一种用于激光引导定位的肿瘤放射性粒子布局的方法
技术领域
本发明属于放射粒子植入技术领域,具体涉及一种辅助放射粒子植入的粒 子布局方法。
背景技术
粒子植入全称为“放射性粒子植入治疗技术”,是一种将放射源植入肿瘤内 部,让其以摧毁肿瘤的治疗手段。粒子植入治疗技术涉及放射源,其核心是放 射粒子。现在临床运用的是一种被称为碘125的同位素物质。每个碘125粒子 就像一个小太阳,其中心附近的射线最强,可最大限度降低对正常组织的损伤。 放射性粒子植入治疗技术主要依靠立体定向系统将放射性粒子准确植入瘤体 内,通过微型放射源发出持续、短距离的放射线,使肿瘤组织遭受最大限度杀 伤,而正常组织不损伤或只有微小损伤。专家认为,相比其他肿瘤治疗技术, 放射性粒子植入治疗技术本身技术含量并不高、难度并不大。但由于直接植入人体内,而且是放射源,所以要严格把握适应症。
一般在粒子植入时,首先需要对患者的肿瘤区域进行扫描,可通过核磁共 振或者CT等设备进行扫描,得到该患者的肿瘤区域图像。然后根据图像进行手 动或者电脑靶区绘制,根据绘制好的靶区图进行粒子布局,然后确认粒子深度 和粒子数量,同时确认针道位置,再通过该信息制作植入针模板。手术时,将 患者固定在CT床上,并植入针模板固定在患者靠近肿瘤的皮肤位置,再将植入 针按照预先设计步骤进行穿刺,同时实时通过CT扫描查看植入针位置,再通过 设置在植入针上的刻度提供深度参考。当植入针到达指定深度时,开始注入粒 子,然后向外拉出植入针,并当达到指定深度后再次注入粒子,直到该植入针上的所有粒子都已注入即可拉出植入针。
现有技术中,在粒子布局阶段,均采用TPS系统,能够根据图像进行勾画 确认肿瘤靶区,然后再进行粒子布局。但因为现有技术中在实际插入植入针时, 只能通过模板固定引导植入针插入,而每个模板上设有的固定孔数量和位置均 有限制,故在粒子布局时,不仅要保证肿瘤能够被完全覆盖,同时,还需要考 虑植入针的插入难度。因为植入针在插入对应位置时,可能需要绕过一些组织 或者骨质,从而能够避免对身体其他组织造成额外的伤害。但因为模板面积有 限,故只能在布局时考虑穿过该组织,才能保证较好的效果。
发明内容
为了解决现有技术因为采用模板引导植入针穿刺导致粒子布局时需要考虑 到植入针数量和位置不仅造成组织受损同时还需要在同根针上注入过多的粒子 导致作用范围重合较多的问题,本发明提供一种应用在激光引导定位的肿瘤植 入方法中可灵活布局从而在保证具有较好放疗效果的前体下还尽可能减少粒子 植入数量的布局方法。
本发明所采用的技术方案为:一种用于激光引导定位的肿瘤放射性粒子布 局的方法,具体步骤如下:
S1.通过扫描得到患者肿瘤图像;
S2.根据肿瘤图像确定肿瘤信息,并确定放射治疗区域;
S3.根据确认的治疗区域图像进行建模得到三维区域模型;
S4.针对三维区域模型进行粒子选型,并进行粒子布局确定粒子数量及布置 位置信息便于确定穿刺路径以便激光引导定位穿刺。
首先,本发明是一种运用于激光引导定位进行粒子植入的辅助方法,现有 技术是通过CT扫描获得图像后进行粒子布局,根据粒子布局确认植入针道并制 作模板,将模板固定在人体表面后对应预设好的孔洞插入植入针,将植入针插 入对应针道最深处,然后依次向外拉出定位通入粒子,从而进行布局。而本发 明是一种用于激光引导定位的布局方法,所述的激光定位能够通过可移动的激 光设备在术中对患者发射激光进行精准定位,然后根据激光束的引导确定植入 针的方向,并能够提示插入深度,从而避免采用模板的方式造成布局局限的问 题。
