TW201721184A - 射束的照射角度評價方法 - Google Patents

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Abstract

一種射束的照射角度評價方法，包括：對射束的照射角度進行取樣的步驟，其中，所述射束的照射角度定義為射束的照射點至腫瘤預設點的向量方向；計算射束通過器官徑跡的步驟；判斷腫瘤是否充分涵蓋於有效治療深度內：如果是，則進入計算評價因數、記錄照射條件及計算結果的步驟並返回對射束的照射角度進行取樣的步驟；如果否，則進入給予最差評價因數的步驟並返回對射束的照射角度進行取樣的步驟。根據此射束的照射角度評價方法，可以清楚地認識到射束在某一特定位置和某一特定角度照射時的優劣表現，從而為醫生或物理師決定照射模式提供強有力的資料支援。

Description

射束的照射角度評價方法
本發明涉及一種照射角度評價方法，特別是一種射束的照射角度評價方法。
隨著原子科學的發展，例如鈷六十、直線加速器、電子射束等放射線治療已成為癌症治療的主要手段之一。然而傳統光子或電子治療受到放射線本身物理條件的限制，在殺死腫瘤細胞的同時，也會對射束途徑上大量的正常組織造成傷害；另外，由於腫瘤細胞對放射線敏感程度的不同，傳統放射治療對於較具抗輻射性的惡性腫瘤(如：多形性神經膠母細胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素細胞瘤(melanoma))的治療成效往往不佳。
為了減少腫瘤周邊正常組織的輻射傷害，化學治療(chemotherapy)中的標靶治療概念便被應用於放射線治療中；而針對高輻射抗性的腫瘤細胞，目前也積極發展具有高相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)的輻射源，如質子治療、重粒子治療、中子捕獲治療等。其中，中子捕獲治療便是結合上述兩種概念，如硼中子捕獲治療，藉由含硼藥物在腫瘤細胞的特異性積聚，配合精準的中子射束調控，提供比傳統放射線更好的癌症治療選擇。
硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(10B)藥物對熱中子具有高捕獲截面的特性，藉由10B(n,α)7Li中子捕獲及核分裂反應產生4He和7Li兩個重荷電粒子，兩粒子的總射程約相當於一個細胞大小，因此對於生物體造成的輻射傷害能局限在細胞層級，當含硼藥物選擇性地聚集在腫瘤細胞中，搭配適當的中子射源，便能在不對正常組織造成太大傷害的前提下，達到局部殺死腫瘤細胞的目的。
現有中子捕獲治療計畫系統中，其照射幾何角度皆為人工根據經驗判斷及定義。由於人體結構相當複雜，各種組織或器官對輻射的敏感度也大不相同，因此單單靠人工判斷很可能忽略更好的照射角度，而導致治療效果大打折扣。為了達到治療效果的優化，射束的照射角度是需要考慮的必要環節。
因此，有必要提出一種射束的照射角度評價方法。
為了克服現有技術的缺陷，本發明人發展一種可執行的照射角度優化的方法，可以做為一個有利的參考依據，並搭配醫生的經驗，盡可能地找出最佳照射角度。優化演算的實施，是分為多直線由腫瘤至體表的徑跡，並考慮徑跡中的器官比例及其對輻射敏感因素求出個別徑跡的評價因素，可以採用正算(由體表至腫瘤)或逆算(由腫瘤至體表)法，可以依序取點或是隨機取點計算。通過上述方法，可以算出由體表各點入射腫瘤的評價分數，可以與2D或3D影像進行融合，說明使用者找出最佳入射點。
具體地，本發明的一個方面提供一種射束的照射角度評價方法，包括：對射束的照射角度進行取樣的步驟，其中，所述射束的照射角 度定義為射束的照射點至腫瘤預設點的向量方向；計算射束通過器官徑跡的步驟，其中，所述射束的照射角度定義為射束的照射點至腫瘤預設點的向量方向；判斷腫瘤是否充分涵蓋於有效治療深度內：如果是，則進入計算評價因數、記錄照射條件及計算結果的步驟並返回對射束的照射角度進行取樣的步驟；如果否，則進入給予最差評價因數的步驟並返回對射束的照射角度進行取樣的步驟。
根據此射束的照射角度評價方法，可以清楚地認識到射束在某一特定位置和某一特定角度照射時的優劣表現，從而為醫生或物理師決定照射模式提供強有力的資料支援。
