CN113101546A - 基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法 - Google Patents

基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种4D剂量重建装置，公开了一种基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，包括：步骤S1、获取肿瘤质心运动核，得到肿瘤质心在LR方向、CC方向和AP方向的时间函数；步骤S2、根据步骤S1中LR方向和CC方向上的时间函数得到肿瘤质心运动参数；步骤S3、根据步骤S2中的运动参数控制驱动模块驱动剂量验证设备LR和CC在两个方向运动，步骤S4、AP方向运动对剂量影响通过实时在线修正百分深度剂量PDD参数方法实现，最终实现剂量验证设备的4D剂量重建并得到重建后的4D剂量数据。本发明引入肿瘤三维运动因素能够使得肿瘤放射治疗方案得到有效改善，使得患者最终治疗更加接近于实际情况，大大提高了肿瘤放射治疗的安全性和有效性。

Description

基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法
技术领域
本发明涉及4D剂量重建方法，尤其涉及了一种基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法。
背景技术
肺癌的放射治疗在近几十年取得了显著的成绩，但是对于局部控制率较低却仍然是最大的问题。手术是早期肺癌的标准治疗手段，放疗是不能耐受手术或者拒绝手术早期肺癌患者的主要治疗手段，采用常规分割放疗技术治疗早期肺癌的效果欠佳，患者的5年生存率10-30％。对于早期的手术无法切除的肺癌应用立体定向放射治疗(stereotacticbody radiation therapy,SBRT)能够获得较为理想的局部控制概率与总生存率。然而由于肺部肿瘤受呼吸运动的影响较大，特别对于小体积肿瘤且呼吸幅度大的患者，放疗过程中常常会漏照靶区或者使靶区的剂量分布不均匀，这种情况就会大大削弱SBRT的治疗疗效。
进行放射治疗前使用的质量控制工具大都是基于计划CT(患者某一个静态时象CT)进行的剂量验证，例如Mapcheck、Compass、Arccheck等，这些都无法将肿瘤的运动信息考虑进去，这样的质量控制事实上是不完善的，不能完全模拟运动肿瘤的实时受照射剂量。因此亟需研发一种新型的能够在放射治疗中实现实时肿瘤运动追踪的4D放射治疗剂量验证的软硬件成套系统，实现肺癌患者放射治疗的个体化剂量实时重建，实现剂量引导的放射治疗。
目前，国内外基于4DCT图像的剂量学研究主要存在的问题是：
(1)片面地将四维计算机断层影像(Four Dimensional Computed Tomography,4DCT)重建序列,平均密度投影(Average Intensity Projection,AIP)、最大密度投影(Maximum Intensity Projection,MIP)序列以及其它个别序列图像用于靶区勾画，用于形成ITV的4DCT的重建图像序列选取随意，没有理论基础和临床实践依据。美国和欧洲的研究都没有明确“从静态CT中提取的特征是4DCT图像提取特征的参考金标准”这个问题。
(2)在研究方法上，目前国内外相关研究主要采用一维运动模体来模拟呼吸幅度对4DCT图像及对放射治疗ITV的影响，没有考虑临床真实呼吸运动的情况。它们简单地将复杂的三维呼吸运动简化为一维运动，并且忽略了呼吸频率等重要参数对靶区实际剂量的影响；
(3)忽视了4DCT扫描设备和扫描参数设置的差异，基于4DCT放射治疗和剂量验证必须以深入研究4DCT影像受呼吸运动和扫描参数设置影响为前提和基础。在同一个影像中心内，具有相同呼吸幅度和频率的患者，采用不同扫描参数，其4DCT的成像结果也不尽相同，因此基于4DCT的放射治疗和剂量验证也应该考虑扫描设备和扫描参数设置的差异。
(4)对4DCT图像的预处理问题尚处在初步探索阶段，目前缺乏可供临床使用的可靠结论。