其中,本发明中为了提高布局的准确度,则通过扫描图像建立三维区域模 型,通过数学建模的方法得到该肿瘤靶区的三维图数据。然后在该图上进行粒 子布局,提高布局精度和灵活度,而且能够获得精确的粒子坐标,从而将布局 坐标数据输出便于确定穿刺路径。所述的数学建模采用医学建模软件Mimics, 根据扫描的多张断层图的数据包导入Mimics中,从而调整阈值并获得清晰的三 维图像,该三维图像可编辑,并将建模后的三维图像数据包输出作为粒子布局 使用。值得说明的是,因为采用CT对患者整个肿瘤靶区的身体部位进行扫描而 得到的完整的断面图,并且根据在场医生的判断,对断面图中的空腔或空白处 进行内容填充,从而获得较为精确的模拟该区域身体三维图。故在进行编辑时, 需要先建立坐标系,而该坐标系为了后续的粒子植入步骤,会直接将该三维图 像的皮肤表面的明显特征点作为原点,且一般情况下以手术时患者平躺的水平 面作为X、Y轴所在平面,而以竖直方向作为Z轴,从而便于手术指医生能够直 接在人体表面找到该原点,从而进行精确的激光引导。
而本发明中采用的粒子的活性强度不同,通过在不同位置预设对应的粒子, 从而起到较好的覆盖效果。其中粒子选型时,会根据具体的肿瘤大小和确认的 放射治疗区域的大小和形状来确定。也就是说,通过筛选不同剂量的粒子从而 做到精准治疗。因为肿瘤往往是不规则的形状,想要通过同种粒子进行布局可 能会造成剂量超标较大,而且对于周围组织的影响较大。如果周围存在重要组 织且间隔较近时,则需要调整粒子作用范围以便有针对性的调整。
现有技术中主要是通过多张断层扫描图进行布局,但是这种方式不能够得 到一个整体的布局判断,很可能会造成局部剂量过大或者作用范围重叠较多的 问题。而本发明通过软件先接受CT或者核磁共振装置输出的图片数据进行处理 从而模拟建立三维的图像和数学模型,从而能够获取整个三维图内的坐标数据, 以便于进行具体的粒子布局。而每个筛选出来的粒子的剂量率、半衰期和等剂 量曲线均可获知,故在布局时可根据具体位置来选择粒子。
进一步的,所述步骤S4的具体步骤如下:
S4.1.首先根据三维区域模型的体积和位置来确定整个粒子的处方剂量;
S4.2.筛选出最小活性强度的粒子作为边界粒子,并根据三维区域模型边界 布置边界粒子使得边界粒子的剂量空间对边界进行完全覆盖,同时确认边界粒 子的最小覆盖数量;
S4.3.再根据肿瘤预期坍缩速度进行选型并布置好处在边界粒子包围之内 的中心粒子,使得中心粒子与边界粒子的实际剂量总和大于处方剂量。
其中所述的三维区域模型是一种三维图形,其体积相较于实际的肿瘤体积 是有一定调整,一方面是为了完全覆盖整个肿瘤区域故向外进行扩张,另一方 面为了避免过多的影响周围的组织。而所述的最小活性强度是指所需要的粒子 中最小作用范围和剂量率的粒子,从而用于治疗区域的边界描边,能够做到较 为精准,故作为边界粒子。值得说明的是,边界粒子是用来将整个治疗区域的 边界进行完全覆盖的粒子,其有效作用范围会有重叠。将边界覆盖完全后,再 在中间采用作用范围较大剂量率较高的粒子作为中心粒子,则可以减少中心粒 子填充量,便于实际操作时减少植入针的插入数量。
进一步的,所述步骤S4.1中的处方剂量为最小剂量,根据确定的三维区域 模型计算其体积,然后根据体积计算最小剂量。为了保证能够将治疗区域内的 肿瘤能够吸收到足够的剂量,则医生需要先根据确认的治疗区域体积值和具体 的肿瘤状态确定一个处方剂量。而实际粒子的总剂量要大于处方剂量,因为每 个粒子的剂量不是标准值,会有一定的误差,而在实际操作时,一定会保证总 体的剂量值超过处方值,才能够保证不会出现误差。也就是说,所述的处方剂 量是在一个标准的环境下,以辐射范围正好填充整个区域而并没有超出区域体 积。但实际实施时,外部的边界粒子一定是要超出区域边界,才能够将边界完 全覆盖,而且每个粒子之间会有重叠区域。例如,处方剂量为90Gy,而实际使 用时总的粒子剂量低于90,就需要增加中心粒子使得剂量高于90Gy。
进一步的,所述步骤S2的具体步骤为:
S2.1.首先根据多幅肿瘤断层扫描图像,确认肿瘤本体体积、形状和位置信 息数据;
S2.2.然后确认肿瘤周围的组织情况,根据组织的受量限制和肿瘤信息确认 向外扩张距离,所述向外扩张距离范围在3-8mm之间;
