TW201817382A - 基於醫學影像的輻射屏蔽裝置 - Google Patents
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Abstract
一種基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，能根據患者的個體差異，如腫瘤位置、大小等，形成有針對性、精確度高的輻射屏蔽，從而減少或避免放射線照射裝置對患者正常組織的輻射。本發明的屏蔽裝置包括掃描被照射體的照射部位並輸出醫學影像體素數據的醫學影像掃描裝置，根據醫學影像體素數據建立三維假體組織模型並根據三維假體組織模型建立屏蔽體三維模型的數據處理及三維建模裝置，由屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印形成的屏蔽體，屏蔽體位於放射線照射裝置和照射部位之間。
Description
本發明係關於一種放射線治療的輻射屏蔽裝置，特別是有關於一種基於醫學影像的輻射屏蔽裝置。
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製，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：多行性膠質母細胞瘤(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；而針對高抗輻射性的腫瘤細胞，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，借由含硼藥物在腫瘤細胞的特異性集聚，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。
放射線治療過程中會產生各種放射線，如硼中子捕獲治療過程產生低能至高能的中子、光子，這些放射線可能會對人體正常組織造成不同程度的損傷。因此在放射線治療領域，如何在達到有效治療的同時減少對外界環境、醫務人員或患者正常組織的輻射污染是一個極為重要的課題。而現有的放射線治療設備，對輻射的屏蔽還主要集中於放置設備的房間、設備本身，而沒有針對從設備出口出來的放射線對患者正常組織的輻射，更不能根據患者的個體差異，如腫瘤位置、大小、形狀等，形成有針對性、精確度高的輻射屏蔽。
核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)或電子電腦斷層掃描(Computed Tomography,CT)等醫學影像數據能夠針對人體體內特徵提供較為詳細的組織幾何結構資訊，為人體內部結構的實體建模提供了數據基礎。因此，有必要提出一種基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，能夠形成有針對性、精確度高的輻射屏蔽，減少或避免對患者正常組織的輻射。
為了屏蔽放射線照射裝置對被照射體的正常組織的輻射，本發明一方面提供了一種基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，其包括醫學影像掃描裝置，掃描被照射體的照射部位，並輸出醫學影像體素數據；數據處理及三維建模裝置，根據醫學影像體素數據建立三維假體組織模型，並根據三維假體組織模型建立屏蔽體三維模型；屏蔽體，由屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印形成，位於放射線照射裝置和照射部位之間。
屏蔽體三維模型是根據三維假體組織模型，結合放射線照射 裝置的數據資訊及放射線照射裝置與照射部位的位置關係建立的。
屏蔽體的材料包括屏蔽中子的材料或屏蔽光子的材料中的至少一種，屏蔽體固定在被照射體表面，與被照射體表面外形相互匹配。屏蔽體具有中心通孔，中心通孔的直徑與被照射體體內的病變組織在垂直於射束方向的最大尺寸的比值區間為1-2，屏蔽體最大厚度的數值範圍為3-20mm，屏蔽體外表面的面積範圍為10-200cm2。
放射線照射裝置產生的放射線經過屏蔽體後被衰減的比例為50%，放射線經過屏蔽體後對正常組織的輻射深度與不經過屏蔽體相比的比例50%。
本發明另一方面提供了一種放射線治療裝置，放射線治療裝置包括放射線照射裝置和屏蔽體，放射線照射裝置照射被照射體，形成照射部位；屏蔽體位於放射線照射裝置和照射部位之間，並由3D印表機列印形成。
