CN112823820B - 获得聚焦离子束的能谱技术领域 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及获得聚焦离子束的能谱技术领域。本发明提供了一种当使用布拉格峰室测量积分深度剂量IDD时获得聚焦离子束的能谱的方法。该方法包括下述步骤：模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量；确定布拉格峰室的横向延伸以评估；在布拉格峰室的横向延伸上通过横向积分所模拟的一组额定的单能聚焦离子束的剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；存储所计算的CIDD；使用布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的测量IDD；并且对所测量的IDD执行CIDD的线性组合的拟合，以确定用于具有额定射束能量的聚焦离子束的能谱。

Description

获得聚焦离子束的能谱技术领域
技术领域
本公开涉及放射治疗领域，特别是涉及在限制到注量元素的子集的同时生成放射治疗计划。
背景技术
在离子束治疗中，将离子束(例如质子或重离子，诸如碳离子)对准靶体积。靶体积可以例如表示癌症肿瘤。离子穿透组织并且传递一定剂量的能量以破坏癌细胞。离子束治疗的一个优点是剂量分布中的显著峰值，被称为布拉格峰。布拉格峰是在一定深度处发生的剂量输送的峰值，此后剂量输送迅速下降。可以将其与电子束治疗或X射线治疗进行比较，在电子束治疗或X射线治疗中，该峰值在非常接近进入组织时发生，并且剂量下降无法通过与离子治疗相同的急剧下降来控制。
可以通过调节离子的能量来控制患者中布拉格峰的深度。可以使用电磁体控制横向位置以偏转射束。离子束疗法中的光点是指特定横向位置处的特定能级的离子的集合。输送到光点的粒子数量通常被称为光点权重。通过在三维空间中的许多不同位置的光点中提供剂量，可以通过所需的剂量分布覆盖靶体积。该过程被称为主动扫描离子束治疗，也被称为笔形束扫描。
在治疗计划系统中执行应当如何传递光点的计划。治疗计划系统确定一组光点，通常可以满足有关靶覆盖率和健康组织保护的某些标准。然后，将光点传送到离子束治疗输送系统，该系统输送离子束。以本领域本身已知的方式连接治疗计划系统和离子束治疗输送系统。
当需要对离子束治疗输送系统的输送进行建模时，通常使用布拉格峰室来测量以积分深度剂量(IDD)的形式的单个光点的输送。但是，由于布拉格峰室的横向范围有限，在测量中可能会损失由单个光点输送的一部分剂量，结果是，所测量的IDD并不代表完整的IDD。如果不考虑这种差异，则建模的输送可能会明显偏离总输送剂量。在现有技术中，通过在治疗计划系统(TPS)的射束建模中使用所测量的IDD之前对所测量的IDD进行调整，可以补偿该差异。这些IDD调整是深度和射束能量的复杂函数，并且通常使用一些第三方蒙特卡洛算法来确定。
发明内容
一个目的是改善离子束输送的建模。
根据第一方面，提供一种获得聚焦离子束的能谱的方法，当使用布拉格峰室来测量积分深度剂量IDD时，对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成聚焦离子束。该方法在频谱确定器中被执行并且包括下述步骤：在至少两个维度上，模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量，其中，该组能量覆盖了离子束治疗输送系统的支持能量的范围；确定布拉格峰室的横向延伸以评估；在布拉格峰室的横向延伸上通过横向积分所模拟的一组额定的单能聚焦离子束的剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；存储所计算的CIDD；使用布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD；以及对所测量的IDD，执行CIDD的线性组合的拟合，其中，所有CIDD权重等于或大于0，以确定用于具有额定射束能量的聚焦离子束的能谱。
每个模拟的额定的单能聚焦离子束的能量分布可以具有带标准偏差的能量分布，其中，该标准偏差小于治疗输送系统的聚焦离子束的能量分布的标准偏差。
每个模拟的额定单能聚焦离子束的能量分布可以是严格单能的。
可以对多个额定射束能量重复获得所测量的IDD并且执行拟合的步骤。在这种情况下，该方法进一步包括下述步骤：通过在先前确定的能谱之间进行内插来确定用于离子束治疗输送系统的附加额定射束能量的能谱。
该方法可以进一步包括下述步骤：将能谱用作基于蒙特卡洛的剂量计算算法的输入。
该方法可以进一步包括下述步骤：使用能谱和第二组CIDD来生成完整的IDD，其中，在比用于确定能谱的CIDD更大的面积上横向积分第二组CIDD，完整的IDD可用作分析剂量计算算法的输入。
