CN113908451A - 一种质子治疗定位位置施画系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种质子治疗定位位置施画系统，包括数据系统(1)、定位模拟机(2)、治疗床(3)、纹身笔组(4)、打印机(5)、塑料桌(6)。一种质子治疗定位位置施画方法，包括如下步骤：预定位步骤、前置点施画步骤、拍摄步骤、质心计算步骤、打印步骤、定位步骤、描画步骤、预备治疗步骤。
Description
技术领域
本发明涉及质子治疗的辅助技术领域，具体为一种质子治疗定位位置施画系统及方法。
背景技术
现在疾病的放射治疗以放射线为主，即各种射线的放射治疗为主，但其实利用质子进行治疗，早在上世纪60年代就明确提出，但由于设备昂贵，占地过大，在本世纪才真正时兴起来。质子治疗是目前世界上最先进的放射治疗措施之一，它具有治疗精度高，治疗效果好，毒副作用小的特点，受到肿瘤医疗工作者和患者的欢迎。质子治疗一般指的是质子束的特定放射进行治疗，通常和某些重离子并称，与X、γ射线不同，质子是带电粒子，在质子与组织的相互作用中，主要是通过与原子核外轨道电子的碰撞损失能量。质子在行进中转移给组织的能量反比于质子运动速度的平方，在接近射程的末端能量损失最多，在组织中的百分深度剂量曲线为典型的布拉格峰型，简称SOBP区，靶区前剂量很低，靶区后剂量等于0，加之旁散射少，侧向半影小，因此，在精确治疗过程中能够给予肿瘤组织足够高的辐射剂量，而同时使周围正常组织接受较小的辐射剂量，这个布拉格区的样子通常比较像一个烧饼似的，由于这种能量特点，质子治疗中，辐射区域前方和后方，侧方的组织受的影响都很小，相比较来看，X、γ射线照射到的组织是无差别地受到同样剂量的辐射。与光子相比，质子治疗可降低正常组织受辐射量至少一半以上，可以说正是克服了射线治疗的明显缺点，对于身体状况不好、免疫力较弱的患者是重大利好。
目前质子治疗也需要定位手段，如同放疗常用的定位手段，体表画线法、真空垫法、热塑体膜法等，质子治疗也可以用这些方法进行参考中心的定位，在原理上是类似的。
但是同样采用类似的定位技术，对于质子治疗确有实际缺陷，我们实践中发现，因为质子治疗与x射线不同，实际上仅仅在爆点区域有作用，则要使爆点区域与欲治疗区域最大限度的重合，是最重要的治疗保证，但是患者需要呼吸，呼吸不可避免地使身躯向各个方向偏移，这是无法避免的，尤其是质子治疗由于能量低，通常一次治疗需要20min，让患者服药降低呼吸幅度，或者使用人工心肺，都是得不偿失的，不仅花费过高，而且副作用太大。则如何最大限度地降低呼吸运动的影响，是一个比较大的课题。
请注意，本申请所针对的问题，和放疗技术研究中很多涉及的不同画线的摆位误差分析，不是同一个问题，是完全不同的问题。在“不同体位固定技术在胸腹部肿瘤放射治疗中的应用差异”(世界最新医学信息文摘2019年第19卷第09期)中讨论了三种方法的摆位误差，热塑体膜组低于真空垫组，同时真空垫组低于体表画线组，但这种摆位误差是由于固定方法导致的，固定措施越多，摆位误差越小。但是由于x射线是所有射线所及区域都受到辐射，因此这种问题对于本申请问题无参考价值。因为x射线的特性，是整个照射的圆柱体都受辐射，即使有一些摆位误差，一般患病区域也都在照射体积之内。
一般而言，呼吸运动会产生六个方向上参考中心的偏移，但一般的质子治疗都是从前面或者后面入射的，也即多数情况下我们不用考虑Z轴方向的上下移动，也即只考虑参考中心的前后左右移动即可。
实践中我们发现，现有的体表画线法、真空垫法、热塑体膜法，不太适用于质子治疗的问题在于，最后画点或画线时只能让患者屏息以完成，但是屏息时患者停止的相对位置会不同，如果恰好是前后左右移动相对靠中心的位置，则造成的误差不大，但如果是相反的情况，比如躯体向上移动到最大限度时屏息，再画线，这时的参考中心，在实际治疗时一部分脱出爆点区域的可能性大增。这也必然影响治疗效果。对于待治疗区域大小和爆点区域相差不多的情况，这种影响尤其明显。
