CN1504246A

CN1504246A - 运用切片法制作三维调强器实现调强放射治疗

Info

Publication number: CN1504246A
Application number: CNA021520763A
Authority: CN
Inventors: 陈超敏; 周凌宏; 吕庆文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-16

Abstract

本发明涉及一种三维调强器(又称三维熔铅挡块、三维物理补偿器)的制作方法，适用于放射治疗领域中X线(直线加速器)、γ线和电子线的调强放射治疗中射线的强度调制技术。本发明在已掌握地适形放射治疗技术以及对计算机各类优化算法的深刻理解的基础上，独创地提出“立体一平面一立体”地思想，创新地运用切片技术实现了将复杂的三维剂量模型转变成可以制作的多个二维平面模型，再将多个二维模型叠加，通过(1)利用已有低熔点铅挡块制作设备(熔铅法)，(2)利用小型数控铣床和标准铅板，(3)利用等离子切割技术和标准铅板制作出经济实用，性能可靠的三维调强器从而实现调强放射治疗，该系统适合各类直线加速器，且操作简单，由此将创造出可观的巨大经济和社会效益。

Description

运用切片法制作三维调强器实现调强放射治疗

技术领域

本发明涉及一种三维调强器(又称三维熔铅挡块、三维物理补偿器、)的制作方法，适用于放射治疗领域中X线(直线加速器)、γ线和电子线的调强放射治疗中射线的强度调制技术。

背景技术

调强放射治疗(IMRT-Intensity Modulation Radiotherapy)是在适形放射治疗(3D CRT-three Dimension Conformal Radiotherapy)基础上新近发展起来的一种先进的体外三维立体照射技术，它不仅能使高剂量区的形状在三维方向上与肿瘤的形状一致，而且可对照射野范围内各点输出剂量率按要求的方式调整，优化配置射野内各线束的权重，从而可以较大幅度的增加肿瘤剂量和减少正常组织的受量，极大地提高肿瘤控制率和降低正常组织并发症的发生率。此外，IMRT还可以在一个计划里同时实现大野照射及小野的追加剂量照射，使得在同一次照射中正常组织受照剂量较低而不同靶区可以获得相应所需要的剂量，由此具有重要的放射生物学意义。已成为21世纪的放射治疗的主流方向，被誉为是放射肿瘤学历史上的一次变革。

国外已有数家公司正在开发和研制各种IMRT系统，目前进入临床的有美国NOMOS公司的Peacock系统和Scanditronix MM50回旋加速器。前者采用断层治疗(Tomotherapy)技术，利用动态多叶准直器(Dynamic multileaf intensity modulating collimator简称MIMiC)的旋转照射和加速器治疗床的步进运动的同步结合，实现靶区的横截面剂量可调的逐步扫描。其自动化程度高，使用方便。缺点是治疗时间长，必须克服器官运动的负面影响；同时由于床步进运动的误差，可能造成薄层相邻区受到超剂量或欠剂量照射。且其准直器加工精度高，价格昂贵(约30万美元)，且叶片间漏射不能忽略，叶片射野半径大。后者采用窄束扫描(Scanning Beam)技术，利用计算机控制电磁扫描电流的大小，产生方向大小各异的电子或X射线，形成所要求的剂量强度分布，它具有射线利用率高，治疗时间短的优点，但其价格昂贵(约800万美元)，至今全世界仅约十家放疗中心应用。

对于应用Scanditronix MM50回旋加速器实现IMRT，显然与我国各级医院的经济实力不符，而应用NOMOS公司的Peacock系统，其对直线加速器的自动控制和治疗床的高精度要求，使目前我国现有的国产直线加速器和旧型进口加速器都不能达到，此外其价格也难以为中小医院所接受。一方面是临床上广泛的迫切需要和必然趋势，一方面是难以改变的价格以及硬件条件的瓶颈限制，IMRT技术还难以广泛进入我国的临床放射治疗，数以万计的肿瘤患者得不到最佳的治疗。

