CN113797447A - 放射治疗系统及其治疗计划生成方法 - Google Patents
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Abstract
一种放射治疗系统及其治疗计划生成方法，放射治疗系统包括射束照射装置、治疗计划模块和控制模块。射束照射装置产生治疗用射束并照射到被照射体形成被照射部位，治疗计划模块根据治疗用射束的参数和被照射部位的医学影像数据生成治疗计划，控制模块从治疗计划模块调取与被照射体对应的治疗计划，并控制射束照射装置按照治疗计划生成方法确定的至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间依次对被照射体进行照射。本发明的放射治疗系统及其治疗计划生成方法，可以分散被照射部位浅部辐射量和增加病变组织深部的辐射量，以降低正常组织最大剂量和提升病变组织最小剂量，同时保证病变组织内的剂量的均匀分布。
Description
技术领域
本发明一方面涉及一种放射治疗系统；本发明另一方面涉及一种治疗计划生成方法，尤其涉及一种放射治疗系统的治疗计划生成方法。
背景技术
随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如：多行性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。
为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。
硼中子捕获治疗是利用含硼(10B)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由10B(n,α)7Li中子捕获及核分裂反应产生4He和7Li两个重荷电粒子，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。
放射线治疗是以正常组织、器官可接受辐射照射的耐受程度或可复原的轻微副作用下，运用高能量辐射破坏肿瘤细胞并防止其生长与分裂，以达到控制或治愈肿瘤，因此，肿瘤剂量受到正常组织、器官可接受辐射剂量的限制。同时，硼中子俘获治疗效益取决于肿瘤内含硼药物分布累积和中子集聚量。含硼药物分布累积受肿瘤特性和患者代吸收谢能力影响，目前透过正电子发射断层(Positron Emission Tomography,PET)扫描筛选适合采用硼中子俘获治疗的患者。中子通量随经过患者体内深度增加而减少，又与药物中的硼元素作用而抑制，导致沿中子入射方向深处的肿瘤中中子集聚量少。
三维模型广泛应用于科学实验分析、科学实验模拟领域。比如在核辐射与防护领域，为了模拟人体在一定辐射条件下的吸收剂量以帮助医生制定治疗计划，常常需要利用计算机技术对医学影像数据进行各种处理建立精确的蒙特卡罗软件需要的晶格模型，并结合蒙特卡罗软件进行模拟计算。现有中子捕获治疗计划系统中，通过对照射角度的评价为中子束选择一个最佳角度照射，一方面由于肿瘤深处中子集聚量少需要增加辐射剂量，另一方面受到正常组织、器官可接受辐射剂量的限制需要控制辐射剂量，而导致治疗效果大打折扣。
因此，有必要提出一种放射治疗系统及其治疗计划生成方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的一个方面提供一种放射治疗系统，包括射束照射装置、治疗计划模块和控制模块。射束照射装置产生治疗用射束并照射到被照射体形成被照射部位。治疗计划模块根据所述射束照射装置产生的所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据生成治疗计划，所述治疗计划确定至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间，其中，所述照射角度定义为所述治疗用射束的照射点至所述被照射部位的病变组织预设点的向量方向。控制模块从所述治疗计划模块调取与所述被照射体对应的所述治疗计划，并控制所述射束照射装置按照所述治疗计划确定的至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间依次对所述被照射体进行照射。依据病变组织分布采用多个照射角度进行放射治疗，分散和降低了被照射部位浅部辐射量，降低了正常组织接受的辐射剂量及正常组织最大剂量，进而降低了接受放射治疗后正常组织发生副作用机率；同时，可以适当增加总的辐射剂量，以增加病变组织剂量，特别是病变组织深部的辐射量，提升了病变组织最小剂量；多入射方向还可以使病变组织内的剂量更加均匀。
