CN111481839A - 一种立式自适应放疗系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立式自适应放疗系统，包括：模拟定位装置、治疗计划设计装置、立式治疗装置，其中：模拟定位装置包括一种或几种医学影像设备，用于对卧式或其它体位患者采集患者定位图像；治疗计划设计装置包括图像配准模块、图像密度设置模块、感兴趣区定义模块、优化参数设置模块和剂量计算模块；立式治疗装置包括立式摆位模块、立式成像模块和射束治疗模块，用于对站立或坐立姿态的患者进行体位固定、在线图像采集和放射治疗。本发明还涉及一种立式自适应放疗方法。本发明充分考虑了患者在模拟定位时体位和治疗时体位不一致以及分次内和分次间解剖结构的变化而带来的剂量偏差，对提高患者疗效具有重要意义。

Description

一种立式自适应放疗系统和方法
技术领域
本发明涉及一种立式自适应放疗系统和方法，属于医疗技术领域。
背景技术
对站立、坐立或其他体位姿态的患者进行放疗，如采用中国专利201921379096.1介绍的治疗装置进行放疗，在放疗之前需要模拟定位和设计离线放疗计划，但是在模拟定位的时候，患者体位一般是处于水平姿态，所以其离线放疗计划也是基于患者水平姿态设计的，计划中感兴趣区的剂量分布也是在水平姿态下得到的。当上述患者做放疗时，由于其体位姿态与定位时不一致，姿态变化会导致体内器官(较定位时)发生位置和形态的显著改变，如果不对离线放疗计划进行修正而直接治疗，就有可能造成感兴趣区实际接受的放疗剂量(较离线放疗计划)发生显著变化。此外，在治疗过程中随着时间的流逝，靶区及危及器官的形态和位置也可能会发生变化，如果按照离线放疗计划进行治疗同样会造成剂量变化，上述问题最终都会导致患者疗效受到严重影响。
针对上述问题，尤其是定位和治疗时的体位变换造成的剂量影响，目前国内外均没有解决方案。
中国专利CN 109771850A公开了一种自适应放疗计划修正方法，所述方法包括：获取参考图像、参考勾画、参考放疗计划、目标图像；对目标图像与参考图像进行图像配准，产生三维变形场；根据三维变形场，生成与参考图像覆盖范围相同的融合图像和目标勾画；根据感兴趣区内的三维变形场确定每个射束方向上射线强度的二维变形场；根据二维变形场对相应射束方向上的二维射线强度分布进行变形，产生新的二维射线强度分布；根据新的二维射线强度分布，产生对应的光栅和钨门运动数据。
上述方法假定患者在模拟定位和治疗时均采用相同的卧式体位。当体位不同时，参考图像和目标图像的坐标系不一致，上述方法中的两种图像无法直接融合配准；对于目标图像不是CT图像的，需要对图像密度设置，上述方法没有提及；此外上述方法提到的基于二维变形场的射束优化，这种方法对于靶区变化比较大的患者，剂量分布会比较差，可能无法满足临床要求。所以上述方法仅适用于定位和治疗时同体位、靶区形变程度较小、目标图像是CT的情况，对于体位不同、靶区变形程度较大或目标图像不是CT时，并不适用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种立式自适应放疗系统和方法，通过将模拟定位时患者处于水平姿态的离线图像进行坐标系变换，使得离线图像与在线图像坐标系一致，两套图像经过配准后，根据感兴趣区形状及位置的变化情况，进行在线修正，从而确保靶区及危及器官接受到正确的剂量，提高放疗疗效。
本发明的技术方案如下：
一种立式自适应放疗系统，包括：模拟定位装置、治疗计划设计装置、立式治疗装置，其中：
模拟定位装置包括一种或几种医学影像设备，用于对卧式或其它体位患者采集患者定位图像；
