CN117653937B - 一种分离放疗中剂量学效应的方法、系统和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于放疗技术领域，具体涉及一种分离放疗中剂量学效应的方法、系统和存储介质。本发明方法的步骤包括：重建仅含剂量模糊效应和含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划；对各运动时相CT图像与参考时相CT图像进行形变配准获得各自的空间形变位移矢量场；利用形变矢量场将各运动时相放疗子计划的剂量空间映射至参考时相完成剂量叠加；采用三维空间剂量差分的方式分离出剂量模糊效应和相互作用效应。本发明首次实现了分离心脏立体定向放射治疗中由心肺运动导致的剂量模糊效应和相互作用效应，亦可用于揭示两种效应在不同的放疗技术中单独导致的剂量偏差，同时可以为临床上选择合适的运动管理手段提高放射治疗的精准性提供可靠的依据。
Description
技术领域
本发明属于放疗技术领域，具体涉及一种分离放疗中剂量学效应的方法、系统和存储介质。
背景技术
心血管疾病是全球最主要的死亡原因之一，心律失常作为心血管疾病的常见类型，其治疗方法多样但各有局限。目前，抗心律失常药物治疗的整体效果较低且长期复发率高；植入心脏自动复律除颤器（ICD）治疗不适用于室上性心律失常，且多次ICD电击可能导致患者产生严重焦虑和创伤后应激障碍；而导管射频消融治疗则通常需要在患者深度镇静或全身麻醉状态下进行，需考虑患者耐受性。
近年来，心脏立体定向放射治疗（Cardiac stereotactic body radiotherapy，CSBRT）作为一种新兴的难治性心律失常治疗选项，克服了上述治疗方式的限制，展现出无创、治疗时间短、能同时治疗多个靶点等优点。然而，CSBRT在治疗过程中也面临着心脏搏动和呼吸运动共同引起的心肺运动问题。这一问题可能导致CSBRT治疗计划剂量与实际治疗时肿瘤及周围危及器官的剂量之间出现显著偏差。由此引起的后果包括肿瘤受照剂量不足或周围危及器官过量照射，可能最终导致肿瘤局部控制率下降或严重的放疗毒副作用。据文献报道，因人体呼吸引起的肺部肿瘤运动和形变会带来计算剂量和实际治疗剂量之间的剂量偏差，这种剂量偏差主要受到剂量模糊效应和相互作用效应这两个方面的影响，从而导致靶区出现剂量冷点以及周围危及器官出现剂量热点。
剂量模糊效应主要会引起靶区边缘的剂量跌落区的梯度出现明显下降，导致靶区边缘剂量不足的同时，增加周围正常组织的剂量，同时还会引起靶区内的剂量出现一定程度的平均效应。而相互作用效应是指：在调强放射治疗技术中（例如容积旋转调强放射治疗（VMAT）），胸腹部肿瘤的运动与动态变化的照射野相互作用，可能导致实际放射剂量分布与预定计划剂量分布存在偏差。相互作用效应引起的动态调强放射治疗的剂量变化可能会受到加速器的机械和剂量学参数以及患者体征的影响，例如射野面积、照射剂量率大小、肿瘤和危及器官的运动幅度，以及患者的呼吸频率和呼吸周期等。
心律失常CSBRT治疗通常采用单分次25 Gy大剂量照射、结合非均整过滤器（flattening filter-free，FFF）高剂量率模式和VMAT技术，加速器执行放疗计划的出束时间短，照射野在放疗过程中始终保持动态变化，相互作用效应将会产生更为明显的剂量学影响。根据文献报告，使用FFF高剂量率模式下的VMAT技术进行肝癌的单分次立体定向放射治疗，相比于常规剂量率模式，相互作用效应对剂量分布的影响更为显著，可能导致肿瘤靶区内的剂量偏差高达7%。
心律失常CSBRT治疗的照射靶区邻近左心房、右心房、左心室、右心室、左心室壁、主动脉、肺动脉、食管、双肺、脊髓等多个危及器官，同时心脏搏动和呼吸引起的心肺运动更为复杂，然而目前还没有关于心肺运动对CSBRT剂量学影响的相关研究报道，心肺运动导致的剂量模糊效应和相互作用效应对剂量学的影响也尚不清楚。
综上所述，尽管心脏立体定向放射治疗（CSBRT）是治疗难治性心律失常的一种新兴且有潜力的方法，但心脏搏动和呼吸运动带来的心肺运动可能导致显著的剂量偏差，难以确保心律失常基底靶区剂量精度并保护周围危及器官的剂量安全。心肺运动对于CSBRT的剂量学影响以及相应运动管理技术的对这种影响的控制效果尚不明确，这可能是导致不同医疗机构开展的心律失常CSBRT临床试验中疗效和并发症差异的原因之一。因此，分离和理解CSBRT中由心肺运动引起的剂量模糊效应和相互作用效应对于精确评估其剂量学影响至关重要，这不仅有助于理解心肺运动对治疗效果的影响，也对制定有效的心肺运动控制策略和剂量误差补偿策略提供了重要指导。然而，现有技术中还缺乏从放疗计划中分离和评估剂量模糊效应和相互作用效应的相关方法。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明提供一种分离放疗中剂量学效应的方法、系统和存储介质。
