WO2022037468A1 - 放射线照射系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种放射线照射系统及其控制方法，放射线照射系统包括射束照射装置、治疗计划模块、控制模块、准备室和照射室，准备室和照射室内分别设置第一、第二立体视觉装置，被照射体在准备室内根据治疗计划确定的被照射部位的位置进行模拟定位并通过第一立体视觉装置采集的被照射部位的第一图像与治疗计划进行比较以确定模拟定位位姿，被照射体在照射室内根据确定的模拟定位位姿进行照射定位并通过第二立体视觉装置采集的被照射部位的第二图像与治疗计划进行比较以控制射束照射装置对被照射体开始进行照射治疗。通过设置立体视觉装置，确保被照射体按照治疗计划进行照射治疗，达到预期治疗效果，同时降低对正常组织的辐射损伤。
Description
本发明一方面涉及一种放射线照射系统；本发明另一方面涉及一种放射线照射系统的控制方法。
随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如：多行性胶质母细胞瘤(glioblastomamultiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。
为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的中子射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。
在放射线治疗中通过使射束对准治疗台上的被照射体体内的肿瘤细胞，以实施精准治疗，同时最大程度地降低对被照射体肿瘤细胞周围正常组织的辐射损伤。在临床治疗过程中，需要严格按照治疗计划确定的治疗方案对被照射体患者进行准确摆位，如果摆位误差过大，病灶靶区中心位置会发生变化，从而无法达到期望的治疗效果。同时，如硼中子捕获治疗，一次照射大概需要半小时时间，在这个过程中被照射体患者身体无意识的运动同样可能导致病灶靶区中心位置发生变化。
因此，有必要提出一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种放射线照射系统，包括射束照射装置，所述射束照射装置用于产生治疗用射束并将所述治疗用射束照射到被照射体形成被照射部位；治疗计划模块，所述治疗计划模块用于根据所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，所述治疗计划确定所述被照射部位在照射治疗时相对于所述射束照射装置的位置；控制模块，所述控制模块用于根据所述治疗计划控制所 述射束照射装置的照射；准备室，所述被照射体在所述准备室内根据所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行模拟定位，所述准备室内设置第一立体视觉装置，所述第一立体视觉装置用于采集所述被照射部位的第一图像，所述控制模块将所述第一图像与所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内并确定所述被照射体的模拟定位位姿；照射室，所述被照射体在所述照射室内根据确定的所述模拟定位位姿进行照射定位，所述照射室内设置第二立体视觉装置，所述第二立体视觉装置用于采集所述被照射部位的第二图像，所述控制模块将所述第二图像与确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体开始进行照射治疗。准备室内的模拟定位节约了在照射室内进行照射治疗前对被照射体定位的工作时间，在进行准备工作的同时可以对另一被照射体进行照射治疗，增加了设备的利用率；通过设置立体视觉装置在模拟定位和照射治疗前采集被照射体的图像并与治疗计划进行比较，确保被照射体按照治疗计划进行照射治疗，达到预期治疗效果，同时降低对正常组织的辐射损伤。
作为一种优选地，所述射束照射装置包括至少部分设置在所述照射室内的射束出口，所述准备室内设置与所述射束出口相同的模拟射束出口，所述模拟射束出口和所述第一立体视觉装置具有与所述射束出口和所述第二立体视觉装置相同的位置关系，所述准备室和所述照射室中定义相同的照射坐标系，所述控制模块能够将所述第一、第二图像转换为所述被照射部位在所述照射坐标系下的坐标矩阵。
进一步地，所述治疗计划模块采用蒙特卡罗模拟程序进行剂量模拟计算，所述治疗计划模块将所述被照射部位的医学影像数据转换成所述蒙特卡罗模拟程序所需的体素假体组织模型，所述被照射部位的医学影像数据包括所述被照射部位在医学影像坐标系下的坐标矩阵，所述治疗计划模块或所述控制模块能够获得所述医学影像坐标系与所述照射坐标系的坐标转换矩阵。
进一步地，所述被照射部位上设置特征图形，所述特征图形采用既能被医学影像显影又能被所述第一、第二立体视觉装置识别的材质，所述第一、第二立体视觉装置通过采集所述特征图形的图像来采集所述被照射部位的图像，所述控制模块根据所述特征图形在所述被照射部位的医学影像中的位置将所述特征图形的图像转换为所述被照射部位在所述照射坐标系下的坐标矩阵。设置特征图形，使立体视觉装置采集到的数据更加快速、准确。