治疗计划设计装置包括图像配准模块、图像密度设置模块、感兴趣区定义模块、优化参数设置模块和剂量计算模块，用于设计患者离线放疗计划和在线自适应放疗计划；
立式治疗装置包括立式摆位模块、立式成像模块和射束治疗模块，用于对站立或坐立姿态的患者进行体位固定、在线图像采集和放射治疗。
优选地，所述的图像配准模块支持不同体位、模态的图像进行坐标系转换，可进行刚性或柔性配准，生成变形矩阵。
优选地，所述医学影像设备包括CT、核磁和/或超声。
一种立式自适应放疗方法，包括如下步骤：
S1：使用模拟定位装置对卧式或其它体位患者采集患者定位图像；
S2：使用治疗计划设计装置设计患者离线放疗计划；
S3：使用立式治疗装置中的立式摆位模块对站立或坐立姿态的患者进行体位固定摆位；
S4：使用立式治疗装置中的在线成像模块获取患者疗前图像；
S5：根据患者疗前和定位时的感兴趣区形状及位置变化情况，进行在线修正；
S7使用立式治疗装置中的射束治疗模块实施治疗。
优选地，步骤S5中的在线修正包括如下步骤中的一个或多个步骤：
SS1：将疗前图像与定位图像配准；
SS2：不做修正；
SS3：仅修正摆位误差；
SS4：设计在线自适应放疗计划；
具体实施方式为：通过步骤SS1判断感兴趣区的形状变化情况，如果超出允许范围，则实施步骤SS4；如果在允许范围内，则通过步骤SS1判断感兴趣区的位置变化情况，如果超出允许范围，则实施步骤SS3,如果在允许范围内则实施步骤SS2。
优选地，所述的配准包括：首先将定位图像的坐标系转换为与疗前图像一致的坐标系，随后将两套图像进行刚性或柔性配准，获取感兴趣区形状及位置的变化情况，生成变形矩阵。
优选地，步骤SS4包括如下步骤：
SSS1：设置图像密度；
SSS2：定义感兴趣区；
SSS3：设置射野参数；
SSS4：剂量计算；
SSS5：计划评价。
优选地，所述的步骤SSS1通过变形矩阵直接将定位图像的密度映射到疗前图像上实现；或者通过定义各感兴趣区的密度实现。
优选地，所述的步骤SSS2通过变形矩阵自动将离线放疗计划中的感兴趣区变形为在线自适应放疗计划中的感兴趣区实现；或者通过人工方式修改或重画感兴趣区实现。
优选地，所述的步骤SSS2中具体选择哪种感兴趣区定义方式，取决于感兴趣区勾画的准确程度；如果通过变形矩阵自动生成的感兴趣区的准确程度无法达到临床要求，则通过人工的方式进行修改或重画。
优选地，所述的步骤SSS3通过感兴趣区的变化情况自动将离线放疗计划中的射野参数转换为在线自适应放疗计划中的射野参数实现；或者通过人工方式修改离线放疗计划的优化参数重新进行计划优化实现。
优选地，所述的步骤SSS3中具体选择哪种设置射野参数方式，取决于计划质量评价是否可以满足临床要求；如果通过变形矩阵自动生成射野参数的计划质量无法达到临床要求，则通过人工的方式修改离线放疗计划的优化参数，重新进行计划优化。
本发明的有益效果在于为站立、坐立或其他体位姿态的患者提供了一种自适应放疗系统和方法，充分考虑了患者在模拟定位时体位和治疗时体位可能不一致以及分次内和分次间器官的变化而带来的剂量偏差，对提高患者疗效具有重要意义，同时本发明基于现有设备实现上述技术，降低了设备成本。
附图说明
为了更容易理解本发明的技术方案和有益的技术效果，通过参照在附图中示出的本发明的具体实施方式来对本申请进行详细的描述。这些附图仅绘出了本发明的典型实施方式，并不构成对本发明的保护范围的限制，其中：
图1是本发明的立式自适应放疗方法流程图；
图2是使用模拟定位装置采集离线图像示意图；
图3是使用治疗计划设计装置设计离线放疗计划流程图；
图4是使用立式摆位模块对患者进行摆位的示意图；