国内外剂量验证设备目前还在3D阶段，没有4D剂量验证设备，放射治疗3D剂量验证设备主要为Mapcheck、Compass剂量验证系统，这些系统售价为150-200万左右，而且每个放射治疗中心为满足肿瘤质控要求必须配备，美国医学物理协会2006年推出的指南AAPMTG76号指出，对于存在呼吸运动位置的肿瘤一定要进行运动管理，目前运动管理还是依靠外部施加压力等方式进行，这样患者治疗的依从性比较差，治疗比较痛苦。
现有技术中给出了授权公告号为CN208808505U、专利名称为四维图像与放疗剂量验证装置的中国实用新型专利，其能够模拟常见人群的器官运动频率与幅度，通过加载相应的图形验证模块或剂量验证设备，可实现引入运动因素的四维图形验证和剂量验证不考虑运动因素影响的不足，能更加真实检验四维图形质量及四维放疗剂量学分布情况。然后该技术方案对于真正解决患者呼吸运动导致的剂量偏差主要存在以下较大问题：
1.患者的呼吸运动的本质是胸腔的容积变化，这种容积变化对肿瘤的影响主要体现在LR、AP、CC三个方向，而且以LR和CC两个方向为主，而AP这个方向影响最小，因此三个方向会同时对剂量产生影响，CN208808505U专利只能模拟患者肿瘤在一个方向上受到呼吸运动的影响和实际情况相差较大。
2.患者呼吸运动对肿瘤的位置影响并非是线性的、也非有规律的三角函数波形，肿瘤质心运动也并非匀速进行，CN208808505U专利只能模拟患者肿瘤在一个方向上线性的或者按照实现设定好的幅度和频率进行，这和患者肿瘤实际运动情况也均在较大偏差。
3.CN208808505U专利只能在加速器治疗机架零度时候模拟呼吸运动对肿瘤器官剂量的重建等影响，但是患者实际治疗情况下并非只采用一个零度射野，而需要考虑避开肿瘤周围的重要器官采取很多非零度射野，非零度射野对肿瘤剂量重建存在几何投影效应，如原来左右LR方向的运动，当实际照射机架角度在90°或者270°的时候就变成了照射深度变化的问题，这也是4D剂量重建的一直没有解决的难点问题。
4.CN208808505U专利只能大致模拟器官运动频率在某个区间、运动幅度非常均匀、每个呼吸周期重复性非常好的患者的肿瘤运动。是基于理想情况下的群体分析方法而非目前主流医学的个体化精准分析方法。其结果只能用于科学研究而不能给于每个患者的具体剂量分析报告，存在较大的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术中放疗剂量验证过程中存在的问题，提供了一种基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建装置。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其具体包括以下步骤：
步骤S1、获取肿瘤质心运动核，得到肿瘤质心相对于床的三个方向的时间函数，三个方向分别为LR方向、CC方向和AP方向；
步骤S2、根据步骤S1中LR方向和CC方向上的时间函数得到肿瘤质心运动参数；
步骤S3、根据步骤S2中的运动参数同时控制驱动2个方向的模块驱动剂量验证设备的运动
步骤S4、将步骤S1中AP方向的时间函数通过百分深度剂量曲线进行计算和修正，实现剂量验证设备的4D剂量重建并得到重建后的4D剂量数据。
通过该引入肿瘤运动因素来实现对肿瘤放疗剂量重建，能够得到更加真实更加准确的剂量分布，改善放射治疗方案，使得患者最终治疗更加接近于实际情况，大大提高了肿瘤放射治疗的安全性和有效性。
作为优选，步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过真实患者原有的4DCT中记录的呼吸运动核的医学数字成像和通信文件来提取患者肿瘤质心运动核。
作为优选，步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过肿瘤的X透射图像初略估计肿瘤质心位置来得到肿瘤质心运动核。
作为优选，步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过跟踪肿瘤内植入的金属标记物在X射线下的成像轨迹来记录肿瘤质心运动核。
