CN110505901A - 用于离子放射疗法的方法、系统及计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

一种执行用于离子放射疗法的剂量计算的方法，该方法通过将体素的一部分近似为空气腔来补偿组织，在所述组织中，在体素内的密度可能不均匀的。对于每个剂量体素，所述体素被内接在包括多个单元格的三维网格中，并且基于在与该体素交叠的至少一个单元格中的单元格样式来计算透过该体素的离子传播。优选地，体素是以使得所述体素与至少一个单元格完全交叠的方式内接在三维网格中的。每个单元格包括代表与组织密度相对应的第一密度的第一部分和代表与空气密度相对应的第二密度的第二部分，第一部分和第二部分形成单元格样式。

Description

用于离子放射疗法的方法、系统及计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于肺部组织的离子放射疗法的方法。
背景技术
使用诸如质子之类的离子在患者体内沉积能量的放射疗法具有许多优势。
在基于离子的放射疗法中，每个离子将朝向其路径末端发射其大部分能量，从而形成所谓的布拉格峰。治疗计划中的关键问题是确保所有射束的布拉格峰都置于治疗体积内，用以使治疗体积的所有部分均接收到规定的剂量，同时使到周围体积的剂量降至最低。
布拉格峰的位置受每个离子的动能Tp的影响。Tp的值被选择成使得具有最低能量的离子将停止在治疗体积的最近的端部的区域中，而具有最高能量的离子将停止在治疗体积的最远的端部的区域中。因此，基于离子的放射疗法允许高精度地递送剂量，从而使得对待治疗的体积之外的组织的损害最小化。
具有分形特性的组织，例如肺部组织，由于其是非均质的而造成了特定的困难。相反，该组织包括不规则样式的空气腔和比空气密度更高的组织。例如，肺部组织包括称为肺泡的不规则样式的空气腔。肺部组织的结构以与通过均质组织的轨迹相比引起误差的方式影响离子的轨迹。目前使用的CT成像系统不能提供足够高的分辨率来看到各个空气腔。相反，CT图像将返送回肺部组织中密度的平均值。
与具有均质组织的情况相比，空气腔将导致布拉格峰变宽。使用作为离子疗法剂量计算的基础的平均值将导致不精确的能量传递的建模。
发明内容
本发明的一个目的是增加对于诸如质子放射疗法之类的离子疗法在肺部组织中对放射疗法剂量进行建模的准确性。
本发明涉及执行用于离子放射疗法的剂量计算的方法，该方法包括以下步骤：
a.对于待治疗的体积中的每个剂量体素，将每个剂量体素识别为分形组织体素，例如肺部剂量体素，
b.将体素内接在包括多个单元格的三维网格中，优选地使所述体素与至少一个单元格完全地交叠；
c.其中每个单元格包括：代表与组织密度相对应的第一密度的第一部分、以及代表与空气密度相对应的第二密度的第二部分，所述第一部分和第二部分形成单元格样式，以及
d.基于在与所述体素交叠的至少一个单元格中的单元格样式，计算透过体素的离子传播。
本发明提出了包括肺泡的肺部的数学近似，其可以用于计算透过体积的离子传播，该体积包括具有第一密度的组织部分和具有基本上零密度的空气部分。这优于如上所述的在整个体积中使用一个平均密度值，因为该平均值不能体现出影响离子传播的密度变化。
本发明提出的方法目的是使由肺泡结构引起的不确定性最小化。该方法涉及创建包括空气腔的组织的模型，其中组织内的空气腔的相对尺寸产生模型的实际平均密度。
本发明使得能够表示足够接近实际肺泡几何形状的肺泡，用以在离子放射疗法治疗计划中产生令人满意的结果。尽管网格中的空气腔的形状与实际肺部中的肺泡的形状和尺寸不完全对应，但是带有内接的空气腔的网格结构将足够准确地模拟离子透过实际肺部的轨迹。同时，实施起来很简单，并且所涉及的计算工作可以通过当前的放射疗法计划系统进行管理。根据一些情况发现，计算时间会增加3-10倍。
分形组织体素的识别可以通过将体素的平均密度与所选阈值进行比较来实施。可以根据经验或对于患者的区域中的组织的期望值来设置阈值。阈值可替代地与分形组织周围的组织有关。例如，可以将平均密度小于所选择的阈值的体素识别为分形组织体素例如，肺部组织体素，例如，所选择的阈值为分形组织周围的组织或相邻器官组织的密度的50％。