“腫瘤預設點”可設定為腫瘤質心或腫瘤最深處，具體的腫瘤預設點位置可視用戶需求而調整。作為一種優選地，所述射束的照射角度定義為射束的照射點至腫瘤質心或腫瘤最深處的向量方向。當然，本領域技術人員熟知地，也可以根據使用需要自訂射束的照射角度。
當然，本領域技術人員熟知的，上述的向量方向包括射束的照射點至腫瘤預設點的正向量方向和負向量方向。
所述射束為中子射束、帶電粒子射束或γ射線中的一種或多種，其中帶電粒子射束可以為電子射束、質子射束及重粒子射束等。
為了更加精准的計算出所述評價因數，所述評價因數基於射束特性、輻射敏感因數及器官含硼濃度進行計算。
取樣的照射角度及照射徑跡中，器官(i)的權重因數(W(i))採用公式一進行計算：W(i)=I(i)×S(i)×C(i) (公式一)
其中，I(i)、S(i)及C(i)分別為射束強度、器官(i)的輻射敏感因數及器官(i)的含硼濃度。
進一步地，所述I(i)採用根據所用的射束模擬人體的深度強度或劑量曲線積分的公式二進行計算：
其中，i(x)為治療用射束在近似人體中的深度強度或劑量曲線函數，x 0 -x為器官(i)在射束徑跡中的深度範圍。
所述評價因數採用公式三進行計算：
其中，Q(x,y,z,Φ,θ)作為評價因數等於器官徑跡中各器官的權重因數總和。
當然，也可以採用另一種評價因數的呈現方式，即器官評價因數與腫瘤評價因數的比值。所述評價因數與腫瘤評價因數之比(QR(x,y,z,Φ,θ))採用公式四進行計算：
其中，W(tumor)為腫瘤的權重因數。
“醫學影像資料”可以為核磁共振造影(Magnetic Resonance Imaging,MRI)或電子電腦斷層掃描(Computed Tomography,CT)或正電子發射電腦斷層掃描(Positron Emission computed Tomography,PET-CT)。但本領域技術人員熟知地，還可以使用其他的醫學影像資料，只要該醫學影 像資料能夠定義出器官、組織及腫瘤的材料及密度，就能夠應用于本發明揭示的射束的照射角度評價方法中。作為一種優選地，所述讀取醫學影像資料的步驟為讀取CT影像資料或MRI影像資料或PET-CT影像資料中的至少一種醫學影像資料的步驟。
“器官徑跡”是指在某一特定位置和某一特定角度採用射束照射時通過皮膚、骨頭、組織及腫瘤的一條射束徑跡，如器官徑跡為射束依次序經由皮膚、骨頭、組織、腫瘤、組織、骨頭、皮膚的徑跡。在某一些計算中，如器官徑跡中各器官的權重因數加總時，可以不包括腫瘤的權重因數。作為一種優選地，所述器官徑跡為射束依次序經由皮膚、頭骨、腦組織、腫瘤、腦組織、頭骨、皮膚的徑跡。這樣便可以清晰的瞭解到射束通過腦部的徑跡。當然，本領域技術人員熟知地，器官徑跡可以為射束依次序經由人體腦部以外的其他部位，如肝部等。
作為一種優選地，所述射束的照射角度評價方法進一步包括將各個評價因數以3D圖像顯示的步驟。當然，本領域技術人員也可以通過其他方式顯示各個評價因數，只要醫生或物理師能夠識別顯示出的各個評價因數即可。
所謂“射束”可以為一種或多種放射性射束，作為一種優選地，所述射束為中子束及γ射束的混合射束，也可以是單獨的中子束、單獨的質子束或單獨的重粒子束。
所述射束的照射角度評價方法進一步包括：讀取醫學影像資料的步驟；定義或讀取器官、組織及腫瘤的輪廓範圍的步驟；定義器官、組織及腫瘤的材料及密度的步驟。
圖1為硼中子捕獲反應示意圖。
圖2為10B(n,α)7Li中子捕獲核反應方程式。
圖3為本發明實施例中的射束的照射角度評價方法的邏輯框圖。
圖4為本發明實施例中的射束照射時的器官徑跡示意圖。
下面結合附圖對本發明的實施例做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
作為一種優選地，以用於中子捕獲治療的射束的照射角度評價方法為本發明的實施例。下面將簡單介紹一下中子捕獲治療，尤其是硼中子捕獲治療。