作为优选，步骤S4具体为将步骤S1中AP方向的时间函数通过百分深度剂量曲线进行计算和修正并将计算和修正后的结果输入4D剂量数据中。
作为优选，步骤S3中的剂量验证设备连接在放射治疗设备机架上，在剂量测量过程中，机架360度旋转时保持剂量验证设备和加速器机头的垂直性，完美解决了引入呼吸运动情况下任意治疗角度剂量测量的难题。
附图说明
图1是本发明的实施例1中剂量重建装置的结构示意图。
图2是图1中滑板的结构示意图。
图3是图1中滑板的另一视角结构示意图。
图4是图1中安装架的结构示意图。
图5是本发明实施例1中某肺癌患者肿瘤质心位置求解结果示意图。
图6是图5中该患者在LR方向肿瘤质心速率求解结果示意图。
图7是图5中该患者在AP方向肿瘤质心速率求解结果示意图。
图8是图5中该患者在CC方向肿瘤质心速率求解结果示意图。
图9是AP方向百分深度剂量PDD进行修正求解示意图。
图10是三维运动情况下该肺癌患者体内实际剂量对放射治疗的影响示意图。
图11是四维运动情况下该肺癌患者体内实际剂量对放射治疗的影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例中提供了一种基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建装置，如图1-图4所示，其包括用于放置剂量验证设备的托架1，托架1包括用于将托架1固定在放射治疗设备机头上的固定架11，还包括用于带动剂量验证设备运动的滑架12，托架1上还设有用于控制滑架12运动的数控电机。
本实施例中通过滑架12实现剂量验证设备的运动，并通过数控电机精确控制剂量验证设备的运动，数控电机的转动数据来源于肿瘤运动，使得剂量验证设备模拟患者肿瘤运动情况，从而通过该装置能够实现在进行剂量验证时引入肿瘤运动因素而得到更加真实更加准确的剂量分布，以改善放射治疗方案，使得患者最终治疗更加接近于实际情况，大大提高了肿瘤放射治疗的安全性和有效性。
另外该装置是直接安装于放射治疗设备机头上，其能够实现一边进行患者的放射治疗，一边进行运动剂量验证，单次放射治疗完成后，可以实时评估当次辐射剂量，不仅减轻放疗物理师的工作，也为医师对患者后续的个体化治疗提供临床依据，另外该装置能够随着放射治疗设备机头一起转动，继而能够实现任意治疗角度实时剂量验证。
本实施例中托架1的具体结构如下：固定架11包括上固定板110，上固定板110上安装有连接架111，连接架111包括固定在上固定板110上表面上的连接板112，连接板112上安装有连接杆114，连接杆114的下端固定在连接板112上，上端设有连接块113。其中，连接架111为两个，分别设置于上固定板110的两侧，且每个连接架111上为两个连接杆114，从而通过四根连接杆114来实现托架1在机头上的安装，以保证托架1在机头上安装的稳定性。
本实施例中滑架12包括滑板120和下固定板121，下固定板121上固定有用于安装剂量验证设备的安装架122，滑架12与上固定板110之间设有能够将滑架12沿托架1长度方向运动的第一数控电机123，滑板120与下固定板121之间设有能够将下固定板121沿托架1宽度方向运的第二数控电机124。从而能够实现安装架122在水平面上前后、左右两个方向的运动，而安装架122带动剂量验证设备运动，继而能够剂量验证设备在LR方向与CC方向上对肿瘤质心运动的模拟。
具体的运动机构如下：滑架12上设有第一数控电机123，第一数控电机123的电机轴上连接有轴向沿托架1长度方向布置的第一丝杆125，第一丝杆125上设有能够沿丝杆轴向往复运动的第一丝杆滑块126，第一丝杆滑块126固定在上固定板110上。滑板120上设有第二数控电机124，第二数控电机124的电机轴上连接有轴向沿托架1宽度方向布置的第二丝杆127，第二丝杆127上设有能够沿第二丝杆127轴向往复运动的第二丝杆滑块128，第二丝杆滑块128固定在下固定板121上。另外，滑板120上设有长度方向沿托架1长度方向布置的第一滑轨1201，第一滑轨1201上滑动设有第一滑块1202，第一滑块1202与上固定板110相互固定，滑板120上设有长度方向沿托架1宽度方向布置的第二滑轨1203，第二滑轨1203上滑动设有第二滑块1204，第二滑块1204与下固定板121相互固定。