进一步地，所述准备室和所述照射室内均设置相同的且具有同样的位置关系的激光定位装置，所述治疗计划模块能够模拟所述激光定位装置产生的激光打到所述被照射部位上的位 置；操作者根据该位置在被照射体上做标记，并根据做好的标记调整被照射体在准备室模拟定位和照射室照射定位时的位置和姿势，使激光定位装置产生的激光打到被照射体上的位置与该标记一致，设置激光定位装置，使操作者手动定位时更加方便和快捷。更进一步地，所述激光定位装置产生的激光确定与所述射束出口和所述模拟射束出口的中心轴线一致的位置；激光定位装置产生的激光打到被照射体上的位置代表了射束出口出来的射束中心轴线入射到被照射体上的位置，根据治疗计划模拟的射束中心轴线在体素假体组织模型的入射点在被照射体上做标记，使得模拟定位和照射治疗时确定的射束入射位置更加准确。
作为另一种优选地，所述放射线照射系统还包括设置在所述照射室内的治疗台和治疗台定位装置，所述被照射体在所述治疗台上进行照射治疗，所述控制模块通过所述治疗台定位装置控制所述治疗台进行移动。
作为另一种优选地，所述第二立体视觉装置在照射治疗时实时采集所述被照射部位的第三图像，所述控制模块将所述第三图像与开始照射治疗时相应的所述被照射部位的第二图像或确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体持续进行照射治疗。通过设置立体视觉装置在照射治疗时实时采集被照射体的图像并与治疗计划进行比较，确保照射治疗过程中被照射体始终按照治疗计划进行照射治疗，获得更好的治疗效果。
作为另一种优选地，所述放射线照射系统为中子捕获治疗系统，所述射束照射装置包括中子产生装置、射束整形体和治疗台，所述中子产生装置包括加速器和靶材，所述加速器对带电粒子加速产生带电粒子线并与所述靶材作用产生中子线，所述射束整形体能够调整所述中子产生装置产生的中子线到预设射束品质，所述中子产生装置产生的中子线通过所述射束整形体照射向所述治疗台上的所述被照射体。
本发明另一方面提供了一种放射线照射系统的控制方法，所述放射线照射系统包括射束照射装置、治疗计划模块、控制模块、准备室和照射室，所述射束照射装置用于产生治疗用射束并将所述治疗用射束照射到被照射体形成被照射部位，所述准备室和所述照射室内分别设置第一、第二立体视觉装置，所述控制方法包括：所述治疗计划模块根据所述射束照射装置产生的所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，所述治疗计划确定所述被照射部位在照射治疗时相对于所述射束照射装置的位置和相应的照射时间；所述控制模块从所述治疗计划模块调取当前所述被照射体对应的所述治疗计划；在所述准备室内根据所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置对所述被照射体进 行模拟定位；所述第一立体视觉装置采集所述被照射部位的第一图像，所述控制模块将所述第一图像与所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内并确定所述被照射体的模拟定位位姿；在所述照射室内根据确定的所述模拟定位位姿对所述被照射体进行照射定位；所述第二立体视觉装置采集所述被照射部位的第二图像，所述控制模块将所述第二图像与确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体开始进行照射治疗；达到所述治疗计划确定的照射时间，所述控制模块控制所述射束照射装置停止照射所述被照射体。
作为一种优选地，所述控制方法还包括：在所述射束照射装置对所述被照射体开始进行照射治疗后，所述第二立体视觉装置在照射治疗时实时采集所述被照射部位的第三图像，所述控制模块将所述第三图像与开始照射治疗时相应的所述被照射部位的第二图像或确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体持续进行照射治疗。
作为另一种优选地，所述控制方法还包括：在所述准备室和所述照射室中定义相同的照射坐标系，所述治疗计划模块将所述被照射部位的医学影像数据转换成体素假体组织模型，将所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置转换为所述被照射部位的体素假体组织模型在所述照射坐标系下的坐标矩阵。
进一步地，所述控制方法还包括：所述控制模块将所述第一、第二图像转换到所述照射坐标系以进行比较。
进一步地，所述控制方法还包括：在所述被照射部位上设置特征图形，并采集所述特征图形在所述被照射部位的医学影像中的位置。更进一步地，所述控制方法还包括：所述第一、第二立体视觉装置采集所述特征图形的图像并传输到所述控制模块，所述控制模块通过所述特征图形在所述被照射部位的医学影像中的位置将其转换为所述被照射部位在所述照射坐标系下的坐标矩阵以进行比较。
本发明的放射线照射系统及其控制方法，通过设置立体视觉装置在模拟定位和照射治疗前采集被照射体的图像并与治疗计划进行比较，确保被照射体按照治疗计划进行照射治疗，达到预期治疗效果，同时降低对正常组织的辐射损伤。
图1为本发明实施例的硼中子捕获治疗系统的模块示意图；
图2为本发明实施例的硼中子捕获治疗系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的硼中子捕获治疗系统在被照射体定位时的示意图；