中子捕獲治療係為一種有效的治療癌症手段，近年來，該應用有漸增趨勢，其中以硼中子捕獲治療最為常見，供應硼中子捕獲治療的中子可由核反應器或加速器供應。本發明之實施例以加速器硼中子捕獲治療為例，加速器硼中子捕獲治療的基本組件通常包括加速帶電粒子(如質子、氘核等)的加速器、靶材與熱移除系統和射束整形體，其中加速帶電粒子與金屬靶材作用產生中子，需依據所需的中子產率與能量、可提供的加速帶電粒子能量與電流大小、金屬靶材的物化性等特性來挑選合適的核反應，常被討論的核反應有7Li(p,n)7Be及9Be(p,n)9B兩種吸熱反應。兩核反應的能量閾值分別為1.881MeV和2.055MeV，由於硼中子捕獲治療的理 想中子源為keV能量等級的超熱中子，理論上若使用能量僅稍高於閾值的質子轟擊金屬靶材，可產生相對低能的中子，不須太多的緩速處理便可直接用於臨床，然而鋰金屬(Li)和鈹金屬(Be)兩種靶材與閾值能量的質子作用截面不高，為產生足夠大的中子通量，通常選用較高能量的質子來引發核反應。
硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(10B)藥物對熱中子具有高捕獲截面的特性，藉由10B(n,α)7Li中子捕獲及核分裂反應產生4He和7Li兩個重荷電粒子。參照圖1和圖2，其分別示出了硼中子捕獲反應的示意圖和10B(n,α)7Li中子捕獲核反應方程式，兩荷電粒子的平均能量約為2.33MeV，具有高線性轉移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特徵，α粒子的線性能量轉移與射程分別為150keV/μm、8μm，而7Li重荷粒子則為175keV/μm、5μm，兩粒子的總射程約相當於一個細胞大小，因此對於生物體造成的輻射傷害能局限在細胞層級，當含硼藥物選擇性地聚集在腫瘤細胞中，搭配適當的中子射源，便能在不對正常組織造成太大傷害的前提下，達到局部殺死腫瘤細胞的目的。
無論硼中子捕獲治療的中子源來自核反應爐或加速器帶電粒子與靶材的核反應，產生的皆為混合輻射場，即射束包含了低能至高能的中子、光子；對於深部腫瘤的硼中子捕獲治療，除了超熱中子外，其餘的輻射線含量越多，造成正常組織非選擇性劑量沉積的比例越大，因此這些會造成不必要劑量的輻射應儘量降低。除了空氣射束品質因素，為更瞭解中子在人體中造成的劑量分佈，本發明的實施例中使用人體頭部組織假體進行劑量計算，並以假體射束品質因素來作為射束的設計參考，將 在下文詳細描述。
國際原子能機構(IAEA)針對臨床硼中子捕獲治療用的中子源，給定了五項空氣射束品質因素建議，此五項建議可用於比較不同中子源的優劣，並供以作為挑選中子產生途徑、設計射束整形體時的參考依據。這五項建議分別如下：超熱射束通量Epithermal neutron flux>1 x 109n/cm2s
快中子污染Fast neutron contamination<2 x 10-13Gy-cm2/n
光子污染Photon contamination<2 x 10-13Gy-cm2/n
熱中子與超熱中子通量比值thermal to epithermal neutron flux ratio<0.05
中子電流與通量比值epithermal neutron current to flux ratio>0.7
注：超熱中子能區在0.5eV到40keV之間，熱中子能區小於0.5eV，快中子能區大於40keV。
1、超熱射束通量：
射束通量和腫瘤中含硼藥物濃度共同決定了臨床治療時間。若腫瘤含硼藥物濃度夠高，對於射束通量的要求便可降低；反之，若腫瘤中含硼藥物濃度低，則需高通量超熱中子來給予腫瘤足夠的劑量。IAEA對於超熱射束通量的要求為每秒每平方釐米的超熱中子個數大於109，此通量下的射束對於目前的含硼藥物而言可大致控制治療時間在一小時內，短治療時間除了對病人定位和舒適度有優勢外，也可較有效利用含 硼藥物在腫瘤內有限的滯留時間。
2、快中子污染：
由於快中子會造成不必要的正常組織劑量，因此視之為污染，此劑量大小和中子能量成正相關，因此在射束設計上應儘量減少快中子的含量。快中子污染定義為單位超熱中子通量伴隨的快中子劑量，LAEA對快中子污染的建議為小於2 x 10-13Gy-cm2/n。
3、光子污染(γ射線污染)：
γ射線屬於強穿輻射，會非選擇性地造成射束路徑上所有組織的劑量沉積，因此降低γ射線含量也是中子束設計的必要要求，γ射線污染定義為單位超熱中子通量伴隨的γ射線劑量，IAEA對γ射線污染的建議為小於2 x 10-13Gy-cm2/n。
4、熱中子與超熱中子通量比值：