安装架122在水平面上前后、左右两个方向的运动通过第一数控电机123和第二数控电机124来实现，其中第一数控电机123和第二数控电机124均采用2相双极步进器，最大运动速率5.8cm/s，运动线性分辨率达到0.13μm，其能够精确控制安装架122的运动行程以及运动速率。并且在滑架12上设有滑块、滑轨机构，其能够使得安装架122的运动更加稳定、顺畅，减小运动摩擦影响因素。
本实施例中安装架122包括上端面固定在下固定板121下表面上的两个侧板1221，还包括固定在两侧板1221之间的后端板1222和前端板1223，两个侧板1221与后端板1222共同构造成容置剂量验证设备的容置槽1224，前端板1223设置于侧板1221的下端且构造成容置槽1224的下端支撑部；安装架122上设有用于对剂量验证设备进行固定的夹持机构。
其中，夹持机构包括设置于两侧板1221上的夹紧螺栓1225，夹紧螺栓1225的轴向垂直侧板1221设置且夹紧螺栓1225的螺杆端部能够伸入容置槽1224内。夹持机构还包括能够沿侧板1221高度方向上下运动的夹持件1226，夹持件1226的位于容置槽1224内的端部设有水平设置的夹持板1227，夹持件1226上还设有用于将夹持件1226紧固在侧板1221上的限位螺栓1228。
在对剂量验证设备进行安装紧固时，将剂量验证设备自安装架122的前端板1223处插入容置槽1224内，使得剂量验证设备的前端面抵靠在后端板1222上，前端部搭接在前端板1223上，然后调节夹持机构对剂量验证设备进行夹紧固定。通过夹紧螺栓1225实现对剂量验证设备左右方向上的夹紧，通过夹持件1226上夹持板1227实现对剂量验证设备上下方向上的夹紧。本实施例中夹持件1226上设有长度方向沿侧板1221高度方向设置的长槽，侧板1221上设有与长槽对应设置的连接孔，限位螺栓1228设置于连接孔处，通过紧固在长槽的不同位置来实现对夹持件1226上下的调节，继而实现对夹持件1226上夹持板1227的上下调节，实现对剂量验证设备的夹紧。
本实施例中提供了一种基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，如图5-图10所示，其具体包括以下步骤：
步骤S1、获取肿瘤质心运动核，得到肿瘤质心相对于床的三个方向的时间函数，三个方向分别为LR方向、CC方向和AP方向，即患者的肿瘤质心相对于床的三个方向坐标X(t)、Y(t)、Z(t)；
步骤S2、根据步骤S1中LR方向和CC方向上的时间函数得到肿瘤质心运动参数；
步骤S3、根据步骤S2中的LR和CC方向运动参数控制驱动模块驱动剂量验证设备的运动，实现剂量验证设备的4D剂量重建并得到重建后的4D剂量数据；
步骤S4、根据肿瘤照射采用的能量的百分深度剂量PDD修正肿瘤在AP方向上运动对剂量重建的影响。
本实施例中肿瘤质心运动核的获取方法为通过原有的4DCT中记录的患者呼吸运动核的医学数字成像和通信文件来提取患者肿瘤质心运动核。通过该方法可以获取每个患者的4DCT的十个时相的肿瘤质心的坐标，其中专利公开号为CN110880195A、专利名称为基于肺部肿瘤4DCT图形进行影像组学特征提取的专用图形的重建方法、介质和装置的中国发明专利中公开了具体的如何获取坐标以及根据时间函数得到肿瘤质心运动参数，在此不再累述。
本实施例中得到肿瘤质心运动参数后将该运动参数输入前述的剂量重建装置上用于控制数控电机的控制模块中，通过控制模块实现对第一数控电机123和第二数控电机124的实时控制，通过第一数控电机123和第二数控电机124的驱动来实现对滑架12相对固定架11在水平面上CC方向和LR方向上，即实现剂量验证设备相对加速机机头在LR方向和CC方向的运动，从而实现剂量验证设备在进行放射治疗以及剂量验证的同时剂量验证设备模拟患者肿瘤运动情况。
