CN1669599A - 三维适形放射治疗剂量计划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维适形放射治疗剂量计划方法，旨在提供一种能精确进行放射治疗，提高治疗速度和安全性的三维适形放射治疗剂量计划方法。其技术方案是：首先，通过断层扫描获取病变体区域断层扫描图像；接着，根据获取的病变体区域断层扫描图像进行病变体三维重建，形成三维人体数据模型；最后，根据三维人体数据模型和射野定义形成剂量计划。

Description

三维适形放射治疗剂量计划方法

技术领域

本发明涉及一种发射治疗剂量计划方法，尤其是涉及一种三维适形放射治疗剂量计划方法。

背景技术

目前，针对癌症的放射治疗方式，因为临床有效率高，并且不用开刀，不会为患者留下机能障碍，特别对于某些恶性肿瘤患者，术后存活率高，现在已经成为癌症治疗的重要方法。根据放射四原则理论体系，放射治疗应以最少的正常组织损伤和最大的肿瘤放射剂量为目标。

适形放射治疗(Conformal Radiation Therapy)作为一种新的放射治疗技术，可以使放射线的高剂量区的剂量分布与肿瘤形状在三维方向上一致，有效地将放射线剂量集中到肿瘤区内，使周围正常组织的剂量减至最低，对肿瘤病变实施精确照射。但是，要想达到以上的理想结果，其照射野及照射剂量的输出必须满足下述条件：照射野的方向上，射野的形状必须与肿瘤病变的投影形状一致，避免对肿瘤周围健康组织的直接照射；满足该条件的称为经典适形。目前的现有技术无法做到这一点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种能对肿瘤病变实施精确照射的发射治疗剂量计划方法。

本发明的上述目的是通过下述技术方案实现的：一种三维适形放射治疗剂量计划方法，首先，通过断层扫描获取病变体区域断层扫描图像；接着，根据获取的病变体区域断层扫描图像进行病变体三维重建，形成三维人体数据模型；最后，根据三维人体数据模型和射野定义形成剂量计划。

所述的通过断层扫描获取病变体区域断层扫描图像，使得上下两层距离在2-5mm之间；所述的根据获取的病变体区域断层扫描图像进行病变体三维重建，采用如下过程进行：首先，在断层图像上提取靶区和敏感组织的边界，勾画出组织轮廓线；其次，根据相邻的组织轮廓线分别生成层间轮廓线；最后，根据病变体所在的组织及其相邻组织类型对获得的层间组织边界围成的区域进行填充，完成病变体三维重建；所述的三维人体数据模型和射野定义形成剂量计划是采用辐射线阵列方式得到的。

现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提高了放射治疗的精确性、治疗速度和安全性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

放射治疗计划系统通过DICOM协议直接从CT或MR中读取肿瘤患者的断层扫描图像，经三维重建模块处理后生成三维人体数据模型，剂量计划模块人体模型数据和射野定义生成剂量数据。

治疗计划评估模块根据三维人体数据模型和剂量数据生成评估结果，并将评估结果叠加在三维体积图像上。

针对肿瘤患者的断层扫描图像，进行三维人体数据模型重建，包括下列步骤：

1、三维体积重建

断层扫描得到的断层图像层间距离比图像的像素的尺寸大得多，要得到相同分辨率的三维体积图像数据，需要在两原始断层之间插入足够多的断层图像。插值图像的像素值通过高次多项式插值法对同一位置处上层原始图像的像素值和下层原始图像的像素值计算确定。

2、三维组织重建

将从原始断层数据中提取的人体分类特征数据，如体表、靶区、敏感组织、密度校正组织等，以数据块的形式进行重组，达到将三维人体模块化并简化后续处理的目的，经由组织轮廓线提取、层间轮廓线生成、组织填充步骤完成：

1)组织轮廓线提取

通过勾画方式在系统显示的病人的断层图像上提取靶区和敏感组织的边界，勾画使用windows API画线函数。

勾画的组织轮廓线是由直线段连成的多边形，有三个特点：第一，任何非相连线段不相交；第二，边界在体表边界以内；第三，有些组织边界不会与其它边界有公共部分，如心脏不可能在肺中一样。