根据第二方面，提供一种能谱确定器，用于当使用布拉格峰室来测量积分深度剂量IDD时，获得对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成的聚焦离子束的能谱。该频谱确定器包括：处理器；以及存储器，存储器存储指令，该指令在由处理器执行时，使频谱确定器执行下述操作：在至少两个维度上模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量，其中，该组能量覆盖了离子束治疗输送系统的支持能量的范围；确定布拉格峰室的横向延伸以评估；在布拉格峰室的横向延伸上通过横向积分所模拟的一组额定的单能聚焦离子束的剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；存储所计算的CIDD；使用布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD；以及对所测量的IDD，执行CIDD的线性组合的拟合，其中，所有CIDD权重等于或大于0，以确定用于具有额定射束能量的聚焦离子束的能谱。
每个模拟的额定的单能聚焦离子束的能量分布可以具有带标准偏差的能量分布，其中，该标准偏差小于治疗输送系统的聚焦离子束的能量分布的标准偏差。
每个模拟的额定单能聚焦离子束的能量分布可以是严格单能的。
该频谱确定器可以进一步包括指令，该指令在由处理器执行时，使频谱确定器重复指令以获得所测量的IDD并且对多个额定射束能量执行拟合，以及通过在先前确定的能谱之间进行内插来确定用于离子束治疗输送系统的附加额定射束能量的能谱。
该频谱确定器可以进一步包括指令，该指令在由处理器执行时，使频谱确定器将能谱用作基于蒙特卡洛的剂量计算算法的输入。
该频谱确定器可以进一步包括指令，该指令在由处理器执行时，使频谱确定器使用能谱和第二组CIDD来生成完整的IDD，其中，在比用于确定能谱的CIDD更大的面积上横向积分第二组CIDD，完整的IDD可用作分析剂量计算算法的输入。
根据第三方面，提供一种计算机程序，用于当使用布拉格峰室来测量积分深度剂量IDD时，获得对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成的聚焦离子束的能谱。该计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在频谱确定器上运行时，使频谱确定器执行下述操作：在至少两个维度上模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量，其中，该组能量覆盖了离子束治疗输送系统的支持能量的范围；确定布拉格峰室的横向延伸以评估；在布拉格峰室的横向延伸上通过横向积分所模拟的一组额定的单能聚焦离子束的剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；存储所计算的CIDD；使用布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD；以及对所测量的IDD，执行CIDD的线性组合的拟合，其中，所有CIDD权重等于或大于0，以确定用于具有额定射束能量的聚焦离子束的能谱。
根据第四方面，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据第三方面的计算机程序和在其上存储计算机程序的计算机可读装置。
通常，权利要求中使用的所有术语应当根据其在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另外明确定义。对“一/一个元件、设备、组件、装置、步骤等”的引用除非另外明确说明，否则应当被公开解释为引用元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则不必以所公开的确切顺序执行本文公开的任何方法的步骤。
附图说明
现在参考附图，通过举例描述各方面和实施例，其中：
图1是示出可以应用本文提出的实施例的环境的示意图；
图2是示出了横向延伸作为由单个聚焦离子束输送的剂量的深度的函数的示意图；
图3是示出总剂量输送与使用具有有限横向延伸的布拉格峰室测量的所测量的剂量输送之间的差异的示意图；
图4是示出图1的离子束治疗输送系统中的单个离子束的能谱的示意性直方图；
图5A-C是示出用于获得聚焦离子束的能谱的方法的流程图；
图6是示出根据一个实施例的图1的频谱确定器的组件的示意图；以及
图7示出了包括计算机可读装置的计算机程序产品的一个示例。
具体实施方式
现在，将在下文中参考附图更全面地描述本公开的各方面，其中，示出了本发明的某些实施例。然而，这些方面可以以许多不同的形式体现，并且不应当被解释为限制性的，相反，这些实施例通过示例的方式提供，使得本公开将更全面和完整，并且将本发明的所有方面的范围全面地传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的数字表示相同的元件。