进一步地，所述治疗计划模块是通过蒙特卡罗模拟程序模拟所述被照射部位进行所述治疗用射束的照射时的辐射剂量分布并结合数学算法生成出所述治疗计划。更进一步地，所述治疗计划模块根据模拟的辐射剂量分布建立感兴趣区域的目标函数，并对目标函数进行优化求解，计算出所述至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间。
作为一种优选地，所述治疗计划模块根据所述被照射部位的医学影像数据建立三维体素假体组织模型，并将所述治疗用射束的参数和所述三维体素假体组织模型输入所述蒙特卡罗模拟程序对不同照射角度取样进行模拟，并计算在取样的照射角度k下，每一体素单元i单位时间所受到的辐射剂量Dki。
作为一种优选地，三维体素假体组织模型带有组织种类、组织密度信息，更加精确地提供组织种类、元素组成及密度，建立的几何模型更加匹配于医学影像数据反应出的真实情况。进一步地，所述放射治疗系统为硼中子捕获治疗系统，所述三维体素假体组织模型还带有组织硼浓度信息，可以清楚地知道各个组织内的含硼药物浓度，进行硼中子捕获治疗照射模拟时，能够更加真实地反应出实际情况。
作为一种优选地，所述对不同照射角度取样时或者在取样计算后还可以对所述取样的射束角度进行筛选。
进一步地，所述目标函数采用公式一：
其中，di为体素i的总剂量，
为体素i的处方剂量；
对于某一体素i来说，其所受总剂量di可以采用公式二进行计算：
其中，wk为不同照射角度下的照射时间，Dki为单位时间体素i在照射角度k下的剂量，di为体素i的总剂量；
体素i的处方剂量
可以采用公式三进行计算：
其中，dpN为感兴趣区域N的处方剂量，CN为该感兴趣区域的体素的数量。
进一步地，所述治疗计划模块采用优化算法通过公式四对目标函数进行优化求解：
min{F(di)} (公式四)
定义公式四的设计变量为X，其中，设计变量X由公式五表达：
X＝{w1,w2…wk} (公式五)；
根据设计变量X的最优解确定所述至少两个照射角度k及不同照射角度k对应的照射时间wk。作为一种优选地，优化算法为支持向量机、响应面方法或最小二乘矢量回归。
进一步地，所述治疗计划模块对所述目标函数的优化求解建立约束条件。更进一步地，所述约束条件为选定一个或多个正常器官或组织M，每个正常器官或组织M内所有体素i的总剂量di的和dM满足公式六：
g(dM)＜0 (公式六)。
作为一种优选地，上述公式一至公式六中的剂量、总剂量、处方剂量的单位为eq-Gy，照射时间的单位为s。
作为另一种优选地，所述治疗计划模块通过剂量检视对所述目标函数优化求解的结果进行评估或优选。
本发明的另一个方面提供一种放射治疗系统，包括射束照射装置、治疗计划模块和控制模块。射束照射装置产生治疗用射束并照射到被照射体形成被照射部位。治疗计划模块根据所述射束照射装置产生的所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据生成治疗计划，所述治疗计划确定多个照射角度和每个所述照射角度对应的计划照射剂量，其中，所述照射角度定义为所述治疗用射束的照射点至所述被照射部位的病变组织预设点的向量方向。控制模块从所述治疗计划模块调取与所述被照射体对应的所述治疗计划，并控制所述射束照射装置按照所述治疗计划对所述被照射体的一次照射治疗过程中，依次按所述多个照射角度和每个所述照射角度对应的计划照射剂量进行照射。依据病变组织分布采用多个照射角度进行放射治疗，分散和降低了被照射部位浅部辐射量，降低了正常组织接受的辐射剂量及正常组织最大剂量，进而降低了接受放射治疗后正常组织发生副作用机率；同时，可以适当增加总的辐射剂量，以增加病变组织剂量，特别是病变组织深部的辐射量，提升了病变组织最小剂量；多入射方向还可以使病变组织内的剂量更加均匀。
本发明的再一方面提供一种治疗计划生成方法，包括：根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的步骤；在蒙特卡罗模拟程序中定义射束参数，通过对不同照射角度取样进行模拟，并计算在取样的照射角度k下，每一体素单元i单位时间所受到的辐射剂量Dki的步骤；建立感兴趣区域的目标函数，通过对所述目标函数进行优化求解，计算出至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间的步骤，其中，所述照射角度定义为射束的照射点至所述三维体素假体组织模型的病变组织预设点的向量方向。采用多个照射角度进行放射治疗，分散和降低了被照射部位浅部辐射量，降低了正常组织接受的辐射剂量及正常组织最大剂量，进而降低了接受放射治疗后正常组织发生副作用机率；同时，可以适当增加总的辐射剂量，以增加病变组织剂量，特别是病变组织深部的辐射量，提升了病变组织最小剂量；多入射方向还可以使病变组织内的剂量更加均匀。
