CN109876310B - 质子治疗的监控方法、装置与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质子治疗的监控方法、装置与系统，根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；根据肿瘤病灶区，确定感兴趣区域；当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；对声波时间序列信号进行处理，得到感兴趣区域中的质子束剂量分布；从质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内；若是，调整质子束的出束参数。采用本技术方案，能够准确确定布拉格峰位置，对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，调整质子束的出束参数，保证质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，保证对患者进行质子治疗的治疗效果。

Description

质子治疗的监控方法、装置与系统

技术领域

本发明涉及质子治疗和声波成像技术领域，具体涉及一种质子治疗的监控方法、装置与系统。

背景技术

目前治疗恶性肿瘤(癌症)的手段主要包括手术、化学治疗和放射治疗，并且超过70％的肿瘤患者需要接受单独放疗或者与放疗结合的综合治疗。理想的放射治疗是给予癌细胞最大致死剂量，同时最大限度地减小周围正常器官组织的照射剂量，质子治疗便是这样一种精确治疗癌症的尖端放疗技术。质子束在人体内的照射剂量曲线先缓慢上升，随后逐渐变快，直到布拉格峰处产生最大的剂量沉积，之后曲线快速下降并趋于零。质子束的布拉格峰特性能使肿瘤组织接收到最大的照射剂量，同时能避免肿瘤组织后方的正常器官受到辐射伤害，降低治疗的副作用。

质子束的布拉格峰特性是质子治疗的最大优势，现有技术中，通常利用飞行时间(Time of flight)方法来计算布拉格峰的位置，但是采用该方法得到的布拉格峰位置的误差较大，从而无法准确定位布拉格峰的位置，这样很可能会导致正常器官的过度照射，且无法准确控制质子出束剂量，很大程度上增加了肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而使得治疗效果不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种质子治疗的监控方法、装置与系统，以解决现有技术中质子在病人体内剂量和射程具有不确定性，无法准确定位布拉格峰的位置，导致肿瘤组织的剂量不足或者正常器官的过度照射，很大程度上增加了肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而使得治疗效果不佳的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种质子治疗的监控方法，包括：

根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；

根据所述肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

当质子束照射所述肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；所述声波探测器为预先设置在人体表面的装置；

对所述声波时间序列信号进行处理，得到所述感兴趣区域中的质子束剂量分布；

从所述质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

检测所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置是否落在所述肿瘤病灶区域内；

若所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置未落在所述肿瘤病灶区域内，调整所述质子束的出束参数。

进一步地，上述所述的方法中，所述对所述声波时间序列信号进行处理，得到所述感兴趣区域中的质子束剂量分布，包括：

对所述声波时间序列信号进行处理，在所述感兴趣区域重建初始声波分布；

对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布。

进一步地，上述所述的方法中，所述对所述声波时间序列信号进行处理，在所述感兴趣区域重建初始声波分布，包括：

利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；

在所述声波探测器的位置模拟发射所述反演声波信号；

在采集声波的初始时刻，根据所述反演声波信号在所述感兴趣区域中重建所述初始声波分布。

进一步地，上述所述的方法中，所述利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号之前，还包括：

检测质子出束的时间脉冲波形是否为已知；

若所述时间脉冲波形为已知，根据所述时间脉冲波形和预设的卷积公式，对所述声波时间序列信号进行去卷积计算，得到目标声波时间序列信号；

对应地，所述利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号，包括：

利用时间反演方法，将所述目标声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号。

进一步地，上述所述的方法中，所述对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布之前，还包括：

根据所述三维体模，将所述三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；

所述物理参数包括：密度、声速、衰减系数、恒压比热容和体积热膨胀系数；

对应地，所述对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布，包括：

根据所述物理参数，利用声压-剂量转换关系式对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布；

所述声压-剂量转换关系式为：

其中，

是空间位置坐标；

是所述质子束剂量分布；

是所述初始声波分布；ρ是密度；Γ是格律乃森Grüneisen系数；

所述Γ的计算公式为：

Γ＝α_V c²/C_p

其中，α_V是体积热膨胀系数；c是声速；C_p是恒压比热容。

本发明还提供一种质子治疗的监控装置，包括：确定模块、接收模块、处理模块、选取模块、检测模块和调整模块；

所述确定模块，用于根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；根据所述肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