为此，研究和开发能够为广大医院接受的新型IMRT系统已成为国内外研究的热点。中国医学科学院协和医科大学戴建荣、胡逸民等“利用独立准直器开展调强放射治疗”发明申请号：97116545.9也在研究之中，离临床应用尚有距离，其与本发明目标一致——实现调强放射治疗，但方法与原理截然不同。广东深圳市一体智能公司公告研制出“利用动态多叶光栅实现调强放射治疗”，与国外产品类似，与本发明在原理和方法也是不同。

本发明在已掌握地适形放射治疗技术以及对计算机各类优化算法的深刻理解的基础上，利用已经掌握的靶区(病变)及周围重要器官的三维空间重建与定位技术和体位精确重复定位技术，将自主开发研制的适形放射治疗计划系统加以升级，不仅采用较为精确的正向剂量算法，还通过优化的迭代的逆向算法，求出治疗调强射野的强度分布。独创地提出“立体一平面—立体”地思想，创新地运用CAD切片技术实现了将复杂的三维剂量模型转变成可以制作的多个二维平面模型，再将多个二维模型叠加，从而实现利用已有低熔点铅挡块制作设备(熔铅法)，制作出经济实用，性能可靠的三维静态调强放射系统，该系统适合各类直线加速器，且操作简单，由此将创造出可观的巨大经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维调强器(又称三维熔铅挡块、三维物理补偿器、)的制作方法，使得我国各级医院能在现有的普通放疗的基础上，通过增加精确定位设备和计算机放射治疗计划系统，便可以开展调强放射治疗，从而提高我国肿瘤病人的治疗效果和生存质量。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：依次包括以下步骤：

1、采用精确的重复定位技术(头颈、胸腹部固定框架，真空垫、激光定位，标记定位等)保证治疗过程中定位坐标系的精确一致。

2、在精确重复定位的基础上，通过CT/MRI进行多层扫描，以光盘或标准DICOM接口网络为媒介，为计算机调强治疗计划提供直接准确的病变(靶区)及周围器官的三维信息和数据。

3、根据病变(靶区)及周围器官的三维解剖和预定的靶区剂量分布及危及器官(OAR)的限量(包括OAR的容许体积)，利用优化设计算法，借助逆向计划系统计算出射野方向的应需要的三维剂量强度分布(剂量函数Z随各点位置X、Y而变化)。

4、通过“切片法”，运用计算机技术将该三维剂量强度分布模型分解成N个(数量由医生根据需要而设定)平面剂量强度分布模型(剂量函数Z仅随X变化，Y值由计算机给定，恒定不变)。

5、利用已有低熔点铅挡块制作设备和等离子切割技术或小型数控铣床，制作三维静态调强器(三维熔铅挡块)。

6、同理，将计算机治疗计划系统设计的治疗计划的各个射野的三维剂量模型通过该切片法逐一制作。由此完成靶区所需要的各野剂量分布的物理补偿器的制作。

本发明的优点在于：

1、成功地在我国医院现有的普通放疗设备的基础上，增添不多的硬件设备和软件即可实现先进的IMRT技术，成本仅为现有的国外设备的十分之一。

2、独创的运用切片技术实现了将复杂的三维剂量模型转变成可以制作的二维平面模型。从而实现利用已有低熔点铅挡块制作设备，制作三维静态调强器。该方法操作简便，定位准确，照射时间远远低于现有进口的NOMOS系统和动态MLC系统。

附图说明

图1为本发明的制作流程框图。

图2、鼻咽癌射野强度分布切片示意。

具体实施方式

从图1的流程框图可以看出，本发明主要创新在于将治疗计划系统设计得出的靶区照射三维剂量分布的模型通过“切片法”，使之转换成可以通过较容易和方便的方法制作的若干平面模型，再用叠加法得到三维熔铅的模型或铅板构制的三维挡块。由此实现原来难以得到的三维剂量分布。