放射線治療裝置進一步包括三維影像掃描裝置和數據處理及三維建模裝置，三維影像掃描裝置掃描照射部位並輸出三維數據；數據處理及三維建模裝置根據三維數據建立照射部位三維模型，並根據照射部位三維模型建立屏蔽體三維模型；屏蔽體由屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印形成。
放射線照射裝置包括放射線產生裝置、射束整形體、準直器，放射線產生裝置能夠產生放射線，射束整形體能夠調整放射線的射束品質，準直器能夠彙聚經過所述射束整形體的放射線，屏蔽體位於準直器和照射部位之間。
放射線治療裝置進一步為硼中子捕獲治療裝置，被照射體為癌症患者，放射線產生裝置為中子產生裝置，中子產生裝置包括加速器和靶材，加速器對帶電粒子進行加速，中子由加速的帶電粒子與靶材作用產生。
放射線治療裝置進一步包括治療台，放射線經過屏蔽體後作用到治療臺上的患者的病變組織，屏蔽體固定在被照射體表面或治療台或準直器上，患者正常組織在硼中子捕獲治療過程中接受的輻射劑量小於18Gy。
本發明實施例之基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，屏蔽體經3D列印形成，能夠依據不同被照射體的個體差異分別成型，且能夠對複雜形狀快速成型，針對性更強、精確度更高，能夠獲得更好的輻射屏蔽效果。
100‧‧‧硼中子捕獲治療裝置
10‧‧‧中子產生裝置
11‧‧‧加速器
20‧‧‧射束整形體
21‧‧‧反射體
22‧‧‧緩速體
23‧‧‧熱中子吸收體
24‧‧‧輻射屏蔽體
25‧‧‧射束出口
30‧‧‧準直器
40‧‧‧治療台
50‧‧‧輻射屏蔽裝置
51‧‧‧醫學影像掃描裝置
52‧‧‧數據處理及三維建模裝置
53‧‧‧屏蔽體
531‧‧‧中心通孔
200‧‧‧患者
T‧‧‧靶材
P‧‧‧帶電粒子線
N‧‧‧中子線
M‧‧‧腫瘤細胞
圖1為本發明實施例中的硼中子捕獲治療裝置示意圖。
圖2為本發明實施例中的基於醫學影像的輻射屏蔽方法的邏輯框圖。
圖3為本發明實施例中的屏蔽體與被照射體的位置關係示意圖。
下面結合附圖對本發明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。
如圖1，本實施例中的放射線治療裝置優選為硼中子捕獲治療裝置100，包括中子產生裝置10、射束整形體20、準直器30和治療台40。 中子產生裝置10包括加速器11和靶材T，加速器11對帶電粒子(如質子、氘核等)進行加速，產生如質子線的帶電粒子線P，帶電粒子線P照射到靶材T並與靶材T作用產生中子線(中子束)N，靶材T優選為金屬靶材。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，這兩種反應皆為吸熱反應。兩種核反應的能量閥值分別為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閥值的質子轟擊金屬鋰靶材，可產生相對低能的中子，不須太多的緩速處理便可用於臨床，然而鋰金屬(Li)和鈹金屬(Be)兩種靶材與閥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。理想的靶材應具備高中子產率、產生的中子能量分佈接近超熱中子能區(將在下文詳細描述)、無太多強穿輻射產生、安全便宜易於操作且耐高溫等特性，但實際上並無法找到符合所有要求的核反應，本發明的實施例中採用鋰金屬製成的靶材。但是本領域技術人員熟知的，靶材T的材料也可以由鋰、鈹之外的金屬材料製成，例如由鉭(Ta)或鎢(W)等形成；靶材T可以為圓板狀，也可以為其他固體形狀，也可以使用液狀物(液體金屬)。加速器11可以是直線加速器、迴旋加速器、同步加速器、同步迴旋加速器，中子產生裝置10也可以是核反應爐而不採用加速器和靶材。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，產生的實際上皆為混合輻射場，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。另外，對於被照射體的正常組織來說，各種輻射線應避免過多，同樣造成不必要的劑量沉積。