图4为本发明实施例的硼中子捕获治疗系统的工作过程的流程图；
图5为本发明实施例的硼中子捕获治疗系统的治疗计划模块生成治疗计划的流程图。
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1，本实施例中的放射线照射系统为硼中子捕获治疗系统100，包括中子束照射装置10、治疗计划模块20和控制模块30。中子束照射装置10用于产生治疗用中子束N并将治疗用中子束N照射到被照射体200形成被照射部位。治疗计划模块20根据中子束照射装置10产生的治疗用中子束N的参数和被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，治疗计划确定被照射部位在照射治疗时相对于中子束照射装置10的位置及相应的照射时间。在被照射体200按照治疗计划确定的位置被定位后，可以开始治疗，控制模块30从治疗计划模块20调取当前被照射体200对应的治疗计划，并根据治疗计划控制中子束照射装置10的照射。控制模块30还可以接收其他数据信息，如中子束照射装置10的数据、被照射体200的数据等。
如图2，一实施例中，中子束照射装置10包括中子产生装置11、射束整形体12、准直器13和治疗台14，中子产生装置11包括加速器111和靶材T，加速器111对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速，产生如质子线的带电粒子线P，带电粒子线P照射到靶材T并与靶材T作用产生中子线(中子束)N，靶材T优选为金属靶材。依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有
7Li(p,n)
7Be及
9Be(p,n)
9B，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阈值分别为1.881MeV和2.055MeV，由于硼中子捕获治疗的理想中子源为keV能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阈值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不须太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属(Li)和铍金属(Be)两种靶材与阈值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。理想的靶材应具备高中子产率、产生的中子能量分布接近超热中子能区(将在下文详细描述)、无太多强穿辐射产生、安全便宜易于操作且耐高温等特性，但实际上并无法找到符合所有要求的核反应，本发明的实施例中采用锂金属制成的靶材。但是本领域技术人员熟知的，靶材T的材料也可以由锂、铍之外的金属材料制成，例如由钽(Ta)或钨(W)等形成；靶材T可以为圆板状，也可以为其他固体形状，也可以使用液状物(液体金属)。加速器111可以是直线加速器、回旋加速器、同步加速器、同步回旋加速器，中子产生装置11也可以是核反应堆而不采用加速器和靶 材。无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或加速器带电粒子与靶材的核反应，产生的实际上皆为混合辐射场，即射束包含了低能至高能的中子、光子。对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗，除了超热中子外，其余的辐射线含量越多，造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大，因此这些会造成不必要剂量的辐射应尽量降低。另外，对于被照射体的正常组织来说，各种辐射线应避免过多，同样造成不必要的剂量沉积。
中子产生装置11产生的中子束N依次通过射束整形体12和准直器13照射向治疗台14上的被照射体200。射束整形体12能够调整中子产生装置11产生的中子束N的射束品质，准直器13用以汇聚中子束N，使中子束N在进行治疗的过程中具有较高的靶向性。可以理解，本发明也可以不具有准直器，射束从射束整形体12出来后直接照射向治疗台14上的被照射体200。
射束整形体12进一步包括反射体121、缓速体122、热中子吸收体123、辐射屏蔽体124和射束出口125，中子产生装置11生成的中子由于能谱很广，除了超热中子满足治疗需要以外，需要尽可能的减少其他种类的中子及光子含量以避免对操作人员或被照射体造成伤害，因此从中子产生装置10出来的中子需要经过缓速体22将其中的快中子能量(＞40keV)调整到超热中子能区(0.5eV-40keV)并尽可能减少热中子(＜0.5eV)，缓速体22由与快中子作用截面大、超热中子作用截面小的材料制成，作为一种优选实施例，缓速体122由D
2O、AlF
3、Fluental
TM、CaF
2、Li
2CO
3、MgF
2和Al
2O