下面对本发明作进一步的详细说明。

1、三维剂量模型的确定：实现调强放射治疗(IMRT)的关键首先在于靶区的三维照射剂量的确定，这是IMRT治疗计划的重要内容。运用优化的迭代算法的逆向计划设计出合理适用的靶区三维照射剂量的模型是本发明运用的前提条件，不属于本发明的专利。

2、三维物理补偿器的制作：本发明的专利在于创新地运用“切片”的方法，将原来难以实现的三维物理补偿器的制作变得简单和方便。具体实施主要步骤如下：

·将三维剂量函数z＝f(x，y)中的某个变量x或y的变化范围L划分为N个2mm或3mm区域，即先设定x为恒定值，这样三维剂量函数就变成为N个二维平面函数z＝f(y)。原理如

图2鼻咽癌射野强度分布切片示意。

·众所周知，平面的曲线在工程上就非常容易实现加工和制作。如图1所示，本发明设计了三种实现方式。

第一种制作方式：和医院现有的常规放疗普通铅挡块制作方法类似，只是在于切割泡沫的原理不同。在这里切割泡沫的步骤较为复杂。要根据N个平面剂量曲线切割N个不同的厚度一致的平板泡沫，最后通过中心用胶水将N个泡沫叠加形成一个三维剂量模型。将其旋转90度平放置于一个正方体形铅模浇铸器中，将低熔点铅熔化浇铸就可以得到所需要的某个射野的三维物理补偿器。该方法简单、方便，成本低，治疗时间短，且定位准确，易于推广。缺点是浇铸过程繁琐，劳动强度较大。但是毕竟利用现有设备实现了调强放射治疗所需要的三维物理补偿器的制作。

第一种制作方式：将第N个二维平面函数z＝f(y)输入小型数控铣床，选择合适的铣刀，即可以将厚度d＝2mm或3mm的标准铅板(可以定购)铣出所需要的形状。依次同理将所有N个切片全部铣出，然后将其全部按照基准和对心准确叠加，两侧用平板压紧，中间穿配合轴加以固定。将其安装于特制机头固定器中，即完成三维物理补偿器的制作。该方法较第一种方法制作劳动强度低、快捷，避免了熔铅的污染和对操作人员的损害，但需要购置小型数控铣床和标准厚度铅板，成本有所增加。

第三种制作方式：与第二种方法类似，只是采用较为低廉的等离子切割机(约1000元)，手工对标准厚度的铅板进行切割，加工简单而方便。

后两者制作的三维物理补偿器都要求标准铅板有一定的平面度(在定购时对生产厂家要求)，并在叠加时必须加紧，减少平面间的缝隙，以减小平面的的射线泄漏(类同多叶光栅叶片间泄漏)。

·IMRT治疗。在精确定位的基础上，根据靶区的实际情况，将按照计划治疗系统确定最优照射野数量和强度分布的各个三维调强器(三维照射物理补偿器)依次准确定位安装与加速器机头连接器中进行治疗。

Claims

本发明的目的在于提供一种三维调强器(又称三维熔铅挡块、三维物理补偿器、)的制作方法，使得我国各级医院能在现有的普通放疗的基础上，通过增加精确定位设备和计算机放射治疗计划系统，以极为低廉的成本，便可以开展调强放射治疗，从而极大地提高我国肿瘤病人的治疗效果和生存质量。

要求保护以下创新：

1)独创的应用切片法制作三维调强器(又可称补偿器、挡块、调制器)实现调强放射治疗的思路。即从“立体—平面—立体”的技术方法，将原来复杂、昂贵并难以实现的三维调强变得容易和方便。
2)利用医院现有的普通放疗熔铅设备实现浇铸三维调强器的技术路线。
3)利用小型数控铣床和标准铅板实现制作三维调强器的技术路线。
4)利用等离子切割和标准铅板实现制作三维调强器的技术路线。