网格优选地具有与分形组织中的腔的尺寸相对应的网格常数。例如，对于肺部组织，网格常数可以对应于待治疗的肺部体积中的肺泡的尺寸，通常介于0.03mm与0.1mm之间。
优选地，第二部分的体积与单元格的总体积之间的关系对应于肺泡与肺部组织之间的关系。该值通常介于5：1与4：1之间。
优选地，将第一部分的尺寸和第二部分的尺寸选择成使得单元格的平均密度对应于肺的平均密度，例如单元格的平均密度介于0.2与0.3g/cm3之间。
优选地，第二个体素在与第一个体素不同的位置处被内接在网格中，和/或第二个体素以与所述第一个体素在所述网格中的取向不同的所述网格相对于第二个体素的取向被内接在网格中。
内接体素的步骤可以包括一次将包括多个相邻体素的体积内接在网格中，以及计算离子传播的步骤包括计算透过所述体积的离子传播。
单元格可以是立方体的或四面体的结构，也可以呈现任意其他重复结构。
本发明还涉及一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，该计算机可读代码在计算机中运行时将使计算机执行如上限定的方法，并且涉及一种包括用于执行计算机程序的处理器和程序存储器例如保存此类计算机程序产品的非临时性的程序存储器的计算机系统。本发明还涉及一种包括用于实施该方法的计算机系统的治疗计划系统。
附图说明
下面将通过示例并参考附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了肺部组织的一般结构。
图2示出了一个典型的布拉格峰和一个受透过肺部组织的离子影响的布拉格峰。
图3是概述根据本发明的方法的流程图。
图4a和图4b示出了可以在根据本发明的方法中使用的网格的第一示例。
图4c示出了内接在网格中的体素。
图5a和图5b示出了可以在根据本发明的方法中使用的网格的第二示例。
图6是在其中可以执行本发明方法的计算机系统的示意图。
具体实施方式
图1在三个层次A、B和C上示出了本领域技术人员众所周知的肺的内部结构。标有A的区域表示带有支气管Al的整个肺部。标有B的区域是与标有A的区域中的圆圈B相对应的放大部分，示出了支气管如何分支成细支气管B1。标有C的区域是与标为B的区域中的圆圈C相对应的进一步放大，示出了细支气管分成称为肺泡C1的细小的空气腔。肺泡C1被肺部组织C2包围。可以看出，在肺部组织C2内有多个肺泡C1，这些肺泡导致了肺部组织中的分形结构。肺部组织C2本身的密度约为1，即接近于水。空气腔C1中的密度接近于零。肺中的平均密度通常在0.2到0.25g/cm3之间，这表明总共约有75-80％的肺中充满了空气。
图2示出了由透过均质组织的离子产生的典型布拉格峰(用实线表示)和由透过肺部组织的离子产生的典型的布拉格峰(用虚线表示)。可以看出，第二个布拉格峰较宽且精确度较低，这说明在肺部组织中，剂量递送将更宽泛。
图3是根据本发明的典型实施方式的方法的流程图。在步骤S31中，创建规则的矩阵，从而形成具有多个相同单元格的规则的网格。网格的尺寸大于放射疗法计划系统中体素的尺寸，从而允许将体素内接在网格中。典型的体素尺寸在1-3mm之间。每个单元格的尺寸对应于肺泡的大约尺寸，通常介于0.03mm与0.1mm之间。
在步骤S32中，将腔内接在每个单元格中，用以模拟肺泡的存在。该腔可以具有任意合适的几何形状，例如球形或椭球形。该腔的尺寸对应于相关组织中的肺泡的大约尺寸。特别地，在每个单元格内的腔的体积与单元格的总体积之比应接近肺中空气与组织的比。
在步骤S33中，识别患者体内由肺部组织组成的剂量体素。这可以通过将具有代表组织和空气混合物(例如肺部的典型特征)的平均密度的体素识别为肺部剂量体素来完成。
对在步骤S33中被识别为肺部剂量体素的每个剂量体素执行以下步骤。
在步骤S34中，对于每个肺部剂量体素，将所述体素内接在网格内，从而将腔的网格样式叠加在体素上。优选地一次完成一个体素。
在步骤S35中，计算透过体素的离子传播，将体素的与空气腔的部分相对应的任意部分视为填充有空气的腔，并且将其余部分视为肺部组织。步骤S36指示步骤S34和步骤S35的循环被执行多次，每一次用于被识别为肺部剂量体素的每个剂量体素。