一种分离放疗中剂量学效应的方法，包括如下步骤：
步骤1，依据原始放疗计划生成仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划和/或含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划；
步骤2，对步骤1得到的放疗子计划，在关联运动时相的CT图像上进行剂量计算；
步骤3，对步骤2得到的放疗子计划的剂量，形变到相应的参考时相图像上，进行叠加，得到仅含剂量模糊效应的叠加剂量和/或含总剂量效应的叠加剂量；
步骤4，使用空间剂量差分的方式，分别得到剂量模糊效应和/或相互作用效应导致的空间剂量偏差，具体如下：
对仅含剂量模糊效应的叠加剂量与原始放疗计划的空间剂量进行差分，得到的剂量分布即为分离出的剂量模糊效应导致的空间剂量偏差；
对含总剂量效应的叠加剂量与仅含剂量模糊效应的叠加剂量进行差分，差分得到的剂量分布即为分离出来的相互作用效应导致的空间剂量偏差。
优选的，步骤1中，所述仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划的生成方式是：将原始放疗计划直接关联至各运动时相CT图像上，计划参数设置保持不变。
优选的，步骤1中，所述含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划的生成方式是：
执行原始放疗计划，生成日志文件；
从所述日志文件中提取和时间相关的放疗计划执行信息；
按时间顺序对原始放疗计划的DICOM-RP计划文件进行重新排列，将依据原始放疗计划执行信息划分出来的归属于各运动时相的控制点进行分组、排序并归属至对应的运动时相中，创建每个运动时相对应的放疗子计划并关联至相应运动时相的CT图像上。
优选的，患者运动周期为T秒，运动时相划分为n个，每个运动时相持续时间为T/n秒，医用直线加速器首次出束时处于运动周期的0%时相。
优选的，步骤1中，所述原始放疗计划为基于Eclipse治疗计划系统分别在心脏运动四维CT参考时相图像和呼吸运动四维CT平均密度投影图像上使用容积旋转调强放射治疗技术设计的心脏立体定向放射治疗计划。
优选的，步骤2中，所述剂量计算使用预设的计划参数在Eclipse治疗计划系统中进行。
优选的，步骤3具体包括对仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划和/或含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划的剂量计算结果分别执行如下步骤：
步骤3.1，使用形变配准算法对各运动时相图像与参考时相图像之间进行配准生成各自的空间形变位移矢量场；
步骤3.2，使用空间形变位移矢量场将所有放疗子计划的剂量一一形变到相应的参考时相图像上；
步骤3.3，形变至参考时相图像上的各运动时相放疗子计划剂量按3D剂量矩阵相加的方式进行剂量叠加，得到仅含剂量模糊效应的叠加剂量和/或含总剂量效应的叠加剂量。
优选的，步骤3.1中，配准的过程采用参考时相图像作为配准的固定图像，除参考时相外的各运动时相图像作为配准的浮动图像。
本发明还提供一种分离放疗中剂量学效应的系统，包括：
输入模块，用于输入数据，输入的数据包括原始放疗计划和计划实施的日志文件；
计算模块，用于执行上述分离放疗中剂量学效应的方法；
输出模块，用于输出所述计算模块的结果。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有：用于实现上述分离放疗中剂量学效应的方法，或用于实现上述分离放疗中剂量学效应的系统的计算机程序。
本发明通过重建各运动时相的放疗子计划的方式，很好地将治疗过程中不同时间点心肺运动影响下的实际放疗剂量对应至不同运动时相的放疗子计划中，并通过剂量差分进一步实现了剂量模糊效应和相互作用效应分别导致的剂量学影响的分离。验证表明，重建的子计划的平均剂量误差在0.14%以内，这保证了放疗子计划重建精度以及最终剂量学效应分离结果的准确性。本发明通过分离心肺运动导致的放疗剂量的模糊效应和相互作用效应，实现了如下有益的技术效果：本发明首次实现了分别揭示心肺运动影响下剂量模糊效应和相互作用效应单独导致的剂量偏差，可用于分离不同的放疗技术下的包括心肺运动在内的各种生理运动导致的不同剂量学效应，同时可以为临床上采取合适的运动管理技术来提高放射治疗的精准性提供可靠的依据。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例1的流程示意图；
