TW202208021A - 放射線照射系統及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一種放射線照射系統及其控制方法，放射線照射系統包括射束照射裝置、治療計畫模組、控制模組、準備室和照射室，準備室和照射室內分別設置第一、第二立體視覺裝置，被照射體在準備室內根據治療計畫確定的被照射部位的位置進行模擬定位並通過第一立體視覺裝置採集的被照射部位的第一圖像與治療計畫進行比較以確定模擬定位位姿，被照射體在照射室內根據確定的模擬定位位姿進行照射定位並通過第二立體視覺裝置採集的被照射部位的第二圖像與治療計畫進行比較以控制射束照射裝置對被照射體開始進行照射治療。通過設置立體視覺裝置，確保被照射體按照治療計畫進行照射治療，達到預期治療效果，同時降低對正常組織的輻射損傷。
Description
本發明一方面係有關於一種放射線照射系統，本發明另一方面係有關於一種放射線照射系統的控制方法。
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：多型性膠質母細胞瘤(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，藉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。
在放射線治療中通過使射束對準治療台上的被照射體體內的腫瘤細胞，以實施精準治療，同時最大程度地降低對被照射體腫瘤細胞周圍正常組織的輻射損傷。在臨床治療過程中，需要嚴格按照治療計畫確定的治療方案對被照射體患者進行準確擺位，如果擺位
差過大，病灶靶區中心位置會發生變化，從而無法達到期望的治療效果。同時，如硼中子捕獲治療，一次照射大概需要半小時時間，在這個過程中被照射體患者身體無意識的運動同樣可能導致病灶靶區中心位置發生變化。
因此，有必要提出一種新的技術方案以解決上述問題。
為解決上述技術問題，本發明一方面提供了一種放射線照射系統，包括射束照射裝置，該射束照射裝置用於產生治療用射束並將該治療用射束照射到被照射體形成被照射部位；治療計畫模組，該治療計畫模組用於根據該治療用射束的參數和該被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，該治療計畫確定該被照射部位在照射治療時相對於該射束照射裝置的位置；控制模組，該控制模組用於根據該治療計畫控制該射束照射裝置的照射；準備室，該被照射體在該準備室內根據該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行模擬定位，該準備室內設置第一立體視覺裝置，該第一立體視覺裝置用於採集該被照射部位的第一圖像，該控制模組將該第一圖像與該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內並確定該被照射體的模擬定位位姿；照射室，該被照射體在該照射室內根據確定的該模擬定位位姿進行照射定位，該照射室內設置第二立體視覺裝置，該第二立體視覺裝置用於採集該被照射部
位的第二圖像，該控制模組將該第二圖像與確定的該模擬定位位姿相應的該被照射部位的第一圖像或該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內，並控制該射束照射裝置對該被照射體開始進行照射治療。準備室內的模擬定位節約了在照射室內進行照射治療前對被照射體定位的工作時間，在進行準備工作的同時可以對另一被照射體進行照射治療，增加了設備的利用率；通過設置立體視覺裝置在模擬定位和照射治療前採集被照射體的圖像並與治療計畫進行比較，確保被照射體按照治療計畫進行照射治療，達到預期治療效果，同時降低對正常組織的輻射損傷。
作為一種優選地，該射束照射裝置包括至少部分設置在該照射室內的射束出口，該準備室內設置與該射束出口相同的模擬射束出口，該模擬射束出口和該第一立體視覺裝置具有與該射束出口和該第二立體視覺裝置相同的位置關係，該準備室和該照射室中定義相同的照射坐標系，該控制模組能夠將該第一、第二圖像轉換為該被照射部位在該照射坐標系下的座標矩陣。
進一步地，該治療計畫模組採用蒙特卡羅模擬程式進行劑量模擬計算，該治療計畫模組將該被照射部位的醫學影像數據轉換成該蒙特卡羅模擬程式所需的體素假體組織模型，該被照射部位的醫學影像數據包括該被照射部位在醫學影像坐標系下的座標矩陣，該治療計畫模組或該控制模組能夠獲得該醫學影像坐標系與該照射坐標系的座標轉換矩陣。