S2.3.然后按照确定的扩张距离进行扩张并得到放射治疗区域模型的数据, 并将数据输出等待建模。
进一步的,所述中心粒子与边界粒子的实际剂量总和与处方剂量的差值在 15-30Gy之间。
进一步的,所述步骤S4.2中,所述边界粒子是根据整个三维区域模型的最 小凸出部分体积作为标准,使筛选的边界粒子的有效辐射范围大于该体积。也 就是说,肿瘤表面会有不规则的凸起或凹陷结构,而筛选边界粒子时则需要以 最小的凸起结构体积为参照,作用范围大于该凸起结构体积,然后在进行描边。
进一步的,所述步骤S1中是通过CT或核磁共振单独或共同扫描得到多个 肿瘤位置的断层图。
进一步的,所述边界粒子和中心粒子均采用碘125粒子。
进一步的,所述步骤S4的具体步骤如下:
S4.1.首先根据三维区域模型的体积和位置来确定整个粒子的处方剂量;
S4.2.根据处方剂量选取粒子,并根据粒子的最外侧有效等剂量范围作出三 维类球形模型;
S4.3.在粒子的三维类球形模型中确定最大体积的内切球;
S4.4.取内切球内的最大正方体作为基本模型块,以基本模型块为基础填充 三维区域模型的结构,且该结构将三维区域模型完全包含并使得该结构中的基 本模型块与三维区域模型均有交集;
S4.5.调整边界的基本模型块使得边界的基本模型块与三维区域模型之间 的交集大于80%;
S4.6.对应每个基本模型块确定一个粒子,并将该粒子的位置数据输出形成 立体布局数据。
值得说明的是,这里细化的步骤是基于计算机的三维建模软件实现的,三 维建模软件是本领域技术人员所公知的技术手段,其精度是根据前段断层扫面 设备提供的数据为主。而建模不仅能够得到图像模型,还能够得到每个像素点 数据,然后以像素点为基本值确定三维坐标,并确定图中每个点位的位置数据。
而上述方法是根据所筛选粒子的最外侧有效等剂量范围确定,所述的最外 侧有效等剂量范围是指每个粒子的有效作用范围,针对不同的肿瘤和状态可以 确定剂量,然后根据剂量选择适合的粒子。而每个粒子周围辐射剂量会随着距 离逐渐降低,而有效剂量是指针对肿瘤的最小作用剂量,并且考虑到半衰期和 实际的其他影响因素,该剂量范围内能够保证肿瘤细胞吸收足够的辐射而产生 变化,故只要保证作用区域一定在该有效范围内即可。
而该最外侧有效等剂量范围是一个类球形结构,但同样是一个非标结构, 只能通过积分方法得到内部最大体积的标准内切球。该内切球是完全被包含在 该等剂量范围内,但内切球是最接近该等剂量范围内的标准球体结构。而标准 球体内部一定存在一个内接的正方体,也就是说该标准球体是该正方体的外接 球。然后该正方体即为基本模型块,采用该基本模型块拼接堆积将整个三维区 域模型完全覆盖。所述的完全覆盖即整个三维区域模块被包含在有该基本模型 块拼接形成的结构内,但又要保证每个基本模型块与三维区域模块有交集,也 就是有重叠区域。而为了避免对周围组织造成过多的影响,故需要再模拟出来 的结构上进行调整,通过将部分重叠区域较少的基本模型块向内移动,从而使重叠区域增大,减小凸出空间,从而更加精准。但移动时需要保证所述三维区 域模型不会落出该基本模型块外。
进一步的,所述步骤S4.1中,三维区域模型的体积是通过统计区域内的像 素并通过链码进行区域面积计算,得到总的像素点数量。
本发明的方法是基于激光引导粒子植入设备进行前期规划的方法,所述的 激光引导设备相较于现有的3D打印模板的方法,更叫快速精准。通过前期三维 建模并在该仿真模型的皮肤表面找到明显的特征点并建立坐标系,并得到粒子 数量和位置坐标后规划针道位置,最后将上述数据输入激光引导设备中,并在 手术时将激光引导设备的激光头移动到患者皮肤上的明显特征点上作为起始位 置,通过系统根据输入的粒子坐标转换为移动矢量值,然后开始移动并指出第 一点作为第一个针道点,再将穿刺针从该点插入并开始植入粒子。
本发明的有益效果为:
(1)本发明首先通过多张患者肿瘤区域的断层扫描图通过软件进行合成, 从而形成一个直观且精准的肿瘤区域三维图,且该图包含所有像素点的坐标信 息,有利于粒子的精准布局和定位,从而达到较好的描边效果,并进行精准的 剂量控制;
(2)本发明能够根据得到的治疗区域的三维结构图进行精准布局,且通过 总的区域体积计算总的处方剂量,然后布局后又能够以处方剂量为参考,既能 够保证肿瘤能够吸收足够的剂量,同时又能够避免剂量过大造成周围组织受损;
(3)本发明通过新的布局方法,先确定最小活性强度的粒子作为边界粒子, 能够均匀且完全覆盖整个治疗区域的边界,然后再通过中心粒子进行填补,既 能够便于布置,减少粒子的数量,避免粒子过多影响植入针针道的确定,还能 够考虑到治疗时肿瘤的坍缩情况,从而针对不同的肿瘤状况进行适应性调整, 在保证具有较好效果的前提下还能够减少对周围组织的影响;
(4)本发明通过新的布局方法,首先采用同样的粒子最为基准粒子,并通 过确认内切球和内切球内的正方体进行标准化模型搭建,从而便于快速的粒子 布局,同时还能够保证肿瘤被完全辐射。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1:
本实施例提供一种用于激光引导定位的肿瘤放射性粒子布局方法,现有技 术中,在粒子布局阶段,均采用TPS系统,能够根据图像进行勾画确认肿瘤靶 区,然后再进行粒子布局。但因为现有技术中在实际插入植入针时,只能通过 模板固定引导植入针插入,而每个模板上设有的固定孔数量和位置均有限制, 故在粒子布局时,不仅要保证肿瘤能够被完全覆盖,同时,还需要考虑植入针 的插入难度。
本实施例的方法是运用激光辅助设备进行引导植入针穿刺导入粒子的前期 布局方法,而激光辅助设备是通过可灵活移动的激光发射器发生激光束在手术 时在照射在患者身体上,同时先进行标记。再在该标记点插入对应的植入针, 并使激光束的亮点与植入针的末端中心点对齐,在插入从而保证该植入针与该 激光束共线。
通过激光束引导取代了现有的模板,故能够任意调节从而便于绕过一些特 定组织,进行更加灵活的布局。而本实施例的布局方法的具体步骤为:
先针对患者的肿瘤部位进行CT扫描,首先根据多幅肿瘤断层扫描图像,确 认肿瘤本体体积、形状和位置信息数据;然后得到该肿瘤区域的多张断层扫面 图,且将整个肿瘤的断层扫面图的数据输出发送到处理设备中进行数据分析建 模。
该处理设备一般为装有建模软件的电脑,可在软件上调整建模大小。根据 CT扫描仪输出的图像数据首先建立的是一个肿瘤的完全三维图,然后在软件上 对其进行调整,通过医生确认一个区域,是基于该肿瘤的三维图向外扩张形成 的一个治疗区域,然后对该区域进行建模,从而得到放射治疗区域。具体是通 过确认肿瘤周围的组织情况,根据组织的受量限制和肿瘤信息确认向外扩张距 离,所述向外扩张距离范围在3-8mm之间;
其体积相较于实际的肿瘤体积有一定调整,一方面是为了完全覆盖整个肿 瘤区域故向外进行扩张,另一方面为了避免过多的影响周围的组织。
再根据三维区域模型的体积和位置来确定整个粒子的处方剂量;所述处方 剂量为最小剂量,根据确定的三维区域模型计算其体积,然后根据体积计算最 小剂量。
为了保证能够将治疗区域内的肿瘤能够吸收到足够的剂量,则医生需要先 根据确认的治疗区域体积值和具体的肿瘤状态确定一个处方剂量。而实际粒子 的总剂量要大于处方剂量,因为每个粒子的剂量不是标准值,会有一定的误差, 而在实际操作时,一定会保证总体的剂量值超过处方值,才能够保证不会出现 误差。
也就是说,所述的处方剂量是在一个标准的环境下,以辐射范围正好填充 整个区域而并没有超出区域体积。但实际实施时,外部的边界粒子一定是要超 出区域边界,才能够将边界完全覆盖,而且每个粒子之间会有重叠区域。
筛选出最小活性强度的粒子作为边界粒子,并根据三维区域模型边界布置 边界粒子使得边界粒子的剂量空间对边界进行完全覆盖,同时确认边界粒子的 最小覆盖数量;