另外，步骤S4中根据肿瘤照射采用的能量的百分深度剂量PDD修正肿瘤在AP方向上运动对剂量重建的影响，具体为将步骤S1中AP方向的时间函数通过百分深度剂量曲线进行计算和修正并将计算和修正后的结果整合到最终肿瘤4D剂量数据中，由于肿瘤在AP方向上的运动幅度较小，该参数在实际放疗过程中对于肿瘤放疗影响较小，几乎可以忽略不计，因而无需设置于剂量重建装置中使得剂量验证装置在该方向上运动，本实施例中通过百分深度剂量曲线能够将AP方向的运动导致的剂量误差直接通过百分深度剂量曲线进行快速计算和修正，计算和修正后的数据作为AP方向的运动参数。
如图9所示，横坐标为放疗吸收剂量、横坐标为肿瘤深度，以深度150mm处的肿瘤质心为例，纵向框在横坐标上投影为AP方向导致的肿瘤质心运动的最大范围，在某个时间点如果肿瘤质心在该范围内运动，那么框内任意时间点肿瘤质心的剂量就可以通过纵向框的数据进行线性插值投影至纵坐标的横向框内，最后将经过线性插值的剂量作为4D剂量的修正，从而实现了AP方向运动对剂量影响的“算法修正”。
如图10、图11所示，通过本实施例中的重建方法实现在进行放射治疗以及剂量验证时引入肿瘤运动因素而得到更加真实更加准确的剂量分布，在不考虑呼吸运动时的三维运动情况下患者的冠状位上的剂量在头脚方向的巨大误差和剂量缺失；而在考虑呼吸运动时，通过本申请中的方法和装置重建剂量后改善放射治疗方案，患者的冠状位上的剂量在头脚方向的误差得到了有效控制，剂量缺失情况也得到了明显的改善，使得患者最终治疗更加接近于实际情况，大大提高了肿瘤放射治疗的安全性和有效性。
实施例2
本实施例中步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过肿瘤的X透射图像精确估计肿瘤质心位置来得到肿瘤质心运动核，肿瘤的X透射图像所估计的位置信息能够精确到微米级别。
实施例3
本实施例中步骤S1中通过跟踪肿瘤内植入的金属标记物在X射线下的成像轨迹来记录肿瘤质心运动核。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其特征在于其具体包括以下步骤：
步骤S1、获取肿瘤质心运动核，得到肿瘤质心相对于床的三个方向的时间函数，三个方向分别为LR方向、CC方向和AP方向；
步骤S2、根据步骤S1中LR方向和CC方向上的时间函数得到肿瘤质心运动参数；
步骤S3、根据步骤S2中的LR和CC方向运动参数控制驱动模块驱动剂量验证设备的运动，实现剂量验证设备的4D剂量重建并得到重建后的4D剂量数据。
步骤S4、根据肿瘤照射采用的能量的百分深度剂量PDD修正肿瘤在AP方向上运动对剂量重建的影响。
2.根据权利要求1所述的基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其特征在于：步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过原有的4DCT中记录的患者呼吸运动核的医学数字成像和通信文件来提取患者肿瘤质心运动核。
3.根据权利要求1所述的基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其特征在于：步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过肿瘤的X透射图像精确估计肿瘤质心位置来得到肿瘤质心运动核。
4.根据权利要求1所述的基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其特征在于：步骤S1中肿瘤质心运动核的获取方法为通过跟踪肿瘤内植入的金属标记物在X射线下的成像轨迹来记录肿瘤质心运动核。
5.根据权利要求1所述的基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其特征在于：步骤S4具体为将步骤S1中AP方向的时间函数通过百分深度剂量曲线进行计算和修正并将计算和修正后的结果整合到最终肿瘤4D剂量数据中。
6.根据权利要求1所述的基于肿瘤运动追踪和放射治疗的剂量重建方法，其特征在于：步骤S3中的剂量验证设备连接在放射治疗设备机架上。
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