進一步地，該被照射部位上設置特徵圖形，該特徵圖形採用既能被醫學影像顯影又能被該第一、第二立體視覺裝置識別的材質，該
第一、第二立體視覺裝置通過採集該特徵圖形的圖像來採集該被照射部位的圖像，該控制模組根據該特徵圖形在該被照射部位的醫學影像中的位置將該特徵圖形的圖像轉換為該被照射部位在該照射坐標系下的座標矩陣。設置特徵圖形，使立體視覺裝置採集到的數據更加快速、準確。
進一步地，該準備室和該照射室內均設置相同的且具有同樣的位置關係的鐳射定位裝置，該治療計畫模組能夠模擬該鐳射定位裝置產生的鐳射打到該被照射部位上的位置；操作者根據該位置在被照射體上做標記，並根據做好的標記調整被照射體在準備室模擬定位和照射室照射定位時的位置和姿勢，使鐳射定位裝置產生的鐳射打到被照射體上的位置與該標記一致，設置鐳射定位裝置，使操作者手動定位時更加方便和快捷。更進一步地，該鐳射定位裝置產生的鐳射確定與該射束出口和該模擬射束出口的中心軸線一致的位置；鐳射定位裝置產生的鐳射打到被照射體上的位置代表了射束出口出來的射束中心軸線入射到被照射體上的位置，根據治療計畫模擬的射束中心軸線在體素假體組織模型的入射點在被照射體上做標記，使得模擬定位和照射治療時確定的射束入射位置更加準確。
作為另一種優選地，該放射線照射系統還包括設置在該照射室內的治療台和治療台定位裝置，該被照射體在該治療台上進行照射治療，該控制模組通過該治療台定位裝置控制該治療台進行移動。
作為另一種優選地，該第二立體視覺裝置在照射治療時即時採集該被照射部位的第三圖像，該控制模組將該第三圖像與開始照射治療時相應的該被照射部位的第二圖像或確定的該模擬定位位姿相應的該被照射部位的第一圖像或該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確
保在允許的差別範圍內，並控制該射束照射裝置對該被照射體持續進行照射治療。通過設置立體視覺裝置在照射治療時即時採集被照射體的圖像並與治療計畫進行比較，確保照射治療過程中被照射體始終按照治療計畫進行照射治療，獲得更好的治療效果。
作為另一種優選地，該放射線照射系統為中子捕獲治療系統，該射束照射裝置包括中子產生裝置、射束整形體和治療台，該中子產生裝置包括加速器和靶材，該加速器對帶電粒子加速產生帶電粒子線並與該靶材作用產生中子線，該射束整形體能夠調整該中子產生裝置產生的中子線到預設射束品質，該中子產生裝置產生的中子線通過該射束整形體照射向該治療台上的該被照射體。
本發明另一方面提供了一種放射線照射系統的控制方法，該放射線照射系統包括射束照射裝置、治療計畫模組、控制模組、準備室和照射室，該射束照射裝置用於產生治療用射束並將該治療用射束照射到被照射體形成被照射部位，該準備室和該照射室內分別設置第一、第二立體視覺裝置，該控制方法包括：該治療計畫模組根據該射束照射裝置產生的該治療用射束的參數和該被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，該治療計畫確定該被照射部位在照射治療時相對於該射束照射裝置的位置和相應的照射時間；該控制模組從該治療計畫模組調取當前該被照射體對應的該治療計畫；在該準備室內根據該治療計畫確定的該被照射部位的位置對該被照射體進行模擬定位；該第一立體視覺裝置採集該被照射部位的第一圖像，該控制模組將該第一圖像與該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內並確定該被照射
體的模擬定位位姿；在該照射室內根據確定的該模擬定位位姿對該被照射體進行照射定位；該第二立體視覺裝置採集該被照射部位的第二圖像，該控制模組將該第二圖像與確定的該模擬定位位姿相應的該被照射部位的第一圖像或該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內，並控制該射束照射裝置對該被照射體開始進行照射治療；達到該治療計畫確定的照射時間，該控制模組控制該射束照射裝置停止照射該被照射體。
本發明的放射線照射系統，通過設置立體視覺裝置在模擬定位和照射治療前採集被照射體的圖像並與治療計畫進行比較，確保被照射體按照治療計畫進行照射治療，達到預期治療效果，同時降低對正常組織的輻射損傷。
100:硼中子捕獲治療系統
101:照射室
102:帶電粒子束生成室
103:分隔壁
104:準備室
10:中子束照射裝置
11:中子產生裝置
111:加速器
T:靶材
12:射束整形體
121:反射體
122:緩速體
123:熱中子吸收體
124:輻射屏蔽體
125、125’:射束出口
13:準直器
14、14’:治療台
15:輻射屏蔽裝置