所述接收模块，用于当质子束照射所述肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；所述声波探测器为预先设置在人体表面的装置；

所述处理模块，用于对所述声波时间序列信号进行处理，得到所述感兴趣区域中的质子束剂量分布；

所述选取模块，用于从所述质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

所述检测模块，用于检测所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置是否落在所述肿瘤病灶区域内；

所述调整模块，用于若所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置未落在所述肿瘤病灶区域内，调整所述质子束的出束参数。

进一步地，上述所述的装置中，所述处理模块包括：重建单元和转换单元；

所述重建单元，用于对所述声波时间序列信号进行处理，在所述感兴趣区域重建初始声波分布；

所述转换单元，用于对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布。

进一步地，上述所述的装置中，所述重建单元具体用于：

利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；

在所述声波探测器的位置模拟发射所述反演声波信号；

在采集声波的初始时刻，根据所述反演声波信号在所述感兴趣区域中重建所述初始声波分布。

进一步地，上述所述的装置，还包括：参数转换模块；

所述参数转换模块，用于根据所述三维体模，将所述三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；

所述物理参数包括：密度、声速、衰减系数、恒压比热容和体积热膨胀系数；

对应地，所述转换单元，具体用于根据所述物理参数，利用声压-剂量转换关系式对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布；

所述声压-剂量转换关系式为：

其中，

是空间位置坐标；

是所述质子束剂量分布；

是所述初始声波分布；ρ是密度；Γ是格律乃森Grüneisen系数；

所述Γ的计算公式为：

Γ＝α_V c²/C_p

其中，α_V是体积热膨胀系数；c是声速；C_p是恒压比热容。

本发明还提供一种质子治疗的监控系统，包括：声波探测器、CT机、数据采集卡和质子治疗监控设备；

所述声波探测器与所述数据采集卡相连；

所述数据采集卡和所述CT机分别与所述质子治疗监控设备相连；

所述声波探测器用于采集所述声波时间序列信号，并将所述声波时间序列信号发送给所述数据采集卡；

所述CT机用于构建人体的三维体模，并将所述三维体模发送给所述质子治疗监控设备；

所述数据采集卡用于接收所述声波时间序列信号，并将所述声波时间序列信号发送给所述质子治疗监控设备；

所述质子治疗监控设备至少用于执行上述质子治疗的监控方法。

本发明的质子治疗的监控方法、装置与系统，根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；根据肿瘤病灶区，确定感兴趣区域；当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；对声波时间序列信号进行处理，得到感兴趣区域中的质子束剂量分布；从质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内；若质子束剂量分布和布拉格峰位置未落在肿瘤病灶区域内，调整质子束的出束参数。这样利用声波时间序列信号，得到质子束剂量分布，再选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，根据质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，来对质子束的出束参数进行调整，从而保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的质子治疗的监控方法实施例一的流程图；

图2是本发明的质子治疗的监控方法实施例二的流程图；

图3是本发明的质子治疗的监控方法实施例三的结构示意图；

图4是本发明的质子治疗的监控装置实施例一的结构示意图；

图5是本发明的质子治疗的监控装置实施例二的结构示意图；

图6是本发明的质子治疗的监控系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明的质子治疗的监控方法实施例一的流程图；如图1所示，本实施例的质子治疗的监控方法具体可以包括如下步骤：

S101、根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；

首先，通过CT机扫描病人的全身，得到多帧CT图像，再将多帧CT图像组合起来，从而构建成一个三维体模。根据预先通过CT机构建的三维体模，勾画出肿瘤病灶区域。另外，在确定肿瘤病灶区域时，也可以在CT图像中进行确定。

S102、根据肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

通过上述步骤，确定肿瘤病灶区域后，适当扩大肿瘤病灶区域，从而得到一个感兴趣区域，该感兴趣区域范围比肿瘤病灶区域大，并且感兴趣区域包含肿瘤病灶区域。其中，确定感兴趣区域是为了在确定布拉格峰位置时，缩小布拉格峰定位的范围。

S103、当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；

当质子束治疗头利用质子束照射肿瘤病灶区域时，会触发数据采集卡，数据采集卡首先接收到声波探测器采集的声波时间序列信号，然后再将该声波时间序列信号发送给质子治疗的监控设备，质子治疗的监控设备再接收该声波时间序列信号。其中，若干个声波探测器是围绕着人体皮肤表面有间隔地放置的，声波探测器是用于测量质子治疗病人时诱导的声波信号。