为避免错误，对系统有如下要求：1)当用户勾画的组织边界出现在体表边界以外时，系统自动更正和报警；2)不同边界相交时系统自动提示；3)当边界和自身相交时，系统自动终止和提示。

实现上述功能的具体办法是：第一，在用画笔画出当前像素前，判断当前像素的颜色，如当前像素颜色与正在使用的画笔颜色相同，则该边界已与自身相交，边界已经闭合，给出错误或结束提示，否则画出当前点；第二，判断当前像素是否在体表边界所包含的区域内，如果不在，给出错误提示并结束当前的画线，否则画出当前点；第三，判断当前像素是否为其它非体表边界的颜色，如果是，给出提示并等待用户选择以决定后续操作，否则画出当前像素。

2)层间轮廓线生成

由于原始轮廓线是逐点连接而成的，有大量的冗余数据，使后续处理变得复杂，计算量大。为此，我们首先采用多边形近似法来逼近原始轮廓线。取轮廓线相距最远的两点连成弦，由此把轮廓线分成两部分，再从两部分的轮廓线上找出距弦最远的两点，将此两点与原来弦的两端点连成新弦，去掉旧弦，依次类推，直至找出的点距弦的距离小于给定误差。所有点的连线即是原轮廓线的近似多边形轮廓线。

然后建立最佳匹配点对。将已知的相邻两断层轮廓线称为起始轮廓线，计算起始轮廓线的围定面积，对其中之一进行面积缩放，使二者面积相等，然后进行平移使二者质心重合；两轮廓线的交点必定存在，至少两个，求出所有的交点，根据交点把起始轮廓线分成相应的对应段；在相应的对应段之内建立匹配点对，匹配点对数目较少时用插值法增加；检验匹配点对连线相交情况，如存在，则将之去掉；把求得的匹配点对坐标经反平移和缩放复原到原位置。

接下来求层间轮廓线。层间轮廓线所在平面均匀分布于起始轮廓线平面间且平行于起始轮廓线平面，层间轮廓线平面截取两起始轮廓线的匹配点对的连线，交点即为层间轮廓线的顶点，各顶点连接构成层间轮廓线。

3)组织填充

根据组织类型对获得的层间组织边界围成的区域进行填充，填充采用基于windows API图形函数的组织填充方法。

将各个边界数据转化为用windows点结构表示的数组，用各自的设定的颜色用交替模式填充。被多个边界使用的区域用一种新的数值填充。

3、三维表面重建

人体的外部轮廓、内部组织和器官的表面是光滑的曲面，形状复杂，三维表面重建的目的是形成其三维表面并且使这种表面的显示更有立体感。本发明的三维表面重建采用三角形贴面技术，即将相邻两层轮廓线上的顶点连接成一个个用三角形表示的小表面，整个物体的表面就用这些小表面来近似。

利用层间轮廓线生成时求得的最佳匹配点，直线连接匹配点，形成四边形贴面，将四边形的短对角线连接起来，即形成三角形贴面，且符合最短边长准则(所有三角形的边长和最小)和最小面积准则(所有三角形的面积和最小)。

按照上面方法将所有层间轮廓线的节点连接起来，形成原三维物体表面的网格状形式，最大程度地逼近物体的实际表面。

在获得三维重建的模型后，计划系统中采用辐射线阵列方式储存测量和计算剂量数据。

辐射线阵列是一从放射线源点出发的等角均布阵列，是这样形成的：从源点出发的立体辐射线被与射野中心轴垂直的平面等间距分割，辐射线与平面的交点为计算点阵。辐射线范围根据射野的尺寸确定，并向外扩充适当的尺寸以把半影区包括在内(一般情况下应把敏感区包括在内)。分割平面的最上层取在与射野内体表最外端相切处，最下层取在病灶区以下若干位置处(根据具体情况选取)，分割平面的层间距离为Δd。这样得到的计算点阵数目为(L+1)×(M+1)×(N+1)。

根据射野的定义由预先测量5个深度下标准野的一维离轴比计算出二维离轴比。测量深度下的二维离轴比的计算方法采用Storchi修正方法，对该方法仍然存在的误差，本发明进一步修正的方法是，先以Storchi修正方法计算出二维离轴比OAR_sto，再以两个参与计算的一维离轴比中数值较小的一维离轴比为参数，同样以Storchi修正方法计算二维离轴比OAR_min，则最终的二维离轴比OAR为：