作为一种优选地，所述目标函数采用公式一：
其中，di为体素i的总剂量，
为体素i的处方剂量；
对于某一体素i来说，其所受总剂量di可以采用公式二进行计算：
其中，wk为不同照射角度下的照射时间，Dki为单位时间体素i在照射角度k下的剂量，di为体素i的总剂量；
体素i的处方剂量
可以采用公式三进行计算：
其中，dpN为感兴趣区域N的处方剂量，CN为该感兴趣区域的体素的数量。
进一步地，采用优化算法通过公式四对目标函数进行优化求解：
min{F(di)} (公式四)
定义公式四的设计变量为X，其中，设计变量X由公式五表达：
X＝{w1,w2…wk} (公式五)；
根据设计变量X的最优解确定所述至少两个照射角度k及不同照射角度k对应的照射时间wk。更进一步地，优化算法为支持向量机、响应面方法或最小二乘矢量回归。
进一步地，所述治疗计划生成方法还包括对所述目标函数的优化求解建立约束条件的步骤。更进一步地，所述约束条件为选定一个或多个正常器官或组织M，每个正常器官或组织M内所有体素i的总剂量di的和dM满足公式六：
g(dM)＜0 (公式六)。
作为一种优选地，上述公式一至公式六中的剂量、总剂量、处方剂量的单位为eq-Gy，照射时间的单位为s。
作为一种优选地，所述治疗计划生成方法还包括剂量检视的步骤，通过所述剂量检视对所述目标函数优化求解的结果进行评估或优选。
作为一种优选地，所述根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的步骤进一步包括：读取医学影像数据的步骤；建立三维医学影像体素模型的步骤；定义或读取感兴趣区域的边界的步骤；定义每一体素单元的组织种类(元素组成)、组织密度的步骤；建立三维体素假体组织模型的步骤。三维体素假体组织模型是根据医学影像数据与组织种类、组织密度之间的转换关系建立的，更加精确地提供组织种类(元素组成)及组织密度，建立的几何模型更加匹配于医学影像数据反应出的真实情况。进一步地，所述治疗计划生成方法应用于硼中子捕获治疗，所述根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的步骤还包括定义每一体素单元的组织硼浓度的步骤，可以清楚地知道各个组织内的含硼药物浓度，进行硼中子捕获治疗照射模拟时，能够更加真实地反应出实际情况。
作为一种优选地，所述对不同照射角度取样时或者在取样计算后还可以对所述取样的射束角度进行筛选。
本发明的放射治疗系统及其治疗计划生成方法，可以分散被照射部位浅部辐射量和增加病变组织深部的辐射量，以降低正常组织最大剂量和提升病变组织最小剂量，同时保证病变组织内的剂量的均匀分布。
附图说明
图1是硼中子捕获反应示意图。
图2是10B(n,α)7Li中子捕获核反应方程式。
图3是本发明实施例的中子捕获治疗系统的框图。
图4是本发明实施例中的治疗计划模块生成治疗计划的方法的流程图。
图5是本发明实施例中的建立三维体素假体组织模型的方法的流程图。
图6是本发明实施例中的建立感兴趣区域的目标函数并通过优化求解计算的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例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。
作为一种优选地，以中子捕获治疗系统及其治疗计划生成方法为本发明的实施例。下面将简单介绍一下中子捕获治疗，尤其是硼中子捕获治疗。
中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，供应硼中子捕获治疗的中子可以由核反应堆或加速器供应。本发明的实施例以加速器硼中子捕获治疗为例，加速器硼中子捕获治疗的基本组件通常包括用于对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速的加速器、靶材与热移除系统和射束整形体，其中加速带电粒子与金属靶材作用产生中子，依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有7Li(p,n)7Be及9Be(p,n)9B，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为1.881MeV和2.055MeV，由于硼中子捕获治疗的理想中子源为keV能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不须太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属(Li)和铍金属(Be)两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。