S104、对声波时间序列信号进行处理，得到感兴趣区域中的质子束剂量分布；

根据上述步骤，确定感兴趣区域，并且得到声波时间序列信号之后，对该声波时间序列信号进行处理，从而在感兴趣区域中得到质子束剂量分布。

S105、从质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

通过上述步骤，得到质子束剂量分布后，在质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置，并将该位置作为布拉格峰位置。在医学上，重离子束进入身体后不会马上大量释放能量，只有在重离子停下来的位置才会释放其大部分能量，形成一个尖锐的能量峰，这个能量峰便叫做布拉格峰。

S106、检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内；

通过上述步骤，得到质子束剂量分布和布拉格峰位置后，对质子束剂量分布和布拉格峰位置进行检测，确定其是否落在肿瘤病灶区域内。其中，此处所说的质子束剂量分布是指主要剂量分布，若检测到主要剂量分布落在肿瘤病灶区域内，而有少量的剂量分布并没有落在肿瘤病灶区域内，那少量的剂量分布可以忽略不计。

S107、若质子束剂量分布和布拉格峰位置未落在肿瘤病灶区域内，调整质子束的出束参数。

通过上述步骤的检测，如果质子束剂量分布和布拉格峰位置没有落在肿瘤病灶区域内，则需要调整质子束的出束参数，然后再进行检测，直到质子束剂量分布和布拉格峰位置均落在肿瘤病灶区域内后，再以此时的质子束的出束参数为准，对病人进行质子治疗。其中，如果质子束剂量分布没有落在肿瘤病灶区域内，而是偏离肿瘤病灶区域，那么可能是在进行质子束照射时，照射的位置发生偏差，需要调整质子束治疗头的照射位置；如果质子束剂量分布没有落在肿瘤病灶区域内，而是蔓延出了肿瘤病灶区域，那么说明在进行质子束照射时，剂量较大，需要调整质子束的照射剂量；如果布拉格峰位置没有落在肿瘤病灶区域内，那么说明在进行质子束照射时，照射的位置发生偏差，需要调整质子束治疗头的照射位置。

如果质子束剂量分布和布拉格峰位置均落在肿瘤病灶区域内，那么便保持质子束的出束参数不变，以此时的质子束的出束参数为准，对病人进行质子治疗。

本实施例的质子治疗的监控方法，根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域，从而确定感兴趣区域，当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；利用声波时间序列信号，得到质子束剂量分布，再选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，根据质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，来对质子束的出束参数进行调整，从而保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

图2是本发明的质子治疗的监控方法实施例二的流程图；如图2所示，本实施例的质子治疗的监控方法具体可以包括如下步骤：

S201、根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；

该步骤的执行过程与图1所示的S101的执行过程相同，此处不再赘述。

S202、根据肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

该步骤的执行过程与图1所示的S102的执行过程相同，此处不再赘述。

S203、当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；

该步骤的执行过程与图1所示的S101的执行过程相同，此处不再赘述。

S204、利用时间反演方法，将声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；

通过上述步骤，得到声波时间序列信号后，利用时间反演方法，将声波时间序列信号进行时间反演，从而得到反演声波信号，由于在人体皮肤表面可能设置了若干个声波探测器，因此可能会得到若干组声波时间序列信号，此步骤需要对每组声波时间序列信号都进行时间反演。

时间反演并不是时间倒流，而是运动的反演。时间反演信号处理是指接收到的目标反射回波时域信号在时序上进行反转，得到后向传输信号，再发射到目标所在的计算区域中，相当于信号的“先入后出”。反演波在虚拟重发后，由于反演波回传的杂波环境与实际的接收回波经历的杂波环境是一致的，因而信号将在目标位置上实现能量聚焦，这使得时间反演技术具有抗多路径的特点，并能在时间和空间上同步聚焦，也就是时间反演技术所具有的时空聚焦特性。