我们分析了现有技术，未见现有技术讨论和研究此问题，如“比较研究胸腹部恶性肿瘤患者采用不同体位固定技术治疗后的摆位误差”(世界最新医学信息文摘2019年第19卷第71期)中讨论的摆位误差，也与前面文献讨论的问题类似，和本申请要讨论的不是一个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种系统及方法，主要解决主流固定技术如体表画线应用到质子治疗中，会因为画线时个别屏息位置的不同，导致水平方向偏移过大，影响治疗效果的问题，这种方式是本申请独创，没有现有技术启示。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种质子治疗定位位置施画系统，其特征在于：包括数据系统(1)、定位模拟机(2)、治疗床(3)、纹身笔组(4)、打印机(5)、塑料桌(6)、数码相机(7)。
数据系统包括存储器(11)、计算模块(12)、图像处理模块(13)。
定位模拟机具有模拟头(21)，模拟头上具有定位LED灯(22)和参考LED灯(23)，参考LED灯分为中心灯(24)和灯圈(25)，灯圈是俯视沿圆周排列的一圈LED灯的组合，圆周的大小与所用质子机爆点区大致相同；定位LED灯具有至少一个与x轴平行的x阵列和一个与y轴平行的y阵列。
治疗床(3)上表面呈长方形且边缘无凸起，上有若干用于定位的横线和竖线。
纹身笔组包括第一纹身笔和第二纹身笔，所用颜料为暂时性纹身颜料。打印机为透明片用打印机。
塑料桌从前方看为“几”字型，上表面具有一用于固定透明片的长方体浅槽(61)，浅槽比A4纸长度宽0.5-3cm，浅槽长边内侧具有规律排布的不连续长条凹坑(62)，并配有一对长条凹坑的嵌条(63)。数码相机的数据直连或通过wifi传输至数据系统。
进一步地，纹身笔为美国MEDTEC公司生产的纹身笔，第一纹身笔的颜色为蓝色或紫色；透明片为A4纸大小的聚酯透明打印片；第二纹身笔的颜色为红色或橙色或橙红色。
一种质子治疗定位位置施画方法，其利用如前的一种质子治疗定位位置施画系统以进行，其特征在于，包括如下步骤：预定位步骤、前置点施画步骤、拍摄步骤、质心计算步骤、打印步骤、定位步骤、描画步骤、预备治疗步骤。
(1)预定位步骤：根据患者预定治疗计划，选择正面还是背面进行治疗，正面的患者选择仰卧体位，反面的患者选择俯卧体位，使患者平躺在治疗床上，利用定位LED灯对患者的体位进行摆正，拍摄射野验证片和模拟定位片；将两片传输至数据系统，利用一个或多个易辨别的骨性结构位置使两片重叠，根据预定治疗计划确认出治疗中心位置(x，y)。
(2)前置点施画步骤：使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，将中心灯对着治疗中心位置处并持续照射，使患者反复呼吸并间歇式屏息，并用第一纹身笔在每次屏息时的照射位置画点标记，重复此过程直至施画不少于20个点为止，形成前置标记点组。
(3)拍摄步骤：用照相机于照射处正上方拍摄1:1的照片，并将其传送至数据系统中。
(4)质心计算步骤：在数据系统中，对于前置标记点组，建立二维x-y坐标系，标记各点相对坐标，连接其最外侧的至少五个点，画出一不少于五条边的多边形，并使其他点均位于该多边形内侧；确认该多边形属于凹多边形还是凸多边形，选择对应公式计算其质心位置。
(5)打印步骤：形成一张和照片等比例的图片，将前置标记点组和质心位置标记清楚，质心用红色标记，将该图片打印到透明片上，透明片上的质心处穿孔，孔外径和中心灯的光束直径相同。
(6)定位步骤：将透明片固定到塑料桌上，使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，使患者屏息，微调塑料桌使前置标记点组的体表点位置与透明片上的各对应点投影位置相同，使模拟机的光束从孔中照下，用第二纹身笔标记光束位置，为实际中心。
(7)描画步骤：撤走塑料桌，使患者反复屏息，并以实际中心位置为参考，在实际中心四周根据灯圈的竖直投射位置画出爆点区参考圆周。
(8)预备治疗步骤：使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，参照实际中心和参考圆周移动质子治疗头位置，做好治疗准备。
进一步地，拍摄射野验证片和模拟定位片，是反复拍摄多片后从中选择一幅取用；易辨别的骨性结构位置包括锁骨端部，喉头，每个胸椎和脊椎中心处；预定治疗计划内容包括选择正面还是背面进行治疗，以及数据系统计算得到的爆点区中心处应对准的治疗中心位置；步骤(4)中前置标记点组计算前剔除在外侧疏离的3-5个点；前置标记点为“×”字型，实际中心为单点型、“∴”字型或“十”字型。