硼中子捕获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(10B)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由10B(n,α)7Li中子捕获及核分裂反应产生4He和7Li两个重荷电粒子。参照图1和图2，其分别示出了硼中子捕获反应的示意图和10B(n,α)7Li中子捕获核反应方程式，两荷电粒子的平均能量约为2.33MeV，具有高线性转移(Linear EnergyTransfer,LET)、短射程特征，α粒子的线性能量转移与射程分别为150keV/μm、8μm，而7Li重荷粒子则为175keV/μm、5μm，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。
参阅图3，本实施例的放射治疗系统优选为中子捕获治疗系统100，包括中子束照射装置10、治疗计划模块20和控制模块30。中子束照射装置10包括中子产生装置11和治疗台12，中子产生装置12产生治疗用中子束N并照射到治疗台12上的患者形成被照射部位。在中子捕获治疗中，为了模拟生物体在一定辐射条件下的吸收剂量以帮助医生制定治疗计划，常常需要利用计算机技术对医学影像进行各种处理建立精确的蒙特卡罗软件需要的晶格模型，并结合蒙特卡罗软件进行模拟计算。治疗计划模块20根据中子产生装置11产生的中子束N的参数和患者被照射部位的医学影像数据，通过蒙特卡罗模拟程序模拟患者进行照射治疗时的辐射剂量分布，结合数学算法生成治疗计划。一实施例中，治疗计划模块20根据模拟的辐射剂量分布建立感兴趣区域的目标函数，并对目标函数进行优化求解，计算出至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间。可以理解，还可以通过其他方法计算出至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间。控制模块30从治疗计划模块20调取当前患者对应的治疗计划，并根据治疗计划控制中子束照射装置10的照射，如控制中子产生装置11产生中子束N并按照治疗计划确定的至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间等依次对治疗台12上的患者进行照射。可以理解，每个照射角度对应的照射时间也可以为每个照射角度对应的计划照射剂量，可以通过模拟计算变换得到。
请参照图4，本实施例的治疗计划模块20生成治疗计划的方法，具体包括如下步骤：
S410：根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型；
S420：在蒙特卡罗模拟程序(如MCNP，Monte Carlo N Particle Transport Code)中定义射束参数，通过对不同照射角度k取样进行模拟，并计算三维体素假体组织模型的体素i单位时间在不同照射角度k的剂量分布Dki；
S430：建立感兴趣区域的目标函数，通过优化求解计算至少两个照射角度及每个照射角度对应的照射时间。所谓感兴趣区域可以是关键器官，如眼睛、肝脏等；还可以是重要组织，如骨组织、脑组织等；也可以是肿瘤细胞。
S440：剂量检视，对目标函数优化求解的结果进行评估或优选。
请参照图5，一实施例中，根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的步骤S310，可以进一步包括：
S510：读取医学影像数据；
S520：建立三维医学影像体素模型；
S530：定义或读取感兴趣区域的边界；
S540：定义每一体素单元的组织种类(元素组成)、组织密度，可以是根据CT影像数据与组织种类、组织密度之间的转换关系自动定义；也可以是用户手动定义，如为每个感兴趣区域的边界内的体素单元给定一个特定的组织种类和组织密度。
S550：建立三维体素假体组织模型。
三维体素假体组织模型是根据医学影像数据与组织种类、组织密度之间的转换关系建立的，更加精确地提供组织种类(元素组成)及组织密度，建立的几何模型更加匹配于医学影像数据反应出的真实情况。放射治疗系统为硼中子捕获治疗系统时，根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的步骤S410在S540之后还可以包括S560：定义每一体素单元的组织硼浓度。可以理解，S560也可以在S540之前。标记有组织硼浓度信息的几何模型，便可清楚地知道，各个组织内的含硼药物浓度，然后进行中子照射模拟时，则更加真实地反应出实际情况。