20:治療計畫模組
30:控制模組
40、40’:立體視覺裝置
50、50’:治療台定位裝置
60、60’:鐳射定位裝置
200:被照射體
201:特徵圖形
M:腫瘤細胞
N:中子線
P:帶電粒子線
圖1為本發明實施例的硼中子捕獲治療系統的模組示意圖；
圖2為本發明實施例的硼中子捕獲治療系統的結構示意圖；
圖3為本發明實施例的硼中子捕獲治療系統在被照射體定位時的示意圖；
圖4為本發明實施例的硼中子捕獲治療系統的工作過程的流程圖；
圖5為本發明實施例的硼中子捕獲治療系統的治療計畫模組生成治療計畫的流程圖。
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。
如圖1，本實施例中的放射線照射系統為硼中子捕獲治療系統100，包括中子束照射裝置10、治療計畫模組20和控制模組30。中子束照射裝置10用於產生治療用中子束N並將治療用中子束N照射到被照射體200形成被照射部位。治療計畫模組20根據中子束照射裝置10產生的治療用中子束N的參數和被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，治療計畫確定被照射部位在照射治療時相對於中子束照射裝置10的位置及相應的照射時間。在被照射體200按照治療計畫確定的位置被定位後，可以開始治療，控制模組30從治療計畫模組20調取當前被照射體200對應的治療計畫，並根據治療計畫控制中子束照射裝置10的照射。控制模組30還可以接收其他數據資訊，如中子束照射裝置10的數據、被照射體200的數據等。
如圖2，一實施例中，中子束照射裝置10包括中子產生裝置11、射束整形體12、準直器13和治療台14，中子產生裝置11包括加速器111和靶材T，加速器111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。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111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11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11產生的中子束N依次通過射束整形體12和準直器13照射向治療台14上的被照射體200。射束整形體12能夠調整中子產生裝置11產生的中子束N的射束品質，準直器13用以會聚中子束N，使中子束N在進行治療的過程中具有較高的靶向性。可以理解，本發明也可以不具有準直器，射束從射束整形體12出來後直接照射向治療台14上的被照
射體200。
射束整形體12進一步包括反射體121、緩速體122、熱中子吸收體123、輻射屏蔽體124和射束出口125，中子產生裝置11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被照射體造成傷害，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(>40keV)調整到超熱中子能區(0.5eV-40keV)並盡可能減少熱中子(<0.5eV)，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122由D2O、AlF3、FluentalTM、CaF2、Li2CO3、MgF2和Al2O3中的至少一種製成；反射體121包圍緩速體122，並將穿過緩速體122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121由Pb或Ni中的至少一種製成；緩速體122後部有一個熱中子吸收體123，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123由Li-6製成，熱中子吸收體123用於吸收穿過緩速體122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，可以理解，熱中子吸收體也可以是和緩速體一體的，緩速體的材料中含有Li-6；輻射屏蔽體124用於屏蔽從射束出口125以外部分滲漏的中子和光子，輻射屏蔽體124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124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13設置在射束出口125後部，從準直器13出來的超熱中子束向被照射體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；為描述方便，當設置有準直器13時，準直器13的出口也可以看做是下文所述的射束出口125。本實施例中，被照射體200和射束出口125之間還設置了輻射屏蔽裝置15，屏蔽從射束出口125出來的射束對被照射體正常組織的輻射，可以理解，也可以不設置輻射屏蔽裝置15。