对于未识别为肺部剂量体素的体素，可以假定它们是异质的，并且如本领域所公知的，如步骤S37所示，可以基于每个体素的平均密度来计算离子传播。
在步骤S31中，网格可以是包括多个相同单元格的任意规则的三维网格，例如，由较小的立方体构成的立方体结构或由四面体构成的形状。这些示例在图4a和图5a中示出。
在优选实施方式中，可以通过改变网格内部的体素的位置、和/或网格相对于体素的方向来改变步骤S34。例如，网格可以自由旋转，或者绕特定轴线旋转特定角度。这些更改可以随机地应用，也可以根据适当的算法应用。作为在网格内部一次内接一个体素的一种替代方法，如果使用较大的网格，则可以在网格内部内接包括多个相邻的体素的体积。但是，将两个规则的结构叠加在彼此之上可能会导致干扰效果，从而使结果失真。
如步骤S32所述，内接在网格的单元格中的空气腔可以具有任意合适的形状和尺寸。合适的选择将是选择规则的几何形状，所述几何形状填充与被空气填充的肺部体积的分数大致相同的单元格的体积分数。通常在肺中，肺泡占总体积的75％至80％，得到的密度介于0.20与0.25g/cm3之间。在具有边长为2r的立方体中内接的半径为r的球体约占该立方体的77％，余下的23％被视为组织。因此，这样的结果将是大约0.23g/cm3的密度，该密度接近肺部组织的实际密度。
由于肺部组织中肺泡的尺寸和分布可能在同一肺部的不同部分之间变化，因此相对于整个单元格改变空气腔的尺寸，来获得对于所述肺部的不同部分的不同平均密度可以是有利的。这可以甚至对于每个剂量体素都被改变，以在每个单独的体素中反映肺的实际密度。
代替在步骤S35中计算离子传播，可以从预先计算的查找表中检索该值作为最佳匹配。
图4a和图4b示出了根据本发明的待使用的网格的第一种可能的形式。在该第一种形式中，每个网格单元格具有立方体形状，并且在每个单元格内部内接有表示空气腔的球体43。图4a示出了在一个平面中包括6×6个单元格的网格41的侧视图。可以理解，虽然仅在图4a中示出，但是所述网格是三维的，并且每个单元格是立方体的，但是在图4a中，仅一个单元格被示出为是立方体的，其余单元格仅被示出为正方形的。图4b是网格内的一个单独单元格的3D表示，被表示为在其中内接有球体的立方体。
图4c示出了内接在网格41中的体素47。通常，体素47远大于网格的每个单元格43、并且将与多个单元格交叠。网格41上的体素47的位置可以变化，并且可以设置不同的限制条件。例如，可以设置一标准，即体素必须完全地与至少一个单元格交叠。这表明体素可以与一个单元格完美地交叠、或与完全数量的单元格完美地交叠，从而使体素的边缘与一个或多个单元格的边缘重合。或者，可以使体素被内接，使其完全与一个单元格交叠，并且还延伸到一个或多个周围单元格中。也可以让体素延伸到多个单元格中，且不会完全地交叠所述单元格中的任意单元格。
图5a和图5b示出了根据本发明使用的呈四面体51的形状的网格的第二种可能的形式。在该示例中，每个网格单元格53被成形为四面体，并且在每个单元格内部内接有几何形状55，但是为了使附图清楚仅示出了一些单元格。为了在每个呈四面体形的单元格53的内部内接剂量体素，优选将四面体沿其四个主轴离散，并且在顶点处放置肺泡。
将会理解，单元格的形状和空气腔的形状可以自由地选择，只要空气腔与总单元格体积之间的关系与肺部的相应部分内的肺泡的实际分数相匹配即可。
将会理解，该方法通常被实现为计算机程序产品，该计算机程序产品可以被存储在任意类型的存储介质上、并且可以在用于离子放射疗法计划的放射疗法剂量计划系统中被执行。
图6是在其中可以执行本发明方法的计算机系统的示意图。计算机61包括处理器63、数据存储器64和程序存储器65。优选地，还以键盘、鼠标、操纵杆、语音识别装置或任意其他可用的用户输入装置的形式存在用户输入装置67、68。用户输入装置还可以被布置为从外部存储器单元接收数据。
数据存储器64通常保存与要接受治疗的患者有关的图像数据，诸如密度信息之类，该图像数据作为对于治疗计划的输入数据。