3中的至少一种制成；反射体121包围缓速体122，并将穿过缓速体122向四周扩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强的材料制成，作为一种优选实施例，反射体121由Pb或Ni中的至少一种制成；缓速体122后部有一个热中子吸收体123，由与热中子作用截面大的材料制成，作为一种优选实施例，热中子吸收体123由Li-6制成，热中子吸收体123用于吸收穿过缓速体122的热中子以减少中子束N中热中子的含量，避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，可以理解，热中子吸收体也可以是和缓速体一体的，缓速体的材料中含有Li-6；辐射屏蔽体124用于屏蔽从射束出口125以外部分渗漏的中子和光子，辐射屏蔽体124的材料包括光子屏蔽材料和中子屏蔽材料中的至少一种，作为一种优选实施例，辐射屏蔽体124的材料包括光子屏蔽材料铅(Pb)和中子屏蔽材料聚乙烯(PE)。准直器13设置在射束出口125后部，从准直器13出来的超热中子束向被照射体200照射，经浅层正常组织后被缓速为热中子到达肿瘤细胞M。可以理解，射束整形体20还可以有其他的构造，只要能够获得治疗所需超热中子束即可；为描述方便，当设置有准直器13时，准直器13的出口也可以看做是下文所述的射束出口125。本实施例中，被照射体200和射束出口125之间还设置了辐射屏蔽装置15，屏蔽从射束出口125出来的射束对被照射体正常组织的辐射，可以理解，也可以不设置辐射屏蔽装置15。
被照射体200服用或注射含硼(B-10)药物后，含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞M中， 然后利用含硼(B-10)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由
10B(n,α)
7Li中子捕获及核分裂反应产生
4He和
7Li两个重荷电粒子。两荷电粒子的平均能量约为2.33MeV，具有高线性转移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特征，α粒子的线性能量转移与射程分别为150keV/μm、8μm，而
7Li重荷粒子则为175keV/μm、5μm，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。
硼中子捕获治疗系统100整体容纳在混凝土构造的建筑物中，具体来说，硼中子捕获治疗系统100还包括照射室101和带电粒子束生成室102，治疗台14上的被照射体200在照射室101中进行中子束N照射的治疗，带电粒子束生成室102至少部分容纳加速器111，射束整形体12至少部分容纳在照射室101和带电粒子束生成室102的分隔壁103内。可以理解，分隔壁103可以是将照射室101和带电粒子束生成室102完全隔开的；也可以是照射室101和带电粒子束生成室102之间的部分隔断，照射室101和带电粒子束生成室102是相通的。靶材T可以有一个或多个，带电粒子线P可选择地与其中一个或几个靶材T作用或同时与多个靶材T作用，以生成一个或多个治疗用中子束N。与靶材T的个数相应，射束整形体12、准直器13、治疗台14也可以为一个或多个；多个治疗台可以设置在同一个照射室内，也可以为每个治疗台设置一个单独的照射室。照射室101和带电粒子束生成室102为混凝土壁W(包括分隔壁103)包围形成的空间，混凝土结构可以屏蔽硼中子捕获治疗系统100工作过程中泄露的中子及其他辐射线。
硼中子捕获治疗系统100还可以包括准备室103、控制室(图未示)和其他用于辅助治疗的空间。每一个照射室101可以配置一个准备室103，准备室103用于进行照射治疗前被照射体200的模拟定位、注射硼药等准备工作，准备室103内的模拟定位节约了在照射室101内进行照射治疗前对被照射体200定位的工作时间，在进行准备工作的同时可以对另一被照射体进行照射治疗，增加了设备的利用率。操作者在控制室内进行中子束照射装置10的照射的控制。参阅图3，中子束照射装置10的射束出口125至少部分设置在照射室101内，准备室103内设置与中子束照射装置10的射束出口125相同的模拟射束出口125’和模拟治疗台14’。立体视觉装置通过在不同位置采集同一物体的多个图像来构建物体的三维信息，能够准确监测被照射体的位姿，确保按治疗计划进行照射治疗。照射室101和准备室103内可以分别设置立体视觉装置40、40’用于采集被照射体200的图像并计算获得图像数据，如被照射体200在立体视觉装置坐标系下的坐标矩阵，从而确定被照射体200的位置。一实施例中，采用两个CCD相机组成双目立体视觉装置，可以理解，CCD相机也可以替换为其他图像采集设备，图像采集设备的数量可以为2个或2个以上，本发明对此不作具体限定。照射室101内的射束出口125和立体视觉装置40具有与准备室内103的模拟射束出口125’和立体视觉装置40’相同的位置关系，因此，在 准备室和照射室中定义相同的照射坐标系和立体视觉装置坐标系，控制模块30能够获得照射坐标系与立体视觉装置坐标系的坐标转换矩阵并将被照射体200在立体视觉装置坐标系下的坐标矩阵转换为在照射坐标系下的坐标矩阵，即控制模块30将立体视觉装置40、40’采集的被照射体200的图像转换为被照射体200在照射坐标系下的坐标矩阵。参阅图4，下面详述本发明实施例的放射线照射系统的工作过程及被照射体被定位的过程：