S205、在声波探测器的位置模拟发射反演声波信号；

通过上述步骤，根据声波时间序列信号，得到反演声波信号后，在该声波时间序列信号对应的声波探测器的位置，模拟发射该反演声波信号。

S206、在采集声波的初始时刻，根据反演声波信号在感兴趣区域中重建初始声波分布；

在采集声波的初始时刻，根据上述步骤模拟发射的反演声波信号，在感兴趣区域中重建初始声波分布。其中，采集声波的初始时刻即质子出束的时刻。

S207、根据三维体模，将三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；

根据上述步骤中得到的三维体模，将三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数。其中，物理参数包括：密度、声速、衰减系数、恒压比热容和体积热膨胀系数。

S208、根据物理参数，利用声压-剂量转换关系式对初始声波分布进行转换处理，得到质子束剂量分布；

通过上述步骤，得到初始声波分布和物理参数后，根据该物理参数，利用声压-剂量转换关系式对该初始声波分布进行转换处理，从而得到质子束剂量分布。其中，声压-剂量转换关系式为：

其中，

是空间位置坐标；

是质子束剂量分布；

是初始声波分布；ρ是密度；Γ是格律乃森Grüneisen系数；

Γ的计算公式为：

Γ＝α_V c²/C_p

其中，α_V是体积热膨胀系数；c是声速；C_p是恒压比热容。

另外，不同的体素中，上述声压-剂量转换用到的物理参数以及时间反演中用到的衰减系数可以通过查阅文献，利用拟合的经验公式由CT值计算得到。

S209、从质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

该步骤的执行过程与图1所示的S105的执行过程相同，此处不再赘述。

S210、检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内；

该步骤的执行过程与图1所示的S106的执行过程相同，此处不再赘述。

S211、若质子束剂量分布和布拉格峰位置未落在肿瘤病灶区域内，调整质子束的出束参数。

该步骤的执行过程与图1所示的S107的执行过程相同，此处不再赘述。

需要说明的是，本实施例的步骤S207在步骤S201与步骤S208之间执行，并不限定步骤S207执行顺序。

本实施例的质子治疗的监控方法，根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域，从而确定感兴趣区域，当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；利用时间反演方法，对声波时间序列信号进行时间反演，将得到的反演声波信号在声波探测器的位置模拟发射，在采集声波的初始时刻重建出初始声波分布，并利用声压-剂量转换关系式以及通过三维体模得到的物理参数对初始声波分布进行转换，得到质子束剂量分布，再选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，根据质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，来对质子束的出束参数进行调整，从而保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

图3是本发明的质子治疗的监控方法实施例三的结构示意图；如图3所示，本实施例的质子治疗的监控方法具体可以包括如下步骤：

S301、根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；

该步骤的执行过程与图1所示的S101的执行过程相同，此处不再赘述。

S302、根据肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

该步骤的执行过程与图1所示的S102的执行过程相同，此处不再赘述。

S303、当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；

该步骤的执行过程与图1所示的S101的执行过程相同，此处不再赘述。

S304、检测质子出束的时间脉冲波形是否为已知；

通过检测，确定质子出束的时间脉冲波形是否为已知。

S305、若时间脉冲波形为已知，根据时间脉冲波形和预设的卷积公式，对声波时间序列信号进行去卷积计算，得到目标声波时间序列信号；

通过上述步骤，如果检测到质子出束的时间脉冲波形为已知，根据该时间脉冲波形和预设的卷积公式，对通过上述步骤得到的声波时间序列信号进行去卷积计算，从而得到目标声波时间序列信号。

声波探测器采集的声波时间序列信号可以看作是极短质子脉冲诱导的声波信号和质子出束的时间脉冲波形的卷积形式。其中，预设的卷积公式为：

其中，

是空间位置坐标；t是时刻；

是声波时间序列信号；S(t)是质子出束的时间脉冲波形；

是极短质子脉冲诱导的声波信号，即目标声波时间序列信号。

如果检测到质子出束的时间脉冲波形并不是已知的，那么直接将声波时间序列信号作为目标声波时间序列信号。

在已知质子出束的时间脉冲波形的前提下，对实际探测的声波时间序列信号去卷积，用得到的目标声波时间序列信号进行时间反演，重建出的初始声波分布将更加准确。

S306、利用时间反演方法，将目标声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；

通过上述步骤，得到目标声波时间序列信号后，利用时间反演方法，将目标声波时间序列信号进行时间反演，从而得到反演声波信号，由于在人体皮肤表面可能设置了若干个声波探测器，因此可能会得到若干组声波时间序列信号，也会得到与声波时间序列信号相对应的若干组目标声波时间序列信号，此步骤需要对每组目标声波时间序列信号都进行时间反演。

