实时图像3或经配准的CT规划图像32上显示。所计算的实时累积剂量48能够被显示为被叠加在CT规划图像或3D US实时图像上的所计算的实时累积剂量48与来自辐射治疗规划的规划剂量之间的差。
能够基于累积实时剂量图48在分成部分的处置期间修改RT递送。能够基于所测量的运动来修改RT递送。能够使用LINAC控制28来修改RT递送,以实时地修改大小、形状、轨迹、强度、持续时间等。例如,能够基于诸如心脏和/或呼吸运动的重复运动,来修改辐射束参数。例如,能够通过改变辐射束的参数为随靶移动,随着靶移入或移出限定范围而暂时地开启和/或关闭束,随着靶体积变得较少被OAR遮挡而改变束的大小和/或形状等等,来改动辐射束参数以适应重复运动。能够随着因诸如咳嗽、打喷嚏或排气的事件引起的运动而修改束参数。例如,辐射束能够被暂时中止直到靶体积和/或OAR返回位置,被窄化、和/或随着靶区的移动而被移动。辐射束参数修改能够包括对接收到的靶和/或OAR的位置和剂量测定信息的(一个或多个)响应,例如复位LINAC的速度,和/或患者移动(例如患者支撑体的受控运动以提供辐射束的恰当取向)。当在一个或多个靶体积和/或任意OAR中达到阈值剂量的量时,RT递送能够被修改为结束。
使用步骤56,自适应辐射治疗规划,能够将累积实时剂量图48映射到原始规划图像,用于被输入到所规划的下一分次处置中。
要认识到,联系本文中提供的特定说明性实施例,将某些结构性和/或功能特征描述为被并入限定的元件和/或部件中。然而,预期这些特征在合适时可以——为了相同或相似的益处——也类似地被并入其他元件和/或部件。也要认识到,示范性实施例的不同方面可以适当地被选择性地用于获得适合于期望应用的其他备选实施利率,该其他备选实施例由此实现本文中并入的各方面的各自优点。
也要认识到,本文中描绘的具体元件或部件可以具有它们的适当地经由硬件、软件、固件或它们的组合来实施的功能。额外地,要认识到,本文中被描述为被合并在一起的某些元件在合适的情况下可以是独立的元件或其他方式被分开。类似地,被描述为由一个特定元件实施的多个特定功能可以由多个不同元件实施,这多个不同元件独立地起作用以执行各自的功能,或者某些各自的功能可以被拆分并由协作起作用的多个不同元件实施。备选地,在合适时,在本文中被以其他方式描述为和/或示为彼此不同的一些元件或部件可以在物理上或功能上被合并。
简言之,已参考优选的实施例阐述了本说明。显而易见,他人在阅读并理解了本说明书后将会想到修改和变动。目的是,本发明被解释为包括所有这样的修改和变动,只要它们落入权利要求书或其等价方案的范围内。也就是说,将认识到,各种上述公开的及其他特征及功能,或它们的等价方案,均可以被合乎期望地合并到许多其他系统或应用中,并且本领域技术人员可以因此做出在本文中的各种当前不可预见或未预料到的备选方案、修改、变化或改进,它们类似地也旨在被所附权利要求涵盖。
Claims (15)
1.一种辐射治疗系统(1),包括:
实时3D成像单元(2),其被配置为生成至少对象身体(4)区域的部分的基线3D图像(36)和实时3D图像(3),所述对象身体区域的部分包括靶和一个或多个危及器官(OAR);
配准单元(30),其被配置为可变形地配准所述对象身体区域的规划图像(32)与所述基线3D图像(36),并将所述规划图像(32)中的组织的辐射吸收性质映射(66)到所述基线3D图像(36);
运动单元(44),其被配置为基于所述实时3D图像在辐射治疗处置期间测量所述靶体积和OAR的运动;以及
实时剂量计算引擎(46),其被配置为基于所映射的组织辐射吸收性质和所述实时3D图像(3)来计算递送到所述靶和OAR的实时辐射剂量。
2.根据权利要求1所述的系统(1),其中,所述运动单元(44)被进一步配置为将具有所映射的辐射吸收性质的所述基线3D图像配准到所述实时3D图像。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的系统(1),还包括:
辐射源(6),其被配置为将辐射的射束递送到所述对象身体区域中,以与所述靶相交,每个射束都具有基于辐射处置计划的大小、形状、方向、强度、以及持续时间。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统(1),其中,所计算的递送到所述对象身体区域的实时辐射剂量包括针对所述规划图像的每个体素的计算的累积剂量(48)。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统(1),其中,所计算的递送到所述组织的实时辐射剂量包括针对所述规划图像(32)的每个体素的计算的累积剂量(48)以及针对辐射治疗处置分成的部分的剩余部分的投影计算的累积剂量。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的系统(1),其中,所述辐射递送基于所计算的实时累积剂量(48)而被修改。
7.根据权利要求6所述的系统(1),其中,所述实时3D成像单元包括被配置为生成实时3D US图像(3)的超声(US),并且还包括:
机器人,其被配置为控制US探头的位置和/或取向,所述US探头被配置为发出并接收US波以生成所述实时3D US图像(3)。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的系统(1),其中,所述辐射吸收性质包括所述组织的密度。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的系统(1),还包括:
显示设备(12),其被配置为显示被叠加在所述规划图像(32)上的所述计算实时累积辐射剂量(48)。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的系统(1),还包括:
显示设备(12),其被配置为显示被叠加在所述规划图像(32)上的所述计算实时累积辐射剂量(48)与规划的辐射剂量之间的差。
11.一种辐射治疗系统(1),包括:
线性加速器(LINAC)(6);
实时机器人控制的超声(US)成像单元(2);以及
一个或多个处理器,其被配置为操作根据权利要求1-10中的任一项所述的系统。
12.根据权利要求11所述的辐射治疗系统,其中,所述LINAC生成进入对象身体中的至少一个靶体积中的多个辐射的射束,每个射束具有基于辐射处置计划的大小、形状、方向、强度、以及持续时间。
13.根据权利要求11所述的辐射治疗系统,其中,所述实时机器人控制的超声(US)成像单元(2)生成所述对象身体(4)的区域的三维(3D)US图像(3、36),所述对象身体的所述区域包括所述至少一个靶体积以及被暴露于所述多个辐射的射束的周围组织。
14.根据权利要求11所述的辐射治疗系统,还包括:
配准单元(30),其被配置为可变形地配准计算机断层摄影(CT)X-射线规划图像(32)与在处置之前由US单元生成的基线3D超声(US)图像,并将基于所述CT X-射线规划图像(32)的组织密度映射(66)到所述基线3D US图像(36),以生成3D组织密度图;
US运动单元(44),其被配置为测量所述靶体积和周围组织的运动,并将所述3D组织密度图配准到由所述US成像单元(2)生成的实时3D US图像;以及
剂量计算引擎(46),其被配置为基于所述3D组织密度图(40)、所述实时3D US图像(3)以及所测量的运动来计算被递送到所述至少一个靶体积、危及器官以及周围组织的实时辐射剂量。
15.一种承载有软件的非暂态计算机可读存储介质,所述软件控制一个或多个电子数据处理设备(10)来执行:
接收对象身体(4)区域的基线3D图像(36)和实时3D图像(3),所述对象身体区域包括靶和一个或多个危及器官(OAR);
可变形地配准(62)规划图像(32)与所述基线3D图像(36);
将所述对象身体区域中的组织的辐射吸收性质从所述规划图像(32)映射(66)到所述基线3D图像(36);
基于所述实时3D图像(3)在辐射治疗处置期间测量(72)所述靶和危及器官的实时运动;并且
基于所映射的组织辐射吸收性质(40)和所述实时3D图像(3)来计算(76)递送到所述靶和危及器官的实时辐射剂量。
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