根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的详细过程，可以参照2017年03月08日公开的、公开号为CN106474634A、发明名称为“基于医学影像数据的几何模型建立方法”的专利申请，在此全文引入。
蒙特卡罗方法是目前能够对辐照目标内部三维空间核粒子碰撞轨迹和能量分布进行精确模拟的工具，人体模型结合蒙特卡罗模拟程序，可以对人体在辐射环境下的吸收剂量进行精确性的计算评估。步骤S420，在蒙特卡罗模拟程序中定义射束参数(如射束能量、强度、半径等)，通过对不同照射角度取样，模拟计算三维体素假体组织模型在不同照射角度的剂量分布，即分别模拟计算在取样的照射角度k下，每一体素单元i在所定义的射束照射下单位时间所受到的辐射剂量Dki。
取样时需要决定计算射束的起始位置及射束角度，计算中起始位置与角度的决定，可以是顺向算法或逆向算法，顺向算法中是将起始位置决定于体外位置并可依固定角度或距离间隔依序取样计算，也可以透过随机取样的方式进行；射束角度的部分，则可设定为照射点至肿瘤质心或肿瘤最深处的向量方向，具体的肿瘤端点位置可视用户需求而调整；逆向算法中，则是将起始位置决定于肿瘤范围内，其起始位置可以是肿瘤质心、最深处或肿瘤范围内随机取点，而射束角度则可以利用随机取样或依指定间隔取样的方式进行。
取样时还可以对射束角度进行筛选，如进行射束角度评价，根据评价结果选择进行后续计算的射束角度；或者在取样计算后再进行射束角度的筛选，如根据辐射剂量分布的结果或射束角度评价的结果进行筛选。射束角度的评价方法在此不再详述，可以参照2017年06月16日公开的、公开号为CN106853272A、发明名称为“射束的照射角度评价方法”的专利申请，在此全文引入。
请参照图6，下面详述建立感兴趣区域的目标函数，通过优化求解计算出至少两个照射角度及每个照射角度对应的照射时间的步骤S430，在一实施例中，其进一步包括：
S610：对于某一感兴趣区域N，本实施例中为肿瘤细胞，建立该感兴趣区域N的目标函数。一实施例中，为了使该感兴趣区域N内所有体素所受剂量均匀分布，目标函数为期望剂量(处方剂量)与计算剂量之差的平方，可以理解，还可以采用其他的目标函数。本实施例中的目标函数采用公式一：
其中di为体素i的总剂量，
为体素i的处方剂量。
对于某一体素i来说，其所受总剂量di可以采用公式二进行计算：
其中，wk为不同照射角度下的照射时间，Dki为单位时间体素i在照射角度k下的剂量，di为体素i的总剂量。
体素i的处方剂量
可以采用公式三进行计算：
其中，dpN为感兴趣区域N的处方剂量，CN为该感兴趣区域的体素的数量。其中，感兴趣区域N的处方剂量dpN通常由医师根据患者情况综合判断后给出。
S620：采用优化算法通过公式四对目标函数进行求解计算，使期望剂量与计算剂量之间的分布差尽量减少：
min{F(di)} (公式四)
定义公式四的设计变量为X，其中，设计变量X由公式五表达：
X＝{w1,w2…wk} (公式五)。
采用合适的优化算法，如支持向量机、响应面方法、最小二乘矢量回归等，即可得到设计变量X的最优解，基于所得到的最优解即可确定多个照射角度k及不同照射角度k对应的照射时间wk。可以理解，目标函数的优化求解也可以采用其他方式。
S630：建立约束条件，使目标函数的优化求解更加满足治疗需求。本实施例中，以正常器官或组织的剂量限值为约束条件，选定一个或多个正常器官或组织M，每个正常器官或组织M内所有体素i的总剂量di的和dM满足公式六：
g(dM)＜0 (公式六)。
可以理解，也可以不建立约束条件，还可以建立不同的约束条件，以求得不同的最优解，形成不同的治疗计划方案供医师等操作者选择。
在目标函数优化求解后，通过剂量检视的步骤S440对目标函数优化求解的结果进行评估或优选。如采用剂量体积直方图(DVH)对设计变量X的最优解确定的多个照射角度k及不同照射角度k对应的照射时间wk在三维体素假体组织模型模拟得出的叠加剂量分布进行评估；还可以进行上文所述的照射角度评价来进行评估。对不同约束条件求得的不同的最优解，还可以同时进行评估以供医师等操作者选出更符合需求的治疗计划方案。可以理解，也可以不进行剂量检视。