由於熱中子衰減速度快、穿透能力差，進入人體後大部分能量沉積在皮膚組織，除黑色素細胞瘤等表皮腫瘤需用熱中子作為硼中子捕獲治療的中子源外，針對腦瘤等深層腫瘤應降低熱中子含量。IAEA對熱中子與超熱中子通量比值建議為小於0.05。
5、中子電流與通量比值：
中子電流與通量比值代表了射束的方向性，比值越大表示射束前向性佳，高前向性的中子束可減少因中子發散造成的周圍正常組織劑量，另外也提高了可治療深度及擺位姿勢彈性。IAEA對中子電流與通量比值建議為大於0.7。
利用假體得到組織內的劑量分佈，根據正常組織及腫瘤的劑量-深度曲線，推得假體射束品質因素。如下三個參數可用於進行不同射束治療效益的比較。
1、有效治療深度：
腫瘤劑量等於正常組織最大劑量的深度，在此深度之後的位置，腫瘤細胞得到的劑量小於正常組織最大劑量，即失去了硼中子捕獲的優勢。此參數代表射束的穿透能力，有效治療深度越大表示可治療的腫瘤深度越深，單位為cm。
2、有效治療深度劑量率：
即有效治療深度的腫瘤劑量率，亦等於正常組織的最大劑量率。因正常組織接收總劑量為影響可給予腫瘤總劑量大小的因素，因此參數影響治療時間的長短，有效治療深度劑量率越大表示給予腫瘤一定劑量所需的照射時間越短，單位為cGy/mA-min。
3、有效治療劑量比：
從大腦表面到有效治療深度，腫瘤和正常組織接收的平均劑量比值，稱之為有效治療劑量比；平均劑量的計算，可由劑量-深度曲線積分得到。有效治療劑量比值越大，代表該射束的治療效益越好。
為了使射束整形體在設計上有比較依據，除了五項IAEA建議的空氣中射束品質因素和上述的三個參數，本發明實施例中也利用如下的用於評估射束劑量表現優劣的參數：照射時間30min(加速器使用的質子電流為10mA)
30.0RBE-Gy可治療深度7cm
腫瘤最大劑量60.0RBE-Gy
正常腦組織最大劑量12.5RBE-Gy
皮膚最大劑量11.0RBE-Gy
注：RBE(Relative Biological Effectiveness)為相對生物效應，由於光子、中子會造成的生物效應不同，所以如上的劑量項均分別乘上不同組織的相對生物效應以求得等效劑量。
請參照圖3和圖4，為提供中子捕獲治療時射束照射角度的參考依據，下面利用隨機或逐一計算各個可能的照射角度，並通過公式一和公式二計算出評價因數，將各個評價因數以3D圖像的方式顯現，即方便醫生或物理師判斷治療的照射角度。
下面將詳述3D評價因數圖像的建立步驟，該步驟為一種優選實施步驟，本領域技術人員熟知地，並不一定要按照優選實施步驟。該步驟具體為：讀取患者CT/MRI/PET-CT等具有明確人體解剖的影像，逐一定義各個器官、組織及腫瘤的輪廓，並給設定材料種類及密度。在完成幾何材料及密度的定義後，便決定計算射束的起始位置及射束角度，計算中起始位置與角度的決定，可以是順向演算法或逆向演算法，順向演算法中是將起始位置決定於體外位置並可依固定角度或距離間隔依序取樣計算，也可以透過隨機取樣的方式進行；射束角度的部分，則可設定為照射點至腫瘤質心或腫瘤最深處的向量方向，具體的腫瘤端點位置可視用戶需求而調整；逆向演算法中，則是將起始位置決定於腫瘤範圍內，其起始位 置可以是腫瘤質心、最深處或腫瘤範圍內隨機取點，而射束角度則可以利用隨機取樣或依指定間隔取樣的方式進行。在決定完射束的照射位置與角度後，則計算射束軸所通過的器官徑跡，即計算出射束進入人體後所經過的器官種類及其厚度。在取得射束軸通過人體的徑跡資訊後，則判斷腫瘤範圍是否落於最大可治療深度範圍內。若是，則以此徑跡資訊為依據配合使用者設定的器官含硼濃度、器官輻射敏感因數及射束特性資訊，計算該徑跡的評價因數；若否，則給予最差的評價因數，重新進行射束位置與照射角度的取樣。完成評價因數的計算後，則進行照射位置、角度及評價因數的紀錄。重複進行上述演算達一定數量後，即可輸出報表，提供給醫生或物理師作為參考從而決定照射模式，更可以將資料以3D圖像的形式表示，以更便利地根據射束軸周圍的評價因數判斷優劣。
評價因數是基於射束特性、器官輻射敏感因數及器官含硼濃度所進行計算的，對應某位置及某照射徑跡中，器官i的權重因數(W(i))計算如公式一所示，式中I(i)、S(i)及C(i)分別為中子強度、器官i的輻射敏感因數及器官i的含硼濃度。
W(i)=I(i)×S(i)×C(i) (公式一)
其中，I(i)乃根據所用射束於模擬人體的深度強度或劑量曲線積分而得，如公式二所示，式中，i(x)為治療用射束於近似人體中的深度強度或劑量曲線函數，x 0 -x為器官i於射束徑跡中的深度範圍。