中子產生裝置10產生的中子束N依次通過射束整形體20和準直器30照射向治療台40上的患者200。射束整形體20能夠調整中子產生裝置10產生的中子束N的射束品質，準直器30用以彙聚中子束N，使中子束N在進行治療的過程中具有較高的靶向性，通過調整準直器30能夠調整射束的方向及射束與治療台40上的患者200的位置關係，治療台40及患者200的位置也可以進行調整，使射束對準患者200體內的腫瘤細胞M。這些調整可以人工手動操作的，也可以是通過一系列控製機構自動實現的。可以理解，本發明也可以不具有準直器，射束從射束整形體20出來後直接照射向治療台40上的患者200。
射束整形體20進一步包括反射體21、緩速體22、熱中子吸收體23、輻射屏蔽體24和射束出口25，中子產生裝置10生成的中子由於能譜很廣，除了超熱中子滿足治療需要以外，需要盡可能的減少其他種類的中子及光子含量以避免對操作人員或患者造成傷害，因此從中子產生裝置10出來的中子需要經過緩速體22將其中的快中子能量調整到超熱中子能區，緩速體22由與快中子作用截面大、超熱中子作用截面小的材料製成，作為一種優選實施例，緩速體13由D2O、AlF3、Fluental、CaF2、Li2CO3、MgF2和Al2O3中的至少一種製成；反射體21包圍緩速體22，並將穿過緩速體22向四周擴散的中子反射回中子射束N以提高中子的利用率，由具有中子反射能力強的材料製成，作為一種優選實施例，反射體21由Pb或Ni中的至少一種 製成；緩速體22後部有一個熱中子吸收體23，由與熱中子作用截面大的材料製成，作為一種優選實施例，熱中子吸收體23由Li-6製成，熱中子吸收體23用於吸收穿過緩速體22的熱中子以減少中子束N中熱中子的含量，避免治療時與淺層正常組織造成過多劑量；輻射屏蔽體24圍繞射束出口25設置在反射體後部，用於屏蔽從射束出口25以外部分滲漏的中子和光子，輻射屏蔽體24的材料包括光子屏蔽材料和中子屏蔽材料中的至少一種，作為一種優選實施例，輻射屏蔽體24的材料包括光子屏蔽材料鉛(Pb)和中子屏蔽材料聚乙烯(PE)。準直器30設置在射束出口25後部，從準直器30出來的超熱中子束向患者200照射，經淺層正常組織後被緩速為熱中子到達腫瘤細胞M。可以理解，射束整形體20還可以有其他的構造，只要能夠獲得治療所需超熱中子束即可。
患者200服用或注射含硼(B-10)藥物後，含硼藥物選擇性地聚集在腫瘤細胞M中，然後利用含硼(B-10)藥物對熱中子具有高捕獲截面的特性，借由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短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，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。
硼中子捕獲治療裝置100還包括輻射屏蔽裝置50，雖然中子產生裝置10產生的中子束N經過射束整形體20和準直器30後照射到患者200 的主要為治療用超熱中子束，但實際上仍難以完全避免其他中子及光子混雜其中，這些放射線照射到患者200正常組織時還是有可能造成損傷，另外，治療用超熱中子束雖然對人體正常組織的影響極小，仍要進一步降低引起劑量累積的可能性，因此需要在設置輻射屏蔽裝置50將患者無需被射束照射的部位遮擋加以保護。
輻射屏蔽裝置50又進一步包括醫學影像掃描裝置51、數據處理及三維建模裝置52、屏蔽體53。醫學影像掃描裝置51掃描患者200照射部位，並輸出醫學影像體素數據，照射部位定義為從放射線照射裝置(由中子產生裝置10、射束整形體20、準直器30組成)靠近治療台40的端面沿照射方向取一定的照射深度，垂直於照射方向取一定的照射平面，所形成的立體空間與患者身體的重合部分。醫學影像數據可以為核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、電子電腦斷層掃描(Computed Tomography,CT)、正電子發射型電腦斷層掃描(Positron Emission Tomography,PET)、PET-CT或X射線成像(X-Ray imaging)，下文實施例中將基於電子電腦斷層掃描(CT)的數據來闡述，CT的檔案格式通常為DICOM。但本領域技術人員熟知地，還可以使用其他的醫學影像數據，只要該醫學影像數據能夠被轉換成三維假體組織模型，就能夠應用于本發明揭示的基於醫學影像的輻射屏蔽裝置中。
