发明内容
本发明的目的是提供一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置及中子诊疗方法,与现有技术相比,通过设置中子成像探测机构和诊断与治疗计划机构,可以在不导致受照体受到额外辐照的条件下,同时实现诊断和治疗,并对治疗方案进行实时控制,实现受照体中子精准治疗。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置,包括控制器以及分别与所述控制器电连接的中子源、中子照射机构、中子成像探测机构、受照体定位机构、靶向药物注射机构和诊断与治疗计划机构,所述中子源与所述中子照射机构连结,以向所述中子照射机构输送稳定的中子束流,所述中子照射机构向设置在所述受照体定位机构上的受照体照射中子束流,所述中子成像探测机构实时探测受照体上的中子强度分布及图像,并发送到所述诊断与治疗计划机构,所述靶向药物注射机构向受照体注射靶向药物。
优选的是,所述的一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置中,所述中子成像探测机构包括中子敏感材料探测面、微通道阵列信号收集器和信号采集输出器,所述中子敏感材料探测面与中子束流垂直设置,所述微通道阵列信号收集器设置在所述中子敏感材料探测面的背照面,所述信号采集输出器采集所述微通道阵列信号收集器的每个微通道的光电信号强度并独立输出到所述诊断与治疗计划机构,同时扫描微通道阵列数据转换成图像进行输出到所述诊断与治疗计划机构。
优选的是,所述的一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置中,所述中子敏感材料探测面采用富硼材料、掺钆材料和掺铀材料中的任意一种制作而成。
优选的是,所述的一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置中,所述诊断与治疗计划机构包括数据管理与通信模块以及分别与所述数据管理与通信模块电连接的图像处理与靶区诊断模块、建模与中子输运计算模块、成分反演计算模块、中子数据库和治疗计划制定及优化模块,所述数据管理与通信模块用于输入并管理受照体数据,并与所述控制器通讯连接,所述图像处理与靶区诊断模块用于处理受照体影像图像并进行靶区诊断与自动勾画,所述建模与中子输运计算模块用于读取所述中子源、所述中子照射机构、所述受照体影像图像进行建模和模拟计算,计算中子强度分布和剂量分布,所述成分反演计算模块用于读取中子强度分布进行逆向输运反演计算成分分布,并转换为受照体的实时影像图像以进行诊断,所述中子数据库用于为所述建模与中子输运计算模块、所述成分反演计算模块提供数据信息,所述治疗计划制定及优化模块用于根据处方剂量和计算剂量制定治疗方案,并根据治疗过程中的诊断数据和测量计算剂量数据实时校正治疗方案。
优选的是,所述的一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置中,所述诊断与治疗计划机构为计算机或服务器。
本发明还提供一种中子诊疗方法,采用上述任一项所述的基于中子场测量反演的中子诊疗装置,包括以下步骤:
S1、通过所述诊断与治疗计划机构制定受照体的治疗方案,并发送到所述控制器;
S2、所述控制器根据所述治疗方案控制所述中子源、所述中子照射机构、所述受照体定位机构和所述靶向药物注射机构开始工作;
S3、所述中子成像探测机构探测透射受照体的中子强度分布及图像,并发送到所述诊断与治疗计划机构;
S4、所述诊断与治疗计划机构根据所述中子成像探测机构发送的数据进行计算反演,获得受照体影像图像和实际照射剂量,实时诊断和对所述治疗方案进行优化校正并发送到所述控制器;
S5、所述控制器根据优化校正后的所述治疗方案控制所述中子源、所述中子照射机构、所述受照体定位机构和所述靶向药物注射机构进行对应性调整;
S6、重复上述S1-S5的步骤,直至治疗完成。