本申请相较现有技术，有诸多非显而易见的优点：一是，发现了相较于射线治疗，质子治疗中会有画线位置出于屏息时极端情况，导致实际治疗时一部分脱出爆点区域的可能性大增，本申请发现了质子治疗有这样的问题，并提出了解决办法，二是，对于如何解决这一问题，用本申请的前置点施画步骤、拍摄步骤、质心计算步骤、打印步骤、定位步骤、描画步骤、预备治疗步骤给出了整体解决方案，并用综合考虑呼吸运动，并考虑点组质心的情况，排除了画线位置过于偏颇的情况，使得质子治疗效果更好，更少的不相关组织减少了被照射。
附图说明
图1为呼吸导致位移示意图。
图2为主要部件示意图。
图3为治疗床示意图。
图4为塑料桌俯视示意图。
图5为主要步骤示意图。
附图标记：1、数据系统，2、定位模拟机，3、治疗床，4、纹身笔组，5、打印机，6、塑料桌，7、数码相机，11、存储器，12、计算模块,13、图像处理模块，21、模拟头，22、定位LED灯，23、参考LED灯，24、中心灯，25、灯圈，3、治疗床，61、长方体浅槽，62、长条凹坑，63、嵌条。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种质子治疗定位位置施画系统，其特征在于：包括数据系统(1)、定位模拟机(2)、治疗床(3)、纹身笔组(4)、打印机(5)、塑料桌(6)、数码相机(7)。
数据系统包括存储器(11)、计算模块(12)、图像处理模块(13)。计算模块主要处理质心计算等。图像处理模块主要处理图像的对比、定位、距离计算，定位位置确定等计算。
定位模拟机具有模拟头(21)，模拟头上具有定位LED灯(22)和参考LED灯(23)，参考LED灯分为中心灯(24)和灯圈(25)，灯圈是俯视沿圆周排列的一圈LED灯的组合，圆周的大小与所用质子机爆点区大致相同，如果爆点区不是圆形，或者不是严格的圆形，则选择一个和其最相近的圆周。例如取一个与该sobp区外缘接近，且面积在sobp区面积的±5％以内的圆形；定位LED灯具有至少一个与x轴平行的x阵列和一个与y轴平行的y阵列。这两个阵列可以单独平移和旋转，便于进行基础定位操作。例如纵向的负责和患者人体中线定位重合，横向的定位于某腰椎或颈椎横向水平线处。LED例如是和厂家定制的LED光束灯，自带聚光手段使光束呈较窄的柱状射出。
治疗床(3)上表面呈长方形且边缘无凸起，上有若干用于定位的横线和竖线。治疗床上可定期更换耐擦膜，用于保护床体。定位的横线和竖线可以是画在耐擦膜上的。
纹身笔组包括第一纹身笔和第二纹身笔，所用颜料为暂时性纹身颜料。打印机为透明片用打印机。透明片为市售产品，例如是A3、A4或B5大小。
塑料桌从前方看为“几”字型，上表面具有一用于固定透明片的长方体浅槽(61)，浅槽的深度例如是0.8-2cm，浅槽比A4纸长度宽0.5-3cm，浅槽长边内侧具有规律排布的不连续长条凹坑(62)，并配有一对长条凹坑的嵌条(63)，嵌条上外侧具有同时插入两个凹坑的双凸缘，用于固定，将透明片固定在浅槽内，且保持水平，便于定位。数码相机的数据直连或通过wifi传输至数据系统。这样塑料桌的两边跨过治疗床而落地，这样不仅使透明片保持水平，还便于调节位置，能够适应定位位置在靠左或靠右等多种情况。
进一步地，纹身笔为美国MEDTEC公司生产的纹身笔，第一纹身笔的颜色为蓝色或紫色；透明片为A4纸大小的聚酯透明打印片；第二纹身笔的颜色为红色或橙色或橙红色。颜色可以替换其他颜色，满足在体表显眼，且两种笔颜色显著不同即可。纹身笔也可以是其他厂商的笔，颜色一般为了区别起来，均选择与肤色差异较大的笔，对不同肤色的人体，选择可以不同。
实施例2
一种质子治疗定位位置施画方法，其利用如前的一种质子治疗定位位置施画系统以进行，其特征在于，包括如下步骤：预定位步骤、前置点施画步骤、拍摄步骤、质心计算步骤、打印步骤、定位步骤、描画步骤、预备治疗步骤。
(1)预定位步骤：根据患者预定治疗计划，选择正面还是背面进行治疗，正面的患者选择仰卧体位，反面的患者选择俯卧体位，使患者平躺在治疗床上，利用定位LED灯对患者的体位进行摆正，拍摄射野验证片和模拟定位片；将两片传输至数据系统，利用一个或多个易辨别的骨性结构位置使两片重叠，根据预定治疗计划确认出治疗中心位置(x，y)。这里的坐标的0点可以选择多个位置，例如是选择床上方中心处(与患者头顶重合)，或者选择床下方中心处(可以与患者两脚中间重合)，或者床中心处(引用时使其与患者第X个腰椎中心处重合)。