图2为实验例1中其中一个患者样本的心脏搏动引起的（a）剂量模糊效应和（b）相互作用效应，以及呼吸运动引起的（c）剂量模糊效应和（d）相互作用效应。图中实线为肿瘤靶区，虚线框内为剂量冷点，其余为剂量热点。
具体实施方式
需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。
以下实施例中，仅含剂量模糊效应放疗子计划的重建基于Eclipse治疗计划系统（Varian Medical Systems, Palo Alto, CA）完成，含总剂量效应的放疗子计划重建和所有放疗子计划的剂量叠加均基于Python(版本 3.9)语言开发的内部程序完成。原始放疗计划执行并获取日志文件基于瓦里安公司装有HD120型多叶准直器的Varian EDGE加速器系统（Varian Medical Systems, Palo Alto, CA）完成。所有的放疗子计划剂量计算均由Eclipse治疗计划系统计算并导出。形变配准重建空间位移矢量场和剂量的形变均采用开源软件Elastix(Version5.0.1，Utrecht, The Netherlands)中基于B样条的非刚性配准算法完成。通过剂量差分来分离模糊效应和相互作用效应由3DVH软件 (Sun Nuclear Corp,Melbourne, FL)完成。
实施例1分离放疗中剂量学效应的方法
本发明方法如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，依据原始放疗计划生成仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划和/或含总剂量效应（剂量模糊效应和相互作用效应）的各运动时相的放疗子计划。所述原始放疗计划为基于Eclipse治疗计划系统分别在心脏运动四维CT参考时相图像和呼吸运动四维CT平均密度投影图像上使用容积旋转调强放射治疗技术（Volumetric Modulated ArcTherapy，VMAT）设计的心脏立体定向放射治疗（Cardiac stereotactic bodyradiotherapy，CSBRT）计划。
其中，所述仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划的生成方式是：将原始放疗计划直接关联至各运动时相CT图像上，计划参数设置保持不变。原始放疗计划中的参数设置包括加速器型号、放疗技术、固定野/弧个数、固定野角度/弧旋转角度、子野个数、子野形状、子野跳数（Monitor Unit，MU）、总MU等。子野形状包含多叶准直器（Multi-leafCollimator, MLC）位置信息；所述MU值信息包含MU权重。
所述含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划的生成方式是：
执行原始放疗计划，生成日志文件；
从所述日志文件中提取和时间相关的放疗计划执行信息；
按时间顺序对原始放疗计划的DICOM-RP计划文件进行重新排列，将依据原始放疗计划执行信息划分出来的归属于各运动时相的控制点进行分组、排序并归属至对应的运动时相中，创建每个运动时相对应的放疗子计划并关联至相应运动时相的CT图像上。
所述DICOM-RP计划文件为从Eclipse计划系统中导出的VMAT计划文件。对原始放疗计划的DICOM-RP计划文件进行重新排列过程，因患者运动周期呈现个体化且复杂的特点，为了处理的一致性和便捷性，设定如下：运动周期设定为固定值4秒，运动时相划分为自0%时相至90%时相共10个，每个运动时相持续时间为0.4秒，医用直线加速器首次出束时处于运动周期的0%时相。
所述放疗计划执行信息包括控制点个数和顺序、每个控制点持续时间、相邻控制点之间的间隔时间、每个控制点的MU、每个控制点对应的MLC位置信息。其中，MLC位置信息以MLC叶片坐标表示。MU权重以该控制点MU值占计划总MU值的权重表示。
步骤2，对步骤1得到的放疗子计划，在关联运动时相的CT图像上进行剂量计算。剂量计算使用预设的计划参数在Eclipse治疗计划系统（Treatment Planning System, TPS）中进行。