OAR＝max{OAR_sto，OAR_min}

其它深度下的二维离轴比用线性插值方法求出。

把切割层面上二维离轴比经采样存于相应层面的点阵中，生成三维索引矩阵。采样方法为，选取一条扇形线，计算出它在三维人体模型的径迹，沿这条径迹在三维人体模型中搜索到体表入口，从体表处开始按Δd的步长对扇形线进行采样。

将深度剂量与总散射因子以及与深度剂量类型有关的因子乘入三维索引矩阵中。

根据扇形线与体表的交点位置计算出扇形线所在处的人体表面倾斜校正因子，并乘入扇形线经过的三维索引矩阵元素。

计算出采样点处组织密度校正因子，乘入与当前采样点的编号相对应的三维索引矩阵元素得到对应点的剂量数据。对所有扇形线进行同样的处理。

下面提供了剂量的计算模型。

当加速器监测剂量参数为MU，参考射野(通常为10×10cm²)在最大剂量处的校准剂量率为D_c，总散射校正因子为OF，射野中心轴深度d处等效方野边长为a的组织最大剂量比为DD(d，a)，OAR为点(x，y，d)处的离轴比，SAD为放射源到加速器等中心的距离，SSD为放射源到体模表面的距离，校正因子F＝SAD/(SSD+d)，则人体模型内给定点(x，y，d)处的剂量D计算方法为：

1)规则野的剂量计算模型

D(x，y，d)＝MU·D_c·OF·DD(d，a)·OAR(x，y，d)·F²(x，y，z)·F_so(x，y，z)·F_tj(x，y，z)

人体表面倾斜校正因子F_so，使用组织空气比法确定。

人体组织不均匀校正因子F_tj，采用改进的BATHO方法确定。N为被跟踪光线上从计算点到体表的采样点数(i＝1时表示采样点在体表处，i＝N表示采样点在计算点处)，S表示射野尺寸，d_i为从体表到第i个采样点的距离，d_m为建成区深度，μ_i为第i个采样点处人体组织的线性衰减系数，μ₀为射线在水中的线性衰减系数，K_N为计算点处人体组织的质能吸收系数与水的质能吸收系数比。校正因子如下：

$F_{\mathrm{ti}}=K_N\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}T{(d_i+d_m,S)}^{({\mathrm{\μ}}_i-{\mathrm{\μ}}_{i-1})/{\mathrm{\μ}}_0}$

2)不规则野的剂量计算模型

可比深度剂量为x_DD，给定点(x，y，d)处的剂量计算方法为：

D(x，y，d)＝MU·D_c·x_DD(d)·OAR(x，y，d)·F²

最后，对计算剂量点阵数据进行插值细化处理，提取等剂量线和等剂量面以进行剂量分布的分析和显示。

Claims (4)

1、一种三维适形放射治疗剂量计划方法，其特征在于：首先，通过断层扫描获取病变体区域断层扫描图像；接着，根据获取的病变体区域断层扫描图像进行病变体三维重建，形成三维人体数据模型；最后，根据三维人体数据模型和射野定义形成剂量计划。

2、根据权利要求1所述的三维适形放射治疗剂量计划方法，其特征在于：所述的通过断层扫描获取病变体区域断层扫描图像，使得上下两层距离在2-5mm之间。

3、根据权利要求1所述的三维适形放射治疗剂量计划方法，其特征在于：所述的根据获取的病变体区域断层扫描图像进行病变体三维重建，采用如下过程进行：首先，在断层图像上提取靶区和敏感组织的边界，勾画出组织轮廓线；其次，根据相邻的组织轮廓线分别生成层间轮廓线；最后，根据病变体所在的组织及其相邻组织类型对获得的层间组织边界围成的区域进行填充，完成病变体三维重建。

4、根据权利要求1所述的三维适形放射治疗剂量计划方法，其特征在于：所述的三维人体数据模型和射野定义形成剂量计划是采用辐射线阵列方式得到的。