患者200在治療台40進行定位後，通過CT掃描患者200照射部位，形成CT數據檔案，即醫學影像體素數據；數據處理及三維建模裝置52根據醫學影像體素數據建立三維假體組織模型，如利用MI-3DVS軟體或CAD軟體等三維建模軟體進行三維視覺化，三維假體組織模型包括病變組 織和正常組織，根據三維假體組織模型，再建立正常組織屏蔽體的三維模型，並確定屏蔽體的安裝位置。屏蔽體三維模型的建立可以結合放射線照射裝置的數據資訊，如射束強度、射束通量、射束直徑、照射路徑等，及放射線照射裝置與照射部位的位置關係，在此過程中還可以根據實際情況進行人為的修正。可以理解，也可以在患者200進入治療室之前就進行CT掃描，這樣便不需要將醫學影像掃描裝置51集成在治療室內，可以利用醫院現有的CT掃描機，通過掃描確定照射部位，形成照射部位的CT數據檔案。此時，放射線照射裝置的數據資訊，如射束強度、射束通量、射束直徑、照射路徑等，和放射線照射裝置與照射部位的位置關係也要依據掃描確定的照射部位來進行確定，然後根據上述數據資訊建立屏蔽體三維模型。
屏蔽體53由屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印形成，將記錄三維模型數據的STL格式檔輸入到電腦系統中，並分層成二維切片數據，通過電腦控製的3D列印系統進行逐層列印，疊加後最終獲得三維產品。屏蔽體53能夠屏蔽放射線照射裝置產生的射束對患者200正常組織的照射，射束經過屏蔽體53後作用到治療台40上的患者200的腫瘤細胞M，屏蔽體53位於放射線照射裝置和照射部位之間，優選的屏蔽體位於準直器或射束出口和照射部位之間。屏蔽體53的材料包括屏蔽中子的材料或屏蔽光子的材料中的至少一種。優選屏蔽體53為板狀，直接固定在患者照射部位的體表，與患者待安裝位置的體表外形相互匹配，易於正確安裝，固定方式可以是粘附、帶子或卡扣等。屏蔽體53具有中心通孔531，中心通孔531的直徑與患者200體內的腫瘤細胞M在垂直於射束方向的最大尺寸的比值區間為1-2，在殺死腫瘤細胞的同時，最大限度的避免正常組織的損傷，中心通 孔531的形狀優選為腫瘤細胞M平行於射束方向的投影的外輪廓形狀，中心通孔限定的直徑即可以理解為該外輪廓形狀的直徑。可以理解，屏蔽體53也可以不具有中心通孔，而是在中心部分具有與其他部分不同的厚度或者整個屏蔽體都可以在不同的位置具有不同的厚度。屏蔽體53最大厚度的數值範圍為3-20mm，外表面的面積範圍為10-200cm2。由於採用3D列印，屏蔽體53能夠依據不同被照射體的個體差異分別成型，且能夠對複雜形狀快速成型，能夠獲得更好的輻射屏蔽效果。在一些形狀特殊的部位，屏蔽體53還可以為多個，方便安裝。屏蔽體53還可以固定在治療台或準直器或射束出口上，也可以將3D印表機與治療台或準直器或射束出口相結合，確定相互位置關係後直接在對應位置列印出屏蔽體。通過醫學影像掃描患者腫瘤部位，獲得有針對性的3D列印屏蔽體，放射線經過屏蔽體後被衰減的比例可以達到50%，優選為80%，患者正常組織在硼中子捕獲治療過程中接受的輻射劑量小於18Gy。放射線經過屏蔽體後對正常組織的輻射深度與不經過屏蔽體相比的比例50%。屏蔽體53的材料、形狀、結構可以設計的更為複雜，能夠改變從準直器或射束出口出來的中子束的路徑，使其與腫瘤細胞的立體形狀相匹配，如中心通孔531在沿射束方向由不同的線段組成、屏蔽體53不同部分由不同的材料組成。
本實施例的基於醫學影像的輻射屏蔽方法，包括如下步驟：S1：通過醫學影像掃描裝置51掃描患者200照射部位，並輸出所述照射部位的醫學影像體素數據；S2：數據處理及三維建模裝置52根據S1得到的醫學影像體素建立三維假體組織模型； S3：數據處理及三維建模裝置52根據S2得到的三維假體組織模型數據建立屏蔽體三維模型；S4：將屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印屏蔽體53；S5：將屏蔽體53進行安裝定位。
步驟S3還包括採集或輸入放射線照射裝置的數據資訊，如射束強度、射束通量、射束直徑、照射路徑等，及放射線照射裝置與照射部位的位置關係，然後結合三維假體組織模型數據建立屏蔽體三維模型，並確定屏蔽體安裝位置，在此過程中還可以根據實際情況進行人為的修正。
本發明的實施例中採用醫學影像掃描裝置可以獲得患者照射部位的組織構成，從而有針對性的根據腫瘤細胞的形狀、位置、大小等獲得屏蔽體。可以理解，本發明也可以採用非醫學影像掃描裝置，如僅對患者體表形狀進行掃描的三維影像掃描裝置，從而獲得患者照射部位外形的三維數據進行三維建模，進而獲得與照射部位外形匹配的3D列印屏蔽體。