如果已经预先计算了离子传播值，则数据存储器64还通常以查找表的形式保存这些值。将会理解，数据存储器64仅被示意性地示出。可能有多个数据存储器单元，每个数据存储器单元都保存一种或多种不同类型的数据，例如，一个数据存储器用于保存患者数据，一个数据存储器用于保存离子传播值，等等。
程序存储器65包括被布置成在处理器63中运行以使系统执行根据本发明的方法的计算机程序。
有意留白的页面

Claims (14)

1.一种执行用于离子放射疗法的剂量计算的方法，所述方法包括以下步骤：
a.对于待治疗的体积中的每个剂量体素，将所述每个剂量体素识别为分形组织体素，例如肺部剂量体素，
b.将所述体素内接在包括多个单元格的三维网格中，
c.其中每个单元格包括：代表与组织密度相对应的第一密度的第一部分、以及代表与空气密度相对应的第二密度的第二部分，所述第一部分和所述第二部分形成单元格样式，
d.基于与所述体素交叠的至少一个单元格中的所述单元格样式，计算透过所述体素的离子传播。
2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：将肺部剂量体素识别为平均密度小于所选择的阈值的体素，例如，所选择的阈值为周围组织的密度的50％。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述网格具有与待治疗的肺部体积中的肺泡的尺寸相对应的网格常数，例如介于0.03mm与0.1mm之间。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二部分的体积与所述单元格的总体积之间的关系对应于肺泡与肺部中的组织之间的关系。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二部分的体积与所述单元格的总体积之间的关系为例如介于5：1与4：1之间。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述第一部分的尺寸和所述第二部分的尺寸选择成使得所述单元格的平均密度对应于肺部的平均密度，例如所述单元格的平均密度介于0.2与0.3g/cm3之间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：将第二个体素内接在所述网格中与第一个体素不同的位置处。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：将所述第二个体素以与所述第一个体素在所述网格中的取向不同的所述网格相对于第二个体素的取向内接在所述网格中。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，包括内接所述体素的步骤和计算所述离子传播的步骤，所述内接所述体素的步骤包括一次将包括多个相邻体素的体积内接在所述网格中，所述计算所述离子传播的步骤包括计算透过所述体积的离子传播。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述单元格是立方体的结构、或四面体的结构、或任意其他重复结构。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述体素是以使得所述体素与至少一个单元格完全交叠的方式内接在所述三维网格中的。
12.一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，所述计算机程序产品在计算机中运行时将使所述计算机执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
13.一种计算机系统，所述计算机系统包括用于执行计算机程序的处理器以及保存根据权利要求12所述的计算机程序产品的程序存储器。
14.一种用于计算放射疗法治疗计划的治疗计划系统，所述治疗计划系统包括根据权利要求13所述的计算机系统。
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