优选的是,所述的一种中子诊疗方法中,S4中对所述治疗方案进行优化校正的方法如下:
A、所述建模与中子输运计算模块读取所述中子照射机构照射的中子束流进行建模和中子输运计算,计算入射到受照体前的中子强度二维分布,并传递给所述成分反演计算模块;
B、所述成分反演计算模块读取所述中子成像探测机构获取探测数据,并解析为透射受照体后的中子强度二维分布,与受照体前的中子强度二维分布进行对比获得中子在人体内的衰减强度分布,根据所述中子数据库中截面核数据反演计算受照体内碳、氢、氧、硼核素的分布,对数据管理与通信模块中受照体影像数据进行修正,获得受照体实时影像图像;
C、所述图像处理与靶区诊断模块对得到的受照体实时影像图像进行靶区诊断与自动勾画;
D、所述建模与中子输运计算模块读取受照体实时影像图像,结合入射到受照体前的中子强度二维分布,计算受照体内实际照射剂量分布;
E、所述治疗计划制定及优化模块根据处方剂量和受照体内实际照射剂量分布,在线校正治疗方案参数,并传输到所述控制器。
本发明提供的一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置及中子诊疗方法,与现有技术相比,通过设置中子成像探测机构和诊断与治疗计划机构,可以在不导致受照体受到额外辐照的条件下,同时实现诊断和治疗,并对治疗方案进行实时控制,实现受照体中子精准治疗。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的实施例提供一种基于中子场测量反演的中子诊疗装置,如图1或图2所示,包括控制器7以及分别与所述控制器7电连接的中子源1、中子照射机构2、中子成像探测机构3、受照体定位机构4、靶向药物注射机构5和诊断与治疗计划机构6,所述中子源1与所述中子照射机构2连结,以向所述中子照射机构2输送稳定的中子束流,所述中子照射机构2向设置在所述受照体定位机构4上的受照体照射中子束流,所述中子照射机构2主要是对中子束流的强度、形状、能量等参数进行调节控制,所述中子成像探测机构3实时探测受照体上的中子强度分布及图像,并发送到所述诊断与治疗计划机构6,所述靶向药物注射机构5向受照体注射靶向药物。
其中,如图3所示,所述中子成像探测机构3包括中子敏感材料探测面、微通道阵列信号收集器和信号采集输出器,所述中子敏感材料探测面与中子束流垂直设置,所述微通道阵列信号收集器设置在所述中子敏感材料探测面的背照面,所述信号采集输出器采集所述微通道阵列信号收集器的每个微通道的光电信号强度并独立输出到所述诊断与治疗计划机构6,同时扫描微通道阵列数据转换成图像进行输出到所述诊断与治疗计划机构6;所述中子敏感材料探测面采用富硼材料、掺钆材料和掺铀材料中的任意一种制作而成,但不局限于上述三种材料;
其中,如图4所示,所述诊断与治疗计划机构6包括数据管理与通信模块以及分别与所述数据管理与通信模块电连接的图像处理与靶区诊断模块、建模与中子输运计算模块、成分反演计算模块、中子数据库和治疗计划制定及优化模块,所述数据管理与通信模块用于输入并管理受照体数据,并与所述控制器7通讯连接,所述图像处理与靶区诊断模块用于处理受照体影像图像并进行靶区诊断与自动勾画,所述建模与中子输运计算模块用于读取所述中子源1、所述中子照射机构2、所述受照体影像图像进行建模和模拟计算,计算中子强度分布和剂量分布,所述成分反演计算模块用于读取中子强度分布进行逆向输运反演计算成分分布,并转换为受照体的影像图像以进行诊断,所述中子数据库用于为所述建模与中子输运计算模块、所述成分反演计算模块提供数据信息,所述治疗计划制定及优化模块用于根据处方剂量和计算剂量制定治疗方案,并根据治疗过程中的诊断数据和测量计算剂量数据实时校正治疗方案。所述诊断与治疗计划机构6为计算机或服务器。
本发明还提供一种中子诊疗方法,采用上述任一项所述的基于中子场测量反演的中子诊疗装置,包括以下步骤:
S1、通过所述诊断与治疗计划机构6制定受照体的治疗方案,并发送到所述控制器7;
