CN104888364A - 基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，包括以下步骤：A：获取肿瘤患者CT影像数据，利用治疗计划系统(TPS)根据CT-水等效系数转换曲线进行计划设计，计划确认后记录离子束辐射参数；B：基于水等效系数生成虚拟三维水模体CT图像,利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布；C：将电离室放入三维水模体中感兴趣点位置，根据电离室灵敏体积在水模体中的三维坐标在三维栅格化剂量分布中进行插值计算，获得感兴趣点计划剂量；D：按照计划设计的离子束辐射参数，控制医用重离子加速器对水模体进行模拟照射，将水模体中电离室所测感兴趣点绝对剂量值与计划剂量进行比较。
Description
技术领域
本发明涉及离子束放射治疗领域，尤其涉及一种基于组织水等效系数的离子束放射治疗计划剂量验证方法。
背景技术
现代常规放射治疗(x射线，电子束，伽马刀等)治疗计划中剂量计算均以计算机断层成像(CT)扫描得到的CT值建立CT-电子密度转换曲线，进而根据转换所得的组织密度进行组织不均匀性剂量优化计算，从而得出放射治疗计划的剂量分布。主要原因在于，CT成像原理是x射线与物质相互作用，即CT值与线性衰减系数相对应，而线性衰减系数又与作用类型和组织电子密度相关。鉴于现代常规放射治疗计划制定的基础是人体CT影像和其所代表的组织电子密度，因此常规放射治疗计划验证通常也采用依赖固体模体CT-电子密度曲线和模体内剂量实测技术的验证方法。
粒子放射治疗领域，离子束治疗同样需要进行不均匀组织校正，由于离子束与物质相互作用主要决定于物质电子密度和物质的靶原子序数，换句话说，面对由不均匀组织构成的人体，离子束剂量优化计算以CT-电子密度曲线为基础是不够的。基于水是标准的人体组织等效材料,以及离子束在水中的剂量沉积路径是恒定可测这些特性考虑，目前粒子放射治疗领域通常将各种组织对应CT值转换为水等效长度，建立CT-水等效系数曲线以供离子束剂量计算使用。
现有的治疗计划绝对剂量验证方法之一主要使用单个电离室和固体水模体。在治疗计划得到确认后，将电离室插入固体水模体中心，进行CT扫描，在治疗计划系统(TPS)上进行数字影像重建，勾画靶体外轮廓和电离室探头轮廓，设定电离室探头中心为坐标原点；移植治疗计划至模体，使等中心位于坐标原点处，重新计算模体的剂量分布。最后对模体按照治疗计划进行照射，获取测量点的物理吸收剂量绝对值，与该点计划剂量进行比较。
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。
现有技术的缺点：1常规放射治疗计划计算基于CT-组织电子密度曲线进行，离子束剂量计算不适用。2常规绝对剂量验证必须将插入电离室的模体进行CT扫描以获取实际的电子密度，这一道操作增加了成本和时间。
常规放射治疗计划绝对剂量验证中电离室插入固体模体后位置不能再更改，且电离室金属电极将影响模体的CT电子密度曲线，因此验证范围和待测点剂量计算精确度存在局限。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法。
解决的技术问题如下所述：
1，离子束放射治疗计划制定的基础为CT-水等效系数转换曲线，因而，基于均匀水模体进行离子束剂量验证是合理可行的。
2，水模体中插入感兴趣点的电离室挪动位置方便，重新计算该点计划剂量快捷，且无需重新进行CT扫描，避免了常规放射治疗计划验证方法中固体模体所带来的繁琐工序和成本时间浪费。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，其主要特点在于，包括以下步骤：
A：获取肿瘤患者CT影像数据，利用TPS，治疗计划系统根据CT-水等效系数转换曲线进行计划设计，计划确认后记录离子束辐射参数；
B：基于水等效系数生成虚拟三维水模体CT图像,利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布；
C：将电离室放入三维水模体中感兴趣点位置，根据电离室灵敏体积在水模体中的三维坐标在三维栅格化剂量分布中进行插值计算，获得感兴趣点计划剂量。
D：按照计划设计的离子束辐射参数，控制医用重离子加速器对水模体进行模拟照射，将水模体中电离室所测感兴趣点绝对剂量值与计划剂量进行比较。
所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，所述步骤A包括：
A1：根据CT图像勾画轮廓数据，进行三维图像重建；
A2：根据离子束照射方式进行射野设计，配置机器参数，配置计划约束条件。
A3：利用基于CT-水等效系数转换曲线的离子束剂量计算模型进行优化计算，计划评估后记录离子束辐射参数。
所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，所述步骤B包括：
B1:利用CT-水等效系数转换曲线，获取CT图像中BEV方向入射皮肤至肿瘤靶区后延最大距离对应的最大水等效长度。根据肿瘤靶区最大射野轮廓的外切矩形边长外扩5cm的规则在TPS中生成虚拟水模体CT图像。
B2:利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体CT图像上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布；
所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，步骤B1还包括有按照离子束最大可用能量对应水中的射程直接生成标准水模体CT图像或直接使用CT机器扫描三维水箱生成水模体CT图像。
本发明的有益效果：