(2)前置点施画步骤：使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，将中心灯对着治疗中心位置处并持续照射，使患者反复呼吸并间歇式屏息，并用第一纹身笔在每次屏息时的照射位置画点标记，重复此过程直至施画不少于20个点为止，形成前置标记点组。因为患者呼吸幅度的不同，个体的不同，位置的不同，这里的20个以上的点的离散程度有所不同，例如在肺部，则离散程度较大，在下腹部或者靠近肩部的位置，离散程度较小。这里的点具体可以选择25个点，或者30个点。
(3)拍摄步骤：用照相机于照射处正上方拍摄1:1的照片，并将其传送至数据系统中。1:1的照片便于位置的对照计算。
(4)质心计算步骤：在数据系统中，对于前置标记点组，建立二维x-y坐标系，标记各点相对坐标，连接其最外侧的至少五个点，画出一不少于五条边的多边形，并使其他点均位于该多边形内侧；确认该多边形属于凹多边形还是凸多边形，选择对应公式计算其质心位置。对于凸多边形的情况，考虑最常见的四边形情况，计算方法为：设每个顶点质量为m，然后把其中3个点归为系统1，另外一点归为系统2，系统1和系统2的质量和质心已知，根据杠杆平衡原理，可求得四边形质心为x＝(x1+x2+x3+x4)/4、y＝(y1+y2+y3+y4)/4，同理，N的顶点的可以x＝(x1+x2+x3+x4+…+xn)/n、y＝(y1+y2+y3+y4+…+yn)/n求解。
(5)打印步骤：形成一张和照片等比例的图片，将前置标记点组和质心位置标记清楚，质心用红色标记，将该图片打印到透明片上，透明片上的质心处穿孔，孔外径和中心灯的光束直径相同。为了定位时便于观察对准，该孔内侧可以用彩笔涂色，便于定位对准。
(6)定位步骤：将透明片固定到塑料桌上，使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，使患者屏息，微调塑料桌使前置标记点组的体表点位置与透明片上的各对应点投影位置相同，使模拟机的光束从孔中照下，用第二纹身笔标记光束位置，为实际中心。这里为了避免屏息的位置过于偏导致的问题，可以反复观察患者呼吸移动位置，确保屏息位置在中心处。或者接近中心处。
(7)描画步骤：撤走塑料桌，使患者反复屏息，并以实际中心位置为参考，在实际中心四周根据灯圈的竖直投射位置画出爆点区参考圆周。
(8)预备治疗步骤：使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，参照实际中心和参考圆周移动质子治疗头位置，做好治疗准备。这里必然已经使质子机进入治疗状态。这里为了避免屏息的位置过于偏导致的问题，可以反复观察患者呼吸移动位置，确保屏息位置在中心处。或者接近中心处。这样操作结合本申请方法，可以确保即使考虑了呼吸运动的情况，质子机的sobp区也尽量地位于想要治疗区域的中心。或者能够尽量多地与欲治疗区域重合。如果不考虑呼吸运动的影响，而仅仅进行一次划线后治疗，很有可能会产生很大的偏差。
进一步地，拍摄射野验证片和模拟定位片，是反复拍摄多片后从中选择一幅取用；易辨别的骨性结构位置包括锁骨端部，喉头，每个胸椎和脊椎中心处；预定治疗计划内容包括选择正面还是背面进行治疗，以及数据系统计算得到的爆点区中心处应对准的治疗中心位置；步骤(4)中前置标记点组计算前剔除在外侧疏离的3个点；前置标记点为“×”字型，实际中心为“∴”字型。
实施例3
对于步骤(4)凹多边形的情况，情况要复杂，因为凹多边形，相同的顶点分布，可能组成不同的多边形，而质心可以相差较大。这里一般可以将凹多边形分成N个三角形，每个三角形单独求质心Pi，然后根据n个点的系统的质心求法，求凹多边形的质心，公式不再赘述。
进一步地，步骤(4)中前置标记点组计算前剔除在外侧疏离的5个点；前置标记点为“×”字型，实际中心为“十”字型。其他与实施例2相同。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种质子治疗定位位置施画系统，其特征在于：