图1是示出可以应用本文提出的实施例的环境的示意图。治疗计划系统1确定如何将放射剂量输送到患者的靶体积3。更具体地，治疗计划系统1将治疗计划7提供给离子束治疗输送系统2。治疗计划7指定多个几何限定的扫描点的权重。每个权重都定义了在相应扫描点处提供的放射量，由此向靶体积3提供放射剂量。在靶体积3附近可能会有器官处于危险之中。在这种情况下，在将足够的剂量输送到靶体积3同时使向处于风险中的器官的剂量输送保持较低的两者之间取得平衡，以确定治疗计划。
通过离子束治疗输送系统2使用扫描的离子束，输送治疗计划，从而在扫描点将剂量输送给患者。扫描点由射束的横向扫描位置和射束能量限定。治疗计划7由用于离子束治疗的扫描点的分布组成，由此限定到靶体积3的三个维度中的剂量输送。
基于治疗计划7，离子束治疗输送系统2生成离子束12，该离子束在患者的靶体积3上逐点扫描。每个扫描点在患者的靶体积3中生成点剂量分布。在图1所示的坐标系中，沿z轴表示深度。通过离子的动能，控制深度方向上(即沿z轴)的点剂量分布的最大剂量(布拉格峰)的位置；更高的能量会导致最大剂量的位置更深。此外，使用电磁体控制两个维度中(垂直于z轴的平面内)的横向位置以偏转射束12。这样，离子束治疗输送系统2根据治疗计划7，在三个维度上输送扫描点。
图2是示出了横向延伸作为由单个聚焦离子束11输送的剂量的深度的函数的示意图。深度由z轴表示，而垂直轴表示横向。可以看出，离子束12的核心剂量输送11(包含大部分剂量输送)如何从离子束12的中心横向延伸，尤其是当其接近布拉格峰时。布拉格峰室被用来以积分深度剂量(IDD)的形式测量剂量输送。布拉格峰室可以是被用来测量聚焦离子束的IDD的任何类型的剂量学设备。布拉格峰室具有有限的横向延伸14。尽管布拉格峰室的横向延伸14覆盖核心剂量输送11的横向延伸，但是仍有少量的剂量一直被输送到外围剂量输送13。因此，在布拉格峰室的有限的横向延伸部14外部将有一些剂量输送，因此其不会被布拉格峰室捕获。
图3是示出总剂量输送10和使用布拉格峰室测量的所测量的剂量输送10'之间的差异的示意图。
总剂量输送10以及所测得的剂量输送10'示出了在特定深度处出现布拉格峰以及此后的急剧下降。再次参考图2，由于布拉格峰室的有限的横向延伸14，将有布拉格峰室无法捕获的少量的剂量输送。为此，在所测量的剂量输送10'和总剂量输送10之间存在差异。在现有技术中，已经在数值上补偿了这种差异。
图4是示出图1的离子束治疗输送系统2中的单个离子束的能谱的示意性直方图。单个离子束具有额定能量，该额定能量是在离子束治疗输送系统中为该特定离子束配置的能量。沿x轴示出能量E，而y轴表示离子束中的能量分布dN/dE。沿着x轴的能量间隔，即能量的每个单元的大小可以为例如0.2MeV。离子束具有一定的额定能量18。然而，如从直方图中可以看出，对围绕额定能量18的不同能量，在剂量输送方面存在一些变化。换句话说，在实际的离子束治疗输送系统中，如由图4所示的能谱17所反映的，在离子束的离子的能级方面存在一些变化。
图5A-C是示出用于获得聚焦离子束的能谱的方法的流程图。如上所述，对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成聚焦离子束。布拉格峰室被用来测量积分深度剂量，IDD。该方法在频谱确定器中被执行。首先，将描述图5A所示的实施例。
在模拟剂量步骤40中，能谱确定器在至少两个维度中(即两个维度或三个维度中)，模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量。该组的能量覆盖了离子束治疗输送系统的支持能量的范围。例如，该组的能量覆盖5MeV至250MeV之间。在一个实施例中，该组中的模拟的额定的单能离子束之间的间隔为0.2MeV。
只要模拟的离子束的能量分布比离子束治疗输送系统的能量分布窄，每个模拟的额定的单能聚焦离子束的能量分布就不必严格地为单能。例如，单能聚焦离子束的能量分布可以具有标准偏差，该标准偏差小于治疗输送系统的聚焦离子束的能量分布的标准偏差。在一个实施例中，每个模拟的额定单能聚焦离子束的能量分布都是严格单能的。
在确定横向延伸步骤42中，频谱确定器确定布拉格峰室的横向延伸以评估。横向延伸可以是圆形布拉格峰室的直径或布拉格峰室的面积。
在计算理论CIDD步骤44中，频谱确定器计算出一组理论分量IDD曲线，在此表示为CIDD。通过在布拉格峰室的横向延伸上，横向积分所模拟的该组额定的单能聚焦离子束的剂量来执行该计算。换句话说，CIDD是对应于布拉格峰室的尺寸的横向延伸的模拟测量值。
在存储CIDD步骤46中，频谱确定器存储计算出的CIDD。可以早在利用布拉格峰室的测量发生之前，就预先计算和存储CIDD。此外，可以对几种大小的布拉格峰室预先计算CIDD，并且以后仅采用所使用的布拉格峰室的CIDD。
在获得所测量的IDD的步骤48中，能谱确定器使用布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD。