图5是使用立式成像模块获取患者疗前图像的示意图；
图6是在线修正流程图；
图7是在线自适应放疗计划设计流程图；
图8使用射束治疗模块实施治疗的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图1-8对本发明作进一步的详细说明。
如图1-8所示，本发明的立式自适应放疗系统，包括：图2所示的模拟定位装置1、治疗计划设计装置、立式治疗装置，其中：模拟定位装置包括一种或几种医学影像设备，用于对卧式或其它体位患者采集患者定位图像，比如采用CT、核磁、超声等设备；治疗计划设计装置包括图像配准模块、图像密度设置模块、感兴趣区定义模块、优化参数设置模块和剂量计算模块，用于设计患者离线放疗计划和在线自适应放疗计划。其中图像配准模块、图像密度设置模块、感兴趣区定义模块、优化参数设置模块和剂量计算模块是现有技术中存在的处理模块，本领域技术人员可以根据需要进行选择使用。
立式治疗装置包括如图4中所示的立式摆位模块2、如图5中所示的立式成像模块3和如图8中所示的射束治疗模块4，用于对站立或坐立姿态的患者进行体位固定、在线图像采集和放射治疗。立式治疗装置可以采用中国专利申请CN105268120A(放疗患者桶式支撑固定方法及装置)中公开的结构。
所述的图像配准模块支持不同体位、模态的图像进行坐标系转换，可进行刚性或柔性配准，生成变形矩阵。比如，对于坐标系转换，可以将患者CT图像中每个像素的坐标X1,Y1,Z1通过matlab第三方程序，编程转换，具体转换方法如下：例如患者处于平躺姿态时，假设头脚方向的坐标为Z1,左右方向的坐标为X1,前后方向的坐标为Y1，在站立姿态时，假设头脚方向的坐标为Y2，左右方向的坐标为X2，前后方向的坐标为Z2，则将患者平躺CT图像中每个像素的坐标重新赋值，其中Y2＝Z1,X2＝X1,Z2＝Y1。而刚性配准、柔性配准、变形矩阵均是现有技术。
本发明的立式自适应放疗方法原理为：患者处于平躺姿态，使用模拟定位装置1获取患者定位图像(图2)；将定位图像导入治疗计划设计装置，设置定位图像密度，人工勾画感兴趣区，人工设置优化参数，通过优化生成射野参数，剂量计算后得到剂量分布，经计划评价满足临床要求后完成离线放疗计划设计(图3)；患者处于站立或坐立姿态，使用立式摆位模块2对患者进行摆位(图4)；通过立式成像模块3，获取患者在线图像(图5)；将在线图像导入计划系统，将离线图像的坐标系转换成与在线图像一致的坐标系，随后将离线和在线图像进行刚性及柔性配准，观察离线图像和在线图像中感兴趣区的形状变化程度，如果两者差异在允许范围内，则评价感兴趣区的位置变化情况，如果两者位置变化的差异在允许范围内，则使用原计划进行放疗，如果超出允许范围则在摆位修正后实施放疗。如果离线图像和在线图像中感兴趣区的形状变化程度超出允许范围，则执行在线自适应放疗计划(图6)；设计在线自适应放疗计划，首先通过变形矩阵，直接将离线图像的密度映射到在线图像上，生成在线图像的电子密度。随后根据变形矩阵，自动将离线放疗计划中的感兴趣区变形为在线自适应放疗计划中的感兴趣区。观察感兴趣区勾画的准确程度，如果未能达到临床要求，则通过人工的方式进行修改或重画，直到满足临床要求。根据感兴趣区在定位时和摆位时形状的变化，自动将离线放疗计划中的射野参数转换为在线自适应放疗计划中的射野参数，剂量计算后评价其计划质量，如果未能达到临床要求，则人工的方式修改离线放疗计划的优化参数，重新进行计划优化，直到计划达到临床要求(图7)。将在线自适应放疗计划传入射束治疗模块4实施治疗(图8)。