被照射體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，藉由10B(n,α)7 Li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。
硼中子捕獲治療系統100整體容納在混凝土構造的建築物中，具體來說，硼中子捕獲治療系統100還包括照射室101和帶電粒子束生成室102，治療台14上的被照射體200在照射室101中進行中子束N照射的治療，帶電粒子束生成室102至少部分容納加速器111，射束整形體12至少部分容納在照射室101和帶電粒子束生成室102的分隔壁103內。可以理解，分隔壁103可以是將照射室101和帶電粒子束生成室102完全隔開的；也可以是照射室101和帶電粒子束生成室102之間的部分隔斷，照射室101和帶
電粒子束生成室102是相通的。靶材T可以有一個或多個，帶電粒子線P可選擇地與其中一個或幾個靶材T作用或同時與多個靶材T作用，以生成一個或多個治療用中子束N。與靶材T的個數相應，射束整形體12、準直器13、治療台14也可以為一個或多個；多個治療台可以設置在同一個照射室內，也可以為每個治療台設置一個單獨的照射室。照射室101和帶電粒子束生成室102為混凝土壁W(包括分隔壁103)包圍形成的空間，混凝土結構可以屏蔽硼中子捕獲治療系統100工作過程中洩漏的中子及其他輻射線。
硼中子捕獲治療系統100還可以包括準備室103、控制室(圖未示)和其他用於輔助治療的空間。每一個照射室101可以配置一個準備室103，準備室103用於進行照射治療前被照射體200的模擬定位、注射硼藥等準備工作，準備室103內的模擬定位節約了在照射室101內進行照射治療前對被照射體200定位的工作時間，在進行準備工作的同時可以對另一被照射體進行照射治療，增加了設備的利用率。操作者在控制室內進行中子束照射裝置10的照射的控制。參閱圖3，中子束照射裝置10的射束出口125至少部分設置在照射室101內，準備室103內設置與中子束照射裝置10的射束出口125相同的模擬射束出口125’和模擬治療台14’。立體視覺裝置通過在不同位置採集同一物體的多個圖像來構建物體的三維資訊，能夠準確監測被照射體的位姿，確保按治療計畫進行照射治療。照射室101和準備室103內可以分別設置立體視覺裝置40、40’用於採集被照射體200的圖像並計算獲得圖像數據，如被照射體200在立體視覺裝置坐標系下的座標矩陣，從而確定被照射體200的位置。一實施例中，採用兩個CCD相機組成雙目立體視覺裝置，可以理解，CCD相機也可以替換為其他圖像採
集設備，圖像採集設備的數量可以為2個或2個以上，本發明對此不作具體限定。照射室101內的射束出口125和立體視覺裝置40具有與準備室內103的模擬射束出口125’和立體視覺裝置40’相同的位置關係，因此，在準備室和照射室中定義相同的照射坐標系和立體視覺裝置坐標系，控制模組30能夠獲得照射坐標系與立體視覺裝置坐標系的座標轉換矩陣並將被照射體200在立體視覺裝置坐標系下的座標矩陣轉換為在照射坐標系下的座標矩陣，即控制模組30將立體視覺裝置40、40’採集的被照射體200的圖像轉換為被照射體200在照射坐標系下的座標矩陣。參閱圖4，下麵詳述本發明實施例的放射線照射系統的工作過程及被照射體被定位的過程：
S301：治療計畫模組20生成治療計畫，並確定被照射部位在照射治療時相對於中子束照射裝置10的位置及相應的照射時間。
S302：控制模組30從治療計畫模組20調取當前被照射體200對應的治療計畫。
S303：在準備室103內根據治療計畫確定的被照射部位的位置對模擬治療台14’和模擬治療台14’上的被照射體200進行模擬定位。
S304：將準備室103內的立體視覺裝置40’採集的被照射部位的圖像傳輸到控制模組30，並與治療計畫確定的被照射部位的位置進行比較。
如果比較的結果在允許的差別範圍內，則執行步驟S305：確定模擬定位位姿；如果比較的結果超過允許的差別範圍，則返回步驟S303，根據比較的結果調整模擬定位。
S306：按確定的模擬定位位姿在照射室101內對治療台14和