S2、所述控制器7根据所述治疗方案控制所述中子源1、所述中子照射机构2、所述受照体定位机构4和所述靶向药物注射机构5开始工作;
S3、所述中子成像探测机构3探测透射受照体的中子强度分布及图像,并发送到所述诊断与治疗计划机构6;
S4、所述诊断与治疗计划机构6根据所述中子成像探测机构3发送的数据进行计算反演,获得受照体影像图像和实际照射剂量,实时诊断和对所述治疗方案进行优化校正并发送到所述控制器7;
其中,对所述治疗方案进行优化校正的方法如下:
A、所述建模与中子输运计算模块读取所述中子照射机构2照射的中子束流进行建模和中子输运计算,计算入射到受照体前的中子强度二维分布,并传递给所述成分反演计算模块;
B、所述成分反演计算模块读取所述中子成像探测机构3获取探测数据,并解析为透射受照体后的中子强度二维分布,与受照体前的中子强度二维分布进行对比获得中子在人体内的衰减强度分布,根据所述中子数据库中截面核数据反演计算受照体内碳、氢、氧、硼核素的分布,对数据管理与通信模块中受照体影像数据进行修正,获得受照体实时影像图像;
C、所述图像处理与靶区诊断模块对得到的受照体实时影像图像进行靶区诊断与自动勾画;
D、所述建模与中子输运计算模块读取受照体实时影像图像,结合入射到受照体前的中子强度二维分布,计算受照体内实际照射剂量分布;
E、所述治疗计划制定及优化模块根据处方剂量和受照体内实际照射剂量分布,在线校正治疗方案参数,并传输到所述控制器7。
S5、所述控制器7根据优化校正后的所述治疗方案控制所述中子源1、所述中子照射机构2、所述受照体定位机构4和所述靶向药物注射机构5进行对应性调整;
S6、重复上述S1-S5的步骤,直至治疗完成。
此外,本发明还提供两种具体的实施例:
<实施例1>
如图1所示,采用质子加速器轰击中子靶作为中子源1,质子加速器束流从上方轰击位于下方的中子靶,提供垂直向的中子束流。
中子照射机构2位于靶下方,并将中子靶、质子加速器末端包裹,由快中子慢化层、光子屏蔽层、热中子吸收层、准直孔道组成。
受照体支撑及其驱动机构由治疗床、治疗床支撑结构组成,位于中子照射机构2的正下方,可进行前后左右位置和高度调节,使受照体靶区正对中子照射机构2的出射中子束。
中子成像探测机构3镶嵌在治疗床内,由中子敏感材料探测面、微通道阵列信号收集器、信号采集输出器组成,且探测面表面与治疗床表面平齐;中子敏感材料包括但不限于富硼材料、掺钆材料、掺铀材料;微通道阵列信号收集器位于中子敏感材料背照面,直接探测中子与敏感材料作用产生的次级粒子并转换成光电信号;信号采集输出器采集每个微通道的光电信号强度并独立输出,同时扫描微通道阵列数据转换成图像进行输出。
靶向药物注射机构5镶嵌在诊断治疗室墙壁内,通过注射管与受照体支撑及其驱动机构支撑的受照体连接,向受照体注射靶向药物,同时,控制器7通过信号调节控制受照体靶向药物的注射速度。
诊断与治疗计划机构6安装在诊断治疗室外部的计算机上,机构由图像处理与靶区诊断模块、建模与中子输运计算模块、成分反演计算模块、中子数据库、治疗计划制定及优化模块、数据管理与通信模块组成。
控制器7位于控制室,与其他各个机构通过光纤进行数据传输,控制治疗方案的实施。
装置具体工作流程如下:
A、在诊断与治疗计划机构6中输入受照体数据和肿瘤信息,利用诊断与治疗计划机构6制定或读取受照体治疗方案,包括中子源1流强、能量,中子照射机构2准直孔道尺寸,受照体支撑机构摆位,靶向药物注射时间和注射速度等,并传输到控制器7;
B、控制器7控制中子源1、中子照射机构2、受照体支撑及其驱动机构、靶向药物注射机构5的运行参数,开始治疗;
C、中子成像探测机构3探测透射受照体的中子强度分布及图像,传输到诊断与治疗计划机构6;
D、诊断与治疗计划机构6读取中子成像探测机构3探测数据,进行实时诊断和治疗方案在线校正:
a)建模与中子输运计算模块读取中子源1、中子照射机构2进行建模和中子输运计算,计算入射到受照体前的中子强度二维分布,并传递给成分反演计算模块;