S301：治疗计划模块20生成治疗计划，并确定被照射部位在照射治疗时相对于中子束照射装置10的位置及相应的照射时间。
S302：控制模块30从治疗计划模块20调取当前被照射体200对应的治疗计划。
S303：在准备室103内根据治疗计划确定的被照射部位的位置对模拟治疗台14’和模拟治疗台14’上的被照射体200进行模拟定位。
S304：将准备室103内的立体视觉装置40’采集的被照射部位的图像传输到控制模块30，并与治疗计划确定的被照射部位的位置进行比较。
如果比较的结果在允许的差别范围内，则执行步骤S305：确定模拟定位位姿；如果比较的结果超过允许的差别范围，则返回步骤S303，根据比较的结果调整模拟定位。
S306：按确定的模拟定位位姿在照射室101内对治疗台14和治疗台14上的被照射体200进行照射定位。
S307：将照射室101内的立体视觉装置40采集的被照射部位的图像传输到控制模块30，并与治疗计划确定的被照射部位的位置进行比较。
如果比较的结果在允许的差别范围内，则执行步骤S308：开始照射治疗；如果比较的结果超过允许的差别范围，则返回步骤S306，根据比较的结果调整照射定位。
S309：达到治疗计划确定的照射时间，停止照射治疗。
一实施例中，在步骤S308开始照射治疗后，还可以包括步骤S310：照射室101内的立体视觉装置40实时采集被照射部位的图像并传输到控制模块30，与治疗计划确定的被照射部位的位置进行比较。
如果比较的结果在允许的差别范围内，则执行步骤S311：继续进行照射治疗，并返回步骤S310持续进行比较；如果比较的结果超过允许的差别范围，则执行步骤S312：暂停治疗，根据比较的结果调整照射定位后返回步骤S310。
参阅图5，步骤S301进一步包括：
S401：将被照射部位的医学影像数据转换成蒙特卡罗模拟程序所需的体素假体组织模型， 并获得蒙特卡罗模拟程序输入档所需的数据。
一实施例中，医学影像数据采用电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)的数据，被照射部位的医学影像数据包括被照射部位的医学影像体素模型在医学影像坐标系下的坐标矩阵及CT值矩阵，治疗计划模块将CT值矩阵转换为组织种类信息矩阵。在BNCT中，还可以定义组织硼浓度信息，即得到带有组织种类和组织硼浓度信息的蒙特卡罗模拟程序所需的体素假体组织模型。可以理解，还可以使用其他的医学影像数据，只要该医学影像数据能够被转换成三维体素假体组织模型，就能够应用于本发明揭示的放射治疗系统及其治疗计划生成方法中。根据医学影像数据建立体素假体组织模型的详细过程，可以参照2017年03月08日公开的、公开号为CN106474634A、发明名称为“基于医学影像数据的几何模型建立方法”的专利申请，在此全文引入。
S402：在蒙特卡罗模拟程序(如MCNP，Monte Carlo N Particle Transport Code)中定义射束参数，通过对不同照射角度取样进行剂量模拟计算。
建立带有组织种类和组织硼浓度信息的体素假体组织模型后，便可以通过蒙特卡罗模拟程序模拟BNCT中被照射体被中子束照射时内部三维空间核粒子碰撞轨迹和能量分布，在蒙特卡罗模拟程序中定义射束参数(如射束能量、强度、半径等)，通过对不同照射角度取样，模拟计算三维体素假体组织模型在不同照射角度的剂量分布。
S403：根据计算结果对照射角度进行优选生成治疗计划，确定被照射部位的最优照射角度。
得到剂量分布后，根据剂量指标(如处方剂量)、剂量限值(如平均剂量、最大剂量)等对不同的照射角度进行优选评估确定治疗计划，即最优照射角度及相应的照射时间。可以理解，在步骤S420对照射角度取样时，或者在步骤S430对照射角度进行优选评估时，还可以对射束路径进行评价，本申请对射束角度评价的方法不做具体限定，如可以参照2017年06月16日公开的、公开号为CN106853272A、发明名称为“射束的照射角度评价方法”的专利申请。治疗计划模块计算得到的最优照射角度，确定了被照射部位相对于中子束照射装置10的位置。一实施例中，治疗计划模块20还可以在蒙特卡罗模拟程序中定义与准备室、照射室相同的照射坐标系，治疗计划模块20将被照射部位在医学影像坐标系下的坐标矩阵转换为照射坐标系下的坐标矩阵，治疗计划模块计算得到的治疗计划数据包括最优照射角度下被照射部位的体素假体组织模型在照射坐标系下的坐标矩阵，可以理解，在蒙特卡罗模拟程序中也可以不进行照射坐标系的坐标矩阵转换，而是由治疗计划模块20或控制模块30计算出照射坐标系相对于医学影像坐标系的坐标变换矩阵，在后续的步骤中通过坐标变换矩阵进行转换从而进行比 较。
在准备开始进行照射治疗时，执行步骤S302，控制模块30从治疗计划模块20调取当前被照射体200对应的治疗计划。从治疗计划可以获得被照射部位的位置，如在控制模块30的人机界面中显示被照射部位的模型相对于虚拟射束出口的位置或显示相关的位置参数，即可以进行步骤S303，在准备室103内根据治疗计划确定的被照射部位的位置对模拟治疗台14及模拟治疗台14’上的被照射体200进行模拟定位。此过程是医师等操作者手动进行的，还需与治疗计划进行比较确认，一实施例中，通过步骤S304，将准备室103内的立体视觉装置40’采集的被照射部位的图像传输到控制模块30，控制模块30将其转换到照射坐标系与治疗计划数据确定的被照射部位的体素假体组织模型在照射坐标系下的坐标矩阵进行比较，以确保在允许的差别范围内，即可以确定模拟定位位姿(步骤S305)；否则，返回步骤S303调整模拟定位位姿，如根据比较的结果计算偏差量并根据计算得到的偏差量进行调整；还可以不调整，在照射室101对被照射体200进行定位时考虑该偏差量。模拟定位的过程考虑到被照射体的实际情况并尽可能与治疗计划确定的照射位置保持一致。
一实施例中，为了使立体视觉装置采集到的数据更加快速、准确，在被照射部位上设置特征图形201，并采集特征图形201在被照射部位的医学影像中的位置，特征图形201采用既能被医学影像显影又容易被立体视觉装置识别的材质，特征图形201的形状不限，图3所示实施例中为三角形。可以理解，此过程可以在步骤S304之前进行(如在步骤S401采集被照射部位的医学影像数据前设置特征图形201，即可以同时获得被照射部位的医学影像数据和特征图形201在被照射部位的医学影像中的位置)也可以在步骤S304中进行。立体视觉装置40’采集特征图形201的图像传输到控制模块30，控制模块30通过特征图形在被照射部位的医学影像中的位置将其转换为被照射部位在照射坐标系下的坐标矩阵，与治疗计划数据确定的被照射部位的体素假体组织模型在照射坐标系下的坐标矩阵进行比较，以确保在允许的差别范围内，确定模拟定位位姿。
模拟定位完成后，即可以进行步骤S306，按确定的模拟定位位姿在照射室101内对治疗台14和治疗台14上的被照射体200进行照射定位，一实施例中，照射室101内还设置有治疗台定位装置50，控制模块30通过控制治疗台定位装置50控制治疗台14进行移动，可以理解，准备室103内也可以设置治疗台定位装置来控制模拟治疗台14’进行移动以进行被照射体的模拟定位。此过程也是医师等操作者手动进行的，还需将照射室101内的立体视觉装置40采集的被照射部位的图像与步骤S305确定的模拟定位位姿相应的被照射部位的图像或治疗计划进行比较确认，如执行步骤S307，一实施例中，照射室101内的立体视觉装置40采集的特征图形的图像，控制模块30通过特征图形在被照射部位的医学影像中的位置将其转换为被照射部位在照射坐 标系下的坐标矩阵，与治疗计划数据确定的被照射部位的体素假体组织模型在照射坐标系下的坐标矩阵进行比较以确保在允许的差别范围内，可以开始照射治疗(步骤S308)，控制模块30控制中子束产生装置11产生中子束，即控制射束照射装置10对被照射体200开始进行照射治疗；否则，返回步骤S306调整照射位姿，如根据比较的结果计算偏差量并根据计算得到的偏差量进行调整。
照射治疗过程中，照射室101内的立体视觉装置40可以持续实时采集被照射部位的图像并传输到控制模块30，与步骤S308中开始照射治疗时相应的被照射部位的图像或步骤S305确定的模拟定位位姿相应的被照射部位的图像或治疗计划进行比较，如执行步骤S310。一实施例中，照射室101内的立体视觉装置40实时采集的特征图形的图像，控制模块30通过特征图形在被照射部位的医学影像中的位置将其转换为被照射部位在照射坐标系下的坐标矩阵，与治疗计划数据确定的被照射部位的体素假体组织模型在照射坐标系下的坐标矩阵进行比较以确保在允许的差别范围内，继续进行照射治疗(步骤S311)，并返回步骤S310持续进行比较；否则，执行步骤S312，暂停治疗并根据比较的结果调整照射位姿后返回步骤S310，可以理解，也可以是对治疗计划进行调整，照射治疗过程中，还可以根据控制模块30接收到的其他信息，对治疗计划进行调整或执行其他控制。当控制模块30判断达到治疗计划确定的照射时间，即执行步骤S309，控制模块控制射束照射装置10停止照射被照射体200，如控制中子产生装置11停止产生中子束。
一实施例中，照射室101和准备室103内均设置相同的且具有同样的位置关系的激光定位装置60、60’，治疗计划模块20可以模拟激光定位装置60、60’产生的激光打到治疗计划确定的照射角度的被照射部位上的位置，操作者根据该位置并在被照射体200上做标记，并根据做好的标记调整被照射体200在准备室103模拟定位和照射室101照射定位时的位置和姿势(步骤S303和步骤S306)，使激光定位装置60、60’产生的激光打到被照射体200上的位置与该标记一致。设置激光定位装置，使操作者手动定位时更加方便和快捷。
激光定位装置60、60’产生的激光还可以确定与射束出口125、125’的中心轴线X、X’一致的位置，如图3中所示，即激光定位装置60、60’产生的激光打到被照射体200上的位置代表了射束出口125、125’出来的射束中心轴线入射到被照射体200上的位置，根据治疗计划模拟的射束中心轴线在体素假体组织模型的入射点在被照射体200上做标记，使得模拟定位和照射治疗时确定的射束入射位置更加准确。
治疗计划还可以确定多个照射角度依次照射，如参照本申请人于2020年06月11日递交到国家知识产权局、申请号为202010528551.0、发明名称为“放射治疗系统及其治疗计划生成方 法”的专利申请，在第一照射角度的照射完成后，需在准备室重新进行第二照射角度的模拟定位，即重复上述步骤S303-S312。
可以理解，上述步骤中计算方法的一些简单变换，如不同坐标系先后转换的简单变换，仍然在本发明要求保护的范围之内；本实施例中的混凝土壁为厚度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，除了增强混凝土的辐射屏蔽效果，还可降低混凝土中金属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换为其他材料，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，本发明还可以应用于其他类型的中子照射系统；也可以应用于其他放射线照射系统，如质子治疗系统、重离子治疗系统等，此时中子产生装置可以替换为其他放射线产生装置，混凝土的材料可以根据需要进行替换；治疗台也可以为其他被照射体的载置台。
可以理解，还可以不设置准备室及准备室内的立体视觉装置，开始照射治疗前直接在照射室内按照治疗计划确定的被照射部位的位置进行照射定位，并与治疗计划进行比较。具体的，放射线照射系统包括射束照射装置、治疗计划模块、控制模块、准备室和照射室，射束照射装置用于产生治疗用射束并将治疗用射束照射到被照射体形成被照射部位，治疗计划模块用于根据治疗用射束的参数和被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，治疗计划确定被照射部位在照射治疗时相对于射束照射装置的位置，控制模块用于根据治疗计划控制射束照射装置的照射，被照射体在照射室内根据治疗计划确定的被照射部位的位置进行照射定位，照射室内设置立体视觉装置，立体视觉装置用于采集被照射部位的图像，控制模块将图像与治疗计划确定的被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内并控制射束照射装置对被照射体开始进行照射治疗；放射线照射系统的控制方法包括：治疗计划模块根据射束照射装置产生的治疗用射束的参数和被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，治疗计划确定被照射部位在照射治疗时相对于射束照射装置的位置和相应的照射时间；控制模块从治疗计划模块调取当前被照射体对应的治疗计划；在照射室内根据治疗计划确定的被照射部位的位置对被照射体进行照射定位；立体视觉装置采集被照射部位的图像，控制模块将图像与治疗计划确定的被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内并控制射束照射装置对被照射体开始进行照射治疗；达到治疗计划确定的照射时间，控制模块控制射束照射装置停止照射被照射体。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，都在本发明要求保护的范围之内。
Claims (15)
- 一种放射线照射系统，其特征在于，包括：射束照射装置，所述射束照射装置用于产生治疗用射束并将所述治疗用射束照射到被照射体形成被照射部位；治疗计划模块，所述治疗计划模块用于根据所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，所述治疗计划确定所述被照射部位在照射治疗时相对于所述射束照射装置的位置；控制模块，所述控制模块用于根据所述治疗计划控制所述射束照射装置的照射；准备室，所述被照射体在所述准备室内根据所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行模拟定位，所述准备室内设置第一立体视觉装置，所述第一立体视觉装置用于采集所述被照射部位的第一图像，所述控制模块将所述第一图像与所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内并确定所述被照射体的模拟定位位姿；照射室，所述被照射体在所述照射室内根据确定的所述模拟定位位姿进行照射定位，所述照射室内设置第二立体视觉装置，所述第二立体视觉装置用于采集所述被照射部位的第二图像，所述控制模块将所述第二图像与确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体开始进行照射治疗。
- 根据权利要求1所述的放射线照射系统，其特征在于，所述射束照射装置包括至少部分设置在所述照射室内的射束出口，所述准备室内设置与所述射束出口相同的模拟射束出口，所述模拟射束出口和所述第一立体视觉装置具有与所述射束出口和所述第二立体视觉装置相同的位置关系，所述准备室和所述照射室中定义相同的照射坐标系，所述控制模块能够将所述第一、第二图像转换为所述被照射部位在所述照射坐标系下的坐标矩阵。
- 根据权利要求2所述的放射线照射系统，其特征在于，所述治疗计划模块采用蒙特卡罗模拟程序进行剂量模拟计算，所述治疗计划模块将所述被照射部位的医学影像数据转换成所述蒙特卡罗模拟程序所需的体素假体组织模型，所述被照射部位的医学影像数据包括所述被照射部位在医学影像坐标系下的坐标矩阵，所述治疗计划模块或所述控制模块能够获得所述医学影像坐标系 与所述照射坐标系的坐标转换矩阵。