步骤3，对步骤2得到的两种放疗子计划的剂量，形变到相应的参考时相图像上，按3D剂量矩阵相加的方式进行剂量叠加，得到仅含剂量模糊效应的叠加剂量和/或含总剂量效应的叠加剂量；
具体的，本步骤包括对仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划和/或含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划的剂量计算结果分别执行如下步骤：
步骤3.1，使用形变配准算法对各运动时相图像与参考时相图像之间进行配准生成各自的空间形变位移矢量场。配准的过程采用参考时相图像作为配准的固定图像，除参考时相外的各运动时相图像作为配准的浮动图像。参与配准的运动时相图像和参考时相图像均为反应心肺运动的四维CT图像，心肺运动则包括心脏搏动和呼吸运动。
具体的，配准得到三维空间形变位移矢量场的过程为对相同空间Z轴坐标位置的切片进行一一配准，得到二维形变位移矢量场后，再将二维形变位移矢量场按Z轴坐标关系排列并压缩储存成三维空间形变位移矢量场。
步骤3.2，使用空间形变位移矢量场将所有放疗子计划的剂量一一形变到相应的参考时相图像上；
步骤3.3，形变至参考时相图像上的各运动时相放疗子计划剂量按3D剂量矩阵相加的方式进行剂量叠加，得到仅含剂量模糊效应的叠加剂量Db10和/或含总剂量效应的叠加剂量Dtotal。对于仅含剂量模糊效应的叠加剂量，由于仅含剂量模糊效应的放疗子计划在重建过程中未拆分控制点，而是以与原始放疗计划相同的MU值进行重新计算得到，因此，此步骤得到的10个仅含剂量模糊效应放疗子计划的叠加剂量Db10为原始CSBRT计划剂量的10倍。后续的剂量分离是在原始CSBRT计划剂量水平进行，因此最终仅含剂量模糊效应的叠加剂量Dblurring为Db10除以系数10,即Dblurring= Db10/10。
步骤4，使用空间剂量差分的方式，分别得到剂量模糊效应和/或相互作用效应导致的空间剂量偏差；
其中，
原始放疗计划的剂量代表静态无运动状态下的剂量分布；
对仅含剂量模糊效应的叠加剂量Dblurring与原始放疗计划的剂量进行差分，得到的剂量分布即为分离出的剂量模糊效应导致的空间剂量偏差；
对含总剂量效应的叠加剂量Dtotal与仅含剂量模糊效应的叠加剂量Dblurring进行差分，得到的剂量分布即为分离出来的相互作用效应导致的空间剂量偏差。
实施例2 分离放疗中剂量学效应的系统
本实施例提供用于实现实施例1所述分离放疗中剂量学效应的系统，包括：
输入模块，用于输入数据，输入的数据包括原始放疗计划和计划实施的日志文件；
计算模块，用于执行实施例1的分离放疗中剂量学效应的方法；
输出模块，用于输出所述计算模块的结果。
下面通过实验对本发明的技术方案做进一步说明：
实验例1 分离剂量模糊效应和相互作用效应结果展示
1、实验方法
（1）重建含总剂量效应的放疗子计划的剂量准确性
本实验例采用实施例1的方法，重建各运动时相含总剂量效应的放疗子计划。为验证内部开发程序重建含总剂量效应的放疗子计划的精度，对内部程序重建的各运动时相放疗子计划关联至原始放疗计划的CT图像上，并分别按计划文件预设参数计算剂量得到未经空间矢量场形变的叠加剂量，将此叠加剂量和原始放疗计划剂量进行对比，比较对象包括两种计划的靶区以及各心脏亚结构等危及器官的最小剂量、平均剂量和最大剂量。
（2）实施例1分离剂量模糊效应和相互作用效应：
随机取一例患者按照实施例1的方法进行心肺运动（心脏搏动和呼吸运动）导致的剂量模糊效应和相互作用效应的分离，并将分离结果以剂量差分的方式展示。
2、实验结果
内部程序重建的放疗子计划得到的未经形变的叠加剂量和原始放疗计划剂量的对比结果如表1所示，对比结果包括了原始放疗计划剂量和叠加剂量的靶区和各危及器官的最小剂量、平均剂量以及最大剂量的平均偏差。从表1可知，生成的未经形变的子计划叠加剂量与原计划剂量之间的平均剂量差异的精度在0.16%以内，因此验证了内部开发程序重建含总剂量效应的放疗子计划的剂量准确性。
表1原始放疗计划剂量与叠加剂量的靶区和各危及器官剂量学指标统计
注：相对剂量差异（%）=（（叠加剂量-原始放疗计划剂量）/原始放疗计划剂量）*100
心脏搏动和呼吸运动分别导致的剂量模糊效应和相互作用效应如图2所示。从图2的实验结果可以看出，按照实施例1的方法成功分离了心肺运动（心脏搏动和呼吸运动）带来的剂量模糊效应和相互作用效应。