治療台14上的被照射體200進行照射定位。
S307：將照射室101內的立體視覺裝置40採集的被照射部位的圖像傳輸到控制模組30，並與治療計畫確定的被照射部位的位置進行比較。
如果比較的結果在允許的差別範圍內，則執行步驟S308：開始照射治療；如果比較的結果超過允許的差別範圍，則返回步驟S306，根據比較的結果調整照射定位。
S309：達到治療計畫確定的照射時間，停止照射治療。
一實施例中，在步驟S308開始照射治療後，還可以包括步驟S310：照射室101內的立體視覺裝置40即時採集被照射部位的圖像並傳輸到控制模組30，與治療計畫確定的被照射部位的位置進行比較。
如果比較的結果在允許的差別範圍內，則執行步驟S311：繼續進行照射治療，並返回步驟S310持續進行比較；如果比較的結果超過允許的差別範圍，則執行步驟S312：暫停治療，根據比較的結果調整照射定位後返回步驟S310。
參閱圖5，步驟S301進一步包括：
S401：將被照射部位的醫學影像數據轉換成蒙特卡羅模擬程式所需的體素假體組織模型，並獲得蒙特卡羅模擬程式輸入檔所需的數據。
一實施例中，醫學影像數據採用電子電腦斷層掃描(Computed Tomography,CT)的數據，被照射部位的醫學影像數據包括被照射部位的醫學影像體素模型在醫學影像坐標系下的座標矩陣及CT值矩
陣，治療計畫模組將CT值矩陣轉換為組織種類資訊矩陣。在BNCT中，還可以定義組織硼濃度資訊，即得到帶有組織種類和組織硼濃度資訊的蒙特卡羅模擬程式所需的體素假體組織模型。可以理解，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體素假體組織模型，就能夠應用於本發明揭示的放射治療系統及其治療計畫生成方法中。根據醫學影像數據建立體素假體組織模型的詳細過程，可以參照2017年03月08日公開的、公開號為CN106474634A、發明名稱為“基於醫學影像數據的幾何模型建立方法”的專利申請，在此全文引入。
S402：在蒙特卡羅模擬程式(如MCNP,Monte Carlo N Particle Transport Code)中定義射束參數，通過對不同照射角度取樣進行劑量模擬計算。
建立帶有組織種類和組織硼濃度資訊的體素假體組織模型後，便可以通過蒙特卡羅模擬程式模擬BNCT中被照射體被中子束照射時內部三維空間核粒子碰撞軌跡和能量分佈，在蒙特卡羅模擬程式中定義射束參數(如射束能量、強度、半徑等)，通過對不同照射角度取樣，模擬計算三維體素假體組織模型在不同照射角度的劑量分佈。
S403：根據計算結果對照射角度進行優選生成治療計畫，確定被照射部位的最優照射角度。
得到劑量分佈後，根據劑量指標(如處方劑量)、劑量限值(如平均劑量、最大劑量)等對不同的照射角度進行優選評估確定治療計畫，即最優照射角度及相應的照射時間。可以理解，在步驟S420對照射角度取樣時，或者在步驟S430對照射角度進行優選評估時，還可以對射束路
徑進行評價，本申請對射束角度評價的方法不做具體限定，如可以參照2017年06月16日公開的、公開號為CN106853272A、發明名稱為“射束的照射角度評價方法”的專利申請。治療計畫模組計算得到的最優照射角度，確定了被照射部位相對於中子束照射裝置10的位置。一實施例中，治療計畫模組20還可以在蒙特卡羅模擬程式中定義與準備室、照射室相同的照射坐標系，治療計畫模組20將被照射部位在醫學影像坐標系下的座標矩陣轉換為照射坐標系下的座標矩陣，治療計畫模組計算得到的治療計畫數據包括最優照射角度下被照射部位的體素假體組織模型在照射坐標系下的座標矩陣，可以理解，在蒙特卡羅模擬程式中也可以不進行照射坐標系的座標矩陣轉換，而是由治療計畫模組20或控制模組30計算出照射坐標系相對於醫學影像坐標系的座標變換矩陣，在後續的步驟中通過座標變換矩陣進行轉換從而進行比較。
在準備開始進行照射治療時，執行步驟S302，控制模組30從治療計畫模組20調取當前被照射體200對應的治療計畫。從治療計畫可以獲得被照射部位的位置，如在控制模組30的人機介面中顯示被照射部位的模型相對於虛擬射束出口的位置或顯示相關的位置參數，即可以進行步驟S303，在準備室103內根據治療計畫確定的被照射部位的位置對模擬治療台14及模擬治療台14’上的被照射體200進行模擬定位。此過程是醫師等操作者手動進行的，還需與治療計畫進行比較確認，一實施例中，通過步驟S304，將準備室103內的立體視覺裝置40’採集的被照射部位的圖像傳輸到控制模組30，控制模組30將其轉換到照射坐標系與治療計畫數據確定的被照射部位的體素假體組織模型在照射坐標系下的座標矩陣進行比較，