b)成分反演计算模块读取中子成像探测机构3探测数据,并解析为透射受照体后的中子强度二维分布,与受照体前的中子强度二维分布进行对比获得中子在人体内的衰减强度分布,根据中子数据库中截面核数据反演计算受照体内碳、氢、氧、硼核素的分布,并转换为受照体实时影像图像;
c)图像处理与靶区诊断模块对受照体影像图像进行靶区诊断与自动勾画;
d)建模与中子输运计算模块读取受照体实时影像图像,结合入射到受照体前的中子强度二维分布,计算受照体内实际照射剂量分布;
e)治疗计划制定及优化模块根据处方剂量和受照体内实际照射剂量分布,在线校正治疗方案参数,并传输到控制器7;
E、控制器7根据新的治疗方案调整中子源1、中子照射机构2、受照体支撑及其驱动机构、靶向药物注射机构5的运行参数;
F、重复上述步骤直至受照体内实际照射剂量达到处方剂量要求;
<实施例2>
采用质子加速器轰击中子靶作为中子源1,质子加速器束流从左方轰击位于右方的中子靶,提供水平向的中子束流。
中子照射机构2位于靶右方,并将中子靶、质子加速器末端包裹,由快中子慢化层、光子屏蔽层、热中子吸收层、准直孔道组成。
受照体支撑及其驱动机构由治疗床、治疗床支撑结构组成,位于中子照射机构2的右方,可进行前后左右位置和高度调节,使受照体靶区正对中子照射机构2的出射中子束。
中子成像探测机构3位于在治疗床右侧,由中子敏感材料探测面、微通道阵列信号收集器、信号采集输出器组成,且探测面表面中心处于中子束流射野范围并与中子束流照射方向垂直;中子敏感材料包括但不限于富硼材料、掺钆材料、掺铀材料;微通道阵列信号收集器位于中子敏感材料背照面,直接探测中子与敏感材料作用产生的次级粒子并转换成光电信号;信号采集输出器采集每个微通道的光电信号强度并独立输出,同时扫描微通道阵列数据转换成图像进行输出。
靶向药物注射机构5镶嵌在诊断治疗室墙壁内,通过注射管与受照体支撑及其驱动机构支撑的受照体连接,向受照体注射靶向药物,同时,控制器7通过信号调节控制受照体靶向药物的注射速度。
诊断与治疗计划机构6安装在诊断治疗室外部的计算机上,机构由图像处理与靶区诊断模块、建模与中子输运计算模块、成分反演计算模块、中子数据库、治疗计划制定及优化模块、数据管理与通信模块组成。
控制器7位于控制室,与其他各个机构通过光纤进行数据传输,控制治疗方案的实施。
装置具体工作流程如下:
A、在诊断与治疗计划机构6中输入受照体数据和肿瘤信息,利用诊断与治疗计划机构6制定或读取受照体治疗方案,包括中子源1流强、能量,中子照射机构2准直孔道尺寸,受照体支撑机构摆位,靶向药物注射时间和注射速度等,并传输到控制器7;
B、控制器7控制中子源1、中子照射机构2、受照体支撑及其驱动机构、靶向药物注射机构5的运行参数,开始治疗;
C、中子成像探测机构3探测透射受照体的中子强度分布及图像,传输到诊断与治疗计划机构6;
D、诊断与治疗计划机构6读取中子成像探测机构3探测数据,进行实时诊断和治疗方案在线校正:
a)建模与中子输运计算模块读取中子源1、中子照射机构2进行建模和中子输运计算,计算入射到受照体前的中子强度二维分布,并传递给成分反演计算模块;
b)成分反演计算模块读取中子成像探测机构3探测数据,并解析为透射受照体后的中子强度二维分布,与受照体前的中子强度二维分布进行对比获得中子在人体内的衰减强度分布,根据中子数据库中截面核数据反演计算受照体内碳、氢、氧、硼核素的分布,并转换为受照体实时影像图像;
c)图像处理与靶区诊断模块对受照体影像图像进行靶区诊断与自动勾画;
d)建模与中子输运计算模块读取受照体实时影像图像,结合入射到受照体前的中子强度二维分布,计算受照体内实际照射剂量分布;
e)治疗计划制定及优化模块根据处方剂量和受照体内实际照射剂量分布,在线校正治疗方案参数,并传输到控制器7;
E、控制器7根据新的治疗方案调整中子源1、中子照射机构2、受照体支撑及其驱动机构、靶向药物注射机构5的运行参数;
重复上述步骤直至受照体内实际照射剂量达到处方剂量要求;
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。