综上，本发明提供了一种基于4D剂量重建的分离由心肺运动导致的放疗中剂量模糊效应和相互作用效应的方法，该方法可用于分离不同放疗技术中包括心肺运动在内的各种生理运动导致的放疗剂量模糊效应和相互作用效应。本发明通过重建各运动时相放疗子计划以及剂量叠加和差分实现分离放疗中的剂量模糊效应和相互作用效应，并且子计划重建过程中的准确度高，平均剂量误差在0.16%以内。通过分离放疗中患者心肺运动导致的剂量模糊效应和相互作用效应，能分别揭示两者在不同的放疗技术中单独导致的剂量偏差，同时为临床上采取合适的运动管理手段去提高放射治疗的精准性提供可靠的依据。因此，本发明具有很好的应用前景。
Claims (8)
1.一种分离放疗中剂量学效应的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，依据原始放疗计划生成仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划和含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划；
所述仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划的生成方式是：将原始放疗计划直接关联至各运动时相CT图像上，计划参数设置保持不变；
所述含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划的生成方式是：
执行原始放疗计划，生成日志文件；
从所述日志文件中提取和时间相关的放疗计划执行信息；
按时间顺序对原始放疗计划的DICOM-RP计划文件进行重新排列，将依据原始放疗计划执行信息划分出来的归属于各运动时相的控制点进行分组、排序并归属至对应的运动时相中，创建每个运动时相对应的放疗子计划并关联至相应运动时相的CT图像上；
步骤2，对步骤1得到的放疗子计划，在关联运动时相的CT图像上进行剂量计算；
步骤3，对步骤2得到的放疗子计划的剂量，形变到相应的参考时相图像上，进行叠加，得到仅含剂量模糊效应的叠加剂量和含总剂量效应的叠加剂量；
步骤4，使用空间剂量差分的方式，分别得到剂量模糊效应和/或相互作用效应导致的空间剂量偏差，具体如下：
对仅含剂量模糊效应的叠加剂量与原始放疗计划的空间剂量进行差分，得到的剂量分布即为分离出的剂量模糊效应导致的空间剂量偏差；
对含总剂量效应的叠加剂量与仅含剂量模糊效应的叠加剂量进行差分，得到的剂量分布即为分离出来的相互作用效应导致的空间剂量偏差。
2.按照权利要求1所述的分离放疗中剂量学效应的方法，其特征在于，患者运动周期为T秒，运动时相划分为n个，每个运动时相持续时间为T/n秒，医用直线加速器首次出束时处于运动周期的0％时相。
3.按照权利要求1所述的分离放疗中剂量学效应的方法，其特征在于：步骤1中，所述原始放疗计划为基于Eclipse治疗计划系统分别在心脏运动四维CT参考时相图像和呼吸运动四维CT平均密度投影图像上使用容积旋转调强放射治疗技术设计的心脏立体定向放射治疗计划。
4.按照权利要求1所述的分离放疗中剂量学效应的方法，其特征在于，步骤2中，所述剂量计算使用预设的计划参数在Eclipse治疗计划系统中进行。
5.按照权利要求1所述的分离放疗中剂量学效应的方法，其特征在于，步骤3具体包括对仅含剂量模糊效应的各运动时相的放疗子计划和含总剂量效应的各运动时相的放疗子计划的剂量计算结果分别执行如下步骤：
步骤3.1，使用形变配准算法对各运动时相图像与参考时相图像之间进行配准生成各自的空间形变位移矢量场；
步骤3.2，使用空间形变位移矢量场将所有放疗子计划的剂量一一形变到相应的参考时相图像上；
步骤3.3，形变至参考时相图像上的各运动时相放疗子计划剂量按3D剂量矩阵相加的方式进行剂量叠加，得到仅含剂量模糊效应的叠加剂量和/或含总剂量效应的叠加剂量。
6.按照权利要求5所述的分离放疗中剂量学效应的方法，其特征在于：步骤3.1中，配准的过程采用参考时相图像作为配准的固定图像，除参考时相外的各运动时相图像作为配准的浮动图像。
7.一种分离放疗中剂量学效应的系统，其特征在于，包括：
输入模块，用于输入数据，输入的数据包括原始放疗计划和计划实施的日志文件；
计算模块，用于执行权利要求1-6任一项所述分离放疗中剂量学效应的方法；
输出模块，用于输出所述计算模块的结果。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有：用于实现权利要求1-6任一项所述分离放疗中剂量学效应的方法，或用于实现权利要求7所述分离放疗中剂量学效应的系统的计算机程序。
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