可以理解，本發明還可以應用于本領域技術人員熟知的其他需要對病變組織進行放射線照射，而又要保護正常組織免受或少受放射線輻射/照射的放射線治療領域，則中子產生裝置相應地替換為其他放射線產生裝置，如質子產生裝置、重離子產生裝置、X射線產生裝置或伽馬射線產生裝置等；也可以應用於其他能夠用放射線照射進行治療的疾病，如阿爾茲海默症、類風濕關節炎，則腫瘤細胞為其他病變組織。本實施例中的被照射體為癌症患者，可以理解，被照射體也可以為其他生物體，如哺乳動物。
本發明實施例中的位置關係，指的是沿射束傳輸路徑的方向 的位置關係，“後部”指沿射束方向的下游。
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)
- 一種基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，用於屏蔽放射線照射裝置對被照射體的正常組織的輻射，包括：醫學影像掃描裝置，其掃描所述被照射體的照射部位，並輸出醫學影像體素數據；數據處理及三維建模裝置，其根據所述醫學影像體素數據建立三維假體組織模型，屏蔽並根據該三維假體組織模型建立屏蔽體三維模型；屏蔽體，屏蔽屏蔽其由所述屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印形成，屏蔽該屏蔽體位於放射線照射裝置和照射部位之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，其中，屏蔽該屏蔽體三維模型是根據該三維假體組織模型，結合該放射線照射裝置的數據資訊及放射線照射裝置與照射部位的位置關係建立的。
- 如申請專利範圍第1項所述之基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，其中，該屏蔽體的材料包括屏蔽中子的材料或屏蔽光子的材料中的至少一種，該屏蔽體固定在該被照射體表面，與該被照射體表面外形相互匹配。
- 如申請專利範圍第3項所述之基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，其中，該屏蔽體具有中心通孔，其直徑與該被照射體體內的病變組織在垂直於射束方向的最大尺寸的比值區間為1-2，該屏蔽體最大厚度的數值範圍為3-20mm，該屏蔽體外表面的面積範圍為10-200cm 2。
- 如申請專利範圍第1項所述之基於醫學影像的輻射屏蔽裝置，其中，該放射線照射裝置產生的放射線經過屏蔽體後被衰減的比例為 50%，放射線經 過屏蔽體後對正常組織的輻射深度與不經過屏蔽體相比的比例 50%。
- 一種放射線治療裝置，包括放射線照射裝置和屏蔽體，該放射線照射裝置照射被照射體，形成照射部位；該屏蔽體位於該放射線照射裝置和照射部位之間，並由3D印表機列印形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之放射線治療裝置，其進一步包括三維影像掃描裝置和數據處理及三維建模裝置，該三維影像掃描裝置掃描該照射部位並輸出三維數據；該數據處理及三維建模裝置根據該三維數據建立照射部位三維模型，並根據該照射部位三維模型建立屏蔽體三維模型；該屏蔽體由該屏蔽體三維模型數據輸入3D印表機列印形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之放射線治療裝置，其中，該放射線照射裝置包括放射線產生裝置、射束整形體、準直器，該放射線產生裝置能夠產生放射線，該射束整形體能夠調整該放射線產生裝置產生的放射線的射束品質，該射束整形體包括射束出口，該準直器能夠彙聚經過該射束整形體的放射線，該屏蔽體位於該準直器或射束出口和照射部位之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之放射線治療裝置，其進一步為硼中子捕獲治療裝置，該被照射體為癌症患者，該放射線產生裝置為中子產生裝置，該中子產生裝置包括加速器和靶材，該加速器對帶電粒子進行加速，中子由該加速的帶電粒子與靶材作用產生。
- 如申請專利範圍第9項所述之放射線治療裝置，其進一步包括治療台，該放射線經過該屏蔽體後作用到該治療臺上的患者的病變組織，該屏蔽體固定在被照射體表面或該治療台或該準直器或該射束出口上，該患者正常組織在硼中子捕獲治療過程中接受的輻射劑量小於18Gy。
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