包括数据系统(1)、定位模拟机(2)、治疗床(3)、纹身笔组(4)、打印机(5)、塑料桌(6)、数码相机(7)；
数据系统包括存储器(11)、计算模块(12)、图像处理模块(13)；
定位模拟机具有模拟头(21)，模拟头上具有定位LED灯(22)和参考LED灯(23)，参考LED灯分为中心灯(24)和灯圈(25)，灯圈是俯视沿圆周排列的一圈LED灯的组合，圆周的大小与所用质子机爆点区大致相同；定位LED灯具有至少一个与x轴平行的x阵列和一个与y轴平行的y阵列；
治疗床(3)上表面呈长方形且边缘无凸起，上有若干用于定位的横线和竖线；
纹身笔组包括第一纹身笔和第二纹身笔，所用颜料为暂时性纹身颜料；
打印机为透明片用打印机；
塑料桌从前方看为“几”字型，上表面具有一用于固定透明片的长方体浅槽(61)，浅槽比A4纸长度宽0.5-3cm，浅槽长边内侧具有规律排布的不连续长条凹坑(62)，并配有一对长条凹坑的嵌条(63)；
数码相机的数据直连或通过wifi传输至数据系统。
2.如权利要求1所述的一种质子治疗定位位置施画系统，其特征在于：
纹身笔为美国MEDTEC公司生产的纹身笔，第一纹身笔的颜色为蓝色或紫色；透明片为A4纸大小的聚酯透明打印片；
第二纹身笔的颜色为红色或橙色或橙红色。
3.一种质子治疗定位位置施画方法，其利用如权利要求2所述的一种质子治疗定位位置施画系统以进行，其特征在于，包括如下步骤：
(1)预定位步骤：根据患者预定治疗计划，选择正面还是背面进行治疗，正面的患者选择仰卧体位，反面的患者选择俯卧体位，使患者平躺在治疗床上，利用定位LED灯对患者的体位进行摆正，拍摄射野验证片和模拟定位片；将两片传输至数据系统，利用一个或多个易辨别的骨性结构位置使两片重叠，根据预定治疗计划确认出治疗中心位置(x，y)；
(2)前置点施画步骤：使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，将中心灯对着治疗中心位置处并持续照射，使患者反复呼吸并间歇式屏息，并用第一纹身笔在每次屏息时的照射位置画点标记，重复此过程直至施画不少于20个点为止，形成前置标记点组；
(3)拍摄步骤：用照相机于照射处正上方拍摄1:1的照片，并将其传送至数据系统中；
(4)质心计算步骤：在数据系统中，对于前置标记点组，建立二维x-y坐标系，标记各点相对坐标，连接其最外侧的至少五个点，画出一不少于五条边的多边形，并使其他点均位于该多边形内侧；确认该多边形属于凹多边形还是凸多边形，选择对应公式计算其质心位置；
(5)打印步骤：形成一张和照片等比例的图片，将前置标记点组和质心位置标记清楚，质心用红色标记，将该图片打印到透明片上，透明片上的质心处穿孔，孔外径和中心灯的光束直径相同；
(6)定位步骤：将透明片固定到塑料桌上，使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，使患者屏息，微调塑料桌使前置标记点组的体表点位置与透明片上的各对应点投影位置相同，使模拟机的光束从孔中照下，用第二纹身笔标记光束位置，为实际中心；
(7)描画步骤：撤走塑料桌，使患者反复屏息，并以实际中心位置为参考，在实际中心四周根据灯圈的竖直投射位置画出爆点区参考圆周；
(8)预备治疗步骤：使患者如步骤(1)同样的方式摆正体位，参照实际中心和参考圆周移动质子治疗头位置，做好治疗准备。
4.一种如权利要求3的质子治疗定位位置施画方法，其特征在于：
拍摄射野验证片和模拟定位片，是反复拍摄多片后从中选择一幅取用；
易辨别的骨性结构位置包括锁骨端部，喉头，每个胸椎和脊椎中心处；
预定治疗计划内容包括选择正面还是背面进行治疗，以及数据系统计算得到的爆点区中心处应对准的治疗中心位置；
步骤(4)中前置标记点组计算前剔除在外侧疏离的3-5个点；
前置标记点为“×”字型，实际中心为单点型、“∴”字型或“十”字型。
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- 2021-10-15 CN CN202111203525.1A patent/CN113908451A/zh active Pending
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