本发明基于水等效系数进行计划设计和剂量验证，有效解决了作为传统放射治疗计划验证基础的CT-电子密度转换曲线无法适用于离子束放射治疗计划制定和验证的技术瓶颈，建立了离子束剂量计算和测量的归一标准；基于水模体进行离子束剂量测量，水模体中电离室移动和重定位方便，且无需重新进行CT扫描，避免了常规放射治疗计划验证方法中固体模体所带来的繁琐工序和成本时间浪费；验证模块直接利用三维插值算法计算计划剂量，相比利用TPS大规模计算来说显得快捷方便。
附图说明：
图1为本发明基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法的步骤流程图；
图2为本发明基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法步骤A的步骤流程图；
图3为本发明基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法步骤B的步骤流程图；
图4为本发明基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法试验验证例所用三维剂量验证装置的结构示意图。
图中：1.三维测量头；2.三维电离室夹具；3。电离室；4。束流方向；5.计算机控制平台；6.三维剂量测量系统；7。多通道静电计；8.三维水模体(水箱)；9.三维运动支臂；10.线缆。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下面对本发明的内容进行详细的说明。
实施例1：见图1，一种基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，包括以下步骤：
A：获取肿瘤患者CT影像数据，利用TPS根据CT-水等效系数转换曲线进行计划设计，计划确认后记录离子束辐射参数；
B：基于水等效系数生成虚拟三维水模体CT图像,利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布；
C：将电离室放入三维水模体中感兴趣点位置，根据电离室灵敏体积在水模体中的三维坐标在三维栅格化剂量分布中进行插值计算，获得感兴趣点计划剂量。
D：按照计划设计的离子束辐射参数，控制医用重离子加速器对水模体进行模拟照射，将水模体中电离室所测感兴趣点绝对剂量值与计划剂量进行比较。
实施例2：见图2，为本发明基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法步骤A的步骤流程图，作为所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法的进一步改进，所述步骤A包括：
A1：根据CT图像勾画轮廓数据，进行三维图像重建；
A2：根据离子束照射方式进行射野设计，配置机器参数，配置计划约束条件。
A3：利用基于CT-水等效系数转换曲线的离子束剂量计算模型进行优化计算，计
划评估后记录离子束辐射参数。其余步骤与实施例1相同。
实施例3：图3,为本发明基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法步骤B的步骤流程图，作为所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法的进一步改进，所述步骤B包括：
B1:利用CT-水等效系数转换曲线，获取CT图像中BEV方向入射皮肤至肿瘤靶区后延最大距离对应的最大水等效长度。根据肿瘤靶区最大射野轮廓的外切矩形边长外扩5cm的规则在TPS中生成虚拟水模体CT图像。
B2:利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体CT图像上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布。其余步骤与实施例1相同。
实施例4：作为所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法的进一步改进，步骤B1还包括按照离子束最大可用能量对应水中的射程直接生成标准水模体CT图像。
其余步骤与实施例1相同。
实施例5：作为所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法的进一步改进，步骤B1还包括直接使用CT机器扫描三维水箱生成水模体CT图像。其余步骤与实施例1相同。
试验验证例：接下来结合一种三维剂量验证装置对具备本发明的实施例1所涉及的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法的试验实例进行说明。见图4所示，一种三维剂量验证装置，包括有计算机控制平台5及其连接的拥有三维剂量测量头1的多通道静电计7和加持三维运动支臂9的三维水模体(水箱)8；多通道静电计7连接由三维电离室夹具2加持电离室3组成的三维剂量测量头1，形成测量通路；三维剂量测量头1固连于三维运动支臂9上，通过计算机平台控制三维剂量测量头1做空间平移运动。
1、按照临床放疗要求对患者进行CT扫描，在重离子TPS中根据CT-水等效系数转换曲线获取了CT图像中BEV方向入射皮肤至肿瘤靶区后延最大距离对应的最大水等效长度1为151mm，根据碳离子能量与射程之间的关系，确认选择能量为300MeV/u的碳离子进行照射，据此进行了重离子治疗计划剂量优化计算，计划得到确认后获取了碳离子束辐射参数(能量、方向，权重和相关设备参数)；
2、利用CT-水等效系数转换曲线，根据肿瘤靶区最大射野轮廓的外切矩形边长外扩5cm的规则在TPS中生成虚拟的均匀水模体CT图像。利用TPS将碳离子束束流方向、能量和权重等辐射参数移植到水模体CT图像上，以5mm的计算步长在水模体中进行剂量计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布；