S307、在声波探测器的位置模拟发射反演声波信号；

该步骤的执行过程与图2所示的S205的执行过程相同，此处不再赘述。

S308、在采集声波的初始时刻，根据反演声波信号在感兴趣区域中重建初始声波分布；

该步骤的执行过程与图2所示的S206的执行过程相同，此处不再赘述。

S309、根据三维体模，将三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；

该步骤的执行过程与图2所示的S207的执行过程相同，此处不再赘述。

S310、根据物理参数，利用声压-剂量转换关系式对初始声波分布进行转换处理，得到质子束剂量分布；

该步骤的执行过程与图2所示的S208的执行过程相同，此处不再赘述。

S311、从质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

该步骤的执行过程与图1所示的S105的执行过程相同，此处不再赘述。

S312、检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内；

该步骤的执行过程与图1所示的S106的执行过程相同，此处不再赘述。

S313、若质子束剂量分布和布拉格峰位置未落在肿瘤病灶区域内，调整质子束的出束参数。

该步骤的执行过程与图1所示的S107的执行过程相同，此处不再赘述。

需要说明的是，本实施例的步骤S309在步骤S301与步骤S310之间执行，并不限定步骤S309执行顺序。

本实施例的质子治疗的监控方法，根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域，从而确定感兴趣区域，当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；根据时间脉冲波形和预设的卷积公式对声波时间序列信号进行去卷积计算，得到目标声波时间序列信号；利用时间反演方法，对目标声波时间序列信号进行时间反演，将得到的反演声波信号在声波探测器的位置模拟发射，在采集声波的初始时刻重建出初始声波分布，并利用声压-剂量转换关系式以及通过三维体模得到的物理参数对初始声波分布进行转换，得到质子束剂量分布，再选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测。根据质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，来对质子束的出束参数进行调整，并且对利用质子出束的时间脉冲波形计算得出的目标声波时间序列信号进行时间反演，这样重建的初始声波分布更加准确，从而保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

为了更全面，对应于本发明实施例提供的质子治疗的监控方法，本申请还提供了质子治疗的监控装置。

图4是本发明的质子治疗的监控装置实施例一的结构示意图；如图4所示，本实施例的质子治疗的监控装置包括：确定模块101、接收模块102、处理模块103、选取模块104、检测模块105和调整模块106。

确定模块101，用于根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；根据肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

接收模块102，用于当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；声波探测器为预先设置在人体表面的装置；

处理模块103，用于对声波时间序列信号进行处理，得到感兴趣区域中的质子束剂量分布；

选取模块104，用于从质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

检测模块105，用于检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内；

调整模块106，用于若质子束剂量分布和布拉格峰位置未落在肿瘤病灶区域内，调整质子束的出束参数。

本实施例的质子治疗的监控装置，通过确定模块101根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域，从而确定感兴趣区域，当质子束照射肿瘤病灶区域时，通过接收模块102接收声波探测器采集的声波时间序列信号；通过处理模块103利用声波时间序列信号，得到质子束剂量分布，再通过选取模块104选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，检测模块105检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，利用调整模块106对质子束的出束参数进行调整，从而保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

图5是本发明的质子治疗的监控装置实施例二的结构示意图；如图5所示，本实施例的质子治疗的监控装置还包括参数转换模块107，处理模块103包括重建单元1031和转换单元1032。

重建单元1031，用于对声波时间序列信号进行处理，在感兴趣区域重建初始声波分布；

进一步地，重建单元1031具体用于：利用时间反演方法，将声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；在声波探测器的位置模拟发射反演声波信号；在采集声波的初始时刻，根据反演声波信号在感兴趣区域中重建初始声波分布。

另外，在利用时间反演方法，将声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号之前，还可以检测质子出束的时间脉冲波形是否为已知；若时间脉冲波形为已知，根据时间脉冲波形和预设的卷积公式，对声波时间序列信号进行去卷积计算，得到目标声波时间序列信号；如果时间脉冲波形为未知，则将声波时间序列信号作为目标声波时间序列信号。之后再利用时间反演方法，将目标声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号。