通過上述演算法，依序完成器官徑跡中各器官的權重因 數計算後，並取其加總，即可求得該射束對應的評價因數，如公式三所示，於此計算中，腫瘤的權重因數應不列入計算。
根據上述的評價因數高低，可以更直觀地判斷治療時對正常組織所受到的危害程度。除了利用評價因數進行照射位置及角度的評價外，也可利用評價比因數來進行評價，其定義為評價因數對腫瘤權重因數的比值，如公式四所示，如此可以更充分地顯現照射位置與角度的預期治療效果。
本領域技術人員熟知的，上述公式一至公式四中的一些簡單變換，仍然在本發明要求保護的範圍之內，如I(i)、S(i)及C(i)由相乘變換為相加；I(i)、S(i)及C(i)分別乘以n次方，n根據情況而定，可以為1的整數倍也可以是其他倍數；i(x)可以是x 0 -x間的平均數或中間數乘上(x 0 -x)，或任何可以達到與強度積分計算結果相符的計算方法。
儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，都在本發明要求保護的範圍之內。

Claims (10)

  1. 一種射束的照射角度評價方法，包括：對射束的照射角度進行取樣的步驟，其中，所述射束的照射角度定義為射束的照射點至腫瘤預設點的向量方向；計算射束通過器官徑跡的步驟；判斷腫瘤是否充分涵蓋於有效治療深度內：如果是，則進入計算評價因數、記錄照射條件及計算結果的步驟並返回對射束的照射角度進行取樣的步驟；如果否，則進入給予最差評價因數的步驟並返回對射束的照射角度進行取樣的步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述射束為中子射束、帶電粒子射束或γ射線中的一種或多種。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述評價因數基於射束特性、輻射敏感因數及器官含硼濃度進行計算。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之射束的照射角度評價方法，其中，取樣的照射角度及照射徑跡中，器官(i)的權重因數(W(i))採用公式一進行計算：W(i)=I(i)×S(i)×C(i) (公式一)其中，I(i)、S(i)及C(i)分別為射束強度、器官(i)的輻射敏感因數及器官(i)的含硼濃度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述I(i)採用根據所用的射束模擬人體的深度強度或劑量曲線積分的公式二進行計算： 其中，i(x)為治療用射束在近似人體中的深度強度或劑量曲線函數，x 0 -x為 器官(i)在射束徑跡中的深度範圍。
  6. 如申請專利範圍第4或5項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述評價因數採用公式三進行計算： 其中，Q(x,y,z,Φ,θ)作為評價因數等於器官徑跡中各器官的權重因數總和。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述評價因數與腫瘤評價因數之比(QR(x,y,z,Φ,θ))採用公式四進行計算： 其中，W(tumor)為腫瘤的權重因數。
  8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述讀取醫學影像資料的步驟為讀取CT影像資料或MRI影像資料或PET-CT影像資料中的至少一種醫學影像資料的步驟。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述射束的照射角度評價方法進一步包括將各個評價因數以3D圖像顯示的步驟。
  10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之射束的照射角度評價方法，其中，所述射束的照射角度評價方法進一步包括：讀取醫學影像資料的步驟；定義或讀取器官、組織及腫瘤的輪廓範圍的步驟；定義器官、組織及腫瘤的材料及密度的步驟。
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