依据肿瘤分布采用多个照射角度进行放射治疗，分散和降低了患者受照射部位浅部中子量，降低了正常组织接受的辐射剂量及正常组织最大剂量，进而降低了接受放射治疗后正常组织发生副作用机率；同时，可以适当增加总的辐射剂量，以增加肿瘤剂量，特别是肿瘤深部的中子量，提升了肿瘤最小剂量；多入射方向还可以使肿瘤内的剂量更加均匀。
上述公式一至公式六中的剂量、总剂量、处方剂量的单位为eq-Gy，照射时间的单位为s，可以理解，上述公式一至公式六中的一些简单变换，剂量、时间单位的简单转换，仍然在本发明要求保护的范围之内；照射角度k的总数量为至少两个，可以手动设置具体的数量或通过算法自动获得或采用弧形连续调控，照射角度k的取样可以是在患者同侧或对侧。
在治疗计划模块20通过计算及操作者手动选择确定治疗计划方案后，控制模块30根据指令调取到该治疗计划，并控制中子束照射装置10按照治疗计划确定的多个照射角度及相应的照射时间依次对患者进行照射。应当理解，首先对患者进行照射的第一照射角度及相应的照射时间可以为能够给予肿瘤最大剂量的照射，之后再进行其他补充剂量照射角度的照射，当前照射角度的照射完成后，按照下一照射角度进行调整。照射角度的调整可以由控制模块30通过控制中子束产生装置11的射束出口的方向来实现(如可旋转的机架)；也可以通过控制患者的摆位来实现，患者的摆位可以是控制模块30根据治疗计划直接控制治疗台12的移动；或医师等操作者根据治疗计划在模拟定位室(图未示)进行患者摆位，再到照射室(图未示)根据模拟定位确定的患者摆位手动或自动调整治疗台12及患者的位置。
可以理解，本发明还可以应用于本领域技术人员熟知的其他可以用蒙特卡罗软件进行模拟的放射线治疗领域，如质子、重离子、X射线或伽马射线治疗等，则中子束照射装置为其他放射束照射装置；也可以应用于其他能够用放射线照射进行治疗的疾病，如阿尔兹海默症、类风湿关节炎，则肿瘤细胞为其他病变组织；患者也可以为其他被照射体。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，都在本发明要求保护的范围之内。
Claims (13)
1.一种放射治疗系统，其特征在于，包括：
射束照射装置，所述射束照射装置产生治疗用射束并照射到被照射体形成被照射部位；
治疗计划模块，所述治疗计划模块根据所述射束照射装置产生的所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据生成治疗计划，所述治疗计划确定至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间，其中，所述照射角度定义为所述治疗用射束的照射点至所述被照射部位的病变组织预设点的向量方向；
控制模块，所述控制模块从所述治疗计划模块调取与所述被照射体对应的所述治疗计划，并控制所述射束照射装置按照所述治疗计划确定的至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间依次对所述被照射体进行照射。
2.根据权利要求1所述的放射治疗系统，其特征在于：所述治疗计划模块是通过蒙特卡罗模拟程序模拟所述被照射部位进行所述治疗用射束的照射时的辐射剂量分布并结合数学算法生成所述治疗计划。
3.根据权利要求2所述的放射治疗系统，其特征在于：所述治疗计划模块根据模拟的辐射剂量分布建立感兴趣区域的目标函数，并对目标函数进行优化求解，计算出所述至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间。
4.根据权利要求3所述的放射治疗系统，其特征在于：所述治疗计划模块根据所述被照射部位的医学影像数据建立三维体素假体组织模型，并将所述治疗用射束的参数和所述三维体素假体组织模型输入所述蒙特卡罗模拟程序对不同照射角度取样进行模拟，并计算在取样的照射角度k下，每一体素单元i单位时间所受到的辐射剂量Dki。
5.根据权利要求4所述的放射治疗系统，其特征在于：所述目标函数采用公式一：
其中，di为体素i的总剂量；
为体素i的处方剂量；
对于某一体素i来说，其所受总剂量di可以采用公式二进行计算：
其中，wk为不同照射角度下的照射时间，Dki为单位时间体素i在照射角度k下的剂量，di为体素i的总剂量；
体素i的处方剂量
可以采用公式三进行计算：
其中，dpN为感兴趣区域N的处方剂量，CN为该感兴趣区域的体素的数量。
6.根据权利要求5所述的放射治疗系统，其特征在于：所述治疗计划模块采用优化算法通过公式四对目标函数进行优化求解：
min{F(di)} (公式四)
定义公式四的设计变量为X，其中，设计变量X由公式五表达：
X＝{w1,w2…wk} (公式五)；
根据设计变量X的最优解确定所述至少两个照射角度k及不同照射角度k对应的照射时间wk。