参数转换模块107，用于根据三维体模，将三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；

具体地，物理参数包括：密度、声速、衰减系数、恒压比热容和体积热膨胀系数；

转换单元1032，用于对初始声波分布进行转换处理，得到质子束剂量分布；

进一步地，转换单元1032具体用于：根据物理参数，利用声压-剂量转换关系式对初始声波分布进行转换处理，得到质子束剂量分布；

声压-剂量转换关系式为：

其中，

是空间位置坐标；

是质子束剂量分布；

是初始声波分布；ρ是密度；Γ是格律乃森Grüneisen系数；

Γ的计算公式为：

Γ＝α_V c²/C_p

其中，α_V是体积热膨胀系数；c是声速；C_p是恒压比热容。

本实施例的质子治疗的监控装置，确定模块101根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域，从而确定感兴趣区域，当质子束照射肿瘤病灶区域时，接收模块102接收声波探测器采集的声波时间序列信号；重建单元1031根据时间脉冲波形和预设的卷积公式对声波时间序列信号进行去卷积计算，得到目标声波时间序列信号；利用时间反演方法，对目标声波时间序列信号进行时间反演，将得到的反演声波信号在声波探测器的位置模拟发射，在采集声波的初始时刻重建出初始声波分布；转换单元1032利用声压-剂量转换关系式以及通过参数转换模块107得到的物理参数对初始声波分布进行转换，得到质子束剂量分布，再通过选取模块104选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，检测模块105检测质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，通过调整模块106对质子束的出束参数进行调整。并且对利用质子出束的时间脉冲波形计算得出的目标声波时间序列信号进行时间反演，这样重建的初始声波分布更加准确，从而保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

为了更全面，对应于本发明实施例提供的质子治疗的监控方法，本申请还提供了质子治疗的监控系统。

图6是本发明的质子治疗的监控系统实施例的结构示意图；如图6所示，本实施例的质子治疗的监控系统包括：声波探测器201、数据采集卡202、CT机203和质子治疗监控设备204。其中，声波探测器201与数据采集卡202相连；数据采集卡202和CT机203分别与质子治疗监控设备204相连。

具体地，声波探测器201用于采集声波时间序列信号，并将声波时间序列信号发送给数据采集卡202；CT机203用于构建人体的三维体模，并将三维体模发送给质子治疗监控设备204；数据采集卡202用于接收声波探测器201发送的声波时间序列信号，并将声波时间序列信号发送给质子治疗监控设备204；质子治疗监控设备用于执行上述实施例的质子治疗的监控方法。

本实施例的质子治疗的监控系统，通过CT机203构建人体的三维体模，并将三维体模发送给质子治疗监控设备204，确定肿瘤病灶区域和感兴趣区域；通过若干个声波探测器201采集若干组声波时间序列信号，并将若干组声波时间序列信号发送到数据采集卡202，数据采集卡202再将若干组声波时间序列信号发送给质子治疗监控设备204；质子治疗监控设备204根据三维体模得到声压-剂量转换所需的物理参数，再根据物理参数和声波时间序列信号，利用声压-剂量转换关系式得到质子束剂量分布，从而选取布拉格峰，准确确定布拉格峰位置，实现对质子束剂量分布和布拉格峰位置的监测，根据质子束剂量分布和布拉格峰位置是否落在肿瘤病灶区域内，来对质子束的出束参数进行调整，保证质子治疗过程中对肿瘤组织进行质子束照射的剂量正常、位置准确，降低肿瘤复发和正常器官并发症的风险，从而保证对肿瘤患者进行质子治疗的治疗效果。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种质子治疗的监控方法，其特征在于，包括：

根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；

根据所述肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

当质子束照射所述肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；所述声波探测器为预先设置在人体表面的装置；

对所述声波时间序列信号进行处理，得到所述感兴趣区域中的质子束剂量分布；

从所述质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

检测所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置是否落在所述肿瘤病灶区域内；

若所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置未落在所述肿瘤病灶区域内，调整所述质子束的出束参数；