本发明可以以其他具体的形式进行体现，但并不会脱离本发明的保护范围，本发明的保护范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (10)

1.一种立式自适应放疗系统，包括：模拟定位装置、治疗计划设计装置、立式治疗装置，其特征在于：
模拟定位装置包括一种或几种医学影像设备，用于对卧式或其它体位患者采集患者定位图像；
治疗计划设计装置包括图像配准模块、图像密度设置模块、感兴趣区定义模块、优化参数设置模块和剂量计算模块，用于设计患者离线放疗计划和在线自适应放疗计划；
立式治疗装置包括立式摆位模块、立式成像模块和射束治疗模块，用于对站立或坐立姿态的患者进行体位固定、在线图像采集和放射；
其中所述的图像配准模块支持不同体位、模态的图像进行坐标系转换，可进行刚性或柔性配准，生成变形矩阵。
2.一种立式自适应放疗方法，包括如下步骤：
S1：使用模拟定位装置对卧式或其它体位患者采集患者定位图像；
S2：使用治疗计划设计装置设计患者离线放疗计划；
S3：使用立式治疗装置中的立式摆位模块对站立或坐立姿态的患者进行体位固定摆位；
S4：使用立式治疗装置中的在线成像模块获取患者疗前图像；
S5：根据患者疗前和定位时的感兴趣区形状及位置变化情况，进行在线修正；
S7使用立式治疗装置中的射束治疗模块实施治疗。
3.根据权利要求2所述的立式自适应放疗方法，其中步骤S5中的在线修正包括如下步骤中的一个或多个步骤：
SS1：将疗前图像与定位图像配准；
SS2：不做修正；
SS3：仅修正摆位误差；
SS4：设计在线自适应放疗计划；
具体实施方式为：通过步骤SS1判断感兴趣区的形状变化情况，如果超出允许范围，则实施步骤SS4；如果在允许范围内，则通过步骤SS1判断感兴趣区的位置变化情况，如果超出允许范围，则实施步骤SS3,如果在允许范围内则实施步骤SS2。
4.根据权利要求3所述的立式自适应放疗方法，其中所述的配准包括：首先将定位图像的坐标系转换为与疗前图像一致的坐标系，随后将两套图像进行刚性或柔性配准，获取感兴趣区形状及位置的变化情况，生成变形矩阵。
5.根据权利要求3所述的立式自适应放疗方法，其中步骤SS4包括如下步骤：
SSS1：设置图像密度；
SSS2：定义感兴趣区；
SSS3：设置射野参数；
SSS4：剂量计算；
SSS5：计划评价。
6.根据权利要求5所述的立式自适应放疗方法，其中所述的步骤SSS1通过变形矩阵直接将定位图像的密度映射到疗前图像上实现；或者通过定义各感兴趣区的密度实现。
7.根据权利要求5所述的立式自适应放疗方法，其中所述的步骤SSS2通过变形矩阵自动将离线放疗计划中的感兴趣区变形为在线自适应放疗计划中的感兴趣区实现；或者通过人工方式修改或重画感兴趣区实现。
8.根据权利要求7所述的立式自适应放疗方法，其中所述的步骤SSS2中具体选择哪种感兴趣区定义方式，取决于感兴趣区勾画的准确程度；如果通过变形矩阵自动生成的感兴趣区的准确程度无法达到临床要求，则通过人工的方式进行修改或重画。
9.根据权利要求5所述的立式自适应放疗方法，其中所述的步骤SSS3通过感兴趣区的变化情况自动将离线放疗计划中的射野参数转换为在线自适应放疗计划中的射野参数实现；或者通过人工方式修改离线放疗计划的优化参数重新进行计划优化实现。
10.根据权利要求9所述的立式自适应放疗方法，其中所述的步骤SSS3中具体选择哪种设置射野参数方式，取决于计划质量评价是否可以满足临床要求；如果通过变形矩阵自动生成射野参数的计划质量无法达到临床要求，则通过人工的方式修改离线放疗计划的优化参数，重新进行计划优化。
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