3、在治疗终端搭建三维剂量验证装置，将包含6个电离室的三维剂量测量头1与水箱中三维运动支臂9紧固相连，通过计算机控制平台将测量头1位移至兴趣点位置，即将各电离室置于测量点；计算机控制平台5获取水中三维计划剂量分布。根据电离室灵敏体积在水模体中的三维坐标在三维栅格化剂量分布中进行插值计算，得到体模中电离室测量点的计划剂量值；各电离室在水模体相对等中心的坐标以及插值计划剂量值如表1中Position和PlanDose两项指标所示。
4、按照计划设计的离子束辐射参数，控制医用重离子加速器对水模体进行模拟照射，各电离室获取实际测量绝对剂量值；计算机控制平台同时将水模体中电离室所测感兴趣点绝对剂量值与计划剂量进行比较，并将最终比较结果发布出来。最终剂量验证结果如表1所示。
| Channel | Status | Positioin | Tolerance[％] | PlanDose | MeasuredDose | Deviation[％] | Notes |
| 1 | Active | -2，2，-2 | 5 | 1.980874 | 1.974 | -0.35 | √ |
| 2 | Active | 0，2，-2 | 5 | 1.974944 | 1.994 | 0.96 | √ |
| 3 | Active | 2，2，-2 | 5 | 1.980559 | 1.999 | 0.93 | √ |
| 4 | Active | -2，0，0 | 5 | 1.982836 | 1.982 | -0.04 | √ |
| 5 | Active | 0，0，0 | 5 | 1.972170 | 2.08 | 5.47 | × |
| 6 | Active | 2，0，0 | 5 | 1.967307 | 1.986 | 0.95 | √ |
表1：利用三维剂量验证装置按照基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法实施的实验验证例。水模体中碳离子治疗计划验证的结果表明：基于水等效系数进行剂量分布的设计、移植和验证是可行的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：获取肿瘤患者CT影像数据，利用治疗计划系统根据CT-水等效系数转换曲线进行计划设计，计划确认后记录离子束辐射参数；
B：基于水等效系数生成虚拟三维水模体CT图像,利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布；
C：将电离室放入三维水模体中感兴趣点位置，根据电离室灵敏体积在水模体中的三维坐标在三维栅格化剂量分布中进行插值计算，获得感兴趣点计划剂量；
D：按照计划设计的离子束辐射参数，控制医用重离子加速器对水模体进行模拟照射，将水模体中电离室所测感兴趣点绝对剂量值与计划剂量进行比较。
2.如权利要求1所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，其特征在于：所述步骤A包括：
A1：根据CT图像勾画轮廓数据，进行三维图像重建；
A2：根据离子束照射方式进行射野设计，配置机器参数，配置计划约束条件；
A3：利用基于CT-水等效系数转换曲线的离子束剂量计算模型进行优化计算，计划评估后记录离子束辐射参数。
3.如权利要求1所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，其特征在于：所述步骤B包括：
B1:利用CT-水等效系数转换曲线，获取CT图像中BEV方向入射皮肤至肿瘤靶区后延最大距离对应的最大水等效长度；根据肿瘤靶区最大射野轮廓的外切矩形边长外扩5cm的规则在TPS中生成虚拟水模体CT图像；
B2:利用TPS将离子束辐射参数移植到水模体CT图像上，重新进行剂量优化计算，得到水模体中三维栅格化剂量分布。
4.如权利要求3所述的基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法，其特征在于：步骤B1还包括有按照离子束最大可用能量对应水中的射程直接生成标准水模体CT图像或直接使用CT机器扫描三维水箱生成水模体CT图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20150909 Assignee: Lanzhou Kejin Taiji Corp.,Ltd. Assignor: INSTITUTE OF MODERN PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2021620000012 Denomination of invention: Dose verification method of ion beam radiotherapy based on water equivalent coefficient Granted publication date: 20180706 License type: Common License Record date: 20210914 |
|
| EM01 | Change of recordation of patent licensing contract | ||
| EM01 | Change of recordation of patent licensing contract |
Change date: 20220706 Contract record no.: X2021620000012 Assignor after: INSTITUTE OF MODERN PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Assignor after: HUIZHOU ION SCIENCE RESEARCH CENTER Assignor before: INSTITUTE OF MODERN PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |