TWI762424B - 硼中子捕獲治療系統及其治療計畫生成方法 - Google Patents
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Abstract
一種硼中子捕獲治療系統及其治療計畫生成方法，硼中子捕獲治療系統包括中子束照射裝置、治療計畫模組和控制模組。中子束照射裝置用於在照射治療時產生治療用中子束並照射到攝入含硼(10B)藥物的被照射體形成被照射部位。治療計畫模組根據被照射部位的醫學影像資料和中子束照射裝置產生的治療用中子束的參數進行劑量模擬計算並生成治療計畫，被照射部位的醫學影像資料包括組織相關資訊和硼(10B)濃度相關資訊。控制模組從治療計畫模組調取與被照射體對應的治療計畫，並控制中子束照射裝置按照治療計畫對被照射體進行照射治療。本發明的硼中子捕獲治療系統及其治療計畫生成方法，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。
Description
本發明一方面係有關於一種放射線照射系統，特別是有關於一種硼中子捕獲治療系統；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，特別是有關於一種硼中子捕獲治療系統的治療計畫生成方法。
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。
三維模型廣泛應用於科學實驗分析、科學實驗模擬領域。比如在核輻射與防護領域，為了模擬人體在一定輻射條件下的吸收劑量以幫助醫生制定治療計畫，常常需要利用電腦技術對醫學影像資料進行各種處理建立精確的蒙特卡羅軟體需要的晶格模型，並結合蒙特卡羅軟體進行類比計算。在中子捕獲治療領域根據醫學影像資料建立蒙特卡羅軟體所需的晶格模型並進行劑量計算和評估時，需要在模型中定義每個晶格反映的生物體基本資訊，如組織種類、硼濃度資訊等，資訊的準確性和精確度決定了劑量計算結果的可靠度。而通常硼濃度資訊是根據血樣檢驗或切片檢驗獲得樣本的硼濃度資料，以此推算相應的組織和腫瘤硼濃度，從而在對應的模型區域中給定區域硼濃度值，這樣給定的硼濃度資訊沒有考慮生物體內真實的硼藥分佈及硼藥隨時間的代謝情況，進而影響劑量計算結果的可靠度。
因此，有必要提出一種硼中子捕獲治療系統及其治療計畫生成方法。
為了克服現有技術的缺陷，本發明的一個方面提供一種硼中子捕獲治療系統，包括中子束照射裝置、治療計畫模組和控制模組。中子束照射裝置用於在照射治療時產生治療用中子束並照射到攝入含硼(10B)藥物的被照射體形成被照射部位。治療計畫模組根據該被照射部位的醫學影像資料和該中子束照射裝置產生的該治療用中子束的參數進行劑
量模擬計算並生成治療計畫，該被照射部位的醫學影像資料包括組織相關資訊和硼(10B)濃度相關資訊。控制模組從該治療計畫模組調取與該被照射體對應的該治療計畫，並控制所中子束照射裝置按照該治療計畫對該被照射體進行照射治療。根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊進行劑量類比和制定治療計畫，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。
進一步地，該治療計畫模組根據該組織相關資訊建立對應的帶有組織種類資料的三維體素假體組織模型，根據該硼濃度相關資訊給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料。根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定硼濃度資料，更加符合實際情況。
作為一種優選地，該組織相關資訊通過該被照射部位的非放射性核素醫學影像獲得，該治療計畫模組根據該非放射性核素醫學影像資料與組織種類之間的轉換關係自動定義或手動定義該三維體素假體組織模型中每一體素單元的組織種類。三維體素假體組織模型是根據醫學影像資料與組織種類之間的轉換關係建立的，更加精確地提供組織種類(元素組成)，建立的幾何模型更加匹配於醫學影像資料反應出的真實情況。進一步地，該非放射性核素醫學影像為CT。
作為一種優選地，該硼濃度相關資訊通過該被照射部位的放射性核素醫學影像獲得，該被照射體攝入放射性標記的含硼藥物或與含硼藥物的腫瘤細胞親和性近似的非含硼藥物用於進行該放射性核素醫學影像掃描，該治療計畫模組根據該放射性核素醫學影像資料與硼濃度之間的轉換關係自動定義或手動定義該三維體素假體組織模型中每一體素單元
的硼濃度。進一步地，該放射性核素醫學影像為PET，該放射性標記的含硼藥物為18F-BPA。
作為一種優選地，該硼濃度相關資訊包括被照射體體重(Body Weight)、施打藥物藥量(Injection Dose)、藥物活性測量時間(Measure Time)、造影時間(Scan Time)、放射性核素半衰期(Half Time)和影像晶格強度(Image Pixel Intensitypixel)，該治療計畫模組根據該硼濃度相關資訊計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度，該治療計畫模組根據計算結果給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料。進一步地，該治療計畫模組根據該硼濃度相關資訊計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度包括：
採用公式一計算近似的血液影像晶格強度Image Pixel Intensityblood：
採用公式二計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度對血液硼濃度的比值：
進一步地，該治療計畫模組通過蒙特卡羅類比程式類比該三維體素假體組織模型單位時間的硼劑量(DB)、快中子劑量(Df)、超熱中子劑量(Depi)、熱中子劑量(Dth)及光子劑量(Dγ)，並採用公式三計算該三維體素假體組織模型的等效劑量率D：
D(Gy-Eq)=CBE×Bpixel(ppm)×DB(Gy/ppm)+RBEf×Df(Gy)+RBEepi×Depi(Gy)+RBEth×Dth(Gy)+RBEγ×Dγ(Gy) (公式三)其中，CBE為含硼藥物的單位濃度的化合物生物效應，RBEf為快中子的相對生物效應，RBEepi為超熱中子的相對生物效應，RBEth為熱中子的相對生物效應，RBEγ為光子的相對生物效應。
作為一種優選地，該治療計畫模組根據該中子束照射裝置產生的該治療用中子束的參數和帶有該組織種類、硼濃度資料的該三維體素假體組織模型通過蒙特卡羅類比程式類比該被照射部位進行該治療用中子束的照射治療時的物理劑量率分佈。
進一步地，該治療計畫模組根據不同照射角度取樣類比計算的該等效劑量率分佈進行優選，並選擇出至少一個照射角度。
本發明的另一個方面提供一種硼中子捕獲治療系統的治療計畫生成方法，其特徵在於，包括：根據被照射部位的醫學影像資料的組織相關資訊建立對應的帶有組織種類資料的三維體素假體組織模型；根據被照射部位的醫學影像資料的硼(10B)濃度相關資訊給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼(10B)濃度資料；在蒙特卡羅類比程式中定義射束參數，通過對不同照射角度取樣進行劑量模擬計算；根據計算結
果對照射角度進行優選生成治療計畫。根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定硼濃度資料，並進行劑量類比和制定治療計畫，更加符合實際情況，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。
作為一種優選地，該根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料的步驟，包括：解讀被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊，獲得被照射體體重(Body Weight)、施打藥物藥量(Injection Dose)、藥物活性測量時間(Measure Time)、造影時間(Scan Time)、放射性核素半衰期(Half Time)和影像晶格強度(Image Pixel Intensitypixel)；計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度；根據計算結果給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料。進一步地，計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度包括：
採用公式一計算近似的血液影像晶格強度Image Pixel Intensityblood：
採用公式二計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度Bpixel對血液硼濃度Bblood的比值：
進一步地，該在蒙特卡羅類比程式中定義射束參數，通過對不同照射角度取樣進行劑量類比計算的步驟包括：模擬在取樣的照射角度下，該三維體素假體組織模型中每一體素單元在所定義的射束照射下單位時間所受到的物理劑量，包括硼劑量(DB)、快中子劑量(Df)、超熱中子劑量(Depi)、熱中子劑量(Dth)和光子劑量(Dγ)；採用公式三計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元在所定義的射束照射下單位時間的等效劑量率D：
D(Gy-Eq)=CBE×Bpixel(ppm)×DB(Gy/ppm)+RBEf×Df(Gy)+RBEepi×Depi(Gy)+RBEth×Dth(Gy)+RBEγ×Dγ(Gy) (公式三)其中，CBE為含硼藥物的單位濃度的化合物生物效應，RBEf為快中子的相對生物效應，RBEepi為超熱中子的相對生物效應，RBEth為熱中子的相對生物效應，RBEγ為光子的相對生物效應。
本發明的再一個方面提供一種硼中子捕獲治療系統，包括中子束照射裝置、治療計畫模組和控制模組。中子束照射裝置用於在照射治療時產生治療用中子束並照射到攝入含硼(10B)藥物的被照射體形成被照射部位。治療計畫模組根據該被照射部位的醫學影像資料定義組織種類並建立帶有組織種類資料的三維體素假體組織模型，該治療計畫模組對該三維體素假體組織模型的不同種類的組織給定硼濃度資料並能夠對同一種類的組織給定不同的硼濃度資料，該治療計畫模組根據該三維體素假體組織模型、該硼濃度資料和該中子束照射裝置產生的該治療用中子束的參數進行劑量模擬計算並生成治療計畫。控制模組從該治療計畫模組調取與
該被照射體對應的該治療計畫，並控制所中子束照射裝置按照該治療計畫對該被照射體進行照射治療。根據實際情況給定硼濃度資料並進行劑量類比和制定治療計畫，尤其是對同一種類的組織可以給定不同的硼濃度資料，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。
本發明的硼中子捕獲治療系統及其治療計畫生成方法，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。
100:硼中子捕獲治療系統
10:中子束照射裝置
11:中子產生裝置
12:治療台
20:治療計畫模組
30:控制模組
N:中子束
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為本發明實施例的中子捕獲治療系統的框圖；
圖4為本發明實施例中的治療計畫模組生成治療計畫的方法的流程圖；
圖5為本發明實施例中的建立三維體素假體組織模型的方法的流程圖；
圖6為本發明實施例中的給定三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料的方法的流程圖；
圖7為本發明實施例中的劑量模擬計算的方法的流程圖。
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。
作為一種優選地，以中子捕獲治療系統及其治療計畫生成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。
中子捕獲治療作為一種有效的治療癌症的手段近年來的應用逐漸增加，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以由核反應爐或加速器供應。本發明的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用於對帶電粒子(如質子、氘核等)進行加速的加速器、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，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。
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，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。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。
蒙特卡羅方法能夠對輻照目標內部三維空間核粒子碰撞軌跡和能量分佈進行精確模擬，在中子捕獲治療中，為了模擬人體在一定輻射條件下的吸收劑量以幫助醫生制定治療計畫，常常需要利用電腦技術對醫學影像進行各種處理建立精確的蒙特卡羅軟體需要的晶格模型，並結合蒙特卡羅軟體進行類比計算。醫學影像資料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)。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被轉換成三維體素假體組織模型，就能夠應用于本發明揭示的放射治療系統及其治療計畫生成方法中。
參閱圖3，本實施例的放射治療系統優選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包括中子產生裝置11和治療台12，中子產生裝置12用於在照射治療時產生治療用中子束N並照射到治療台12上攝入含硼(10B)藥物的患者形成被照射部位。治療前，治療計畫模組20根據患者被照射部位的醫學影像資料和中子產生裝置11產生的治療用中子束N的參數生成治療計畫。照射治療時，控制模組30從治療計畫模組20調取當前患者對應的治療
計畫，並根據治療計畫控制中子束照射裝置10的照射。
一實施例中，患者在治療前需攝入放射性標記的含硼(10B)藥物並通過放射性核素醫學影像(如PET)獲得硼(10B)濃度相關資訊，即患者被照射部位的醫學影像資料包括組織相關資訊和硼濃度相關資訊，其中，組織相關資訊可以是同時從放射性核素醫學影像獲得，也可以是從其他非放射性核素醫學影像(如CT)獲得。可以理解，放射性核素醫學影像還可以為PET-CT等，非放射性核素醫學影像還可以為MRI等，本發明對此不做具體限定。治療計畫模組20根據被照射部位的醫學影像資料的組織相關資訊建立對應的帶有組織種類、組織密度資料三維體素假體組織模型，根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料，並根據中子產生裝置11產生的治療用中子束N的參數和帶有組織種類、組織密度、硼濃度資料的三維體素假體組織模型通過蒙特卡羅類比程式類比計算患者進行照射治療時的劑量分佈並生成治療計畫。可以理解，也可以不定義組織密度。根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定硼濃度資料，並進行劑量類比和制定治療計畫，更加符合實際情況，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。
請參照圖4，本實施例的治療計畫模組20生成治療計畫的方法，具體包括如下步驟：
S410：根據被照射部位的醫學影像資料的組織相關資訊建立對應的帶有組織種類、組織密度資料的三維體素假體組織模型；
S420：根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資
訊給定三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料；
S430：在蒙特卡羅類比程式(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；
S440：根據計算結果對照射角度進行優選生成治療計畫。
請參照圖5，一實施例中，根據醫學影像資料建立三維體素假體組織模型的步驟S410，可以進一步包括：
S510：讀取醫學影像資料；
S520：建立三維醫學影像體素模型；
S530：定義或讀取感興趣區域的邊界；
S540：定義每一體素單元的組織種類(元素組成)、組織密度，可以是根據CT影像資料與組織種類、組織密度之間的轉換關係自動定義；也可以是用戶手動定義，如為每個感興趣區域的邊界內的體素單元給定一個特定的組織種類和組織密度。
S550：建立三維體素假體組織模型。
三維體素假體組織模型是根據醫學影像資料與組織種類、組織密度之間的轉換關係建立的，更加精確地提供組織種類(元素組成)及組織密度，建立的幾何模型更加匹配於醫學影像資料反應出的真實情況。根據醫學影像資料建立三維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“基於醫學影像資料的幾何模型建立方法”的專利申請，在此全文引入。
步驟S420根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料，標記有組織硼濃度資訊的幾何模型，便可清楚地知道，各個組織內的含硼藥物濃度，然後進行中子照射模擬時，則更加真實地反應出實際情況。硼濃度相關資訊通過被照射部位的放射性核素醫學影像獲得，被照射體攝入放射性標記的含硼藥物用於進行放射性核素醫學影像掃描，治療計畫模組根據放射性核素醫學影像資料與硼濃度之間的轉換關係自動定義或手動定義三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度。一實施例中，放射性核素醫學影像為PET，被照射體攝入的放射性標記的含硼藥物為18F-BPA。可以理解，18F-BPA還可以替換為其他放射性標記或其他含硼藥物；也可以為放射性標記的與含硼藥物的腫瘤細胞親和性近似的非含硼藥物，如18F-FDG。由於目前BPA等可以作為硼中子捕獲治療用的含硼藥物價格普遍較高，通過非含硼藥物代替含硼藥物做治療計畫的模擬，能夠極大的降低成本。
請參照圖6，一實施例中，步驟S420，可以進一步包括：
S610：解讀被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊，即放射性核素醫學影像掃描獲得的硼濃度相關的醫學影像資料資訊IOD(Information Object Definition)。
醫學影像資料通常採用DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)格式，DICOM資料中與硼濃度相關的IOD包括被照射體體重(Body Weight)、施打藥物藥量(Injection Dose)、藥物活性測量時間(Measure Time)、造影時間(Scan Time)、放射性核素半衰期(Half Time)，可以理解，還可以包括藥物種類(Radiopharmaceutical)
等，這些資訊在開始進行放射性核素醫學影像掃描時即可以確定，資訊來源可以是操作者手動輸入的，也可以是自動獲得或調取的，如表一，列出了DICOM資料中與硼濃度相關資訊的資料標籤(Tag)及對應的資料名稱(Description)：
表一.DICOM資料中與硼濃度相關的IOD
DICOM資料中與硼濃度相關的IOD還包括影像晶格強度Image Pixel Intensity，放射性核素醫學影像掃描，如PET，利用放射性核素衰變產生的正電子與組織中的電子相遇發生正負電子對湮滅反應，此時用光電倍增管(PMT)等檢測器便可以檢測到由此發射出來的伽馬射線，之後電腦就會形成反映正電子放射性同位素分佈的橫截面圖像。一實施例中，採用18F-BPA-PET掃描，影像每一晶格的原始資料為18F衰變釋出的正子與電子互毀作用產生光子的計數率轉換為PET影像每一晶格的影像晶格強度Image Pixel Intensitypixel作為醫學影像資料的輸出，又18F標誌於BPA，因此PET影像上的原始資料可做為10B量化的依據。可以理解，如採用放射
性標記的與含硼藥物的腫瘤細胞親和性近似的非含硼藥物進行放射性核素醫學影像掃描，影像上的原始資料也可同樣做為10B量化的依據。
S620：根據解讀的硼濃度相關資訊計算三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度。
標準攝取值(Standard Uptake Value,SUV)為放射性核素醫學影像採集的半定量指標，是指局部組織攝取的顯像劑(放射性標記的藥物)的放射性活度與全身平均注射活度的比值，如公式一，通過步驟S610獲得的與硼濃度相關的IOD可以得到相應晶格的SUV，放射性核素醫學影像掃描的每一晶格與三維體素假體組織模型中每一體素單元一一對應。
同時，通過每個晶格和血液標準攝取值比值，獲得每個晶格和血液硼濃度比值，即採用公式三計算三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度對血液硼濃度的比值。
將三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度以血液硼濃度作為基準值做換算SUV pixel /SUV blood ，即可獲得每一體素單元的硼濃度對血液硼濃度比值，建立非均勻硼濃度分佈。通過抽血檢測等獲得血硼濃度值後，即可以獲得每一體素單元具體的硼濃度值。
S630：根據計算結果給定每一體素單元的硼濃度資料，可以是根據計算結果自動給定的；也可以是使用者手動給定的，如根據計算結果為每個感興趣區域的邊界內的體素單元給定一個特定的硼濃度資料。
通過計算更加貼合實際情況，治療計畫模組對三維體素假體組織模型的不同種類的組織給定硼濃度資料並能夠對同一種類的組織給定不同的硼濃度資料，可以提高模型建立及劑量計算的精確性。建立帶有組織種類和組織硼濃度的三維體素假體組織模型後，便可以通過蒙特卡羅類比程式類比BNCT中患者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，即可以類比出物理劑量率分佈，根據物理劑量率分佈計算等效劑量率分佈，再根據劑量指標篩選治療計畫方案。請參照圖7，具體來說，步驟S430包括：
S710：在蒙特卡羅類比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，模擬三維體素假體組織模型在不同照射角度的物理劑量率分佈，即分別模擬在取樣的照射角度下，三維體素假體組織模型中每一體素單元在所定義的射束照射下單位時間所受到的物理劑量。
取樣時需要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。
取樣時還可以對射束角度進行篩選，如進行射束角度評價，根據評價結果選擇進行後續計算的射束角度；或者在取樣計算後再進行射束角度的篩選，如根據輻射劑量分佈的結果或射束角度評價的結果進行篩選。射束角度的評價方法在此不再詳述，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，在此全文引入。
硼中子捕獲治療中會造成劑量貢獻的主要因數有三部分：
1)硼劑量DB：劑量來自組織、腫瘤中的含硼藥物與中子發生10B(n,α)7Li中子捕獲反應而產生的高線性能量轉移α、7Li粒子。
中子劑量：依中子能量分為快中子劑量Df、超熱中子劑量Depi及熱中子劑量Dth，其中對於組織器官組成元素主要為1H(n,n’)p中子與氫的彈性散射作用產生的回跳質子造成的劑量、14N(n,p)14C作用產生的質子與回跳碳離子造成的劑量以及中子與其他元素作用的微劑量。
3)光子劑量Dγ：包含中子與遮罩結構發生作用、與人體組織產生捕獲反應而誘發的光子，而後者主要為熱中子發生1H(n,γ)2H反應而產生2.22MeV之光子。
一實施例，步驟S710中，單位時間所受到的物理劑量包括通過蒙特卡羅類比程式類比得到的單位時間的硼劑量(DB)、快中子劑量(Df)、超熱中子劑量(Depi)、熱中子劑量(Dth)及光子劑量(Dγ)。
S720：計算三維體素假體組織模型在不同照射角度的等效劑率量分佈。
硼中子捕獲治療中，由於光子、中子會造成的生物效應不同，所以針對快中子、超熱中子、熱中子和光子劑量項，分別乘上不同組織的相對生物效應(Relative biological effectiveness,RBE)以求得等效劑量(equivalent dose)；而硼劑量方面，因α、7Li粒子的射程短，傷害通常局限在硼中子捕獲作用發生位置，又不同種類的細胞吸收含硼藥物的能力不同，使得硼濃度在體內分佈不均勻，為求得等效劑量，此項劑量須乘上各組織的化合物生物效應(Compound biological effectiveness,CBE)及相應的硼濃度(在步驟S630中已定義)，即一體素單元的等效劑量率D採用公式四進行計算：
D(Gy-Eq)=CBE×Bpixel(ppm)×DB(Gy/ppm)+RBEf×Df(Gy)
+RBEepi×Depi(Gy)+RBEth×Dth(Gy)+RBEγ×Dγ(Gy) (公式四)其中，CBE為含硼藥物的單位濃度的化合物生物效應，RBEf為快中子的相對生物效應，RBEepi為超熱中子的相對生物效應，RBEth為熱中子的相對生物效應，RBEγ為光子的相對生物效應。
步驟S440，根據S720計算得到的等效劑量率分佈，結合數學演算法對不同的治療計畫方案(照射角度及對應的照射時間)進行評估或優選。如選擇其中一個感興趣區域作為目標，以該感興趣區域的最大劑量、平均劑量或處方劑量等作為約束條件求得取樣的照射角度對應的照射時間，以該照射時間獲得取樣的照射角度下三維體素假體組織模型的等效劑量分佈，然後採用劑量體積長條圖(DVH)、等劑量曲線、劑量表格等對不同照射角度及對應的照射時間在三維體素假體組織模型類比計算得出的等效劑量分佈進行評估或優選，還可以進行上文所述的照射角度評價來進行評估以供醫師等操作者選出更符合需求的治療計畫方案。可以理解，還可以通過優化演算法等選擇至少2個照射角度依次對患者進行照射，可以手動設置照射角度具體的數量或通過演算法自動獲得或採用弧形連續調控，照射角度的取樣可以是在患者同側或對側。
可以理解，上述公式一至公式四及劑量計算、評估、優選方法的一些簡單變換，仍然在本發明要求保護的範圍之內。
可以理解，本發明還可以應用於其他能夠用硼中子捕獲治療進行治療的疾病，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；患者也可以為其他被照射體。
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
11:中子產生裝置
12:治療台
20:治療計畫模組
30:控制模組
Claims (8)
- 一種硼中子捕獲治療系統，其包括：中子束照射裝置，該中子束照射裝置用於在照射治療時產生治療用中子束並照射到攝入含硼藥物的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被照射部位的醫學影像資料和該中子束照射裝置產生的該治療用中子束的參數進行劑量模擬計算並生成治療計畫，該被照射部位的醫學影像資料包括組織相關資訊和硼濃度相關資訊，其中，該治療計畫模組根據該組織相關資訊建立對應的帶有組織種類資料的三維體素假體組織模型，根據該硼濃度相關資訊給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料；控制模組，該控制模組從該治療計畫模組調取與該被照射體對應的該治療計畫，並控制該中子束照射裝置按照該治療計畫對該被照射體進行照射治療，其中，該硼濃度相關資訊包括被照射體體重(Body Weight)、施打藥物藥量(Injection Dose)、藥物活性測量時間(Measure Time)、造影時間(Scan Time)、放射性核素半衰期(Half Time)和影像晶格強度(Image Pixel Intensitypixel)；該治療計畫模組根據該硼濃度相關資訊計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度，包括：採用公式一計算近似的血液影像晶格強度Image Pixel Intensityblood：