- 根据权利要求2所述的放射线照射系统，其特征在于，所述被照射部位上设置特征图形，所述特征图形采用既能被医学影像显影又能被所述第一、第二立体视觉装置识别的材质，所述第一、第二立体视觉装置通过采集所述特征图形的图像来采集所述被照射部位的图像，所述控制模块根据所述特征图形在所述被照射部位的医学影像中的位置将所述特征图形的图像转换为所述被照射部位在所述照射坐标系下的坐标矩阵。
- 根据权利要求2所述的放射线照射系统，其特征在于，所述准备室和所述照射室内均设置相同的且具有同样的位置关系的激光定位装置，所述治疗计划模块能够模拟所述激光定位装置产生的激光打到所述被照射部位上的位置。
- 根据权利要求5所述的放射线照射系统，其特征在于，所述激光定位装置产生的激光确定与所述射束出口和所述模拟射束出口的中心轴线一致的位置。
- 根据权利要求1所述的放射线照射系统，其特征在于，所述放射线照射系统还包括设置在所述照射室内的治疗台和治疗台定位装置，所述被照射体在所述治疗台上进行照射治疗，所述控制模块通过所述治疗台定位装置控制所述治疗台进行移动。
- 根据权利要求1所述的放射线照射系统，其特征在于，所述第二立体视觉装置在照射治疗时实时采集所述被照射部位的第三图像，所述控制模块将所述第三图像与开始照射治疗时相应的所述被照射部位的第二图像或确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体持续进行照射治疗。
- 根据权利要求1所述的放射线照射系统，其特征在于，所述放射线照射系统为中子捕获治疗系统，所述射束照射装置包括中子产生装置、射束整形体和治疗台，所述中子产生装置包括加速器和靶材，所述加速器对带电粒子加速产生带电粒子线并与所述靶材作用产生中子线，所述射束整形体能够调整所述中子产生装置产生的中子线到预设射束品质，所述中子产生装置产生的中子线通过所述射束整形体照射向所述治疗台上的所述被照射体。
- 一种放射线照射系统的控制方法，其特征在于，所述放射线照射系统包括射束照射装置、治疗计划模块、控制模块、准备室和照射室，所述射束照射 装置用于产生治疗用射束并将所述治疗用射束照射到被照射体形成被照射部位，所述准备室和所述照射室内分别设置第一、第二立体视觉装置，所述控制方法包括：所述治疗计划模块根据所述射束照射装置产生的所述治疗用射束的参数和所述被照射部位的医学影像数据进行剂量模拟计算并生成治疗计划，所述治疗计划确定所述被照射部位在照射治疗时相对于所述射束照射装置的位置和相应的照射时间；所述控制模块从所述治疗计划模块调取当前所述被照射体对应的所述治疗计划；在所述准备室内根据所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置对所述被照射体进行模拟定位；所述第一立体视觉装置采集所述被照射部位的第一图像，所述控制模块将所述第一图像与所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内并确定所述被照射体的模拟定位位姿；在所述照射室内根据确定的所述模拟定位位姿对所述被照射体进行照射定位；所述第二立体视觉装置采集所述被照射部位的第二图像，所述控制模块将所述第二图像与确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体开始进行照射治疗；达到所述治疗计划确定的照射时间，所述控制模块控制所述射束照射装置停止照射所述被照射体。
- 根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：在所述射束照射装置对所述被照射体开始进行照射治疗后，所述第二立体视觉装置在照射治疗时实时采集所述被照射部位的第三图像，所述控制模块将所述第三图像与开始照射治疗时相应的所述被照射部位的第二图像或确定的所述模拟定位位姿相应的所述被照射部位的第一图像或所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置进行比较以确保在允许的差别范围内，并控制所述射束照射装置对所述被照射体持续进行照射治疗。
- 根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括： 在所述准备室和所述照射室中定义相同的照射坐标系，所述治疗计划模块将所述被照射部位的医学影像数据转换成体素假体组织模型，将所述治疗计划确定的所述被照射部位的位置转换为所述被照射部位的体素假体组织模型在所述照射坐标系下的坐标矩阵。
- 根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：所述控制模块将所述第一、第二图像转换到所述照射坐标系以进行比较。
- 根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：在所述被照射部位上设置特征图形，并采集所述特征图形在所述被照射部位的医学影像中的位置。
- 根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：所述第一、第二立体视觉装置采集所述特征图形的图像并传输到所述控制模块，所述控制模块通过所述特征图形在所述被照射部位的医学影像中的位置将其转换为所述被照射部位在所述照射坐标系下的坐标矩阵以进行比较。
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