以確保在允許的差別範圍內，即可以確定模擬定位位姿(步驟S305)；否則，返回步驟S303調整模擬定位位姿，如根據比較的結果計算偏差量並根據計算得到的偏差量進行調整；還可以不調整，在照射室101對被照射體200進行定位時考慮該偏差量。模擬定位的過程考慮到被照射體的實際情況並盡可能與治療計畫確定的照射位置保持一致。
一實施例中，為了使立體視覺裝置採集到的數據更加快速、準確，在被照射部位上設置特徵圖形201，並採集特徵圖形201在被照射部位的醫學影像中的位置，特徵圖形201採用既能被醫學影像顯影又容易被立體視覺裝置識別的材質，特徵圖形201的形狀不限，圖3所示實施例中為三角形。可以理解，此過程可以在步驟S304之前進行(如在步驟S401採集被照射部位的醫學影像數據前設置特徵圖形201，即可以同時獲得被照射部位的醫學影像數據和特徵圖形201在被照射部位的醫學影像中的位置)也可以在步驟S304中進行。立體視覺裝置40’採集特徵圖形201的圖像傳輸到控制模組30，控制模組30通過特徵圖形在被照射部位的醫學影像中的位置將其轉換為被照射部位在照射坐標系下的座標矩陣，與治療計畫數據確定的被照射部位的體素假體組織模型在照射坐標系下的座標矩陣進行比較，以確保在允許的差別範圍內，確定模擬定位位姿。
模擬定位完成後，即可以進行步驟S306，按確定的模擬定位位姿在照射室101內對治療台14和治療台14上的被照射體200進行照射定位，一實施例中，照射室101內還設置有治療台定位裝置50，控制模組30通過控制治療台定位裝置50控制治療台14進行移動，可以理解，準備室103內也可以設置治療台定位裝置來控制模擬治療台14’進行移動以進行
被照射體的模擬定位。此過程也是醫師等操作者手動進行的，還需將照射室101內的立體視覺裝置40採集的被照射部位的圖像與步驟S305確定的模擬定位位姿相應的被照射部位的圖像或治療計畫進行比較確認，如執行步驟S307，一實施例中，照射室101內的立體視覺裝置40採集的特徵圖形的圖像，控制模組30通過特徵圖形在被照射部位的醫學影像中的位置將其轉換為被照射部位在照射坐標系下的座標矩陣，與治療計畫數據確定的被照射部位的體素假體組織模型在照射坐標系下的座標矩陣進行比較以確保在允許的差別範圍內，可以開始照射治療(步驟S308)，控制模組30控制中子束產生裝置11產生中子束，即控制射束照射裝置10對被照射體200開始進行照射治療；否則，返回步驟S306調整照射位姿，如根據比較的結果計算偏差量並根據計算得到的偏差量進行調整。
照射治療過程中，照射室101內的立體視覺裝置40可以持續即時採集被照射部位的圖像並傳輸到控制模組30，與步驟S308中開始照射治療時相應的被照射部位的圖像或步驟S305確定的模擬定位位姿相應的被照射部位的圖像或治療計畫進行比較，如執行步驟S310。一實施例中，照射室101內的立體視覺裝置40即時採集的特徵圖形的圖像，控制模組30通過特徵圖形在被照射部位的醫學影像中的位置將其轉換為被照射部位在照射坐標系下的座標矩陣，與治療計畫數據確定的被照射部位的體素假體組織模型在照射坐標系下的座標矩陣進行比較以確保在允許的差別範圍內，繼續進行照射治療(步驟S311)，並返回步驟S310持續進行比較；否則，執行步驟S312，暫停治療並根據比較的結果調整照射位姿後返回步驟S310，可以理解，也可以是對治療計畫進行調整，照射治療過程中，還可
以根據控制模組30接收到的其他資訊，對治療計畫進行調整或執行其他控制。當控制模組30判斷達到治療計畫確定的照射時間，即執行步驟S309，控制模組控制射束照射裝置10停止照射被照射體200，如控制中子產生裝置11停止產生中子束。
一實施例中，照射室101和準備室103內均設置相同的且具有同樣的位置關係的鐳射定位裝置60、60’，治療計畫模組20可以模擬鐳射定位裝置60、60’產生的鐳射打到治療計畫確定的照射角度的被照射部位上的位置，操作者根據該位置並在被照射體200上做標記，並根據做好的標記調整被照射體200在準備室103模擬定位和照射室101照射定位時的位置和姿勢(步驟S303和步驟S306)，使鐳射定位裝置60、60’產生的鐳射打到被照射體200上的位置與該標記一致。設置鐳射定位裝置，使操作者手動定位時更加方便和快捷。
鐳射定位裝置60、60’產生的鐳射還可以確定與射束出口125、125’的中心軸線X、X’一致的位置，如圖3中所示，即鐳射定位裝置60、60’產生的鐳射打到被照射體200上的位置代表了射束出口125、125’出來的射束中心軸線入射到被照射體200上的位置，根據治療計畫模擬的射束中心軸線在體素假體組織模型的入射點在被照射體200上做標記，使得模擬定位和照射治療時確定的射束入射位置更加準確。