- 如申請專利範圍第1項所述之硼中子捕獲治療系統，其中，該組織相關資訊通過該被照射部位的非放射性核素醫學影像獲得，該治療計畫模組根據該非放射性核素醫學影像資料與組織種類之間的轉換關係自動定義或手動定義該三維體素假體組織模型中每一體素單元的組織種類。
- 如申請專利範圍第1項所述之硼中子捕獲治療系統，其中，該硼濃度相關資訊通過該被照射部位的放射性核素醫學影像獲得，該被照射體攝入放射性標記的含硼藥物或與含硼藥物的腫瘤細胞親和性近似的非含硼藥物用於進行該放射性核素醫學影像掃描，該治療計畫模組根據該放射性核素醫學影像資料與硼濃度之間的轉換關係自動定義或手動定義該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述之硼中子捕獲治療系統，其中，該治療計畫模組通過蒙特卡羅類比程式類比該三維體素假體組織模型單位時間的硼劑量(DB)、快中子劑量(Df)、超熱中子劑量(Depi)、熱中子劑量(Dth)及光子劑量(Dγ)，並採用公式三計算該三維體素假體組織模型的等效劑量率D：D(Gy-Eq)=CBE×Bpixel(ppm)×DB(Gy/ppm)+RBEf×Df(Gy)+RBEepi×Depi(Gy)+RBEth×Dth(Gy)+RBEγ×Dγ(Gy) (公式三)其中，CBE為含硼藥物的單位濃度的化合物生物效應，RBEf為快中子的相對生物效應，RBEepi為超熱中子的相對生物效應，RBEth為熱中子的相對生物效應，RBEγ為光子的相對生物效應。
- 如申請專利範圍第1項所述之硼中子捕獲治療系統，其中，該治療計畫模組根據該中子束照射裝置產生的該治療用中子束的參數和帶有該組織種類、硼濃度資料的該三維體素假體組織模型通過蒙特卡羅類比程式類比該被照射部位進行該治療用中子束的照射治療時的物理劑量率分佈。
- 如申請專利範圍第5項所述之硼中子捕獲治療系統，其中，該治療計畫模組根據不同照射角度取樣類比計算的該等效劑量率分佈進行優選，並選擇出至少一個照射角度。
- 一種硼中子捕獲治療系統的治療計畫生成方法，其包括：根據被照射部位的醫學影像資料的組織相關資訊建立對應的帶有組織種類資料的三維體素假體組織模型；根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料； 在蒙特卡羅類比程式中定義射束參數，通過對不同照射角度取樣進行劑量模擬計算；根據計算結果對照射角度進行優選生成治療計畫，其中，該根據被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊給定該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度資料的步驟，包括：解讀被照射部位的醫學影像資料的硼濃度相關資訊，獲得被照射體體重(Body Weight)、施打藥物藥量(Injection Dose)、藥物活性測量時間(Measure Time)、造影時間(Scan Time)、放射性核素半衰期(Half Time)和影像晶格強度(Image Pixel Intensitypixel)；計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元的硼濃度，包括：採用公式一計算近似的血液影像晶格強度Image Pixel Intensityblood：
- 如申請專利範圍第7項所述之治療計畫生成方法，其中，該在蒙特卡羅類比程式中定義射束參數，通過對不同照射角度取樣進行劑量類比計算的步驟包括：模擬在取樣的照射角度下，該三維體素假體組織模型中每一體素單元在所定義的射束照射下單位時間所受到的物理劑量，包括硼劑量(DB)、快中子劑量(Df)、超熱中子劑量(Depi)、熱中子劑量(Dth)和光子劑量(Dγ)；採用公式三計算該三維體素假體組織模型中每一體素單元在所定義的射束照射下單位時間的等效劑量率D：D(Gy-Eq)=CBE×Bpixel(ppm)×DB(Gy/ppm)+RBEf×Df(Gy)+RBEepi×Depi(Gy)+RBEth×Dth(Gy)+RBEγ×Dγ(Gy) (公式三)其中，CBE為含硼藥物的單位濃度的化合物生物效應，RBEf為快中子的相對生物效應，RBEepi為超熱中子的相對生物效應，RBEth為熱中子的相對生物效應，RBEγ為光子的相對生物效應。
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