在执行拟合步骤50中，频谱确定器对所测量的IDD执行CIDD的线性组合的拟合(其中，CIDD在横向延伸上对应于在步骤48中使用的布拉格峰室)。在该线性组合中，所有CIDD权重均等于或大于零。这样，确定具有额定射束能量的聚焦离子束的能谱。可以例如使用最小二乘法执行拟合。
在一个实施例中，对多个额定射束能量重复步骤48和50。在这种情况下，该方法可以进一步包括可选的确定附加能谱步骤52。
在可选的确定附加能谱步骤52中，能谱确定器通过在先前确定的能谱之间进行内插来确定用于离子束治疗输送系统的附加额定射束能量的能谱。
现在，将描述图5B所示的实施例。为了清楚和简洁起见，与图5A的实施例相比，将仅描述新的或修改的步骤。应当注意到，在该实施例中，也可以可选地执行步骤52。
在将能谱用于MC计划的步骤54，频谱确定器将该能谱用作基于蒙特卡洛的剂量计算算法的输入。
现在，将描述图5C所示的实施例。为了清楚和简洁起见，与图5A的实施例相比，将仅描述新的或修改的步骤。应当注意到，在该实施例中，也可以可选地执行步骤52。
在生成IDD步骤56中，频谱确定器使用该能谱和第二组CIDD来生成完整的IDD(对应于图3所示的示例)，其中，在比被用来确定用于确定该能谱的CIDD的更大面积上横向积分第二组CIDD。然后，完整的IDD可以用作分析剂量计算算法的输入。
图6是示出根据一个实施例的图1的频谱确定器5的组件的示意图。当频谱确定器1形成主机设备的一部分，诸如图1的治疗计划系统1时，所提及的组件中的一个或多个可以与主机设备共享。使用能够执行存储在存储器64中的软件指令67(由此，其可以是计算机程序产品)的合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路等中的一个或多个的任意组合来提供处理器60。处理器60可以被配置为执行上文参考图5A-C所述的方法。
存储器64可以是随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的任何组合。存储器64还包括永久性存储器，其例如可以是磁存储器、光学存储器、固态存储器或者甚至是远程安装的存储器中的任何一个或组合。
还提供了数据存储器66，用于在处理器60中执行软件指令期间读取和/或存储数据。数据存储器66可以是随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的任意组合。
频谱确定器5进一步包括用于与其他外部实体进行通信的I/O接口62。可选地，I/O接口62还包括用户接口。
省略了频谱确定器5的其他组件，以免模糊本文中提出的概念。
图7示出了包括计算机可读装置的计算机程序产品的一个示例。在该计算机可读装置上，可以存储计算机程序91，该计算机程序可以使处理器执行根据本文所述的实施例的方法。在该示例中，计算机程序产品是光盘，诸如CD(压缩光盘)或DVD(数字多功能光盘)或蓝光光盘。如上所述，计算机程序产品还可以体现在诸如图6的计算机程序产品64的设备的存储器中。尽管计算机程序91在此被示意性地示为所描绘的光盘上的轨道，但是计算机程序可以以适合计算机程序产品的任何方式存储，诸如可移动固态存储器，例如通用串行总线(USB)驱动器。
上文已经参考一些实施例主要描述了本公开的各方面。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在由所附权利要求书所限定的本发明的范围内，除上文公开的实施例以外的其他实施方式同样是可能的。因此，尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是出于示例的目的，而不是旨在进行限制，真实的范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (13)

1.一种获得聚焦离子束的能谱的方法，所述方法当使用布拉格峰室来测量积分深度剂量IDD时，获得对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成的所述聚焦离子束的能谱，所述方法在频谱确定器中被执行，并且包括下述步骤：
在至少两个维度上，模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量，其中，所述组的能量覆盖所述离子束治疗输送系统的支持能量的范围；
确定布拉格峰室的横向延伸以评估；
在所述布拉格峰室的所述横向延伸上，通过横向积分模拟的所述一组额定的单能聚焦离子束的所述剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；
存储所计算的CIDD；
使用所述布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD；以及