治療計畫還可以確定多個照射角度依次照射，如參照本申請人於2020年06月11日遞交到國家知識產權局、申請號為202010528551.0、發明名稱為“放射治療系統及其治療計畫生成方法”的專利申請，在第一照射角度的照射完成後，需在準備室重新進行第二照射角度的模擬定位，
即重複上述步驟S303-S312。
可以理解，上述步驟中計算方法的一些簡單變換，如不同坐標系先後轉換的簡單變換，仍然在本發明要求保護的範圍之內；本實施例中的混凝土壁為厚度1m以上、密度3g/c.c.的含硼重晶石混凝土制壁，含硼的混凝土具有更好的中子吸收性能，除了增強混凝土的輻射屏蔽效果，還可降低混凝土中金屬材料受到的中子曝露量。可以理解，也可以具有其他厚度或密度或替換為其他材料，不同部分的混凝土壁厚度、密度或材料也可以不同。可以理解，本發明還可以應用於其他類型的中子照射系統；也可以應用於其他放射線照射系統，如質子治療系統、重離子治療系統等，此時中子產生裝置可以替換為其他放射線產生裝置，混凝土的材料可以根據需要進行替換；治療台也可以為其他被照射體的載置台。
可以理解，還可以不設置準備室及準備室內的立體視覺裝置，開始照射治療前直接在照射室內按照治療計畫確定的被照射部位的位置進行照射定位，並與治療計畫進行比較。具體的，放射線照射系統包括射束照射裝置、治療計畫模組、控制模組、準備室和照射室，射束照射裝置用於產生治療用射束並將治療用射束照射到被照射體形成被照射部位，治療計畫模組用於根據治療用射束的參數和被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，治療計畫確定被照射部位在照射治療時相對於射束照射裝置的位置，控制模組用於根據治療計畫控制射束照射裝置的照射，被照射體在照射室內根據治療計畫確定的被照射部位的位置進行照射定位，照射室內設置立體視覺裝置，立體視覺裝置用於採集被照射部位的圖像，控制模組將圖像與治療計畫確定的被照射部位的位置進行比
較以確保在允許的差別範圍內並控制射束照射裝置對被照射體開始進行照射治療；放射線照射系統的控制方法包括：治療計畫模組根據射束照射裝置產生的治療用射束的參數和被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，治療計畫確定被照射部位在照射治療時相對於射束照射裝置的位置和相應的照射時間；控制模組從治療計畫模組調取當前被照射體對應的治療計畫；在照射室內根據治療計畫確定的被照射部位的位置對被照射體進行照射定位；立體視覺裝置採集被照射部位的圖像，控制模組將圖像與治療計畫確定的被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內並控制射束照射裝置對被照射體開始進行照射治療；達到治療計畫確定的照射時間，控制模組控制射束照射裝置停止照射被照射體。
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。
100:硼中子捕獲治療系統
10:中子束照射裝置
20:治療計畫模組
30:控制模組
200:被照射體
Claims (10)
- 一種放射線照射系統，其包括：射束照射裝置，該射束照射裝置用於產生治療用射束並將該治療用射束照射到被照射體形成被照射部位；治療計畫模組，該治療計畫模組用於根據該治療用射束的參數和該被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，該治療計畫確定該被照射部位在照射治療時相對於該射束照射裝置的位置；控制模組，該控制模組用於根據該治療計畫控制該射束照射裝置的照射；準備室，該被照射體在該準備室內根據該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行模擬定位，該準備室內設置第一立體視覺裝置，該第一立體視覺裝置用於採集該被照射部位的第一圖像，該控制模組將該第一圖像與該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內並確定該被照射體的模擬定位位姿；照射室，該被照射體在該照射室內根據確定的該模擬定位位姿進行照射定位，該照射室內設置第二立體視覺裝置，該第二立體視覺裝置用於採集該被照射部位的第二圖像，該控制模組將該第二圖像與確定的該模擬定位位姿相應的該被照射部位的第一圖像或該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內，並控制該射束照射裝置對該被照射體開始進行照射治療。