7.根据权利要求6所述的放射治疗系统，其特征在于：所述治疗计划模块对所述目标函数的优化求解建立约束条件，所述约束条件为选定一个或多个正常器官或组织M，每个正常器官或组织M内所有体素i的总剂量di的和dM满足公式六：
g(dM)＜0 (公式六)。
8.根据权利要求3所述的放射治疗系统，其特征在于：所述治疗计划模块通过剂量检视对所述目标函数优化求解的结果进行评估或优选。
9.一种治疗计划生成方法，其特征在于，包括：
根据医学影像数据建立三维体素假体组织模型的步骤；
在蒙特卡罗模拟程序中定义射束参数，通过对不同照射角度取样进行模拟，并计算在取样的照射角度k下，每一体素单元i单位时间所受到的辐射剂量Dki的步骤；
建立感兴趣区域的目标函数，通过对所述目标函数进行优化求解，计算出至少两个照射角度和每个照射角度对应的照射时间的步骤，其中，所述照射角度定义为射束的照射点至所述三维体素假体组织模型的病变组织预设点的向量方向。
10.根据权利要求9所述的治疗计划生成方法，其特征在于：所述目标函数采用公式一：
其中，di为体素i的总剂量，
为体素i的处方剂量；
对于某一体素i来说，其所受总剂量di可以采用公式二进行计算：
其中，wk为不同照射角度下的照射时间，Dki为单位时间体素i在照射角度k下的剂量，di为体素i的总剂量；
体素i的处方剂量
可以采用公式三进行计算：
其中，dpN为感兴趣区域N的处方剂量，CN为该感兴趣区域的体素的数量。
11.根据权利要求10所述的治疗计划生成方法，其特征在于：采用优化算法通过公式四对所述目标函数进行优化求解：
min{F(di)} (公式四)
定义公式四的设计变量为X，其中，设计变量X由公式五表达：
X＝{w1,w2…wk} (公式五)；
根据设计变量X的最优解确定所述至少两个照射角度k及不同照射角度k对应的照射时间wk。
12.根据权利要求11所述的治疗计划生成方法，其特征在于：所述治疗计划生成方法还包括对所述目标函数的优化求解建立约束条件的步骤，所述约束条件为选定一个或多个正常器官或组织M，每个正常器官或组织M内所有体素i的总剂量di的和dM满足公式六：
g(dM)＜0 (公式六)。
13.根据权利要求9所述的治疗计划生成方法，其特征在于：所述治疗计划生成方法还包括剂量检视的步骤，通过所述剂量检视对所述目标函数优化求解的结果进行评估或优选。
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| BARQUERO R等: "Monte Carlo simulation estimates of neutron doses to critical organs of a patient undergoing 18 MV x-ray LINAC-based radiotherapy" * |
| BARQUERO R等: "Monte Carlo simulation estimates of neutron doses to critical organs of a patient undergoing 18 MV x-ray LINAC-based radiotherapy", 《MEDICAL PHYSICS》 * |
| 孙燕主编: "《临床肿瘤学高级教程》", 31 August 2014, 人民军医出版社 * |
| 王春宇: "角度变化对乳腺癌术后电子线放疗剂量分布的影响研究" * |
| 王春宇: "角度变化对乳腺癌术后电子线放疗剂量分布的影响研究", 《中国优秀博硕学位论文全文数据库（硕士）医药卫生科技辑》 * |
| 陈超敏: "三维静态调强放射治疗技术的研究" * |
| 陈超敏: "三维静态调强放射治疗技术的研究", 《中国优秀博硕学位论文全文数据库（博士）医药卫生科技辑》 * |
| 龚太乾，宋伟安 北京：科学技术文献出版社, 北京：科学技术文献出版社 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230111230A1 (en) | 2023-04-13 |
| JP2023528963A (ja) | 2023-07-06 |
| EP4166191A4 (en) | 2023-11-29 |
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| EP4166191A1 (en) | 2023-04-19 |
| WO2021249241A1 (zh) | 2021-12-16 |
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