对所测量的IDD，执行CIDD的线性组合的拟合，其中，所有CIDD权重等于或大于0，以确定用于具有额定射束能量的所述聚焦离子束的能谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个模拟的额定的单能聚焦离子束的能量分布具有带标准偏差的能量分布，其中，所述标准偏差小于所述治疗输送系统的所述聚焦离子束的所述能量分布的标准偏差。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，每个模拟的额定单能聚焦离子束的能量分布是严格单能的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，对于多个额定射束能量，重复获得所测量的IDD和执行拟合的步骤，以及其中，所述方法进一步包括下述步骤：
通过在先前确定的能谱之间进行内插来确定用于所述离子束治疗输送系统的附加额定射束能量的所述能谱。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤：
将所述能谱用作基于蒙特卡洛的剂量计算算法的输入。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下述步骤：
使用所述能谱和第二组CIDD来生成完整的IDD，其中，所述第二组CIDD被在比用于确定所述能谱的CIDD更大的面积上横向积分，所述完整的IDD能够用作分析剂量计算算法的输入。
7.一种频谱确定器，用于当使用布拉格峰室来测量积分深度剂量IDD时，获得对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成的聚焦离子束的能谱，所述频谱确定器包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述处理器执行时，使所述频谱确定器执行下述操作：
在至少两个维度上，模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量，其中，所述组的能量覆盖所述离子束治疗输送系统的支持能量的范围；
确定布拉格峰室的横向延伸以评估；
在所述布拉格峰室的所述横向延伸上，通过横向积分模拟的所述一组额定的单能聚焦离子束的所述剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；
存储所计算的CIDD；
使用所述布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD；以及
对所测量的IDD，执行CIDD的线性组合的拟合，其中，所有CIDD权重等于或大于0，以确定用于具有额定射束能量的所述聚焦离子束的能谱。
8.根据权利要求7所述的频谱确定器，其中，每个模拟的额定的单能聚焦离子束的能量分布具有带标准偏差的能量分布，其中，所述标准偏差小于所述治疗输送系统的所述聚焦离子束的所述能量分布的标准偏差。
9.根据权利要求7所述的频谱确定器，其中，每个模拟的额定单能聚焦离子束的能量分布是严格单能的。
10.根据权利要求7所述的频谱确定器，进一步包括指令，所述指令在由所述处理器执行时，使所述频谱确定器执行下述操作：
重复所述指令以获得所测量的IDD和对多个额定射束能量执行拟合；以及
通过在先前确定的能谱之间进行内插来确定用于所述离子束治疗输送系统的附加额定射束能量的所述能谱。
11.根据权利要求7所述的频谱确定器，进一步包括指令，所述指令在由所述处理器执行时，使所述频谱确定器执行下述操作：
将所述能谱用作基于蒙特卡洛的剂量计算算法的输入。
12.根据权利要求7所述的频谱确定器，进一步包括指令，所述指令在由所述处理器执行时，使所述频谱确定器执行下述操作：
使用所述能谱和第二组CIDD来生成完整的IDD，其中，所述第二组CIDD被在比用于确定所述能谱的CIDD更大的面积上横向积分，所述完整的IDD能够用作分析剂量计算算法的输入。
13.一种包括存储计算机程序的非暂时计算机可读介质的计算机程序产品，用于当使用布拉格峰室来测量积分深度剂量IDD时，获得对于特定的额定能量，由离子束治疗输送系统生成的聚焦离子束的能谱，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码当在频谱确定器上运行时，使所述频谱确定器执行下述操作：
在至少两个维度上，模拟一组额定的单能聚焦离子束的剂量，其中，所述组的能量覆盖所述离子束治疗输送系统的支持能量的范围；
确定布拉格峰室的横向延伸以评估；
在所述布拉格峰室的所述横向延伸上，通过横向积分模拟的所述一组额定的单能聚焦离子束的所述剂量，计算出一组理论分量IDD曲线CIDD；
存储所计算的CIDD；
使用所述布拉格峰室，获得具有额定能量的聚焦离子束的所测量的IDD；以及
对所测量的IDD，执行CIDD的线性组合的拟合，其中，所有CIDD权重等于或大于0，以确定用于具有额定射束能量的所述聚焦离子束的能谱。
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