再根据肿瘤预期坍缩速度进行选型并布置好处在边界粒子包围之内的中心 粒子,使得中心粒子与边界粒子的实际剂量总和大于处方剂量。所述至少两个 中心粒子与对应的边界粒子共线。
实施例2:
本实施例是一种用于激光引导定位的肿瘤放射性粒子布局方法,本实施例 的方法是运用激光辅助设备进行引导植入针穿刺导入粒子的前期布局方法,而 激光辅助设备是通过可灵活移动的激光发射器发生激光束在手术时在照射在患 者身体上,同时先进行标记。再在该标记点插入对应的植入针,并使激光束的 亮点与植入针的末端中心点对齐,在插入从而保证该植入针与该激光束共线。 通过激光束引导取代了现有的模板,故能够任意调节从而便于绕过一些特定组 织,进行更加灵活的布局。而本实施例的布局方法的具体步骤为:
针对患者的肿瘤部位进行CT扫描,首先根据多幅肿瘤断层扫描图像,确认 肿瘤本体体积、形状和位置信息数据;然后得到该肿瘤区域的多张断层扫面图, 且将整个肿瘤的断层扫面图的数据输出发送到处理设备中进行数据分析建模。 该处理设备一般为装有建模软件的电脑,可在软件上调整建模大小。根据CT扫 描仪输出的图像数据首先建立的是一个肿瘤的完全三维图,然后在软件上对其 进行调整,通过医生确认一个区域,是基于该肿瘤的三维图向外扩张形成的一 个治疗区域,然后对该区域进行建模,从而得到放射治疗区域。具体是通过确 认肿瘤周围的组织情况,根据组织的受量限制和肿瘤信息确认向外扩张距离, 所述向外扩张距离范围在3-8mm之间;
根据三维区域模型的体积和位置来确定整个粒子的处方剂量;所述处方剂 量为最小剂量,根据确定的三维区域模型计算其体积,然后根据体积计算最小 剂量。
确定好处方剂量后,根据处方剂量选取粒子,并根据粒子的最外侧有效等 剂量范围作出三维类球形模型;所述的最外侧有效等剂量范围是指每个粒子的 有效作用范围,针对不同的肿瘤和状态可以确定剂量,然后根据剂量选择适合 的粒子。而每个粒子周围辐射剂量会随着距离逐渐降低,而有效剂量是指针对 肿瘤的最小作用剂量,并且考虑到半衰期和实际的其他影响因素,该剂量范围 内能够保证肿瘤细胞吸收足够的辐射而产生变化,故只要保证作用区域一定在 该有效范围内即可。
在粒子的三维类球形模型中确定最大体积的内切球;取内切球内的最大正 方体作为基本模型块,以基本模型块为基础填充三维区域模型的结构,且该结 构将三维区域模型完全包含并使得该结构中的基本模型块与三维区域模型均有 交集;调整边界的基本模型块使得边界的基本模型块与三维区域模型之间的交 集大于80%;对应每个基本模型块确定一个粒子,并将该粒子的位置数据输出 形成立体布局数据。
最外侧有效等剂量范围是一个类球形结构,但同样是一个非标结构,只能 通过积分方法得到内部最大体积的标准内切球。该内切球是完全被包含在该等 剂量范围内,但内切球是最接近该等剂量范围内的标准球体结构。而标准球体 内部一定存在一个内接的正方体,也就是说该标准球体是该正方体的外接球。 然后该正方体即为基本模型块,采用该基本模型块拼接堆积将整个三维区域模 型完全覆盖。
所述的完全覆盖即整个三维区域模块被包含在有该基本模型块拼接形成的 结构内,但又要保证每个基本模型块与三维区域模块有交集,也就是有重叠区 域。而为了避免对周围组织造成过多的影响,故需要再模拟出来的结构上进行 调整,通过将部分重叠区域较少的基本模型块向内移动,从而使重叠区域增大, 减小凸出空间,从而更加精准。但移动时需要保证所述三维区域模型不会落出 该基本模型块外。
本发明不局限于上述可选的实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出 其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限 制,本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准,并且说明书可以用于 解释权利要求书。