- 如申請專利範圍第1項所述之放射線照射系統，其中，該射束照射裝 置包括至少部分設置在該照射室內的射束出口，該準備室內設置與該射束出口相同的模擬射束出口，該模擬射束出口和該第一立體視覺裝置具有與該射束出口和該第二立體視覺裝置相同的位置關係，該準備室和該照射室中定義相同的照射坐標系，該控制模組能夠將該第一、第二圖像轉換為該被照射部位在該照射坐標系下的座標矩陣。
- 如申請專利範圍第2項所述之放射線照射系統，其中，該治療計畫模組採用蒙特卡羅模擬程式進行劑量模擬計算，該治療計畫模組將該被照射部位的醫學影像數據轉換成該蒙特卡羅模擬程式所需的體素假體組織模型，該被照射部位的醫學影像數據包括該被照射部位在醫學影像坐標系下的座標矩陣，該治療計畫模組或該控制模組能夠獲得該醫學影像坐標系與該照射坐標系的座標轉換矩陣。
- 如申請專利範圍第2項所述之放射線照射系統，其中，該被照射部位上設置特徵圖形，該特徵圖形採用既能被醫學影像顯影又能被該第一、第二立體視覺裝置識別的材質，該第一、第二立體視覺裝置通過採集該特徵圖形的圖像來採集該被照射部位的圖像，該控制模組根據該特徵圖形在該被照射部位的醫學影像中的位置將該特徵圖形的圖像轉換為該被照射部位在該照射坐標系下的座標矩陣。
- 如申請專利範圍第2項所述之放射線照射系統，其中，該準備室和該照射室內均設置相同的且具有同樣的位置關係的鐳射定位裝置，該治療計畫模組能夠模擬該鐳射定位裝置產生的鐳射打到該被照射部位上的位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之放射線照射系統，其中，該鐳射定位裝 置產生的鐳射確定與該射束出口和該模擬射束出口的中心軸線一致的位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之放射線照射系統，其進一步包括設置在該照射室內的治療台和治療台定位裝置，該被照射體在該治療台上進行照射治療，該控制模組通過該治療台定位裝置控制該治療台進行移動。
- 如申請專利範圍第1項所述之放射線照射系統，其中，該第二立體視覺裝置在照射治療時即時採集該被照射部位的第三圖像，該控制模組將該第三圖像與開始照射治療時相應的該被照射部位的第二圖像或確定的該模擬定位位姿相應的該被照射部位的第一圖像或該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內，並控制該射束照射裝置對該被照射體持續進行照射治療。
- 如申請專利範圍第1項所述之放射線照射系統，其放射線照射系統為中子捕獲治療系統，該射束照射裝置包括中子產生裝置、射束整形體和治療台，該中子產生裝置包括加速器和靶材，該加速器對帶電粒子加速產生帶電粒子線並與該靶材作用產生中子線，該射束整形體能夠調整該中子產生裝置產生的中子線到預設射束品質，該中子產生裝置產生的中子線通過該射束整形體照射向該治療台上的該被照射體。
- 一種放射線照射系統的控制方法，其中，該放射線照射系統包括射束照射裝置、治療計畫模組、控制模組、準備室和照射室，該射束照射裝置用於產生治療用射束並將該治療用射束照射到被照射體形成被照射部位，該準備室和該照射室內分別設置第一、第二立體視覺裝置，該控制方法包括：該治療計畫模組根據該射束照射裝置產生的該治療用射束的參數和該 被照射部位的醫學影像數據進行劑量模擬計算並生成治療計畫，該治療計畫確定該被照射部位在照射治療時相對於該射束照射裝置的位置和相應的照射時間；該控制模組從該治療計畫模組調取當前該被照射體對應的該治療計畫；在該準備室內根據該治療計畫確定的該被照射部位的位置對該被照射體進行模擬定位；該第一立體視覺裝置採集該被照射部位的第一圖像，該控制模組將該第一圖像與該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內並確定該被照射體的模擬定位位姿；在該照射室內根據確定的該模擬定位位姿對該被照射體進行照射定位；該第二立體視覺裝置採集該被照射部位的第二圖像，該控制模組將該第二圖像與確定的該模擬定位位姿相應的該被照射部位的第一圖像或該治療計畫確定的該被照射部位的位置進行比較以確保在允許的差別範圍內，並控制該射束照射裝置對該被照射體開始進行照射治療；達到該治療計畫確定的照射時間，該控制模組控制該射束照射裝置停止照射該被照射體。
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