所述对所述声波时间序列信号进行处理，得到所述感兴趣区域中的质子束剂量分布，包括：

对所述声波时间序列信号进行处理，在所述感兴趣区域重建初始声波分布；

对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布；

所述对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布之前，还包括：

根据所述三维体模，将所述三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；所述物理参数包括：密度、声速、衰减系数、恒压比热容和体积热膨胀系数；

对应地，所述对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布，包括：

根据所述物理参数，利用声压-剂量转换关系式对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布；

所述声压-剂量转换关系式为：

其中，

是空间位置坐标；

是所述质子束剂量分布；

是所述初始声波分布；ρ是密度；Γ是格律乃森Grüneisen系数；

所述Γ的计算公式为：

Γ＝α_Vc²/C_p

其中，α_V是体积热膨胀系数；c是声速；C_p是恒压比热容。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述声波时间序列信号进行处理，在所述感兴趣区域重建初始声波分布，包括：

利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；

在所述声波探测器的位置模拟发射所述反演声波信号；

在采集声波的初始时刻，根据所述反演声波信号在所述感兴趣区域中重建所述初始声波分布。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号之前，还包括：

检测质子出束的时间脉冲波形是否为已知；

若所述时间脉冲波形为已知，根据所述时间脉冲波形和预设的卷积公式，对所述声波时间序列信号进行去卷积计算，得到目标声波时间序列信号；

对应地，所述利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号，包括：

利用时间反演方法，将所述目标声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号。

4.一种质子治疗的监控装置，其特征在于，包括：确定模块、接收模块、处理模块、选取模块、检测模块和调整模块；

所述确定模块，用于根据预先构建的三维体模，确定肿瘤病灶区域；根据所述肿瘤病灶区域，确定感兴趣区域；

所述接收模块，用于当质子束照射所述肿瘤病灶区域时，接收声波探测器采集的声波时间序列信号；所述声波探测器为预先设置在人体表面的装置；

所述处理模块，用于对所述声波时间序列信号进行处理，得到所述感兴趣区域中的质子束剂量分布；

所述选取模块，用于从所述质子束剂量分布中选取剂量最大值的位置作为布拉格峰位置；

所述检测模块，用于检测所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置是否落在所述肿瘤病灶区域内；

所述调整模块，用于若所述质子束剂量分布和所述布拉格峰位置未落在所述肿瘤病灶区域内，调整所述质子束的出束参数；

所述处理模块包括：重建单元和转换单元；

所述重建单元，用于对所述声波时间序列信号进行处理，在所述感兴趣区域重建初始声波分布；

所述转换单元，用于对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布；

所述质子治疗的监控装置还包括：参数转换模块；

所述参数转换模块，用于根据所述三维体模，将所述三维体模中每个体素对应的CT值转化成声压-剂量转换所需的物理参数；所述物理参数包括：密度、声速、衰减系数、恒压比热容和体积热膨胀系数；

对应地，所述转换单元，具体用于根据所述物理参数，利用声压-剂量转换关系式对所述初始声波分布进行转换处理，得到所述质子束剂量分布；

所述声压-剂量转换关系式为：

其中，

是空间位置坐标；

是所述质子束剂量分布；

是所述初始声波分布；ρ是密度；Γ是格律乃森Grüneisen系数；

所述Γ的计算公式为：

Γ＝α_Vc²/C_p

其中，α_V是体积热膨胀系数；c是声速；C_p是恒压比热容。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述重建单元具体用于：

利用时间反演方法，将所述声波时间序列信号进行时间反演，得到反演声波信号；

在所述声波探测器的位置模拟发射所述反演声波信号；

在采集声波的初始时刻，根据所述反演声波信号在所述感兴趣区域中重建所述初始声波分布。

6.一种质子治疗的监控系统，其特征在于，包括：声波探测器、CT机、数据采集卡和质子治疗监控设备；

所述声波探测器与所述数据采集卡相连；

所述数据采集卡和所述CT机分别与所述质子治疗监控设备相连；

所述声波探测器用于采集所述声波时间序列信号，并将所述声波时间序列信号发送给所述数据采集卡；

所述CT机用于构建人体的三维体模，并将所述三维体模发送给所述质子治疗监控设备；

所述数据采集卡用于接收所述声波时间序列信号，并将所述声波时间序列信号发送给所述质子治疗监控设备；

所述质子治疗监控设备至少用于执行权利要求1-3任一所述的质子治疗的监控方法。

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